CN100480197C - 厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器。反应器本体由下至上依次设有沉淀区、反应区、沉降区，沉降区内设有污泥斗，污泥斗上方设有布水器，布水器上设支撑管，支撑管上端设有反射板，反应区内有固定化微生物填料、内循环回流管，内循环回流管上端设有第一和第二漏斗状挡板，第一漏斗状挡板与反应器本体壁连接处设有三相分离器，通过气室与第二排气管、第二气体转子流量计、第二针阀、水封箱相接，反应器本体外壁设多个取样口，反应器本体上部通过U型管与出水管、液体转子流量计、第二截止阀、出水水箱相接，本发明适用于固定化厌氧微生物填料处理污水，能够无动力运行，降解污染物，并可实现高效脱氮，且取样方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器。
背景技术
由于环境污染日益严重，国家对环境治理也越来越重视。特别是随着社会主义新农村建设在全国的推行，加强农村生态环境改造，加强农村基础设施建设已成为国家“十一五”工作的重点，其中尤以水环境的治理，污水处理设施及设备的研制为主。本发明就是针对污水处理中的脱氮难实际问题，开发厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，以提高污水处理效果，特别是脱氮效率。
二十世纪七十年代初，世界范围内能源危机的加剧以及全球环境问题的日益突出，以及学科之间的相互交叉促进了人们对生物处理技术研究的不断深入。废水的生物处理的理论与应用技术出现了突破性的进展，反应器成为其中发展最快的领域之一。从微生物在反应器中生长方式的角度，废水生物反应器分为两种基本类型：第一种为附着生长反应器。这类反应器的微生物在固体支撑物上以生物膜形式生长，其缺点是填料昂贵、处理负荷相对较低、易堵塞(对滤池)、动力消耗较大(对膨胀床、流化床)。第二种为悬浮生长反应器。该反应器需要搅拌(或以其它方式)以使微生物(如颗粒污泥、颗粒填料)始终处于悬浮状态。由于结构简单、处理效果显著，此类反应器被认为是最有发展前途的废水处理装置。
目前常见的厌氧反应器主要有以下三种：厌氧膨胀颗粒污泥床(ExpandedGranular Sludge Bed，简称EGSB)、升流式厌氧污泥层(Upfow Anaerobic SludgeBlanket，简称UASB)、内循环厌氧(Internal Circulation，简称IC)反应器，它们充分运用了污泥颗粒化、流态化、反馈控制(回流)、大高径比设计等成熟生物与工程技术，同时由于作为微生物聚合体的颗粒污泥的各项性能随着反应器的操作条件和处理负荷等因素做出相应的调整，克服了附着生长反应器由于使用填料而造成的易堵塞和动力消耗较大等缺点，并且悬浮生长反应器依靠很高的液体上升流速和所产生大量生物气使得颗粒污泥始终处于良好的悬浮状态，其中的颗粒污泥与附着生长反应器中填料、固体支撑物或载体所起的作用相似。总得说来，厌氧反应器无需动力供氧，对于处理高浓度有机废水有一定的效果，污水的COD、BOD去除率较高，但由于反应器内处于厌氧状态，对污水中的氨氮的去除很低。
固定化微生物技术是使用化学或物理手段，将游离细胞或者酶定位于限定的区域，使其保持活性并可反复利用的方法。最初主要用于发酵生产，70年代后期，被利用到水处理领域，近年来则成为各国学者研究的热点。固定化微生物技术克服了生物细胞太小，与水溶液分离较难，易造成二次污染的缺点，保持了效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种的优点，在废水处理领域有广阔的应用前景。固定化微生物技术与其它环境治理技术相比，具有以下特点：1)微生物固定化可以保持反应器内微生物的高浓度和高活性，有利于提高污染物的处理负荷和去除效率；2)采用固定化微生物技术的工艺，污泥产量低，减轻了后续污泥处置的负担；3)微生物固定化形成颗粒态，有利于沉淀过程的泥水分离；4)将具有降解某些难降解有机物特性的微生物固定化，可有效地处理某些行业废水；5)微生物固定化对有毒物质的承受能力强，稳定性好；6)微生物固定化处理，简化了工艺，节省污染治理的投资费用和运行费用。因此，在环境污染治理方面正对固定化微生物技术进行着广泛的研究和深入的探讨。
固定化微生物技术以其独特的优点在废水处理领域中引起了普遍的关注，进行了广泛的研究与应用，但要实现其实用化或工业化，还有许多问题需要进一步研究解决。与之相配套的固定化微生物反应器的设计就是其中之一，固定化微生物反应器有着非常广阔的应用前景，然而有关固定化微生物反应器的设计方面的资料却比较缺乏。因此，结合当前污水处理反应器存在的问题，设计厌氧型固定化微生物反应器，对于提高污水处理效率，特别氨氮的去除率，具有重要的意义。
纵观国内外文献资料，通常反应器主要由五部分组成：进水分配系统、反应区、三相分离器、出水系统、排泥系统及气体收集系统。1)进水分配系统设在反应器的底部，其功能主要是把废水均匀的分配到整个反应器，使有机物能在反应区内均匀分布，有利于废水与固定化微生物填料的充分接触，使反应器内的微生物能够充分获得营养，这样有利于提高反应器容积的利用率。同时，进水分配系统还具有搅拌功能。2)反应区是整个反应器的核心部分，包括固定化微生物填料、流化层和污泥沉降区。反应区是富集固定化微生物填料的区域，废水在这里与固定化微生物填料充分接触，产生强烈的厌氧反应，使有机物被厌氧菌分解。3)三相分离器的功能是把气体、固体(固定化微生物填料)和液体分开，由沉淀区、气室和气封组成。气体先被分离后进入气室，然后固液混合液在沉淀区进行分离，下沉的固体靠重力由回流缝返回反应区。三相分离器的分离效果直接影响着反应器的处理效果。4)出水系统的作用是将处理后的污水收集起来，排出反应器。5)排泥系统的作用是定期排放反应区内的剩余污泥。气体收集系统的作用是收集反应器内产生的生物气，分析其含量及成分，为调试反应器的运行状态提供依据。
根据不同的废水性质，反应器的构造有所不同，主要可分为开放式和封闭式两种。开放式的特点是反应器的顶部不封闭，不收集沉淀区液面释放的生物气。这种反应器主要是用于处理中低浓度的有机废水，中低浓度的废水经反应区处理后，出水中的有机物浓度已较低，所以在沉淀区产生的气量较少，一般不需要回收。这种形式的反应器结构比较简单，易于施工安装和维修。封闭式的特点是反应器的顶部是密封的。三相分离器的构造和开放式不同，不需要专门的集气室，而是在液面与池面之间形成一个大的集气室，可以同时收集反应区和沉淀区的生物气。这种形式的反应器适用于处理高浓度有机废水或含硫酸盐较高的有机废水。因为处理高浓度有机废水时，沉淀区仍有较多的气体逸出，必须进行回收。此外，反应器的形状有矩形、方形和圆形，圆形反应器具有结构较稳定、布水均匀的特点，但是建造圆形反应器的三相分离器要比矩形和方形反应器复杂得多。
发明内容
本发明的目的是提供一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器。
厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器具有反应器本体，反应器本体由下至上依次设有沉淀区、反应区和沉降区，沉降区内设有污泥斗，污泥斗上方设有布水器，布水器上设支撑管，支撑管上端设有反射板，反应区内设有固定化微生物填料、内循环回流管，内循环回流管通过内循环回流管支撑柱与反应器本体相接，内循环回流管上端设有第二漏斗状挡板，第二漏斗状挡板上方设有第一漏斗状挡板，反应器本体污泥斗底部与第一截止阀、排泥管相接，布水器通过进水管与水泵相接，水泵放置在进水水箱内，反应器本体外壁设有多个取样口，第一漏斗状挡板与反应器本体壁连接处设有三相分离器，三相分离器下部设有气室，气室通过第二排气管与第二气体转子流量计、第二针阀和水封箱相接，反应器本体上部通过U型管与出水管、液体转子流量计、第二截止阀和出水水箱相接，反应器本体顶部设有填料加入口封盖、第一排气管，第一排气管与第一气体转子流量计、第一针阀和水封箱相接。
所述的固定化微生物填料为竹炭固定化厌氧微生物填料，其料粒为3～8mm。第一漏斗状挡板与反应器本体壁连接夹角为45°～60°，母线长100～122mm，与内循环回流管夹角为120°～135°，母线长为50～75mm。沉淀区、反应区、沉降区的高度比为：36：54：31～40：54：31。出水管、取样口的管口设有滤网，滤网孔径为1～5mm。布水器为十字形布水器，布水器管径为20～30mm，布水孔孔径为1～3mm，布水孔孔间距5～8mm。取样口为6个取样口，最下部的取样口距反应区底部160～180mm，六个取样口相互间隔140～160mm，取样口直径10～30mm。
本发明具有的有益效果主要表现在以下几个方面：(1)本发明内循环回流管及上部两个漏斗状档板的设计，使上升液体中一部分能通过内循环回流管进行回流，实现了无动力回流，并且沉淀区中沉降的固定化微生物填料也可以通过内循环回流管再次进入反应区参与反应，从而增加水力停留时间，提高填料的利用效率，增加污水处理效果。(2)与传统塑料填料相比，采用自制的新型竹炭固定化微生物填料，固定化脱氮微生物，能同时发挥微生物的降解作用和固定化介质的吸附作用，提高系统的脱氮能力。且竹炭固定化微生物填料密度比水略大，能通过调节进水流量和流速，形成流化床，有利于污水与固定化微生物填料的充分接触，使反应器内的微生物能够充分获得营养，同时最大化降解污染物。(3)反射板的存在，既有利于回流液和固定化微生物填料向反应区流动，且均匀分布，又能有效防止下部上升流对回流的影响。(4)采用增加沉淀区高度的设计思想，能达到充分沉淀出水、回流污水以及沉降固定化微生物填料的目的。(5)厌氧型反应器顶部设排气管，目的是为了防止进入沉淀区的残留气体在反应器顶部积累，将厌氧产生的生物气及时排出反应器。(6)反应器顶部设有填料加入口封盖，一般情况下，填料加入口封盖关闭，防止外界灰尘等进入以及生物气外逸。当需添加固定化微生物填料时，可打开填料加入口封盖，添加固定化微生物填料。(7)在反应器外壁设计了6个取样口，可方便地采集不同深度处的污水样品，以便及时了解反应器的运行状况。此外，出水管和取样口分别设有滤网，目的是为了防止固定化微生物填料的流失。(8)将出水管设计成U型，目的是为了防止气体进入出水管，起到水封的作用。(9)整个反应器为圆柱体，便于水力流动，从而避免了传统反应器存在反应死角问题。
附图说明
附图是厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器结构示意图；
图中：气室1、内循环回流管支撑柱2、反应区3、固定化微生物填料4、进水管5、填料加入口封盖6、第一排气管7、U型管8、沉淀区9、三相分离器10、阀门11、取样口12、第一漏斗状挡板13、第二漏斗状挡板14、内循环回流管15、反射板16、支撑管17、沉降区18、布水器19、污泥斗20、第一截止阀21、排泥管22、出水管23、液体转子流量计24、第二截止阀25、出水水箱26、第二排气管27、第一气体转子流量计28、第二气体转子流量计29、第一针阀30、第二针阀31、进水水箱32、水封箱33、水泵34。
具体实施方式
本发明重点考虑了以下几点因素。1)反应器中沉淀区高度不够高，使固液混合液在沉淀区停留时间不够长，导致沉淀效果不佳，不利于固液相分离，且利用固定化微生物填料处理污水时，固定化微生物填料在沉淀区高度不够的情况下，易随水流而流失。因此，本次反应器的设计适当加大了沉淀区高度，既有利于固液相分离，又能有效防止固定化微生物填料的流失。2)一般反应器的回流，须在反应器外连接一回流装置，回流装置的采用会导致反应装置的整体结构不够紧凑，并且需提供动力，回流管的接入还会使反应器中水流不均，反应不稳定。因此，本次设计采用了内循环回流式结构，既提高了处理效果，又避免了动力消耗。3)任何一种三相分离器都存在回流缝中同时有污泥下降流和固液混合液上升流的现象，上升流速过大会导致下降的污泥不能很好的进入回流管并进行沉淀。在利用固定化微生物反应器处理污水时，一旦固定化微生物填料颗粒进入沉淀区，回流入反应区的可能性非常小，这样就会导致处理能力的降低。因此，本次设计中，应尽量控制混合液的上升流速，使填料处于流化状态，避免固定化微生物填料流失。4)一般反应器考虑到圆形反应器的三相分离器要比矩形和方形反应器复杂得多，故常采用矩形或方形反应器，但这样会导致反应器的结构不够稳定，在局部区域出现反应死角，造成水流型态不稳。因此，本次设计中，反应器采用圆形结构，改善水流型态，避免反应死角。5)一般反应器采用塑料填料，挂膜容易，但流动性能不好，本次设计中采用自制的竹炭固定化微生物填料小球，控制竹炭及微生物的数量，既发挥了竹炭的吸附性能，又利用了微生物的降解功能，且能改善水流型态。6)一般反应器设计时很少考虑后续采样问题，导致采样比较困难，而且不能采集到反应器中不同深度处的样品，不便及时了解反应器中污水的处理程度。因此，在本次设计中，在反应器壁上均匀设置有六个取样口，可方便地采集不同深度处的污水样品，便于及时了解污水处理状况。
如附图所示厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器具有反应器本体，反应器本体由下至上依次设有沉淀区9、反应区3和沉降区18，沉降区18内设有污泥斗20，污泥斗20上方设有布水器19，布水器上设有支撑管17，支撑管上端设有反射板16，反应区3内有固定化微生物填料4、内循环回流管15，内循环回流管15通过内循环回流管支撑柱2与反应器本体相接，内循环回流管15上端设有第二漏斗状挡板14，第二漏斗状挡板14上方设有第一漏斗状挡板13，反应器本体污泥斗20底部与第一截止阀21、排泥管22相接，布水器19通过进水管5与水泵34相接，水泵34放置在进水水箱32内，反应器本体外壁设有多个取样口12，第一漏斗状挡板13与反应器本体壁连接处设有三相分离器10，三相分离器10下部设有气室1，气室1通过第二排气管27与第二气体转子流量计29、第二针阀31和水封箱33相接，反应器本体上部通过U型管8与出水管23、液体转子流量计24、第二截止阀25和出水水箱26相接，反应器本体顶部设有填料加入口封盖6、第一排气管7，第一排气管7与第一气体转子流量计28、第一针阀30和水封箱33相接。所述的固定化微生物填料4为竹炭固定化厌氧微生物填料，其料粒为3～8mm。第一漏斗状挡板13与反应器本体壁连接夹角为45°～60°，母线长100～122mm，与内循环回流管15夹角为120°～135°，母线长为50～75mm。沉淀区9、反应区3、沉降区18的高度比为：36：54：31～40：54：31。出水管23、取样口12的管口设有滤网，滤网孔径为1～5mm。布水器19为十字形布水器，布水器管径为20～30mm，布水孔孔径为1～3mm，布水孔孔间距5～8mm。取样口12为6个取样口，最下部的取样口距反应区底部160～180mm，六个取样口相互间隔140～160mm，取样口直径10～30mm。
厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器是为厌氧微生物固定化填料反应而设计的，它没有曝气设备，整个反应过程处于厌氧状态。污泥是微生物处理污水的必然产物，因此排泥系统专为沉降污泥而设计，它由污泥斗、排泥管和截止阀组成。污泥斗的设计主要根据处理污水的性质，设计适宜的进水量、污泥产率系数、污泥含水率等参数，计算得污泥产量，从而确定污泥斗的容积和排泥周期。
对于气体收集系统，考虑到气体密度较小的特性，将排气管接口设在气室的最上端，以利于气体的排出，并依次连接有气体转子流量计和针阀，控制并测定气体的体积，同时在反应器顶部设排气管，依次连接有气体转子流量计和针阀，最终两排气管汇总连入水封箱，并对气体进行分析处理，防止污染。
进出水系统中设有进水水箱，其体积以反应器容积的1.2～1.5倍计，故设计进水水箱尺寸为500mm×400mm×500mm～560mm×400mm×500mm，内置水泵进水，进水管采用20～50mmPVC管，布水器是管径为20～30mm的十字形布水器，利于均匀布水，布水器中间有一用于支撑反射板的20～50mmPVC管。出水采用溢流出水，出水管依次连接截止阀和液体转子流量计，控制出水量，出水流入出水水箱，其体积以反应器容积的1.2～1.5倍计，设计出水水箱尺寸为500mm×400mm×500mm～560mm×400mm×500mm。
反应区及内循环回流系统的核心为三相分离器，而三相分离器中最主要的组件为内循环回流管，内循环回流管长300～350mm，直径75～100mm，上端的漏斗状挡板母线长50～75mm，母线与内循环回流管母线夹角为120～135°。内循环回流管的固定是是靠三根在圆柱形反应器内相互成120°均匀分布、与内循环回流管母线夹角为45°～60°，材质与反应器主体相同(为加厚有机玻璃)的支撑柱。其中，上端的支撑点在漏斗状档板与内循环回流管相交处，下端的支撑点在内循环回流管下部喇叭口底端。
具体说明如下：
1)固定化微生物填料的制备：把竹炭和微生物菌种混合吸附一定时间，向一定浓度的聚乙烯醇里添加少量的海澡酸钠，然后把上述两种溶液混合均匀后用滴管滴入含一定浓度的CaCl2的硼酸溶液中，调节pH值，在一定温度下固定化交联一定时间，取出固定化填料小球，用去离子水洗2～3次。从而得到了固定化微生物填料小球。
2)固定化微生物填料的装入：在处理污水之前，对于厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，先打开反应器顶部填料加入口封盖，将固定化微生物填料装入反应器中。通过测定固定化微生物填料的各项物理性状，计算出使固定化微生物填料正好呈悬浮态的最小上升水流流速；打开进水管截止阀，使孔径为15～30mm的十字形布水器开始均匀布水，调节流速至略大于该最小上升水流流速；当反应器中固定化微生物填料达到适宜的疏密程度，且流动稳定后，使反应器中固定化微生物填料刚好处于流化状态，盖好封盖。
3)水样监测：当反应器运行一段时间后，通过取样口自上而下依次取样，对各取样口水样的污染物浓度进行检测，分析固定化微生物填料的投加量以及污水水力停留时间是否合理，如果出水水样的氨氮浓度及COD浓度值不符合要求，则应考虑继续增加固定化微生物填料的投加量，同时调整水力停留时间，直至出水符合要求为止。当反应器运行较长一段时间后，也应对出水水样进行检测，因为固定化微生物填料在反应过程中会部分流失，同时，由于固定化微生物填料中微生物的新陈代谢作用和填料在流化床中的相互挤压作用，部分会发生破裂，故反应器运行较长一段时间后，若出水水样中氨氮浓度及COD浓度值偏高，则需向反应器中补充投加固定化微生物填料，以保证污水的处理效果。
4)反应器顶部气体的释放：反应器顶部开有小孔，其目的是为了防止进入沉淀区的少量气体在反应器顶部积累，少量气体随时间的变化而逐渐积累，故需定时打开反应器上端出气孔封盖，将积累在其中的气体排净，以防发生意外。同时，顶部小孔也便于向反应器中投加固定化微生物填料。
5)污泥的排出：依据设计，定时将污泥斗中污泥排出，具体方法是先关闭进水阀门，停止向反应器进水，打开反应器上端填料加入口封盖，然后打开排泥管的截止阀，利用重力作用将污泥斗中污泥排出。但操作时应注意观察，控制排泥速度，尽量不要将固定化微生物填料随污泥一起排出反应器，造成固定化微生物填料不必要的流失。
6)气体的排出：聚集在气室的气体以及在反应器顶部的气体通过第一排气管、第二排气管经过气体转子流量计和针阀进入到水封箱中，水封箱依靠液体起到密封作用，同时可配制不同的吸收液吸收气体。
Claims (7)
1.一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，它具有反应器本体，反应器本体由下至上依次设有沉淀区(9)、反应区(3)和沉降区(18)，沉降区(18)内设有污泥斗(20)，污泥斗(20)上方设有布水器(19)，布水器上设有支撑管(17)，支撑管上端设有反射板(16)，反应区(3)内设有固定化微生物填料(4)、内循环回流管(15)，内循环回流管(15)通过内循环回流管支撑柱(2)与反应器本体相接，内循环回流管(15)上端设有第二漏斗状挡板(14)，第二漏斗状挡板(14)上方设有第一漏斗状挡板(13)，反应器本体污泥斗(20)底部与第一截止阀(21)、排泥管(22)相接，布水器(19)通过进水管(5)与水泵(34)相接，水泵(34)放置在进水水箱(32)内，反应器本体外壁设有多个取样口(12)，第一漏斗状挡板(13)与反应器本体壁连接处设有三相分离器(10)，三相分离器(10)下部设有气室(1)，气室(1)通过第二排气管(27)与第二气体转子流量计(29)、第二针阀(31)和水封箱(33)相接，反应器本体上部通过U型管(8)与出水管(23)、液体转子流量计(24)、第二截止阀(25)和出水水箱(26)相接，反应器本体顶部设有填料加入口封盖(6)、第一排气管(7)，第一排气管(7)与第一气体转子流量计(28)、第一针阀(30)和水封箱(33)相接。
2.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的固定化微生物填料(4)为竹炭固定化厌氧微生物填料，其料粒为3～8mm。
3.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的第一漏斗状挡板(13)与反应器本体壁连接夹角为45°～60°，母线长100～122mm，与内循环回流管(15)夹角为120°～135°，母线长为50～75mm。
4.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的沉淀区(9)、反应区(3)和沉降区(18)的高度比为：36：54：31～40：54：31。
5.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的出水管(23)、取样口(12)的管口设有滤网，滤网孔径为1～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的布水器(19)为十字形布水器，布水器管径为20～30mm，布水孔孔径为1～3mm，布水孔孔间距5～8mm。
7.根据权利要求1所述的一种厌氧型内循环回流式固定化微生物流化床反应器，其特征在于，所述的取样口(12)为6个取样口，最下部的取样口距反应区底部160～180mm，六个取样口相互间隔140～160mm，取样口直径10～30mm。
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