CN100497196C - 高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，该系统由流化床装置、进水装置、进气装置、光照装置、监测装置和过滤装置组成，本发明将流态化技术与藻-菌共生水处理技术相结合，实现对高浓度有机废水的高效处理。本发明能有效处理食品废水、酿造废水、制糖废水等高浓度有机废水，具有传质效率高、易实现大规模处理和连续操作等特点，更好实现废水、载体、空气充分接触，提高光能利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种废水处理系统，特别是指一种用于处理高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统。
背景技术
80年代后，国内外对藻类的生产和处理污水进行了大量的实验室和试验性研究，涉及到藻种的选择、微藻处理反应器的结构以及藻-菌去除有机物与氮磷营养物的机理等许多方面。如国内华南理工大学郭祀远等对微藻的生长进行研究，开发了管道气升式磁处理光生物反应器微藻生产系统及监控方法；青岛海洋大学开发了新型光生物反应器对巴甫藻、小球藻、金藻等的养殖进行了研究。李川、古国榜等采用三相内循环式流化床光反应器和固定床生物反应器耦合处理4-氯酚(4-CP)废水，取得了较高的处理率；王爱丽将铜绿微囊藻和细菌混合固定化对污水中NH3-N和PO3 -4-P的净化效率的研究表明，固定化混合藻菌体系对污水中NH3-N和PO3 -4-P有较高的去除效率。
目前，利用藻-菌共生系统较大规模处理废水主要采用高效藻类塘。其缺点首先是占地面积大，在土地紧缺的地区(如珠三角地区)不宜推广；其次这种处理方式以自然光为光源，受到季节性、地域性、昼夜性的限制。所开发的光生物反应器大多处于实验室规模，而且普遍存在光能利用率低、流动行为不易监测和控制、传质较差、控制及放大困难等问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺点，本发明目的在于提供一种集藻-菌固定共生技术和流化床技术于一体的高浓度有机废水处理系统。该系统集藻-菌固定共生技术与流态化技术于一体，将藻类对污水中氮磷营养物和有机物的摄取去除功效、细菌强大的污染物降解能力及流化床的高效传质性能相结合处理高浓度有机废水。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，包括流化床装置(7)、进水装置、进气装置、光照装置、监测装置和过滤装置(32)，所述的流化床装置(7)由集水槽(24)、内管(18)和外管(19)组成的双圆筒、进气口(8)和气体分布装置(9)组成，所述集水槽为圆环形集水槽，所述进气口为倒圆锥形进气口；内管(18)和外管(19)间的上部为扩大区(23)，内管(18)和外管(19)间的下部为反应区(20)，反应区内设有颗粒载体(21)(如琼脂或粗孔硅胶等)；所述的进水装置包括培养液贮罐(11)、原水输送管(12)和调节池(13)，所述的调节池(13)外设有原水输送管(12)，培养液贮罐(11)与流化床装置(7)连接，培养液贮罐(11)内的培养液由阀控制；所述的进气装置包括CO2钢瓶(1)和缓冲罐(4)，CO2钢瓶(1)通过输出管与缓冲罐(4)连接，风机(3)通过空气管与缓冲罐(4)连接，缓冲罐(4)的输出管与进气口(8)相连；所述的光照装置(27)设置在内管(18)内；所述监测装置包括探测装置(22)和检测装置(26)；所述的探测装置(22)置于反应区(20)内；所述的过滤装置(32)与集水槽(24)的出水口(30)相连。
为了更好地实现本发明，所述的内管(18)的外表面和外管(19)的内表面设置有突出物，外管(19)顶端开口为锯齿形出水堰(28)，内管(18)上部设有一非封闭的内管固定套(29)，将其固定。
所述的气体分布装置(9)包括一个气体分布板和一个气体分布器，所述的气体分布板为一个中央带有通孔的圆形板，所述的气体分布器为一个圆锥，圆锥的底部可放置在气体分布板的中央通孔内，圆锥的底部正对倒圆锥形进气口(8)。
所述的反应区(20)的下部设有进水口(17)和底泥出口(10)。所述的进水口(17)的进水通道上设有污水泵(14)、流量计(15)、进水采样口(16)和阀门。
所述的集水槽(24)设于扩大区(23)外部，其一端设置沉淀物排出管(25)，另一端设置出水口(30)，并且集水槽(24)底部向沉淀物排出管(25)一端倾斜。
所述的探测装置(22)与检测装置(26)相连接，所述的探测装置包括温度传感器、pH电极、O2电极和测光探头，分别与检测装置(26)中的温度控制仪、pH测定仪、溶解氧仪、光度控制仪相连接。所述的反应区(20)内的探测装置(22)与外界检测装置(26)相接，以便对处理的全过程的参数进行检测与控制。
所述的外管(19)外还附加设置有一个光照装置(27’)。
所述的进气口(8)的进气通道上设有缓冲罐(4)和排空管(5)，进气通道中CO2及空气的量均由单独的流量计调节；出水口(30)的出水通道上设置有出水采样口(31)、过滤装置(32)和阀门。
所述的过滤装置(32)设有反冲洗进水管(34)和反冲洗出水管(35)。
本发明的技术原理如下：将藻类对污水中氮磷营养物和有机物的摄取去除功效、细菌强大的污染物降解能力及流化床的高效传质性能相结合。好氧菌将含碳有机物降解为二氧化碳和水；对含氮有机物进行氨化，继而进行硝化，生成氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐；将含磷有机物最后降解为正磷酸盐。由氧化降解产生的能量为细菌的代谢活动提供能量。而细菌降解有机质产生的CO2又成为藻类的主要碳源，促进了藻类的光合作用。在藻类新陈代谢的过程中，能将细菌代谢中产生的物质吸收转化为藻类的细胞物质。藻类光合作用释放出的氧，增加了水中的溶解氧，促进了好氧菌的代谢活动，使其能够维持正常的生命活动。反应区内的载体为藻-菌的固定提供基础，改变了细胞游离的存在形式，避免流化时固-液分离难的现象。高浓度有机废水和培养液由外管下部的侧面进入反应区后，在进气的作用下与载体一起流态化。流化床装置内外可各设光源，为藻体提供充足的光能。反应区内，流态化的流体动力学使得系统内的传递行为得到强化，流态化形成的湍流使载体在床层表面内外快速翻动，藻-菌细胞在表面层获得光能，在表面层以下利用光能，这对于具有间歇光效应的藻类来说尤为重要，使藻类满足间歇光效应规律，从而充分利用入射光光能。废水经反应区和扩大区后由顶部的出水堰排出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)采用藻-菌共生流化床技术，将藻类对污水中氮磷营养物和有机物的摄取去除功效与细菌强大的污染物降解能力有效结合，并利用流化床易于装卸流化、可实施连续流动和传质速率高等性能，克服了气升式反应器和传统光生物反应器等传质及光能利用率低的缺点，极大提高了废水的净化效率。装置内的载体使藻-菌系统固定化，解决了悬浮藻细胞与处理出水分离难的问题，使体系耐负荷冲击及抗抑制性强。
(2)在供气方面，高效气体分布装置的使用使进入反应器的空气产生的气泡小且分布均匀；同时可根据系统需氧量情况，利用流态化操作特性可方便地调节系统中溶解氧的浓度，例如可去除培养液中积累的溶解氧，克服高浓度溶解氧对光合作用的抑制，从而促进藻类的生长和污水的净化速率。
(3)在光照方面，由于结构的优化，可根据需要增加或减少光照强度，为藻-菌的生长提供充足的光能。这种可同时放置内、外光源的结构为反应器的放大提供便利。
(4)本发明的进、出水口均设有旁路采样口，反应区内设有探测装置，可优化系统光强、水温、进水量、进气量、藻体量等操作参数，从而保持系统较高的处理效率。
(5)本发明能有效处理食品废水、酿造废水、制糖废水等高浓度有机废水，既适合小规模高浓度有机废水的处理，也适合大规模高浓度有机废水的处理，可实现过程的连续化操作和全过程的优化控制，易与其他处理系统实现协同耦合运行。具有传质效率高、易实现大规模处理和连续操作等特点，更好实现废水、载体、空气充分接触，提高光能利用效率。
附图说明
图1为本发明高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统结构示意图。
1-CO2钢瓶，2-气体流量计，3-风机，4-缓冲罐，5-排空管，6-阀门，7-流化床装置，8-进气口，9-气体分布装置，10-底泥出口，11-培养液贮罐，12-原水输送管，13-调节池，14-污水泵，15-流量计，16-进水采样口，17-进水口18-内管，19-外管，20-反应区，21-载体，22-探测装置(包括温度传感器、pH电极、O2电极、测光探头)，23-扩大区，24-集水槽，25-沉淀物排出管，26-检测装置(包括温度控制仪、pH测定仪、溶解氧仪、光度控制仪)27-光照装置(附电源)，27’-光照装置(附电源)，28-出水堰，29-内管固底套，30-出水口，31-出水采样口，32-过滤装置，33-出水管，34-反冲洗进水管，35-反冲洗出水管。
图2为本发明的气体分布装置结构示意图。
其中，图2-1为气体分布板；图2-2为气体分布装置。
图A-环形气体分布板，B-倒圆锥体。
图3为本发明的流化床装置扩大区、集水槽结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2及3所示，本发明的高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统包括流化床装置、进气装置、进水装置、光照装置、监测装置和过滤装置，流化床装置7是由圆环形集水槽23、内管18和外管19组成的双圆筒、倒圆锥形进气口8和气体分布装置9组成，内管18和外管19之间形成的下部较窄部分为反应区20，反应区20内有颗粒状载体21(该载体为琼脂或粗孔硅胶等)，内管18和外管19之间形成的上部较宽的为扩大区23；进水装置包括培养液贮罐11和原水输送管12和调节池13，调节池13外设有原水输送管12，培养液贮罐11内的培养液由阀控制并与流化床装置7连接；进气装置包括CO2钢瓶1和缓冲罐4，CO2钢瓶1通过输出管、风机3通过的空气管分别连接于缓冲罐4，缓冲罐4的输出管与双圆筒底部的倒圆锥形进气口8相连，由流量计和阀门6控制流量；过滤装置32与扩大区23外的集水槽24的出水口30相连；光照装置27设置在内管18内。进水口17的进水通道上设有污水泵14、流量计15、进水采样口16和阀门；倒圆锥形进气口8的进气通道上设有排空管5、缓冲罐4和阀门，进气通道中CO2及空气的量均由单独的气体流量计2和气体流量计2’调节；出水口30的出水通道上设置有出水采样口31、过滤装置32和阀门。内管18的外表面和外管19的内表面设置有突出物，外管19顶端开口为锯齿形出水堰28，内管18上部有一非封闭的内管固定套29将其固定。内管固定套29中心套内管18，端部固定于集水槽24上方，呈十字形，以便自然光可进入反应区20，具体如图3所示。气体分布装置9包括一个气体分布板(图2-A)和一个气体分布器(图2-B)，气体分布板(图2-A)为一个中央带有通孔的圆形板，气体分布器(图2-B)为一个圆锥，圆锥的底部恰好放置在气体分布板(图2-A)的中央通孔内，圆锥的底部正对倒圆锥形进气口8。反应区20的下部设有进水口17和底泥出口10。集水槽24设于扩大区23外部，其一端设置沉淀物排出管25，另一端设置出水口30，并且集水槽24底部向沉淀物排出管25一端倾斜。集水槽24出水经过滤装置32进一步净化后，由出水管33流出。监测装置包括探测装置22和检测装置26，探测装置22置于反应区20内；反应区(20)内的探测装置(22)与检测装置(26)相接，探测装置22包括温度传感器、pH电极、O2电极和测光探头，检测装置(26)包括温度控制仪、pH测定仪、溶解氧仪和光度控制仪，探测装置22中的温度传感器、pH电极、O2电极和测光探头分别与检测装置26中的温度控制仪、pH测定仪、溶解氧仪、光度控制仪相连接。外管19外还附加设置有一个外接光照装置(荧光灯)27’。过滤装置32设有反冲洗进水管34和反冲洗出水管35。
使用本发明高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统时，原水(即高浓度(-COD约50000mg/L、NH4-N约1500mg/L)有机废水)先进入调节池进行预处理(即静置沉淀)后，经泵输出，水量由流量计和阀门控制；贮罐中的培养液由控制阀控制，并与调节池出水汇合进入流化床装置。CO2由钢瓶输出，气量由气体流量计和阀门控制；空气由风机鼓入，气量也由气体流量计和阀门控制，并与CO2汇合进入缓冲罐。缓冲罐内的混合气由双圆筒底部进气口进入流化床装置。刚通入气体时易出现混合不均现象，可通过排空管将非均匀气排出系统。流化床反应区内，藻-菌(藻为对污水有净化作用的微藻，如小球藻或栅藻等；菌为细菌等)附着于载体(如琼脂或粗孔硅胶等)表面生长、繁殖(全光照，光强4000lx，水温25℃左右)。光照装置的照射下，混合气、废液和载体充分接触，接近全混流，营养、温度分布平均，为藻-菌提供良好的环境。废水中的有机物在反应区内为藻-菌降解、吸收而净化，经处理后的水由扩大区的出水堰排于集水槽。集水槽与反应区各设有排泥口，便于沉泥的清除。集水槽的出水后经过滤装置进一步净化后排出系统，完成处理的全过程。过滤装置设有反冲洗管道，利于定期清理装置内的杂质。流化床装置的反应区内探测装置与检测装置连接，进水口、出水口各设有旁路采样口，利于优化运行参数，监控废水处理的全过程。
以平均停留时间约2.4h、气体流速0.001～0.008m/s、进水流量平均2.0m3/h、接种培养70小时、环境温度条件下，运行稳定后进行现场试验测试，测试结果表明，在一定的液体流速(0.005m/s)下，无论是COD和BOD，还是NH4 +-N和PO4 3--P的去除率均随气体流速的增大而增大，尤其在气速较小(0.001～0.003m/s)时，去除率随气体流速的增加更加明显；当气速增加到一定值(0.006m/s)后，去除率的增加就变得缓慢。三相流态化藻类光生物反应器系统对COD、BOD、NH4 +-N和PO4 3--P都有很好的去除效果，特别是COD和NH4 +-N，在本试验条件下，COD的去除率达到93％，NH4 +-N的去除率达到90％左右；对BOD和PO4 3--P的去除也达到较好的效果，分别为71.6％～90.8％和59.8％～67.5％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，包括流化床装置、进气装置、进水装置、光照装置、监测装置和过滤装置，其特征在于：所述的流化床装置(7)由集水槽(24)、内管(18)和外管(19)组成的双圆筒、进气口(8)和气体分布装置(9)组成，所述集水槽为圆环形集水槽，所述进气口为倒圆锥形进气口；内管(18)和外管(19)间的上部为扩大区(23)，内管(18)和外管(19)间的下部为反应区(20)，反应区内设有颗粒载体(21)；所述的进水装置包括培养液贮罐(11)、原水输送管(12)和调节池(13)，所述的调节池(13)外设有原水输送管(12)，培养液贮罐(11)与流化床装置(7)连接，培养液贮罐(11)内的培养液由阀控制；所述的进气装置包括CO2钢瓶(1)和缓冲罐(4)，CO2钢瓶(1)通过输出管与缓冲罐(4)连接，风机(3)通过空气管与缓冲罐(4)连接，缓冲罐(4)的输出管与进气口(8)相连；所述的光照装置(27)设置在内管(18)内；所述的监测装置包括探测装置(22)和检测装置(26)；探测装置(22)置于反应区(20)内；所述的过滤装置与集水槽(24)的出水口(30)相连。
2、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的内管(18)的外表面和外管(19)的内表面有突出物，外管(19)顶端开口为锯齿形出水堰(28)，内管(18)上部设有一非封闭的内管固定套(29)。
3、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的气体分布装置(9)包括一个气体分布板和一个气体分布器，所述的气体分布板为一个中央带有通孔的圆形板，所述的气体分布器为一个圆锥，圆锥的底部放置在气体分布板的中央通孔内，圆锥的底部正对倒圆锥形进气口(8)。
4、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的反应区(20)的下部设有进水口(17)和底泥出口(10)；所述的进水口(17)的进水通道上设有污水泵(14)、流量计(15)、进水采样口(16)和阀门。
5、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的集水槽(24)设于扩大区(23)外部，其一端设置沉淀物排出管(25)，另一端设置出水口(30)，并且集水槽(24)底部向沉淀物排出管(25)一端倾斜。
6、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的探测装置(22)与检测装置(26)相接。
7、根据权利要求6所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的探测装置(22)包括温度传感器、pH电极、O2电极和测光探头，检测装置(26)包括温度控制仪、pH测定仪、溶解氧仪和光度控制仪。
8、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的外管(19)外还设置有一个光照装置(27’)。
9、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的进气口(8)的进气通道上设有缓冲罐(4)和排空管(5)；出水口(30)的出水通道上设置有出水采样口(31)、过滤装置(32)和阀门。
10、根据权利要求1所述的一种高浓度有机废水的藻-菌共生流化床处理系统，其特征在于：所述的过滤装置(32)设有反冲洗进水管(34)和反冲洗出水管(35)。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20090610 Termination date: 20160731 |
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