CN1008727B - 三相流化床生物处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明是三相流化床生物处理装置，主要用于炼油、化工等废水的处理。

本发明克服了两相液化床和一般三相流化床的缺点，它是由曝气单元、回流单元、布水布气单元、三相分离单元、脱膜单元和后处理单元组成。具有处理效率高、回流比低、氧利用率高、气水比低、床层料面和生物量能得到控制、气液固三相分离好，流程简单等特点。本发明装置经近三年的工业试验，设备结构和工艺参数已臻于完善，是一个可直接利用的废水生物处理装置。

Description

本发明是三相流化床生物处理装置，主要用于炼油、化工等废水的处理，对环境保护具有十分重要的意义。

流化床生物处理，是本世纪七十年代研究开发的废水处理新技术，它是化工过程的流态化技术与废水生物处理技术相结合的产物。流化床生物反应器具有床层生物量大、传质条件优越和生物粒子沉降性能好等优点，对废水中可生物降解的有机物有很高的处理效率。

美国Ecolotrol公司首先开发了Hy-Flo流化床废水生物处理工艺，该工艺是使用纯氧的两相流化床。用于耗氧少的生物脱氮过程时，投资和运转费用都明显低于废水生物处理中常用的活性污泥法。但当用于以去除COD为主的废水二级处理时，其投资虽仍低于活性污泥法，但运转费则要高得多，其原因主要是，当耗氧量较大时，用于纯氧的费用较高，此外为了满足供氧要求，需采用较大的回流比，也相应增加了能耗。

法国B.Chatib、A.Grasmick等进行了三相生物流化床处理废水的小型试验，试验中的生物反应器与固定床生物膜法相比，床层停留时间只有后者的十分之一，并且没有床层堵塞问题。但因床层内湍流不够充分，因而生物粒子有聚集倾向。

美国橡树岭国立实验室研究出一个园锥形三相流化床反应器，用于处理煤转化时所产生的废水，这种反应器虽然对酚有较高的去除率，但因采取锥形结构，制造困难，空间利用率也小，同时 因采用细颗粒的轻质载体，致使固液分离困难。

近年来，流化床生物处理的研究比较活跃，发表的文献、专利亦较多。其中绝大多数是在反应器中设置中心管，采用轻质生物膜载体，并以空气作为流化介质的三相流化床。这种流化方式属于聚式流化，是较难控制的，而且液固相亦难于分离。代表性较强的三相流化床是荷兰J.J.Heijnen、P.A.Lourens、J.Vixseboxle所发明的“净化废水用流化床反应器”[欧洲专利，Ep0090450（1983）]。其特征在于反应空间下部的液体分布设施和反应空间下端的分离部分。分布设施（2）由多个水平支管组成，每个支管的下表面有多个规则分布的喷咀，单位反应器截面的喷咀总面积是操作条件的函数。分离部分由集气空间、液-固沉降分离带、生物粒子返回反应空间的通路以及处理水和回流水的出水堰组成。分离部分中间通道（4）的最大直径不小于反应空间的直径，反应空间来的混合物进入它的下端，气体则由上端进入集气空间（5），气体出口装有保持集气空间内压力的控制阀。沉降带位于中间通道的外围，沉降带（7）的上端通过堰（8）与集液空间（9）相通。沉降的生物粒子由通道（18）、（14），从外部或内部返回反应空间。其结构如图-1所示，废水经泵1和布水管2进入反应器3（部分废水由进水管14进入集水区11）。空气或氧气通过布气管4进入反应器3。水、气混合流自下而上通过固体粒子床层进入三相分离器中心筒5，分离出的气体进入集气室6，通过排气口7排出。带生物粒子的水流由中心筒5的顶部，经环状折流通道8进入 澄清区9。在此分离的固体粒子向下经环状通道10返回反应部分，而水流向上经锯齿堰进入集水区11，部分作为处理水由出水管12排出，其余部分作为回流水由回流出口管13排出，经与废水混合后再用泵1送入反应器3。

床高6米、床径0.25米、有效容积为0.3立方米的该流化床反应器，在生物浓度（VSS）为15克/升、气水比为20.8的操作条件下，以好气方式处理COD为800毫克/升的废水时，出水COD可降至240毫克/升，去除率为70%，有较好的处理效果。但这种流化床反应器也有其缺点，首先是三相分离器部分的内回流没有控制措施，使内回流量过大，导致折流通道的下流速度过高，致使一些较小的气泡被水带入澄清区，影响该区的澄清效果。与此同时，由于内回流量过大，还增大了水流在澄清区的上升流速，致使较小或较轻的生物粒子不能充分沉降下来，从而影响沉降分离效果。此外水流和气流是通过各自的分布管进入反应器的，故气体分散效果差，导致充氧效率低，气水比大。

本发明的三相流化床生物处理装置，自1979年开始开发以来，先后完成了实验室试验、小型试验和工业试验的开发研究工作。在此过程中，对三相流化床的布水、布气、氧利用率、三相分离器结构、生物粒子脱膜、回流方式、液固分离等问题作了详尽研究并取得了良好的结果，从而克服了两相流化床和一般三相流化床的缺点，形成了具有处理效率高、载体廉价易得、回流比低、气水分布好、氧利用率高、气水比低、床层料面和生物量能得到 控制、气液固三相分离良好、流程简单、设备紧凑、占地少、投资和运转费均低等特点的三相流化床生物处理装置。

下面详细介绍本发明三相流化床生物处理装置的工艺流程及其特点。

本发明三相流化床生物处理装置之流程如图-2所示。废水加入适量营养盐后，用泵12送入射流曝气器1，在器内与空气及回流水混合并将空气分散为细微气泡，气水混合流经布水布气设施2进入生物反应器4后，自下而上地通过已流化的生物粒子（长有生物膜的载体）床层进行生物氧化，随后进入三相分离器6。经分离后气体排入大气，生物粒子由分离段5下端的环形缝隙回到床层，水则流入出水槽7。出水槽7内的水，一部分经出水管8以切线方向进入旋液分离器15，将未能分离的少量生物粒子分离后，作为处理水排出，其余部分经回流管9，用泵13抽送入射流曝气器1，与废水及空气混合后返回到生物反应器4中。运转初期，为了保持足够的床层膨胀比，需将反应器部分出水，用回流泵14抽送至回流布水管3，然后进入反应器4，以保证水流有足够的流速通过床层。在运转过程中，随着载体表面生物膜的增厚，床层料面会逐渐升高。当料面超过一定高度后，需用脱膜泵11抽出部分固液混合物，将生物粒子脱膜后再送入脱膜罐10中。罐内分离出的剥落生物膜作为废泥排出，载体则向下流回生物粒子床层。

对本发明之三相流化床生物处理装置，我们在一些具体环节上进行过锐意研究，取得了积极结果，形成了本发明独具的特点， 现分述如下。

1、采用两级射流曝气器充氧，大幅度地提高了氧利用率，降低了气水比。

氧利用率的高低，不仅影响到生物氧化效果，而且还影响到气水比，对降低运转费用具有重要意义。本发明用射流曝气器充氧，其结构如图-3所示。废水以4-16米/秒的流速通过一级喷嘴16，在一级吸入室17与吸入的空气混合后通过二级喷嘴18，空气在此被分散为细微气泡。接着在二级吸入室18-1与吸入的回流水强烈混合，最后通过二级喉管19喷出。这种射流曝气方法，在瞬间即可使废水与回流水充氧至接近饱和，而且过剩的空气以微小的气泡随水流一起进入三相流化床，在床层内继续进行高效率的曝气充氧。在工业试验中采用这种充氧方法后，测得空气中氧的利用率高达30-40%，是一般鼓风曝气氧利用率的6-8倍。因此对于炼油废水的处理，其气水比只需1.5-2.0即可。

射流曝气器主要结构尺寸及其相应关系如下：

一级喷嘴直径d₀：根据水量及喷出速度计算;

二级喷嘴锥角α₁＝4-8°;

一级喷嘴的喷口扩散角（图中未画出）＝2-5°;

一级吸入室锥角α₂＝10-23°;

二级喷嘴直径d₁＝1.2-2.0d₀;

二级喉管直径d₂＝1.5-3.0d₁;

一、二级喷嘴间距L₀＝1.5-3.0d₀;

二级喷嘴长度L₁＝4-6L₀;

二级喉管长度L₂＝6-10L₀。

2、采用两个回流单元的方式，保证了载体料面和充氧的稳定，有利于反应器的正常运转。

国内外文献所报导的流化床回流方式，都只有一个回流系统，事实证明，这不能满足流化床生物反应器实际运转的需要。众所周知，流化床生物反应器回流的大小，应以满足床层适宜的膨胀比为宜。在启动初期，由于载体上尚未长上生物膜，就需要较高的流速（以石英砂作载体时为80-120米/时）才能保证足够的膨胀比。而当载体表面已长好生物膜时，只需要较低的流速（以石英砂作载体时为20-30米/时）就能满足需要。因此启动初期的回流量是正常运行回流量的四倍。根据这一特点，如图-2所示我们将回流分为两个回流单元。回流单元（1）的回流量基本不变，回流单元（2）的回流量随生物膜逐渐长好而降低，直至完全停用。这种回流方式具有以下明显优点，由于正常运行的回流量不变，射流曝气器的工作条件稳定，就能始终保持高的氧利用率，对稳定流化床运转十分有利。此外当生物膜完全长好后，就停运回流单元（2），故可降低动力消耗，节省能源。

3、安装了良好的布水布气设施，既有利于水气分布，又能防止停止进水时生物粒子因倒灌而使进水管堵塞。

三相流化床生物反应器的处理效果，除取决于床层膨胀比、气水比等条件之外，还取决于气水分布。为了使气水分布均匀、 稳定，我们在反应器底部安装了良好的布水布气设施。该设施如图-4所示，它是由布水布气管2、回流布水管3、砾石垫层33和分布筛板34等构成。

布水布气管2由变截面管29、支管30、短管31、喷嘴35所组成，短管31与喷嘴35是用可拆卸方式组装在一起的。气水混合流由进水干管进入变截面管、支管、短管，最后由喷嘴群喷入反应器。进水干管直径由水力计算确定，变截面管的截面积由中部向两端逐步缩小，两端截面积为中心部分截面积的二分之一，支管间距为100-200毫米，支管上的孔间距为100-200毫米，喷嘴直径为10-15毫米。

回流布水管3的干管由底部进入反应器，两侧安有多孔的布水支管，水流通过孔口均匀进入反应器。

布水布气设施和回流布水管都埋在粒径为30-60毫米的砾石垫层33中，这样既能使水流分布得更均匀，又能防止停止进水时生物粒子倒灌入进水管线，造成堵塞。

砾石垫层33上部安有孔径为20-40毫米，开孔率为25-50%的分布筛板，用以固定垫层防止砾石滚动而磨碎载体，并进一步使水流分布得更均匀。

4、安装了结构合理、分离效果好的三相分离器，既能提高运转效果又可节省空间。其型式与加速曝气池及沸腾床反应器的分离结构类似。

三相分离器位于生物反应器上部，与床层料面间有0.6-1.2 米的保护高度，以防止大量的生物粒子进入三相分离器。如图-5所示气水混合流通过床层后，由于气泡的尾迹作用，有少许生物粒子被带入三相分离器。气泡在中心筒24分离后排入大气，水流则通过中心筒24上部的调流窗22进入环状折流区24-1。调流窗22的过水截面可用调流挡板23调节。水流在折流区24-1的下流速度，应保证在中心筒24未能分离，其直径大于0.3毫米的气泡，不至于经折流筒25的下端进入澄清区27，即是说这些气泡应在折流区24-1得到分离。水流在澄清区27的上流速度，应保证粒径大于0.3毫米的粒子沉降下来，并经该区下端的回流缝28返回反应段。回流缝28的宽度b₁，既要使生物粒子顺利返回反应段，同时又要防止反应段的气泡进入澄清区27。在澄清区27澄清后的水流，经出水三角堰26进入出水槽7，一部分作为处理水经出水管8排出，其余部分作为回流水经回流管9，通过回流泵返回生物反应器。本发明之出水槽7设在澄清区27上端，既节省了空间又不影响澄清效果。

三相分离器主要结构尺寸及相应关系如下：

反应器直径D₀：根据处理量计算确定;

中心筒直径D₁＝0.5-0.7Do;

折流筒直径D₂＝0.9-1.2Do;

分离器直径D₃＝1.4-1.8Do;

澄清高度L₃＝0.6-0.8米;

回流缝至反应段距离L₄＝0.1-0.3米;

回流缝宽度b₁＝0.02-0.04米（需同时满足回流缝总截面积为反应段截面积的3-8%的条件）;

出水槽宽度b₂＝0.15-0.30米;

中心筒锥形段锥角α₃＝40-65°;

分离器锥形段锥角α₄＝40-65°。

5、安装了适宜的脱膜设施，控制了床层生物量和床层料面。

流化床生物反应器在生物反应过程中，随着生物量的增加，床层料面会逐步升高。为了控制床层内生物量和载体料面，我们在反应器上部安装了如图-6所示的脱膜设施。当床层料面达到脱膜罐10下端时，启动脱膜泵11抽出液固混合物在泵内脱膜，然后沿切线方向返回脱膜罐10，在罐内将剥离的生物膜与载体分开，载体向下流回床层，生物膜则作为废泥从脱膜罐10上部排出。脱膜罐10内的上升流速应低于生物粒子的沉降速度，以防止生物粒子流失，此流速用装在排泥管线上的阀门控制。

为了防止大量气体进入脱膜罐10影响分离效果，在罐口处装有挡气锥21。进入脱膜罐10的少量气体，由罐顶的排气管20排入大气。此外为了保证脱膜罐10的分离效果，罐的抽出口与返回口间要有0.5-1.0米的保护高度。

6、使用了廉价易得的载体

本发明之三相流化床生物处理装置，通常情况下采用石英砂、无烟煤、焦炭、陶粒等廉价易得的材料作载体，对于生物降解性差的废水则采用活性炭作载体。载体粒度一般为0.2-3.0毫 米。充填高度为反应段高度的20-60%。载体的选择及操作条件的确定，应以废水性质和要求达到的处理深度为转移，务使床层在密相条件下运转。这样既能保持床层中生物浓度高，又能使床层在散式流化情况下操作，而且控制方便，处理效率高。本发明之三相流化床生物处理装置，在实验室试验和小型试验取得良好结果后，随即转入工业试验开发阶段。上述特点（特别是结构参数）大都是在此阶段完善、开发的。此外我们还对破沫设施、处理水的后处理等问题进行了研究，从而使整个装置臻于完善，有利于推广应用。

7、安装有破沫喷淋管

用三相流化床生物反应器处理炼油及某些石油化工废水时，由于水中含有表面活性物质，在通入空气后往往会在水面产生大量泡沫。当在三相分离器水面上安装了喷淋管后，就能有效地破除泡沫。

8、设置旋液分离器作后处理设施

生物反应器运转不正常时，处理水会带出少量的生物粒子，为了避免载体的流失，安装了旋液分离器15（见图-2）。反应器出水经其分离后再排出系统，旋液分离器捕集的生物粒子积存到一定量时，用压力水送回生物反应器。为使旋液分离器保持较大的离心力，其直径不宜过大。

总之，本发明之三相流化床生物处理装置，在其多年的开发过程中，特别是在近三年的工业试验中，一直显示了良好的处理 效果，而且设备结构和工艺参数已臻于完善，是一个较成熟的可资直接利用的废水生物处理装置。

下面用实例对本发明作进一步说明：

实例1

在床高1600毫米，床径72毫米，以活性炭作载体的三相流化床反应器内，通入BOD为200-300毫克/升的合成生活废水，按废水停留时间为20-30分的条件进行生物处理，运转正常后，出水BOD小于20毫克/升，BOD去除率大于90%，其去除容积负荷为10-15公斤/立方米·天，是活性污泥法的十多倍。

实例2

在床高3000毫米，床径72毫米，以无烟煤作载体的三相流化床生物反应器内，通入以酚、硫化胺、硫氰酸胺、环烷酸为主要污染物的合成炼油废水，按废水停留时间为20-30分的条件进行生物处理。运转正常后BOD、挥发酚、COD及TOC的去除率分别为90%、99%、70%、70%。当原水BOD为200-300毫克/升时，BOD去除容积负荷为10-16公斤/立方米·天，是活性污泥法的十多倍。污泥浓度（VSS）为10-15克/升，是活性污泥法的4-6倍。空气中氧的利用率为30%，是鼓风曝气充氧的6倍。

实例3

在床高6000毫米，床径2200毫米，以石英砂作载体的三相流化床生物反应器内，通入某炼油厂炼油废水进行生物处理。在废水停留时间为30分，生物浓度（VSS）为10克/升的条件下BOD、 挥发酚、COD的去除率分别为90%、99%、70%。当废水COD为350毫克/升时，出水COD为120毫克/升，其去除容积负荷为10-12公斤/立方米·天，是活性污泥法的8-10倍。挥发酚可由40-60毫克/升降至0.5毫克/升以下，对氰化物和硫化物也有很好的去除效果。由于采用了两级射流曝气器充氧，气水比为2就能满足生物处理过程的需要。空气中氧的利用率为30-40%，是鼓风曝气充氧法的6-8倍。

对附图简单说明如下。

图-1是欧洲专利EP0090450（1983）中的净化废水用流化床反应器。

图-2是本发明的工艺流程图。图-3至图-6是本发明若干设施的结构图或示意图。图-2至图-6中标号的意义是：

1、两级射流曝气器    2、布水布气设施

3、回流单元（2）布水管    4、生物反应器

5、分离段    6、三相分离器

7、出水槽    8、出水管

9、回流管    10、脱膜罐

11、脱膜泵    12、废水泵

13、回流泵（1）    14、回流泵（2）

15、旋液分离器    16、一级喷嘴

17、一级吸入室    18、二级喷嘴

18-1二级吸入室    19、二级喉管

20、排水管    21、挡气锥

22、调流窗    23、调流挡板

24、中心筒    24-1折流区

25、折流筒    26、出水三角堰

27、澄清区    28、回流缝

29、变截面管    30、支管

31、短管    32、布水支管

33、砾石垫层    34、分布筛板

35、喷嘴

d₀一级喷嘴直径 d₁二级喷嘴直径

d₂二级喉管直径 D₀反应器直径

D₁中心筒直径 D₂折流筒直径

D₃分离器直径 α₁一级喷嘴锥角

α₂一级吸入室锥角 α₃中心筒锥形段锥角

α₄分离器锥形段锥角 L₀一、二级喷嘴间距

L₁二级喷嘴长度 L₂二级喉管长度

L₃澄清高度 L₄回流缝至反应段距离

b₁回流缝宽度 b₂出水槽宽度

Claims (6)

1、一种用于处理炼油、化工等废水的三相流化床生物处理装置，包括曝气单元、回流单元、布水布气单元、三相分离单元、其特征在于：本装置还有脱膜单元和固液分离后处理单元。

2、根据权利要求1所述的处理装置，其中曝气单元是两级射流曝气器，其结构参数为：

一级喷嘴直径d₀：根据处理水量及喷出速度计算;

一级喷嘴锥角α₁＝4-8°;

一级喷嘴的喷口扩散角＝2-5°;

一级吸入室锥角α₂＝10-23°;

二级喷嘴直径d₁＝1.2-2.0d₀;

二级喉管直径d₂＝1.5-3.0d₁;

一、二级喷咀间距L₀＝1.5-3.0d₀;

二级喷嘴长度L₁＝6-10L₀;

二级喉管长度L₂＝6-10L₀。

3、根据权利要求1所述的处理装置，其中回流单元的特征在于它是由回流单元（1）和回流单元（2）所组成，其特征为：

回流单元（1）为由三相分离器的回流水出口，经回流泵13通向射流曝气器的吸入室;

回流单元（2）为由三相分离器的回流水出口，与回流单元（1）分开后，经回流泵14提升通向反应器底部的回流（2）布水管。

4、根据权利要求（1）所述的处理装置，其中布水布气单元的特征在于它是由反应器底部的砾石垫层、置于砾石垫层内的布水布气管和回流单元（2）的布水管、以及位于砾石垫层上的分布筛板所组成，其特征为：

回流（2）布水管位于布水布气管下方，采用由干管和带孔支管组成的大阻力布水系统;

布水布气管是由干管、支管、短管和喷咀所构成，干管的截面由中部向两端逐步缩小，干管两侧支管的间距为100-200毫米，支管下侧开孔的间距为100-200毫米，孔口处焊上短管，短管与喷咀是可折卸的方式组装，砾石垫层上部安有孔径20-40毫米，开孔率20-50%的分布筛板。

5、根据权利要求1所述的处理装置，其中脱膜单元的特征在于它是由置于反应空间上部的脱膜罐、罐下的档气锥及脱膜泵所组成，脱膜罐顶端有排气管、上侧有带阀门的脱膜液排出管，下部有开口与反应空间相通，脱膜泵的吸入口位于开口处上方。

6、根据权利要求1所述的处理装置，其中后处理单元特征在于它是一个液固分离的旋液分离器。

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