CN101306879A

CN101306879A - 三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统

Info

Publication number: CN101306879A
Application number: CNA2008100072095A
Authority: CN
Inventors: 肖贤声; 肖贤凯; 张小平; 廖聪; 吴常青; 谢树凯; 王秀
Original assignee: GUANGZHOU JINRUN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU JINRUN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2008-11-19

Abstract

本发明涉及一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，包括调节池和反应器，反应器包括一个反应筒体，反应筒体内设有温度探测装置和水质探测装置；反应筒体内部和/或外部设置有光源；反应筒体上部设有扩大区，扩大区包括出水堰和藻体出口；反应筒体底部设置有气体分布装置，气体分布装置下方设有锥台形进气区；进水口和出水口均设有采样口和流量计，空气进口设有气体流量计。本发明可作为酿造废水、制糖废水等高难度有机废水的处理装置，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。

Description

三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统

技术领域

本发明涉及一种有机废水处理系统，尤其是一种藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统。

背景技术

80年代以来，人们广泛开展各种密闭式藻类光生物反应器的研究，以期实现藻体的高产率和废水处理的高效率，以及实现过程的易监测和易控制，其研究开发的封闭式光生物反应器主要有管道式和板箱式两种。如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，该方法为微藻生产系统，微藻在流态化的状态下生长，且该系统可进行实时监控，但该系统结构复杂，没有涉及废水处理领域；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，证明了藻类是可以在光生物反应器内生长的，但是其只对藻类的生长进行研究，并不涉及污水处理领域。

除了大量使用光生物反应器进行藻类培养的研究外，开发藻类光生物反应器进行污水的处理研究也有报道。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，证明了光生物反应器和流态化光生物技术处理有机废水的优势；但是该处理系统结构复杂，为流化床和固定床耦合使用，操作难度大，不易监控，难达到大规模处理的要求。

目前，利用藻类较大规模处理高浓度有机废水和工业化生产藻体主要采用开放式潜水道设施，其较小型的系统水道面积就达1000～5000m²、深20～30cm。开放式潜水道设施的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。至今封闭式光生物反应器的商业产品很少而且所开发的这些反应器普遍存在：(1)面积体积比和受光面积小，光能利用率低；(2)光生物反应器结构复杂，流动行为不易监测和控制；(3)混合、传质较差，导致温度、营养及藻分布不均；(4)大多为间歇操作，很难达到大规模处理要求；(5)操作、控制及放大困难等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，该处理系统利用藻类细胞能利用水体中多种无机氮、有机氮化合物作为氮源，利用二氧化碳和碳酸盐作为碳源进行光自养生长，硝酸盐、亚硝酸盐和有机物被藻细胞吸收用于氨基酸和蛋白质等物质的合成而被除去。

本发明的技术方案为：一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，包括调节池和反应器，所述反应器包括一个反应筒体，所述反应筒体内为反应区，所述反应区内设有温度探测装置和水质探测装置，所述温度探测装置与设在反应筒体外的温控装置相连，所述水质测试装置与设在反应筒体外的水质测试装置相连；所述反应筒体内部和/或外部设置有光源；所述反应筒体上部设有扩大区，所述扩大区包括两个部分，其中一部分为出水堰，另一部分为藻体出口，所述出水堰一端高于藻体出口一端；所述扩大区外设有集水槽，所述集水槽一端设有藻体收集口，所述藻体收集口与藻体收集装置相连，所述集水槽的另一端设有出水口，所述出水口外的通道上设有出水采样口；所述反应筒体下部设有废水进口；所述反应筒体底部设置有气体分布装置；所述反应筒体底部气体分布板下方设有锥台形进气区，所述进气区底部设有空气进口，空气通过风机鼓入所述空气进口，且在管路上设有气体流量计；所述调节池和反应筒体之间的通道上设置有进水采样口，所述进水采样口与所述反应筒体之间的通道上设有流量计。

优选的是，所述出水堰和所述藻体出口之间设置有筛网。

优选的是，所述出水堰顶端为锯齿状。

优选的是，所述集水槽和所述反应筒体的扩大区一体成型。

优选的是，所述集水槽向所述出水堰一端倾斜。

优选的是，所述反应筒体为单圆筒结构，所述反应筒体外设置有光源，所述光源为荧光灯管。

优选的是，所述反应筒体为双圆筒结构，包括内管和外管，所述内管内和/或外管外设置有光源，所述光源为荧光灯管。

优选的是，所述气体分布装置为一个圆形的气体分布板。

优选的是，所述气体分布装置包括一个圆形的气体分布板和一个气体分布器，所述气体分布器为倒圆锥体，所述气体分布板中间带有锥台形通孔，所述倒圆锥体的圆形底部恰好放置在所述气体分布板的中央通孔内，所述倒圆锥体的尖部正对所述空气进口。

本发明的有益效果为：

本发明所述的三相流态化藻类光生物反应器由于流态化技术的应用，其在结构和性能上较传统的光生物反应器大为改善，主要体现在：(1)供气方面，因高效分布板的使用，使进入反应器的空气产生的气泡小且分布均匀；(2)流态化的流体动力学还使得系统内的传递行为得到强化，使反应区内藻类与原水的充分接触，废水中的有机物质得到有效的降解，反应器的处理效率提高；(3)反应器设有放大段，有利于水中藻体、颗粒物等的沉降；(4)反应器上部设有出水堰槽，能有效阻隔水中悬浮物，明显降低出水浊度；(5)床内接近全混流，营养分布均一，提供藻类良好的生长环境；(6)占地面积小，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；(7)藻体容易收集(床顶)；(8)可实现过程的连续化操作和全过程的优化控制。

本发明可作为酿造废水、制糖废水等高难度有机废水的处理装置，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。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统结构示意图；

图2为图1所示反应器上部结构示意图；

图3为图2所示反应器上部A-A方向的剖视图；

图4为图2所示反应器上部B-B方向的剖视图；

图5为图2所示反应器上部C方向的剖视图；

图6为图1所示气体分布装置的结构示意图；

图7为图6所示气体分布装置的D-D方向的剖视图；

图8为图1所示气体分布板的仰视图；

图9为图8所示气体分布板的E-E方向的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的具体实施方式，一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，包括调节池24和反应器25，反应器25包括一个具有双圆筒结构的反应筒体，该反应筒体包括内管6和外管7，内管6和外管7之间为反应区8，反应区8内设有温度探测器9和水质探测器9′，温度探测器9和水质探测器9′与设在反应筒体外的温控及水质测试装置14相连；内管6内设置有内光源15，外管7外设有外光源15′；反应筒体上部设有扩大区10，如图2至图5所示，扩大区10的开口处被筛网16分割成两部分，其中一部分为出水堰17，另一部分为藻体出口17′，出水堰17顶端为锯齿状，扩大区10的出水堰17一端高于藻体出口17′一端；扩大区10外设有集水槽11，扩大区10与集水槽11一体成型，集水槽11向出水堰17一端倾斜；集水槽11一端设有藻体收集口12，藻体收集口12与藻体收集罐13相连，集水槽11的另一端设有出水口18，出水口18外的通道上设有出水采样口19；反应筒体下部设有废水进口3；反应筒体底部设有锥台形进气区1，进气区1底部设有空气进口22，空气通过风机20鼓入空气进口22，且在风道上设有气体流量计21；反应筒体底部进气区1上方设置有气体分布装置2，包括气体分布板26和气体分布器27，如图8、图9所示，气体分布板26为中间带有锥台形通孔26′的圆板，如图1、图6、图7所示，气体分布器27为一个倒圆锥体，倒圆锥体的圆形底部恰好放置在气体分布板26的中央通孔26′内，倒圆锥体的尖部正对空气进口22；气体分布器27与内管6一体成型；调节池24内装有高浓度有机废水，高浓度有机废水通过泵23引入反应筒体内，泵23和反应筒体之间的通道上设置有进水采样口5，进水采样口5与反应筒体之间的通道上设有流量计4。

本发明的三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，利用藻类细胞(对有机废水适应性及分解性较强的藻类，主要是绿藻，可以是小球藻、螺旋藻等)能利用水体中多种无机氮、有机氮化合物作为氮源，利用二氧化碳和碳酸盐作为碳源进行光自养生长，硝酸盐、亚硝酸盐和有机物被藻细胞吸收用于氨基酸和蛋白质等物质的合成而被除去。

本实施例包括具有双圆筒结构的反应器25，气体分布装置2，光源15、15′，温控及水质测试装置14等附带装置。该处理系统中，高浓度有机废水在泵23带动下从废水进口3进入由有机玻璃套管组成的反应区8，空气在风机20带动下，以一定速度进入进气区1，经气体分布装置2后以气泡形式进入反应区8，在反应区8内与藻体(藻类先经过培养，然后放入反应区)形成气-液-固三相流态化，通过调控废水以及空气进入反应器的速度，可以实现不同的流动特性和混合特性，强化了过程的传质、传热行为；本实施例在内管6内和外管7外各设光源15、15′，为藻体提供充足的光能。流态化形成的湍流使藻体在反应区内快速翻动，藻体在靠近光源时获得光能，在远离光源后利用光能，这对于具有间歇光效应的藻类来说尤为重要，使藻体满足间歇光效应规律(因反应区内形成湍流，使藻体接近或远离光源)，从而充分利用入射光光能，促进藻体的生长以及提高废水处理效率。反应区8内的温度和水质情况由温控及水质测试装置14调节(一般是在室温，若室温过低时需进行调节)。废水经反应区8和扩大区10后由顶部的出水堰17排出，出水堰17和藻体出口17′之间设置有筛网16，可以防止藻体进入出水口18一侧阻塞出水口18；溢出的藻体经藻体收集口12进入藻体收集罐13，纯化后进行回收。本发明处理系统将藻类的光合生物降解有机物过程与三相流态化技术相结合处理高浓度有机废水并回收藻体，同时实现环境效益和经济效益。

本发明使用的光源主要是荧光灯管，为藻体的生长提供充足的光能。用于本发明的荧光灯管数量可以根据高浓度有机废水的处理量增加或减少，也可以根据具体需求选择设置内光源15或外光源15′，或者同时设置内光源15和外光源15′。如果无需设置内光源15，则可将包括气体分布板26和气体分布器27的气体分布装置2改为中央没有通孔的圆形气体分布板，并去掉内管6(如藻体需要光照强度不大的情况下或系统处理负荷低时，则无需设置内光源15)。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。

在供气方面，使用高效气体分布装置，配合进气区1结构，使进入反应器25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，利用流态化的操作特性(流态化时产生的流动特性和强烈的混合特性)可方便地调节系统中溶解氧的浓度(由于反应器内是气-液-固三相流态化，可以调节液速以及气速调节流态化程度影响溶解氧的浓度)，例如可去除培养液中积累的溶解氧(反应器内是气-液-固三相流态化，湍流使溶解氧部分释放出来)，克服高浓度溶解氧对光合作用的抑制，从而促进藻体的生长和污水的净化速率。

如图1所示，本发明在使用时，高浓度有机废水先进入调节池24进行预处理后(调节废水的pH值)，由泵23引入反应器25。在内光源15和/或外光源15′的照射下，反应区8内的空气、废液、藻体充分接触，接近全混流，营养、温度分布平均，为藻体提供良好的环境。废水中的有机物在反应区8内为藻体降解、吸收而净化，经处理后的水由反应器上部的出水堰17排出。反应器25的废水进口3、出水口18均设有旁路采样口，利于取样检测水质指标，监控废水处理的全过程。

实验1通过上述装置和工艺对蜜糖酒精废液及酵母酒精废液进行处理。

废液先进入调节池进行预处理后，由泵引入反应器。在荧光照射下，反应区内空气、废液、螺旋藻充分接触，接近全混流，营养、温度分布平均，为藻体提供良好的环境。废液中的有机物在反应区内为藻体降解、吸收而净化，经处理后的水由反应器上部排出。反应器的进水、出水口设有旁路采样口，利于取样检测水质指标，监控废水处理的全过程。

以平均停留时间约0.5h、气体流速0.01～0.08m/s、进水流量平均2m³/h、接种培养73小时、环境温度条件下(常温)，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后，去除率的增加就变得缓慢。

表1蜜糖酒精废液及酵母酒精废液结果

气速×10^-2(m/s)	COD去除率％	BOD去除率％	NH4⁺-N去除率％	PO₄ ^3--P去除率％
气速×10^-2(m/s)	COD去除率％	BOD去除率％	NH4⁺-N去除率％	PO₄ ^3--P去除率％	1.0	97.0	71.6	88.6	59.8
2.0	97.5	77.5	89.3	60.5	1.0	97.0	71.6	88.6	59.8
2.0	97.5	77.5	89.3	60.5	3.0	97.8	83.3	90.1	62.7
3.5	98.2	84.6	91.0	63.8	3.0	97.8	83.3	90.1	62.7
3.5	98.2	84.6	91.0	63.8	5.0	98.3	86.9	91.5	65.4
5.5	98.4	88.0	91.8	66.1	5.0	98.3	86.9	91.5	65.4
5.5	98.4	88.0	91.8	66.1	6.0	98.5	89.6	92.2	66.7
7.0	98.6	90.3	92.3	67.3	6.0	98.5	89.6	92.2	66.7
7.0	98.6	90.3	92.3	67.3	8.0	98.6	90.8	92.3	67.5

从表1可以看出，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97％以上(97.0％～98.6％)，NH4⁺-N的去除率达到90％左右(88.6％～92.3％)；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％。

实验2：通过上述装置和工艺对广东太古可口可乐公司排放的碳酸饮料高浓度有机废水进行处理。

以平均停留时间约0.5h、气体流速为0.06m/s、进水流量平均2～8m³/h(气体流速是指系统运行时流化气的气速，进水流量是指流入系统的废水量，均是根据反应器的处理量参数确定的，试验时在一定气速下测试了不同进水量的处理效果)、接种培养72小时、环境温度条件下(常温)，运行稳定后进行现场试验测试。测试结果表明，在一定的气体流速下，无论是COD和BOD，还是NH4⁺-N和PO₄ ^3--P的去除率均随液体流速的增大而减小(第一句话是气体流速是固定值，进水流量是变化，即液体流速是变化的)，尤其在液速较大时，去除率随液体流速的减小更加明显；当液速减小到一定值后，去除率的减小就变得缓慢。

表2三相流态化藻类光生物反应器处理碳酸饮料高浓度有机废水结果

进水流量(m3/h)	COD去除率％	BOD去除率％	NH4⁺-N去除率％	PO₄ ^3--P去除率％
进水流量(m3/h)	COD去除率％	BOD去除率％	NH4⁺-N去除率％	PO₄ ^3--P去除率％	2.0	98.6	90.6	92.4	68.2
3.0	98.6	90.4	92.4	68.2	2.0	98.6	90.6	92.4	68.2
3.0	98.6	90.4	92.4	68.2	4.0	98.5	89.9	92.2	68.0
5.0	98.3	88.5	92.1	67.5	4.0	98.5	89.9	92.2	68.0

6.0	98.1	86.7	91.6	66.0
6.0	98.1	86.7	91.6	66.0	7.0	97.8	84.2	91.8	64.7
8.0	97.2	79.5	90.1	59.5	7.0	97.8	84.2	91.8	64.7

从表2可以看出，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97％(97.2％～98.6％)，NH4⁺-N的去除率达到90％(90.1％～92.4％)，对BOD、PO₄ ^3--P的去除率也达到较好的效果，分别为79.5％～90.6％和59.5％～68.2％。

通过采用三相流化床藻类光生物反应器，进行现场试验测试，表明该技术处理高浓度有机废水效果良好，操作运行稳定、可靠。该技术与其他同类处理技术比较，具有占地面积小、设备投资省、运转费用低、工艺简单、运行稳定可靠、易实现自动控制等特点，该技术的推广及应用将会有非常好的前景。

Claims

1、一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：包括调节池和反应器，所述反应器包括一个反应筒体，所述反应筒体内为反应区，所述反应区内设有温度探测装置，所述温度探测装置与设在反应筒体外的温控及水质测试装置相连；所述反应筒体内部和/或外部设置有光照装置；所述反应筒体上部设有扩大区，所述扩大区包括两个部分，其中一部分为出水堰，另一部分为藻体出口，所述出水堰一端高于藻体出口一端；所述扩大区外设有集水槽，所述集水槽一端设有藻体收集口，所述藻体收集口与藻体收集装置相连，所述集水槽的另一端设有出水口，所述出水口外的通道上设有出水采样口；所述反应筒体下部设有废水进口；所述反应筒体底部的筒体内设置有气体分布装置，所述气体分布装置包括一个气体分布板，所述气体分布板为中间带有锥台形通孔的圆板；所述反应筒体底部气体分布板下方设有锥台形进气区，所述进气区底部设有空气进口，空气通过风机鼓入所述空气进口，且在管路上设有气体流量计；所述调节池和反应筒体之间的通道上设置有进水采样口，所述进水采样口与所述反应筒体之间的通道上设有流量计。

2、如权利要求1所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述出水堰和所述藻体出口之间设置有筛网。

3、如权利要求1或2所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述出水堰顶端为锯齿状。

4、如权利要求1所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述集水槽和所述反应筒体的扩大区一体成型。

5、如权利要求1所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述集水槽向所述出水堰一端倾斜。

6、如权利要求1所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述反应筒体为单圆筒结构，所述反应筒体外设置有光源，所述光源为荧光灯管。

7、如权利要求1所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述反应筒体为双圆筒结构，包括内管和外管，所述内管内和/或外管外设置有光源，所述光源为荧光灯管。

8、如权利要求6所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述气体分布装置为一个圆形的气体分布板。

9、如权利要求7所述的一种三相流态化藻类光生物反应器处理高浓度有机废水系统，其特征在于：所述气体分布装置包括一个圆形的气体分布板和一个气体分布器，所述气体分布器为倒圆锥体，所述气体分布板中间带有锥台形通孔，所述倒圆锥体的圆形底部恰好放置在所述气体分布板的中央通孔内，所述倒圆锥体的尖部正对所述空气进口。