CN101381163B - 一种水解酸化-厌氧好氧耦合生化降解系统 - Google Patents

Abstract

一种水解酸化—厌氧好氧耦合生化降解系统，用于处理难降解有机废水，属于环境工程及工业废水处理技术领域。该生化降解系统由两个串联的气升式内循环生物流化床构成。前者为采用微量曝气操作的厌氧生物流化床，在该流化床中主要完成水解酸化处理；后者为通过装填大孔载体而构建的厌氧-好氧耦合生物流化床，在该流化床中完成有机物的彻底降解。难降解有机废水先进入厌氧生物流化床，经水解酸化处理后进入厌氧-好氧耦合生物流化床，完成彻底降解。本发明实现了厌氧生物降解和好氧生物降解的高效快速耦合，具有处理效率高，停留时间短，占地面积小，投资及运行费用低等特点，既可应用于序批式处理工艺也可应用于连续流式处理工艺。

Description

一种水解酸化“厌氧好氧耦合生化降解系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水解酸化一厌氧好氧耦合生化降解系统,用于处理难降解有机废 水，属于环境工程及工业废水处理技术领域。

[0002] 难降解有机废水来源广泛,涉及难降解有机、印染和制药等多个工业领域,具有有 机污染物浓度高，产量大，成分复杂，难于降解等特点，且水中多含有硫类、酚类、氰化物以 及苯、金属盐类等有毒物质。近年来，随着国民经济的快速发展，难降解有机废水的排放量 逐年提高，已经成为环境污染的重要来源，因此，此类废水的处理日益受到重视。

[0003] 目前,难降解有机废水的处理方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生物 法。前三类属于传统方法，一般作为工业废水的预处理技术应用。生物法中的活性污泥法， 具有运行费用低，处理效果好，出水无二次污染等特点，是最重要的工业废水处理方法。

[0004] 在活性污泥法处理难降解废水的工艺中，分段式厌氧、好氧工艺是目前主要的处 理方式。在这种工艺流程中，废水按一定顺序经过好氧池、厌氧池或缺氧池：在厌氧池（缺 氧池）中，通过水解酸化、产氢产甲烷以及反硝化等作用，完成难降解物质的初步转化，在 好氧池中，通过好氧降解以及硝化作用，完成彻底降解。尽管分段式废水生物处理技术已取 得广泛应用，但是其处理效率不高,抗冲击能力差,主要原因是：①厌氧微生物,特别是产甲 烷菌生长缓慢、抗冲击能力差；②厌氧池中污泥和污水混合不好,造成局部降解物浓度高、 污泥处理效率F降；③连续工艺中，废水的流动会冲击厌氧池与好氧池的物理环境，影响微 生物的生长，降低体系的处理效率，而且这类技术具有工艺路线复杂，运行成本高，能耗高， 占地面积大等缺点。

[0005] 生物流化床是近年来出现的--种新型废水处理设备,其能够提高气液固三相混合 效果，缩小体系占地面积，降低能耗，提高好氧活性污泥法的处理效率。同时，随着生物膜 技术的发展，各种载体的出现,又将生物流化床技术引入厌氧处理领域，并取得了较好的效 果。如中国专利CN1421401公开的适用于有机废水的生物处理设备,利用同轴的内筒、分隔 筒和外筒构建厌氧区和好氧区，分别填充有不同类型的微生物载体,可以用于处理氨氮浓 度比较高的有机废水。但这类反应器中厌氧好氧处理过程不易达到优化匹配，从而影响设 备的处理效率。而中国专利CN1623930与CN1850656A，将大孔载体投加进入好氧生物流化 床中，实现了厌氧好氧处理的原位耦合，有效的提高了废水处理效率。但是，在这类生物流 化床中，好氧污泥首先接触难降解有机物，当废水浓度过高时，易造成好氧微生物中毒，从 而降低处理效率。

[0006] 而针对厌氧酸化的过程，也提出了一些新的技术以提高降解效率，如公开号为 CN1803670A,名称为微氧水解酸化预处理含硫酸盐高浓度有机废水的方法的发明专利，公 开了一种通过曝气设备控制反应器处于微氧状态,使得厌氧过程停留在水解酸化阶段的处 理方法。

[0007] 本发明就是在现有的厌氧好氧原位耦合生物流化床体系前，串联气升式内循环生物流化床,并利用微量曝气技术形成兼性厌氧环境,强化厌氧处理过程,构建水解酸化一厌 氧好氧耦合生物流化床系统，利用该生化降解系统，可实现厌氧生物降解和好氧生物降解 的高效快速耦合，从而提高了难降解有机废水的处理效率。

[0008] 本发明的目的是为了克服现有难降解有机废水处理工艺能耗高、处理效率低、抗 冲击能力差、停留时间长等缺点，针对需要厌氧降解的难降解有机物废水提出的一种更为 有效的生化降解系统。

[0009] 本发明由两个串联操作的气升式内循环生物流化床构成。前者为采用微量 曝气操 作的厌氧生物流化床，在该流化床中主要完成水解酸化处理；后者为通过装填大孔载体而 构建的厌氧-好氧耦合生物流化床，在该流化床中完成有机物的彻底降解。难降解有机废 水先进入厌氧生物流化床,经水解酸化处理后进入厌氧—好氧耦合生物流化床,完成彻底 降解。

[0010] 本发明通过对气升式内环流生物流化床采用微量曝气技术，实现反应器内流体的 规则循环流动，完成厌氧污泥和废水的混合，同时保持厌氧酸化的环境。所述微量曝气技术 具体是：生物流化床中的空塔气速控制在().01〜0. 6mm/s，且氧化还原电位控制在-100〜 lOOmv。上述技术参数可以根据流化床的尺寸和处理体系的特殊要求进行相适应调整。

[0011] 通过在气升式内循环生物化床中装填体积占流化床总体积10〜30%的大孔载体 构成厌氧™好氧耦合生物流化床；所述大孔载体的当量直径为5〜40mm，平均孔径尺寸为 0. 5〜2. Oram,体积孔隙率为80〜95%,材料为聚亚氨酯、聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯等有机 高分子材料。

[0012] 为保证污泥与废水的有效分离，在上述两个生物流化床顶部都还设置三相分离 器；可完成污泥和处理废水的分离，使污泥不被带出流化床。

[0013] 本发明的核心包括两点：一、在第一个生物流化床中培养厌氧活性污泥，利用微量 曝气技术,既保证废水与污泥的规则流动与充分混合,又控制体系氧化还原电位在-100〜 lOOmv范围内，控制生物流化床内的厌氧污泥进行水解酸化反应，初步完成难降解有机物向 挥发性脂肪酸等中间产物的转化；二、在第二个生物流化床中，主体为好氧活性污泥,悬浮 载体内为缺氧环境，固定厌氧和兼性污泥,通过被动扩散和流体的冲刷作用,水解酸化后的 产物首先进入载体内部进行厌氧降解，产物再回到流化床主体被好氧降解,实现厌氧降解 和好氧降解在同一流化床反应器内的耦合，实现难降解有机废水的彻底降解。本发明通过 微量曝气技术与大孔载体技术，在生物流化床中实现了厌氧生物降解和好氧生物降解的高 效快速耦合，使得难降解有机废水处理过程中的处理效率高，停留时间短，占地面积小,投 资及运行费用低。

[0014] 本发明提出的难降解有机废水处理方法，既可应用于序批式活性污泥法工艺，也 可应用于连续流式活性污泥工艺。

[0015] 本发明以生物流化床为核心,通过微量曝气技术完成水解酸化处理,通过大孔载 体技术完成厌氧好氧耦合处理。原理说明如下：

[0016] 1、水解酸化过程的实现

[0017] 根据微生物菌群生理特征的差异,可将厌氧微生物分为产酸菌和产甲烷菌。产酸菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌两类，可将原水中不溶性有机物水解为溶解性有机物，将 难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质，这类菌种类多，生长速度快，代 谢能力强，环境适应能力强，在氧化还原电位为lOOmv以下的环境就能生长；产甲烷菌为专 性厌氧菌,可将乙酸等有机酸转化为甲烷,其种类较少，生长速度缓慢,对环境要求高,只能 在氧化还原电位低于"300mv的环境下生长，由这类菌群参与完成的反应是厌氧处理过程 的限速步骤。近年来，研究人员通过氧化还原电位、pH等物理因素的调控，水力停留时间的 改变以及化学药品的投加，将产酸菌和产甲烷菌分离，使它们在不同的反应器中完成废水 的降解。由于产酸菌能够将难降解物质转化为易降解的挥发性脂肪酸等中间产物，同时完 成氮元素的反硝化作用，具有反应速度快,处理效率高,抗冲击能力相对较强等特点，其所 在的水解酸化反应器也被单独使用，作为好氧活性污泥法的预处理工艺。

[0018] 本发明利用气升式内环流生物流化床取代普通的水解酸化反应器，强化了气液固 三相的传质效率。在生物流化床中采用微量曝气技术,一方面能够在较低的通气量下,提高 反应器的溶氧水平,控制反应体系的氧化还原电位处于-100〜lOOmv之间,保证厌氧污泥 中产酸菌处于优势地位，完成水解酸化处理；另一方面由于生物流化床内的流体力学特征， 使得低气量就能带动活性污泥与废水规则流动，充分混合,这样促进了固液间的传质，提高 了活性污泥的处理效率。

[0019] 2、厌氧好氧耦合过程的实现

[0020] 本发明将大孔载体投加到生物流化床中，由于溶解氧向载体内部传递过程中存在 阻力，载体内部将逐渐形成缺氧或厌氧的微环境，促进兼性厌氧微生物和专性厌氧微生物 的生长。因此，当大孔悬浮载体在生物流化床内循环运动时，宏观上造成好氧生物降解过程 和厌氧生物降解在同一反应器内的原位耦合。

[0021] 由于将好氧、厌氧生物处理过程在同一反应器内耦合起来，废水中的少量未被水 解酸化的难降解物将首先在载体内的厌氧环境中实现结构转变，成环的大分子物质将变成 链状分子，从转变为易生物降解的中间产物,然后扩散到流化床主体，在主体的好氧环境中 实现进--步的生物降解。

[0022] 通过上述两个技术的串联处理，难降解有机废水能够被彻底降解，具体原理如下： 首先，废水进入第一个生物流化床，在产酸菌为优势菌群的作用下，大多数难降解物质转化 为挥发性有机酸等中间产物；完成水解酸化处理的废水,经过流化床顶端的三相分离器与 污泥分离，进入第二个流化床中；在厌氧好氧耦合流化床内，少量未被水解酸化的难降解物 质进入载体内部的厌氧区域，完成结构的转变，再扩散回流化床主体的好氧环境中，与大多 数中间产物一起被彻底降解为水和二氧化碳等终产物；最后，废水经过三相分离器与污泥 分离后排出。

[0023] 综上所述，本发明的优点是：

[0024] 1、处理效率高：微量曝气技术的使用，使得难降解物质经水解酸化处理后，转化为 挥发性脂肪酸等中间产物,有效的提高了废水的可生化性；而大孔载体的投加，使得厌氧过 程与好氧过程实现原位耦合,废水能够被快速降解,从而使得整个生物处理过程的处理效

[0025] 2、停留时间短：微量曝气技术能够有效抑制产甲烷菌的生长，使得厌氧处理过程 仅停留在水解酸化阶段,避免限速步骤产甲烷反应的出现,从而有效减少废水在厌氧处理过程的停留时间；同时,利用生物流化床取代普通的好氧曝气池,能够提高气液固三相的混 合效果，促进传质以及好氧降解过程的进行，减少了废水在好氧过程的停留时间。

[0026] 3、占地面积小：利用生物流化床取代传统的曝气池，显著的减小了好氧处理的占 地面积；同时，由于整个工艺缩短了废水的停留时间，相应的促进了反应器体积的减小，从 而使得整个工艺的占地面积进一步缩小。

[0027] 4、投资及运行费用低：由于本工艺占地面积小，作为主体设备的流化床结构简单， 初期投资费用低；而利用微量曝气技术代替传统的机械搅拌，显著降低了处理过程的动力 消耗,节省运行费用；另外，由于本工艺流程简单,抗冲击能力强,易于运行与维护,可减少 相应的人工费用。

附图说明

[0028] 图1为本发明的结构示意图。 具体实施方式

[0029] 下面结合附图说明书本发明。

[0030] 图1为本发明的结构示意图。如图所示，其中，1水解酸化生物流化床，2厌氧好氧 耦合生物流化床,3空气压缩机,4空气预热储罐,5空气流量计,6大孔载体,7三相分离器。

[0031] 下面给出本发明的部分具体实施例，但本发明所保护的范围并不限于本实施例。

[0032] 实施例1 ：水解酸化生物流化床的氧化还原电位

[0033] 水解酸化流化床类型：气升式内环流生物流化床；有效容积:67L ；

[0034] 废水种类：含酚废水；COD :3200mg/L ；

[0035] 空塔气速：0. 01〜0. 03mm/s ；氧化还原电位：_100〜Omv。

[0036] 对含酚废水能有效处理。

[0037] 实施例2 ：大孔载体内的微生物相

[0038] 厌氧好氧耦合流化床类型：气升式内环流生物流化床；有效容积:35L ；

[0039] 载体尺寸：15mmX 15mmX 15mm ；载体孔径：1. 25mm ；孔隙率：90% ；载体投加量占反 应器有效容积的体积比：10% ；载体材料为聚亚氨酯。

[0040] 废水种类：对苯二甲酸废水；COD :8032mg/L ；

[0041] 当污泥驯化后,取出单个载体制作切片,进行扫描电镜观察,可以发现载体内核与 外部的微生物相有着显著的区别，内核部分以杆菌和甲烷八叠球菌为主，表示载体内形成 了一定的缺氧区域。

[0042] 实施例3水解酸化生物流化床的处理效果

[0043] 水解酸化流化床类型：气升式内环流生物流化床；有效容积:40L ；

[0044] 废水种类：苯甲酸废水

[0045] 空塔气速：0. 2mm/s ;氧化还原电位：50mv ；；

[0046]本实施例进水 CODcr 为 4900mg/L, BOD5 为 1008mg/L, B()D5/CODcr 为0. 21，经过水 力停留时间 30h 后，出水 CODcr 为 4355mg/'L, BOD5 为 2505mg/L, BOD5/CODcr 为 0. 58,经水解

酸化处理，废水可生化性有显著提高。

[0047] 实施例4 :水解酸化一厌氧好氧耦合体系连续流式活性污泥工艺[0048] 水解酸化流化床效容积：67L ；空塔气速：0. 1〜0. 6mm/s ；氧化还原电位：50〜 IOOmv ；

[0049] 厌氧好氧耦合流化床有效容积：67L ；载体尺寸：5mmX5mmX5mm ；载体孔径： 0. 5mm ；孔隙率：80% ；载体体积比：30% ；载体材料为聚苯乙烯。

[0050] 水力停留时间：30h ；

[0051] 废水种类：石化综合废水；主要难降解物质为苯甲酸钠。

[0052] 本实施例处理的工业废水，主要含有苯甲酸钠、甲酸钠和丙醛等。进水CODcr为 5000mg/L，在水解酸化流化床中停留15h,在厌氧-好氧耦合流化床中停留15h,出水CODcr 为132mg/'L, CODcr去除率达到97%。

[0053] 实施例5 ：厌氧好氧原位耦合体系连续流式活性污泥工艺（实施例4的对比实施 例）

[0054] 本实施例为不采用水解酸化,而直接进行厌氧好氧耦合处理的对比实施例。

[0055] 厌氧好氧耦合流化床有效容积：67L ；载体尺寸：5mmX5mmX5mm ；载体孔径： 0. 5mm ；孔隙率：80% ；载体体积比：30% ；载体材料为聚苯乙烯。

[0056] 废水种类：石化综合废水，主要难降解物质为苯甲酸钠。

[0057] 本实施例处理的工业废水,主要含有苯甲酸钠、甲酸钠和丙醛等。其中进水CODcr 为3850mg/L,在厌氧-好氧耦合流化床中停留48h,出水CODcr为458mg/L, CODcr去除率达 到 88%。

[0058] 实施例6 ：水解酸化一厌氧好氧耦合体系序批式活性污泥工艺

[0059] 水解酸化流化床类型：气升式内环流生物流化床；有效容积：19L ；空塔气速： 0. 01〜0. 06mm/s ；氧化还原电位：_50〜IOmv ；

[0060] 厌氧好氧耦合流化床类型：气升式内环流生物流化床；有效容积:67L ；载体尺寸： 40mmX 15mmX 15mm ；载体孔径：2. Omm ；孔隙率：95% ；载体体积比：15% ；

[0061] 废水种类：石化综合废水；主要难降解物质为苯甲酸钠。

[0062] 本实施例处理的工业废水,主要含有苯甲酸钠、甲酸钠和丙醛等。其中进水CODcr 为5600mg/L，水解酸化流化床的处理周期为12h，厌氧-好氧耦合流化床的处理周期为24h， 出水CODcr为384mg/L, CODcr去除率达到93%。

Claims (6)

1. 一种水解酸化-厌氧好氧耦合生化降解系统，其特征在于，该系统由两个串联的气升式内循环生物流化床构成；前者为采用微量曝气操作的厌氧生物流化床，在该流化床中完成水解酸化处理；后者为装填有大孔载体的厌氧-好氧耦合生物流化床，在这个流化床中完成有机物的彻底降解。
2. 2.根据权利要求1所述的一种水解酸化-厌氧好氧耦合生化降解系统,其特征在于,所 述采用微量曝气操作的厌氧生物流化床为空塔气速控制在0. 01〜0. 6mm/s，氧化还原电位 控制在-100〜IOOmv的生物流化床。
3. 3.根据权利要求1所述的一种水解酸化™厌氧好氧耦合生化降解系统,其特征在于，所 述厌氧_好氧耦合生物流化床是装填有体积占流化床总体积10〜30%的大孔载体的气升 式内循环生物流化床。
4. 4.根据权利要求1或3所述的一种水解酸化™厌氧好氧耦合生化降解系统,其特征 在于，所述大孔载体的当量直径为5〜40mra，平均孔径尺寸为0. 5〜2. Omm,体积孔隙率为 80〜95%,材料为聚亚氨酯、聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯之中的任何一种或几种。
5. 5.根据权利要求1所述的一种水解酸化-厌氧好氧耦合生化降解系统，其特征在于，所 述的两个气升式内循环生物流化床顶部均设有三相分离器,完成污泥和处理废水的分离， 使污泥不被带出流化床。
6. 6. 一种使用水解酸化_厌氧好氧耦合生化降解系统处理难降解有机废水的方法,其特 征在于，该方法含有如F步骤：(1)难降解有机废水进入水解酸化-厌氧好氧耦合生化降解系统第一个生物流化床进 行水解酸化处理；所述生物流化床空塔气速为().01〜().6ram/S,氧化还原电位为-100〜 IOOmv ；完成水解酸化处理的废水,经过流化床顶端的三相分离器与污泥分离；(2)步骤（1)分离后的废水进入第二个厌氧好氧耦合流化床中；在厌氧好氧耦合流化 床内，少量未被水解酸化的难降解物质进入载体内部的厌氧区域，完成结构的转变，再扩散 回厌氧好氧耦合流化床主体的好氧环境中，与大多数中间产物一起被彻底降解为水和二氧 化碳终产物；完成处理后的废水经过三相分离器与污泥分离,排出；这样，难降解有机废水通过水解酸化_厌氧好氧耦合生化降解系统就得到处理。