CN101767907A - 甜高粱燃料乙醇废水环流生物反应器耦合处理装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甜高粱燃料乙醇废水环流生物反应器耦合处理装置及方法，包括进水泵，回流泵，厌氧内环流反应器，沉降分离区，三相分离器，中间调节槽，好氧进水泵，气升式环流反应器，固液分离区，沉降器，空气压缩机，空气流量计。其中厌氧内环流反应器设有圆柱形外壳体，内设圆柱形导流筒和三相分离器；气升式环流反应器设有圆柱形外壳体，外壳体内设置圆柱形导流筒，顶部设固液分离区，外设沉降器。以活性碳载体固定高温厌氧活性污泥和好氧活性污泥形成生物膜生物处理甜高粱燃料乙醇废水，耦合系统结构简单紧凑，处理效果好，能耗低，可不经任何预处理降解甜高粱燃料乙醇废水，废水经耦合系统处理后主要指标达到国家酒精行业废水一级排放标准。

Description

甜高粱燃料乙醇废水环流生物反应器耦合处理装置与方法

技术领域

本发明涉及一种甜高粱燃料乙醇废水环流生物反应器耦合处理装置及方法，属于酒精行业废水生物处理技术领域。

背景技术

燃料乙醇指体积浓度达到99.5％以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。燃料乙醇是一种可再生能源，可在专用的乙醇发动机中使用，又可按一定的比例与汽油混合，在不对原汽油发动机做任何改动的前提下直接使用。使用含醇汽油可减少汽油消耗量，增加燃料的含氧量，使燃烧更充分，降低燃烧中的CO及氮氧化物等污染物的排放。

在我国大部分燃料乙醇采用玉米、小麦及谷物等粮食原料发酵生产，这会造成与人征粮的情况，生产规模收到限制。采用非粮原料如甜高粱、农作物秸秆及木质纤维素等生产燃料乙醇是我国燃料乙醇产业发展的方向。甜高粱是一种高效的能源作物，耐贫瘠，耐干旱，光和效率高，适于在我国北方种植发展燃料乙醇工业。根据生产工艺不同，每生产1吨乙醇会产生大约1020吨的废水，废水中含有大量的有机物及悬浮物，并且呈酸性，而且含有氮及磷等会引起水体富营养化的物质，直接排放会造成污染，要大力发展非粮原料乙醇工业，必须首先解决废水处理利用问题。

目前对于玉米、小麦等原料成产乙醇的废糟液，一般是先将糟液经板框过滤机过滤，滤渣经处理作为DDG，或糟液直接经多效浓缩饲料生产DDGS全糟饲料，而甜高粱酒精废水(糟液)过滤后滤渣烘干或直接浓缩得到的固形物大部分为纤维素，粗蛋白含量很低，不适于用作饲料，无经济价值，且此过程消耗大量热量。而且废水中悬浮物含量高，主要是难降解的纤维素、半纤维素及木质素等，不适于直接应用UASB及EGSB等高速厌氧反应器处理，若先过滤再处理会产生大量的难以处理的废渣。采用传统的厌氧接触法则需要很长的停留时间及较大的占地面积。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用厌氧内环流生物反应器-好氧气升式环流生物反应器耦合装置添加载体附着活性污泥形成生物膜处理甜高粱燃料乙醇废水的装置及方法，该方法具有系统结构简单紧凑，操作过程简单，能耗低，周期短，产生废渣少，能源回收率高等特点，出水水质主要指标达到国家酒精行业废水一级排放标准。本发明中以环流生物反应器耦合装置处理甜高粱燃料乙醇废水，耦合装置中，厌氧内环流生物反应器内构件设导流筒和三相分离器，好氧气升式环流生物反应器内构件只设导流筒，结构简单，传质效果好，能耗低，有利于固定化生物膜的与液相及气相间的传质；反应器投加载体，活性污泥附着在载体上形成生物膜，沉降性能好，使得反应器内污泥浓度高，对废水降解效率高；系统耐高悬浮物废水能力好，甜高粱燃料乙醇废水可不经预处理直接进水，因此在环流生物反应器耦合装置中利用活性碳载体固定化生物膜处理甜高粱燃料乙醇废水研究具有很大的实际应用价值。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：

本发明的一种甜高粱燃料乙醇废水的厌氧内环流生物反应器-好氧气升式生物环流生物反应器耦合处理装置，在厌氧内环流生物反应器和好氧气升式环流生物反应器之间设置有中间调节槽；厌氧内环流生物反应器内设置有导流筒和三相分离器，厌氧内环流生物反应器外壳体和导流筒的中轴线重叠，厌氧内环流生物反应器外壳体上部设置沉降区，顶部设置三相分离器；好氧气升式环流生物反应器内设置有导流筒，好氧气升式环流生物反应器外壳体和导流筒的中轴线重叠，好氧气升式环流生物反应器顶部设置有固液分离区，固液分离区经管路连接外设的污泥沉降器。

所述的厌氧环流生物反应器，圆柱形外壳体横截面直径为92-120mm，高度460-900mm，高径比7.5∶1-9∶1；内设圆柱形导流筒，直径60-80mm，高度400-800mm；外壳体和导流筒的中轴线重叠，外壳体上部设置沉降区，直径为外壳体的1.6-1.75倍，高度为外壳体的1/9，反应器密封，沉降区顶部设置三相分离器；所述的好氧气升式环流生物反应器设有圆柱形外壳体，外壳体横截面为圆形，直径为55-72mm，高度500mm-650mm，高径比9∶1；内设圆柱形导流筒，直径30-40mm，高度390-520mm；外壳体和导流筒的中轴线重叠，顶部设固液分离区，经管路连接外设的污泥沉降器。

本发明的甜高粱燃料乙醇废水的厌氧内环流生物反应器-好氧气升式生物环流生物反应器耦合处理装置的操作方法，步骤如下：

1)厌氧内环流生物反应器接种酒精废水处理厂常温厌氧污泥，接种量为反应器体积的30％，经甜高粱燃料乙醇废水间歇驯化、梯度驯化为高效产甲烷的高温厌氧污泥，投加占反应器体积3％的粒径为0.8-1.3mm的活性碳颗粒载体，活性污泥附着在载体上，形成生物膜，完成启动厌氧反应器；

2)启动完成的厌氧内环流生物反应器，甜高粱燃料乙醇废水，pH3.5-5.5，COD15500-35000mg/L，悬浮物含量SS7500-13000mg/L，不经任何预处理直接进入反应器；厌氧反应器运行温度53-55℃，进水泵调节水力停留时间36-96h，回流泵调节出水回流速率20-36L/h；

3)气升式环流生物反应器接种城市污水处理厂好氧污泥，接种量为反应器体积的20-40％，厌氧出水经中间调节槽沉降，调节pH，注入好氧气升式环流生物反应器，接种污泥经厌氧出水间歇驯化、梯度驯化为高活性富含硝化反硝化菌的好氧活性污泥，投加粒径为0.8mm-1.3mm的活性碳颗粒载体，投加量为反应器体积的3％，活性污泥附着在载体上，形成生物膜，完成启动好氧气升式环流生物反应器；

4)启动完成的好氧气升式环流生物反应器，厌氧出水经中间调节槽，调节pH至6.5-7.0，注入好氧反应器，反应器温度控制在33-35℃，水力停留时间11-19h，空气流速0.03-0.075m³/h；

5)最终使好氧出水COD≤100mg/L，氨氮≤15mg/L。

本发明的优点在于：本发明采用驯化的厌氧及好氧污泥，附着在活性碳载体上形成生物膜，优化厌氧内环流生物反应器-好氧气升式环流生物反应器耦合装置运行参数。系统在高温(5355℃)下运行，提高了有机污染物及以悬浮物存在的难降解物质的降解速率。通过控制厌氧出水循环控制反应器内水力升流速率即环流状态，通过载体固定菌体形成生物膜防止活性污泥洗出流失，反应期内污泥浓度高，厌氧设备结构简单，传质效果好，不需形成颗粒污泥，启动时间短，克服了UASB及EGSB需要长的启动时间来形成颗粒污泥及不适于处理高悬浮物废水的缺点；好氧阶段采用好氧气升式环流生物反应器，反应器高径比较大，底部进气，气液固三相均匀混合，强化了氧传质过程，克服现有的SBR，氧化沟等好氧处理工艺水力停留时间长，占地面积大等缺点；整套耦合装置与传统工艺相比，结构紧凑，处理效率高，操作弹性大，可直接处理不经预处理的甜高粱燃料乙醇废水。本发明通过利用高温厌氧中温好氧环流生物反应器耦合装置处理甜高粱燃料乙醇废水，经处理的废水COD由15500-35000mg/L降至小于100mg/L，出水氨氮NH4+-N小于15mg/L，出水pH7.0-8.0，出水主要指标达到国家酒精行业废水一级排放标准，耦合装置可稳定运行30天以上，本发明具有较大的推广价值。

厌氧内环流生物反应器好氧气升式环流生物反应器耦合装置固定化生物膜生物降解高浓度甜高粱燃料乙醇废水，不对废水进行预处理；环流生物反应器耦合装置传质好、能耗低、操作弹性大。由于废水温度高，耦合装置在高温下操作，可处理高悬浮物高浓度燃料乙醇废水，剩余废渣及污泥量少，副产品为清洁能源沼气。

附图说明

图1：环流生物反应器耦合装置示意图

具体实施方式

下面结合附图具体的实施例对本发明作进一步说明。

采用如图1装置连接方式：燃料乙醇废水通过进水泵1控制流量进入厌氧内环流生物反应器3，由进水流量控制水力停留时间，混合物料经回流泵2循环注入厌氧内环流生物反应器3底部，维持反应器内的环流状态，混合物在沉降区5通过三相分离器4，附着生物膜的载体截留在反应器，沼气收集作为燃料，厌氧出水进入中间调节槽6，再经好氧进水泵7控制流量注入好氧气升式环流生物反应器8，空气压缩机11产生的压缩空气通过气体流量计10调节流量鼓入好氧气升式环流生物反应器8底部，好氧处理后废水经固液分离区9分离污泥，出水溢出进入沉降器9固液分离，部分污泥回流，定期排出多余污泥，最终出水由沉降器12上部溢出。

以厌氧环流生物反应器，外壳体横截面圆形直径为92-120mm，高度460-900mm，高径比7.5∶1-9∶1；内设圆柱形导流筒，直径60-80mm，高度400-800mm；外壳体和导流筒的中轴线重叠，外壳体上部设置沉降区，直径为外壳体的1.6-1.75倍，高度为外壳体的1/9，反应器密封，顶部设置三相分离器；所述的好氧气升式环流生物反应器设有圆柱形外壳体，外壳体横截面为圆形，直径为55-72mm，高度500mm-650mm，高径比9∶1；内设圆柱形导流筒，直径30-40mm，高度390-520mm；外壳体和导流筒的中轴线重叠，顶部设固液分离区，固液分离区经管路连接外设的污泥沉降器。

甜高粱燃料乙醇废水的环流生物反应器耦合装置生物处理方法步骤如下：

1)厌氧污泥中高温产甲烷菌的培养及载体固定化生物膜：厌氧内环流生物反应器，接种30％酒精废水处理厂常温温厌氧活性污泥，加入pH值调至7.0-7.5的经自来水稀释至COD为8000-10000mg/L的燃料乙醇废水，控制回流泵流速1020L h^-1，反应器温度33-35℃，投加Fe、Co、Ni等补充微生物生长所需的微量元素，COD去除率高于75％后连续进经稀释的原水，不调节pH，水力停留时间36-96h，当出水COD去除率高于75％提高有机负荷50％，至原水直接进水，每隔1天升高反应器温度1℃，调节水力停留时间，保持出水COD去除率高于75％，至反应器温度升至53-55℃，投加占反应器体积3％的粒径0.8-1.3mm活性碳颗粒，连续进原水10-15天，至沉降器无明显活性污泥流出，反应器内活性污泥在载体上附着形成生物膜，产气丰富，对废水降解活力高，高温产甲烷菌的培养及固定化完成，启动完成后甜高粱燃料乙醇废水可直接进入反应器进行一级厌氧处理。

2)厌氧出水经中间调节槽进入好氧气升式环流生物反应器进行好氧处理：好氧生物处理初期驯化和富集硝化菌、亚硝化菌群，采用间歇进水，进水为稀释后的厌氧出水，好氧污泥接种量为反应器体积的20％，混合稀释5倍的厌氧出水，调节pH至7.0，温度33-35℃，反应器通气量0.03-0.075m³h^-1，24小时后，COD及氨氮去除率高于75％时停止通气，静置30min，以稀释的厌氧出水置换上清液，间歇驯化3天，连续进水，调节进水pH值6.5-7.0，停留时间11-19h，污泥经沉降器分离回流，至出水COD及氨氮去除率高于75％提高有机负荷50％至原水进水，加入占反应器体积3％的粒径0.8-1.3mm活性碳颗粒，连续进原水10-15天，至载体表面附着褐色生物膜，出水COD去除率高于90％，完成活性污泥驯化富集及生物膜固定化；启动完成后厌氧出水经调节槽加盐酸调节pH至6.5-7，进入好氧反应器，沉降器溢流出水为最终出水。

3)厌氧阶段所产沼气可以用来作为热源补偿操作动力消耗。

4)最终出水COD使好氧出水C0D≤100mg/L，氨氮≤15mg/L，主要指标达到国家酒精行业废水一级排放标准。

典型实施例1

将30％常温厌氧活性污泥接入厌氧反应器，厌氧反应器有效体积10L，外壳体直径120mm，高度900mm，导流筒直径80mm，高度800mm，沉降区直径200mm，高度100mm，保持反应器温度3335℃，稀释5倍甜高粱燃料乙醇废水间歇驯化3天，连续进水，水力停留时间96h，回流速度35L/h，出水COD去除率高于75％提高进水浓度，梯度驯化富集活性污泥，经18天梯度驯化，原水直接进水，以1℃/d升高反应器温度至55℃，控制温度范围在53-55℃，经35天厌氧出水COD去除率达到85％，投加反应器体积3％的粒径0.8-1.3mm的活性碳载体，连续运行11天，生物膜膜固定化完成，厌氧反应器启动完成；好氧气升式环流生物反应器接种20％常温好氧活性污泥，好氧气升式环流生物反应器外壳体有效体积2L，直径72mm，高度650mm，导流筒直径40mm，高度520mm，保持反应器温度33-35℃，通气量为0.075m³/h，厌氧出水经中间调节槽调节COD及pH注入好氧气升式环流生物反应器，沉降器容积1L，回流比为3，经2天间歇驯化后，连续进水，调节水力停留时间为10-18h，出水COD去除率高于75％提高进水COD浓度，梯度驯化富集活性污泥，经11天进水为厌氧出水，加入反应器体积3％的活性碳载体，连续运行10天，生物膜膜固定化完成，出水COD去除率高于95％，好氧气升式环流生物反应器启动完成；耦合装置启动完成。

甜高粱燃料乙醇废水COD34500-35000mg/L，SS12500-13000mg/L，pH5.5，不经预处理直接进入耦合装置处理，厌氧内环流生物反应器操作温度53-55℃，回流泵流量34-36L/h，水力停留时间96小时；好氧气升式环流生物反应器操作温度33-35℃，空气流速0.070-0.0.075m³/h，水力停留时间19h，沉降器回流比2∶1；反应器连续运行30天，出水COD为98mg/L，氨氮为12.3mg/L。

实施例2

厌氧内环流生物反应器有效体积5L，外壳体直径95mm，高度720mm，导流筒直径60mm，高度500mm，沉降区直径160mm，高度60mm；好氧气升式环流生物反应器有效体积1L，外壳体直径55mm，高度500mm，导流筒直径30mm，高度390mm；沉降器容积0.5L；按实施例1中方法启动耦合装置。

甜高粱燃料乙醇废水COD24500-25000mg/L，SS10500-11000mg/L，pH4.5，不经预处理直接进入耦合装置处理，厌氧内环流生物反应器操作温度53-55℃，回流泵流量21-23L/h，水力停留时间72小时；好氧气升式环流生物反应器操作温度33-35℃，空气流速0.035-0.040m³/h，水力停留时间14.5h，沉降器回流比2∶1；反应器连续运行30天，出水COD为95mg/L，氨氮为10.3mg/L。

实施例3

厌氧内环流生物反应器有效体积3L，外壳体直径92mm，高度460mm，导流筒直径60mm，高度400mm，沉降区直径160mm，高度50mm；好氧气升式环流生物反应器有效体积1L，外壳体直径55mm，高度500mm，导流筒直径30mm，高度390mm；沉降器容积0.5L；按实施例1中方法启动耦合装置。

甜高粱燃料乙醇废水COD15500-16000mg/L，SS7500-8000mg/L，pH3.5，不经预处理直接进入耦合装置处理，厌氧内环流生物反应器操作温度53-55℃，回流泵流量20-22L/h，水力停留时间36小时；好氧气升式环流生物反应器操作温度33-35℃，空气流速0.03-0.04m³/h，水力停留时间11h，沉降器回流比2∶1；反应器连续运行30天，出水COD为95mg/L，氨氮为10.3mg/L。

本发明并不局限于实例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的，本发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种甜高粱燃料乙醇废水的厌氧内环流生物反应器-好氧气升式生物环流生物反应器耦合处理装置，其特征是在厌氧内环流生物反应器和好氧气升式环流生物反应器之间设置有中间调节槽；厌氧内环流生物反应器内设置有导流筒和三相分离器，厌氧内环流生物反应器外壳体和导流筒的中轴线重叠，厌氧内环流生物反应器外壳体上部设置沉降区，顶部设置三相分离器；好氧气升式环流生物反应器内设置有导流筒，好氧气升式环流生物反应器外壳体和导流筒的中轴线重叠，好氧气升式环流生物反应器顶部设置有固液分离区，固液分离区经管路连接外设的污泥沉降器。

2.如权利要求1所述的甜高粱燃料乙醇废水的厌氧内环流生物反应器-好氧气升式生物环流生物反应器耦合处理装置，其特征是所述的所述的厌氧内环流生物反应器圆柱形外壳体直径为92-120mm，高度460-900mm，高径比7.5∶1-9∶1；内设圆柱形导流筒，直径60-80mm，高度400-800mm；外壳体和导流筒的中轴线重叠，外壳体上部设置沉降区，直径为外壳体的1.60-1.75倍，高度为外壳体的1/9，反应器密封，顶部设置三相分离器；所述的好氧气升式环流生物反应器设有圆柱形外壳体，外壳体横截面为圆形，直径为55-72mm，高度500mm-650mm，高径比9∶1；内设圆柱形导流筒，直径30-40mm，高度390-520mm；外设污泥沉降器。

3.权利要求1的甜高粱燃料乙醇废水的厌氧内环流生物反应器-好氧气升式生物环流生物反应器耦合处理装置的操作方法，其特征是步骤如下：

1)厌氧内环流生物反应器接种酒精废水处理厂常温厌氧污泥，接种量为反应器体积的30％，经甜高粱燃料乙醇废水间歇驯化、梯度驯化为高效产甲烷的高温厌氧污泥，投加粒径为0.8-1.3mm的活性碳颗粒载体，投加量为反应器体积的3％，活性污泥附着在载体上，形成生物膜，完成启动厌氧反应器；

2)启动完成的厌氧内环流生物反应器，甜高粱燃料乙醇废水，pH3.5-5.5，COD15500-35000mg/L，悬浮物含量SS7500-13000mg/L，不经任何预处理直接进入反应器；厌氧反应器运行温度53-55℃，进水泵调节水力停留时间36-96h，回流泵调节出水回流速率20-36L/h；

3)气升式环流生物反应器接种城市污水处理厂好氧污泥，接种量为反应器体积的20％，厌氧出水经中间调节槽沉降，调节pH，注入好氧气升式环流生物反应器，接种污泥经厌氧出水间歇驯化、梯度驯化为高活性富含硝化反硝化菌的好氧活性污泥，投加粒径为0.8mm-1.3mm的活性碳颗粒载体，投加量为反应器体积的3％，活性污泥附着在载体上，形成生物膜，完成启动好氧气升式环流生物反应器；

4)启动完成的好氧气升式环流生物反应器，厌氧出水经中间调节槽，加碱调节pH至6.5-7.0，注入好氧反应器，反应器温度控制在33-35℃，水力停留时间11-19h，空气流速0.03-0.075m3/h；

5)最终使好氧出水COD＝100mg/L，氨氮＝15mg/L。

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