CN101786717B - 具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器 - Google Patents

Abstract

具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，它涉及一种用于剩余污泥减量的生物反应器。解决了现有的剩余污泥减量装置存在氧气利用率低、曝气可调节性差、蠕虫易脱落、蠕虫种群的生长密度较低、惰性物质不易排出等问题。气体流量自动调节器经被设置好后可根据容器内污泥混合液的溶解氧浓度自动调节进入多个可变微孔曝气管的空气流量，实现对容器内污泥混合液的可变曝气，通过可变曝气可以使污泥混合液的溶解氧浓度维持在蠕虫污泥减量最大的溶解氧浓度；可变微孔曝气管的内壁上均布开有若干个孔径可变出气孔，且出气孔的直径可变范围为0.2～0.8mm。本发明集蠕虫附着斜板以及可变曝气于一体，极大地提高了污泥减量效果，污泥减量达到90％以上。

Description

具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器

技术领域

本发明涉及一种用于剩余污泥减量的生物反应器，属于利用生物技术处理剩余污泥的技术领域。

背景技术

目前世界上80％以上的污水处理厂应用活性污泥法处理生活污水，但是它一直存在一个很大的弊端，就是在污水处理的同时会产生大量的剩余污泥。污水处理厂产生的剩余污泥量约为处理水体积的0.5％～1％，数量巨大。剩余污泥还含有大量有机物、各种细菌、病毒和寄生生物，并可能浓缩锌、铜、铅和镉等重金属无机化合物以及有毒有机化合物等，处理不当会带来严重的环境污染问题。随着污水处理事业的发展，污水处理厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，污泥的产生量也将会大幅度地增加。同时，剩余污泥处理的投资和运行费用巨大，可占整个污水处理厂投资及运行费用的25％～65％，已成为城市污水处理厂所面临的沉重负担。2009年我国城市污水处理厂排放的污泥量(干重)大约为1300万吨，还将以每年10％的速率递增，这必将带来剩余污泥总量的持续增加。剩余污泥减量已经成为环保领域面临的一大挑战。

污泥处理的通常做法是：先经过浓缩、稳定、脱水等预处理后，进行最终的处置。目前常用的最终处置方法有：卫生填埋、焚烧和土地利用等。而污泥焚烧处置基建和运行费用昂贵，而且还会产生恶臭及二恶英，呋喃等致癌气体，影响环境卫生，有碍居民健康。一些城市由于污泥处置无出路，造成随处偷排，导致环境二次污染。随着环境标准的日益严格，常规处置方法变得非常困难，而且随着城市化进程的发展，无论是填埋还是焚烧，选址也成为一大难题。因此，如何使污泥达到无害化、稳定化、资源化及减量化，将是今后亟需解决的重要问题。

污泥减量化技术是通过物理、化学和生物等手段，使整个生物处理系统中污泥产量减少的技术，主要包括围绕降低细菌合成量的代谢解偶联技术、维持代谢技术、增强微生物隐性生长的各种溶胞技术和强化微型动物捕食作用的技术。其中，强化微型动物捕食作用的技术以其低能耗、低成本、无二次污染等特点而成为一种理想的生态减量技术，例如，现有技术提供的城市污水污泥减量处理的蠕虫附着型生物床(参见公开日为2008年4月9日、公开号为CN101157501A)。但上述生物床内氧气利用率低，曝气可调节性差，不利于蠕虫对剩余污泥的摄食，而且蠕虫易脱落，蠕虫种群的生长密度较低，污泥易在填料上积累，不利于惰性物质的排出，极大影响了污泥的减量速率，不利于污泥的长期稳定减量。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，以解决现有的剩余污泥减量装置存在的氧气利用率低，曝气可调节性差，不利于蠕虫对剩余污泥的摄食，蠕虫易脱落、蠕虫种群的生长密度较低、污泥减量效果差，不利于惰性物质的排出等问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的具有可变曝气和蠕虫附着板的剩余污泥减量生物反应器包括容器、泥斗和挡板；所述生物反应器还包括多个蠕虫附着斜板、可变曝气装置；泥斗位于容器的下方且二者连接为一体，容器的侧壁上端开有入口，泥斗的底部开有出口，挡板设置在容器的入口的前方，多个蠕虫附着斜板沿高度方向分层交错均匀设置在容器的内部，每个蠕虫附着斜板由填料板、固定轴和填料层构成，固定轴固装在填料板上，填料板上均布开有若干个呼吸孔，填料层内接种有大量蠕虫，填料层固定在填料板上，蠕虫附着斜板与水平面成适度倾斜放置；所述可变曝气装置由空气压缩机、进气管路、多个可变微孔曝气管和气体流量自动调节器构成，每个可变微孔曝气管的内壁上均布开有若干个孔径可变出气孔，所述孔径可变出气孔的直径可变范围为0.2～0.8mm，多个可变微孔曝气管沿容器的左右方向水平布置在容器的底部内，位于容器外部的空气压缩机通过进气管路与多个可变微孔曝气管连通，气体流量自动调节器经被设置好后可根据容器内污泥混合液的溶解氧浓度自动调节进入多个可变微孔曝气管的空气流量，实现对容器内混合液的可变曝气。

本发明具有以下优点：

本发明所述生物反应器集蠕虫附着斜板、以及可变曝气装置于一体，更好地实现了剩余污泥的减量处理，极大地降低了能耗，显著提高了污泥减量效果，提高了生物反应器的工作能力，经实验证明，氧气利用率可提高40％，污泥减量达到90％以上(如图4所示)。完全适用于城市污水剩余污泥的减量处理。而且多个蠕虫附着斜板的结构形式实现了蠕虫种群的高密度生长，而且不易脱落。本发明所处理的混合液是污水生物处理系统排放的剩余污泥。

本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：

(1)本发明适用于底栖类蠕虫，其独特的内部结构、曝气量可变的曝气装置与底栖类蠕虫的生理习性相适应，使其稳定地固着于多孔性填料之中，从而保证了蠕虫种群的高密度生长。

(2)本发明采用一种特殊的网状多孔性填料。该种填料模拟了蠕虫的自然生境-底泥，与蠕虫的钻洞特性相适应。填料内部孔道纵横交错上下相通，大量直径2～3mm的弹性孔隙分布其中，蠕虫在填料中可自由的爬行钻洞。这种填料可以帮助蠕虫躲避外界的冲击，使蠕虫稳定固着，而且独特的多纤毛填料设计也利于蠕虫在填料上的附着。经试验验证，蠕虫能长时间稳定附着在填料上，填料上的蠕虫密度可达4kg·m^-2(8×10⁶条·m^-2)。

(3)多层填料板的设置有效地增加了容器内部的空间利用率，大大地增加了蠕虫在反应器中的量，增大了污泥与蠕虫的接触面积，从而加快了污泥的减量速率。在填料板与填料板之间的空间水流较缓，有利于蠕虫的附着生长，从而有效防止了蠕虫的脱落。因而，本反应器克服了已有技术存在的蠕虫附着量小、易脱落、工作能力低、抵抗水力冲击能力差的缺陷。填料板交错布置，气泡在各块填料板间穿梭流过，使反应器内供氧均匀并延长了气泡在反应器中的停留时间，从而提高了氧气的利用率，降低了能量的消耗。

(4)本发明采用曝气量可变的曝气装置，通过对曝气量的调节使污泥混合液中的溶解氧浓度维持在蠕虫污泥减量效果最佳的溶解氧浓度，从而利于实现最大化的污泥减量效果。而且本曝气装置充分考虑到了蠕虫的微好氧特性，与蠕虫的天然生长环境相适应，使蠕虫能够长期稳定地生长在反应器中。适度的刺激也能够防止蠕虫的脱离，强化蠕虫在填料中的固着。同时上述的曝气装置也防止了代谢产物在填料板上的积累，减轻了代谢产物积累所带来的影响。

(5)本发明的结构形式有利于污泥细菌对蠕虫的反捕食作用，在实现剩余污泥减量排放的同时，促进污泥活性提高，进而强化了前段的污水处理效能。

(7)本发明结构简单紧凑，无需改变原有污水处理设施，投资少，实施性较强。而且本发明不影响原有污水处理系统的污水处理效果，从而稳定有效地实现了城市污水及剩余污泥的生态协同处理，具有广阔的推广前景。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图，图2是蠕虫附着斜板的主视结构图，图3是蠕虫附着斜板的填料板的俯视图，图4为本发明所述生物反应器的污泥减量效果图(不接种蠕虫的空白反应器与本发明的反应器的污泥减量效果的对比可看出，本发明的污泥减量效果非常明显，可达90％以上)。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器包括容器6、泥斗7和挡板2；所述生物反应器还包括多个蠕虫附着斜板4、可变曝气装置5；泥斗7位于容器6的下方且二者连接为一体，容器6的侧壁上端开有入口6-1，泥斗7的底部开有出口6-2，挡板2设置在容器6内的入口6-1前方，多个蠕虫附着斜板4沿高度方向分层交错均匀设置在容器6的内部，每个蠕虫附着斜板4由填料板4-1、固定轴4-2和填料层4-3构成，固定轴4-2固装在填料板4-1上，用于将多个蠕虫附着斜板4固定在容器6内部，填料板4-1上均布开有若干个呼吸孔4-1-1，填料层4-3内接种有大量蠕虫，填料层4-3固定在填料板4-1上，蠕虫附着斜板4与水平面成适度倾斜放置；所述可变曝气装置5由空气压缩机5-1、进气管路5-2、多个可变微孔曝气管5-3和气体流量自动调节器5-4构成，每个可变微孔曝气管5-3的内壁上均布开有若干个孔径可变出气孔5-3-1，所述孔径可变出气孔5-3-1的直径可变范围为0.2～0.8mm，多个可变微孔曝气管5-3沿容器6的左右方向水平布置在容器6的底部内，位于容器6外部的空气压缩机5-1通过进气管路5-2与多个可变微孔曝气管5-3连通，气体流量自动调节器5-4经被设置好后可根据容器6内污泥混合液的溶解氧浓度自动调节进入多个可变微孔曝气管5-3的空气流量，实现对容器6内混合液的可变曝气。

本实施方式的填料层4-3上附着的蠕虫是底栖类蠕虫，属于微型动物种群。挡板2设置在入口6-1的前方，减少进泥时对多孔性填料3的水力冲击。泥斗7位于容器6的下方，用于收集经蠕虫作用后的污泥和蠕虫排泄物。泥斗7的底部开有出口6-2，用于排泥。可变曝气装置5设置在容器6的底部，用于实现对容器6内污泥混合液的可变曝气。所述填料板4-1设计成长方形，在容器6内部均匀分层安置，在高度方向上交错排列并保持微微倾斜。

具体实施方式二：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述填料层4-3的厚度为1.0～1.2cm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述填料层4-3由聚乙烯材料制成，填料层4-3上均匀分布有大量直径或宽度为2～3mm的孔或缝隙，所述大量孔或缝隙纵横交错上下相通，即所述填料层4-3是网状多孔性填料层，用于承载蠕虫；以底栖类的蠕虫作为污泥捕食生物，并根据其生理特性将其接种固着在多孔性填料3内部。这种多孔性填料3模拟了蠕虫的自然生存环境-底泥(填料层4-3与蠕虫的天然生活环境相类似)，与蠕虫的钻洞特性相适应，蠕虫在多孔性填料中可自由的爬行钻洞。此种多孔性填料还可以帮助蠕虫躲避外界的冲击，使蠕虫稳定固着，蠕虫在经受外界较强的冲击时，可以迅速回缩躲藏在多孔性填料3中，从而免受影响。多孔性填料表面密布有大量的孔和缝隙，能极大地提高蠕虫的承载数量，使反应器的工作能力增强，纤毛的存在也利于蠕虫的附着。经试验，蠕虫能长时间稳定附着在多孔性填料上，多孔性填料上的蠕虫密度可达4kg·m^-2(8×10⁶条·m^-2)。实现了高效稳定的剩余污泥减量，达到了“纯生态”的污水和剩余污泥协同处理的效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述填料层4-3的上表面上还附着有一层聚乙烯纤毛4-3-1。填料表面附着有聚乙烯纤毛，利于蠕虫在填料上的附着。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述反应器还包括调节池9、污泥泵10和闸阀12，所述污泥泵10的出口连通调节池9的入口，调节池9的出口通过闸阀12连通容器6的入口6-1。如此设置，能调节容器6内的流量。本实施方式具体的操作方法如下：根据前段污水处理系统所产生的污泥负荷，用污泥泵10将从前段污水处理系统排出的剩余污泥混合液输送至调节池9，在池内缓解有机及毒害负荷，再由闸阀12送至容器6内部，污泥混合液在容器6内与多孔性填料层4-3上的蠕虫充分接触，大部分固体沉积在填料层4-3表面，或被填料层4-3上的大量纤毛所吸附，留在其上为蠕虫所降解。在附载密度超过8×10⁶条·m^-2的蠕虫作用下，通过对污泥细菌及有机物的捕食作用及细菌的反捕食作用实现污泥的减量。剩余固体(剩余污泥与蠕虫排泄物)随混合液排出系统，污泥实现减量90％以上。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：下面结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述反应器还包括温控仪8，所述温控仪8设置在容器6的外部且温控仪8的测量端置于容器6内。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

工作原理(参见图1～3)：

本发明所处理的混合液是污水生物处理系统排放的剩余污泥，将一定体积欲处理的剩余污泥混合液导入容器6内。而后通过可变曝气装置5对容器6内的污泥混合液进行曝气量可变的曝气，使污泥混合液的溶解氧浓度维持在蠕虫污泥减量最大的溶解氧浓度。在容器6内，污泥慢慢在填料上沉积，形成一层污泥层，蠕虫把尾部伸出填料和污泥层，不断的摆动尾部以吸收水中的溶解氧，其头部埋在填料和污泥层中对污泥进行采食。而且曝气量可变的曝气还可以通过对混合液的不时的扰动不断更新填料上沉积的污泥层。通过一段时间的捕食作用后，蠕虫即实现了对剩余污泥混合液的减量处理。

本反应器内设置有填料板。填料板分层均匀安置在容器内部，且微微倾斜，在高度方向上交错分布。填料板上固定有填料。多层填料板的设置有效地增加了容器内部的空间利用率，大大地增加了蠕虫在反应器中的数量，从而提高了污泥的减量速率。填料板交错布置，气泡在各块填料板间穿梭流过，使反应器内供氧均匀并延长了气泡在反应器中的停留时间，从而提高了氧气的利用率，降低了能量的消耗。反应器内填料板与填料板之间的空间水流较缓，有利于蠕虫的附着生长。

整个运行过程中，容器内水力停留时间为1～3天，混合液中溶解氧浓度为1±0.5mg·L^-1，水温25±2℃，pH 6～9。

Claims (6)

1.一种具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，所述生物反应器包括容器(6)、泥斗(7)和挡板(2)；其特征在于：所述生物反应器还包括多个蠕虫附着斜板(4)、可变曝气装置(5)；泥斗(7)位于容器(6)的下方且二者连接为一体，容器(6)的侧壁上端开有入口(6-1)，泥斗(7)的底部开有出口(6-2)，挡板(2)设置在容器(6)的入口(6-1)的前方，多个蠕虫附着斜板(4)沿高度方向分层交错均匀设置在容器(6)的内部，每个蠕虫附着斜板(4)由填料板(4-1)、固定轴(4-2)和填料层(4-3)构成，固定轴(4-2)固装在填料板(4-1)上，填料板(4-1)上均布开有若干个呼吸孔(4-1-1)，填料层(4-3)内接种有大量蠕虫，填料层(4-3)固定在填料板(4-1)上；所述可变曝气装置(5)由空气压缩机(5-1)、进气管路(5-2)、多个可变微孔曝气管(5-3)和气体流量自动调节器(5-4)构成，每个可变微孔曝气管(5-3)的内壁上均布开有若干个孔径可变出气孔(5-3-1)，所述孔径可变出气孔(5-3-1)的直径可变范围为0.2～0.8mm，多个可变微孔曝气管(5-3)沿容器(6)的左右方向水平布置在容器(6)的底部内，位于容器(6)外部的空气压缩机(5-1)通过进气管路(5-2)与多个可变微孔曝气管(5-3)连通，气体流量自动调节器(5-4)经被设置好后可根据容器(6)内污泥混合液的溶解氧浓度自动调节进入多个可变微孔曝气管(5-3)的空气流量，实现对容器(6)内混合液的可变曝气。

2.根据权利要求1所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，其特征在于：所述填料层(4-3)的厚度为1.0～1.2cm。

3.根据权利要求1或2所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，其特征在于：所述填料层(4-3)由聚乙烯材料制成，填料层(4-3)上均匀分布有大量直径或宽度为2～3mm的孔或缝隙，所述大量孔或缝隙纵横交错上下相通。

4.根据权利要求3所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，其特征在于：所述填料层(4-3)的上表面上还附着有一层聚乙烯纤毛(4-3-1)。 

5.根据权利要求1、2或4所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，其特征在于：所述生物反应器还包括调节池(9)、污泥泵(10)和闸阀(12)，所述污泥泵(10)的出口连通调节池(9)的入口，调节池(9)的出口通过闸阀(12)连通容器(6)的入口(6-1)。

6.根据权利要求5所述的具有可变曝气和蠕虫附着斜板的剩余污泥减量生物反应器，其特征在于：所述生物反应器还包括温控仪(8)，所述温控仪(8)设置在容器(6)的外部且温控仪(8)的测量端置于容器(6)内。 

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