CN101928065A

CN101928065A - 电场强化两相厌氧反应器

Info

Publication number: CN101928065A
Application number: CN2010102640786A
Authority: CN
Inventors: 刘波; 姜国兴; 吴文菲; 屈晋云; 王艳鹏; 戚绪亮; 李松
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2010-12-29

Abstract

本发明公开了一种适用于处理高浓度硫酸盐和有机污染废水的电场强化两相厌氧反应器，它的罐体内部由下至上分别为污泥沉淀区、酸化反应室和甲烷化反应室，罐体顶部设有气液分离器，在酸化反应室上下两侧分别设有负电极板和正电极板，并与罐体外的恒流电压源相连以形成恒压电场；甲烷化反应室和酸化反应室之间以污泥截留层分隔，在罐体的顶部内缘上设置出水槽，出水管与出水槽连通并伸出罐体，其出水可以直接进行排放或者回用。本反应器采用恒压电场和两相厌氧反应器工艺相结合，采用在通入直流电的能够强化常压条件下供氢体系的硫酸盐还原过程。具有容积负荷高，反应速率快，占地面积少，运行费用低，处理效果好等优点。

Description

电场强化两相厌氧反应器

技术领域

本发明是涉及一种外加恒压电场的厌氧有机污水生物处理一体化装置，用于处理含有高浓度硫酸盐的有机污染废水，具体来说是一种电场强化两相厌氧反应器。

技术背景

伴随着人类社会在近几个世纪的快速发展，大量的生产生活污水被排放出来，严重的影响了人类的生活质量；尤其是自19世纪工业革命以来，化工、制药、制革、造纸、发酵、食品加工和采矿等领域的生产过程中在排放出大量有机污染物的同时，高浓度硫酸盐废水也由此产生。高浓度的硫酸盐有机废水严重破坏了各类生态环境，硫酸盐废水会使受纳水体酸化，危害水生生物；排人农田会破坏土壤结构、使土壤板结，减少农作物产量及降低农产品品质；在厌氧条件中硫酸还原菌作用下会产生H₂S，H₂S不仅是大气恶臭的主要物质，而且能够腐蚀处理设施和排水管道，更会使得厌氧废水处理的副产品——沼气质量大幅度下降以及抑制硫酸盐还原菌的生长。目前，我国很多城市的地下水已经受到不同程度的硫酸盐污染，早在1988年第五届国际厌氧消化会议和1991年国际水污染研究及控制协会东京会议上，就曾两次将硫酸盐废水治理工艺作为专题研讨。

使用厌氧法处理高浓度有机废水是目前最为经济高效的方法，但是在有大量硫酸盐存在的情况下，传统厌氧系统受到硫酸盐还原菌对产甲烷菌的基质竞争性抑制和SO₄ ^2-还原产生H₂S的毒性抑制作用，处理效率低，甚至不能正常运行。

采用气提吹脱的方法去除SO₄ ^2-还原产生H₂S是提高厌氧系统处理效率的关键之一。单相厌氧吹脱工艺是在单相厌氧处理系统中安装惰性气体吹脱装置，将H₂S不断地从反应器中吹脱掉，从而改善反应器的运行性能，但在反应器内持续吹脱不利于正常的厌氧消化反应及颗粒污泥的形成，且没有克服硫酸盐还原菌对产甲烷菌的基质竞争性抑制作用。

两相厌氧工艺促使微生物的产酸作用和硫酸盐还原作用在酸化单元中进行，产甲烷作用在甲烷化单元中进行，避免了硫酸盐还原菌和产甲烷菌之间的基质竞争问题。但酸化单元中由于没有产甲烷过程带来的气体扰动作用，H₂S不易溢出，因此硫化物浓度很高，使微生物受到毒性抑制作用。并且酸化单元中硫酸盐还原通常不彻底，仍有大量硫酸盐流入甲烷化单元，使产甲烷过程受到不利影响。从两相反应器的机构来看，酸化与甲烷化反应器多数都为分体式，此种方式占地面积大，两反应体之间增加管道、动力设备连接，设备费用将会增加；开发节能降耗的反应器更为可取。

中国专利“一种电场反应装置”(公开号为CN201244477Y)采用的电场两极分布在反应器的两边侧壁，并且电极为单电极或多块极板组合而成，这样的极板分布方式使反应区内的电流不能够均匀分布，影响处理效果。该发明采用恒压电场和高效的厌氧反应器工艺相结合，通过加大酸化反应室中的水力流速来提高处理效率，因为水力上升流速的提高有利于硫酸盐还原菌和产甲烷菌对底物的吸收，促进硫酸还原和产甲烷反应，且更强的水力扰动也有利于H₂S从水中溢出。但是，H₂S浓度依然很高，基质竞争的问题也没有得到解决，水力上升流速的加快就会引发酸化阶段停留时间的降低，高负荷的硫酸盐废水将不能很好的去除，并且相关研究已经表明利用氢气的硫酸盐还原菌对于最容易利用的底物-氢气，尚需要较长的还原速率，更别说其他类型的硫酸盐还原菌。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种一体化的两相厌氧生物处理反应器，该反应器不仅占地面积小，能耗低，而且使厌氧反应的效率大大提高。

本发明所述的电场强化两相厌氧反应器，它包括罐体，罐体内部由下至上分别为污泥沉淀区、酸化反应室和甲烷化反应室，罐体底部接有污泥输出管，污泥输出管与污泥沉淀区连通；罐体顶部设有气液分离器，气液分离器下部设有回流管，该回流管伸入罐体中并连接设在酸化反应室底部的布水器；气液分离器两侧接有提升管，该提升管伸入罐体并连接两个三相分离器，两个三相分离器分别设在酸化反应室顶部和甲烷化反应室顶部；在罐体侧壁设有进气管和进水管，进气管和进水管也连接布水器，在酸化反应室上下两侧分别设有负电极板和正电极板，正、负电极板通过导线与罐体外的恒流电压源相连以形成恒压电场；甲烷化反应室和酸化反应室之间以污泥截留层分隔，在罐体的顶部内缘上设置出水槽，出水管与出水槽连通并伸出罐体。

上述布水器位置高于反应器的底部进水管，并与正电极板等高；负电极板位于三相分离器之下，且与三相分离器底部形成倾角。

为了冲洗掉污泥截留层截留下的固态物，在污泥截留层上下两侧设有连通至罐体外的冲洗管。

上述布水器具有若干布水头，每个布水头都均匀分布，且都为切向式布水头。切向式布水头包括向上的喷嘴和喷嘴上部具有下倾角的挡板。这种结构的布水头一方面增加了水力紊流，另一方面可防止正电极板中污泥的沉积堵塞喷嘴，起到冲刷的作用。

正电极板呈圆环波浪式，在其波峰上对应设置布水头，而波谷中分布长条形缝隙。由于布水头在高处并且水流为向下的切向喷出，而且缝隙大多数位于低处，因此能够避免污泥在正电极板上的堆积。

本发明的工作原理：源水与进气(分离出的沼气)通过进水管和进气管被泵同时打入到反应器的底部，再与气液分离器中回流水混合后，经过布水器中的布水头均匀地分配在反应单元中，在酸化反应室中产生剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀状态，加强了泥水的混合接触，传质的限制因素很小，使污泥保持很高的活性，同时由于外加电场可以加快电子供体的传质效果，采用附加直流电的方式，使得硫酸盐还原菌还原电子供体结合还原速率比一般加快1.7-2.1倍，同时研究还表明在一定的电场电流(I＝1.5mA)下，电化学对生物过程的强化机制可能是电场/磁场促进硫酸盐还原菌(sulfatereducing bacteria，SRB)增殖、提高酶活性及代谢活性。研究表明在电极电流下，硫酸还原菌能够更好的利用氧化有机物为单一电子受体，促进菌群还原速率(见表1)；另外有沼气的加入后也可以加速生成的H₂S气体溢出，达到吹脱的效果，气液在通过三相分离器后实现分离，三相分离器顶部的气体通过提升管进入气液分离器中，气液分离器中不含沼气的泥水由于比重增大且液位较高，因此可经回流管降至反应器底部；如此内循环使泥水达到充分混合的水力条件，使厌氧反应的效率大大提高。

表1不同电流条件下硫酸盐累计还原量mg

注：1、R0，R1，R2，R3分别表示反应器电流为0，1.0，1.5，2.0mA的条件；R4条件为0-5d，6-10d，11-14d的电流分别为1.0，1.5，2.0mA；2、进水硫酸盐浓度为600mg/L。

随着废水在酸化反应室中的进行，经过酸化反应的废水通过污泥截留层进入甲烷化反应室中，此反应室中主要的菌种为甲烷菌，污水得到进一步处理后再次在三相分离器中分离，气体同样通过提升管进入气液分离器，处理后的净水在三相分离器的上部净水区一段时间后通过排水管排出，污泥截留层的上下侧均有冲洗水通入以维持截留层的正常作用。

本发明既可以克服硫酸盐还原菌对产甲烷菌的基质竞争性抑制和快速地溢出H₂S气体以减少毒性，也可以加快硫酸盐还原菌对电子供体的还原速率，更可以加快酸化反应单元中硫酸盐还原菌的繁殖速度，使系统将能实现高效稳定运行。此外，本发明体积小、投资少、占地省、试验运行非常稳定，能够高效处理硫酸盐有机废水。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中布水头的结构示意图，

图3为正电极板的结构示意图，

图4是图3的截面图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1，本发明的电场强化两相厌氧反应器，其罐体结构为竖立圆柱体或长方体，由罐体内的污泥沉淀区2、酸化反应室7、甲烷化反应室22以及罐体上端的气液分离器19组成。

罐体底部接有污泥输出管，污泥输出管与污泥沉淀区2连通；罐体顶部设有气液分离器19，气液分离器19下部设有回流管18，该回流管18伸入罐体中并连接设在酸化反应室7底部的布水器3，布水器3位置高于反应器的底部进水管1A，并与正电极板4等高。气液分离器19两侧接有提升管13，该提升管13伸入罐体并连接两个三相分离器10，两个三相分离器10分别设在酸化反应室7顶部和甲烷化反应室22顶部；在罐体侧壁设有进气管1B和进水管1A，进气管1B和进水管1A也连接布水器3。在酸化反应室7上下两侧分别设有负电极板5和正电极板4，负电极板5位于三相分离器10之下，且与三相分离器10底部形成倾角。正、负电极板4、5通过导线与罐体外的恒流电压源6相连，在酸化反应器7的空腔内以形成恒压电场。甲烷化反应室22和酸化反应室7之间以污泥截留层9分隔，污泥截留层9上下两侧设有连通至罐体外的冲洗管20。在罐体的顶部内缘上设置出水槽15，出水管14与出水槽15连通并伸出罐体。反应器底部进水，顶部出水，两相反应室叠加放置并与电场形成一体化装置，具有占地面积少，处理效果好的特点。

布水器3具有若干布水头21，图2为布水头的结构示意图，每个布水头21都均匀分布，且都为切向式布水头，包括向上的喷嘴和喷嘴上部具有下倾角的挡板。

图3为正电极板的横截面剖面图，图4为俯视图，极板为环形波浪状结构，每个波峰上分布着布水头21，波谷中分布着很多的长条形缝隙22；由于布水头在高处并且水流为向下的切向喷出，而且缝隙大多数位于低处，因此能够避免污泥在极板上的堆积。

Claims

1.一种电场强化两相厌氧反应器，其特征在于它包括罐体，罐体内部由下至上分别为污泥沉淀区(2)、酸化反应室(7)和甲烷化反应室(22)，罐体底部接有污泥输出管，污泥输出管与污泥沉淀区(2)连通；罐体顶部设有气液分离器(19)，气液分离器(19)下部设有回流管(18)，该回流管(18)伸入罐体中并连接设在酸化反应室(7)底部的布水器(3)；气液分离器(19)两侧接有提升管(13)，该提升管(13)伸入罐体并连接两个三相分离器(10)，两个三相分离器(10)分别设在酸化反应室(7)顶部和甲烷化反应室(22)顶部；在罐体侧壁设有进气管(1B)和进水管(1A)，进气管(1B)和进水管(1A)也连接布水器(3)，在酸化反应室(7)上下两侧分别设有负电极板(5)和正电极板(4)，正、负电极板(4、5)通过导线与罐体外的恒流电压源(6)相连以形成恒压电场；甲烷化反应室(22)和酸化反应室(7)之间以污泥截留层(9)分隔，在罐体的顶部内缘上设置出水槽(15)，出水管(14)与出水槽(15)连通并伸出罐体。

2.根据权利要求1所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于布水器(3)位置高于反应器的底部进水管(1A)，并与正电极板(4)等高。

3.根据权利要求1或2所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于负电极板(5)位于三相分离器(10)之下，且与三相分离器(10)底部形成倾角。

4.根据权利要求1或2所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于污泥截留层(9)上下两侧设有连通至罐体外的冲洗管(20)。

5.根据权利要求1或2所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于布水器(3)具有若干布水头(21)，每个布水头(21)都均匀分布，且都为切向式布水头。

6.根据权利要求5所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于切向式布水头包括向上的喷嘴和喷嘴上部具有下倾角的挡板。

7.根据权利要求5所述的电场强化两相厌氧反应器，其特征在于正电极板呈圆环波浪式，在其波峰上对应设置布水头(21)，而波谷中分布长条形缝隙(22)。