CN101979342A - 生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以通过提高气液固分离效率，而提高容器内生物反应效率的生物反应器。本发明中，从容器(1)内中间附近到底部是漂浮着污泥的生物反应区域(S)。原水在该生物反应区域(S)内受到厌氧性生物处理后，导入到容器(1)内上部的气液固分离器(4)中，进行气液固分离。气液固分离后的处理水通过处理水抽出管道(6)被抽至容器(1)外。固体成分在气液固分离器(4)内沉淀，并通过固体成分排出管(7)，返回容器(1)内的生物反应区域(S)中。在气液固分离器(4)内设有由圆环形板材所构成的挡板(21)～(24)，这些挡板具有直径愈向下愈小的锥形形状。各挡板(21)～(24)相互之间空开间隔并配设成同心状。

Description

生物反应器
本申请是申请号为200610152871.0的名称为“生物反应器”的发明专利申请的分案申请，原申请的申请日是2006年11月06日。
技术领域
本发明涉及一种适合用于排水的生物学处理等的生物反应器(bioreactor)，尤其涉及在用于生物反应的容器内上部设有气液固分离室的生物反应器。
背景技术
一直以来，UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，升流式厌氧污泥床)或EGSB(Expanded Granular Sludge Bed，颗粒污泥膨胀床)方式的生物处理装置被广泛用于有机性排水的生物处理(biotreatment)。通过进行这些UASB、EGSB处理，排水中的有机性物质经过厌氧性(anaerobic)生物处理而转换为甲烷以及CO2气体。因此，生物处理水中将包含气体(甲烷、CO2)、液体(水)以及固体(污泥)。为了高效地进行UASB、EGSB处理，必须以不让固体成分(solid content)流出的方式进行气液固分离。
在日本专利特开平10-165980号公报以及日本专利特表平7-507233号公报中，揭示了在UASB方式等的生物处理反应槽(reactor tank)内的上部设置气液固分离器，用以沉淀分离固体成分并且使气体上浮分离。
专利文献1：日本专利特开平10-165980号公报
专利文献2：日本专利特表平7-507233号公报
所述日本专利特开平10-165980号公报以及日本专利特表平7-507233号公报中所使用的气液固分离器，构造简单、气液固分离效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以通过提高气液固分离效率，而提高容器内生物反应效率的生物反应器。
本发明第1观点的生物反应器，包括：容器，在内部进行液体的生物反应处理；以及气液固分离室，设置于该容器内的上部，液体从该容器内流入到气液固分离室，气液固分离室对该液体进行固体成分的沉淀分离及气体的上浮分离，该生物反应器的特征在于：在该气液固分离室内设有多个挡板(baffle)，相互空开间隔并配置成同心状，且具有直径愈向下愈小的锥形形状。
本发明第2观点的生物反应器是如本发明第1观点所述的生物反应器，其特征在于：所述气液固分离室包括上部圆筒部、以及与该圆筒部的下侧相连的圆锥部，固体成分排出管从该圆锥部的下端部向下方延伸设置，用以使气液固分离室内已沉淀的固体成分依靠重力从该气液固分离室向下方流出，该固体成分排出管的铅直方向长度h2大于等于该圆筒部内径d1的0.1倍。
本发明第3观点的生物反应器是如本发明第2观点所述的生物反应器，其特征在于：所述固体成分排出管相对于铅直方向倾斜而延伸设置，该固体成分排出管的下端的开口朝向横向或斜上方。
本发明第4观点的生物反应器使如本发明第2观点或第3观点所述的生物反应器，其特征在于：在该气液固分离室下部或该固体成分排出管上部设有排气孔，用以使该气液固分离室内或固体成分排出管内的气体流至该气液固分离室或固体成分排出管外。
本发明第5观点的生物反应器是如本发明第2观点所述的生物反应器，其特征在于：所述固体成分排出管包括延伸设置于铅直方向上的上部管，以及与该上部管相连，朝向横向或斜下方延伸的下部管，该下部管的末端的开口朝向横向或斜上方。
本发明第6观点的生物反应器是如本发明第5观点所述的生物反应器，其特征在于：在所述上部管的下部或所述下部管上设有排气孔，用以使该固体成分排出管内的气体流出该固体成分排出管外。
本发明第7观点的生物反应器是如本发明第1观点至第6观点中任何一项所述的生物反应器，其特征在于：最外周的挡板的上端与所述气液固分离室的内面相连，并在该气液固分离室的内面与最外周的挡板之间设有流入部，以使所述容器内的液体大致沿切线方向流入该气液固分离室内。
本发明第8观点的生物反应器是如本发明第7观点所述的生物反应器，其特征在于：所述圆筒部上设有排气口，用以使气体从该气液固分离室的内面与最外周的挡板之间向该圆筒部的外侧流出。
本发明的生物反应器中，在反应容器内上部的气液固分离室内呈同心状设置多个挡板，使得气液固分离效率提高。因此，可以提高容器内的生物处理反应效率。
如本发明第2观点所述，当将固体成分排出管从气液固分离室向下方延伸设置时，固体成分滞留在该排出管内，并依靠重力逐渐从该排出管朝向容器下部流出。由于密度(比重)大于液体的固体成分滞留在排出管内，因此液体不会从该排出管逆流向气液固分离室，从而维持住气液固分离室内的高气液固分离效率。
如本发明第3、4观点所述，通过使固体成分排出管倾斜、或使下部管朝向横向或斜下方，易于使固体成分滞留于排出管内。另外，通过使固体成分排出管的下端或末端的开口朝向横向或斜上方，而确实防止反应容器内所产生的气体流入排出管内。
因为固体成分滞留在该气液固分离室内的下部直至排出管中，所以如本发明第5观点所述，通过在该部分设置排气孔，可以从滞留固体成分中排出气体。由此，气体的浮力对滞留固体成分所起作用得到防止或抑制，从而固体成分可以顺利地向下方穿过排出管。
如本发明第6观点所述，当在固体成分排出管下部设有朝向横向或斜下方的下部管时，通过在该上部管的下部或下部管上设置排气孔，可以充分地将气体从滞留固体成分中排出。
如本发明第7观点所述，通过使液体沿切线方向流入最外周的挡板与气液固分离室内面之间，使得气液固分离室内形成液体的回旋流，从而极其充分地进行气液固分离。
如本发明第8观点所述，在圆筒部设置排气口，以使气体从该最外周的挡板与气液固分离室内面之间的部分排出，由此防止气体聚集在接触部位。另外，由此，液体可顺利地流入气液固分离室内。
附图说明
图1是一实施例的生物反应器的纵剖面图。
图2(a)是图1中生物反应器的上部放大图，图2(b)是气液固分离器的平面图。
图3是挡板的纵剖面图。
图4(a)是另一实施例的生物反应部的上部放大图，图4(b)是气液固分离器的立体图。
图5是另一实施例的平面图。
图6是又一实施例的平面图。
图7是不同实施例的生物反应器的纵剖面图。
1、1A：容器                   2：原水管道
3：分配器                     4、4A、4D：气液固分离器
5、10a：排气口                6：处理水抽出管道
6A、7A：集合管                7、7D：固体成分排出管
7a：上部管                    7b：下部管
10：圆筒部                    11：圆锥部
12：槽                        13、13A：流入口
13a：导件                     14：喷嘴
15：管道                      16：气孔
17：排气孔                     21～24：挡板
S：生物反应区域                θ1、θ2、θ3、θ4、θ5：斜角度
h1、h2、h3、h4：高度(长度)     d1、d2：直径
P：泵
具体实施方式
以下，参照附图对实施例加以说明。
[固体成分排出管整体倾斜的生物反应器]
图1是固体成分排出管整体倾斜实施例的生物反应器的纵剖面图，图2(a)是图1中生物反应器的上部放大图，图2(b)是气液固分离器的平面图，图3是挡板的纵剖面图。此外，图2(a)显示沿图2(b)的A-A线的剖面。图4(a)是另一实施例的生物反应器上部的放大图，图4(b)是图4(a)中气液固分离器的立体图。
图1至图3所示的实施例中，容器1为圆筒形，原水(raw water)从原水管道2供给至容器1内下部的分配器(distributor)3，并通过该分配器3被导入容器1内的下部。
从容器1内中间或较其稍许上部的附近直到底部，是漂浮着污泥的生物反应区域S。原水在该生物反应区域S内受到厌氧性生物处理后，导入到容器1内上部的气液固分离器4内(气液固分离室)，进行气液固分离。
此外，大部分气体会并不进入气液固分离器4而是脱离容器1内的水面，并通过容器1顶部的排气口5被排出容器1外。虽然一部分气体会流入气液固分离器4内，但是它们会从下文将要叙述的排气口10a排出该气液固分离器4外并脱离容器1内的水面，或者脱离该气液固分离器4的水面，从排气口5排出。在气液固分离器4内经过气液固分离后的处理水，通过处理水抽出管道6被抽出容器1外。固体成分在气液固分离器4内沉淀，并通过固体成分排出管7返回容器1内的生物反应区域S。
参照图2(a)、(b)以及图3对该气液固分离器4的结构加以说明。
气液固分离器4的外壳包括上部圆筒部10；以及圆锥部11，与该圆筒部10的下侧相连，并具有直径愈向下愈小的锥形形状。在该圆锥部11的下端连接着固体成分排出管7。在该实施例中，固体成分排出管7整体倾斜，也可以在铅直方向上延伸设置固体成分排出管7，而使该排出管7的下端附近成倾斜设置。另外，该排出管7下端的开口朝向斜上方，也可朝向横向，角度θ3较好的是0～20°，尤其好的是10～15°。
圆筒部10内的上部设有处理水溢出时用的槽(trough)12。所述处理水抽出用管道6(图2(a)、(b)～图4(a)、(b)中省略图示)连接于该圆筒部10，用以抽出溢出在该槽12中的处理水。
在圆筒部10的下部附近设有流入口13，用以使生物反应水流入气液固分离器4内。在图2(a)、(b)的实施例中，在圆筒部10的外表面设有导件(guide)13a，用以导引水沿切线方向从流入口13流入圆筒部10内。该流入口13和导件13a构成水的流入部。在该实施例中，来自流入口13的水的流入线速度(处理水量除以流入口13的面积而求得的速度)较好的是2～8cm/s，尤其好的是4～6cm/s。
在圆锥部11的下部设有喷嘴(jet nozzle)14，用以使水朝向固体成分排出管7喷出，以清洗圆锥部11的下部或该固体成分排出管7。通过管道15，高压水能够由泵(省略图示)供给至该喷嘴14。但是，也可省略该喷嘴14。
该实施例中，在固体成分排出管7的上部设有用以收集气体的气孔(gaspocket)16，并且设有用以将气体从该气孔(gas pocket)16排出到排出管7外的排气孔17。但是，也可以省略该气孔(gas pocket)16以及排气孔17。
在圆筒部10内设有由圆环形板材所构成的挡板21～24，这些挡板具有直径愈向下愈小的锥形形状。各挡板21～24相互之间空开间隔并配设成同心状。该实施例中，从最内周的挡板21直至最外周的挡板24总共设有4个挡板，而挡板的数量并未限定于4个。
最外周的挡板24的上端接触或固定于圆筒部10的内周面。所述流入口的开口朝向该最外周的挡板24与圆筒部10的内周面之间。
该实施例中，如图2(a)、(b)所示，构成为在最外周的挡板24的上端与圆筒部10内周面的接触部或固定部的正下方设有切口状的排气口10a，可以将气体以从挡板24与圆筒部10的内周面之间向气液固分离器4外排出。通过设置排气口10a，不会使气体聚集于挡板24与圆筒部10的内周面之间，而让水从流入口13顺利地流入。如图3所示，较好的是，外周侧挡板23较内周侧挡板21、22向下方延长，最外周的挡板24较挡板23进一步向下方延长。
如此构成的生物反应器中，原水从分配器3导入生物反应区域S中，并经过厌氧性生物处理后，导入气液固分离器4内(气液固分离室)。
该生物反应水从流入口13流入气液固分离器4内，进行气液固分离处理。通过该生物反应水与挡板21～24相接触，高效地进行该气液固分离处理。从水中所分离的气体，通过气体排出口5排出。溢出在槽12中的水，通过处理水抽出管道6被抽出。
在气液固分离器4内沉淀在圆锥部11的固体成分(污泥)，依靠重力在该圆锥部11以及固体成分排出管7内逐渐向下方移动，并从该排出管7的下端朝向生物反应区域S下落。
该实施例中，因为设有挡板21～24，所以能够高效地进行气液固分离器4内的气液固分离。并且，由于充分浓缩后的固体成分经由排出管7返回到生物反应区域S，故而该生物反应区域S中的生物反应能够高效地进行。
该实施例中，因为由排出管7内的污泥所产生的气体通过气孔(gaspocket)16以及排气孔17而流出排出管7外，所以防止或抑制住气体滞留于排出管7的上部或圆锥部11的下部。因此，气体的浮力对污泥所起作用得到防止或抑制，污泥则由排出管7顺利地排出。此外，排气孔17也可设置于圆锥部11的下部。
该实施例中，因为如此污泥滞留在圆锥部11的下部直至排出管7内，所以处理水不会从排出管7的下端或排气孔17逆流到排出管7内。另外，因为排出管7下端的开口如角度θ3所示，朝向斜上方，所以也可以防止在容器1内上升的反应气体流入排出管7内。此外，排出管7的下端也可以朝向横向。
接下来，对所述实施例的生物反应器中各部分的较佳尺寸、运转条件等加以说明。
气液固分离器4圆筒部10的直径d1较好的是圆筒形容器1直径的60～90％，尤其好的是70～85％。
圆筒部10的高度h1较好的是小于等于250cm，尤其好的是50～200cm。
圆锥部11相对于水平面的倾斜角度θ1较好的是45～60°，尤其好的是50～60°。
挡板21～24相对于水平面的倾斜角度θ2较好的是45～60°，尤其好的是50～60°。
固体成分排出管7的直径(非圆形管时为平均直径)较好的是流入口13口径的50～150％，且大于等于50mm。
固体成分排出管7的铅直方向长度(高度)h2较好的是大于等于气液固分离器4直径d1的10％，例如10～70％，更好的是30～80％。
固体成分排出管7相对于水平面的倾斜角度θ4较好的是45～135°，尤其好的是50～130°。
设于圆筒部10上的排气口10a的数量较好的是大于等于4。
挡板的数量较好的是1～10，尤其好的是4。
从最外周的挡板24与圆筒部10内周面的接触部或固定部直至圆筒部10下端的长度h3，较好的是流入口13口径或流入口13上下宽度的1～3倍，尤其好的是1.5～2倍。
最外周的挡板24的高度h4较好的是所述高度h3的1～2倍，尤其好的是1.25～1.5倍。
容器1内的空筒速度较好的是小于等于7m/h。容器1内的COD负荷较好的是小于等于30kgCOD/m3·d，更好的是小于等于25kgCOD/m3·d。
所述实施例中，将喷嘴14设置为沿着圆锥部11的内面，也可以如下文将要叙述的图7所示设置为铅直状态。
图4(a)是另一实施例的生物反应器的上部放大图，图4(b)是该气液固分离器的立体图。
在图4(a)、(b)的实施例中，生物反应水从多个横长的长方形状的流入口13A流入气液固分离器4A内，这些流入口13A设置于气液固分离器4A圆筒部10的大致整个圆周上。各流入口13A设置为围绕在挡板24的外侧。
在图2(a)、(b)的实施例中，通过使生物反应水沿切线方向流入气液固分离室内，使气液固分离室内形成回旋流，从而高效地进行气液固分离，与此相对，在图4(a)、(b)的实施例中，通过增大生物反应水的流入口，使生物反应水的流入速度减小，由此提高气液固分离室内固体的沉淀效率。
此外，在图4(a)、(b)的情况下，固体成分排出管7的直径(非圆形管时为平均直径)较好的是流入口13A上下宽度的50～100％，且大于等于50mm。
图4(a)、(b)中其它结构与图2(a)、(b)相同，同一个符号表示同一个部分。在图4(a)、(b)的实施例中，流入口13A设置成狭缝状，但是若设置于圆筒部10的大致整个圆周上，则对流入口13A的形状并不特别限定。在该形态中，来自流入口13A的水的流入线速度较好的是小于等于5cm/s，尤其好的是1～4cm/s。
在所述实施例中，容器1均为圆筒形，也可以是椭圆筒形、方筒形等，例如可为四边形的筒状。而四边形的筒状，可以是正方形筒状，也可以是长方形筒状。
所述实施例中，在容器1的上部设有1个气液固分离器4、4A，也可以设置多个气液固分离器。
图5表示其一例，在长方形容器1A内设置6个气液固分离器4。来自各气液固分离器4的处理水聚集于集合管6A并被排出。此外，较好的是，各气液固分离器4受到架设在容器1A上部的梁状构件(省略图示)的支撑。
所述实施例，构成为气液固分离器4内的污泥依靠重力而排出，也可以利用泵进行抽吸而排出。
图6表示其一例，构成为各气液固分离器4的固体成分排出管7连接于集合管7A，并通过泵P将污泥送回到生物反应区域S中。图6中，设有多个气液固分离器4，在图1的例中也可以构成为通过泵从排出管7中抽出污泥。较好的是，将已抽出的污泥返送到容器1A的生物反应区域中。
[固体成分排出管包括铅直的上部管和朝向横向或斜下方的下部管的生物反应器]
图7是表示固体成分排出管包括铅直的上部管和朝向横向或斜下方的下部管的生物反应器实施例的剖面图，与所述图2(a)、(b)相同，该图是生物反应器上部的剖面图。
该实施例中，在容器1内的上部也设有气液固分离器4D。该气液固分离器4D的构造与所述图2(a)、(b)的气液固分离器4相类似，不同之处在于：固体成分排出管7D包括铅直的上部管7a，和连接于上部管7a、以倾斜角度θ5朝向斜下方延伸的下部管7b；以及喷嘴14和与其相连的管道15铅直配置在气液固分离器4D的轴心部分。
固体成分排出管7D上部管7a的上端部与圆锥部11的下端相连。下部管7b从上部管7a的下端开始向斜下方延伸。在下部管7b的上部最接近上部管7a的部分，设有气孔(gas pocket)16以及排气孔17，以对自固体成分排出管7D内的气体进行排气。下部管7b的末端的开口仅以角度θ3朝向斜上方。此外，排气孔也可以设于上部管7a的下部。
其它结构与所述图1～图3的实施例相同，故相同符号表示相同部分。
图7的角度θ1、θ2、θ3的较佳范围与以上所述的相同。下部管的倾斜角度θ5为0°～90°即可，但更好的是45°～90°，尤其好的是60～80°。
图7中各部分尺寸的较佳范围也与所述实施例相同。较好的是下部管7b的水平方向长度为固体成分排出管7D高度h2的5～90％左右。
在图7所示结构的生物反应器中，也能够起到与图1～图3中生物反应器相同的作用效果。
图7是在图1～图3中由上部管7a和下部管7b构成固体成分排出管7D，而如上所述，也可以在图4(a)、(b)～图6的生物反应器中由上部管7a和下部管7b来构成固体成分排出管。

Claims (6)

1.一种生物反应器，包括：
容器，在内部进行液体的生物反应处理；以及
气液固分离室，设置于该容器内的上部，液体从该容器内流入到气液固分离室，气液固分离室对该液体进行固体成分的沉淀分离和气体的上浮分离，
其特征在于：该生物反应器在该气液固分离室内设有多个挡板，相互空开间隔并配置成同心状，且具有直径愈向下愈小的锥形形状；
所述气液固分离室包括上部的圆筒部，以及与该圆筒部下侧相连的圆锥部；
固体成分排出管从该圆锥部的下端部向下方延伸设置，用以使在气液固分离室内沉淀的固体成分依靠重力从该气液固分离室向下方流出；
该固体成分排出管的铅直方向长度h2大于等于该圆筒部内径d1的0.1倍，并且该固体成分排出管的至少下端附近相对于铅直方向倾斜，并且该固体成分排出管的下端的开口朝向横向或斜上方，其中该开口位于该容器内。
2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：
所述固体成分排出管包括在铅直方向上延伸设置的上部管，以及与该上部管相连，朝向横向或斜下方延伸的下部管。
3.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于：在所述上部管的下部或所述下部管上设有排气孔，用以使该固体成分排出管内的气体流出该固体成分排出管外。
4.如权利要求1至3中任一项所述的生物反应器，其特征在于：在该气液固分离室的下部或该固体成分排出管的上部设有排气孔，用以使该气液固分离室内或固体成分排出管内的气体流出该气液固分离室或固体成分排出管外。
5.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：
最外周的挡板的上端与所述气液固分离室的内面相连；
在该气液固分离室的内面与最外周的挡板之间设有流入部，使得所述容器内的液体沿大致切线方向流入该气液固分离室内。
6.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于：所述圆筒部上设有排气口，用以使气体从该气液固分离室的内面与最外周的挡板之间向该圆筒部的外侧流出。
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