CN102225322A

CN102225322A - 一种具有间隔填充床的反应器

Info

Publication number: CN102225322A
Application number: CN2011100913637A
Authority: CN
Inventors: 纪群; 蒋伟群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明公开了一种具有间隔填充床的反应器，包括反应器壳体、填充床、格栅板、曝气系统和布水系统，所述填充床包含开放体填料的第一类填料单元和包含空隙的多孔负载体填料的第二类单元，第一类开放体填料单元和第二类负载体填料单元之间是间隔填充的，每个负载体填料单元四周被开放体填料单元包围，负载体填料单元所有的外表面都与开放体填料单元相邻成层。附着载体填料的主要作用为负载反应器中的其催化或降解等作用的活性物质，开放体填料提供废物料流动空间以促进转化物质的流动和分布、传质，并且减少原料物质的沟流，使整个物料均匀的通过固定床。本发明处理效率高、载体磨损少、传质效果好和运行稳定等优点。

Description

一种具有间隔填充床的反应器

技术领域

本发明涉及一种新的载体填充反应器，该载体填充反应器用于化学和生物工艺中的酶(催化剂)或者活性生物体的固定。

背景技术

填料反应器广泛应用于化学和生物等需要进行反应的领域，一般而言通过填充高表面积/体积的填料，极大的增加了反应器内部的表面积。填料的表面积为化学反应中的催化剂或者生物反应中的微生物等提供了附着面，由于反应内反应物和催化剂的接触时间和接触效果的提高，可以促进反应器尺寸的降低，从而节省成本。同时，高浓度的催化剂或菌种密度抵抗能力和填料覆膜的吸附阻挡作用，削弱了有毒有害物质对催化剂或菌种的冲击作用。在生物环境技术领域，固定床反应器越来越显示其优越性。聚氨酯等泡沫状的载体，由于具有孔隙多、比表面积大、耐水解老化、吸附能力强、易于改性等优点而在环保领域广受关注。目前国内外已经开发出多种利用聚氨酯泡沫作为生物载体的反应器。如公开号为CN1587106A，名称为聚氨酯基生物固定化载体及污水处理方法，公开了一种生物承载量高、相容性好、物理化学及机械性能好、适用酸碱废水的载体和悬浮载体处理方法。通过投加高效菌种，该工艺对橡胶助剂的化工废水COD去除率可以达到94％，氨氮去除率达99％的处理效果。但该反应器采用的是悬浮载体在反应池内翻滚的处理方法，载体在曝气的情况下相互碰撞，导致出现载体表面的微生物易脱落、载体容易磨损等缺点。再如公开号为CN101229944A，名称为高氨氮废水的生物强化处理方法专利，它所用的反应器为生物滤池反应器，内部填充有聚氨酯基载体，通过上下两层格栅网来固定聚氨酯载体。该反应器结合了生物滤池和生物强化两种工艺，可同时去除碳和氮两种污染物，并且具有降解高效和抗冲击能力强的优点。但该工艺所具有的缺陷显而易见，即随着聚氨酯基载体上微生物的生长，填料层下面部分的聚氨酯基载体会受到压缩而导致出现大面积空隙领域，将导致过度的沟流，阻碍溶解氧和有机物的均匀传替，同时载体的过度压缩会导致载体内部的微生物无法接触到溶解氧和有机物。再如，美国专利号为5267616的专利涉及使用与硬质塑料间隔物无规混合的聚氨酯泡沫载体来防止反应器内聚氨酯的压缩堵塞。在此专利中，提出了开放体填料与多孔负载体填料相混合的方法，为多孔性高比表面的填料应用开辟了新的途径。然而尽管聚氨酯床未被压缩，但氧气从空气泡向液相传质低于在不存在填料时液相充气情况。再如，专利公开号为CN101263088A，名称为具有分层填充床的工艺反应器专利，它通过硬质塑料的开放体填料和多孔泡沫载体填料的交替分层填充来促进气液的流动、传质，并且能够减少沟流。但该反应器中的多孔性载体填料层之间容易发生堵塞，对气流和水流的通过阻力大，导致上层填料易于发生堵塞。该反应器同时也存在微生物供氧与填料冲洗之间的两难选择。为了保证上层填料不发生堵塞，必须采用中孔至大孔的曝气器，相应的带来了氧利用率低的问题。即便是采用高强度的大孔曝气方式，其上层的载体填料也依然堵塞严重。尤其在处理高浓度有机废水时，要求氧的利用率比较高，否则很容易发生溶解氧不足的现象，从而导致处理效率下降。因此，该工艺存在动力消耗大，无法适用于高浓度有机废水等缺陷。

综上所述，开发一种适用于提高微生物浓度和优化传质效率的新型固定化反应器具有非常重要的意义。理想的反应器形式是该反应器的填料能够提供有利的表面积/体积比，同时保持较低的压降特性并避免处理对象过度的沟流，使其在反应器内的停留时间的分布在相对较窄的范围内。同时，反应器应该能够较好的避免填料的堵塞和为微生物提供足够的物质条件需求(如好氧反应器中提供足够的溶解氧)，满足微生物生长和代谢的要求。当然该反应器的能耗和运行成本在可接受的范围内。本发明提供的间隔填充生物反应器同时解决了微生物在固定床反应器中的稳定运行问题，同时提供的反应器也能够解决目前多孔性载体在废水处理中面临的问题，为其广泛应用提供了一种新的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有间隔填充床的反应器。

技术方案：为了达到发明目的，本发明具体是这样来实现的：一种具有间隔填充床的反应器，包括反应器壳体、填充床、格栅板、曝气系统和布水系统，所述填充床包含开放体填料的第一类填料单元和包含2～20ppi大小空隙的多孔负载体填料的第二类单元，第一类开放体填料单元和第二类负载体填料单元之间是间隔填充的，每个负载体填料单元四周被开放体填料单元包围，负载体填料单元所有的外表面都与开放体填料单元相邻成层。

其中，所述填充床占整个反应器壳体容积的30％-90％。

其中，所述第一类开放体填料单元为表面积或体积比为15～350平方米或立方米的刚性或者半刚性填充体。

其中，所述第一类开放体填料单元为圆柱形填料。

其中，所述第一类开放体填料单元为框架体结构。

其中，所述第一类开放体填料单元占整个填充床大约30％至90％的空隙空间。

其中，所述第二类负载体填料单元包含多孔状载体。

其中，所述第二类负载体填料单元自身具有60～98％的空隙空间。

其中，所述第二类负载体填料单元的表面积或体积比为300～3600平方米或立方米。

其中，所述第二类负载体填料的表面积或体积比是第一类开放体填料的3～200倍。

本发明针对目前废水生物技术处理的现状和有机废气生物处理技术现状，提出了一种更适合将微生物应用于废水、废气处理领域的新型间隔填充形式的思想。通过对反应器内处理微生物主体和操作参数等因子的设计与控制，本专利技术不但可以用于直接处理包括高油、高盐、高硫、高氨氮等不同类型的有机废水，同时可以将优势菌法处理法应用于处理氨氮等无机物等方面的废水，同时本工艺提供的间隔填充反应器可以适用于改进目前常见的大多数生物反应器(无论厌氧好氧)，提高其处理效率和耐冲击能力。另外，本发明中提出的填料填充思想，在生物治理有机废气方面相对于传统的生物处理技术更具优势。该工艺对适合生物处理的各种有机废水、无机废水和有机、无机废气等污染物的处理都表现出相对于传统方法更高的处理效率，并且整个反应器具有长期运行稳定，抗冲击能力强等优点。本发明的间隔填充反应器适用于化学反应、发酵工艺、环保领域和相关的工业过程中以提高反应效率、减少反应器的尺寸。该填充反应器的方案实施以开放体填料和多孔附着载体填料的严格间隔布置为特征，即每个附着载体填料四周(所有的表面)被开放体填料包围，附着载体填料所有的外表面都与开放体填料相邻成层。间隔填充床反应器提供了通过填料床的低压降、较少的沟流发生，并因此可以使废水通过反应器的停留时间分布在较窄的范围。改进的停留时间分布对提高反应效率和降低反应器尺寸等方面具有很大的促进作用。再则，本发明的间隔填充床反应器(在好氧工艺条件下)将生物供氧系统和填料冲洗装置两者分开，实现了既能满足在低能耗的情况下满足生物对溶解氧的需求，又能通过间歇大孔曝气冲洗填料，防止填料床发生堵塞。本发明显著改善了填充床反应器，尤其是应用于固定微生物有机体的聚氨酯填充床反应器的缺点，如无规填充床中的沟流较多，部分区域阻力较高、填充床易堵塞等问题。由于空气和水往往都是优先通过无规填料床和生物质的最小阻力通道，所以会出现沟流或不均匀的流体分布。溶解的营养物、氧气和底物优先通过这些阻力小的相邻区域，而导致该床中其他阻力大的部分生物活性收到抑制。

分层填料填充床是通开放体填料和多孔载体分层布置的原则来克服沟流，但空气和水流通过挂满生物膜的多孔载体层所受的阻力很大，而没有为其通过提供引导作用。这样导致填充床上层的空气流速不足，容易发生填料床的堵塞。为了克服填料层的堵塞，分层填料层通过利用大孔径的曝气器和极高的气水比一直冲刷填料床并且由此为生物提供所需的溶解氧。本发明中的间隔填充填料床具有活性体单元(负载生物的多孔载体)和开放体填料单元规整间隔填充方法提供了有用的解决方案。本发明中对水和气实行引导而非强制性截堵，这是与分层填充最根本的区别。区别于分层填充理论，本发明利用的是超大孔径的多孔体本身的渗透作用和外部空气水流冲刷作用相结合的方式来克服负载体填料内部的堵塞和缺氧等问题。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、将两种不同性质和作用的填料填充床反应器应用于优势菌法废水处理中，为长期困扰优势菌工程化应用过程中面临的泥水分离难题提供了有效的解决方案。由于多孔性的聚氨酯基载体具有非常优秀的生物亲和性和高的比表面积，微生物对其附着能力要明显强于目前市场上所见的其它介质或类型的填料。

2、将严格间隔填充思想应用于开放性填料单元和多孔负载填料单元的填充过程中，解决了单种多孔填料和两种填料无规混填产生的沟流较多，水力分布不均问题；也解决了开放性填料单元和多孔负载填料单元分层填充所带来的高阻力、易堵塞、能耗大的问题。本发明的规整间隔填充反应器能够提供更小的阻力损失和更加高效的空气、溶解物质和微生物接触效率。通过将开放体填料间隔分布在多孔活性载体之间，为气液的流动提供一条阻力较小而又完全经过每个多孔活性载体四周的通道。将两种填料严格规整间隔填充，为气流和液流提供了一曲折的通道(优先通过开放体填料)，该通道围绕在多孔载体周围，能够为生长其上的生物体提供所需的空气和营养物质。通过采用更大孔径的多孔载体(平均孔径大于5毫米)，使多孔载体内的菌种能够接触到通过的水流和气流。同时，间隔填充反应床由于没有软性多孔载体积聚在一起，反应床内空隙阻力分布均匀的特点，可以使通过的水流的停留时间保持在一个相对更窄的范围，这样可以确保处理效果的提高和稳定。

3、将组合填料思想应用于固定床反应器中，区别于目前常用的流化反应床或者MBBR工艺。在固定床反应器中，填料相对于水、气和质流是基本静止的，而在流化床和MBBR工艺中填料是随水、气流而流动的，其与水气流的相对速度要远小于固定反应床。这样，固定床气、水流对大孔填料内部的冲洗效果要远高于流化床。通过采用固定填料的方式和大孔网状薄壁聚氨酯的填料，来保证填料内部菌种对氧气和溶解质的需求。由于刚性填料和负载体填料之间的严格填充，负载体填料上面的菌种可以最大限度的接触到水流和空气。

4、通过从受污染的水体和土壤中利用平板涂布的方法分离出性能优良的优势菌，利用纯培养技术将其扩增至足够数量，然后投加到本发明中的填充反应器中。高浓度的硫酸黏菌素废水(COD11000mg/L)经过调节池后进入本发明的间隔填充反应床，通过鼓风曝气为微生物提供足够的溶解氧和填料冲刷作用，经过反应床的出水进入混凝气浮阶段。填充床反应器的停留时间设置为48h，经过本反应器的处理后，有机物降解明显，连续3个月出水COD保持在800-1200mg/L之间，COD去除率接近90％左右，反应器的容积负荷为7.3kgCOD/m³.d，组合载体的容积负荷可以达到10kgCOD/m³.d。

附图说明

附图1附着载体填料：一种多孔聚氨酯海绵单元示意图。

附图2开放体填料：鲍尔环示意图。

附图3粘附式组合填料示意图。

附图4包裹式间隔填充填料单元示意图。

附图5四种不同方式填充的生物反应器。

附图6分离式间隔填充反应器。

附图7包裹式间隔填充反应器。

在本发明的附图中，利用数字标号对涉及的要素进行标注，图中各个数字代表的要素参考附图详述中。其中各数字的代表内容如下：100为固定填充反应器壳体，101为固定床外区域，102为格栅板，103为流体流出收集管，104为附着载体填料单元，105为开放体填料单元，106为附着载体和开发填料之间的间隙区域，107为冲洗扩散器，108为流体进料分布器，109为供氧曝气器，110为混合填料床，111为附着载体填料的基质，112为附着在填料上的生物体。

附图详述

一方面，本发明涉及将填充床反应器用来吸附固定优势菌菌，实现优势菌的泥水分离的方法。这涉及到优势菌法处理废水的一种新的应用形式。通过使用多孔性载体系统固定的优势菌降解去除废水、废气中的化学需氧量和生物需氧量，当然也包括特别控制的污染物和氮元素等。本发明中的附着在多孔填料上的微生物，可以是真菌、单纯的细菌或者混合菌群。另外本发明涉及的开放体填料单元与多孔载体单元规则间隔填充方法，不限制于好氧处理方法中应用，也包括这种填充方式在厌氧或兼氧的处理工艺中运用。

另外本发明涉及提供了一种改进生物反应器反应速率，提高效率和可控的生物装置和微生物体。在相同的环境和操作参数(如停留时间、进水污染物浓度、曝气溶氧量、动力消耗)条件下，与只加入多孔载体而没有开放体填料的反应器相比，本发明的装置有更加高效的空气、溶解物质和微生物接触效率，流经反应床的废水停留时间分布范围更窄。加入适当分布的开放体刚性填料，解决单纯多孔载体填料易于堵塞和发生沟流的问题。尤其对于易于压缩的聚氨酯泡沫，刚性开放体填料的加入可以维持填料床不发生压缩塌陷，实现气液均匀流动起重要作用。在相同的环境和操作参数(如停留时间、进水污染物浓度、曝气溶氧量、动力消耗等)条件下，与开放体填料单元、附着载体填料单元分层填充的工艺相比，本发明的间隔填充反应器能够提供更小的阻力损失和更加高效的空气、溶解物质和微生物接触效率。通过将开放体填料间隔分布在多孔活性载体之间，为气液的流动提供一条阻力较小而又完全经过每个多孔活性载体四周的通道。本发明的间隔填充工艺，对于分层填充工艺导致填料内部阻力大、上层填料易堵塞等问题有一定的缓解作用。

再者，与当前公开的填充反应器供气装置相比，本发明采用更大孔径和更薄的多孔填料作为微生物附着的主体，本发明的关键思想是对水质和气流实行引导疏通，不同其它工艺思想的大阻力冲洗的思想。

参照所含附图可以更加详细的了解本发明在废水生物处理方面的应用。当然涉及到其他化学、生物和环保领域的应用也是显而易见的。

参照图5、图6和图7，本发明方法的实施方案中的间隔填充反应器用于处理进料流中所含的污染物在好氧、兼氧或者厌氧条件下实现生物降解。本发明中的“生物降解”包括有机物代谢分解为较低分子量的化合物；无机的氨氮的硝化和硝酸盐的反硝化为氮气；硫酸盐的还原和硫化氢的氧化等生物过程。本发明涉及的反应器不限于上述的几种生物代谢过程，只要是涉及生物代谢的过程都可以应用该反应器。

参照图6和图7，本发明和实施中的反应器是具有特定设计和结构的水平或者立式反应器。但在本发明中实践中，反应器的设计、结构和所用材料可以有很大的变化，并且本发明在实践中可以使用其他多种反应器的设计和构造，只需要反应器的全部或者部分是固定床或者基本固定床即可。固定床反应器是指填充在反应器内的生物载体填料在反应过程中处于静止或者基本静止状态。此外，本发明中所涉及的填充床包括但不限于生物质，可以是任何其他种的填料和反应物质。

间隔填充反应器包括附着载体填料单元104，微生物112，刚性开放体填料单元105以及其他附属设施。在附着载体填料单元104和开放体填料单元105之间存在的空隙或基本开放的区域106。通过格栅板或者多孔板102阻止向上的气流或者液流带动填料向上运动。同时也阻止填料单元受重力和液流的影响向下运动，将填料限制在固定区域并将其限于相对静止的状态。格栅板102具有足够大和多的气孔足以满足在生物代谢过程中，为载体填料104的微生物112提供足够的空气流和液流。反应器100的辅助设施包括流体进料分布器108和流体流出收集管103。反应器100配套有将气体引入反应器而起不同作用的扩散器，包括起生物供氧的高效曝气器109和其冲刷作用的扩散器107。当然在反应器中，除了填充床110之外，还包括固定床外的区域101，即固定床上面和下面的区域。

如图6和图7中所示，反应器内的填充床110具有与活性生物附着载体104相间隔排列的开放体填料单元105。一般来说，可以使用任何一种结构，只要能够为流体从中流动提供开放或者基本开放区域。相应的，开放体填料单元可以是任何形状或者材质。不管选择何种结构和形状，应该尽量为开放体和附着载体填料之间创造空间106，为微生物112的生长提供足够的液流和气流。

在下面的一个实施案例中，微生物附着载体104(见图1)选择的是直线多孔状载体，如多孔状立方体。开放体填料105选择的是圆柱体，如图2和图6所示，鲍尔环是开放体填料单元105的实例。在这种情况下填料体单元105是四周开孔，两端完全开口的的薄壁圆桶型结构，中间的一对相交的叶片提高了内表面积，由此提高鲍尔环的表面积/体积。该填料具有限定其结构的刚性骨架，并且气液通过的阻力较小，同时气液可以向四周和上面快速扩散。

开放体填料105的形状并不重要，可以是用在其中创造流动空间的任何形状，其应用方法也不限于单独的颗粒体，可以是通过某种粘结作用固定负载体填料104上(如图3所示的黏附式式)，分隔开生物负载体填料104即可。也可以是包裹在负载体填料104外面的框架体(如附图4)，能够完全分隔开负载体填料104即可。在反应器的运行过程中，填料的选择和设计应该利于流过开放体填料105内部和空隙区106的气水与生物负载体填料104所有的外表面和内表面的微生物接触。

为了尽量达到气液和生物负载体填料104上的微生物的充分接触，开放体填料105应该优先选择包括包含有气液可以通过的通道的结构，如包含有大的空隙或者通道。通常，开放体填料单元105的通道或者空隙为开放体填料105总体积的50％，优选至少大于60％的空隙比例，更优选至少大于80％的空隙比例，最优先大于至少95％的空隙体积比例。另外，开放体填料单元105四周开孔面积占填料总面积至少为60％，优选选择大于80％，最优先大于90％的四周开孔面积。当然，开放体填料105的表面积/体积要小于生物附着体填料单元104。

如图1所示，负载体填料单元104包含了构成其内部结构的基质111和附着在其上的微生物112，微生物112是可以在厌氧或者好氧条件下代谢降解废水流中任意一种多种的生物体。负载体填料单元104、填料之间空隙106和开放体填料单元105之间的定位和相对比例是对本方法的优点体现是关键的。应该最优化地配置填充床内的填料比例和位置以提供工艺流中的气液与负载体填料单元104的所有内外表面上微生物112之间的充分接触和传质。填充床内填料单元的严格定位和比例改进了反应器内的气液固传质效率，并由此增强污染物与微生物112之间的接触，提高生物处理的效率。本发明中的术语“严格间隔”并非仅限于在附着载体填料单元104四周都布置开放体填料单元105，而是包括把附着载体填料包裹在开放体填料单元105之内，还包括其它的一些其他的实现方法。

本发明提供的反应器比不含开放体填料单元105的反应器、含无规混合填充开放体填料单元105和附着载体填料单元104的反应器、含分层填充开放体填料单元105和附着载体填料单元104的反应器具有更加高效处理能力。附图5中提供了上述四种反应器的简单示意图。附着载体填料单元104和开放体填料单元105的严格、四周间隔定位，使得本发明中的反应器100对污染物的整体去除效率比上述其他三种反应器多大约20％，优选50％，最优选80％。附着载体填料单元104和开放体填料单元105的严格、四周间隔定位乃至包裹的原则使得接近100％的附着载体填料104的表面积与开放体填料单元相邻成层或者说直接接触，最大限度的满足微生物112与流进开放体填料105直接的气液接触，提高传质效率。一般而言，在分层填充开放体填料单元105和附着载体填料单元104的反应器中，只有接近1/3的附着载体填料单元104外表面与开放体填料105相邻成层(在附着载体填料单元正立方体的六个面中有四个是与自身接触，两个与开放体填料接触)，也就是说只有约33％的附着载体填料单元104的外表面与流经开放体填料单元105的气液直接接触。而无规混合填充反应中，其附着载体填料单元104外表面与开放体填料105相邻成层的比例根据混合填充的混合度而改变，但其接触面积比例也不可能超过严格间隔填充的比例。

在本发明中，降解污染物的生物并不仅限于附着在附着载体填料单元104内外表面的微生物112，还包括可能附着在开放体填料单元105某些位置的微生物以及在反应器内游离的微生物。本文中有效混合载体填料单元的数量或者体积110是指与完全是附着载体填料单元104的反应器相比，提供更加明显降解效果的投加量。在本发明的优选实施方案中，填充床110占整个反应器100的体积百分比为大约30％至大约90％。另外，对于填料床110，本文为了不对开放体填料的规格和形式构成限制，将其能够提供的总空隙体积(包括开放体105填料内部的空隙、开放体填料单元105和附着载体填料104之间的空隙)作为判断开放体填料105所需量的标准。在本发明的实施中，优选总空隙体积占填充床110大约25％-95％的开放体填料105添加比例，其余体积基本上是附着载体填料单元104体积。更加优选总空隙体积占填充床110大约50％-90％的开放体填料105添加比例，其余体积基本上是附着载体填料单元104体积。最优选总空隙体积占填充床110大约60％-80％的开放体填料105添加比例，其余体积基本上是附着载体填料单元104体积。

开放体填料单元105的结构和组成材质可以很大的变化，只要其在提高填充反应器的生物处理效率、降低填充床的压力损失和堵塞方面能够提供其所需的作用即可。开放体填料105的材质可以是任何不起反应性的无机或者有机材料。优选的开放体填料材质是刚性塑料，如用聚丙烯或聚乙烯注塑而成的。另外，开放体填料单元105的存在形式并不限于通常的独立载体，可以是依附在其它结构上的元件，实例如包裹在附着载体填料单元104外面的框架体，黏附在附着载体填料单元104外表面的阻隔物，或者是含有很多小格(包含载体填料单元104)的框架体。其唯一的要求就是能够将附着载体填料单元104相互间隔开。另外，需要注意的是，本发明中的术语“严格间隔填充”或者“间隔填充”只是指附着载体填料单元104外表面都与开放体填料105或其他空隙相邻成层，而不限定开放体填料105外表面都必须与附着载体填料单元104都相邻成层，开放体填料105可以相互之间相邻成层。

附着载体填料单元104是颗粒形式，即指附着载体填料单元104的尺寸小于反应器壳体100的尺寸以使该反应器100可以容纳许多的附着载体填料单元104。载体填料单元104的尺寸和形状可以在长度、宽度、厚度和直径上有很大的变化范围。载体填料单元104可以为规则形状的颗粒形式，如立方体、长方体、圆柱体、球体和多边形等类似规则形状，也可以具有不规则的形状。其大小可以在很大范围内变化，并跟反应器的尺寸相关。载体填料单元104优选有效为粒度范围为5毫米至300毫米，更优选的粒度范围为10毫米至100毫米，最优先的粒度范围为20毫米至60毫米。

本发明对于附着载体填料单元104的一个关键要求在于其表面积/体积(内表面与外表面均计入)大于开放体填料105，并且这种比例差异越大反应器的优越性更显著。相应的，推荐选择开放体填料105和附着载体填料104以使其表面积/体积比的差异尽可能大。在保持开放体填料105和附着载体填料104严格相互间隔填充的条件下，附着载体填料单元104优先选择内外表面积/体积比是开放体填料105至少5倍的载体，更优选的是内外表面积/体积比是开放体填料105至少20倍的载体，最优选的是内外表面积/体积比是开放体填料105至少30倍的载体。附着载体填料104包括构成其内部结构的基质111，基质111优选多孔状的，这样有利于反应器内的气液流一定程度的渗透并通过附着载体填料104。

在本发明的优选方案中，优选孔径为2至60ppi(每英寸长度上所具有的孔隙数量)的基质，更优选孔径为2至30ppi的基质，最优先孔径为4至8ppi的基质。基质111优选能够耐受反应过程中出现的各种磨损力，如剪切力、摩擦力，并有良好的弹性的物质。另外，作为生物水处理的载体材料，基质111应该具有耐水解老化、抗生物降解和使用寿命长等特点。基质111可以是任何可以形成附着载体填料104的材料。可用的材料包括无机材料和有机材料，如各种天然或者合成的化合物。

在本发明的优选实施方案中，基质111由挠性、半挠性或刚性聚合体泡沫体形成。本发明更优选的基质材料是对反应器内的气液流具有相对较高渗透率，至少大约70％，优选至少大约80％，最优先至少大约95％的挠性开孔泡沫。为适应固定床中的工艺流进料流和气体流，泡沫体具有相对较高的互通孔隙率是非常重要的，其中该泡沫体中的空隙体积应该占到泡沫体总体积的60％至98％。最优选的泡沫体是空隙体积应该占到泡沫体总体积的90％至99％。

在本发明的更优选实施方案中，基质111由开孔聚氨酯，例如交联的聚合材料形成，其可以用适当的发泡剂以形成具有上述要求孔隙特征的开孔泡沫体，也可以加入其它物质以改善泡沫体的性质。形成基质111的材料可以通过商业购买或者利用已知的技术改性制备。另外，附着载体填料104除了包含基质111外，还可以包含各种任选的辅助成分。例如具有阳离子基团的改性基团，再例如为增加附着载体填料104吸附性而在基质111上涂覆活性炭等。可以利用改造方法以改进附着载体填料104的性质以更好的发挥其在工艺流程中的作用。

在本方法中，含有待处理污染物的废水进水布水器108引入到反应器100，经过反应器100处理后，再经由出口管103离开反应器。本发明的方法可以在厌氧、缺氧、兼氧和好氧的条件下进行。在使用需氧微生物的实施方案中，该方法是在含有充足的溶解氧的条件下进行的。在本发明的好氧优选发明实施中，涉及到两套装置将气体引入到反应器100。两套装置都是优先选择将气体均匀或者基本均匀的送入到所有或者大部分生物附着载体填料单元104中。生物供氧装置109可以选择很多形式的曝气器。例如旋切式曝气器、可变微孔曝气软管、膜片式微孔曝气器、无孔曝气、链条式曝气以及管式微孔曝气器等。曝气器的结构、材质、形式对本发明中生物供氧装置关系并不重要，唯一的要求是其在尽可能低的能耗下满足微生物体对溶解氧的需求。优先选择的是产生气泡直径小于10毫米的曝气器，更优选的是产生气泡直径小于5毫米的曝气器，最优先的是产生气泡直径小于2毫米的曝气器。填料冲洗供气装置107也可以选择很多变化形式，其将气体引入反应器100方式也可以有很大的变化。另外，填料冲洗供气装置107并不限于在一个平面或者以一套装置来实现，可以在填充床110的各个水平位置补加曝气冲刷装置。填料冲洗供气装置107的结构、材质、形式、运行规律对本发明中填料冲洗关系并不重要，唯一的要求是其在尽可能低的能耗下满足填料冲洗、防止堵塞的需求。优先选择的是产生气泡直径介于10-60毫米的曝气器，更优选的是产生气泡直径介于15-50毫米的曝气器，最优先的是产生气泡直径介于20-40毫米的曝气器。

反应器100运行的各类控制参数可以根据所需处理的物料对象和采用的处理主体在很大程度上变化。工艺稳定可以很大程度的变化并取决于所选用的特定微生物。流体在反应器100内的停留时间是足够满足将流出物流中至少一种污染物的程度降低到所需的浓度。可以用本发明方法处理的流体流可以有很大变化。例如，这些流体可以是含有含有一种或者多种材料的气流或者液流；反应器100的目的也不限于污染物降解方面，也可以是用于促进生物的生长或者某些有用物质产生，也可以用于促进化学反应的加速，提高效率等方面。在应用于生物降解的实施过程中，需要针对最佳生物降解来调节含污染物流体的pH值。一般来说，pH值在允许目标污染物代谢的pH范围之内。另外，反应器100处理的污染物浓度也不限于高浓度，而是从高浓度到低浓度都可以适应。

在一个实施方案中，本发明提供了具有一系列间隔填充单元的填充床反应器。间隔填充单元包括开放体填料单元和被开放体包围的尺寸大约为5至10ppi孔隙的正方体多孔附着载体，如附图2所示。开放体填料单元和多孔附着载体单元是否相互连接可以根据实际填充过程选择。在本实施方案中起包裹多孔附着载体单元的开放体是多个的。任选的，围绕在多孔附着载体单元的开放体填料是中空圆柱形的，任选的，开放体填料具有大约85-95％的内部空隙，进一步任选的，在多孔附着载体单元四周仅有单层圆柱状开放体构成的隔离层。在另一个是实施方案中，本发明提供了具有一系列完全包裹间隔填充单元的填充床反应器。间隔填充单元中的开放体填料单元将大约为5至10ppi孔隙的正方体多孔附着载体包裹在其内部区域，开放体填料是具有刚性结构的框架体。根据反应器内部总体空隙需求来控制多孔附着载体和开放体内部区域相对大小。在另外一个实施方案中(如附图5和7)，本发明提供了一种包裹式的间隔填充反应器，应用完整的球形框架体将大约为5至10ppi孔隙的正方体多孔附着载体完全包裹，将两种填料组成一个单元来实现间隔填充。

具体实施方式

实施例1

刚性开放体圆柱体(聚丙烯注塑而成)的鲍尔环获自市场。这些圆柱体开孔塑料在生物降解试验中作为开放体填料单元。本实施案例中，选用规格为Ф50的鲍尔环，其具体参数为外形尺寸为50×50×1.5mm(外径×高×壁厚)，表面积/体积比为73.2m²/m³，孔隙率为90.1％，堆积系数为6500个/m³，堆积重量为46.3kg/m³。多孔附着载体为多孔泡沫聚氨酯，获自本公司实验室自己发泡而来(聚醚PUF)。该泡沫体具有60％重量的聚醚多元醇含量，反应物中含有31％重量的甲苯二异氰酸酯成分。该泡沫体具有5-10个孔隙/英寸(ppi)，孔隙的形状有各种变化。并且该泡沫体内部的孔隙都是相连的，密度为20kg/m3，孔隙率为97％，开孔率为98％。本案例中多孔生物附着载体单元104的外形尺寸为50×50×50mm(长×宽×厚)。

附图5显示了本实施案例中使用的三种填充床的内部构造。将PUF多孔生物附着载体单元104与聚丙烯鲍尔环开放体填料单元105以不同的比例混合在一起以便在每种生物反应器中实现一定量的开放度或者空隙空间。每种反应器具有相同的有效容积(1000L)，且每一反应器内具有相同数量的开放体填料单元105和PUF多孔生物附着载体单元104。

生物反应器1由相同比例而随机分布在整个反应器中的无规混合填充的PUF多孔生物附着载体单元104与聚丙烯鲍尔环开放体填料单元105组成。两种填料的外形尺寸都是50mm，两者的数量也相同。

生物反应器2是由交替分层填充的PUF多孔生物附着载体单元104与聚丙烯鲍尔环开放体填料单元105构成。两种填料的外形尺寸都是50mm，两者的数量也相同。

生物反应器3是由严格间隔填充的PUF多孔生物附着载体单元104与聚丙烯鲍尔环开放体填料单元105构成。两种填料的外形尺寸都是50mm，两者的数量也相同。

生物反应器4是由很多个由开放体填料聚丙烯框架体包裹两层附着载体填料构成的组合填料单元组成。整个组合填料的体积与其他三个反应器两种填料的总体积相等。

向上述四个生物反应器中用计量泵连续均匀的将硫酸黏菌素废水加入的反应器中。该废水的性质为：COD_cr11000mg/L，BOD₅3500mg/L，氨氮246mg/L，SO₄ ^2-约2800mg/L，PH值在3-6之间。

反应器以并流向上流动模式运行，即空气和废水从处理底部的各自入口向反应器上部流动(气流从曝气器109，废水从进水布水管108进入)。使用压缩空气通过安装在反应器100底部供气管上的曝气盘109向反应器供气。使用空气调节器将通过曝气器109向反应器的供气量都控制在60-80L/min的范围之内，这是基于生物氧化所需空气量计算的结果，曝气器的溶氧效率按8％计算，该小试案例没有考虑冲刷所需的空气量。四个反应器内废水的流速和空气供应量都完全相同，反应器的控制条件都为PH控制在5-7的范围，温度控制在25-35℃范围之内，四个反应器都投加特殊筛选的优势菌种。通过调整泵的流量来调节废水流量，使三个生物反应器分别在24小时、36小时和48小时的水力停留时间下运行，在每个水力停留时间下均维持30天的运行。通过收集并检测反应器的出水的水质来评价各反应器在相应水力停留时间下的运行效果。当然检测的出水是经过混凝气浮去除了悬浮物和生物膜的，其混凝的实验条件都相同。

表1概括了使用上述四个生物反应器和在三个水力停留时间下，废水中COD_cr和BOD₅去除情况。

表1三种填充方式的反应器处理效果

上面四个生物反应器具有相同的尺寸，并且在反应器内填充有相当数量的PUF多孔生物附着载体单元104和聚丙烯鲍尔环开放体填料单元105。生物反应器之间的唯一区别是开放体填料和附着载体填料在反应器内结构分布。生物反应器1具有在整个反应器内随机分布的开放体填料和附着载体填料，它们是一种随意非规律的填充的，在单个附着载体单元六个面的某个位置是开放体还是附着载体都有可能。填料的这种构造分布具有相对最低的COD和BOD去除效率。生物反应器2具有交替单层形式的开放体填料单元和多孔附着载体单元，在单个附着载体单元的上下两个面是开放体填料，而水平的四个面是附着载体单元。该构造表现出比反应器1更好的COD和BOD去除性能，这归因于反应器内有更好的气流和液流的分布。生物反应器3具有间隔填充的开放体填料单元和多孔附着载体单元，在单个附着载体单元的六个面都是开放体填料。该反应器构造具有相对来说更佳的COD和BOD去除效果，这主要归因于多孔附着载体上的微生物能够与流经反应器的气液固有最好的接触效果。反应器4采用的是开放体填料包裹附着载体填料的形式，其COD和BOD去除效率较反应器1和2更佳，与反应器3基本相当，其加工和投加方式则较反应器1更加方便高效，更利于反应器的放大。

从上述实验结果中可以看出，无论是在较短还是较长的水力停留时间下运行，间隔填充的生物反应器都具有相对更明显的COD和BOD去除效果。当然，能够在更短的水力停留时间下达到预定的处理效果就意味着能更加经济的处理废水。使用反应器3的填料构造布置能够在更短的水力停留时间达到预定的处理效果，证实了本发明中的反应床填充方式的优越性。

实施例2

本实施案例进行另一组高氨氮废水处理实验来验证开放体填料和多孔附着载体填料包裹式间隔填充的反应器与上述详述的分离式间隔填充反应器对废水中污染物具有相当的去处效率。

如图6和7所示，使用两个外形尺寸和内部配置完全相同的反应器来进行本次实验。在反应器100的底部安装有为生物供氧的微孔曝气器109和进行间歇填料冲洗的穿孔曝气管107。两个生物反应器的有效容积都为2000L，固定填料床的有效体积为1400L，通过上下两层玻璃钢格栅板将填料固定在填料床内。使用空气调节器将通过微孔曝气盘109向反应器的供气量都控制在120-180L/min的范围之内，这是基于生物氧化所需空气量计算的结果，曝气器的溶氧效率按12％计算。填料冲洗装置为侧向开孔5mm的UPVC穿孔管，其运行的规律为每天运行1小时。图7中所示的反应器内填充的是一种新型的包裹式填料(可以参考图4)。开放体填料采用的是球形聚丙烯框架，由塑料厂代工注塑而成。选用规格为Ф70，外形尺寸为70×1.0mm(外径×壁厚)，是由两个直径为70mm的塑料环构成。孔隙率为98％，堆积系数为2915个/m³，堆积重量为26.3kg/m³。开放体单元内部填充的附着载体填料单元为案例1中描述的开孔PUF泡沫，其各项参数指标可以参考案例1中的叙述。

向上述两个生物反应器中用计量泵连续均匀的将某尿素合成中产生的高氨氮废水加入的反应器中。该废水的性质为：COD_cr1300mg/L，BOD₅500mg/L，氨氮846mg/LL。两个反应器内废水的流速和空气供应量都完全相同，反应器的控制条件都为PH控制在6-8的范围，温度控制在25-35℃范围之内，两个反应器都投加特殊筛选的硝化菌。通过调整泵的流量来调节废水流量，使两个生物反应器分别在24小时和48小时的水力停留时间下运行，在每个水力停留时间下均维持60天的运行。通过收集并检测反应器的出水的水质来评价各反应器在相应水力停留时间下的运行效果。当然检测的出水是经过混凝气浮去除了悬浮物和生物膜的出水。

表2概括了使用上述两个生物反应器和在两个水力停留时间下，废水中COD_cr和NH₃-N去除情况。为方便描述，将附图6所示的反应器标称反应器4，附图7中所示的反应器标称为反应器5。

表2两种不同的间隔填充方式的反应器处理效果

上面两个生物反应器具有相同的尺寸，并且在反应器内填充有相当体积的PUF多孔生物附着载体单元和开放体填料单元。两个生物反应器之间的唯一区别是开放体填料单元的结构和形式不同。反应器4采用的是前面描述的开放体填料105是有多个刚性鲍尔环组成，它通过严格的间隔排列布置在附着载体填料单元104的四周，将其完全的隔离开，这种间隔是通过多个鲍尔环完成的。反应器5采用的是用刚性聚丙烯框架体将附着载体填料单元104直接包裹来实现其隔离的。两种间隔填充方式都满足附着载体填料单元104外表面与开放体填料都相邻成层的要求，并且对反应器内的气流、液流和传质流提供阻力相对较小的引导路线。从本实验结果可以看出，两种间隔填充反应器对废水中COD和BOD的去除效果基本相当。另外一方面，本实验的连续稳定出水也说明该反应器的构造和冲洗方式克服满足填料堵塞的问题，满足工艺长期稳定运行的要求。

Claims

1.一种具有间隔填充床的反应器，包括反应器壳体(100)、填充床(110)、格栅板(102)、曝气系统(109)和布水系统(108)，其特征在于，所述填充床(110)包含开放体填料的第一类填料单元(105)和包含2～20ppi大小空隙的多孔负载体填料的第二类单元(104)，第一类开放体填料单元(105)和第二类负载体填料单元(104)之间是间隔填充的，每个负载体填料单元(104)四周被开放体填料单元(105)包围，负载体填料单元(104)所有的外表面都与开放体填料单元(105)相邻成层。

2.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述填充床(110)占整个反应器壳体(100)容积的30％-90％。

3.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第一类开放体填料单元(105)为表面积或体积比为15～350平方米或立方米的刚性或者半刚性填充体。

4.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第一类开放体填料单元(105)为圆柱形填料。

5.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第一类开放体填料单元(105)为框架体结构。

6.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第一类开放体填料单元(105)占整个填充床大约30％至90％的空隙空间。

7.权根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第二类负载体填料单元(104)包含多孔状载体。

8.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第二类负载体填料单元(104)自身具有60～98％的空隙空间。

9.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第二类负载体填料单元(104)的表面积或体积比为300～3600平方米或立方米。

10.根据权利1要求所述的具有间隔填充床的反应器，其特征在于，所述第二类负载体填料(104)的表面积或体积比是第一类开放体填料(105)的3～200倍。