CN103588295B - 一种折流式厌氧反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折流式厌氧反应器，包括本体和与本体相配合的盖，在所述的本体内设有若干个挡板，挡板将本体内部空间分割成多个反应室，各反应室的容积互不相同，由内向外，各挡板高度依次降低；在所述的盖上设有与挡板相配合使用的套板；在所述的本体底部设有污泥入口，在所述的本体侧边上设有水出口，在所述的盖设有气出口。该折流式厌氧反应器，能实现足够高的污泥停留时间，在反应器内固液充分混合接触，可保证微生物的良好生长。本反应器将内部分成三层，并通过调整每层的容积，使废水在每段的停留时间不同，来实现在不同层的微生物具有不同的环境特性。具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种折流式厌氧反应器。
背景技术
制浆废液是目前最难生物降解而且污染最严重的污染物之一，其主要表现为：污染负荷重、色度深、碱性大、难生物降解物含量高。目前制浆废水可通过厌氧生物处理来减少污染，但由于许多高效厌氧反应器对制浆黑液处理效果不好，因此还需要设计更合理、更高效的厌氧反应器来解决制浆黑液的污染问题。
由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故在反应器内保持大量的活性微生物(污泥)和足够长的污泥龄是提高反应效率和反应器成败的关键。本着这一原则，有人采用生物膜固定化技术和培养易沉淀厌氧污泥（颗粒污泥）的方式开发出了第二代厌氧反应器，如AF、UASB、AFB和ABR等。但是一个新型高效的厌氧反应器，除了应满足上述原则外，还应使生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物能够充分发挥其活性，降解水中的基质；同时，反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生物的平稳生长，物质和能量流动的高效顺畅，是保持系统持续稳定的必要条件。如何培养和保持微生物的平衡生长已成为高效反应器的重要设计思路。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种折流式厌氧反应器，可以高效地去除制浆造纸过程中产生的黑液。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种折流式厌氧反应器，包括本体和与本体相配合的盖在所述的本体内设有若干个挡板，挡板将本体内部空间分割成多个反应室，各反应室的容积互不相同，由内向外，各挡板高度依次降低；在所述的盖上设有与挡板相配合使用的套板；在所述的本体底部设有污泥入口，在所述的本体侧边上设有水出口，在所述的盖设有气出口。
所述的挡板有两个，将柱形本体内部空间分割成依次由外向内的第一反应室、第二反应室和第三反应室。
所述的污泥入口在第一反应室、第二反应室和第三反应室的底部均有设置。
所述设在第一反应室、第二反应室和第三反应室的底部的各污泥入口通过污泥回流管路相连，在污泥回流管路上设有污泥回流泵。
在所述的本体的外壁上设有加热夹套。
所述的加热夹套通过循环加热管路与恒温水浴箱相连。
在所述的污泥入口与水出口之间连接有出水循环管路，在所述的出水循环管路上设有出水循环泵。
所述的污泥入口与高位箱相连。
在所述的第三反应室顶部设有三相分离器。
折流式厌氧反应器，高600mm，直径450mm，反应器由三层互相连通的隔室组成，内层（第三反应室）容积1L，中层（第二反应室）容积3.6L，外层（第一反应室）容积5.4L。反应器的保温是通过最外层的水浴夹套实现的，水浴夹套内水浴的温度由超级恒温水浴通过对水的持续热交换来完成的。由于各隔室的容积不同，废水在不同层的停留时间和上升流速不同，内层上升流速较快，使污泥的颗粒化促进速度加快，而外层由于水力上升流速较慢，一方面能有较长的水力停留时间，另一方面也可以起到沉淀池的作用，将前两层流失的污泥沉淀下来，同时，通过污泥回流泵可以将外层越来越多的污泥回流到前两层，以弥补前面污泥量的减少。为了增加水力上升流速，加快溶液与污泥的混合，同时又要保障一定的水力停留时间，因此在流程中增加了出水循环泵。每一层隔室均设有生物气收集测量装置，以便于研究不同隔室的生物气产生量，从而了解不同隔室中发生的不同的生化反应。
有益效果：与现有技术相比，本发明的折流式厌氧反应器具有的优点包括：
（1）实现足够高的污泥停留时间：本反应器，采用污泥内循环的方式，来提高污泥停留时间。由于外层反应器的体积较大，水力上升流速比内层小5.6倍，因此，污泥的搅动作用减少，有利于污泥停留在外层反应器中。另外，内层反应器上装有三相分离器，减少了由于内层水流上升速度较快而导致的污泥流失。
（2）固液充分混合接触：本反应器采用污泥内循环搅拌和废水的外循环搅拌，从而保证固液能够充分混合接触，以提高传质效率。
（3）保证微生物的良好生长：在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境因子。本反应器将内部分成三层，并通过调整每层的容积，使废水在每段的停留时间不同，来实现在不同层的微生物具有不同的环境特性。
（4）本反应器对黑液COD的处理效率能达到60%，具有很好的实用性。
附图说明
图1是折流式厌氧反应器的结构示意图；
图2是污泥浓度对黑液COD去除率的影响结果图；
图3是有机负荷对黑液处理效果的影响结果图；
图4是不同有机负荷下对黑液厌氧处理后各隔室的pH值的影响结果图；
图5是不同有机负荷下对黑液厌氧处理后各隔室的VFA的影响结果图；
图6是污泥浓度对pH值（处理前pH10.30）的影响结果图；
图7是不同反应室中pH值和VFA的影响结果图；
图8是污泥浓度对产气量的影响结果图；
图9是黑液初始COD浓度对糖的去除率的影响结果图；
图10是出水力停留时间的影响结果图；
图11是上升流速对反应器中各隔室的COD的影响结果图；
图12是上升流速对反应器出水SS的影响结果图；
图13是动力学方程影响结果图；
图14是回流比对废水COD去除率的影响结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，折流式厌氧反应器主要由相配合的柱形本体1和与盖5组成。在本体1内设有若干个挡板6，挡板6将本体1内部空间分割成多个反应室，由内向外，各挡板6高度依次降低，这样各反应室可形成依次串联；挡板6优选为有两个，将本体1内部空间分割成依次由外向内的第一反应室2、第二反应室3和第三反应室4，在第三反应室4顶部设有三相分离器15。在盖5上设有套板7，盖合后，套板7可与其中一个挡板6套合，其中套板7的高度要小于本体1内部空间的高度。在本体1底部设有污泥入口16，可在第一反应室2、第二反应室3和第三反应室4的底部均有设置，且各污泥入口16通过污泥回流管路相连，在污泥回流管路上设有污泥回流泵11，污泥入口16与高位箱13相连。在本体1侧边靠上位置处设有水出口9，在水出口9与污泥入口16之间连接有出水循环管路，在出水循环管路上设有出水循环泵12。在盖5上设有气出口10。在本体1的外壁上设有加热夹套8，加热夹套8通过循环加热管路与恒温水浴箱14相连。
以下实施例进行的处理实验，均使用该折流式厌氧反应器进行。
实施例1 黑液初始COD浓度和污泥浓度对黑液COD去除率的影响
（1）污泥浓度对黑液处理效果的影响
改变反应器内污泥浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0g/L，保持黑液COD浓度为4.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液COD的变化。
（2）黑液COD浓度对处理效果的影响
改变反应器的黑液COD浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0g/L，保持污泥浓度为5.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液COD的变化。
结果如图2所示，在不同的黑液初始浓度下，随着污泥浓度的减小，COD的去除率呈逐渐减小的趋势。污泥浓度，表示的是废水处理时微生物数量的多少，COD表示的是废水中有机物的浓度，而微生物数量越多，对于废水中有机物的去除效果越好。由于制浆造纸的废水种类多，且浓度大，还往往含有大量有毒物质，而这些有毒物质对厌氧微生物的抑制作用非常显著，当黑液COD浓度增加时，厌氧生物处理的难度也有所增加，这就使厌氧污泥的驯化变得非常重要。由于厌氧微生物，特别是甲烷菌的繁殖很慢，厌氧反应器需要较长时间的启动，才能使其中的微生物逐步适应黑液环境。
通常情况下，也可通过有机负荷来控制微生物的营养与微生物数量的比例。有机负荷是指单位容积的反应器在一定时间内去除COD的量。从图3可以看出，反应器在小于5kg COD/m3·d的较低有机负荷下，黑液COD的去除率较高，pH值降低得也较多（见图4）。而挥发性脂肪酸VFA的变化则不大（见图5）。
实施例2 黑液初始COD浓度和污泥浓度对pH的影响
（1）污泥浓度对黑液处理效果的影响
改变反应器内污泥浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0g/L，保持黑液COD浓度为4.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液pH的变化。
（2）黑液COD浓度对处理效果的影响
改变反应器的黑液COD浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0g/L，保持污泥浓度为5.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液pH的变化。
厌氧生物处理过程，主要分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段，其中在酸性发酵阶段，会产生大量的乙酸和甲酸等小分子酸性物质，因此经过厌氧处理后的废水的pH会有所下降。由图6可知，在厌氧生物处理过程中，黑液的pH由处理前的10.30降低到约8.0，当污泥浓度大于6g/L时，黑液的pH值变化更大，说明厌氧微生物对于黑液的酸化作用较为明显，因此较高的污泥浓度更有助于黑液的生物降解。
在折流式反应器运行过程中，各层反应室中的pH也不一样（见图7）。当进水溶液pH为9.6时，内层反应室pH下降较快为8.1，而中层反应室的pH则比内层反应室要高一些，约为8.5，而外层反应室的pH则降到最小为7.6。这说明在折流式反应器中，各层反应室的微生物种群是不同的，而且与厌氧降解的过程相吻合。厌氧降解的第一个阶段是水解酸化阶段，黑液中的大分子有机物如木质素有可能部分水解生成小分子酸，从而使pH下降较多，而在中层和外层反应室中则由于第二三阶段分别为产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，所以小分子酸被继续代谢为乙酸，甚至甲烷，因此pH会先上升后下降。
实施例3 黑液初始COD浓度和污泥浓度对产气量的影响
（1）污泥浓度对黑液处理效果的影响
改变反应器内污泥浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0g/L，保持黑液COD浓度为4.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定反应过程中反应器的产气量变化。
（2）黑液COD浓度对处理效果的影响
改变反应器的黑液COD浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0g/L，保持污泥浓度为5.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定反应过程中产气量的变化。
结果如图8所示，随着污泥浓度的增加，黑液厌氧降解时的产气量逐渐升高。在厌氧处理过程的碱性发酵阶段，由于甲烷菌和其它厌氧菌的作用，会产生较多的甲烷和CO2，因此产气量能间接地反映出微生物生长的活跃程度。而且随着黑液COD浓度的增加，黑液中的营养物质也随之增加，从而促使产甲烷的量逐渐增大。
实施例4 黑液初始COD浓度和污泥浓度对糖的去除率的影响
（1）污泥浓度对黑液处理效果的影响
改变反应器内污泥浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0g/L，保持黑液COD浓度为4.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液中糖含量的变化。
（2）黑液COD浓度对处理效果的影响
改变反应器的黑液COD浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0g/L，保持污泥浓度为5.0g/L，水力停留时间为2d，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定黑液中糖含量的变化。
结果如图9所示，当黑液初始COD浓度较小时（小于2000mg/L），黑液中糖的去除率逐渐增大，而且污泥浓度较大时，糖的去除率也较大，可达到75%，但当黑液初始浓度大于2000mg/L时，黑液中糖的去除率则逐渐减小，甚至只有20%左右，这可能是因为随着黑液初始COD浓度的增加，黑液中毒性物质也逐渐增多，从而抑制了微生物的生物活性，微生物吸收糖类营养的能力逐渐降低。
实施例5 水力特性对处理效果的影响
改变反应器的水力停留时间分别为1、2、3、4、5、6、7d，保持黑液COD浓度为4.0g/L，污泥浓度为5.0g/L，污泥回流比为100%，并适当添加营养液和微量元素母液，在CABR反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定COD，产气量及pH的变化。
在折流式反应器中，水力特性将直接或间接地影响到废水的处理效果。水力特性对于黑液处理效果的影响主要体现在二个方面。
第一是通过对水力停留时间的改变影响黑液的处理效果。当水力上升流速增加时，则水力停留时间将减小，影响到了厌氧微生物处理废水的时间，从而影响了有机物的去除效率。从图10中可以看出水力停留时间增加，黑液COD的去除率将增加，在第三天时COD的去除率可增加到50%左右，此后外层反应室的COD去除率继续增加，最高可达到60%左右。而内层和中层反应室的COD去除率则稳定在一定水平上。
第二，水力特性中黑液的上升流速，也将影响到反应器的处理效果，因为上升流速会影响到黑液与污泥的混合程度。一般情况下，上升流速增加，会使黑液与污泥的混合程度提高，黑液COD的去除率会增加，如果减小上升流速，虽然水力停留时间增加，但是由于出现可能的沟流或短流现象，反而会减小反应器的有效容积，在反应器容积负荷一定的条件下，使反应器的处理效率下降。图11说明，当水力上升流速小于20mm/min时，黑液COD的去除率将随着上升流速的增加而增加。但是，从图11看出当上升流速增加到20mm/min后，黑液COD的处理效果就开始下降了。这可能是因为上升流速过高，也会使水力停留时间减小太多，影响到黑液COD的去除率。同时如果在处理流程中不对流失的污泥进行回流，则出水SS的浓度将增加很多，从而导致大量污泥的流失，造成污泥停留时间的减少，也会影响到黑液COD的去除率。图12说明了随着上升流速的增加，出水SS的变化情况。
将实验结果与动力学方程进行比较发现（图13），黑液COD的去除率随水力停留时间的增加而增加，与实验数据的变化趋势相似，但是实验中黑液COD去除率相对较小，而且波动较大。
实施例6 污泥回流比对处理效果的影响
通过改变污泥回流比来改变反应器的污泥停留时间，实验中污泥回流比分别采用0%、20%、40%、60%、80%、100%，保持黑液COD浓度为4.0g/L，污泥浓度为5.0g/L，水力停留时间为2d，并适当添加营养液和微量元素母液，在CABR反应器中进行厌氧处理，采用连续运行方式，在37℃恒温条件下厌氧反应。测定COD，产气量及pH的变化。
根据工艺流程，得污泥回流比的公式为：
式中，S1，S2，S3：分别为各层反应室中基质的浓度，g/m3；X1，X2，X3：分别为各层反应室中微生物的浓度， g/m3；V1，V2，V3：分别为各层反应室的容积，m3；Q：黑液进入反应器的流量，m3/s；Qr：回流污泥浓度，g/m3；r：污泥回流比，%；rsu：基质去除速率，g/(m3.s)；k：最大比基质去除速率常数，s-1；Ks：饱和常数，g/m3；Y：微生物增长常数，又称产率（mg微生物/mg去除的基质）；Kd：微生物内源衰减速率，s-1；r g′:微生物净增长速率，g/(m3.s)；θ：HRT，水力停留时间，s；θc：SRT，泥龄，或称污泥停留时间，s；n：反应器格数。
从上式可以看出污泥回流比r增大，则废水基质的去除率增加。从图14中也可以看出实验结果与动力学方程的结果是基本一致的。
通过以上各实施例，可见本发明的折流式反应器（Column Anaerobic Baffled Reactor ，CABR），针对制浆黑液难生物降解的特点，从结构上对以下几个方面进行了强化，并获得到了较好的效果：
（1）本反应器采用污泥内循环的方式，来提高污泥停留时间。由于外层反应室的体积较大，水力上升流速比内层要小5.6倍，因此，污泥的搅动作用减少，有利于污泥停留在外层反应器中。同时，内层反应器上装有三相分离器，减少了由于内层水流上升速度较快而导致的污泥流失。
（2）基质与微生物能够充分混合接触。本反应器采用污泥内循环搅拌和废水的外循环搅拌，从而保证固液能够充分混合接触，提高了传质效率。
（3）更有利于不同微生物的生长。本反应器采用折流式的方式，将反应器隔成三个独立的反应室，而且根据不同阶段的微生物的世代时间，设计出的每个反应室的容积也不同，这样，使不同的微生物生活在相对独立的空间，不会受到其它微生物和不良环境的影响。从实验结果来看，各层反应室对废水降解和微生物增长的动力学参数都有较大不同，其中中层反应室的最大比基质去除速率k和饱和常数KS高于内层和外层反应室，说明了中层微生物降解基质的能力较强，而且反应速度较快，而内层反应室内的微生物则微生物增长常数Y和内源衰减速率kd均较高，这说明内层微生物的增长速率快，消耗有机物的能力也较强。
（4）本反应器对黑液COD的处理效率能达到60%。
Claims (6)
1.一种折流式厌氧反应器，其特征在于：包括本体(1)和与本体(1)相配合的盖(5)；在所述的本体(1)内设有若干个挡板(6)，挡板(6)将本体(1)内部空间分割成多个反应室，各反应室的容积互不相同，由内向外，各挡板(6)高度依次降低；在所述的盖(5)上设有与挡板(6)相配合使用的套板(7)；在所述的本体(1)底部设有污泥入口(16)，在所述的本体(1)侧边上设有水出口(9)，在所述的盖(5)设有气出口(10)；所述的挡板(6)有两个，将柱形本体(1)内部空间分割成依次由外向内的第一反应室(2)、第二反应室(3)和第三反应室(4)；述的污泥入口(16)在第一反应室(2)、第二反应室(3)和第三反应室(4)的底部均有设置；在所述的本体(1)的外壁上设有加热夹套(8)。
2.根据权利要求1所述的折流式厌氧反应器，其特征在于：设在第一反应室(2)、第二反应室(3)和第三反应室(4)的底部的各污泥入口(16)通过污泥回流管路相连，在污泥回流管路上设有污泥回流泵(11)。
3.根据权利要求1所述的折流式厌氧反应器，其特征在于：所述的加热夹套(8)通过循环加热管路与恒温水浴箱(14)相连。
4.根据权利要求1所述的折流式厌氧反应器，其特征在于：在所述的污泥入口(16)与水出口(9)之间连接有出水循环管路，在所述的出水循环管路上设有出水循环泵(12)。
5.根据权利要求1所述的折流式厌氧反应器，其特征在于：所述的污泥入口(16)与高位箱(13)相连。
6.根据权利要求1所述的折流式厌氧反应器，其特征在于：在所述的第三反应室(4)顶部设有三相分离器(15)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20180122 Address after: 224400 Funing County, Jiangsu Province Filter Material Industrial Park No. 13, No. Patentee after: JIANGSU RUIDA TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: Nanjing City, Jiangsu province 210037 Longpan Road No. 159 Patentee before: Nanjing Forestry University |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A baffled anaerobic reactor Effective date of registration: 20210824 Granted publication date: 20150805 Pledgee: Bank of Jiangsu Co.,Ltd. Yancheng branch Pledgor: JIANGSU RUIDA ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980008172 |