CN104591400B - 诱导界面对流生物反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种诱导界面对流生物反应器及其应用，由进口管、布水装置、诱导发酵区、净化水出口、集气包和气体排放管组成，所述布水装置由分布器以及规整填料构成，所述诱导发酵区安装有导流带和脉冲管，所述导流带为螺旋盘曲的金属构件，脉冲管沿诱导发酵区的内壁切向方向导入，任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。导流带直径D5与诱导区内径D1相当，带宽D6为D5的10~20%。导流带螺旋旋转的层间高差H4为诱导区高度H1的1/10~1/4。本发明通过对颗粒污泥界面形态的调控和自沉聚作用降低随液体排除的生物质损失，减少后续沉淀池和曝气池及相关装备的使用及投资运行成本。

Description

诱导界面对流生物反应器及其应用

技术领域

本发明具体涉及一种诱导界面对流生物反应器，及与之有关的一种污水处理工艺，属于种环保装备技术领域。

背景技术

在污水处理过程中，生物反应器在高负荷运行状态下，由于多相对流发生强烈的湍动，其产生的高絮流和高剪切力破坏了活性颗粒污泥的结构，致使污泥逐步破裂分散成小颗粒。小颗粒的散裂即增大了有效界面传质面积，但是如果不能采取有效控制措施，颗粒的无序分裂将会导致随水流的携带而出，从而造成生物质流失以及床层运行的不稳定。污水转化为清洁能源的效率主要取决于装置内的有效生物负载量，生物质通过发酵作用将污水中的有机质等转化为可再生的能源气体，运行过程中的生物质大量流失将使污水的转化效率及能源气体的产出持续降低。

目前运行的大多数此类装置需要在下游增设二次沉淀池的工艺，通过外部循环回流方法回收随液体带出的颗粒污泥，这种方法一般工艺路线长，操作控制复杂，设备一次投资及维护费用高。也有装置采用所谓内循环的方法，实质仍然是将二沉池串联在主装置的外侧，只是将分体设备作了集成，反应器主体与沉淀池仍然有明显壁面相隔，且设计处理不当容易造成处理前后水体的返回混流，降低处理效率。目前投产的间歇发酵装置处理能力有限，连续发酵装置或无实质运行或运行不稳定，污水的转化和能源气体的产出都有待提高。

发明内容

针对上述出现的问题，本发明提出了一种诱导界面对流生物反应器及其在污水处理中的应用，该反应器是基于流体动力学和生物传递学过程设计的新型反应器。

本发明采用的技术方案为：

一种诱导界面对流生物反应器，反应器由下到上依次是：进口管、布水装置、诱导发酵区、净化水出口、集气包和气体排放管，所述布水装置由分布器以及规整填料构成，所述诱导发酵区安装有导流带和脉冲管，所述导流带为螺旋盘曲的金属构件，脉冲管沿诱导发酵区的内壁切向方向导入，分布于四个位置，任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。

本发明反应器主体为罐状体（如图1所示），下端设进口管，进口管上面设布水装置，装置主要部件的连接方式以焊接为主，兼有螺纹连接等方式。导流带通过焊接方式固定在诱导发酵区内壁面上。诱导发酵区壁面预设有脉冲管的安装口，在现场安装时，外部管道通过预设的安装口导入诱导发酵区，并在接合部位采用层插焊的方式连接。

布水装置高度H3一般不超过诱导区内径D1的1/5。

导流带直径D5与诱导区内径D1相当，带宽D6为导流带直径D5的10~20%。

导流带螺旋旋转的层间高差H4为诱导区高度H1的1/10~1/4。

净化水出口设置除雾网。

所述的诱导界面对流生物反应器在污水处理中的应用。

采用本发明装置进行污水处理时，从厂区或生活区引入的原水，经过格栅、沉淀池、调节池的初步过滤沉降，过滤污水中的杂质和固体废物，然后将含有高浓度的有机废物的废水，自进口管自下而上流经布水装置、导流带、脉冲管，从净化水出口收集排出，发酵产生气体在集气包收集，通过气体排放管至其它工段待用。进口管的上部设有一段布水装置，布水装置可以是分布器（专利CN 203061165 U），也可以是由分布器与其上一段规整填料构成的组合件，布水装置高度（H3）一般不超过诱导区内径（D1）的1/5，使液相在径向均匀分布的同时产生切向的旋流，该方法分布均匀，并且流体阻力和压降较小（图2）。

诱导发酵区存在着大量的泥水混合物。颗粒污泥是固定在装置内部载有发酵菌种的活性体，污泥装载量占到诱导发酵区（3）容积的40~50%。泥/水相界面接触传质并进行生化反应。颗粒污泥与液流接触后膨胀，首先会在某些结构疏松的区域率先开始流化，小颗粒的流动不断冲击着大颗粒，同时将动能传递给大颗粒，使大颗粒产生松动并最终形成完全的流化。由于实际过程泥/水相接触传质界面的不规则性以及浓度扰动的不确定性，均匀的浓度分布无法持续，可能会随机出现若干高浓度的扩散源，从这些扩散源开始并引发界面结构失稳。但扩散后该扩散源的浓度就有所降低，如果界面更新补充不及时，其附近相对较高浓度的扩散源就开始扩散，互相影响。界面效应引发的流动与传质的持续耦合，决定了界面的非定态传递过程，更决定了处理转化效率的高低。

本发明所述生物污水处理装置在诱导发酵区设置若干切向脉冲管，通过脉冲管阀门（5a~5d）调节开度，产生高速脉冲射流，带动流体作顺时针或逆时针的旋流运动。诱导发酵区内壁面另设双螺旋结构的导流带。导流带通过焊接方式固定在内壁面上。导流带的作用使液流在上升过程中受到壁面阻挡，与脉冲口协同作用产生水平方向上的旋流，水平方向的旋流与竖直方向上的升降环流构成了场域内部的立体流动结构。通过立体流动结构和诱导脉冲调控颗粒污泥界面形态，实现污水处理能力和再生能源效率的提升。同时由于液固性质的差异，颗粒污泥在分散破碎的流动过程中能够在壁面积聚，并在重力作用下自发沉降至装置下部，如此连续不断循环往复。通过对颗粒污泥界面形态的调控和自沉聚作用降低随液体排除的生物质损失，减少后续沉淀池和曝气池及相关装备的使用及投资运行成本。

正常操作时，脉冲管水流取自部分处理后水体回流，开车阶段来自原水储罐。在处理后水体排放管道设置流量监测，转化为电气信号后控制调节各脉冲管阀门开度（图5）。各脉冲管阀门可独立调节开度，通过在诱导发酵区的不同高度和水平位置建立瞬时和（或）持续的脉冲射流，诱导激发污泥界面形态变化，加快装置启动运行速度；同时促进内部流体切向旋流，离心加速/重力比可以达到3以上，提高液/固界面传质效率。

装置运行稳定后，颗粒污泥的粒径呈以1mm为主的近正态分布，在诱导发酵区内部循环流动。作为污水处理及能源再生的主要区域，污水在诱导发酵区域的平均停留时间为15hrs，运行温度保持在30~40℃。

经过流化发酵处理的水体经过澄清稳定后，细小颗粒进一步得到沉降。上部清液经溢流从净化水出口收集排出。

装置顶部设有集气区，主要用于收集在发酵过程中产生的氢气、甲烷等能源气体。

从厂区或生活区引入的原水，经过格栅过滤、沉淀池、调节池的初步过滤沉降，过滤污水中的杂质和固体废物，然后将含有高浓度的有机废物的废水，自下而上流进装置。自下而上依次流经进口管、布水装置、导流带、脉冲管，从净化水出口收集排出，发酵产生气体在集气包收集，通过气体排放管至其它工段待用。装置排出的净化水引入曝氧池进行深度曝氧处理，即可达标排放。由于本装置中基本无活性颗粒污泥流失至曝氧池，故也无需在曝氧池将颗粒污泥沉淀，因此可缩减曝氧池容积，节省投资运行费用。

有益效果：本发明提供一种诱导界面对流生物反应器，通过施加诱导脉冲实现液/固界面的形态调控，促进界面对流实现发酵过程的强化，并将生产、生活污水中的有机质转化再生为能源气体，同时使污水处理达标排放。运用流体力学及生物传递原理设计的反应器结构能够控制颗粒污泥界面形态结构，调节污水处理能力及再生能源效率。通过流体的旋流作用与异向射流诱导，使大颗粒污泥均匀散裂，并使微小尺度颗粒污泥在内部壁面自发沉聚，加快启动运行速度，改善水相/污泥接触方式，提高污水处理和再生能源效率。

通过对颗粒污泥界面形态的调控和自沉聚作用降低随液体排除的生物质损失，减少后续沉淀池和曝气池及相关装备的使用及投资运行成本。

本发明在相同的处理能力下，液/固界面接触效果好，水力停留时间长，床层压降较低，基本无活性生物质损失。装置稳定运行阶段，进水COD约为20000mg/L，COD去除率可达90%以上。装置启动至运行稳定较常规设备可节约一半的时间。

附图说明

图1，反应器主体结构示意图；

图2，脉冲口设置立面图；

图3，脉冲口设置俯视图；

图4，导流带结构示意图；

图5，界面脉冲控制与调节示意图；

图6，污水处理转化工艺路线示意图；

其中：1-进口管，2-布水装置，3-诱导发酵区，4-导流带，5-脉冲管，6-净化水出口，7-集气包，8-气体排放管。

具体实施方式

下面结合附图对本专利作进一步的详细说明：

实施例1

如图1所示，反应器主体主要由八个部分构成，由下到上依次是：进口管1、布水装置2、导流带4、脉冲管5、净化水出口6、集气包7和气体排放管8，所述布水装置2由分布器以及规整填料构成，所述导流带4和脉冲管5是诱导发酵区3的主要构件，所述导流带4为螺旋盘曲的金属构件，脉冲管5沿诱导发酵区的内壁切向方向导入，分布于四个位置，任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。导流带4直径D5与诱导区内径D1相当，带宽D6为导流带直径D5的15%，旋转的层间高差H4为诱导区高度H1的1/4。

从厂区或生活区引入的原水，经过格栅、沉淀池、调节池的初步过滤沉降，过滤掉污水中的杂质和固体废物，然后自进口管1自下而上流进装置。进口管的上部设有一段布水装置，布水装置由分布器以及分布器上部一段高20cm规整填料构成，分布器（专利CN203061165 U），使液相在径向均匀分布的同时产生切向的旋流，该方法分布均匀，并且流体阻力和压降较小；布水装置高度H3不超过诱导区内径D1的1/5（图2）。

经过分布的液流上行进入诱导发酵区（图1），诱导发酵区3主体结构内包括螺旋导流带4、脉冲管5，以及在场域内流化运动的颗粒污泥。导流带的结构如图4所示，为一螺旋盘曲的金属构件，主材料可以为不锈钢、黄铜、碳钢、蒙乃尔合金等。导流带4直径D5与诱导区内径D1相当，带宽D6为D5的15%，旋转的层间高差H4为诱导区高度H1的1/4。导流带的作用使液流在上升过程中受到壁面阻挡，与脉冲口协同作用产生切向的旋流，切向旋流与竖直方向上的升降环流构成了场域内部的立体流动结构。实施过程中可以采用双螺旋的导流带设置。

脉冲管5，通过出水部分回流在场域内施加速度与浓度的设定扰动，产生高速的脉冲射流，激发界面形态的变化。脉冲管在竖直方向上呈现高差变化（图2），相邻两个管口位置不同；如图2所示，两个管口距离分别为D3、D4，D3与D4可以相同也可以不同。如图3所示，在俯视平面上，脉冲管沿装置内壁切向方向导入，分布于四个位置，任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。正常操作时脉冲管水流取自部分处理后水体回流，开车阶段来自原水储罐。在处理后水体排放管道设置流量监测，转化为电气信号后控制调节各脉冲管阀门开度（图5）。

根据液体流动方向自下到上逐渐建立四个脉冲管阀门的开闭循环（图5）, 以1hr为操作循环周期建立脉冲射流：第一个15min开阀门5a，其余时间关闭；第二个15min开阀门5b；第三个15min开阀门5c；最后15min开阀门5d。通过该方法可将装置正常启动运行速度加快到一周；同时促进内部流体切向旋流，离心加速/重力比达到3，颗粒界面粒径控制在1mm左右。

颗粒污泥与污水接触传质后发酵膨胀，通过导流带4和脉冲管5调节控制界面形态。传质反应后的处理水体经过稳流区，从图1所示净化水出口6溢流而出，净化水出口上方设置除雾网，防止雾沫夹带。发酵产生气体在集气包7收集，通过气体排放管8至其它工段待用。装置排出的净化水引入曝氧池进行深度曝氧处理，即可达标排放（图6）。

作为污水处理及能源再生的主要区域，污水在诱导发酵区域的平均停留时间为15hrs，运行温度保持在30~40℃。与传统装置相比，本发明在相同的处理能力下，液/固界面接触效果好，水力停留时间长，床层压降较低，基本无活性生物质损失。装置稳定运行阶段，进水COD约为20000mg/L，COD去除率可达90%以上。装置启动至运行稳定较常规设备可节约一半的时间。采用本装置的污水处理工艺无需在曝氧池将颗粒污泥沉淀并回流，因此可缩减曝氧池容积，节省投资运行费用。

实施例2

一种诱导界面对流生物反应器，反应器由下到上依次是：进口管、布水装置、诱导发酵区、净化水出口、集气包和气体排放管，所述布水装置由分布器以及规整填料构成，所述诱导发酵区安装有导流带和脉冲管，所述导流带为螺旋盘曲的金属构件，脉冲管沿诱导发酵区的内壁切向方向导入，分布于四个位置，任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。布水装置高度（H3）一般不超过诱导区内径（D1）的1/5。导流带直径D5与诱导区内径D1相当，带宽D6为D5的10%。导流带螺旋旋转的层间高差H4为诱导区高度H1的1/10。净化水出口设置除雾网。

已通过实例对本发明所述装置进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述制造方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (5)

1. 一种诱导界面对流生物反应器，其特征在于：反应器的发酵区侧壁安装有脉冲管，脉冲管沿发酵区的内壁切向方向导入；反应器的发酵区还安装有导流带，所述导流带为螺旋盘曲的金属构件；脉冲管上安装有阀门，各阀门独立调节开度，实现对脉冲管的延时顺控，从而带动流体作顺时针或逆时针的旋流运动；进口管的上部设有一段布水装置，布水装置由分布器以及分布器上部一段规整填料构成，使液相在径向均匀分布的同时产生切向的旋流；所述导流带直径D5与发酵区内径D1相当，带宽D6为D5的10~20%；导流带螺旋旋转的层间高差H4为发酵区高度H1的1/10~1/4；所述延时顺控方式为：液体流动方向自下到上逐渐建立脉冲管阀门的开闭循环, 以1hr为操作循环周期建立脉冲射流：第一个15min开阀门（5a），其余时间关闭；第二个15min开阀门（5b）；第三个15min开阀门（5c）；最后15min开阀门（5d）。

2.根据权利要求1所述的诱导界面对流生物反应器，其特征在于：任意两个脉冲管之间的夹角为90°或180°。

3.根据权利要求1所述的诱导界面对流生物反应器，其特征在于：布水装置高度H3不超过发酵区内径D1的1/5。

4.权利要求1~3中任意一项所述的诱导界面对流生物反应器在污水处理中的应用。

5.根据权利要求4所述的诱导界面对流生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：将高浓度有机废水经过诱导界面对流生物反应器处理后转化成氢气或者甲烷，收集利用。