CN105984943A

CN105984943A - 多室固定床生物膜反应器及其处理污水中高氯酸盐的方法

Info

Publication number: CN105984943A
Application number: CN201610515659.XA
Authority: CN
Inventors: 郭建博; 张超; 宋圆圆; 逯彩彩; 张新波; 吕建波; 温海涛
Original assignee: Tianjin Chengjian University
Current assignee: Tianjin Chengjian University
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-10-05

Abstract

本发明公开了一种多室固定床生物膜反应器及其处理污水中高氯酸盐的方法，包括底部设有进水口、上部设有出水口的填料柱，所述填料柱的内部空间借助设有通孔的布水板分隔为2个以上的上下相互连通的反应室，每个布水板下方设有进水管。其将传统单室反应器借助布水板分隔为2个以上反应室、并分别设置配套的进水口，使污染物与硫颗粒充分接触，实现反应器内的优势菌群单一化，从而提高硫的利用率，降低硫化氢气体及硫酸盐的产生。

Description

多室固定床生物膜反应器及其处理污水中高氯酸盐的方法

技术领域

本发明属于废水或污水的生物处理领域，具体涉及一种多室固定床生物膜反应器及其处理污水中高氯酸盐的方法。

背景技术

随着工业科技的发展，水污染情况也越来越严重，尤其像高氯酸盐污染，其主要来源于染料、橡胶、制革等生产的废水。高氯酸盐在摄入人体后会竞争性抑制和妨碍甲状腺对碘离子的吸收，干扰甲状腺正常功能，导致甲状腺荷尔蒙激素分泌量的减少，引发成人新陈代谢失调，特别是阻碍儿童正常生长、发育，易造成儿童智商偏低、发育迟缓、多动症、注意力分散甚至智障等症状。但是由于高氯酸盐具有非挥发性、强稳定性、高溶解性等特点，一般的物理化学法很难将其彻底去除，而生物法相对于物化法具有工艺简单，成本低廉，去除彻底的优点，成为处理高氯酸盐的首选。

目前生物法去除高氯酸盐可分为异养和自养两种，鉴于自养法较异养法出水COD低，不易产生二次污染，对于处理低浓度的地下水高氯酸盐污染来说，采用自养法更具有可行性。其中，由于硫颗粒具有价格低，化学性质稳定，且可以长期提供电子的优势，已被广泛应用于废水处理工艺。Sahu （Environ.Sci.Technol.2009;43:4466-4471）等研究了硫填充床反应器降解高氯酸盐的情况；由于硫的歧化反应，尚未解决硫酸盐及硫化氢产率过高等问题，该文献还对反应器不同高度做了菌群结构分析，结果发现反应器上部的优势菌比例与下部相差较大。Boles (Biotechnol.Bioeng.2012;109：637-646)等研究了中试规模的硫填充床反应器，也尚未解决硫酸盐及硫化氢产率过高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多室固定床生物膜反应器及其处理污水中高氯酸盐的方法，其将传统单室反应器借助布水板分隔为2个以上反应室、并分别设置配套的进水口，污染物与硫颗粒充分接触，实现反应器内的优势菌群单一化，从而提高硫的利用率，减少硫化氢气体的产生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案1是：

一种多室固定床生物膜反应器，包括底部设有进水口、上部设有出水口的填料柱，所述填料柱的内部空间借助设有通孔的布水板分隔为2个以上的上下相互连通的反应室，每个布水板下方设有进水管。

优选的，所述填料柱内部空间借助布水板分隔有3~5个反应室；所述布水板借助沿圆周间隔设置在填料柱内壁上的凸块限位。

所述反应室内填充硫颗粒与石英石混合的填料；所述硫颗粒与石英石按体积比为1:1~3:1的混合。

优选的，所述填料柱借助第一布水板、第二布水板和第三布水板分隔为第一反应室、第二反应室和第三反应室，并分别在第一布水板、第二布水板和第三布水板下方设有第一进水管、第二进水管和第三进水管。

传统填充床反应器只有单一进水口，在硫颗粒上形成挂膜时，反应器下部微生物的优势菌群和上部的优势菌群所占得的比例及种类差异很大，反应器上部容易发生副反应，如硫的歧化反应。而本发明上述的技术方案中，由布水器分隔为2反应室以上，每个反应室都有单独的进水口，因此在挂膜时间上要比单室的时间短，形成的菌群结构比较单一，避免发生多余的副反应，提高了硫的利用率。

本发明还提供了技术方案2：

一种上述多室固定床生物膜反应器处理污水中高氯酸盐的方法，包括接种驯化好的污泥、保持厌氧环境形成生物膜、连续进水进行污水处理，具体包括以下步骤：

①将作为填料的硫颗粒和石英石按体积比1:1~3:1混匀，备用，然后取经过沉降的硫代硫酸盐驯化的污泥接种至所述填料、混匀，再将接种污泥的填料自下而上填充至填料柱的各个反应室内；

②分别通过设置在填料柱上的各进水管将含有高氯酸盐的无机废水泵入到各反应室中，直至充满各反应室，间歇驯化72h，形成填料上挂膜的生物膜反应器；

③将待处理的含高氯酸盐的无机废水从各进水管以连续流泵入步骤②中经驯化的生物膜反应器中，其中无机废水中ClO₄ ^-负荷为0.2g/（L·d）~ g/（L·d），处理后的无机废水从出水口排出。

上述方案中将硫代硫酸钠驯化的污泥与硫颗粒和石英石的填料混匀，提高了高氯酸盐的降解率；采用均匀接种的多室固定床反应器，经过三天间歇驯化后，连续流厌氧处理含高氯酸盐的污水，对于较低的进水ClO₄ ^-负荷（0.2~0.5g/（L·d））运行1天后，去除率达到100%；对于较高的进水ClO₄ ^-负荷（大于1.0g/（L·d））运行2天后，去除率达也能到100%，且硫的利用率显著提高。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：（1）本发明将填料柱借助布水板分隔为多个反应室，并分别设置进水机构，使得每个反应室中菌群结构单一，减少了副反应的发生，从而提高了降解效率和硫的有效利用率，试验结果表明双室和三室相比单室硫的利用率提高15%~30%，其中硫化氢的产量减少50%~100%；（2）单一进水时上升流速过大会对反应器底部硫颗粒上的膜冲击过大，影响污染物的去除效果，在相同的流量下，分散的多口进水有效缓解了上升流速对生物膜的冲击作用，不仅提高了去除负荷同时减少了对微生物膜的影响；（3）采用硫-石英石为载体减少了传统以硫-石灰石作为载体而造成的出水水质硬度高，生成沉积物多，进而堵塞反应器，使进水分布不均导致产生死角等缺点，同时减少了反冲洗等后续维护费用；（4）本发明操作简单，一次性投资成本较低，易于在实际中应用。

附图说明

图1是三室结构反应器的结构示意图；

图2是第二布水板的俯视结构示意图；

图3为多室较单室高氯酸盐去除效率的比较；

图4为多室较单室硫利用率的比较；

图5为多室较单室菌群结构比例的比较；

图6为多室较单室硫化氢产量的比较；

图7为多室较单室硫酸盐产量的比较；

其中，1-1、第一布水板，1-2、第二布水板，1-2-1、通孔，1-3、第三布水板，2-1、第一进水管，2-2、第二进水管，2-3、第三进水管，3、出水口，4-1、第一水质监测取样口，4-2、第二水质监测取样口，4-3、第三水质监测取样口，5-1、第一污泥取样口，5-2、第二污泥取样口，5-3、第三污泥取样口，5-4、上部监测口，6、出气口，10、填料塔，10-1、第一反应室，10-2、第二反应室，10-3、第三反应室。

具体实施方式

本发明是一种多室固定床生物膜反应器，包括底部设有进水口、上部设有出水口3的填料柱10，所述填料柱10的内部空间借助设有通孔的布水板分隔为2个以上的上下相互连通的反应室，每个布水板下方设有进水管。所述的多室是指2个、3个或更多个反应室，每个反应室借助布水板分隔，布水板沿填料柱的横截面设置，形成反应室上下连通、并在顶部出水的结构。

下面以三室结构的反应器为例说明本发明的具体结构。

参见图1，填料柱10借助第一布水板1-1、第二布水板1-2和第三布水板1-3分隔为第一反应室10-1、第二反应室10-2和第三反应室10-3，并分别在第一布水板1-1、第二布水板1-2和第三布水板1-3下方设有第一进水管2-1、第二进水管2-2和第三进水管2-3，第一进水管2-1连接底部设置的进水口，所述第二进水管2-2和第三进水管2-3的出水端伸入至填料柱10横截面的中心部位、距离对应的布水板的高度为3~10mm。这样无机废水通过布水板，无死角，反应室内优势菌种单一。

第一布水板1-1、第二布水板1-2和第三布水板1-3结构相同，以第二布水板1-2为例说明其结构，参见图2，第二布水板1-2上设有孔径为2~4mm的通孔1-2-1，厚度为4~6mm，第二布水板1-2的直径比填料柱的内径小0.1~1.5mm。第一布水板1-1限位在填料柱10的底座上，还可以在底座上沿圆周方向间隔设置凸块，用于将第一布水板1-1限位；在底座中心部位设置进水口。第二布水板1-2和第三布水板1-3分别借助沿圆周间隔设置的凸块限位；在第二布水板1-2和第三布水板1-3的下方还设置第二进水管2-2和第三进水管2-3。

所述填料柱10的填料为按体积比为1:1~3:1的硫颗粒与石英石的混合物。其中所述硫颗粒的粒径为2~3mm，石英砂的粒径为2~3mm。目前关于填料的研究，多以石灰石作为载体，例如Sahinkaya(Water research.2014;60:210-217)用硫石灰石做填料，石灰石的作用主要是起到支撑作用和充当缓冲剂的作用，但是石灰石溶解会产生钙离子从而导致出水水质硬化，并且容易生成碳酸钙等沉淀堵塞反应器，导致水流分布不均匀。因此，本研究以石英石代替石灰石，因为具有稳定，廉价，硬度高等优点，很有效的解决了水流分布不均的缺点。

填充时，首先将反应器内的填料按照设计比例混匀，然后将驯化好的污泥经过半小时沉降，取沉降后的污泥与硫颗粒和石英砂混匀，按一定量加入反应器内，接种的初始污泥量为8g/L载体，以SS计，然后停滞12h，再连续运行12h，再停滞12h、连续运行12h，停滞12h、连续运行12h，即驯化72h，完成填料表面挂膜，形成驯化好的生物膜反应器。

为了便于监测降解效果，每个反应室的侧壁上还设有水质监测取样口和污泥取样口，如图1中，设置第一水质监测取样口4-1、第二水质监测取样口4-2以及第三水质监测取样口4-3；以及第一污泥取样口5-1、第二污泥取样口5-2以及第三污泥取样口5-3。每个反应室中水质监测取样口和污泥取样口还可以设置2个以上，比如在反应室的下部和上部分别设置。所述填料塔10的顶盖上设置出气口6和上部监测口5-4。

下面以2个反应室和3个反应室的反应器为实施例，以单个反应室的反应器为对比例，改变不同的参数，对生物膜反应器的降解效率等方面进行分析。

图1为3室反应器的结构示意图，2室反应器的结构与图1的区别在于仅在填料柱10的中部和底部设置布水板，单室反应器仅在底部设置布水板。

实施例1

①首先将硫颗粒与石英石按体积比1:1~3:1的比例混匀做填料，然后取经过沉降的硫代硫酸盐驯化的污泥接种所述填料、混匀，再将接种污泥的填料分别加入总体体积均为3.6L的单室、2室和3室反应器中，其中3室反应器的每个反应室的体积为1.2L、2室反应器的每个反应室的体积为1.8L，每升填料中污泥的接种量为8g，以SS计。

污泥取自石家庄市桥西污水处理厂的活性污泥，将污泥放于锥形瓶内，用硫代硫酸钠进行驯化培养，经过厌氧培养七天，高氯酸盐的去除效率达到100%。

硫颗粒主要为生物膜提供电子并用于生物膜的附着，石英砂主要起支撑作用及增加孔隙率的作用，提高硫的利用率。反应器每个反应室中部都设有污泥取样口，污泥取样口用胶塞堵上，胶塞上插有电极，用于检测反应体系中氧化还原电位的变化，进而反映出体系内发生的化学反应。同时电极可以有效的检测反应器内主要的反应体系，即主要的反应是否为高氯酸盐的降解。

②用蠕动泵分别通过设置在填料柱上的进水管以设定的流速将含有高氯酸盐的无机废水泵入到各反应室中，直至充满各反应室，停滞12h、然后连续流运行12h；再停滞12h、连续流运行12h，共循环3次，驯化72h，形成生物膜反应器。

无机废水中还含有如下配方的无机盐：K₂HPO₄·3H₂O, 0.25g/L; NaHCO₃·H₂O, 1.50g/L; NH₄Cl, 0.15g/L； NaClO₄, 0.14~0.27g/L。

③将待处理的含高氯酸盐的无机废水从各进水管以连续流分别泵入步骤②中经驯化后的单室反应器、2室反应器和3室反应器中，其中无机废水的浓度、流量、上升流速和水力停留时间HRT参见表1，运行4天。

表1 实施例1~5中单室、2室和3室反应器的运行参数

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						时间(d)	1-4	5-10	11-15	16-20	21-35
ClO₄ ^-(mg/L)	100	200	250	250	250
						流量(mL/h)	300	300	300	600	900
上升流速(m/d)	0.64	0.64	0.64	1.27	1.91
						HRT(d)	0.5	0.5	0.5	0.25	0.17
ClO₄ ^-负荷(g/(L·d))	0.2	0.4	0.5	1	1.5

实施例2~5

在实施例2中，将单室反应器、2室反应器和3室反应器在实施例1的基础上、采用表1中的参数分别运行5天；实施例3在实施例2的基础上、采用表1中的参数分别运行5天；实施例4在实施例3的基础上、采用表1中的参数分别运行5天；实施例5在实施例4的基础上、采用表1的参数分别运行15天。

通过水质监测口和污泥取样口分别分析各反应器中高氯酸盐的降解率、硫颗粒的利用率、反应器中菌群分布，通过出气口6检测硫化氢的产率，以上结果分别参见图3~7。

从图3可以看出，当进水ClO₄ ^-负荷较低时，如实施例1~3的0.2~0.5g/（L·d），2室和3室反应器运行1天后，对高氯酸盐的降解率达到100%；当ClO₄ ^-负荷较高时，如≥1.0g/（L·d）时，3室反应器运行1~2天后，对高氯酸盐的降解率基本达到100%；尤其是当ClO₄ ^-负荷为1.5g/（L·d）时，3室反应器运行5天后对高氯酸盐的降解率达到100%，而单室反应器在运行6天后，对高氯酸盐的降解率仅为80%左右。

从图4可以看出，提高进水ClO₄ ^-负荷，会增加硫颗粒的利用率。但是对于单室反应器而言，当ClO₄ ^-负荷为1.5g/（L·d）时，即使硫颗粒的利用率达到100%，其降解率也仅有80%左右。

对各反应器的菌群分析，参见图5，可以看出：单室的上部优势菌为Sulfurovum和Hydrogenophilaceae所占比例为分别为32.19%和22.24%，而反应器下部优势菌为Sulfurovum所占比例为57.79%；对于2室和3室反应器上部和下部的优势菌均为Sulfurovum，比例均在50%之上。

对于单室来说，在形成挂膜时，反应器下部微生物的优势菌群和上部的优势菌群占得比例及种类差异很大，反应器上部容易产生副反应。双室和三室的菌群结构比较单一，因为三室和双室都有单独的进水口，在挂膜时间上要比单室的时间短且菌群结构比较单一，不会发生多余的副反应。为此，研究了单室、2室和3室反应器顶部产硫化氢的量及出水硫酸盐的量。硫化氢的结果参见图6，随着进水ClO₄ ^-负荷的增加，单室、2室和3室反应器的硫化氢的产量都有所减少，当进水ClO₄ ^-负荷增加至1.5g/（L·d）时，3室反应器对高氯酸盐去除效率达到100%时，硫化氢产量为零；而单室反应器对高氯酸盐去除效率仅为80%左右，且产硫化氢的量在10mg/L左右。出水硫酸盐的结果参见图7，随着进水ClO₄ ^-浓度的增加，单室、2室和3室反应器的硫酸盐的产量都有所增加，随着水力停留时间的减少，单室、2室和3室反应器的硫酸盐的产量都有所减少，但是，2室和3室反应器较单室反应器的出水硫酸盐的量都要低。

综上所述，本发明提高了填料硫颗粒的利用率，从而减少了副产物硫化氢及硫酸盐的产生。传统单室反应器的技术问题在于不能充分利用固定床反应器的空间，降解污染物的部位主要在中下部，而反应器上部的体系就会发生变化，发生硫歧化等副反应，从而增加了出水硫酸盐及硫化氢的产生。本发明采用多室反应器目的就是充分利用反应器的空间，减少副反应的发生。试验结果表明，双室和三室相比单室硫的利用率分别提高15%~30%，硫化氢的产量减少50%~100%，硫酸盐的产量减少了15%~30%，对较高进水ClO₄ ^-负荷，三室的降解率比单室高20%左右。

Claims

1.一种多室固定床生物膜反应器，包括底部设有进水口、上部设有出水口（3）的填料柱（10），其特征在于所述填料柱（10）的内部空间借助设有通孔（1-2-1）的布水板分隔为2个以上的上下相互连通的反应室，每个布水板下方设有进水管。

2.根据权利要求1所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于所述填料柱（10）内部空间借助布水板分隔有3~5个反应室；所述布水板借助沿圆周间隔设置在填料柱（10）内壁上的凸块限位。

3.根据权利要求1或2所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于所述反应室内填充硫颗粒与石英石混合的填料；所述硫颗粒与石英石按体积比为1:1~3:1混合。

4.根据权利要求3所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于所述硫颗粒的粒径为2~3mm，石英砂的粒径为2~3mm。

5.根据权利要求1所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于每个反应室的侧壁上还设有水质监测取样口和污泥取样口；填料塔（10）的顶盖上设置出气口（6）和上部监测口（5-4）。

6.根据权利要求1所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于所述填料柱（10）借助第一布水板（1-1）、第二布水板（1-2）和第三布水板（1-3）分隔为第一反应室（10-1）、第二反应室（10-2）和第三反应室（10-3），并分别在第一布水板（1-1）、第二布水板（1-2）和第三布水板（1-3）下方设有第一进水管（2-1）、第二进水管（2-2）和第三进水管（2-3）。

7.根据权利要求1所述的多室固定床生物膜反应器，其特征在于所述第二进水管（2-2）和第三进水管（2-3）的出水端伸入至填料柱（10）横截面的中心部位、距离对应的布水板的高度为3~10mm。

8.一种权利要求1所述的多室固定床生物膜反应器处理污水中高氯酸盐的方法，包括接种驯化好的污泥、保持厌氧环境形成生物膜、连续进水进行污水处理，其特征在于具体包括以下步骤：

①将作为填料的硫颗粒和石英石按体积比1:1~3:1混匀，备用，然后取经过沉降的硫代硫酸盐驯化的污泥接种至所述填料、混匀，再将接种污泥的填料自下而上填充至填料柱（10）的各个反应室内；

③将待处理的含高氯酸盐的无机废水从各进水管以连续流泵入步骤②中经驯化的生物膜反应器中，其中无机废水中ClO₄ ^-负荷为0.2g/（L·d）~2.0 g/（L·d），处理后的无机废水从出水口（3）排出。

9.根据权利要求8所述的多室固定床生物膜反应器处理污水中高氯酸盐的方法，其特征在于步骤①中每升填料中污泥的接种量为7~10g，以SS计；步骤②中间歇驯化的条件为停滞12h、连续运行12h，如此循环3次。

10.根据权利要求8所述的多室固定床生物膜反应器处理污水中高氯酸盐的方法，其特征在于采用3个以上反应室，步骤③中处理后的无机废水中高氯酸根离子去除率达到100% 以上。