CN106277684B - 固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置及应用 - Google Patents

固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，包括原污泥池、贮泥池，连接原污泥池和贮泥池的污泥循环管路、以及至少一个处理单元，原污泥池通过第一管路与处理单元进泥口接通，贮泥池通过第二管路与处理单元出泥口接通；处理单元包括接触反应池、设置于接触反应池上部的空气罩、设置于接触反应池内的转盘机构，驱动转盘机构旋转的驱动电机，转盘机构包括转轴，以及套装于转轴上的若干生物转盘；生物转盘以不锈钢为嵌件，表面熔铸有一层生物硫。该装置通过驱动电机驱动转盘机构转动，由于固定化生物转盘的旋转，不断在大气中充氧，完成硫氧化细菌、生物硫、氧三者之间的传质，处理效率高。

Description

固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置及应用
技术领域
本发明属于污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种污泥处理装置，可以有效去除污泥中的重金属，改善污泥的脱水性能。
背景技术
随着我国污水处理产业的快速发展，城市污水处理率大幅提升，由此产生的污泥量也不断增大。我国《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》鼓励采用土地利用方式处置符合标准的污泥，污泥土地利用将成为我国今后污泥处置的主要方向。而污泥土地利用的最大障碍是污泥的高含水率、重金属污染和病原菌危害。根据研究表明，生物淋滤技术可以显著的改善污泥脱水性能、去除重金属、消除病原菌，并为其后续资源化利用创造良好条件，是一种极具工程应用价值的污泥处理新技术。生物淋滤主要是利用嗜酸性硫杆菌的生物氧化产酸作用，形成强酸环境，然后污泥中难溶性重金属从固相中溶出进入液相，通过固液分离加以去除。以氧化硫硫杆菌为主要菌株、单质硫为能源底物的生物淋滤技术被认为是实现污泥重金属去除最为快捷的途径之一，正逐渐引起人们的关注。
污泥生物淋滤技术在工程实践中推广应用的关键是要设计制造出硫粉高效利用的反应器，生物淋滤反应器的类型主要有三类：空气提升式反应器、连续搅拌反应器、推流式反应器。目前，生物淋滤工艺中的反应底物单质硫一般采用粉体的形式加入到反应器中。现有的反应器在生物淋滤过程中由于搅拌强度不足，经常出现硫粉沉入反应器底部的现象，硫粉不能与污泥中的硫氧化细菌充分接触而反应不完全，导致过量的硫粉在污泥中累积。处理后的污泥在土地利用时，多余的硫粉易造成土地“后酸化”问题。因此，硫的有效利用成为制约生物淋滤技术实现工程化应用的一个关键因素。为此，国家发明专利ZL200510049304.8提出了一种类似半球形的连续搅拌生物沥滤反应器，降低了水力阻力，减少了硫粉沉降，提高了硫粉与污泥的混合程度。国家发明专利ZL200510048983.7公开了一种以悬挂硫填料形式供应底物的生物沥滤方法，能够充分实现硫的高效利用和剩余硫的便捷回收。但是，以硫氧化细菌为菌株、单质硫为能源底物的生物淋滤反应是一个好氧过程，需要氧气的参与。目前的生物淋滤反应器均需要采用曝气和机械搅拌的方式来进行物料混匀和充氧，需要消耗更多的动能。如果能够进一步改进反应器结构，将三者之间的传质过程与反应器设计有效结合，减少能耗，对推动生物淋滤技术的工程化应用将更为有效。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，具体采用旋转生物硫盘片的方式为硫氧化细菌充氧和提供能源物质，这是一种为硫氧化细菌提供能源物质和氧气的新方法，可以更为经济高效的利用生物硫，提高硫的生物氧化产酸反应速度，进一步降低能耗和提高处理效率。
具体的，本发明提供的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，包括原污泥池、贮泥池，连接所述原污泥池和所述贮泥池的污泥循环管路、以及至少一个处理单元，原污泥池中设有污泥提升泵，贮泥池中设有污泥循环泵，所述原污泥池通过第一管路与处理单元的进泥口接通，所述贮泥池通过第二管路与处理单元的出泥口接通；
所述处理单元包括接触反应池、设置于所述接触反应池上部的空气罩、设置于所述接触反应池内的转盘机构，驱动所述转盘机构旋转的驱动电机，所述转盘机构包括转轴，以及套装于所述转轴上的若干生物转盘；所述生物转盘包括套管，以及设置于所述套管外周的不锈钢嵌件；所述不锈钢嵌件上熔铸有生物硫，使二者形成圆盘状结构。
优选地，所述生物转盘的制作方法为：在生物转盘模具中放置生物转盘的不锈钢嵌件，将粉末状的生物硫在119-130℃温度下熔化，然后将其浇注于所述生物转盘模具中，在不锈钢嵌件周围形成生物硫。
优选地，所述生物转盘的厚度5-50mm，直径为200-1000mm。
更优选地，所述不锈钢嵌件为均匀分布于所述套管外周的至少三个叶片，所述叶片的厚度2-4mm、宽度50-200mm、长度20-70mm。
更优选地，所述叶片设置于所述套管中部。
更优选地，所述转轴表面沿轴向设有凸条，所述套管具有与所述转轴直径相匹配的内径，所述套管内壁开设有与所述凸条相适配的定位凹槽。
更优选地，所述叶片的数量为3-6个。
优选地，所述处理单元的数量为3-5个，3-5个所述处理单元并联或串联连接。
优选地，若干所述生物转盘之间的盘面间距为10-60mm。
本发明还提供了一种使用上述固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置处理污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
在接触氧化池中注满9K培养基和Waksman培养基，以10％的接种量接种硫氧化细菌菌液，形成挂膜溶液，驱动电机驱动转盘机构进行转动，挂膜溶液的pH值下降到1.5-2.0，挂膜溶液不断变浑浊，当挂膜溶液吸光度值达到0.2-0.3时，挂膜溶液中游离态的硫氧化细菌的浓度达到107-108个/毫升，表示硫氧化细菌挂膜基本完成，转盘机构停止转动；
原污泥池内一定浓度的污泥通过污泥提升泵由第一管路打入所述接触氧化池中，使生物转盘浸没率为30-50％，调整生物转盘的转速为至5-30rpm范围内，使污泥中重金属进行生物反应，反应过程中，通过设置在贮泥池中的污泥循环泵，将反应后的污泥通过污泥循环管路输送至接触氧化池中循环反应，直至污泥的pH值达到1.5-2.0，停止操作。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，将生物硫熔铸成盘片状生物转盘，由多块生物转盘组装转盘机构，通过驱动电机驱动转盘机构转动，由于固定化生物转盘的旋转，不断在大气中充氧，完成硫氧化细菌、生物硫、氧三者之间的传质。硫氧化细菌在有氧条件下，以生物硫为能源物质进行生物淋滤作用，污泥pH值下降，形成强酸环境，污泥中难溶性重金属从固相中溶出进入液相，再通过固液分离加以去除。有效避免了传统的生物淋滤采用投加硫粉的方式易造成硫粉低效利用和污泥后续使用“后酸化”的问题。
(2)由于硫氧化细菌的代谢需氧量不高，即使在生物转盘转速很低的情况下，仍能表现出很高的活性，不需要采用曝气和机械搅拌的方式来进行物料混匀和充氧，降低了能耗，硫氧化细菌不断地在硫盘片上吸附固定，增加了硫氧化细菌的密度，从而大大提高生物硫的生物氧化产酸反应速度。
(3)当生物转盘中硫剩余不多时，可以卸下，回收剩余的生物硫，并且生物转盘的不锈钢嵌件可以重复利用，重新进行浇注生物转盘。
附图说明
图1为本发明固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置的俯视图；
图2为本发明固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置的主视图；
图3为本发明固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置中构成生物转盘的嵌件的结构示意图；
图4为本发明固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置中构成生物转盘的转轴的结构示意图；
图5为本发明固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置中生物转盘的纵剖面图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，具体如图1-5所示，包括原污泥池1、贮泥池7，连接原污泥池1和贮泥池7的污泥循环管路9、以及3个依次串联的处理单元，原污泥池1中设有污泥提升泵2，贮泥池7中设有污泥循环泵8，原污泥池1通过第一管路与处理单元的进泥口接通，贮泥池7通过第二管路与处理单元的出泥口接通；处理单元包括接触反应池4、设置于接触反应池4上部的空气罩10、设置于接触反应池4内的转盘机构5，驱动转盘机构5旋转的驱动电机6，转盘机构5包括转轴51，以及套装于转轴51上的若干生物转盘52；该生物转盘52包括套管523，以及设置于套管523外周的不锈钢嵌件521；不锈钢嵌件521上熔铸有生物硫522，不锈钢嵌件521和生物硫522通过生物转盘模具形成圆盘状结构。
该生物转盘52的厚度5-50mm，直径为200-1000mm，相邻两个生物转盘52之间的盘面间距为10-60mm，其中，以厚度40mm，直径为800mm为最佳。具体如图3-5所示，不锈钢嵌件521为均匀分布于套管523外周的至少三个叶片524，一般情况下，叶片524的厚度2-4mm、宽度50-200mm、长度20-70mm为宜。而转轴51表面沿轴向设有凸条511，套管523具有与转轴51直径相匹配的内径，套管523内壁开设有与凸条511相适配的定位凹槽525。这样的结构设计可将生物转盘52通过凸条522和定位凹槽525之间的卡接配合，防止套装后生物转盘52相对于转轴51进行转动。
对于生物转盘52的制作方法：具体是在生物转盘52的生物转盘模具中放置生物转盘52的不锈钢嵌件521，将粉末状的生物硫522在130℃温度下熔化，然后将其浇注于生物转盘模具中，在不锈钢嵌件521周围形成一层生物硫522。这层生物硫522作为盘面材料，其本身是一种亲水性硫，是硫氧化细菌的能源物质，有利于硫氧化细菌的附着，形成高密度的硫氧化细菌菌落。硫氧化细菌首先吸附在生物硫熔铸而成的生物转盘表面，并以生物硫为能源物质生长，然后分泌大量胞外聚合物使吸附变得牢固，形成微菌落，最后形成具有高度组织结构的固定化生物膜。通过固定化生物转盘52的旋转，不断在大气中充氧，完成硫氧化细菌、生物硫、氧三者之间的传质过程，硫氧化细菌不断地在生物转盘上吸附固定，增加了硫氧化细菌的密度，从而大大提高生物硫的生物氧化产酸反应速度。
需要说明的是，上述生物转盘52制作过程中，生物硫522的温度熔化也可选择119-130℃范围内的任意温度，皆能达到很好的效果。
需要说明的是，上述装置中的处理单元不仅仅限制于3个串联形式的，可以是1个，也可以是多个，一般以1-5个为最佳，当为多个时，可以通过串联和并联的方式构建多级处理单元，处理效率高，操作简单，灵活实用。
上述结构将生物硫熔铸制作的多个生物转盘52悬浮在污泥中，可以大大减少生物硫的浪费，提高其利用率，避免多余硫粉沉积在污泥中。从而很好地解决了传统生物淋滤投加硫粉方式易造成硫粉低效利用和污泥后续使用“后酸化”的问题。
基于同样的发明构思，本发明还提供了使用上述固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置处理污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
在接触氧化池4中注满9K培养基和Waksman培养基，以10％的接种量接种硫氧化细菌菌液，形成挂膜溶液，驱动电机6驱动转盘机构5进行转动，挂膜溶液的pH值下降到1.5-2.0，挂膜溶液不断变浑浊，当挂膜溶液吸光度值达到0.2-0.3时，挂膜溶液中游离态的硫氧化细菌的浓度达到107-108个/毫升，表示硫氧化细菌挂膜基本完成，转盘机构5停止转动；
原污泥池1内一定浓度的污泥通过污泥提升泵2由第一管路打入所述接触氧化池4中，使生物转盘52浸没率为30％-50％，调整生物转盘52的转速为至5-30rpm范围内，使污泥中重金属进行生物反应，反应过程中，通过设置在贮泥池7中的污泥循环泵8，将反应后的污泥通过污泥循环管路9输送至接触氧化池4中循环反应，直至污泥的pH值达到1.5-2.0，停止操作。
下面以某污水处理厂的污泥为例，使用上述提供的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，具体的，其接触反应池为半圆形，直径为300mm，长为310mm，体积为42L，生物转盘52下部边缘距离反应池底部150mm。参照上述处理方法处理污泥中重金属，具体的，该装置中，套装于转轴51上的生物转盘52数量为6个；该生物转盘52的厚度10mm，直径为300mm，若干生物转盘52之间的盘面间距为30mm，转盘转速为10rpm，转盘浸没率45％。
待处理的污泥的性质如下：污泥浓度为8.6mg/L，pH值为7.42，SO4 2-浓度为324mg/L，Zn2+2346mg/kg干污泥，Cu2+560mg/kg干污泥，Cr3+278mg/kg干污泥，Ni2+127mg/kg干污泥。
加入接触反应池4中的污泥量为35L，环境温度为31-36℃，经过6天的连续运行，取得了较好的处理效果。污泥pH值由开始的7.42下降到1.87,污泥上清液SO4 2-浓度由324mg/L增加到11086mg/L，的去除率分别为：56.4％、83.3％、73.6％、86.2％。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，包括原污泥池(1)、贮泥池(7)，连接所述原污泥池(1)和所述贮泥池(7)的污泥循环管路(9)、以及至少一个处理单元，所述原污泥池(1)中设有污泥提升泵(2)，所述贮泥池(7)中设有污泥循环泵(8)，所述原污泥池(1)通过第一管路与处理单元的进泥口接通，所述贮泥池(7)通过第二管路与处理单元的出泥口接通；
所述处理单元包括接触氧化池(4)、设置于所述接触氧化池(4)上部的空气罩(10)、设置于所述接触氧化池(4)内的转盘机构(5)，驱动所述转盘机构(5)旋转的驱动电机(6)，所述转盘机构(5)包括转轴(51)，以及套装于所述转轴(51)上的若干生物转盘(52)；
所述生物转盘(52)包括套管(523)，以及设置于所述套管(523)外周的不锈钢嵌件(521)；所述不锈钢嵌件(521)上熔铸有生物硫(522)，形成圆盘状结构；
所述不锈钢嵌件(521)为均匀分布于所述套管(523)外周的至少三个叶片(524)，所述叶片(524)的厚度2-4mm、宽度50-200mm、长度20-70mm。
2.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述生物转盘(52)的制作方法为：在生物转盘模具中放置生物转盘的不锈钢嵌件(521)，将粉末状的生物硫(522)在119-130℃温度下熔化，然后将其浇注于所述生物转盘模具中，在不锈钢嵌件(521)周围形成生物硫(522)。
3.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述生物转盘(52)的厚度5-50mm，直径为200-1000mm。
4.根据权利要求3所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述叶片(524)设置于所述套管(523)中部。
5.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述转轴(51)表面沿轴向设有凸条(511)，所述套管(523)具有与所述转轴(51)直径相匹配的内径，所述套管(523)内壁开设有与所述凸条(511)相适配的定位凹槽(525)。
6.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述叶片(524)的数量为3-6个。
7.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，所述处理单元的数量为3-5个，3-5个所述处理单元并联或串联连接。
8.根据权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置，其特征在于，若干所述生物转盘(52)之间的盘面间距为10-60mm。
9.一种使用如权利要求1所述的固定化硫氧化细菌生物转盘反应装置处理污泥中重金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在接触氧化池(4)中注满9K培养基和Waksman培养基，以10％的接种量接种硫氧化细菌菌液，形成挂膜溶液，驱动电机(6)驱动转盘机构(5)进行转动，挂膜溶液的pH值下降到1.5-2.0，挂膜溶液不断变浑浊，当挂膜溶液吸光度值达到0.2-0.3时，挂膜溶液中游离态的硫氧化细菌的浓度达到107-108个/毫升，表示硫氧化细菌挂膜基本完成，转盘机构(5)停止转动；
原污泥池(1)内一定浓度的污泥通过污泥提升泵(2)由第一管路打入所述接触氧化池(4)中，使生物转盘(52)浸没率为30-50％，调整生物转盘(52)的转速为至5-30rpm范围内，使污泥中重金属进行生物反应，反应过程中，通过设置在贮泥池(7)中的污泥循环泵(8)，将反应后的污泥通过污泥循环管路(9)输送至接触氧化池(4)中循环反应，直至污泥的pH值达到1.5-2.0，停止操作。
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A.f菌生物转盘反应器的工艺特性研究;王英刚;孙丽娜;魏德洲;;中国给水排水;第25卷(第13期);第48-51页 *

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CN106277684A (zh) 2017-01-04

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