CN106315842A - 一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，反应容器从下至上分为布水区、反应区和分离区，布水区设有进水管，反应区沿高度方向均匀安装载体挡板机构，相邻载体挡板机构在圆周方向相互对称，第一挡板倾斜安装到反应容器内，与第二挡板连接并形成间隔，第二挡板负载有负载型氧化还原介体，载体挡板机构下方设有回流‑进水管，分离区的底部设有氧化还原介体填料层，氧化还原介体填料层上方设有溢流堰、回流出水管、出水管和出气管，回流出水管与各回流‑进水管连通，布水区和反应区内部投加有离散型氧化还原介体。本发明将非溶解性氧化还原介体耦合到反应器内，增加流体的混流程度，延长反应路径，实现难降解污染物的高效生物降解。

Description

一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器

技术领域

本发明涉及一种厌氧生物反应器，尤其涉及一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器。

背景技术

印染、石化等化学工业所排放的大量生物难降解污染物的治理一直是环保的一大难题。这些生物难降解污染物包括偶氮染料、硝基芳香化合物、卤代芳香化合物等，对生物有毒性、致突变性和致癌性，危害甚大，故这些污染物的有效处理十分必要。

厌氧生物技术相比于好氧生物技术而言，具有有机负荷高、无需额外供氧、剩余污泥产量少、产生生物质能沼气等优点，因而近几十年于废水处理领域备受关注。值得注意的是，厌氧微生物已被证实能在厌氧条件下还原上述难降解污染物。然而，厌氧生物还原难降解污染物的速率较低(一级反应动力学速率往往小于1d^-1)，意味着这些污染物即使在厌氧反应器中停留数天也难以取得理想的处理效果。

为了克服厌氧条件下难降解污染物生物还原速率缓慢的问题，可考虑引入氧化还原介体(Redox Mediator，RM)，以提升污染物还原速率。在RM存在下，厌氧还原难降解污染物的还原可分为两个半反应，第一个半反应是厌氧微生物的非特异性酶对RM的生物还原，第二个半反应是难降解污染物对RM的再生性化学氧化。通过自身氧化还原状态的改变，RM将还原当量由底物间接传递给难降解污染物，发生了电子穿梭的过程，可将生物还原速率提升数倍甚至数十倍。

有诸多研究表明醌类化合物如蒽醌-2-磺酸钠(AQS)、蒽醌-2,6-二磺酸二钠(AQDS)，以及其他含醌类化合物如腐殖酸等能作为RM。虽然这些醌类化合物在投加剂量很小的情况下(μM水平)即可有效加速厌氧微生物还原速率，但在厌氧生物的连续处理中，长时间连续投加醌类化合物第一会造成较重的经济负担，第二大多数醌类化合物非常稳定难生物降解，连续投加该类物质会引起二次污染。可见，采用非溶解性RM(如近年发现的含醌基的活性炭、生物炭等)并将其耦合于厌氧反应器中是RM强化厌氧生物还原难降解污染物的有效途径之一。

厌氧反应器内流态的剧烈程度对厌氧微生物和底物的物质交换有重要影响，因此，如何在厌氧反应器内实现剧烈的流态也是实现难降解污染物高效降解需要考虑的技术问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，将非溶解性氧化还原介体耦合到反应器内部，增加反应器内部流体的混流程度，延长反应路径，实现难降解污染物的高效生物降解。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，包括反应容器，所述反应容器为圆柱状，所述反应容器从下至上依次分为布水区、反应区和分离区，所述布水区的侧壁设有进水管，所述进水管伸入反应容器内部并与布水器连通，所述反应区内部沿高度方向上均匀间隔安装有若干载体挡板机构，相邻的载体挡板机构在圆周方向上相互对称，所述载体挡板机构包括第一挡板、第二挡板和负载型氧化还原介体，所述第一挡板向下倾斜设置并安装到反应容器的内侧壁，所述第二挡板与第一挡板的下端位置连接并形成间隔，所述第二挡板上负载有负载型氧化还原介体，各载体挡板机构的下方分别设有回流-进水管，所述分离区的底部位置设有氧化还原介体填料层，所述氧化还原介体填料层的上方设有溢流堰，所述氧化还原介体填料层与溢流堰之间的侧壁上设有回流出水管，所述回流出水管与下方的各回流-进水管分流连通，所述溢流堰的上方侧壁设有出水管，所述反应容器的顶部设有出气管，所述布水区和反应区内部投加有离散型氧化还原介体，所述离散型氧化还原介体、负载型氧化还原介体和氧化还原介体填料层均采用非溶解性氧化还原介体。

作为本发明一种优选的实施方式，所述反应容器的侧壁底部设有清空口，所述反应区的侧壁底部设有人孔。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述布水区、反应区和分离区的高度比为1:1.5～4:1.5～2。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述离散型氧化还原介体采用带醌基的炭基材料、投加量为布水区和反应区总体积的10％～30％。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述第二挡板平行于第一挡板设置，第二挡板通过螺栓与第一挡板连接并调节间隔，所述第一挡板与第二挡板之间的间距为第二挡板长度的1/20～1/8。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述第一挡板截自椭圆形板材、呈半椭圆状、截取边与椭圆形板材的长轴垂直，所述第一挡板向下倾斜与反应容器内侧壁之间的夹角为30～60°，所述第二挡板截自椭圆形板材、截取短边与椭圆形板材的长轴垂直、截取长边倾斜于截取短边，所述截取长边与截取短边之间的夹角为120～160°，所述第一挡板截取边的一端与第二挡板截取短边的一端连接。

作为对上述实施方式的进一步改进，所述负载型氧化还原介体采用带醌基的炭基材料，所述负载型氧化还原介体负载于第二挡板的下表面、排布方向与第二挡板的截取长边平行，所述负载型氧化还原介体排布的截止线与截取短边平行且存在间隔，所述负载型氧化还原介体负载量为0.1～5kg/m²。

作为对上述实施方式的更进一步改进，所述载体挡板机构设置为四个，四个载体挡板机构在圆周方向上两两对称设置在反应容器内部的两侧位置，所述四个载体挡板机构在高度方向上均匀间隔交错。

作为对上述实施方式的更进一步改进，所述回流-进水管对应设置为四根，回流-进水管具有两个进水口，所述两个进水口分别与回流出水管和废水输送管连通，所述回流-进水管伸入反应容器内部的长度为反应容器直径的1/6～1/5，四根回流-进水管的回流总量为四根回流-进水管总进水量的2～10倍，各回流-进水管分配的进水量为四根回流-进水管总进水量的1/5～1/3，四根回流-进水管分配的回流和进水的总量比例由下至上为3:2:1:1。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述氧化还原介体填料层的高度为分离区的1/2～1/3，氧化还原介体填料层内部填充带醌基的炭基材料、填充量为40～100kg/m³。

有益效果

第一，通过投加离散型氧化还原介体、设置负载型氧化还原介体及氧化还原介体填料层将非溶解性的氧化还原介体耦合到反应容器内部，形成多级的氧化还原系统，离散型氧化还原介体和负载型氧化还原介体均布于反应容器内，能有效催化加速厌氧生物还原难降解污染物，提升反应器的整体处理效能，显著降低反应器占地面积。

第二，反应容器内部投加的离散型氧化还原介体以及氧化还原介体填料层兼具作为微生物生长载体的功能，可加强反应器的生物量持留能力；此外，氧化还原介体填料层还起到截留固体的作用，保证液体和气体能够正常通过，省去了传统反应器中三相分离器的设置，降低了反应器的基建投资。

第三，第二单板与第一挡板之间留有空隙，故沼气形成的空腔高度为第一挡板的下沿(若无该空隙则在第二挡板的下沿)，保障了反应容器的有效容积。

第四，载体挡板机构的设置可使得反应容器内部的流体形成螺旋流态，延长反应路径，扼制短流现象，有效增强相间传质，并且，增加了第二挡板周围的流体湍流程度，微生物、底物和负载型氧化还原介体之间的传质也更加充分，从而使得对废水中难降解污染物的生物降解更加地高效。

第五，进水-回流管的设置能使得反应区的各高度微生物工作负荷相对均匀，使其整体均能处于高负荷工作状态，避免了传统反应器单一底部进水方式使得反应区底部微生物工作负荷高、顶部微生物工作负荷低的缺陷，同时能够对负载型氧化还原介体进行冲刷，避免了微生物堵塞影响传质，还能充分搅动载体挡板机构下方的流体，消除水力死区。

本发明适用于含厌氧生物降解速率慢的物质如偶氮染料、偶氮染料、硝基芳香化合物、卤代芳香化合物等的低、中、高浓度有机废水，实现了难降解污染物的高效生物降解。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明第一挡板的结构示意图。

图3为本发明第二挡板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，包括圆柱状的反应容器1，反应容器1从下至上依次分为布水区Ⅰ、反应区Ⅱ和分离区Ⅲ，布水区Ⅰ、反应区Ⅱ和分离区Ⅲ的高度比为1:4:2。。

布水区Ⅰ的侧壁设有进水管2，进水管2伸入反应容器1内部并与布水器14连通，布水器14为环形，四周开有均匀的出水孔，从而在反应容器1的底部形成均匀的进水。反应容器1的底部设有清空口15，用于反应容器1内部固体物质的清除。

反应区Ⅱ的侧壁底部设有人孔3，方便操作人员进入到反应容器1内部进行设备检修和安装清理等工作。

反应区Ⅱ内部沿高度方向上均匀间隔安装有四个载体挡板机构，相邻的载体挡板机构在圆周方向上相互对称，四个载体挡板机构在高度方向上均匀间隔交错。载体挡板机构包括第一挡板13、第二挡板6和负载型氧化还原介体5。

第一挡板13截自椭圆形板材，呈半椭圆状，截取边与椭圆形板材的长轴垂直，第一挡板13向下倾斜设置并安装到反应容器1的内侧壁，倾斜的夹角为45°。

第二挡板6截自椭圆形板材，截取短边与椭圆形板材的长轴垂直，截取长边倾斜于截取短边，截取长边与截取短边之间的夹角为135°。第一挡板13截取边的一端与第二挡板6截取短边的一端连接并形成间隔，第二挡板6平行于第一挡板13设置，第二挡板6通过螺栓与第一挡板13连接并能够对间距进行调节，该间距设置为第二挡板6长度的1/10。

第二挡板6上负载有负载型氧化还原介体5，负载型氧化还原介体5采用活性炭、生物炭等成本低且携带醌基的炭基材料，负载型氧化还原介体5负载于第二挡板6的下表面，排布方向与第二挡板6的截取长边平行，负载型氧化还原介体5排布的截止线与截取短边平行且存在一定的间隔，方便与第一挡板13进行连接。负载型氧化还原介体5的负载量为3kg/m²。

各载体挡板机构的下方分别设有回流-进水管4，回流-进水管4具有两个进水口，一个进水口与回流出水管8连通，另一个进水口与废水输送管连通，四根回流-进水管4伸入反应容器1内部的长度为反应容器1直径的1/5。四根回流-进水管4的回流总量为四根回流-进水管4总进水量的8倍，各回流-进水管4分配的进水量为四根回流-进水管4总进水量的1/4，四根回流-进水管4分配的回流和进水的总量比例由下至上为3:2:1:1。

布水区Ⅰ和反应区Ⅱ内部投加有离散型氧化还原介体12，离散型氧化还原介体12采用活性炭、生物炭等携带醌基的炭基材料，投加量为布水区Ⅰ和反应区Ⅱ总体积的20％。

分离区Ⅲ的底部位置设有氧化还原介体填料层7，氧化还原介体填料层7的高度为分离区Ⅲ的1/2，氧化还原介体填料层7内部填充活性炭、生物炭等携带醌基的炭基材料作为氧化还原介体，填充量为70kg/m³。氧化还原介体填料层7的上方设有溢流堰9，氧化还原介体填料层7与溢流堰9之间的侧壁上设有回流出水管8，回流出水管8与下方的各回流-进水管4分流连通。溢流堰9的上方侧壁设有出水管11，反应容器1的顶部设有出气管10。

该厌氧反应器的运行方式如下：

反应容器1的布水区Ⅰ和反应区Ⅱ内预先投加有一定量的厌氧微生物。

大部分有机废水由进水管2进入到布水区Ⅰ内，通过布水器14均匀布水后上升，在布水区Ⅰ内厌氧微生物、离散型氧化还原介体12及有机污染物之间初步接触发生反应；

废水继续上升至反应区Ⅱ，由于载体挡板机构的设置使得废水形成螺旋流态向上流动，并在第二挡板6周围与负载型氧化还原介体5、微生物充分接触，进一步发生反应。回流废水和小部分有机废水通过回流-进水管4进入反应区Ⅱ内，冲刷负载型氧化还原介体5的同时利用第二挡板6的导流作用与第二挡板6下方的流体迅速混合，然后随着螺旋流往上流动并反应；

废水进入分离区Ⅲ后，微生物和悬浮物被氧化还原介体填料层7截留，同时微生物、氧化还原介体填料层7内部填充的氧化还原介体和有机污染物在此继续发生反应。之后，废水继续向上流动，部分废水经回流出水管8回流，部分溢过溢流堰9之后通过出水管11排出，产生的气体通过液面上方的出气管10排出反应容器1内部。

这种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器的优势如下：

第一，通过投加离散型氧化还原介体12、设置负载型氧化还原介体5及氧化还原介体填料层7将非溶解性的氧化还原介体耦合到反应容器1内部，形成多级的氧化还原系统，离散型氧化还原介体12和负载型氧化还原介体5均布于反应容器1内，能有效催化加速厌氧生物还原难降解污染物，提升反应器的整体处理效能，显著降低反应器占地面积。

第二，反应容器1内部投加的离散型氧化还原介体12以及氧化还原介体填料层7兼具作为微生物生长载体的功能，可加强反应器的生物量持留能力；此外，氧化还原介体填料层7还起到截留固体的作用，保证液体和气体能够正常通过，省去了传统反应器中三相分离器的设置，降低了反应器的基建投资。

第三，第二单板6与第一挡板13之间留有空隙，故沼气形成的空腔高度为第一挡板13的下沿(若无该空隙则在第二挡板6的下沿)，保障了反应容器1的有效容积。

第四，载体挡板机构的设置可使得反应容器1内部的流体形成螺旋流态，延长反应路径，扼制短流现象，有效增强相间传质，并且，增加了第二挡板6周围的流体湍流程度，微生物、底物和负载型氧化还原介体之间的传质也更加充分，从而使得对废水中难降解污染物的生物降解更加地高效。

第五，进水-回流管4的设置能使得反应区的各高度微生物工作负荷相对均匀，使其整体均能处于高负荷工作状态，避免了传统反应器单一底部进水方式使得反应区底部微生物工作负荷高、顶部微生物工作负荷低的缺陷，同时能够对负载型氧化还原介体5进行冲刷，避免了微生物堵塞影响传质，还能充分搅动载体挡板机构下方的流体，消除水力死区。

该反应器适用于含厌氧生物降解速率慢的物质如偶氮染料、偶氮染料、硝基芳香化合物、卤代芳香化合物等的低、中、高浓度有机废水，实现了难降解污染物的高效生物降解。

Claims (10)

1.一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，包括反应容器(1)，所述反应容器(1)为圆柱状，其特征在于：所述反应容器(1)从下至上依次分为布水区(Ⅰ)、反应区(Ⅱ)和分离区(Ⅲ)，所述布水区(Ⅰ)的侧壁设有进水管(2)，所述进水管(2)伸入反应容器(1)内部并与布水器(14)连通，所述反应区(Ⅱ)内部沿高度方向上均匀间隔安装有若干载体挡板机构，相邻的载体挡板机构在圆周方向上相互对称，所述载体挡板机构包括第一挡板(13)、第二挡板(6)和负载型氧化还原介体(5)，所述第一挡板(13)向下倾斜设置并安装到反应容器(1)的内侧壁，所述第二挡板(6)与第一挡板(13)的下端位置连接并形成间隔，所述第二挡板(6)上负载有负载型氧化还原介体(5)，各载体挡板机构的下方分别设有回流-进水管(4)，所述分离区(Ⅲ)的底部位置设有氧化还原介体填料层(7)，所述氧化还原介体填料层(7)的上方设有溢流堰(9)，所述氧化还原介体填料层(7)与溢流堰(9)之间的侧壁上设有回流出水管(8)，所述回流出水管(8)与下方的各回流-进水管(4)分流连通，所述溢流堰(9)的上方侧壁设有出水管(11)，所述反应容器(1)的顶部设有出气管(10)，所述布水区(Ⅰ)和反应区(Ⅱ)内部投加有离散型氧化还原介体(12)，所述离散型氧化还原介体(12)、负载型氧化还原介体(5)和氧化还原介体填料层(7)均采用非溶解性氧化还原介体。

2.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述反应容器(1)的侧壁底部设有清空口(15)，所述反应区(Ⅱ)的侧壁底部设有人孔(3)。

3.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述布水区(Ⅰ)、反应区(Ⅱ)和分离区(Ⅲ)的高度比为1:1.5～4:1.5～2。

4.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述离散型氧化还原介体(12)采用带醌基的炭基材料、投加量为布水区(Ⅰ)和反应区(Ⅱ)总体积的10％～30％。

5.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述第二挡板(6)平行于第一挡板(13)设置，第二挡板(6)通过螺栓与第一挡板(13)连接并调节间隔，所述第一挡板(13)与第二挡板(6)之间的间距为第二挡板(6)长度的1/20～1/8。

6.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述第一挡板(13)截自椭圆形板材、呈半椭圆状、截取边与椭圆形板材的长轴垂直，所述第一挡板(13)向下倾斜与反应容器(1)内侧壁之间的夹角为30～60°，所述第二挡板(6)截自椭圆形板材、截取短边与椭圆形板材的长轴垂直、截取长边倾斜于截取短边，所述截取长边与截取短边之间的夹角为120～160°，所述第一挡板(13)截取边的一端与第二挡板(6)截取短边的一端连接。

7.根据权利要求6所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述负载型氧化还原介体(5)采用带醌基的炭基材料，所述负载型氧化还原介体(5)负载于第二挡板(6)的下表面、排布方向与第二挡板(6)的截取长边平行，所述负载型氧化还原介体(5)排布的截止线与截取短边平行且存在间隔，所述负载型氧化还原介体(5)负载量为0.1～5kg/m²。

8.根据权利要求1或7所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述载体挡板机构设置为四个，四个载体挡板机构在圆周方向上两两对称设置在反应容器(1)内部的两侧位置，所述四个载体挡板机构在高度方向上均匀间隔交错。

9.根据权利要求8所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述回流-进水管(4)对应设置为四根，回流-进水管(4)具有两个进水口，所述两个进水口分别与回流出水管(8)和废水输送管连通，所述回流-进水管(4)伸入反应容器(1)内部的长度为反应容器(1)直径的1/6～1/5，四根回流-进水管(4)的回流总量为四根回流-进水管(4)总进水量的2～10倍，各回流-进水管(4)分配的进水量为四根回流-进水管(4)总进水量的1/5～1/3，四根回流-进水管(4)分配的回流和进水的总量比例由下至上为3:2:1:1。

10.根据权利要求1所述的一种多级氧化还原介体耦合螺旋对称流厌氧反应器，其特征在于：所述氧化还原介体填料层(7)的高度为分离区(Ⅲ)的1/2～1/3，氧化还原介体填料层(7)内部填充带醌基的炭基材料、填充量为40～100kg/m³。