CN107381803A - 一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置及方法，属于环保污水处理领域，包括厌氧反应器、磁水活化器以及缓存罐；在厌氧反应器内，含钙废水中的有机质被微生物分解为CO2和CH4，CO2与Ca2+反应生成CaCO3矿物；厌氧反应器的回流液以较快流速通过磁水活化器，使得CO3 2‑和Ca2+得以磁化，从而控制CaCO3在厌氧反应器中的结晶过程，促进其非稳定相的生成以及以其为核的颗粒污泥形成；通过提高回流液穿过磁场的速度以及磁作用次数，提高磁处理对CaCO3矿物过程控制的效果；本发明通过磁法CaCO3结晶过程控制，可抑制反应器结垢现象，同时利用CaCO3结晶促进颗粒污泥形成，提高高钙有机废水的处理效果和甲烷浓度，具有很好的经济效益和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境保护和污水处理技术领域，特别涉及一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置及方法。
背景技术
厌氧技术处理高钙有机废水容易诱导产生大量的CaCO3沉淀，导致反应器和污泥结垢，引发污泥床板结、污泥产甲烷活性下降、微生物相对数量减少等一系列严重影响反应器正常运行的问题，增加废水处理难度和运行成本。
针对以上问题，在实际工程应用中目前尚无低成本、高效率的处理方法。但有部分研究着手探讨和开发厌氧反应器外部除钙技术，通过将厌氧出水和沼气引流至外部结晶装置以诱导CaCO3结晶，或者通过将厌氧出水通入好氧处理系统，让生成的CaCO3颗粒作为好氧微生物的载体，提高好氧处理系统的水力负荷。这些外部除钙技术将厌氧消化和除钙分开进行，并未能有效消除高钙离子浓度对厌氧系统的不良影响。
碳酸钙有三种不同的晶形：方解石，文石和霰石。方解石是热力学最稳定相，属硬垢，较难清除；文石和霰石是非稳定相，属软垢，易被清除。磁法防垢技术利用磁场影响碳酸钙结晶形态、生长速度、晶粒大小和数量，抑制硬垢、促进软垢生成，达到防垢和除垢的目的。因此，如何结合磁技术对碳酸钙结晶形态和大小等的控制作用，在厌氧系统中促进软垢的生成，一部分以微晶的形式排出，另一部分作为颗粒污泥的核心促进颗粒污泥的生长以提高厌氧消化效率，实现在厌氧系统中解决结垢问题以及提高生物质沼气的甲烷含量，具有重要的经济效益和环保效益。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置及方法，通过磁技术控制碳酸钙在厌氧反应器中的结晶形态和大小，解决厌氧技术处理高钙废水导致的反应器结垢、污泥床板结等问题，同时通过促进颗粒污泥的形成，有效提高污水处理效率和沼气中甲烷浓度，保证装置的长期稳定运行，降低运行维护成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，包括厌氧反应器1、磁水活化器11以及缓存罐10，所述厌氧反应器1底部设有进水口2和回流液进水口4，顶部设有排水口8、回流液出水口7和排气口9，所述缓存罐10连接回流液出水口7，回流液经磁水活化器11磁化，在缓存罐10中缓存，并从回流液进水口4回流进入厌氧反应器1。
所述厌氧反应器1的进水口2经管道连接进水泵12和进水池16，回流液出水口7经管道连接回流泵13和缓存罐10，排水口8经管道连接集水池17，排气口9经管道连接收集气袋18。
所述进水池16中的有机废水含钙浓度在数十至数千mg/L范围内。
所述磁水活化器11，磁体两极可调距离为10-40mm，可调磁场范围为1000-15000GS，磁程为75mm。
所述缓存罐10存储经回流泵13从回流液出水口7导入的回流液，然后由泵一14导出，穿过磁水活化器11，垂直切割磁场，再次进入缓存罐10，最后由泵二15将磁处理后的回流液经回流液进水口4导入厌氧反应器1，从而将回流液相对较快的穿磁流速与相对较慢的进入厌氧反应器1的流速有效分开，互不干扰。
所述厌氧反应器1的中部自下而上依次设有取样口一3、取样口二5和取样口三6。
所述磁水活化器11为YT-QCLTY-1型均匀可调超强磁场磁处理器，
本发明还提供了基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置的方法，包括以下步骤：
步骤一，将污水处理厂厌氧消化池中的污泥接种到厌氧反应器1内；
步骤二，以葡萄糖或乙酸为基质配制含钙废水，所述含钙废水pH调控在6.5-8.5之间，初始负荷为2.0kgCOD·m-3·d-1，以有机负荷达到5.0-8.0kgCOD·m-3·d-1，COD去除率80％以上，为启动终点，之后，COD污泥负荷和水力负荷分别保持在0.6-2.3kgCOD·kgVSS-1·d-1和0.37-0.60m·h-1以上，继续提高负荷，直至厌氧反应器1内有颗粒污泥出现；
步骤三，所述厌氧反应器1内水力停留时间为5-10h，进水池16中的含钙废水经进水泵12由进水口2进入厌氧反应器1，被接种污泥中的微生物分解为CO2和CH4后，由排气口9进入收集气袋18，一部分CO2和Ca2+在溶液中反应生成CaCO3沉淀；
步骤四，反应后的溶液由排水口8溢流入集水池17，一部分溶液经回流泵13导入缓存罐10，然后经泵一14导出穿过磁水活化器11，垂直切割磁场，并再次进入缓存罐10，缓存罐10中的一部分溶液经泵二15导出，由回流液进水口4进入厌氧反应器1。
步骤五，从厌氧反应器1上的取样口取污泥样，分析其颗粒化程度及特性，分别从收集气袋18和集水池17中取气样和水样分析，评价装置对促进污泥颗粒化的作用及对高钙废水的处理效果。
所述接种污泥为絮状污泥或颗粒污泥，接种后污泥浓度为8-15gVSS/L。
所述回流泵13和泵二15控制相同的水流速度，泵一14控制的穿磁流速大于所述水流速度，一般大于0.3m/s。
本发明的技术原理如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
a)磁场产生的洛仑磁力作用有利于带电离子富集于磁力线附近，增加Ca2+和CO3 2-的碰撞机率，促进CaCO3晶粒生成，同时破坏不同CaCO3晶型结构之间的平衡(如方解石、文石和霰石之间的平衡)；另外，磁场对具有电偶极性的单体水分子产生取向作用，从而将刚生成的晶粒被束缚在水分子群中，阻碍了小晶粒相遇结合成为大晶粒。
b)污泥的颗粒化可始于微生物吸附或附着于无机质为核的表面，在与无机核的相互作用下，微生物繁殖并分泌出胞外聚合物，增强颗粒的紧密度并加快颗粒的成长。以碳酸钙晶体为核更有利于污泥颗粒化的形成，这是因为胞外聚合物与二价钙离子容易螯合使得微生物与无机核之间的关系更稳定，从而加快污泥的颗粒化进程。
与现有技术相比，本发明主要用于解决厌氧技术处理高钙废水导致的反应器结垢、污泥床板结等问题；本发明通过对回流液进行磁处理控制碳酸钙在厌氧反应器中的结晶过程，抑制碳酸钙硬垢的生成，促进软垢的产生，同时利用生成的碳酸钙晶体作为颗粒污泥的核促进颗粒污泥化，能有效提高厌氧系统对高钙有机废水的处理效率和沼气中甲烷的浓度，保证装置的长期稳定运行，降低运行维护成本。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式，所描述的具体实施方式仅是本发明的部分事例，而不是全部实例。本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。
为解决厌氧技术处理高钙有机废水容易诱导大量碳酸钙沉淀，导致厌氧反应器结垢、污泥床板结、处理效果低下等难题，本发明提供一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置及方法，通过磁法控制碳酸钙结晶过程，抑制硬垢的产生，促进软垢生成，一部分以微晶形式随出水排出，另一部分作为核促进颗粒污泥的形成，实现在同一反应器内解决结垢问题的同时，利用碳酸钙沉淀生成颗粒污泥提高厌氧系统的处理效率和甲烷浓度。
如图1所示，一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，主要包括厌氧反应器1、磁水活化器11以及缓存罐10，厌氧反应器1底部设有进水口2和回流液进水口4，顶部设有反应液排水口8、回流液出水口7和排气口9，中部设有取样口一3、取样口二5和取样口三6，磁水活化器11为YT-QCLTY-1型均匀可调超强磁场磁处理器，缓存罐10连接厌氧反应器1和磁水活化器11，用于缓存磁化后的回流液，并经泵回流进入反应器1。
厌氧反应器1的进水口2经管道连接进水泵12和进水池16，回流液出水口7经管道连接回流泵13和缓存罐10，排水口8经管道连接集水池17，排气口9经管道连接收集气袋18。
磁水活化器11的磁体两极可调距离为10-40mm，可调磁场范围为1000-15000GS，磁程为75mm。缓存罐10存储经回流泵13导入回流液，然后由泵一14导出，穿过磁水活化器11，垂直切割磁场，并再次进入缓存罐10，最后由泵二15将磁处理后的回流液经回流液进水口4导入厌氧反应器1；缓存罐10的设计目的在于将回流液相对较快的穿磁流速与相对较慢的进入反应器的流速有效分开，互不干扰。
在本发明实施例中，一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化方法，包括以下步骤：
步骤一，将污水处理厂厌氧消化池中的污泥接种到厌氧反应器1内，所述接种污泥可为絮状污泥，接种后污泥浓度为10gVSS/L；
步骤二，以乙酸为基质配制含钙废水，所述含钙废水Ca离子浓度为800mg/l，pH调控在6.5-8.5之间，初始负荷为2.0kgCOD·m-3·d-1，以有机负荷达到5.0-8.0kgCOD·m-3·d-1，COD去除率80％以上，为启动终点，之后，COD污泥负荷和水力负荷分别保持在0.6-2.3kgCOD·kgVSS-1·d-1和0.37-0.60m·h-1以上，继续提高负荷，直至厌氧反应器1内有颗粒污泥出现；
步骤三，所述厌氧反应器1内水力停留时间为5-10h，进水池16中的含钙废水经泵12由进水口2进入反应器1，被接种污泥中的微生物分解为CO2和CH4后，由排气口9进入收集气袋18，一部分CO2和Ca2+在溶液中反应生成CaCO3沉淀；
步骤四，反应后的溶液由排水口8溢流入集水池17，一部分溶液经泵13导入缓存罐10，然后经泵14导出穿过磁水活化器11，垂直切割磁场，磁场强度为6000GS，并再次进入缓存罐10，缓存罐中的一部分溶液经泵15导出，由回流液进水口4进入厌氧反应器1；泵13和泵15控制相同的水流速度，泵14控制的穿磁流速较快，大于0.3m/s；
步骤五，从取样口3、5和6取污泥样，分析其颗粒化程度及特性，分别从收集气袋18和集水池17中取气样和水样分析，评价装置对促进污泥颗粒化的作用及对高钙废水的处理效果。
50天的运行结果表明，无磁场处理的反应器，其有机负荷达到6.0kgCOD·m-3·d-1时，系统COD去除率急剧下降，低于60％，污泥床板结现象较严重，无法处理更高的有机负荷，6000GS磁处理反应器可承受更高的有机负荷，可达12kgCOD·m-3·d-1，COD去除率可稳定保持在85％以上，反应器可稳定运行更长时间；污泥粒径和矿物矿相分析表明，加磁场的反应器50天的颗粒污泥粒径0.25-0.5mm占比20％以上，碳酸钙中有文石矿物生成，而无磁场反应器50天的颗粒污泥粒径0.25-0.5mm仅占比8％，碳酸钙中无文石矿物生成；气体组分分析表明，由于厌氧产生的部分CO2与Ca2+反应，使得沼气中的甲烷浓度升高，达80％。
Claims (10)
1.一种基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，包括厌氧反应器(1)、磁水活化器(11)以及缓存罐(10)，所述厌氧反应器(1)底部设有进水口(2)和回流液进水口(4)，顶部设有排水口(8)、回流液出水口(7)和排气口(9)，所述缓存罐(10)连接回流液出水口(7)，回流液经磁水活化器(11)磁化，在缓存罐(10)中缓存，并从回流液进水口(4)回流进入厌氧反应器(1)。
2.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述厌氧反应器(1)的进水口(2)经管道连接进水泵(12)和进水池(16)，回流液出水口(7)经管道连接回流泵(13)和缓存罐(10)，排水口(8)经管道连接集水池(17)，排气口(9)经管道连接收集气袋(18)。
3.根据权利要求2所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述进水池(16)中的有机废水含钙浓度在数十至数千mg/L范围内。
4.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述磁水活化器(11)，磁体两极可调距离为10-40mm，可调磁场范围为1000-15000GS，磁程为75mm。
5.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述缓存罐(10)存储经回流泵(13)从回流液出水口(7)导入的回流液，然后由泵一(14)导出，穿过磁水活化器(11)，垂直切割磁场，再次进入缓存罐(10)，最后由泵二(15)将磁处理后的回流液经回流液进水口(4)导入厌氧反应器(1)，从而将回流液相对较快的穿磁流速与相对较慢的进入厌氧反应器(1)的流速有效分开，互不干扰。
6.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述厌氧反应器(1)的中部自下而上依次设有取样口一(3)、取样口二(5)和取样口三(6)。
7.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置，其特征在于，所述磁水活化器(11)为YT-QCLTY-1型均匀可调超强磁场磁处理器。
8.根据权利要求1所述基于磁法碳酸钙晶型控制促进污泥颗粒化的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将污水处理厂厌氧消化池中的污泥接种到厌氧反应器(1)内；
步骤二，以葡萄糖或乙酸为基质配制含钙废水，所述含钙废水pH调控在6.5-8.5之间，初始负荷为2.0kgCOD·m-3·d-1，以有机负荷达到5.0-8.0kgCOD·m-3·d-1，COD去除率80％以上，为启动终点，之后，COD污泥负荷和水力负荷分别保持在0.6-2.3kgCOD·kgVSS-1·d-1和0.37-0.60m·h-1以上，继续提高负荷，直至厌氧反应器(1)内有颗粒污泥出现；
步骤三，所述厌氧反应器(1)内水力停留时间为5-10h，进水池(16)中的含钙废水经进水泵(12)由进水口(2)进入厌氧反应器(1)，被接种污泥中的微生物分解为CO2和CH4后，由排气口(9)进入收集气袋(18)，一部分CO2和Ca2+在溶液中反应生成CaCO3沉淀；
步骤四，反应后的溶液由排水口(8)溢流入集水池(17)，一部分溶液经回流泵(13)导入缓存罐(10)，然后经泵一(14)导出穿过磁水活化器(11)，垂直切割磁场，并再次进入缓存罐(10)，缓存罐(10)中的一部分溶液经泵二(15)导出，由回流液进水口(4)进入厌氧反应器(1)。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述接种污泥为絮状污泥或颗粒污泥，接种后污泥浓度为8-15gVSS/L。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述回流泵(13)和泵二(15)控制相同的水流速度，泵一(14)控制的穿磁流速大于所述水流速度。
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