CN108117160B - 一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用 - Google Patents

一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用，包括反应器本体，在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道，在每个柱形通道上设置若干个喷嘴，每个喷嘴沿水平方向斜向下设置，与柱形通道具有一定的夹角，且每个喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角小于45°；当反应器运行时，喷嘴喷射出的气体、液体或气液混合体能够在反应器内形成旋转混合，从而达到冲刷反应器内壁、抑制反应器内菌体或污泥上浮的目的。本发明通过在反应器中设置特定结构的组件，可以有效保证反应器内部水体的返混，同时可以有效抑制菌体或污泥的上浮，提高了菌体培养或污水处理的效率。

Description

一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用。
背景技术
污水生物处理法是目前应用较广泛的一种污水处理方法，污水生物处理工艺有很多，包括AO法，A/A/O法、SBR法、生物滤床等，所有的生物处理工艺都离不开微生物，微生物的新陈代谢能力及活性是决定处理效果的关键因素。在实际污水处理过程中，通常是通过pH、温度、溶解氧等参数控制以及搅拌、固定等结构控制来保证微生物较高的新陈代谢能力及较好的活性。在目前的工艺研究过程中，研究人员对pH、温度、溶解氧等参数的优化进行了详细的研究，但在反应器的结构控制上还存在一些问题，无论是在活性污泥法等固液分散混合的反应器中，还是在生物膜法等固定微生物的反应器中，都避免不了出现污泥上浮的现象，一旦污泥上浮，与污水脱离，则其新陈代谢能力及活性将必然降低，从而导致反应器中发挥作用的污泥浓度降低，菌落结构也会发生改变，进而造成反应器处理能力降低。
CN201310375066.4公开了一种分格可调型厌氧-缺氧-好氧生化反应器，该反应器呈廊道式，包括24个分隔池，分隔池间设有卡槽，卡槽内插入隔板实现厌氧段、缺氧段和好氧段的分段，卡槽下部设置过水孔口。该装置通过调节分隔池的数量来调节反应池的容积，分隔池数较多，活性污泥极易在池壁粘结，厌氧段和缺氧段产生的气泡容易携带细小污泥上浮，会影响反应器的反应效率。
CN105502649A公开了一种缓解厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法。先用磷酸缓冲液冲洗厌氧氨氧化污泥，再将污泥置于含碳酸氢盐(或碳酸盐)、磷酸盐(或磷酸氢盐)和可溶性钙盐的混合液中，进行低匀速搅拌使钙的沉淀物附着于颗粒污泥上，再投入厌氧氨氧化反应器，逐步提高反应器进水中的碳酸氢盐(或碳酸盐)浓度和磷酸盐(或磷酸氢盐)浓度，同时从反应区顶部流加可溶性钙盐溶液。通过反应器的长期运行过程，使反应生产的钙盐沉淀附着于厌氧氨氧化颗粒污泥表面，以增加浮于反应区顶部污泥的密度，提高厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降性能，缓解污泥上浮及随出水流失，从而提高反应器内的厌氧氨氧化生物量，最终提升反应器的厌氧氨氧化性能。该发明主要是向反应器中引入了沉淀物质，容易在反应器内沉淀，长期运行容易堵塞反应器内的孔道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种抑制菌体或污泥上浮的反应器及其应用。本发明通过在反应器中设置特定结构的组件，可以有效保证反应器内部水体的返混，同时可以有效抑制菌体或污泥的上浮，提高了菌体培养或污水处理的效率。
本发明的抑制菌体或污泥上浮的反应器包括一反应器本体，在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道，在每个柱形通道上设置若干个喷嘴，每个喷嘴沿水平方向斜向下设置，与柱形通道具有一定的夹角，且每个喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角小于45°；当反应器运行时，喷嘴喷射出的气体、液体或气液混合体能够在反应器内形成旋转混合，从而达到冲刷反应器内壁、抑制反应器内菌体或污泥上浮的目的。
本发明中，所述的反应器是本领域常规使用的各种形状的反应器或反应池，如可以是圆柱体、正方体、长方体等。如果是圆柱体等类似形状，则可以在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道；如果是正方体、长方体等类似形状，则可以在每边设置1个及以上的纵向分布的柱形通道。
本发明中，所述的柱形通道沿反应器的内壁设置，其具体数量根据实际情况确定，为保证反应器内水体的旋涡返混效果，柱形通道的数量不小于4个，优选为4-10个。柱形通道的横截面可以为圆柱形、椭圆形、正方形，长方形、三角形等，优选为圆柱形，其横截面直径或最长边长为4-6cm。柱形通道底部设有连接引气设备和引水设备的连接口，通道顶端密封且高于反应器的最高液面。优选地，纵向通道底部距反应器底部5-10cm，顶部高出反应器最高液位10-30cm。纵向通道高于反应器的最高液位，可以利用液面以上，斜向下布置的喷嘴射出的水流，在水体旋转的情况下，利用水平与垂向剪切力将上浮的菌体或污泥冲入水体中，能够有效抑制反应中上浮的菌体或污泥。
本发明中，每个柱形通道上设置若干个喷嘴，用射流的方式喷射气体、液体或气液混合体，喷嘴为圆锥形，与柱形通道连接处（入口端）的截面直径为2-4cm，出口端（喷嘴口部）的截面直径为1-2cm。每个柱形通道上的圆锥形喷嘴位于同一垂线上，垂直间距为5-10cm；且沿水平方向斜向下布置，纵向中心线（喷嘴入口端横截面圆心与出口端横截面圆心的连线）与柱形通道横截面垂线的夹角为30-60°，水平投影长度为2-5cm。如果反应器为圆柱体，则喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角为30-45°；如果反应器为方形，则喷嘴的纵向中心线与反应器边长的夹角为30-45°。
本发明中，柱形通道底部设有连接引气设备和引水设备的连接口，分别与布气设备和布水设备相连，布水设备为潜水泵，布气设备为风机或水下曝气设备等常用曝气设备。当需要厌氧或缺氧环境时，将反应器隔绝空气，开启布水设备，水流自下而上进入柱形通道，并经柱形通道上设置的喷嘴出口端射出，由于喷嘴沿纵向通道同一垂线均匀布置，使每一层水体都能在水流的推动下，进行旋转，从而实现整个水体的旋转混合。当需要好氧环境时，则反应器可以设置成敞口型，同时开启布水设备和布气设备，使气水一同通过柱形通道沿喷嘴射出，使水体旋转混合的同时，保证水体所需的溶解氧浓度。
本发明所述的抑制菌体或污泥上浮的反应器，可以用于厌氧菌培养或厌氧/缺氧生化污水处理，也可以用于好氧菌培养或好氧生化污水处理。所述的反应器中不需要设置搅拌设备的情况下，能够减少菌体或污泥与反应器壁的粘结，有效抑制菌体或污泥上浮反应液面；而且本发明装置能够增加返混效果，特别适用于好养生化处理，有助于空气与水体的混合，提高处理效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）在反应器内设置特定结构和连接关系的柱形通道和喷嘴，气体、液体或气液混合体经过柱形通道后由各个喷嘴射出，增强了水平切力对反应器内壁的冲刷作用，有效预防了反应器内壁菌体或污泥的粘接；同时由于喷嘴斜向下布置，在水体水平旋转的基础上增加了纵向的混合，增强了水体整体的返混效果；并可以随时将反应过程中上浮的菌体或污泥冲入旋转水体，有效抑制了菌体或污泥的上浮，提高了菌体培养或污水处理的效率。
（2）柱形通道沿反应器内壁均匀布置，设置斜向下一定角度的喷嘴，改变了一贯以机械搅拌从反应器中部带动旋转的搅拌方式，利用从喷嘴喷射气体、液体或气液混合体带动旋转的搅拌方式，而且这样的搅拌方式对菌体或污泥的剪切力小于一般的机械搅拌，不会搅散或切碎菌体或污泥颗粒，有助于抑制菌体或污泥上浮。
（3）反应器在不引入其他物质的前提下，通过喷射液体、气体或气液混合体，即可以实现厌氧、缺氧或好氧等多种环境下的旋转混合，提高了反应器的操作灵活性，应用范围较广。
附图说明
图1为本发明抑制菌体或污泥上浮反应器的俯视图（以圆柱体反应器为例）；
其中：1-反应器，2-柱形通道，3-喷嘴；α-喷嘴纵向中心线与柱形通道横截面垂线的夹角，β-喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角；
图2为本发明反应器的A-A纵向剖面图；
其中：4-反应器顶盖；
图3为图2中B部分的放大图；
其中： 3-1-喷嘴入口端，3-2-喷嘴出口端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方案进行进一步详细说明，但不因此造成对本发明的限制。
本发明抑制菌体或污泥上浮的反应器结构如图1、2、3所示，反应器1外观为圆柱体，在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道2，在每个柱形通道2上设置若干个喷嘴3，每个喷嘴沿水平方向斜向下设置，喷嘴纵向中心线与柱形通道横截面垂线的夹角为α，且每个喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角为β。当反应器运行时，喷嘴喷射出的气体、液体或气液混合体能够在反应器内形成旋转混合，从而达到冲刷反应器内壁、抑制反应器内菌体或污泥上浮的目的。如果是厌氧菌体培养或厌氧（缺氧）污水生化处理，则盖上反应器顶盖4隔绝空气。
实施例1
采用图1、2、3所示圆柱体反应器，反应器的横截面直径为50cm，反应器高100cm，反应器内最高液位为70cm，反应器内均匀设置4个横截面直径为5cm的纵向圆柱通道，纵向通道底端距反应器底10cm，顶部高出最高液面10cm。喷嘴入口端截面直径为2cm，出口端截面直径为1cm，水平投影长为2cm，每个喷嘴的垂直间距为5cm，α为45°，β为45°。柱形通道底部连接有潜水泵和水下曝气器。
利用上述反应器进行好氧硝化菌的培养，加入培养液至反应器高30cm处，然后按体积分数5%接入硝化菌种子液，使初始OD600=0.05（菌液在600nm波长处的吸光值）。然后启动潜水泵和射流曝气器，调节泵的压力，保证水体呈射线射出，同时调节气体流量，控制反应器内溶解氧浓度为2-2.5mg/L。水体在射流力的推动下开始旋转，返混很均匀，培养过程中控制pH在7.5-8.5，温度为30-35℃。培养过程采用逐渐提高氨氮浓度的批次补料方式，起始氨氮浓度为60mg/L，每批次提高20mg/L。通过氨氮在线监测仪器监测培养液中的氨氮浓度，当氨氮浓度低于30mg/L时，补料提高氨氮浓度20mg/L，以此类推。当反应器中培养体系液位接近最高液位70cm，不再补料，待氨氮浓度低于30mg/L时，取培养液检测OD600=0.32。培养过程中几乎没有出现菌体上浮的现象，外排培养液清澈，反应器内壁无菌体粘接现象，菌体生长速率较快，菌体沉降性能良好。
实施例2
采用图1、2、3所示圆柱体反应器，反应器的横截面直径为50cm，反应器高100cm，反应器内最高液位为70cm，反应器内均匀设置8个横截面直径为4cm的纵向圆柱通道，纵向通道底端距反应器底10cm，顶部高出最高液面10cm。喷嘴入口端截面直径为1.5cm，出口端截面直径为0.5cm，水平投影长为2cm，每个喷嘴的垂直间距为5cm，α和β均为30°。柱形通道底部连接有潜水泵和水下曝气器。
利用上述反应器进行好氧硝化菌的培养，加入培养液至反应器高30cm处，按体积分数5%接入硝化菌种子液，使初始OD600=0.05。然后启动潜水泵和射流曝气器，调节泵的压力，保证水体呈射线射出，同时调节气体流量，控制反应器内溶解氧浓度为2-2.5mg/L。水体在射流力的推动下开始旋转，返混很均匀，培养过程中控制pH在7.5-8.5，温度为30-35℃。培养过程采用逐渐提高氨氮浓度的批次补料方式，起始氨氮浓度为60mg/L，每批次提高20mg/L。通过氨氮在线监测仪器监测培养液中的氨氮浓度，当氨氮浓度低于30mg/L时，补料提高氨氮浓度20mg/L，以此类推。当反应器中培养体系液位接近最高液位70cm，不再补料，待氨氮浓度低于30mg/L时，取培养液检测OD600=0.3。培养过程中几乎没有出现菌体上浮的现象，外排培养液清澈，反应器内壁无菌体粘接现象，菌体生长速率较快，菌体沉降性能良好。
实施例3
利用实施例1所述反应器进行污水反硝化处理，污水中硝氮浓度100mg/L，COD30mg/L。
首先加入待处理污水至反应器高50cm处，然后接入反硝化污泥，使初始污泥浓度为500mg/L，按照C/N=3:1加入碳源甲醇，使反应器密封。然后启动潜水泵，调节泵的压力，保证水体呈射线射出，水体开始旋转，返混很均匀，培养过程中控制pH在7-8，温度为30-35℃。48h后反应器内硝氮浓度15mg/L，COD低于50mg/L，此时关闭潜水泵，沉降菌体30min，然后将污水从出水口排除。培养过程中没有出现菌体上浮的现象，外排污水清澈，反应器内部无污泥粘接现象，污泥的处理效率较高，沉降性能良好。
实施例4
利用实施例1所述反应器进行污水脱氮处理，污水中氨氮浓度为80mg/L，总氮浓度120mg/L，COD150mg/L。
首先加入待处理污水至反应器高50cm处，然后接入脱氮活性污泥，使初始污泥浓度为500mg/L。然后启动潜水泵和水下曝气器，调节泵的压力，保证水体呈射线射出，同时调节气体流量，控制反应器内溶解氧浓度为2-2.5mg/L。水体在射流力的推动下开始旋转，返混很均匀，培养过程中控制pH在7.5-8.5，温度为30-35℃。6h后，关闭水下曝气器，反应器内逐渐变为缺氧环境，在此环境下反应6h，依次进行交替培养。反应完成后，取水样测定其中的氨氮、总氮及COD浓度，经检测氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，COD小于50mg/L，反应完全。培养过程中没有出现菌体上浮的现象，外排污水液清澈，反应器内壁无污泥粘接现象，污泥处理效率较高，沉降性能良好。
比较例1
处理工艺与操作条件与实施例1相同，不同之处在于：采用常规的直接曝气的方式。气体被高速流体冲击切割成极细小的气泡，这是氧利用率高的原因之一。由于采用常规曝气，使得气水路径分离，则氧的利用率会降低。当反应器中培养体系液位接近最高液位70cm，不再补料，待氨氮浓度低于30mg/L时，取培养液检测OD600=0.23，外排培养液较清澈。
比较例2
处理工艺与操作条件与实施例3相同，不同之处在于：采用常规的搅拌的方式。反应过程中随着反硝化气泡的释放，有少量菌体上浮于水面，54h后反应器内硝氮浓度15mg/L，COD低于50mg/L，外排污水有少量菌体漂浮，反应器内壁有菌体粘接。
比较例3
处理工艺与操作条件与实施例1相同，不同之处在于：喷嘴与水平方向一致，即喷嘴的纵向中心线与柱形通道垂线的夹角α为90°。
反应过程中水体实现了旋转，但由于α角度过高，水体对上浮菌体的冲刷效果不好，反应过程中有菌体上浮，并且从反应器内壁冲刷下来的菌体，有部分很难进入水体中，仍漂浮在水面。当反应器中培养体系液位接近最高液位70cm，不再补料，待氨氮浓度低于30mg/L时，取培养液检测OD600=0.21，外排培养液中有少量菌体漂浮。
比较例4
处理工艺与操作条件与实施例1相同。不同在于：喷嘴纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角为β为60°。
反应过程中只在水体中部实现了旋转，靠近反应内壁的水体返混效果不好，影响菌体的增长速率。当反应器中培养体系液位接近最高液位70cm，不再补料，待氨氮浓度低于30mg/L时，取培养液检测OD600=0.2，外排培养液中有少量菌体漂浮。

Claims (11)

1.一种抑制菌体或污泥上浮的方法，其特征在于是通过如下反应器实现的，所述反应器包括一反应器本体，在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道，在每个柱形通道上设置若干个喷嘴，每个喷嘴沿水平方向斜向下设置，与柱形通道具有一定的夹角，且每个喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角小于等于45°；当反应器运行时，喷嘴喷射出的气体、液体或气液混合体能够在反应器内形成旋转混合，从而达到冲刷反应器内壁、抑制反应器内菌体或污泥上浮的目的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应器是圆柱体、正方体或长方体；如果是圆柱体形状，则在反应器内壁均匀设置4个及以上纵向分布的柱形通道；如果是正方体、长方体形状，则在每边设置1个及以上的纵向分布的柱形通道。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的柱形通道沿反应器的内壁设置，其具体数量根据实际情况确定，为保证反应器内水体的旋涡返混效果，柱形通道的数量为4-10个。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：柱形通道的横截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形或三角形，其横截面直径或最长边长为4-6cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：柱形通道底部设有连接引气设备和引水设备的连接口，通道顶端密封且高于反应器的最高液面。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：纵向通道底部距反应器底部5-10cm，顶部高出反应器最高液位10-30cm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：喷嘴为圆锥形，与柱形通道连接处的截面直径为2-4cm，出口端的截面直径为1-2cm。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：每个柱形通道上的圆锥形喷嘴位于同一垂线上，垂直间距为5-10cm；且沿水平方向斜向下布置，纵向中心线与柱形通道横截面垂线的夹角为30-60°，水平投影长度为2-5cm。
9.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：如果反应器为圆柱体，则喷嘴的纵向中心线与柱形通道和反应器外壁连接处切线的夹角为30-45°；如果反应器为方形，则喷嘴的纵向中心线与反应器边长的夹角为30-45°。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：柱形通道底部设有连接引气设备和引水设备的连接口，分别与布气设备和布水设备相连，布水设备为潜水泵，布气设备为风机或水下曝气设备。
11.权利要求1-10任一所述方法的应用，其特征在于该方法用于厌氧菌培养或厌氧/缺氧生化污水处理，或者用于好氧菌培养或好氧生化污水处理。
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