CN109626564A

CN109626564A - 用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器

Info

Publication number: CN109626564A
Application number: CN201811597990.6A
Authority: CN
Inventors: 刘艳彪; 徐辉; 张晓冉; 杨波; 卫瑞红; 丁建杰; 李方; 沈忱思; 马春燕; 田晴; 柳建设; 宋新山
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University; National Dong Hwa University
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-04-16

Abstract

本发明公开了一种适用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，包括由下至上依次连接的布水混合区、第一反应区、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区、一级集气区、第二反应区、二级集气区、沉淀区和出水区；所述第一反应区和第二反应区内部均接种厌氧颗粒污泥；所述的一级集气区和二级集气区内分别设置一级三相分离器和二级三相分离器。本发明结构简单、操作方便、占地面积小、处理效率高、反应速率快、产生沼气能源，特别是在高浓度、难降解的聚乙烯醇退浆废水处理方面具有独特的优势。

Description

用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种适用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器。

背景技术

印染行业是工业废水排放大户，全国印染废水每天排放量为3×10⁶～4×10⁶m³。印染废水的主要特点是有机物含量高、色度深、碱性高、BOD₅/COD比值小、水质波动大等特点，属难处理的工业废水之一。印染行业排放的废水一般为退浆废水、煮练废水、漂白废水、丝光废水、染色废水、印花废水、清洗废水、整理废水等工艺的混合废水。退浆废水作为前处理废水，产生的废水量相对较少，但污染物浓度较高，其中含有各种浆料、浆料分解物、纤维屑、碱以及各种助剂等。废水呈碱性(pH>12)，含有的大量的难以生物降解的化学浆料聚乙烯醇成分，其可生化性较差，成为印染行业污水处理的难点和重点。

含聚乙烯醇的退浆废水的处理关键在于聚乙烯醇的去除，聚乙烯醇的去除一般是利用一定的技术手段，将废水中的聚乙烯醇从水相中分离出来或使聚乙烯醇大分子转化为小分子物质，并进一步将其去除。目前国内外对含聚乙烯醇的退浆废水的方法主要有物化法和生物法。物化法主要有化学混凝法、电絮凝法、铁炭微电解法以及高级氧化技术，其中高级氧化技术包括Fenton氧化法、电化学氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法和超临界水氧化法等，但存在处理成本较高等问题。生物法主要通过微生物的新陈代谢作用来降解聚乙烯醇浆料，对反应条件要求低，较物化法具有处理费用低、污染物降解彻底等特点。目前实际工程中聚乙烯醇退浆废水的处理工艺主要为厌氧-好氧组合工艺，其中厌氧反应池只利用其前段的水解和酸化过程来提高可生化性，而产甲烷阶段较少应用，水力停留时间(HRT)较长，降解效率相对较低；好氧反应器去除废水中的大部分有机污染物，而产生大量剩余污泥，曝气能耗高。因此研发出一种高效的厌氧生物处理方法，提高废水可生化性、促进产甲烷效率，实现聚乙烯醇和COD的高效降解，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是结合现有的高效厌氧反应器(强化外循环厌氧反应器)的优点以及它们处理印染废水时的缺陷，提出一种用于聚乙烯醇退浆废水生物处理的铁炭微电解高效厌氧反应器，在强化外循环厌氧反应器的基础上引入铁炭微电解系统，即保留高效厌氧反应器分段处理的优点，也弥补了单独使用强化外循环厌氧反应器处理退浆废水处理效率差、产甲烷效率低、HRT长的缺陷，在处理聚乙烯醇退浆废水方面有着独特的优势。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，包括由下至上依次连接的布水混合区、第一反应区(颗粒污泥膨胀区)、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区、一级集气区、第二反应区(精处理区)、二级集气区、沉淀区和出水区；所述第一反应区和第二反应区内部均接种厌氧颗粒污泥；所述的一级集气区和二级集气区内分别设置一级三相分离器和二级三相分离器。

优选地，所述铁炭微电解反应区包括柱体填料架和设于柱体填料架上的铁炭填料层。

更优选地，所述的布水混合区、第一反应区(颗粒污泥膨胀区)、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区、一级集气区、第二反应区(精处理区)、二级集气区、沉淀区和出水区均设于圆柱形外壳中，所述的柱体填料架的横截面面积与圆柱形外壳的横截面面积相等。

更优选地，所述柱体填料架为封闭式不锈钢网筐，其中不锈钢网筐的孔径为1.5mm。

更优选地，所述铁炭填料层由铁屑和柱状活性炭组成，其中铁屑粒径为2～3mm，柱状活性炭粒径为6mm。

进一步地，所述铁炭填料层的铁屑和柱状活性炭的质量比为1:1～3:1。

优选地，所述第一反应区(颗粒污泥膨胀区)与铁炭微电解缓冲区高度比为3:1～5:1。

优选地，所述第一反应区(颗粒污泥膨胀区)和第二反应区(精处理区)的高度比为2:1～4:1。

优选地，所述的铁炭微电解厌氧反应器外壁侧设有5个取样口，第一反应区1个，铁炭微电解反应区1个、铁炭微电解缓冲区1个、第二反应区1个以及沉淀区1个，一级三相分离器和二级三相分离器的顶部连接沼气收集管，沼气收集管连接湿式气体流量计以计量产生气体量。

优选地，所述的反应器的布水混合区连接进水管，进水管连接外循环系统的回流管，所述的回流管连接沉淀区，反应器进水(原水)和来自回流管的回流水混合后一并经进水管进入布水混合区。

更优选地，所述的外循环系统还包括加热系统、回流泵和液体流量控制器，所述的回流泵和液体流量控制器连接于回流管上，所述的加热系统内设有不锈钢管，不锈钢管的进出口均和回流管相连接，通过加热系统对不锈钢管进行加热来提高反应器的运行温度，所述的液体流量控制器能够根据反应器上升流速的要求调控外循环量；可根据外循环量和加热系统设置的温度来控制反应器的运行温度。

本发明实现了厌氧反应器与铁炭微电解的有机耦合，从而提高了废水的可生化性，加快了厌氧反应速率、提高了有机物的去除效率等技术问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铁炭微电解耦合厌氧反应器，具体内容包括改良厌氧反应器结构，增加外循环回流管、增设铁炭填料层、设置两级三相分离器等，利用铁炭微电解耦合厌氧生物处理工艺，避免了单一降解方法处理效果差处理效率低等缺陷。

本发明采用厌氧代谢四阶段理论(水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段)与电化学原理的结合，集成了水力学、微生物学、电化学以及厌氧反应器工程应用技术原理，解决了厌氧反应器与铁炭微电解的有机耦合问题，为可生活性较低的废水(聚乙烯醇退浆废水)的高效处理开发了新的处理途径。

所述的集气区设置两个三相分离器将厌氧反应器从空间上分为第一反应区(污泥膨胀区)和精处理区，有效实现了微生物功能分区；两个三相分离器的设置有效的防止污泥发生互混现象，实现了良好的污泥截留；同时，厌氧反应器沉淀区经循环管道和回流泵连接到反应器下部的进水管，强化了反应器的平推流态，从而使反应器具有局部完全混合模式、整体推流模式的特点。

所述的铁炭微电解系统，利用铁炭微电解发生氧化还原反应，产生的大量初生态的Fe²⁺和新生态的[·H]，他们具有的极高的化学活性，能够使难降解的有机物(聚乙烯醇分子)发生断链、开环等作用，大大提高了废水的可生化性；同时铁炭微电解系统可以降低氧化还原电位，强化厌氧环境，从而为厌氧微生物代谢创造了良好的条件，强化了厌氧生物处理；铁炭微电解中的铁单质可以与代谢中间产物有机酸反应，减少中间产物抑制，防止反应器出现酸化现象；铁单质可以作为嗜氢产甲烷菌电子供体，发生CO₂+8e^-+8H⁺—CH₄+2H₂O反应，减少温室气体CO₂的排放，同时，提高了嗜氢产甲烷菌的丰度，改变产甲烷的代谢途径，缓解了厌氧代谢系统容易酸化的现象；产生的大量初生态的Fe²⁺可起到絮凝作用，加快颗粒污泥的颗粒化，促进厌氧消化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过设置外循环系统，使得第一反应室的水力负荷比进水时的水力负荷增加0.5～10倍，在较高的水力负荷下，第一反应室的污泥达到充分的流化状态，加强传质过程，提高了反应器的生化反应速度。

(2)外循环过程的存在使得反应器进水水质得到改善，废水的可生化性得到了提高，从而大大提高了厌氧消化速率和有机负荷。

(3)两个三相分离器设置有效实现了微生物功能分区；同时，外循环系统强化了反应器的平推流态，结合着两个三相分离器设置，从而使反应器具有局部完全混合模式、整体推流模式的特点。

(4)本发明结构简单、操作方便、占地面积小、处理效率高、反应速率快、产生沼气能源，特别是在高浓度、难降解的聚乙烯醇退浆废水处理方面具有独特的优势。

附图说明

图1为降解聚乙烯醇退浆废水厌氧反应器示意图；

附图标记：1.进水泵，2.进水管，3.第一反应区，4.厌氧颗粒污泥，5.铁炭填料层，6.柱体铁炭填料架，7.铁炭微电解缓冲区，8.一级三相分离器，9.取样口，10.第二反应区，11.二级三相分离器，12.沉淀区，13.沼气收集管，14.湿式气体流量计，15.出水口，16.温控加热系统，17.不锈钢管，18.回流泵，19.液体流量控制器，20.回流管，21.布水器。

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。

实施例1

本实施例提供了一种用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，如图1所示，具体结构如下，包括由下至上依次连接的布水混合区、第一反应区3(颗粒污泥膨胀区)、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区7、一级集气区、第二反应区(精处理区)10、二级集气区、沉淀区12和出水区；所述第一反应区3和第二反应区10内部均接种厌氧颗粒污泥4；所述的一级集气区和二级集气区内分别设置一级三相分离器8和二级三相分离器11。

所述反应器具有上下两个反应室，即第一反应区3(颗粒污泥膨胀区)和第二反应区10(精处理区)，第一反应区3和第二反应区10之上分别设置一级三相分离器8和二级三相分离器11，在第一反应区3上方靠近一级集气区下侧设有铁炭微电解反应区。

所述的反应器的布水混合区连接进水管2，进水管连接外循环系统的回流管20和反应器进水管路，回流管20连接沉淀区12；来自反应器进水管路的反应器进水(原水)和来自回流管的回流水混合后一并经进水管进入布水混合区。所述的反应器进水管路纱管设有进水泵1。所述的布水混合区内设有布水器21，布水器21连接进水管2。

所述的铁炭微电解反应区包括柱体填料架6和设于柱体填料架6上的铁炭填料层5，所述的布水混合区、第一反应区3(颗粒污泥膨胀区)、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区7、一级集气区、第二反应区(精处理区)10、二级集气区、沉淀区12和出水区均设于圆柱形外壳中，所述的柱体填料架6的横截面面积与圆柱形外壳的横截面面积相等；柱体填料架6为封闭式不锈钢网筐，其中不锈钢网筐的孔径为1.5mm；铁炭填料层5由铁屑和柱状活性炭组成，其中铁屑粒径为2～3mm，柱状活性炭粒径为6mm。所述铁炭填料层的铁屑和柱状活性炭的质量比为1:1～3:1。

所述第一反应区(颗粒污泥膨胀区)3与铁炭微电解缓冲区7高度比为3:1～5:1。所述第一反应区(颗粒污泥膨胀区)3和第二反应区(精处理区)10高度比为2:1～4:1，内部均接种厌氧颗粒污泥4。

所述的铁炭微电解厌氧反应器外壁侧设有5个取样口，第一反应区(颗粒污泥膨胀区)1个，铁炭微电解反应区1个、铁炭微电解缓冲区1个、第二反应区1个以及沉淀区1个，一级三相分离器8和二级三相分离器11的顶部连接沼气收集管13，沼气收集管13连接湿式气体流量计14以计量产生气体量。

所述的布水混合区包括反应器进水(原水)和外循环系统回流水的混合，混合的废水一并进入反应器进水管道。

所述的外循环系统包括回流管20、回流泵18、温控加热系统16(内设有不锈钢管17)和液体流量控制器19，所述的回流泵18和液体流量控制器19连接于回流管20上，所述的温控加热系统16内设有不锈钢管17，不锈钢管17的进出口均和回流管20相连接，通过温控加热系统16对不锈钢管17进行加热来提高反应器的运行温度，所述的液体流量控制器16能够根据反应器上升流速的要求调控外循环量；可根据外循环量和加热系统设置的温度来控制反应器的运行温度。

所述的沉淀区12的上部设有出水口15。

高效降解聚乙烯醇退浆废水的铁炭微电解耦合厌氧反应器的工作过程如下：

需要处理的聚乙烯醇退浆废水和外循环回流水由进水管2进入第一反应区3，经与第一反应区3内的厌氧颗粒污泥4充分接触反应后，在连续进水推动下，废水经由铁炭填料层5进行微电解处理，大部分污染物在该区域进行微电解处理，大分子污染物质很大程度上被降解，废水中的有机物被微生物降解产生沼气，沼气被一级三相分离器8收集，废水携带颗粒污泥通过一级三相分离器8，大部分颗粒污泥被截留，保留了污泥量。

经过铁炭填料层5的处理过的废水经铁炭微电解缓冲区7进入第二反应区10，铁炭微电解缓冲区7能够有效地延长铁炭微电解系统处理废水的反应时间，强化废水处理效果，有利于后续废水的处理，废水中剩余的有机物可被第二反应区10内的厌氧颗粒污泥进一步降解，产生的沼气由二级三相分离器11收集。处理过的上清液进入沉淀区，部分由出水口15排走，部分进入回流管20，通过回流泵18(蠕动泵)进入进水管2，实现外循环。

使用上述装置处理聚乙烯醇退浆废水，反应器有效容积为15L，反应器内接种厌氧颗粒污泥5L,其中，第一反应区8.1L，第二反应区2.7L，约占反应器有效容积的30％，厌氧颗粒污泥粒径约为3.0mm。采用小流量、低负荷的进水方式启动反应器，刚启动时保持水力停留时间HRT为24h，用增加进水流量的方式来提高反应器的容积负荷，每次在原有的进水流量基础上增加30％的流量，40天达到设计的容积负荷，反应器运行稳定。聚乙烯醇退浆废水经过铁炭微电解耦合厌氧反应器出水水质如表1。

表1使用本实施例反应器处理某较高浓度综合印染废水效果

指标

pH

COD<sub>Cr</sub>(mg/L)

PVA(mg/L)

BOD<sub>5</sub>(mg/L)

SS(mg/L)

色度

原水

7～9

8500～12000

200～500

900～1000

2000～4500

200～300倍

出水

7.5～8

1000～2000

50～120

100～200

500～1000

50～100

平均去除率

/

80％

75％

85％

80％

67％

Claims

1.一种用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，包括由下至上依次连接的布水混合区、第一反应区、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区、一级集气区、第二反应区、二级集气区、沉淀区和出水区；所述第一反应区和第二反应区内部均接种厌氧颗粒污泥；所述的一级集气区和二级集气区内分别设置一级三相分离器和二级三相分离器。

2.如权利要求1所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述铁炭微电解反应区包括柱体填料架和设于柱体填料架上的铁炭填料层。

3.如权利要求2所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述的布水混合区、第一反应区、铁炭微电解反应区、铁炭微电解缓冲区、一级集气区、第二反应区、二级集气区、沉淀区和出水区均设于圆柱形外壳中，所述的柱体填料架的横截面面积与圆柱形外壳的横截面面积相等。

4.如权利要求2所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述柱体填料架为封闭式不锈钢网筐，其中不锈钢网筐的孔径为1.5mm；所述铁炭填料层由铁屑和柱状活性炭组成，其中铁屑粒径为2～3mm，柱状活性炭粒径为6mm。

5.如权利要求2所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述铁炭填料层的铁屑和柱状活性炭的质量比为1:1～3:1。

6.如权利要求1所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述第一反应区与铁炭微电解缓冲区高度比为3:1～5:1。

7.如权利要求1所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述第一反应区和第二反应区的高度比为2:1～4:1。

8.如权利要求1所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述的铁炭微电解厌氧反应器外壁侧设有5个取样口，第一反应区1个，铁炭微电解反应区1个、铁炭微电解缓冲区1个、第二反应区1个以及沉淀区1个，一级三相分离器和二级三相分离器的顶部连接沼气收集管，沼气收集管连接湿式气体流量计以计量产生气体量。

9.如权利要求1所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述的反应器的布水混合区连接进水管，进水管连接外循环系统的回流管，所述的回流管连接沉淀区，反应器进水和来自回流管的回流水混合后一并经进水管进入布水混合区。

10.如权利要求9所述的用于聚乙烯醇退浆废水处理的铁炭微电解耦合厌氧反应器，其特征在于，所述的外循环系统还包括加热系统、回流泵和液体流量控制器，所述的回流泵和液体流量控制器连接于回流管上，所述的加热系统内设有不锈钢管，不锈钢管的进出口均和回流管相连接，通过加热系统对不锈钢管进行加热来提高反应器的运行温度，所述的液体流量控制器能够根据反应器上升流速的要求调控外循环量；可根据外循环量和加热系统设置的温度来控制反应器的运行温度。