CN1099384C - 废水好氧处理的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于在UASB类型的反应器中进行废水好氧处理的方法，待处理废水由该反应器底部进入，并且同时氧气以一定的量进入以便于促进兼性的和好氧的生物量的生长。本发明也描述了废水好氧处理的设备，该设备由一个UASB反应器、位于该反应器底部的用于提供液体的分配器和通气装置以及位于该反应器顶部用于生物量的整体沉降和气体收集的装置组成。该设备也可以是一个结合的厌氧/好氧反应器。

Description

废水好氧处理的方法
本发明涉及一种在通气反应器中进行废水好氧处理的方法与设备，其中待处理的废水从底部送入该反应器中。
背景技术：方法
废水的生物处理实质上能够以两种方式进行，即通过利用使用氧气的微生物的好氧方式，以及通过在没有氧气的条件下微生物生长的厌氧方式。两种方法均已发现了在废水处理领域中的地位。第一种方法主要用于低度污染和水温低时的净化处理。第二种方法作为对于更严重的有机物污染且在更高的水温下的预处理尤其提供了益处。两种方法均已被充分了解。
现在，厌氧反应器经常与好氧反应器串联安置，诸如，例如：
1.紧凑的厌氧预处理，随后好氧后处理(“净化”)以彻底地除去BOD/COD；
2.硝化作用，随后反硝化作用以彻底地除去氮；
3、硫酸盐还原作用，随后经硫化物的氧化作用成为单质硫以除去硫。
在同一反应器内存在同时发生好氧与厌氧反应的报道不断增长。有关这方面的实施例为硝化作用/反硝化作用的反应以及在硫化物氧化作用影响下的反硝化作用。
在高负载的好氧系统中，厌氧过程也是低的污泥生长值的原因。在包含聚结(絮凝)生物量的反应器中，通过存在于絮凝物外层的好氧细菌，使用相对低的氧气压力能导致氧结合物质的迅速转化。这些细菌优选在它们细胞的外部以聚糖的形式储存营养物质作为储备。
接着，由于缺氧，该细菌没有机会使用这些储备，并且因此这些储备开始作为絮凝物内部厌氧矿化过程的底物，没有氧气能够穿透絮凝物内部。结果形成了聚糖的同时生成和分解，聚糖也作为粘聚细菌培养的一种粘聚剂。在低的净污泥产率下，原生动物作为细菌-消耗捕食者也起着重要的作用。
在本文中，术语微-亲气实际上用于表明供给该系统的氧气比完全好氧反应所需要的要少。由此导致的结果是在非常低的氧气压力下能倍增细菌群体形成量。这些情况的一个缺点是能产生难闻气味的物质，如H2S，NH3或挥发性有机酸。这些物质能经空气泡除去并且进入外部空气。因此，如果需要，收集该空气进行处理是重要的。
另一方面，在反应器中保持存在充足的这种物质并且所形成的絮凝物在厌氧矿化过程发生之前不被洗出是重要的。
近来的研究揭示了厌氧细菌对氧气有高的耐受性(M.T.Kato，生物技术生物工程42：1360-1366(1993))。氧气的加入有时也能对厌氧过程有好处，例如象EP-A143149中描述的在发酵罐中抑制硫酸盐还原作用。在这后一过程中，出现在污泥中的有机固体废物被转化形成气体，该气体含有作为主要组分的甲烷，也含有少量的低于3％，更具体地是0.1-1.5％(体积)的氧气。
背景技术：反应器
在废水处理的反应器中生物量的滞留对该反应器的处理容量是至关重要的。在常规的好氧处理中，通常通过把在反应器外经沉降分离的污泥(＝生物量)连续返回到发生生物反应的通气罐来实现。通气罐中污泥浓度为3-6g/l的该方法被称作活化污泥方法。同样的原理也适用于早期的厌氧处理体系，尽管在污泥循环到厌氧反应器室之前通常在薄片分离器的辅助下分离。该方法称为接触方法。
厌氧接触方法的一个改进涉及使用以不同的方式实现污泥滞留的系统，例如通过将沉降室与反应室结合起来或通过在载体物质上的固定化以抵销生物量的洗出。对于积累而言，污泥的滞留时间比各种微生物的分裂时间长的多是重要的。由于生长速度非常低，这对于厌氧过程尤其重要。“上流厌氧污泥层”反应器，即世界闻名的UASB反应器在20世纪70年代的开发成功是厌氧处理的重要进步。现在大多数的厌氧处理都在这种类型的反应器中进行。
UASB反应器的特征是待处理的污水从罐的底部进入并分配，污水从底部缓慢向上流过一层生物量。在与生物量接触的过程中会生成主要由CH4，CO2和H2S组成的一种气体混合物；该混合物称为沼气。所说的沼气气泡上升并且因此保证一定程度的混合。作为水相表面下气体收集盖灵活布置的结果，气泡不能到达水相表面，因此在顶部产生一个平静区域，并且被向上卷起的任何污泥颗粒能够再沉降到生物量层(“污泥层”)。UASB反应器中污泥的浓度通常在40至120g/l之间，一般在80到90g/l。许多专利描述了UASB反应器，尤其在EP-A193999和EP-A244029中。UASB反应器成为最流行的厌氧体系的一个原因是事实上通正确的过程控制，能够允许生物量形成几毫米大小的球形颗粒，这样沉降很好。
同时，以UASB原理为基础提出了具有高流速的改进的装置或变形的装置，例如作为循环污水的结果，通过使用沼气作为一个整体的泵，或仅仅通过建立更细的高塔。但是，其基本原理仍然保持与UASB相同。
发明详述
本发明涉及在前述的UASB反应器中应用废水好氧处理。因此，根据本发明的方法，其特征在于该应用由氧气也从底部进入的一个UASB反应器构成，具体的讲，送入氧气的量以能促进兼性的和好氧的生物量的生长。这揭示UASB反应器安装有一个通气装置，优选采用细小气泡。该类型的反应器可以作为独立单元使用或与厌氧预处理结合使用。在特殊的情况下，一个反应器也能交替的进行厌氧和好氧操作，例如废水量波动很大的季节性操作。该方法原则上能用于许多目的，例如COD/BOD的除去，硝化，反硝化和硫化物氧化。
作为上流原理和整体沉降的结果，生物量以很大的量累积是可能的，该累积量比活化污泥方法的多而比厌氧操作的UASB反应器中的少。反应器底部生物量的浓度优选为0.5-75g/l，更优选为5-50或10-50g/l。当该过程用于厌氧处理随后进行好氧处理时，生物量的浓度可以更低一点，例如为0.5-10g/l。
好的污泥滞留依赖于通气强度和反应器的液压负载。低的通气程度适合于高的液压负载，反之亦然。例如，对于水负载为4.0m3/m2.h的特定情况，通气程度优选低于0.9m3/m2.h，而当水负载为1.2m3/m2.h或更少，污泥滞留的通气程度实际上是不受限制的。相反地，对于通气程度为4.0m3/m2.h时，水负载优选低于1.3m3/m2.h，而当通气程度为0.8m3/m2.h或更少时，污泥滞留的水负载实际上是不受限制的。两者的关系显示于图1的一条曲线。依赖于反应器的尺寸和使用的污泥，所使用的数值可以与这里提到的不同，但是趋势是一样的。
因此，该方法可用于稀释的和浓缩的废水。因为在反应器底部使用高密度的生物量，氧气不能穿过每个地方，结果是能够发生厌氧污泥矿化作用。因此，排出的用过的空气会含有微量的甲烷，但是体积比不超过10％。而且，由于空气或氧气气泡的停留时间相对短，不是所有的氧气都能溶解于水中，并且排出的空气中将至少含有2％(体积)，特别是大于3％(体积)，和直到，例如15％(体积)的残余氧气。残余气体的其余部分主要由二氧化碳和氮气和可能为甲烷组成。
根据本发明的用于废水好氧处理的设备由一个UASB反应器组成，在该反应器底部装有联合分配水的进料口，在该反应器顶部装有使生物量整体沉降和气体收集的装置(称为三相分离)。通常这种类型的整体分离涉及发生在液体表面下通过气体收集盖的气体收集，该收集盖从上面看延伸至反应器的整个横截面。与常规的UASB反应器相比，在根据本发明的设备中通气装置安装在反应器的底部，该装置或者低于或者高于进水分配器，或在同一水平上。反应器的高度可以从4到14米变化，优选在4.5到10米。在本文中，“在反应器的顶部”表示在反应器的上部部位，即在反应器的最高液面(总有效高度)和0.75倍的有效高度之间。类似地，“在反应器的底部”表示在反应器的下部部位，即在最低液面和0.25倍有效高度之间。
在厌氧和好氧处理结合的情况下，好氧反应器通常放在厌氧反应器的旁边，好氧反应器和厌氧反应器是分离的反应器。在这种情况下，从厌氧反应器排出的空气可以作为好氧反应器的进气。
厌氧和好氧反应器也可以垂直结合在一个反应罐中，在这样一个垂直结合反应罐中，通气装置位于厌氧部分的气体收集的上部。一个该类型的结合的厌氧和好氧废水处理设备由一个UASB反应器组成，其中用于提供液体的分配器位于该反应器的底部，气体收集装置位于中部并且通气装置位于这些部分之上，以及用于生物量的整体沉降与气体收集的装置位于该反应器的顶部。厌氧部分的气体收集盖和通气装置不必恰好在反应器的中部。因此，“在中部”表示在反应器的有效高度的0.25倍和0.75倍之间。依赖于待处理废水的类型，这些部件的位置可以低一点或高一点。在这种情况下反应器的总高度优选从6到25米变化。
在根据本发明的设备的一个特定的具体装置中，通气装置在反应器的一部分高度上是可以垂直移动的。这可以通过例如一个将通气器安排在上部部位并且可以选择性的将气体收集盖安排在下部部位的框架来完成，该框架可以相对于反应器高度机械地升高和降低。该具体装置使反应器结构容易适应于特定的废水和理想的纯化结果。
在结合的厌氧/好氧处理方法的情况下，水的进料速度能够调整以便于污泥平衡是最佳的，即厌氧污泥保留在反应器的下半部和好氧污泥保留在上半部。如果在好氧部分产生大量的污泥产品，通过降低水的给料速度可以让过剩的污泥沉降到厌氧相，结果好氧生物量的数量又维持恒定。随时间的变化，过剩的好氧污泥也能够变得更重并且自己沉降到厌氧相。
前述的垂直结合的厌氧和好氧废水处理设备的一个变形物包括在反应器顶部用支撑好氧细菌的填料物质代替在反应器顶部的生物量整体沉降气体收集装置。填料物质可以包括过滤器或固定好氧细菌的其它装置。在该具体装置中，可以在反应器顶部收集从好氧相放出的气体或将其简单的排放到大气中。为了防止厌氧气体干涉好氧过程，在较低的厌氧区上面有效的三相分离在这里是重要的。再者，通气装置和厌氧气体收集器也优选可以垂直移动。
图1显示了液压负载(V水)水和通气速度(V气)之间关系的测定结果。V水和V气以m/h＝m3/m2.h表示。阴影部分是污泥被洗出的区域。
图2显示了单独好氧处理的一个设备。反应器1是UASB反应器。通过进料口2和分配器3将废水送入反应器的底部，其中该废水可以选择性地进行厌氧预处理，以这种方式实质上能产生一个垂直活塞流。处理过的水经在反应器顶部的溢流4和排放管5排放。空气或氧气通过装有压缩机的管路6提供，并且通过分配器7分散到水中。反应器顶部的气体收集盖8收集残余气体，收集盖的上部有充足的空间供好氧污泥沉降。气体收集盖配有排放残余气体的排放管(未显示出)。
图3显示了结合的厌氧和好氧处理的设备。关于这里未讨论的部件，反应器10同图2中的反应器类似。除去厌氧气体(主要是甲烷)的气体收集盖9位于反应器10的中部。气体分配器7位于该收集盖的上面。
实施例1
将一个如图2描绘的UASB-型中试反应器用作未经厌氧预处理的微-亲气的反应器，该反应器处理容量为12m3，有效(液体)高度为4.5m，底部表面积为2.67m2。将含有大约1500mg/l COD的未处理的造纸厂废水以1.5m3/h的速度(上流速度V升0.56m/h)送入反应器。以12m3空气/h(V升4.5m/h)的速度给反应器通气。反应器的温度大约为30℃，pH为中性。在用过的空气中没有可检测到的臭味组分出现。
适应一周之后结果如下：
               COD总   COD过滤      乙酸盐    丙酸盐进入量(mg\l)       1515       1455         426       181排出量(mg\l)       1006        762         198        93效率(％)             33         47          53        48进一步的优化使总COD的排出效率为75％或更高。
实施例2
将与实施例1同样的反应器用作一个好氧后处理反应器，将含有大约600mg/l COD的经厌氧预处理的造纸厂废水以4.0m3/h的速度送入反应器(上流速度V升1.5m/h)。以3.5m3空气/h(V升1.3m/h)的速度给反应器通气。在用过的空气中没有可检测到的臭味组分出现。
样品过滤前和过滤后的COD值如下：
               COD总       COD过滤后进入量(mg\l)        621            543排出量(mg\l)        465            249效率(％)             25             54
这些值表明厌氧处理后该反应器转化了相当大量的残余COD。

Claims (11)

1、在待处理的废水由底部送入的通气反应器中进行废水好氧处理的方法，其特征在于利用一个上流厌氧污泥层反应器，其中氧气也以促进兼性的和好氧的生物量生长的量送入该反应器的底部，送入的氧气量应使从该反应器放出的气体中包含至少2％(体积)的氧气。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于采用细小气泡进行通气。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于该反应器底部生物量的浓度为5到50g/l。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于好氧处理与厌氧预处理结合起来实施。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于利用厌氧预处理排放的空气作为好氧处理的通气。
6、根据权利要求4的方法，其特征在于好氧处理与厌氧预处理在同一个罐中进行。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于调整水的进料速度以便于好氧生物量的数量维持大约恒定。
8、废水好氧处理设备，它由一个上流厌氧污泥层反应器组成，其中用于提供液体的分配器和通气装置位于该反应器的底部以及用于生物量的整体沉降的装置和气体收集装置位于该反应器的顶部。
9、用于结合的厌氧和好氧废水处理的设备，它由一个上流厌氧污泥层反应器型组成，其中用于提供液体的分配器位于该反应器的底部，气体收集装置位于所说的液体分配器的上面，通气装置位于所说的气体收集装置的上面，用于分离生物量和气体的装置位于该反应器的顶部，在反应器的通气装置之下的部分用于厌氧处理，在通气装置之上的部分用于好氧处理。
10、根据权利要求9的设备，其中所述的气体收集装置是用于生物量整体沉降和气体收集的，所述的用于分离生物量和气体的装置由支撑好氧细菌的填料物质组成。
11、根据权利要求9或10的设备，其中所说的通气装置在反应器的一部分高度上是可以移动的。
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