CN110734200A - 一种双膜式三相内循环曝气生物流化床及处理废水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双膜式三相内循环曝气生物流化床及处理废水的方法，属于污废水处理技术领域。流化床包括曝气系统，内循环系统，固定膜反应区以及沉淀区；内循环系统包括由外筒和内筒形成的流化膜反应区；曝气系统位于内筒下方，用于提供溶解氧的同时，为内循环系统提供剪切力；沿剪切力方向设置固定膜反应区，固定膜反应区与内循环系统通过流化膜分离器分隔；沉淀区与外筒通过三相分离器连通。本发明将内循环系统、双膜系统有机结合，进一步增强了传质效果，实现了高浓度有机物、高氨氮的高效去除，并具有占地面积小的特点。除处理生活污水外，本发明流化床还可应用于印染、制药等化工废水的处理。

Description

一种双膜式三相内循环曝气生物流化床及处理废水的方法

技术领域

本发明属于污废水处理领域，更具体地说，涉及一种双膜式三相内循环曝气生物流化床及处理废水的方法。

背景技术

废水生物流化床反应器是一种集废水流态化技术、废水生物处理技术于一体的高效生化处理装置。根据床内流体性质的差异，好氧生物流化床包括两相生物流化床和三相生物流化床两种。在两相生物流化床中，废水的充氧及充氧废水与载体的接触是在两个设备中进行，微生物所需的氧气溶解在液体中，气体不参与床内的流化过程；三相生物流化床中的气体以气泡形式独立存在，同液相和固相形成三相体系，共同进行流化反应，在此过程中污染物得到转化降解。相比两相生物流化床，三相生物流化床具有传质条件更好、氧传递效率高、载体不易流失不易分层、生物浓度高、容积负荷率高等诸多优势。

中国专利授权公告号为CN 207738507 U的现有技术公开了一种内循环三相生物流化床，属于水处理设备技术领域，包括外筒体和内筒体，外筒包括下筒体和上筒体，下筒体的直径小于上筒体的直径，所述下筒体与上筒体之间由喇叭口形结构相连，所述内筒体设置在下筒体的内部，所述内筒体分为若干段，每段所述内筒体的内部均设有引流装置，内筒体的内部形成升流区，内筒体与下筒体之间形成降流区，该现有技术通过多段式的内筒体使筒内形成多段内循环，以提高水处理净化效率。而在实际应用中，将内筒体设置为多段进行内循环的方式，会增加整体装置的高度，同时由于内筒高度的提高，对曝气装置的曝气量要求也相对提高，以提高向上的剪切力，更好地实现内循环。

尽管三相曝气生物流化床具有上述的诸多优点，但仍存在以下问题需要解决：(1)与其它生物法相比，流化床氧传质与流态化的结合不够科学，容易导致曝气量过多，能耗偏大；(2)流体和载体的循环阻力较大，出现局部剪切力过大，造成生物膜脱落的现象，影响处理效果；(3)人们对流化现象内部规律的了解仍然较为粗浅，工程设计依然主要依靠经验判断；(4)对特定营养物，例如TN的去除率并不高。因此国内仅有几套实际生产的三相曝气生物流化床装置在运行，其应用受到一定限制。

随着内循环生物流化床等新型结构的研究和开发，近年以来，国内外开始广泛关注三相生物流化床反应器的结构、内构件、传质性能分析等方面的研究。如何通过流化床的结构、内构件的合理设置，提升其传质效果，同时降低能耗，是内循环生物流化床设计领域亟待解决的问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有三相流化床普遍存在的生物膜容易脱落、曝气量大、构型不科学、特定营养物(例如TN)的去除率不高等问题，本发明提供了一种双膜式三相内循环曝气生物流化床装置及处理废水的方法，在流化床装置中同时设置固定膜反应区和流化膜反应区，强化脱氮，消减运行成本；

进一步针对设置固定膜反应区和流化膜反应区后流化膜填料进入缺氧区时发生阻滞的技术问题，在装置中设置了具有圆锥面形状的筛网，能够使内循环系统中悬浮球状填料流化运动顺畅，使得传质效果显著提升，进一步提高装置处理废水的COD与总氮去除效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种双膜式三相内循环曝气生物流化床，包括曝气系统，内循环系统，固定膜反应区以及沉淀区；所述内循环系统包括由外筒和内筒形成的流化膜反应区，所述流化膜反应区可供悬浮球状填料流转运动；所述曝气系统位于所述内筒下方，用于提供溶解氧的同时，为内循环系统提供剪切力；沿所述剪切力方向设置所述固定膜反应区，所述固定膜反应区与内循环系统通过流化膜分离器分隔；所述沉淀区与所述外筒通过三相分离器的外壁连通。

优选地，所述流化膜分离器为向所述内筒中心方向凸出的具有圆锥斜面的圆锥面筛网。该筛网向内循环系统方向凸出，其目的在于便于流化膜反应区的悬浮球状填料按一定角度转动进入缺氧区。

优选地，所述内筒具有沿所述剪切力方向依次设置的第一内筒扩张段、第二内筒直筒段和第三内筒收缩段。所述第一内筒扩张段靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，便于流转到内筒底部的悬浮球状填料进入内筒，所述第三内筒收缩段靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，沿剪切力方向缩小了管径，增大了流速，使得悬浮球状填料以相对较大的速度冲出内筒并按一定角度流转进入缺氧区，不滞留于内筒之内。

优选地，所述外筒为直筒状。

优选地，所述沉淀区设置于所述三相分离器上方。

优选地，所述的内循环系统的外筒高径比为6:1～10:1，优选为8:1。在此高径比下，更有利于COD和总氮去除率的提高。

优选地，所述悬浮球状填料由外壳和内核双层结构构成，所述外壳为由聚丙烯材料注塑而成的中空鱼网状球壳，所述内核可以为海绵状多孔聚合物。此填料具有生物附着力强、比表面积大、孔隙率高、化学和生物稳定性好，不受水流影响的特点。

优选地，所述固定膜反应区设有平行于所述剪切力方向的若干个绳形生物填料。

优选地，所述绳形生物填料可以由PP和改性纯化纤维制成。具有比表面面积大、同步硝化反硝化效果好，脱氮能力强的特点。

本发明还提供一种采用上述生物流化床装置处理废水的方法，包括以下步骤：

1)位于第一内筒扩张段的待处理废水和悬浮球状填料在曝气剪切力的作用下在内筒内部向上提升；

2)提升至流化膜分离器的悬浮球状填料与进水通过流化膜分离器发生固液分离；

3)步骤2)分离后的水流通过流化膜分离器进入固定膜反应区进一步脱氮；

4)步骤2)分离后的的悬浮球状填料运动至圆锥面筛网后，在圆锥斜面的反弹作用下按一定角度进入缺氧区；

5)步骤4)中进入缺氧区的悬浮球状填料由内筒下部空隙进入第一内筒扩张段，重复步骤1)直至处理完毕。

优选地，所述步骤1)中待处理废水pH优选为8。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种双膜式三相内循环曝气生物流化床装置，在流化床装置中同时设置固定膜反应区和流化膜反应区，强化脱氮效果；

(2)本发明通过在固定膜反应区和流化膜反应区之间设置了具有圆锥斜面的筛网作为流化膜分离器，使内循环系统中悬浮球状填料在圆锥斜面的弹射下按照一定角度进入缺氧区，解决了填料进入缺氧区时发生阻滞的技术问题，增强了内循环，使得悬浮球填料在内循环系统反复进行A/O工况转换，提高了传质效果，进一步提高装置处理废水的COD与总氮去除效率；

(3)本发明中内筒具有沿所述剪切力方向依次设置的第一内筒扩张段、第二内筒直筒段和第三内筒收缩段，所述第一内筒扩张段靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，便于流转到内筒底部的悬浮球状填料进入内筒；所述第三内筒收缩段靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，沿剪切力方向缩小了管径，增大了流速，使得悬浮球状填料以相对较大的速度冲出内筒进入固定膜反应区，不滞留于内筒之内，同时也能够使水相运动速度提高，进入固相膜反应区进一步处理；

(4)本发明中流化膜反应区的填料采用悬浮球状填料，该悬浮球状填料与普通粒径较小的固体颗粒填料相比，生物附着力和截留悬浮物的作用更强，且耐气、水冲刷，生物膜不易脱落；

(5)通过试验得出内循环系统的外筒最优高径比为8:1，使得悬浮球状填料反复在A/O环境交替运行，悬浮球状填料自身附着微生物，形成A/A/O生物膜；以及在流化膜分离器上部增加绳形生物填料模块，绳形生物填料形成A/A/O生物膜，使得污染物充分与微生物接触，增强了污染物去除率，尤其是TN的去除率；

(6)该装置集成了沉淀区，无需额外设置沉淀池；结合相对较大的高径比，缩小了占地面积，减少了基建和运行费用；

(7)该系统运行在pH为8的条件下，减轻了高氨氮时游离氨对氨氧化菌(AOB)的抑制作用，使得此装置有更高的脱氮效率；

(8)本发明曝气系统采用微孔曝气器，空气气泡直径更小，与废水结合更紧密，增强了气升作用，减少了曝气强度和能耗，减轻了空气对填料的冲刷作用。

附图说明

图1为本发明实施例1中双膜式三相内循环曝气生物流化床；

图2为悬浮球状填料实物；

图3为绳形生物填料实物示例；

图4为实施例1～5中COD和总氮去除率与内循环系统高径比的关系；

图5为实施例6中pH值、DO对氨氮转化率的影响；

图中：100、曝气系统；110、曝气管；120、微孔曝气盘；

200、内循环系统；210、外筒；220、内筒；221、第一内筒扩张段；222、第二内筒直筒段；223、第三内筒收缩段；230、流化膜反应区；231、缺氧区；232、好氧区；240、悬浮球状填料；250、进水管；260、放空/排泥管；

300、固定膜反应区；310、绳形生物填料；320、气体收集管；330、排气管；

400、流化膜分离器；410、圆锥斜面；

500、沉淀分离区；510、沉淀区；520、三相分离器；530、出水管。

具体实施方式

需要说明的是，当元件被称为“安装”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以两元件直接为一体；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能两元件直接为一体。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种双膜式三相内循环曝气生物流化床，呈内外双圆柱体结构，包括曝气系统100、内循环系统200、固定膜反应区300和沉淀区510，内循环系统200包括由外筒210和内筒220形成的流化膜反应区230，流化膜反应区230内有悬浮球状填料240，悬浮球状填料240由外壳和内核双层结构构成，外壳为由聚丙烯材料注塑而成的中空鱼网状球壳，内核为海绵状多孔聚合物(见图2)，如可以为市售的悬浮的球状填料，此类填料具有生物附着力强、比表面积大、孔隙率高、化学和生物稳定性好，不受水流影响的特点。

曝气系统100包括曝气管110和微孔曝气盘120，微孔曝气盘120位于内筒220下方，用于提供溶解氧的同时，为内循环系统200提供剪切力；

固定膜反应区300位于内循环系统200上方，沿剪切力方向设置固定膜反应区300，固定膜反应区300与内循环系统200通过流化膜分离器400分隔，流化膜分离器400为向所述内筒220中心方向凸出的圆锥面筛网(具有圆锥斜面410)；固定膜反应区300设有平行于剪切力方向的若干个绳形生物填料310(见图3)，如可以为市售的绳形填料，此填料由PP和改性纯化纤维制成，具有比表面面积大、同步硝化反硝化效果好，脱氮能力强的特点；沉淀区510与外筒210通过三相分离器520的外壁连通。

内筒220具有沿剪切力方向依次设置的第一内筒扩张段221、第二内筒直筒段222和第三内筒收缩段223。第一内筒扩张段221靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，便于流转到内筒底部的悬浮球状填料240进入内筒220，第三内筒收缩段223靠近曝气系统方向直径大于远离曝气系统方向直径，沿剪切力方向缩小了管径，增大了流速，使得悬浮球状填料240以相对较大的速度冲出内筒220并按一定角度流转进入缺氧区231，不滞留于内筒220之内。外筒210与第二内筒直筒段222平行设置。

沉淀分离区500位于流化床反应器的上部，由三相分离器520、沉淀区510和出水管530组成；沉淀区510位于三相分离器520上方，沉淀区510具有类似锥形底部。流化膜分离器400与三相分离器520相连。

本发明的双膜式三相内循环曝气生物流化床的进水管250位于内循环系统200的下部，内循环系统200的底部还包括放空/排泥管260；固定膜反应区300的上方还设置排气管330和气体收集管320。

本实施例中的生物流化床装置整体容积70L。所用模拟废水按照C:N:P＝100:5:1加微量元素配制，碳源、N源、P源分别来自甲醇、氯化铵、磷酸二氢钾/磷酸氢二钾。初始COD1g/L、氨氮500mg/L。运行工况：HRT为24h、DO为4mg/L、污泥龄140d，运行pH为8，悬浮球状填料240直径2cm，按照内循环系统200的容积添加量为6个/L(内循环系统200的容积是指流化膜分离器、三相分离器以下与外筒形成的体积)；绳形生物填料310长16cm，直径为1.8cm，固定膜反应区300内177cm²共布置21束。在内循环系统200中，外筒210高径比为2:1。

一种采用上述生物流化床装置处理废水的方法，包括以下步骤：

1)位于第一内筒扩张段221的待处理废水和悬浮球状填料240在曝气剪切力的作用下在内筒220内部的好氧区232向上提升；

2)提升至流化膜分离器400的悬浮球状填料240与进水通过流化膜分离器400发生固液分离；

3)步骤2)分离后的水流通过流化膜分离器400进入固定膜反应区300进一步脱氮；

4)步骤2)分离后的的悬浮球状填料240运动至圆锥面筛网后，在圆锥斜面410的反弹作用下按一定角度进入缺氧区231；

5)步骤4)中进入缺氧区231的悬浮球状填料240由内筒220下部空隙进入第一内筒扩张段221，重复步骤1)直至处理完毕。

在上述的运行工况下，COD的去除率为86％，氨氮去除率为57％(图4)。

实施例2

废水水质和运行工况与实施例1相同。区别在于：在内循环系统200中，外筒210高径比为4:1时，COD的去除率为94％，氨氮去除率为74％(图4)。

实施例3

废水水质和运行工况与实施例1相同。区别在于：在内循环系统200中，外筒210高径比为6:1时，COD的去除率为98％，氨氮去除率为85％(图4)。

实施例4

废水水质和运行工况与实施例1相同。区别在于：在内循环系统200中，外筒210高径比为8:1时，COD的去除率为98％，氨氮去除率为96％(图4)。

实施例5

废水水质和运行工况与实施例1相同。区别在于：在内循环系统200中，外筒210高径比为10:1时，COD的去除率为99％，氨氮去除率为93％。

上述实施例表明，在内循环系统200中，外筒高径比为8:1时，TN和COD均有最高的去除率。

实施例6

废水水质、运行工况及装置与实施例4相同。区别在于：不同DO时，废水pH分别调节为6.0,6.5,7.0,7.5,8.5时，氨氮氧化率均随pH的增大而增高，如图5所示。

以上内容是对本发明及其实施方式进行了示意性的描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，包括曝气系统(100)，内循环系统(200)，固定膜反应区(300)以及沉淀区(510)；所述内循环系统(200)包括由外筒(210)和内筒(220)形成的流化膜反应区(230)；所述曝气系统(100)位于所述内筒(220)下方，用于提供溶解氧的同时，为内循环系统(200)提供剪切力；沿所述剪切力方向设置所述固定膜反应区(300)，所述固定膜反应区(300)与内循环系统(200)通过流化膜分离器(400)分隔；所述沉淀区(510)与所述外筒(210)通过三相分离器(520)的外壁连通。

2.根据权利要求1所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述流化膜分离器(400)为向所述内筒(220)中心方向凸出的具有圆锥斜面(410)的圆锥面筛网。

3.根据权利要求2所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述内筒(220)具有沿所述剪切力方向依次设置的第一内筒扩张段(221)、第二内筒直筒段(222)和第三内筒收缩段(223)，所述第一内筒扩张段(221)靠近曝气系统(100)方向直径大于远离曝气系统(100)方向直径，便于流转到内筒(220)底部的悬浮球状填料(240)进入内筒，所述第三内筒收缩段(223)靠近曝气系统(100)方向直径大于远离曝气系统(100)方向直径。

4.根据权利要求3所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述固定膜反应区(300)设有平行于所述剪切力方向的若干个绳形生物填料(310)。

5.根据权利要求2中任意一项所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述的内循环系统(200)的外筒(210)高径比为8:1。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述沉淀区(510)设置于所述三相分离器(520)上方。

7.根据权利要求3～5中任意一项所述的双膜式三相内循环曝气生物流化床，其特征在于，所述悬浮球状填料(240)由外壳和内核双层结构构成，所述外壳为由聚丙烯材料注塑而成的中空鱼网状球壳，所述内核为海绵状多孔聚合物。

8.一种采用权利要求2～5中任意一项所述的生物流化床装置处理废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)位于第一内筒扩张段(221)的待处理废水和悬浮球状填料(240)在曝气剪切力的作用下在内筒(220)内部向上提升；

2)提升至流化膜分离器(400)的悬浮球状填料(240)与进水通过流化膜分离器(400)发生固液分离；

3)步骤2)分离后的水流通过流化膜分离器(400)进入固定膜反应区(300)进一步脱氮；

4)步骤2)分离后的的悬浮球状填料(240)运动至圆锥面筛网后，在圆锥斜面(410)的反弹作用下按一定角度进入缺氧区(231)；

5)步骤4)中进入缺氧区(231)的悬浮球状填料(240)由内筒(220)下部空隙进入第一内筒扩张段(221)，重复步骤1)直至处理完毕。

9.根据权利要求8所述的处理废水的方法，其特征在于，所述步骤1)中待处理废水pH为8。

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