CN111018093B

CN111018093B - 可以实现分层和接近真正推流条件的反应器及其处理方法

Info

Publication number: CN111018093B
Application number: CN201911356819.0A
Authority: CN
Inventors: 付思特
Original assignee: Berlin Water Environment Hk Ltd; Baizhong Environmental Technology Shanghai Co ltd
Current assignee: Berlin Water Environment Hk Ltd; Baizhong Environmental Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN111018093A

Abstract

本发明提供了一种可以实现分层和接近真正推流条件的反应器及其处理方法，所述反应器包括反应器本体，所述反应器本体内填充有复合生物载体，复合生物载体为多层结构，复合生物载体内沿流动方向设有分层流道；复合生物载体包括至少一层主生物载体和至少一层副生物载体，主生物载体的孔隙率高于副生物载体的孔隙率。采用本发明的技术方案，使得流体可以在生物膜反应器内达到真正的推流状态，流体在狭窄的流道内实现一种分层式的流动体系，废水与附着在固定生物载体上的生物膜之间的对流和扩散传质的最大距离被大幅减少，整个反应器的体积相比于传统系统通常可以减少25%。而且，由于不存在反混和短流，系统运行更加稳定且拥有更高的处理效率。

Description

可以实现分层和接近真正推流条件的反应器及其处理方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种可以实现分层和接近真正推流条件的反应器及其处理方法。

背景技术

现有技术中，在废水生物处理过程中，溶解或悬浮于废水中的有机成分和营养物质一般通过微生物，特别是细菌来除去。其中，微生物可以悬浮于水体中（作为混合液），也可以固定在载体材料表面的生物膜中。

液体中的有机物和营养物质必须要与微生物进行接触，才可以被去除。在废水的生物处理系统中，可以观察到两种不同的传质机理，即对流传质和扩散传质。其中，对流传质需要在强烈的混合条件下实现，而扩散传质发生在层流条件下或者静置的液体内。传质总时间是对流和扩散传质时间的总和。为了提高整个反应过程的效率，就需要降低传质总时间。

对流传质的时间可以通过增大湍流来减小，但是这样混合所需的能耗会显著增加。一个可替代的方案是缩短液相与微生物间的平均和最大距离。扩散传质的时间可以通过限制生物膜的厚度来减小。许多传统的生物载体采用三维结构，利用其较长的扩散长度来增加比表面积。

流入的原始废水在整个反应器体积中的分布因反应器的几何条件的约束而更加复杂。进水管路或管渠的入口截面积与反应器的截面积相比通常非常小，这意味着流体在与主流动方向垂直方向上的混合距离较长，这将造成流体分布不均和较大的区域无法接受到足够有机物和营养物质。解决这一缺点的常用的设计方法是采用安全系数和增加整个反应器的体积。

在悬浮生长体系中，废水和微生物被混合在反应器的整个体积中。然而在生物膜系统中，微生物附着在固体表面而废水必须被输送至生物膜的表面，这样废水到生物膜表面的平均距离越大，有机物和营养物质到达微生物的耗时越长。因此，生物膜系统的挑战通常是废水和生物膜间是否能有效混合和接触。

在采用填充的柱体进行处理中，例如在滴滤池内，废水会穿过载体材料组成的填充床表面。这种系统的缺点是水头损失高并且易堵塞。对于移动床膜生物反应器（MBBR）和泥膜共生工艺（IFAS），通常采用漂浮的生物膜载体，其可以悬浮于整个反应器体积中，类似于悬浮生长系统中的絮状污泥。MBBR系统的缺点在于其混合效率较低，且扩散长度较长。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种可以实现分层和接近真正推流条件的反应器及其处理方法，通过在反应器中实现近似理想的推流条件，以及引入创新的夹层载体材料克服了传统反应器的诸多弊端。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其包括反应器本体，所述反应器本体内填充有固定的复合生物载体，所述复合生物载体为多层结构，所述复合生物载体内沿流动方向设有分层流道；所述复合生物载体包括至少一层主生物载体和至少一层副生物载体，所述主生物载体的孔隙率高于副生物载体的孔隙率。其中，所述复合生物载体沿流动方向的垂直方向为多层结构。

采用此技术方案，载体材料提供了可供微生物附着形成生物膜的巨大表面积；另外载体材料是多层结构，多层结构形成分层流道，分层的流道进一步将流入的废水分割成多个平行的流向，这样在流道内三维的载体结构提供了巨大的表面积，可以缩短与废水间的传质距离。流道内的水力条件使反应器内形成了一种二维的生物膜，这样在保证比表面积的同时能有效减少传质距离。另外，分层流动体系也阻止了主生物载体发生堵塞情况。

主生物载体的孔隙率高于副生物载体的孔隙率，使系统的水头损失小，且能耗较低。另外，高孔隙率允许气体气泡通过。副生物载体的孔隙率可以在允许扩散传质的同时有效抑制对流传质，这样，主生物载体和副生物载体两者不同的孔隙率导致形成层流状态，可以有效限制水平方向上的交叉混合。

作为本发明的进一步改进，所述反应器本体包括依次相互连通的上流反应段和下流反应段，所述上流反应段和下流反应段中流体的流动方向与水平面的夹角为60~90度。进一步的，所述上流反应段和下流反应段中流体的流动方向垂直于水平面，即所述上流反应段和下流反应段的流道的延伸方向与水平面垂直。其中，所述上流反应段和下流反应段连续设置，依次连接，第一个上流反应段和第一个下流反应段在顶部连通，第一个下流反应段与第二个上流反应段在底部连通，第二个上流反应段和第二个下流反应段在顶部连通，以此类推。反应器本体是一系列连续反应段连接而成，上流反应段之后是下流反应段。连续的上流反应段和下流反应段的数量取决于反应器总体积。

进一步的，所述副生物载体层的厚度小于主生物载体层的厚度，副生物载体形成的狭窄流道进一步减少了传质的距离。

作为本发明的进一步改进，至少有一层主生物载体被夹在至少一层副生物载体中。

作为本发明的进一步改进，所述主生物载体层可以包含不同孔隙率的主生物载体层，如包含第一主生物载体层和第二主生物载体层；所述副生物载体层可以包含不同孔隙率的副生物载体层，如包含第一主生物载体层和第二主生物载体层；主生物载体层之间设有副生物载体层连接，副生物载体层之间为主生物载体层，以此类推。进一步的，其中有一副生物载体层位于最外侧。

作为本发明的进一步改进，所述上流反应段和下流反应段之间通过弯曲段连通。弯曲段可以帮助废水进行一种轻微的混合。

进一步的，所述弯曲线可以不填充复合生物载体。

作为本发明的进一步改进，所述上流反应段和下流反应段的数量不少于两个，所述上流反应段和下流反应段之间通过顶部弯曲段和底部弯曲段连通。

作为本发明的进一步改进，所述反应器本体与进口管连接，所述反应器本体的截面积A_r和进口管的截面积A_p的比值满足A_r/A_p< 4。采用此技术方案，使得采用反应器进行处理时，可以实现一个近似理想的推流体系，也就意味着几乎没有轴向（垂直于主流动方向）的混合。

作为本发明的进一步改进，所述反应器本体内反应段的高度H和当量反应器直径D的比值满足H / D > 10。采用此技术方案，反应器本体内反应段的高度与当量直径的比值较高，这将有利于实现真正的推流。

作为本发明的进一步改进，所述推流式反应器包括排气管，所述排气管与反应器本体的上流反应段或下流反应段的顶部相连通。进一步的，所述排气管与顶部弯曲段连通。采用此技术方案，可以使气泡从废水流体中分离和释放出来。

作为本发明的进一步改进，所述推流式反应器包括排水管，所述排水管与反应器本体的上流反应段或下流反应段的底部相连通。进一步的，所述排水管与底部弯曲段连通。采用此技术方案，可以把反应器本体内的液体完全排空。

作为本发明的进一步改进，所述复合生物载体由主生物载体层和副生物载体层重叠放置后卷绕而成。进一步的，所述主生物载体层和副生物载体层重叠放置后卷绕成阿基米德螺线形，即螺线之间具有相同的间距。进一步的，这里的主生物载体层和副生物载体层均可以为多个主生物载体层以及多个副生物载体层，满足至少有一层主生物载体被夹在至少一层副生物载体中即可；其中多个主生物载体层可以相同或不同，如孔隙率、厚度、材质、结构等特征可以相同或不同；同样，多个副生物载体层可以相同或不同，如孔隙率、厚度、材质、结构等特征可以相同或不同。进一步的，主生物载体层和副生物载体层相互间隔设置，卷绕在一起。

作为本发明的进一步改进，所述主生物载体层是非织物结构，其是由表面光滑的纤维制成的。所述主生物载体的材质倾向于但不限于由合成材料制成，例如聚乙烯，聚丙烯或聚酰胺。

作为本发明的进一步改进，所述副生物载体层是织物结构，其是由表面积较大的纤维制成的。所述副生物载体的材质倾向于但不限于由天然材料制成，例如黄麻、椰壳纤维、洋麻或者其他天然纤维。

作为本发明的进一步改进，所述主生物载体的空隙体积V_v1与主生物载体总体积V_t1的比值满足V_v1/V_t1 > 90%。

作为本发明的进一步改进，所述副生物载体的空隙体积V_v2与副生物载体总体积V_t2的比值满足V_v2/V_t2< 90%。

作为本发明的进一步改进，所述主生物载体的厚度X_pr与所述副生物载体的厚度X_se的比值满足X_pr/ X_se > 10。

作为本发明的进一步改进，所述主生物载体层和副生物载体层的卷绕圈数为3-10圈。卷绕圈数的数量取决于反应器本体内上流反应段、下流反应段的直径。

本发明还公开了一种如上任意一项所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器的处理方法，待处理的液体通过所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器进行处理。其中，待处理的液体含有一种或者多种溶解的或者悬浮的物质。

作为本发明的进一步改进，所述液体在反应器本体内的表观速度 v_pf< 0.3 m/s。进一步的，液体在反应器本体内的表观速度v_pf= 0.05-0.15 m/s。较低的流速所引发的湍流较弱使得水头损失较小因而能耗较低。

作为本发明的进一步改进，所述液体在主生物载体层、副生物载体层之间被分割成多层，并实现层流流动。其中，所述复合生物载体包含至少一层主生物载体层和至少一层副生物载体层。进一步的，所述复合生物载体包含至少两层主生物载体层和至少两层副生物载体层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案的载体材料是多层结构的，这些分层形成的流道进一步将流入的废水分割成多个平行的流向，这样流道内形成的三维的载体结构提供了巨大的表面积，而流道内的水力条件使反应器内形成了一种二维的生物膜，大大缩短了其与废水间的传质距离。

第二，本发明的技术方案采用推流体系和夹层载体材料的组合，容许系统在低流速下运行，因此减少了系统的水头损失。

第三，采用本发明的技术方案，反应器本体的反应流道沿垂直流向设置，防止了载体材料在反应器体积内的沉降以及沉积物的累积。因此，流动的条件和流体的均匀分布可以得到保证并且在较长的运行期限内效率不会降低。

第四，采用本发明的技术方案，使得流体可以在生物膜反应器内达到真正的推流状态，流体在狭窄的流道内实现一种分层式的流动体系。废水与附着在固定生物载体上的生物膜之间的对流和扩散传质的最大距离被大幅减少，整个反应器的体积相比于传统系统通常可以减少25%。而且，由于不存在反混和短流，系统运行更加稳定且拥有更高的处理效率。

附图说明

图1是本发明一种推流式反应器的结构示意图。

图2是本发明一种推流式反应器的截面示意图；其中（a）为轴向截面示意图，（b）为横截面示意图。

图3是本发明实施例的双层复合材质的生物载体的结构示意图。

图4是本发明实施例的多层复合材质的生物载体的结构示意图。

附图标记包括：

1-进水管，2-反应器入口，3-反应器出口，4-反应器本体，5-上流段，6-下流段，7-复合生物载体，8-顶部弯曲段，9-底部弯曲段，10-主生物载体，11-副生物载体，12-第一主生物载体层，13-第二主生物载体层，14-第一副生物载体层，15-第二副生物载体层。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种推流式反应器，其包括反应器本体，所述反应器本体4设有反应器入口2和反应器出口3，所述反应器入口2与进水管1连通。所述反应器本体4内填充有复合生物载体7，所述复合生物载体7包括至少两层生物载体层，所述复合生物载体7包括相互连接的主生物载体10和副生物载体11，所述主生物载体10的孔隙率高于副生物载体11的孔隙率。所述反应器本体4包括依次相互连通的上流段5和下流段6，所述上流段5和下流段6中流体的流动方向垂直于水平面。原始污水通过进水管1在反应器入口2进入反应器本体4内，处理后的废水在反应器出口3被排出。

反应器本体4内和反应器入口2的截面积A_r与入口管道的截面积A_p比值通常A_r/A_p< 4。

反应器本体4是一系列连续的垂直反应段。上流段5之后是下流段6，下流段6后是上流段5。上流段5和下流段6通过顶部弯曲段8和底部弯曲段9相连通。连续的上流段5和下流段6的数量取决于反应器总体积。反应器本体4的上流段5和下流段6被复合生物载体7填充。复合生物载体7材料提供了可供微生物附着形成生物膜的巨大表面积。

为了能够增加整个过程的处理量，反应器本体4可以设置多个平行反应流道。

为了帮助实现推流的条件，反应器本体4内反应段高度H_PFR与当量反应器直径D_PFR的比值为H_PFR/D_PFR= 10-30。

顶部弯曲段8和底部弯曲段9帮助废水进行一种轻微的混合。进一步优选的，可以在顶部弯曲段8处附加一个排气管道。这可以使气泡从废水流体中分离和释放出来。进一步优选的，在底部弯曲管9处连接排水管道，这将可以把反应器完全排空。

如图2所示，反应器本体4被用一种复合生物载体7填充。这种复合生物载体7由两层或者多层结构组成。主生物载体10的特点是孔隙率极高。这保证系统的水头损失和能耗较低。另外，高孔隙率允许气体气泡通过。副生物载体11的孔隙率较低。这种材料可以在允许扩散传质的同时有效抑制对流传质。主生物载体10和副生物载体11两者不同的孔隙率导致形成层流状态。这会有效限制水平方向上的交叉混合。

在传统的固定膜工艺中，部分的生物载体会由于生物质的增长而发生堵塞。这将导致这些反应段的流量下降从而降低整个系统的效率。而本实施例中，由于复合生物载体7中分层的流动体系，主生物载体10的部分堵塞状况将被阻止。

如图3所示，主生物载体10被置于副生物载体11之上。这种夹层结构随后卷曲成一个具有相同间距的阿基米德螺线。生物载体卷曲的数量取决于反应器本体的直径。进一步优选的，完全卷曲的数量是3-10。

进一步优选的，主生物载体10的孔隙率，即空隙的体积（V_v）和总体积V_t的比值 V_v/V_t> 90%。

进一步优选的，主生物载体10 的厚度（x_pr）和副生物载体11的厚度（x_se）的比值x_pr/x_se >10。

采用本实施例的推流式反应器，使得流体可以在生物膜反应器内达到真正的推流状态。流体在狭窄的流道内实现一种分层式的流动体系。废水与附着在固定生物载体上的生物膜之间的对流和扩散传质的最大距离被大幅减少，提高了系统的反应效率并大幅减少了反应器体积。

本实施例的推流式反应器是连续的竖直反应器。反应器的高度与当量直径的比值较高，这将保证真正的推流条件。废水从反应器的入口进入，流经连续的上流段和下流段，这些上流段和下流段通过顶部弯曲段和底部弯曲段实现相互连接。反应器本体内被一种复合生物载体填充，复合生物载体分为至少两层，其中至少有一层高孔隙率的主生物载体被夹在至少一层副生物载体中，副生物载体形成的狭窄流道进一步减少了传质的距离。

实施例2

在实施例1的基础上，如图4所示，高孔隙率的主生物载体10和低孔隙率的副生物载体11可以多层组合使用。即可以采用至少两种主生物载体10和至少两种副生物载体11。举例来说，图4展示了一种复合生物载体7，其包括两个主生物载体层，即第一主生物载体层12和第二主生物载体层13，还包括两个副生物载体层，即第一副生物载体层14和第二副生物载体层15。

第二主生物载体层13、第二副生物载体层15、第一主生物载体层12、第一副生物载体层14依次叠在一起之后卷曲成一个阿基米德螺线，因为副生物载体层厚度很小，螺线间距分别对应第一主生物载体层12和第二主生物载体层13的厚度。当然，还可以包含其他的生物载体层。

进一步优选的，第一副生物载体层14和第二副生物载体层15相同，而第一主生物载体层12和第二主生物载体层13在材质、结构和/或孔隙率方面可以是不同的。当然，第一副生物载体层14和第二副生物载体层15也可以不同。

进一步优选的，第一主生物载体层12和第二主生物载体层13是非织物结构，其是由表面光滑的纤维制成的。它们倾向于但不限于由合成材料制成，例如聚乙烯，聚丙烯或聚酰胺。

进一步优选的，第一副生物载体层14和第二副生物载体层15是织物结构，其是由表面积较大的纤维制成的。它们倾向于但不限于由天然材料制成，例如黄麻、椰壳纤维、洋麻或者其他天然纤维。

实施例3

一种推流式生物反应处理方法，待处理的液体通过如上实施例1或实施例2所述的推流式反应器进行处理，待处理的液体含有一种或者多种溶解的或者悬浮的物质。所述液体在反应器本体内的表观速度 v_pf< 0.3 m/s。进一步的，液体在反应器本体内的表观速度v_pf= 0.05-0.15 m/s。控制液体较低的流速所引发的湍流较弱使得水头损失较小因而能耗较低。

进一步的，所述复合生物载体包含至少一层主生物载体层和至少一层副生物载体层，所述液体在副生物载体层之间被分割成多层，并实现层流流动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：其包括反应器本体，所述反应器本体内填充有固定的复合生物载体，所述复合生物载体为多层结构，所述复合生物载体内沿流动方向设有分层流道；所述复合生物载体包括至少一层主生物载体和至少一层副生物载体，所述主生物载体的孔隙率高于副生物载体的孔隙率；所述复合生物载体沿流动方向的垂直方向为多层结构，多层结构形成分层流道；

所述主生物载体的空隙体积V_v1与主生物载体总体积V_t1的比值满足V_v1/V_t1 > 90%，所述副生物载体的空隙体积V_v2与副生物载体的总体积V_t2之比满足V_v2/ V_t2 < 90%；

所述反应器本体内反应段的高度H和当量反应器直径D的比值满足H / D > 10。

2.根据权利要求1所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：所述反应器本体包括依次相互连通的上流反应段和下流反应段，所述上流反应段和下流反应段中流体的流动方向与水平面的夹角为60~90度。

3.根据权利要求2所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：所述反应器本体与进口管连接，所述反应器本体的截面积A_r和进口管的截面积A_p的比值满足A_r/A_p< 4。

4.根据权利要求2所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：其包括排气管和排水管，所述排气管和排水管分别与反应器本体的上流反应段和下流反应段的顶部相连通。

5.根据权利要求1~4任意一项所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：所述主生物载体层和副生物载体层依次重叠放置后卷绕成阿基米德螺线形。

6.根据权利要求5所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：所述主生物载体的厚度X_pr与所述副生物载体的厚度X_se的比值满足X_pr/ X_se > 10。

7.根据权利要求5所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器，其特征在于：所述主生物载体层和副生物载体层的卷绕圈数为3-10圈。

8.一种如权利要求1~7任意一项所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器的处理方法，其特征在于：待处理的液体通过所述的可以实现分层和接近真正推流条件的反应器进行处理，并使液体在反应器本体内的表观速度 v_pf< 0.3 m/s。