CN111410371B - 限氧型内循环生物脱硫反应器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种限氧型内循环生物脱硫反应器及方法。该反应器主体包括上部筒体和下部筒体，上部筒体和下部筒体之间通过渐缩段连接，自上而下依次由混合进水区、泥水分离区和循环反应区组成；混合进水区设有转盘、分隔罩、环形进水槽和进水管；循环反应区设有排泥管、集泥槽、吸泥口、污泥回流管和文丘里管；泥水分离区设有沉淀斜面、斜板和出水管。本发明为一体化设计，装置结构紧凑，占地面积小；采用转盘表面曝气，实现限制性供氧，再利用文丘里管进行补充供氧，单质硫选择率高；转盘产生的推动力与污泥回流泵的提升力相结合，可实现脱硫污泥高效内循环，提高传质效率；采用斜板沉淀进行泥水分离，可实现脱硫污泥有效持留，增强反应能力。

Description

限氧型内循环生物脱硫反应器及方法
技术领域
本发明涉及一种生物脱硫反应器，尤其涉及一种限氧型内循环生物脱硫反应器及方法。
背景技术
厌氧发酵产生的沼气中往往含有体积比0.05％-2％的硫化氢，虽然硫化氢占比不高，但可腐蚀管道和气体储罐；除此之外，硫化氢的燃烧产物二氧化硫是温室气体，会导致酸雨。
Figure BDA0002453619320000011
(Paques,The Netherlands)、SulfothaneTM(Veolia,France)等生物脱硫技术能有效去除沼气以及其它气体中的硫化氢，并高效回收单质硫资源。截至2017年，全球已有250余座生物脱硫工程投产，应用前景广阔。
目前，生物脱硫工程多采用鼓泡曝气装置，通过限制性供氧来提高单质硫选择率，同时利用鼓泡产生湍流来促进单质硫与细胞分离。然而，在限制性供氧与鼓泡增强湍流之间往往存在矛盾。为此，本发明设计了一种限氧型内循环生物脱硫反应器，通过在混合进水区内合理设置转盘并辅以文丘里管供氧，提高了单质硫选择率；通过巧妙利用转盘的推动力和污泥回流泵的提升力，实现了污泥的高效内循环，提高了传质效率；通过在泥水分离区设置斜板，实现了功能菌的有效持留，增强了反应能力；采用一体式设计，结构紧凑、占地面积小，具有推广应用前景。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种限氧型内循环生物脱硫反应器。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种限氧型内循环生物脱硫反应器，该反应器主体包括上部筒体和下部筒体，上部筒体和下部筒体之间通过渐缩段连接；
所述的上部筒体中设有内筒体，所述内筒体顶部开口且高出上部筒体，内筒体下部具有与所述渐缩段平行的环形斜板，环形斜板中心具有出口通道；
所述内筒体中设有环形进水槽、分隔罩和若干转盘；分隔罩呈由下向上渐扩的喇叭口状，其中轴线与反应器中轴线重合，分隔罩顶部低于反应器的液面线，底部与污泥回流管相连；分隔罩与所述内筒体之间保持间隔，形成回流通道；所述若干转盘以反应器中轴线为中心，环向均布于分隔罩正上方，转盘的转轴与反应器的液面线持平；所述环形进水槽与反应器同轴且布置于各转盘的外侧；环形进水槽底部均匀分布有若干进水管，槽内蓄水区域通过进水管连通所述回流通道；
所述的下部筒体的底部设有集泥槽，集泥槽底部连接有排泥管；所述污泥回流管穿过所述出口通道后，与设置于所述集泥槽中的吸泥口相连；所述污泥回流管上设有文丘里管以及污泥回流泵，污泥回流泵用于将吸泥口中污泥向上输送至分隔罩，所述文丘里管的喉管位置通过一条带有空气调节阀的进气管连接至外部大气；
所述内筒体与上部筒体之间保持间隔，形成环形的泥水分离区；所述渐缩段的内表面作为泥水分离区的沉淀斜面，沉淀斜面上方的环形空间中布置有斜板沉淀装置；斜板沉淀装置上方的上部筒体侧壁上设有出水管，出水管的高度与反应器的液面线持平。
作为一种优选实现方式，所述下部筒体、分隔罩、环形进水槽和上部筒体的最大直径之比为1：1.4～1.6：2～2.5：3～3.5。
作为一种优选实现方式，所述内筒体中设置6～8组转盘，每组转盘设置3～4个盘片，转动方向与水流方向一致，使水流由内筒体中心向外周流动。
作为一种优选实现方式，所述分隔罩顶部低于反应器的液面线30～50mm，其侧壁与水平面间的夹角为45°～60°。
作为一种优选实现方式，所述环形进水槽宽度与分隔罩的最大横截面半径之比为0.2～0.3：1；底部共设置16～20个进水管；环形进水槽水平中位线与反应器的液面线持平。
作为一种优选实现方式，所述集泥槽侧壁与水平面间夹角为60°～75°，底面直径为下部筒体直径的1/2～2/3；吸泥口侧壁与水平面间夹角为45°～60°，其底部与集泥槽底面的距离为50～100mm。
作为一种优选实现方式，所述污泥回流泵设置于污泥回流管的1/4～1/3高度处；文丘里管设置于污泥回流管的1/2高度处。
作为一种优选实现方式，所述沉淀斜面与水平面间夹角为60°～75°；斜板沉淀装置中的斜板与水平面间夹角为45°～60°；斜板沉淀装置顶部距离液面100～200mm。
作为一种优选实现方式，斜板沉淀装置由若干斜板沿着所述泥水分离区环向排布而成，将泥水分离区分割为若干斜向出水通道，相邻斜板之间的间距为50～150mm。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述反应器的限氧型内循环生物脱硫方法，其步骤如下：
在反应器运行过程中，将硫化氢吸收液通过环形进水槽通入反应器中；在所述内筒体中的分隔罩顶部，利用不断转动的转盘对回流的污泥混合液进行表面曝气，实现限制性供氧，利于单质硫的生成，并根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘转速和转盘开停，优化供氧量；同时，在转盘推动下，曝气后的污泥混合液由中心向外辐射，与经环形进水槽和进水管流入反应器的硫化氢吸收液混合，经过所述回流通道进入下部筒体中；污泥混合液自上而下进入集泥槽，再由吸泥口进入污泥回流管，由污泥回流泵重新泵至分隔罩顶部进行曝气，实现脱硫污泥内循环；在反应器运行过程中，选择性开启空气调节阀，利用文丘里效应，通过进气管向回流污泥补充供氧；循环反应过程中，污泥中的硫氧化细菌利用水中的氧实现硫化物到单质硫的短程氧化，最终产生胶体态单质硫，在泥水分离区内通过斜板沉淀装置强化沉降，实现泥水分离，富含胶体态单质硫的液相由出水管排出，再进行后续单质硫的分离纯化。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：(1)本发明为一体化设计，装置结构紧凑，占地面积小；(2)采用转盘曝气，实现限制性供氧，再利用文丘里管补充供氧，单质硫选择率高；(3)转盘与污泥回流泵的动力相结合，可实现脱硫污泥的高效内循环，提高了传质效率；(4)将斜板沉淀运用于泥水分离区，实现了脱硫污泥的有效持留，增强了反应能力。
附图说明
图1是一种限氧型内循环生物脱硫反应器的结构剖面图；
图2是混合进水区和泥水分离区的俯视图；
图3是泥水分离区内斜板的示意图；
图中：混合进水区Ⅰ、循环反应区Ⅱ、泥水分离区Ⅲ；环形进水槽1、进水管2、转盘3、转轴4、分隔罩5、沉淀斜面6、出水管7、斜板沉淀装置8、集泥槽9、排泥管10、吸泥口11、污泥回流管12、污泥回流泵13、文丘里管14、空气调节阀15、进气管16。
具体实施方式
下面结合具体附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。各优选实施方式间若没有特殊说明或冲突，可以进行任意组合。
传统生物脱硫反应器内多采用鼓泡式曝气，其曝气位置一般位于反应器的反应区底部，曝气气流一方面用于对废水进行供氧，另一方面用于对废水和污泥的混合液进行气提和搅动，实现湍流混合。然而，这种做法在限制性供氧与增强反应液湍流促进充分混合之间往往存在矛盾：当曝气量大时，气提效果强，湍流剧烈，传质效果好，但硫氧化细菌氧化硫化物的主要产物为硫酸根(硫化物的全程氧化)，单质硫选择率低；当曝气量小时，供氧相对受限，硫氧化细菌氧化硫化物的主要产物为单质硫(硫化物的短程氧化)，单质硫选择率高，但气提效果弱，湍流轻缓，传质效果差。
针对该问题，本发明设计了一种限氧型内循环生物脱硫反应器，其利用转盘对回流液进行表面曝气，实现限制性供氧，利于单质硫的生成，并可根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘转速和转盘开停，优化供氧量；转盘与污泥回流泵的动力相结合，可实现脱硫污泥的高效内循环，提高了传质效率。下面结合附图对其具体实现形式进行详细描述。
如图1和2所示，为本发明的一个较佳实施例中提供的一种限氧型内循环生物脱硫反应器，该反应器主体包括上部筒体和下部筒体，上部筒体的直径要大于下部筒体，两者之间通过渐缩段连接。
上部筒体中设有内筒体，该内筒体呈两段式设计，上部为顶部开口的圆筒体，而下部为一块环形斜板，环形斜板的顶部与圆筒体底部相连接。上部的圆筒体高出上部筒体，下部的环形斜板与渐缩段平行，环形斜板中心不封闭，具有一个圆形的出口通道。
内筒体中设有环形进水槽1、分隔罩5和若干转盘3。其中分隔罩5呈由下向上渐扩的喇叭口状，其中轴线与反应器中轴线重合。反应器在运行过程中，其内部的水位是大致保持固定的，一般由反应器的出水口高度决定，为了便于描述将该固定水位称为反应器的液面线。分隔罩5顶部低于反应器的液面线，底部与污泥回流管12相连。分隔罩5与内筒体之间保持间隔，因此两者之间形成了一条回流通道，从分隔罩5中排出的混合液可以重新从回流通道进人下部筒体。若干个转盘3以反应器中轴线为中心，环向均布于分隔罩5正上方，转盘3的转轴4与反应器的液面线持平。转盘3的作用是对回流的污泥混合液进行表面曝气，以提高其含氧量。由于该曝气位置位于反应器顶部，且位于与硫化氢吸收液混合的位置上游，因此其可根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘转速和转盘开停，优化供氧量。转盘3的表面可以设置若干凸起的锯齿，以增加入水时的水气搅动，提高曝气效率。同时，转盘3也起到了提供流动动力的作用，可以在曝气的同时驱动污泥混合液由中心向外辐射，进而与后续的硫化氢吸收液均匀混合。
在该反应器中，硫化氢吸收液是通过环形进水槽1注入反应器中的。环形进水槽1与反应器同轴且布置于各转盘3的外侧，它是一条顶部开口的槽体，首尾相接，槽体内的蓄水区域可以通过进水管连通反应器外部，用于补充硫化氢吸收液。环形进水槽1底部均匀分布有若干进水管2，由此槽内蓄水区域通过进水管2连通回流通道，将硫化氢吸收液注入回流通道中与曝气完毕的污泥混合液混合。
下部筒体的底部设有集泥槽9，集泥槽9底部连接有排泥管10，排泥管10可控开闭，用于根据工艺需要将底部沉积的污泥排出。污泥回流管12一端连接分隔罩5的底部，另一端穿过内筒体底部的出口通道后，与设置于集泥槽9中的吸泥口11相连。吸泥口11是一个倒置的漏斗形状，其距离集泥槽9底部有一定距离，作用是将底部的污泥混合液吸入污泥回流管12中。污泥回流管12上设有文丘里管14以及污泥回流泵13，污泥回流泵13用于提供抽吸动力，将吸泥口11中的污泥向上输送至分隔罩5中进行曝气。而文丘里管14的喉管位置通过一条带有空气调节阀15的进气管16连接至外部大气。在污泥回流泵13的作用下，污泥回流管12内形成高速流体，进而利用文丘里效应将外部的空气抽入污泥回流管12中与污泥混合。在常温条件下，液相中饱和溶解氧浓度为8～9ml/L，因此转盘表面曝气的供氧能力存在上限。当高浓度硫化氢吸收液进入反应器后，可能存在供氧不足的情况。因此，文丘里管14可用于氧气备用补充，根据主反应器内硫化物去除率和单质硫选择率的达标情况，决定进气管16上空气调节阀15的通断，向反应器内适量补充供氧。
由此，反应器内部的空间，按照功能可以划分为混合进水区Ⅰ、循环反应区Ⅱ、泥水分离区Ⅲ。混合进水区Ⅰ主要位于内筒体中，主体结构为环形进水槽1；而内筒体与下部筒体的其余空间则构成了循环反应区Ⅱ，带有硫氧化细菌的污泥混合液不断在循环反应区Ⅱ中循环，并在循环过程中利用水中的氧气以及硫化氢吸收液进行短程氧化，实现硫化物到单质硫的转变。单质硫一般是以胶体态悬浮于水中的，其并不容易沉淀，因此还需要将其排出反应器进行后续分离。泥水分离和出水是在泥水分离区Ⅲ中进行的。在该反应器中，内筒体与上部筒体之间保持间隔，由此形成环形的泥水分离区Ⅲ。渐缩段的内表面作为泥水分离区的沉淀斜面6，沉淀斜面6上方的环形空间中布置有斜板沉淀装置8。斜板沉淀装置8上方的上部筒体侧壁上设有出水管7，出水管7的高度与反应器的液面线持平。出水管7可以沿周向设置多条，同步出水。
上述斜板沉淀装置8的一种实现形式如图3所示，由若干斜板沿着所述泥水分离区环向排布而成，将泥水分离区分割为若干斜向出水通道，相邻斜板之间的间距为50～150mm。污泥在随水流向上流动过程中，会在斜板21之间的通道中发生沉淀，进而落在斜板21上继续滑落，由此实现泥水分离。
本发明的反应器中，各部件的具体参数可以选择如下：
下部筒体、分隔罩5、环形进水槽1和上部筒体的最大直径之比为1：1.4～1.6：2～2.5：3～3.5。内筒体中设置6～8组转盘3，每组转盘3设置3～4个盘片，转动方向与水流方向一致，使水流由内筒体中心向外周流动。分隔罩5顶部低于反应器的液面线30～50mm，其侧壁与水平面间的夹角为45°～60°。环形进水槽1宽度与分隔罩5的最大横截面半径之比为0.2～0.3：1；底部共设置16～20个进水管2；环形进水槽1水平中位线与反应器的液面线持平。集泥槽9侧壁与水平面间夹角为60°～75°，底面直径为下部筒体直径的1/2～2/3；吸泥口11侧壁与水平面间夹角为45°～60°，其底部与集泥槽9底面的距离为50～100mm。污泥回流泵13设置于污泥回流管12的1/4～1/3高度处；文丘里管14设置于污泥回流管12的1/2高度处。沉淀斜面6与水平面间夹角为60°～75°；斜板沉淀装置8中的斜板与水平面间夹角为45°～60°；斜板沉淀装置8顶部距离液面100～200mm。
基于上述生物脱硫反应器，本发明还提供了一种限氧型内循环生物脱硫方法，其步骤如下：
首先，将污泥接种至反应器中，并经过富集和驯化，培养成以硫氧化细菌为优势菌群的脱硫污泥。同时，对于待处理的含硫化物气体，将其通入吸收液中，形成硫化氢吸收液，输入环形进水槽1中待用。
在反应器运行过程中，将硫化氢吸收液通过环形进水槽1通入反应器中；在内筒体中的分隔罩5顶部，利用不断转动的转盘3对回流的污泥混合液进行表面曝气，实现限制性供氧，利于单质硫的生成。而且，在运行过程中随时根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘3转速和转盘3开停，优化供氧量。同时，在转盘3推动下，曝气后的污泥混合液由中心向外辐射，与经环形进水槽1和进水管2流入反应器的硫化氢吸收液混合，经过所述回流通道进入下部筒体中。污泥混合液自上而下进入集泥槽9，再由吸泥口11进入污泥回流管12，由污泥回流泵13重新泵至分隔罩5顶部进行曝气，实现脱硫污泥内循环。在反应器运行过程中，选择性开启空气调节阀15，利用文丘里效应，通过进气管16向回流污泥补充供氧。当整个反应器的硫化物去除率和单质硫转化率较低时，可以开启空气调节阀15，利用文丘里效应，将空气通过进气管16抽入污泥回流管12中，向混合液中补充氧气，进一步调节最终的混合液中氧浓度，促进反应器内的硫化物向单质硫转化；当反应器中硫化物去除率和单质硫转化率满足要求时，保持空气调节阀15关闭，仅利用转盘3进行曝气即可。在整个循环反应过程中，污泥中的硫氧化细菌利用水中的氧实现硫化物到单质硫的短程氧化，最终产生胶体态单质硫，在泥水分离区内通过斜板沉淀装置8强化沉降，实现泥水分离，富含胶体态单质硫的液相由出水管7排出，再进行后续单质硫的分离纯化。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：反应器主体包括上部筒体和下部筒体，上部筒体和下部筒体之间通过渐缩段连接；
所述的上部筒体中设有内筒体，所述内筒体顶部开口且高出上部筒体，内筒体下部具有与所述渐缩段平行的环形斜板，环形斜板中心具有出口通道；
所述内筒体中设有环形进水槽（1）、分隔罩（5）和若干转盘（3）；分隔罩（5）呈由下向上渐扩的喇叭口状，其中轴线与反应器中轴线重合，分隔罩（5）顶部低于反应器的液面线，底部与污泥回流管（12）相连；分隔罩（5）与所述内筒体之间保持间隔，形成回流通道；所述若干转盘（3）以反应器中轴线为中心，环向均布于分隔罩（5）正上方，转盘（3）的转轴（4）与反应器的液面线持平；所述环形进水槽（1）与反应器同轴且布置于各转盘（3）的外侧；环形进水槽（1）底部均匀分布有若干进水管（2），槽内蓄水区域通过进水管（2）连通所述回流通道；
所述的下部筒体的底部设有集泥槽（9），集泥槽（9）底部连接有排泥管（10）；所述污泥回流管（12）穿过所述出口通道后，与设置于所述集泥槽（9）中的吸泥口（11）相连；所述污泥回流管（12）上设有文丘里管（14）以及污泥回流泵（13），污泥回流泵（13）用于将吸泥口（11）中污泥向上输送至分隔罩（5），所述文丘里管（14）的喉管位置通过一条带有空气调节阀（15）的进气管（16）连接至外部大气；
所述内筒体与上部筒体之间保持间隔，形成环形的泥水分离区；所述渐缩段的内表面作为泥水分离区的沉淀斜面（6），沉淀斜面（6）上方的环形空间中布置有斜板沉淀装置（8）；斜板沉淀装置（8）上方的上部筒体侧壁上设有出水管（7），出水管（7）的高度与反应器的液面线持平；
在所述内筒体中的分隔罩（5）顶部，利用不断转动的转盘（3）对回流的污泥混合液进行表面曝气，实现限制性供氧，利于单质硫的生成，并根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘（3）转速和转盘（3）开停，优化供氧量；同时，在转盘（3）推动下，曝气后的污泥混合液由中心向外辐射，与经环形进水槽（1）和进水管（2）流入反应器的硫化氢吸收液混合，经过所述回流通道进入下部筒体中。
2.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述下部圆筒、分隔罩（5）、环形进水槽（1）和上部圆筒的最大直径之比为1：1.4~1.6：2~2.5：3~3.5。
3.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述内筒体中设置6~8组转盘（3），每组转盘（3）设置3~4个盘片，转动方向与水流方向一致，使水流由内筒体中心向外周流动。
4.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述分隔罩（5）顶部低于反应器的液面线30~50mm，其侧壁与水平面间的夹角为45°~60°。
5.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述环形进水槽（1）宽度与分隔罩（5）的最大横截面半径之比为0.2~0.3：1；底部共设置16~20个进水管（2）；环形进水槽（1）水平中位线与反应器的液面线持平。
6.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述集泥槽（9）侧壁与水平面间夹角为60°~75°，底面直径为下部圆筒直径的1/2~2/3；吸泥口（11）侧壁与水平面间夹角为45°~60°，其底部与集泥槽（9）底面的距离为50~100mm。
7.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述污泥回流泵（13）设置于污泥回流管（12）的1/4~1/3高度处；文丘里管（14）设置于污泥回流管（12）的1/2高度处。
8.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述沉淀斜面（6）与水平面间夹角为60°~75°；斜板沉淀装置（8）中的斜板与水平面间夹角为45°~60°；斜板沉淀装置（8）顶部距离液面100~200mm。
9.根据权利要求1所述的限氧型内循环生物脱硫反应器，其特征在于：斜板沉淀装置（8）由若干斜板沿着所述泥水分离区环向排布而成，将泥水分离区分割为若干斜向出水通道，相邻斜板之间的间距为50~150mm。
10.一种利用如权利要求1所述反应器的限氧型内循环生物脱硫方法，其特征在于，步骤如下：
在反应器运行过程中，将硫化氢吸收液通过环形进水槽（1）通入反应器中；在所述内筒体中的分隔罩（5）顶部，利用不断转动的转盘（3）对回流的污泥混合液进行表面曝气，实现限制性供氧，利于单质硫的生成，并根据硫化物去除率和单质硫选择率调节转盘（3）转速和转盘（3）开停，优化供氧量；同时，在转盘（3）推动下，曝气后的污泥混合液由中心向外辐射，与经环形进水槽（1）和进水管（2）流入反应器的硫化氢吸收液混合，经过所述回流通道进入下部筒体中；污泥混合液自上而下进入集泥槽（9），再由吸泥口（11）进入污泥回流管（12），由污泥回流泵（13）重新泵至分隔罩（5）顶部进行曝气，实现脱硫污泥内循环；在反应器运行过程中，选择性开启空气调节阀（15），利用文丘里效应，通过进气管（16）向回流污泥补充供氧；循环反应过程中，污泥中的硫氧化细菌利用水中的氧实现硫化物到单质硫的短程氧化，最终产生胶体态单质硫，在泥水分离区内通过斜板沉淀装置（8）强化沉降，实现泥水分离，富含胶体态单质硫的液相由出水管（7）排出，再进行后续单质硫的分离纯化。
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