CN111875044A - 一种射漩生物流化床反应器及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水生物处理技术领域，具体是涉及一种射漩生物流化床反应器，包括射漩反应区、曝气区、填料反应区、过渡区、沉淀区和出水区；射漩反应区由射流器和管路组成，曝气区由微孔曝气器和曝气管路组成，填料反应区包括悬浮生物填料、隔板和回流收集装置，沉淀区包括阻隔装置和出水槽；利用本发明能快速提升反应器内污泥浓度，优化反应器内部污水与填料的流态化，有效增加污染物的去除负荷；且本发明操作方便，一体化设计合理，适用于多种废水的常规及应急处理，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，具体是涉及一种射漩生物流化床反应器及其运行方法。
背景技术
生物流化床是一种将传统活性污泥法和生物膜法结合并引入流态化技术的一种污水处理工艺，同时具备活性污泥法工艺和生物膜工艺的特点，相较于传统生物膜法具有负荷高、有机物去除效果好的特点。
由于污水同生物膜接触频率较常规生物填充池高，生物流化床对污染物的去除率较高，但目前其应用过程中仍存在一定的缺陷。如填料流化状态不佳、污泥浓度较低导致去除效率难以提高，中国发明专利CN20150652524.3公开了一种新型好氧生物流化床反应器及其工艺，该反应器包括支架、反应器罐体、外置泵和斜板澄清池等。但该反应器采用上清液作为回流液，无法快速提高反应器内部污泥浓度，导致生化处理效率较低，污水处理场景受限，仅仅适用于特定污水的处理。
基于上述原因，现亟需一种能够快速提升反应器内污泥浓度，提高处理效率的生物流化床。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供了一种射漩生物流化床反应器，利用本发明能快速提升反应器内污泥浓度，优化反应器内部污水与填料的流态化，有效增加污染物的去除负荷；且本发明操作方便，一体化设计合理，适用于多种废水的常规及应急处理，易于推广应用，具体的技术方案如下：
一、发明装置
1、工作原理
生物流化床的主要工作过程及原理是将生物填料填充在反应器内，利用生物填料表面微生物生长形成生物膜，且污水中具有一定浓度的悬浮污泥，当污水以一定流速从下向上流动，使生物填料颗粒处于流化状态，加快了污水与生物膜之间的相对运动，从而增加生物膜与污水之间的接触频率，提高反应器在废水生物处理过程中对污染物的去除效率。
2、装置结构
本发明设计的射漩生物流化床反应器，包括上端侧壁设有出水口、下端侧壁设置有第二排泥口的反应器壳体，反应器壳体内腔设置有反应器，反应器底端侧壁设置有第一排泥口，其具体结构如下：
反应器伸入反应器壳体部分内腔设置有填料反应区，反应器伸出反应器壳体部分内腔由上而下依次分为有射漩反应区和曝气区。
反应器的射漩反应区部位沿外壁间隔设置有2～4个射流器；射流器的射流器入口与提升泵连接，射流器的射流器吸管与第二排泥口连接，射流器的射流器出口沿反应器侧壁切向进入反应器内部。
污水从“射流器入口211”进入，从“射流器出口212”流入射漩反应区2，因管道中污水流动产生的低压会对射流器吸管213产生吸附力，而射流器吸管 213与反应器壳体1下端侧壁的第二排泥口61连接，因此可使污泥在“重力”和“负压”的共同作用下被吸入反应器41进行循环。
反应器的曝气区底部设置有由曝气管路连接起来的微孔曝气器，微孔曝气器能够提供微生物降解所需要的溶解氧，并且提供反应器内部的垂直动能。
填料反应区的上下端均设有栅条式、带弧度的第一隔板，两个第一隔板之间填有悬浮生物填料，处于上面的第一隔板上设置有回流收集装置；第一隔板和回流收集装置可有效避免悬浮生物填料及污水中悬浮污泥的流失。
反应器壳体下端内壁与反应器下端外壁间隔出的空腔设置为沉淀区；反应器壳体上端沿顶面设置有一圈环形的第二隔板，第二隔板与反应器一同将反应器壳体上端内腔由内而外分割为过渡区和出水区。
出水区内腔设置有将沉淀区与出水口分隔开的阻隔装置。
进一步地，阻隔装置为斜板结构或蜂窝斜管结构，能够提升悬浮污泥的沉淀效率。
进一步地，反应器的COD容积负荷为1.6～5.0kg/(m3·d)。
进一步地，射流器可通过阀门手动调节回流量，从而方便地对反应器内的污泥水量比进行调节，并提供反应器内部的平面漩流动能。
二、运行方法
S1、将射流器入口与提升泵连接，射流器吸管与第二排泥口连接，使污水沿射流器出口切向漩流进入射漩反应区，在射漩反应区底部作漩流运动，形成平面回流动能，推动污水与悬浮生物填料一同做平面漩流运动；
S2、经曝气区底部的微孔曝气器向反应器内部注入溶解氧，产生垂直方向上的提升动能，推动污水与悬浮生物填料一同向上运动，产生的垂直动能自下而上打破平面回流动能产生的涡流，使废水与悬浮生物填料在射漩反应区内充分混合均匀；
S3、污水与悬浮生物填料一同向上运动的过程中，填料反应区的上下端设置的第一隔板可防止悬浮生物填料在上升过程中流出填料反应区；处于上面的第一隔板上设置的回流收集装置可将少量流出的悬浮生物填料重新带回填料反应区；
S4、从悬浮生物填料上脱落的生物膜与污水中的悬浮污泥随水流、经过渡区溢流进入沉淀区，悬浮污泥最终沉淀于反应器壳体的锥形下端中内腔中；
S5、过滤后的清水、经阻隔装置由出水口排出；部分沉淀污泥、经第二排泥口通过射流器吸管回流至射漩反应区底部，可根据出水情况调节污水与沉淀污泥的回流，将多余的污泥通过第一排泥口排出。
与现有的生物反应床相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置射流回流结构，能够有效回流污水与污泥，且回流液沿射漩反应区作漩流运动，可与曝气产生的的垂直流态废水充分混合。
(2)悬浮生物填料区设置有栅条式弧形隔离装置和回流收集装置，确保悬浮生物填料不流失，并且处于无死角循环状态。
(3)沉淀区安装有阻隔装置，能够沉降污泥回流至反应器内，保证反应器内的污泥浓度和污泥活性，剩余的排出反应器，提升反应器内污泥浓度的同时，减少了污泥的处理量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的侧视剖面图；
图3是本发明的俯视剖面图；
图4是本发明曝气装置的结构示意图。
图中：1-反应器壳体、2-射漩反应区、21-射流器、211-射流器入口、212- 射流器出口、213-射流器吸管、3-曝气区、31-微孔曝气器、32-曝气管路、4-填料反应区、41-反应器、42-第一隔板、43-悬浮生物填料、44-回流收集装置、5- 过渡区、51-第二隔板、6-沉淀区、61-第二排泥口、7-出水区、71-出水口、72- 阻隔装置、8-第一排泥口。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述。
实施例一
如图1～4所示，一种射漩生物流化床反应器，包括上端侧壁设有出水口7、下端侧壁设置有第二排泥口61的反应器壳体1，反应器壳体1内腔设置有反应器41，反应器41底端侧壁设置有第一排泥口8，其具体结构如下：
反应器41伸入反应器壳体1部分内腔设置有填料反应区4，反应器41伸出反应器壳体1部分内腔由上而下依次分为有射漩反应区2和曝气区3。
反应器41的射漩反应区2部位沿外壁相对设置有两个射流器21；射流器 21的射流器入口211与提升泵连接，射流器21的射流器吸管213和与之对应的第二排泥口61连接，射流器21的射流器出口212沿反应器41侧壁切向进入反应器41内部。
反应器41的曝气区3底部设置有由曝气管路32连接起来的微孔曝气器31，微孔曝气器31能够提供微生物降解所需要的溶解氧，并且提供反应器内部的垂直动能。
填料反应区4的上下端均设有栅条式、带弧度的第一隔板42，两个第一隔板42之间填有悬浮生物填料43，处于上面的第一隔板42上设置有回流收集装置44；第一隔板42和回流收集装置44可有效避免悬浮生物填料43及污水中悬浮污泥的流失。
反应器壳体1下端内壁与反应器41下端外壁间隔出的空腔设置为沉淀区6；反应器壳体1上端沿顶面设置有一圈环形的第二隔板51，第二隔板51与反应器41一同将反应器壳体1上端内腔由内而外分割为过渡区5和出水区7。
出水区7内腔设置有将沉淀区6与出水口71分隔开的阻隔装置72。
具体的，阻隔装置72为斜板结构或蜂窝斜管结构，能够提升悬浮污泥的沉淀效率。
具体的，反应器41的COD容积负荷为1.6～5.0kg/(m3·d)。
具体的，射流器21可通过阀门手动调节回流量，从而方便地对反应器41 内的污泥水量比进行调节，并提供反应器41内部的平面漩流动能。
实施例二
实施例二与实验例一除了以下内容外，其余部分均相同：
反应器41的射漩反应区2部位沿外壁间隔设置有三个射流器21，三个射流器21两两之间的夹角为120°；射流器21的射流器入口211与提升泵连接，射流器21的射流器吸管213和与之对应的第二排泥口61连接，射流器21的射流器出口212沿反应器41侧壁切向进入反应器41内部。
实施例三
实施例三与实验例一除了以下内容外，其余部分均相同：
反应器41的射漩反应区2部位沿外壁间隔设置有四个射流器21，四个射流器21两两之间的夹角为90°；射流器21的射流器入口211与提升泵连接，射流器21的射流器吸管213和与之对应的第二排泥口61连接，射流器21的射流器出口212沿反应器41侧壁切向进入反应器41内部。
应用例
本应用例是以实施例一中的结构为基础进行叙述的，旨在阐明本发明的运行方法，具体步骤如下：
S1、将射流器入口211与提升泵连接，射流器吸管213与第二排泥口61连接，使污水沿射流器出口212切向漩流进入射漩反应区2，在射漩反应区2底部作漩流运动，形成平面回流动能，推动污水与悬浮生物填料43一同做平面漩流运动；
S2、经曝气区3底部的微孔曝气器31向反应器41内部注入溶解氧，产生垂直方向上的提升动能，推动污水与悬浮生物填料43一同向上运动，产生的垂直动能自下而上打破平面回流动能产生的涡流，使废水与悬浮生物填料43在射漩反应区2内充分混合均匀；
S3、污水与悬浮生物填料43一同向上运动的过程中，填料反应区4的上下端设置的第一隔板42可防止悬浮生物填料43在上升过程中流出填料反应区4；处于上面的第一隔板42上设置的回流收集装置44可将少量流出的悬浮生物填料43重新带回填料反应区4；
S4、从悬浮生物填料43上脱落的生物膜与污水中的悬浮污泥随水流、经过渡区5溢流进入沉淀区6，悬浮污泥最终沉淀于反应器壳体1的锥形下端中内腔中；
S5、过滤后的清水、经阻隔装置72由出水口71排出；部分沉淀污泥、经第二排泥口61通过射流器吸管213回流至射漩反应区2底部，可根据出水情况调节污水与沉淀污泥的回流，将多余的污泥通过第一排泥口8排出。
实验例一
实验例一主要是对以上实施例一、实施例二、实施例三进行比较，旨在对比反应器41上射流器21的个数对于射漩反应区2内部上升流场稳定性的影响。
在实验例一中，主要是利用粒子图像测速技术(PIV)对射漩反应区2内部的示踪粒子进行流体运动图像捕捉，然后利用Insight 3G软件对图像进行分析，即可得到相应流场的流速分布，最后将每50个流场分布图利用Tecplot软件计算该时段的平均流场分布，即可得到两组平均流场分布图，取平均值，即得到该流速下的流场分布。
在实验例一中，射流器入口211处的试验流速分别为为20cm/s、40cm/s、 60cm/s，示踪粒子采用聚氯乙烯(PVC)粉末，观察其滑移和翻滚情况，即可对上升流场的稳定性进行模拟，具体的上升流场流速和示踪粒子翻滚情况见表 1。
表1进水水质及出水要求
随试验流速的增加，上升流场的面积与反应器41底部横截面积之间的变化关系如表2所示。
表2上升流场的面积与反应器41底部横截面积之间的比值
结合表、表2中数据可以看出，随着试验流速的增加，不同射流器21个数结构下、射流反应区2中上升流场的强度和规模均明显增大，但不同的结构在具体表现上有以下差别：
1、实施例一(具有两个射流器21)中上升流场的强度明显弱于其余两组，且因射流器21个数少，在试验流速较低的时候，会出现示踪粒子与反应器41 内壁摩擦滑移的现象。
2、实施例三(具有四个射流器21)中上升流场的强度明显强于其余两组，且因射流器21个数少，在试验流速较高的时候，会出现示踪粒子下沉的现象。
3、实施例三(具有三个射流器21)中上升流场的强度适中，且示踪粒子在射流反应区2中翻滚状况稳定。
综上所述，在本实施例中，反应器41上射流器21个数的优选值为三个。
实验例二
实验例二是以上述实施例三中的结构、应用例中的运行方法为基础进行叙述的，旨在阐明本发明设计的射漩生物流化床反应器在实际应用中的表现。
在本实施例中，以某制药废水为处理对象，废水处理量为Q＝120m3/d，进水水质及出水要求详见表3。
表3进水水质及出水要求
| 序号 | 内容 | 进水 | 出水 |
| 1 | COD(mg/L) | 800 | 120 |
| 2 | BOD(mg/L) | 200 | 50 |
| 3 | 氨氮(mg/L) | 300 | 50 |
| 3 | SS(mg/L) | 80 | 40 |
填料反应区4污泥浓度为MLSS＝4500mg/L，悬浮生物填料43填充率为α＝45％，反应器41的COD容积负荷按照q1＝1.8kg/(m3·d)设计，水力停留时间设定为9h，计算得反应器41反应区体积为45m3，高度为4m，底部直径3.78m。污水由射流器入口211泵入，垂直方向上流速为0.45m/h，共需悬浮填料18m3，控制曝气强度使其溶解氧浓度在5.0～6.0g/L，根据出水污染物浓度调节污水回流比与污泥回流，在反应器41稳定后，COD去除率可达90％，出水COD达到约80mg/L左右，氨氮浓度下降到40mg/L左右，去除率达到87％左右。
实验例三
实验例三是以上述实施例三中的结构、应用例中的运行方法为基础进行叙述的，旨在阐明本发明设计的射漩生物流化床反应器在实际应用中的表现。
在本实施例中，以某焦化废水为处理对象，废水处理量为Q＝120m3/d，进水水质及出水要求详见表4。
表4进水水质及出水要求
| 序号 | 内容 | 进水 | 出水 |
| 1 | COD(mg/L) | 5000 | 500 |
| 2 | BOD(mg/L) | 800 | 120 |
| 3 | 氨氮(mg/L) | 600 | 120 |
| 3 | SS(mg/L) | 250 | 100 |
填料反应区4污泥浓度为MLSS＝5000mg/L，悬浮生物填料43填充率为α＝40％，反应器41的COD容积负荷按照q1＝4.5kg/(m3·d)设计，水力停留时间设置为24h，计算得反应器41反应区体积为300m3，高度为5m，底部直径 8.75m，污水由射流器入口211泵入，垂直方向上流速为0.21m/h，共需悬浮填料120m3，控制曝气强度使其溶解氧浓度在5.0～6.0g/L，根据出水污染物浓度调节污水回流比与污泥回流，在反应器稳定后，COD去除率可达90％，出水 COD达到450mg/L左右，氨氮浓度下降到100mg/L左右，去除率达到83％左右。
实验例三
实验例二是以上述实施例三中的结构、应用例中的运行方法为基础进行叙述的，旨在阐明本发明设计的射漩生物流化床反应器在实际应用中的表现。
在本实施例中，以垃圾渗滤液为处理对象，废水处理量为Q＝120m3/d，进水水质及出水要求详见表5。
表5进水水质及出水要求
| 序号 | 内容 | 进水 | 出水 |
| 1 | COD(mg/L) | 12000 | 1500 |
| 2 | BOD(mg/L) | 1800 | 200 |
| 3 | 氨氮(mg/L) | 1000 | 200 |
| 3 | SS(mg/L) | 250 | 100 |
填料反应区4污泥浓度为MLSS＝4800mg/L，悬浮生物填料43填充率为α＝40％，反应器41的COD容积负荷按照q1＝4.0kg/(m3·d)设计，水力停留时间设置为24h，计算得反应器反应区体积为10.5m3，高度为3m，底部直径2.11m，污水由射流器入口211泵入，垂直方向上流速为0.125m/h，共需悬浮填料4.2m3，控制曝气强度使其溶解氧浓度在5.0～6.0g/L，根据出水污染物浓度调节污水回流比与污泥回流，在反应器41稳定后，COD去除率可达90％，出水COD达到1200mg/L左右，氨氮浓度下降到160mg/L左右，去除率达到 84％左右。
Claims (5)
1.一种射漩生物流化床反应器，包括上端侧壁设有出水口(7)、下端侧壁设置有第二排泥口(61)的反应器壳体(1)，所述反应器壳体(1)内腔设置有反应器(41)，所述反应器(41)底端侧壁设置有第一排泥口(8)，其特征在于：
所述反应器(41)伸入反应器壳体(1)部分内腔设置有填料反应区(4)，反应器(41)伸出反应器壳体(1)部分内腔由上而下依次分为射漩反应区(2)和曝气区(3)；
所述反应器(41)的射漩反应区(2)部位沿外壁间隔设置有2～4个射流器(21)；所述射流器(21)的射流器入口(211)与提升泵连接，射流器(21)的射流器吸管(213)与第二排泥口(61)连接，射流器(21)的射流器出口(212)沿反应器(41)侧壁切向进入反应器(41)内部；
所述反应器(41)的曝气区(3)底部设置有由曝气管路(32)连接起来的微孔曝气器(31)；
所述填料反应区(4)的上下端均设有栅条式、带弧度的第一隔板(42)，两个第一隔板(42)之间填有悬浮生物填料(43)，处于上面的第一隔板(42)上设置有回流收集装置(44)；
所述反应器壳体(1)下端内壁与反应器(41)下端外壁间隔出的空腔设置为沉淀区(6)；所述反应器壳体(1)上端沿顶面设置有一圈环形的第二隔板(51)，所述第二隔板(51)与反应器(41)一同将反应器壳体(1)上端内腔由内而外分割为过渡区(5)和出水区(7)；
所述出水区(7)内腔设置有将沉淀区(6)与出水口(71)分隔开的阻隔装置(72)。
2.如权利要求1所述的一种射漩生物流化床反应器，其特征在于，所述阻隔装置(72)为斜板结构或蜂窝斜管结构。
3.如权利要求1所述的一种射漩生物流化床反应器，其特征在于，所述反应器(41)的容积负荷为1.6～5.0kg/(m3·d)。
4.如权利要求1所述的一种射漩生物流化床反应器，其特征在于，所述射流器(21)可通过阀门手动调节回流量。
5.如权利要求1～4任意一项所述射漩生物流化床反应器的运行方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将射流器入口(211)与提升泵连接，射流器吸管(213)与第二排泥口(61)连接，使污水沿射流器出口(212)切向漩流进入射漩反应区(2)，在射漩反应区(2)底部作漩流运动，形成平面回流动能，推动污水与悬浮生物填料(43)一同做平面漩流运动；
S2、经曝气区(3)底部的微孔曝气器(31)向反应器(41)内部注入溶解氧，产生垂直方向上的提升动能，推动污水与悬浮生物填料(43)一同向上运动，产生的垂直动能自下而上打破平面回流动能产生的涡流，使废水与悬浮生物填料(43)在射漩反应区(2)内充分混合均匀；
S3、污水与悬浮生物填料(43)一同向上运动的过程中，填料反应区(4)的上下端设置的第一隔板(42)可防止悬浮生物填料(43)在上升过程中流出填料反应区(4)；处于上面的第一隔板(42)上设置的回流收集装置(44)可将少量流出的悬浮生物填料(43)重新带回填料反应区(4)；
S4、从悬浮生物填料(43)上脱落的生物膜与污水中的悬浮污泥随水流、经过渡区(5)溢流进入沉淀区(6)，悬浮污泥最终沉淀于反应器壳体(1)的锥形下端中内腔中；
S5、过滤后的清水、经阻隔装置(72)由出水口(71)排出；部分沉淀污泥、经第二排泥口(61)通过射流器吸管(213)回流至射漩反应区(2)底部，可根据出水情况调节污水与沉淀污泥的回流，将多余的污泥通过第一排泥口(8)排出。
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