CN112456633A - 一种生物膜反应器及生物膜量调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物膜反应器，包括：设置在反应器下方的布水区，在所述布水区的上方设置有填料区，在所述填料区的上方设置有直径扩大的出水区，在所述填料区和所述出水区之间构造有过渡区；其中，所述布水区设置有栅形分布板，优选地，所述栅形分布板上设置有条形通道。本发明的生物膜反应器具有新型高效、占地面积小、运行稳定的特点。

Description

一种生物膜反应器及生物膜量调控方法

技术领域

本发明涉及化工领域，具体涉及一种生物膜反应器及生物膜量调控工艺。

背景技术

随着我国城市规模的发展和工业化程度的不断提高，产生的难处理的工业污水和生活污水不断增多，污水处理厂面临着严峻的挑战，特别是工业污水处理领域，污水排放量大，水质复杂，毒性大。传统的污水生化处理工艺为活性污泥法，但活性污泥法污泥浓度低，不能处理高负荷污水，且污泥易膨胀、占地面积大、需要大规模沉淀设备、剩余污泥量大。而生物膜法处理工艺凭借其处理效率高、剩余污泥产泥量少、运行管理方便等特点得到快速发展，在污水处理中有广阔的应用前景。

所谓生物膜法，是指利用附着生长于填料表面的微生物(即生物膜)进行有机污水处理的方法，而采用生物膜法处理污水的装置称为生物膜反应器。随着运行时间的延长填料颗粒上生长的生物膜厚度会随之增加，生物膜的增厚体现出生物量的增加，但生物膜生长过厚会影响基质在生物膜内的传质，从而使反应器的效率降低。过厚的生物膜还会导致填料颗粒的粘连或结团，进而可能产生局部水流短路，细小填料颗粒上生物膜生长过厚还可能导致填料被水流带出反应器，这些因素都不利于反应器的正常运行。而生物膜的正常脱落，不仅使生物膜维持较高的活性，从而保证稳定良好的处理效果，而且还可以减少反应器的堵塞和水力短流现象。因此，反应器中生物膜的适度脱落对于去除冗余的生物膜，维持生物膜的最佳厚度，提高生物膜的活性和转化率以及缩短反应器的启动周期都非常重要。目前，在生物膜反应器实际运行过程中，尚未形成系统易操作的填料生物膜调控工艺，这直接影响到反应器的运行稳定性及其在工业上的推广应用。

针对目前水处理中生物膜反应器运行的工艺状况，亟需研发一种新型的强化生物膜反应器及生物膜调控工艺，提高生物膜活性和处理负荷，并有效降低其运行维护费用。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种生物膜反应器和一种生物膜量调控方法，通过在生物膜反应器中设置栅形分布板、超声波清洗装置和气体自控装置，使得生物膜反应器具有新型高效、占地面积小、运行稳定的特点。

本发明一方面提供一种生物膜反应器，包括：设置在反应器下方的布水区，在所述布水区的上方设置有填料区，在所述反应器的上方设置有直径扩大的出水区，在所述填料区和所述出水区之间构造有过渡区；

其中，所述布水区设置有栅形分布板。

本申请的发明人经研究发现，栅形分布板的设置可实现进水均匀分布，增加流化床的容积有效利用率。

根据本发明，生物膜反应器为升流式生物膜反应器。生物膜反应器可由钢板、玻璃或其它本领域常用的材料制成。

根据本发明，所述栅形分布板上设置有条形通道。

根据本发明，直径扩大是指出水区的直径大于填料区的直径。

根据本发明，所述过渡区的直径在沿填料区到出水区的方向上逐渐增大。

根据本发明，填料区的高径比为(12-20)：1，优选为(14-18)：1。出水区的高径比为(1-3)：1，优选为(1.5-2.5)：1。出水区和填料区的直径之比为(2-4)：1，优选为(2.5-3.5)：1。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述条形通道的宽度为所述填料区装填的填料的粒径的0.6～0.9倍，优选为0.65～0.85倍。

根据本发明，当条形通道的宽度为所述填料区装填的填料的粒径的0.6～0.9倍，优选为0.65～0.85倍时，能够有效拦截填料。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述填料区装填的填料的粒径为2.0mm～5.0mm，优选为2.5mm～3.0mm；比重为0.90～1.10，优选为0.95～1.05。

根据本发明，当填料的粒径和/或比重在本发明的限定范围内时，填料的粒径适宜、比重小、易流化、比表面积大，此时通过控制反应器内液流上升速度易于使填料床以流化态运行，避免水流短路，提高待处理污水中有机物的去除负荷。

根据本发明，填料在进入反应器前应先进行抛光、脱脂等常规预处理，以便于微生物的附着生长。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述出水区的上方设置有出水口，在所述出水口处设置有滤网，优选地，所述滤网的孔径为0.5mm～2.0mm。

根据本发明，在出水区的中心位置设置有三相分离器。三相分离器由中心管、喇叭口形状的上部罩体、下部罩体和连接件组成，上部罩体及下部罩体的扩口端朝向生物膜反应器的底部，上部罩体缩口端与中心管下端口连接，上部罩体与下部罩体由连接件连接，并构成过流通道。

根据本发明，在出水区顶部周边设置有集水槽和出水堰，在出水区上部侧壁上设置有出水口，在出水区下部侧壁上设置有排泥口，在反应器底部设置有进水口，填料区外侧设置有保温夹套。

根据本发明，生物膜反应器还包括进料管以及进料泵。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述生物膜反应器还包括超声波清洗装置，所述超声波清洗装置用于清洗所述滤网。

根据本发明，超声波清洗装置能够有效清洗出水滤网，实现装置出水连续排泥，并防止填料流失。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述超声波清洗装置包括依次连接的超声波探头、超声波换能器和超声波控制器，优选地，所述超声波探头置于所述出水区内、所述滤网的外侧，并距离所述滤网0.5cm-2.5cm。

根据本发明，通过超声波控制器可自动调控超声波探头的信号输出时间、输出强度及输出频率，实现对出水滤网黏附污泥清洗、连续排泥并防止填料流失的目的。出水经过滤网后通过出水口进入循环管路或者排出系统。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述生物膜反应器还包括气体自控装置，所述气体自控装置用于对所述填料区装填的填料进行脱膜处理，优选地，经脱膜处理的填料的膜厚为100μm～250μm。

根据本发明，气体自控装置能够根据气洗需求来提供氮气/空气进行定向定位脱膜。气体自控装置可以实现对填料的生物膜厚度的及时调控，使填料保持高生物活性，并有效防止床层堵塞。

根据本发明，通过反应器填料床层生物膜纵向分布发现，上部生物膜较厚，下部较薄。单位体积生物膜吸收基质的速率随生物膜厚度的增加，先增大后减小，其间存在最大值，最大吸收速率对应的生物膜厚为最佳膜厚。因此，将生物膜的厚度控制在“最佳生物膜厚”(即本发明限定的厚度)这一厚度左右时，反应器的处理效果最佳，生物膜过厚和过薄都会影响微生物的活性。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述气体自控装置包括依次连接的气体储罐、质量流量控制器、气体流量计和气体出口分布器，其中，所述质量流量控制器还连接有时间继电器和气体流量积算仪。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述气体出口分布器位于所述填料区，优选地，所述气体出口分布器的位置根据化学需氧量(COD)处理负荷进行调节。

根据本发明，气体质量流量控制器通过阀门和进气管与气体储罐连接，并通过时间继电器和气体流量积算仪调控，实现对气量、通气时间和频率的自动控制。气体储罐的气体减压后经过气体质量流量控制器和气体流量计，通过填料床层设置的气体出口分布器进入生物膜反应器的填料床层。

由于局部能量分散速率影响微生物在填料表面的附着，填料生物膜厚度在流化床中不是均匀分布，而是由下到上呈“阶梯”状分布，因此气体出口分布器高度根据COD处理负荷进行调节，控制需进行脱膜的填料层高度，气泡向上摩擦填料上的生物膜，脱落的老化生物膜随出水或者排泥口排出系统，实现对填料生物量的有效调控。

本发明另一方面提供一种生物膜量调控方法，包括：利用上述的生物膜反应器，并在下述参数下对生物膜量进行调控：

单次通气时间为0.5min～4.0min，通气频率为10～150次/天，通气强度为7L/m²·s～16L/m²·s；和/或

所述生物膜反应器的水力升流速度为50m/h-70m/h。

在本发明的一个具体的实施方式中，生物膜反应器运行过程如下：

进料罐连接进料泵，生物膜反应器出水口的循环水进入循环泵，循环泵的出水和进料泵的出水混合后通过底部进料口进入生物膜反应器中，经过栅形分布板配水后，进入填料区，在向上流动的循环水流的作用下，流化床中填料颗粒随水流浮动，使填料区内填料处于流化状态。由于循环水流中含有可生化降解的基质，填料区的细颗粒填料上会生长微生物膜，有机物得以去除。循环水流通过填料区后进入出水区，出水区的横截面积大于填料区的横截面积，水流上升流速降低，填料区内被循环水流带起的细小填料颗粒在水流流速降低后又沉降回填料区，防止细小填料被水流带出反应器。水流到达出水区后通过出水口进入循环泵，剩余出水通过液位高差溢流进入排水管排出系统。

在废水升流速度一定时，可以依据填料层上界面的位置(即填料层膨胀率)判断填料生物膜量，进而对填料生物膜量的操作条件进行调整，以获得“最佳生物膜厚”下反应器处理效果。生物膜厚度随床层膨胀率的变化，实际上是生物膜反应器内生物膜的生长、颗粒碰撞和流体剪切力之间平衡关系的变化。当填料层膨胀率持续上升，表明填料上长膜速度高于脱膜速度；当填料层膨胀高度持续下降，表明填料上长膜速度低于脱膜速度；当填料层膨胀高度维持稳定，表明填料上长膜速度等于脱膜速度。因此，在“最佳生物膜厚”运行条件下，确定反应器处理负荷相对应的填料层膨胀率。如果填料层膨胀率偏高，则需要适当增加脱膜的强度；填料层膨胀率偏低，则需要适当降低脱膜的强度。由于填料床层生物膜厚度从下到上有梯度变化，因此所需的脱膜强度也随之不同，需要采用精确化气洗实现填料层不同位置的针对性脱膜。

为实现反应器生物膜量的有效调控，本发明的生物膜量调控工艺过程如下：

时间继电器和气体流量积算仪通过气体质量流量控制器调控通气时间、频率和通气强度，气体储罐的气体减压后经过气体质量流量控制器和气体流量计，通过填料床层设置的气体出口分布器进入生物膜反应器的填料床层，气泡向上摩擦填料上的生物膜，持续一段时间后，填料颗粒上过厚的生物膜被脱除，气体自控装置停止供气。

脱落的老化生物膜随出水通过出水口或者排泥口排出系统，出水通过出水滤网，大部分脱落的生物膜随水通过出水滤网，少量生物膜堵塞出水滤网网眼，超声波控制器控制超声波换能器和超声波探头，通过超声波振荡清洗出水滤网，防止污泥堵塞滤网，实现连续稳定排泥且防止填料流失，超声波控制器可实现对超声波振幅、运行时间、频率的自动化在线控制。

本发明的生物膜量调控工艺参数设置步骤如下：

(1)确定生物填料的最佳生物膜厚范围，在此条件下生物活性最高，反应器的处理效果最佳。

(2)确定生物膜反应器水力升流速度，并确定对应的空载填料床层膨胀率(即初始床层膨胀率)。

(3)生物膜反应器在“最佳生物膜厚”运行时，确定反应器化学需氧量(COD)处理负荷相对应的填料床层膨胀率范围。

(4)气体质量流量控制器通过时间继电器实现对通气时间和频率的自动控制，确定单次通气时间范围和通气频率。

(5)气体质量流量控制器通过气体流量积算仪实现对通气强度的自动控制，确定通气强度范围。

(6)出气管位置上下调节控制气体出口分布器的位置，气体出口分布器的位置根据COD处理负荷调整，确定出气位置，实现对不同高度填料层精确化气洗。

本发明的反应器生物膜量调控工艺参数范围如下：

(1)气体质量流量控制器通过时间继电器实现对通气时间和频率的自动控制，单次通气时间范围为0.5-4min，频率为10-150次/天。

(2)气体质量流量控制器通过气体流量积算仪实现对通气强度的自动控制，通气强度为7-16L/m²·s。

(3)生物膜反应器水力升流速度为50-70m/h，对应的空载填料床层膨胀率(即初始床层膨胀率)为20-30％。

(4)生物填料最佳生物膜厚为100-250μm。

(5)生物膜反应器COD处理负荷为1-28kg/m³·d，在“最佳生物膜厚”时对应的填料床层膨胀率为25-50％。

(6)出气管位置上下调节控制气体出口分布器的位置，气体出口分布器的位置根据COD处理负荷调整，出气位置为填料床层高度30-70％，气泡作用范围为出气口之上填料床层，出气位置越低气洗范围越大，从而实现对不同高度填料层精确化反洗，对生物膜量进行良好的追踪，有效提高气洗利用率。

本发明高效生物膜反应器及生物膜量调控工艺有如下的有益效果：填料床正常运行时处于流化状态，固、液两相的流态有利于微生物与污水的接触和传质，提高有机物处理效率；采用栅形分布板可实现进水均匀分布，增加流化床的容积有效利用率；气体自控装置对气洗条件的调节实现了对生物膜厚度及时调控，气体出口分布器的位置根据COD处理负荷调整，实现了定向定位精确化脱膜；超声波清洗系统清洗出水滤网，实现装置出水连续排泥，解决了填料堵塞问题。

附图说明

图1是实施例1中的生物膜反应器的结构示意图。

图2是实施例1中的栅形布水板示意图。

附图标记说明：1、进料罐，2、进料泵，3、进水口，4、栅形布水板，5、填料区，6、出水区，7、集水槽，8、出水堰，9、出水口，10、三相分离器，11、排泥口，12、循环泵，13、滤网，14、超声波探头，15、超声波换能器，16、超声波控制器，17、气体出口分布器，18、气体流量计，19、气体质量流量控制器，20、时间继电器，21、气体流量积算仪，22、氮气储罐，23、保温夹套。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。

实施例1

在本实施例中，结合附图1和附图2对本发明的生物膜反应器作详细说明。

一种生物膜反应器，包括：

设置在反应器底部的进水口3，通过管道与进水口3连接的进料罐1，以及设置在连接进水口3和进料罐1的管道上的进料泵2；

设置在反应器下方的布水区，布水区设置有栅形分布板4，栅形分布板4上设置有宽度为2mm的条形通道；

在布水区的上方设置有填料区5，填料区5内装填有粒径为2.5mm，比重为0.95的生物填料，填料区5的外侧设置有保温夹套23；

在填料区5的上方设置有直径扩大的出水区6，在出水区6的中心位置设置有三相分离器10，三相分离器由中心管、喇叭口形状的上部罩体、下部罩体和连接件组成，上部罩体及下部罩体的扩口端朝向生物膜反应器的底部，上部罩体缩口端与中心管下端口连接，上部罩体与下部罩体由连接件连接，并构成过流通道，在出水区顶部周边设置有集水槽7和出水堰8，在出水区上部侧壁上设置有出水口9，在出水区6下部侧壁上设置有排泥口11，在出水口9处连接有循环泵12，并在出水口9处设置有孔径为2mm的滤网13；

在填料区和出水区之间构造有过渡区(未标号)，具有喇叭口形状；

超声波清洗装置，包括依次连接的超声波探头14、超声波换能器15和超声波控制器16，超声波探头14设置在距离滤网13约1cm处，超声波换能器15和超声波控制器16设置在反应器顶部；

气体自控装置，包括依次连接的氮气储罐22、质量流量控制器19、气体流量计18和气体出口分布器17，其中，所述质量流量控制器19还连接有时间继电器20和气体流量积算仪21，其中，气体出口分布器位于填料区5。

实施例2

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于采用穿孔板进行布水。

实施例3

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于，条形通道的宽度为1.8mm。

实施例4

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于填料的粒径为5mm，比重为1.5。

实施例5

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于未设置超声波清洗装置。

实施例6

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于未设置气体自控装置。

实施例7

与实施例1中生物膜反应器的构造相同，不同之处仅在于气体出口分布器位于填料层下部。

应用例1

取某工业废水，COD浓度为2600mg/L，NO₃-N浓度为650mg/L，COD处理负荷为10.2kg/m³·d。反应器生物膜量调控工艺参数范围如下：

(1)生物填料的最佳生物膜厚为100-250μm。

(2)生物膜反应器水力升流速度为65m/h，对应的空载填料床层膨胀率为20％。

(3)生物膜反应器在“最佳生物膜厚”运行时，确定反应器处理废水COD负荷相对应的填料床层膨胀率为28％。

(4)气体单次通气时间为1min，频率为12次/天。

(5)气体通气强度为10L/m²·s。

(6)气体出口分布器的位置根据COD处理负荷设置为填料床层高度45％。

应用实施例1-7中的生物膜反应器进行处理，各实施例中的生物膜反应器所能获得的结果如下所示：

实施例1：处理后的水中COD能从2600mg/L降至100mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至12mg/L以下，COD去除率达到96％以上，NO₃-N去除率达到98％。

实施例2：处理后的水中COD能从2600mg/L降至500mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至70mg/L以下，COD去除率达到81％以上，NO₃-N去除率达到89％。

实施例3：处理后的水中COD能从2600mg/L降至250mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至30mg/L以下，COD去除率达到90％以上，NO₃-N去除率达到95％。

实施例4：处理后的水中COD能从2600mg/L降至400mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至80mg/L以下，COD去除率达到85％以上，NO₃-N去除率达到88％。

实施例5：处理后的水中COD能从2600mg/L降至150mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至15mg/L以下，COD去除率达到94％以上，NO₃-N去除率达到97％。

实施例6：处理后的水中COD能从2600mg/L降至280mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至80mg/L以下，COD去除率达到89％以上，NO₃-N去除率达到87％。

实施例7：处理后的水中COD能从2600mg/L降至300mg/L以下，NO₃-N能从650mg/L降至18mg/L以下，COD去除率达到88％以上，NO₃-N去除率达到97％。

应用例2

取某工业废水COD浓度为5600mg/L，NO₃-N浓度为1400mg/L，COD处理负荷为21.3kg/m³·d。反应器生物膜量调控工艺参数范围如下：

(1)生物填料的最佳生物膜厚为100-250μm。

(2)生物膜反应器水力升流速度为70m/h，对应的空载填料床层膨胀率为28％。

(3)生物膜反应器在“最佳生物膜厚”运行时，确定反应器处理废水COD负荷相对应的填料床层膨胀率为43％。

(4)气体单次通气时间为1.5min，频率为24次/天。

(5)气体通气强度为10L/m²·s。

(6)气体出口分布器的位置根据COD处理负荷设置为填料床层高度20％。

应用实施例1中的生物膜反应器进行处理，结果表明：

处理后的水中COD能从5600mg/L降至260mg/L以下，NO₃-N能从1400mg/L降至28mg/L以下，COD去除率达到95％以上，NO₃-N去除率达到98％。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种生物膜反应器，包括：设置在反应器下方的布水区，在所述布水区的上方设置有填料区，在所述填料区的上方设置有直径扩大的出水区，在所述填料区和所述出水区之间构造有过渡区；

其中，所述布水区设置有栅形分布板，优选地，所述栅形分布板上设置有条形通道。

2.根据权利要求1所述的生物膜反应器，其特征在于，所述条形通道的宽度为所述填料区装填的填料的粒径的0.6～0.9倍，优选为0.65～0.85倍。

3.根据权利要求1或2所述的生物膜反应器，其特征在于，所述填料区装填的填料的粒径为2.0mm～5.0mm，优选为2.5mm～3.0mm；比重为0.90～1.10，优选为0.95～1.05。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的生物膜反应器，其特征在于，在所述出水区的上方设置有出水口，在所述出水口处设置有滤网，优选地，所述滤网的孔径为0.5mm～2.0mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的生物膜反应器，其特征在于，所述生物膜反应器还包括超声波清洗装置，所述超声波清洗装置用于清洗所述滤网。

6.根据权利要求5所述的生物膜反应器，其特征在于，所述超声波清洗装置包括依次连接的超声波探头、超声波换能器和超声波控制器，优选地，所述超声波探头置于所述出水区内、所述滤网的外侧，并距离所述滤网0.5cm～2.0cm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的生物膜反应器，其特征在于，所述生物膜反应器还包括气体自控装置，所述气体自控装置用于对所述填料区装填的填料进行脱膜处理，优选地，经脱膜处理的填料的膜厚为100μm～250μm。

8.根据权利要求7所述的生物膜反应器，其特征在于，所述气体自控装置包括依次连接的气体储罐、质量流量控制器、气体流量计和气体出口分布器，其中，所述质量流量控制器还连接有时间继电器和气体流量积算仪。

9.根据权利要求8所述的生物膜反应器，其特征在于，所述气体出口分布器位于所述填料区，优选地，所述气体出口分布器的位置根据化学需氧量处理负荷进行调节。

10.一种生物膜量调控方法，包括：

利用权利要求1-9中任一项所述的生物膜反应器，并在下述参数下对生物膜量进行调控：

单次通气时间为0.5min～4.0min，通气频率为10～150次/天，通气强度为7L/m²·s～16L/m²·s；和/或

所述生物膜反应器的水力升流速度为50m/h-70m/h。

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