CN112537844A - 一种流化床反应器及生物膜量调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流化床反应器，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承托层，在所述承托层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，所述布水区设置有气水分布板，所述气水分布板上设置有短柄滤头。本发明的流化床反应器具有新型高效、占地面积小、运行稳定的特点。

Description

一种流化床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，具体涉及一种流化床反应器及生物膜量调控方法。

背景技术

近年来，水处理领域氮的污染已成为社会热点之一。随着中国水体富营养化问题的日趋严重，以及未来污水排放标准的提升，水中氮的去除成为水处理领域关注的重点问题之一。如何经济、高效、安全地从水中去除硝酸盐氮，研发高效稳定的污水强化脱氮技术，已成为污水处理领域急需的技术需求。

目前常用于污水反硝化脱氮的工艺为传统的活性污泥法，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。而生物流化床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。缺氧流化床中填料介质在污水中不断运动，与污水混合均匀，效率远比固定床要高，是目前有机物负荷最高的缺氧反应器。填料介质颗粒越小，其表面积越大，反应器效率越高；填料密度越小，流态化所需的升流速度越小，运行成本越低，因此众多学者都倾向于小而轻质的物质作为缺氧流化床的填料。

随着运行时间的延长，生物流化床中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，在生物流化床实际运行过程中，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流化床运行的工艺状况，亟需研发一种新型的强化生物流化床及生物膜调控工艺，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流化床反应器和一种生物膜量调控方法，通过在流化床反应器中设置气水分布板、超声波清洗装置和气体自控装置，使得流化床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流化床反应器，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承托层，在所述承托层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，所述布水区设置有气水分布板，所述气水分布板上设置有短柄滤头。

本申请的发明人经研究发现，通过在布水区设置带有短柄滤头的气水分布板，不仅能够提高布水布气的均匀性，增高填料层的有效利用率，还可起到拦截填料的作用。

根据本发明，承托层可由砾石构成，可以采用单一粒径，也可以采用2-3种粒径按照从下到上粒径增大进行分级排布。

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，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，所述短柄滤头包括滤帽、滤缝和滤杆，所述滤杆穿过橡胶垫并通过所述滤杆带有的螺纹安装在所述气水分布板上。

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1.6mm～3.0mm，优选为1.8mm～2.5mm；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～2mm。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述出水区的中心位置设置有三相分离器，所述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流化床反应器的底部，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。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述流化床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，所述流化床反应器还包括与所述反应器的底部进水口相连接的气体自控装置，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、质量流量控制器和气体流量计，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。

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生物膜量调控需要进行调节，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：利用上述的流化床反应器，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，流化床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流化床反应器中，经过气水分布板配水后，经过承托层进入填料区，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流化床。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，氮气发生器产气的氮气经过气体质量流量控制器和气体流量计，经由流化床反应器的底部入口进入反应器，通过气水分布板上的短柄滤头均匀布气，气泡向上摩擦承托层和填料上的生物膜，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。气洗脱膜过程中反应器运行不间断，不受通气过程的影响。

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)确定流化床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)流化床在“最佳生物膜厚”运行时，确定反应器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。

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)流化床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2-30kg/m³·d，在“最佳生物膜厚”时对应的填料床层膨胀率为25-50％。

本发明流化床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；采用抗堵塞短柄滤头均匀布水布气，提高布水布气均匀性及增高填料层的有效利用率；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；气体自控装置可以实现对生物膜厚度及时调控，保持高生物活性，并防止床层堵塞。

附图说明

图1是本发明实施例1的流化床反应器的结构示意图。

图2是本发明实施例1的气体储罐的结构示意图。

图3是本发明实施例1的气水分布板示意图。

图4是本发明实施例1的滤头截面示意图。

附图标记说明：1、进料罐，2、进料泵，3、进水口，4、气水分布板，5、承托层，6、填料区，7、出水区，8、集水槽，9、出水堰，10、三相分离器，11、排泥口，12、出水口，13、滤网，14、超声波探头，15、超声波换能器，16、超声波控制器，17、循环泵，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，24、滤帽，25、滤缝，26、滤杆，27、橡胶垫。

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，结合附图对本发明的流化床反应器作详细说明。

一种流化床反应器，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，布水区设置有气水分布板4，气水分布板4上设置有短柄滤头(其结构如图4所示，包括滤帽24、滤缝25和滤杆26，滤杆26穿过橡胶垫并通过滤杆26本身带有的螺纹安装在气水分布板4上)；

在布水区的上方设置有承托层5；

在承托层5的上方设置有填料区6，填料区6内装填有粒径为2.5mm，比重为0.95的生物填料，填料区6的外侧设置有保温夹套23；

在填料区的上方设置有直径扩大的出水区7，在出水区顶部周边设置有集水槽8和出水堰9，在出水区7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7下部侧壁上设置有排泥口11；在出水区上部侧壁上设置有出水口12，在出水口12处连接有循环泵17，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，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，所述气体自控装置接入进水口3。

实施例2

与实施例1中的流化床反应器的构造相同，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中流化床反应器的构造相同，不同之处仅在于填料的粒径为5mm，比重为1.5。

实施例4

与实施例1中流化床反应器的构造相同，不同之处仅在于未设置气体自控装置。

应用例1

取某工业废水，COD浓度为3000mg/L，NO₃-N浓度为750mg/L，COD处理负荷为11.2kg/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60m/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。

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3000mg/L降至110mg/L以下，NO₃-N能从750mg/L降至15mg/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3000mg/L降至600mg/L以下，NO₃-N能从750mg/L降至100mg/L以下，COD去除率达到80％以上，NO₃-N去除率达到87％。

实施例3：处理后的水中COD能从3000mg/L降至550mg/L以下，NO₃-N能从750mg/L降至85mg/L以下，COD去除率达到82％以上，NO₃-N去除率达到89％。

实施例4：处理后的水中COD能从3000mg/L降至500mg/L以下，NO₃-N能从750mg/L降至75mg/L以下，COD去除率达到83％以上，NO₃-N去除率达到90％。

应用例2

取某工业废水COD浓度为6000mg/L，NO₃-N浓度为1500mg/L，COD处理负荷为24.3kg/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44％。

(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。

应用实施例1的生物膜反应器进行处理，结果表明：处理后的水中COD能从6000mg/L降至270mg/L以下，NO₃-N能从1500mg/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)

1.一种流化床反应器，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承托层，在所述承托层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，所述布水区设置有气水分布板，所述气水分布板上设置有短柄滤头。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，所述短柄滤头包括滤帽、滤缝和滤杆，所述滤杆穿过橡胶垫并通过所述滤杆带有的螺纹安装在所述气水分布板上。

3.根据权利要求1或2所述的流化床反应器，其特征在于，所述填料区装填的填料的粒径为1.6mm～3.0mm，优选为1.8mm～2.5mm；比重为0.90～1.10，优选为0.95～1.05。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的流化床反应器，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～2mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的流化床反应器，其特征在于，在所述出水区的中心位置设置有三相分离器，所述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流化床反应器的底部，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。

6.根据权利要求5所述的流化床反应器，其特征在于，所述流化床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。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的流化床反应器，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0.5-2.5cm。

8.根据权利要求7所述的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应器还包括与所述反应器的底部进水口相连接的气体自控装置，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。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的流化床反应器，其特征在于，所述气体自控装置包括依次连接的气体储罐、质量流量控制器和气体流量计，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。

10.一种生物膜量调控方法，包括：

利用权利要求1-9中任一项所述的流化床反应器，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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