CN112888660A - 包括外部分离器的颗粒污泥反应器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在设备中处理包含可生物降解的有机物质的水性流体的方法，该设备包括含有污泥床的上流式生物反应器、外部分离器和调节罐，所述污泥床包含生物质，包括：‑在调节罐中处理流体；‑将经处理的流体进料到生物反应器的下部并形成生物气；‑从生物反应器的上部取出流体，该取出的流体包含生物质；‑将从生物反应器上部取出的水性流体进料到外部分离器，其中包含生物质的水性流体被分离成液相和富含生物质的流体相；‑将所述富含生物质的流体相从外部分离器返回到生物反应器；和‑将所述液相的一部分返回到调节罐。
Description
本发明涉及一种用于处理水性流体(aqueous fluid，含水流体)的方法，由此在包括生物反应器的设备(installation，设施，装置)中产生生物气(biogas，沼气)。本发明还涉及一种适于执行这种方法的设备。
诸如废水等的水性流体的生物处理利用活性生物质(微生物，例如细菌和/或古生菌)将污染物(有机物质)转化为无害成分。
基本上有两种类型的过程。对于所谓的厌氧处理(无氧)，厌氧微生物聚生体将污染物基本转化为生物气。
在需氧处理中，污染物在需氧(有氧)条件下被极大地还原成新的微生物(剩余污泥)，然后需要将其与处理的废水分离并单独处理。
厌氧污泥床反应器系统利用厌氧微生物将水性流体中的污染物转化为生物气。这些厌氧细菌主要生长在通常称为颗粒状生物质(granular biomass，颗粒生物质)的聚集体中。由于涉及的厌氧微生物的净产量低，该系统通常的特点是净生物质生产低(通常为转化COD的2-4％)。
一方面，这是一个很大的优势，因为必须将废水处理系统中产生的过量生物质作为固体废物进行处理，成本很高，但另一方面，这也使得在处理系统(反应器)中保留/保持足够的活性生物污泥成为一个敏感方面。
在厌氧处理反应器中保留生物质的方法可以通过多种方式完成。将生物质固定在固定或移动载体上是将液体保留时间与生物质保留时间分开的一种方法。然而，一种更佳且优选的方法是利用在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器、颗粒污泥床反应器和IC反应器中应用的主要是颗粒状的生物质，参见例如WO 2007/078195，Frankin R.J.(2001).Fullscale experiences with anaerobic treatment of industrial wastewater.WatSci.Tech.,44(8),1-6)。
诸如膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器等的颗粒污泥床(GSB)反应器是用于处理例如食品加工和饮料行业、蒸馏厂、制药行业以及制浆造纸厂的废水的常用反应器。这种废水通常含有大量有机污染物，在将水重新使用或丢弃之前，需要将其除去。
在典型的(E)GSB反应器中，将废水引入上流式生物反应器(upflow bioreactor)的下部。随后，水向上流过颗粒污泥床，该颗粒污泥床包含分解废水中存在的有机废物的微生物，由此形成生物气-尤其是甲烷和二氧化碳，该甲烷又可以用作绿色能源，例如提供能量。高速厌氧反应器(膨胀颗粒污泥床)的效率强烈依赖于良好的污泥床膨胀、液体湍流和高流速，因为它们促进了良好的传质、少堵塞和少短路(Van Lier,J.B.,van der Zee,F.P.,Frijters,M.E.Ersahin,Rev Environ Sci.Biotechnol.2015,14(4),681-702)。
有效方法的关键是有效分离生物质(颗粒)、水(流出物)和生物气，换句话说，能够去除流出物和生物气，同时将生物质保留在系统中以实现颗粒状生物质的净增长。存在影响诸如EGSB反应器等的GSB反应器中液相、固相和气相良好分离的几个参数。
如技术人员所知，实现这种有效分离的一个重要参数是生物质的沉降行为。颗粒的良好沉降行为对于实现各相的有效分离是必要的。颗粒的沉降受几种因素影响，诸如反应器内的水力学或流体动力学(液体和气体)和/或反应器内三相分离器装置的存在和设计(湍流和层流，湍流和上流速度)。另外，沉降行为可能取决于污泥颗粒的组成，例如生物质含量和/或矿物质分数。例如，具有高惰性分数(任何不可生物降解的物质)的污泥颗粒可更快地沉降，但其降解活性可能较低，甚至可能没有任何降解活性。因此，惰性污泥颗粒由于生物气生产和/或流动再循环而存在无法膨胀和/或再循环的风险。因此，在常规系统中，它们将倾向于留在反应器的底部，从而堵塞污泥取出口并引起重大操作问题。
首先，颗粒内部存在的气体会影响颗粒的沉降行为。由于GSB系统(特别是EGSB系统)可能具有较大高度(通常在15m至25m之间)以及由此由水柱引起的压力(通常为1.5-2.5巴)，因此位于反应器底部的生物质承受的压力高于在反应器顶部的压力。因此，在反应器底部的颗粒内部的气体被压缩，导致更高的颗粒密度，因此颗粒沉降更快。
其次，分离装置(例如沉降器)是实现改进的不同相分离并从而提高废水处理过程的整体效率的有价值的工具。
通过在反应器内部产生特定的流，例如帮助生物质的沉降性(通过向下推动固体)，可进一步增强各相的有效分离。此流动可以通过分离系统(诸如内部沉降器中的倾斜板)引入，可能由二氧化碳在水中溶解性产生湍流所致，或可能由密度差引起的单纯相移动所致，例如污泥在重力作用下趋于向下移动，而生物气则向上流动。
WO 2007/078195中描述了EGSB反应器的一个例子。还已知的是BIOTHANE生物床高级EGSB。该反应器在生物反应器中具有三相分离器，并且还包括调节罐(conditioningtank，调节槽)。在生物反应器的上部，存在一个斜板沉降器(TPS)，帮助将生物气与流出物和生物质分离。在斜板沉降器的下部，由于倾斜板下方相对于板顶部的压力差而产生了猛烈的流动效应，从而能够更好地分离生物气并将沉降的生物质向下引导。
EP 0 493 727涉及一种用于连续机械和厌氧生物纯化的反应器，任选具有外部分离装置，优选旋风分离器。反应器的下部包括沉降区，该沉降区与反应器分开，其底部具有穿孔，允许液体通过，同时防止固体通过。
该系统的缺点是污泥沉降在流入管线之下，从而使废水和污泥之间的相互作用次优，从而降低了系统效率。
WO2012/005592旨在克服这个问题，其通过设计反应器，该反应器在生物反应器的底部放置第二沉降器，从而使生物质与液体流出物的分离效率更高，因为所述分离是在较高压力下进行的。在位于反应器上部的斜板沉降器中，已与生物气分离的流体通过外部分离器进料管道输送到该第二沉降器中。本发明人发现该系统的缺点包括：
·缺乏对反应器中再循环的适当控制，特别是当生物气产量低或缺乏时，例如启动期间
·放置在生物反应器底部的第二沉降器的堵塞潜力巨大
·缺乏对这种分离室进行维护的访问通道；如果要进行维护，需要将反应器完全排空
·没有生物气产生时操作困难(启动)
发明人现在令人惊讶地发现了一种用于处理水性流体的高效方法，该方法通过不在反应器内部设置第二沉降器而克服了这些缺点。取而代之的是，在生物反应器外部提供外部分离室，通常在通往调节罐的返回管线之前。
因此，本发明涉及一种用于在包括上流式生物反应器(1)和外部分离器(2)的设备中处理包含可生物降解的有机物质的水性流体的方法，该上流式生物反应器(1)含有污泥床，所述污泥床包含生物质，其中所述方法包括
-将水性流体进料到生物反应器的下部，使进料的流体与生物质接触，由此由可生物降解的有机物质形成生物气；
-从生物反应器的上部取出已经与生物质接触的流体，该取出的流体包含生物质；和
-将包含生物质的水性流体(从生物反应器的上部取出的)进料到外部分离器(2)中，该外部分离器(2)包括设置有倾斜内部构件(tilted internals)的分离室，其中包含生物质的水性流体被分离为生物质含量降低或基本不含生物质的液相以及富含生物质的流体相，将富含生物质的流体相返回(从外部分离器)到生物反应器。
本发明提供了一种高效的废水处理方法。使用外部分离器允许改善维护，改善工艺的启动，并进一步使反应器能够分部分安装，即允许使用外部分离器来升级现有系统，从而提高反应器的效率。
已经发现外部分离器特别适合于获得一种液相，与进料到该外部分离器的流体比较，该液相具有降低的颗粒状生物质含量。这有利地通过使颗粒状生物质沉降来实现。然后将沉降的颗粒状生物质至少大部分返回生物反应器(作为富含颗粒状生物质的流体相的一部分)。
本发明进一步涉及一种用于对包含可生物降解的有机物质的水性流体进行微生物学处理的设备，其中该设备包括：
-生物反应器(1)，该生物反应器包括用于生物气的出口；
-外部分离器(2)，包括设置有倾斜内部构件的分离室，布置成将液相与包含固体(特别是生物质，更特别是颗粒状生物质)的流体相分离，该外部分离器包括连接至用于从生物反应器(1)取出水性流体的导管(6)的入口(5)的用于水性流体的入口(4)、用于水性流体的出口(7a)、用于富含固体(特别是(颗粒状)生物质)的流体的出口(8)，该出口(8)经由导管(10)连接至用于生物反应器(1)的此种流体的入口(9)。
已经发现，根据本发明的设备特别适合于将气-液-固混合物有效地分离成气相、基本上不含颗粒状生物质的液相和富含固体(特别是富含颗粒固体，尤其是富含颗粒状生物质)的流体相。尽管该设备非常高效，但其设计却相当简单，特别是在反应器内部，仅需要有限数量的技术装置来增强分离，这降低了发生故障的风险并简化了维护和清洁。对于良好的分离而言，重要的是外部分离器。
除非另有说明，否则本文使用的术语“或”定义为“和/或”。
除非另有说明，否则本文中使用的术语“一个”或“一种”定义为“至少一种”。
当以单数形式提及名词(例如，化合物，添加剂等)时，应意旨包括复数形式。
本文中通常使用术语“(至少)基本”来表示其具有所指定的一般特征或功能。当涉及可量化的特征时，该术语特别用于表示是该特征最大值的至少50％，更特别是超过75％，甚至更特别是超过90％。术语“基本不含”在本文中通常用来表示一种物质不存在(低于有效提交日可用的分析技术可达到的检测限)或以很少的量存在，以致不会显著影响基本上不含所述物质的产品的性质。在实践中，从数量上讲，如果物质的含量为0-1wt.％，特别是0-0.5wt.％，更特别是0-0.1wt.％，则通常认为产品基本上不含所述物质。
在本申请的上下文中，术语“约”通常是指与给定值的偏差为15％或更小，特别是偏差为10％或更小，更特别是偏差为5％或更小。
如本文所用，“可生物降解的有机物质”是通常在基本上厌氧条件下可被反应器中的生物质转化的有机物质，特别是转化为生物质或甲烷。
术语“流体”在本文中用于在不施加外部压力(重力以外的压力)的情况下流动的液体以及液体与至少一种其它相的混合物(例如悬浮液)。
术语“液体”在本文中用于基本上不含肉眼可见的颗粒(即颗粒尺寸<0.1mm)的水性流体。
如本文所用，“有机物质”是任何化学可氧化的有机物质，可以通过化学需氧量(COD)测试确定，如ISO 6060:1989中所述。有机物质的含量通常以g COD表示，即氧化有机物质所消耗的氧气克数。
本领域技术人员熟悉诸如‘上’、‘下’、‘中’、‘在底部’、‘在底部附近’、‘在顶部’和‘在顶部附近’之类的术语。通常，这些是相对于另外的来理解的，并且本领域技术人员将能够基于公知常识、本文公开的信息和引用以及设备的单元(诸如生物反应器、单独的容器、或生物反应器或部分中包含的一定体积的物质)的详细信息减少其实施实践。
根据经验，除非与上下文不同，否则在某一参考点(诸如‘底部’或‘顶部’)‘附近’通常是指距所述参考点的‘相对高度为至多+/-20％’，特别是指距所述参考点的‘相对高度为至多+/-15％’，更特别是指距所述参考点的‘相对高度为至多+/-10％’。相对高度是指距底部的距离除以单元总高度(底部和顶部之间的高度差)。
根据经验，除非与上下文不同，否则‘上’部通常是指单元的上1/2且特别是上1/3，‘下’部通常是指单元的下1/2且特别是单元的下1/3。当提到中间部分时，其特别是指单元的中间1/3(从底部的1/3至顶部的1/3)。
图1示意性地示出了根据本发明的设备(在工艺中使用)的一般设置。其示意性地示出了如何可以通过入口(13)将水性流体引入到调节罐(12)中，其中水性流体(如废水)经历调节步骤。调节罐(12)进一步包括用于生物气的出口(17)，通过导管(16)连接至生物反应器(1)的底部或底部附近的流入物分配系统(IDS)(15)的用于预调节流体的出口。有利地，导管(16)进一步包括再循环泵(11)，用于流体的连续和受控再循环。水性流体通过包含能够将可生物降解的有机物质转化为生物气的微生物的污泥床。
从调节罐(12)到生物反应器(1)存在再循环泵(11)使得能够：
-控制性稀释抑制性化合物
-到EGSB的流速恒定
-恒定的向上流速(独立于COD负载率)
-返回的厌氧流出物碱度使CT中的pH控制更好。
在图1中，生物反应器(1)进一步包括内部挡板或导流板/分离器(3)和用于生物气的出口(18)，所述内部挡板或导流板/分离器(3)位于生物反应器(1)的上部，用于从气体-水性流体混合物中除去生物气。生物反应器(1)进一步包括内部进料导管(6)，具有用于已经分离了生物气的包含固体的水性流体的入口(5)，连接至外部分离器(2)的入口(4)，该外部分离器(2)用于将固体与液相分离。导管(6)的入口(5)位于挡板或导流板(3)的下方。导管(6)附加地包括阀(27)，用于在维护、修理或更换外部分离器(2)的情况下从设备隔离外部分离器(2)。导管(10)将外部分离器(2)的出口(8)与用于富含来自生物反应器(1)的固体的流体的入口(9)连接，其中提供了导管生物气注入器(23)，其被配置为将生物气引入导管(10)内富含固体的流体中；并且在生物气注入器(23)与生物反应器内的生物气收集罩(22)之间设置有生物气导管(21)。导管(10)还包括阀(28)，用于在维护、修理或更换外部分离器(2)的情况下从设备隔离外部分离器(2)。
图1中的生物气导管(21)进一步包括T型接合(24)，用于将生物气导管(21)连接至生物气导管(26)，以便通过入口(25)将生物气引入到调节罐(12)中以与调节罐内的水性流体混合。
图1进一步示出了从外部分离器中取出并再循环液相的装置(7)。其包括出口(7a)，用于从分离器取出生物质含量减少的液相，其可能基本不含生物质)。从该出口(7a)可以设置取出导管(7b)，经处理的相可以从取出导管(7b)离开设备，并且可以设置再循环管线(37)以将液相返回到调节罐(12)。
如图1所示，外部分离器(2)还包括经由导管(33)连接到调节罐(12)的入口/出口(31)以及生物反应器(1)的入口(32)的入口/出口(29)。如果必要，该导管(33)包括用于将污泥从外部分离器返回到生物反应器的泵(30)。此外，该导管(与隔离阀(27)和(28)一起)允许再循环水性流体(通常是酸性化学品)以就地(in place)清洁外部分离器–通过使用阀(2)与反应器和调节罐完全隔离。
另外，如图1所示，所述设备包含将用于生物气的出口(18)与调节罐的用于生物气的入口(19)连接的用于生物气的导管(20)。可以提供该设置以确保调节罐中的压力与生物反应器中的压力基本相同。
图2示意性地示出了根据本发明的设备(在工艺中使用)的第二设置。有关名目的详细说明，请参见图1的说明。生物反应器包含用于将水性流体进料到外部分离器(2)的外部进料导管(34)。导流板或挡板(36)位于导管(34)的入口(35)的下方，用于将包含固体的水性流体导向外部进料导管(34)中。
在根据本发明的方法中处理的水性流体原则上可以是包含可生物降解的(特别是在厌氧条件下可生物降解的)有机物质的任何水性流体。优选地，水性流体选自以下的组：市政废水、工业废水、污水、来自发酵工艺的水性流体废料(如残留发酵液)、水性浆料和水性污泥。就在根据本发明的方法中处理的废物流的水含量而言，可以在宽范围内变化。通常，待处理的水性流体的水含量超过流体总重量的80wt.％，特别是至少80wt.％，更特别是90wt.％或更高。通常，水含量为99.9wt.％或更少，优选99.5wt.％或更少，更优选99wt.％或更少，特别是98wt.％或更少，更特别是96wt.％或更少。要被进料到生物反应器的水性流体的总有机物质含量通常为0.1g COD/l或更高，优选在0.3-100g COD/l范围内，特别地在5-50g COD/l范围内。
特别适合于根据本发明处理的水性流体的例子是来自乳制品生产或加工(例如牛奶、奶酪、黄油的生产/加工)、饮料生产或加工(例如葡萄酒、啤酒、蒸馏饮料、果汁、牛奶)、生物燃料或石化产品的生产或加工、化工厂、农业设施、纸浆和纸张生产或加工、糖加工或酵母生产的水性废物。
通常，在根据本发明的设备中存在调节罐(12)。在这种罐中，在使用期间，将要在生物反应器中进行处理的水性流体进行调节以用于生物反应器。有利地，调节罐不仅进料尚未在生物反应器中处理的水性流体(原始水性进料)，还接收离开外部分离器的液相的一部分(与生物反应器的流出物相比具有降低的生物质含量)。该液相特别适合于调节新进入所述设备的原始水性流体。
使用调节罐的优点在于可以避免流入生物反应器的水性流体的不期望的波动以及水性流体质量的不期望的波动。从分离器到调节罐的再循环允许进一步改善各种料流在所述设备不同单元之间保持相对恒定的流动，诸如从调节罐到生物反应器以及从生物反应器至外部分离器。它还提供了更高的鲁棒性，即使在要处理的水性流体向所述设备的供应出现较大波动时，也允许保持各单元中的液位相对恒定。通过从分离器再循环到调节罐，以保持流进/流出单元的流量相对恒定和/或保持单元中的液位相对恒定，对于高效运行是可取的，而且还可以降低例如导管堵塞或分离器堵塞的风险。
优选地，要处理的原始水性流体(诸如原废水)首先进入调节罐，其中可以监控特定参数，例如温度和/或pH。根据生物质的组成，本领域技术人员将能够确定有利的参数值。在该工艺中，将调节罐中的水性流体的温度维持在或调节至约33至约37℃(更优选34至36℃)和/或可以将调节罐中的水性流体的pH维持在或调节至约6.5至约7.2(优选6.6至6.8)，取得了特别好的结果。如本领域技术人员所知，对于特定的微生物培养物，不同的温度或pH可能是最佳的。例如，对于嗜碱细菌，较高的pH可能是有利的，例如至高达约pH 11。
优选经由适于在生物反应器的水平截面上提供至少基本相等水性流体分布的流入物分配系统，将优选在调节罐中预处理后的水性流体进料到上流式生物反应器的下部，在该上流式生物反应器中，所述水性流体向上通过包含生物质(优选颗粒状生物质)的污泥床。
上流式生物反应器优选为颗粒污泥床，特别是膨胀颗粒污泥床(EGSB)，该(E)GSB包含厌氧微生物并且其中可生物降解的有机物质被该厌氧微生物转化，从而形成生物气。
合适的厌氧微生物是本领域公知的。优选地，生物反应器包含微生物的聚生体，其包含至少一种类型的水解细菌、至少一种类型的产酸细菌、至少一种类型的产乙酸细菌和至少一种类型的产甲烷细菌。
与污泥(特别是生物质颗粒)的良好沉降性相关并由此与良好分离性相关的另一个因素是存在生物质的生物反应器的高度。通常，在颗粒内部也会产生生物气，这可能导致向上浮选。在反应器的底部，颗粒承受较高的压力，因此从颗粒中释放出了生物气，污泥的沉降性得到了提高。
优选地，一种设备(用于在工艺中使用)包含生物反应器，其高度为约15至约25m，更优选18至22m。典型地，生物反应器使用水性流体填充至至多85-98vol％，优选至多约90-95vol％。
在生物反应器中消化可生物降解的有机物质后，获得气体-水性流体混合物。
气相由微生物产生的生物气组成。众所周知，生物气通常至少基本上由甲烷和二氧化碳组成，但另外还可以含有少量其它气体，例如氢气、氨气、水蒸气和/或硫化氢。
水性流体包含固体，特别是生物质颗粒，并且任选地还包括无机和/或有机悬浮固体。
水性流体进一步包含通常基本上由水和水溶性物质(例如有机酸)以及不被微生物消化的可溶性物质或水中通常存在的其它分子(例如矿物质或盐)组成的液体。
气体-水性流体混合物向上移动通过反应器，在其中从混合物中分离出生物气。这可以是自发发生的或者可以通过内部分离器加强分离。
生物气经由位于反应器顶部或附近的生物气出口(高于液位)离开生物反应器。其可以直接离开生物反应器，或者可以先进入调节罐的上部，然后通过位于罐顶或附近的出口排出设备。任选地，以本身已知的方式进一步处理生物气。生物气可用于为工艺提供能量，即例如通过加热系统使工艺可自我持续。或者，可以通过发电机将生物气转化为电能，也可以将生物气升级为甲烷再运往其它地方，以提供用于其它用途的能源或者用作化学过程中使用的甲烷源。
在一个有利地实施方式中，将形成的生物气的一部分从生物反应器运输到调节罐的下部或中部，以改善调节罐中水性流体的混合。
在一个实施方式中，生物反应器附加地包含内部分离器，其中促进生物气与包含固体的水性流体的分离。如果存在，内部分离器通常位于生物反应器的上部。内部分离器优选为气体-流体分离器，更优选位于生物反应器上部的导流板或挡板。挡板或导流板优选位于通往外部分离器的进料导管的上方，并且由于生物气或生物气-流体混合物的自然上升流而促进生物气与水性流体的分离。
在一个实施方式中，通过外部分离器的进料导管是内部进料导管。内部进料导管至少大部分位于生物反应器内部。用于收集已经分离了生物气的水性流体的入口位于挡板或导流板的下方，并且收集水性流体，然后将其进料到外部分离器。
在另一实施方式中，通往外部分离器的进料导管是外部进料导管。水性流体的入口位于生物反应器的侧部并且通往外部分离器的外部导管位于生物反应器的外侧。生物反应器优选包含位于外部进料导管入口附近的挡板或导流板，用于将水性流体导向到外部进料导管，该挡板或导流板优选直接位于外部进料导管的下方。
内部或外部进料导管将水性流体进料到外部分离器2，该外部分离器2包含分离室，该分离室设置有倾斜内部构件，用于将包含生物质和任选的其它固体的水性流体分离成液相和流体相，与进入外部分离器的水性流体相比，该流体相富含生物质。
在另一实施方式中，内部分离器是漏斗，优选为大型泵漏斗。如果存在漏斗，则漏斗的下部连接到内部进料管道的入口。漏斗促进高效庞大的流动效应，从而有助于在水性流体进入外部分离器之前，将生物气与(包含液体和固体的)水性流体分离。这种气体-流体分离器大型泵漏斗优选地由倾斜壁构成，该倾斜壁成形为朝向底部的漏斗，连接内部进料管道。
在另一实施方式中，内部分离器是气体-流体分离器，包含倾斜内部构件，优选倾斜的板或管。优选地，气体-流体分离器是斜板沉降器。倾斜的板会导致分离器内部产生湍流，从而有助于分离生物气。倾斜的板可以是平的或波纹的。这种倾斜内部构件促进了生物气与流体相和固相的分离。倾斜内部构件通常以大约45-65°的角度放置。以约55至约60°的角度放置时，已经获得了特别好的结果。相邻内部构件之间通常以彼此相隔至少2cm的距离放置，尤其是2-10cm的距离，以增强分离并避免分离器堵塞。优选地，水性流体经由分离器的上部进入内部分离器。如果存在包含倾斜内部构件的气体-流体分离器，则将内部进料导管的入口连接至分离器的下部，以收集富含固体的流体。包含固体的水性流体通常在内部分离器的底部收集并且进料到外部分离器(2)。
外部分离器通常经配置，使得在使用期间，包含固体的水性流体通过位于分离器下部的入口进入。外部分离器包含倾斜内部构件，以增强固体颗粒的沉降性。倾斜板可以是平的或波纹的。由于“薄板效应”，这种倾斜内部构件促进了生物气与液相和固相的分离。倾斜内部构件通常以约45-65°的角度放置。以约55至约60°的角度放置时已经实现了特别好的结果。相邻内部构件之间通常以彼此相隔至少2cm的距离放置，尤其是2-10cm的距离，以增强分离并避免分离器堵塞。彼此以增强分离并避免分离器堵塞。倾斜内部构件的使用增加了用于固体沉降的沉降表面。
水性流体向上通过倾斜内部构件，其中层流促进了固体颗粒的向下运动，同时允许液体向上移动，用于水性流体的出口位于上部。
外部分离器优选包含隔离阀，以允许在不影响反应器的条件下对该模块进行维护、更换或维修。还可以使用外部分离器的隔离，以通过隔离所述装置来提供对外部分离器的就地定期清洁。
进一步优选使导管(33)连接外部分离器和生物反应器以及任选地外部分离器和调节罐。该导管进一步优先具有泵(30)，优选螺杆泵，以将污泥返回到生物反应器并且通过外部分离器循环化学品。这些化学物质可以是酸性或碱性，具体取决于需要去除的杂质。该泵允许就地对外部分离器进行清洁。
外部分离器优选具有细长的设计。
离开分离器的液相通常基本上不含颗粒状生物质。在一个实施方式中，其中进料到分离器的流体含有悬浮固体(为颗粒状生物质腐烂的碎片，絮凝的-非颗粒状-生物质和/或不可降解的悬浮物)，与所述进料流体相比，离开分离器的液相将具有减少的悬浮固体(尤其是生物质含量)，但可能含有残留的絮凝生物质。如果需要，可以以本身已知的方式纯化该流体，例如如果要将待从设备中取出的液相进行废弃或进一步使用，例如作为工艺用水。例如通过调节罐返回到生物反应器的液相可以返回，而无需去除这些悬浮固体。
通过，根据本发明的系统包含调节罐。如果存在调节罐，则可以将在外部分离器中获得的液相的一部分返回到调节罐，以使罐中的流体体积保持在大致相同的水平。
使富含生物质的流体相重新进入生物反应器。需要一种高效的工艺以在工艺期间具有生物质的净增长。在反应器启动期间，系统中生物质的净增长对于获得足够量的生物质以有效转化可生物降解的物质非常重要。在工艺的后期，生物质的净增长允许从反应器中提取污泥，而不会不利地影响周转率，即COD的转化。此外，具有过量的生物质可以额外地增加收入，因为生物质可以轻松存储、运输和出售。
在本发明的有利方法中，不需要机械泵就可以完成包含生物质(特别是颗粒状生物质)的流体的返回。生物反应器中生物气的向上运动导致流动，将富含生物质的流体从外部分离器取出到生物反应器中。
在优选的实施方式中，生物反应器(1)包含生物气注入器(23)，其中在使用期间，将来自生物反应器的生物气注入到用于富含(颗粒)生物质的流体的导管(10)中，该导管将外部分离器(2)连接至生物反应器(1)，以促进富含(颗粒)生物质的流体从外部分离器(2)流向生物反应器(1)，参见图1。另外，一旦导管(10)内富含(颗粒)生物质的水性流体返回到生物反应器(1)，返回的生物气通过气举作用促进外部分离器(2)内水性流体向上流动。将生物气引入到流体中具有最小化(优选避免)导管堵塞的额外优点。用生物气收集器从生物反应器收集用于注入导管(10)的生物气。生物气收集器优选具有一个或多个生物气收集罩，该罩至少在使用过程中浸入生物反应器的流体(悬浮液)中。
优选地，生物气收集罩(22)放置在用于来自外部分离器(2)的富含(颗粒)生物质的流体的入口(9)的下方。
在优选的实施方式中，生物气收集罩(22)放置在用于外部分离器(2)的水性流体的导管(6)的入口(5)或导管(34)的入口(35)的下方。
因此，本发明还涉及一种外部分离器，包含设置有倾斜内部构件的分离室、用于将来自生物反应器的包含(颗粒)生物质的水性流体进料到外部分离器下部的入口(4)。外部分离器的入口连接至内部进料导管(6)的入口(5)或外部进料导管(34)的入口(35)。在使用过程中，水性流体被分离成液相和富含颗粒(颗粒)的流体相。外部分离器进一步包含用于将富含(颗粒)生物质的水性流体返回到生物反应器的出口(8)，其经由导管(10)连接至生物反应器的用于富含(颗粒)生物质的水性流体的入口(9)。导管(10)配备有生物气注入器(23)，用于将生物气注入到富含(颗粒)生物质的流体中，该生物气注入器经由导管(21)连接到生物气收集器(22)。
可能的是，在反应器启动期间，在没有机械辅助的情况下，生物气的产生尚不足以引起足够的向上流动以将富含(颗粒)生物质的液体从外部分离器取出到生物反应器中。在这种情况下，可以存在机械辅助诸如再循环泵，以将包含生物质的流体从外部分离器取出到生物反应器中。另外，此种泵的存在最小化或防止了由于管路中污泥的沉淀导致的导管堵塞。
优选地，存在调节罐(12)，在使用期间，由其将水性流体供应到生物反应器。为了改善调节罐中存在的水性流体的混合，优选设置生物气导管，用于将生物气从生物反应器引入到调节罐中。
优选地，使用再循环泵来产生足够的向上流动，以将沉降的固体从外部分离器吸入生物反应器。
外部分离器放置在生物反应器的外部以改善可及性，从而有利于维护和启动程序，并进一步使得反应器可以分部分安装，即允许使用外部沉降器来升级已有系统，从而提高反应器效率。
优选地，连接外部分离器与设备的其它部件的导管包含隔离阀，允许隔离外部分离器并由此便于就地清洁或维护外部分离器。进一步地，因为外部分离器通常放置位置低于该外部分离器的进料导管的入口，因此外部分离器中的压力高于生物反应器上部的压力。典型地，压力差为约1.5-3巴。较高的压力压缩生物质颗粒，从而去除仍存在于颗粒内部的可能气体，并从而增强颗粒的沉降性，由此改善了固体从液相中的去除。
有利地，从外部分离器到生物反应器的富含生物质的循环流体的驱动力的至少有一部分利用了气举原理。图1和图2示出了这一点，其中将生物气导管(21)设置在通往再循环导管(10)的生物气注入器(23)与生物反应器内的生物气收集罩(22)之间。为了使用此原理，优选将外部分离器放置足够低以使再循环导管(10)向上延伸至足以创造气举，并且将富含生物质的流体相返回到生物反应器的中部或下部。这是可取的，因为期望将生物反应器上部中的固体含量保持相对较低。因此，有利地，将外部分离器放置在设备的底板(floor，地板，基底)上或附近或者放置在与生物反应器底部的相同高度或者放置在生物反应器的底部下方，而将经由导管(10)将富含生物质的再循环流体引入到生物反应器(1)的入口(9)放置在至少比外部分离器的富含生物质的流体的出口(29)更高的位置，并且优选在比外部分离器的顶部更高的位置。外部分离器的富含生物质的流体的出口(29)、进入再循环导管(10)的气体注入器(23)和用于外部分离器的富含生物质的再循环流体的入口(9)之间令人满意的高度差可以基于本文公开的信息、公知常识以及任选有限量的例行试错。特别地，本领域技术人员将能够选择高度差，以便压力差能够沿正确的方向驱动流体/固体/气体。
在特定的实施方式中，用于将水性流体从生物反应器进料到外部分离器的导管至少基本上是直的，即不含有锐角或锐边，以防止污泥沉淀导管导致系统堵塞。
Claims (20)
1.用于在设备中处理包含可生物降解的有机物质的水性流体的方法，所述设备包括上流式生物反应器(1)、外部分离器(2)和调节罐(12)，所述上流式生物反应器包括污泥床，所述污泥床包含生物质，其中，所述方法包括
-在所述调节罐(12)中处理所述水性流体；之后
-将来自所述调节罐(12)的所述水性流体进料到所述生物反应器的下部，使进料的所述流体与所述生物质接触，由此由所述可生物降解的有机物质形成生物气；
-从所述生物反应器的上部取出与所述生物质接触的所述流体，取出的所述流体包含生物质；
-将从所述生物反应器的上部取出的包含所述生物质的所述水性流体进料到所述外部分离器(2)，所述外部分离器(2)包括设置有倾斜内部构件的分离室，其中，包含所述生物质的所述水性流体被分离成液相和流体相，所述液相具有降低的生物质含量或基本不含生物质，所述流体相富含生物质；
-将富含生物质的所述流体相从所述外部分离器返回到所述生物反应器；以及
-将具有降低的生物质含量或基本不含生物质的所述液相的一部分从所述外部分离器(2)返回到所述调节罐(12)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物反应器包含颗粒污泥床(GSB)，GSB包含厌氧微生物，并且其中，所述可生物降解的有机物质由所述厌氧微生物转化，由此形成所述生物气。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，从所述生物反应器的上部取出的所述流体包含颗粒状生物质，其中，颗粒状生物质沉降在所述外部分离器(2)的内部，并且其中，返回到所述生物反应器(1)的所述流体相包含沉降的颗粒状生物质。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述生物反应器(1)包括位于所述生物反应器的上部的内部气体-流体分离器(3)，优选选自由挡板、导流板、漏斗和斜板沉降器组成的组的气体-流体分离器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述外部分离器(2)被放置为低于进料导管(6)的从所述生物反应器(1)取出水性流体的入口(5)，所述进料导管(6)将所述流体进料到所述外部分离器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述调节罐中的所述处理包括将所述调节罐中的所述水性流体的pH维持在6.5至7.2范围内的pH，优选6.6至6.8范围内的pH，或将所述调节罐中的所述水性流体的pH调节至6.5至7.2范围内的pH，优选6.6至6.8范围内的pH。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述调节罐中的所述水性流体被维持在33至37℃范围内的温度，优选34至36℃范围内的温度，或被调节至33至37℃范围内的温度，优选34至36℃范围内的温度。
8.用于对包含可生物降解的有机物质的水性流体进行微生物学处理的设备，其中，所述设备包括
-生物反应器(1)，所述生物反应器包括用于生物气的出口；
-外部分离器(2)，所述外部分离器包括设置有倾斜内部构件的分离室，被布置为从包含生物质的流体相分离液相，所述外部分离器包括用于水性流体的入口(4)，所述用于水性流体的入口(4)连接至用于从所述生物反应器(1)取出水性流体的导管(6)的入口(5)；用于水性流体的出口(7a)；用于富含生物质的流体的出口(8)，所述出口(8)经由导管(10)连接至所述生物反应器(1)的用于富含生物质的所述流体的入口(9)；
-用于预处理所述水性流体的调节罐(12)，包括用于废水的入口(13)、经由导管(16)连接至所述生物反应器的入口(15)的用于所述水性流体的出口(14)、用于将液相从所述外部分离器(2)返回到所述调节罐(12)的返回管线(37)、以及用于生物气的出口。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备包括流入物分配系统(15)和再循环泵(11)，所述流入物分配系统用于将流入物引入到所述生物反应器，其中，所述流入物分配系统(15)经布置以在反应器表面区域上提供至少基本相等的水性流体分布。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，所述生物反应器(1)包括位于所述生物反应器的上部的内部分离器(3)，所述内部分离器被布置为将生物气从包含固体的水性流体分离。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述内部分离器(3)是气体-流体分离器，所述气体-流体分离器选自由以下组成的组：挡板、导流板、漏斗和斜板沉降器，优选挡板或导流板。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的设备，其中
-所述生物反应器(1)包括连接至生物气注入器(23)的内部生物气收集器(22)，所述生物气注入器(23)被配置为将生物气注入到所述导管(10)中，所述导管(10)用于将富含固体的所述流体从所述外部分离器(2)返回到所述生物反应器(1)。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的设备，其中，所述外部分离器(2)包括出口(29)，所述出口(29)经由导管(33)连接至所述生物反应器(1)的入口(30)并任选地连接至调节罐(12)的入口(31)，其中，所述导管包括泵，优选螺杆泵。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的设备，其中，所述导管(10)包括阀(28)并且导管(6)包括阀(27)，用于隔离外部分离器(2)以进行维护、清洁或更换。
15.根据权利要求8-14中任一项所述的设备，其中，所述生物反应器是上流式颗粒污泥床反应器。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述生物反应器是膨胀颗粒污泥床反应器。
17.根据权利要求8-14中任一项所述的设备，其中，所述外部分离器位于与所述生物反应器的底部约相同的高度处或低于所述生物反应器的底部处，特别是位于底板上。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述生物反应器(1)包括连接至生物气注入器(23)的内部生物气收集器(22)，所述生物气注入器(23)被配置为将生物气注入到所述导管(10)，所述导管(10)用于将富含固体的所述流体从所述外部分离器(2)返回到所述生物反应器(1)，并且其中，用于使富含固体的所述流体返回的所述导管(10)设置有出口(9)，以将返回的所述流体排放到所述生物反应器中，与所述生物气注入器(23)相比，用于将返回的所述流体排放到所述生物反应器的所述出口(9)处于较高的高度。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，用于将返回的所述流体排放到所述生物反应器的出口(9)在所述生物反应器的中部或下部。
20.根据权利要求8-19中任一项所述的设备在根据权利要求1-7中任一项所述的方法中的用途。
Applications Claiming Priority (3)
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| EP18190286.7A EP3613709A1 (en) | 2018-08-22 | 2018-08-22 | Granular sludge reactor system comprising an external lamella separator |
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| WO2004035485A1 (de) * | 2002-10-10 | 2004-04-29 | Va Tech Wabag Gmbh | Reaktor mit dreiphasen-trennvorrichtung und verfahren zur trennung eines dreiphasengemisches |
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| CN204897526U (zh) * | 2015-08-07 | 2015-12-23 | 廖华平 | 一种用于处理高悬浮固体物料的高负荷复合型厌氧反应器 |
| CN106186300A (zh) * | 2015-05-08 | 2016-12-07 | 廖华平 | 一种用于处理高悬浮固体物料的高负荷复合型厌氧反应器 |
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