CN113697949B - 一种短流程厌氧反应器装置及高浓度有机废水预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种短流程厌氧反应器装置及高浓度有机废水预处理方法，所述反应器由反应器本体、进药喷射管、布气管道及污泥分配机构组成；污泥分配机构由上层分配盘、下层分配盘及旋转驱动机构组成，上层分配盘将反应器本体内部分隔为2个独立的空间，上部空间为厌氧发酵区，下部空间为剩余污泥产氢区。本发明通过合理调控反应器内的环境，使其达到促进厌氧污泥发酵及抑制产甲烷的目的，提高出水可生化性的同时大幅缩短反应周期，减少沼气产生；另外，将剩余污泥资用于产氢，氢气回用于厌氧污泥搅拌，增加反应器内污泥与废水的接触面积，进一步提高降解效率。

Description

一种短流程厌氧反应器装置及高浓度有机废水预处理方法
技术领域
本发明涉及有机废水处理技术领域，尤其涉及一种用于对高浓度难降解有机废水进行预处理的短流程厌氧反应器装置及处理方法。
背景技术
高浓度难降解有机废水的成份复杂、毒性大、可生化性差且排放量大，若未经处理或处理不彻底排放将直接影响生态系统平衡和人类的生命健康。对高浓度难降解有机废水的处理工艺包括三个阶段：预处理阶段、生化处理阶段、深度处理阶段。其中，设立预处理阶段的目的是去除一部分大分子有机污染物，提高废水的可生化性，降低后续生化处理阶段的难度。可想而知，好的预处理效果是整个工艺流程出水水质达标的前提保障。
目前，用于难降解有机废水的预处理方法最常见的是化学法和物理化学法，当采用一种预处理方法后出水仍不能达标时，通常采用两种或多种方法联合的手段。这些方法虽然操作简单、条件易控，但普遍存在运行成本高昂、能耗高、出水可生化性提高效果不理想等问题，给污水处理厂带来了较大的运行阻力。因此，寻求一种既经济又可更好衔接后续生化系统的预处理方式尤为迫切。
厌氧微生物处理技术具有可处理高浓度有机废水、耐冲击负荷高、对营养物质的需求量小、无需供氧从而节省动力消耗、投资省等优点，能够满足经济低成本的需求。该技术由于启动时间较长、产生需二次处理的剩余污泥、副产品为清洁能源沼气等因素一直用于市政污水处理，但较少应用于工艺污水的预处理。通过改进厌氧反应器，可以使其适应工业废水的处理。
事实上，厌氧生物处理过程可以分为水解发酵阶段、产氢产酸阶段、产甲烷阶段三个阶段。第一阶段中，有机物经过厌氧发酵细菌发酵生成乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等；第二阶段中，经过产氢产乙酸菌的作用，将第一阶段产物转化为乙酸和氢气或二氧化碳，产生的乙酸及氢气或二氧化碳经第三阶段的产甲烷菌利用，最终生成甲烷气和二氧化碳气体。前两个阶段参与反应的微生物可统称为发酵细菌或产酸细菌，其主要特点是生长速率快、对环境条件(如温度、pH值、抑制物等)的适应性较强。第三阶段参与反应的微生物统称为产甲烷菌，其主要特点有：生长速率慢，对环境条件非常敏感。根据厌氧生物处理全过程的上述特点，为满足难降解有机废水预处理所特有的短流程、少产或不产沼气、提高废水可生化性的需求，可以考虑通过调控环境条件来刺激厌氧污泥中的发酵产酸菌，提高其将大分子有机物分解成小分子易降解有机物的活性，从而提高出水的可生化性，同时抑制产甲烷菌，缩短厌氧污泥的反应周期，减少甲烷气产量。
公开号为CN103739065A的中国专利申请公开了“一种火电厂脱硫废水厌氧生物处理方法”，其在SRB厌氧反应器启动初期投加由酵母粉及硫酸亚铁混合主城的SRB复合生长因子，在提高反应器对硫酸根的负荷能力的同时，也对产甲烷菌起到了一定的抑制作用，使反应器的启动加速。但该方法仍未能达到降解全过程的加速及减少产气的效果。
此外，厌氧反应产生的剩余污泥中含有N、P、K等营养物质及大量的有机物质，如若处理不当会造成环境污染以及资源的浪费，采用热处理、酸碱处理、超声波等方法处理厌氧污泥，使其发酵产氢，产生的氢气可以作为再生“绿色能源”。
发明内容
本发明提供了一种短流程厌氧反应器装置及高浓度有机废水预处理方法，通过合理调控反应器内的环境，使其达到促进厌氧污泥发酵及抑制产甲烷的目的，提高出水可生化性的同时大幅缩短反应周期，减少沼气产生；另外，将剩余污泥资用于产氢，氢气回用于厌氧污泥搅拌，增加反应器内污泥与废水的接触面积，进一步提高降解效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种短流程厌氧反应器装置，包括反应器；所述反应器由反应器本体、进药喷射管、布气管道及污泥分配机构组成；所述反应器本体的顶部设出气口，上部一侧设出水口，底部设排泥口；污泥分配机构由上层分配盘、下层分配盘及旋转驱动机构组成；上层分配盘设有下料口一，下层分配盘上设有下料口二，上层分配盘固定在反应器本体内，并将反应器本体内部分隔为2个独立的空间，上部空间为厌氧发酵区，下部空间为剩余污泥产氢区；下层分配盘设于上层分配盘的下方，并能够在旋转驱动机构的带动下水平转动，使下料口二与下料口一完全交错、部分对正或全部对正；上层分配盘上铺设厌氧污泥，厌氧污泥上方的反应器本体内设有进药喷射管，进药喷射管的进药端与产甲烷抑制药剂输送管道相连，进药喷射管的底部均设多个旋转喷嘴；上层分配盘上方的反应器本体一侧设进水口；下层分配盘下方的反应器本体一侧设进药口，进药口连接促污泥细胞溶壁及产氢药剂输送管道；所述布气管道的进气端通过连通管与下部空间连通，布气管道的顶部设多个布气孔。
所述进药喷射管上方的反应器本体内还设有挡泥板；所述下部空间内还设有集气罩，集气罩的顶部与连通管的下端连通，连通管的上端穿过下层分配盘、上层分配盘后与布气管道连通。
所述布气管道为在同一水平面内呈螺旋形盘绕的管道；沿布气管道长度方向均匀分布孔径为5～10mm的布气孔，布气孔倾斜设置，其轴线与布气管道顶面之间的夹角为10°～25°。
所述进水口连接进水管道和氮气管道，进水管道上设进水阀门，氮气管道上设氮气阀门；所述出水口连通出水管道，出水管道上设出水阀门；所述进药口连接进药管道，进药管道上设进药阀门；所述排泥口连接排泥管道，排泥管道上设排泥阀门。
所述反应器本体的顶部设顶盖，出气口设于顶盖的中部，顶盖上还设有pH检测计接口及温度计接口；顶盖与反应器本体可拆卸地连接。
所述旋转驱动机构由电机及齿轮齿圈传动机构组成，齿圈设于下层分配盘的底部，齿圈与齿轮啮合传动，齿轮与设于反应器本体外部的电机传动连接。
所述下料口一为扇形，沿上层分配盘周向均匀设置，数量至少为2个；下料口二设置的位置、数量及形状与下料口一相对应。
一种高浓度有机废水预处理方法，包括如下步骤：
(1)向厌氧发酵区内投加厌氧污泥，关闭出水阀门，打开进水阀门和氮气阀门，通过进水口向反应器内通入氮气，将厌氧发酵区内的空气全部置换出去，然后关闭氮气阀门；
(2)pH值调节为4.0～6.5的高浓度有机废水从进水口进入反应器内，向上通过厌氧污泥层，同时通过进药喷射管喷射产甲烷抑制药剂，高浓度有机废水与厌氧污泥接触的过程中发生厌氧反应，反应后的废水自出水口排出反应器；
(3)反应器运行一段时间后污泥浓度升高，产生剩余污泥，此时通过旋转驱动机构带动下层分配盘转动，使上层分配盘上的下料口一与下层分配盘上的下料口二对正，将剩余污泥排入到剩余污泥产氢区；然后继续旋转下层分配盘，使下料口一与下料口二完全交错，即停止向剩余污泥产氢区排放剩余污泥；
(4)自进药口向剩余污泥产氢区通入促污泥细胞溶壁及产氢药剂，使剩余污泥产氢；剩余污泥产生的氢气通过集气罩收集，再经布气管道上的布气孔通入厌氧发酵区，用于厌氧污泥搅拌，增加厌氧污泥与高浓度有机废水的接触面积；同时，氢气在厌氧发酵区的内部循环，促进颗粒污泥的形成与维持；附着在氢气中的颗粒污泥在随氢气上升的过程中被挡泥板阻挡，重新回落沉淀至厌氧发酵区底部，去除颗粒污泥后的氢气通过出气口排出；
(5)反应器内的反应完成后，开启排泥阀门，将剩余污泥经排泥口排出反应器。
反应过程中，通过温度计、pH监测计判断并调节反应器内的环境条件；厌氧发酵区中厌氧污泥的生长环境为：pH值为4.0～6.5，温度为35℃～60℃，水力停留时间5～8h；剩余污泥产氢区的环境为：pH值为7.5～12，温度为45℃～65℃。
所述厌氧发酵区添加的产甲烷菌抑制药剂的组分及用量为：溴氯甲烷0.42g/L～1.04g/L、硝酸钾0.53g/L～0.78g/L、硫酸钠0.46g/L～0.67g/L；所述剩余污泥产氢区添加的促污泥细胞溶壁及产氢药剂的组分及用量为：过氧化钠0.15g/g～0.3g/g，腐殖酸钠0.10g/g～0.25g/g，蛋白酶0.15g/g～0.30g/g。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明所述的短流程厌氧反应器可适用于工业难降解废水的预处理，它通过控制反应器内的环境因素和添加适当药剂，刺激促进厌氧发酵菌的活性，最大化的提高出水的可生化性，使出水更适应于进入后续的生化处理；抑制厌氧产甲烷菌的活性，大幅度的降低了厌氧反应器的运行周期，且减少甲烷气的产生，使反应器更适用于工业大用水量的需求。
2)本发明所述的短流程厌氧反应器的出水BOD5/COD值在0.4～0.5之间，达到了较好的可生化性，解决了传统厌氧反应器出水可生化性不理想的问题。
3)本发明所述的短流程厌氧反应器通过对产生的剩余污泥进行资源化处理，使剩余污泥产氢回用于反应器中的污泥搅拌，提高反应器降解效率的同时改善了剩余污泥的脱水效果，降低了后续剩余污泥的处理难度。
4)本发明所述的短流程厌氧反应器将厌氧污泥发酵区及剩余污泥产氢资源化区设计为一体式结构，通过布气及污泥分配部件合理联接，有效控制固液气三相平衡。同时，采用一体式结构还具有所需构筑物少，占地少，减少水力损失等优点。
附图说明
图1是本发明所述一种短流程厌氧反应器装置的结构示意图。
图2是本发明所述上层分配盘的结构示意图。
图3是本发明所述下层分配盘的结构示意图。
图4是本发明所述布气管道的结构示意图。
图中：1.反应器本体 2.顶盖 3.出气口 4.出水口 5.pH检测计接口 6.温度计接口 7.挡泥板 8.进药喷射管 9.上层分配盘 91.下料口一 10.下层分配盘 101.下料口二11.厌氧污泥 12.进水口 13.旋转驱动机构 14.进药口 15.布气管道 151.布气孔 16.集气罩 17.剩余污泥 18.排泥口
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明所述一种短流程厌氧反应器装置，包括反应器；所述反应器由反应器本体1、进药喷射管8、布气管道15及污泥分配机构组成；所述反应器本体1的顶部设出气口3，上部一侧设出水口4，底部设排泥口18；污泥分配机构由上层分配盘9、下层分配盘10及旋转驱动机构13组成；上层分配盘9设有下料口一91，下层分配盘10上设有下料口二101，上层分配盘9固定在反应器本体1内，并将反应器本体1内部分隔为2个独立的空间，上部空间为厌氧发酵区，下部空间为剩余污泥产氢区；下层分配盘10设于上层分配盘9的下方，并能够在旋转驱动机构13的带动下水平转动，使下料口二101与下料口一91完全交错、部分对正或全部对正；上层分配盘9上铺设厌氧污泥11，厌氧污泥11上方的反应器本体1内设有进药喷射管8，进药喷射管8的进药端与产甲烷抑制药剂输送管道相连，进药喷射管8的底部均设多个旋转喷嘴；上层分配盘9上方的反应器本体1一侧设进水口12；下层分配盘10下方的反应器本体1一侧设进药口14，进药口14连接促污泥细胞溶壁及产氢药剂输送管道；所述布气管道15的进气端通过连通管与下部空间连通，布气管道15的顶部设多个布气孔151。
所述进药喷射管8上方的反应器本体1内还设有挡泥板7；所述下部空间内还设有集气罩16，集气罩16的顶部与连通管的下端连通，连通管的上端穿过下层分配盘10、上层分配盘9后与布气管道15连通。
如图4所示，所述布气管道15为在同一水平面内呈螺旋形盘绕的管道；沿布气管道15长度方向均匀分布孔径为5～10mm的布气孔151，布气孔151倾斜设置，其轴线与布气管道15顶面之间的夹角为10°～25°。
所述进水口12连接进水管道和氮气管道，进水管道上设进水阀门，氮气管道上设氮气阀门；所述出水口4连通出水管道，出水管道上设出水阀门；所述进药口14连接进药管道，进药管道上设进药阀门；所述排泥口18连接排泥管道，排泥管道上设排泥阀门。
所述反应器本体1的顶部设顶盖2，出气口3设于顶盖2的中部，顶盖2上还设有pH检测计接口5及温度计接口6；顶盖2与反应器本体1可拆卸地连接。
所述旋转驱动机构13由电机及齿轮齿圈传动机构组成，齿圈设于下层分配盘10的底部，齿圈与齿轮啮合传动，齿轮与设于反应器本体1外部的电机传动连接。
如图2、图3所示，所述下料口一91为扇形，沿上层分配盘9周向均匀设置，数量至少为2个；下料口二101设置的位置、数量及形状与下料口一相对应。
一种高浓度有机废水预处理方法，包括如下步骤：
(1)向厌氧发酵区内投加厌氧污泥11，关闭出水阀门，打开进水阀门和氮气阀门，通过进水口12向反应器内通入氮气，将厌氧发酵区内的空气全部置换出去，然后关闭氮气阀门；
(2)pH值调节为4.0～6.5的高浓度有机废水从进水口12进入反应器内，向上通过厌氧污泥层，同时通过进药喷射管8喷射产甲烷抑制药剂，高浓度有机废水与厌氧污泥11接触的过程中发生厌氧反应，反应后的废水自出水口4排出反应器；
(3)反应器运行一段时间后污泥浓度升高，产生剩余污泥，此时通过旋转驱动机构13带动下层分配盘10转动，使上层分配盘9上的下料口一91与下层分配盘10上的下料口二101对正，将剩余污泥排入到剩余污泥产氢区；然后继续旋转下层分配盘10，使下料口一91与下料口二101完全交错，即停止向剩余污泥产氢区排放剩余污泥；
(4)自进药口14向剩余污泥产氢区通入促污泥细胞溶壁及产氢药剂，使剩余污泥17产氢；剩余污泥17产生的氢气通过集气罩16收集，再经布气管道15上的布气孔151通入厌氧发酵区，用于厌氧污泥11搅拌，增加厌氧污泥11与高浓度有机废水的接触面积；同时，氢气在厌氧发酵区的内部循环，促进颗粒污泥的形成与维持；附着在氢气中的颗粒污泥在随氢气上升的过程中被挡泥板7阻挡，重新回落沉淀至厌氧发酵区底部，去除颗粒污泥后的氢气通过出气口3排出；
(5)反应器内的反应完成后，开启排泥阀门，将剩余污泥17经排泥口18排出反应器。
反应过程中，通过温度计、pH监测计判断并调节反应器内的环境条件；厌氧发酵区中厌氧污泥的生长环境为：pH值为4.0～6.5，温度为35℃～60℃，水力停留时间5～8h；剩余污泥产氢区的环境为：pH值为7.5～12，温度为45℃～65℃。
所述厌氧发酵区添加的产甲烷菌抑制药剂的组分及用量为：溴氯甲烷0.42g/L～1.04g/L、硝酸钾0.53g/L～0.78g/L、硫酸钠0.46g/L～0.67g/L；所述剩余污泥产氢区添加的促污泥细胞溶壁及产氢药剂的组分及用量为：过氧化钠0.15g/g～0.3g/g，腐殖酸钠0.10g/g～0.25g/g，蛋白酶0.15g/g～0.30g/g。
本发明所述高浓度有机废水预处理方法的工作原理是：通过调控厌氧发酵区厌氧污泥的生长环境及添加相应药剂，刺激发酵产酸菌并抑制产甲烷菌，使厌氧反应最大程度地停留在厌氧生物处理过程中的第二阶段；提高废水可生化性的同时，大幅缩短反应周期并减少不必要的沼气产生。在剩余污泥产氢区，通过投加相应药剂，刺激剩余污泥产氢，产生的氢气通入厌氧发酵区用于污泥搅拌，以提高反应器中厌氧污泥的降解效率。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例1】
本实施例中，采用本发明所述短流程厌氧反应器装置对高浓度难降解煤化工废水进行预处理。
高浓度难降解煤化工废水为某兰炭生产厂的蒸氨废水，其水质如表1所示。
表1某兰炭生产厂蒸氨废水的水质
Figure BDA0003221565260000071
将蒸氨废水通入已稳定运行的短流程厌氧反应器中，水力停留时间为7h时，出水的COD值为5235mg/L，BOD5值为2110，BOD5/COD为0.403，可生化性良好；出水的氨氮值为270mg/L，氨氮去除率达70％。
【实施例2】
本实施例中，采用本发明所述短流程厌氧反应器装置对高浓度难降解新材料废水进行预处理。
高浓度难降解新材料废水为某精细化工厂的蒸氨废水，其水质如表2所示。
表2某精细化工厂蒸氨废水的水质
Figure BDA0003221565260000072
将蒸氨废水通入已稳定运行的短流程厌氧反应器中，水力停留时间为6h时，出水的COD值为2500mg/L，BOD5值为1125，BOD5/COD为0.45，可生化性良好；出水的氨氮值为55mg/L，氨氮去除率达69％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短流程厌氧反应器装置，包括反应器；其特征在于，所述反应器由反应器本体、进药喷射管、布气管道及污泥分配机构组成；所述反应器本体的顶部设出气口，上部一侧设出水口，底部设排泥口；污泥分配机构由上层分配盘、下层分配盘及旋转驱动机构组成；上层分配盘设有下料口一，下层分配盘上设有下料口二，上层分配盘固定在反应器本体内，并将反应器本体内部分隔为2个独立的空间，上部空间为厌氧发酵区，下部空间为剩余污泥产氢区；下层分配盘设于上层分配盘的下方，并能够在旋转驱动机构的带动下水平转动，使下料口二与下料口一完全交错、部分对正或全部对正；上层分配盘上铺设厌氧污泥，厌氧污泥上方的反应器本体内设有进药喷射管，进药喷射管的进药端与产甲烷抑制药剂输送管道相连，进药喷射管的底部设多个旋转喷嘴；上层分配盘上方的反应器本体一侧设进水口；下层分配盘下方的反应器本体一侧设进药口，进药口连接促污泥细胞溶壁及产氢药剂输送管道；所述布气管道的进气端通过连通管与下部空间连通，布气管道的顶部设多个布气孔。
2.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述进药喷射管上方的反应器本体内还设有挡泥板；所述下部空间内还设有集气罩，集气罩的顶部与连通管的下端连通，连通管的上端穿过下层分配盘、上层分配盘后与布气管道连通。
3.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述布气管道为在同一水平面内呈螺旋形盘绕的管道；沿布气管道长度方向均匀分布孔径为5～10mm的布气孔，布气孔倾斜设置，其轴线与布气管道顶面之间的夹角为10°～25°。
4.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述进水口连接进水管道和氮气管道，进水管道上设进水阀门，氮气管道上设氮气阀门；所述出水口连通出水管道，出水管道上设出水阀门；所述进药口连接进药管道，进药管道上设进药阀门；所述排泥口连接排泥管道，排泥管道上设排泥阀门。
5.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述反应器本体的顶部设顶盖，出气口设于顶盖的中部，顶盖上还设有pH检测计接口及温度计接口；顶盖与反应器本体可拆卸地连接。
6.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述旋转驱动机构由电机及齿轮齿圈传动机构组成，齿圈设于下层分配盘的底部，齿圈与齿轮啮合传动，齿轮与设于反应器本体外部的电机传动连接。
7.根据权利要求1所述的一种短流程厌氧反应器装置，其特征在于，所述下料口一为扇形，沿上层分配盘周向均匀设置，数量至少为2个；下料口二设置的位置、数量及形状与下料口一相对应。
8.一种高浓度有机废水预处理方法，采用如权利要求1～7任意一种所述的短流程厌氧反应器装置实现，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向厌氧发酵区内投加厌氧污泥，关闭出水阀门，打开进水阀门和氮气阀门，通过进水口向反应器内通入氮气，将厌氧发酵区内的空气全部置换出去，然后关闭氮气阀门；
(2)pH值调节为4.0～6.5的高浓度有机废水从进水口进入反应器内，向上通过厌氧污泥层，同时通过进药喷射管喷射产甲烷抑制药剂，高浓度有机废水与厌氧污泥接触的过程中发生厌氧反应，反应后的废水自出水口排出反应器；
(3)反应器运行一段时间后污泥浓度升高，产生剩余污泥，此时通过旋转驱动机构带动下层分配盘转动，使上层分配盘上的下料口一与下层分配盘上的下料口二对正，将剩余污泥排入到剩余污泥产氢区；然后继续旋转下层分配盘，使下料口一与下料口二完全交错，即停止向剩余污泥产氢区排放剩余污泥；
(4)自进药口向剩余污泥产氢区通入促污泥细胞溶壁及产氢药剂，使剩余污泥产氢；剩余污泥产生的氢气通过集气罩收集，再经布气管道上的布气孔通入厌氧发酵区，用于厌氧污泥搅拌，增加厌氧污泥与高浓度有机废水的接触面积；同时，氢气在厌氧发酵区的内部循环，促进颗粒污泥的形成与维持；附着在氢气中的颗粒污泥在随氢气上升的过程中被挡泥板阻挡，重新回落沉淀至厌氧发酵区底部，去除颗粒污泥后的氢气通过出气口排出；
(5)反应器内的反应完成后，开启排泥阀门，将剩余污泥经排泥口排出反应器。
9.根据权利要求8所述的一种高浓度有机废水预处理方法，其特征在于，反应过程中，通过温度计、pH监测计判断并调节反应器内的环境条件；厌氧发酵区中厌氧污泥的生长环境为：pH值为4.0～6.5，温度为35℃～60℃，水力停留时间5～8h；剩余污泥产氢区的环境为：pH值为7.5～12，温度为45℃～65℃。
10.根据权利要求8所述的一种高浓度有机废水预处理方法，其特征在于，所述厌氧发酵区添加的产甲烷抑制药剂的组分及用量为：溴氯甲烷0.42g/L～1.04g/L、硝酸钾0.53g/L～0.78g/L、硫酸钠0.46g/L～0.67g/L；所述剩余污泥产氢区添加的促污泥细胞溶壁及产氢药剂的组分及用量为：过氧化钠0.15g/g～0.3g/g，腐殖酸钠0.10g/g～0.25g/g，蛋白酶0.15g/g～0.30g/g。
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