CN114455780A - 智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器及方法。反应器设排泥进水区、反应区、分离区、气室和磁场控制装置。排泥区设排泥管和电磁吸盘；进水区设进水管、进水泵、反射锥和布水器出水管；反应区设搅拌装置、高斯计传感器、浮渣挡板，纵隔板；分离区设导流板、出水管和出水泵；反应区下部通过导流板与分离区连通；磁场控制装置设可通电线圈和电流控制系统。本发明通过耦合磁铁矿和外加磁场，可基于盐度和COD指标，通过电流控制系统实现对反应区磁场强度的变频控制，在不同盐度和COD负荷条件下强化DIET机制，提高反应器运行效率。

Description

智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器及方法

技术领域

本发明涉及一种高盐有机废水厌氧生物反应器，尤其涉及一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器及方法。

背景技术

水资源短缺、水环境污染和水生态破坏是目前制约我国高质量发展的突出瓶颈和生态文明建设的突出短板。污水资源化利用是破解上述问题的有效措施和多赢途径，是高质量发展的必然要求。《关于推进污水资源化利用的指导意见》指出，我国污水资源化利用尚处于起步阶段，发展不充分，利用水平不高，与建设美丽中国的需要还存在不小差距。在污水资源化利用及二氧化碳排放达峰与碳中和愿景的双重牵引下，亟待加快推进污水高效碳能源化回收技术研发。

厌氧发酵是指有机物在厌氧条件下定向转化沼气(60％甲烷)的微生物发酵过程。据估计，我国近期可采用厌氧发酵技术每年可开发的沼气潜力高达100亿立方米，相当于1000万吨标准煤。该技术既可大幅度降低有机污染负荷，又可回收大量生物质能源—沼气。基于这一技术，厌氧序批式反应器(简称ASBR反应器)应运而生。该类反应器在高效去除有机物同时，还能有效防止污泥膨胀。此外，有统计结果表明，相较于普通活性污泥法，采用ASBR反应器能节省约30％的基建投资。因此ASBR反应器的工艺流程简单，处理成本低，经济效益好，在处理工业有机废水时有广阔的应用前景。

该工艺优势明显，然而由于ASBR反应器主体设备只有一个序批式间歇反应器，无初沉池、污泥回流系统，未设初沉池，所致三相(底泥、水、浮渣)分离困难是整个ASBR工艺的短板所在。

且工业有机废水厌氧甲烷化面临高盐特别是高硫酸盐的巨大挑战。现有厌氧发酵的途径是水解酸化-产甲烷(MIET),该途径需经水解酸化、产氢产乙酸等中间过程，任何影响这些过程的因素最终都将影响废水处理效率。因此，SBR反应器在处理工业上较常见含高盐，特别是高硫酸盐有机废水时，因受到高盐胁迫和SRB硫化物的抑制作用，反应器中产甲烷菌活性明显下降，进而降低了废水处理效率。高硫酸盐有机废水碳素回收已成为厌氧发酵工艺中急待攻克的顽固堡垒。如何扩大ASBR反应器的技术优势，将其高效应用于高盐有机废水的处理是一个待破之局。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器及方法。

为实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其中反应罐的内腔下部设排泥进水区，内腔中部设反应区和分离区，内腔上部设气室，反应罐外部设磁场控制装置；

反应罐的底部设有电磁吸盘，用于对反应罐内部可控施加促使磁铁矿下沉的磁吸力；排泥进水区中初始内置添加有磁铁矿的厌氧颗粒污泥层，其侧壁上设有排泥管，而内底面安装有若干锥尖朝上的反射锥，在反射锥正上方安装有与反射锥一一对应的若干条布水器出水管，设有进水泵的进水管由反应罐外部伸入排泥进水区中并连通各条布水器出水管；分离区同轴环绕设置于反应区外围，两者之间通过圆筒状的纵隔板实现分隔；反应区内设有搅拌装置、高斯计传感器和浮渣挡板，其中浮渣挡板有多块且均匀分布于反应区上部的液面下方，每块浮渣挡板均由两块挡板沿边线重合拼接而成且其尖角朝下，高斯计传感器连接外部的高斯计用于检测反应区中的磁场强度；分离区分为位于下方的逆向流斜板沉淀段和位于上方的出水段，逆向流斜板沉淀段中设有多块等间隔平行布置的导流板，相邻导流板之间形成由反应区向出水段斜向上延伸的斜板沉淀通道，出水段上部设有出水管，出水管伸出反应罐侧壁后连接出水泵；磁场控制装置与反应罐共同固定于底座上，包括用于产生磁场的可通电线圈和电流控制系统，可通电线圈产生的磁场加载于反应罐内腔的反应区中且其磁场强度由电流控制系统变频控制；气室位于反应罐顶部的密封盖和反应区及分离区的液面之间，通过设置于密封盖上的排气管连接外部气体收集装置。

作为优选，所述的反应罐外壳为三段式结构，上段圆筒壳体的横截面积大于下段圆筒壳体的横截面积，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体之间通过渐扩段连接，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体的截面积之比为1：(1.7～4.0)。

作为优选，所述的进水区、反应区和气室的高度之比为1：(2.5～3.5)：(0.8～1.2)。

作为优选，所述的反射锥均匀分布安装在排泥进水区底部，且每个反射锥与正上方对应的布水器出水管同轴布置。

作为优选，所述的浮渣挡板的纵截面为倒置等腰三角形的两条腰线，两条腰线构成的顶角为(60°～100°)。

作为优选，所述的分离区与反应区下部通过导流板连通；导流板与水平面的的倾角为(50°～65°)，且与反应罐外壳的渐扩段相平行；逆向流斜板沉淀段与反应罐的高度之比为1：(2.0～2.5)。

作为优选，所述的纵隔板与反应罐高度之比为1：(3.0～4.0)，纵隔板底端设有用于减少水力扰动的弧面形式导流弯口。

作为优选，所述的磁场控制装置中具有两组可通电线圈，对称置于反应罐的两侧，每组可通电线圈均由电流控制系统进行控制，两组可通电线圈的间距与反应罐底部直径之比为(1.5～4.0)：1，磁场控制装置的磁场强度调整范围为(60～130)mT。

第二方面，本发明提供了一种利用如第一方面任一所述生物反应器的高盐有机废水能源化回收处理方法，其包括：

按照序批式运行模式运行所述生物反应器，每一个序批式循环包括进水、反应、沉淀、排水、排泥五个阶段，各阶段的流程如下：

在进水阶段，待处理的高盐有机废水先在进水泵的控制下由进水管和布水器出水管进入排泥进水区，并在反射锥的作用下均布至整个排泥进水区中，直至充满反应区和分离区后停止进水；

在反应阶段，开启反应区中的搅拌装置对高盐有机废水与厌氧颗粒污泥层中的厌氧颗粒污泥进行充分混合反应，从而利用污泥中厌氧微生物之间的互养作用将高盐有机废水中的碳素转化为甲烷，同时在混合反应过程中通过电流控制系统对可通电线圈进行变频控制，使高斯计检测到的反应区中的磁场强度满足当前进水水质的盐度和COD负荷条件所对应的最佳磁场强度，利用磁铁矿的磁场以及外加磁场促进产甲烷古菌及互养菌的生长和生物酶活性的提高，强化DIET途径；混合反应过程中分离区中液体通过导流板与导流弯口的引流，与反应区中液体充分混合形成总体流动，避免死区产生；浮渣挡板对反应区中附着于甲烷气泡上进行上浮的浮泥进行阻档使其发生变向，从而实现气、液、固分离，减少浮渣产生，气体溢出到气室；

在沉淀阶段，停止搅拌装置的搅动，使反应器内的泥水混合物在静置过程中实现泥水分离，厌氧颗粒污泥重新沉淀至排泥进水区形成厌氧颗粒污泥层；

在排水阶段，启动出水泵，通过出水管从分离区的出水段中不断抽取上清液并排出反应罐，反应区中的泥水混合液不断进入逆向流斜板沉淀段，通过斜板沉淀通道进一步实现泥水分离后排出；

在排泥阶段，打开反应罐底部的电磁吸盘，利用电磁吸盘的磁吸力将磁铁矿吸附固定在反应罐内底部避免流失，然后再对排泥进水区底部沉积的厌氧颗粒污泥层进行定量排泥。

作为优选，所述最佳磁场强度在60～130mT范围内根据基于相同进水水质的预实验确定。

与现有生物产甲烷技术相比，本发明具有以下明显的优点：1)本发明除通过在污泥区添加磁铁矿，为微生物构建DIET通路，强化DIET过程外，另在同时反应器周围设有由通电线圈和电流控制系统组成的磁场产生装置，基于盐度、COD指标，通过电通量调节对反应区磁场强度进行变频控制，实现不同运行负荷下DIET机制强化，进一步强化微生物生长代谢过程，从而提升ASBR反应器碳素回收效能，提高运行效率；2)本发明通过在反应区顶部设置倒三角式浮渣挡板，有效分离气体与浮泥，减少浮渣产生，克服行业痛点；3)本发明在反应罐下部设置导流板和搅拌装置，在反应阶段促进总体流动充分混合，防止形成死区，在出水阶段形成逆向流斜板沉淀区，实现出水与底泥的有效分离，缩短废水处理周期，弥补工艺短板；4)本发明在反应器出水及排泥阶段，采用电磁吸盘将磁铁矿吸附在反应器底部，防止其随出水或剩余污泥一同排出形成含重金属废水或固废，同时实现磁铁矿重复利用，提升经济效益。

附图说明

图1是智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器结构示意图；

图中：排泥管1、进水泵2、电磁吸盘3、反射锥4、进水管5，布水器出水管6、搅拌装置7、高斯计8，高斯计传感器9、浮渣挡板10，纵隔板11、导流弯口12、导流板13、出水管14、出水泵15、可通电线圈16、电流控制系统17、密封盖18、排气管19、底座20、反应罐21、厌氧颗粒污泥层22、进水区A、反应区B、分离区C、逆向流斜板沉淀段C1、出水段C2、气室D、磁场控制装置E。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，该生物反应器是一种厌氧序批式反应器，能够利用内置的磁铁矿以及外部加载的磁场来构建微生物DIET的通路，实现不同运行负荷下DIET机制强化，适用于工业应用中水质存在波动的高盐有机废水处理。下面详细描述该生物反应器的具体结构。

如图1所示，整个生物反应器的核心为反应罐21，反应罐21的底部设有电磁吸盘3，用于对反应罐21内部可控施加促使磁铁矿23下沉的磁吸力。电磁吸盘3中的磁吸力来源于电磁铁，可通过设置相应的开关进行控制，当需要对磁铁矿23进行吸附时可以打开电磁吸盘3，而生物反应过程中则关闭电磁吸盘3使磁铁矿23能够在反应器内自由运动。

反应罐21的内腔下部设排泥进水区A，内腔中部设反应区B和分离区C，内腔上部设气室D，反应罐21外部设磁场控制装置E。下面对排泥进水区A、反应区B、分离区C、气室D、磁场控制装置E的具体结构进行详细描述。

排泥进水区A中初始内置添加有磁铁矿23的厌氧颗粒污泥层22，在反应罐21内部处于静置状态下磁铁矿23和厌氧颗粒污泥都会沉积在排泥进水区A中形成厌氧颗粒污泥层22，但是在出现水力搅动时磁铁矿23和厌氧颗粒污泥会出现上浮。排泥进水区A的侧壁上设有排泥管1，用于在需要排泥时向外定量排泥，具体的排泥量需要根据整个反应器内所需要控制的污泥龄而定。排泥进水区A的内底面安装有若干锥尖朝上的反射锥4，在反射锥4正上方安装有与反射锥一一对应的若干条布水器出水管6，设有进水泵2的进水管5由反应罐21外部伸入排泥进水区A中并连通各条布水器出水管6。反射锥4是一个锥形结构，其作用是进行布水。布水器出水管6中通入的进水水流在朝向反射锥4流动过程中，在锥面的阻挡下向四周均布。因此，为了实现布水的尽可能均匀，多个反射锥4应该均匀分布安装在排泥进水区A底部，且每个反射锥4与正上方对应的布水器出水管6同轴布置。

反应区B和分离区C都位于反应罐21的中部，两者在高度上具有一定的重叠，其中反应区B位于反应罐21的中心，分离区C同轴环绕设置于反应区B外围，两者之间通过圆筒状的纵隔板11实现分隔。反应区B的主要作用是提供高盐有机废水与厌氧颗粒污泥反应处理的场所，而分离区C的主要作用是对反应后的泥水混合物进行泥水分离。反应区B内设有搅拌装置7、高斯计传感器9和浮渣挡板10。本发明中的搅拌装置7形式不限，但应当保证反应过程中的泥水混合充分。在该实施例中，搅拌装置7为桨叶式的搅拌装置，其搅拌桨叶布置于反应区B中心，而搅拌轴沿中心轴线伸出反应罐21的顶部并连接驱动电机。另外，浮渣挡板10有多块且均匀分布于反应区B上部的液面下方，每块浮渣挡板10均采用倒三角式浮渣挡板，由两块挡板沿边线重合拼接而成且其尖角朝下。为了保证阻挡的均匀性，浮渣挡板10的纵截面优选为倒置等腰三角形的两条腰线，两条腰线构成的顶角为60°～100°。反应区B中的浮泥附着于甲烷气泡上浮，浮渣挡板10的作用是对反应过程中的浮渣进行阻挡，被浮渣挡板10阻拦后会在浮渣挡板10底部斜面的导向下促使气泡改变移动方向，从而实现气、液、固分离，气体溢出到气室D，浮渣产生减少。反应区B中的高斯计传感器9连接外部的高斯计8用于检测反应区B中的磁场强度。分离区C分为位于下方的逆向流斜板沉淀段C1和位于上方的出水段C2，逆向流斜板沉淀段C1中设有多块等间隔平行布置的导流板13，相邻导流板13之间形成由反应区B向出水段C2斜向上延伸的斜板沉淀通道，反应区B中的泥水混合物需要通过这些斜板沉淀通道才能进入分离区C中。因此，基于斜板沉淀原理，导流板13的设置，可以在反应器运行的出水阶段进一步促进泥水混合物中的颗粒污泥沉降回排泥进水区A中。出水段C2上部设有出水管14，出水管14伸出反应罐21侧壁后连接出水泵15。出水管14的进水段在出水段C2中的高度需要根据实际进行优化，以能够将澄清的上清液尽可能排出为准。

气室D位于反应罐21顶部的密封盖18和反应区B及分离区C的液面之间，通过设置于密封盖18上的排气管19连接外部气体收集装置。

磁场控制装置E与反应罐21共同固定于底座20上，包括用于产生磁场的可通电线圈16和电流控制系统17，可通电线圈16产生的磁场加载于反应罐21内腔的反应区B中且其磁场强度由电流控制系统17变频控制。需要注意的是，磁场控制装置E中的可通电线圈16数量并非仅能有一组，其可以根据实际需要设置多组，分布在反应罐21的周侧，使得反应罐21内腔的反应区B中形成均匀磁场。在本实施例中，磁场控制装置E中具有两组可通电线圈16，对称置于反应罐21的两侧，每组可通电线圈16均由电流控制系统17进行控制。通过高斯计8指示，在反应器运行过程中可以根据不同盐度和COD负荷条件，控制电流强度，调节通电线圈产生的磁场强度大小至最优值，促进产甲烷古菌及互养菌生长及生物酶的活性提高，强化DIET途径。

上述智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器中，其核心是强化了直接种间电子传递(DIET)这种厌氧生物处理的新途径。在该途径中，微生物通过外源导体直接将电子传递给另一种微生物，该过程不会产生中间产物，也不需要能量载体的协助。因此，DIET相较于MIET而言，其电子传递效率和能量利用率更高。通过施加磁场能够强化DIET路径，提升厌氧产甲烷效率，促进微生物生长和微生物酶的活性，从而改善高盐有机废水中的高盐环境对生物反应器性能抑制。

本发明中强化DIET路径的磁场，是通过两种方式添加的：第一种是在污泥区添加磁铁矿，利用磁铁矿为微生物构建DIET通路，强化DIET过程；第二种是在反应器周围设有由通电线圈和电流控制系统组成的磁场控制装置，基于盐度、COD指标，通过电通量调节对反应区磁场强度进行变频控制，高效节能地实现不同运行负荷下DIET机制强化，进一步强化微生物生长代谢过程，从而提升生物反应器反应器碳素回收效能，提高运行效率。添加磁铁矿强化DIET过程不需要耗费任何能源，因此其经济性较高。但是在实际的工业应用中，由于高盐有机废水的进水水质往往存在波动性，其盐度、COD等指标经常会发生变化，因此单纯添加磁铁矿往往无法满足工业应用的需求。为此，本发明的生物反应器除通过投加磁铁矿强化DIET过程外，另施加变频磁场提高微生物反应活性。

经过机理探究，内置的磁铁矿的作用是：传统的MIET路径的电子传递需要借助氢气传递，在有机负荷较高时，容易代谢受阻，使得氢气分压升高，吉布斯自由能为正值，反应无法自发进行。DIET路径相较于MIET路径，具有电子传递效率高，无需借助氢气扩散，克服热力学限制等优势。而且，在处理含硫酸盐的工业高盐有机废水时，在传统MIET途径中会有硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争氢气，但如果促进DIET途径使其成为主要路径，不涉及中间产物氢气的话，就能够使反应器产甲烷效能得到恢复。由于磁铁矿具有高导电性和高表面积，能够代替细胞色素ocmS的作用，使得能够形成DIET机制的Geobacter附着在导电磁铁矿的表面，利用其高导电性和高比表面积实现长距离、快速的种间电子传输，促进DIET路径实现。此外，磁铁矿还具有吸附性，能够吸附废水中的盐分。而外加磁场对微生物的作用机理如下：磁场不仅能够提高污泥中脱氢酶的活性，加速微生物氧化分解功能，还能够促进生物膜两边的渗透交换，从而加速生物体内的新陈代谢。在磁场的作用下，絮凝活性均增加，同时促进微生物的繁殖代谢，提高有机物的降解速率。此外，磁处理还能破坏有机物的共价键，碳氢化合物在经过磁场时，将呈现出分散状态，原来相邻的分子由于受到磁场影响而共价键断裂，形成小分子物质，加速微生物降解。此外，磁场能为水中的有机物分子提供能量，从稳定态转为激发态，发生化学反应的机会增多，加速有机物降解速率。

由此，本发明中耦合了磁铁矿和外加磁场两者的优点，利用磁铁矿自身的磁性提供了一个基础的磁场，使其能够适用于常规进水水质下的高盐有机废水能源化回收生物处理需求，而变频磁场则可以通过外加磁场来改变微生物反应活性，以此满足不同进水水质波动下的处理效果调控需求，由此节能高效地实现反应器处理高盐有机废水效能提升。

另外，上述智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器中，各部件的结构和尺寸参数可以根据实际进行优化。在本实施例中，优选采用以下结构和尺寸参数中的任意一种或多种组合：

反应罐21外壳为三段式结构，上段圆筒壳体的横截面积大于下段圆筒壳体的横截面积，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体之间通过渐扩段连接，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体的截面积之比为1：(1.7～4.0)。反应罐21内进水区A、反应区B和气室D的高度之比为1：(2.5～3.5)：(0.8～1.2)。磁场控制装置E中，两组可通电线圈16的间距与反应罐21底部直径之比为(1.5～4.0)：1，磁场控制装置E的磁场强度调整范围为(60～130)mT。分离区C与反应区B下部通过导流板13连通；导流板13与水平面的倾角为(50°～65°)，且与反应罐21外壳的渐扩段相平行；逆向流斜板沉淀段C1与反应罐21的高度之比为1：(2.0～2.5)。纵隔板11与反应罐21高度之比为1：(3.0～4.0)，纵隔板11底端设有用于减少水力扰动的弧面形式导流弯口12，导流弯口12可设计成流线形式，减少从反应区B进入分离区C过程中的紊流。

基于上述生物反应器，本发明还可以进一步提供一种高盐有机废水能源化回收处理方法，其具体实现过程如下：

按照序批式运行模式运行前述的生物反应器，每一个序批式循环包括进水、反应、沉淀、排水、排泥五个阶段，各阶段的流程如下：

在进水阶段，待处理的高盐有机废水先在进水泵2的控制下由进水管5和布水器出水管6进入排泥进水区A，并在反射锥4的作用下均布至整个排泥进水区A中，直至充满反应区B和分离区C后停止进水；

在反应阶段，开启反应区B中的搅拌装置7对高盐有机废水与厌氧颗粒污泥层22中的厌氧颗粒污泥进行充分混合反应，从而利用污泥中厌氧微生物之间的互养作用将高盐有机废水中的碳素转化为甲烷，同时在混合反应过程中通过电流控制系统17对可通电线圈16进行变频控制，使高斯计8检测到的反应区B中的磁场强度满足当前进水水质的盐度和COD负荷条件所对应的最佳磁场强度，利用磁铁矿23的磁场以及外加磁场促进产甲烷古菌及互养菌的生长和生物酶活性的提高，强化DIET途径；混合反应过程中分离区C中液体通过导流板13与导流弯口12的引流，与反应区B中液体充分混合形成总体流动，避免死区产生；浮渣挡板10对反应区B中附着于甲烷气泡上进行上浮的浮泥进行阻档使其发生变向，从而实现气、液、固分离，减少浮渣产生，气体溢出到气室D；

在沉淀阶段，停止搅拌装置7的搅动，使反应器内的泥水混合物在静置过程中实现泥水分离，厌氧颗粒污泥重新沉淀至排泥进水区A形成厌氧颗粒污泥层22；

在排水阶段，启动出水泵15，通过出水管14从分离区C的出水段C2中不断抽取上清液并排出反应罐21，反应区B中的泥水混合液不断进入逆向流斜板沉淀段C1，通过斜板沉淀通道进一步实现泥水分离后排出；

在排泥阶段，打开反应罐21底部的电磁吸盘3，利用电磁吸盘3的磁吸力将磁铁矿23吸附固定在反应罐21内底部避免流失，然后再对排泥进水区A底部沉积的厌氧颗粒污泥层22进行定量排泥。采用电磁吸盘3将磁铁矿吸附在反应器内底部，可防止其随出水或剩余污泥一同排出形成含重金属废水或固废，同时实现磁铁矿循环利用。

需要注意的是，对于不同的高盐有机废水进水水质而言，其对应的最佳磁场强度是不一样的。因此，前述处理方法的反应阶段中，调节的最佳磁场强度在60～130mT范围内根据基于相同进水水质的预实验确定，选择最终处理效果最佳的磁场强度作为调节目标。

在实际应用时，为了快速适应进水水质的波动，亦可预先针对不同的进水水质通过梯度试验确定最佳磁场强度，进而构建相应的进水水质与最佳磁场强度之间的查找表。后续针对不同的进水水质，可以直接查表确定最佳磁场强度。

本发明中高效生物碳素回收的关键在于加入磁铁矿并基于不同进水运行负荷，通过电通量调节实现对磁场强度变频控制，强化DIET途径，进而改善高盐环境对反应器性能的抑制。导流板和搅拌装置在反应阶段保障了无死区存在，反应能够充分进行；导流板在出水阶段保障了反应器出水泥水分离效果，减少沉淀时间；浮渣挡板能够有效减少浮渣产生，弥补工艺短板。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：反应罐(21)的内腔下部设排泥进水区(A)，内腔中部设反应区(B)和分离区(C)，内腔上部设气室(D)，反应罐(21)外部设磁场控制装置(E)；

反应罐(21)的底部设有电磁吸盘(3)，用于对反应罐(21)内部可控施加促使磁铁矿(23)下沉的磁吸力；排泥进水区(A)中初始内置添加有磁铁矿(23)的厌氧颗粒污泥层(22)，其侧壁上设有排泥管(1)，而内底面安装有若干锥尖朝上的反射锥(4)，在反射锥(4)正上方安装有与反射锥一一对应的若干条布水器出水管(6)，设有进水泵(2)的进水管(5)由反应罐(21)外部伸入排泥进水区(A)中并连通各条布水器出水管(6)；分离区(C)同轴环绕设置于反应区(B)外围，两者之间通过圆筒状的纵隔板(11)实现分隔；反应区(B)内设有搅拌装置(7)、高斯计传感器(9)和浮渣挡板(10)，其中浮渣挡板(10)有多块且均匀分布于反应区(B)上部的液面下方，每块浮渣挡板(10)均由两块挡板沿边线重合拼接而成且其尖角朝下，高斯计传感器(9)连接外部的高斯计(8)用于检测反应区(B)中的磁场强度；分离区(C)分为位于下方的逆向流斜板沉淀段(C1)和位于上方的出水段(C2)，逆向流斜板沉淀段(C1)中设有多块等间隔平行布置的导流板(13)，相邻导流板(13)之间形成由反应区(B)向出水段(C2)斜向上延伸的斜板沉淀通道，出水段(C2)上部设有出水管(14)，出水管(14)伸出反应罐(21)侧壁后连接出水泵(15)；磁场控制装置(E)与反应罐(21)共同固定于底座(20)上，包括用于产生磁场的可通电线圈(16)和电流控制系统(17)，可通电线圈(16)产生的磁场加载于反应罐(21)内腔的反应区(B)中且其磁场强度由电流控制系统(17)变频控制；气室(D)位于反应罐(21)顶部的密封盖(18)和反应区(B)及分离区(C)的液面之间，通过设置于密封盖(18)上的排气管(19)连接外部气体收集装置。

2.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的反应罐(21)外壳为三段式结构，上段圆筒壳体的横截面积大于下段圆筒壳体的横截面积，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体之间通过渐扩段连接，下段圆筒壳体与上段圆筒壳体的截面积之比为1：(1.7～4.0)。

3.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的进水区(A)、反应区(B)和气室(D)的高度之比为1：(2.5～3.5)：(0.8～1.2)。

4.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的反射锥(4)均匀分布安装在排泥进水区(A)底部，且每个反射锥(4)与正上方对应的布水器出水管(6)同轴布置。

5.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的浮渣挡板(10)的纵截面为倒置等腰三角形的两条腰线，两条腰线构成的顶角为(60°～100°)。

6.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的分离区(C)与反应区(B)下部通过导流板(13)连通；导流板(13)与水平面的的倾角为(50°～65°)，且与反应罐(21)外壳的渐扩段相平行；逆向流斜板沉淀段(C1)与反应罐(21)的高度之比为1：(2.0～2.5)。

7.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的纵隔板(11)与反应罐(21)高度之比为1：(3.0～4.0)，纵隔板(11)底端设有用于减少水力扰动的弧面形式导流弯口(12)。

8.根据权利要求1所述的一种智能变频式高盐有机废水能源化回收生物反应器，其特征在于：所述的磁场控制装置(E)中具有两组可通电线圈(16)，对称置于反应罐(21)的两侧，每组可通电线圈(16)均由电流控制系统(17)进行控制，两组可通电线圈(16)的间距与反应罐(21)底部直径之比为(1.5～4.0)：1，磁场控制装置(E)的磁场强度调整范围为(60～130)mT。

9.一种利用如权利要求1～8任一所述生物反应器的高盐有机废水能源化回收处理方法，其特征在于，包括：

按照序批式运行模式运行所述生物反应器，每一个序批式循环包括进水、反应、沉淀、排水、排泥五个阶段，各阶段的流程如下：

在进水阶段，待处理的高盐有机废水先在进水泵(2)的控制下由进水管(5)和布水器出水管(6)进入排泥进水区(A)，并在反射锥(4)的作用下均布至整个排泥进水区(A)中，直至充满反应区(B)和分离区(C)后停止进水；

在反应阶段，开启反应区(B)中的搅拌装置(7)对高盐有机废水与厌氧颗粒污泥层(22)中的厌氧颗粒污泥进行充分混合反应，从而利用污泥中厌氧微生物之间的互养作用将高盐有机废水中的碳素转化为甲烷，同时在混合反应过程中通过电流控制系统(17)对可通电线圈(16)进行变频控制，使高斯计(8)检测到的反应区(B)中的磁场强度满足当前进水水质的盐度和COD负荷条件所对应的最佳磁场强度，利用磁铁矿(23)的磁场以及外加磁场促进产甲烷古菌及互养菌的生长和生物酶活性的提高，强化DIET途径；混合反应过程中分离区(C)中液体通过导流板(13)与导流弯口(12)的引流，与反应区(B)中液体充分混合形成总体流动，避免死区产生；浮渣挡板(10)对反应区(B)中附着于甲烷气泡上进行上浮的浮泥进行阻档使其发生变向，从而实现气、液、固分离，减少浮渣产生，气体溢出到气室(D)；

在沉淀阶段，停止搅拌装置(7)的搅动，使反应器内的泥水混合物在静置过程中实现泥水分离，厌氧颗粒污泥重新沉淀至排泥进水区(A)形成厌氧颗粒污泥层(22)；

在排水阶段，启动出水泵(15)，通过出水管(14)从分离区(C)的出水段(C2)中不断抽取上清液并排出反应罐(21)，反应区(B)中的泥水混合液不断进入逆向流斜板沉淀段(C1)，通过斜板沉淀通道进一步实现泥水分离后排出；

在排泥阶段，打开反应罐(21)底部的电磁吸盘(3)，利用电磁吸盘(3)的磁吸力将磁铁矿(23)吸附固定在反应罐(21)内底部避免流失，然后再对排泥进水区(A)底部沉积的厌氧颗粒污泥层(22)进行定量排泥。

10.如权利要求9所述的高盐有机废水能源化回收处理方法，其特征在于，所述最佳磁场强度在60～130mT范围内根据基于相同进水水质的预实验确定。

Images