CN117509901B - 一种低温厌氧生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种低温厌氧生物膜反应器，反应器采用厌氧生物膜在低温条件下去除废水中有机物。本发明的特点是采用改性颗粒活性炭作为填料建立厌氧生物膜反应器，填料具有更高粗糙度和生物亲和性，利于对微生物的截留和附着，可减少生物膜反应器挂膜时间和启动时间；改性GAC具有较低比重和更高的导电性，更易流化，降低能耗，促进高效传质并能增强产酸菌与产甲烷菌之间的直接电子传递，保证反应器在低温(15~25℃)下厌氧产甲烷效果，降低反应器酸化的风险，提高反应器的抗低温能力；反应器无需加热控温便能稳定高效运行，可降低厌氧工艺冬季运行成本；采用旋流布水器，增强反应器内填料流动，减少反应器内死区，提高反应器处理性能。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术应用领域，具体涉及一种低温厌氧生物膜反应器，主要目的是通过在反应器内填充改性炭基材料，强化低温下微生物效能，对水中有机物进行高效脱除，适用于在低温条件下处理各类有机废水。
背景技术
厌氧生物法是目前处理高浓度有机废水的主流工艺，该工艺具有有机物去除率高、处理成本低、污泥产量少等优点。但该方法中厌氧微生物的活性对温度较为敏感，温度每降低10℃，微生物尤其是产甲烷菌生长速率降低一倍，这将会导致反应器处理负荷大幅降低。常规条件下，为保证厌氧反应器在低温条件下(15~25℃)稳定运行，需要采取加热措施，这将大大增加废水处理成本。近年研究表明，厌氧生物膜上的微生物群落具有良好的抗低温能力，其独特的空间结构能够加强微生物之间的共生关系，在低温条件下比厌氧活性污泥具有更高的生物活性。202020004963.X公开了一种基于生物炭载体的UBF厌氧反应器，该实用新型将生物炭固定于生物填料层，有利于对微生物的吸附、截留，减少微生物的流失，但传质能力大大降低。202020441165.3公开了一种GAC/蛭石组合填料-厌氧流化床滤柱装置，可通过外循环保持反应器本体内填料的流化状态，但反应装置使用填料比重较大，流化所需能耗较高。
本发明提供了一种低温厌氧生物膜反应器，以改性颗粒活性炭(Granularactivated carbon，GAC)为填料形成导电厌氧生物膜，填料更易流化，反应器内传质能力更高，微生物间直接电子传递能力(DIET)增强，保证反应器在低温条件下的厌氧消化效果。
发明内容
针对常规厌氧生物膜反应器传质不均匀，流化能耗高的问题，结合上述背景技术，本发明提供了一种新型反应器，主要内容为：一种低温厌氧生物膜反应器。
本发明技术方案如下：
厌氧反应器整体分为3个部分：反应区、三相分离器和澄清区。其中反应区包括：进水管、旋流布水器、切向布水口、改性GAC填料。进水管内进水包括反应器进水和循环水。布水器包括布水管和布水口，布水管数量和布水口直径大小可依据废水水质水量和所需循环流量设计：布水管设置2~4根，对称设计，长度为反应器内径的1/2~3/4，内径小于10 cm；布水口设计在布水管两端的侧面，进水水流方向为反应器直径的切向，布水口直径不超过布水管直径的1/2。反应器内投加改性颗粒活性炭为载体，投加量为反应器有效体积的1/3~1/2，改性填料粒径为0.5~2 mm，保证形成的厌氧生物膜生物量不低于5000 mg/L。反应区填料的流化由产气和循环流量共同完成。三相分离器可将气体、填料和废水分离，产生的气体从出气口逸出，填料保存至反应区，废水经过澄清区排出反应器。
所述GAC改性的具体操作为：在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于1.0 mol/L的氢氟酸(HF)溶液中浸泡10 h；将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于2.0 mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡10 h，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；将GAC置于营养液中浸泡24 h，将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水清洗后备用。HF和氢氧化钠能去除活性污泥制GAC表面硅、铝等灰分，经过酸碱刻蚀GAC表面产生更多孔洞，表面粗糙度和导电性能均提升，其比重降低至1.0~1.1 g/mL之间。
所述营养液主要成分为硫酸亚铁、氯化钴、氯化镍、钼酸钠、硒酸钠中的一种或者多种混合。
反应器的启动分为挂膜和驯化两个阶段。其中挂膜阶段具体操作为：在10 L的容器内投加自来水、中温厌氧反应器中的厌氧活性污泥、改性后GAC填料和营养液，通过搅拌将改性GAC填料和厌氧活性污泥混合5~10 d；挂膜过程中容器内pH值为7.0~8.0，温度为28~32℃；挂膜后将填料捞出并使用自来水清洗干净。
所述活性污泥悬浮固体浓度(MLSS)为7000~10000 mg/L，改性填料投加量为50 g/L。
所述营养液成分为（单位：g/L）：葡萄糖3~5、NH4Cl 0.2~0.3、K2HPO4 0.1。
驯化阶段通过逐步降低反应器内温度的方式驯化生物膜耐低温能力，具体操作为：反应器内控制温度从30℃降至15℃，每次降低2~3℃，每次降低温度时，稳定反应器3-5d，待反应器处理效果稳定后继续降低控制温度，直至反应器低温下具有稳定的处理效果。
本发明的进一步改进是：相比传统GAC填料，改性GAC填料基质为活性污泥制成，促进废物再利用；同时改性GAC填料具有更高的表面粗糙度，改性填料表面的孔洞和空隙更有利于对厌氧微生物的截留和保存，使其不被水力冲刷掉，从而加速生物膜的形成与固定，减少反应器启动时间；改性GAC具有更高的导电性和生物亲和性，可强化DIET，提高厌氧微生物特别是产甲烷菌活性，加速反应器产酸产甲烷，保证低温下厌氧反应器高负荷运行，降低反应器酸化风险和废水处理成本；改性GAC比重更低，更易流化，在保证高传质效果的同时降低填料流化能耗；传统厌氧反应器低温运行时存在污泥膨胀和污泥流失现象，本发明采用厌氧生物膜系统，污泥解体风险较低，具有更强的抗低温抗冲击能力；布水系统采用反应器切向进水，可减少反应器死区，增强反应器内废水与填料的接触，进一步提高反应器处理效果。
本发明的特点是：采用改性GAC作为填料建立厌氧生物膜反应器，减少挂膜时间和反应器启动时间；填料具有较低的比重和更高的导电性，填料更易流化，降低运行能耗的同时增强反应器内传质和DIET，保证反应器在低温(15~25℃)下具有较高的COD去除负荷，使反应器具有较高的抗低温抗冲击能力；采用旋流布水器，减少反应器内死区，增强反应器内填料流动，提高反应器处理性能。
附图说明
图1为一种低温厌氧生物膜反应器的示意图
图2为一种低温厌氧生物膜反应器的布水器示意图
附图
1-进水管；2-中心进水管；3-反应区；4-布水管；5-切向布水口；6-改性GAC填料；7-三相分离器；8-澄清区；9-出水管；10-排气孔；11-循环管。
具体实施方式
以下结合附图并通过实例对本发明作进一步说明：
图1为一种低温厌氧生物膜反应器的示意图。
其中填料改性过程如下：在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于1.0 mol/L的氢氟酸(HF)溶液中浸泡10 h；将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于2.0 mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡10 h，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；将GAC置于营养液中浸泡24 h，将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水清洗后备用。
填料挂膜过程如下：在10 L的容器内投加自来水、中温厌氧反应器中的厌氧活性污泥、改性后GAC填料和营养液，通过搅拌将改性GAC填料和厌氧活性污泥混合5~10 d；挂膜过程中容器内pH值为7.0~8.0，温度为28~32℃；挂膜后将填料捞出并使用自来水清洗干净。
之后建立反应装置如图1所示，该反应器运行流程描述如下：
进水和循环水分别通过进水管1和循环管11进入中心进水管2，之后进入布水管4并经过切向布水口5进入反应区；反应区3内投加一定量的改性颗粒活性炭填料6培养厌氧生物膜，通过控制流量的大小调整反应器内上升流速，对反应区填料的进行扰动，使反应区生物膜与废水充分接触反应；反应过程中产生的气体可携带填料随水流上升，并在三相分离器7处分离，其中气体在通过澄清区8后由排气口10排出，出水在澄清区沉淀后，由出水管9排出反应器，改性GAC填料沉降回反应区继续反应。
实施例
采用本发明中的反应器处理某制药厂废水。建立高1.5 m内径为80 cm的厌氧反应器，内部设置3根布水管，每根布水管长度为60 cm，内径为4 cm；每根布水管两端设置一个切向布水口，布水口直径为2 cm；进水管流量由进水水质变化和反应器处理性能所定。反应器内驯化过的厌氧填料占反应器有效反应体积的1/2，生物量在8000 mg/L。反应器内进水为某制药厂综合废水，利用蠕动泵将未处理废水和循环水经进水管泵入反应器内，废水在反应器内的水力停留时间为1.0 d。在不同温度条件下长时间运行厌氧生物膜反应器，其出水水质稳定，COD在1000 mg/L以下，COD去除率均高于80%，去除负荷高于3.0 kg COD/m³·d。具体监测数据见表1。
表1 实施例1的监测数据
实施例2
采用本发明中的反应器处理某啤酒厂综合废水。建立高2.0 m内径为80 cm的厌氧反应器，内部设置2根布水管，每根布水管长度为60 cm，内径为4 cm；每根布水管两端设置一个切向布水口，布水口直径为1.5 cm；进水管流量和布水口流速根据反应需求由进水流量和循环流量控制。反应器内驯化过的厌氧填料填充占反应器有效反应体积的1/2，生物量在7000 mg/L。反应器内进水为某啤酒厂综合废水，利用蠕动泵将未处理废水和循环水经进水管泵入反应器内，废水在反应器内的水力停留时间为1.2 d。在不同温度条件下长时间运行厌氧生物膜反应器，其出水水质稳定，COD在1000 mg/L以下，COD去除率均高于80%，去除负荷高于3.5 kg COD/m³·d。具体监测数据见表2。
表2 实施例2的监测数据
对比例1
采用投加未改性填料的厌氧生物膜反应器处理某啤酒厂综合废水。建立高2.0 m内径为80 cm的厌氧反应器，内部设置2根布水管，每根布水管长度为60 cm，内径为4 cm；每根布水管两端设置一个切向布水口，布水口直径为1.5 cm；进水管流量和布水口流速根据反应需求由进水流量和循环流量控制。反应器内驯化过的厌氧填料填充占反应器有效反应体积的1/2，生物量在7000 mg/L。反应器内进水为某啤酒厂综合废水，利用蠕动泵将未处理废水和循环水经进水管泵入反应器内，废水在反应器内的水力停留时间为1.2 d。在反应器温度为15℃时，COD去除率降低至59.44%，去除负荷降低至2.71 kg COD/m³·d。具体监测数据见表3。
表3 对比例1的监测数据
实施例1和实施例2均在低温厌氧的条件下实现了较高的COD去除效率，在反应器内温度从25℃降至15℃时，反应器COD去除负荷仅降低10%左右，而对比例1中，反应器COD去除负荷降低34%左右，证实了使用改性填料的反应器稳定效果远优于使用未改性填料的反应器，填料的改性能增强厌氧生物膜反应器的抗低温冲击能力。此外，该反应器无需加热措施，大大降低了废水处理成本，具有更高的工程实用价值。
Claims (5)
1.一种低温厌氧生物膜反应器，其特征在于：所述反应器分为三个部分：反应区(3)、三相分离器(7)和澄清区(8)；所述的反应区(3)包括：中心进水管(2)、布水管(4)、切向布水口(5)和改性GAC填料(6)；所述反应器运行过程为：进水和循环水分别通过进水管(1)和循环管(11)进入中心进水管(2)，之后进入布水管(4)并经过切向布水口(5)进入反应区进行反应；反应过程中产生的气体可携带填料随水流上升，并在三相分离器(7)处分离，其中气体在通过澄清区(8)后由排气口(10)排出，反应器出水在澄清区沉淀后，由出水管(9)排出反应器，填料沉降回反应区继续反应；
所述改性GAC填料(6)的改性方法为：在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于1.0mol/L的氢氟酸(HF)溶液中浸泡10h；将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；在50℃条件下将活性污泥制成的GAC置于2.0mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡10h，使用蒸馏水将GAC清洗至中性；将GAC置于营养液中浸泡24h，将浸泡后的GAC捞出，使用蒸馏水清洗后备用；所述营养液主要成分为硫酸亚铁、氯化钴、氯化镍、钼酸钠、硒酸钠中的一种或者多种混合。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述反应器布水系统由中心进水管(2)、布水管(4)和切向布水口(5)共同组成；布水管(4)设置2～4根，对称设计，长度为反应器内径的1/2～3/4，内径小于10cm；布水口设计在布水管两端的侧面，进水水流方向为反应器直径的切向，布水口直径不超过布水管直径的1/2。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述的改性GAC填料(6)的比重为1.0～1.1g/mL。
4.如权利要求1所述的反应器的挂膜方法为：在10L的容器内投加自来水、中温厌氧反应器中的厌氧活性污泥、改性GAC填料(6)和营养液，通过搅拌将改性GAC填料(6)和厌氧活性污泥混合5～10d；挂膜过程中容器内pH值为7.0～8.0，温度为28～32℃；挂膜后将填料捞出并使用自来水清洗干净；所述活性污泥悬浮固体浓度(MLSS)为7000～10000mg/L，改性GAC填料(6)的投加量为50g/L；所述营养液成分为葡萄糖3～5g/L、NH4Cl 0.2～0.3g/L、K2HPO4 0.1g/L。
5.如权利要求1所述的反应器的驯化方法为：反应器内控制温度从30℃降至15℃，每次降低2～3℃后，反应器至少稳定运行3-5d，直至反应器COD去除率稳定在80％以上后继续降温。
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