CN1304884A - 外循环三相生物流化床水处理技术与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外循环三相生物流化床废水处理技术与设备,设备包括:一主床,主床下部为进水与进气的进口,其特点是:主床一侧设置一副床,主副床上下分别设置上连通管和下连通管,副床上部设置出水段,其设计方法特点是:实现外循环三相流化床需选择的参数为:主床内曝气量和气水比;主副床直径比;载体的选择及填充率;以及主、副床高径比;由此解决内循环流化床存在的气泡对液、固分离的影响,从而加快循环速度提高废水处理效率。
Description
本发明涉及一种环境工程中的废水处理技术，尤其涉及一种外循环三相生物流化床废水处理技术与设备。
二十世纪七十年代，人们成功地将流化床技术应用于废水生物处理领域。固体颗粒流态化技术是二十世纪四十年代发展起来的一门工业化技术，它通过改善固体颗粒与流体之间的接触，大大加快了反应器内的传热、传质速率。在废水生物处理过程中，废水从床层底部(上行床)或顶部(下行床)以超过一定流速进入流化床(好氧流化床中同时通入空气)，固体颗粒即开始流化，微生物包覆生长于处于流化状态的颗粒(载体)上，形成生物膜。在剧烈运动颗粒、流体的扰动下，床内固(生物膜)、液(废水)、气(好氧流化床中的空气)多相之间得到充分接触，同时颗粒表面的生物膜也不断更新，因而，颗粒表面的微生物始终处于旺盛生长阶段，使得生物流化床处理效率比普通的废水处理技术高的多。
目前用于工业废水和生活污水处理的流态化技术主要有两类：
1．普通流态化技术。
普通流化床反应器中随着载体表面生物膜不断增厚，整个生物载体的比重减小，由此导致载体大量流失。为解决这一问题，大多采用专门设计的机械脱膜装置，从而使得处理流程复杂化。并且由于对水、气均布要求严格，使得床层底部结构复杂，流化启动困难，放大效应严重，该技术已被内循环三相流化床技术取代。
2．内循环三相流化床。
现有技术内循环三相流化床的结构如图1所示，由一外筒1和在外筒1内设置一导流筒(内筒2)构成，该技术的关键在于利用流化床顶部三相分离器来控制载体的流失，并且利用内循环三相流化床内设的导流筒，通过载体循环，实现强化传质，提高氧气利用率的。但是内循环三相流化床在实际使用中存在的主要问题是：
(1)由于现有技术内循环三相流化床因同时进行气、液和液、固分离，因气泡对液、固分离有一定的影响，由此降低了三相分离效率；
(2)由于现有技术内循环三相流化床其反应器内部结构较为复杂，流体和载体的循环阻力较大，影响了流体和载体的循环速度，从而影响废水的效率。
本发明的目的在于提供一种改进的外循环三相生物流化床废水处理技术与设备，它能解决内循环流化床存在的气泡对液、固分离的影响，并能加快循环速度，提高废水处理的效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种外循环三相生物流化床水处理设备，包括：一主床，它呈筒状，在主床下部为进水与进气的进口，其特点是：在所述的主床一侧设置一副床，在主床和副床上下之间分别设置上连通管和下连通管，在副床的上部设置为出水段。
在上述的外循环三相生物流化床水处理设备中，其中，所述的主床和副床是平行设置。
在上述的外循环三相生物流化床水处理设备中，其中，所述的副床上部的出水段位于上连通管之上。
一种外循环三相生物流化床水处理设备的设计方法，其特点是：实现外循环三相流化床而需选择的几个相互关联的参数为：主床内曝气量和气水比；主副床直径比；载体的选择及填充率；以及主、副床高径比；其中，所述的主床内曝气量和气水比选择的原则为：在保证三相循环和出水溶解氧浓度要求的条件下，尽可能地低；所述的主副床直径比的选择的较佳范围为：1∶1.0-2.5；所述的载体的选择及填充率通常掌握在比重1-3，填充率3-10％；所述的以及主、副床高径比：1∶5-20。
本发明，外循环三相生物流化床废水处理技术与设备，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术内循环三相流化床相比，具有以下的优点和积极效果：
(1)本发明由于设置了互相平行的主床和副床，并在主床和副床上下之间分别设置上连通管和下连通管，由此可以将气、液、固三相分离分别在主、副床内进行，其中，气、液分离在主床内实现，液、固分离在副床内进行，从而避免了气泡对液、固分离的影响，提高了三相分离效率；
(2)本发明由于通过上、下连通管实现载体和流体在主、副床之间循环流动，减小了流体和载体的循环阻力，使得它们的循环速度提高；而流体和载体循环速度的提高，对加快载体表面生物膜的更新、提高物质传递速率、提高氧气利用率、提高反应器的抗冲击能力、降低动力消耗均十分有利。
通过以下对本发明外循环三相生物流化床废水处理技术与设备的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1是现有技术内循环三相流化床水处理设备的结构示意图；
图2是依据本发明提出的外循环三相生物流化床水处理设备的结构示意图；
图3是图2中标有载体、气体、载体流向、气体流向、液体流向的示意图。
图4是停留时间对去除率影响的示意图；
图5是进水初始浓度对去除率影响示意图；
图6是去除率说明图。
本发明，外循环三相生物流化床水处理技术与设备，技术的关键是通过气、液、固三相的外循环流动实现提高三相外循环流动速度与三相分离效率，进而提高水处理效率。
如图2所示，本发明外循环三相生物流化床水处理设备包括：一主床1，它呈筒状，在主床1下部为进水与进气口11，在主床1一侧设置一副床2，在本实施例中，主床1和副床2是平行设置；在主床1和副床2上下之间分别设置上连通管3和下连通管4，在副床2的上部设置为出水段21，该出水段21位于上连通管3之上。
请参见图3所示，本发明外循环三相流化床主要特征是在主、副床内均存在气、液、固三相的循环运动，利用这种循环运动强化氧气和底物的传递，提高氧气的利用效率。其工作情况是：在主床内进行曝气、进水，由于主床内流体的密度小于副床内流体的密度，废水将在主、副床之间作循环流动。循环流动的液相带动载体运动，从而使得载体也在主、副床之间循环运动。虽然副床内未曝气，但由于液相的循环运动，液体将夹带部分气体循环到副床，同时上升速度小于液体循环速度小气泡也被液体夹带循环到副床。这样在整个外循环三相流化床内，气、液、固三相均处于循环流动状态。这种循环运动使得气、液相界面不断更新，大大强化气体与液体之间的传质、液体与载体之间的传质。
本发明，外循环三相生物流化床水处理设备的设计方法，其外循环三相流化床的几个相互关联的参数为：主床内曝气量和气水比；主副床直径比；载体的选择及填充率；以及主、副床高径比。其中，
关于主床内曝气量和气水比，一方面，要使流体能够在主、副床之间进行循环运动，必须保证在主床内有一定的曝气量，即应保证在主床内有一定的气含率。要使得载体也能够在主、副床之间循环流动，必须有更大的液体循环速度，也就要求有更大的曝气量。在一定的主床直径下，曝气量的增大，必将使得主、副床内从气相到液相的氧传递速率加快，液相到载体表面的氧和底物的传递速率加快。另一方面，曝气量增大意味着气水比增大，也意味着日常操作费用的增加。因此，主床内曝气量和主床气速受液相和载体循环运动的要求同时受到气水比的限制。主床内曝气量和气水比选择的原则为：在保证三相循环和出水溶解氧浓度要求的条件下，尽可能地低。
关于主副床直径比，在一定的曝气量下，主床内气速与主床直径的平方成反比。文献及实验均发现主床气含率与气速成正比，但增大气速将受到气体在主床内停留时间的限制。副床直径较大，可降低气水比，但同时副床内液体的循环速度将下降。当液体循环速度小于载体的沉降速度后，副床内的载体将和液体离析，无法继续循环。因此，主副床的直径比的选择有一个最佳范围，一般主副床的直径比为：1∶1.5-2，在本实施例中，主副床的直径比为：1∶1.5-2。
关于载体的选择及填充率，选择载体的几个关键因素是：载体的比重、载体的粒径以及是否容易挂膜。载体粒径小，比表面积大，同样载体填充量可以为微生物提供更大的栖息场所，从而提高生化反应器内微生物量；载体比重轻，起始流化速度低。因此，选择比重轻、粒径小的载体对于外循环三相生物流化床的操作是有利的，但比重、粒径过小，会给副床上部的液固分离带来困难。载体的填充率增大，可以提高流化床内微生物浓度，但动力消耗必然增大，同时会给流化床的启动带来困难。所以，载体的选择及填充率通常掌握在比重1-3，填充率3-10％。在本实施例中，载体为工业用30-60目的活性炭，填充率为5％。
关于主、副床高径比，主、副床高径比增大，一方面可以增大流化床内的传质速率，提高流化质量，抑制不均匀流化现象；另一方面，高径比过大，流动阻力增大，动力消耗增大；所以要均衡考虑，一般，主、副床高径比为：1∶5-20，在本实施例中，主、副床高径比为：1∶15。
在本发明外循环三相生物流化床水处理设备的设计方法中，关于外循环三相流化床还有一些影响废水处理的参数，它们是：
流体循环速度。流体循环的动力来源于主、副床之间的密度差，流动的阻力源于三相之间的摩擦阻力和局部阻力。
载体颗粒循环速度。由于所使用的载体一般为比重轻、粒径小的颗粒，为了简化计算，假设载体的循环速度等于液体循环速度与单个载体颗粒沉降速度差。
载体表面生物膜厚控制。生物膜形成及其特性与所利用底物的种类及初始浓度有关，此外还受载体性质的影响，生物膜的组成不仅是物理化学条件的函数，也与细胞形态学有关。在强大的剪切力存在时，可获得更大刚性和更加均相的生物膜。
载体表面的生物膜厚取决于许多因素。假设流化床内有足够的营养物质，并且有足够大的氧气传递速率，也就是说有足够大的微生物产率，载体表面的生物膜厚将取决于流动的液体对载体表面生物膜的剪切力与载体对微生物的吸附力。当这两个力相等时，载体表面的生物膜厚将趋向定值。
实施例1
外循环生物流化床处理含染料的模拟废水
模拟废水含酸性红B染料和淀粉。CODcr浓度大于500mg/l。为提高处理过程的脱色率，先对模拟废水进行厌氧处理。厌氧处理装置如2所示。装置是由有机玻璃柱制成，直径分别为100mm和80mm，有效高度800mm，有效体积10.3L。
表1为厌氧生物接触氧化处理染料废水结果
| 进水CODcr(mg/l) | 1440.8 | 1381.1 | 1267.5 | 1275.3 |
| 出水CODcr(mg/l) | 1102.1 | 1048.2 | 1130.9 | 1038.2 |
| 进水色度(倍) | 98 | 610 | 98 | 98 |
| 出水色度(倍) | 16 | 16 | 6 | 6 |
| 进水pH | 8 | 8.5 | 7 | 8 |
| 出水pH | 6.5 | 6 | 6 | 6.5 |
部分厌氧生物接触氧化处理染料废水结果如表1所示。经过厌氧处理后的染料废水，色度明显下降，最大的色度去除率可达97％。实验所用的染料酸性红B的发色基团是偶氮基团。偶氮键的断裂，是染料脱色的基础。经厌氧预处理过的染料废水，色度基本上已经达标。
选用活性炭(密度1.16g/cm3，粒径30-60目)为微生物载体，载体加入量为200g，床层有效体积4L，载体填充率为0.05。主床曝气量为0.1m3/h，副床内，液体循环速度为0.1m/s。用取自曲阳污水处理厂推流式曝气池内的活性污泥作为菌种。将污泥引入外循环三相流化床反应器中，同时加入生活污水，连续培养5天。然后再引入染料废水。实验经历了挂膜，驯化，增加处理负荷和稳定运行四个过程。流化床内的微生物浓度为9.17g/L。
请参见图4所示，停留时间对CODcr去除率有一定的影响，如进水pH=6-8，进水CODcr浓度在500-1010mg/l之间，当停留时间为4小时，CODcr去除率达到80.4％。
请参见图5所示，进水初始浓度对去除率也有一定的影响，如在室温下，停留时间在4小时左右，pH=6-8，进水CODcr在500-1000mg/l之内，去除率基本都能维持在80.0％以上。因此，三相流化床抗冲击负荷能力较强。
请参见图6所示，好氧生物膜厚度的影响是随液相中溶解氧的浓度和底物浓度的变化而变化。室温下，pH=7-8，进水浓度控制在660-1110mg/l之内，停留时间为4小时去除率基本都能维持在80.0％以上。
当平均生物膜厚在115微米时，CODcr去除率为83.0％；在286微米时，为85.5％；而当在354微米时，去除率同样在此附近，为84.2％。由此可知，生物膜厚在100-350微米范围内，对CODcr去除率的影响不大。
利用流化床处理已经过厌氧处理过的染料废水，CODcr去除率相对较高；而且即使在处理负荷较高的条件下运转，去除率也保持相对稳定。
实施例2
实际工业废水处理
实际工业废水取自某针织厂，共取样三次。选用活性炭(密度1.16g/cm3，粒径30-60目)为微生物载体。载体加入量为200g，床层有效体积4L。载体填充率为0.05。主床曝气量为0.1m3/h。废水直接利用外循环三相流化床进行处理。结果如表2所示。工厂同期利用生接触氧化法处理相同废水，COD去除率在40-60％左右。
图2实验结果一览
| 日期 | 7/1-7/3 | 7/4-7/5 | 7/6-7/7 |
| 停留时间(hr) | 7.5 | 4 | 2 |
| 进水CODcr(mg/L) | 453 | 352 | 344 |
| 出水CODcr(mg/L) | 83.0 | 88.9 | 85.2 |
| 混凝后CODcr(mg/L) | / | 30 | / |
| 进水色度(倍) | 150 | 120 | 120 |
| 出水色度(倍) | 10以下 | 10以下 | 10以下 |
实施例3
实际工业废水处理(中试规模)
试验装置4m3，载体为40-70目的工业用活性炭，载体加入量60Kg，主床曝气量为4m3/h，试验在上海纺织控股集团下属的某针织厂进行。结果如表3所示。工厂同期利用生物接触氧化法处理相同废水，COD去除率在40-60％左右。
表3实验结果
| 日期 | 11/10 | 11/13 | 11/16 | 11/17 | 11/20 | 11/23 | 12/8 |
| 停留时间(hr) | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 进水CODcr(mg/L) | 414 | 552 | 324 | 532 | 498 | 420 | 491 |
| 出水CODcr(mg/L) | 47 | 62 | 94 | 78 | 75 | 61 | 70 |
| 进水色度(倍) | 160 | 150 | 150 | ||||
| 出水色度(倍) | / | 10以下 | 10以下 | 10以下 |
综上所述，本发明外循环三相生物流化床废水处理技术与设备，它有效提高生化反应器的处理效率，如，提高反应器内微生物浓度及活性，提高氧气和底物的传递效率、提高氧气利用率，它使流化床的优越性在环保工程界的重视得到体现，尤其在城市用地日趋紧张的情况下，利用生物流化床处理废水极为适用；外循环三相流化床不仅具有普通三相流化床的优点，而且解决了流态化技术在水处理领域应用遇到的诸如载体易流失、脱膜困难等难题，因此，极为实用。
Claims (4)
1．一种外循环三相生物流化床水处理设备，包括：一主床(1)，它呈筒状，在主床(1)下部为进水与进气的进口(11)，其特征在于：
在所述的主床(1)一侧设置一副床(2)，在主床(1)和副床(2)上下之间分别设置上连通管(3)和下连通管(4)，在副床(2)的上部设置为出水段(21)。
2．如权利要求1所述的外循环三相生物流化床水处理设备，其特征在于：所述的主床(1)和副床(2)是平行设置。
3．如权利要求1所述的外循环三相生物流化床水处理设备，其特征在于：所述的副床(2)上部的出水段(21)位于上连通管(3)之上。
4．一种外循环三相生物流化床水处理设备的设计方法，其特征在于：实现外循环三相流化床而需选择的几个相互关联的参数为：主床内曝气量和气水比；主副床直径比；载体的选择及填充率；以及主、副床高径比；其中，
所述的主床内曝气量和气水比选择的原则为：在保证三相循环和出水溶解氧浓度要求的条件下，尽可能地低；
所述的主副床直径比的选择的较佳范围为：1∶1.0-2.5
所述的载体的选择及填充率通常掌握在比重1-3，填充率3-10％；
所述的以及主、副床高径比：1∶5-20。
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| CN01105329A CN1304884A (zh) | 2001-02-13 | 2001-02-13 | 外循环三相生物流化床水处理技术与设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN01105329A CN1304884A (zh) | 2001-02-13 | 2001-02-13 | 外循环三相生物流化床水处理技术与设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1304884A true CN1304884A (zh) | 2001-07-25 |
Family
ID=4654411
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN01105329A Pending CN1304884A (zh) | 2001-02-13 | 2001-02-13 | 外循环三相生物流化床水处理技术与设备 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN1304884A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103910471A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-09 | 上海华业水处理工程有限公司 | 一种船用内外循环三相生物流化床一体化复合结构 |
| CN106430400A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-02-22 | 郑州大学 | 一种外循环三相流化床反应器 |
-
2001
- 2001-02-13 CN CN01105329A patent/CN1304884A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103910471A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-09 | 上海华业水处理工程有限公司 | 一种船用内外循环三相生物流化床一体化复合结构 |
| CN106430400A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-02-22 | 郑州大学 | 一种外循环三相流化床反应器 |
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