CN1874964A - 用于厌氧性废水处理的反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

用于厌氧性废水处理的反应器(10)被设计为包括中心流动通道(20)的环形柱式反应器。在中心流动通道(20)与反应器壁之间的环形空间(40)中，配置了载体组件(50)以用于固定微生物，在相邻的载体组件(50)之间提供了流动孔道。载体组件之下的反应器(30)的下部被设计为用于在反应器(10)的运转期间接收有微生物漂浮在其中的废水的空间。在操作期间，提供了漂浮的微生物及固定在载体组件上的微生物。待处理的废水在中心向下流动，借助于微生物产生气体所部分产生的流动，该废水再次沿载体组件(40)向上。所述反应器被用于实施进行厌氧性废水处理的方法，该反应器适合于食品加工业、饲料工业以及造纸工业和纺织工业中的废水处理。

Description

用于厌氧性废水处理的反应器和方法
技术领域
本发明涉及用于厌氧性废水处理的反应器和方法。
背景技术
对于有机污染废水的处理，已知可分别采用以厌氧方式运转的厌氧法及废水处理系统。通过利用厌氧技术，废水中所含的污染物负荷在相应微生物的协助下被转变为再生的能量载体生物气，这可以节省购买的能源。因此，所用的方法包括不含生物质富集的简单方法以及通常使用内部生物质富集的高性能方法。
城市废水包含相对低的污染物负荷，其化学需氧量(COD)为约500mg/1，并通常用需氧活化的污泥法进行处理。在食品加工业中，存在具有相当高的有机污染物负荷的废水，其COD为高于1,000，和高达100,000mg/l或更高。为了清除这种废水，可采用高性能方法。
最普通的方法是所谓的UASB方法(上流式厌氧污泥床法)。在UASB反应器中，进行了以所形成的并具有非常好颗粒化性质的污泥形式的内部生物质富集。所述微生物聚集形成所谓的团粒(pellet)。这些团粒是尺寸为约1-3mm的聚集体。所述反应器以上流式运转，即，废水从下流入并以向上的方向流过反应器。由于有机污染物新陈代谢作用的降解，形成了以气泡形式粘附到所述团粒上的气体。因此，团粒往上上升，导致系统中的完全混合。在UASB反应器的上部提供了分离器系统，它起到将团粒留在反应器中的作用。这些反应器的优点在于它们具有相对简单的结构，例如环形柱式反应器的形式。DE 4333176中描述了这种反应器。这种技术的缺点在于，在从约20-30g/l开始的高COD浓度下，气体的产生变得如此强烈，团粒向上上升非常快，以至于虽然存在分离器系统，但仍然会发生相对大的生物质损失。这被称为“洗出效应”。此外，还存在着以下事实：这些系统对中毒相对敏感(对所谓的毒物冲击敏感)。虽然通过使用新生物质的培植(inoculating)，这些系统可以在反应器故障后相对较快地重新启动，但是这代表的是成本因子。这种方法的另一个缺点在于只可以使用这种可形成团粒的微生物，这极大地限制了对微生物的选择。通常，使用的是生成甲烷的主要为Methanotrix类的细菌。
另一种高性能的方法利用固定床反应器，其中松散材料、封装体(package)或还有固定载体材料如板状载体组件形式的惰性载体材料繁殖有微生物。相同申请人的DE 43 09 779中描述了这种反应器。固定床反应器适合于处理COD浓度大于80g/l的非常重度污染的废水。固定床反应器的缺点在于成本较高，特别是使用高性能载体材料时。
除此以外还知道有流化床反应器，其中生物质在流质化的固定床如活性炭或沙子中固定，该活性炭或沙子在所述反应器中形成漩涡。为保持流质化的床而使得非常需要能量，同时还导致反应器上承受大的负荷。相应地，流化床反应器的构造在技术上错综复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于厌氧性废水处理的反应器及方法，其适合于具有高污染物负荷的废水，并且在操作中很少有麻烦且相对便宜。
该目的可以通过用于厌氧性废水处理的反应器得到满足，该反应器包括以下特征：
(a)从顶部朝向下的方向延伸中心流动通道(flow channel)，在与上反应器边界有第一距离的顶部终止，并在与下反应器边界有第二距离的底部终止；
(b)在所述中心流动通道与反应器壁之间的环形空间中配置整个流动通道高度的或部分流动通道高度的规则整齐的、固定床形式的载体组件，以固定微生物，在相邻载体组件之间提供流动孔道；
(c)在反应器下边界与载体组件之间空间形式的反应器下部，用于在反应器操作期间接收其中飘浮有微生物的废水；
(d)在反应器上部边界与载体边界之间的反应器上部；
(e)就其内流动而言环形柱式反应器形式的反应器，以使其中所含的废水可以以向下的方向循环流过中心流动通道，然后流过下部中的所述空间，随后沿载体组件向前，并最终再次进入中心流动通道中；
(f)用于待处理的、并且将被首次引入所述反应器中的废水的供应管线；
(g)用于最终从反应器中排放处理过的废水的排放系统。
本发明提供一种结合了固定床反应器及UASB反应器优点的混合反应器(及混合方法，分别地)。
所述反应器可以是圆柱体形状的，但也可以是其它的反应器几何形状的，例如具有椭圆或多边形基底的类圆柱体配置，或立方体配置。
在所述下部中的空间适合于接收其中飘浮微生物团粒的废水。由于其新陈代谢，所述微生物产生粘附到团粒上的气泡形式的气体，并由此传送所述团粒向上。所采用的微生物优选为Methanotrix属细菌。
优选地，在上部中配置分离器系统，该分离器系统将废水中飘浮的微生物留在反应器中。
此外，所述反应器优选包括再循环系统，该系统包括用于废水的收回装置及用于废水的供给装置，以将其流动输送到中心流动通道中。
所述收回装置优选具有在两块板型部件之间的中间空间，以及在所述中间空间中开始的导管。
特别优选的是将最终排放处理过的废水的排放系统配置在再循环系统收回装置之上的一定位置。
上升到反应器上部的微生物团粒被分离器系统所截留，释放出粘附到其上的气泡，并由于其较高的密度再次向下下沉。所述分离器系统可以起到分离产生的气体及留住生物质的作用。
优选分离器系统具有在中心流动通道的上端以间隔开的方式提供、覆盖大部分反应器横截面、同时留下外部环形区的隔板(partition)。
优选再循环系统的收回装置位于所述隔板的上部。由此在所述再循环系统收回装置之上的空间中产生了这样的区域，其具有在不排放生物质前提下减小的流量、增加的已处理废水的排放，特别是如优选的-如前所述-将用于最终排放已处理废水的排放系统配置在再循环系统收回装置之上的一定距离上。
需要强调的是，所描述的再循环系统以及所描述的再循环系统收回装置的分离以及排放系统在一方面构成了本公开发明的优选开发方向，但在另一方面也可以在没有权利要求1的特征(或只是部分特征)下在技术上得以实现。典型的实例是在非本申请意义上的混合反应器的在UASB反应器中的实现。
所述分离器系统的隔板优选具有其中不水平延伸并在最高部分形成气体收集空间的部分(portion)。
而且，优选所述隔板-概略地说-从所述最高部分以向下倾斜的方向向外延伸，以及从所述最高部分以向下倾斜的方向向内延伸。
优选用于在反应器中形成气体的第一排放管线在反应器的上部中开始。
此外，优选用于反应器中形成气体的第二排放管线在所述隔板的区域中开始。
所述反应器具有在其中提供的载体组件。所述载体组件可以是板形式的。优选所述载体组件彼此平行地布置。所述板可以布置在封装体中，在所述封装体内的板按反应器的切线方向配置。所述载体组件配置在下部中的空间之上，以使团粒向上飘浮经过板之间。在反应器的运转期间，在载体组件上形成就微生物生长。优选所述载体组件之间的距离为3-6cm，优选3.5-5.5cm。
载体组件可以由具有大表面的惰性材料制得。优选它们由多孔的允许被流动穿过的材料组成。在特别优选的方式中，所述载体组件基本上由彼此结合的塑料粒子及膨胀的粘土粒子组成。聚乙烯粒子是优选的，其它塑料材料也可以。微生物可以在膨胀粘土粒子的孔隙中及所述粒子之间的孔隙中沉积或播种，并在所述载体组件上形成薄膜状或草坪状的生长。在反应器发生故障，如由于毒物冲击的情况下，微生物薄膜确实会破坏。但是，所述微生物可以快速地从多孔载体材料的孔隙中再生长，并在板上再产生出薄膜。所述载体组件的板可以繁殖或播种有大量的微生物，例如细菌。可以同时用不同的物种在载体组件上进行播种。所述载体组件可以用自由飘浮的聚集体或团粒形成的相同物种播种。也可以仅仅用形成团粒以外的不同物种播种载体组件。由此可以结合UASB方法的优点与大量可用微生物的优点。
可以用固着的(sessile)微生物播种载体组件。具体而言，它们可以用Sytrophobacter、Sytrophornas、Methanotrix、Methanosarcina和Methanococcus属微生物播种。
本发明人发现了固定床反应器和UASB反应器相结合在相对于反应器体积相对较低百分数的载体板下发生了协同效应(高性能且稳定操作)。由此优选由载体板所占据的反应器体积的百分数为15-40％。在特别优选的方式中所述百分数为20-30％。
优选地，所述反应器的下部具有位于其壁上的流动偏转装置。该流动偏转装置具有将废水流与反应器壁分离，以及以均匀的方式将废水流送到载体组件的功能。
优选地，所述反应器可以在低于中心流动通道的下端具有至少一个推进喷射出口。该出口起到使沉积在反应器底部的微生物形成漩涡的作用。该出口可以在其末端有喷嘴。
此外，本发明的目的可以通过用于反应器中厌氧性废水处理的方法而得到满足，其中待处理的废水在反应器中循环，使废水
(a)在中心从上向下流动；
(b)然后与飘浮在反应器下部空间中的废水中的微生物接触；
(c)然后在位于其上的反应器空间中与微生物流动，所述微生物以规则整齐的固定床形式布置在载体组件上；
(d)并且最终从上至下再次并入中心流中。
通过流经载体组件上的微生物，优选部分废水分流并被泵入中心流动通道中。这改进了循环中废水的再循环。
在本发明的方法中，飘浮在处理空间中的微生物优选是团粒形式的。飘浮在废水中的微生物被分离系统留住。该方法利用不同种类的微生物一方面作为固定在载体组件上的微生物，另一方面作为飘浮的微生物。在载体组件上可以提供不同物种的微生物。
本发明的反应器及方法可用于废水的处理，特别是用于废水的厌氧性处理。
根据本发明，可处理特别是来自饮料工业、饲料工业或食品加工业的有机污染的废水，例如来自淀粉加工厂及装置、饮料工厂、啤酒厂、烈酒蒸馏厂、牛奶场的废水，以及来自肉和鱼加工厂的废水。本发明的方法及本发明的反应器也适合于处理来自造纸工业及纺织工业的废水。
附图说明
以下将示范性地通过附图来描述本发明的实施方案，其中：
图1所示为本发明用于废水处理的反应器实施方案的示意图；
图2A所示为本发明反应器废水收回装置实施方案的示意图；
图2B所示为本发明反应器废水收回装置可选实施方案的示意图；
图2C所示为本发明反应器废水收回装置的另外可选实施方案的示意图；和
图2D所示为本发明反应器排放系统的示意图。
具体实施方式
本发明反应器实施方案被构建并用于啤酒厂的废水处理。
图1所示为反应器10的示意结构。该反应器设计为环形柱式反应器的形式。圆柱状反应器的尺寸为高度2.0-5.0m，直径1.5-2.5m。待处理废水的量为10-20m3/d。其它反应器部件的尺寸可以参照图1的总尺寸看出。该反应器设计为试运转。大规模的反应器技术设计显然具有更大的尺寸，例如直径为5-9m，高度为8-12m。其它的反应器几何形状也可以是例如具有椭圆或多边形基底的类圆柱体配置，或立方体配置。
反应器11基本上由不锈钢板组成，如从现有技术中已知的。
在反应器10中，中心管20在轴向形成，其从反应器上端的一定距离开始，并开口进入下部30。中心管20具有六边形形状的截面。该六边形形状就制造而言是有利的，而包括载体组件50的封装体可以相应地配置为六边形形状。其它几何形状也可以是圆形的，或具有不同数量个角的多边形。下部30是隔间(compartment)或空间的形状的，其中在操作期间存在有漂浮的微生物。在下部30之上，提供了其中平行配置有板状载体组件50的中部40，以使在这些载体组件之间垂直方向地存在流动孔道。这种载体组件的配置起到播种微生物的固定床的作用。
载体组件是多孔的且允许被流动穿过，并且是由基本上结合的塑料和膨胀的粘土粒子所形成的材料组成。这种材料描述在相同申请人的前述专利申请DE 43 09 779中。
优选所述板由3-6cm的距离隔开，特别优选的距离为3.5-5.5cm。从反应器截面的平面图可以看出，载体组件切线配置在封装体中，构成六边形段(segment)。也可以考虑其它配置，例如矩形封装体的配置、基本形状为多边形的封装体或具有弯曲的板的配置。
为了确保留住足够多的生物质，反应器被提供有由倾斜的导向部件91、92、93、94形成的分离器系统90。这些导向部件防止固体粒子如带有气泡的团粒的流出。还可以有可设想的其它的导向部件的配置。这些导向部件91、92、93、94可以仿效六边形或多边形固定床形状的平面图，或可以具有圆形的设计。
流动路径通过箭头k、l、m、n、o、p、q和r图形地表示。操作期间待处理的废水基本上通过供应管线60提供，从外部空间40吸进液体并流经中心管20进入下部30，其中漂浮的微生物以团粒的形式存在于下部中。部分料流任选通过管80提供，以便在反应器的下部30中提供额外的混合效果。沿反应器内壁圆周地延伸、并配置在反应器下部的流动障碍物120起到流体分离的作用，所以待处理的废水不能够优选地沿容器壁上升。所使用的微生物属于Methanotrix属。由于其新陈代谢，这些细菌产生了以小气泡形式粘附在团粒上的气体。由此团粒上升并产生额外的废水流动。这样，待处理的废水便流过载体组件上的微生物，并与微生物接触。在由导向部件91、92、93所形成的隔板处团粒被留住，并由于在导向部件产生的搅动而释放出气泡，然后，团粒因为其密度高于废水而再次通过中心管20而下沉。该隔板形成了气体收集隔间或空间96，其中气体可以通过第一气体排放装置98收集或排放。
该由导向部件91、92、93所形成的隔板覆盖了大部分的反应器横截面，留下其外部边缘与反应器壁之间的环形区。部分沿载体组件的流动在隔板91、92、93的外部边缘分流，并通过废水收回装置100、101从隔板91、92、93以上的上部和导向部件94的下部被收回，并再次通过再循环系统130循环到反应器中。
在反应器上部隔板91、92、93之上及再循环系统收回装置之上的导向部件94形成了沉降区，由此处理过的废水可以通过排放系统70从反应器排放出。
形成的气体可以通过反应器顶端的第二气体排放管线110排放。
优选的再循环系统的收回装置在图2A、2B和2C中有说明。
图2A所示为所谓的双板式排放系统。它是由配置在彼此顶部的两个园板组成，其间的间距为40-70mm，液体从所述板之间的中心排放。这种配置确保了在板的外边缘以较低的速度排放。
图2B所示为具有孔的环形导管。为确保均匀的液体排放，所述孔具有不同的尺寸，如图2中所示。
图2C所示为星型管式排放装置，它使得液体可以从6个位置排放。当所述管的末端提供有T-部分(虚线所示)时，液体可以在12个位置排放。
图2D所示为带有排放孔的浸没的排放通道的排放系统。选择所述孔的孔尺寸及数量，以确保处理过废水的均匀排放。
用于在数字60所示供应管线的所需量的循环水通过再循环系统130提供。待首次提供到反应器中的废水可通过管线132引入系统中。如果需要或在周期性间隔中，被引入或循环的部分废水通过管80以推进喷射的形式通入反应器的下部，以使其中存在的生物质(微生物团粒)形成漩涡。在较大的反应器中，可以提供几种推进喷射出口，以得到生物质的漩涡。

Claims (28)

1.一种用于厌氧性废水处理的反应器，该反应器包括以下特征：
(a)从顶部朝向下的方向延伸中心流动通道，在与上反应器边界有第一距离的顶部终止，并在与下反应器边界有第二距离的底部终止；
(b)在所述中心流动通道与反应器壁之间的环形空间中配置整个流动通道高度的或部分流动通道高度的规则整齐的、固定床形式的载体组件，以固定微生物，在相邻载体组件之间提供流动孔道；
(c)在反应器下边界与载体组件之间空间形式的反应器下部，用于在反应器操作期间接收其中飘浮有微生物的废水；
(d)在反应器上部边界与载体边界之间的反应器上部；
(e)就其内流动而言环形柱式反应器形式的反应器，以使其中所含的废水可以以向下的方向循环流过中心流动通道，然后流过下部中的所述空间，随后沿载体组件向前，并最终再次进入中心流动通道中；
(f)用于待处理的、并且将被首次引入所述反应器中的废水的供应管线；
(g)用于最终从反应器中排放处理过的废水的排放系统。
2.权利要求1的反应器，其特征在于所述下部中的空间被用于接收其中漂浮有微生物团粒的废水。
3.权利要求1或2的反应器，其特征在于提供了板型载体组件。
4.权利要求3的反应器，其特征在于多个载体组件的密封体横跨反应器的圆周分布，各个封装体内的板型载体组件被彼此平行地、并按反应器的切线方向配置。
5.权利要求1-4之一的反应器，其特征在于相邻载体组件之间的流动孔道的宽度为3-6cm，优选3.5-5.5cm。
6.权利要求1-5之一的反应器，其特征在于提供了多孔的允许被流动通过的载体组件。
7.权利要求1-6之一的反应器，其特征在于所提供的载体组件基本上由彼此结合的塑料粒子及膨胀的粘土粒子组成。
8.权利要求1-7之一的反应器，其特征在于再循环系统包括用于废水的收回装置及用于废水的供给装置，以将其流动输送到中心流动通道中。
9.权利要求1-8之一的反应器，其特征在于所述收回装置包括在两块板状组件之间的中间空间，以及从所述中间空间开始的导管。
10.权利要求8-9之一的反应器，其特征在于排放系统配置在所述再循环系统收回装置之上的一定距离上。
11.权利要求1-10之一的反应器，其特征在于在所述反应器的上部、在所述排放系统之下提供了起到将废水中漂浮的微生物留在反应器中作用的分离器系统。
12.权利要求11的反应器，其特征在于所述分离器系统包括在所述中心流动通道的上端以间隔开的方式提供的、覆盖大部分反应器的横截面、同时留下外部环形区的隔板。
13.权利要求12的反应器，其特征在于所述隔板具有其中不水平延伸并在最高部分形成气体收集空间的部分。
14.权利要求13的反应器，其特征在于从最高部分开始，所述隔板-概略地说-以向下倾斜的方式向外延伸，和以向下倾斜的方式向内延伸。
15.权利要求12-14之一的反应器，其特征在于所述再循环系统的收回系统位于所述隔板的上面。
16.权利要求1-15之一的反应器，其特征在于用于反应器中形成的气体的第一排放管线从所述反应器上部中开始。
17.权利要求1-16之一的反应器，其特征在于用于反应器中形成的气体的第二排放管线从所述隔板区中开始。
18.权利要求1-17之一的反应器，其特征在于所述载体板配置在15-40％、优选20-30％的反应器体积中。
19.权利要求1-18之一的反应器，其特征在于所述反应器的下部具有位于其壁上的流动偏转装置。
20.权利要求1-19之一的反应器，其特征在于至少一个推进喷射出口在所述中心流动通道的下端以下终止。
21.权利要求1-20之一的反应器，其特征在于该反应器设计为使不同种类的微生物一方面被提供作为固定的微生物，另一方面作为飘浮的微生物。
22.一种用于在反应器中厌氧性废水处理的方法，其中待处理的废水循环，使废水
(a)在中心从上向下流动；
(b)然后与飘浮在反应器下部空间中的废水中的微生物接触；
(c)然后在位于其上的反应器空间中与微生物流动，所述微生物以规则整齐的固定床形式布置在载体组件上；
(d)并且最终从上至下再次并入中心流中。
23.权利要求22的方法，其特征在于通过流经载体组件上的微生物，部分废水被分流并泵入所述中心流动通道中。
24.权利要求22-23之一的方法，其特征在于漂浮的微生物存在于处理空间中。
25.权利要求22-24之一的方法，其特征在于在所述废水中漂浮的微生物被分离器系统留在所述反应器中。
26.权利要求20-25之一的方法，其特征在于不同种类的微生物一方面被提供为固定的微生物，另一方面被提供为漂浮的微生物。
27.权利要求1-21之一的反应器或权利要求22-26之一的方法用于饮料工业、饲料工业或食品加工业工厂的厌氧性废水处理的用途。
28.权利要求1-21之一的反应器或权利要求22-26之一的方法用于造纸工业或纺织工业工厂的厌氧性废水处理的用途。
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