WO2012075615A1

WO2012075615A1 - 一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法

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Publication number: WO2012075615A1
Application number: PCT/CN2010/079454
Authority: WO
Inventors: 任洪强; 许柯; 丁丽丽; 谢吉程; 任鑫坤
Original assignee: Nanjing University; Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing University; Nanjing Tech University
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2013-06-06
Also published as: US20120138527A1; US8216471B2

Description

一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法技术领域

本发明涉及一种废水处理装置及其应用和处理废水的方法，更具体的说是一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法。技术背景

近年来，上流式厌氧污泥床（U说ASB)在我国工业废水处理中得到了广泛应用，具有节省能耗和费用、污泥量少、投资少易维护、可回收能源、可处理难降解高浓度废水等优点，既可单独用于废水处书理，也可与好氧生物技术联用以获得满意的出水水质。 UASB主要在中温（30~35°C )条件和高温（50~55°C )条件下运行，反应器内微生物活性良好，能够获得理想的出水水质。然而，当温度较低时（如在我国北方或者冬季时）， UASB 中的微生物活性受到抑制，一旦有机负荷过高，反应器内酸碱平衡很容易被破坏出现酸化现象，造成出水 COD浓度偏高、出水 pH为酸性、污泥上浮等，出水水质严重恶化。

为了保证 UASB在低温条件下的稳定运行，维持反应器内酸碱平衡、避免酸化，可采用加热废水、投加碱度、出水回流、出水吹脱 C0₂后回流、投加低温菌株等措施，但在实际工程应用中，这些方法都存在缺点和局限性，如经济成本高、能耗大、回流水中含较多溶解氧、尚无应用实例等。孟兆成等公开的发明专利 CN 1337364A采用一种自主研发的 "变性污泥"来控制 UASB反应器的酸化，效果好、成本低，但该"变性污泥"需要进行专门的生化培养，而且需专门人员进行投放，自动化程度低。

一体化生物反应器是将不同生物处理工艺整合在一个反应器内以处理废水，具有投资少、占地少、能耗小、处理效果好、管理方便等优点，近年来倍受国内外研究者的青睐。目前关于一体化生物反应器在生活污水和工业废水处理中的研究和应用较多，主要是将不同的厌氧、缺氧和好氧工艺有机整合在一个反应器内，整合方式通常有内外套筒式和上下叠加式。薛嘉等（薛嘉，黄钧，李益军. 厌氧好氧一体化生物反应器处理发酵废水的研究. 应用与环境生物学报， 2007, 13 (3)： 414〜418)研究开发了一种同心圆筒形式的厌氧好氧一体化生物反应器，用于处理高浓度有机发酵废水。内筒为厌氧颗粒污泥膨胀床，外筒为好氧三相流化床，分为升流区、降流区和沉降区。此反应器抗冲击能力强， COD去除率可达到 90% 以上。蒋展鹏等（蒋展鹏，钟燕敏，师绍琪. 一体化 A/0生物膜反应器处理生活污水. 中国给水排水， 2002, 18 (8)： 9-12) 设计了上下叠加形式的升流式一体化 A/0生物膜反应器用于处理生活污水，装置呈圆筒状，底部为采用球形填料的缺氧区，上部为采用半软性填料的好氧区，维持一定的回流比和反应器内适宜的碱度时，脱氮效果良好而稳定。然而，这些一体化反应器都是在常温下用于处理工业废水和生活污水，目前尚未见到适用于低温条件下处理高浓度有机废水的一体说

化生物反应器的开发和研究。

移动床生物膜反应器（MBBR)是一种书吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法的新型高效的好氧废水处理工艺。该工艺是将比重接近水的悬浮填料直接投加到反应器中作为微生物载体，依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，使微生物能充分与水中的溶解氧和有机物接触，有利于基质传递，从而获得良好的有机物去除效果。与其他好氧废水处理工艺相比， MBBR工艺具有占地少、耐负荷冲击、污泥浓度较高、剩余污泥量少、水头损失小、无需反冲洗、一般不需回流、脱氮除磷效果良好等优点。同时，大量的研究结果表明，由于 MBBR污泥浓度高、生物固体停留时间长，低温条件下也能获得很好的处理效果。发明内容

1、发明要解决的技术问题：

针对低温条件下（5~15 °C ) UASB反应器处理高浓度有机废水时存在易酸化的问题，现有解决方法存在不足和局限性，本发明提供一体化生物反应器和处理高浓度有机废水的方法，可避免酸化现象的产生。该装置和方法也可用于常温条件下工业废水的处理。

2、技术方案：

本发明将上流式厌氧污泥床（UASB )和移动床生物膜反应器（MBBR) 整合组成一体化生物反应器，利用 MBBR出水回流为 UASB补充碱度、 UASB内设置水力搅拌装置增加传质速率和 MBBR)!寸 UASB的保温作用，不需外加碱度或仅需投加少量碱度即可维持反应器内酸碱平衡，保证反应器内微生物的生态稳定，消除低温条件下厌氧生物处理高浓度有机废水过程中易产生的酸化现象。

本发明的技术方案如下：

一体化生物反应器，采用同心圆柱状结构，内层为 UASB, 外层为 MBBR, MBBR出水回流至 UASB。

UASB和 MBBR的容积和水力停留时间根据需处理废水的水质水量确定， MBBR反应区的宽度与高度之比应为 0.25 0.5， MBBR的宽度指一体化反应器的直径与 UASB直径之差；在 UASB出水口设置 pH在线监测仪，底部布水装置上方设置机械搅拌装置。在 MBBR反应区内距反应器底部 lm~2m高度处设斜板和半菱说

形挡板; MBBR布气装置为穿孔管或曝气头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。书

一体化生物反应器在处理高浓度有机废水中的应用。

该一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法包括以下步骤：

( 1 ) 废水从 UASB底部布水装置进水，布水装置上方设有机械搅拌装置，通过搅拌使废水中有机物和厌氧颗粒污泥充分混合接触，经过水解、酸化和产甲垸阶段后，厌氧微生物将大分子有机物降解并生成小分子有机物、沼气、二氧化碳和水，沼气、厌氧污泥和水经三相分离器分离，沼气进入集气室，污泥沉降入 UASB 反应区，废水上流至反应器顶部出水并依靠重力自流至反应器底部进入外层 MBBR;

(2) MBBR反应区内的斜板和半菱形挡板对 UASB出水进行二次泥水分离，相当于常规处理中 UASB后续的污泥二沉池；

(3 )废水继续上流，经过 MBBR曝气装置时，与气体发生激烈混合，然后气、水与流化状态的填料充分接触，水中有机物被填料表面的微生物好氧降解生成二氧化碳和水， MBBR顶部设出水堰，出水由此流出进入集水池；

(4)集水池与一体化生物反应器之间设回流泵，可将出水回流至反应器入口处。

步骤（1 ) 中 UASB底部的机械搅拌装置正常情况下关闭，当 UASB出水口 pH<6.8时进行搅拌。

步骤（3 ) 中 MBBR中投加比重为 0.93-0.99的悬浮填料，填充率为 40%-60%，曝气量需保证溶解氧量为 2mg/L-4mg/L。本步骤中的数值范围并非绝对严格的限制，只要在这个比重、填充率和曝气量范围内都可满足要求。步骤（4) 中 MBBR出水回流至 UASB的回流比为 100%-300%，当 UASB出水口 pH为 6.8~7.5时回流比为 100%，当 pH<6.8时增大回流比。

维持 UASB反应器稳定运行的重要条件之一是 pH应控制在 6.5~7.8，正常情况下通过反应器自身的碳酸氢盐 /碳酸缓冲体系来维持酸碱平衡。好氧生物处理也会产生 C0₂并形成碳酸，但由于好氧曝气很容易吹脱掉高浓度的 C0₂，而且某些有机物的降解过程中还会产生碱度，因此好氧生物处理无需外加碱度且出水碱度有时还会高于进水碱度。当温度较低时， UASB反应器中微生物活性被抑制，有机物和 VFA降解不充分，当 VFA浓度高至碳酸氢盐碱度不足以中和时，说

酸碱平衡被破坏，造成出水 pH降低和 COD浓度升高，此时厌氧出水回流已无法起到补充碱度的作用。然而，厌氧出水中书大量未降解的能够释放阳离子的有机成分（如蛋白质）、有机酸盐或脂肪酸盐等，被好氧降解后能产生很高的碱度，加上 VFA被降解、好氧曝气过程中水中 C0₂被吹脱，水中碱度会大大增加，因此将好氧出水回流能够为 UASB补充碱度，减少外加碱度的量甚至可不外加碱度，恢复厌氧区的酸碱平衡。将以上理论付诸实践的关键是 UASB后续的好氧处理工艺，必须能够在低温下稳定运行，且能够抗负荷冲击，当 UASB 发生酸化时能够较好地降解其出水中的有机物。基于以上考虑，本发明选择 MBBR作为 UASB后续的好氧处理工艺。 MBBR是一种新型高效的好氧废水处理工艺，具有污泥浓度较高、剩余污泥量少、耐负荷冲击、低温下运行稳定、水头损失小、无需反冲洗、一般不需回流、脱氮除磷效果良好等优点，当 UASB 出现酸化时能够较好地适应负荷冲击，降解水中有机物，为 UASB提供碱度。

为了节省占地、减少投资、提高处理效率，本发明将 UASB和 MBBR整合成同心圆柱状结构的一体化反应器，内层为 UASB, 外层为 MBBR。 MBBR属于好氧生物反应器，好氧反应过程中微生物对有机物进行氧化分解，生成 C0₂和 H₂0 并释放热量， MBBR可保持较高温度，加上水的导热性差，因此 MBBR可对内层 UASB起到供热保温的作用。

在 UASB出水口设置 pH在线监测仪，根据出水 pH值调整 MBBR出水回流比。正常情况下， MBBR出水回流比为 100%，可为 UASB提供足够碱度；当 pH<6.8 时，表明 UASB有可能出现酸化现象，此时增大 MBBR回流比，以补充更多碱度；同时，提高 MBBR出水回流比还能够稀释进水，降低有机物负荷，有助于恢复 UASB酸碱平衡。

当水温较低时，反应器中水体粘度变大、传质速率减慢，有机物降解困难，易促进酸化的发生，因此，在 UASB底部设置机械搅拌装置，当 UASB出水口 pH<6.8时进行搅拌，加大水力扰动，增强基质传递；正常情况下可不搅拌以节省能耗。

在 MBBR反应区内距反应器底部 lm~2m高度处设斜板与半菱形挡板，可代替二沉池对 UASB出水中的污泥进行二次泥水分离，并可避免 UASB酸化时大量污泥上浮带来的污泥流失。

说

3、有益效果：

本发明提供了一体化生物反应器及其应书用和处理高浓度有机废水的方法，不需外加碱度或仅需投加少量碱度即可维持反应器内酸碱平衡，保证反应器内微生物的生态稳定，消除低温条件下厌氧生物处理高浓度有机废水过程中易产生的酸化现象，投资少、成本低、易维护、运行稳定、自动化程度高。本发明还可利用己建成的 UASB反应器进行技术改造升级，工程量小、成本低。附图说明

图 1为本发明结构示意图，反应器具体尺寸需根据进水水质水量进行设计。其中

I、 UASB反应区， 2、搅拌装置， 3、 pH在线监测仪， 4、三相分离器， 5、集气室， 6、斜板， 7、半菱形挡板， 8、曝气装置， 9、 MBBR反应区， 10、集水池，

II、回流泵， 12、布水装置， 13、污泥管具体实施方式

本发明实现形式为将 UASB和 MBBR整合组成一体化生物反应器，采用同心圆柱状结构，内层为 UASB,外层为 MBBR, MBBR出水回流至 UASB; UASB 和 MBBR的容积和水力停留时间根据需处理废水的水质水量确定， MBBR反应区的宽度与高度之比应为 0.25 0.5， MBBR 的宽度指一体化反应器的直径与 UASB直径之差；在 UASB出水口设置 pH在线监测仪，底部布水装置上方设置机械搅拌装置；在 MBBR 内距反应器底部 lm~2m 高度处设斜板和半菱形挡板; MBBR布气装置为穿孔管或曝气头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。

废水由反应器底部布水装置（12) 进入 UASB反应区（1 )，通过 UASB机械搅拌装置（2) 的搅拌使废水中有机物和厌氧颗粒污泥充分混合接触，经厌氧生物降解后上流至顶部出水，厌氧反应区产生的沼气经三相分离器（4) 分离后进入集气室（5 )，出水依靠重力自流至反应器底部进入外层 MBBR反应器，经过斜板（6) 与半菱形挡板（7) 进行二次泥水分离，然后经过 MBBR曝气装置（8)，与气体发生激烈混合，再与 MBBR反应区（9 ) 中呈流化状态的填料充分接触，水中有机物被填料表面的微生物好氧降解， MBBR顶部设出水堰，出水由此流出说

进入集水池（10)，集水池与一体化生物反应器之间设回流泵（11 )，将出水回流至 UASB。 UASB底部的机械搅拌装置正常书情况下关闭，当 UASB出水口 pH<6.8 时进行搅拌； MBBR反应区中投加比重为 0.93-0.99的悬浮填料，填充率为 40%-60%, 曝气量需保证溶解氧量为 2mg/L-4mg/L; MBBR出水回流至 UASB的回流比为 100%-300%，当 UASB出水口 pH为 6.8~7.5时回流比为 100%，当 pH<6.8 时增大回流比。实施例 1 :

其设备和处理流程同上，用本发明在冬季处理高浓度有机废水，温度为 5-15 °C , 废水水质见表 1 :

表 1 高浓度有机废水水质指标

UASB的水力停留时间为 18h， MBBR的水力停留时间为 6h， MBBR区投加比重为 0.96的悬浮填料，填充率为 60%，溶解氧量为 4mg/L。运行过程中严格监测 UASB反应器出水的 pH，并及时调节回流比， pH最低为 6.3，此时调节回流比为 300%即可使 pH恢复至 6.8以上。运行期间一体化反应器处理效果好且稳定，出水水质见表 2:

表 2 反应器出水水质指标

比较例 1：采用 UASB与本发明的一体化反应器同时处理该高浓度有机废水，水力停留时间为 18h。温度为 10~15°C时， COD去除率只有 60%;温度为 5~10°C 时， COD去除率只有 20%~40%，出水 VFA浓度达到 600~1000mg/L，反应器出现了酸化现象，为了保证反应器的正常运行，必须投加 3000mg/L碱度。实施例 2:

其设备和处理流程同上，用本发明在冬季处理某啤酒厂废水，废水水质见表

3：

说

表 3 高浓度有机废水水质指标书

UASB的水力停留时间为 14h， MBBR的水力停留时间为 4h， MBBR区投加比重为 0.99的悬浮填料，填充率为 40%，溶解氧量为 2mg/L。运行过程中严格监测 UASB反应器出水的 pH，并及时调节回流比， pH最低为 6.5，此时调节回流比为 200%即可使 pH恢复至 6.8以上。运行期间一体化反应器处理效果好且稳定，出水水质见表 4:

表 4 反应器出水水质指标

比较例 2: 采用 UASB与本发明的一体化反应器同时处理该啤酒废水，水力停留时间为 14h。温度为 10~15 °C时， COD去除率只有 65%; 温度为 5~10°C时， COD去除率只有 30%~45%，出水 VFA浓度达到 500~800mg/L，反应器出现了酸化现象，为了保证反应器的正常运行，必须投加 2000mg/L碱度。

本发明也可用于常温下对于高浓度有机废水的处理。

Claims

权利要求书

1、一种一体化生物反应器，包括移动床生物膜反应器 MBBR, 其特征在于反应器采用同心圆柱状结构，内层为上流式厌氧生物反应器 UASB，外层为移动床生物膜反应器 MBBR, MBBR出水回流至 UASB。

2、根据权利要求 1所述的一体化生物反应器，其特征在于在 UASB出水口设置 pH 在线监测仪。

3、根据权利要求 2所述的一体化生物反应器，其特征在于在 UASB底部设置机械搅拌装置。

4、根据权利要求 3所述的一体化生物反应器，其特征在于 MBBR反应区的宽度与高度之比为 0.25~0.5， MBBR的宽度指一体化反应器的直径与 UASB直径之差。

5、根据权利要求 4所述的一体化生物反应器，其特征在于在 MBBR内设斜板和半菱形挡板，斜板和半菱形挡板距反应器底部的高度为 1.0m~2.0m; MBBR布气装置为穿孔管或曝气头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。

6、权利要求 1 ~5中任一项所述的一体化生物反应器在处理高浓度有机废水中的应用。

7、一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其步骤为：

( 1 )在温度为 5~15°C时，废水从 UASB底部布水装置进水，布水装置上方设有机械搅拌装置进行充分搅拌，生成的沼气、厌氧污泥和水经三相分离器分离，沼气进入集气室，污泥沉降入 UASB反应区，废水上流至反应器顶部出水并依靠重力自流至反应器底部进入外层 MBBR;

(2) MBBR反应区内的斜板和半菱形挡板对 UASB出水进行二次泥水分离；

(3)废水继续上流，经过 MBBR曝气装置，与气体混合，然后气、水与流化状态的填料充分接触， MBBR顶部设出水堰，出水由此流出进入集水池；

8、根据权利要求 7所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在于歩骤（1 )中 UASB底部的机械搅拌装置正常情况下关闭，当 UASB出水口 pH<6.8时进行搅拌。

9、根据权利要求 8所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在于步骤（3 ) 中 MBBR中投加比重为 0.93-0.99的悬浮填料，填充率为 40%-60%, 曝气量需保证溶解氧量为 2mg/L-4mg/L。权利要求书

10、根据权利要求 9所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在于步骤（4) 中 MBBR出水回流至 UASB的回流比为 100%-300<½，当 UASB出水口 pH为 6.8~7.5时回流比为 100%，当 pH<6.8时增大回流比。