CN1013360B - 有机基质的厌氧分解法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机基质厌氧分解的方法和设备，使要处理的有机基质按向下流动方式通过反应器(1)，反应器中有一过滤床，作为沉降微生物的载体。在过滤床(3)中已处理的基质用循环管(4)从反应器(1)的底部到顶部被部分地循环。产生的分解气体在反应器(1)顶部的气体出口(9)被排出。为了维持较高的体积负载和达到较高的操作稳定性，使在过滤床(3)中处理过的一部分基质按上流方式通过上升管(11)以使残渣进一步被降解并且在反应器(1)的顶部通过直接由上升管(11)接出的出口(10)排料。

Description

本发明是关于含有机基质废水的厌氧分解或降解的方法及其设备。废水中的有机基质，是以向下流动方式通过安置在处理区（即反应器）的过滤床而被处理。过滤床作为载体在其中或其上沉降有微生物，在过滤床中至少被部分处理过的基质，从处理区的底部或较低区域向顶部循环，再次通过此处理区以便进一步被处理或降解。

在这类用厌氧微生物转化，即降解有机基质使其主要成为甲烷和二氧化碳的典型方法中，有一个不容忽视的问题，因为在复杂基质材料的情况下，用COD表示的部分有机负荷，是以难以代谢的形式存在着的，如：不溶的固体、聚合物或芳香族缩聚物。例如从食品工业或从事复杂物质如油脂、蛋白质、碳氢化合物和脂肪酸等的化学工业中就会产生这类废水。

这些物质必须首先被分解成较小的部分或物质，然后才能被酵母菌破坏。由于这两步反应，结果是，反应时间较长，并且需要大体积的反应器。因此，为了缩短反应时间，就需要使用高效的厌氧反应器，本着这一原则，将其设计成向上流动式的污泥床反应器，或向下流动式的过滤床反应器。这两种反应器，都需要大体积才能达到足够的分解能力，因为只有在其中最大程度地保持厌氧微生物的缓慢繁殖，才能达到这种分解能力。

R.E.Speece在Environm.Sci.Technol.（环境科学与技术）Vol.17.No.9（1983），P416～427中给出了最近使用的厌氧方法和厌氧反应器的综述。

在使用上流式污泥反应器的情况下，特别是当液压负荷较高和/或有较高的单位气体产量时，就会有使反应器的效率下降的危险，这是由于在排放时从顶部倾卸出污泥，导致活性微生物的损失，从而降低了效率。对酒厂废水的研究表明，气体的单位体积产率超过4m³/m³反应器体积时，污泥损失量就增大。此外，高浓度污泥床的获得取决于粒状污泥沉降的有效性，这种污泥沉降性好，但在这种类型的反应器中，无法控制这种污泥的形成。

在使用向下流过式过滤床时，大部分微生物被牢固地固定在支撑元件的表面，如果使用微孔元件，微生物则固定在支撑元件内部。为得到充分的混合，防止堵塞和/或在大负荷时平衡其负荷，占加料流量大部分的液流，要从过滤床的底部向顶部循环。与上流式反应器相反，在向下流动式操作中，加负荷的优点是不发生消泡过程。其缺点是大部分未固定的即悬浮的微生物，将随同净化后的排出水一起，从反应器中被冲洗出去。这样，便损害了反应器的分解性能。此外，其结果是，出水中脂肪酸的含量相对增加了（与上流式反应器相比），由于加料流不可能全部被循环，所以加料中的一部分只有在反应器中停留很短的时间，因不能得到充分完全的降解，结果就产生了一种讨厌的气味。

因此本发明的目的是提供一种上述类型的方法，以简单经济的方式，克服了上述缺点，并且能在高操作稳定性下具有处理大体积负荷的能力，这几方面结合就能达到较高的降解效率。

本发明的另一个目的，是提供一种设备，来实施本发明的方法。

对本发明说明书和所附权利要求书进一步研究后，该技术领域的那些专业人员，将会进一步发现本发明的更多有用的目的和优点。

根据本发明，含有机基质的废水，被厌氧微生物降解或分解。废水通过排布在处理区或反应器中的过滤床。过滤床作为载体在其中和/或其上沉降亦即载带有上述微生物，已处理液流连同待处理的基质部分循 环通过过滤床，再返回到处理区或反应器的入口。

改进之处在于将待处理含有机基质的废水以向下流动方式通过过滤床，以处理有机基质。将含有基质的部分处理过的废水，在处理区的底部分离出部分液流送往顶部以进行循环。至少部分被处理过的基质的另一部分液流以向上流动方式通过作进一步的处理，同时从所述另一部分液流分出的处理过的出水，在净化的条件下，从处理区的顶部附近排出。

按此方式实施的方法，与向下流动操作方式相比，优点之一在于，在仅仅部分处理的条件下，一部分进料从处理区被除去的可能性大大降低了。另一方面，也可以保证未固定的微生物留在处理区内，这样，固定的和未固定处于悬浮的微生物的总浓度，将保持很高的值。与先有技术的向下流动式固定床反应器相比，使用本发明，由于改进了未固定微生物的保留，可使反应器内活性微生物的总浓度提高10～20%。这样，按照本发明操作的处理区比前面讨论的常规流程，其负荷可提高15～20%，或者可把反应器设计成较小的尺寸，因此，大大提高了单位体积的分解性能。

设备效率的提高可归因于，在同过滤床和循环相隔离的情况下，部分基质流体向上提升的过程中，一方面由于基质中含有悬浮的微生物，所以分解作用是连续进行的，另一方面，由于向上流动路径相当长，悬浮的微生物逐渐从液体中分离出来。在上升管道中会产生沉降，因为这里的流体流速，仅与入流速度相对应，大大低于循环管中液体速度，循环管中的液体速度是入流速度的数倍（典型的可高达10倍），这样，就可以防止活性微生物明显在那里沉降。当然，沉降效率也与全部上升管的总横截面有关。未固定的微生物与液体的这种分离，将导致一部分游离的或悬浮的和未固定的微生物下沉，或沉降到处理区的较低部位或底部，并由于其中的各种液流和循环流的作用，又使其再循环到处理区的 顶部。由于留在上升管中的颗粒是不动的或在缓慢移动（这取决于粒度与重量），在上升流中就生成了一个污泥床。在向上流动中形成的与过滤床隔开的污泥床中，以及在上升管表面所形成的污泥层，能将有味的中间产物，在排放之前几乎完全除去。在此情况下，向上的流动，可以安排在处理区的外面，也可以安排在处理的内部进行。

最好使上流液流，与固定在上流管上及上流管内的微生物接触。这样，将使处理区中总的牢固固定的载带的或沉降的微生物的份额进一步增加，并且在上升流动过程中将大大提高对通过过滤床后剩余有机基质的剩余分解，也将大大提高对具有强烈臭味的脂肪酸的去除作用。

为了进一步提高方法的性能，适当的设计一条向上流动的管路，如曲折的管路，是有利的，因为它将延长反应的路程。此外，由于使用曲折的管路，如蛇形管路，可防止在分解过程，甚至在向上流动过程中所形成的消化气体，沿直路垂直上升到反应器顶部，并且防止消化气体载带悬浮的微生物，因浮力作用而直接上浮。

能被本发明方法所分解，并能用于生产消化气体的有机基质的来源，主要包括城市和工业污水，污水污泥以及有机残渣和各种废物。为了处理固体有机物，必须有足够小的微粒和地面水供利用，即加入的基质必须具有液体行为。为使固体有机废物能充分降解，必须加入足够的水，而且粒度也要弄得很小，这样，将使水泥浆具有液体的基本特征。

实施本发明方法的设备，包括一个在厌氧条件下，基本上是按向下流动方式操作的反应器。反应器中，安装有作为附着微生物载体的过滤床。反应器包括一个上述要处理基质的进料管，或是入口、一个已处理基质的出口、一个消化气体的气体出口和一个返料管，或叫循环管，或叫从反应器底部到顶部的管路。根据本发明的设备，至少有一根上升管，放在过滤床里面和/或外面，并且，上升管在反应器的顶部或顶部附近，与已处理的基质，即出水的出口相连接。

用此反应器时，要处理的有机基质，向反应器中加料的操作，和用循环管，对部分已处理基质进行循环并向反应器中加料的操作，都是采用向下流动方式，而通过上升管，从反应器的底部，向反应器的顶部排料点，进行排料的操作，又是采用向上流动方式进行的。结果可防止任何部分的加料，在未经处理前就离开反应器。尤其是，当液体通过上升管上升时，游离的，悬浮的和未固定的微生物将向下沉降，结果，使反应器出口的悬浮物质大大减少。

由循环管将沉降下的微生物从反应器底部向顶部循环，并送入过滤床作进一步处理。结果，使游离的，未固定的和悬浮的微生物在反应器中的浓度增加，并且，固定的和悬浮的微生物的总浓度，也因之增加，从而提高了反应器的分解性能。

从高COD负荷的角度看，如果把上升管设计成上面讨论过的曲折状，并且具有皱形和/或肋状表面，对于超过10KgCOD/m³·d和脂肪酸的分解，都是特别有利的。这样的上升管，例如可以是能大量生产又廉价的塑料管道制品，用于电气安装的空管线，或下水道管等。上升管的皱形和/或肋状表面，为活性微生物提供生长表面，如果上升管排布在内侧时，其内外表面均为生长表面。过滤器本身也是生长表面。其结果是，一方面，活性微生物的浓度，至少与过滤床不包括上升管的情况要一样高，尽管因在床内安置一个或多个上升管损失了过滤床的体积。另一方面，沉降在上升管内壁的微生物，在出水基质流过上升管做向上流动时，会进一步减少出水COD浓度，并将进一步引起有强烈臭味的脂肪酸的分解。

将上升管的表面设计成皱形或肋状形式，将会使上升的液流中，发生或建立一些微小的涡流，它将可能使得游离的微生物和基质彻底混合。这是因为向上的流动，不是直线的流动，而是湍流。至少通过曲路时是如此。从上升管发生剩余分解的角度出发，非常希望有这一效用。 当然，对于游离微生物在排料之前的沉积作用来说，这一效用是有很大妨碍的。由于这个原因，上升管的有利形式应是，下半截的表面应是皱形和/或肋状的，而上半截的表面应是很直很平的，以形成直线流动。这样的形式，可使上升管上部的流动条件是稳定的，这种稳定性对沉积过程是有用的。上升管的表面，至少是上部，也可有微孔结构，它有助于微生物在内外表面的附着。为了这个目的，可在上升管的内外表面复盖有微孔的泡沫塑料层，这样，在管子的内外表面上，可为固定的微生物，提供很大的生长表面。

为了增加或加强上升管中的沉积作用和分解过程，使其成为倾斜的，或蛇形的形式，是很有利的。这样安排，不仅延长了基质从反应器底部通向反应器上部出口的上升路径的长度（这会改善反应器这一区域的分解和沉积效果），与此同时，也防止了在上升管向上流动中因分解或降解过程产生的消化气体，在直通路中垂直向上流动。这样，至少可以限制因气体上升引起未固定的微生物的漂浮和被排放掉。另外，将上升管倾斜排布或蛇形排布，并且表面弄成皱形和/或肋状，产生的消化气体就可以收集在上升管中相应的凹处。这样，消化气体的向上运动，就变得极慢，从而因气体上升引起的漂浮过程，就被大大地消除了。

当结合说明书的附图来理解本发明时，人们将会更加充分地了解到本发明的其他各种目的、特征及附带的优点，其中相同的参考特性在附图中通过几个视图标明了相同的和相似的部件。

用图解说明按本发明的方法进行工作的反应器的情形。

图1表示至少带有一根上升管的厌氧反应器，上升管装在反应器的内部穿过过滤床。

图2表示至少带有一根上升管的厌氧反应器，上升管装在反应器的外部。

图中所示，在厌氧条件下操作的密闭和密封的反应器1，和装在反应 器底部的筛网式或格栅式底2上所支撑的过滤床3。带有泵5的循环管4，是从反应器1底部的筛网或格栅底2的下面引到分配装置6，即加料装置，它被安装在反应器1的顶部、过滤床3上面的位置。要处理的有机基质流的进料管7与循环管4相连接，用分配装置6将要处理的或部分处理的基质流，从顶向下进入反应器穿过反应器1的过滤床3。为了维持厌氧过程的最佳温度，例如将热交换器8安装在回流管上，当然也可以安在进料管上。为了避免反应器1的余热散掉，后者最好用绝缘材料进行保温（图中未示）。热交换器和反应器的绝缘保温，是为了维持反应器在最佳恒定温度，最好维持在32～37℃。热交换器的安装位置和类型以及绝缘材料的材质，可随其方便进行选择。在厌氧分解过程中放出的消化气体，从设在反应器1顶部的气体出口9被带出，同时已处理的基质通过出口10被排放。

在这个例子中，过滤床3被设计成固体填充床或填料床，并且可由砂子、轻质松粘土、炉渣、活性炭和塑料环组成，最好用有微孔结构的泡沫塑料元件，例如，聚胺基甲酸酯，聚乙烯或聚丙烯元件，或用各种材料的混合物。如用泡沫塑料做过滤元件，其孔径尺寸最好在0.1～0.3mm范围内，这样才能确保厌氧微生物不仅能附着在过滤元件的表面，也能向过滤元件内部生长。采用这种方式，可使活性微生物的浓度维持在极高的水平。

还有可能采用可悬浮的过滤元件，形成一个向下流动的流化床，用它来代替固体填充床。由于过滤元件的浮力，加上对液流的控制，使这些元件不会在向下流动时走到反应器的较低的端部或底部。在这种情况下，在反应器的较低处所设置的格栅或筛网底就可以被略去。载体元件的比重等于或略高于周围液体的比重，就能形成这样的流化床。附着的气泡，将使粒子上升到表面，在那里将气泡释放。释放气泡后的元件，将被向下流动的液体浸湿，并推其向下运动，一直到再产生气泡又开始 了下一个这样的循环。立方体形状的泡沫塑料，特别适合于这种过程的变化。

如果以上所描述的反应器，为了处理过的基质所设置的出口，是设在反应器的较低部位时，那么，大部分游离的、未固定的和悬浮的微生物，将从出口被带走，从而不再适用于厌氧分解工艺中。在此情况下，尽管典型地有十倍于入水流量的循环流在起稳定作用，因超负荷而导致反应器运转失败的危险增加了。此外，被处理过的基质出口，如果连接在向下流动方式操作的反应器的上部，即顶部时，就无法防止一部分进入料，在未处理前，就随同处理过的基质一起被带走，这将妨碍反应器的净化性能，即反应器的效率。

为了消除这些弊端，按照本发明，至少有一根上升管11，通过反应器1的过滤床3，穿过下面的格栅或筛网底2，串连到反应器1的上部，与处理过的基质即出水的流出口10相连接。图中，设计的上升管11，开口在顶部，并被接受槽12环绕着，接受槽的开口也在其顶部，并与出口10相连接，因此，上升的液体，从上升管11溢出进入到接受槽12，再由接受槽进入出口10。要处理的入水基质分配装置6，被设置在上升管11和接受槽12之上，采用的方式如图所示，以便使要处理的基质不能与已处理过的基质相混。

由于上升管11被设计成顶端开口的，并且处理过的基质又是从上升管溢出进入接受槽12中，因此有可能排放上升相，通过上升管时产生上升的消化气体。在这种情况下，液体通过上升管11上升的过程中，由于液体中存在有微生物，它们呈悬浮状，并且有可能固定在上升管内，不仅会发生进一步的分解过程，还可能使未固定的微生物，在反应器的较低处，逐渐地沉降和沉积。此处沉积下来的微生物又进入到循环管4。由于上升管的设置，可避免未固定的微生物，被强流冲涮掉。因此，存在于反应器中的微生物的总浓度，就可以维持极高值。同样，还可以避 免进入料和流出料相混合。因此，要处理的基质，不会妨碍已处理基质的排料操作。

前已指出，使上升管下部分的表面，加工成皱形和/或肋状是有利的，这样做特别适于为微生物提供附加的固定表面。如果上升管使用微孔材料时，亦会促进这个作用，另一方面，皱形和肋状表面，会在液体和未固定微生物间，引起涡流，涡流会强化分解过程。由于涡流将妨碍悬浮微生物的沉降，所以上升管的上部表面，最好设计成平直的壁。所谓上部区域，指的是反应器上部垂直高度，典型情况是反应器的总高度的20～30%。

除了已经指出的，上升管可为直立式排布外，也可使上升管成倾斜的或蛇管式的形式通过滤床3，或者将蛇管放在反应器的外侧，延长反应路径。

上升管设置在反应器壁外的反应器，如附图2所示（此处反应器内部过滤床体积不受影响）。按这种安排，上升管11a从反应器1的格栅或筛网底2的下面引出，螺旋式通过反应器1的壁外，与反应器1上部的密闭式接受槽12a相连接。此接受槽12a，被安置在反应器1壁外的支架上，并与出口10相连接，因此上升的液体从上升管11a溢出，进入接受槽12a，再由接受槽12a，进入出口10。在厌氧分解过程中，在上升管11a中放出的消化气体，被收集在接受槽12a的上部，通过管线13将之送到反应器1的顶部，通过气体出口9被排掉。

替代一根或多根蛇形方式上升管排布在反应器的外壁，也可以按垂直方式排布。在各种情况下，使上升管的下部表面设计成皱形或剥裂形，都是有利的。

在附图2的实施方案中，热交换器8a，被设置在入水管线7处。

不用进一步详细描述了，可以确信，熟悉本技术领域的人使用前面的说明书，就可以将本发明做最充分的推广应用。下面优选的几个实 施例，仅仅作为一个例证，并不限于实施例所揭露的内容。在下面的实施例中，所有的温度都规定为摄氏温度，不必进行修改。没有特别的指出，都用重量份数和重量百分数。

下面根据本发明，提供一个反应器的实施例，将其性能与传统的向上流动式反应器，和传统的向下流动式过滤床反应器进行比较，可以清楚的看到，使用本发明的反应器的情况下，所需要的反应器的体积，可保持到相当的小，并具有恒定的高效分解性能。

数据实例

1.要处理的出水（例如酒厂出水）

进料 1000m³/d;41.7m³/h

COD    10000mg/l;10000kg/d

2.先有技术的向下流式反应器

COD分解率    90%＝9000kg/d

CH₄产量 0.35m³/分解kg COD＝3150m³/d

CH₄份数 55%

气体产量 5727m³/d

为避免微生物损失最大允许的气体比产量（单位体积产量）

4m³/m³反应器·d

需要的反应器体积 1432m³

体积负荷 7kg COD/m³·d

体积分解能力 6.3kg COD/m³·d

3.先有技术中具有皱形塑料环的厌氧过滤器、向下流动式操作、出水等于进料当量+流出混合物

循环量    ＝15×进料量

最大分解率    90%

出水中未处理料液

的份数    6.3%＝630    COD/d

反应器内的总消除量    9370×0.9＝8433kg    COD/d

出水中COD含量    630+937＝1567kg    COD/d

COD分解的实际程度    84.3%

允许的污泥负荷    0.5g    COD/kgTS·d

需要的污泥量    20，000kg

污泥浓度 25kg/m³固定微生物+0.5kg/m³悬浮微生物

总的微生物浓度 25.5kg/m³

需要的反应器体积 784m³

4.按本发明的反应器

循环量    ＝15×进料量

最大分解率    90%

出水中未处理的进

料的份数    ＝0%

反应器中总消除量    9000kg    COD/d

允许的污泥负荷 0.5kg COD/m³/d

污泥需要量    20，000kg

污泥浓度 25kg/m³固定微生物+3kg/m³悬浮微生物

＝28kg/m³

需要的反应器体积 714m³

5.三种形式的反应器比较

特征    向上流动    向下流动式操作，    本发明的

式反应器    循环的厌氧过滤器    反应器

反应器体积 1432m³784m³714m³

COD分解    90%    84.3%    90%

体积负荷（COD） 7kg/m³·d 12.8kg/m³·d 14kg/m³·d

体积分解能力 6.3kg/m³·d 10.7kg/m³·d 12.6kg/m³·d

流出水中挥发

性酸（气味）    ≤200mg/l    ＞800mg/l    ≤200mg/l

本发明的一般或特殊描述的反应物和/或操作条件用于上文所述的实施例中，都能以类似的成功重复前面的各例。

本技术领域的一个专业人员从前面说明中就能很容易地确定本发明的基本特征，在不离开它的构思和范围的情况下对本发明能做各种改变和改良可使它适用于各种用途和条件。

Claims (20)

1、一种有机基质厌氧降解的方法，使要处理的有机基质通过处理区或反应器中排布的浸入式过滤床，上述过滤床作为载体在其上或其中沉降有进行生物降解的微生物，在过滤床中部分循环处理过的基质，使被处理的有机基质按向下流动方式通过上述过滤床，从而处理上述的有机基质，上述循环的实施是把处理区底部处理过的基质分出部分液流送往处理区的顶部，其特征在于，已处理过的基质的另一部分液流向上流动和在处理区的顶部附近将直接从所述另一部分液流处理后的出水排放。

2、一种如权利要求1所述的方法，其中要排放的向上流动的液流在通过固定有微生物的管路时同微生物接触。

3、一种如权利要求1所述的方法，其中向上流动的液流部分地沿倾斜路径流动。

4、一种如权利要求2所述的方法，其中向上流动的液流部分地沿倾斜路径流动。

5、一种如权利要求1所述的方法，其中向上流动的液流部分地沿蛇形路径流动。

6、一种如权利要求2所述的方法，其中向上流动的液流部分地沿蛇形路径流动。

7、一种如权利要求1所述的方法，其中上述向上流动的液流至少在其流动区域的上半部分是在直路中通过的，以增强固体在那里的沉降。

8、一种如权利要求2所述的方法，其中上述向上流动的液流至少在其流动区域的上半部分是在直路中通过的，以增强固体在那里的沉降。

9、一种进行有机基质厌氧分解的设备，是在一个基本按向下流动方式操作的反应器中进行的，反应器中有浸入式过滤床，该过滤床在厌氧条件下作为载体使微生物沉降其上，反应器包括一个进料管装置，用来将待处理的基质液流从反应器顶部加入其中;用来排放处理过的基质的出口装置;为排放产生的消化气体的气体出口装置和连接反应器底部到顶部的循环装置，其特征在于，此设备还包括至少一个上升管装置（11）它被安置在过滤床（3）的内部和/或外部，并且上述上升管装置（11）在反应器（1）的顶部连接在上述为排放已处理基质而设置的出口装置（10）上。

10、一种如权利要求9所述的设备，其中沿上述上升管（11）长度的一部分有皱形和/或肋状表面。

11、一种如权利要求9所述的设备，其中上升管装置（11）相对垂直方向而言是倾斜的。

12、一种如权利要求10所述的设备，其中上升管装置（11）相对垂直方向而言是倾斜的。

13、一种如权利要求9所述的设备，其中上升管装置（11）至少在其底半部是蛇管形的。

14、一种如权利要求10所述的设备，上升管装置（11）至少沿其底半部是蛇管形的。

15、一种如权利要求9所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的以减少在其中流动的流体的涡流因而增强液流中固体的向下沉降作用。

16、一种如权利要求10所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的，以减少在其中流动的流体的涡流及增强液流中固体的向下沉降作用。

17、一种如权利要求11所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的，以减少在其中流动的流体的涡流及增强液流中固体的向下沉降作用。

18、一种如权利要求12所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的，以减少在其中流动的液流的涡流及增强液流中固体的向下沉降作用。

19、一种如权利要求13所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的，以减少在其中流动的液流的涡流及增强液流中固体的向下沉降作用。

20、一种如权利要求14所述的设备，其中至少上升管装置的上部内表面是平直的，以减少在其中流动的液流的涡流及增强液流中固体的向下沉降作用。

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