CN101370739A - 厌氧废水净化的工艺及反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一个利用污泥床***的废水厌氧净化工艺，该工艺包括向一个主要含有粒状生物质的上流反应器的较低部分供给废水和循环水，从而在处理中产生生物气，向上传递所产生的气/液/固混合物并在一个三相分离器中将气体和固体从液体中分离，并且从而产生了从该分离器顶端排出的厌氧流出物，改进包括在气体从液体分离之后，从该三相分离器或从该三相分离器外部的反应器顶端与该流出物分离排出循环水，还针对一个适用于该工艺的上流反应器。

Description

厌氧废水净化的工艺及反应器
本发明属于废水生物净化领域并且更加特别的是在厌氧废水净化中使用污泥床***。
生物废水处理使用活性生物质(细菌)将污染物(有机物质)转化为无害成分。
能够完成该处理的主要有两种类型的细菌。对于所谓的厌氧处理(无氧气)厌氧菌团将污染物主要转化为生物气。
在好氧处理中，污染物在有氧(具有氧气)的条件下减少，在很大程度上变为新细菌/生物质(剩余污泥)，它们随后需要从处理过的废水中分离并分别进行处理。
厌氧污泥床反应器***利用厌氧菌将废水中的污染物转化成生物气。这些厌氧细菌主要以聚集态生长，往往被称为粒状生物质。由于相关厌氧菌的低净产量，该***往往以低的净生物质产量(通常是被转化的COD的2-4％)为特征。
这在一方面是一大优势，因为在废水处理***中产生的过剩生物质必须以很大成本作为固体废物进行处理，但在另一方面，它使得在处理***(反应器)中保留/保持足够的活性生物污泥成为一个敏感的方面。
在厌氧处理反应器中保留生物质的方法可以通过多种方式完成。将生物质固化在一个固定或移动的载体上是将液体停留时间和生物质停留时间分开的一种方法。
不过一个更好并优选的方法是利用如主要在UASB、EGSB和IC反应器中应用的粒状生物质。
迄今为止，85％以上的任何高效厌氧处理的新工业应用都是基于厌氧污泥床技术(Frankin R.J.(2001).Full scale experiences with anaerobic treatment ofindustrial wastewater.Wat Sci.Tech.，44(8)，1-6)。
该净化工艺主要包括使用一个***，其中原废水从一个上流反应器的底部引入，在(部分净化的)废水中包含分散的生物质。在厌氧净化过程中，产生的生物气及一个液体(水)、固体(生物质)和气体的混合物在反应器中向上流动。在净化的废水可以排出之前，必须进行气-液-固分离。
用于这样一个工艺的一个典型***是基于一个原废水供应到其中的调节池。从反应器出来的一个厌氧流出物循环也供应(通常通过重力)到该调节池中。该混合物通过一个特别设计的流体分配***从该调节池引入到一个上流反应器的底部。随后水流向上穿过该密集的厌氧污泥床。可溶性COD很容易转化为富含甲烷的生物气并且形成一个带有污泥的水和气的上升环流。位于反应器顶部的特别构造的三相分离器部分首先允许发生有效的脱气。随后固-液混合物进入该三相分离器的主体并且此时缺乏附着气泡的固体颗粒沉回到该三相分离器的底部并返回到该反应器中。
在污泥床反应器中生物质是依靠该生物质良好的沉降性以及利用在反应器中能够将这些生物质有效分离(从处理过的废水和产生的生物气中)并保留在该反应器中的一个三相分离器或多个三相分离器来保留的。
本发明的目的是提供一种基于污泥床技术的改进的厌氧废水处理工艺。
这是通过使用具有该改进的***的一个或多个以下特征的一个厌氧废水处理工艺和反应器来实现的，其特征包括：
●改进的污泥停留和性能通过使用一个
○改进的厌氧流出物循环方法
○改进的三相分离器或多个三相分离器具有：
■倾斜板、配管或安装在三相分离器主体内部的其他内部零件，以增加有效沉降表面。
■用于三相分离器或多个三相分离器及内部零件的在线清洁设施。
■位于该三相分离器或多个三相分离器下面的多板气体分离导流板，以使气体分离更为有效。
○改进的流体分配***。
在第一个方面本发明在于一个改进的厌氧流出物循环***。部分厌氧流出物的再循环有利于厌氧污泥床工艺、反应器或装置的稳定运行。它提供了稳定的水力条件、碱度及养分的循环和原进料/废水的稀释(以防止毒性和/或局部超载)。在目前的厌氧污泥床工艺、反应器或装置中，常见的做法是在它已通过整个三相分离器或多个三相分离器后，将(部分)厌氧流出物(通过重力)循环回到一个调节池中。由于表面负荷是由反应器的总进料(＝实际原废水流+再循环流)除以三相分离器的可用净面积来决定的，因此这会在三相分离器或多个三相分离器上导致一个额外的表面负荷(表示为m3水/m2三相分离器的表面·小时)。
在该第一实施例中本发明被限定为一个利用污泥床***的废水厌氧净化工艺，该工艺包括向一个主要含有粒状生物质的上流反应器的较低部分供给废水和循环水，从而在处理中产生生物气，向上传递所产生的气/液/固混合物并在一个三相分离器中将气体和固体从液体中分离，从而产生了从该分离器顶端取出的厌氧流出物，改进包括在气体从液体分离之后，从该三相分离器外部的反应器顶端或从该三相分离器与该流出物分离排出循环水。
本发明的新颖性方面是厌氧流出物再循环不是从三相分离器的流出物排出，而是从三相分离器外部的反应器顶端、从该三相分离器的特定部分或优选从三相分离器的底部排出，在那里生物气已经被分离并且沉降的固体(从该三相分离器主体)被收集。
在进一步的实施例中本发明针对适用于本发明工艺的一个上流反应器，该上流反应器包括一个反应器槽，在其中具有一体化的至少一个用于分离气体、固体和液体的三相分离器，其中至少有一个三相分离器存在于所述反应器的上部，用于将废水流引入该反应器的流体分配装置，所述流体分配装置存在于该反应器的下部，用于从该分离器排出厌氧流出物的流出物排出装置及用于从该反应器排出再循环流的再循环排出装置，该装置与流出物排出装置分开，该再循环排出装置是设计来在气体从液体分离之后，从该三相分离器或从该三相分离器外部的反应器顶端排出水。
可以通过多种方式从反应器顶部或三相分离器排出循环水。在第一实施例中，循环水在气体已经被分离的位置上从分离器排出。这优选在分离器的底部，仅略高于气体转向板的上方处进行。但是，在排出循环水之前气体已经从液相中分离出来，这始终是重要的。
在另一个实施例中，循环水是从该分离器外部的反应器顶端，即从固-气-液相排出。在该实施例中，也可以将排出设置在一个气体-转向装置的后面，例如一个倾斜板，从而使气体从固-气-液混合物中分离一些出来。
在又一个实施例中，也可以贡献出一个或更多三相分离器(目前提供了一个以上)或三相分离器的一部分用于循环，而其余的分离器或三相分离器的其余部分则完全专用作流出物产生分离器。
循环水的量(体积)通常会在循环水和厌氧流出物合并量的>0至95％之间。相反的，厌氧流出物的量将介于它的5至<100％之间。
结果三相分离器上的有效表面负荷(m3/m2·小时)始终是尽可能最低并且和实际原废水进料流成正比。
本发明重要的优势是设计较小的三相分离器，这将减少投资成本，或者由于其较低的水力负荷而使三相分离器具有更好性能的可能性。
常常是多个三相分离器存在于一个反应器中。在这种情况下，重要的是要在每个三相分离器及在每个三相分离器的长度/表面上有一个有效且均等的厌氧流出物循环。
在本发明的一个进一步实施例中，这由通过一个调制最小/最大流***来完成流出物循环而获得。
然后自动开启/关闭阀安装在从每个三相分离器出来的循环管线/管道上。这样可以分别实现每个三相分离器或管道的全面或部分循环。换言之，在该实施例中由阀门来控制每个三相分离器的循环流，通过该阀门决定每个三相分离器的循环量的分配。
在第一实施例中，每个三相分离器在底部包含一个厌氧流出物再循环收集管，在其长度上具有几个开口/狭槽(在三相分离器中)。
每一个管道延伸穿过三相分离器和反应器槽各自的壁部，并且正好在所有管道连接到一个集水管之前包含一个打开/关闭自动阀(在反应器外部)。
该集水管从每一个三相分离器收集厌氧流出物循环流并将其排放到调节池中。这可以通过下面的例子进一步解释：
●设计原废水流100m3/h。
●实际废水流60m3/h
●反应器的进料流150m3/h，所以在设计条件下50m3/h的厌氧流出物循环
●有效三相分离器表面15m2。
●该反应器具有3个相同长度的三相分离器。
在现有技术的情况下，三相分离器上的有效表面负荷，无论是设计还是实际情况下，都是150/15＝10m3/m2·小时。依照本发明的优选实施例，由于改进的循环位置，三相分离器上的有效表面负荷在设计条件下是100/15＝6.67m3/m2·小时并且在实际运行条件下只有60/15＝4m3/m2·小时。
依照一个优选实施例，循环管线上的该开启/关闭阀具有例如下列程序：
●在任何时间都是2个阀关闭且1个开启。
●每5分钟有一个对调：关闭的阀门之一开启，并且同时原开启的阀门关闭。
因此在任何时刻，在设计条件下从该3个三相分离器之一获得50m3/h的全循环流，并且在没有原废水进料流的情况下是最大150m3/h。
随着时间的推移这些波动流的结果是：
●从每个三相分离器及在每个三相分离器的长度上的(更加)均等的再循环。
●具有较小的堵塞风险的三相分离器的自动清洗。
依照本发明的三相分离器进一步的特点是倾斜板、管或其他倾斜的内部零件安装在该三相分离器的主体中，目的是增加有效沉降表面而不改变容积。
内部零件通常以50至70°的角度设置以便允许所收集的固体重力沉降，并且板之间、管中间及内部零件之间的自由空间通常至少是50毫米，以防堵塞。
这可以通过下面的例子进一步解释：
●设计原废水流100m3/h。
●实际废水流60m3/h
●反应器的进料流150m3/h，所以在设计条件下50m3/h的厌氧流出物循环
●反应器具有3个相同长度的三相分离器，在没有附加内部零件的情况下每一个都具有5m2的有效沉降表面，并且由于使用一组每一个都具有Φ150mm的～100标号的倾斜管，因此具有25m2的有效沉降表面，该管在三相分离器主体中以低于角度60°设置。
在一个常规***中三相分离器上的有效表面负荷对设计和实际情况而言都是100/15＝6.67m3/m2·小时。依照本发明三相分离器上的有效表面负荷在设计条件下是100/75＝1.13m3/m2·小时且在实际运行条件下只有60/75＝0.8m3/m2·小时。
这对一个更加有效的工艺(更好的污泥总量、更好的性能和降解速率)及对得到较低的整体投资成本而言都是一个很大的优势。
为了实现相同的表面负荷需要较少的三相分离器(表面)。
此外，附加沉降表面及用于厌氧流出物循环的新装置的结合导致了沉降固体在三相分离器底部更有效的分离。这也减少了堵塞风险。
在一个分离器或其中一部分专用于循环水的情况下，可以在该分离器或该分离器的部分具有与在用于流出物的分离器中不同类型的内部零件，或根本不使用内部零件。
厌氧流出物的排出装置也使得在通过从该相同的分离管和孔或狭槽引入一个水的回流或(生物)气循环对三相分离器及其内部零件进行清洗成为可能。
当反应器在生物气的压力(完全封闭的)下运行时这具有特别的重要性，因为在这种条件下，为了检查或清洗目的来打开反应器是非常不方便的。
依照本发明的三相分离器将使用多个(2至10)生物气分离导流板，与使用在Biothane UASB及Biobed三相分离器中的类似。由于一个受重力差诱导的环流(mammouth流)三相分离器中沉降的固体将主动返回反应器。
与依照本发明的这一创新的厌氧污泥床工艺及反应器相关的一个更重要的优选特点涉及被处理废水与(所有)可用生物质的混合和分配的改进。
典型的流体分配***将制成每1至4m2反应器表面具有一个喷嘴，并且用几个喷嘴在一排的排列将偶数个喷嘴平均分布在反应器表面上。
本发明该实施例的特别的特征在于该反应器将被制成在其高度上具有几个这样的流体分布。
这不仅会提供反应器进料流与可用生物质的更好的分配和混合，它还将非常有效的打破停滞的污泥层，以防止生物气在气囊中的聚集，这种聚集可能导致不规则和不受欢迎的生物气产物从反应器流出。
优选一个反应器将有至少1个，最好是2至5个独立运行的流体分配***。这些***将设在反应器高度的不同平面上。一般而言第一***位于反应器的底部附近。其他流体分配***将在该反应器高度的15至55％之间位于该第一个的上面。
在一个典型的配置中，一个***位于反应器的底部，并且另一个分别在从底部起的2、4和6米处。
流体分配***可以制成一个调制最小/最大流***，优选具有水平流，以便更好地混合并打破污泥床(以防止生物气阻滞)。通常0-40％的流量被送至一半的喷嘴，并且因此100-60％送至另一半。优选的从最小至最大的对调时间是每1至5分钟。
在一个使用两个流体分配***的装置中，通常是20至80％的流量被送至底部流体分配***，并且因此80至20％的流量送至位于较高高度的流体分配***。
在使用两个以上流体分配***的情况下，流体在该***中的分配是20-80％至底部流体分配***，并且因此剩下的80-20％在位于较高高度的其余流体分配***中平均分配。
该实施例在下面的例子中进一步进行解释：
●设计原废水流100m3/h。
●实际废水流60m3/h
●反应器的进料流150m3/h，所以在设计条件下50m3/h的厌氧流出物循环
●反应器600m3，15m高因此40m2反应器表面。
●该反应器在其高度上具有3个流体分配***，一个在底部附近，一个在2米且一个在4米高度处
●每个流体分配***配备了4排且共10个喷嘴。
●反应器进料流的1/2(所以是75m3/h)被送至底部流体分配***并且1/4(所以是37.5m3/h)被送至分别位于2和4米处的流体分配***。
●每个流体分配***以一个如上所述的30％/70％的最小/最大流分布运行。
现在在附图的基础上对本发明的各个方面进行说明，其中
图1给出了包括一个反应器和一个调节池的整体工艺布置图，
图2a是一个三相分离器的侧视图，
图2b是该分离器的一个顶视图，
图2c是该分离器的另一个顶视图，
图3是一个具有多级流体分布***的上流反应器，
图4a和4b是直循环管的两个实施例，
图5是一个具有多个三相分离器的上流反应器的顶视图，以及
图6是一个从使用气体转向板的反应器上部的循环。
在图1中，原废水1被输送至调节池2，在那里它与循环水10(来自上流反应器5的重力流)合并。在调节池2中水通过没有示出的装置进行调节(温度、pH值、营养物添加剂)。反应器进料泵3将调节后的水通过阀4泵送至反应器5底部附近的流体分配***6。
废水在反应器中上升，其中存在一个主要由颗粒污泥组成的污泥床。由于废水中污染物的厌氧分解产生了生物气并形成了一个固体、液体和气体的混合物。该混合物进入三相分离器8，在那里气体通过倾斜倒流板12被去除。混合物中的固体通过该分离器沉降并返回至该反应器中。干净的流出物通过9排出。产生的气体通过管线7去除。循环水通过管线10排出(通过重力)。在替代方案中该循环水可以从位置10a(在该三相分离器外部)或10b(从该三相分离器的一部分)处排出(均通过重力)。
图2a给出了三相分离器8的一个详细视图，其中13表示水流进口。该水进一步包含气体和固体并且在多个生物气分离导流板12之间流动。由于该混合物向下湍流，附着的气体从固体上分离。部分混合物向下流动穿过导流板底部和较低气体间隙11之间的部分，并且部分向上流动进入分离器8的内部零件部分15。内部零件部分15优选具有如倾斜管或倾斜板的内部零件，以改善固液分离。固体以向下方向沉降并通过区域16向下回流至反应器中。液体向上流出内部零件部分15并且流出物通过溢流槽14通过管线9去除。循环流可以从三相分离器8的底部排出，并接下来通过管道10重力流向调节池。
图2b给出了一个三相分离器8的顶视图，其中数字标号与图1和2a描述中的数字标号一致。在该图中各种倾斜板的可能性已经被给出。15a表示波纹形倾斜板，15b表示倾斜管并且15c表示倾斜平板。
图2c给出了一个三相分离器的顶视图，其具有一个用于收集循环流的专用部分。该部分被表示为16。该部分可以具有或没有内部零件。从区域16出来的水流经溢流槽14a进入循环管10。流出物流经槽14至流出物排放管9。
图3描述了一个多级流体分配***，其具有四个分配***6a、6b、6c和6d。进入各种排放管的水量通过阀4a、4b、4c和4d进行调节。
图4a和4b显示了直循环管的详细情况，其优选位于三相分离器10的底部。图4a显示该管具有孔17。图4b显示狭槽17a。
图5显示了一个位于上流反应器中的多级三相分离器的顶视图。在该实施例中显示了两个分离器，但它也可以包括更多的分离器。每一个分离器通过具有循环管线10的直循环管连接。该循环管具有阀门，其可以具有一个开启-关闭位置或能够用于逐渐地或阶梯式地从0至100％调节流量。
图6显示了三相分离器外部的一个气体转向的可能的实施例。该装置包括气体转向装置19和20，它们位于该排出装置10之前。

Claims (18)

1.利用污泥床***的厌氧废水净化工艺，该工艺包括向一个主要含有粒状生物质的上流反应器的较低部供给废水和循环水，从而在处理中产生生物气，向上传递所产生的气/液/固混合物并在一个三相分离器中将气体和固体从液体中分离出来，并且从而产生了从该分离器顶端排出的厌氧流出物，改进包括在气体与液体分离之后，从该三相分离器或从该三相分离器外部的反应器顶端单独从该流出物中排出循环水。
2.依照权利要求1的工艺，其中多个三相分离器存在于该反应器的顶端并且每一个三相分离器的流出物循环是通过一个调制最小/最大流***来完成的。
3.依照权利要求1或2的工艺，其中循环水被引入一个调节池中，优选通过重力，还向其中引入(原)废水，并且废水和循环水的合并流从其中被引入反应器中。
4.依照权利要求1-3的工艺，其中倾斜板、配管或其他内部零件安装在三相分离器主体内以增加有效沉降表面1至10倍。
5.依照权利要求1-4的工艺，其中多个生物气分离导流板存在于该三相分离器的进口，以防止生物气进入该三相分离器的有效沉降部分，并使附着于固体颗粒上的生物气(气泡)有效分离。
6.依照权利要求5的工艺，其中存在2至10个生物气分离导流板。
7.依照权利要求1-6的工艺，其中反应器的进料是通过一个多级流体分配***向其中引入的。
8.依照权利要求7的工艺，其中存在2至5级流体分配***。
9.依照权利要求7或8的工艺，其中该第一流体分配***位于反应器的底部附近，并且其他的流体分配***或其他的多个流体分配***位于该反应器高度的15至55％之间的位置处位于该第一个的上面。
10.适用于权利要求1-9工艺的上流反应器，该反应器包括一个反应器槽，在其中装有三相分离器，用于分离气体、固体和液体，该三相分离器存在于所述反应器的上部，用于将废水流引入该反应器的流体分配装置，所述流体分配装置存在于该反应器的较低部，用于从该分离器排出厌氧流出物的流出物排出装置及用于从该反应器排出循环流的循环流排出装置，该装置与流出物排出装置分开，该循环排出装置设计用于在气体与液体分离之后，从三相分离器或从三相分离器外部的该反应器顶端排出水。
11.依照权利要求10的反应器，其中存在一个调节池，其具有废水进料装置，循环流进料装置，优选基于重力的与反应器的循环流排出装置连接的循环流进料装置，以及用于将该循环流和废水流供应给反应器的进料装置。
12.依照权利要求10或11的反应器，其中三相分离器具有安装在三相分离器主体内的倾斜板、配管或其他倾斜的内部零件。
13.依照权利要求10-12的反应器，其中多个三相分离器存在于该反应器中并且每个三相分离器的流出物循环装置是通过一个调制最小/最大流***来完成的。
14.依照权利要求10-13的反应器，其中多个生物气分离导流板存在于三相分离器的进口处。
15.依照权利要求14的反应器，其中存在2至10个生物气分离导流板。
16.依照权利要求10-15的反应器，其中反应器的进料装置是一个多级流体分配***。
17.依照权利要求16的反应器，其中在反应器中不同水平面处存在2至5个流体分配***。
18.依照权利要求16或17的反应器，其中该第一流体分配***位于反应器的底部附近，并且其他的液体分配***或多个流体分配***位于该反应器高度的15至55％之间的位置处位于该第一个的上面。
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