CN104478172B - 有机废水的两相厌氧管式膜生物反应器处理方法与装置 - Google Patents

有机废水的两相厌氧管式膜生物反应器处理方法与装置 Download PDF

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Abstract

一种两相厌氧管式膜生物反应器处理方法：向升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器中接种厌氧消化污泥；有机废水在升流复合式产酸反应器内依次经过各反应室，之后进入完全混合式产甲烷反应器，完全混合式产甲烷反应器的进水采用产气速率‑pH控制方式；完全混合式产甲烷反应器中的甲烷相混合液冲刷管式膜组件内侧，再循环回到完全混合式产甲烷反应器形成水力搅拌；甲烷相混合液透过膜组件分离得到产出水和甲烷相产气，甲烷相产气在完全混合式产甲烷反应器的沼气出口收集。本发明还公开了用于实现上述处理方法的装置。本发明既可用于高浓度有机废水，实现短流程达标；也可用于低浓度有机废水处理，减少出水中溶解的甲烷作为温室气体排放。

Description

有机废水的两相厌氧管式膜生物反应器处理方法与装置
技术领域
本发明属于废水处理和新能源技术领域，具体地涉及一种有机废水短流程处理方法(亦称工艺流程)。
本发明还涉及用于实现上述方法的装置，更具体地，本发明的装置是指两相厌氧管式膜生物反应器。
背景技术
作为一种高浓度有机废水，农副食品加工业废水以6.0％的工业排放总量排放了11.4％的工业CODCr污染物(2010年年鉴)，具有典型性。农副食品加工业废水污染物浓度高、排放量大且达标排放率低，污染减排和资源化的潜力巨大。据年鉴统计，2010年农副食品加工业(包括玉米加工、畜禽养殖等)废水排放量13.2×108t，在41个分类行业中排名第4位，而排放达标率仅仅为第37位。其中最为突出的污染物CODCr年排放49.6×104t，排名第2位。随着国家污染减排力度的加大和中央一号文件大力推动专业大户、家庭农场、农民合作社等的规模化发展，农副食品加工业将长期稳定增长。同时，新出台的淀粉、制糖和酒精等工业废水标准提高了CODCr排放标准，农副食品加工业废水处理与资源化的技术要求正在迅速提高
有机污染物(CODCr)是这类废水达标排放的限制性污染物，现有主流技术为厌氧、好氧和物化的组合工艺。典型的工艺流程如：UASB+BAF、UASB+A/O、UBF+CASS等厌氧-好氧组合生物工艺，或沉淀、气浮等物化+生物处理。这些组合水处理工艺的问题是流程甚至比食品加工工艺长，给工厂带来管理复杂、占地大等运行困难，短流程化需求迫切。
通常把厌氧工艺流程分为三类：单级厌氧消化、两级厌氧消化和两相厌氧消化。单级厌氧消化和两级厌氧消化最大的区别是：前者整个产气过程在一个工艺段完成，而后者根据产气随时间的变化，设置两级工艺段分级调控。这两类***均属于完全混合式***，适宜条件不同的产酸菌和产甲烷菌完全混合，两种菌的活性和转化率都被限制，反应器难以预防酸化特别是在高负荷下。两相厌氧消化采用独立的反应器，分别富集产酸菌和产甲烷菌，从而两种菌的活性和污染物转化率较高，且能在高负荷下仍有效地控制甲烷相酸化，但反应器和占地较大。因此，根据高浓度有机废水一步达标处理的需求，适宜的厌氧***须具有如下特点：负荷高、能预防酸化，出水水质较好，且占地小。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机废水处理方法(亦称工艺流程)。
本发明的又一目的是提供一种用于实现上述方法(工艺)的两相厌氧管式膜生物反应器。
为实现上述目的，本发明提供的两相厌氧管式膜生物反应器包括：
升流复合式产酸反应器与完全混合式产甲烷反应器联接；
完全混合式产甲烷反应器通过循环泵与管式膜组件联接，通过沼气出口与气体计量***联接；
管式膜组件的出水端口分为产水口及循环口，其中循环口与完全混合式产甲烷反应器联接；
升流复合式产酸反应器、完全混合式产甲烷反应器和管式膜组件中设置有pH电极和电导率电极，pH电极和电导率电极联接反应器控制***；
完全混合式产甲烷反应器的沼气出口联接有气体计量***，气体计量***分为气水分离器和气体流量计，完全混合式产甲烷反应器的产气联接到气水分离器，气水分离器的气体出口联接到气体流量计，气水分离器的液体出口通过管道联接至完全混合式产甲烷反应器，气体流量计联接反应器控制***；
进水、循环泵均联接到所述的反应器控制***中，由控制***自动启停。
其中，升流复合式产酸反应器内部分成多个反应室，每个反应室的进水口位于底部，出水口位于顶部，使每个反应室均为上向流，各反应室的进水口和出水口为逐级串联。
所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，升流复合式产酸反应器为竖向流式圆柱形反应器。
所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，完全混合式甲烷反应器的循环口出水位于液位以下。
所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，管式膜组件为内压式超滤或微滤膜组件。
所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器的外部具有保温结构。
所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，通过完全混合式产甲烷反应器中设置有高液位保护装置。
本发明提供的有机废水处理方法，其步骤为：
1)分别向升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器中接种厌氧消化污泥；
2)有机废水输送至升流复合式产酸反应器，依次经过各反应室时污泥呈膨胀或悬浮态，之后进入完全混合式产甲烷反应器，升流复合式产酸反应器、完全混合式产甲烷反应器的进水采用产气速率-pH控制方式；
3)完全混合式产甲烷反应器中的甲烷相混合液冲刷管式膜组件内侧以减缓管式膜污染，再循环回到完全混合式产甲烷反应器形成水力搅拌；
4)甲烷相混合液透过膜组件分离得到产出水和甲烷相产气，甲烷相产气在完全混合式产甲烷反应器的沼气出口经气体计量***计量后收集。
所述的有机废水处理方法，其中，升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器的温度均保持在33～37℃。
所述的有机废水处理方法，其中，产气速率-pH控制方式是指产气速率＜1.1-3.2m3CH4/m3*d时开始进水，pH<6.9-7.3时停止进水，通过完全混合式产甲烷反应器中设置的高液位保护装置进行控制，升流复合式产酸反应器的进水由完全混合式产甲烷反应器控制。
所述的有机废水处理方法，其中，沼气出口的沼气经气水分离器分离出的液体回到完全混合式产甲烷反应器。
本发明具有如下优点：
1)工艺流程短，反应器构造便于维护，操作逻辑简洁，运行操作与维护简单，人工要求少，易于实现自动化控制。
2)管式膜组件可有效截留厌氧污泥和有机污染物，因而减少厌氧污泥流失，提高污染物去除率；与高负荷厌氧消化耦合，实现更清洁的产水。
3)产气速率-pH控制方式可在预防酸化前提下，维持较高***负荷。
4)本发明可用于农副食品加工业废水、发酵酿造废水和酒精废水等高浓度有机废水的一步达标排放处理和甲烷能源回收，亦可用于市政、工业园区废水等低浓度有机废水的达标排放处理和甲烷能源回收，可减少出水中溶解的甲烷含量，减弱大规模市政污水处理的温室气体泄露问题。
附图说明
图1是本发明的两相厌氧管式膜生物反应器的流程示意图。
图2是本发明的两相厌氧管式膜生物反应器的结构示意图。
图3本发明的两相厌氧管式膜生物反应器的升流复合式产酸反应室俯视剖面图。
图4是本发明的产气速率-pH控制曲线。
图5是本发明的两相厌氧管式膜生物反应器的短流程达标效果。
附图中标记说明：
1升流复合式产酸反应器，2完全混合式产甲烷反应器，3管式膜组件，4循环泵，5反应器控制***，6气体计量***，a、b、c、d….升流复合式产酸反应器的各个反应室，7各反应室的进水口(出水口)，8隔板。
具体实施方式
请参阅图1和图2。
本发明的两相厌氧管式膜生物反应器由升流复合式产酸反应器1、完全混合式产甲烷反应器2、管式膜组件3和循环泵4四部分组成，其中：
升流复合式产酸反应器1通过管道与完全混合式产甲烷反应器2联接；完全混合式产甲烷反应器2通过循环泵4与管式膜组件3联接；膜组件4的出水端口分为产水口及循环口，循环口通过管道与完全混合式产甲烷反应器2联接。
反应器控制***5的在线监测分别包括pH和电导率(EC)电极，以及产气速率在线监测，这些在线监测分别设置于升流复合式产酸反应器1、完全混合式产甲烷反应器2和管式膜组件3上，通过变送器联接到反应器控制***5中。***进水泵通过电缆链接到反应器控制***5中。
气体计量***6分为气水分离器和气体流量计两个部分，完全混合式产甲烷反应器2的产气联接到气水分离器，气水分离器的气体出口通过管道联接到气体流量计，气水分离器的液体出口通过管道联接到完全混合式产甲烷反应器2。
请结合图3，升流复合式产酸反应器1为竖向流式圆柱形反应器，内部由隔板8分为多个反应室，图3是以四个反应室a、b、c、d为例，每个反应室的出水口7位于顶部，进水口位于底部(在图3中位于出水口7的下方)，使各反应室均为上向流，各个反应室逐级采用管道串联，即反应室a的进水口用于进入有机废水，反应室a的出水口连接反应室b的进水口，反应室b的出水口连接反应室c的进水口，反应室c的出水口连接反应室d的进水口，反应室d的出水口连接至完全混合式产甲烷反应器2。
完全混合式甲烷反应器2循环口出水位于液位以下，以利于水力搅拌。
管式膜组件3为内压式超滤或微滤膜组件。
升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2具有外部保温结构。
气体流量计通过气水分离装置与完全混合式产甲烷反应器2联接。
本发明采用两相厌氧管式膜生物反应器进行有机废水短流程处理方法是：
根据两相的有机负荷和停留时间，分别向升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2接种厌氧消化污泥。该接种污泥可来源于剩余污泥或其他农副食品加工业废水的厌氧消化工艺。接种后，根据容积负荷，高浓度有机废水通过进水口输送至升流复合式产酸反应器1，依次经过各个反应室a、b、c、d，由于各个反应室均为上向流，污泥在各个反应室中呈膨胀或悬浮态，之后进入完全混合式产甲烷反应器2。
完全混合式产甲烷反应器2的进水采用产气速率-pH控制方式，完全混合式产甲烷反应器2中的甲烷相混合液由循环泵4加压后，高速冲刷管式膜组件3内侧再循环回到完全混合式产甲烷反应器2形成水力搅拌；甲烷相混合液透过管式膜组件3分离后得到产出水；甲烷相产气在顶部收集为沼气。沼气经气体计量***6计量。
管式膜组件3采用甲烷相混合液直接过膜的操作方法。
高速冲刷管式膜组件3内侧，是在线膜污染缓解措施的水力冲刷方式，冲刷流速为2.3～3.7m/s，可与化学CIP***联合使用。
升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2具有升温设施，其温度均保持在中温厌氧消化(33～37℃)范围内。
产气速率-pH控制方式是指产气速率＜1.1-3.2m3CH4/m3*d时开始进水，pH<6.9-7.3时停止进水(请参阅图4)，在完全混合式产甲烷反应器2中设置高液位保护。
升流复合式产酸反应器1进水，由完全混合式产甲烷反应器2控制。
气体计量***6中被分离出的液体回到产甲烷相。
本发明可根据进水CODCr的要求，确定反应器总体积。按CODCr负荷和水解酸化特性，分别配置升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2容积。接种的污泥在不同的有机负荷和停留时间下，在升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2中逐步富集为产酸菌和产甲烷菌。产酸菌和产甲烷菌分别在各自适宜的pH，水力停留时间(HRT)和负荷环境下继续生长富集，既提高了两种菌类各自的活性，又避免了产酸、产甲烷速率不匹配导致***酸化。采用产气速率-pH控制方式监测产甲烷速率，通过调控完全混合式产甲烷反应器2的进水量调控CODCr负荷，使反应器保持较高的产气速率，又避免酸化。当CODCr负荷较高时，完全混合式产甲烷反应器2产气量较大、pH较低，停止进水进行反应，从而避免了CODCr负荷进一步升高而酸化；当CODCr负荷较低时，完全混合式产甲烷反应器2产气量较小、pH较高，开始进水以提高CODCr负荷，从而***始终可以保持在较高负荷。经过本发明的技术处理后，不仅高浓度有机废水一步达到了接管排放标准，简化了工艺流程和管理，避免了曝气嗅味排放，而且沼气可做燃料，达到资源化的目的。
实施例1：
膜内循环反应器由升流复合式产酸反应器1，完全混合式产甲烷反应器2，管式膜组件3、循环泵4、反应器控制***5和气体计量***6组合构成，用于处理农副食品加工业废水。
根据两相的有机负荷(0.5-2.5kgCODCr/kgVSS*d)和停留时间(0.5～7d)，分别向升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2接种厌氧消化污泥，然后逐步增加污水投配量。该接种污泥可来源于剩余污泥或其他农副食品加工业废水的厌氧消化工艺。
接种后，从进水口泵入的农副食品加工业废水，输送至升流复合式产酸反应器1，然后依次经过a、b、c、d等四个反应室，进入完全混合式产甲烷反应器2；甲烷相混合液由循环泵4加压，经过膜组件3分离出水。其中，升流复合式产酸反应器1为竖向流式圆柱形反应器，分为4个反应室；每个反应室的进水口位于其底部，出水口位于其顶部；按照a、b、c、d反应室逐级出水口与进水口采用管道串联，以提高升流式反应器的升流速度。整个运行过程中，反应器控制***5保持各反应器的水温为35～37℃，从产甲烷反应器2中通过电极采集pH，从气体计量***6中采集产气速率，采用前述的产气速率-pH方式控制***进水和反应器负荷。升流复合式产酸反应器为高浓度(10.0-15.0g/L)颗粒污泥，混合式产甲烷反应器的污泥浓度12.0-18.0g/L。
缓解膜组件污染的主要措施是错流过滤，错流过滤同时还可以搅拌完全混合式产甲烷反应器保持良好传质效果。在产气速率-pH联合控制下，既能稳定较高的负荷和各相活性，又避免了甲烷相酸化，提高了CODCr的甲烷化率，从而达到出水CODCr一步达标的目的。
进入两相厌氧管式膜生物反应器的农副食品加工业废水平均CODCr浓度为26300±7800mg/L，膜出水的CODCr平均浓度为260±70mg/L，则CODCr去除率为99.1±0.4％，CODCr有机污染物去除效果显著。图5是短流程达标效果。
实施例2：
膜内循环反应器由升流复合式产酸反应器1，完全混合式产甲烷反应器2，管式膜组件3和循环泵4组合构成，用于处理城镇污水。
根据两相的有机负荷(0.5-2.5kgCODCr/kgVSS*d)和停留时间(0.5～7d)，分别向升流复合式产酸反应器1和完全混合式产甲烷反应器2接种厌氧消化污泥，然后逐步增加污水投配量。该接种污泥可来源于剩余污泥的厌氧消化工艺。
接种后，从进水口泵入的经过沉沙和膜格栅后的城镇污水，输送至升流复合式产酸反应器，然后依次经过a、b、c、d等四个反应室，进入完全混合式产甲烷反应器；甲烷相混合液由循环泵加压，经过膜组件3分离出水。其中，升流复合式产酸反应器1为竖向流式圆柱形反应器，分为4个反应室；每个反应室的进水口位于其底部，出水口位于其顶部；按照a、b、c、d反应室逐级出水口与进水口采用管道串联，以提高升流式反应器的升流速度。整个运行过程中，反应器控制***5保持各反应器的水温为35～37℃，从产甲烷反应器2中通过电极采集pH，从气体计量***6中采集产气速率，采用前述的产气速率-pH方式控制***进水和反应器负荷。升流复合式产酸反应器为高浓度(6.0-9.0g/L)颗粒污泥，混合式产甲烷反应器的污泥浓度5.0-8.0g/L。
缓解膜组件污染的主要措施是错流过滤，错流过滤同时还可以搅拌完全混合式产甲烷反应器保持良好传质效果。在产气速率-pH联合控制下，既能稳定较高的负荷和各相活性，又避免了甲烷相酸化，提高了CODCr的甲烷化率，从而达到出水CODCr一步达标的目的。循环泵2.8-3.9m/s的错流速率能迫使甲烷从水中溶出，提高甲烷产率，同时避免出水中溶解的甲烷作为温室气体释放。
进入两相厌氧管式膜生物反应器的城镇污水平均CODCr浓度为592.0±274.4mg/L，膜出水的CODCr平均浓度为40±15mg/L，则CODCr去除率为95.1±3.4％，CODCr有机污染物去除效果显著。

Claims (9)

1.一种两相厌氧管式膜生物反应器：
升流复合式产酸反应器与完全混合式产甲烷反应器联接；
完全混合式产甲烷反应器通过循环泵与管式膜组件联接；
管式膜组件的出水端口分为产水口及循环口，其中循环口与完全混合式产甲烷反应器联接；
升流复合式产酸反应器、完全混合式产甲烷反应器和管式膜组件中设置有pH电极和电导率电极，pH电极和电导率电极联接反应器控制***；
完全混合式产甲烷反应器的沼气出口联接有气体计量***，气体计量***分为气水分离器和气体流量计，完全混合式产甲烷反应器的产气联接到气水分离器，气水分离器的气体出口联接到气体流量计，气水分离器的液体出口通过管道联接至完全混合式产甲烷反应器，完全混合式甲烷反应器的循环口出水位于液位以下；
其中，升流复合式产酸反应器内部分成多个反应室，每个反应室的进水口位于底部，出水口位于顶部，使每个反应室均为上向流，各反应室的进水口和出水口为逐级串联。
2.根据权利要求1所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，升流复合式产酸反应器为竖向流式圆柱形反应器。
3.根据权利要求1所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，管式膜组件为内压式超滤或微滤膜组件。
4.根据权利要求1所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器的外部具有保温结构。
5.根据权利要求1所述的两相厌氧管式膜生物反应器，其中，通过完全混合式产甲烷反应器中设置有高液位保护装置。
6.一种使用权利要求1-5任一所述的两相厌氧管式膜生物反应器的有机废水处理方法：
1)分别向升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器中接种厌氧消化污泥；
2)有机废水输送至升流复合式产酸反应器，依次经过各反应室时污泥呈膨胀或悬浮态，之后进入完全混合式产甲烷反应器，完全混合式产甲烷反应器的进水采用产气速率-pH控制方式；
3)完全混合式产甲烷反应器中的甲烷相混合液冲刷管式膜组件内侧，再循环回到完全混合式产甲烷反应器形成水力搅拌；
4)甲烷相混合液透过膜组件分离得到产出水和甲烷相产气，甲烷相产气在完全混合式产甲烷反应器的沼气出口收集。
7.根据权利要求6所述的有机废水处理方法，其中，升流复合式产酸反应器和完全混合式产甲烷反应器的温度均保持在33～37℃。
8.根据权利要求6所述的有机废水处理方法，其中，产气速率-pH控制方式是指产气速率＜1.1-3.2m3CH4/m3*d时开始进水，pH<6.9-7.3时停止进水，通过完全混合式产甲烷反应器中设置的高液位保护装置进行控制，升流复合式产酸反应器的进水由完全混合式产甲烷反应器控制。
9.根据权利要求6所述的有机废水处理方法，其中，沼气出口的沼气经气水分离器分离出的液体回到完全混合式产甲烷反应器。
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