CN108558128B - 共絮凝气浮厌氧生物反应器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共絮凝气浮厌氧生物反应器及其方法。该共絮凝气浮厌氧生物反应器主要包括生物反应区、加药混合区和絮凝气浮区，生物反应区设有排泥管、三相分离器和提升管，加药混合区设有溶药罐、流量控制阀和射流器，絮凝气浮区设有直流式涡旋反应池、降流室、刮渣机、集渣槽，降流管和集气室。本发明将厌氧生物反应和共絮凝气浮过程相结合，利用厌氧生物反应产生的沼气对颗粒性物质进行气浮去除，同时产生共聚粘附效应，使具有出水水质好、药剂省、效率高和能耗低的特点。
Description
技术领域
本发明属于环保设备领域，具体涉及一种共絮凝气浮厌氧生物反应器及其方法。
背景技术
厌氧生物反应器是利用厌氧微生物将废水中有机物转化为沼气，从而实现水质净化的装置。厌氧生物反应器的主要优点是：无需供氧、产生沼气能源、剩余污泥少、营养要求低，因此厌氧生物反应器在处理高浓度有机废水领域具有广泛应用。经过多年发展，厌氧生物反应器具有多种构型，经历了三阶段发展历程，第一代厌氧生物反应器，主要以传统厌氧消化池为代表；第二代厌氧生物反应器主要以上流式污泥床反应器(UASB)和厌氧生物滤池(AF)为代表；第三代厌氧生物反应器主要以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)和内循环反应器(IC)为代表。到第三代厌氧生物反应器，其有机容积负荷可以达到20kg COD·m-3·d-1以上，并取得较好的去除率。
高浓度复杂废水(如畜禽养殖废水、屠宰废水和造纸废水等)含有大量颗粒态有机污染物，其完全去除需要经历水解-发酵-产甲烷过程，而且颗粒态物质的水解是整个过程的限速步骤。因此，在处理高浓度复杂废水时，为保证一定污染物去除率，厌氧生物反应器往往只能在低负荷下运行，其处理潜能完全被抑制。厌氧生物反应器高效处理高浓度复杂废水，首先必须高效地去除颗粒态物质。废水处理工程中通常设气浮装置来去除颗粒态物质，但会提高工程复杂程度，也会增大基建投资。对于薄利的养殖行业，废水处理要在成本低水平上使出水达到排放标准，故开发具有气浮功能的厌氧生物反应器具有重要现实意义。
颗粒物与气泡粘附是气浮工艺的关键，如果在投加混凝剂并处于胶体脱稳凝聚的初级反应阶段时，微小沼气气泡就先与微絮粒粘附，然后在上浮过程中共同长大，与其它颗粒物或微絮粒粘附聚集为带气絮凝体，形成粒间裹夹和中间气泡架桥都存在的共聚粘附现象。本发明将厌氧生物反应和共聚粘附相结合，具有先进性和实用性。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，并提供一种共絮凝气浮厌氧生物反应器。
一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，包括由下至上布置的进水区、生物反应区、出水区、加药混合区和絮凝气浮区；进水区中设有进水管以及与进水管一端相通的布水器，进水区底部连接排泥管；生物反应区上部设有三相分离器，三相分离器上接提升管；出水区中设有出水堰；加药混合区设有溶药罐、流量控制阀和射流器，溶药罐通过带有流量控制阀的管道与射流器的喉管相通，射流器的进口与提升管相通；絮凝气浮区中设有直流式涡旋反应池和降流室，直流式涡旋反应池为连续的两段式结构，下段为倒锥形筒状，上段为圆直筒状，直流式涡旋反应池沿絮凝气浮区中心同轴设置，降流室由直流式涡旋反应池外壁与絮凝气浮区内壁夹持而成，直流式涡旋反应池的底部连通射流器的出口，降流室底部设有降流管，降流管连通布水器；降流室液面处设有刮渣机，降流室外部环绕设有集渣槽，用于收集由刮渣机刮出的浮渣；降流室和集渣槽顶部具有一个密闭的空间，形成收集反应器产气的集气室，集气室上设有排气管。
在上述方案基础上，各组件还可以采用如下优选方式：
生物反应区与絮凝气浮区的体积之比为50～100:1。生物反应区的高径比为5～10。生物反应区横截面面积与提升管横截面面积之比大于2500:1，且提升管直径不大于50mm。絮凝气浮区中直流式涡旋反应池与降流室的体积之比为1:2。絮凝气浮区中直流式涡旋反应池底部入口设有导叶结构。絮凝气浮区中直流式涡旋反应池的底部锥角为30°～45°，直流式涡旋反应池的倒锥形筒高度和圆直筒高度比例为1～2:1。生物反应区中填充有颗粒污泥床层。
一种利用上述反应器的共絮凝气浮厌氧生物处理废水的方法，具体为：废水经由进水管进入布水器，布水器将废水均匀分布在反应器的进水区截面，使废水进入生物反应区；在生物反应区中，废水流过颗粒污泥床层，溶解性有机物经过微生物作用转化成沼气，颗粒态物质则从颗粒污泥床层孔隙向上移动，在生物反应区的三相分离器处进行三相分离，经过分离的反应液部分从生物反应区进入出水区中的出水堰排出反应器，沼气、反应液与没有被分离的固体组成的混合液从三相分离器的收集器进入提升管，再通过提升管进入加药混合区；在加药混合区中，混合液进入射流器后从喷嘴射出进入喉管，在喉管前端的混合室中利用压降倒吸溶药罐中絮凝剂药水，加药后的混合液通过喉管进入絮凝气浮区；在絮凝气浮区中，混合液经由导叶结构入口进入直流式涡旋反应池，在倒锥形筒部分水流进行混合实现初级反应，随后进入直筒部分，随着直径扩大水流逐渐缓和，实现絮体生长；裹夹有气泡的絮体浮至液面形成浮渣，由刮渣机去除后收集于集渣槽中，逸出液面的沼气进入集气室，脱气后的反应液从降流室经由降流管回到布水器，形成混合液的内循环；反应器中的污泥定期从排泥管排出。絮凝剂的加药量可通过流量控制阀调节。
本发明的优点是：1)絮凝和气浮同时在絮凝气浮区进行，产生共聚粘附效应，药剂省、处理时间短和浮渣稳定性好；2)生物反应区大高径比有利于增加上升流速，使颗粒态物质不沉淀在生物反应区而是随混合液进入絮凝气浮区，强化了颗粒态物质的去除；3)加药混合区中使用射流器作为加药装置，配合流量控制阀，可以节省动力，且混合充分；4)絮凝气浮区中直流式涡旋反应池具有压降小的特点，不用再增加混合液的压力；5)絮凝气浮区中直流式涡旋反应池锥形筒部分水流混合剧烈对应絮凝实验中的快速搅拌过程；直筒部分水流缓和对应絮凝实验中的慢速搅拌过程，絮体浮至液面被刮渣机马上去除，浮渣产生过程稳定且去除快速；6)废水中颗粒物形成能量密度大的浮渣可用于堆肥回收能源，且出水中颗粒物少，出水水质好。
附图说明
图1是共絮凝气浮厌氧生物反应器功能区示意图；
图2是共絮凝气浮厌氧生物反应器结构示意图；
图1中：进水区Ⅰ、生物反应区Ⅱ、出水区Ⅲ、加药混合区Ⅳ和絮凝气浮区Ⅴ；
图2中：进水管1、布水器2、排泥管3、三相分离器4、提升管5、出水堰6、溶药罐7、流量控制阀8、射流器9、直流式涡旋反应池10、降流室11、刮渣机12、集渣槽13、降流管14、集气室15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
如附图1和附图2所示，一种共絮凝气浮厌氧生物反应器包括由下至上顺次相连的进水区Ⅰ、生物反应区Ⅱ、加药混合区Ⅳ和絮凝气浮区Ⅴ，出水区Ⅲ、布置于生物反应区Ⅱ上方。进水区Ⅰ、生物反应区Ⅱ、出水区Ⅲ三者顺次相连形成一个圆筒状的反应器主体，进水区Ⅰ底部呈漏斗状。进水区Ⅰ中设有进水管1以及与进水管1一端相通的布水器2，进水区Ⅰ底部连接排泥管3，排泥管3上可设置控制阀。生物反应区Ⅱ中填充有颗粒污泥床层。生物反应区Ⅱ上部设有三相分离器4，三相分离器4的气相收集器出口上连接提升管5。三相分离器4的液相通道连通出水区Ⅲ，而出水区Ⅲ中设有出水堰6。加药混合区Ⅳ设有溶药罐7、流量控制阀8和射流器9，射流器9内具有一个混合室，射流器9的进口延伸至混合室中，且进口的管道末端呈喷嘴状，混合室还连接一条喉管，当水流被喷射进入混合室后继续进入喉管，基于文丘里效应产生负压。溶药罐7用于存储絮凝剂药水，并通过带有流量控制阀8的管道与射流器9的喉管前端的混合室相通。射流器9的进口与提升管5相通。絮凝气浮区Ⅴ中设有直流式涡旋反应池10和降流室11，直流式涡旋反应池10为连续的两段式结构，下段为倒锥形筒状，上段为圆直筒状，当水流进入下段时，由于直径不断变大会出现湍流形成剧烈混合，而进入上段后水流趋于平稳，絮体在碰撞接触过程中逐渐团聚生长。直流式涡旋反应池10沿絮凝气浮区Ⅴ中心同轴设置，降流室11由直流式涡旋反应池10外壁与絮凝气浮区Ⅴ内壁夹持而成，呈环状布置于直流式涡旋反应池10外部，直流式涡旋反应池10中溢出的水流会进入降流室11，而絮体则被气泡携带升至液面。直流式涡旋反应池10的底部连通射流器9的出口，降流室11底部设有降流管14，降流管14连通布水器2，形成循环回路。降流室11液面处设有刮渣机12，降流室11外部环绕设有集渣槽13，用于收集由刮渣机12刮出的浮渣；降流室11和集渣槽13顶部具有一个密闭的空间，形成收集反应器产气的集气室15，集气室15上设有排气管。
反应器中各部件的参数可设置如下：生物反应区Ⅱ与絮凝气浮区Ⅴ的体积之比为50～100:1。生物反应区Ⅱ的高径比(H/D)为5～10。生物反应区Ⅱ横截面面积与提升管5横截面面积之比大于2500:1，且提升管5直径不大于50mm。絮凝气浮区Ⅴ中直流式涡旋反应池10与降流室11的体积之比为1:2。絮凝气浮区Ⅴ中直流式涡旋反应池10底部入口设有导叶结构。絮凝气浮区Ⅴ中直流式涡旋反应池10的底部锥角为30°～45°，直流式涡旋反应池10的倒锥形筒高度和圆直筒高度比例为1～2:1。
基于上述反应器的共絮凝气浮厌氧生物处理废水的方法，其步骤如下：废水经由进水管1进入布水器2，布水器2将废水均匀分布在反应器的进水区Ⅰ截面，使废水进入生物反应区Ⅱ；在生物反应区Ⅱ中，废水流过颗粒污泥床层，溶解性有机物经过微生物作用转化成沼气，颗粒态物质则从颗粒污泥床层孔隙向上移动，在生物反应区Ⅱ的三相分离器4处进行三相分离，经过分离的反应液部分从生物反应区Ⅱ进入出水区Ⅲ中的出水堰6排出反应器，沼气、反应液与没有被分离的固体组成的混合液从三相分离器4的收集器进入提升管5，再通过提升管5进入加药混合区Ⅳ；在加药混合区Ⅳ中，混合液进入射流器9后从喷嘴射出进入喉管，在喉管前端的混合室中利用压降倒吸溶药罐7中絮凝剂药水，絮凝剂的加药量通过流量控制阀8调节；加药后的混合液通过喉管进入絮凝气浮区Ⅴ；在絮凝气浮区Ⅴ中，混合液经由导叶结构入口进入直流式涡旋反应池10，在倒锥形筒部分水流激烈混合实现初级反应，随后进入直筒部分，随着直径扩大水流逐渐缓和，实现絮体生长；裹夹有气泡的絮体浮至液面形成浮渣，由刮渣机12去除后收集于集渣槽13中，逸出液面的沼气进入集气室15，脱气后的反应液从降流室11经由降流管14回到布水器2，形成混合液的内循环；反应器中的污泥定期从排泥管3排出。
本发明实现共絮凝气浮过程的关键在于絮凝气浮区直流式涡旋反应池中锥形筒部分和直筒部分高度比例，通过控制直流式涡旋反应池中锥形筒部分和直筒部分高度比例来强化共聚粘附效应。反应器要在高负荷下运行，增大生物反应区截面积或减少提升管截面积以获得液体提升动力。
Claims (8)
1.一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于：包括由下至上布置的进水区（Ⅰ）、生物反应区（Ⅱ）、出水区（Ⅲ）、加药混合区（Ⅳ）和絮凝气浮区（Ⅴ）；进水区（Ⅰ）中设有进水管（1）以及与进水管（1）一端相通的布水器（2），进水区（Ⅰ）底部连接排泥管（3）；生物反应区（Ⅱ）上部设有三相分离器（4），三相分离器（4）上接提升管（5）；出水区（Ⅲ）中设有出水堰（6）；加药混合区（Ⅳ）设有溶药罐（7）、流量控制阀（8）和射流器（9），溶药罐（7）通过带有流量控制阀（8）的管道与射流器（9）的喉管相通，射流器（9）的进口与提升管（5）相通；絮凝气浮区（Ⅴ）中设有直流式涡旋反应池（10）和降流室（11），直流式涡旋反应池（10）为连续的两段式结构，下段为倒锥形筒状，上段为圆直筒状，直流式涡旋反应池（10）沿絮凝气浮区（Ⅴ）中心同轴设置，降流室（11）由直流式涡旋反应池（10）外壁与絮凝气浮区（Ⅴ）内壁夹持而成，直流式涡旋反应池（10）的底部连通射流器（9）的出口，降流室（11）底部设有降流管（14），降流管（14）连通布水器（2）；降流室（11）液面处设有刮渣机（12），降流室（11）外部环绕设有集渣槽（13），用于收集由刮渣机（12）刮出的浮渣；降流室（11）和集渣槽（13）顶部具有一个密闭的空间，形成收集反应器产气的集气室（15），集气室（15）上设有排气管；
生物反应区（Ⅱ）与絮凝气浮区（Ⅴ）的体积之比为50~100:1；生物反应区（Ⅱ）的高径比为5~10。
2. 根据权利要求1所述的一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于生物反应区（Ⅱ）横截面面积与提升管（5）横截面面积之比大于2500:1，且提升管（5）直径不大于50 mm。
3.根据权利要求1所述的一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于絮凝气浮区（Ⅴ）中直流式涡旋反应池（10）与降流室（11）的体积之比为1:2。
4.根据权利要求1所述的一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于絮凝气浮区（Ⅴ）中直流式涡旋反应池（10）底部入口设有导叶结构。
5.根据权利要求1所述的一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于絮凝气浮区（Ⅴ）中直流式涡旋反应池（10）的底部锥角为30°~45°，直流式涡旋反应池（10）的倒锥形筒高度和圆直筒高度比例为1~2:1。
6.根据权利要求1所述的一种共絮凝气浮厌氧生物反应器，其特征在于生物反应区（Ⅱ）中填充有颗粒污泥床层。
7.一种利用权利要求1所述反应器的共絮凝气浮厌氧生物处理废水的方法，其特征在于，废水经由进水管（1）进入布水器（2），布水器（2）将废水均匀分布在反应器的进水区（Ⅰ）截面，使废水进入生物反应区（Ⅱ）；在生物反应区（Ⅱ）中，废水流过颗粒污泥床层，溶解性有机物经过微生物作用转化成沼气，颗粒态物质则从颗粒污泥床层孔隙向上移动，在生物反应区（Ⅱ）的三相分离器（4）处进行三相分离，经过分离的反应液部分从生物反应区（Ⅱ）进入出水区（Ⅲ）中的出水堰（6）排出反应器，沼气、反应液与没有被分离的固体组成的混合液从三相分离器（4）的收集器进入提升管（5），再通过提升管（5）进入加药混合区（Ⅳ）；在加药混合区（Ⅳ）中，混合液进入射流器（9）后从喷嘴射出进入喉管，在喉管前端的混合室中利用压降倒吸溶药罐（7）中絮凝剂药水，加药后的混合液通过喉管进入絮凝气浮区（Ⅴ）；在絮凝气浮区（Ⅴ）中，混合液经由导叶结构入口进入直流式涡旋反应池（10），在倒锥形筒部分水流进行混合实现初级反应，随后进入直筒部分，随着直径扩大水流逐渐缓和，实现絮体生长；裹夹有气泡的絮体浮至液面形成浮渣，由刮渣机（12）去除后收集于集渣槽（13）中，逸出液面的沼气进入集气室（15），脱气后的反应液从降流室（11）经由降流管（14）回到布水器（2），形成混合液的内循环；反应器中的污泥定期从排泥管（3）排出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，絮凝剂的加药量通过流量控制阀（8）调节。
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