CN108905599A - 内循环生物脱硫反应器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内循环生物脱硫反应器及方法。反应器主体为圆筒形外壁，由下向上依次分为集硫区、进水区和循环反应区，沉淀区设在圆筒形外壁上部***。集硫区设有排硫管、螺旋口、集泥槽和环形斜板；进水区设有进水管、曝气头、导气管和限位杆；循环反应区设有内圆筒和喇叭口；沉淀区设有沉淀斜面、冲泥管、汇水口、斜板和出水管。本发明将硫化物氧化与单质硫分离融为一体，装置结构紧凑，占地面积较小；通过带有喇叭口的内圆筒的优化组合，利用气提作用与文丘里效应可实现反应液的高效内循环；通过设置斜板、汇水口及冲泥管，可实现泥水的有效分离及单质硫的回收利用。

Description

内循环生物脱硫反应器及方法
技术领域
本发明涉及一种生物脱硫反应器，尤其涉及一种内循环生物脱硫反应器及方法。
背景技术
工农业生产和城镇生活过程中会产生大量有机废弃物，经过厌氧发酵处理能够产生大量沼气，而沼气是一种高品位的清洁能源。沼气中除主要成分CH4、CO2之外，还含有来自降解蛋白质和其他含硫化合物而产生的H2S，其浓度范围通常为500ppmv(0.05％)～20000ppmv(2％)。H2S不仅会对人体健康产生威胁，还会腐蚀混凝土和钢架结构。与此同时，混于沼气中的H2S经过燃烧会产生硫氧化物，是形成酸雨的重要因素，严重污染环境。因此，沼气脱硫势在必行。
目前，沼气脱硫主要包括三种方法：干法脱硫、湿法脱硫和生物脱硫。生物脱硫技术凭借其投资成本低、工艺流程简单、操作方便等优势被广泛应用于实际生产中。分离式生物脱硫工艺将生物反应器与单质硫分离器分开，脱硫效率高、年运行成本低、自动化程度高、操作简便，且沼气不与空气直接混合，运行安全。但在高负荷条件下，硫化物与氧气在生物反应器中不能充分接触反应，导致硫化物转化率下降，且需另设单质硫分离装置，成本较高，占地面积增大。为此，本发明设计一种内循环生物脱硫反应器，通过反应区合理安置带有喇叭口的内圆筒，利用气提作用与文丘里效应实现内循环，提高了硫化物的脱除效率；通过沉淀区设置多层斜板，利用斜板沉淀和浅层沉淀实现泥水混合物的高效分离，强化了功能菌的持留能力；通过集硫区设置环形斜板，采用斜板屏障和重力沉淀，促进了单质硫的回收利用。该反应器结构紧凑，硫化物转化率高，单质硫回收效果好，具有推广应用前景。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种高效的内循环生物脱硫反应器。本发明所采用的具体技术方案如下：
一种内循环生物脱硫反应器，该反应器主体为圆筒形外壁，圆筒形外壁从下向上依次由集硫区、进水区、循环反应区组成，沉淀区设在圆筒形外壁上部***；
所述的集硫区中，自下向上依次设置排硫管、螺旋口和集泥槽，环形斜板设置于集泥槽的内顶部且朝中心向下倾斜，用于实现单质硫和污泥的分离与排放；排硫管设置于螺旋口的中央，螺旋口设置于集泥槽的底部，排硫管和螺旋口的中轴线与集泥槽的中轴线重合；集泥槽为1个半球体，半球体直径与圆筒形外壁的筒体直径相同；
所述的进水区中，自下向上依次设置进水管和曝气头，进水管与蠕动泵连接；进水管穿过圆筒形外壁侧壁，伸入圆筒形外壁中轴线，在中轴线处尾端垂直向上；曝气头与从反应器顶部伸下的导气管连接，悬挂于圆筒形外壁中轴线上，且位于进水管尾端的正上方；曝气头与圆筒形外壁侧壁之间周向等角度设置若干限位杆；
所述的循环反应区中，自下而上设置若干个带有喇叭口的内圆筒，循环反应区由内圆筒将圆筒形外壁划分为内外两个区域，用于反应液内循环；若干个带有喇叭口的内圆筒自下而上垂直设置于圆筒形外壁中轴线上，下位内圆筒的顶端伸入上位内筒体的喇叭口中且两者之间具有缝隙，用于形成局部内循环；最上方内圆筒的顶端与液面之间留有一定距离；内圆筒外壁和圆筒形外壁上均设置若干个取样口；循环反应区上部设置顶空室，圆筒形外壁顶部外侧设置集气罩槽，安装有进气管与排气管的集气罩放置于集气罩槽内；
所述的沉淀区中，自下而上设置沉淀斜面、冲泥管、汇水口、斜板和出水管，沉淀区通过圆筒形外壁壁上的开口与循环反应区连通；汇水口设置于圆筒形外壁的内壁，与冲泥管上端相连用于将循环反应区的部分水导入冲泥管，冲泥管下端靠近沉淀斜面的上端，冲泥管用于冲刷沉淀斜面上的污泥并使其返回循环反应区；冲泥管上方设置有若干块斜板，用于强化沉淀效率；出水管设置于沉淀区侧壁上，中轴线与液面相平，用于反应器排水。
作为一种优选实现方式，所述的圆筒形外壁的直径与总高度的比例为1：10～15，集硫区、进水区、循环反应区和沉淀区的体积之比为1：1～2：10～15：4～8，圆筒形外壁中除集硫区(Ⅰ)外的直径上下相同。
作为一种优选实现方式，螺旋口直径为集泥槽直径的1/3～1/2；环形斜板与水平面的倾角为45°～55°，环形斜板中央圆孔的直径为集泥槽直径的1/3～1/2。
作为一种优选实现方式，所述限位杆共3～4个，等分圆周设置，其内端与曝气头的距离为1～2mm，曝气头直径为20～40mm，限位杆垂直高度小于曝气头，并与曝气头的水平中轴线重合。
作为一种优选实现方式，带有喇叭口的内圆筒共设3个，直径为30～50mm，内圆筒直径大于曝气头直径10～20mm；喇叭口侧壁与铅垂线间夹角为45°～55°，其垂直高度为内圆筒高度的1/3～1/2；曝气头顶端伸入喇叭口的距离为喇叭口垂直高度的1/4～1/2；最上方的内圆筒顶端距离液面30～50mm。
作为一种优选实现方式，沉淀斜面与铅垂线间夹角优选为50°～55°。
作为一种优选实现方式，斜板数量优选为5～8块，斜板和冲泥管平行，与铅垂线夹角为55°～60°，冲泥管端与沉淀斜面间距离为5～10mm。
作为一种优选实现方式，汇水口的径向宽度优选为圆筒形外壁直径的1/6～1/4。
作为一种优选实现方式，内圆筒外壁和圆筒形外壁上的取样口位于相同高度处。
本发明的另一个目的在于提供一种利用所述反应器的内循环生物脱硫的方法，其步骤如下：
利用蠕动泵将硫化氢吸收液由进水管泵入反应器进水区；由曝气头提供的空气自下而上穿过圆筒形外壁内各区，并带动内圆筒中的反应液向上运动，内圆筒与圆筒形外壁之间的反应液向下运动，产生内循环；在内筒体喇叭口处，利用文丘里效应，部分向下运动的反应液可重新进入内圆筒，产生局部内循环；尾气在液面逸入反应器顶空室，由集气罩上的排气管排出；不断监测反应物种类和含量以及反应液pH值，调整曝气量，反应器产生以单质硫为主的脱硫产物，单质硫进入集硫区，在环形斜板的作用下加速沉淀，收集于集泥槽内，定期由排硫管排出反应器；循环反应区中部分向下运动的反应液经汇水口汇聚，由冲泥管沿着沉淀斜面方向流出，促进污泥返回循环反应区；沉淀区中通过斜板强化污泥沉降效率，泥水分离后，由出水管排出净化水。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：(1)将硫化物生物转化与单质硫分离融为一体，装置结构紧凑，占地面积小；(2)设置内外圆筒，以曝气提供的气体为动力，实现内循环，并利用文丘里效应在喇叭口实现局部内循环；(3)将斜板沉淀运用于沉淀区和集硫区，提高了泥水分离和单质硫回收效率；(4)沉淀区下部设汇水口与冲泥管，改善了污泥返回效果。
附图说明
图1是一种内循环生物脱硫反应器的结构剖面图；
图2是进水区俯视图；
图3是循环反应区中水流流向示意图；
图4是沉淀区中汇水口与冲泥管的立体结构示意图；
图5是沉淀区中斜板的立体结构示意图；
图中：集硫区Ⅰ、进水区Ⅱ、循环反应区Ⅲ、沉淀区Ⅳ；排硫管1、螺旋口2、集泥槽3、环形斜板4、曝气头5、导气管6、喇叭口7、内圆筒8、进水管9、蠕动泵10、限位杆11、止水阀12、取样口13、沉淀斜面14、冲泥管15、汇水口16、斜板17、出水管18、集气罩19、进气管20、排气管21、集气罩槽22、顶空室23。
具体实施方式
下面结合具体附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。各优选实施方式间若没有特殊说明或冲突，可以进行任意组合。
如图1～5所示，一种内循环生物脱硫反应器，该反应器主体为圆筒形外壁，圆筒形外壁从下向上依次划分为集硫区Ⅰ、进水区Ⅱ、循环反应区Ⅲ，沉淀区Ⅳ设在圆筒形外壁上部***。
集硫区Ⅰ中，自下向上依次设置排硫管1、螺旋口2和集泥槽3，环形斜板4设置于集泥槽3的内顶部且朝中心向下倾斜，用于实现单质硫和污泥的分离与排放；排硫管1设置于螺旋口2的中央，螺旋口2设置于集泥槽3的底部，带有用于装配的螺纹。排硫管1和螺旋口2的中轴线与集泥槽3的中轴线重合。集泥槽3为1个半球体，半球体直径与圆筒形外壁的筒体直径相同。
进水区Ⅱ中，自下向上依次设置进水管9和曝气头5，进水管9与蠕动泵10连接；进水管9穿过圆筒形外壁侧壁，伸入圆筒形外壁中轴线，在中轴线处尾端垂直向上，通过蠕动泵10的动力向上进水。曝气头5与从反应器顶部伸下的导气管6连接，悬挂于圆筒形外壁中轴线上，且位于进水管9尾端的正上方。导气管6连接进气管20，向曝气头5中供气。如图2所示，曝气头5与圆筒形外壁侧壁之间周向等角度设置若干限位杆11，使得曝气头5仅能够在限位杆11围成的区域内摆动，不会产生较大的偏移。
循环反应区Ш中，自下而上设置若干个带有喇叭口7的内圆筒8，循环反应区Ш由内圆筒8将圆筒形外壁划分为内外两个区域，用于反应液内循环。如图3所示，若干个带有喇叭口7的内圆筒8自下而上垂直设置于圆筒形外壁中轴线上，位于下方的内圆筒8的顶端伸入位于上方的内筒体8的喇叭口7中，且两者之间具有缝隙，当水流高速从内筒体8内经过时，会因为文丘里效应将内筒体8外部的水流吸入内筒体8内部，由此形成局部内循环。最上方内圆筒8的顶端与液面之间留有一定距离，不伸出液面。内圆筒8外壁和圆筒形外壁上均设置若干个带止水阀12的取样口13，通过取样口13可对不同位置的水样进行采集检测，为参数调整提供基础。内圆筒8外壁和圆筒形外壁上的取样口13可以位于相同高度处。循环反应区Ш上部设置顶空室23，圆筒形外壁顶部外侧设置集气罩槽19，安装有进气管20与排气管21的集气罩22放置于集气罩槽19内，可通过水封等方式实现密封。
沉淀区Ⅳ中，自下而上设置沉淀斜面14、冲泥管15、汇水口16、斜板17和出水管18，沉淀区Ⅳ底部通过圆筒形外壁上的开口与循环反应区Ш连通。如图4所示，汇水口16设置于圆筒形外壁的内壁，且与冲泥管15上端相连，在水流向下循环流动使可以通过汇水口16将循环反应区Ⅲ的部分水导入冲泥管15。冲泥管15下端靠近沉淀斜面14的上端，用于冲刷沉淀斜面14上的污泥并使其返回循环反应区Ш。如图5所示，冲泥管15上方设置有若干块斜板17，用于强化沉淀效率，出水管18设置于沉淀区Ⅳ侧壁上，中轴线与反应器内的液面相平，用于反应器排水。
本发明的反应器中，各部件的具体参数可以选择如下：
圆筒形外壁的直径与总高度的比例为1：10～15，集硫区Ⅰ、进水区Ⅱ、循环反应区Ш和沉淀区Ⅳ的体积之比为1：1～2：10～15：4～8，圆筒形外壁中除集硫区Ⅰ外的直径上下相同。螺旋口2直径为集泥槽3直径的1/3～1/2；环形斜板4与水平面的倾角为45°～55°，环形斜板4中央圆孔的直径为集泥槽3直径的1/3～1/2。限位杆11可以根据实际情况设置3～4个(图2中为4个)，等分圆周设置，其内端与曝气头5的距离为1～2mm，曝气头5直径为20～40mm，限位杆11垂直高度小于曝气头5，并与曝气头5的水平中轴线重合。带有喇叭口7的内圆筒8共设3个，直径为30～50mm，内圆筒8直径大于曝气头5直径10～20mm；喇叭口7侧壁与铅垂线间夹角为45°～55°，其垂直高度为内圆筒8高度的1/3～1/2；曝气头5顶端伸入喇叭口7的距离为喇叭口7垂直高度的1/4～1/2；最上方的内圆筒8顶端距离液面30～50mm。
另外，在其他实施例中参数可进一步采用如下优选：沉淀斜面14与铅垂线间夹角优选为50°～55°；斜板17数量优选为5～8块，斜板17和冲泥管15平行，与铅垂线夹角为55°～60°，冲泥管15端与沉淀斜面14间距离为5～10mm；汇水口16的径向宽度优选为圆筒形外壁直径的1/6～1/4。
基于上述装置，本发明还提供一种内循环生物脱硫的方法，其步骤如下：
利用蠕动泵10将硫化氢吸收液由进水管9泵入反应器进水区Ⅱ；由曝气头5提供的空气自下而上穿过圆筒形外壁内各区，并带动内圆筒8中的反应液向上运动，内圆筒8与圆筒形外壁之间的反应液向下运动，产生内循环；在内筒体喇叭口7处，利用文丘里效应，部分向下运动的反应液可重新进入内圆筒8，产生局部内循环；尾气在液面逸入反应器顶空室23，由集气罩22上的排气管21排出；定时打开止水阀12，通过取样口13采集水样，监测反应物种类和含量以及反应液pH值，调整曝气量，使反应器产生以单质硫为主的脱硫产物，单质硫进入集硫区Ⅰ，在环形斜板4的作用下加速沉淀，收集于集泥槽3内，定期由排硫管1排出反应器；循环反应区Ш中部分向下运动的反应液经汇水口16汇聚，由冲泥管15沿着沉淀斜面14方向流出，促进污泥返回循环反应区Ш；沉淀区Ⅳ中通过斜板17强化污泥沉降效率，泥水分离后，由出水管18排出净化水。

Claims (10)

1.一种内循环生物脱硫反应器，其特征在于：反应器主体为圆筒形外壁，圆筒形外壁从下向上依次由集硫区(Ⅰ)、进水区(Ⅱ)、循环反应区(Ⅲ)组成，沉淀区(Ⅳ)设在圆筒形外壁上部***；
所述的集硫区(Ⅰ)中，自下向上依次设置排硫管(1)、螺旋口(2)和集泥槽(3)，环形斜板(4)设置于集泥槽(3)的内顶部且朝中心向下倾斜，用于实现单质硫和污泥的分离与排放；排硫管(1)设置于螺旋口(2)的中央，螺旋口(2)设置于集泥槽(3)的底部，排硫管(1)和螺旋口(2)的中轴线与集泥槽(3)的中轴线重合；集泥槽(3)为1个半球体，半球体直径与圆筒形外壁的筒体直径相同；
所述的进水区(Ⅱ)中，自下向上依次设置进水管(9)和曝气头(5)，进水管(9)与蠕动泵(10)连接；进水管(9)穿过圆筒形外壁侧壁，伸入圆筒形外壁中轴线，在中轴线处尾端垂直向上；曝气头(5)与从反应器顶部伸下的导气管(6)连接，悬挂于圆筒形外壁中轴线上，且位于进水管(9)尾端的正上方；曝气头(5)与圆筒形外壁侧壁之间周向等角度设置若干限位杆(11)；
所述的循环反应区(Ш)中，自下而上设置若干个带有喇叭口(7)的内圆筒(8)，循环反应区(Ш)由内圆筒(8)将圆筒形外壁划分为内外两个区域，用于反应液内循环；若干个带有喇叭口(7)的内圆筒(8)自下而上垂直设置于圆筒形外壁中轴线上，下位内圆筒(8)的顶端伸入上位内筒体(8)的喇叭口(7)中且两者之间具有缝隙，用于形成局部内循环；最上方内圆筒(8)的顶端与液面之间留有一定距离；内圆筒(8)外壁和圆筒形外壁上均设置若干个取样口(13)；循环反应区(Ш)上部设置顶空室(23)，圆筒形外壁顶部外侧设置集气罩槽(19)，安装有进气管(20)与排气管(21)的集气罩(22)放置于集气罩槽(19)内；
所述的沉淀区(Ⅳ)中，自下而上设置沉淀斜面(14)、冲泥管(15)、汇水口(16)、斜板(17)和出水管(18)，沉淀区(Ⅳ)通过圆筒形外壁上的开口与循环反应区(Ш)连通；汇水口(16)设置于圆筒形外壁的内壁，与冲泥管(15)上端相连用于将循环反应区(Ⅲ)的部分水导入冲泥管(15)，冲泥管(15)下端靠近沉淀斜面(14)的上端，冲泥管(15)用于冲刷沉淀斜面(14)上的污泥并使其返回循环反应区(Ш)；冲泥管(15)上方设置有若干块斜板(17)，用于强化沉淀效率；出水管(18)设置于沉淀区(Ⅳ)侧壁上，中轴线与液面相平，用于反应器排水。
2.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述的圆筒形外壁的直径与总高度的比例为1：10～15，集硫区(Ⅰ)、进水区(Ⅱ)、循环反应区(Ш)和沉淀区(Ⅳ)的体积之比为1：1～2：10～15：4～8，圆筒形外壁中除集硫区(Ⅰ)外的直径上下相同。
3.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：螺旋口(2)直径为集泥槽(3)直径的1/3～1/2；环形斜板(4)与水平面的倾角为45°～55°，环形斜板(4)中央圆孔的直径为集泥槽(3)直径的1/3～1/2。
4.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：所述限位杆(11)共3～4个，等分圆周设置，其内端与曝气头(5)的距离为1～2mm，曝气头(5)直径为20～40mm，限位杆(11)垂直高度小于曝气头(5)，并与曝气头(5)的水平中轴线重合。
5.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：带有喇叭口(7)的内圆筒(8)共设3个，直径为30～50mm，内圆筒(8)直径大于曝气头(5)直径10～20mm；喇叭口(7)侧壁与铅垂线间夹角为45°～55°，其垂直高度为内圆筒(8)高度的1/3～1/2；曝气头(5)顶端伸入喇叭口(7)的距离为喇叭口(7)垂直高度的1/4～1/2；最上方的内圆筒(8)顶端距离液面30～50mm。
6.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：沉淀斜面(14)与铅垂线间夹角优选为50°～55°。
7.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：斜板(17)数量优选为5～8块，斜板(17)和冲泥管(15)平行，与铅垂线夹角为55°～60°，冲泥管(15)端与沉淀斜面(14)间距离为5～10mm。
8.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：汇水口(16)的径向宽度优选为圆筒形外壁直径的1/6～1/4。
9.根据权利要求1所述的内循环生物脱硫反应器，其特征在于：内圆筒(8)外壁和圆筒形外壁上的取样口(13)位于相同高度处。
10.一种利用如权利要求1所述反应器的内循环生物脱硫方法，其步骤如下：
利用蠕动泵(10)将硫化氢吸收液由进水管(9)泵入反应器进水区(Ⅱ)；由曝气头(5)提供的空气自下而上穿过圆筒形外壁内各区，并带动内圆筒(8)中的反应液向上运动，内圆筒(8)与圆筒形外壁之间的反应液向下运动，产生内循环；在内筒体喇叭口(7)处，利用文丘里效应，部分向下运动的反应液可重新进入内圆筒(8)，产生局部内循环；尾气在液面逸入反应器顶空室(23)，由集气罩(22)上的排气管(21)排出；不断监测反应物种类和含量以及反应液pH值，调整曝气量，反应器产生以单质硫为主的脱硫产物，单质硫进入集硫区(Ⅰ)，在环形斜板(4)的作用下加速沉淀，收集于集泥槽(3)内，定期由排硫管(1)排出反应器；循环反应区(Ш)中部分向下运动的反应液经汇水口(16)汇聚，由冲泥管(15)沿着沉淀斜面(14)方向流出，促进污泥返回循环反应区(Ш)；沉淀区(Ⅳ)中通过斜板(17)强化污泥沉降效率，泥水分离后，由出水管(18)排出净化水。
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