CN115417556A - 一种厌氧生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种厌氧生物反应器，包括：反应器(1)、进水布水器(2)、回流布水器(3)、循环泵(4)、三相分离器(5)；进水布水器(2)安装在反应器(1)底部，将反应器处理进水和循环泵(4)输送的回流液均匀分布至反应器底部；回流布水器(3)安装在反应器(1)中部，收集反应器内混合液，并经循环泵(4)回流至反应器底部，形成内回流不断循环；三相分离器(5)安装在反应器(1)上部，对混合液进行泥水分离。与现有技术相比，本发明通过改进分离器内部流道、以及增设沼气回流搅动等措施，解决了因细小气泡附着导致污泥絮体或污泥颗粒与水分离效果不佳、出水跑泥的问题。
Description
技术领域
本发明属于环境工程及水处理工程领域，具体涉及一种厌氧生物反应器。
背景技术
在废水厌氧生化处理过程中，废水中的有机污染物在产甲烷菌作用下转化为沼气(甲烷和二氧化碳气体)，不仅实现污染物的降解，而且还能回收生物质能源。
工程应用中较为常见的厌氧产甲烷反应器形式，有UASB(升流式厌氧污泥床)、EGSB(厌氧膨胀颗粒污泥床)和IC(内循环厌氧反应器)等。在这些反应器的顶部出水端，均安装有三相分离器，对处理出水、厌氧污泥和反应产生的沼气进行分离，分离后的废水流出反应器，分离的厌氧污泥被截留并回流至反应器内继续反应，分离出的沼气经管道引出反应器进行利用。厌氧生物反应器的设计与运行效果好坏决定了厌氧反应器能否保持高污泥浓度与处理负荷。
在厌氧产甲烷反应器中，尽管大部分气体会从泥水混合液中自行逸出分离，但有部分气体以细小气泡的形式附着在污泥絮体或污泥颗粒周围，甚至进入到污泥絮体内部，和污泥、废水夹杂在一起进入三相分离器。污泥絮体挟带气泡后比重降低，会随水流出三相分离器，使分离效果变差。当出现大量污泥流失时，会导致反应器内污泥浓度大幅降低，影响反应器对废水的处理效果。
中国专利CN201310385881.9公开了一种厌氧污泥床反应器及其处理有机废水的方法，包括一设置在该罐体式反应器内顶部的三相分离器，该三相分离器包括气液斜板分离模块和固液斜板分离模块组成，在固液斜板分离模块的顶部设有出水堰，两组斜板分离模块中间设有一块分隔挡板，废水经反应器供料泵泵入进水母管，然后通过布水分配器进入反应器，废水向上流动通过污泥床层与厌氧细菌发生生物反应后产生大量的沼气，混合液上升到气液界面时有大量的沼气从混合液中分离；脱出大部分沼气的混合液从气液斜板分离模块顶部进入气液斜板分离模块实现气液分离和部分的固液分离，沼气向上流动收集到反应器顶部，最终通过沼气管道送至沼气处理单元处理；进一步分离出气体的混合液接着进入固液斜板分离模块实现固液分离。该专利采用气液斜板分离模块实施沼气和泥水混合液的分离，主要依靠重力分离原理，在厌氧反应器产气量较大的情况下，气液分离不彻底。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种厌氧生物反应器，通过改进分离器内部流道、以及增设沼气回流搅动等措施，可以解决前文所述因细小气泡附着导致污泥絮体或污泥颗粒与水分离效果不佳、出水跑泥的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种厌氧生物反应器，包括：反应器、进水布水器、回流布水器、循环泵、三相分离器；
所述的反应器为圆柱状或长方体形式，侧壁底部设有进水口和排泥口，侧壁中部设有回流出口，侧壁上部设有进气口和出水口，顶部设有出气口。
进水布水器安装在反应器底部，将反应器处理进水和循环泵输送的回流液均匀分布至反应器底部；
回流布水器安装在反应器中部，收集反应器内混合液，并经循环泵回流至反应器底部，形成内回流不断循环；内回流循环的目的，是维持反应器内反应区的上升流速在2-8m/h范围内，为厌氧污泥和废水营造良好的升流式流态环境，使其充分接触反应，减少反应区死角，提高反应器处理负荷。
所述的进水布水器和回流布水器均为穿孔母支管形式。
三相分离器安装在反应器上部，对混合液进行泥水分离。
三相分离器包括：外部隔板、内部隔板、倾斜沉淀模块、出水槽、泥斗、污泥回流隔挡、曝气管；
两块内部隔板置于两块外部隔板之间，外部隔板与内部隔板之间为进水区，进水区设有曝气管，两块内部隔板之间为泥水分离区，泥水分离区内安装倾斜沉淀模块，泥水分离区上方为出水区，出水区安装出水槽，泥水分离区下方设置泥斗，泥斗底部的出泥口安装污泥回流隔挡。
所述内部隔板顶部高出外部隔板顶部0.3-0.5m。
所述曝气管为穿孔管形式，开孔间距为50-100mm，开孔直径为5-10mm，开孔方向为斜向下45°，两侧均布。
所述曝气管的安装高度为：距离外部隔板顶端的高度为0.5-0.8m，距离内部隔板底端的距离为1.2-1.5m。
所述曝气管的曝气强度：单位进水区表面积的曝气强度为3-5m3/m2·h。
所述倾斜沉淀模块包括多块平行排列的倾斜板，倾斜板长度为1-1.2m，水平间距为50-120mm，水平倾斜角度为60°。
泥水分离区上方为出水区，所述出水槽两侧设置水平三角堰，槽端部设有接口，与外部出水管相连接。
所述的泥斗与两块外部隔板连接构成壳体，泥斗的水平倾斜角度为50-60°。
所述污泥回流隔挡与泥斗之间留有缝隙，缝隙宽度为150-250mm，沉淀的污泥从污泥回流隔挡与泥斗的缝隙中回流至反应器内；同时，污泥回流隔挡也阻挡混合液从泥斗底部直接进入厌氧生物反应器内。
所述三相分离器为对称结构：即沿中心轴左右对称，可分为进水区(气液分离区)、泥水分离区、出水区、污泥回流区，外部隔板有2块，其和内部隔板之间的区域为进水区，在左右两侧进水区内的上部，均安装有曝气管，进水区曝气管安装高度打破了传统底部曝气的方式，安装在分离器上部：距离反应器液面(外部隔板顶端)的高度为0.5-0.8m，进水区曝气管曝气强度：单位进水区表面积的曝气强度为3-5m3/m2·h。
反应器内可安装一台三相分离器，也可在同一高度安装多台三相分离器。
所述反应器顶部的出气口通过管道依次与沼气水封罐、沼气脱水罐、沼气气柜相连，沼气气柜的出气管路上设有分支管路，该分支管路连接三相分离器的进气口，并在分支管路上设有沼气增压风机，能有效驱赶混合液中夹杂的细小气泡，促进泥水分离效果。沼气气柜内的沼气除一部分进行回流循环外，其余沼气输送至沼气处置利用装置。
与现有工艺技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明厌氧生物反应器可处理各类含高浓度有机物的废水，由于三相分离器的高效分离效果，使得厌氧生物反应器可以在较高的处理负荷下运行。本发明中，厌氧生物反应器的COD处理容积负荷，当反应器内为絮状污泥时可达6-10kgCOD/m3·d，当反应器内为颗粒污泥时可达15-20kgCOD/m3·d。而常见的厌氧生物反应器COD处理容积负荷为2-6kgCOD/m3·d。
(2)本发明厌氧生物反应器通过改进分离器内部流道、以及增设沼气回流搅动等措施，可以解决因细小气泡附着导致污泥絮体或污泥颗粒与水分离效果不佳、出水跑泥的问题。
(2)本发明在厌氧生物反应器内设置的三相分离器，其进水区上部设置了曝气管，对泥水混合液进行搅动，驱赶去除混合液中存在的细小气泡，从而得到更好的泥水沉淀分离效果，解决了厌氧反应器出水跑泥的问题。泥水分离区设置沉淀模块，使厌氧生物反应器的处理负荷比同类型技术产品提高50％以上，即本发明厌氧生物反应器的处理水量比同类型技术产品提高50％以上。此外，由于解决了厌氧反应器出水跑泥的问题，反应器内可以保持更高的污泥浓度，实现更高的污染物降解能力。另外，由于反应器出水悬浮物浓度降低(出水悬浮物可低于50mg/L)，可以大幅降低出水悬浮物对后段处理工艺的影响。
(3)外部输入的气体不会造成混合液中气体浓度的升高，不会对污泥絮体与水的分离造成影响，不会影响厌氧反应器中厌氧污泥的活性，不会对废水中污染物的去除造成影响。其原因是：
a、曝气管采用穿孔曝气形式，穿孔管开孔直径为5-10mm，气泡尺寸较大，曝气主要起搅动和驱赶细小气泡的作用。
b、曝气管设置于进水区内的上部，其安装位置距离反应器液面的高度为0.5-0.8m，距离内部隔板底部的距离为1.2-1.5m。即进水区内的曝气可认为是表层曝气，对进水区下部的导流区不造成扰动影响。
C、曝气气源采用废水厌氧生物处理过程中自身产生的沼气，不影响厌氧污泥活性。
附图说明
图1为本发明厌氧生物反应器结构示意图；
图2为三相分离器在反应器内的状态图；
图3为三相分离器平面示意图；
图4为图3的A-A剖面图；
图5为图3的B-B剖面图；
图6为厌氧生物反应器立体结构示意图；
图7为厌氧生物反应器透视图；
图中：1-反应器、2-进水布水器、3-回流布水器、4-循环泵、5-三相分离器、6-沼气水封罐、7-沼气脱水罐、8-沼气气柜、9-沼气增压风机；
11-进水口、13-回流出口、14-进气口、15-出水口、12-排泥口、16-出气口、17-沼气出口；
51-外部隔板，52-内部隔板，53-斜板沉淀模块，54-出水槽，55-泥斗，56-污泥回流隔挡，57-曝气管。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种厌氧生物反应器，包括：反应器1、进水布水器2、回流布水器3、循环泵4、三相分离器5；
其中，反应器1为圆柱状或长方体形式，侧壁底部设有进水口11和排泥口12，侧壁中部设有回流出口13，侧壁上部设有进气口14和出水口15，顶部设有出气口16。
进水布水器2安装在反应器1底部，将反应器处理进水和循环泵4输送的回流液均匀分布至反应器底部；
回流布水器3安装在反应器1中部，收集反应器内混合液，并经循环泵4回流至反应器底部，形成内回流不断循环；内回流循环的目的，是维持反应器内反应区的上升流速在2-8m/h范围内，为厌氧污泥和废水营造良好的升流式流态环境，使其充分接触反应，减少反应区死角，提高反应器处理负荷。
所述的进水布水器2和回流布水器3均为穿孔母支管形式。
三相分离器5安装在反应器1上部，对混合液进行泥水分离，如图2所示。
所述反应器1顶部为气体收集区，顶部出气口16通过管道依次与沼气水封罐6、沼气脱水罐7、沼气气柜8相连，沼气气柜8的沼气出口17连接的出气管路上设有分支管路，该分支管路连接三相分离器5的进气口14，并在分支管路上设有沼气增压风机9，能有效驱赶混合液中夹杂的细小气泡反应过程生成的沼气，促进泥水分离效果。沼气气柜内的沼气除一部分进行回流循环外，其余沼气输送至沼气处置利用装置。
其中，三相分离器5为左右对称结构，厌氧生物反应器分为进水区(气液分离区)、泥水分离区、出水区、污泥回流区。如图3-7所示：
三相分离器5具体包括：两块外部隔板51、两块内部隔板52、倾斜沉淀模块53、出水槽54、泥斗55、污泥回流隔挡56、曝气管57；
其中，两块内部隔板52置于两块外部隔板51之间，外部隔板51与内部隔板52之间为进水区，内部隔板52顶部高出外部隔板51顶部0.3-0.5m。在左右两侧进水区内的上部均安装有曝气管57，曝气管57为穿孔管形式，开孔间距为50-100mm，开孔直径为5-10mm，在本实施例中开孔间距为80mm，开孔直径为8mm，开孔方向为斜向下45°，两侧均布，曝气管57端部设有接口，与外部进气管相连接。曝气管57的安装高度为：距离外部隔板51(即反应器液面)顶端的高度为0.5-0.8m(在本实施例中为0.6m)，距离内部隔板52底端的距离为1.2-1.5m(在本实施例中为1.4m)。进水区曝气管曝气强度：单位进水区表面积的曝气强度为3-5m3/m2·h(在本实施例中为4m3/m2·h)。
两块内部隔板52之间为泥水分离区，泥水分离区内安装倾斜沉淀模块53，所述倾斜沉淀模块53包括多块平行排列的倾斜板(如图5所示)，倾斜板长度为1-1.2m，水平间距为50-120mm，在本实施例中倾斜板长度为1.1mm，水平间距为100mm，水平倾斜角度为60°。分离区倾斜沉淀模块53的处理负荷为：当厌氧反应器内为絮状污泥时，处理负荷为2-4m3/m2·h。当厌氧反应器内为颗粒污泥时，处理负荷为4-8m3/m2·h。
泥水分离区上方为出水区，出水区安装出水槽54，出水槽54两侧设置水平三角堰，槽端部设有接口，与外部出水管相连接。
泥水分离区下方设置泥斗55，泥斗55与两块外部隔板51连接构成壳体，泥斗55的水平倾斜角度为50-60°(在本实施例中为55°)。泥斗55底部的出泥口安装污泥回流隔挡56。所述污泥回流隔挡56与泥斗55之间留有缝隙，缝隙宽度为150-250mm(在本实施例中为200mm)。沉淀的污泥从污泥回流隔挡与泥斗的缝隙中回流至反应器内；同时，污泥回流隔挡也阻挡混合液从泥斗底部直接进入厌氧生物反应器内。
使用时，如将厌氧生物反应器安装于厌氧反应器1的上部，厌氧生物反应器的上部为气体收集区a(如图2所示)。
首先，废水、污泥和细小气泡组成的混合液从反应器1底部进水口11进入进水布水器12，通过进水布水器12，将反应器处理进水和循环泵4输送的回流液均匀分布至反应器底部，然后向上流动；
在反应区厌氧微生物的作用下，废水中的有机物分解转化为沼气，沼气主要成分为甲烷和二氧化碳。反应生成的沼气大部分主动从水相中逸出，直接进入反应器顶部的气体收集区a。小部分细小气泡随泥水混合液一起进入三相分离器5，并从外部隔板51的上部流入进水区。进水区的曝气管57内通入气体，其作用是对进水区的混合液进行曝气搅动，使附着在污泥周围、或污泥絮体内部的细小气泡分离开来，将细小气泡驱赶至气体收集区。
泥水混合液经曝气搅动去除细小气泡后，向下通过进水区下部的导流区，然后从内部隔板52的下部向上流入泥水分离区。在泥水分离区内，通过倾斜沉淀模块53沉淀，污泥与水分离。分离后的水继续向上流入出水区，经水平三角堰流入出水槽54收集，然后流出厌氧反应器。分离后的污泥向下进入污泥斗56，并从污泥回流隔挡56与泥斗55的缝隙中回流至反应器内，继续对废水中污染物进行分解。
在外回流沼气的搅动驱赶作用下，污泥中的细小气泡被强制与污泥分离，被大尺寸气泡带入反应器顶部气体收集区。
细小气泡被驱赶分离后，泥水混合液进入斜板分离模块，完成泥水分离。分离出水经出水口15流出反应器，沉降污泥回流至反应器下部。
由于三相分离器的高效分离效果，使得厌氧生物反应器可以在较高的处理负荷下运行。本发明中，厌氧生物反应器的COD处理容积负荷，当反应器内为絮状污泥时可达6-10kgCOD/m3·d，当反应器内为颗粒污泥时可达15-20kgCOD/m3·d。而常见的厌氧生物反应器COD处理容积负荷为2-6kgCOD/m3·d。
对比例1
泥水分离区内不安装倾斜沉淀模块53，其余同实施例1。
对比例2
进水区内的上部不安装有曝气管57，其余同实施例1。
应用实例1
分别采用实施例1和对比例1、对比例2的厌氧生物反应器处理一电子行业有机废液，反应器进水COD浓度8370mg/L。
反应器为圆柱体，碳钢材质，直径6m、总高19m、有效水深18m。
反应器底部安装进水布水器，进水布水器为穿孔母支管形式，距池底高度为0.5m。
在反应器中上部安装回流布水器，回流布水器为穿孔母支管形式，距池底高度为14.5m。
内回流循环泵流量为100m3/h，维持反应器内反应区的上升流速为4.2m/h。
运行阶段一：反应区内为絮状厌氧污泥，处理废水量Q＝20m3/h。
运行阶段二：反应区内絮状污泥逐渐转化为厌氧颗粒污泥，颗粒污泥粒径1-35mm，处理废水量Q＝42m3/h。
反应器上部安装一台三相分离器，三相分离器内溢流槽高度与反应器液面相平，距池底高度为18m。
三相分离器的分离区内安装斜板沉淀模块，模块尺寸为长4m、宽2m、高0.87m。斜板平行排列，斜板长度为1.2m，水平间距为80mm，水平倾斜角度为60°。
三相分离器进水区曝气强度为3m3/m2·h，曝气介质为反应器自身反应产生的沼气。
三相分离器的主体材质为玻璃钢。
上述实施例1和对比例1、对比例2厌氧生物反应器的出水水质为：
可见，本发明厌氧生物反应器既适用于絮状污泥运行也适用于厌氧颗粒污泥运行。在絮状污泥条件下运行时，COD处理负荷为7.9kgCOD/m3·d，COD去除率达90.3％～92.3％；在厌氧颗粒污泥条件下运行时，COD处理负荷为16.6kgCOD/m3·d，COD去除率升高至93.1％～94.3％。且在两种运行工况下，反应器出水SS均低于150mg/L。
而在对比例1不安装倾斜沉淀模块的情况下，为尽可能降低反应器出水SS浓度，需将反应器处理水量降低至3.6m3/h(絮状污泥)和6.4m3/h(颗粒污泥)。尽管对比例1仍具有较高的COD去除率，但反应器内污泥浓度相比实施例1大幅降低，处理负荷和处理水量也大幅降低。
在对比例2不安装有曝气管的情况下，反应器处理水量与实施例1相同。但对比例2在絮状污泥和颗粒污泥两种工况下运行时，反应器出水SS浓度均高于实施例1，表明对比例2的污泥流失量较大，从而使得对比例2的反应区污泥浓度低于实施例1。这可能是对比例2处理出水COD高于实施例1的主要原因。
可见，在泥水分离区内安装倾斜沉淀模块，能大幅提高三相分离器处理水量。而通过在分离器进水区的上部安装曝气管，对泥水混合液进行扰动，促进污泥中挟带的微小气泡逸出，可以有效降低三相分离器出水SS浓度，从而提高厌氧反应器内污泥浓度以及COD去除率。
应用实例2
采用三套本发明厌氧生物反应器处理一造纸厂废水，反应器进水COD浓度为3300～3600mg/L。并在相同条件下，与对比例1和对比例2所述结构的厌氧生物反应器进行比较。
三套反应器均为圆柱体塔式厌氧反应器，采用厌氧颗粒污泥运行模式。反应器底部安装进水布水器，中上部安装回流布水器。反应器上部安装一台泥水分离装置，泥水分离装置内溢流槽高度与反应器液面相平。泥水分离装置的分离区内安装斜板沉淀模块。斜板平行排列，斜板长度为1.2m，水平倾斜角度为60°。泥水分离装置的主体材质为玻璃钢。
实施例1和对比例1、对比例2三套反应器的不同参数如下：
三套反应器的出水水质如下：
可见，实施例1三套反应器在不同的运行负荷下均取得了较好的COD去除效果，COD去除率达到78.2％～82.9％，反应器出水SS均低于150mg/L。
而在对比例1不安装倾斜沉淀模块的情况下，为避免反应器出水出现大量跑泥情况，将反应器运行负荷调低至2.0～3.5kgCOD/m3·d运行，但反应器出水SS仍高于实施例1。
在对比例2不安装有曝气管的情况下，在三种不同运行负荷工况下，对比例2反应器出水SS浓度均高于实施例1，且出水COD浓度也略高于实施例1。
可见，在三相分离器进水区设置曝气管，能有效降低三相分离器出水SS浓度，从而提高厌氧反应器COD去除率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种厌氧生物反应器，其特征在于，包括：反应器(1)、进水布水器(2)、回流布水器(3)、循环泵(4)、三相分离器(5)；
进水布水器(2)安装在反应器(1)底部，将反应器处理进水和循环泵(4)输送的回流液均匀分布至反应器底部；
回流布水器(3)安装在反应器(1)中部，收集反应器内混合液，并经循环泵(4)回流至反应器底部，形成内回流不断循环；
三相分离器(5)安装在反应器(1)上部，对混合液进行泥水分离。
2.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述的反应器(1)侧壁底部设有进水口(11)和排泥口(12)，侧壁中部设有回流出口(13)，侧壁上部设有进气口(14)和出水口(15)，顶部设有出气口(16)。
3.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述的进水布水器(2)和回流布水器(3)均为穿孔母支管形式。
4.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述的三相分离器(5)包括外部隔板(51)、内部隔板(52)、倾斜沉淀模块(53)、出水槽(54)、泥斗(55)、污泥回流隔挡(56)、曝气管(57)；两块内部隔板(52)置于两块外部隔板(51)之间，外部隔板(51)与内部隔板(52)之间为进水区，进水区设有曝气管(57)，两块内部隔板(52)之间为泥水分离区，泥水分离区内安装倾斜沉淀模块(53)，泥水分离区上方为出水区，出水区安装出水槽(54)，泥水分离区下方设置泥斗(55)，泥斗(55)底部的出泥口安装污泥回流隔挡(56)。
5.根据权利要求4所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述内部隔板(52)顶部高出外部隔板(51)顶部0.3-0.5m。
6.根据权利要求4所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述曝气管(57)为穿孔管形式，开孔间距为50-100mm，开孔直径为5-10mm，开孔方向为斜向下45°，两侧均布。
7.根据权利要求4所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述曝气管(57)的安装高度为：距离外部隔板(51)顶端的高度为0.5-0.8m，距离内部隔板(52)底端的距离为1.2-1.5m。
8.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述倾斜沉淀模块(53)包括多块平行排列的倾斜板，倾斜板长度为1-1.2m，水平间距为50-120mm，水平倾斜角度为60°。
9.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述出水槽(54)两侧设置水平三角堰，槽端部设有接口，与外部出水管相连接；
所述的泥斗(55)与两块外部隔板(51)连接构成壳体，泥斗(55)的水平倾斜角度为50-60°；
所述污泥回流隔挡(56)与泥斗(55)之间留有缝隙，缝隙宽度为150-250mm。
10.根据权利要求1所述的厌氧生物反应器，其特征在于，所述反应器(1)顶部的出气口通过管道依次与沼气水封罐(6)、沼气脱水罐(7)、沼气气柜(8)相连，沼气气柜(8)的出气管路上设有分支管路，该分支管路连接三相分离器(5)的进气口，并在分支管路上设有沼气增压风机(9)。
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