专利名称：一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法
技术领域：
本发明 涉及一种废水处理装置及其应用和处理废水的方法，更具体的说是一体化 生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法。
背景技术：
近年来，上流式厌氧污泥床(UASB)在我国工业废水处理中得到了广泛应用，具有 节省能耗和费用、污泥量少、投资少易维护、可回收能源、可处理难降解高浓度废水等优点， 既可单独用于废水处理，也可与好氧生物技术联用以获得满意的出水水质。UASB主要在中 温(30 35°C )条件和高温(50 55°C )条件下运行，反应器内微生物活性良好，能够获 得理想的出水水质。然而，当温度较低时(如在我国北方或者冬季时)，UASB中的微生物活 性受到抑制，一旦有机负荷过高，反应器内酸碱平衡很容易被破坏出现酸化现象，造成出水 COD浓度偏高、出水pH为酸性、污泥上浮等，出水水质严重恶化。为了保证UASB在低温条件下的稳定运行，维持反应器内酸碱平衡、避免酸化，可 采用加热废水、投加碱度、出水回流、出水吹脱CO2后回流、投加低温菌株等措施，但在实际 工程应用中，这些方法都存在缺点和局限性，如经济成本高、能耗大、回流水中含较多溶解 氧、尚无应用实例等。孟兆成等公开的发明专利CN 1337364A采用一种自主研发的“变性 污泥”来控制UASB反应器的酸化，效果好、成本低，但该“变性污泥”需要进行专门的生化培 养，而且需专门人员进行投放，自动化程度低。一体化生物反应器是将不同生物处理工艺整合在一个反应器内以处理废水，具有 投资少、占地少、能耗小、处理效果好、管理方便等优点，近年来倍受国内外研究者的青睐。 目前关于一体化生物反应器在生活污水和工业废水处理中的研究和应用较多，主要是将 不同的厌氧、缺氧和好氧工艺有机整合在一个反应器内，整合方式通常有内外套筒式和上 下叠加式。薛嘉等(薛嘉，黄钧，李益军.厌氧好氧一体化生物反应器处理发酵废水的研 究.应用与环境生物学报，2007，13 (3) :414 418)研究开发了一种同心圆筒形式的厌氧 好氧一体化生物反应器，用于处理高浓度有机发酵废水。内筒为厌氧颗粒污泥膨胀床，夕卜 筒为好氧三相流化床，分为升流区、降流区和沉降区。此反应器抗冲击能力强，COD去除率 可达到90%以上。蒋展鹏等(蒋展鹏，钟燕敏，师绍琪.一体化A/0生物膜反应器处理生活 污水.中国给水排水，2002，18 (8) :9 12)设计了上下叠加形式的升流式一体化A/0生物 膜反应器用于处理生活污水，装置呈圆筒状，底部为采用球形填料的缺氧区，上部为采用半 软性填料的好氧区，维持一定的回流比和反应器内适宜的碱度时，脱氮效果良好而稳定。然 而，这些一体化反应器都是在常温下用于处理工业废水和生活污水，目前尚未见到适用于 低温条件下处理高浓度有机废水的一体化生物反应器的开发和研究。移动床生物膜反应器(MBBR)是一种吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法 的新型高效的好氧废水处理工艺。该工艺是将比重接近水的悬浮填料直接投加到反应器中 作为微生物载体，依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，使微生物能充分与水中的溶 解氧和有机物接触，有利于基质传递，从而获得良好的有机物去除效果。与其他好氧废水处理工艺相比，MBBR工艺具有占地少、耐负荷冲击、污泥浓度较高、剩余污泥量少、水头损失小、无需反冲洗、一般不需回流、脱氮除磷效果良好等优点。同时，大量的研究结果表明，由 于MBBR污泥浓度高、生物固体停留时间长，低温条件下也能获得很好的处理效果。
发明内容
1、发明要解决的技术问题针对低温条件下(5 15°C )UASB反应器处理高浓度有机废水时存在易酸化的问 题，现有解决方法存在不足和局限性，本发明提供一体化生物反应器和处理高浓度有机废 水的方法，可避免酸化现象的产生。该装置和方法也可用于常温条件下工业废水的处理。2、技术方案本发明将上流式厌氧污泥床(UASB)和移动床生物膜反应器(MBBR)整合组成一体 化生物反应器，利用MBBR出水回流为UASB补充碱度、UASB内设置水力搅拌装置增加传质 速率和MBBR对UASB的保温作用，不需外加碱度或仅需投加少量碱度即可维持反应器内酸 碱平衡，保证反应器内微生物的生态稳定，消除低温条件下厌氧生物处理高浓度有机废水 过程中易产生的酸化现象。本发明的技术方案如下一体化生物反应器，采用同心圆柱状结构，内层为UASB，外层为MBBR，MBBR出水回 流至UASB。UASB和MBBR的容积和水力停留时间根据需处理废水的水质水量确定，MBBR反应 区的宽度与高度之比应为0. 25 0. 5，MBBR的宽度指一体化反应器的直径与UASB直径之 差；在UASB出水口设置pH在线监测仪，底部布水装置上方设置机械搅拌装置。在MBBR反 应区内距反应器底部Im 2m高度处设斜板和半菱形挡板；MBBR布气装置为穿孔管或曝气 头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。一体化生物反应器在处理高浓度有机废水中的应用。该一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法包括以下步骤(1)废水从UASB底部布水装置进水，布水装置上方设有机械搅拌装置，通过搅拌 使废水中有机物和厌氧颗粒污泥充分混合接触，经过水解、酸化和产甲烷阶段后，厌氧微生 物将大分子有机物降解并生成小分子有机物、沼气、二氧化碳和水，沼气、厌氧污泥和水经 三相分离器分离，沼气进入集气室，污泥沉降入UASB反应区，废水上流至反应器顶部出水 并依靠重力自流至反应器底部进入外层MBBR ；(2)MBBR反应区内的斜板和半菱形挡板对UASB出水进行二次泥水分离，相当于常 规处理中UASB后续的污泥二沉池；(3)废水继续上流，经过MBBR曝气装置时，与气体发生激烈混合，然后气、水与 流化状态的填料充分接触，水中有机物被填料表面的微生物好氧降解生成二氧化碳和水， MBBR顶部设出水堰，出水由此流出进入集水池；(4)集水池与一体化生物反应器之间设回流泵，可将出水回流至反应器入口处。步骤(1)中UASB底部的机械搅拌装置正常情况下关闭，当UASB出水口 pH < 6. 8 时进行搅拌。步骤(3)中MBBR中投加比重为0. 93-0. 99的悬浮填料，填充率为40% -60%，曝气量需保证溶解氧量为2mg/L-4mg/L。本步骤中的数值范围并非绝对严格的限制，只要在这 个比重、填充率和曝气量范围内都可满足要求。步骤(4)中MBBR出水回流至UASB的回流比为100% -300%，当UASB出水 口 pH 为6. 8 7. 5时回流比为100%，当pH < 6. 8时增大回流比。维持UASB反应器稳定运行的重要条件之一是pH应控制在6. 5 7. 8，正常情况下 通过反应器自身的碳酸氢盐/碳酸缓冲体系来维持酸碱平衡。好氧生物处理也会产生CO2 并形成碳酸，但由于好氧曝气很容易吹脱掉高浓度的CO2，而且某些有机物的降解过程中还 会产生碱度，因此好氧生物处理无需外加碱度且出水碱度有时还会高于进水碱度。当温度 较低时，UASB反应器中微生物活性被抑制，有机物和VFA降解不充分，当VFA浓度高至碳酸 氢盐碱度不足以中和时，酸碱平衡被破坏，造成出水PH降低和COD浓度升高，此时厌氧出水 回流已无法起到补充碱度的作用。然而，厌氧出水中大量未降解的能够释放阳离子的有机 成分(如蛋白质)、有机酸盐或脂肪酸盐等，被好氧降解后能产生很高的碱度，加上VFA被 降解、好氧曝气过程中水中CO2被吹脱，水中碱度会大大增加，因此将好氧出水回流能够为 UASB补充碱度，减少外加碱度的量甚至可不外加碱度，恢复厌氧区的酸碱平衡。将以上理论 付诸实践的关键是UASB后续的好氧处理工艺，必须能够在低温下稳定运行，且能够抗负荷 冲击，当UASB发生酸化时能够较好地降解其出水中的有机物。基于以上考虑，本发明选择 MBBR作为UASB后续的好氧处理工艺。MBBR是一种新型高效的好氧废水处理工艺，具有污 泥浓度较高、剩余污泥量少、耐负荷冲击、低温下运行稳定、水头损失小、无需反冲洗、一般 不需回流、脱氮除磷效果良好等优点，当UASB出现酸化时能够较好地适应负荷冲击，降解 水中有机物，为UASB提供碱度。为了节省占地、减少投资、提高处理效率，本发明将UASB和MBBR整合成同心圆柱 状结构的一体化反应器，内层为UASB，外层为MBBR。MBBR属于好氧生物反应器，好氧反应过 程中微生物对有机物进行氧化分解，生成CO2和H2O并释放热量，MBBR可保持较高温度，力口 上水的导热性差，因此MBBR可对内层UASB起到供热保温的作用。在UASB出水口设置pH在线监测仪，根据出水pH值调整MBBR出水回流比。正常 情况下，MBBR出水回流比为100%，可为UASB提供足够碱度；当pH < 6. 8时，表明UASB有 可能出现酸化现象，此时增大MBBR回流比，以补充更多碱度；同时，提高MBBR出水回流比还 能够稀释进水，降低有机物负荷，有助于恢复UASB酸碱平衡。当水温较低时，反应器中水体粘度变大、传质速率减慢，有机物降解困难，易促进 酸化的发生，因此，在UASB底部设置机械搅拌装置，当UASB出水口 pH < 6. 8时进行搅拌， 加大水力扰动，增强基质传递；正常情况下可不搅拌以节省能耗。在MBBR反应区内距反应器底部Im 2m高度处设斜板与半菱形挡板，可代替二沉 池对UASB出水中的污泥进行二次泥水分离，并可避免UASB酸化时大量污泥上浮带来的污 泥流失。3、有益效果本发明提供了一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法，不需外 加碱度或仅需投加少量碱度即可维持反应器内酸碱平衡，保证反应器内微生物的生态稳 定，消除低温条件下厌氧生物处理高浓度有机废水过程中易产生的酸化现象，投资少、成本 低、易维护、运行稳定、自动化程度高。本发明还可利用已建成的UASB反应器进行技术改造升级，工程量小、成本低。
图1为本发明结构示意图，反应器具体尺寸需根据进水水质水量进行设计。其中 1、UASB反应区，2、搅拌装置，3、pH在线监测仪，4、三相分离器，5、集气室，6、斜板，7、半菱形 挡板，8、曝气装置，9、MBBR反应区，10、集水池，11、回流泵，12、布水装置，13、污泥管
具体实施方式
本发明实现形式为将UASB和MBBR整合组成一体化生物反应器，采用同心圆柱状 结构，内层为UASB，外层为MBBR，MBBR出水回流至UASB ；UASB和MBBR的容积和水力停留时 间根据需处理废水的水质水量确定，MBBR反应区的宽度与高度之比应为0. 25 0. 5，MBBR 的宽度指一体化反应器的直径与UASB直径之差；在UASB出水口设置pH在线监测仪，底部 布水装置上方设置机械搅拌装置；在MBBR内距反应器底部Im 2m高度处设斜板和半菱形 挡板；MBBR布气装置为穿孔管或曝气头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。废水由反应器底部布水装置(12)进入UASB反应区(1)，通过UASB机械搅拌装置 (2)的搅拌使废水中有机物和厌氧颗粒污泥充分混合接触，经厌氧生物降解后上流至顶部 出水，厌氧反应区产生的沼气经三相分离器(4)分离后进入集气室(5)，出水依靠重力自流 至反应器底部进入外层MBBR反应器，经过斜板(6)与半菱形挡板(7)进行二次泥水分离， 然后经过MBBR曝气装置(8)，与气体发生激烈混合，再与MBBR反应区(9)中呈流化状态的 填料充分接触，水中有机物被填料表面的微生物好氧降解，MBBR顶部设出水堰，出水由此流 出进入集水池(10)，集水池与一体化生物反应器之间设回流泵(11)，将出水回流至UASB。 UASB底部的机械搅拌装置正常情况下关闭，当UASB出水口 pH < 6. 8时进行搅拌；MBBR反 应区中投加比重为0. 93-0. 99的悬浮填料，填充率为40% _60%，曝气量需保证溶解氧量为 2mg/L-4mg/L ；MBBR出水回流至UASB的回流比为100% -300%，当UASB出水口 pH为6. 8 7. 5时回流比为100%，当pH < 6. 8时增大回流比。实施例1 其设备和处理流程同上，用本发明在冬季处理高浓度有机废水，温度为5 15°C， 废水水质见表1 :表1高浓度有机废水水质指标
水质指标 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH碱度
变化范围I 3500 4500丨2900 3600丨6. 5 8. 5丨400 750UASB的水力停留时间为18h，MBBR的水力停留时间为6h，MBBR区投加比重为0. 96 的悬浮填料，填充率为60%，溶解氧量为4mg/L。运行过程中严格监测UASB反应器出水的 PH，并及时调节回流比，pH最低为6. 3，此时调节回流比为300%即可使pH恢复至6. 8以上。 运行期间一体化反应器处理效果好且稳定，出水水质见表2 表2反应器出水水质指标
水质指标 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH 变化范围 120 200 I 30 40 7 8. 5
比较例1 采用UASB与本发明的一体化反应器同时处理该高浓度有机废水，水 力停留时间为18h。温度为10 15°C时，COD去除率只有60%;温度为5 10°C时，COD去 除率只有20% 40%，出水VFA浓度达到600 1000mg/L，反应器出现了酸化现象，为了保 证反应器的正常运行，必须投加3000mg/L碱度。实施例2 其设备和处理流程同上，用本发明在冬季处理某啤酒厂废水，废水水质见表3 表3高浓度有机废水水质指标
水质指标 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH碱度
变化范围 1800 26001 900 1600丨 6. 0 7. 0 | 300 550UASB的水力停留时间为14h，MBBR的水力停留时间为4h，MBBR区投加比重为0. 99 的悬浮填料，填充率为40%，溶解氧量为2mg/L。运行过程中严格监测UASB反应器出水的 PH，并及时调节回流比，pH最低为6. 5，此时调节回流比为200%即可使pH恢复至6. 8以上。 运行期间一体化反应器处理效果好且稳定，出水水质见表4 表4反应器出水水质指标
“水质指标 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH
变化范围 80 120 20 35 7. 0 8. 0比较例2 采用UASB与本发明的一体化反应器同时处理该啤酒废水，水力停留时 间为14h。温度为10 15°C时，COD去除率只有65% ；温度为5 10°C时，COD去除率只 有30% 45%，出水VFA浓度达到500 800mg/L，反应器出现了酸化现象，为了保证反应 器的正常运行，必须投加2000mg/L碱度。本发明也可用于常温下对于高 浓度有机废水的处理。
权利要求
一种一体化生物反应器，包括移动床生物膜反应器MBBR，其特征在于反应器采用同心圆柱状结构，内层为上流式厌氧生物反应器UASB，外层为移动床生物膜反应器MBBR，MBBR出水回流至UASB。
2.根据权利要求1所述的一体化生物反应器，其特征在于在UASB出水口设置pH在线 监测仪。
3.根据权利要求2所述的一体化生物反应器，其特征在于在UASB底部设置机械搅拌装置。
4.根据权利要求3所述的一体化生物反应器，其特征在于MBBR反应区的宽度与高度之 比为0. 25 0. 5，MBBR的宽度指一体化反应器的直径与UASB直径之差。
5.根据权利要求4所述的一体化生物反应器，其特征在于在MBBR内设斜板和半菱形挡 板，斜板和半菱形挡板距反应器底部的高度为1. Om 2. Om ；MBBR布气装置为穿孔管或曝气 头，呈同心圆状安装于斜板和半菱形挡板上方。
6.权利要求1 5中任一项所述的一体化生物反应器在处理高浓度有机废水中的应用。
7.—体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其步骤为(1)在温度为5 15°C时，废水从UASB底部布水装置进水，布水装置上方设有机械搅 拌装置进行充分搅拌，生成的沼气、厌氧污泥和水经三相分离器分离，沼气进入集气室，污 泥沉降入UASB反应区，废水上流至反应器顶部出水并依靠重力自流至反应器底部进入外 层 MBBR ；(2)MBBR反应区内的斜板和半菱形挡板对UASB出水进行二次泥水分离；(3)废水继续上流，经过MBBR曝气装置，与气体混合，然后气、水与流化状态的填料充 分接触，MBBR顶部设出水堰，出水由此流出进入集水池；(4)集水池与一体化生物反应器之间设回流泵，可将出水回流至反应器入口处。
8.根据权利要求7所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在于 步骤(1)中UASB底部的机械搅拌装置正常情况下关闭，当UASB出水口 pH < 6. 8时进行搅 拌。
9.根据权利要求8所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在于 步骤(3)中MBBR中投加比重为0. 93-0. 99的悬浮填料，填充率为40% -60%，曝气量需保 证溶解氧量为2mg/L-4mg/L。
10.根据权利要求9所述的一体化生物反应器处理高浓度有机废水的方法，其特征在 于步骤(4)中MBBR出水回流至UASB的回流比为100%-300%，当UASB出水口 pH为6. 8 7. 5时回流比为100%，当pH < 6. 8时增大回流比。
全文摘要
本发明公开了一体化生物反应器及其应用和处理高浓度有机废水的方法，其属于废水处理领域。一体化生物反应器采用同心圆柱状结构，内层为UASB，外层为MBBR。在UASB出水口设置pH在线监测仪，UASB底部设搅拌装置。集水池与反应器进口之间设循环泵，可回流MBBR出水，正常情况下回流比为100％。MBBR适合于低温下废水处理，同时其本身对于UASB可起到一定的供热保温作用；此外，当UASB出水pH＜6.8时，启动UASB的搅拌装置并增大MBBR回流比，可及时为UASB补充碱度，维持UASB的酸碱平衡，确保微生物的生态稳定。本发明提出的方法和装置可在低温条件下高效稳定地处理高浓度有机废水，投资少、占地省、运行稳定，无需外加碱度和加热，节省维护运行费用和能耗。
文档编号C02F3/28GK101955294SQ20091023277
公开日2011年1月26日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者丁丽丽, 任洪强, 任鑫坤, 许柯, 谢吉程 申请人:南京大学