用于厌氧净化的方法和装置与流程

本发明涉及用于在废水厌氧净化中分离生物质的方法和用于在废水厌氧净化中分离生物质的系统。
背景技术：
：迄今为止，含有悬浮有机物的副产物或液体废物流已经被厌氧发酵以产生含甲烷的气体和其它期望产物。例如，来自食品加工厂的废水流出物通常含有悬浮有机物，具有高需氧量，而且在环境法律和法规下对于在湖泊或河流中进行处置是不可接受的。这样的废水流通常在厌氧发酵和/或需氧生物转化中进行处理，以去除有机成分并将废水净化到环境可接受的水平。在典型的厌氧发酵过程中，将含有悬浮有机物的流入液引入到排除空气或氧气并含有厌氧微生物的厌氧发酵反应器中，用于将悬浮有机物转化为发酵产物。含有大量悬浮固体的废水的发酵需要相对长的保留时间。发酵产物包含含有二氧化碳和甲烷的气体，甲烷被分离并用作能量或热源。厌氧发酵反应产生通常称为污泥或“生物质”的细菌细胞团，其形成絮凝物并保留在反应器容器中。产生的流出液基本上不含有机物和悬浮固体。迄今为止，从反应液中分离和去除气体和生物质是通过分开的脱气步骤和固体沉降步骤完成的。即，将包含悬浮生物质的反应液从厌氧发酵反应器输送到沉降罐，在该沉降罐中细菌细胞团颗粒被允许沉降到罐底部。沉降的颗粒从罐排出并再循环到反应器中。反应液中夹带的气体使悬浮的细菌细胞团颗粒难以沉降。因此，通常在反应器容器和沉降罐之间采用脱气器。或者，在某些条件下使用浮选分离。这种方法从us4948509中得知，其描述了包括以下步骤的方法：-将所述流入液引入包含厌氧微生物的厌氧发酵区，以将所述悬浮有机物转化为发酵产物，所述发酵产物包含含有甲烷的气体和细菌细胞团颗粒；-将所述发酵区中的所述流入液保持在一定温度和第一压力下一定时间，其足以形成所述气体并形成含有溶解气体和悬浮细菌细胞团颗粒的液体；-从所述发酵区排出所述含有溶解气体和悬浮细菌细胞团颗粒的液体；-将所述液体引入浮选区；-将所述液体在所述浮选区保持在一定温度、第二压力下一定时间，从而使溶解在所述液体中的溶液气体在其中释放以形成气泡，所述气泡上升并使所述悬浮的细菌细胞团颗粒漂浮到所述液体的表面；-从所述液体的表面和从所述浮选区排出所述细菌细胞团颗粒；-将排出的所述细菌细胞团颗粒再循环到所述发酵区；和-将剩余液体从所述浮选区引导至进一步加工或使用点。wo02076893公开了用于对包含有机成分的浆液进行厌氧净化的方法。将待处理的浆液周期性地或连续地供给到填充有混合物的基本上封闭的反应器(2)，同时将浆液与来自反应器的混合物(3)强制混合。反应器中的混合物经受通过其向上流动和水解过程。通过注入所谓的白水(具有在压力(通常为5巴(a))下溶解的低氧气体的流出物，例如来源于反应器的生物气)对混合物进行浮选，将在该过程中形成的漂浮固体层返回到反应器中的混合物中，而在该过程中形成的低颗粒液体作为流出物排出。在该装置中，流出物的一部分被回收用于生产白水。用于对包含有机成分的废水进行厌氧净化的已知方法的缺点在于，在某些情况下，生物质与反应器内容物的分离很差，导致处理不一致和不可靠。需要对包含有机成分的废水进行厌氧净化，其具有改进的生物质分离。技术实现要素：根据本发明，提供了使生物质与经厌氧处理废水流分离的方法。根据本发明，提供了废水厌氧净化后使生物质与经处理废水分离的方法，包括以下步骤：a)将包含有机成分的废水流供应到包含生物质的反应器，所述生物质包含厌氧微生物；b)将所述废水与生物质混合，以提供生物气和包含经处理废水和生物质的反应器内容物，c)将反应器内容物的至少一部分和气体、优选生物气供应到第一罐，其中在压力下将所述生物气注入罐内容物以提供加压罐内容物，其中所述气体溶解在所述罐内容物中，d)将所述加压罐内容物供应到第二罐，其中所述第二罐中的压力低于所述第一罐中的压力，以提供漂浮的生物质层和经处理废水层，e)将所述经处理废水从所述第二罐排出，并将来自所述第二罐的所述生物质层再循环到步骤a)的反应器中。发明人惊奇地发现，在将反应器内容物提供到发生浮选分离的第二罐之前，将厌氧反应器的反应器内容物与加压气体混合提供了有效的生物质分离。尽管申请人不希望受理论束缚，但相信当包含溶解气体的经处理废水和生物质的混合物减压时，气泡优选地在固体/水界面处形成，并且因此与简单混合溶解了相等量的流出物相比，气泡更有效地夹带生物质。有利地，在本发明的方法中，快速形成了由絮状生物质组成的漂浮生物质层，而没有生物质沉到第二罐的底部，因此实现了改进的生物质分离。下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中：图1描绘了现有技术的过程。图2描绘了根据本发明一个实施方案的过程。
发明内容“污泥”是指存在于反应器或其流入物或流出物中的任何固体或固体样材料，其可以通过物理手段例如过滤器、旋风分离器、沉降器、膜等与反应器的液体部分(或流入物或流出物)分离。污泥可以包含有机部分，其包括所有生物材料以及不溶性或不可精细分散的有机化合物，以及无机部分，其包括不溶性或不可精细分散的盐和其它无机材料。“生物质”是指所有生物(有机)材料以及不可溶或不可精细分散的有机化合物，其可以是存在于反应器或其流入物或流出物中的固体或固体样材料，其可以与通过物理手段例如过滤器、旋风分离器、沉降器、浮选装置、膜等将与反应器的液体部分(或流入物或流出物)分离。如本文所用，“絮凝物”或“生物质絮凝物”是指在反应器中形成的被称为絮状生物质的生物质聚集体。“干固体”包括固体材料，从其中可溶性无机材料(盐、灰分)和水和其它液体已经分离或在计算产品水平时已被考虑在内。“化学需氧量”(cod)是指可以氧化成更小的分子、最终氧化成二氧化碳和水的有机材料，该术语表示氧化有机材料(通常是在一升废水中)所需的氧气量。“可生物降解的cod”是指废水中可以被生物质(微生物)转化的有机材料。“底物”是指被微生物转化以允许它们生长的有机材料，即相当于可生物降解的cod。“易于生物降解的化学需氧量(rbcod)”是指可以被微生物快速转化的相对较小的有机分子，如下文进一步说明。“其它可生物降解的化学需氧量(obcod)”是指除rbcod之外的可生物降解的cod，即更复杂且不易利用的有机化合物，例如复杂的多糖、脂肪和蛋白质，以及具有相对较少的含氧基团和较大烃基团的有机化合物，例如长链脂肪酸。“废水”是指包含cod的含水流，在其可以被再利用或在排放到环境中之前需要对其进行处理。例如，废水包括来自基于生物的或其它行业的工艺用水、副产品或中间产品流，如下文进一步说明的。提供给反应器的污泥可包含废水。在根据本发明的方法中，在步骤a)中，将包含有机成分的废水流(也称为包含有机物的污泥)供应至包含生物质的反应器，生物质主要包含厌氧微生物。废水可以连续或分批供应到反应器，优选连续供应。优选地，反应器中的生物质为絮状生物质。因此，待处理的污泥被周期性或连续地送入其中的反应器中的混合物在具有向上和/或向下流动的反应器中通过生物过程(包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷)进行厌氧净化。优选地，将待处理的废水连续进料到反应器中。这导致生物气被释放，尤其包括co2和ch4。反应器基本上封闭的事实意味着这些生物气将收集在反应器的顶部，即在位于其中的混合物的上方。为了获得相对清洁(即相对低颗粒)的流出物，将反应器内容物转移到第一罐并且在高压(例如3-6巴(a))下注入气体。优选地，该气体是低氧气体，优选无氧气体。更优选地，低氧气体是生物气。根据本发明，在厌氧净化期间释放并收集在基本上封闭的反应器顶部的生物气尤其可以用作这种类型的非常合适的低氧气体。生物气优选在步骤a)中的反应器中产生。然后对反应器内容物/气体混合物在罐中进行浮选，通常具有较低的压力(通常为30毫巴(g)，即超压)，例如在浮选池中，在此过程中形成漂浮固体层，其漂浮在罐中存在的流体的顶部。此外，较重的颗粒(少量)将能够收集在罐底部。优选地，浮选罐中的压力处于0至100毫巴(g)的压力(表压，即超压)，更优选地罐处于0至50毫巴(g)的压力，最优选地罐处于10至35毫巴(g)的压力。将在罐中流体顶部形成的漂浮固体层返回供应至混合物中，以便在所述混合物中再次经受厌氧净化过程。此外，当供应另外的含有有机物的污泥时，这些成分也将再次强制进行混合过程，并在该过程中最终转化为溶解的杂质，这些杂质尤其可以通过厌氧生物过程转化为甲烷气体等。根据本发明的方法特别使得尤其可以通过厌氧方式清洁包含有机物的污染污泥，即厌氧净化过程可以利用具有高cod(化学需氧量)的混合物进行，在这种情况下，术语高被理解为表示在1.5g/l至80，优选5g/l至80g/l，优选25-80g/l范围内的cod。对于如此高的cod，有许多包含细菌的絮凝物，其可以在本发明的方法中漂浮。与现有技术方法相比，本发明具有分离絮状生物质的优点，其在根据本发明的方法中不易破碎。另外在经处理废水中观察到较少的悬浮固体。在步骤b)期间，将废水与生物质混合以提供生物气和包含经处理废水和生物质的反应器内容物。通过使混合物向上和向下流动来将待处理的污泥在反应器中混合。如果合适，可以在污泥供应期间直接进行强制混合，例如通过在污泥供应时或与污泥供应一起产生向上和/或向下流动。这样做的结果是，可以使污泥中至少一些未溶解的成分溶解在至少存在于反应器中的混合物中。优选地，步骤b)中的混合通过添加步骤b)中产生的生物气、通过机械装置、通过注入来自步骤e)的经处理废水或通过用于循环反应器内容物的泵送装置来进行。在步骤c)期间，将反应器内容物的至少一部分提供给第一罐，其中在压力下注入气体以提供加压反应器内容物。第一罐可以是诸如压力反应器的容器或导管，通过该导管将反应器内容物提供给第二罐并且将生物气注入导管中。第一罐不是浮选罐。优选地，在步骤c)中以至少1.5巴(a)、优选至少2巴(a)、甚至更优选至少3巴(a)的压力下注入生物气。在步骤c)中，气体优选以使得所供应的气体在设定的压力下溶解的方式注入。技术人员知晓，根据亨利定律，在给定温度下溶解在给定质量溶剂中的气体质量与溶剂上方的气体压力成正比。在步骤d)中，将加压反应器内容物供应到第二罐，其中第二罐中的压力低于(例如30毫巴(g)超压)第一罐中的压力，以提供漂浮的生物质层，同时释放气体和经处理废水层。第二罐可称为浮选罐或浮选池。第二罐可位于反应器内部或外部，优选位于外部。在另一个实施方案中，第二罐在反应器内部(图2示意性地覆盖了反应器的两个实施方案)。在后一种情况下，其上边缘的高度大于或等于位于反应器中的混合物的高度。这防止混合物能够通过上边缘流出反应器进入浮选池。如果上边缘的高度高于反应器中混合物的高度，则甚至可以完全排除这种情况。漂浮层又可以被相对容易地越过上边缘推回到反应器中的混合物中。在步骤d)期间，经处理废水从第二罐排出并且将生物质层从第二罐再循环到步骤a)的反应器中。经处理废水可以连续或分批从第二罐排出。在一些优选的实施方案中，在步骤a)中连续供应废水，在步骤d)中分批排出经处理废水。优选地，废水具有1.5至80g/l的化学需氧量(cod)。优选地，经处理废水的化学需氧量(cod)优选至多1000mg/l、更优选至多500mg/l。第一罐中的压力优选地在1.5至8巴(a)的范围内、更优选地在2-7巴(a)的范围内、最优选地在3至6巴(a)的范围内。优选地，第二罐的顶部空间中的压力为30毫巴(g)。顶部空间是指第二罐的位于液位和罐顶部之间的区域，顶部由罐的边缘界定。水力停留时间优选地在0.5至10天的范围内，并且生物质(污泥)停留时间优选地为至少20天、更优选地至少30天。在第二方面，本发明涉及用于分离生物质的系统，包括：-反应器(22)，所述反应器(22)包括流入物入口(21)、生物气出口(23)，其中在操作期间所述反应器(22)通过供应管线(24)与第一罐(26)连通，-所述第一罐(26)，所述第一罐(26)包括用于接收来自反应器(22)的反应器内容物的入口和用于接收来自反应器(22)的生物气(25)的入口和/或用于接收气体(27)的入口，其中所述第一罐(26)不是浮选罐并且包括用于控制所述第一罐(26)中压力的压力控制装置，其中在操作期间，所述第一罐(26)通过供应管线(29)与第二罐(28)连通，-所述第二罐，所述第二罐包括用于提供加压反应器内容物的入口(29)、用于排出经处理废水的出口(30)、与反应器(22)连通以向反应器供应生物质的生物质出口(31)、优选的生物气出口(32)和优选的用于沉降固体的出口(33)。优选地，通过与反应器(22)连通的管线(34)或(31)可以将沉降固体再循环。优选地，反应器(22)包括用于混合所述反应器内容物的装置，所述混合装置是用于生物气的注入器、机械混合装置或用于循环所述反应器内容物的泵。或者，所述混合装置包括用于注入经处理废水的注入装置。在第二罐中，如果以连续模式应用，可以使用刮刀将浮选层推过边缘。或者，可以使用另一种设备，或者可以液压运输该层。在后一种情况下，来自流出物的额外再循环流(未显示)可以被再循环并喷洒到非常靠近水溢出的罐边缘的地方。通过这种方式(刮掉或喷洒)，边缘保持清洁，以免固体附着并导致不规则溢流出边缘。在一些实施方案中，系统以分批模式操作，由此通过打开和关闭通向第一罐的排放阀可以使来自反应器的生物质是不连续的。在另一个实施方案中，该系统以分批模式运行，由此通过打开和关闭排放阀可以从第二罐不连续地去除来自第二罐的生物质。优选地，反应器是基本上封闭的反应器。合适的厌氧反应器是本领域技术人员已知的。第一罐可以是用于将气体与反应器内容物混合的容器、导管或其它这样的容器。第二罐可以优选地是封闭罐或敞开罐。当第二罐被置于反应器内时，罐优选在顶部敞开并由周边边缘界定，优选地其中第二罐包括分配装置，使得在使用期间分配装置使生物质进入生物质供应管线。第二罐包括可以连接到气体分配系统的生物气出口，例如生物气出口可以连接到反应器顶部空间。优选地，生物质供应管线终止于注入装置以用于提供加压反应器内容物。附图说明图1示意性地描绘了根据现有技术的系统。反应器(2)设置有用于提供包含有机成分的废水(1)的流入物入口。废水可以被连续或分批提供。反应器可设置有温度、ph等的传感器。反应器设置有生物气出口(3)，厌氧处理期间产生的甲烷(生物气)可通过该生物气出口(3)被去除。反应器具有供应(流出物)管线(4)，反应器(2)的反应器内容物经由该管线被提供给第一罐(6)。第一罐(6)设置有用于接收流出物(11)的入口和用于接收来自反应器(2)的生物气的入口。第一罐(6)包括用于控制第一罐(6)中压力的压力控制装置。第一罐(6)通过供应管线(7)与第二罐(8)连通。第二罐设置有溶解气体的供应管线(7)、来自反应器(2)的供应管线4和用于排出经处理废水的流出物管线(9)。在操作过程中，压力从管线(7)供应的液体中释放出来，气泡将开始形成小气泡。供给7可以注入第二罐(8)中或供给7中非常靠近管线4到第二罐(8)的入口的点。气泡附着在生物质群上，生物质会上升。以这种方式，絮凝物上升到第二罐(8)中反应器内容物的顶部。在第二罐的顶部形成浮选层。经处理废水(流出物-9)从浮选层下方(可以从底部或较高处)泵出。浮选层穿过边缘或被泵送回反应器容器(2)。在第二罐中，可以使用刮刀将漂浮层推过边缘。或者，可以使用另一个装置，或者来自流出物的额外的再循环流(未示出)可以被再循环并喷洒到非常靠近边缘。通过这种方式(刮掉或喷洒)，边缘保持清洁，以免固体附着并导致不规则溢流出边缘(连续或不连续)。在不连续排出模式中，水可以作为流出物(9)泵送，并且单元(8)的其余内容物可以泵送回反应器(2)。第二罐设置有生物气出口(12)，其可连接至气体管线5或直接连接至反应器顶部空间。图2示意性地描绘了根据本发明的实施方案的系统。反应器(22)设置有用于提供包含有机成分的废水的流入物入口(21)。废水可以被连续或分批提供。反应器可设置有温度、ph等的传感器。反应器设置有生物气出口(23)，厌氧处理期间产生的甲烷(生物气)可通过该出口去除。第一罐(26)设置有用于接收反应器内容物(24)的入口和用于接收来自反应器(25)的生物气的入口和/或用于接收气体(27)的入口。第一罐(26)包括用于控制第一罐(26)中压力的压力控制装置。第一罐(26)通过供应管线(29)与第二罐(28)连通。第二罐设置有用于排出经处理废水的流出物管线(30)。在操作过程中，从反应器内容物释放压力，气体逸出，形成附着在生物质絮凝物上并会上升的小气泡。部分气泡将在未溶解的絮凝物上开始产生并增大其直径。絮凝物以这种方式上升到第二罐(28)的顶部。经处理废水(流出物30)从浮选层下方(可以从底部或较高处)被泵送或离开罐。水可以通过可控制的阀门离开罐。浮选层越过边缘并且例如通过管线31被泵送回反应器容器(22)。优选地，当罐(28)集成在反应器(22)中时，浮选层落入反应器液体中并被混合。在另一个实施方案中，优选地，第二罐(28)被不连续地进料，排出流出物并且将包含浮选层的其余内容物泵送回反应器(22)(或者如果集成在反应器(22)中则被释放到反应器液体)。第二罐还可以设置有生物气出口(32)，优选连接到气体管线，例如用于将气体供应到反应器顶部空间。此外，第二罐可设置有沉降固体出口(33)，用于去除会沉降在罐中的任何悬浮固体。优选地，沉降的固体可以通过与反应器(22)连通的管线(34)或管线(31)被再循环。现在将通过以下非限制性实施例来举例说明本发明。已经比较了从经处理废水中分离生物质的两种方法。实施例a是对比例，并且实施例1是根据本发明的。对比例a将冰淇淋废水(30x稀释冰淇淋)在160l的厌氧中试反应器中进行处理。将来自运行1个月的厌氧中试反应器的包含12.5g/l的固体-cod的250ml液体转移到烧杯中。来自集成在反应器中的浮选罐的流出物管线的无固体流出物被转移到容器中。将生物气注入容器直至压力达到4巴(g)。摇动容器后，生物气大部分溶解。将250ml的容器内容物通过喷嘴释放到烧杯(2)的液体(含有固体)中。释放的内容物可以表示为所谓的白水。用更一般的术语来说，“白水”是指在在高于释放压力的压力下用生物气(在这种情况下为75％的甲烷、25％的二氧化碳)饱和后，通过压降释放气泡的流出物。在加入该白水后监测烧杯中浮选层的形成30分钟。实施例1将冰淇淋废水(类似于稀释冰淇淋的组成)在160l的厌氧中试反应器中进行处理。将来自中试反应器的包含12.5g/l的固体-cod的液体提供给钢制容器并在4巴(g)下用生物气饱和。将步骤(2)中得到的500ml饱和液体通过喷嘴释放到烧杯中。在这个测试中没有加入白水。监测烧杯系统中浮选层的形成30分钟。固体的最终增稠计算如下：浮选层浓度＝增稠因子×初始固体浓度(cod)参数a1最终增稠因子1.882.14浮选层中的固体-cod23.5g/l26.7g/l浮选层中的vss18.8g/l21.4g/l达到50％增稠的时间2.5min<25sec达到75％增稠的时间9.0min3.6min30min后达到的最大增稠1.882.15沉降层10ml未观察到浮选层方面搅拌时容易破碎紧凑，搅拌时不会破碎实施例2和对比例b浮选单元作为中试放置在现有的厌氧生物反应器旁边。在对比例b中，进行了根据现有技术的方法(参见图1)，在实施例2中进行了根据本发明的方法(参见图2)，并且该方法以连续模式进行。在对比例b中，向浮选单元(图中的第二罐)供应15m3/h的反应器内容物，并且第二罐的流出物以15m3/h供应到注入有生物气的高压容器(第一罐)并供应到第二罐，在临进入浮选罐(第二罐)之前将压力降低到第二罐中的压力(顶部空间30毫巴)。在实施例2中，向浮选单元(图中的第二罐)供应15m3/h的第一罐(注入有生物气的高压容器)的流出物并供应到第二罐，在临进入浮选罐(第二罐)之前将压力降低到第二罐中的压力(顶部空间30毫巴)。在这两种情况下，供应给高压罐(第一罐)的生物气的数量和质量相等(30％的co2和70％的甲烷)。参数和结果如下表所示：对比例b实施例2反应器水流向浮选单元m3/h15-高压容器流向浮选单元m3/h1515最终流出物流m3/h99污泥再循环流m3/h66固体-cod反应器水g/l8.59.3污泥再循环中的固体-codg/l19.121.3最终流出物中的固体-codg/l1.1720.836最终流出物中的固体层ml/l800流出物视觉颜色非常混浊，深褐色不那么混浊，浅棕色当前第1页12