一种混合流化床反应器及其应用

本发明涉及环境生物工程废水处理领域，具体涉及一种混合流化床反应器及其应用。

背景技术：

经富营养化污染的水体，治理关键是要脱氮除磷，目前，脱氮最常用的方式是生物脱氮。传统的生物脱氮是在微生物的作用下，废水中的有机氮和氨氮经过氨化、硝化、反硝化过程，最终转化为含氮气体的过程。其中氨化和硝化反应是以分子氧作为电子受体的，所以只有在溶解氧足够时才会发生该反应。所以为了满足正常的硝化效果，反应器中的溶解氧浓度应当保持充足。而传统的反硝化过程需要在厌氧意义上的缺氧环境下才能发生，一般认为溶解氧浓度在0.5mg/l以下才会发生反硝化反应。所以要想实现传统的全程生物脱氮过程，需要在两个反应器内进行，并且要控制溶解氧的浓度。

来自石油化工、煤化工、煤炼焦、煤气净化及化工产品回收精制等过程中产生的废水，含有很高浓度的有机物，但是低可生化性、高毒性。其中，低可生化性会限制反硝化反应。目前，水处理厂广泛应用前置厌氧工艺如a/o、a2/o、a/o2等运行模式，旨在分解难降解有机物质、降低废水毒性、裂解大分子物质、提高废水的可生化性使之用于反硝化。但由于含氮有毒化合物如cn-、scn-的存在，在使用前置厌氧工艺降低毒性时，常常效果不显著。厌氧酸化和厌氧产甲烷过程统统被显著抑制。高毒性会抑制硝化反应，前置好氧工艺oao可以用来去除大部分的有机物质和毒性物质。但是前置好氧工艺会把后续用于反硝化的有机碳源提前消耗掉，而且舍弃前置厌氧处理，还会造成后续生物单元的有机负荷增加。一些难降解有毒物质在好氧条件下很难降解，它们还会对硝化过程产生抑制作用。此外，此类废水的好氧生物处理一般要求溶解氧在4～5mg/l，为达到这个溶氧量，工艺中往往采用提高曝气量的方式，过高的曝气量额外消耗了大量能量，并且浪费了许多曝气动力，同时其中含有的表面活性剂等有机物，在充足曝气条件下会产生大量泡沫，充足溶氧环境又带来了丝状菌的快速增值。泡沫和膨胀污泥越过溢流堰槽，带走大量污泥，影响工艺稳定性。

总结上述，不管采用前置厌氧还是前置好氧工艺处理有毒有机废水，都存在不足：在前置厌氧处理中，厌氧细菌容易受到有毒物质的抑制，厌氧效果不好，不能进行反硝化。在前置好氧处理中，有机物对硝化的抑制作用被部分解除，但过多的碳源消耗，导致后续工段反硝化碳源不足，而且一些难降解有机物质在完全好氧的条件下很难降解。综上，这就导致了无论采用前置厌氧还是前置好氧工艺，都很难达到高效的碳氮同时去除的效果。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能实现好氧和缺氧环境共存的混合流化床反应器及其应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于废水处理的混合流化床反应器，包括罐体、填料部件、第一导流板、第二导流板，罐体上设有进水口和出水口，进水口位于罐体的底端，出水口位于罐体的侧面，填料部件位于进水口的上方，第一导流板位于填料部件的上方，第二导流板位于第一导流板的上方，第二导流板的下端位于罐体内，第二导流板的上端高度高于出水口的高度；填料部件包括筛网和导流筒，筛网和导流筒均为中空的柱状结构，导流筒位于筛网内，筛网和导流筒之间形成环形容腔，环形容腔中装有载体；第一导流板为凹面朝下的弧面结构，第一导流板上开有第一导流孔；第二导流板内具有导流通道，导流通道连通第二导流板的上方和下方区域，第二导流板的侧面开有第二导流孔，第二导流孔连通导流通道与第二导流板的外侧。采用这种结构后，可在罐体内实现多级溶氧区域共存，即好氧和缺氧微环境的共存。筛网的直径大于导流筒的直径并设于导流筒的外部。

作为一种优选，导流通道包括依次连接的导流段、集气段、出口段，导流段和出口段均为圆柱结构，导流段的直径大于出口段的直径，集气段为圆台结构。

作为一种优选，罐体上设有溢流堰，出水口设于溢流堰的外侧。

作为一种优选，一种混合流化床反应器还包括挂耳、固定块，挂耳与第一导流板固定连接，固定块与罐体固定连接，固定块上设有卡槽，挂耳可拆卸地卡入卡槽内。

作为一种优选，固定块的数量为多组，多组固定块分别处于不同的高度。采用这种结构后，挂耳可悬挂在不同高度的固定块上，从而可以调节第一导流板的高度，以适应不同的需求。

作为一种优选，第一导流板为半球形板，第一导流板的外径与罐体的内径之比为0.6～0.9。

作为一种优选，载体为悬浮载体。采用这种结构后，利用载体污泥的吸附和挂膜，在环形容腔中形成了较为紧密的空间，溶解氧在氧传递的过程中被微生物利用，从而形成了载体内部和生物膜内部的缺氧或完全厌氧的环境，有利于污泥进行兼氧厌氧发酵、裂解大分子难降解有机物和利用有机碳源进行反硝化反应。

作为一种优选，第一导流孔的数量为多个，多个第一导流孔呈环形阵列排布。

作为一种优选，一种混合流化床反应器还包括气泵和气体分布器，气体分布器位于进水口与填料部件之间，气泵通过进气管道与气体分布器连接。

筛网的材质为不锈钢或镍基合金。

罐体的底部为圆角结构。这种结构可以减少污泥堆积现象，使反应器内物质分布更均匀。

一种混合流化床反应器的应用，将上述一种混合流体床反应器用于有毒有机废水处理。

上述混合流化床反应器在使用时，从底部泵入空气，气液固混合流从底部上升，从而在第一导流板的下方除了装填料的区域，都具有最高的溶氧浓度，此区域为一级溶氧区，是气、液、固均匀分布的流态化区域，活性污泥均匀流动分布于此区域，但在填料区域，活性污泥附着于载体上，在载体上形成生物膜，溶解氧在此区域内传递的过程中被微生物利用，从而在载体内部或者填料区内形成厌氧区。第一导流板以上、第二导流板内的区域形成二级溶氧区。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明的反应器内实现了多级溶氧区域共存，一级溶氧区内溶氧浓度最高，无明显溶氧梯度，该区域内传质速度最高，大量有机物在此区域迅速降解，降低后续区域的处理负荷；厌氧区内，由于载体和筛网的存在，形成了从外到内的宏观溶氧梯度划分，同时在载体和生物膜上形成了微观上的溶氧梯度，有利于同步硝化反硝化反应，可在厌氧区内降解部分好氧难降解的有机物；二级溶氧区域是出水最后停留的区域，在此区域内溶氧为一级溶氧区的0.8左右，此区域内有机物浓度相对较低，氧气充足条件下，该区域内的微生物处于内源代谢阶段，可以进一步降低出水cod和减少污泥量。

2.高浓度的有毒有机物需要在好氧条件下迅速降解脱毒，而一些难降解的物质需要先在厌氧条件下水解，才能在好氧条件下充分降解。多级溶氧区域共存的反应器可以适应这种特殊水质条件，避免了多级反应器的回流等操作，降低基建和运行费用。

3.本发明的两个导流板促使反应器内气液相流动混合更加合理均匀，在进水口附近区域混合状态好，混合速度快，传质传递和反应速度快。在出水口附近区域处于从下到上的推流溢流状态，为反应器内停留时间最长部分，无返混现象。第二导流板与第一导流板形成的三相分离区，逐步将气液固分离，分离效果显著，无浮泥和泡沫膨胀现象。

4.本发明的载体与其附近的气液流相互作用，使此区域形成移动生物床，悬浮载体上挂膜，固定富集反硝化菌等世代周期较长的微生物群落。且通过改变填充量可控制悬浮载体的运动速率，使悬浮载体上的生物膜保持相对稳定的厚度。从而此区域内形成宏观的溶氧梯度，在反应器内实现厌氧生物过程。

5.与传统流化床相比，本发明的污泥富集区域更加合理，解决了传统流化床局部污泥堆积，污泥死区的缺点。

6.与多级串联反应器相比，本发明可以在不改变进水流量的前提下，根据出水水质和出水指标的需要，通过调节第一导流板的位置，改变不同溶氧环境的大小从而改变废水在不同溶氧区域的停留时间，使反应器可以适应多种水质和工况。

附图说明

图1为一种混合流化床反应器的内部结构图。

图2为第一导流板的立体图。

图3为一种混合流化床反应器在使用时的内部结构示意图。

图4为一种混合流化床反应器内的流速分布图。

图5为一种混合流化床反应器内的溶氧浓度分布图。

图6为厌氧区内溶氧浓度与深度的关系图。

图7为cod处理效果对比图。

图8为传统流化床反应器的脱氮效果图。

图9为混合流化床反应器的脱氮效果图。

其中，1为罐体，2为导流筒，3为筛网，4为第一导流板，5为第二导流板，6为第二导流孔，7为第一导流孔，8为挂耳，9为固定块，10为溢流堰，11为进水口，12为出水口，13为气泵，14为气体分布器，15为水泵，16为载体，17为水质监测仪，18为导流段，19为集气段，20为出气段，a为一级溶氧区，b为二级溶氧区，c为厌氧区。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

一种基于废水处理的混合流化床反应器，包括罐体、填料部件、第一导流板、第二导流板，罐体上设有进水口和出水口，进水口位于罐体的底端，出水口位于罐体的侧面，填料部件位于进水口的上方，第一导流板位于填料部件的上方，第二导流板位于第一导流板的上方，第二导流板的下端位于罐体内，第二导流板的上端高度高于出水口的高度；填料部件包括筛网和导流筒，筛网和导流筒均为中空的柱状结构，导流筒位于筛网内，筛网和导流筒之间形成环形容腔，环形容腔中装有载体；第一导流板为凹面朝下的弧面结构，第一导流板上开有第一导流孔；第二导流板内具有导流通道，导流通道连通第二导流板的上方和下方区域，第二导流板的侧面开有第二导流孔，第二导流孔连通导流通道与第二导流板的外侧。

导流通道包括依次连接的导流段、集气段、出口段，导流段和出口段均为圆柱结构，导流段的直径大于出口段的直径，集气段为圆台结构。

罐体上设有溢流堰，出水口设于溢流堰的外侧。

一种混合流化床反应器还包括挂耳、固定块，挂耳与第一导流板固定连接，固定块与罐体固定连接，固定块上设有卡槽，挂耳可拆卸地卡入卡槽内。

固定块的数量为多组，多组固定块分别处于不同的高度。

第一导流板为半球形板，第一导流板的外径与罐体的内径之比为0.6～0.9。

载体为悬浮载体。悬浮载体为内部多气孔的轻质陶瓷载体，以煤矸石和生物污泥为原料制备，其颗粒密度为1.091，比表面积为674.4。

第一导流孔的数量为多个，多个第一导流孔呈环形阵列排布。

一种混合流化床反应器还包括气泵和气体分布器，气体分布器位于进水口与填料部件之间，气泵通过进气管道与气体分布器连接。

一种混合流化床反应器的应用，将上述一种混合流体床反应器用于有毒有机废水处理。

筛网的材质为不锈钢或镍基合金，筛网套于导流筒的外侧。

罐体的底部为内径为120cm的半球形结构，底部以上的罐体高190cm。筛网的内径为75cm；环形容腔的厚度为25cm；第一导流板的内径为100cm；导流筒与筛网的高度均为150cm，导流筒顶部与第一导流板的底部处于同一平面；第一导流孔以竖直线为中轴在第一导流板上呈环形排列，第一导流孔的底端高度比第一导流板的底端高30cm；第一导流孔的底端与第二导流板的底端处于同一平面，第二导流孔开于导流段的外侧，第二导流孔呈两排环形均匀排布，第二导流孔处于液面下，第二导流孔的孔径为5cm。

上述反应器内的污泥混合液依次经过进水口、气体分布器、污泥升流区、三相分离区、出水口。污泥升流区位于填料部件的中心，由泵入的空气驱动污泥上升；三相分离区为填料部件上方区域。

上述混合流化床反应器在使用时，从底部泵入空气，气液固混合流从底部上升，从而在第一导流板的下方除了装填料的区域，都具有最高的溶氧浓度，此区域为一级溶氧区，是气、液、固均匀分布的流态化区域，活性污泥均匀流动分布于此区域，但在填料区域，活性污泥附着于载体上，在载体上形成生物膜，溶解氧在此区域内传递的过程中被微生物利用，从而在载体内部或者填料区内形成厌氧区。第一导流板以上、第二导流板内的区域形成二级溶氧区，二级溶氧区的溶氧浓度稍低于一级溶氧区。

有毒有机废水经水泵和流量计从进水口进入罐体，在气泵和气体分布器所进入的气体扰动下，气液固混合流从底部上升，在导流筒、第一导流板、水压混合作用下，大部分气液固回流到外筒区域，在此区域继续进行高效的好氧反应，同时，液体和固体通过筛网进入到载体区域，载体区域从外到内溶氧浓度逐渐降低，形成了兼氧厌氧区。也有部分到达三相分离区，但在第一导流板的作用下回流下落，一部分气体夹带液体和污泥从第一导流孔逸出，下落的气液流和污泥再次与进水混合循环上述过程，因而第一导流板的设计使反应更为充分，氧的利用率更高。从第一导流孔逸出的气液和污泥在二级溶氧区推流上升，气体在第二导流板内部的开放界面处逸散。剩余固液经第二导流孔进入第二导流板外侧区域，并沉降下落，此区域为污泥沉降区。最后废水经溢流堰从出水口流出。

在此过程中，根据流场来判定废水混合程度。在一级溶氧区流速最快，其他区域流速基本保持一致，一级溶氧区域内混合程度高；厌氧区的悬浮载体在上升气液流的带动下处于有限的移动状态，在合适的载体装载量下，此区域液相流速稳定，混合程度高；在二级溶氧区域，废水在逸出气流的扰动下，处于循环流动状态，此区域液相流速相对较小，但速度场分布均匀，混合程度高；在污泥沉降区，由于第二导流板的作用，此区域流速极小，液体在推流作用下从溢流口逸出，液体混合程度低，出水水质好。根据废水处理的生物学理论，废水的停留时间越长，生物处理程度越高，水质越好，在罐体内，废水平均停留时间大小为溢流堰内＞污泥沉降区＞二级溶氧区＞厌氧区＞一级溶氧区。本发明既保证了反应器内有良好的混合效果以提高生物处理效率，又提高了废水分离效果，使出水水质为反应器内最佳部分。

污泥沉降区内设有水质监测仪，水质监测仪内具有温度和ph传感器，生物膜区内设有溶氧微电极。

基于comsol建立简化仿真模型，模型忽略厌氧区部分，着重研究两个导流板对三相流场的影响，得到罐体内的流速分布情况，如图4所示。图4中颜色从深渐变到浅，代表着液相流速从最小值到最大值。

罐体中溶氧区域划分如图5所示，图5为图4的基础上进行气相分布仿真得到的结果。图例中颜色从深渐变到浅，代表着溶氧浓度从0到最大值。溶氧浓度与液相流场正相关，在一级溶氧区域，溶氧分布均匀，在此区域溶氧浓度最大，实际测得平均溶氧浓度为4.6mg·l-1。在二级溶氧区，实际测得平均溶氧浓度为3.3mg·l-1。在厌氧区，此区域溶氧浓度一直处于较低水平。

由于筛网为中空的圆柱体结构，以筛网的侧面作为深度的参照面，往筛网的中轴线方向为深度增加的正方向，使用溶氧微电极测得厌氧区内溶氧浓度与深度的关系如图6所示，随着深度增加，溶氧浓度快速下降，在厌氧区深处，溶氧浓度低至0±s0.02mg·l-1。

以焦化废水为例，在负荷为0.05kgcod/(m3·d)的条件下，对比本实施例的混合流化床反应器(a)与传统流化床反应器(b)稳定运行时的处理效果，实测数据如表1与图7～图9所示。

从图7可以看出，在厌氧区占用了一定好氧处理区体积后，混合流化床反应器的cod处理效果仍然与传统流化床反应器一致，cod去除率可达86.9％。

从图8～图9可以看出，混合流化床反应器可以有效的同时去除scn-、氨氮、总氮，高浓度有毒有机物在好氧或厌氧条件下降解，解除了生物脱氮的毒性抑制，在同一反应器内，硝化效率提升，氨氮降解效率高。传统流化床能降解cod和部分有毒物质，但是有毒物质不能完全降解，硝化反应受到抑制，氨氮不能完全降解(出水的平均氨氮浓度30mg·l-1)，在传统流化床反应器内均处于好氧环境，反硝化过程难以进行，总氮无法脱除(出水的平均总氮浓度为188mg·l-1)

表1

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。