专利名称：连续搅拌生物沥滤反应器及其生物沥滤方法
技术领域：
本发明涉及一种连续搅拌生物沥滤反应器及其生物沥滤方法，按照所述方法运行连续搅拌反应装置能高效去除污泥中重金属，实现污泥的重金属无害化。
背景技术：
目前我国每年城市污泥处理率仅有7％，而污泥处理处置费用高达污水厂总运行费用的40～60％，对污泥进行经济高效的处置具有深远社会经济意义。污泥主要成分是有机质，同时还含有大量N、P、K等营养元素，具有很好的肥效[1]。我国是发展中国家，又是农业大国，污泥土地利用费用低，应是最为现实可行的消纳途径。但污泥含有多种有害物质，最主要为重金属，污泥中重金属会在土壤和水体中迁移，具有潜在生态威胁，因而应进行污泥重金属的无害化处理以提高污泥土地利用的安全性。
城市污水处理厂的污泥性质很复杂，徐颖对其主要性状进行了总结描述[2]。生物沥滤是近几年污泥重金属无害化的研究热点，它利用污泥中的土著微生物产酸作用将污泥中重金属溶出而达到污泥脱毒的目的。其操作简单、经济成本较低，且重金属去除效率高，运行过程中无需特殊控制，系统在10-37℃范围内均能沥滤金属，而且任何类型污泥都能用此法沥滤金属，并可和已有的好氧污泥消化法相结合，能充分利用已有运行设施，降低操作成本和基建费，具有很好的开发应用前景。生物沥滤主体微生物是硫细菌，不同种类的硫细菌所利用的底物不尽相同。其中以单质硫为底物的硫细菌，增殖条件要求较低，在污泥中性的pH值条件下就可以进行，生物沥滤效率高，而且硫细菌所需的底物单质硫，即通常所称的硫磺，该原料来源广泛，成本较低，容易保存和运输，所以日益受到关注。
生物沥滤反应器有多种形式，其中最为简单高效的一类为连续搅拌反应器，传统的连续搅拌生物沥滤反应器为圆柱形[3]。但传统的圆柱形连续搅拌生物沥滤反应器经常出现的问题是硫粉易沉于底部，若能进一步对反应器进行改进，提高搅拌效果，则能更好的提高其运行效率，缩短沥滤周期，提高污泥处理量，降低运行经济成本。将反应器设计为一种底部较小，且类似半球形，减少了水力阻力，水力死角少，污泥搅拌更为充分，减少了硫粉沉降的现象，利于生物沥滤过程中污泥中硫细菌与单质硫之间的传质，可以更为高效的利用单质硫，从而进一步提高生物沥滤工艺的经济可行性，促进该工艺的工程应用。
参考文献[1]乔显亮，骆永明.我国部分城市污泥化学组成及其农用标准初探[J].土壤，2001，33(4)205-209. 徐颖.污泥用作农肥处置及其环境影响[J].环境污染与防治，1993，15(8)23-27. Filali-Meknassi Y，Tyagi R D，Narasiah K S.Simultaneous sewage sludgedigestion and metal leachingeffect of aeration[J].Process Biochemistry，2000，36(3)263-273.
发明内容
本发明目的是提供一种连续搅拌污泥生物沥滤反应器及其生物沥滤方法连续搅拌生物沥滤反应器具有反应器上部、反应器中部、反应器底部，在反应器内设有搅拌器，反应器底部为一个半球形截去横截面半径从0～2/5-1/2半球半径的部分，反应器底部顶端半径为半球半径，反应器底部高度占反应器总高度的1/4-1/3，反应器中部上端半径为反应器底部半球半径的1.3-1.5倍，反应器中部高度为反应器总高度的1/10-1/15，反应器上部半径为底部半球半径的1.8-2.3倍，反应器上部高度为反应器总高度的1/3-1/2。反应器高度与反应器底部半球半径的比值为1.2-1.8。
连续搅拌生物沥滤方法，是在连续搅拌生物沥滤反应器中，加入其有效容积的1/2-3/5的城市污水处理厂污泥，再加入2-5g/L单质硫粉，并通过电动搅拌器以每分钟100-200转进行连续搅拌，即可进行污泥中重金属生物沥滤。
本发明的有益效果是，污泥搅拌更为充分，减少了硫粉沉降的现象，利于生物沥滤过程中污泥中硫细菌与单质硫之间的传质，可充分实现硫的高效利用，缩短沥滤周期，提高污泥处理量，降低运行经济成本。传统圆柱形连续搅拌生物沥滤反应器中的硫会因搅拌强度不足较多发生重力沉降而沉积于反应器底部，从而影响污泥中重金属的溶解，并且造成单质硫的严重浪费。而采用该连续搅拌生物沥滤装置和方法可以提高加强搅拌和传质，提高沥滤效率，大大减少硫沉积的现象。
图1是连续搅拌生物沥滤反应器结构示意图，图中反应器上部1、反应器中部2、反应器底部3、搅拌器4；图2是连续搅拌生物沥滤反应器运行原理示意图，图中搅拌器4、硫粉5、污泥6。
具体实施例方式
如图1所示，连续搅拌生物沥滤反应器具有反应器上部1、反应器中部2、反应器底部3，在反应器内设有搅拌器4，反应器底部为一个半球形截去横截面半径从0～2/5-1/2半球半径的部分，反应器底部顶端半径为半球半径，反应器底部高度占反应器总高度的1/4-1/3，反应器中部上端半径为反应器底部半球半径的1.3-1.5倍，反应器中部高度为反应器总高度的1/10-1/15，反应器上部半径为底部半球半径的1.8-2.3倍，反应器上部高度为反应器总高度的1/3-1/2。反应器高度与反应器底部半球半径的比值为1.2-1.8。它最大的特征在于生物沥滤反应器底部内径小于反应器上部，且反应器底部构型为一个半球形截去横截面半径从0～2/5-1/2半球半径的部分，反应器底部顶端半径即为半球半径，从而水力死角少，减少了水力阻力。
本发明是在连续搅拌生物沥滤反应器中，加入其有效容积的1/2-3/5的城市污水处理厂污泥，再加入2-5g/L单质硫粉，并通过电动搅拌器以每分钟100-200转进行连续搅拌，即可进行污泥中重金属生物沥滤。可以更好的促进生物沥滤过程中污泥的有效搅拌，增加污泥中硫氧化菌和底物硫的传质机会，实现对硫更为充分的利用，从而提高污泥中重金属的沥出效率，缩短运行时间。
本发明采用生物沥滤反应器处理城市污水处理厂剩余污泥操作方法如下1)连续搅拌生物沥滤反应器设计连续搅拌生物沥滤反应器为玻璃制成，容积为14L。反应器顶部半径为15.3cm，反应器底部上端半球半径为12cm，下端为8cm，反应器总高度为25.4cm，上部、中部和底部的高度分别为9.4cm、1.6cm和7.2cm。
2)连续搅拌生物沥滤反应器和生物沥滤方法运作运行过程中，连续搅拌生物沥滤反应器内污泥体积均为5L，运行前加入3g/L(硫粉重量/污泥体积)硫粉作为其底物。采用杭州电仪厂生产的DD25-2F电动搅拌机进行连续搅拌，转速为200rpm，所用不锈钢搅拌棒的顶端搅拌桨半径为2.5cm。污泥取样后通过离心进行固液分离，测定污泥pH值以及上清液中溶解的重金属含量。污泥取自杭州市四堡污水处理厂，为初沉池和二沉池混和的剩余污泥。
实施例1本试验是小试规模的污泥重金属生物沥滤，利用容积为14L的CSTR生物沥滤装置进行。所采用剩余污泥的初始性质如下pH值7.84，SS 6.99g/L，Cu243.8mg/kg干污泥，Zn 2935.5mg/kg干污泥。
运行温度变动范围在18-21℃，经过15天运行达到较好的重金属溶出效果。反应器内污泥pH值由起始的7.84逐渐降低，开始降低较为缓慢，到第7天出现较大幅度的降低，降为3.7，第9天和11天分别为2.65、2.26，14天pH值没有出现进一步的降低，为2.4。经14天的生物沥滤污泥中Cu和Zn从污泥中溶出效率，即Cu和Zn的去除率可分别达到98.9％和84.5％。而试验中同时运行传统的圆柱形连续搅拌生物沥滤反应器进行对比，结果表明，采用传统的圆柱形连续搅拌生物沥滤反应器中生物沥滤进行14天后，Cu和Zn的去除率分别为59.7％和80.4％。
通过该小试试验证明，采用连续搅拌生物沥滤反应器与生物沥滤方法能够14天左右达到Cu和Zn种金属去除的高峰，说明该生物沥滤反应器容易启动，重金属的去除率明显高于传统的圆柱形连续搅拌生物沥滤反应器。这种连续搅拌生物沥滤反应器和生物沥滤方法能更好的实现硫细菌对硫的利用，提高了沥滤效率，缩短运行周期。
实施例2本试验利用容积为14L的连续搅拌生物沥滤反应器小试规模运行。所采用剩余污泥的初始性质如下pH值5.04，SS 19.89g/L，Cu 239.5mg/kg干污泥，Zn 3196.5mg/kg干污泥。运行温度为8-18℃。该实施例与实施例1污泥来源不同的是经实施例1生物沥滤处理后的污泥，从反应器排出50％体积的污泥，然后再加入50％杭州四堡污水处理厂新鲜污泥。运行结果表明，污泥中的Cu和Zn分别经过13天和9天，即可达到生物沥滤的峰值，去除率分别为97.6％和89.4％。污泥中硫细菌活性在一定温度范围内，随着温度的降低而活性变弱。该实施例虽然比实施例1温度明显降低，但采用的连续运行，以实施例1生物沥滤后的部分污泥为接种液，仍能较快达到很好的金属去除效果。
实施例3本试验利用容积为14L的连续搅拌生物沥滤反应器进行。所采用剩余污泥的初始性质如下pH值4.37，SS 20.52g/L，Cu 400.9mg/kg干污泥，Zn3595.5mg/kg干污泥。运行温度为8-14℃。该实施例的污泥为实施例2经生物沥滤处理后的污泥，从反应器排出50％体积的污泥，然后再加入50％新鲜污泥。运行结果表明，生物沥滤后5天，污泥pH即可降至2.28，污泥中的Cu和Zn分别经过9天和7天，即可达到生物沥滤的峰值，去除率分别为88.0％和91.1％。
权利要求
1.一种连续搅拌生物沥滤反应器，其特征在于，它具有反应器上部(1)、反应器中部(2)、反应器底部(3)，在反应器内设有搅拌器(4)，反应器底部为一个半球形截去横截面半径从0～2/5-1/2半球半径的部分，反应器底部顶端半径为半球半径，反应器底部高度占反应器总高度的1/4-1/3，反应器中部上端半径为反应器底部半球半径的1.3-1.5倍，反应器中部高度为反应器总高度的1/10-1/15，反应器上部半径为底部半球半径的1.8-2.3倍，反应器上部高度为反应器总高度的1/3-1/2。反应器高度与反应器底部半球半径的比值为1.2-1.8。
2.一种连续搅拌生物沥滤方法，其特征在于，在连续搅拌生物沥滤反应器中，加入其有效容积的1/2-3/5的城市污水处理厂污泥，再加入2-5g/L单质硫粉，并通过电动搅拌器以每分钟100-200转进行连续搅拌，即可进行污泥中重金属生物沥滤。
3.根据权利要求1所述的一种连续搅拌生物沥滤方法，其特征在于，所述的连续搅拌生物沥滤反应器具有反应器上部(1)、反应器中部(2)、反应器底部(3)，在反应器内设有搅拌器(4)，反应器底部为一个半球形截去横截面半径从0～2/5-1/2半球半径的部分，反应器底部顶端半径为半球半径，反应器底部高度占反应器总高度的1/4-1/3，反应器中部上端半径为反应器底部半球半径的1.3-1.5倍，反应器中部高度为反应器总高度的1/10-1/15，反应器上部半径为底部半球半径的1.8-2.3倍，反应器上部高度为反应器总高度的1/3-1/2。反应器高度与反应器底部半球半径的比值为1.2-1.8。
全文摘要
本发明公开了一种连续搅拌生物沥滤反应器及其生物沥滤方法。本发明是在连续搅拌生物沥滤反应器中，加入其有效容积的1/2－3/5的城市污水处理厂污泥，再加入2－5g/L单质硫粉，并通过电动搅拌器以每分钟100－200转进行连续搅拌，即可进行污泥中重金属生物沥滤。本发明采用的反应器，底部内径小于顶部，减少水力阻力，水力死角少，污泥搅拌更为充分，大大减少硫粉沉积于反应器底部的现象，利于生物沥滤过程中污泥中硫细菌与单质硫之间的传质，可充分实现硫的高效利用，缩短沥滤周期，提高污泥处理量，降低运行经济成本。
文档编号C02F11/02GK1683263SQ20051004930
公开日2005年10月19日 申请日期2005年3月8日 优先权日2005年3月8日
发明者陈英旭, 华玉妹, 丁颖 申请人:浙江大学