一体式两相厌氧脱硫反应器及其废水处理方法与流程

本发明属于废水处理装置领域，具体地说，涉及一种一体式两相厌氧脱硫反应器及其废水处理方法。

背景技术：

许多工业废水中通常含有高浓度的硫酸盐、亚硫酸盐和硫化物等，例如食用油精制废水、土豆淀粉生产废水、制浆废水和造纸废水等，该类废水的同时还含有高浓度的有机物，通常需要采用厌氧法进行处理。高浓度的硫酸盐和亚硫酸盐会对厌氧产甲烷阶段产生严重的影响，例如，当水体中亚硫酸盐浓度超过150-200mg/L即会对产甲烷菌产生严重抑制作用。因此，通常需要采用硫酸盐还原菌(SRB)将废水中高浓度硫酸盐转化为H2S，使得废水中的硫酸盐以气体H2S的形式从水体中逸出，从而达到脱硫的目的。

但是，由于硫酸盐还原菌和产甲烷菌所需要的环境条件差异很大，例如，产甲烷菌对pH要求十分严格，为6.8-7.2；同时两者之间对底物形成强烈的竞争作用，往往会导致产甲烷菌受到抑制，从而使得废水厌氧处理单元崩溃。因此，需要将脱硫相和产甲烷相进行分离，从而达到废水最佳的处理效果。例如，中国专利“一种基于厌氧段相分离技术的印染废水预处理方法”，专利号ZL 201310193106.3，即公开一种两相厌氧处理工艺，通过不同条件的控制，将厌氧脱硫和产甲烷两相进行分离。但是，该专利两相分别为独立的厌氧反应器，存在占地面积大，投资成本高，运行维修复杂等缺点。

中国专利“一种高效两相一体化厌氧反应器”，专利号：ZL 201120081174.7，开发出一种利用一体式同心圆结构反应器将脱硫阶段和产甲烷阶段相分离，同时通过三相分离器来保证两阶段污泥保持高浓度，从而达到两相厌氧分离的目的。但是，由于实际工业废水中水质水量波动较大，往往会对脱硫阶段具有较大的冲击负荷，从而导致脱硫阶段出现“过酸化”或者水解效果不足。

中国专利“多相内循反应器”，专利号：ZL 200610000917.7，公开了一种在反应器内部设置气提器对废水进行气提，从而实现废水的内循环，从而降低废水负荷冲击的影响。但是，仅通过废水自身产生的气体进行气体，往往会存在当废水运行效果较差，导致气提效果较差，从而降低稀释倍数，进而会使得进水负荷冲击更加严重，产生的气体更少，形成一个恶性循环，最后使得整个厌氧反应系统崩溃。

中国专利“内外循环高效厌氧反应器”，专利号：ZL 201320591472.X，通过气提将泥水混合物返回至底部进行内循环，将出水通过循环泵返回底部布水器进行外循环。但由于该反应器内循环为泥水混合物，虽然可以改善反应器的泥水混合效果，但是不可避免会对污泥造成物理冲击，从而导致污泥解体，出水悬浮物偏高；同时，该反应器内部管道结构复杂，对反应器设计要求高，投资成本高、维修困难。

废水中硫酸盐还原为H2S后，由于H2S在水体中的溶解度大，从而导致水体中H2S得到累积。H2S的累积往往会导致反应内壁、下水道系统和管道管件受到腐蚀。同时，当水体中硫化物浓度过高，会造成出水pH偏低，进而对后续产甲烷阶段造成严重影响。因此，需要对水体中的H2S进行进一步去除。例如，中国专利“处理含硫酸根和有机物废水的厌氧处理装置”，专利号：ZL 200910087070.4，通过将产生的沼气脱硫后进行吹脱，将水体中H2S随气体带出，从而达到脱硫的目的。但是，该反应器沼气曝气仅起到吹脱H2S作用，并未对反应器中泥水混合状态起到明显改善作用。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中，两相厌氧反应器处理废水过程中存在的硫酸根浓度高会对微生物造成抑制，脱硫相和产甲烷相不能独立分开，反应器耐冲击负荷能力不强，产生的H2S不能有效排出，反应器结构不合理、占地按面积大等问题，本发明提供了一种一体式两相厌氧脱硫反应器及其废水处理方法。它可以实现脱硫相和产甲烷相两者独立分开的目的，反应器为一体式结构，占地面积小，耐冲击负荷能力强，泥水混合状态良好，脱硫效率高。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种一体式两相厌氧脱硫反应器，包括脱硫反应池和产甲烷反应池，所述脱硫反应池和产甲烷反应池为一体式结构，废水进入脱硫反应池和产甲烷反应池依次处理，脱硫反应池和产甲烷反应池通过隔墙隔开，并通过出水堰连通。

优选地，还包括水封罐和尾气处理单元；所述脱硫反应池和产甲烷反应池所产生的气体通过沼气收集总管收集后进入水封罐；水封罐上层尾气通过管道通入尾气处理单元；所述的尾气处理单元包括脱硫单元和沼气储存单元。

优选地，所述脱硫反应池和产甲烷反应池均至少为两级，分别为一级脱硫反应池、二级脱硫反应池、一级产甲烷化反应池和二级产甲烷化反应池，均设置有配水区和反应区，两者之间通过折流板隔开；所述的配水区上部设置内循环连通管连通配水区和反应区，并与反应区顶部固定设置的三相分离器出水处连通；所述的配水区中部设置回流孔，与外部循环泵的一端连通；所述配水区底部，折流板向内弯折；三相分离器的气室与沼气收集管连接；沼气收集管均与沼气收集总管并联式连接；所述反应区的底部设置布水器，与外循环泵的另一端连通；所述反应区的底部还设置有排泥管。

优选地，所述脱硫反应池底部还设置有沼气曝气头，在配水区的对侧设置，并通过引风机与尾气处理单元连接；所述折流板向内弯折的角度为30°至60°。

优选地，在脱硫反应池前还设置有进水整流区，废水进入进水整流区整流后再通过出水堰进入一级脱硫反应池配水区。

一种一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，其特征在于，处理流程为：

(A)脱硫反应：废水由进水管进入后，经过进水整流区整流配水后，通过出水堰进入一级脱硫反应池配水区，并从其底部进入一级脱硫反应区，在反应区内进行脱硫反应，反应出水后通过出水堰溢流进入二级脱硫反应池配水区，并从其底部进入二级脱硫反应区；废水中高浓度的硫酸盐在两级脱硫反应池内被硫酸盐还原菌反应并产生大量H2S气体，产生的气体经过三相分离器分离后，通过气体收集管收集后进入水封箱，随后进入尾气处理单元进行脱硫处理后储存；

(B)产甲烷化反应：脱硫反应后，废水经二级脱硫反应区出水溢流至一级产甲烷反应池配水区中进行甲烷化反应，从其底部进入一级产甲烷反应区，反应后出水溢流至二级产甲烷反应池配水区，从其底部进入二级产甲烷反应区进一步进行甲烷化，产生的气体经过三相分离器分离后，通过气体收集管收集后进入水封箱，随后进入尾气处理单元进行脱硫处理后储存。

优选地废水处理方法，在各配水区中部设置回流孔，并通过循环泵进行循环回流；并通过底部布水器向各反应区进行均匀布水；在三相分离器与配水区之间均设置内循环连通管形成内循环，对进水进行稀释，减少废水冲击负荷；同时各反应区底部设置排泥管，定期排出过剩污泥，维持反应器内污泥浓度。

优选地废水处理方法，所述尾气处理单元中的部分沼气由循环风机输送至设置在脱硫反应池底部的沼气曝气头进行曝气和吹脱，进一步降低水体中的H2S和CO2等酸性气体浓度；所述的沼气曝气头设置在反应区一侧，沼气与进水混合后形成涡流，保证了污泥和废水充分混合。

优选地废水处理方法，所述的脱硫反应池和产甲烷反应池中污泥浓度为8～30kg VSS/m³。

优选地废水处理方法，通过循环泵进行循环回流的水量为进水流量的2～5倍。

在上述方案中，所述的脱硫反应池和产甲烷反应池并不局限于两级，可根据实际废水水质进行灵活设计，可以为两级以上。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)通过设置一体式两相反应器，将脱硫相和产甲烷相两者独立分开，使得各阶段中均具有最佳的微生物代谢环境条件，确保各相间相互影响较小；而且占地面积小，耐冲击负荷能力强，泥水混合状态良好，脱硫效率高；

(2)水封罐起到过滤沼气的作用，避免颗粒物影响尾气处理单元对沼气的处理；尾气处理单元起到处理和沼气存储的作用，使沼气资源最大化利用；

(3)设置多级反应区，当第一级受到冲击时，后续反应区可以及时进行调整，确保反应区稳定运行，耐冲击负荷能力强；折流板的底部向内弯折，起到引流的效果，并防止从底部回流；

(4)脱硫反应区可以通过外部循环泵将进水大量稀释，从而降低了水质水量波动造成的冲击负荷的影响；同时，利用水力循环的动力，增大泥水上升流速，使得反应器中污泥呈膨胀甚至流化状态，增加了泥水混合效果，提高微生物与基质的传质速率，从而提高厌氧的反应效率。甲烷反应区外部循环泵不仅可以稀释进水，提高上升流速，降低负荷冲击，同时能够补充脱硫碱度，保证废水运行pH条件稳定；

(5)采用内循环连通管和外部循环泵结合，内外循环方式将废水稀释2-5倍，避免水质水量波动带来的负荷冲击；同时，废水在进入产甲烷相前大量稀释，使得进水碱度大大提高，减少了产甲烷阶段酸性药剂的投加量，降低了运行费用；

(6)通过产生的沼气对脱硫反应池进行曝气能并将废水中大量的酸性气体进行吹脱，进一步降低水体中的H2S和CO2等气体浓度，避免了由于酸性气体的累积从而导致脱硫相过度“酸化”以及H2S浓度过高引起微生物反应受到抑制，保证了脱硫相中脱硫环境处于最佳条件，也能够保证后续产甲烷阶段稳定运行；

(7)利用反应器的结构特点，进水在配水区折板整流后与沼气曝气以及外循环底部布水共同在反应区底部形成旋流，增大了上升流速，保证反应器底部泥水充分混合，增强了污染物的传质速率和降解速率，提高了反应器的效率；

(8)排泥管定期排出过剩污泥，维持反应器内污泥浓度，确保污泥保持良好活性。

附图说明

图1为一体式内循环两相厌氧反应器；

附图标识：1、一级脱硫反应池；2、二级脱硫反应池；3、一级产甲烷化反应池；4、二级产甲烷化反应池；5、水封罐；6、尾气处理单元；7、隔墙；101、进水管；102、进水整流区；103、一级脱硫反应池配水区；104、一级脱硫反应池折流板；105、一级脱硫反应池三相分离器；106、一级脱硫反应池内循环连通管；107、一级脱硫反应池回流孔；108、一级脱硫反应池循环泵；109、一级脱硫反应池布水器；110、一级脱硫反应池沼气曝气头；111、一级脱硫反应池排泥管；112、一级脱硫反应池沼气收集管；113、一级脱硫反应区；203、二级脱硫反应池配水区；204、二级脱硫反应池折流板；205、二级脱硫反应池三相分离器；206、二级脱硫反应池内循环连通管；207、二级脱硫反应池回流孔；208、二级脱硫反应池循环泵；209、二级脱硫反应池布水器；210、二级脱硫反应池沼气曝气头；211、二级脱硫反应池排泥管；212、二级脱硫反应池沼气收集管；213、二级脱硫反应区；303、一级产甲烷反应池配水区；304、一级产甲烷反应池折流板；305、一级产甲烷反应池三相分离器；306、一级产甲烷反应池内循环连通管；307、一级产甲烷反应池回流孔；308、一级产甲烷反应池循环泵；309、一级产甲烷反应池布水器；311、一级产甲烷反应池排泥管；312、一级产甲烷反应池沼气收集管；313、一级产甲烷反应区；401、二级产甲烷反应池出水管；402、二级产甲烷反应池出水堰；403、二级产甲烷反应池配水区；404、二级产甲烷反应池折流板；405、二级产甲烷反应池三相分离器；406、二级产甲烷反应池内循环连通管；407、二级产甲烷反应池回流孔；408、二级产甲烷反应池循环泵；409、二级产甲烷反应池布水器；411、二级产甲烷反应池排泥管；412、二级产甲烷反应池沼气收集管；413、二级产甲烷反应区；501、沼气收集总管；601、引风机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，包括脱硫反应池和产甲烷反应池，还包括水封罐5和尾气处理单元6；所述脱硫反应池和产甲烷反应池为一体式结构，废水进入脱硫反应池和产甲烷反应池依次处理，脱硫反应池和产甲烷反应池通过隔墙7隔开，并通过出水堰连通。所述脱硫反应池和产甲烷反应池所产生的气体通过沼气收集总管501收集后进入水封罐5；水封罐5上层尾气通过管道通入尾气处理单元6；所述的尾气处理单元6包括脱硫单元和沼气储存单元。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，处理流程为：

A脱硫反应：废水由进水管101进入脱硫反应池后，在硫酸盐还原菌的作用下，反应并产生大量H2S气体，通过气体收集管收集后进入水封箱5，随后进入尾气处理单元6进行脱硫处理后储存；

B产甲烷化反应：脱硫反应后，废水经脱硫反应池出水通过出水堰溢流至产甲烷反应池进行甲烷化反应，产生的气体经过气体收集管收集后进入水封箱5，随后进入尾气处理单元6进行脱硫处理后储存。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，实现了脱硫相和产甲烷相两者独立分开的目的，反应器为一体式结构，占地面积小，耐冲击负荷能力强，泥水混合状态良好，脱硫效率高。

实施例2

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，如图1所示，所述脱硫反应池和产甲烷反应池均为两级，分别为一级脱硫反应池1、二级脱硫反应池2、一级产甲烷化反应池3和二级产甲烷化反应池4，两级脱硫反应池中污泥可以采用絮状污泥，污泥浓度均为8kg VSS/m³，两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度均为20kg VSS/m³；且均设置有配水区和反应区，分别为一级脱硫反应池配水区103和一级脱硫反应区113、二级脱硫反应池配水区203和二级脱硫反应区213、一级产甲烷反应池配水区303一级产甲烷反应区313、二级产甲烷反应池配水区403二级产甲烷反应区413，每两者之间分别通过一级脱硫反应池折流板104、二级脱硫反应池折流板204、一级产甲烷反应池折流板304、二级产甲烷反应池折流板404隔开；每个配水区上部均设置内循环连通管(分别为一级脱硫反应池内循环连通管106、二级脱硫反应池内循环连通管206、一级产甲烷反应池内循环连通管306、二级产甲烷反应池内循环连通管)，连通配水区和反应区，并与反应区顶部固定设置的三相分离器(分别为一级脱硫反应池三相分离器105、二级脱硫反应池三相分离器205、一级产甲烷反应池三相分离器305、二级产甲烷反应池三相分离器405)出水处连通；每个配水区中部设置回流孔(分别为一级脱硫反应池回流孔107、二级脱硫反应池回流孔207、一级产甲烷反应池回流孔307、二级产甲烷反应池回流孔407)，并均与外部循环泵(分别为一级脱硫反应池循环泵108、二级脱硫反应池循环泵208、一级产甲烷反应池回流孔308、二级产甲烷反应池回流孔408)的一端连通；每个配水区底部，折流板均向内弯折；每个三相分离器的气室与沼气收集管(分别为一级脱硫反应池沼气收集管112、二级脱硫反应池沼气收集管212、一级产甲烷反应池沼气收集管312、二级产甲烷反应池沼气收集管412)连接；各个沼气收集管均与沼气收集总管501并联式连接；各个反应区的底部设置布水器(分别为一级脱硫反应池布水器109、二级脱硫反应池布水器209、一级产甲烷反应池布水器309、二级产甲烷反应池布水器409)，均与外循环泵(分别为一级脱硫反应池循环泵108、二级脱硫反应池循环泵208、一级产甲烷反应池循环泵308、二级产甲烷反应池循环泵408)的另一端连通；所述反应区的底部还设置有排泥管(分别为一级脱硫反应池排泥管111、二级脱硫反应池排泥管211、一级产甲烷反应池排泥管311、二级产甲烷反应池排泥管411)，定期排出过剩污泥，维持反应器内污泥浓度，确保污泥活性好。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，处理流程为：

A脱硫反应：废水由进水管101进入后，经过进水整流区102整流配水后，通过出水堰进入一级脱硫反应池配水区103，并从其底部进入一级脱硫反应区113，在反应区内进行脱硫反应，反应出水后通过出水堰溢流进入二级脱硫反应池配水区203，并从其底部进入二级脱硫反应区213；废水中高浓度的硫酸盐在两级脱硫反应池内被硫酸盐还原菌反应并产生大量H2S气体，产生的气体经过三相分离器(分别是一级脱硫反应池三相分离器105、二级脱硫反应池三相分离器205)分离后，通过气体收集管(分别是一级脱硫反应池沼气收集管112、二级脱硫反应池沼气收集管212)收集后进入水封箱5，随后进入尾气处理单元6进行脱硫处理后储存；

B产甲烷化反应：脱硫反应后，废水经二级脱硫反应区213出水溢流至一级产甲烷反应池配水区303中进行甲烷化反应，从其底部进入一级产甲烷反应区313，反应后出水溢流至二级产甲烷反应池配水区403，从其底部进入二级产甲烷反应区413进一步进行甲烷化，产生的气体经过三相分离器(分别为一级产甲烷反应池三相分离器305、二级产甲烷反应池三相分离器405)分离后，通过气体收集管(分别为一级产甲烷反应池沼气收集管312、二级产甲烷反应池沼气收集管412)收集后进入水封箱5，随后进入尾气处理单元6进行脱硫处理后储存。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，经处理后，硫酸根的浓度由2200mg/L降低至160mg/L，COD浓度由23200mg/L降低至635mg/L，处理效果良好。

实施例3

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例2，改进之处在于：在脱硫反应池前还设置有进水整流区102，废水进入进水整流区102整流后再通过出水堰进入一级脱硫反应池配水区103，以保证水流的稳定。所述两级脱硫反应池底部还设置有沼气曝气头(分别为一级脱硫反应池沼气曝气头110、二级脱硫反应池沼气曝气头210)，在配水区(分别为一级脱硫反应池配水区103、二级脱硫反应池配水区203)的对侧设置，并通过引风机601与尾气处理单元6连接；每个折流板向内弯折的角度为30°，起到引流的效果。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，所述尾气处理单元6中的部分沼气由循环风机601输送至设置在两级脱硫反应池底部的沼气曝气头进行曝气和吹脱，进一步降低水体中的H2S和CO2等酸性气体浓度；通过各自循环泵进行循环回流的水量为进水流量的5倍，从而降低了水质水量波动造成的冲击负荷的影响；同时，利用水力循环的动力，增大泥水上升流速，改善反应器混合状态，提高微生物与基质的传质速率，增加厌氧的反应效率。产甲烷反应池外回流还能够补充脱硫碱度，保证废水运行过程中pH的条件稳定。

本实施例的一体式两相厌氧脱硫反应器的废水处理方法，所述的各反应区外循环流量为进水流量的2倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，污泥浓度均为10kg VSS/m³；两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度均为30kg VSS/m³。

将该反应器应用于土豆淀粉生产废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由2110mg/L降低至148mg/L，COD浓度由17800mg/L降低至594mg/L。

实施例4

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例3，不同之处在于：每个折流板向内弯折的角度为45°，所述的各反应区外循环流量为进水流量的2.5倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，污泥浓度均为12kg VSS/m³；两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度均为26kg VSS/m³。

将该反应器应用于造纸废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由3010mg/L降低至153mg/L，COD浓度由45800mg/L降低至628mg/L。

实施例5

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例3，不同之处在于：每个折流板向内弯折的角度为60°，所述的各反应区外循环流量为进水流量的3.5倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，污泥浓度分别为11kg VSS/m³和8.4kg VSS/m³；两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度分别为28kg VSS/m³和23kg VSS/m³。

将该反应器应用于制浆废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由2870mg/L降低至133mg/L，COD浓度由17800mg/L降低至349mg/L。

实施例6

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例3，不同之处在于：所述的各反应区外循环流量为进水流量的4倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，污泥浓度分别为17kg VSS/m³和12kg VSS/m³；两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度分别为23kg VSS/m³和23kg VSS/m³。

将该反应器应用于食用油精制废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由2870mg/L降低至143mg/L，COD浓度由35800mg/L降低至546mg/L。

实施例7

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例3，不同之处在于：所述的各反应区外循环流量为进水流量的3.2倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，污泥浓度分别为23kg VSS/m³和18kg VSS/m³；两级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度分别为12kg VSS/m³和15kg VSS/m³。

将该反应器应用于玉米浆生产废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由4280mg/L降低至123mg/L；COD浓度由52900mg/L降低至458mg/L。

实施例8

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例3，不同之处在于：产甲烷反应池设置三级，污水经过二级产甲烷反应池后进入三级产甲烷反应池继续进行厌氧反应。各反应区外循环流量为进水流量的3.8倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，一级脱硫反应池污泥浓度为9kg VSS/m³，二级脱硫反应池污泥浓度为8kg VSS/m³；三级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，一级产甲烷反应池污泥浓度为29kg VSS/m³，二级产甲烷反应池污泥浓度为23kg VSS/m³，三级产甲烷反应池污泥浓度为12kg VSS/m³。

将该反应器应用于玉米浆生产废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由2380mg/L降低至133mg/L；COD浓度由52900mg/L降低至458mg/L。

实施例9

本实施例的一种一体式两相厌氧脱硫反应器，基本结构同实施例8，不同之处在于：脱硫反应池和产甲烷反应池均设置为三级。各反应区外循环流量为进水流量的5.0倍，脱硫反应池中污泥采用絮状污泥，一级脱硫反应池污泥浓度为13kg VSS/m³，二级脱硫反应池污泥浓度为10kg VSS/m³，三级脱硫反应池污泥浓度为8kg VSS/m³；三级产甲烷反应池中污泥采用颗粒污泥，污泥浓度均为20kg VSS/m³。

将该反应器应用于味精生产废水的处理中，经处理后，硫酸根的浓度由3480mg/L降低至112mg/L；COD浓度由22600mg/L降低至386mg/L。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。