颗粒污泥原位浮选除钙反应器的制作方法

本实用新型属于污水或污泥处理领域，具体涉及一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器。

背景技术：

经过一个多世纪的研发，厌氧生物反应器已发展到以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器和内循环反应器为代表的第三代反应器。厌氧生物反应器以其独特的高效、经济优势而广泛应用于工农业有机废水处理。但在处理石化、造纸、印染等工业有机废水时，遇到了高钙的挑战。废水中的Ca²⁺与微生物代谢产生的CO2结合形成CaCO3沉积于颗粒污泥表面及内部，影响颗粒污泥传质，降低了反应器的效能，同时加大了剩余污泥的处理负担。

在工程上，目前采用更换颗粒污泥的方式来解决钙化问题，该法虽然有效，但费用较大，且需再次启动反应器，影响日常废水处理。将颗粒污泥移出反应器作异位处理，则操作过程较为复杂，还会造成颗粒污泥损伤。因此，开发颗粒污泥原位除钙技术具有重要的现实意义。

由于有机酸(如乙酸)和无机酸(如硫酸)可溶解碳酸钙，因此它们可用于钙化颗粒污泥除钙。

CaCO3+2HAc→Ca(Ac)2+H2O+CO2↑

CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2↑

颗粒污泥钙化后密度变大，根据Stokes公式，其沉降速度大于普通颗粒污泥，两种污泥的临界流失流速存在差别，控制水流的上升速度介于两种流速之间，可实现钙化污泥颗粒与脱钙颗粒污泥的分选。

其中vs是单个颗粒污泥的沉降速率，dp是颗粒污泥的直径，ρp是颗粒污泥的密度，ρ是溶液的密度，μ是溶液的黏度。

本实用新型集有机质转化与钙化污泥除钙于一体，能够实现污泥的原位除钙，降低了异位操作所致的人力、物力、财力消耗以及污泥损伤。充分利用反应器自身的有机质转化产物，操作过程简便，物耗较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种颗粒污泥原位除钙反应器，特别是一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其包括反应器主体、脱钙液流加系统、沼气搅拌系统；

所述的反应器主体由下至上依次设置分布区、脱钙区、三相分离区；所述的脱钙区中设有竖直隔板，竖直隔板将脱钙区分为左右对称的左颗粒污泥床和右颗粒污泥床；竖直隔板底部延伸至分布区；所述的分布区中铺设有布水管以及位于布水管上方的布气管，且布水管和布气管都具有两组独立的模块，且以竖直隔板为中心面呈镜像分布，竖直隔板每侧均具有一组布水管模块和一组布气管模块，分别位于左颗粒污泥床和右颗粒污泥床的正下方。每组布水管模块均连接有进水管，每组布气管模块均连接有输气管；进水管连通下循环水管；所述的三相分离区的下部通过呈喇叭口状的下部扩展段与脱钙区顶部相连，三相分离区中设置有三相分离器，三相分离器位于下部扩展段的上沿及集气室下沿之间；三相分离器包括倒漏斗、升流管和降流管，倒漏斗上沿与升流管下沿相连，降流管与升流管呈同心筒；集气室位于三相分离区顶部；三相分离器外壁与三相分离区内壁夹持形成环形的沉淀室，溢流堰位于沉淀室壁上；上循环水管一端伸入三相分离区与降流管内腔连通，另一端与下循环水管连通；

所述的脱钙液流加系统中设有脱钙液贮罐、脱钙液输送泵、脱钙液输送管，脱钙液贮罐通过脱钙液输送管连接至进水管，且脱钙液输送管上设有脱钙液输送泵；

所述的沼气搅拌系统中设有沼气储罐，沼气储罐通过管道与所述的集气室顶部相连，沼气储罐还通过沼气输送管依次连接沼气增压罐和输气管，且沼气输送管上设有沼气增压泵。

基于上述方案，本实用新型还可以提供如下多种优选方式。

所述的反应器主体呈三段式的圆筒状，分布区和脱钙区的直径相同，此二区与三相分离区最大截面的直径之比为1：1.5；分布区、脱钙区、三相分离区的高度之比为1:10～12：2.5～3。

所述的布水管模块均呈半月环形，两组布水管模块的直线段均靠近竖直隔板平行设置，进水管分为两路后分别穿过分布区侧壁连通两组布水管模块，且每条支路上设有控制阀；所述的布气管模块也呈半月环形，两组布气管模块的直线段均靠近竖直隔板平行设置，输气管分为两路后分别穿过分布区侧壁连通两组布气管模块，且每条支路上也设有控制阀。

所述的竖直隔板上沿与三相分离区下沿等高，竖直隔板下沿伸入分布区10～30mm，竖直隔板下沿与分布区底面的垂直距离为40～60mm。

所述的三相分离器的倒漏斗下沿与扩展段的上沿等高，倒漏斗下沿的面积与同一高度处的三相分离区的面积之比为1：2.25；升流管上沿低于液面30～50mm；降流管上沿高出液面20～30mm，降流管下沿高出倒漏斗上沿20～30mm。

所述的布水管所在平面与分布区底面的垂直距离为30～50mm，所述布气管所在平面与分布区底面的垂直距离为50～80mm。

所述的脱钙液贮罐与反应器主体的体积之比为1：2～3。

所述的反应器主体与沼气增压罐的体积之比为1：0.3～0.5。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)采用分隔反应区的结构特化以及充气搅拌的操作特化，实现脱钙液内循环，利用除钙前后颗粒污泥密度的差异分选钙化污泥，降低脱钙液对颗粒污泥的损伤。2)可以产乙酸菌厌氧发酵形成的乙酸或硫化细菌产生的硫酸作为脱钙液，成本低廉。3)除钙所需的气体由有机物转化产生，无需额外供气，可避免氧气对厌氧颗粒污泥的毒害。

附图说明

图1是颗粒污泥原位浮选除钙反应器的正面结构示意图；

图2是颗粒污泥原位浮选除钙反应器的立体结构示意图；

图3是反应器主体的正面(a)、侧面(b)结构示意图；

图4是分布区的纵剖图(a)和俯视图(b)。

图中附图标记：反应器主体I、脱钙液流加系统II、沼气搅拌系统III、分布区I-1、脱钙区I-2、三相分离区I-3、布水管I-1-1-1、进水管I-1-1-2、布气管I-1-2-1、输气管I-1-2-2、竖直隔板I-2-1、左颗粒污泥床I-2-2、右颗粒污泥床I-2-3、三相分离器I-3-1、沉淀室I-3-2、集气室I-3-3、溢流堰I-3-4、上循环水管I-3-5、下部扩展段I-3-6、倒漏斗I-3-1-1、升流管I-3-1-2、降流管I-3-1-3、脱钙液贮罐II-1、脱钙液输送泵II-2、脱钙液输送管II-3、沼气储罐III-1、沼气增压泵III-2、沼气增压罐III-3、沼气输送管III-4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本实施例中的一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器，主要包括反应器主体I、脱钙液流加系统II、沼气搅拌系统III三部分。反应器主体I用于作为废水厌氧处理的核心区域，其厌氧反应产生的沼气被存储于沼气搅拌系统III的罐体中，沼气搅拌系统III在浮选除钙阶段可以将沼气重新泵入反应器主体I，从而无需额外供气，而且由于沼气中含氧量低，能够避免氧气对厌氧颗粒污泥的毒害。在本实施例中，脱钙液流加系统II同时起到了多重作用，需要根据工艺需要向反应器中泵入清水、待处理废水或者脱钙液。

下面详细介绍颗粒污泥原位浮选除钙反应器的结构。

如图1～4所示，反应器主体I呈三段式的圆筒状，反应器主体I由下至上依次设置分布区I-1、脱钙区I-2、三相分离区I-3。脱钙区I-2中设有竖直隔板I-2-1，竖直隔板I-2-1将脱钙区I-2分为左右对称且等体积的左颗粒污泥床I-2-2和右颗粒污泥床I-2-3。左颗粒污泥床I-2-2和右颗粒污泥床I-2-3仅顶部和底部连通，其余中间位置密闭隔离。竖直隔板I-2-1底部伸入分布区I-1。为了实现布水和布气功能，分布区I-1中铺设有布水管I-1-1-1以及位于布水管I-1-1-1上方的布气管I-1-2-1。如图4所示，布水管I-1-1-1和布气管I-1-2-1都具有两组独立的模块，且以竖直隔板I-2-1为中心面呈镜像分布，竖直隔板I-2-1每侧均有且仅有一组布水管I-1-1-1模块和一组布气管I-1-2-1模块。每组布水管I-1-1-1模块均连接有进水管I-1-1-2，每组布气管I-1-2-1模块均连接有输气管I-1-2-2。由于各组模型需要独立控制，因此每组模块上的进水管I-1-1-2或输气管I-1-2-2均需要独立控制，可采用不同的管路，也可采用同一管路分出两条支路的方式，但支路上需要分别设置控制管路通断的控制阀。本实施例中，为了使布水均匀，布水管I-1-1-1模块均呈半月环形，两组布水管I-1-1-1模块的直线段均靠近竖直隔板I-2-1平行设置，进水管I-1-1-2分为两路后分别穿过分布区I-1侧壁连通两组布水管I-1-1-1模块，且每条支路上设有电磁阀进行控制；同理，布气管I-1-2-1模块也呈半月环形，两组布气管I-1-2-1模块的直线段均靠近竖直隔板I-2-1平行设置，输气管I-1-2-2分为两路后分别穿过分布区I-1侧壁连通两组布气管I-1-2-1模块，且每条支路上也设有控制阀。布气管I-1-2-1和布水管I-1-1-1上的开孔方向均朝下。

三相分离区I-3的下部通过呈喇叭口状的下部扩展段I-3-6与脱钙区I-2顶部相连，三相分离区I-3中设置有三相分离器I-3-1。三相分离器I-3-1设置于下部扩展段I-3-6的上沿及集气室I-3-3下沿之间。三相分离器I-3-1包括倒漏斗I-3-1-1、升流管I-3-1-2和降流管I-3-1-3，倒漏斗I-3-1-1上沿与升流管I-3-1-2下沿密闭相连，降流管I-3-1-3与升流管I-3-1-2呈同心筒且两者之间夹持的环形空间底部连通沉淀室I-3-2。集气室I-3-3位于三相分离区I-3顶部，且连通三相分离器I-3-1的顶部排气口。三相分离器I-3-1外壁与三相分离区I-3内壁夹持形成环形的沉淀室I-3-2。溢流堰I-3-4位于沉淀室I-3-2壁上，反应器处理后的废水可通过溢流堰I-3-4排出。上循环水管I-3-5一端伸入三相分离区I-3与降流管I-3-1-3内腔连通，另一端与下循环水管I-1-1-3一端连通，下循环水管I-1-1-3的另一端连通进水管I-1-1-2。

降流管I-3-1-3中的混合液可以依次通过上循环水管I-3-5、下循环水管I-1-1-3、进水管I-1-1-2进入分布区I-1。当然，为了更好地实现回流，上循环水管I-3-5或下循环水管I-1-1-3上可以进一步设置一个循环泵。

脱钙液流加系统II中设有脱钙液贮罐II-1、脱钙液输送泵II-2、脱钙液输送管II-3，脱钙液贮罐II-1通过脱钙液输送管II-3连接至进水管I-1-1-2，且脱钙液输送管II-3上设有脱钙液输送泵II-2。脱钙液贮罐II-1中可以根据工艺需要，添加脱钙液、清水或者待处理废水。

沼气搅拌系统III中设有沼气储罐III-1，沼气储罐III-1通过管道与所述的集气室I-3-3顶部相连，沼气储罐III-1还通过沼气输送管III-4依次连接沼气增压罐III-3和输气管I-1-2-2，且沼气输送管III-4上设有沼气增压泵III-2。

本实用新型中，由于竖直隔板I-2-1的两侧分别设置有独立控制的布水管I-1-1-1模块和布气管I-1-2-1模块，因此可通过调节各模块的工作状态控制内部混合液的循环状态。假如左侧的布水管I-1-1-1模块和布气管I-1-2-1模块工作，右侧的布水管I-1-1-1模块和布气管I-1-2-1模块关闭，那么在循环泵和从布气管I-1-2-1泵入的增压沼气的驱动下，混合液可沿左颗粒污泥床I-2-2上升，通过三相分离区I-3下部的扩展段后，沿右颗粒污泥床I-2-3下降，再通过分布区I-1回到左颗粒污泥床I-2-2，实现混合液循环。而泵入的气体携带污泥颗粒在下部扩展段I-3-6处由于半径扩大，流速减慢导致污泥颗粒下沉，因此气体携带混合液进入倒漏斗I-3-1-1和升流管I-3-1-2，最终气体通过集气室I-3-3被重新收集至沼气储罐III-1，而混合液进入降流管I-3-1-3，并回流至分布区I-1。

本实施例中，反应器中各部件的具体参数可选择如下：

布水管I-1-1-1所在平面与分布区底面的垂直距离为30～50mm，布气管I-1-2-1所在平面与分布区底面的垂直距离为50～80mm。反应器主体I中，分布区I-1和脱钙区I-2的直径相同，此二区与三相分离区I-3最大截面的直径之比为1：1.5；分布区I-1、脱钙区I-2、三相分离区I-3的高度之比为1:10～12：2.5～3。脱钙液贮罐II-1与反应器主体I的体积之比为1：2～3。反应器主体I与沼气增压罐III-3的体积之比为1：0.3～0.5。竖直隔板I-2-1上沿与三相分离区下沿等高，竖直隔板I-2-1下沿伸入分布区10～30mm，竖直隔板I-2-1下沿与分布区I-1底面的垂直距离为40～60mm。三相分离器I-3-1的倒漏斗I-3-1-1下沿与扩展段I-3-6的上沿等高，倒漏斗I-3-1-1下沿的面积与同一高度处的三相分离区I-3的面积之比为1：2.25；升流管I-3-1-2上沿低于液面30～50mm；降流管I-3-1-3上沿高出液面20～30mm，降流管I-3-1-3下沿高出倒漏斗I-3-1-1上沿20～30mm。实际使用时，可以根据工艺需要调整各参数和比例。另外，为了方便控制，各气管或者水管上均可以设置相应的控制阀门。

基于上述反应器，本实施例还提供了一种颗粒污泥原位浮选除钙方法。在反应器主体I运行厌氧处理工艺一定时间后，沼气储罐III-1内存储了大量厌氧过程中产生的沼气，而废水中的Ca²⁺与微生物代谢产生的CO2结合形成CaCO3沉积于颗粒污泥表面及内部，影响颗粒污泥传质，降低了反应器的效能。因此，需要暂停厌氧工艺，进行颗粒污泥原位浮选除钙。除钙过程依次分四个阶段：

1)充气搅拌阶段：增压泵III-2将沼气从沼气储罐III-1抽到增压罐III-3内增压，增压沼气经沼气输送管III-4、输气管I-1-2-2后进入两组布气管I-1-2-1模块中，在分布区I-1均匀分布，气泡上升过程搅动污泥床，缓解钙化污泥结块状况。

2)浸泡脱钙阶段：由脱钙液输送泵II-2将脱钙液贮罐II-1中的脱钙液输送至进水管I-1-1-2和两组布水管I-1-1-1模块，逐渐置换颗粒污泥床中的混合液。脱钙液可以根据需要进行选择，可采用产乙酸菌厌氧发酵形成的乙酸或硫化细菌产生的硫酸等。置换完成后停加脱钙液，使颗粒污泥浸泡于脱钙液内，以溶解颗粒污泥表面和内部的碳酸钙。

3)循环浮选阶段：将增压沼气经沼气输送管III-4、输气管I-1-2-2后进入一组布气管I-1-2-1模块中，关闭另一组布气管I-1-2-1模块；然后使三相分离区I-3中的降流管I-3-1-3内液体以一定的回流比注入与呈开启状态的布气管I-1-2-1模块位于竖直隔板I-2-1同一侧的布水管I-1-1-1模块中。由此，在竖直隔板I-2-1的一侧，即存在充气，又存在回流，因此混合液在沼气的推动下在分布区、脱钙区与三相分离区之间围绕竖直隔板I-2-1形成内循环，由于脱钙颗粒污泥密度较小，在水流作用下脱钙颗粒污泥浮升并富集于污泥床上部。循环一定时间后，转换两组布气管I-1-2-1模块和布水管I-1-1-1模块的开启状态，即原本开启的布水管I-1-1-1模块和布气管I-1-2-1模块关闭，另一组布水管I-1-1-1模块和布气管I-1-2-1模块开启，改变布水侧和布气侧，使混合液反方向循环。重复该转换过程若干次后，完成钙化颗粒污泥的脱钙和浮选。

4)清洗阶段：向分布区I-1中泵入清水，冲洗颗粒污泥床，除去残留的脱钙液。

最后，重新泵入待处理废水，启动反应器的厌氧工艺。

上述工艺中，清水或待处理废水的泵入过程均可通过脱钙液流加系统(II)兼任实现。各工艺阶段的停留时间及工艺参数可以根据调试结果进行确定。

本实用新型可分时段实现有机物转化和颗粒污泥原位除钙；除钙时，停止进水，提供增压沼气和脱钙液，在脱钙液的内循环中实现颗粒污泥除钙；除钙后，停加脱钙液和增压沼气，恢复进水，利用有机物产生沼气；沼气生产和污泥除钙融于一体，装置结构简单，操作方便。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。