一种混合流化床反应器及其应用的制作方法

文档序号:25543393发布日期:2021-06-18 20:40
一种混合流化床反应器及其应用的制作方法

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。

再多了解一些
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