一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法
2023-05-27 05:29:16
專利名稱：一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法
技術領域：
本發明涉及一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，尤其涉及一種針對苯酚廢水的處理方法，屬於環境工程及工業廢水處理技術領域。
背景技術：
含酚廢水主要來源於焦化、煤氣和石化工業，是一類難降解有機廢水。而苯酚在酚類化合物中毒性最大，美國環保署把苯酚列入優先汙染物的65種有毒汙染物名單中，我國也把苯酚列入中國環境優先汙染物黑名單之中。隨著工業生產規模的不斷擴大，含酚廢水的排放量日益提高，從而出現了與之相關的含酚廢水處理技術。
目前，含酚廢水的處理方法主要包括萃取法、吸附法、化學氧化法和活性汙泥法等。萃取法、吸附法和化學氧化法等是傳統的廢水處理方法，由於這些方法存在投資大，運行費用高，易於對環境造成二次汙染等問題，在大規模工業廢水處理領域的應用受到限制。活性汙泥法運行費用低，運行操作簡單，出水無二次汙染，是最重要的工業廢水處理方法。
在活性汙泥法處理含酚廢水的工藝中，分段式厭氧好氧活性汙泥工藝是目前難降解廢水的主要處理方式，廢水按一定順序經過厭氧池、兼性厭氧池和好氧池的處理，實現難降解成分的去除，此工藝處理效果較好，但是廢水處理池佔地面積大，處理效率低，厭氧裝置啟動維護困難，水力停留時間長，投資費用較高。近年來，隨著生物流化床在廢水處理領域中的應用，以及一體式厭氧生物降解和好氧生物降解工藝的提出，使難降解廢水的處理效果明顯提高，相關的廢水處理技術受到日益廣泛的重視。
生物流化床是近年來出現的一種新型的廢水處理裝置，它包括內循環生物流化床與外循環生物流化床兩種形式，其中內循環生物流化床的導流筒又可分為一級與多級，一根與多根等不同形式。生物流化床應用於廢水處理領域，使得氣液固三相混合效果良好，佔地面積小，可以極大的提高空氣、廢水與載體汙泥三相的接觸面積，提高了好氧活性汙泥法的處理效率。
同時，基於生物流化床的特點，開發出一些在同一反應器內進行厭氧生物降解和好氧生物降解的流程。例如利用內循環式生物流化床內筒溶氧高、外筒溶氧低的特點，通過內部結構改造，可以分別強化內筒好氧和外筒厭氧的環境，使得好氧活性汙泥和厭氧活性汙泥共存於同一反應器的不同位置，實現了厭氧好氧的一體化。此類型廢水處理流程工藝簡捷，運行費用低，管理方便，但是好氧厭氧處理過程的匹配仍需改進，且反應器的結構或操作方法往往過於複雜。
為進一步提高生物流化床的效率，近來研究者提出的內循環三相流化床，將活性炭、焦炭等粒徑在0.3-2mm的無機載體或聚乙烯、聚丙烯有機高分子載體，填充在床內。此類流化床所選用的載體的粒徑一般非常小，其主要作用是構建微生物生長的核心和增加吸附的表面積，從而使床內保持高濃度的生物量，提高空氣、廢水與載體汙泥三相的接觸面積，該法可明顯提高好氧降解的效率，但是沒有將厭氧過程耦合在流化床中。
本專利在現有技術的基礎上，立足於生物系統的協同關係及生物流化床中的高傳質係數，提出在生物流化床中填加當量直徑範圍為10-40mm的大孔載體，通過載體內部出現的適合厭氧菌生長的區域，在生物流化床內引入厭氧環境，實現厭氧生物降解和好氧生物降解在同一裝置內的耦合，從而提高含酚廢水處理效率的方法。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有含酚廢水處理方法佔地面積大、能耗高、停留時間長和處理效率低等缺點，提出更為有效的含酚廢水處理方法。該方法通過將厭氧生物處理和好氧生物處理過程耦合起來，實現厭氧好氧處理一體化，使得含酚廢水處理過程中的能耗降低、停留時間縮短、處理效率提高、投資和運行費用降低。
本發明技術方案如下一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，該方法包括如下步驟a.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在7.0-8.5之間；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
本發明的核心是在一個生物流化床中同時提供了好氧生物和厭氧生物生存的環境，同時兩個環境間的物質可以通過擴散交換，從而實現了厭氧生物降解和好氧生物降解的耦合。
在生物流化床中懸浮有好氧活性汙泥，通過生物流化床中的曝氣裝置，為好氧活性汙泥提供溶氧，實現好氧降解；通過在流化床中投入可懸浮的、化學和生物穩定的大孔載體，利用大孔載體內存在的厭氧微生物的生存環境，實現厭氧降解。大孔載體的內核部分為厭氧環境，構成專性厭氧菌生長區，載體的外層為缺氧環境，構成兼性厭氧菌生長區。通過被動擴散和流體的衝刷作用，有機物可以進入載體內部，同時載體內部的厭氧降解產物也可進入流化床主體，實現厭氧降解和好氧降解在同一流化床反應器內的耦合。
為達到本發明的效果，本發明還採用了下述的技術方案
1)在整個載體中，至少有20％體積為厭氧菌可生長的環境，同時為減小物質在載體內部擴散到流化床主體的阻力，為此載體具體的尺寸特徵滿足如下標準當量直徑範圍為10-40mm，任何一維的最小尺度不小於8mm，孔徑尺寸範圍為0.5-2.0mm，體積空隙率範圍為80％-95％，其具體的尺寸應根據不同的工業要求確定。
2)投加的大孔懸浮載體的體積佔生物流化床有效體積的比值範圍為1-40％，其投加量的最佳範圍是5-30％。
本發明中採用的大孔懸浮載體的材料可以是聚亞氨酯、聚氨酯、纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一種或幾種混合；形狀為各種形狀或者不同形狀的混合；所用的生物流化床包括各種形式的內循環生物流化床和外循環生物流化床。本發明提出的含酚廢水的處理方法，既可應用於序批式處理工藝也可應用於連續流式處理工藝。
本發明的原理本發明利用生物流化床取代普通活性汙泥曝氣池，強化了氣液固三相的傳質作用，一方面提高溶氧和氧氣的利用率，強化了好氧生物降解；另一方面使得好氧活性汙泥與廢水充分混合，在較低的氣流量下提高了好氧活性汙泥的處理效率。
本發明將多孔有機懸浮載體加入到好氧活性汙泥體系中，一方面由於溶解氧從主體好氧活性汙泥體系向載體內部傳遞過程中的阻力，載體內部將逐漸形成缺氧或厭氧的微環境；另一方面促進載體內部和表面微生物的富集和固定化。
由於微生物的種群分布與所處的溶氧環境密切相關，流化床主體環境中為好氧活性汙泥體系，而在載體內部則以兼性厭氧微生物和專性厭氧微生物為主。因此，通過在好氧活性汙泥工藝中引進生物流化床和多孔隙有機懸浮載體技術，分別強化了好氧生物降解過程和厭氧生物降解過程，實驗了厭氧生物處理與好氧生物處理的耦合。
由於將好氧、厭氧生物處理過程在同一反應器內耦合起來，廢水中的難降解有機汙染物將首先在載體內的厭氧環境中實現結構轉變，成環的大分子物質將變成鏈狀分子，從難降解物質轉變為易生物降解的中間產物，然後擴散到流化床主體，在主體的好氧環境中實現進一步的生物降解。
綜上所述，本發明的優點是1)停留時間縮短、處理效率提高厭氧好氧耦合生物處理法處理含酚廢水的過程中，厭氧過程能夠有效的提高難降解有機物的生物降解性，而中間產物有可以在強化的好氧過程中實現快速降解，從而使得整個生物處理過程的停留時間縮短，處理效率提高。
2)佔地面積小、投資小厭氧好氧耦合生物處理法，一方面利用生物流化床取代傳統的曝氣池，減小了好氧處理的佔地面積；另一方面，通過引入多孔隙有機大孔懸浮載體，使得分段式的好氧厭氧處理工藝實現一體化，從而取消了厭氧消化池，因而本技術大大減少了佔地面積，節約了投資。
3)啟動、操作和維護簡單厭氧好氧耦合生物處理法是一種基於傳統活性汙泥法的集成耦合生物處理方法，工藝流程簡潔，廢水處理裝置的啟動、操作和維護簡單。
4)剩餘汙泥產量小由於生物流化床高溶氧的特點，使得微生物新陳代謝旺盛，在整個生長周期中內源呼吸期延長，又因為載體使得厭氧環境得到強化，兩方面共同作用實現了剩餘活性汙泥的原位降解，從而降低了剩餘汙泥的產量。
圖1本發明處理體系結構示意圖。
圖2本發明的厭氧好氧耦合環境示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的厭氧好氧耦合生物處理體系結構如圖1所示(以氣升式內環流生物流化床為例)，主體設備為生物流化床，內部設有曝氣裝置3，導流筒4，而有機大孔懸浮載體2均勻分布在好氧活性汙泥體系1中。
本發明中載體內部的微環境如圖2所示，多孔隙有機大孔懸浮載體的內核部分為厭氧環境，構成專性厭氧菌生長區7；載體的中間部分為缺氧區，構成兼性厭氧菌生長區6；載體的表層為好氧區，為好氧菌生長區5。
下面給出基於本發明的部分具體實施例，但本發明專利所保護的內容並限於實施例。
實施例1大孔懸浮載體內的微生物相流化床類型氣升式內環流生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量佔反應器有效容積的體積比1％載體尺寸15mm×15mm×15mm；載體孔徑1.25mm；空隙率95％；最小一維尺寸15mm汙泥來源廢水處理廠二沉池汙泥a.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在7.0左右；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
當汙泥馴化後，取出單個載體進行掃描電鏡觀察，可以發現載體內核與外部的微生物相有著顯著的區別，內核部分出現了一定數量的螺旋菌，這是生長在厭氧環境的典型菌種，表徵大孔懸浮載體內部確實形成了厭氧環境。
實施例2序批式活性汙泥工藝流化床類型氣升式內循環一級生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量佔反應器有效容積的體積比30％；載體尺寸10mm×10mm×8mm；載體孔徑0.5mm；空隙率80％；最小一維尺寸8mm處理周期12ha.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在8.0左右；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷鹽類。其中進水CODcr為3198.8mg/L，苯酚含量為865.8mg/L，pH為7.33。出水CODcr為59.2mg/L，苯酚未檢測出，pH為7.43。本例的CODcr去除率為98.1％，活性汙泥濃度為7.0g/L，汙泥體積指數為60.0ml/g。
實施例3序批式活性汙泥工藝流化床類型氣升式內循環一級生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量佔反應器有效容積的體積比5％載體尺寸25mm×25mm×25mm；載體孔徑1.25mm；空隙率95％；最小一維尺寸25mm處理周期24ha.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在8.5左右；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、氮、磷鹽及少量葡萄糖。其中進水CODcr為4137.0mg/L，苯酚含量為1464.2mg/L，pH為8.45。出水CODcr為278.3mg/L，pH為7.63。本例的CODcr去除率為93.3％，活性汙泥濃度為7.7g/L，汙泥體積指數為55.2ml/g。
實施例4連續流式活性汙泥工藝流化床類型氣升式內循環二級生物流化床；有效容積67L載體材料聚亞氨酯；載體孔徑2mm；空隙率90％；最小一維尺寸15mm本實施例將兩種不同尺寸的載體混合使用載體尺寸115mm×15mm×15mm；載體投加量佔反應器的體積比20％載體尺寸240mm×40mm×40mm；載體投加量佔反應器的體積比20％水力停留時間28ha.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在7.5左右；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷鹽類。其中進水CODcr為12810.9mg/L，苯酚含量為3903.5mg/L。出水CODcr為1965.1mg/L。本例的CODcr去除率為84.7％，活性汙泥濃度為5.7g/L，汙泥體積指數為28.0ml/g。
權利要求
1.一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟a.廢水首先進入調節池，根據水中各種營養元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養鹽類，並調節廢水pH在7.0-8.5之間；b.調節後的廢水進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；c.經過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進入沉降池中進行泥水分離；d.經過靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。
2.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述大孔懸浮載體當量直徑範圍為10-40mm，任何一維的最小尺度不小於8mm，孔徑尺寸範圍為0.5-2.0mm，體積空隙率範圍為80％-95％。
3.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述大孔懸浮載體投加的體積佔生物流化床有效體積的1-40％。
4.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述大孔懸浮載體投加的體積佔生物流化床有效體積的5-30％。
5.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述大孔懸浮載體採用的材料為聚亞氨酯、聚氨酯、纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一種或幾種。
6.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述生物流化床為內循環生物流化床。
7.根據權利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特徵在於，所述生物流化床為外循環生物流化床。
全文摘要
本發明涉及一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，屬於環境工程及工業廢水處理技術領域。廢水首先進入調節池調節後進入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現廢水降解；排出流化床，靜置，將上層達標水排出，下層沉降汙泥小部分排放，大部分回流至流化床內繼續參與廢水處理過程。本發明在一個生物流化床中同時提供了好氧生物和厭氧生物生存的環境，同時兩個環境間的物質可以通過擴散交換，從而實現了厭氧生物降解和好氧生物降解的耦合；本發明停留時間縮短、處理效率提高，佔地面積小、投資小，啟動、操作和維護簡單，剩餘汙泥產量小，既可應用於序批式處理工藝也可應用於連續流式處理工藝。
文檔編號C02F3/30GK1850656SQ20061001207
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月31日 優先權日2006年5月31日
發明者趙洲洋, 蔣國強, 喬永, 丁富新 申請人:清華大學