發酵工業廢水分質回用系統和方法

2023-04-26 00:37:26 3

專利名稱：：發酵工業廢水分質回用系統和方法
技術領域：
：本發明涉及工業廢水的回用系統和方法，更具體的說是一種對發酵工業廢水經過厭氧加好氧二級生化處理後的出水進行分質回用的系統和方法。
背景技術：
：大力推廣工業節水、提高工業用水效率是緩解我國水資源供需矛盾的根本途徑，同時可減少廢水排放量，保護水環境，從而促進我國社會經濟的可持續發展。我國發酵工業發達，酵母、酒精、檸檬酸、啤酒、維生素C和味精等行業的水平和規模位居世界前列，是我國重要的支柱產業之一，但生產過程中取水量和廢水排放量巨大，因此在工業節水、實現廢水再生回用方面具有極大潛能。常規生化處理工藝可去除發酵工業廢水中大部分有機物，能夠達到現有的汙水排放標準，但其中的無機鹽、生色物質和小分子溶解性有機物難以被去除，成為發酵工業廢水實現再生回用的主要障礙。目前在工業廢水再生回用領域研究較多的技術主要是混凝、吸附、高級催化氧化、電解、離子交換、膜分離和強化生物技術等。然而，發酵工業廢水經過二級生化處理後，其出水色度較高、C0D值較低且主要為溶解性難降解有機物、B0D/C0D值低、含大量無機鹽、水量大，單獨採用上述某種技術難以實現經濟有效的再生回用，會有汙泥產量大、成本高昂、處理效果不好、易產生二次汙染等缺點，因此需要將各種技術有機組合起來對發酵廢水進行深度處理。目前雖有很多關於其他工業廢水再生回用組合技術的研究和報導，但由於廢水水質水量不同、再生回用的水質要求不同，或者有成本較高、工序繁瑣、二次汙染等缺點，無法將其應用於發酵工業廢水的再生回用。電催化氧化技術是一種高級氧化技術，在處理高鹽度、較高色度、生物難降解的廢水時較其他廢水處理工藝更有優勢，能夠有效提高廢水的可生化性和脫除色度，可用於生物處理工藝的預處理。關於電催化氧化技術在廢水處理中的研究和應用已有許多報導。電催化氧化反應器主要由電極板、電解槽和電源等組成，電極板應根據待去除物質的性質選擇，主要包括可溶性電極(如鐵)和非溶性電極(如石墨)等，不同電極能夠產生不同的電解作用，如氧化、還原、電絮凝、電浮選等。此外，電催化氧化反應的處理效果還受到極板間距、電流密度、pH、反應時間等因素的影響。—體化生物反應器是將不同生物處理工藝整合在一個反應器內以處理廢水，具有投資少、佔地少、能耗小、管理方便等優點，近年來倍受國內外研究者的青睞。但目前研究開發的一體化反應器多應用於處理高濃度易於生物降解的工業廢水，或是用於處理性質較穩定、中低濃度的中小規模生活汙水和少數小規模工業廢水，偏重於對COD和氮的去除，而且啟動時間長，有較多剩餘汙泥產生，而在發酵工業廢水深度處理領域，還未見針對性強、啟動快、易馴化、停留時間短、剩餘汙泥量少的一體化生物反應器的開發與應用。膜分離技術是近年來新興的水處理技術，由於具有出水水質好、操作簡單、佔地小、能耗低等優點，已逐漸在工業廢水深度處理中得到應用。膜分離技術包括微濾、超濾、納濾和反滲透等。微濾膜孔徑一般為O.liim-10iim，可截留去除水中的懸浮物、細菌、膠體顆4粒等。納濾膜的截留分子量為100-1000Dalton，能夠截留去除水中的小分子有機物，同時由於膜上有帶電基團，因此對離子也有去除效果。反滲透膜是截留能力最強的膜，基本上能將水中有機物和鹽類都截留下來。膜材料有很多種，目前以有機高分子聚合物材料為主，可分為親水性膜和疏水性膜，親水性膜抗汙染能力通常強於疏水性膜。膜分離技術的處理效果和使用壽命受到操作壓力、產水率等因素的重要影響。
發明內容1.發明要解決的技術問題發酵工業廢水經生化處理後出水色度較高、COD值較低且主要為溶解性難降解有機物、B0D/C0D值低且含大量無機鹽、水量大，使用現有技術難以經濟有效地實現其再生回用，本發明提供一種發酵工業廢水分質回用系統和方法，按照方法使用該系統能夠經濟有效實現發酵工業廢水的再生回用。2.技術方案本發明的原理是針對發酵工業廢水經生化處理後出水色度較高、C0D值較低且主要為溶解性難降解有機物、B0D/C0D值低且含大量無機鹽、水量大等特點，以電催化氧化技術為預處理手段，以具有耐高鹽、生物量大、生物固體停留時間長、抗衝擊負荷能力強的新型一體化生物反應器為核心技術，以微濾、納濾、反滲透膜分離技術為水質強化技術，將各工藝有機組合，在合理分配各工藝處理負荷的基礎上，充分發揮各工藝自身特有功能，使各工藝出水能夠滿足城市汙水再生利用的不同標準，經濟高效地實現分質回用。本發明的特點在於電催化氧化加新型一體化生物反應器對COD和色度有理想的去除，成本低，效果好，能夠很好地滿足後續膜處理進水水質要求，減少膜處理裝置的負荷，降低成本。—種發酵工業廢水分質回用系統，包括電催化氧化反應器、微濾裝置、納濾裝置和反滲透裝置，其特徵在於還包括一體化生物反應器，電催化氧化反應器連接一體化生物反應器，一體化生物反應器連接微濾裝置，微濾裝置連接納濾裝置，納濾裝置連接反滲透裝置。電催化氧化反應器使用非溶性電極(石墨電極)，在破壞有機物不飽和鍵、提高可生化性、減少有機碳源損失的同時，避免使用溶性電極(如鐵電極)造成的電極消耗快、汙泥量大的缺點，不需設置二沉池；電極板排列設置為與地面垂直方向，可以在反應時產生上浮的氣泡，衝刷極板表面，防止汙染物在電極表面堆積。—體化生物反應器為上流式，由上、中、下三部分組成；上部為好氧移動床生物膜反應器(MBBR);下部為上流式厭氧生物濾池(AF)，使用無機固體生物活性填料；中間過渡區由三相分離裝置和曝氣裝置組成，三相分離裝置由斜板和菱形擋板組成，三相分離裝置上方為曝氣裝置，曝氣裝置採用穿孔管，穿孔管之間留出一定空隙；MBBR、AF和過渡區高度可根據進水水質水量和處理要求進行調節；AF填料與反應器底部之間為填料上脫落的生物膜形成的汙泥床，汙泥床的高度可通過調節AF和填料高度進行調整。微濾裝置所用微濾膜為親水性材質，孔徑為0.lym，可去除一體化生物反應器出水中的懸浮物、細菌、膠體等。納濾裝置所用納濾膜為親水性材質，截留分子量為100500Dalton，可進一步去除微濾出水中的小分子有機物、脫除色度，並對無機鹽有一定去除。反滲透裝置所用反滲透膜為親水性材質，處理後出水中無機離子、小分子有機物、生色物質基本被去除。—種發酵工業廢水分質回用方法，其步驟包括(1)將發酵工業廢水進行厭氧加好氧二級生化處理；(2)步驟(1)生化處理後的出水進入電催化氧化反應器處理；(3)步驟(2)電催化氧化處理後的出水進入一體化生物反應器處理；(4)步驟(3)—體化生物反應器處理後的部分出水進入微濾裝置處理；(5)步驟(4)微濾裝置處理後的部分出水進入納濾裝置處理；(6)步驟(5)納濾裝置處理後的部分出水進入反滲透裝置處理。以上步驟(3)(6)處理後的出水分別作為觀賞性景觀環境用水、娛樂性景觀環境用水、城市雜用水、工業用水。經過步驟(1)厭氧加好氧二級生化處理後的出水，其水質特點為色度較高、COD值較低且主要為溶解性難降解有機物、BOD/COD值低和含大量無機鹽。步驟(3)的處理過程為(A)廢水由一體化反應器底部布水裝置進入上流式厭氧生物濾池，先通過反應器底部的汙泥床，然後通過填料層，上流式厭氧生物濾池水力停留時間為12h;(B)水流進入過渡區，老化脫落後隨水流上升的的厭氧生物膜被斜板和菱形擋板阻擋無法進入移動床生物膜反應器，懸浮在斜板下方，與移動床生物膜反應器中填料上脫落的好氧生物膜一起形成動態穩定的兼性缺氧區；(C)水流繼續上升，進入移動床生物膜反應器，經過曝氣裝置時，與氣體激烈混合，一起進入填料區，在上升水流和氣體的衝擊下，填料呈完全流化狀態，移動床生物膜反應器水力停留時間為12h，懸浮填料比重為0.93-0.99，填充率為40%_60%，曝氣量需保證溶解氧量為2mg/L-4mg/L;(D)處理後的廢水從反應器頂部流出，出水部分回流至反應器入口，回流比為100%_200%，其餘排放。步驟(2)中電流密度為25A/m275A/m2，極板間距為15cm35cm，pH為6.57.5，反應時間為10min30min。步驟(4)微濾操作壓力為0.lMPa-O.2MPa，產水率85-95%;步驟(5)納濾操作壓力為0.4MPa-l.OMPa，產水率75_85%;步驟(6)反滲透操作壓力為1.2MPa-3MPa，產水率為65-75%。由於水中含大量無機鹽，因此本發明中先用電催化氧化工藝對發酵工業廢水生化處理後的出水進行預處理，在強脈衝放電產生的具有高密度儲存能量和高膨脹效應等離子體作用下，廢水中的有機汙染物表面化學性質可發生顯著變化，同時在水中產生的各種游離基作用下，有機物中的不飽和鍵被打開，難降解有機物和生色物質被破壞和降解，廢水的可生化性得到提高。然後，電催化氧化反應器出水從一體化生物反應器底部的布水器進入AF反應區，由下往上流動，反應器底部的厭氧汙泥床可對廢水進行初步的水解酸化以及截留懸浮顆粒物質；通過填料層時，在填料上附著的厭氧微生物作用下，難降解的物質被進一步水解酸化為易於好氧生物降解的物質；通過過渡區時，隨水流帶起的厭氧汙泥被斜板和菱形擋板阻擋，大部分無法進入MBBR反應區，同時厭氧產生的氣體排入斜板兩旁的氣室；進入MBBR反應區後，完全流化狀態的填料具有良好的傳質效率，在填料表面形成的生物膜表面具有很高的好氧活性，而生物膜底部接近厭氧的活性，因此對有機物有良好的處理效果以及脫氮除磷的能力。廢水由上流式一體化生物反應器頂部流出，出水經消毒後水質可滿足觀賞性景觀環境用水水質要求。其餘出水進入膜分離系統進行進一步處理。微濾裝置可去除水中的懸浮物、細菌、膠體等，出水可滿足娛樂性環境用水水質要求；微濾裝置部分出水進入納濾裝置，可進一步去除小分子有機物、脫除色度，並對無機鹽有一定去除，出水水質可滿足城市雜用水水質要求；納濾裝置部分出水進入反滲透裝置，水中無機離子、小分子有機物、生色物質基本被去除，出水可滿足工業用水水質要求。微濾裝置和納濾裝置的濃水回到二級生化處理前的集水池中，反滲透裝置的濃水由於含鹽量高，水量較小，可進行進一步濃縮脫水(如多效蒸發、電滲析、低溫膜蒸餾等)。3.有益效果本發明提供了發酵工業廢水分質回用系統和方法，能夠根據再生回用的水質要求對系統中各工藝段進行合理的處理負荷分配，系統中各裝置易於模塊化、標準化、集成化；方法合理可行，運行穩定，各工藝段出水水質好，運行成本低。因此，本發明在發酵工業廢水分質回用領域具備技術合理性和經濟可行性，適合推廣應用。本發明中使用的自主設計開發的一體化生物反應器具有微生物種群豐富、生物量大、生物固體停留時間長、高鹽度下易馴化、啟動快、停留時間短、運行穩定、出水水質好、脫色效果明顯、再啟動快速方便等諸多優點，可實現COD和色度同步去除。電催化氧化加新型一體化生物反應器的處理效果確保對COD和色度有理想的去除，成本低，效果好，能夠很好地滿足後續膜處理進水水質要求，減少膜處理裝置的負荷，降低成本。圖1為本發明系統的結構示意圖，其中I.電催化氧化反應器，II.一體化生物反應器，III.微濾裝置，IV.納濾裝置，V.反滲透裝置。圖2為本發明系統中的一體化生物反應器II的結構示意圖，其中1.布水裝置，2.上流式厭氧生物濾池，3.汙泥床，4.汙泥排口，5.填料層，6.過渡區，7.菱形擋板，8.斜板，9.集氣室，IO.穿孔曝氣管，ll.移動床生物膜反應器，12.懸浮填料，13.出水口。圖3為本發明工藝流程圖。具體實施方法本發明提出的發酵工業廢水分質回用系統由電催化氧化反應器1、一體化生物反應器n、微濾裝置ni、納濾裝置iv和反滲透裝置v組成，其組成方式為電催化氧化反應器連接一體化生物反應器，一體化生物反應器連接微濾裝置，微濾裝置連接納濾裝置，納濾裝置連接反滲透裝置。電催化氧化反應器可從專業設備廠商處購買和定製，陽極為石墨，陰極為鐵，電極板排列設置為與地面垂直方向。微濾裝置、納濾裝置和反滲透裝置可從國內外專業的膜裝置製造廠商處購買，使用的微濾膜、納濾膜和反滲透膜按照本發明中的要求購買。本發明提出的發酵工業廢水分質回用方法按照如下步驟實現(—)啟動一體化生物反應器II。反應器第一次啟動時，MBBR反應區的填料須進行掛膜操作，待填料表面附著有一層生物膜後，剩餘的汙泥排出反應器或是沉澱入AF反應區的汙泥床進行水解消化；AF反應區需要接種一定量的厭氧汙泥以滿足啟動所需的生物量要求。之後進行再啟動時，只需要使用待深度處理的廢水馴化微生物一段時間後即可進入正常運行狀態，無需重複第一次啟動的接種與掛膜操作。(二)待一體化生物反應器運行正常後，將發酵工業廢水經生化處理後的出水送入電催化氧化反應器I，將難降解有機物和生色物質的不飽和鍵破壞，提高廢水的可生化性。(三)電催化氧化反應器I的出水由一體化生物反應器II底部的布水裝置1進入上流式厭氧生物濾池2，呈上流狀態，先通過汙泥床3，生物汙泥對廢水中難降解有機物進行初步的水解、酸化以及截流懸浮顆粒物質，然後上流通過填料層5，在填料上附著的大量厭氧微生物的作用下，難降解有機物被進一步降解為易於好氧生物降解的有機物；然後水流上升通過過渡區6時，隨水流上升的厭氧生物汙泥被菱形擋板7和斜板8阻擋無法進入上部的移動床生物膜反應器11，大部分沉降至反應器底部的汙泥床2，小部分懸浮在斜板8下方，與移動床生物膜反應器11中懸浮填料12上脫落的部分生物膜一起形成動態穩定的兼性缺氧區，同時厭氧過程中產生的氣體排入斜板兩旁的集氣室9;水流繼續上升通過穿孔曝氣管10時，與氣體激烈混合，然後一起進入移動床生物膜反應器11，氣、水與懸浮填料12充分接觸，富集在填料表面的生物膜對水中的有機物進行充分降解，老化的生物膜在水流和氣體的衝刷下脫落，部分沉降至汙泥床2，部分懸浮在斜板8下方，汙泥床2中剩餘汙泥過多時通過汙泥排口4排出；最後出水從反應器頂部出水口13流出，出水消毒後可作為觀賞性景觀環境用水。(四)一體化生物反應器ii部分出水進入微濾裝置ni，可去除水中的懸浮物、細菌、膠體等，出水可滿足娛樂性景觀環境用水水質要求，濃水回到二級生化處理前的集水池中；(五)微濾裝置III部分出水進入納濾裝置IV，可進一步去除小分子有機物、脫除色度，並對無機鹽有一定去除，出水可滿足城市雜用水水質要求，濃水回到二級生化處理前的集水池中；(六)納濾裝置IV部分出水進入反滲透裝置V，水中無機離子、小分子有機物、生色物質基本被去除，出水可滿足工業用水水質要求，濃水進行進一步濃縮脫水濃水。實施例1:用本發明再生回用某維生素C製藥廠生化處理出水，其水質狀況具體見表l:表1維生素C製藥廠生化處理出水水質指標tableseeoriginaldocumentpage8各工藝段工藝參數及出水水質具體如下(1)電催化氧化加一體化生物反應器電催化氧化工藝參數如下電催化氧化反應器使用的陽極材料為石墨，陰極材料為不鏽鋼，極板設置為與地面垂直，電流密度為50A/m2，極板間距為25cm，pH為7.2，反應時間為15min。—體化生物反應器工藝參數如下整個反應器橫截面為正方形，邊長為1.2m，移動床生物膜反應器高度為2.4m，上流式厭氧生物濾池高度為1.4m，過渡區高度為0.48m，總容積為148.4m總水力停留時間為3.56h。上流式厭氧生物濾池所用填料為生物繩，基本填滿；移動床生物膜反應器所用懸浮填料比重為0.96，填充比為40%。整個反應器從啟動到馴化培養完成，共需5060天。運行階段回流比為100%，曝氣量保證溶解氧量為2.8-3.2mg/L，出水水質狀況及觀賞性景觀環境用水水質標準(參見《《城市汙水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T18921-2002)》)具體見表2:表2—體化生物反應器出水和觀賞性景觀環境用水水質指標tableseeoriginaldocumentpage9(2)微濾—體化生物反應器出水進入微濾裝置進行處理，工藝參數為微濾膜孔徑為0.1iim，操作壓力為0.1-0.15MPa，產水率90%左右，出水水質狀況及娛樂性景觀環境用水水質標準(參見《《城市汙水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T18921-2002)》)具體見表3:表3微濾出水和娛樂性景觀環境用水水質指標tableseeoriginaldocumentpage9(3)納濾微濾出水進入納濾裝置進行處理，工藝參數為納濾膜截留分子量為200，操作壓力為0.8MPa-l.OMPa，產水率80%左右，出水水質狀況及城市雜用水水質標準(參見《城市汙水再生利用城市雜用水水質》(GB/T18920-2002))具體見表4:表4納濾出水和城市雜用水水質指標tableseeoriginaldocumentpage10(4)反滲透納濾出水進入反滲透裝置進行處理，工藝參數為操作壓力為1.2MPa-2MPa，產水率為70%左右，出水水質狀況及工業用水水質標準(參見《城市汙水再生利用工業用水水質》(GB/T19923-2005))具體見表5:表5反滲透出水和工業用水水質指標tableseeoriginaldocumentpage10權利要求一種發酵工業廢水分質回用系統，包括電催化氧化反應器、微濾裝置、納濾裝置和反滲透裝置，其特徵在於還包括新型一體化生物反應器，電催化氧化反應器連接一體化生物反應器，一體化生物反應器連接微濾裝置，微濾裝置連接納濾裝置，納濾裝置連接反滲透裝置。2.根據權利要求1所述的發酵工業廢水分質回用系統，其特徵在於一體化生物反應器由上、中、下三部分組成，上部是移動床生物膜反應器，下部是上流式厭氧生物濾池，中間過渡區由三相分離裝置和曝氣裝置組成。3.根據權利要求2所述的發酵工業廢水分質回用系統，其特徵在於一體化生物反應器中間過渡區三相分離裝置上方為曝氣裝置，三相分離裝置由斜板和菱形擋板組成，曝氣裝置採用穿孔管，穿孔管之間留有空隙。4.根據權利要求2所述的發酵工業廢水分質回用系統，其特徵在於電催化氧化反應器中使用的陽極材料為石墨，陰極材料為不鏽鋼，極板設置為與地面垂直。5.—種發酵工業廢水分質回用方法，其步驟包括(1)將發酵工業廢水進行厭氧加好氧二級生化處理；(2)步驟(1)生化處理後的出水進入電催化氧化反應器處理；(3)步驟(2)電催化氧化處理後的出水進入一體化生物反應器處理；(4)步驟(3)—體化生物反應器處理後的部分出水進入微濾裝置處理；(5)步驟(4)微濾裝置處理後的部分出水進入納濾裝置處理；(6)步驟(5)納濾裝置處理後的部分出水進入反滲透裝置處理。以上步驟(3)(6)處理後的出水分別作為觀賞性景觀環境用水、娛樂性景觀環境用水、城市雜用水、工業用水。6.根據權利要求5中所述的發酵工業廢水分質回用方法，其特徵在於步驟(4)和步驟(5)中產生的濃水回到二級生化處理前的集水池中，步驟(6)中產生的濃水進行進一步濃縮脫水；7.根據權利要求6中所述的發酵工業廢水分質回用方法，其特徵在於經過步驟(1)厭氧加好氧二級生化處理後的出水，其水質特點為色度較高、COD值較低且主要為溶解性難降解有機物、BOD/COD值低和含大量無機鹽。8.根據權利要求7中所述的發酵工業廢水分質回用方法，其特徵在於步驟(3)的處理過程為(A)廢水由一體化反應器底部布水裝置進入上流式厭氧生物濾池，先通過反應器底部的汙泥床，然後通過填料層，上流式厭氧生物濾池水力停留時間為12h;(B)水流進入過渡區，老化脫落後隨水流上升的的厭氧生物膜被斜板和菱形擋板阻擋無法進入移動床生物膜反應器，懸浮在斜板下方，與移動床生物膜反應器中填料上脫落的好氧生物膜一起形成動態穩定的兼性缺氧區；(C)水流繼續上升，進入移動床生物膜反應器，經過曝氣裝置時，與氣體激烈混合，一起進入填料區，在上升水流和氣體的衝擊下，填料呈完全流化狀態，移動床生物膜反應器水力停留時間為12h，所用懸浮填料的比重為0.93-0.99，填充率為40%_60%，曝氣量需保證溶解氧量為2mg/L-4mg/L;(D)處理後的廢水從反應器頂部流出，出水部分回流至反應器入口，回流比為100%_200%，其餘排放。9.根據權利要求58中任一項所述的發酵工業廢水分質回用方法，其特徵在於步驟(2)中電流密度為25A/m275A/m2，極板間距為15cm35cm，pH為6.57.5，反應時間為10min30min。10.根據權利要求58中任一項所述的發酵工業廢水分質回用方法，其特徵在於步驟(4)微濾操作壓力為0.lMPa-O.2MPa，產水率85-95%;步驟(5)納濾操作壓力為0.4MPa-1.0MPa，產水率75-85%;步驟(6)反滲透操作壓力為1.2MPa-3MPa，產水率為65-75%。全文摘要本發明公開了一種發酵工業廢水分質回用系統和方法。發酵工業廢水二級生化處理後的出水先進入電催化氧化反應器處理，然後其出水從一體化生物反應器底部的布水器進入，由下往上流動，先後經過厭氧、缺氧、好氧生物處理，出水消毒後可用於觀賞性景觀環境用水；而後進入微濾裝置進行處理，其出水可用於娛樂性景觀環境用水；而後進入納濾裝置進行處理，其出水可用於城市雜用水；最後進入反滲透裝置進行處理，出水可用於工業用水。本發明提出的方法合理可行，運行穩定，各工段出水水質好，運行成本低；本發明中的各裝置易於模塊化、標準化、集成化，因此，本發明在發酵工業廢水分質回用領域具備技術、經濟的合理性、可行性，適合推廣應用。文檔編號C02F1/46GK101708930SQ20091023458公開日2010年5月19日申請日期2009年11月23日優先權日2009年11月23日發明者丁麗麗,任洪強,任鑫坤,許柯,謝吉程申請人:南京大學