升流式酸化反應器的製作方法

2023-06-01 23:46:46 2

本發明涉及環境工程汙水處理和生物質能源製備的領域，是一種利用兼氧型微生物將經完全水解後的高濃度有機處理水進行酸化反應促使其完全轉化成簡單有機酸的處理裝置。

背景技術：

在自然界中的有機物都是以超高分子或大分子有機分子結構存在的，如纖維素、半纖維素、木質素、澱粉、蛋白質等，其分子量都在百萬以上，而一旦這些有機物質進入水中，在微生物的作用下就會發生水解，其主要的表現形式就是對水體中溶解氧的需求，微生物主要是通過新陳代謝作用和自我繁殖能力對有機物在不同供氧條件下起作用，微生物通過新陳代謝作用在有氧條件下消化吸收（通過滲透吸收）小分子結構有機物，向體外排洩（通過滲透排出）代謝產物有機酸、生物酶和CO2（酸化過程），排出的有機酸和生物酶具有粘性，會吸附於大分子或超大分子結構有機物表面，在有機酸的腐蝕作用和生物酶的催化作用下，連結有機分子中的氧鍵會發生斷裂，由水分子替代氧鍵並釋放氧原子（水解過程），如此反覆以超高分子或大分子有機分子結構存在的有機物，就會逐漸完全轉化為可被微生物直接消化吸收的小分子結構的有機物，這一過程在環境工程汙水處理和生物質能源製備的領域被稱為酸化水解過程。

微生物從對氧的需求方面可分為兼氧型微生物、好氧型微生物和厭氧型微生物。兼氧型微生物主要是在偏酸性缺氧狀態下生存的微生物，其主要作用就是對有機物進行酸化水解；好氧型微生物主要是利用可吸收的小分子結構有機物和對氧的需求轉化為能量，通過快速的自我繁殖和新陳代謝以固形物和CO2氣體的方式對有機物進行去除；厭氧型微生物主要是利用經完全酸化水解的有機物進一步酸化成基礎有機酸等物質，並將這些基礎物質轉化為沼氣（生物質能源製備）從而對有機物進行去除。

在環境工程汙水處理和生物質能源製備的過程中，採用厭氧處理工藝對有機物進行轉化時，必須將經完全水解後的基礎有機物完全酸化為乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等基礎物質，然後通過厭氧微生物的滲透消化作用將其轉化為甲烷和二氧化碳。在酸化的初期階段，主要產物為揮發性脂肪酸（VFA），同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產物產生，隨著酸化程度的進一步進行，這些物質會逐漸轉化為乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等基礎物質。

在進行酸化的過程中，主要是由兼氧型微生物進行的，兼氧型微生物的生存狀態是在偏酸性缺氧狀態下生存，其酸性是由其代謝產物形成的，當酸性逐漸積累且無氧補充時PH值會逐漸降低，兼氧型微生物的新陳代謝逐漸停止，而逐漸進入厭氧狀態當無氧補充時PH值會逐漸降低，兼氧型微生物的新陳代謝逐漸停止，而進入厭氧狀態，酸化進程停止，表現為不能完全轉化為基礎有機酸，處理效率大為降低。在酸化階段，兼氧型微生物和厭氧型微生物是相伴生存的，在兼氧型微生物將基礎有機物轉化為基礎有機酸時厭氧型微生物就會將其轉化為甲烷和二氧化碳，從而減緩PH值降低的速度，但由於兼氧型微生物的轉化速度遠大於厭氧型微生物的轉化速度，而且厭氧型微生物對氧極度敏感，極少量的氧都會令其進入休眠狀態或死亡，因此必須解決這兩種微生物的伴生問題。由於厭氧微生物對溫度的變化也極其敏感，因此還需解決外界溫度變化的影響問題。

由於兼氧型微生物和厭氧型微生物的世代時間較長即繁殖能力較弱，因此在酸化反應和厭氧反應過程中需保證有足夠的微生物種群數量，同時由於完全水解的基礎有機物具有極強的親水性，其產生的粘性物質由於水表面張力的作用吸附的效果和能力將變的非常有限，因此需提供微生物與有機物的接觸時間與停留時間。

本發明就是利用兼氧型微生物和厭氧型微生物在酸化反應和厭氧反應過程中的背景技術而提出的。在目前行業中，所採用的現行技術和處理工藝，都未對酸化和厭氧反應過程有足夠的認知，多數工藝是將水解反應、酸化反應和厭氧反應置於一個容器內進行同時反應，由於水解反應需要大量的溶解氧，酸化反應只需要滿足自源呼吸的溶解氧，而厭氧反應拒絕溶解氧的存在，就是因為處理不同高濃有機處理水中的有機物的種類和溶解氧含量各不相同，從而導致反應器的反應速度和效率不能滿足設計要求。在行業現階段中所採用的厭氧反應裝置的操作和運行是一個很大的問題，系統會經常莫名其妙的效率下降或停止運行甚至癱瘓，這也是行業中對厭氧反應器運用較少或不成功的原因之一，為有效解決這一問題，特提出本發明。

技術實現要素：

本發明是利用兼氧型微生物和厭氧型微生物對完全水解的高濃度有機處理水，在環境工程汙水處理或生物質能源製備的過程中進行完全酸化的處理裝置，可以有效提高其後續的生化處理的效果、效率和穩定性，減少固定資產的投資。

使用壓力：常壓；使用溫度：常溫20-22℃、中溫30-32℃、高溫50-53℃；

使用介質：高濃有機廢水（COD＞200mg/L）。

本發明是利用上下為椎體的圓柱形罐體的容器，首先對兼氧型微生物種群和厭氧型微生物種群在容器內進行馴化培養，使其在彈性填料表面形成顆粒團狀微生物汙泥，通過供應溶解氧在顆粒團狀微生物汙泥表面形成兼氧酸化反應，在顆粒團狀微生物汙泥內表面與填料外表面之間形成厭氧還原反應，汙泥數量應滿足使用要求。然後將完全水解處理的高濃有機處理水通過進水管、進水分配器、分水管和布水管均勻的釋放到容器中，與兼氧型微生物種群進行混合、調質、調勻處理，通過PH監測儀觀察容器內的PH變化，利用泵送水力升力均勻緩慢通過彈性填料上附著的顆粒團狀微生物汙泥，為微生物與有機物的酸化反應和厭氧反應提供足夠的接觸時間與停留時間，此時會產生沼氣，沼氣在上升過程中會對經完全水解的高濃有機處理水和兼氧型微生物種群的混合水起到攪拌的作用，增加接觸機會；由於沼氣的釋放填料上附著的汙泥可能會脫落，當重量足夠大時在重力的作用下下沉，由於溶解氧的存在厭氧型微生物進入休眠狀態或死亡，逐漸轉化成為兼氧型微生物種群；當重量較輕時會隨水流緩慢上升，當水流通過填料區時，通過PH監測儀觀察水流的PH變化，當PH值過低時自動啟動由高壓空氣和高壓水在高壓溶氣罐內形成的具有高濃度溶解氧的高壓溶氣水通過進水管等裝置釋放到容器中，通過溶解氧的強氧化性平衡PH值的變化，當PH值回歸時停止供應；當混合水流繼續上升時進入三項分離器，沼氣通過導氣管進入集氣室，然後通過沼氣排氣管排出，為保證安全和及時掌握集氣室的變化，防止負壓或超壓運行，需在沼氣排氣管設置安全閥和壓力表並通過調壓管、壓力傳感器和對空管進行自動控制；微生物活性汙泥在三項分離器表面附著並聚集，隨著重量的加大在重力的作用下滑落到反應器中繼續反應；經酸化的處理水通過三項分離器後經出水堰、U型水封管和出水堰排水管流入中心穩定柱兼排水管中通過排水管進入後續處理程序。

本發明中兼氧型微生物的種群數量10000-12000mg/L，厭氧型微生物種群的數量6000-8000mg/L，容積負荷按6kgCOD/m3·d計算，溶解氧由PH值控制， PH值控制在5.5-6，溫度按照設定溫度確定，其它按需要設計。

本發明對使用溫度的確定是基於兼氧型和厭氧型微生物對溫度的變化極為敏感，過大的溫度變化會使微生物進入休眠狀態或死亡，因此需對容器進行保溫處理，防止外界溫度的變化對反應的影響，同時採用升流式反應的目的在於在酸化反應是放熱的過程而厭氧反應是吸熱的過程，當釋放的熱量大於吸收的熱量時，熱量會快速向上升騰並通過沼氣和水流帶走，可以最大限度的減少溫度變化對系統的影響；在反應時應通過溶解氧的釋放控制厭氧反應的速度，減少溫度降低對系統的影響。在酸化反應和厭氧反應過程中溫度可控時溫度越高處理效率也就越高，溫度設定時應考慮到設備和設施的使用工況以及其它因素，使用溫度一旦確定，就應緩慢升溫至控制溫度，使用時應在控制區間使用，防止微生物因對溫度的敏感而停止工作。

本發明提出的有機物在完全水解的基礎上被完全酸化是基於在自然界中厭氧微生物多是以單細胞或簡單多細胞存在的，這些微生物細胞只能通過滲透作用與外界進行能量交換，由於經完全水解並酸化的有機物具有超強的親水性，由於水表面張力的作用，厭氧微生物對有機物的吸附效果和能力將變的非常有限致使厭氧反應緩慢進行，而酸化反應的速度非常快，且需要一定數量的溶解氧維持兼性微生物的活性，為此將傳統的酸化反應與厭氧反應同時進行改為酸化反應獨立控制然後在進行厭氧反應，只有這樣才能使後續的厭氧處理工藝的處理效率得到最大限度的提高，而其設計參數就能得到最大的優化，其投資額和運行成本也會大幅下降，也必然會產生相應的經濟價值和社會價值。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1為剖立面布置圖；圖2為A—A剖面圖；

圖中：（1）反應容器 （2）分水管 （3）布水管 （4）布水管支架 （5）PH監測儀探孔 （6）彈性填料 （7）中心穩定支架 （8）填料支架 （9）三項分離區 （10）導氣管 （11）中心穩定柱兼排水管 （12）出水堰排水管 （13）出水堰 （14）沼氣排氣管 （15）U型水封管 （16）集氣室 （17）調壓管 （18）壓力傳感器 （19）對空管 （20）安全閥 （21）壓力表 （22）完全水解的高濃有機處理水 （23）兼氧型、厭氧型微生物種群 （24）高壓溶氣罐 （25）壓縮空氣 （26）高壓水 （27）高壓溶氣水 （28）進水分配器 （29）進水管 （30）完全酸化水 （31）排水管 (32)排泥管。

具體實施方法

在圖1的實施例中，首先對兼氧型和厭氧型微生物種群（23）在容器內進行馴化培養，使其在彈性填料（6）表面形成顆粒團狀微生物汙泥，通過供應溶解氧在顆粒團狀微生物汙泥表面形成兼氧酸化反應，在顆粒團狀微生物汙泥內表面與填料外表面之間形成厭氧還原反應，汙泥數量應滿足使用要求。然後將完全水解處理的高濃有機處理水（22）通過進水管（29）、進水分配器（28）、分水管（2）和布水管（3）均勻的釋放到反應容器（1）中，與兼氧型微生物種群（23）進行混合、調質、調勻處理，通過PH監測儀（5）觀察容器內的PH變化，利用泵送水力升力均勻緩慢通過彈性填料（6）上附著的顆粒團狀微生物汙泥，為微生物與有機物的酸化反應和厭氧反應提供足夠的接觸時間與停留時間，由中心穩定支架（7）作為填料支架（8）為彈性填料（6）提供支撐。當水流通過填料區時，通過PH監測儀（5）觀察水流的PH變化，當PH值過低時自動啟動由高壓空氣（25）和高壓水（26）在高壓溶氣罐（24）內形成的具有高濃度溶解氧的高壓溶氣水（27）通過進水管（29）釋放到反應容器（1）中，通過溶解氧的強氧化性平衡PH值的變化，當PH值回歸時停止供應；當混合水流繼續上升時進入三項分離器（9），沼氣通過導氣管（10）進入集氣室（16），然後通過沼氣排氣管（14）排出，為保證安全和及時掌握集氣室（16）的變化，防止負壓或超壓運行，需在沼氣排氣管（14）設置安全閥（20）和壓力表（21）並通過調壓管（17）、壓力傳感器（18）和對空管（19）進行自動控制；微生物活性汙泥（23）在三項分離器（9）表面附著並聚集，隨著重量的加大在重力的作用下滑落到反應器（1）中繼續反應；經酸化的處理水（30）通過三項分離器（9）後經出水堰（13）、U型水封管（15）和出水堰排水管（12）流入中心穩定柱兼排水管（11）中通過排水管（32）進入後續處理程序。

在圖1的實施例中，反應產生的增值剩餘汙泥（23）由排泥管（32）排出。

在圖1的實施例中，由保溫材料（33）對反應容器（1）進行保溫處理。

圖2為圖1實施例中的必要補充。