一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器的製作方法

2023-12-12 18:15:02 2

專利名稱：一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢水的處理設備，尤其是涉及一種處理易酸化有機廢水的上流式 厭氧汙泥床反應器。
背景技術：
廢水的厭氧生物處理是在無氧條件下厭氧及兼性微生物將廢水中的各種有機質 轉化為甲烷和二氧化碳過程。厭氧生物反應器具有處理有機負荷高、汙泥產量低、對蟲卵和 病毒去除效果好、產出的甲烷可作為能源利用、無需曝氣與補加營養物、運行費用低，管理 方便等優勢([1]賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京中國輕工業出版社，1998，3-53 ；陳堅.環境生物技術[M].北京中國輕工業出版社，1990,23-100)。同時也存在著反 應器體積大，啟動周期長等劣勢。上流式厭氧汙泥床(Upflow Anaerobic Sludge Bed，簡稱UASB)反應器，是一種 由荷蘭人發明的高效厭氧生物反應器。反應器由反應區、沉澱區、氣室三部分組成。底部 是濃度較高的汙泥層，也稱為汙泥床，在汙泥床上部是濃度較低的懸浮汙泥層，通常把汙泥 層和懸浮層統稱為反應區。在反應區上部設有氣、液、固三相分離器。廢水從汙泥床底部 進入，與床中的汙泥混合接觸，有機物被厭氧生物分解而產生出沼氣，沼氣泡在上升過程中 不斷聚並逐漸長大，在較強烈的攪動下使汙泥床中上部形成懸浮汙泥層。懸浮汙泥在氣、 水的剪切作用下，逐漸形成顆粒狀。氣、水、泥混合液在三相分離器中，沼氣泡匯集於中部 氣室從頂部排出，在側部固液分離室中上清液從上部排出，汙泥從下部回至反應區。通過 控制上升流速，使大量的汙泥滯留於反應區內，以維持較高的汙泥濃度([3]G.Lettinga， Α. F. Μ. vanVelsen,S. W. Hobma. Use of Upflow Sludge Blanket(USB)Reactor Concept for BiologicalWastewater Treatment，Especially for Anaerobic Treatment[J]. Biotech. Bioeng，1980，2 :699_705)。由於厭氧微生物增殖緩慢，汙泥的顆粒化速度低下，因而導致UASB反應器的啟 動周期較長(大約需要 6 8 月)([4]Κ· H. Harada，A. Ohashi. Granulation and sludge retainment duringStart-up of a Thermophilic UASB Reactor[J])。許多石if究表明，通 過向汙泥中適量加入如活性碳顆粒([5]周律，王寶泉，於泮池.投加顆粒活性炭加快UASB 反應器內顆粒化進程的研究[J].中國給水排水，1996，12 (5) :16-19)、硬矽鈣纖維粒([6] 韓劍宏，倪文，江翰.投加硬矽鈣纖維粒對UASB低溫運行的影響[J].中國給水排水，2003， 19(10) 14-17)等惰性顆粒物，使之成為形成顆粒汙泥的核心載體，加快細菌在其表面的 富積，提高顆粒汙泥的形成速度。曾金櫻等([7]曾金櫻，楊仁斌，吳根義.用麩皮纖維做載 體培養顆粒汙泥的可行性研究[J].環境科學與技術，2006，29 (10) 17-20)在厭氧反應器 中投加麩皮纖維作為培養顆粒汙泥的載體，加速了汙泥的顆粒化進程，且形成的顆粒汙泥 活性高且沉降性好，縮短了反應器的啟動時間。由於容易酸化的有機廢水可在厭氧環境中迅速轉化為有機酸，嚴重影響反應器 內部的碳酸鹽緩衝體系，表現為PH值的迅速降低，從而使甲烷菌活性受到抑制([1]賀延
3齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京中國輕工業出版社，1998，3-53)。塗保華等建議反 應器內的鹼度須大於1000mg/L，以維持pH值水平([8]塗保華，王建芳，張雁秋.UASB反 應器中顆粒汙泥的培養[J].汙染防治技術，2003，16(3) :65-67)。為了保證適合產甲烷 菌生長的PH條件，一般是通過採取投加碳酸鹽和碳酸氫鹽來維持反應器內部的碳酸鹽緩 衝體系。考慮到牡蠣殼中含有豐富的碳酸鈣及微量的元素與多種胺基酸([9]董曉偉，姜 國良，李立德，等.牡蠣綜合利用的研究進展[J].海洋科學，2004，28 (4) :62-65)，若將 適量的牡蠣殼顆粒作為載體添加至UASB反應器中，特別是在反應器的啟動階段，牡蠣殼 顆粒可以起到初期汙泥晶核作用，利用顆粒表面的性質，使易於形成顆粒汙泥的細菌能在 顆粒表面上的迅速富集，促進顆粒汙泥的形成；同時，牡蠣殼的碳酸鈣能隨著廢水的酸化 進程逐漸溶解，可為緩衝體系補充鹼度，使UASB反應器中的pH值滿足適合產甲烷菌生 長條件，利於產甲烷活性的提高和穩定；其次，微量元素和胺基酸滿足厭氧細菌生長增殖 的營養要求，能促進厭氧細菌的新陳代謝。當形成的顆粒汙泥進入成熟期後，牡蠣殼顆 粒的投加僅起鹼度調節劑作用，在弱酸性條件下逐漸溶解，對反應器的有效容積影響很小 ([9]董曉偉，姜國良，李立德，等.牡蠣綜合利用的研究進展[J].海洋科學，2004，28 (4) 62-65 ； [10]E. P. A. Vanlangerak, H. Ramaekers, G. Lettinga. Impact of location of CaC03precipitation on the development of intact anaerobic sludge[J]. Wat. Res.， 2000,34(2) =447-446) 0牡蠣殼顆粒是以海產養殖廢棄牡蠣殼為原料，廉價易加工，其再利 用可解決廢棄牡蠣殼對沿海環境衛生的影響問題，具有經濟與社會效益雙贏效果。

發明內容
本發明的目的在於提供一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器。本發明設有原水池、上流式厭氧汙泥床反應器、三相分離器、牡蠣殼顆粒進料器、 沼氣收集罐、進水布水管、承託板和處理水池；原水池的廢水出口經泵接設於上流式厭氧 汙泥床反應器下部的廢水進口 ；牡蠣殼顆粒進料器(用於投加牡蠣殼顆粒)和沼氣收集 罐(用於收集甲烷等氣體)設於上流式厭氧汙泥床反應器上方，三相分離器設於上流式厭 氧汙泥床反應器柱體頂部附近，牡蠣殼顆粒進料器的出口接上流式厭氧汙泥床反應器的進 口，在上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂端設有排氣口，在上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂 部側端設有出水口，進水布水管設於承託板與上流式厭氧汙泥床反應器柱體底部之間，承 託板設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體下部，排泥口設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體底 部，上流式厭氧汙泥床反應器柱體外側設有加熱水套。所述承託板設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體下部，可採用承託板通過上下兩片 法蘭盤固定於上流式厭氧汙泥床反應器下半部，用於承託上流式厭氧汙泥床反應器內的汙 泥。所述處理水池與上流式厭氧汙泥床反應器的出水口之間可設閥門。與現有的有機廢水處理設備相比，本發明具有以下突出的優點1)牡蠣殼顆粒是以海產養殖廢棄牡蠣殼為原料，廉價易加工，其再利用可解決廢 棄牡蠣殼對沿海環境衛生的影響問題，具有經濟與社會效益雙贏效果。2)由於設有原水池、上流式厭氧汙泥床反應器、三相分離器、牡蠣殼顆粒進料器、 沼氣收集罐、進水布水管、承託板和處理水池；原水池的廢水出口經泵接設於上流式厭氧汙
4泥床反應器下部的廢水進口 ；牡蠣殼顆粒進料器和沼氣收集罐設於上流式厭氧汙泥床反應 器上方，三相分離器設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂部附近，上流式厭氧汙泥床反應 器柱體外側設有加熱水套，承託板通過上下兩片法蘭盤固定於上流式厭氧汙泥床反應器下 半部，用於承託上流式厭氧汙泥床反應器內的汙泥，因此可通過向UASB反應器中直接投加 牡蠣殼顆粒，加快厭氧顆粒汙泥的形成速度，增大顆粒汙泥的產甲烷活性，縮短啟動時間， 實現處理有機廢水UASB反應器的快速啟動目的。3)本發明尤其適用於處理易酸化有機廢水。


圖1為本發明實施例的結構示意圖。圖2為本發明實施例的牡蠣殼顆粒進料器的示意圖。圖3為本發明實施例的三相分離器的示意圖。圖4為本發明實施例的布水管的示意圖。圖5為本發明實施例的承託板的示意圖。圖6為本發明實施例的啟動過程中牡蠣殼添加(A)與未添加(B)反應器出水pH 的時間變化圖。在圖6中，橫坐標為時間t/d，縱坐標為pH，▲反應器A， 反應器B ；從左至 右依次為階段A，階段B，階段C，階段D。圖7為本發明實施例的啟動過程中牡蠣殼添加㈧與未添加⑶反應器出水COD 的時間變化圖。在圖7中，橫坐標為時間t/d，縱坐標為COD/mg. L—1，▲反應器A， 反應器 B ；從左至右依次為階段A，階段B，階段C，階段D。圖8為本發明實施例的啟動過程中牡蠣殼添加㈧與未添加⑶反應器出水鹼度 的時間變化圖。在圖8中，橫坐標為時間t/d，縱坐標為alkalinity/mg. Λ ▲反應器A，· 反應器B ；從左至右依次為階段Α，階段B，階段C，階段D。圖9牡蠣殼顆粒溶出Ca2+的時間變化圖。在圖9中，橫坐標為時間t/min，縱坐標 為 Ca2+/mg. L 1。圖中，主要構件的標記如下原水池1、泵2、加熱水套3、上流式厭氧汙泥床反應器 4、三相分離器5、牡蠣殼顆粒進料器6、沼氣收集罐7、進水布水管8、承託板9、排泥口 10、出 水口 11、排氣口 13、閥門14、處理水池15、泵16 ；貯料室21、計量室22、出料口 23、抽拉移動 門24和25 ；
具體實施例方式如圖1所示，本發明實施例設有原水池1、上流式厭氧汙泥床反應器4、三相分離 器5、牡蠣殼顆粒進料器6、沼氣收集罐7、進水布水管8、承託板9和處理水池15。原水池1 的廢水出口經泵2接設於上流式厭氧汙泥床反應器4下部的廢水進口 ；牡蠣殼顆粒進料器 6 (用於投加牡蠣殼顆粒)和沼氣收集罐7 (用於收集甲烷等氣體)設於上流式厭氧汙泥床 反應器1上方，三相分離器5設於上流式厭氧汙泥床反應器4柱體頂部附近，牡蠣殼顆粒進 料器6的出口接上流式厭氧汙泥床反應器4的進口，在上流式厭氧汙泥床反應器4柱體頂 端設有排氣口 13，在上流式厭氧汙泥床反應器4柱體頂部側端設有出水口 11，進水布水管8 設於承託板9與上流式厭氧汙泥床反應器4柱體底部之間，承託板9設於上流式厭氧汙泥床反應器4柱體下部，排泥口 10設於上流式厭氧汙泥床反應器4柱體底部，上流式厭氧汙 泥床反應器4柱體外側設有加熱水套3。所述承託板9通過上下兩片法蘭盤固定於上流式厭氧汙泥床反應器4下半部，用 於承託上流式厭氧汙泥床反應器4內的汙泥。所述處理水池15與上流式厭氧汙泥床反應器4的出水口 11之間設有閥門14。上流式厭氧汙泥床反應器4的柱體上方設有牡蠣殼顆粒進料器6 (用於投加牡蠣 殼顆粒)與沼氣收集罐7(用於收集甲烷等氣體)，三相分離器5(結構詳見圖3)設於柱體 頂部附近，排氣口 13設於柱體上，出水口 11設於柱體頂部側端，承託板9設於柱體下部，進 水布水管8設於承託板9與柱體底部之間，排泥口 10設於柱體底部，加熱水套3設於柱體 外側。當採用內循環運行操作時(--^ )，預先將定量的牡蠣殼顆粒(粒徑範圍為
100 500 μ m)通過牡蠣殼顆粒進料器6投入上流式厭氧汙泥床反應器4中，將泵16處於 停止，閥門14關閉狀態。原水池1的廢水由泵2送入上流式厭氧汙泥床反應器4下部進口 ；循環熱水從上 流式厭氧汙泥床反應器4外壁的加熱水套3的下部進口流入，從加熱水套3的上部出口流 出，使上流式厭氧汙泥床反應器4內的溫度保持在35士2°C ；在上流式厭氧汙泥床反應器4 床層內，廢水在上升過程中水中的有機物被顆粒汙泥逐漸降解，同時生成的甲烷等氣體夾 帶於升流中；在上流式厭氧汙泥床反應器4頂部汙泥、反應氣和反應液分別在流經三相分 離器5過程中得到分離，反應生成的氣體從出氣口 13排出，進入沼氣收集罐7，出水流回原 水池1。當採用連續通水運行操作時(--^ )，廢水在泵2的作用下，從原水池1抽出，再
與由泵16送來的處理水池15的回流液合流，從下部送入上流式厭氧汙泥床反應器4 ；在上 流式厭氧汙泥床反應器4床層內；廢水在上升過程中水中的有機物被顆粒汙泥逐漸降解， 同時生成的甲烷等氣體夾帶於升流中；在上流式厭氧汙泥床反應器4頂部汙泥、反應氣和 上流式厭氧汙泥床反應器4分別在流經三相分離器5過程中得到分離，反應生成的氣體從 出氣口 13排出，進入沼氣收集罐7，出水於出水口 11溢流至處理水池15。牡蠣殼顆粒進料器6 (結構詳見圖2)由貯料室21、計量室22、出料口 23、抽拉移動 門24和25組成。操作方法如下(1)先將抽拉移動門24和25的園孔與貯料室21底部園孔排口完全錯開，即關閉 貯料室的排料口；(2)將牡蠣殼顆粒注滿貯料室21，之後抽拉移動門24的園孔與貯料室21底部園 孔排口重合，即打開貯料室的排料口，讓牡蠣殼顆粒靠重力流入計量室22 ；(3)關閉貯料室的排料口(操作同(1))，之後打開計量室的抽拉移動門25(操作 同(2))，計量室22內的牡蠣殼顆粒靠重力從出料口 23進入上流式厭氧汙泥床反應器4上 部。三相分離器5 (結構詳見圖3)；氣、液、固混合液上升到三相分離器5內，混合液中 的氣泡在分流元件31的作用下，流入斜板32與其下部導流板的間隙，經氣室33的出氣口 排出。進入，混合液中較大的顆粒汙泥因較重而懸浮於上流式厭氧汙泥床反應器4中，較小 的顆粒汙泥則被混合液帶入沉澱區34，沉降至斜板32壁面，下滑至回流口 35返回上流式厭
6氧汙泥床反應器4，上清液通過溢流堰排出。進水布水管8及承託板9 (結構詳見圖4和5)；進水布水管8由不鏽鋼構成，在下 端豎直方向沿45°各設有兩個直徑為3mm的出水孔，進水布水管8上共設有20對該類出水 孔。承託板9通過上下兩片法蘭盤固定於上流式厭氧汙泥床反應器下半部，用於承託上流 式厭氧汙泥床反應器內的汙泥。本發明實施例上流式厭氧汙泥床反應器4主體為圓柱形有機玻璃柱體，柱體高 1. 5m,內徑100mm，柱體底部設有排泥口 ；三相分離器5採用有機玻璃製成，用法蘭盤與柱體 聯接。反應器有效體積為5L。具體的操作步驟是(1)將厭氧種泥與一定量的牡蠣殼顆粒混合均勻後直接注入 反應器；(2)於加熱水套中從下至上方向連續通入熱水，使反應器內溫度保持在35士2°C左 右；(3)將原水池中的有機廢水調製COD濃度為700 1200mg/L ； (4)採用內循環原水操作， 合成有機廢水每隔兩天更換一次，通過調節蠕動泵轉速將設定內循環蠕動泵流量，使柱內 汙泥呈懸浮狀態；(5)觀察反應器內顆粒汙泥的形態，監測PH與產氣量的變化情況，其間適 當補充牡蠣殼顆粒提高以將PH控制在6 6. 5之間；(6)當觀察到已經有細小顆粒汙泥形 成，同時開始有明顯氣體發生時，將內循環原水操作切換為連續通水操作；(7)連續通水操 作時，採用2臺泵運行，一臺用於將廢水送入反應器，另一臺將部分處理水循環至反應器， 通過調節處理水循環泵流量使反應器內汙泥呈懸浮狀態，其餘處理水作為反應器的出水溢 流排除。牡蠣殼顆粒每天添加一次，添加高負隨進水COD濃度負荷的升高而相應加大。圖6 8反映出進水COD濃度分別為700，900，1200和1500mg/L (簡稱為階段A， B，C，D)，牡蠣殼顆粒添加量分別為1. 5,2. 0,2. 5和3. 2g/d，連續通水操作的水力停留時間 為5h，牡蠣殼添加反應器(A)與未添加對照反應器(B)的運行情況比較。可以看出，在階段 A的進水COD為700mg/L時，反應器㈧與⑶出水的pH變化趨勢相同，pH從6. 6迅速升 至7. 4後降到7. 0，出水COD從300mg/L降到100mg/L，鹼度的變化較小。通水初期可觀察 到產氣量明顯下降，說明汙泥的產甲烷活性需要一個馴化過程([12]E.P.A.Vanlangerak， H. Ramaekers, G. Lettinga. Impact of location of CaCO3 precipitation on the development of intactanaerobic)。在階段 B 的進水 COD 為 900mg/L 時,有機負荷由 3. 4kg 提高到4. 3kg葡萄糖/m3d，而此時厭氧顆粒汙泥尚未形成，汙泥馴化階段厭氧汙泥耐衝擊 的能力還不夠強，微生物自身活性的恢復和對水質的適應需要一段時間([11]王新華，管 錫捃，徐世傑，等.水力循環UASB反應器處理檸檬酸廢水[J].水處理技術，2006，32 (11) 61-65)，由此而導致在6 8d之間兩反應器出水pH值分別由7. 0降至6. 7和6. 6，之後汙 泥開始逐漸適應這個COD濃度，甲烷菌活性逐漸恢復，反應器(A)與(B)的出水pH回到6.8 以上，平均鹼度分別為270mg/L和200mg/L，鹼度已有明顯差別。階段C進水COD為1200mg/ L時，反應器㈧出水pH值由7. 0上升到7. 4，而反應器⑶的pH在6. 8 7. 0變化不大； 反應器㈧出水COD在18 22d間迅速升至最大的500mg/L，而後逐漸降到200mg/L ；由 於進水COD濃度較高，發現此時反應器的產氣量提高了 1.5倍左右(約為268mL/h)，可知 進水中有機物的增加加快了反應器的產氣速度，即汙泥的甲烷菌活性得以提高。在後期觀 察到反應器(B)的汙泥床厚度小於反應器(A)的，已可直接觀測到反應器(A)中顆粒汙泥， 說明反應器(A)的汙泥顆粒化進程快於對照的反應器(B)。在36d時，發現反應器(A)顆 粒汙泥的機械強度和沉降性能均良好，顆粒粒徑約為0. 3 2. 0mm，表明顆粒汙泥已基本成熟。當階段D進水COD升為1500mg/L時，兩反應器出水pH值穩定在7. 0 7. 4 ；反應器 (A)出水COD穩定在200mg/L，而對照的反應器(B)出水COD迅速升到500mg/L，說明反應器 (A)的抗負荷衝擊能力較強([12]E. P. A. Vanlangerak, H. Ramaekers, G. Lettinga. Impact of location of CaCO3 precipitation on the development of intact anaerobic ； [13] 曹剛，徐向陽，馮孝善.鹼度對UASB汙泥顆粒化的影響[J].中國給水排水，2002，18 (8) 13-16)。反應器(A)與(B)出水平均鹼度分別為590mg/L和450mg/L，鹼度差明顯增大，符 合牡蠣殼添加量逐漸增加所能補充的鹼度量。在44d時對照的反應器(B)內的顆粒汙泥也 逐漸成熟。牡蠣殼添加的反應器(A)與對照的未添加反應器(B)的啟動周期分別為76d和 84d，可知牡蠣殼添加使反應器啟動時間縮短了 10%左右。圖9反映了初始pH值為6時牡蠣殼顆粒的溶解特性。可以看出，牡蠣殼在初始的 2min內溶解速率最大，達到7. Img Ca2+/(L · min)，即可提供17. 8mg/(L · min)的鹼度(以 CaCO3計)。隨著反應的進行，溶液的pH值逐漸上升，牡蠣殼的溶解速率逐漸降低，鹼度供 應能力逐漸下降，在60min時已達到平衡，溶液中的Ca2+濃度為33. 5mg/L。CaCO3在弱酸性和中性條件下的溶解關係式為CaCO3 +H+ Ca2+ +HCO； +OH' (1)HCO3 +H+ H2CO3(2)H2CO3 H2O+ CO2(3)由式(1)與⑵可以看出，CaCO3具有中和水中H+緩衝水體pH值下降的作用。
權利要求
一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器，其特徵在於設有原水池、上流式厭氧汙泥床反應器、三相分離器、牡蠣殼顆粒進料器、沼氣收集罐、進水布水管、承託板和處理水池；原水池的廢水出口經泵接設於上流式厭氧汙泥床反應器下部的廢水進口；牡蠣殼顆粒進料器和沼氣收集罐設於上流式厭氧汙泥床反應器上方，三相分離器設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂部附近，牡蠣殼顆粒進料器的出口接上流式厭氧汙泥床反應器的進口，在上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂端設有排氣口，在上流式厭氧汙泥床反應器柱體頂部側端設有出水口，進水布水管設於承託板與上流式厭氧汙泥床反應器柱體底部之間，承託板設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體下部，排泥口設於上流式厭氧汙泥床反應器柱體底部，上流式厭氧汙泥床反應器柱體外側設有加熱水套。
2.如權利要求1所述的一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器，其特徵 在於所述承託板通過上下兩片法蘭盤固定於上流式厭氧汙泥床反應器下半部。
3.如權利要求1所述的一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器，其特徵 在於所述處理水池與上流式厭氧汙泥床反應器的出水口之間設閥門。
全文摘要
一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器，涉及一種廢水的處理設備。提供一種處理易酸化有機廢水的上流式厭氧汙泥床反應器。設有原水池、上流式厭氧汙泥床反應器、三相分離器、牡蠣殼顆粒進料器、沼氣收集罐、進水布水管、承託板和處理水池；原水池廢水出口接設於反應器下部廢水進口；牡蠣殼顆粒進料器和沼氣收集罐設於反應器上方，三相分離器設於反應器柱體頂部附近，牡蠣殼顆粒進料器出口接反應器的進口，在反應器柱體頂端設有排氣口，在反應器柱體頂部側端設有出水口，進水布水管設於承託板與上流式厭氧汙泥床反應器柱體底部之間，承託板設於反應器柱體下部，排泥口設於反應器柱體底部，反應器柱體外側設有加熱水套。
文檔編號C02F3/28GK101973676SQ201010517180
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月22日 優先權日2010年10月22日
發明者嚴貴, 葉均磊, 張亞乖, 熊小京 申請人:廈門大學