專利名稱：一體化生物反應(yīng)器及其應(yīng)用和處理高濃度有機廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及一種廢水處理裝置及其應(yīng)用和處理廢水的方法，更具體的說是一體化 生物反應(yīng)器及其應(yīng)用和處理高濃度有機廢水的方法。
背景技術(shù)：
近年來，上流式厭氧污泥床(UASB)在我國工業(yè)廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用，具有 節(jié)省能耗和費用、污泥量少、投資少易維護、可回收能源、可處理難降解高濃度廢水等優(yōu)點， 既可單獨用于廢水處理，也可與好氧生物技術(shù)聯(lián)用以獲得滿意的出水水質(zhì)。UASB主要在中 溫(30 35°C )條件和高溫(50 55°C )條件下運行，反應(yīng)器內(nèi)微生物活性良好，能夠獲 得理想的出水水質(zhì)。然而，當(dāng)溫度較低時(如在我國北方或者冬季時)，UASB中的微生物活 性受到抑制，一旦有機負荷過高，反應(yīng)器內(nèi)酸堿平衡很容易被破壞出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，造成出水 COD濃度偏高、出水pH為酸性、污泥上浮等，出水水質(zhì)嚴重惡化。為了保證UASB在低溫條件下的穩(wěn)定運行，維持反應(yīng)器內(nèi)酸堿平衡、避免酸化，可 采用加熱廢水、投加堿度、出水回流、出水吹脫CO2后回流、投加低溫菌株等措施，但在實際 工程應(yīng)用中，這些方法都存在缺點和局限性，如經(jīng)濟成本高、能耗大、回流水中含較多溶解 氧、尚無應(yīng)用實例等。孟兆成等公開的發(fā)明專利CN 1337364A采用一種自主研發(fā)的“變性 污泥”來控制UASB反應(yīng)器的酸化，效果好、成本低，但該“變性污泥”需要進行專門的生化培 養(yǎng)，而且需專門人員進行投放，自動化程度低。一體化生物反應(yīng)器是將不同生物處理工藝整合在一個反應(yīng)器內(nèi)以處理廢水，具有 投資少、占地少、能耗小、處理效果好、管理方便等優(yōu)點，近年來倍受國內(nèi)外研究者的青睞。 目前關(guān)于一體化生物反應(yīng)器在生活污水和工業(yè)廢水處理中的研究和應(yīng)用較多，主要是將 不同的厭氧、缺氧和好氧工藝有機整合在一個反應(yīng)器內(nèi)，整合方式通常有內(nèi)外套筒式和上 下疊加式。薛嘉等(薛嘉，黃鈞，李益軍.厭氧好氧一體化生物反應(yīng)器處理發(fā)酵廢水的研 究.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2007，13 (3) :414 418)研究開發(fā)了一種同心圓筒形式的厭氧 好氧一體化生物反應(yīng)器，用于處理高濃度有機發(fā)酵廢水。內(nèi)筒為厭氧顆粒污泥膨脹床，夕卜 筒為好氧三相流化床，分為升流區(qū)、降流區(qū)和沉降區(qū)。此反應(yīng)器抗沖擊能力強，COD去除率 可達到90%以上。蔣展鵬等(蔣展鵬，鐘燕敏，師紹琪.一體化A/0生物膜反應(yīng)器處理生活 污水.中國給水排水，2002，18 (8) :9 12)設(shè)計了上下疊加形式的升流式一體化A/0生物 膜反應(yīng)器用于處理生活污水，裝置呈圓筒狀，底部為采用球形填料的缺氧區(qū)，上部為采用半 軟性填料的好氧區(qū)，維持一定的回流比和反應(yīng)器內(nèi)適宜的堿度時，脫氮效果良好而穩(wěn)定。然 而，這些一體化反應(yīng)器都是在常溫下用于處理工業(yè)廢水和生活污水，目前尚未見到適用于 低溫條件下處理高濃度有機廢水的一體化生物反應(yīng)器的開發(fā)和研究。移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)是一種吸取了傳統(tǒng)的活性污泥法和生物接觸氧化法 的新型高效的好氧廢水處理工藝。該工藝是將比重接近水的懸浮填料直接投加到反應(yīng)器中 作為微生物載體，依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)，使微生物能充分與水中的溶 解氧和有機物接觸，有利于基質(zhì)傳遞，從而獲得良好的有機物去除效果。與其他好氧廢水處理工藝相比，MBBR工藝具有占地少、耐負荷沖擊、污泥濃度較高、剩余污泥量少、水頭損失小、無需反沖洗、一般不需回流、脫氮除磷效果良好等優(yōu)點。同時，大量的研究結(jié)果表明，由 于MBBR污泥濃度高、生物固體停留時間長，低溫條件下也能獲得很好的處理效果。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明要解決的技術(shù)問題針對低溫條件下(5 15°C )UASB反應(yīng)器處理高濃度有機廢水時存在易酸化的問 題，現(xiàn)有解決方法存在不足和局限性，本發(fā)明提供一體化生物反應(yīng)器和處理高濃度有機廢 水的方法，可避免酸化現(xiàn)象的產(chǎn)生。該裝置和方法也可用于常溫條件下工業(yè)廢水的處理。2、技術(shù)方案本發(fā)明將上流式厭氧污泥床(UASB)和移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)整合組成一體 化生物反應(yīng)器，利用MBBR出水回流為UASB補充堿度、UASB內(nèi)設(shè)置水力攪拌裝置增加傳質(zhì) 速率和MBBR對UASB的保溫作用，不需外加堿度或僅需投加少量堿度即可維持反應(yīng)器內(nèi)酸 堿平衡，保證反應(yīng)器內(nèi)微生物的生態(tài)穩(wěn)定，消除低溫條件下厭氧生物處理高濃度有機廢水 過程中易產(chǎn)生的酸化現(xiàn)象。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一體化生物反應(yīng)器，采用同心圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為UASB，外層為MBBR，MBBR出水回 流至UASB。UASB和MBBR的容積和水力停留時間根據(jù)需處理廢水的水質(zhì)水量確定，MBBR反應(yīng) 區(qū)的寬度與高度之比應(yīng)為0. 25 0. 5，MBBR的寬度指一體化反應(yīng)器的直徑與UASB直徑之 差；在UASB出水口設(shè)置pH在線監(jiān)測儀，底部布水裝置上方設(shè)置機械攪拌裝置。在MBBR反 應(yīng)區(qū)內(nèi)距反應(yīng)器底部Im 2m高度處設(shè)斜板和半菱形擋板；MBBR布氣裝置為穿孔管或曝氣 頭，呈同心圓狀安裝于斜板和半菱形擋板上方。一體化生物反應(yīng)器在處理高濃度有機廢水中的應(yīng)用。該一體化生物反應(yīng)器處理高濃度有機廢水的方法包括以下步驟(1)廢水從UASB底部布水裝置進水，布水裝置上方設(shè)有機械攪拌裝置，通過攪拌 使廢水中有機物和厭氧顆粒污泥充分混合接觸，經(jīng)過水解、酸化和產(chǎn)甲烷階段后，厭氧微生 物將大分子有機物降解并生成小分子有機物、沼氣、二氧化碳和水，沼氣、厭氧污泥和水經(jīng) 三相分離器分離，沼氣進入集氣室，污泥沉降入UASB反應(yīng)區(qū)，廢水上流至反應(yīng)器頂部出水 并依靠重力自流至反應(yīng)器底部進入外層MBBR ；(2)MBBR反應(yīng)區(qū)內(nèi)的斜板和半菱形擋板對UASB出水進行二次泥水分離，相當(dāng)于常 規(guī)處理中UASB后續(xù)的污泥二沉池；(3)廢水繼續(xù)上流，經(jīng)過MBBR曝氣裝置時，與氣體發(fā)生激烈混合，然后氣、水與 流化狀態(tài)的填料充分接觸，水中有機物被填料表面的微生物好氧降解生成二氧化碳和水， MBBR頂部設(shè)出水堰，出水由此流出進入集水池；(4)集水池與一體化生物反應(yīng)器之間設(shè)回流泵，可將出水回流至反應(yīng)器入口處。步驟(1)中UASB底部的機械攪拌裝置正常情況下關(guān)閉，當(dāng)UASB出水口 pH < 6. 8 時進行攪拌。步驟(3)中MBBR中投加比重為0. 93-0. 99的懸浮填料，填充率為40% -60%，曝氣量需保證溶解氧量為2mg/L-4mg/L。本步驟中的數(shù)值范圍并非絕對嚴格的限制，只要在這 個比重、填充率和曝氣量范圍內(nèi)都可滿足要求。步驟(4)中MBBR出水回流至UASB的回流比為100% -300%，當(dāng)UASB出水 口 pH 為6. 8 7. 5時回流比為100%，當(dāng)pH < 6. 8時增大回流比。維持UASB反應(yīng)器穩(wěn)定運行的重要條件之一是pH應(yīng)控制在6. 5 7. 8，正常情況下 通過反應(yīng)器自身的碳酸氫鹽/碳酸緩沖體系來維持酸堿平衡。好氧生物處理也會產(chǎn)生CO2 并形成碳酸，但由于好氧曝氣很容易吹脫掉高濃度的CO2，而且某些有機物的降解過程中還 會產(chǎn)生堿度，因此好氧生物處理無需外加堿度且出水堿度有時還會高于進水堿度。當(dāng)溫度 較低時，UASB反應(yīng)器中微生物活性被抑制，有機物和VFA降解不充分，當(dāng)VFA濃度高至碳酸 氫鹽堿度不足以中和時，酸堿平衡被破壞，造成出水PH降低和COD濃度升高，此時厭氧出水 回流已無法起到補充堿度的作用。然而，厭氧出水中大量未降解的能夠釋放陽離子的有機 成分(如蛋白質(zhì))、有機酸鹽或脂肪酸鹽等，被好氧降解后能產(chǎn)生很高的堿度，加上VFA被 降解、好氧曝氣過程中水中CO2被吹脫，水中堿度會大大增加，因此將好氧出水回流能夠為 UASB補充堿度，減少外加堿度的量甚至可不外加堿度，恢復(fù)厭氧區(qū)的酸堿平衡。將以上理論 付諸實踐的關(guān)鍵是UASB后續(xù)的好氧處理工藝，必須能夠在低溫下穩(wěn)定運行，且能夠抗負荷 沖擊，當(dāng)UASB發(fā)生酸化時能夠較好地降解其出水中的有機物?；谝陨峡紤]，本發(fā)明選擇 MBBR作為UASB后續(xù)的好氧處理工藝。MBBR是一種新型高效的好氧廢水處理工藝，具有污 泥濃度較高、剩余污泥量少、耐負荷沖擊、低溫下運行穩(wěn)定、水頭損失小、無需反沖洗、一般 不需回流、脫氮除磷效果良好等優(yōu)點，當(dāng)UASB出現(xiàn)酸化時能夠較好地適應(yīng)負荷沖擊，降解 水中有機物，為UASB提供堿度。為了節(jié)省占地、減少投資、提高處理效率，本發(fā)明將UASB和MBBR整合成同心圓柱 狀結(jié)構(gòu)的一體化反應(yīng)器，內(nèi)層為UASB，外層為MBBR。MBBR屬于好氧生物反應(yīng)器，好氧反應(yīng)過 程中微生物對有機物進行氧化分解，生成CO2和H2O并釋放熱量，MBBR可保持較高溫度，力口 上水的導(dǎo)熱性差，因此MBBR可對內(nèi)層UASB起到供熱保溫的作用。在UASB出水口設(shè)置pH在線監(jiān)測儀，根據(jù)出水pH值調(diào)整MBBR出水回流比。正常 情況下，MBBR出水回流比為100%，可為UASB提供足夠堿度；當(dāng)pH < 6. 8時，表明UASB有 可能出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，此時增大MBBR回流比，以補充更多堿度；同時，提高MBBR出水回流比還 能夠稀釋進水，降低有機物負荷，有助于恢復(fù)UASB酸堿平衡。當(dāng)水溫較低時，反應(yīng)器中水體粘度變大、傳質(zhì)速率減慢，有機物降解困難，易促進 酸化的發(fā)生，因此，在UASB底部設(shè)置機械攪拌裝置，當(dāng)UASB出水口 pH < 6. 8時進行攪拌， 加大水力擾動，增強基質(zhì)傳遞；正常情況下可不攪拌以節(jié)省能耗。在MBBR反應(yīng)區(qū)內(nèi)距反應(yīng)器底部Im 2m高度處設(shè)斜板與半菱形擋板，可代替二沉 池對UASB出水中的污泥進行二次泥水分離，并可避免UASB酸化時大量污泥上浮帶來的污 泥流失。3、有益效果本發(fā)明提供了一體化生物反應(yīng)器及其應(yīng)用和處理高濃度有機廢水的方法，不需外 加堿度或僅需投加少量堿度即可維持反應(yīng)器內(nèi)酸堿平衡，保證反應(yīng)器內(nèi)微生物的生態(tài)穩(wěn) 定，消除低溫條件下厭氧生物處理高濃度有機廢水過程中易產(chǎn)生的酸化現(xiàn)象，投資少、成本 低、易維護、運行穩(wěn)定、自動化程度高。本發(fā)明還可利用已建成的UASB反應(yīng)器進行技術(shù)改造升級，工程量小、成本低。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，反應(yīng)器具體尺寸需根據(jù)進水水質(zhì)水量進行設(shè)計。其中 1、UASB反應(yīng)區(qū)，2、攪拌裝置，3、pH在線監(jiān)測儀，4、三相分離器，5、集氣室，6、斜板，7、半菱形 擋板，8、曝氣裝置，9、MBBR反應(yīng)區(qū)，10、集水池，11、回流泵，12、布水裝置，13、污泥管
具體實施方式
本發(fā)明實現(xiàn)形式為將UASB和MBBR整合組成一體化生物反應(yīng)器，采用同心圓柱狀 結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為UASB，外層為MBBR，MBBR出水回流至UASB ；UASB和MBBR的容積和水力停留時 間根據(jù)需處理廢水的水質(zhì)水量確定，MBBR反應(yīng)區(qū)的寬度與高度之比應(yīng)為0. 25 0. 5，MBBR 的寬度指一體化反應(yīng)器的直徑與UASB直徑之差；在UASB出水口設(shè)置pH在線監(jiān)測儀，底部 布水裝置上方設(shè)置機械攪拌裝置；在MBBR內(nèi)距反應(yīng)器底部Im 2m高度處設(shè)斜板和半菱形 擋板；MBBR布氣裝置為穿孔管或曝氣頭，呈同心圓狀安裝于斜板和半菱形擋板上方。廢水由反應(yīng)器底部布水裝置(12)進入UASB反應(yīng)區(qū)(1)，通過UASB機械攪拌裝置 (2)的攪拌使廢水中有機物和厭氧顆粒污泥充分混合接觸，經(jīng)厭氧生物降解后上流至頂部 出水，厭氧反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)三相分離器(4)分離后進入集氣室(5)，出水依靠重力自流 至反應(yīng)器底部進入外層MBBR反應(yīng)器，經(jīng)過斜板(6)與半菱形擋板(7)進行二次泥水分離， 然后經(jīng)過MBBR曝氣裝置(8)，與氣體發(fā)生激烈混合，再與MBBR反應(yīng)區(qū)(9)中呈流化狀態(tài)的 填料充分接觸，水中有機物被填料表面的微生物好氧降解，MBBR頂部設(shè)出水堰，出水由此流 出進入集水池(10)，集水池與一體化生物反應(yīng)器之間設(shè)回流泵(11)，將出水回流至UASB。 UASB底部的機械攪拌裝置正常情況下關(guān)閉，當(dāng)UASB出水口 pH < 6. 8時進行攪拌；MBBR反 應(yīng)區(qū)中投加比重為0. 93-0. 99的懸浮填料，填充率為40% _60%，曝氣量需保證溶解氧量為 2mg/L-4mg/L ；MBBR出水回流至UASB的回流比為100% -300%，當(dāng)UASB出水口 pH為6. 8 7. 5時回流比為100%，當(dāng)pH < 6. 8時增大回流比。實施例1 其設(shè)備和處理流程同上，用本發(fā)明在冬季處理高濃度有機廢水，溫度為5 15°C， 廢水水質(zhì)見表1 :表1高濃度有機廢水水質(zhì)指標
水質(zhì)指標 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH堿度
變化范圍I 3500 4500丨2900 3600丨6. 5 8. 5丨400 750UASB的水力停留時間為18h，MBBR的水力停留時間為6h，MBBR區(qū)投加比重為0. 96 的懸浮填料，填充率為60%，溶解氧量為4mg/L。運行過程中嚴格監(jiān)測UASB反應(yīng)器出水的 PH，并及時調(diào)節(jié)回流比，pH最低為6. 3，此時調(diào)節(jié)回流比為300%即可使pH恢復(fù)至6. 8以上。 運行期間一體化反應(yīng)器處理效果好且穩(wěn)定，出水水質(zhì)見表2 表2反應(yīng)器出水水質(zhì)指標
水質(zhì)指標 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH 變化范圍 120 200 I 30 40 7 8. 5
比較例1 采用UASB與本發(fā)明的一體化反應(yīng)器同時處理該高濃度有機廢水，水 力停留時間為18h。溫度為10 15°C時，COD去除率只有60%;溫度為5 10°C時，COD去 除率只有20% 40%，出水VFA濃度達到600 1000mg/L，反應(yīng)器出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象，為了保 證反應(yīng)器的正常運行，必須投加3000mg/L堿度。實施例2 其設(shè)備和處理流程同上，用本發(fā)明在冬季處理某啤酒廠廢水，廢水水質(zhì)見表3 表3高濃度有機廢水水質(zhì)指標
水質(zhì)指標 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH堿度
變化范圍 1800 26001 900 1600丨 6. 0 7. 0 | 300 550UASB的水力停留時間為14h，MBBR的水力停留時間為4h，MBBR區(qū)投加比重為0. 99 的懸浮填料，填充率為40%，溶解氧量為2mg/L。運行過程中嚴格監(jiān)測UASB反應(yīng)器出水的 PH，并及時調(diào)節(jié)回流比，pH最低為6. 5，此時調(diào)節(jié)回流比為200%即可使pH恢復(fù)至6. 8以上。 運行期間一體化反應(yīng)器處理效果好且穩(wěn)定，出水水質(zhì)見表4 表4反應(yīng)器出水水質(zhì)指標
“水質(zhì)指標 C0D(mg/L) B0D(mg/L) pH
變化范圍 80 120 20 35 7. 0 8. 0比較例2 采用UASB與本發(fā)明的一體化反應(yīng)器同時處理該啤酒廢水，水力停留時 間為14h。溫度為10 15°C時，COD去除率只有65% ；溫度為5 10°C時，COD去除率只 有30% 45%，出水VFA濃度達到500 800mg/L，反應(yīng)器出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象，為了保證反應(yīng) 器的正常運行，必須投加2000mg/L堿度。本發(fā)明也可用于常溫下對于高 濃度有機廢水的處理。
權(quán)利要求
一種一體化生物反應(yīng)器，包括移動床生物膜反應(yīng)器MBBR，其特征在于反應(yīng)器采用同心圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為上流式厭氧生物反應(yīng)器UASB，外層為移動床生物膜反應(yīng)器MBBR，MBBR出水回流至UASB。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化生物反應(yīng)器，其特征在于在UASB出水口設(shè)置pH在線 監(jiān)測儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體化生物反應(yīng)器，其特征在于在UASB底部設(shè)置機械攪拌裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化生物反應(yīng)器，其特征在于MBBR反應(yīng)區(qū)的寬度與高度之 比為0. 25 0. 5，MBBR的寬度指一體化反應(yīng)器的直徑與UASB直徑之差。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一體化生物反應(yīng)器，其特征在于在MBBR內(nèi)設(shè)斜板和半菱形擋 板，斜板和半菱形擋板距反應(yīng)器底部的高度為1. Om 2. Om ；MBBR布氣裝置為穿孔管或曝氣 頭，呈同心圓狀安裝于斜板和半菱形擋板上方。
6.權(quán)利要求1 5中任一項所述的一體化生物反應(yīng)器在處理高濃度有機廢水中的應(yīng)用。
7.—體化生物反應(yīng)器處理高濃度有機廢水的方法，其步驟為(1)在溫度為5 15°C時，廢水從UASB底部布水裝置進水，布水裝置上方設(shè)有機械攪 拌裝置進行充分攪拌，生成的沼氣、厭氧污泥和水經(jīng)三相分離器分離，沼氣進入集氣室，污 泥沉降入UASB反應(yīng)區(qū)，廢水上流至反應(yīng)器頂部出水并依靠重力自流至反應(yīng)器底部進入外 層 MBBR ；(2)MBBR反應(yīng)區(qū)內(nèi)的斜板和半菱形擋板對UASB出水進行二次泥水分離；(3)廢水繼續(xù)上流，經(jīng)過MBBR曝氣裝置，與氣體混合，然后氣、水與流化狀態(tài)的填料充 分接觸，MBBR頂部設(shè)出水堰，出水由此流出進入集水池；(4)集水池與一體化生物反應(yīng)器之間設(shè)回流泵，可將出水回流至反應(yīng)器入口處。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化生物反應(yīng)器處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于 步驟(1)中UASB底部的機械攪拌裝置正常情況下關(guān)閉，當(dāng)UASB出水口 pH < 6. 8時進行攪 拌。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一體化生物反應(yīng)器處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于 步驟(3)中MBBR中投加比重為0. 93-0. 99的懸浮填料，填充率為40% -60%，曝氣量需保 證溶解氧量為2mg/L-4mg/L。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一體化生物反應(yīng)器處理高濃度有機廢水的方法，其特征在 于步驟(4)中MBBR出水回流至UASB的回流比為100%-300%，當(dāng)UASB出水口 pH為6. 8 7. 5時回流比為100%，當(dāng)pH < 6. 8時增大回流比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一體化生物反應(yīng)器及其應(yīng)用和處理高濃度有機廢水的方法，其屬于廢水處理領(lǐng)域。一體化生物反應(yīng)器采用同心圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為UASB，外層為MBBR。在UASB出水口設(shè)置pH在線監(jiān)測儀，UASB底部設(shè)攪拌裝置。集水池與反應(yīng)器進口之間設(shè)循環(huán)泵，可回流MBBR出水，正常情況下回流比為100％。MBBR適合于低溫下廢水處理，同時其本身對于UASB可起到一定的供熱保溫作用；此外，當(dāng)UASB出水pH＜6.8時，啟動UASB的攪拌裝置并增大MBBR回流比，可及時為UASB補充堿度，維持UASB的酸堿平衡，確保微生物的生態(tài)穩(wěn)定。本發(fā)明提出的方法和裝置可在低溫條件下高效穩(wěn)定地處理高濃度有機廢水，投資少、占地省、運行穩(wěn)定，無需外加堿度和加熱，節(jié)省維護運行費用和能耗。
文檔編號C02F3/28GK101955294SQ20091023277
公開日2011年1月26日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者丁麗麗, 任洪強, 任鑫坤, 許柯, 謝吉程 申請人:南京大學(xué)