申请日2015.09.16
公开(公告)日2015.11.18
IPC分类号C02F9/14; C02F3/12
摘要
本发明公开了一种高负荷代谢调控生物反应器及采用该装置进行废水处理的方法，装置包括双层筒状分离器(4)，将所述高负荷代谢调控生物反应器分隔为反应区和沉淀区(1)，所述反应区和所述沉淀区(1)之间通过污泥回流缝(8)连接，循环隔离筒(7)，竖直设置在所述反应区内，曝气头(6)，设置在所述循环隔离筒(7)的底部。所述方法包括废水的混合、废水的预处理、进行厌氧产甲烷处理以及好氧生物处理。采用本发明的装置及方法处理含丙烯酸废水和含丙烯酸盐废水，其优点在于启动速度快、处理负荷高、运行稳定、处理成本低。
摘要附图
权利要求书
1.一种高负荷代谢调控生物反应器，其特征在于：所述高负荷代谢调控生物反应器为悬 浮生长反应器或投加悬浮生物载体的复合生长反应器，包括：
双层筒状分离器(4)，将所述高负荷代谢调控生物反应器分隔为反应区和沉淀区(1)，所 述反应区和所述沉淀区(1)之间通过污泥回流缝(8)连接，且所述沉淀区(1)位于所述反 应区的上部，在所述双层筒状分离器(4)的下端连接有污泥抽吸挡板(9)，在所述双层筒状 分离器(4)上设置有气泡分离夹层(5);
循环隔离筒(7)，竖直设置在所述反应区内，将所述反应区分隔为所述循环隔离筒(7) 内部的气流搅拌循环稀释快速混合区(2)和外部的高负荷代谢调控脱毒转化区(3);
曝气头(6)，设置在所述循环隔离筒(7)的底部;
在所述高负荷代谢调控生物反应器的顶部设置有反应器密封盖(16)，底部设置有进水口 及放空口(14)，在所述高负荷代谢调控生物反应器的上部设置有出水口(17)。
2.根据权利要求1所述的高负荷代谢调控生物反应器，其特征在于：在所述反应器密封 盖(16)的顶部设置有单向阀排气口(15)，所述高负荷代谢调控生物反应器还包括低氧尾气 循环回曝气系统，包括：
反应器低氧循环气循环口(18)，设置在所述高负荷代谢调控生物反应器的上部;
曝气鼓风机(10)，通过第一管道(101)与所述曝气头(6)相连，通过第二管道(102) 连接新鲜空气进口(11)，在靠近所述新鲜空气进口(11)处的所述第二管道(102)上设置 有新鲜空气气量调节阀(13);
所述反应器低氧循环气循环口(18)通过第三管道(103)与所述第二管道(102)相连 通，在所述第三管道(103)上设置有反应器低氧循环气气量调节阀(12)。
3.根据权利要求2所述的高负荷代谢调控生物反应器，其特征在于：所述气流搅拌循环 稀释快速混合区(2)和所述高负荷代谢调控脱毒转化区(3)的体积比为1:2～1:10。
4.采用权利要求1～3中任意一项所述的高负荷代谢调控生物反应器进行废水处理的方 法，其特征在于：包括如下步骤：
(A)含高浓度丙烯酸或丙烯酸盐废水与采用反应器处理后的处理出水按照1:0～1:10的 比例混合后，加入氮磷营养物质，再经酸或碱调节pH值至中性;
(B)步骤A出水采用高负荷代谢调控生物反应器进行预处理，使废水厌氧产甲烷抑制 率以丙酸为底物降至10%以下，而BOD5去除率在20%以下;
(C)步骤B出水补充铁、钴、镍微量元素后进行厌氧产甲烷处理;
(D)步骤C出水进行好氧生物处理。
5.根据权利要求4所述的废水处理的方法，其特征在于：所述步骤(A)中混合后的废 水中丙烯酸及盐浓度以丙烯酸计为20000mg/L以下;所述碱为工业用无机碱或无机碱浓度高 且中和后毒性低的废水;所述酸为工业用无机酸或无机酸浓度高且中和后毒性低的废水。
6.根据权利要求5所述的废水处理的方法，其特征在于：所述无机碱包括氢氧化钠、氢 氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠或其混合物;所述无机酸为盐酸、硫酸或其混合物。
7.根据权利要求4所述的废水处理的方法，其特征在于：所述厌氧产甲烷抑制率的测定 以丙酸钠为产甲烷底物;丙酸钠培养液组成如下：丙酸钠3.43g/L、刃天青0.9mg/L、 (NH4)2HPO472.1mg/L、CaCl2·2H2O225mg/L、NH4Cl359mg/L、MgCl2·4H2O1620mg/L、KCl 1170mg/L、MnCl2·4H2O18.0mg/L、CoCl2·6H2O27mg/L、H3BO35.13mg/L、CuCl2·2H2O2.43 mg/L、Na2MoO4·2H2O2.30mg/L、ZnCl21.89mg/L、FeCl2·4H2O333mg/L、Na2S·9H2O 450mg/L、维生素H0.018mg/L、叶酸0.018mg/L、维生素B60.09mg/L、维生素B20.045mg/L、 维生素B10.045mg/L、烟酸0.045mg/L、泛酸钙0.045mg/L、维生素B120.0009mg/L、对氨 基苯甲酸0.045mg/L、α-硫辛酸0.045mg/L;
测定含有所述废水条件下的甲烷产生速率：按照体积比1:1:8将所述丙酸钠培养液、产甲 烷颗粒污泥和所述中和至pH值为6.5～7.5的预处理后的废水混合，35℃条件下测定混合液 产甲烷量，计算甲烷产生速率V3;
测定无毒性物质条件下的甲烷产生速率：按照体积比1:1:8将所述丙酸钠培养液、产甲烷 颗粒污泥和所述去离子水混合，35℃条件下测定产甲烷量并计算无毒性物质条件下的甲烷产 生速率V4;
计算所述厌氧产甲烷抑制率的方法为：厌氧产甲烷抑制率=(1-V3/V4)×100%。
8.根据权利要求4所述的废水处理的方法，其特征在于：所述高负荷代谢调控生物反应 器运行期间控制反应区混合液pH值为6～9，温度为20～40℃，启动最初阶段接种好氧活性 污泥，接种浓度为2000～6000mg/LMLSS，控制曝气量使反应区顶部混合液氧化还原电位 -50～100mV，当所述高负荷代谢调控生物反应器COD去除率稳定达80%以上时，使所述高 负荷代谢调控生物反应器混合液氧化还原电位低于-200mV，溶解氧低于0.5mg/L运行，所述 高负荷代谢调控生物反应器在30d内完成启动。
9.根据权利要求4所述的废水处理的方法，其特征在于：所述高负荷代谢调控生物反应 器中的反应区水力停留时间控制在1h～12h，丙烯酸盐处理负荷以丙烯酸计最高可达 160kg/m3.d。
10.根据权利要求4所述的废水处理的方法，其特征在于：所述步骤(C)中废水所进 行的厌氧产甲烷处理为单级或多级升流式厌氧污泥床、厌氧生物滤池或厌氧颗粒污泥膨胀床; 步骤(D)中废水所进行的好氧生物处理为活性污泥法或生物膜法。
说明书
一种高负荷代谢调控生物反应器及废水处理方法
技术领域
本发明涉及一种废水处理领域，特别是涉及一种高负荷代谢调控生物反应器及采用该反 应器进行废水处理的方法。
背景技术
丙烯酸生产过程中以及以丙烯酸为原料的生产过程中会产生大量含较高浓度丙烯酸或丙 烯酸盐的废水。由于丙烯酸及其盐对微生物具有很高的毒性，直接进行生化处理，常出现污 泥驯化速度慢、污泥易流失、处理出水水质不稳定等问题。
目前含丙烯酸废水多采用热力焚烧法等工艺进行处理。热力焚烧工艺即将含高浓度丙烯 酸的废水经过气提塔浓缩后，在助燃压缩空气的帮助下呈雾状喷入废水焚烧炉，同时燃料气 或燃料油也进入燃烧炉燃烧，燃烧气温度可达950℃，在950℃的高温下，废水中的有机物 完全反应成为二氧化碳和水，处理效率很高。尽管如此，热力焚烧工艺基建投资大，消耗大 量燃料气或燃料油，能耗及运行成本高，且当采用该工艺处理含丙烯酸盐的废水时，容易造 成炉体腐蚀、管道堵塞，炉砖等需定期更换，进一步增加了运行成本。丙烯酸为可生物降解 有机物，但由于丙烯酸(盐)的毒性很高，生物处理工艺通常需要将含丙烯酸(盐)废水用 生活污水、冷却水等进行大量稀释后或处理出水大比率回流稀释后再进行处理，其缺点在于 废水稀释浪费大量的冷却水，出水回流能耗高。而且由于丙烯酸(盐)对水处理微生物特别 是产甲烷菌毒性很高，污泥驯化困难，反应器启动常常需要半年甚至一年以上，且易受到冲 击负荷的冲击，严重影响生产装置的正常运行等。
因此含丙烯酸(盐)废水的处理一直是工业废水处理领域的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种处理含高浓度丙烯酸或丙烯酸盐废水的装置和方法， 采用本发明的装置及方法处理含丙烯酸废水和含丙烯酸盐废水，其优点在于启动速度快、处 理负荷高、运行稳定、处理成本低。
一种高负荷代谢调控生物反应器，所述高负荷代谢调控生物反应器为悬浮生长反应器或投 加悬浮生物载体的复合生长反应器，包括：
双层筒状分离器，将所述高负荷代谢调控生物反应器分隔为反应区和沉淀区，所述反应区 和所述沉淀区之间通过污泥回流缝连接，且所述沉淀区位于所述反应区的上部，在所述双层 筒状分离器的下端连接有污泥抽吸挡板，在所述双层筒状分离器上设置有气泡分离夹层;
循环隔离筒，竖直设置在所述反应区内，将所述反应区分隔为所述循环隔离筒内部的气流 搅拌循环稀释快速混合区和外部的高负荷代谢调控脱毒转化区;
曝气头，设置在所述循环隔离筒的底部;
在所述高负荷代谢调控生物反应器的顶部设置有反应器密封盖，底部设置有进水口及放空 口，在所述高负荷代谢调控生物反应器的上部设置有出水口。
本发明所述的高负荷代谢调控生物反应器，其中，在所述反应器密封盖的顶部设置有单 向阀排气口，所述高负荷代谢调控生物反应器还包括低氧尾气循环回曝气系统，包括：
反应器低氧循环气循环口，设置在所述高负荷代谢调控生物反应器的上部;
曝气鼓风机，通过第一管道与所述曝气头相连，通过第二管道连接新鲜空气进口，在靠 近所述新鲜空气进口处的所述第二管道上设置有新鲜空气气量调节阀;
所述反应器低氧循环气循环口通过第三管道与所述第二管道相连通，在所述第三管道上 设置有反应器低氧循环气气量调节阀。
所述低氧尾气循环回曝气系统可将反应器排出的低氧尾气循环回曝气系统。调节两个系 统的曝气量可在保证反应器内混合条件的情况下，将反应器混合液氧化还原条件和污染物浓 度控制在需要的范围，从而实现对微生物种群和代谢过程的调控，实现有毒污染物的选择性 代谢转化;根据反应器进水丙烯酸盐浓度，反应器反应区水力停留时间控制在1h～12h，丙 烯酸盐处理负荷最高可达160kg/m3.d(以丙烯酸计)。
本发明所述的高负荷代谢调控生物反应器，其中，所述气流搅拌循环稀释快速混合区和 所述高负荷代谢调控脱毒转化区的体积比为1:2～1:10。
一种采用本发明所述的高负荷代谢调控生物反应器进行废水处理的方法，包括如下步骤：
(A)含高浓度丙烯酸或丙烯酸盐废水与采用反应器处理后的处理出水按照1:0～1:10的 比例混合后，加入氮磷营养物质，再经酸或碱调节pH值至中性;
(B)步骤A出水采用高负荷代谢调控生物反应器进行预处理，使废水厌氧产甲烷抑制 率以丙酸为底物降至10%以下，而BOD5去除率在20%以下;
(C)步骤B出水补充铁、钴、镍微量元素后进行厌氧产甲烷处理;
(D)步骤C出水进行好氧生物处理。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述步骤(A)中混合后的废水中丙烯酸及盐浓 度以丙烯酸计为20000mg/L以上;所述碱为工业用无机碱或无机碱浓度高且中和后毒性低的 废水;所述酸为工业用无机酸或无机酸浓度高且中和后毒性低的废水。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述无机碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、 碳酸钠、碳酸氢钠或其混合物;所述无机酸为盐酸、硫酸或其混合物。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述厌氧产甲烷抑制率的测定以丙酸钠为产甲烷 底物;丙酸钠培养液组成如下：丙酸钠3.43g/L、刃天青0.9mg/L、(NH4)2HPO472.1mg/L、 CaCl2·2H2O225mg/L、NH4Cl359mg/L、MgCl2·4H2O1620mg/L、KCl1170mg/L、MnCl2·4H2O 18.0mg/L、CoCl2·6H2O27mg/L、H3BO35.13mg/L、CuCl2·2H2O2.43mg/L、Na2MoO4·2H2O 2.30mg/L、ZnCl21.89mg/L、FeCl2·4H2O333mg/L、Na2S·9H2O450mg/L、维生素H0.018 mg/L、叶酸0.018mg/L、维生素B60.09mg/L、维生素B20.045mg/L、维生素B10.045mg/L、 烟酸0.045mg/L、泛酸钙0.045mg/L、维生素B120.0009mg/L、对氨基苯甲酸0.045mg/L、 α-硫辛酸0.045mg/L;
测定含有所述废水条件下的甲烷产生速率：按照体积比1:1:8将所述丙酸钠培养液、产甲 烷颗粒污泥和所述中和至pH值为6.5～7.5的预处理后的废水混合，35℃条件下测定混合液 产甲烷量，计算甲烷产生速率V3;
测定无毒性物质条件下的甲烷产生速率：按照体积比1:1:8将所述丙酸钠培养液、产甲烷 颗粒污泥和所述去离子水混合，35℃条件下测定产甲烷量并计算无毒性物质条件下的甲烷产 生速率V4;
计算所述厌氧产甲烷抑制率的方法为：厌氧产甲烷抑制率=(1-V3/V4)×100%。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述高负荷代谢调控生物反应器运行期间控制反 应区混合液pH值为6～9，温度为20～40℃，启动最初阶段接种好氧活性污泥，接种浓度为 2000～6000mg/LMLSS，控制曝气量使反应区顶部混合液氧化还原电位-50～100mV，当所述 高负荷代谢调控生物反应器COD去除率稳定达80%以上时，使所述高负荷代谢调控生物反 应器混合液氧化还原电位低于-200mV，溶解氧低于0.5mg/L运行，所述高负荷代谢调控生物 反应器在30d内完成启动。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述高负荷代谢调控生物反应器中的反应区水力 停留时间控制在1h～12h，丙烯酸盐处理负荷以丙烯酸计最高可达160kg/m3.d。
本发明所述的废水处理的方法，其中，所述步骤(C)中废水所进行的厌氧产甲烷处理 为单级或多级升流式厌氧污泥床、厌氧生物滤池或厌氧颗粒污泥膨胀床;步骤(D)中废水 所进行的好氧生物处理为活性污泥法或生物膜法。
本发明的装置和方法与现有技术不同之处在于：
1)本发明的高负荷代谢调控生物反应器启动速度快，启动成本低：本发明所述用于废水 预处理的生物反应器，可采用普通市政污水处理厂活性污泥进行接种，启动初始阶段采用高 ORP运行，污泥增殖速度较快，可在1个月左右的时间内完成启动。后续厌氧产甲烷反应器 可采用沼气池污泥或颗粒污泥进行接种，由于经过预处理，废水的厌氧产甲烷毒性显著下降， 该反应器可随预处理反应器进行同步启动。工艺末端的好氧处理以普通市政污水处理厂活性 污泥为接种，可随其他反应器进行同步启动。工艺启动周期显著低于现有生物处理工艺所需 要的半年甚至一年以上的启动周期，可节约启动成本，不需投加共代谢物(如生活污水、发 酵行业废水等)，有利于新建化工生产装置按时或提前开工。
2)工艺处理负荷高：由于废水的厌氧产甲烷毒性在预处理单元有效削减，产甲烷单元可 达到很高的处理负荷，整套工艺也可达到很高的处理负荷，丙烯酸等可生物降解污染物去除 率达95%以上。本发明所述废水处理方法，进水丙烯酸及盐浓度(以丙烯酸计)可达20000mg/L 以上;高负荷代谢调控生物反应器单元的处理负荷达可达160kg/m3.d(以丙烯酸计)以上; 厌氧产甲烷单元处理负荷达12～25kgCOD/(m3.d)以上;整个工艺的处理负荷达6～ 15kgCOD/(m3.d)以上。而现有工程应用的高浓度丙烯酸废水厌氧产甲烷单元的处理负荷仅为 1～3kgCOD/(m3.d)。
3)工艺运行稳定：废水厌氧生物处理系统中，产甲烷菌对有毒物质最为敏感。由于本发 明所述方法可有效降低废水的厌氧产甲烷毒性，因此保证了工艺的稳定运行。
4)处理成本低：本发明所述方法中，废水中有机物的去除主要发生在厌氧产甲烷单元， 该单元处理单位废水的能耗较低，而且预处理也采用成本较低的生物处理技术，因此工艺整 体的处理成本较低，同时可回收甲烷。在废水进入生物处理阶段之前,充分利用处理出水中的 碱度对高浓度丙烯酸废水进行中和,降低了碱投加成本。
