申请日2006.08.29
公开(公告)日2007.02.14
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开了一种采用缺氧-厌氧-好氧交替进行的高效新型序批式气升环流废水生物处理反应器，包括一方形或圆筒式结构的反应器装置、进水装置及出水装置，所述反应器装置包括一反应器主体，反应器主体上方连有三相分离器，下方连有锥底，反应器主体内安装有气升环流导流筒，并有一上流折流挡板固定于气升环流导流筒上方，所述反应器装置还包括一曝气系统。本发明还公开了应用于该反应器的工艺。采用本发明提供的序批式气升环流废水生物处理反应器及工艺，能够在同一反应器内实现难降解有机污染物的氧化与生物脱氮的双重目标，使高浓度难降解含氮工业有机废水经过处理后能够达标排放，同时实现剩余污泥减量化程度达80%以上。
权利要求书
1、序批式气升环流废水生物处理反应器，包括一方形或圆筒式结构 的反应器装置、进水装置及出水装置，其特征在于所述反应器装置 包括一反应器主体(16)，反应器主体(16)上方连有三相分离器(6)， 下方连有锥底(17)，反应器主体(16)内安装有气升环流导流筒(7)， 并有一上流折流挡板(9)固定于气升环流导流筒(7)上方;所述 反应器装置还包括一曝气系统。
2、根据权利要求1所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，其 特征在于所述三相分离器(6)为放大型结构，在反应器主体(16) 高度的1/2处与反应器主体(16)相连，三相分离器(6)底部与反 应器主体(16)相连处开一排污泥滑落孔(5)。
3、根据权利要求1所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，其 特征在于所述的上流折流挡板(9)为倒喇叭型方形或圆形结构，以 三个支撑点固定于气升环流导流筒(7)上方。
4、根据权利要求1所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，其 特征在于所述进水装置包括进水计量泵(3)和进水槽(4)，安装于 锥底(17)与反应器主体(16)连接处;反应器的供气采用曝气系 统，包括低压曝气泵(1)和曝气装置(20)，安装于反应器底部; 所述低压曝气泵(1)及进水计量泵(3)均与程序控制器(2)相连， 通过时间程序设置控制反应器的进水及运行状态。
5、根据权利要求1所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，其 特征在于所述出水装置包括出水堰槽(8)、4个出水口(11、12、13、 14)和清水槽(15)，四个出水口(11、12、13、14)位于三相分离 器(6)不同高度处。
6、根据权利要求1所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，其 特征在于反应器采用生物陶粒或改性木屑填料载体，反应器体系内 微生物以悬浮生长和附着生长相结合的混合生长方式。
7、一种序批式气升环流废水生物处理工艺，其特征在于：采用权利 要求1至6任一权利要求所述的序批式气升环流废水生物处理反应 器按照以下步骤进行：
1)进水阶段：原水由进水槽(4)经进水计量泵(3)泵入反应 器内，至预定的时间时停止进水，进入到反应阶段;
2)反应阶段：在反应器内以气升环流方式进行，并通过调节程 序控制器(2)的时间程序交替控制低压曝气泵(1)的开关时间来 控制向反应器内通入的空气量，从而交替进行缺氧-厌氧-好氧生化反 应过程，直至进水中的难降解有机污染物和氨氮在此阶段得到高效 降解甚至完全矿化，至预定的时间停止反应，进入静置阶段;
3)静置阶段：反应器内的泥水混合液通过重力沉降，在三相分 离器(6)内分离，其中污泥通过污泥滑落孔(5)进入锥底(17)， 上清液待排放;
4)排水阶段：静置沉降分离后的上清液在设定的排水比条件下 由相应的排放口排放至出清水槽中;
5)闲置阶段：上清液排放后，反应器进入到闲置期，即待进水 状态。
8、根据权利要求7所述的序批式气升环流废水生物处理工艺，其特 征在于：缺氧-厌氧-好氧序批式交替运行程序可根据进水水质指标和 运行期间水质指标的变化状况而进行相应设置，具体方法是改变程 序控制器的时间设置从而改变反应器缺氧、厌氧、好氧生化反应的 周期。
9、一种序批式气升环流废水生物处理工艺，其特征在于：采用两个 或者两个以上权利要求1至6任一权利要求所述的序批式气升环流 废水生物处理反应器，每个反应器轮流按照权利要求7所述的步骤 运行。
说明书
序批式气升环流废水生物处理反应器及工艺
技术领域
本发明属于水污染控制应用技术领域，涉及一种含高浓度难降 解有机污染物和高浓度氨氮的工业有机废水的生物处理工艺及反应 器装置。
背景技术
工业生产过程中排放出大量高浓度有毒/难降解有机含氮工业 废水如酵母废水、味精废液、焦化废水、酱油废水、垃圾渗滤液等， 其水质特征是含有高浓度有毒难降解有机污染物和高浓度氨氮。这 类废水的处理普遍采用厌氧/好氧及硝化/反硝化的组合工艺，如 A2/O、AB法、SBR工艺等。这些工艺均为以微生物的悬浮生长为 主的活性污泥传统工艺及其改进工艺，对含难降解有机污染物的水 质适应性差，降解效率不高。A2/O及AB工艺的脱氮效率一般介于 30%～40%之间，不能达到处理要求。SBR工艺为序批间歇式活性 污泥工艺，脱氮效率较高，但其对难降解有机污染物的去除效果差。 此外，上述工艺存在工艺路线长、废水回流比大、单元构筑物或反 应器的混合效果及传质效率低、需要污泥回流及剩余污泥产量大等 问题，使单元构筑物(反应器)对高浓度有毒/难降解有机物的适应 性差、处理负荷低、基建投资及运行成本偏高。
国内外研究及产业化实践表明，生物膜法工艺在高浓度有毒/难 降解废水的处理方面具有独特的优势。单元构筑物(反应器)的采 用以气升式生物反应器及生物流化床反应器见长。美国Dayton大学 学者Safferman和Cincinnati大学的Bishop教授(Safferman SI，Bishop P.L.Joumal of hazardous materials，1997，54(3)：241-253)认为，采用 气升式生物反应器或生物流化床反应器的工艺既可使难降解废水的 有机污染物去除能力最大化又可使污泥产量最小化。因此，生物膜 法工艺(如生物流化床工艺)在难降解废水的治理中呈现出良好的 应用前景。但该类工艺的脱氮效率与前述活性污泥工艺相似，维持 在30%～40%之间，需要与硝化/反硝化工艺联用才能使同时含高浓 度有机污染物和高浓度氨氮的废水达标排放。
由此可见，针对同时含高浓度难降解有机污染物和氨氮的工业 有机废水的水质特性，开发在同一反应器内实现难降解有机物的降 解与生物脱氮双重目标的高效废水处理工艺及反应器将具有良好的 应用前景。
发明内容
本发明针对传统活性污泥废水生物处理工艺及反应器对高浓度 难降解有机污染物的适应性差、降解效率低的问题及生物膜法反应 器(如生物流化床)脱氮性能差等问题，提出一种采用缺氧-厌氧- 好氧交替进行的高效新型气升式内环流废水处理生物反应器及工 艺，在同一反应器内实现难降解有机污染物的氧化与生物脱氮的双 重目标，使高浓度难降解含氮工业有机废水经过处理后能够达标排 放，同时实现剩余污泥减量化程度达80%以上(较传统活性污泥工 艺而言)。
本发明所述的序批式气升环流废水生物处理反应器，包括一方 形或圆筒式结构的反应器装置、进水装置及出水装置，所述反应器 装置包括一反应器主体，反应器主体上方连有三相分离器，下方连 有锥底，反应器主体内安装有气升环流导流筒，并有一上流折流挡 板固定于气升环流导流筒上方;所述反应器装置还包括一曝气系统。
所述三相分离器为放大型结构，在反应器主体高度的1/2处与 反应器主体相连，三相分离器底部与反应器主体相连处开一排污泥 滑落孔。
所述的上流折流挡板为倒喇叭型方形或圆形结构，以三个支撑 点固定于气升环流导流筒上方。
所述进水装置包括进水计量泵和进水槽，安装于锥底与反应器 主体连接处;反应器的供气采用曝气系统，包括低压曝气泵和曝气 装置，安装于反应器底部;所述低压曝气泵及进水计量泵均与程序 控制器相连，通过时间程序设置控制反应器的进水及运行状态。
所述出水装置包括出水堰槽、四个出水口和清水槽，根据不同 的排水比设置四个出水口位于三相分离器不同高度处。
反应器采用生物陶粒或改性木屑填料载体，反应器体系内微生 物以悬浮生长和附着生长相结合的混合生长方式。
本发明还涉及一种序批式气升环流废水生物处理工艺，采用上 述的序批式气升环流废水生物处理反应器按照以下步骤进行：
1)进水阶段：原水由进水槽经进水计量泵泵入反应器内，至预 定的时间时停止进水，进入到反应阶段;
2)反应阶段：在反应器内以气升环流方式进行，并通过调节程 序控制器(2)的时间程序交替控制低压曝气泵的开关时间来控制向 反应器内通入的空气量，从而交替进行缺氧-厌氧-好氧生化反应过 程，直至进水中的难降解有机污染物和氨氮在此阶段得到高效降解 甚至完全矿化，至预定的时间停止反应，进入静置阶段;
3)静置阶段：反应器内的泥水混合液通过重力沉降，在三相分 离器内分离，其中污泥通过污泥滑落孔进入锥底，上清液待排放;
4)排水阶段：静置沉降分离后的上清液在设定的排水比条件下 由相应的排放口排放至出清水槽中;
5)闲置阶段：上清液排放后，反应器进入到闲置期，即待进水 状态。
缺氧-厌氧-好氧序批式交替运行程序可根据进水水质指标和运 行期间水质指标的变化状况而进行相应设置，具体方法是改变程序 控制器的时间设置从而改变反应器缺氧、厌氧、好氧生化反应的周 期。
本发明还涉及一种序批式气升环流废水生物处理工艺，采用两 个或者两个以上本发明所述的序批式气升环流废水生物处理反应 器，每个反应器轮流按照本发明前述的一种序批式气升环流废水生 物处理工艺所列出的步骤运行。
应用于上述反应器的序批式气升环流废水生物处理工艺，其原 理在于：
(1)难降解有机物的生物降解：气升环流生物反应器废水处理 工艺是一种生物强化技术(Bioaugumentation)，既具附着生长法又 具悬浮法生长特征，是一种典型的复合体系。在缺氧-厌氧-好氧交替 运行的启动和驯化过程中反应器内微生物种群经过复杂的生态演 替，产生适应于难降解底物的特征酶系和高效优势菌种，其理论基 础是微生物酶学经典理论——诱导-契合学说。反应器的流态化操作 方式为难降解底物与微生物之间创造了良好的混合和传质条件，无 论是氧还是基质的传递速率均较固定床和活性污泥系统有明显的提 高。其混合时间介于15～30s之间，氧传递系数(KLa)介于18～25h-1， 与传统活性污泥处理系统相比，氧传递功效高20%～30%。由于高 效三相分离器的设计及新型生物填料的使用使体系内生物浓度达到 10～20g/L，是传统活性污泥工艺的4～5倍，大幅度提高了难降解 有机污染物与微生物膜之间的接触反应界面和反应速率。因此，该 工艺在高浓度有毒/难降解有机废水的处理方面呈现出优良的性能。
(2)生物脱氮：生物脱氮主要通过硝化和反硝化两个过程来完 成。硝化细菌是一类化能自养菌，包括亚硝化菌和硝化菌两个生理 菌群，其主要特性为：自养性、生长速率低、好氧性、依附性和产 酸性(消耗碱度)等。而反硝化菌多为兼性异养菌，其生长速率大 大高于硝化细菌。在生物脱氮过程中，硝化过程是限制性步骤，硝 化作用的稳定和硝化速度的提高是影响整个系统脱氮效率的关键。 研究表明，污水硝化速率与硝化细菌的浓度呈正相关。因此，提高 硝化细菌的浓度对生物脱氮效率的提升具有直接的作用。在悬浮生 长系统中，很难得到并维持足够的硝化细菌浓度，而在附着生长系 统中，硝化细菌以固定化方式生长在载体表面，不易被洗出系统， 故其生物量浓度得以大幅度提高。本发明所述的新型高效反应器由 于三相分离器的高效分离作用，使得在传统废水生物处理系统中较 难存留的世代时间长的硝化细菌能够大部分保持在反应器系统内， 大幅度提高了生物硝化的效率。废水进入反应器后，随着生化反应 的进行，CODCr及CODCr/NH4 +-N不断降低，为体系内自养微生物的 生长和生物硝化作用提供了良好的条件，使废水中NH4 +-N几乎完全 转化为NO2 --N及NO3 --N。随着运行程序进入缺氧阶段，体系中残 存的有机物作为电子供体、硝化过程产生的NO2 --N及NO3 --N作为 电子受体，实现反硝化过程为主的生化反应，通过工艺条件的控制， 使脱氮过程不产生强温室效应气体N2O，脱氮的最终产物以N2的形 式排出，高效地实现生物脱氮。
(3)剩余污泥减量化：废水生物处理过程中剩余污泥主要产生 于好氧阶段。由于本发明所述的反应器采用高效的三相分离器，使 得好氧阶段产生的剩余污泥在三相分离器中得到良好分离后仍然停 留在反应器体系中，其中活性强的生物量以生物膜的形式附着在载 体上继续进行生物降解作用，而活性低的生物量在气升式反应器特 有的水力学条件下从载体表面脱落，以悬浮态存在于反应器中。随 着反应器的运行进入缺氧-厌氧阶段，悬浮态的微生物菌体逐渐老化 以至自溶，在厌氧条件下，菌体得到大量消解。消解产物经过反应 器的序批式运行，最终得到矿化，从而实现剩余污泥的减量化。
根据以上原理设计的序批式气升环流废水生物处理工艺，以缺 氧-厌氧-好氧交替进行的方式处理含高浓度难降解有机污染物和高 氨氮的工业有机废水，经序批式间歇运行操作，使废水在反应装置 内经历有机物的生物氧化及生物硝化-反硝化生物脱氮两个过程，在 同一反应器内实现有机物氧化与生物脱氮的功能。
本发明通过上述反应器及工艺，实现了发明目的，与现有技术 相比，具有以下优点：
(1)序批式气升环流废水生物处理反应器混合效果好、传质效 率高。其混合时间介于15～30s之间，氧传递系数KLa介于18～25h-1， 与传统活性污泥处理系统相比，氧传递功效高20%～30%。
(2)反应器在缺氧-厌氧-好氧交替进行的状态下运行，系统内 微生物区系经过复杂的生态演替呈现出十分丰富的种群结构，高浓 度含氮有机工业废水在这种体系中得到高效处理。
(3)反应器具有性能良好的新型结构三相分离器，使得生物量 在反应器内的停留时间延长至30～40d，反应器体系内微生物以悬浮 生长和附着生长相结合的混合生长方式，可实现反应体系内生物浓 度达到10～20g/L，是传统活性污泥系统的4～5倍，实现了反应器 的高生物浓度下运行，提高了难降解有机污染物的生物降解效率。
(4)与序批式活性污泥法(SBR)工艺相比，由于本发明采用 了性能良好的三相分离器，使得污泥-水-气三相分离效果大大增强， 无须设置滗水器和二沉池，反应器出水清澈，出水SS低于10mg/L。
(5)缺氧-厌氧-好氧序批式交替运行程序可根据进水水质指标 (如CODCr、BOD5、BOD5/CODCr、CODCr/NH4 +-N等参数)和运行 期间水质指标的变化状况而进行相应设置，工艺控制方法灵活。采 用工艺优化控制程序，使大量剩余污泥在厌氧阶段得以削减，达到 剩余污泥减量化80%以上的效果。
(6)本发明所涉及的工艺经序批式间歇运行操作，使废水在反 应装置内经历有机物的生物降解及生物硝化-反硝化生物脱氮两个 过程，在同一反应器内实现有机物降解与生物脱氮的双重目标。
