申请日2018.07.04
公开(公告)日2018.09.28
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明提出了一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，包括：脉冲出水发生器、厌氧反应池和侧向分离式气、液、固三相分离器，是在厌氧反应区能快速形成性状优良的颗粒污泥和装填可附着生长生物膜并能悬浮移动的填料床，大幅度提高厌氧生化反应效率，分离式的气、液、固三相分离装置构造简单，分离效果好，运行稳定，安装施工简便，工程建造成本更低，有机物去除效率高的颗粒污泥床与生物膜移动床相结合的复合厌氧反应器。
权利要求书
1.一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，其特征在于，包括：脉冲出水发生器、厌氧反应池和侧向分离式气、液、固三相分离器;
所述厌氧反应池包括池体(9)，以及池体(9)中间位置水平设置且将池体分为上下两个空间的格栅板(10)，格栅板(10)上部空间内装填悬浮填料(11);顶盖(16)设置于池体(9)顶端且形成集气室(12);池体(9)顶端外边沿设有外围堰板(15)围成的集流堰(14);所述集流堰(14)与集气室(12)之间设置有格栅网(13);沼气输出管(31)由顶盖(16)顶端引出;
所述脉冲出水发生器设置在厌氧反应池上方，由贮水罐(2)、钟罩(3)、虹吸管(4)、脉冲出水管(5)、排气管(6)、气压平衡管(7)组成，所述贮水罐(2)是一个密闭的圆柱体容器且顶端与进水管(1)连通;脉冲出水管(5)竖直处于池体(9)内且由池体(9)顶端向下延伸贯穿格栅板(10);所述钟罩(3)处于贮水罐(2)内且钟罩(3)底部开口与贮水罐(2)内部连通，所述虹吸管(4)上端插入钟罩(3)内至顶部，虹吸管(4)下端插入脉冲出水管(5)上端内;排气管(6)下端与脉冲出水管(5)上端连通，排气管(6)上端至贮水罐(2)内顶端并与其连通;气压平衡管(7)一端与贮水罐(2)顶部连通，另一端与集气室(12)顶端连通;
所述侧向分离式气、液、固三相分离器由集气室(12)、内隔板(18)、挡气导流板(19)、斜板填料(22)、溢流堰(23)、外墙(21)和出水管(24)组成，所述池体(9)一侧的外围墙与外墙(21)形成密闭空间内纵向设置内隔板(18)，所述内隔板(18)与池体(9)的外围墙构成的出流通道(17)，所述出流通道(17)连通至集流堰(14);所述挡气导流板(19)上端与内隔板(18)底端连接，另一端倾斜向下延伸至远离池体(9)外围墙一侧的外墙(21)内壁且挡气导流板(19)的下端与外墙(21)内壁之间存在间距形成过流口(20);所述挡气导流板(19)上方设置斜板填料(22)，所述外墙(21)内壁处于斜板填料(22)上方设有溢流堰(23)，所述出水管(24)连接外部且连通至溢流堰(23)。
2.如权利要求1所述的一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，其特征在于，所述的格栅板(10)为均布孔洞的隔板，孔洞的尺寸小于悬浮填料(11)尺寸。
3.如权利要求1所述的一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，其特征在于，还包括悬浮厌氧菌泥混合液流外循环系统，由滑泥斜板(25)、集泥槽(26)、集吸管(27)、回流管(28)和加压泵(29)组成，所述滑泥斜板(25)处于外墙(21)内的底部呈倾斜状且与外墙(21)和池体(9)外围墙形成集泥槽(26)，所述集吸管(27)位于集泥槽(26)的底部，与回流管(28)的一端连通，回流管(28)的另一端通过加压泵(29)加压后，经控制阀(30)与进水管(1)相连通。
4.如权利要求1所述的一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，其特征在于，脉冲出水管(5)竖直处于池体(9)内由池体顶端延伸至底端，所述池体(9)底端设有进水布水管(8)，脉冲出水管(5)的底端与进水布水管(8)连通。
说明书
一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器
技术领域
本发明涉及污水厌氧生化处理装置领域，更具体地说是涉及一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器。
背景技术
随着以颗粒污泥为主要特点的上流式厌氧污泥床(UASB)生物反应器的广泛应用，在其基础上发展起来的同样以颗粒污泥为根本的两种高效厌氧生物反应器，颗粒污泥膨胀床(EGSB)生物反应器和内循环(IC)生物反应器，统称为“新一代高效厌氧生物反应器”。
作为对UASB厌氧反应器改进的EGSB、IC厌氧反应器，EGSB厌氧反应器利用外加出水循环，IC厌氧反应器利用沼气气提产生内部水流循环，使厌氧反应器内部形成很高的上升流速，提高了基质与微生物之间的接触和反应速率，在处理低温低浓度的污水，以及高浓度或有毒性工业废水方面，有着其它厌氧反应器所不可比拟的优势，处理范围更广;更为关键的是，EGSB、IC厌氧反应器均可以采用较大的高径比，占地面积更小，投资更省，在相同的建造费用下，它具有一定的优势。可以说，EGSB、IC是当今厌氧反应器中降解能力最强的一类厌氧反应器，具有广阔的应用前景。
对于厌氧反应器，要提高处理效率，要求混合传质效果好，而目前常用的提高混合传质效果的方法主要是提高升流速度，其主要途径有：(1)增大高径比;(2)直接加泵循环;(3)射流引水或引沼气循环。但以上方法同时带来固、液、气三相分离效率难以保证的问题，常规三相分离器在应对此问题时，虽然有结构简单、成本低的优势，但往往存在固液分离效率低，污泥易流失的固有不足。
如EGSB、IC厌氧反应器与UASB厌氧反应器和其他厌氧生物处理工艺一样，进水需要良好的布水装置，出水需用到气、液、固三相分离器，而且EGSB、IC厌氧反应器对于气、液、固三相分离器的要求，远远高于UASB厌氧反应器，往往由于三相分离器的设计不合理，导致生物污泥大量流失、难以形成颗粒污泥，处理效果较差。为了使三相分离器取得理想的分离效果，大量的研究者提出了许多改进措施，如：增加一个旋转叶片，在三相分离器底部产生一股向下水流，有利于污泥回流;在厌氧反应器内设置搅拌器，促使气泡与颗粒污泥分离;在出水堰处设置挡板，以截留颗粒污泥等，但是这些措施增加了EGSB、IC厌氧反应器的能耗及设计的复杂程度，仍然无法有效解决搅拌充分和污泥流失之间的矛盾，使得这种效率较高的厌氧反应器技术的推广应用受到限制，普及应用率不高。
其主要原因是这项技术还存在不够完善的地方。其不足之处有以下几点：(1)水流状态为均匀状态升流，虽然升流速度高于其他厌氧反应器，但促使污泥与污水之间相对运动的动力不足，故污泥颗粒对有机污染物吸附、降解速率仍有较大的提升空间。为了保证厌氧反应器内部形成很高的上升流速，EGSB利用外加出水循环，既增加了厌氧反应器的能耗，又增加了污泥沉降分离区的表面水力负荷。(2)由于采用较大的高径比，导致沉降分离区面积有限，加之颗粒污泥附着沼气气泡，影响三相分离器的固液分离效果，表面水力负荷过大，造成出水带泥的现象产生，导致污泥大量流失、难以形成高浓度高质量的颗粒污泥，从而影响处理效果。EGSB厌氧反应器运行中驱动沉泥膨胀，需要将污泥混合液增大升流速度，而防止污泥流失的同时，又要求污泥混合液的升流速度不能过快，所以两者之间的矛盾尚难解决。(3)EGSB、IC厌氧反应器启动时间长，厌氧微生物数量增长缓慢，颗粒污泥较难培养形成，或是初期培养形成的细小颗粒污泥，在EGSB、IC厌氧反应器内不易保留下来;从而不能快速形成颗粒污泥膨胀床反应，往往需要接种大量的颗粒污泥，增加了厌氧反应器启动的投资费用。(4)用于分离气、液、污泥的三相分离器构造复杂，工艺安装水平要求很高，安装施工难度大等。
UBF(厌氧污泥床滤池)是一种以固定填料层代替三相分离器的厌氧反应器。一般情况下UASB和EGSB厌氧反应器的三相分离器结构复杂，而UBF厌氧反应器利用固定填料层代替三相分离器有二个优点，一是采用固定填料层，结构简单，同样可以达到三相分离效果;二是固定填料还能通过挂膜，对废水中的有机物加以去除。但是在实际运行中，UBF反应器仍然存在以下不足：(1)气、液、污泥分离效果无法达到UASB或EGSB三相分离器的效果：UBF厌氧反应器污泥床的部分含有沼气污泥，在上升过程中与填料碰撞，脱掉气泡，污泥重新沉淀回污泥床，废水和沼气通过填料层，沼气被收集，废水从出水堰流出。但是由于含气污泥在上升过程中，同时伴随沼气的上浮流速很快，向上冲击固定填料层，使污泥很容易的穿过填料层;当污泥在水面脱气后，由于厌氧污泥的湿视比重只有1.06左右，下沉速度较慢，根本无法通过填料层回到污泥床区。填料区实际上成了污泥的“止回阀”，这样导致厌氧反应器内污泥的持续流失，使系统难于保持稳定运行。(2)一般在容积负荷较小时，由于沼气产量较低，沼气的气体负荷不高时，UBF厌氧反应器还能维持运行;但大于一定容积负荷时，沼气的气体负荷升高时，含气污泥上浮流速很快，污泥开始持续流失，当容积负荷越高时，就越无法稳定运行。(3)填料的挂膜作用有限：一般认为填料能够通过挂膜提高微生物浓度，达到对有机物的去除。但并非所有的填料都能很好的挂膜，实际上多数填料都不能很好挂膜。填料的可挂膜性是有以下几个因素决定的：填料表面的亲水性，粗糙度和比表面积，亲水性表面能够挂膜，疏水性表面很难挂膜。而传统的填料一般由PE、PP和PVC等塑料制成，这些塑料表面疏水，连水都很难挂上，怎么能很好的挂膜呢?而亲水性物质比如陶粒、活性碳等虽然挂膜性好，但很容易沉淀，造成死区，水力条件不好。其次是填料表面粗糙度，粗糙的表面由于能缓解水的冲刷，也能增加微生物的附着能力。再就是填料的比表面积实际上是影响挂膜的多少。决定性因素还是亲水性。厌氧微生物由于表面的多糖物质很少，因此一股很难挂膜。综上分析，UBF厌氧反应器并不能很好地替代UASB或EGSB厌氧反应器，UBF厌氧反应器的效果远无法达到UASB或EGSB厌氧反应器。
鉴于我国在厌氧反应器方面的研究与世界先进水平相比仍有较大差距，目前虽有EGSB厌氧反应器在高浓度有机废水处理中的应用实例，但由于在布水系统和三相分离器设计上的相对落后，并不能取得令人满意的效果。所以在第三代厌氧生物技术迅速发展的今天，开发出具有自主知识产权的高效厌氧反应器、缩短与世界先进水平的差距对水处理工作者来说是一个极富挑战性的课题。
发明内容
为了克服现有UASB或EGSB以及UBF技术的缺陷，本发明提出一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，是在厌氧反应区能快速形成性状优良的颗粒污泥和装填可附着生长生物膜并能悬浮移动的填料床，大幅度提高厌氧生化反应效率，其构造简单，气、液、固三相分离效果好，运行稳定，安装施工简便，工程建造成本更低，有机物去除效率高的颗粒污泥床与生物膜移动床相结合的复合厌氧反应器。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种颗粒污泥床与生物膜移动床复合厌氧反应器，包括：脉冲出水发生器、厌氧反应池和侧向分离式气、液、固三相分离器;
优选地，所述厌氧反应池包括池体9，以及池体9中间位置水平设置且将池体分为上下两个空间的格栅板10，格栅板10上部空间内装填悬浮填料11;顶盖16设置于池体9顶端且形成集气室12;池体9顶端外边沿设有外围堰板15围成的集流堰14;所述集流堰14与集气室12之间设置有格栅网13;沼气输出管31由顶盖16顶端引出;
所述脉冲出水发生器设置在厌氧反应池上方，由贮水罐2、钟罩3、虹吸管4、脉冲出水管5、排气管6、气压平衡管7组成，所述贮水罐2是一个密闭的圆柱体容器且顶端与进水管1连通;脉冲出水管5竖直处于池体9内且由池体9顶端向下延伸贯穿格栅板10;所述钟罩3处于贮水罐2内且钟罩3底部开口与贮水罐2内部连通，所述虹吸管4上端插入钟罩3内至顶部，虹吸管4下端插入脉冲出水管5上端内;排气管6下端与脉冲出水管5上端连通，排气管6上端至贮水罐2内顶端并与其连通;气压平衡管7一端与贮水罐2顶部连通，另一端与集气室12顶端连通;
所述侧向分离式气、液、固三相分离器由集气室12、内隔板18、挡气导流板19、斜板填料22、溢流堰23、外墙21和出水管24组成，所述池体9一侧的外围墙与外墙21形成密闭空间内纵向设置内隔板18，所述内隔板18与池体9的外围墙构成的出流通道17，所述出流通道17连通至集流堰14;所述挡气导流板19上端与内隔板18底端连接，另一端倾斜向下延伸至远离池体9外围墙一侧的外墙21内壁且挡气导流板19的下端与外墙21内壁之间存在间距形成过流口20;所述挡气导流板19上方设置斜板填料22，所述外墙21内壁处于斜板填料22上方设有溢流堰23，所述出水管24连接外部且连通至溢流堰23。
优选地，所述的格栅板10为均布孔洞的隔板，孔洞的尺寸小于悬浮填料11尺寸。
优选地，还包括悬浮厌氧菌泥混合液流外循环系统，由滑泥斜板25、集泥槽26、集吸管27、回流管28和加压泵29组成，所述滑泥斜板25处于外墙21内的底部呈倾斜状且与外墙21和池体9外围墙形成集泥槽26，所述集吸管27位于集泥槽26的底部，与回流管28的一端连通，回流管28的另一端通过加压泵29加压后，经控制阀30与进水管1相连通。
优选地，脉冲出水管5竖直处于池体9内由池体顶端延伸至底端，所述池体9底端设有进水布水管8，脉冲出水管5的底端与进水布水管8连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)可有效地控制和减少厌氧反应器中厌氧菌泥的流失，增加微生物总量，提高降解处理有机物的容积负荷，保证厌氧反应器的正常运行。首先本装置采用将厌氧反应池分隔为下部为比重较大、不易流失的颗粒污泥床，而在上部为具有较轻比重的可悬浮移动的填料床，移动的悬浮填料能有效地拦截和快速吸附絮状悬浮污泥，并附着生长为生物膜。从而可有效地控制和减少厌氧反应器中厌氧菌泥的流失，避免因厌氧菌泥的持续流失而导致的厌氧反应器失效，保证厌氧反应器的正常可靠的运行;其次是更充分合理地利用了厌氧反应池的上部空间，在厌氧反应池的上部空间装填一定容积的可悬浮移动的填料，吸附生长大量的生物膜，有效地增加了厌氧反应器中微生物总量，改善了厌氧反应器内的厌氧菌泥分布状态，使厌氧反应器内厌氧菌泥分布更均匀，从而具有更高的降解处理有机物的容积负荷。
(2)本装置采用装填方式设置可悬浮移动填料，只需向厌氧反应器中装填可在上升液流中悬浮移动的填料，而不需要十分复杂的固定填料的支架，安装施工十分简便;而可悬浮移动的填料在混合液流中呈自由悬浮移动状态，填料与填料之间具有较大的游离空间，颗粒污泥可以自由沉降回落，不会产生堵塞，不会像UBF厌氧反应器的固定床填料那样，成为厌氧菌泥回流的“止回滤料层”。
(3)具有较高的液流升流速度和充分良好的混合传质效果。本装置采用脉冲出水器作为厌氧反应器的进水装置，通过虹吸的方式集聚水力动能，将传统的连续、均匀、缓慢进水方式转换为间断大冲力喷注的脉冲间歇进水;在单位时间流量不变的前提下，可实现瞬时间大流量大冲力喷注脉冲间歇进水，大大提高了反应器内液流升流速度，大幅度增强了厌氧反应池下部液流中颗粒污泥的升流动能，以形成膨胀颗粒污泥床，同时增强了厌氧反应池上部悬浮填料床的上浮移动动能，驱动沉淀颗粒污泥和悬浮填料不停地运动，以增加颗粒污泥和悬浮填料与污水中有机物基质的充分混合和接触传质，从而提高颗粒污泥和悬浮填料中生物膜中厌氧微生物对有机物的吸附降解效率。
(4)采用分离式的气、液、固三相分离装置结构简单、安装十分简便，建造成本低廉。本装置在厌氧反应池顶部设置气、液(含菌泥)分离集气室，和在侧向设置固(菌泥)、液分离的斜板填料，采用分离式的气、液分离与液、固分离相结合的气、液、固三相分离装置，与现有非常复杂的一体化的气、液、固三相分离装置相比，其结构更加简单，安装十分简便，建造成本也更为低廉。
(5)采用分离式的气、液分离与液、固分离相结合的气、液、固三相分离装置，与现有复杂的一体化气、液、固三相分离装置相比，具有更好的气、液、固三相分离效能。
一是在厌氧反应池顶部设置独立的气、液(含菌泥)分离集气室，当附着沼气气泡的颗粒污泥、悬浮填料因附着沼气气泡比重减小，在随液流快速上升移动的过程中相互碰撞，分离出沼气到达顶部气、液(含菌泥)分离集气室的气、液界面时，沼气气泡迅速逸出进入集气室，失去沼气气泡的颗粒污泥因比重增大，沉降回落至底部的膨胀颗粒污泥床中;而拦截吸附了悬浮污泥并附着气泡的悬浮填料，则由于出水格栅网的阻挡，被拦截在顶部气、液(含菌泥)分离集气室的气、液界面，直至气泡完全逸出后，比重增大自然沉降回落至中间格栅板上的悬浮移动填料床中，从而有效地控制和减少厌氧菌泥的流失。
二是脱气后含有少量悬浮污泥的混合液，需在液流的出流通道顶部折流向下，进入位于厌氧反应池一侧的侧向式固(菌泥)、液分离区的斜板填料中，由于粘附气泡的悬浮污泥比重较小，只能漂浮在气、液界面，只有在完全脱除粘附的气泡后，比重增大，才可能随混合液流流动下沉，进入侧向式固(菌泥)、液分离区的斜板填料中，由于液流中流动下沉的悬浮污泥完全脱除了粘附的气泡，因此更有利于固(菌泥)、液进行有效的分离，从而可将处理后出流液中的悬浮厌氧菌泥浓度控制在尽可能小的范围。
三是将出水小流量液流进行固(菌泥)、液分离的功能装置，与进水和循环回流的大流量液流进行气、液分离的功能装置，分开设置为两套单独的功能装置，充分合理地利用了气、液分离比固(菌泥)、液分离难度较小，更加容易的原理，从而避免了在大流量液流条件下进行固(菌泥)、液分离的弊端，从而在处理同样的有机物液流负荷条件下，采用分离式的气、液分离与液、固分离相结合的气、液、固三相分离装置，具有比现有复杂的一体化气、液、固三相分离装置更为良好的气、液、固(菌泥)分离效果。
基于以上三个方面的优势，采用气、液分离与固(菌泥)、液分离分开的气、液、固三相分离装置，其气、液与固(菌泥)、液分离效能均优于现有一体化气、液、固三相分离装置，较好地解决了厌氧反应器存在的要求液流快速上升，增强固(菌泥)、液的充分混合接触与厌氧菌泥流失之间的矛盾。
(6)采用将固(菌泥)、液分离装置与悬浮厌氧菌泥的混合液流外循环回流装置结合的措施，通过固(菌泥)、液斜板填料沉淀分离装置，将沉淀分离的随液流流失的悬浮厌氧菌泥，与外循环回流的混合液流混合进入外循环系统，回流至厌氧反应器中，更是从根本上彻底解决了现有厌氧反应器存在的要求液流快速上升，增强固(菌泥)、液的充分混合接触与厌氧菌泥流失之间的矛盾问题;并且在厌氧反应器运行初期，可快速积聚增加厌氧反应器中微生物总量，从而可大大缩短厌氧反应器的启动时间，快速启动厌氧反应器。
(7)由于本装置充分合理而有效地利用了厌氧反应池的上部空间，装填可悬浮移动的填料，吸附生长大量的生物膜，有效地增加厌氧反应器中微生物总量;和采用脉冲出水器作为厌氧反应器的进水装置，具有很高的液流升流速度和充分良好的混合传质效果;以及采用具备十分优良的气、液、固(菌泥)三相分离功能的气、液分离与固(菌泥)、液分离分开的气、液、固三相分离装置，因此相比于传统的膨胀颗粒污泥床厌氧反应器，具有更强的有机污染物降解能力，和更高的降解处理有机物的容积负荷，运行更加可靠，启动更加快速方便;同时由于结构简单，安装施工简易方便，因此工程建造成本更加低廉，因而这种颗粒污泥与移动床生物膜相结合的复合厌氧反应器，其污水有机污染物的净化功能均优于现有UASB、EGSB、IC和UBF等厌氧反应器。
