一种多级循环流移动床生物膜反应器及其应用

摘要

本发明属于污水治理技术领域，具体公开了一种多级循环流移动床生物膜反应器及其应用，其包括相连通的第一反应池和第二反应池，第一反应池为缺氧反应池或厌氧反应池，第二反应池为好氧反应池；第一反应池和第二反应池出水口处均设置有穿孔筛管，穿孔筛管为一端封闭、另一端开口的圆筒状结构，且表面均匀分布多个过水孔。该反应器设置多级反应池和内回流装置，使反应器内形成循环，并在出水口处设置穿孔筛管，利用穿孔筛管特定的结构，控制过水孔处水流流速，有效避免填料堆积和流失的问题。

说明书

技术领域

本发明属于污水治理技术领域，更具体地，涉及一种多级循环流移动床生物膜反应器及其应用。

背景技术

移动床生物膜反应器(MBBR)的原理是向反应器中投加一定数量的悬浮载体，使微生物附着生长，增加微生物种类，提高生物量，从而提高处理效果和出水水质。填料挂膜之后的密度与活性污泥混合液接近，在曝气和水流的作用下处于流化状态，提高了混合和传质效率。MBBR具有建设周期短、生物量多、工艺运行稳定、抗冲击负荷能力强等优点，且投资省、运行费用低，管理简便，集中与分散处理皆适宜，是一种经济高效的污水处理工艺，特别适用于集中和分散处理以及现有污水厂的提标改造。国内外已将MBBR广泛用于生活污水、工业废水、垃圾渗滤液的处理和传统活性污泥法的改造等领域。

现有MBBR反应器大多依靠曝气、水流和推进器(搅拌器)的作用维持填料载体的流化状态，但是在实际工程应用中，通常都会出现填料堆积的问题，尤其是在出水口区域，这会导致填料流化不足、处理效率较低、出水水质下降。因此，发明一种能够改善填料流态的移动床生物膜反应器是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多级循环流移动床生物膜反应器，旨在解决现有MBBR应用中由于填料堆积而导致填料流化不足、污水处理效率低、出水水质下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多级循环流移动床生物膜反应器，包括相连通的第一反应池和第二反应池，所述第一反应池为缺氧反应池或厌氧反应池，所述第二反应池为好氧反应池；所述第一反应池和/或第二反应池中设置有悬浮生物填料；

所述第一反应池和第二反应池内还分别设置有一个或多个穿孔筛管，所述穿孔筛管具有一端封闭、另一端开口的圆筒状结构，且其表面布设有多个过水孔；该过水孔用于使污水进入所述穿孔筛管内得以搜集，而所述悬浮生物填料被阻挡在所述穿孔筛管外部；设置在所述第一反应池内的穿孔筛管其开口端与第一出水管相连通，所述第一出水管用于将所述第一反应池内的污水输送至所述第二反应池中；设置在所述第二反应池内的穿孔筛管其开口端与第二出水管相连通，所述第二出水管用于将所述第二反应池内的污水排出；所述悬浮生物填料的尺寸大于所述过水孔的尺寸；

所述第二反应池内设置有回流管和内回流装置，所述内回流装置的出水口与所述回流管连通；该回流管用于将所述第二反应池的污水部分回流至所述第一反应池内；

所述第一反应池与进水管相连通，该反应器工作时，污水通过所述进水管流入所述第一反应池，再依次通过穿孔筛管和第一出水管流入第二反应池，第二反应池中的混合液一部分通过第二出水管流出，另一部分依次通过所述内回流装置和回流管回流至第一反应池中；通过控制所述穿孔筛管表面过水孔的总面积，使水流穿过所述过水孔的流速低于所述水流在第一反应池和第二反应池内的流速，以避免所述悬浮生物填料的堆积。

优选地，所述第一反应池和第二反应池内均设置有第一导流板和第二导流板；所述第一导流板沿所述第一反应池和第二反应池长度方向竖直设置于所述第一反应池和/或第二反应池中央，将所述第一反应池和第二反应池分别分隔成两个廊道；所述第二导流板为弧形，设置于所述第一反应池和第二反应池的两端，所述第二导流板的弧形开口朝向所述第一导流板。

优选地，所述悬浮生物填料为柔性悬浮填料，其为由亲水材料制成的海绵状多孔立方体。

优选地，该反应器还包括初级反应池，所述初级反应池通过进水管与所述第一反应池连通，所述初级反应池为厌氧反应池，所述第一反应池为缺氧反应池。

优选地，所述内回流装置为气提回流装置或回流泵。

优选地，所述气提回流装置呈U形结构，所述气提回流装置包括集水管、两个90度弯头、提升管和输气管，所述集水管和所述提升管的顶端为开口设置，所述集水管底端通过所述两个90度弯头与所述提升管底端连通，所述输气管穿过所述提升管侧壁并伸入所述提升管内底部；

所述集水管侧面设置有进水口，该进水口与所述第二反应池内设置的另一穿孔筛管的开口端相连通；所述提升管侧面设置有出水口，该出水口与所述回流管连通；所述出水口所在高度高于所述进水口所在的高度，且所述输气管位于所述提升管内的开口所在高度低于所述出水口所在的高度。

优选地，该多级循环流移动床生物膜反应器还包括曝气系统，所述曝气系统包括鼓风机、曝气管路和曝气头，所述曝气管路和曝气头设置于所述第二反应池底部。

优选地，所述多级循环流移动床生物膜反应器还包括多个潜水推进器，所述潜水推进器设置于所述第一反应池和第二反应池中下部。

优选地，所述穿孔筛管的上游设置有所述潜水推进器。

优选地，所述的多级循环流移动床生物膜反应器还包括布水器，所述布水器底部穿孔，所述第一反应池和所述第二反应池内均设置有所述布水器，所述第一出水管远离第一反应池的一端与设置在所述第二反应池内的布水器相连通；所述回流管远离第二反应池的一端与设置在第一反应池内的布水器相连通。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述多级循环流移动床生物膜反应器改善填料流态的方法，通过控制所述穿孔筛管表面过水孔的总面积和流量，使水流穿过所述过水孔的流速小于或等于所述水流在第一反应池和第二反应池内的流速，以避免所述悬浮生物填料的堆积。

优选地，所述第一反应池和第二反应池内混合液的流速为0.25～0.5m/s，所述穿孔筛管过水孔处混合液的流速不高于0.2m/s。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的多级循环流移动床生物膜反应器至少设置AO两个生化池，A池(缺氧或厌氧反应池)和O池(好氧反应池)中根据需要投加悬浮生物填料，将两个池中不同的填料分隔开并各自循环，改善了微生物生长环境，提高微生物量，从而提高污水处理效率。

(2)本发明反应器在各反应池出水处设置穿孔筛管，通过控制穿孔筛管的长度、过水孔数量以及面积大小，控制水流经过穿孔筛管的流速与廊道流速相当或者小于廊道内水流的流速，在保证较高的过水效率的同时，避免了反应池内的悬浮生物填料在穿孔筛管处堆积，同时避免了填料的流失。

(3)本发明反应器设置导流板，将各级反应池分隔成两个廊道，且在廊道合适位置设置潜水推进器，在潜水推进器的推动作用下，悬浮生物填料能够随着反应池内混合液沿廊道循环流动，改善了填料的流态，避免了常规反应器一侧进水一侧出水的单向流导致填料在出水处堆积的问题，同时延长了悬浮生物填料在反应池内的停留时间，提高污水的处理效果。

(4)本发明反应器中投加的悬浮生物填料具有较大的比表面积，可富集更多的生物，增大反应器容积负荷；并且悬浮生物填料密度与水接近，能随污水在反应器内循环流动，通过填料表面的生物膜对污水中的有机物、氮、磷等物质进行高效降解与转化。

(5)本发明针对填料容易产生堆积，流态不好的问题，提出了多级循环流移动床生物膜反应器，既保留了移动床生物膜反应器的优点，又能进一步提高处理效率和出水水质，采用多级串联能够满足不同处理工艺的要求，根据不同处理要求采取比如“缺氧+好氧”、“厌氧+好氧”和“厌氧+缺氧+好氧”等不同种类的污水处理工艺，应用范围广，适用于MBBR工艺的改进和现有污水厂的常规活性污泥法的提标改造。

(6)本发明反应器采用内回流装置，无需专门设置回流区，减小了占地面积；且采用气提回流方式，节约能耗，降低了运行成本。

(7)本发明提出的多级循环流移动床生物膜反应器，可以通过在现有污水厂的常规活性污泥处理设备上进行提标改造而实现，无需重新生产更换全新设备，改造获得的多级循环移动床生物膜反应器填料克服了传统移动床生物膜反应器填料堆积的技术缺陷，同时辅以多级污水处理工艺的高强度和灵活性，能够显著提高污水脱氮除磷等处理效果。

(8)本发明多级循环流移动床生物膜反应器中各反应池出水口处设置有穿孔筛管，穿孔筛管的引入使得传统反应池中填料在出水口的堆积或流失问题得以解决。利用穿孔筛管的特定结构特点，可以在确定过水量的基础上，通过控制过水孔的总面积和穿孔筛管的长度等，控制穿孔筛管过水孔处的水流流速，使得该流速小于或等于各反应池中水流的流速，进而避免填料在出水口处堆积或流失。

附图说明

图1为本发明多级循环流移动床生物膜反应器的平面图；

图2为本发明多级循环流移动床生物膜反应器的A-A剖面图；

图3为本发明多级循环流移动床生物膜反应器的B-B剖面图；

图4为本发明多级循环流移动床生物膜反应器中气提回流装置的大样图；

图5为本发明多级循环流移动床生物膜反应器中穿孔筛管的大样图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-1为第一反应池；1-2为第二反应池；2-1为第一导流板；2-2为第二导流板；3为穿孔筛管；3-1为集水部；3-2为接口部；4为进水管；5为第一出水管；6为第二出水管；7为回流管；8为内回流装置；8-1为集水管；8-2为90度弯头；8-3为提升管；8-4为输气管；9-1为曝气管；9-2为曝气头；10为潜水推进器；11为布水器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种多级循环流移动床生物膜反应器，如图1、图2和图3所示，包括第一反应池1-1、第二反应池1-2、第一导流板2-1、第二导流板2-2、穿孔筛管3、进水管4、第一出水管5、第二出水管6、回流管7和内回流装置8，其中所述第一反应池1-1为缺氧反应池或厌氧反应池，所述第一反应池1-2为好氧反应池。

所述第一导流板2-1沿所述第一反应池1-1和第二反应池1-2长度方向竖直设置于所述第一反应池1-1和/或第二反应池1-2中央，将所述第一反应池1-1和第二反应池1-2分隔成两个廊道；所述第二导流板2-2为弧形，每一个反应池中其数量为二，设置于所述第一反应池1-1和第二反应池1-2的两端，所述第二导流板2-2的弧形开口朝向所述第一导流板2-1；这样使得悬浮生物填料能够随着反应池中混合液循环流动，改善了填料的流态，避免了常规反应器一侧进水一侧出水的单向流导致填料在出水处堆积的问题。廊道宽度与有效水深之比宜为1～2。

所述穿孔筛管3为一端封闭、另一端开口的圆筒状结构，且其表面布设有多个过水孔；该过水孔用于使污水进入所述穿孔筛管3内得以搜集，而所述悬浮生物填料被阻挡在所述穿孔筛管3外部；设置在所述第一反应池1-1内的穿孔筛管3其开口端与所述第一出水管5相连通；设置在所述第二反应池1-2内的穿孔筛管3其开口端与所述第二出水管6相连通。

所述第一反应池1-1一侧连接进水管4，另一侧连接第一出水管5，所述第二反应池1-2一侧连接所述第一出水管5，另一侧连接所述第二出水管6，所述第一出水管5用于将所述第一反应池1-1内的污水引入所述第二反应池1-2中；所述第一反应池1-1和/或第二反应池1-2中布置有悬浮生物填料；所述悬浮生物填料的尺寸大于所述过水孔的尺寸。

所述第二反应池内设置有回流管7和内回流装置8，所述内回流装置8的出水口与所述回流管7连通；该回流管7和内回流装置8用于将所述第二反应池1-2的污水回流至所述第一反应池1-1内。

该反应器工作时，污水通过进水管4流入所述第一反应池1-1，再依次通过穿孔筛管3和第一出水管5流入第二反应池1-2，第二反应池1-2中的混合液一部分通过第二出水管6流出，另一部分依次通过所述内回流装置8和回流管7回流至第一反应池1-1中；通过控制所述穿孔筛管表面过水孔的总面积、流量，使水流穿过所述过水孔的流速低于或等于所述水流在廊道内的流速，以避免所述悬浮生物填料的堆积。

为满足不同工艺条件的要求，本发明多级循环流移动床生物膜反应器可由两级或者三级等不同反应池依次串联而成。该反应器可以由两个及以上的分隔开并通过管道相连通的缺/厌氧反应池和好氧反应池串联而成，使每个反应池内的微生物都在最适条件下，提高微生物活性，保持足够的生物量，以达到良好的生物处理效果。比如当反应器由两级反应池串联而成时，其包括第一反应池1-1和第二反应池1-2，第一反应池1-1为缺氧反应池或厌氧反应池，第二反应池1-2为好氧反应池。

当重点考虑常规活性污泥法处理生活污水的脱氮效果时，将第一反应池1-1设置为缺氧池进行反硝化脱氮，第二反应池1-2设置为好氧池进行硝化，在两个反应池中都投加填料。

考虑短程硝化-厌氧氨氧化处理氨氮浓度较高的废水(如垃圾渗滤液)时，将第一反应池1-1设置为缺氧池进行厌氧氨氧化脱氮，第二反应池1-2设置为好氧反应池进行短程硝化，在两个反应池中都投加填料。

如果在此基础上考虑生物除磷时，可在第一级反应池前面设置厌氧池，使二沉池的回流污泥进行厌氧释磷，厌氧池不投加填料。因此一些实施例中，在第一反应池1-1前面还设置有初级反应池，所述初级反应池通过进水管4与所述第一反应池1-1连通，所述初级反应池为厌氧反应池，所述第一反应池1-1为缺氧反应池。

各级反应池的负荷、水力停留时间、长宽高尺寸等参数可以参考室外排水设计规范(GB 50014-2006)，并结合进出水水质来确定。

本发明在多级反应池中设置导流板，导流板能够使混合液形成循环流动的廊道，这样就能一定程度上改善无循环的单向流动导致填料在出水附近堆积的问题。处理规模较小时，材质可为不锈钢，处理规模较大时或者用于现有污水厂改造时，材质可为钢筋混凝土。

一些实施例中，所述第一反应池1-1和所述第二反应池1-2的边角做圆弧形倒角处理，避免在反应器的边角处形成水力死区而导致填料堆积。所述倒角的半径应根据反应器尺寸和廊道宽度确定。

本发明所述悬浮生物填料为柔性悬浮填料，其为由亲水材料制成的海绵状多孔立方体。一些实施例中，所述填料使用一种柔性悬浮填料，是一种极具亲水性能的聚氨酯泡沫(PUF)材质的海绵状多孔立方体，立方体边长约2cm。所述填料挂膜后密度接近于水的密度，孔隙率约98％，比表面积约3000m

内回流装置8设置于第二反应池1-2中，可以采用气提回流，也可以采用回流泵。

本发明多级反应池的出水和内回流的集水器采用穿孔筛管。穿孔筛管是一种表面密集分布着圆孔形过水口的圆筒状集水器，迎水面表面光滑，不得有毛边，以减轻填料的磨损和毛发等杂物的附着；背水面须有加强筋，保证穿孔筛管在水力作用下无明显形变。与传统的板式格栅和管式格栅相比，所述穿孔筛管的过水口不易被填料堵塞。过水孔的尺寸须小于填料的尺寸，比如对于边长为2cm的填料，圆孔直径优选为8～10mm，既能避免填料流失，又有较高的过水效率。

本发明通过控制所述穿孔筛管表面过水孔的总面积，使水流穿过所述过水孔的流速低于所述水流在廊道内的流速，以避免所述悬浮生物填料的堆积。对于设置有悬浮生物填料的任一反应池的出水口，比如本发明优选实施例中第一反应池内设置的与第一出水管相连通的穿孔筛管用于将第一反应池内的污水送入第二反应池进行处理，第二反应池内设置的与第二出水管相连通的穿孔筛管用于将第二反应池内的污水排出，第二反应池内设置的与回流装置相连通的穿孔筛管与回流管连通，用于将部分污水回流至第一反应池内处理，这些穿孔筛管表面过水孔处的流速如果大于廊道内水流的流速，均有可能导致悬浮生物填料在过水孔表面聚集。本发明利用穿孔筛管的特定结构特点，可以在确定过水量的基础上，通过控制过水孔的总面积和穿孔筛管的长度等，控制穿孔筛管过水孔处的水流流速，使得该流速小于或等于各反应池中水流的流速，进而避免填料在出水口处堆积或流失。一些实施例中，根据反应池内的处理量和回流量，确定各穿孔筛管的过水量，并根据廊道的流速确定各穿孔筛管其过水孔处水流的流速，根据过量流量和目标流速确定穿孔筛管表面设置的过水孔的总面积，进而制作具有合适尺寸和孔分布的穿孔筛管。比如一些实施例中，原污水经进水管4进入第一反应池1-1，与混合液进行充分混合，进行缺氧反硝化脱氮反应或者厌氧氨氧化脱氮反应，推进器10使混合液以0.25～0.5m/s的推流速度沿着廊道循环流动，控制穿孔筛管过水口的流速不大于0.2m/s，为此可以增加穿孔筛管的长度，或者设置多组穿孔筛管，同时优选实施例中在穿孔筛管的上游设置潜水推进器，增大混合液的推流速度，将在穿孔筛管附近的填料推入主流廊道内进行循环流动。

一些实施例中，该反应器还包括多个潜水推进器10，所述多个潜水推进器10设置于各反应池中下部，且所述穿孔筛管3的上游设置有所述潜水推进器10。潜水推进器10设置于反应器中下部，每个廊道至少设置一个潜水推进器10，使得反应池中混合液沿着廊道循环流动。一些实施例中，参考氧化沟的参数，保持混合液的推流速度为0.25～0.5m/s，在潜水推进器10的上游和下游一定距离内不设置曝气头，以免互相干扰。同时，在穿孔筛管3的上游设置潜水推进器10，能增大反应池中混合液的推流速度，将在穿孔筛管3附近的填料推入主流进行循环流动，有效防止填料在穿孔筛管3附近堆积并堵塞穿孔筛管3的过水孔而影响污水处理效果。

本发明一些实施例中内回流装置采用气提回流装置8，如图4所示，具体包括集水管8-1，2个90°弯头8-2，提升管8-3，输气管8-4。集水管8-1和提升管8-3的顶部不封闭，连通空气保持一个大气压。由第三穿孔筛管3-3收集的混合液进入集水管，在输气管8-4的空气进入提升管8-3后，提升管8-3内的气水混合液密度小于集水管8-1内的混合液，在大气压作用下，提升管8-3内的气水混合液液面就会上升，混合液回流至第一反应池，多余的空气通过提升管8-3顶部的开口逸出，避免破坏第一反应池的缺氧环境。相比于回流泵，气提回流装置显著降低了电耗，经济性好。如果气提回流实施不便，仍可采用回流泵。对于生活污水的脱氮而言，内回流比宜为2～6。

本发明为避免内回流系统发生填料的堵塞和流失，也采用穿孔筛管作为内回流的集水器，同时配备潜水推进器。本发明气提回流的原理是：当气体被通往提升管底部后，提升管内的气水混合液的密度小于水的密度(一般上升的气水混合液相对密度为0.25～0.35左右)，根据连通器原理，在高度为H的水柱压力作用下，气水混合液液面高度为L，如下式：

ρ

式中:ρ

ρ

H——进气口的淹没深度；

L——提升高度+淹没深度，H/L为淹没率。

将上式改写，可以计算提升高度(L-H)或最小淹没水深H，如下式：

气提空气用量一般为提升量的3～5倍。

一些实施例中，该多级循环流移动床生物膜反应器还包括曝气系统，所述曝气系统包括鼓风机、曝气管路9-1和曝气头9-2，所述曝气管路9-1和曝气头9-2设置于好氧反应池即所述第二反应池1-2底部。所述曝气系统采用鼓风曝气，鼓风曝气能增大反应器纵向的紊流程度，提高混合效果。采用鼓风曝气的反应器超高可为0.5～1.0m。

一些实施例中，该反应器还包括布水器11，所述布水器11底部穿孔，所述第一反应池1-1和所述第二反应池1-2内均设置有所述布水器11，所述第一出水管5远离第一反应池1-1的一端与设置在所述第二反应池1-2内的布水器11相连通；所述回流管7远离第二反应池1-2的一端与设置在第一反应池1-1内的布水器11相连通。本发明反应池之间的连通系统和内回流系统的配水采用底部穿孔的布水器，保证进水的均匀性，避免进水流速过大而形成涡流导致的水力死区。

结合图5所示，一些实施例中，穿孔筛管3包括集水部3-1和接口部3-2，集水部3-1为一种表面均匀分布多个圆形过水孔的圆筒状集水器，圆筒一端封闭，另一端为开口端，开口端设置成具有圆环状的接口部3-2，用于连接管道。对于边长为2cm的悬浮生物填料，过水孔直径优选为8～10mm，既能避免填料流失，又有较高的过水效率。当在第一反应池1-1出水口处布置穿孔筛管3时，集水部3-1通过接口部3-2与第一出水管5伸入第一反应池1-1的一端连接，有效阻隔第一反应池1-1中的悬浮生物填料流入第二反应池1-2中；当在第二反应池1-2出水口处布置穿孔筛管3时，集水部3-1通过接口部3-2与第二出水管6伸入第二反应池1-2的一端连接，有效阻隔第二反应池1-2中的悬浮生物填料流出；当在两级反应池间的回流口处布置穿孔筛管3时，集水部3-1通过接口部3-2与内回流装置8中的集水管8-1连接，由穿孔筛管3收集的第二反应池1-2中混合液流入集水管8-1进行气提回流，有效阻隔第二反应池1-2中的悬浮生物填料流入第一反应池1-1中。为了避免填料在穿孔筛管3附近堆积，应控制过水孔处的流速不大于0.2m/s，为此可以增加穿孔筛管的长度，或者设置多组穿孔筛管。与传统的板式格栅和管式格栅相比，穿孔筛管3的过水孔处不易被填料堵塞。优选地，穿孔筛管3迎水面表面光滑，以减轻填料的磨损和毛发等杂物的附着；背水面有加强筋，保证穿孔筛管3在水力作用下无明显形变。

实际应用中，本发明提供的多级循环流移动床生物膜反应器具体运行方式如下：原污水经进水管4进入第一反应池1-1，与混合液进行充分混合，进行缺氧反硝化脱氮反应或者厌氧氨氧化脱氮反应，潜水推进器10使混合液沿着廊道循环流动，经过大半个循环流程后，部分混合液经第一反应池1-1内的穿孔筛管3收集后再由布水器11进入第二反应池1-2，而第一反应池1-1的填料被穿孔筛管3阻隔，不会流入第二反应池1-2，从而避免填料的流失，能够使第一反应池1-1保持足够的微生物量。第一反应池1-1流出的混合液进入第二反应池1-2后，充分混合同时也沿着廊道流动，可以根据工艺要求，调整曝气量，进行完全硝化反应或短程硝化(亚硝化)反应，经过大半个循环流程后，部分混合液经设置在第二反应池内且与第二出水管相连通的穿孔筛管3收集后由第二出水管6进入后续的处理工艺，另外还有一部分混合液经设置在第二反应池1-2内与气体回流装置连通的穿孔筛管3收集后由气提回流装置8提升，再由回流管7和布水器11进入第一反应池1-1，使第二反应池1-2中生成的硝态氮(NO

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。