升流式厌氧污泥床反应器和操作方法

摘要

本发明涉及升流式厌氧污泥床反应器和操作方法，具体地说是一种含有内循环、外循环、内加热、外换热和破壳功能的升流式厌氧污泥床反应器及其操作方法，包括反应器的罐体、导流加热装置、沼气循环系统、污水循环系统，罐体内分为污泥床区、悬浮区和沉降区，悬浮区内设有若干个由导流筒和加热蛇管组成的导流加热装置，沼气与污水分别设有外接管路与反应器的罐体构成循环通路，可进行厌氧处理、导流循环混合、加热、反冲及外循环、排泥、破壳等操作，本发明具有污水与活性污泥接触时间长、厌氧消化反应温度均匀、有机负荷率高、产气量大、不易结壳、结壳后易破壳、比膨胀颗粒污泥床反应器节能等优点，适于处理高含固量有机污水。

说明书

[技术领域]

本发明涉及升流式厌氧污泥床反应器和操作方法，具体地说是一种含 有内循环、外循环、内加热、外换热和破壳功能的升流式厌氧污泥床 反应器及其操作方法。

[背景技术]

沼气工程技术是治理有机废弃物污染、转化有机废弃物为沼气等可利 用物质的十分有效的技术，其原理是利用厌氧细菌的分解作用，将有 机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）经过厌氧消化反应转化为沼气。 目前，处理高含固量污水（固体含量≥5%）所用的厌氧消化设备主要 有地埋式厌氧消化池、完全混合式反应器（CSTR）、升流式固体反应 器（USR）。

（1）地埋式厌氧消化池在消化池内呈自然沉淀状态，厌氧消化活动旺 盛场所只限于活性层内，因而地埋式厌氧消化池处理效率较低。

（2）完全混合式反应器体积较大、易启动，但其污泥停留时间等于水 力停留时间，不能在反应器内积累起足够浓度的污泥，并且由于全混 导致反应器内反应物浓度较低，处理效率不高。

（3）升流式固体反应器 

升流式固体反应器是一种专用于处理固体物含量较大的厌氧消化反应 器，其构造特点是反应器内不设三相分离器和其它构件。有机物固体 含量高的污水 由反应器底部配水系统进入，在底部均匀分散后上升流动，通过含有 高浓度厌氧微生物的污泥床，使污水中的有机固体与厌氧微生物充分 接触反应，有机固体被液化和厌氧分解成沼气。产生的沼气随水流上 升具有搅拌混合作用，促进了固体与微生物的接触。比重较大的固体 物（包括微生物、未降解的有机固体和无机固体等）依靠重力沉降作 用被累积在反应器下部，使反应器内保持较高的固体量和生物量，可 使反应器有较长的微生物和固体停留时间。在出水溢流渠前设置挡渣 板，可减少反应器内悬浮固体的流失，通过污泥床的水流从池顶的出 水渠溢流至池外。升流式固体反应器液面会形成浮渣层，在长期稳定 运行过程中，浮渣层达到一定厚度后趋于动态平衡。反应器集气室中 的沼气经排气管引出后进入沼气储气柜，反应器内设排泥管可将多余 的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排除。

厌氧反应器液面的浮渣通常会产生结壳，国内专利申请CN102191172A 中公开了一种免结壳的沼气池结构，在沼气池体内设置突出物，利用 产气和用气时发酵室液面的升降，突出物划破发酵室料液上面的浮渣 ，达到破壳的效果，这种破壳方法其破壳力度和范围太小，无法用于 反应器中。

升流式固体反应器通常通过增加内循环来增加反应接触的时间，国内 专利CN101891302A公开了一种内循环式升流式厌氧污泥床反应器，该 技术方案的反应器两端设有溢流出水堰，中间设有三相分离器，其在 三相分离器的两端的反应器罐体上设有挡板，配合三相分离器上的凸 起堰，增加内循环，但是这种内循环方式的循环出口是细长的管道， 容易导致堵塞，其循环出口对准了污泥床层，容易冲开污泥，导致浓 度下降，反应效率降低。

[发明内容]

为了解决现有技术中的破壳、内循环的上述技术缺陷，本发明提供一 种兼具破壳、内循环、外循环、内加热和外换热功能的升流式厌氧污 泥床反应器和操作方法。

为实现上述目的，设计一种升流式厌氧污泥床反应器，包括反应器的 罐体、导流加热装置、沼气循环系统、污水循环系统，罐体内自下而 上分为污泥床区、悬浮区和沉降区，罐体悬浮区连接排水管，罐顶连 接排气管，罐体沉降区的内壁上设有出水溢流渠，罐体对应出水溢流 渠的位置连接出水管，其特征在于所述悬浮区内设有若干个导流加热 装置，所述的罐体连接排水管的位置低于导流加热装置的顶端位置。

所述的导流加热装置由导流筒和加热蛇管组成，导流筒外盘有加热蛇 管。

所述的沼气循环系统由排气管、气体加压装置、排气支管、曝气管和 曝气头组成，所述的排气管出口与气体加压装置进口连接，气体加压 装置出口连接净化管和排气支管，与曝气管出口相连的曝气头位于导 流筒下方，排气支管出口与曝气管进口相连，所述的气体加压装置包 括风机或者压缩机。

所述的污水循环系统由排水管、排水支管、吸泥泵、反冲管和排泥管 组成，所述罐体的污泥床区内连接排泥管，所述的排泥管和排水支管 与吸泥泵进口连接，吸泥泵出口连接污泥出口管和反冲管，反冲管另 一端与排泥管连接。

本发明还具有如下优化方案：

溢流渠外设有挡渣板，挡渣板由上部竖直的第一挡板和下部的与罐体 内壁 形成锐角的第二挡板连接构成，第一挡板的顶端位置高于溢流渠顶端 ，出水溢流渠、挡渣板和罐体间存在的空间构成沉降通道。

所述的净化管和排气支管上均设有阀门。

所述罐体的污泥床区内连接进水管，进水管上水平方向设有若干布水 支管，支管底部设有若干的排水孔。

所述的排泥管、排水管、排水支管、污泥出口管和反冲管上均设有阀 门。

所述的进水管在进入所述反应器前，先与出水管通过换热器换热。

本发明还包括上述升流式厌氧污泥床反应器的厌氧处理方法，污水从 反应器底部进入后上升流动，经过污泥床区与污泥反应产生沼气，升 流污水及沼气带动污泥上升至悬浮区和沉降区，并继续进行厌氧消化 反应；在间歇性的导流循环混合期间，排气管中的部分沼气通过排气 支管、曝气管、曝气头循环进入反应器中，所述的污泥在悬浮区内受 到从曝气头中逸出沼气的浮力，经过导流筒导流向上流动，流动至导 流筒顶端后自然向下沉淀，形成内循环；同时，污水和污泥受到加热 蛇管的加热，使反应器内温度均匀地控制在中温消化温度（35℃）或 高温消化温度（55℃）附近。

本发明还包括上述升流式厌氧污泥床反应器的破壳方法，升流式厌氧 污泥床反应器在液面会形成浮渣的结壳，通过排水管排水降低反应器 中液位的高度，液位在降至导流加热装置顶部时，通过导流加热装置 的顶部破开所述的结壳；反应器停止排水，其液位升高到正常液位后 ，进行导流加热装置的导流循环混合操作，进一步粉碎已破开的浮渣 。

本发明还包括上述升流式厌氧污泥床反应器的反冲及外循环方法，悬 浮区中的悬浮液经排水管、排水支管由吸泥泵送至所述的反冲管中， 然后反冲管中的悬浮液将排泥管中的污泥反冲入污泥床区底部，其后 悬浮区中的悬浮液继续通过吸泥泵抽出，经反冲管、排泥管循环进入 污泥床区，搅动沉积在反应器下部的污泥，使污泥床向上膨胀，污水 外循环持续一段时间，从而增大主要发生厌氧消化反应的污泥床空间 区域。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1.本发明所述的升流式厌氧污泥床反应器在垂直方向上具有推流式反 应器的特点，同时反应器上部每隔一段时间进行一次导流循环混合， 并且反应器排渣前的反冲及外循环操作使污泥床向上膨胀，提高了反 应器上部活性污泥的浓度，强化了该区域厌氧消化反应，从而兼顾了 完全混合式反应器（CSTR）、升流式固体反应器（USR）的优点，适于 处理高含固量有机污水，具有有机负荷率高、产气量大、运行稳定、 抗冲击能力强、比膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）节能等优点。

2.在反应器的截面中均匀布置了多个导流加热装置对污水进行加热与 内循环流动，显著提高了传热效率，并能实现反应器内温度分布的均 匀性，使厌氧菌都处于适宜的消化温度，避免了常规的反应器外壁夹 套加热导致反应器内部的温度梯度分布现象；

3.反应器上部设有间歇性的导流循环混合操作，使反应器液面不易结 壳；即使出现了浮渣结壳现象，采用本发明所述的方法能够进行破壳 操作，从而解决了地埋式厌氧消化池与升流式固体反应器最致命的结 壳问题，也避免了完全 混合式反应器采用搅拌装置带来的因搅拌轴动密封失效导致沼气泄露 的风险；

4.反应器排渣采用动力排渣，解决了传统沼气池存在的沼渣沉积问题 。

[附图说明]

图1为升流式厌氧污泥床反应器的结构示意图；

图2为升流式厌氧污泥床反应器的A-A剖面图；

图3为升流式厌氧污泥床反应器的操作流程图； 

参见图1、图2、图3，1为罐体，2为罐顶，3为保温层，4为出水溢流渠 ，5为挡渣板，6为进水管，7为出水管，8为排气管，9为排水管，10为 排泥管，11为导流筒，12为加热蛇管，13为支架，14为加热进水管， 15为加热回水管，16为曝气管，17为曝气头，18为布水支管，19为匀 浆池，20为螺杆泵，21为换热器，22为本发明的升流式厌氧污泥床反 应器，23为气体加压装置，24为净化管控制阀，25为排气支管控制阀 ，26为排水支管阀门，27为排水管阀门，28为排泥管阀门，29为反冲 管阀门，30为吸泥泵，31为污泥出口管阀门。

[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，对本发明进行 进一步详细说明。本申请中的生产设备都是本领域的常用设备，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。

实施例1：

大型养猪场产生的粪便污水属于高含固量有机污水，是有价值的资源 ，经 过厌氧消化处理，在较低的运行成本下有效地去除大量有机物，并能 杀死传染病菌，既可以实现粪便污水的无害化，同时还可以回收沼气 和有机肥料。

升流式厌氧污泥床反应器的结构见图1和图2，主要由罐体1、罐顶2、 保温层3、出水溢流渠4、挡渣板5、进水管6、布水支管18、出水管7、 排气管8、排水管9、排泥管10、导流加热装置等组成。导流加热装置 由导流筒11、加热蛇管12、支架13、加热进水管14、加热回水管15、 曝气管16、曝气头17构成一个整体，通过支架13悬挂固定到罐顶2上， 其中加热蛇管12直接焊接在导流筒11上。罐体1为圆柱体，直径为8米 ，高度为8.5米；罐顶2为圆弧形，高度为1米。反应器内正常液位深度 为8米，4个长度为3米、内径为1米的导流加热装置均匀地布置在罐体 1的截面中，导流筒顶端离液面距离为1.5米，排水管9比导流筒11的顶 端低0.5米。反应器内装入颗粒状厌氧污泥后，分为下部的污泥床区、 上部挡渣板5以内的污泥悬浮区和上部挡渣板5与反应器内壁之间的污 泥沉降区。高含固量有机污水从进水管6进入，通过距离罐底0.6米的 14根布水支管18下部所开的小孔，向下均匀地进入反应器底部，带动 底部污泥向上流过包含颗粒污泥的污泥床，厌氧消化反应发生在污水 与污泥颗粒的接触过程中，有机固体被液化和厌氧分解成沼气。产生 的沼气随水流上升，逸出液面后积聚在反应器顶部，经排气管8引出后 去净化；比重较大的固体物由于重力沉降作用被累积在反应器下部， 使反应器内保持较高的固体量和生物量，并且反应器有较长的微生物 和固体滞留时间。在间歇性的导流循环混合期间，导流加热装置的底 部通入循环沼气，通过曝气头17分散沼气后，物料随着较轻的沼气上 升到导流加热装置的顶部，然后沿着导流加热装置的外壁向下流动， 从而在导流加热装置的布置区域产生循环流动与混合。在加热蛇管12 中通入热水，通过间壁传热方式来加热反应器内的物料，使其控制在 35℃±1℃范围 内或55℃±1℃范围内。在出水溢流渠4前设置挡渣板5，挡渣板的上部 阻挡反应器液面中部的浮渣向出水溢流渠流动；挡渣板的下部与反应 器内壁形成锐角，使通过挡渣板的少量污泥沿着挡渣板的下部返回到 污泥床中，可减少反应器内悬浮固体的流失。高含固量有机污水依次 通过污泥床区、污泥悬浮区和污泥沉降区，然后从反应器上端的出水 溢流渠4流至反应器外部。反应器的排泥管10距离罐底0.1米，可将多 余的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排出。

本实施例对一家年出栏1万头猪的大型养猪场产生的未经固液分离的粪 便污水进行厌氧消化处理，污水量每天约100 m³。用格栅机除去污水 中的大颗粒物质，再用匀浆机匀浆后，物料的含固量为10%，COD为80  g/L，经换热器预热后进入本发明所述的厌氧污泥床反应器，用本发 明的厌氧污泥床反应器的操作方法见图3。

在正常生产过程中，先全开排气管控制阀，关闭排气支管控制阀，反 应器顶部排出的沼气经风机加压后去脱水、脱硫工序；3小时后，半开 排气管控制阀，全开排气支管控制阀，部分沼气从曝气管16及曝气头 17经分散后循环进入反应器内的导流筒11，在导流筒区域循环混合20 分钟；然后全开排气管控制阀，关闭排气支管控制阀；3小时后再导流 循环混合20分钟，如此循环操作。进入出水溢流渠4的低含固量污水通 过出水管7进入换热器，对来自匀浆池的高含固量污水进行预热后，去 UASB反应器或IC反应器进行二级厌氧消化。

当厌氧污泥床反应器液面出现浮渣结壳时，停止螺杆泵，关闭排水支 管阀门，打开排水管阀门，那么反应器上部的污水从排水管9流出进入 匀浆池，反应器的液位逐步下降，当液位降至导流筒11的顶端后，浮 渣结壳被导流筒破开；然后关闭排水管阀门，反应器停止排水，启动 螺杆泵，反应器的液位逐步升高 到正常液位后，进行导流加热装置的导流循环混合操作，进一步粉碎 已破开的浮渣，实现破壳操作。

当厌氧污泥床反应器沉降的泥沙积累到距离布水支管0.1米时，关闭排 水管阀门、排泥管阀门、污泥出口管阀门，打开排水支管阀门、反冲 管阀门，启动吸泥泵，反应器上部的污水从排水支管流出，被吸泥泵 加压后，通过反冲管、排泥管10循环进入反应器内，冲出积累在排泥 管10中的泥沙，同时搅动沉积在反应器下部的污泥，使污泥床向上膨 胀，反冲时间为20分钟；然后停止吸泥泵，关闭排水支管阀门、反冲 管阀门，20分钟后打开排泥管阀门、污泥出口管阀门，再次启动吸泥 泵，反应器底部的泥沙通过排泥管被吸泥泵吸出后排入污泥池中；最 后，停止吸泥泵，关闭排泥管阀门、污泥出口管阀门。

含固量为10%、COD为80 g/L的猪场污水在本发明的厌氧污泥床反应器 中的水力停留时间为4天，反应器内厌氧消化温度控制在35℃±1℃范 围内，反应器出水的含固量为1.9%，COD为20 g/L，COD去除率达75% ，反应器容积负荷为15 kgCOD／m³·d；反应器日产沼气2947 m³， 其容积产气率为7.35 m³／m³·d，单位COD产气量为0.49 m³／kgCO D。