低曝气量下实现生物膜载体悬浮的反应器

摘要

本发明涉及一种低曝气量下实现生物膜载体悬浮的反应器，包括竖直的圆柱状壳体，所述壳体内同轴设有竖直的中空筒，所述中空筒内安装有搅拌桨，所述中空筒的筒壁上开设有若干个通孔，所述中空筒的底端与所述壳体的底端固定连接，所述中空筒与所述壳体之间的环形空间内填装有生物膜载体。本发明的独特结构设计结合对搅拌桨的转速的控制，可以在低曝气量下保证反应器内的生物膜载体始终处于悬浮状态，保持良好的流化特性，从而稳定保持短程硝化优势并为同步硝化反硝化创造有利条件，降低曝气能耗及反硝化阶段的碳源物质消耗量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物膜法反应器，尤其涉及一种在低曝气量下能够实现生物膜载体悬浮的反应器。

背景技术

炼油催化剂生产废水水质复杂，悬浮物、氨氮浓度高且含有大量无机盐及氯离子等，B/C值低，较难实现生物处理。传统的生物处理法是目前应用最广泛的脱氮技术，但传统的生物处理技术工艺存在以下几点问题：流程长且占地面积大，基建投资费用高；系统抗冲击能力较弱，高浓度氨氮废水会抑制硝化细菌生长；硝化过程中产生的酸度需要加碱中和，不仅增加了处理费用，还有可能造成二次污染；硝化细菌生长缓慢，一旦在悬浮污泥系统中出现污泥流失，很难在短时间内恢复生产；生物膜载体（生物填料）在低曝气量下较难实现流化，易堆积，反应效果差。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种低曝气量下实现生物膜载体悬浮的反应器，可保证生物膜载体在反应器的反应空间内充分流化且分布均匀，从而保证在采用短程硝化-同步硝化反硝化生物膜法处理炼油催化剂废水时的稳定运行。

本发明采用的技术方案为：一种低曝气量下实现生物膜载体悬浮的反应器，包括竖直的圆柱状壳体，所述壳体内同轴设有竖直的中空筒，所述中空筒内安装有搅拌桨，所述中空筒的筒壁上开设有若干个通孔，所述中空筒的底端与所述壳体的底端固定连接，所述中空筒与所述壳体之间的环形空间内填装有生物膜载体。

优选地，所述生物膜载体呈中空的球型，由外至内依次包括多孔承托层、拉丝填料层和树脂层，所述多孔承托层呈蜂窝状，所述拉丝填料层的填料为聚烯烃类和聚酰胺的混合物拉丝而成，所述树脂层采用大孔阳离子交换树脂。

所述拉丝填料层的每根丝状填料的两端优选分别固定在所述多孔承托层和树脂层上，通常，所述丝状填料均匀分布，从所述树脂层向所述多孔承托层呈辐射状排列，所述拉丝填料层中所述丝状填料的填充比可以为35%～45%。

所述填料中聚烯烃类和聚酰胺的质量比优选为1：1.5～1：1。

所述多孔承托层的材质可以为PE，其尺寸可以为Φ50mm×2mm，所述填料层的尺寸可以为Φ46mm×10mm，所述树脂层的尺寸可以为Φ26mm×10mm，所述生物膜载体的中空部分的尺寸可以为Φ6mm。

所述环形空间内所述生物膜载体的填充比优选为35%～40%。

所述通孔优选为沿所述中空筒的筒壁由下向上呈螺旋上升状的条形孔，若干个所述条形孔在所述中空筒的筒壁上优选上下交错设置。

优选地，位于所述中空筒的下部的所述条形孔的宽度小于位于所述中空筒的上部的所述条形孔的宽度，或者若干个所述条形孔中，位于下方的条形孔的宽度小于位于其上方的条形孔的宽度。

进一步地，位于所述中空筒的下部的相邻的所述条形孔之间的间距小于位于所述中空筒的上部的相邻的所述条形孔之间的间距，或者若干个所述条形孔中，位于下方的相邻的条形孔之间的间距小于位于其上方的相邻的条形孔之间的间距。

所述条形孔的长度可以为所述中空筒的横截面的周长的70%～80%，宽度可以为2～5mm，所述搅拌桨的驱动轴可以位于所述中空筒的轴线上，所述搅拌桨的桨叶的外缘中点与所述中空筒的内壁之间的距离可以为所述中空筒的内径的30%～40%，搅拌桨的转速优选为90rpm。

本发明的有益效果：本发明通过搅拌桨对中空筒内的废水进行搅拌，使中空筒内的废水呈现稳定的湍流形态，中空筒内的湍流通过筒壁上的通孔传递到外部，继而扰动位于中空筒与壳体之间的环形空间内的生物膜载体，反应器的独特结构设计结合对搅拌桨的转速的控制，可以在低曝气量下保证反应器内的生物膜载体始终处于悬浮状态，保持良好的流化特性，从而稳定保持短程硝化优势并为同步硝化反硝化创造有利条件，降低曝气能耗及反硝化阶段的碳源物质消耗量，还可避免由于搅拌桨转速过低导致的生物膜载体堆积，以及搅拌桨转速过高所造成的生物膜载体彼此间激烈碰撞和/或生物膜脱落的问题。

独特结构的生物膜载体的使用，一方面可以为微生物生长提供有效的附着载体，有针对性的提高氨氧化菌的聚集效率，解决污泥流失的问题，提高反应器的抗冲击负荷能力，另一方面还可以在反应初期进行快速的氨氮离子交换，短时间内在填料表面大量聚集氨氮，为填料上的氨氧化菌快速挂膜提供生长底物，随着微生物对氨氮的利用，树脂层上的氨氮浓度不断降低，还可节省常规工艺中的树脂层部分需要再生的步骤，所述生物膜载体可在无需再生的情况下反复实现快速挂膜启动的功能。

本发明的新型的生物膜载体具有比表面积大、亲水性好、抗冲击能力强、易挂膜和生物活性高等特点。蜂窝状多孔承压层主要起承托作用；丝状填料在有效区域内均匀分布，可以使气、水和生物膜得到充分接触混渗，易挂膜，生物膜均匀地着生在每一根丝状填料上，可在反应过程中获得愈来愈大的比表面积；中空层的设置及其内部充满空气，可以降低生物膜载体的整体密度，有利于其在反应器内持续保持悬浮状态。

生物膜载体在环形空间内合理的填充比，利于其在环形空间内的悬浮，也可有效降低生物膜载体间的激烈碰撞的几率，可进一步地有效避免由于相互间激烈碰撞造成生物膜脱落的情况发生。

通孔呈螺旋上升的条形孔且各条形孔上下交错设置，有利于中空筒内形成的湍流传递到中空筒外部的环形空间，还可进一步加强环形空间内水流的扰动，并依靠螺旋出水的方式，在外部环形空间内形成稳定的旋流，由此在避免激烈撞击的情况下，不仅强化了混合作用，而且还有利于生物膜载体的悬浮，中空筒的上下不同位置的条形孔的宽度及相邻条形孔之间的间距的设计，使环形空间下部的水压始终大于上部的水压，有利于保证生物膜载体在环形空间内保持悬浮状态和良好的流化特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的生物膜载体的结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明提供了一种低曝气量下实现生物膜载体悬浮的反应器，主要用于处理炼油催化剂废水，包括竖直的圆柱状壳体1，所述壳体内同轴设有竖直的中空筒2，所述中空筒内安装有搅拌桨3，所述搅拌桨的驱动轴4可以位于所述中空筒的轴线上，所述搅拌桨的转速优选为90rpm，所述中空筒的筒壁上开设有若干个通孔5，所述中空筒的底端与所述壳体的底端固定连接，所述中空筒与所述壳体之间的环形空间内填充有生物膜载体6，所述中空筒的底端与所述壳体的底端之间可以密封，也可以留有间隙，该间隙的大小不允许所述生物膜载体通过，所述反应器可以设有与所述中空筒的内部空间连通的废水进出管道，废水进出管道上可以设有各自的控制阀。为保持良好的短程硝化及同步硝化反硝化效果，在反应过程中通常调节反应器内溶解氧的浓度为0.5～1.0mol/L（曝气量为0.01～0.02m³/h），曝气时间为6h，反应温度为33℃，pH值为6.5～8.0，在反硝化阶段可以投加无水乙酸钠用以增加碳源，投放量可以为每克硝酸盐氮投放8克无水乙酸钠，反硝化反应时间可以为1.5～2h。

本发明在反应过程中通过所述搅拌桨对所述中空筒内的废水进行搅拌，使所述中空筒内的废水呈现稳定的湍流形态，所述中空筒内的湍流通过筒壁上的通孔传递到外部，继而扰动位于所述中空筒与所述壳体之间的环形空间内的生物膜载体，反应器的上述独特结构的设计结合对所述搅拌桨的转速的控制，可以在低曝气量下保证反应器内的生物膜载体始终处于悬浮状态，保持良好的流化特性，从而稳定保持短程硝化优势并为同步硝化反硝化创造有利条件，降低曝气能耗及反硝化阶段的碳源物质消耗量，还可避免由于所述搅拌桨转速过低导致的生物膜载体堆积，以及所述搅拌桨转速过高所造成的生物膜载体彼此间激烈碰撞和/或生物膜脱落的问题。

优选地，所述生物膜载体呈中空的球型，由外至内依次包括多孔承托层7、拉丝填料层8和树脂层9，其中空的部分为中空层10，所述多孔承托层呈蜂窝状，便于微生物穿过，材质可以采用PE，其尺寸可以为Φ50mm×2mm，主要起承托作用；所述拉丝填料层的填料为聚烯烃类和聚酰胺的混合物拉丝而成，所述填料中聚烯烃类与聚酰胺的质量比优选为1：1.5～1：1（如1：1.5、1：1.3、1：1.2或1：1），每根丝状填料的两端优选分别固定在所述多孔承托层和树脂层上，丝状填料的刚柔适度，通常，所述丝状填料均匀分布，从所述树脂层向所述多孔承托层呈辐射状排列，可以使气、水和生物膜得到充分接触混渗，易挂膜，生物膜均匀地着生在每一根丝状填料上，可在反应过程中获得愈来愈大的比表面积，所述拉丝填料层的尺寸可以为Φ46mm×10mm，所述拉丝填料层中所述填料的填充比可以为35%～45%（如35%、38%、40%、42%或45%）；所述树脂层采用大孔阳离子交换树脂，尺寸可以为Φ26mm×10mm；通常情况下，所述中空层内为空气，尺寸可以为Φ6mm，所述中空层的设置及其内部充满空气，可以降低所述生物膜载体的整体密度，有利于其在反应过程中持续保持悬浮状态。

所述的新型的生物膜载体具有比表面积大、亲水性好、抗冲击能力强、易挂膜和生物活性高等特点，其独特结构一方面可以为微生物生长提供有效的附着载体，有针对性的提高氨氧化菌的聚集效率，解决污泥流失的问题，提高反应器的抗冲击负荷能力，另一方面还可以在反应初期进行快速的氨氮离子交换，短时间内在填料表面大量聚集氨氮，为填料上的氨氧化菌快速挂膜提供生长底物，随着微生物对氨氮的利用，树脂层上的氨氮浓度不断降低，还可节省常规工艺中的树脂层部分需要再生的步骤。具体到反应过程中：在反应器启动时，所述树脂层短时间内吸附大量氨氮，为所述填料层的氨氧化菌的快速生长挂膜提供了便利条件，在反应快结束时，所述树脂层上吸附的氨氮将被微生物消耗，此时可实现所述树脂层的再生，新的反应周期开始时，所述树脂层有新的离子交换位点以供氨氮的聚集，因此所述生物膜载体可在无需再生的情况下反复实现快速挂膜启动的功能，同时在所述搅拌桨的搅拌作用下，使得所述填料层与废水充分接触，反应速率加快，从而快速高效地实现短程硝化-同步硝化反硝化脱氮过程。

所述环形空间内所述生物膜载体的填充比（生物膜载体的体积与环形空间的体积比）优选为35%～40%（如35%、36%、38%或40%），合理的填充比有利于所述生物膜载体在环形空间内的悬浮（环形空间内有足够的空余空间供生物膜载体悬浮），也可有效降低生物膜载体间的激烈碰撞的几率，可进一步地有效避免由于相互间的激烈碰撞造成生物膜脱落的情况发生。

所述中空筒上的所述通孔优选为沿所述中空筒的筒壁由下向上呈螺旋上升状的条形孔，若干个所述条形孔在所述中空筒的筒壁上优选上下交错设置。所述通孔的结构和设置方式有利于在所述中空筒内形成的湍流传递到外部的环形空间，还可进一步加强环形空间内水流的扰动。

优选地，若干个所述条形孔呈现出下窄上宽的形态，可以采用以下两种方式设置，一种方式为位于所述中空筒的下部的若干个所述条形孔的宽度相同，位于所述中空筒的上部的剩余的所述条形孔的宽度相同，且位于所述中空筒的下部的条形孔的宽度小于位于所述中空筒的上部的剩余的条形孔的宽度，另一种方式为所有的所述条形孔中，位于下方的条形孔的宽度小于位于其上方的条形孔的宽度，即若干个所述条形孔的宽度由下向上逐渐变大。

进一步地，各相邻的所述条形孔之间的间距呈现出下窄上宽的形态，同样也可以采用两种方式设置，一种方式为位于所述中空筒的下部的条形孔中相邻的条形孔之间的间距相同，位于所述中空筒的上部的剩余的条形孔中相邻的条形孔之间的间距相同，且位于所述中空筒的下部的相邻的条形孔之间的间距小于位于所述中空筒的上部的相邻的条形孔之间的间距，另一种方式为所有的所述条形孔中，位于下方的相邻的条形孔之间的间距小于位于其上方的相邻的条形孔之间的间距，即各相邻的所述条形孔之间的间距由下向上逐渐变大。

所述中空筒的上下不通位置处的条形孔的宽度及相邻条形孔之间的间距的设计，可以使环形空间下部的水压始终大于上部的水压，有利于保证生物膜载体在环形空间内保持悬浮状态和良好的流化特性。

所述条形孔的长度可以为所述中空筒的横截面的周长的70%～80%，宽度可以为2～5mm，便于所述中空筒内外的湍流的传递。所述搅拌桨的桨叶的外缘中点与所述中空筒的内壁之间的距离可以为所述中空筒的内径的30%～40%，有利于所述搅拌桨在搅拌过程中在所述中空筒的内部空间形成稳定的湍流。

经实验表明，本发明与现有的普通生物膜反应器在相同的工艺条件下（有效污泥浓度约为3500mg/L，运行温度33℃，溶解氧0.5～1.0mg/L）的运行效果对比如下表所示：

表1为两个反应器同步硝化反硝化对三氮的去除量，由表1可以看出，由于本发明的反应器的独特结构及新型的生物膜载体的作用，本发明的生物膜载体能够稳定的处于良好的悬浮流化状态，使得反应器内的同步硝化反硝化现象稳定高效，其效果明显高于普通生物膜反应器。此外，当进水氨氮浓度升高时，本发明内的同步硝化反硝化现象并未下降，反而出现明显上升，说明生物膜系统的稳定性和抗冲击负荷能力均较普通生物膜系统强。可见，独特的反应器结构和新型的生物膜载体的使用令反应器脱氮性能得到了充分的发挥，对脱氮效率的提高起到了明显的促进作用。

本发明的同步硝化反硝化三氮去除量基本维持在30～50mg/L，说明相当一部分的亚硝态氮及硝态氮通过此过程去除。反硝化过程需要有机碳源，本发明的生物膜载体可以使微生物在系统中停留较长的时间，且良好的流化状态有利于生物膜与有机物的接触。由于催化剂废水中有机物含量低，因此，在有效富集微生物的同时保持生物膜载体的流化状态就显得十分必要，本发明在保证生物量的同时，有效提高了生物膜与有机质的接触效率，进一步节省了碳源。