处理高浓度难降解废水的复合生物反应器

摘要

本发明是一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器，由固定化生物反应区、综合降解区和沉淀区三部分构成。固定化生物反应区内有工程菌，底部开有进水口、进气口和排泥口，顶部有排气孔，进气口与进气管和曝气头相连，该区的外侧壁上部并排设有多个导流孔，导流孔与综合降解区连通；综合降解区内有混合菌，内部填充填料，底部装有曝气条，外侧壁的中部设有多个液体导流槽，液体导流槽下部有环形气泡阻隔板，底部设有多个污泥回流槽，液体导流槽和污泥回流槽均与沉淀区连通；沉淀区上部设有排水口，底部设有排泥口。本发明通过工程菌与混合菌的复合作用，使废水得到有效处理。本发明反应器结构紧凑，可大大减少废水稀释倍数，体积小，成本低。

说明书

技术领域

本发明属于利用生物反应器处理废水的设备，特别涉及一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器。

背景技术

工业生产过程中会产生大量高浓度、难降解有机废水，这些有机废水如未经有效处理就直接排放到环境中，会对人体健康和生态环境造成严重影响。目前，如何经济、高效地处理高浓度难降解有机废水是水处理领域关注的热点和难点。国内外研究者从改进处理工艺、投加高效微生物以及实施清洁生产等多个方面改进和强化高浓度难降解有机废水的处理效果，达到保护环境、造福人类的目的。

处理高浓度难降解有机废水的方法主要有物理法、化学法和生物法，这三种方法各有优缺点。生物法与前两种方法相比，具有投资费用少，运行费用低，操作简单，不产生二次污染的优点，是目前水处理中使用最广泛的方法之一。常规的生物处理方法包括活性污泥法和生物膜法，生物法处理高浓度难降解有机废水是利用微生物将废水中污染物降解或转化为无害或低害类物质的过程。

常规的生物法通常在较低的污泥负荷和体积负荷下运行，污染物的降解速率和负荷都较低。对于高浓度难降解有机废水，生物法通常需要将该废水与大量的生活污水混合，将废水大量稀释，使有毒物质和COD值降低至某一范围内，才能使处理后的水达到排放要求，有时废水的稀释倍数需高达数十倍。

提高生物处理法负荷的方法主要有两种，一种是通过筛选和驯化高效菌使污染物得到较好的降解，另一种是利用基因技术改造特定微生物，提高微生物的降解速率。第一种方法对于提高污泥负荷的帮助通常是有限的，而基因技术可以较大幅度地提高污泥负荷。

近年来，随着基因技术的发展，一些国内外的研究者在实验室中构造出了超级工程菌，通过向受体细胞中转入携带有特定基因的质粒，可以得到高效表达特定酶的超级工程菌，从而达到强化降解有害污染物的目的。然而，工程菌对底物具有较强的选择性和专一性，对于不同类型的污染物，工程菌的降解速率表现出明显的差异。当实际废水成分复杂时，仅依靠工程菌的降解作用很难将所有的污染物同时有效地降解。另外，工程菌的流失还会带来环境的生物安全性问题。

考虑到工程菌和混合菌各自的局限性，将两者结合起来，可改善高浓度难降解有机废水的处理效果。

发明内容

本发明的目的在于克服生物处理技术在难降解有机废水处理上的缺陷，提供一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器，将该反应器用于处理含高浓度难降解有机废水，能有效地将多种有机污染物彻底降解，提高了污染物的负荷，减小反应器占地面积。

本发明的另一目的是提供一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器的操作方法。

本发明的一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器，该一体化设备外形为一圆柱锥结构，包括固定化生物反应区、综合降解区和沉淀区三部分组成，由内到外分别是固定化生物反应区、综合降解区和沉淀区，废水依次流经这三个区域，最后从沉淀区流出。

其中，固定化生物反应区为圆柱结构，底部有一进水口、进气口和排泥口，进水口与水泵连通，污泥排出口由球阀控制，进气口顶端设有曝气头；顶部有排气孔；该反应区侧壁上部有多个导流孔，固定化生物反应区通过导流孔与综合降解区连通；

综合降解区在固定化生物反应区的外部，为环状结构，内部放置了填料，混合菌既可以附着生长在填料上，也可悬浮生长；底部铺有一圈微孔曝气管，曝气管通过软管与气泵相连；高效降解区外侧壁的中部有一圈导流槽，废水经导流槽流入沉淀区；为了防止曝气产生的气泡进入沉淀区影响固液分离效果，在导流槽下方设置了一圈气泡阻隔板；外侧壁底部是污泥回流槽，与沉淀区连接；

沉淀区设在高效菌降解区的外部，处理后的出水经沉淀后从其上端的溢流槽流出；其底部设有排泥口，可排出剩余污泥。

所述的复合生物反应器，其所述工程菌，是受体细胞为大肠杆菌株BL21(DE3)，质粒载体为pETDuet，携带有两种有机磷水解酶基因OPH和B1，经转化得到高效表达这两种解毒酶基因的基因工程菌；混合菌，是从农药厂附近的土壤中分离得到的混合菌群。

所述的复合生物反应器，其所述固定化材料，为聚乙烯醇凝胶颗粒。

一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器的废水处理方法是：废水从固定化生物反应区底部进入，向上流动，主要目标污染物被固定化工程菌降解；被初步降解的污染物和降解产生的中间产物经导流孔进入综合降解区，被混合菌彻底降解；最后，经工程菌和混合菌处理的废水从导流槽进入沉淀区，经固液分离后从出水口排出；经重力浓缩后的污泥回流到综合降解区，部分剩余污泥排放。

所述的方法，微生物生长和代谢所需的溶解氧由空气泵提供，分别进入固定化生物反应区、综合降解区，废水经由水泵送入反应器，并依次流经三个区域得到彻底降解。

所述的方法，当固定化生物反应区内的固定化工程菌活性丧失后，将其从固定化生物反应区的排泥口排出，然后重新加入新的固定化工程菌，反应器仍能继续稳定运行。

本发明的特点是生物处理装置的主体由固定化生物反应区和综合降解区构成，它们协同作用共同完成污染物的降解。废水首先进入固定化生物反应区，该区装填已包埋超级工程菌的固定化材料，超级工程菌的构建是针对废水中的主要目标污染物，其它污染物则由综合降解区混合菌继续降解。将工程菌和混合菌分开培养和使用，能有效发挥两类菌的优势和作用。工程菌的降解速度要远远高于混合菌，可有效降低主要目标污染物的浓度，减少高浓度污染物对混合菌的毒害；未被降解的污染物以及产生的中间产物在综合降解区被混合菌进一步分解，得到无害的终产物。将工程菌和混合菌分开，还可以避免混合菌在工程菌载体表明生长，影响载体中固定的工程菌的活性。例如，在处理农药废水时，常规生物法需要将农药废水大量稀释才能满足处理的需要，而本发明利用固定化工程菌和混合菌的协同作用可以大大减少废水的稀释倍数，甚至可以不需要稀释就能达到处理的要求，因此，本发明的反应器占地面积较小，投资和运行费用较低。

本发明的设备具有如下优点：

1.将工程菌和混合菌的优势结合，研制成一种处理高浓度难降解废水的复合生物反应器。该反应器结构紧凑、构造简洁、占地面积小，运行操作与维护简单。

2.将工程菌和混合菌分开，既可以有效发挥两类菌的优势和作用，又可以避免混合菌在载体表明生长，影响载体中固定的工程菌的活性。将工程菌固定在载体上，可以防止工程菌的流失。

3.可以大大减少废水的稀释倍数，减少反应器体积，减少后续深度处理的费用，降低投资和运行费用。

附图说明

图1是本发明处理高浓度难降解废水的复合生物反应器结构示意图。

具体实施方式

实施例1：农药废水处理

请参见图1。

本发明处理高浓度难降解废水的复合生物反应器，是有机玻璃制成的固定化菌-高效菌联合作用一体化反应器，其基本结构为圆柱锥形，由同心圆环和圆锥构成，其尺寸为上底直径520mm，下底直径320mm，总高度490mm，包括固定化生物反应区1、综合降解区2和沉淀区3构成。

试验中使用的基因工程菌由中国科学院动物所农业虫鼠害综合治理与研究国家重点实验室提供，受体细胞为大肠杆菌株BL21(DE3)，质粒载体为pETDuet，携带有两种有机磷水解酶基因OPH和B1，经转化得到高效表达这两种解毒酶基因的基因工程菌。混合菌是从农药厂附近的土壤中分离得到的混合菌群，由本实验室保存。

在固定化生物反应区1内部填充有固定化材料：聚乙烯醇凝胶颗粒19，携带两种有机磷水解酶基因的工程菌固定在聚乙烯醇凝胶颗粒19内。固定化生物反应区1底部设有一进水口5、一进气口9和一排泥口4，进水口5外端与污水泵6相通，进气口9内末端接有曝气头7，外端与空气泵11相通。顶部设有一排气孔10。固定化生物反应区1侧壁上部开有多个导流孔12，每一导流孔12外面加设了一层筛网，筛网孔径为1～2mm。固定化生物反应区1通过多个导流孔12与综合降解区2连通。

综合降解区2底部安装有曝气条14，内部填充有填料13，其侧壁的中部位置开有若干液体导流槽15，液体导流槽15底部设置有一圈气泡阻隔板16，侧壁底部有若干污泥回流槽18，高效菌降解区2通过液体导流槽15和污泥回流槽18与沉淀区3相通。

沉淀区3侧壁的上部开有多个出水口8，底部有排泥口17，剩余污泥从排泥口17排出。

废水从固定化生物反应区1底部进入生物反应器内，废水中的有机磷农药污染物被聚乙烯醇凝胶颗粒19中固定化工程菌降解；未被降解的其它有机污染物和中间产物经导流孔12进入到综合降解区2内，被吸附在填料13上和悬浮生长的混合菌进一步降解，净化后的水从综合降解区2的液体导流槽15进入沉淀区3，并最终从出水口8排出。沉淀区3的沉淀污泥可以回流至综合降解区2，剩余污泥从排泥口17排出。

微生物生长和代谢所需的溶解氧由空气泵11提供，分别进入固定化生物反应区1、综合降解区2，废水经由水泵6送入反应器，并依次流经三个区域得到彻底降解。

固定化生物反应区1内，包埋在聚乙烯醇凝胶颗粒19中的固定化工程菌活性丧失后，将凝胶颗粒19从固定化生物反应区1的排泥口4排出，然后加入新的包埋有工程菌的聚乙烯醇凝胶颗粒，反应器可以继续正常运行。

含DDVP、对硫磷、马拉硫磷和甲基对硫磷的有机磷混合农药模拟废水，从进水口5进入生物反应器，农药总浓度为40ppm、单一农药浓度为10ppm，甲醇浓度为3200mg/L。进水流量为101/d，水力停留时间为4d，生物反应的温度为30℃。进水口5的COD值为3273mg/L，出水口8的COD值为276mg/L，去除率为91.6％，DDVP、对硫磷、马拉硫磷和甲基对硫磷的去除率分别为97.5％、100％、100％和71.2％。