一种处理易酸化有机废水的上流式厌氧污泥床反应器

摘要

一种处理易酸化有机废水的上流式厌氧污泥床反应器，涉及一种废水的处理设备。提供一种处理易酸化有机废水的上流式厌氧污泥床反应器。设有原水池、上流式厌氧污泥床反应器、三相分离器、牡蛎壳颗粒进料器、沼气收集罐、进水布水管、承托板和处理水池；原水池废水出口接设于反应器下部废水进口；牡蛎壳颗粒进料器和沼气收集罐设于反应器上方，三相分离器设于反应器柱体顶部附近，牡蛎壳颗粒进料器出口接反应器的进口，在反应器柱体顶端设有排气口，在反应器柱体顶部侧端设有出水口，进水布水管设于承托板与上流式厌氧污泥床反应器柱体底部之间，承托板设于反应器柱体下部，排泥口设于反应器柱体底部，反应器柱体外侧设有加热水套。

说明书

技术领域

本发明涉及一种废水的处理设备，尤其是涉及一种处理易酸化有机废水的上流式厌氧污泥床反应器。

背景技术

废水的厌氧生物处理是在无氧条件下厌氧及兼性微生物将废水中的各种有机质转化为甲烷和二氧化碳过程。厌氧生物反应器具有处理有机负荷高、污泥产量低、对虫卵和病毒去除效果好、产出的甲烷可作为能源利用、无需曝气与补加营养物、运行费用低，管理方便等优势([1]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998，3-53；[2]陈坚.环境生物技术[M].北京：中国轻工业出版社，1990，23-100)。同时也存在着反应器体积大，启动周期长等劣势。

上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Bed，简称UASB)反应器，是一种由荷兰人发明的高效厌氧生物反应器。反应器由反应区、沉淀区、气室三部分组成。底部是浓度较高的污泥层，也称为污泥床，在污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层，通常把污泥层和悬浮层统称为反应区。在反应区上部设有气、液、固三相分离器。废水从污泥床底部进入，与床中的污泥混合接触，有机物被厌氧生物分解而产生出沼气，沼气泡在上升过程中不断聚并逐渐长大，在较强烈的搅动下使污泥床中上部形成悬浮污泥层。悬浮污泥在气、水的剪切作用下，逐渐形成颗粒状。气、水、泥混合液在三相分离器中，沼气泡汇集于中部气室从顶部排出，在侧部固液分离室中上清液从上部排出，污泥从下部回至反应区。通过控制上升流速，使大量的污泥滞留于反应区内，以维持较高的污泥浓度([3]G.Lettinga，A.F.M.vanVelsen，S.W.Hobma.Use of Upflow Sludge Blanket(USB)Reactor Concept for BiologicalWastewater Treatment，Especially for Anaerobic Treatment[J].Biotech.Bioeng，1980，2：699-705)。

由于厌氧微生物增殖缓慢，污泥的颗粒化速度低下，因而导致UASB反应器的启动周期较长(大约需要6～8月)([4]K.H.Harada，A.Ohashi.Granulation and sludge retainment duringStart-up of a Thermophilic UASB Reactor[J])。许多研究表明，通过向污泥中适量加入如活性碳颗粒([5]周律，王宝泉，于泮池.投加颗粒活性炭加快UASB反应器内颗粒化进程的研究[J].中国给水排水，1996，12(5)：16-19)、硬硅钙纤维粒([6]韩剑宏，倪文，江翰.投加硬硅钙纤维粒对UASB低温运行的影响[J].中国给水排水，2003，19(10)：14-17)等惰性颗粒物，使之成为形成颗粒污泥的核心载体，加快细菌在其表面的富积，提高颗粒污泥的形成速度。曾金樱等([7]曾金樱，杨仁斌，吴根义.用麸皮纤维做载体培养颗粒污泥的可行性研究[J].环境科学与技术，2006，29(10)：17-20)在厌氧反应器中投加麸皮纤维作为培养颗粒污泥的载体，加速了污泥的颗粒化进程，且形成的颗粒污泥活性高且沉降性好，缩短了反应器的启动时间。

由于容易酸化的有机废水可在厌氧环境中迅速转化为有机酸，严重影响反应器内部的碳酸盐缓冲体系，表现为pH值的迅速降低，从而使甲烷菌活性受到抑制([1]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998，3-53)。涂保华等建议反应器内的碱度须大于1000mg/L，以维持pH值水平([8]涂保华，王建芳，张雁秋.UASB反应器中颗粒污泥的培养[J].污染防治技术，2003，16(3)：65-67)。为了保证适合产甲烷菌生长的pH条件，一般是通过采取投加碳酸盐和碳酸氢盐来维持反应器内部的碳酸盐缓冲体系。考虑到牡蛎壳中含有丰富的碳酸钙及微量的元素与多种氨基酸([9]董晓伟，姜国良，李立德，等.牡蛎综合利用的研究进展[J].海洋科学，2004，28(4)：62-65)，若将适量的牡蛎壳颗粒作为载体添加至UASB反应器中，特别是在反应器的启动阶段，牡蛎壳颗粒可以起到初期污泥晶核作用，利用颗粒表面的性质，使易于形成颗粒污泥的细菌能在颗粒表面上的迅速富集，促进颗粒污泥的形成；同时，牡蛎壳的碳酸钙能随着废水的酸化进程逐渐溶解，可为缓冲体系补充碱度，使UASB反应器中的pH值满足适合产甲烷菌生长条件，利于产甲烷活性的提高和稳定；其次，微量元素和氨基酸满足厌氧细菌生长增殖的营养要求，能促进厌氧细菌的新陈代谢。当形成的颗粒污泥进入成熟期后，牡蛎壳颗粒的投加仅起碱度调节剂作用，在弱酸性条件下逐渐溶解，对反应器的有效容积影响很小([9]董晓伟，姜国良，李立德，等.牡蛎综合利用的研究进展[J].海洋科学，2004，28(4)：62-65；[10]E.P.A.Vanlangerak，H.Ramaekers，G.Lettinga.Impact of location of CaCO₃precipitation on the development of intact anaerobic sludge[J].Wat.Res.，2000，34(2)：447-446)。牡蛎壳颗粒是以海产养殖废弃牡蛎壳为原料，廉价易加工，其再利用可解决废弃牡蛎壳对沿海环境卫生的影响问题，具有经济与社会效益双赢效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种处理易酸化有机废水的上流式厌氧污泥床反应器。

本发明设有原水池、上流式厌氧污泥床反应器、三相分离器、牡蛎壳颗粒进料器、沼气收集罐、进水布水管、承托板和处理水池；原水池的废水出口经泵接设于上流式厌氧污泥床反应器下部的废水进口；牡蛎壳颗粒进料器(用于投加牡蛎壳颗粒)和沼气收集罐(用于收集甲烷等气体)设于上流式厌氧污泥床反应器上方，三相分离器设于上流式厌氧污泥床反应器柱体顶部附近，牡蛎壳颗粒进料器的出口接上流式厌氧污泥床反应器的进口，在上流式厌氧污泥床反应器柱体顶端设有排气口，在上流式厌氧污泥床反应器柱体顶部侧端设有出水口，进水布水管设于承托板与上流式厌氧污泥床反应器柱体底部之间，承托板设于上流式厌氧污泥床反应器柱体下部，排泥口设于上流式厌氧污泥床反应器柱体底部，上流式厌氧污泥床反应器柱体外侧设有加热水套。

所述承托板设于上流式厌氧污泥床反应器柱体下部，可采用承托板通过上下两片法兰盘固定于上流式厌氧污泥床反应器下半部，用于承托上流式厌氧污泥床反应器内的污泥。

所述处理水池与上流式厌氧污泥床反应器的出水口之间可设阀门。

与现有的有机废水处理设备相比，本发明具有以下突出的优点：

1)牡蛎壳颗粒是以海产养殖废弃牡蛎壳为原料，廉价易加工，其再利用可解决废弃牡蛎壳对沿海环境卫生的影响问题，具有经济与社会效益双赢效果。

2)由于设有原水池、上流式厌氧污泥床反应器、三相分离器、牡蛎壳颗粒进料器、沼气收集罐、进水布水管、承托板和处理水池；原水池的废水出口经泵接设于上流式厌氧污泥床反应器下部的废水进口；牡蛎壳颗粒进料器和沼气收集罐设于上流式厌氧污泥床反应器上方，三相分离器设于上流式厌氧污泥床反应器柱体顶部附近，上流式厌氧污泥床反应器柱体外侧设有加热水套，承托板通过上下两片法兰盘固定于上流式厌氧污泥床反应器下半部，用于承托上流式厌氧污泥床反应器内的污泥，因此可通过向UASB反应器中直接投加牡蛎壳颗粒，加快厌氧颗粒污泥的形成速度，增大颗粒污泥的产甲烷活性，缩短启动时间，实现处理有机废水UASB反应器的快速启动目的。

3)本发明尤其适用于处理易酸化有机废水。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的牡蛎壳颗粒进料器的示意图。

图3为本发明实施例的三相分离器的示意图。

图4为本发明实施例的布水管的示意图。

图5为本发明实施例的承托板的示意图。

图6为本发明实施例的启动过程中牡蛎壳添加(A)与未添加(B)反应器出水pH的时间变化图。在图6中，横坐标为时间t/d，纵坐标为pH，▲反应器A，●反应器B；从左至右依次为阶段A，阶段B，阶段C，阶段D。

图7为本发明实施例的启动过程中牡蛎壳添加(A)与未添加(B)反应器出水COD的时间变化图。在图7中，横坐标为时间t/d，纵坐标为COD/mg.L^-1，▲反应器A，●反应器B；从左至右依次为阶段A，阶段B，阶段C，阶段D。

图8为本发明实施例的启动过程中牡蛎壳添加(A)与未添加(B)反应器出水碱度的时间变化图。在图8中，横坐标为时间t/d，纵坐标为alkalinity/mg.L^-1，▲反应器A，●反应器B；从左至右依次为阶段A，阶段B，阶段C，阶段D。

图9牡蛎壳颗粒溶出Ca²⁺的时间变化图。在图9中，横坐标为时间t/min，纵坐标为Ca²⁺/mg.L^-1。

图中，主要构件的标记如下：原水池1、泵2、加热水套3、上流式厌氧污泥床反应器4、三相分离器5、牡蛎壳颗粒进料器6、沼气收集罐7、进水布水管8、承托板9、排泥口10、出水口11、排气口13、阀门14、处理水池15、泵16；贮料室21、计量室22、出料口23、抽拉移动门24和25；

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例设有原水池1、上流式厌氧污泥床反应器4、三相分离器5、牡蛎壳颗粒进料器6、沼气收集罐7、进水布水管8、承托板9和处理水池15。原水池1的废水出口经泵2接设于上流式厌氧污泥床反应器4下部的废水进口；牡蛎壳颗粒进料器6(用于投加牡蛎壳颗粒)和沼气收集罐7(用于收集甲烷等气体)设于上流式厌氧污泥床反应器1上方，三相分离器5设于上流式厌氧污泥床反应器4柱体顶部附近，牡蛎壳颗粒进料器6的出口接上流式厌氧污泥床反应器4的进口，在上流式厌氧污泥床反应器4柱体顶端设有排气口13，在上流式厌氧污泥床反应器4柱体顶部侧端设有出水口11，进水布水管8设于承托板9与上流式厌氧污泥床反应器4柱体底部之间，承托板9设于上流式厌氧污泥床反应器4柱体下部，排泥口10设于上流式厌氧污泥床反应器4柱体底部，上流式厌氧污泥床反应器4柱体外侧设有加热水套3。

所述承托板9通过上下两片法兰盘固定于上流式厌氧污泥床反应器4下半部，用于承托上流式厌氧污泥床反应器4内的污泥。

所述处理水池15与上流式厌氧污泥床反应器4的出水口11之间设有阀门14。

上流式厌氧污泥床反应器4的柱体上方设有牡蛎壳颗粒进料器6(用于投加牡蛎壳颗粒)与沼气收集罐7(用于收集甲烷等气体)，三相分离器5(结构详见图3)设于柱体顶部附近，排气口13设于柱体上，出水口11设于柱体顶部侧端，承托板9设于柱体下部，进水布水管8设于承托板9与柱体底部之间，排泥口10设于柱体底部，加热水套3设于柱体外侧。

当采用内循环运行操作时(——→)，预先将定量的牡蛎壳颗粒(粒径范围为100～500μm)通过牡蛎壳颗粒进料器6投入上流式厌氧污泥床反应器4中，将泵16处于停止，阀门14关闭状态。

原水池1的废水由泵2送入上流式厌氧污泥床反应器4下部进口；循环热水从上流式厌氧污泥床反应器4外壁的加热水套3的下部进口流入，从加热水套3的上部出口流出，使上流式厌氧污泥床反应器4内的温度保持在35±2℃；在上流式厌氧污泥床反应器4床层内，废水在上升过程中水中的有机物被颗粒污泥逐渐降解，同时生成的甲烷等气体夹带于升流中；在上流式厌氧污泥床反应器4顶部污泥、反应气和反应液分别在流经三相分离器5过程中得到分离，反应生成的气体从出气口13排出，进入沼气收集罐7，出水流回原水池1。

当采用连续通水运行操作时(——→)，废水在泵2的作用下，从原水池1抽出，再与由泵16送来的处理水池15的回流液合流，从下部送入上流式厌氧污泥床反应器4；在上流式厌氧污泥床反应器4床层内；废水在上升过程中水中的有机物被颗粒污泥逐渐降解，同时生成的甲烷等气体夹带于升流中；在上流式厌氧污泥床反应器4顶部污泥、反应气和上流式厌氧污泥床反应器4分别在流经三相分离器5过程中得到分离，反应生成的气体从出气口13排出，进入沼气收集罐7，出水于出水口11溢流至处理水池15。

牡蛎壳颗粒进料器6(结构详见图2)由贮料室21、计量室22、出料口23、抽拉移动门24和25组成。操作方法如下：

(1)先将抽拉移动门24和25的园孔与贮料室21底部园孔排口完全错开，即关闭贮料室的排料口；

(2)将牡蛎壳颗粒注满贮料室21，之后抽拉移动门24的园孔与贮料室21底部园孔排口重合，即打开贮料室的排料口，让牡蛎壳颗粒靠重力流入计量室22；

(3)关闭贮料室的排料口(操作同(1))，之后打开计量室的抽拉移动门25(操作同(2))，计量室22内的牡蛎壳颗粒靠重力从出料口23进入上流式厌氧污泥床反应器4上部。

三相分离器5(结构详见图3)；气、液、固混合液上升到三相分离器5内，混合液中的气泡在分流元件31的作用下，流入斜板32与其下部导流板的间隙，经气室33的出气口排出。进入，混合液中较大的颗粒污泥因较重而悬浮于上流式厌氧污泥床反应器4中，较小的颗粒污泥则被混合液带入沉淀区34，沉降至斜板32壁面，下滑至回流口35返回上流式厌氧污泥床反应器4，上清液通过溢流堰排出。

进水布水管8及承托板9(结构详见图4和5)；进水布水管8由不锈钢构成，在下端竖直方向沿45°各设有两个直径为3mm的出水孔，进水布水管8上共设有20对该类出水孔。承托板9通过上下两片法兰盘固定于上流式厌氧污泥床反应器下半部，用于承托上流式厌氧污泥床反应器内的污泥。

本发明实施例上流式厌氧污泥床反应器4主体为圆柱形有机玻璃柱体，柱体高1.5m，内径100mm，柱体底部设有排泥口；三相分离器5采用有机玻璃制成，用法兰盘与柱体联接。反应器有效体积为5L。

具体的操作步骤是：(1)将厌氧种泥与一定量的牡蛎壳颗粒混合均匀后直接注入反应器；(2)于加热水套中从下至上方向连续通入热水，使反应器内温度保持在35±2℃左右；(3)将原水池中的有机废水调制COD浓度为700～1200mg/L；(4)采用内循环原水操作，合成有机废水每隔两天更换一次，通过调节蠕动泵转速将设定内循环蠕动泵流量，使柱内污泥呈悬浮状态；(5)观察反应器内颗粒污泥的形态，监测pH与产气量的变化情况，其间适当补充牡蛎壳颗粒提高以将pH控制在6～6.5之间；(6)当观察到已经有细小颗粒污泥形成，同时开始有明显气体发生时，将内循环原水操作切换为连续通水操作；(7)连续通水操作时，采用2台泵运行，一台用于将废水送入反应器，另一台将部分处理水循环至反应器，通过调节处理水循环泵流量使反应器内污泥呈悬浮状态，其余处理水作为反应器的出水溢流排除。牡蛎壳颗粒每天添加一次，添加高负随进水COD浓度负荷的升高而相应加大。

图6～8反映出进水COD浓度分别为700，900，1200和1500mg/L(简称为阶段A，B，C，D)，牡蛎壳颗粒添加量分别为1.5，2.0，2.5和3.2g/d，连续通水操作的水力停留时间为5h，牡蛎壳添加反应器(A)与未添加对照反应器(B)的运行情况比较。可以看出，在阶段A的进水COD为700mg/L时，反应器(A)与(B)出水的pH变化趋势相同，pH从6.6迅速升至7.4后降到7.0，出水COD从300mg/L降到100mg/L，碱度的变化较小。通水初期可观察到产气量明显下降，说明污泥的产甲烷活性需要一个驯化过程([12]E.P.A.Vanlangerak，H.Ramaekers，G.Lettinga.Impact of location of CaCO₃ precipitation on the development of intactanaerobic)。在阶段B的进水COD为900mg/L时，有机负荷由3.4kg提高到4.3kg葡萄糖/m³d，而此时厌氧颗粒污泥尚未形成，污泥驯化阶段厌氧污泥耐冲击的能力还不够强，微生物自身活性的恢复和对水质的适应需要一段时间([11]王新华，管锡珺，徐世杰，等.水力循环UASB反应器处理柠檬酸废水[J].水处理技术，2006，32(11)：61-65)，由此而导致在6～8d之间两反应器出水pH值分别由7.0降至6.7和6.6，之后污泥开始逐渐适应这个COD浓度，甲烷菌活性逐渐恢复，反应器(A)与(B)的出水pH回到6.8以上，平均碱度分别为270mg/L和200mg/L，碱度已有明显差别。阶段C进水COD为1200mg/L时，反应器(A)出水pH值由7.0上升到7.4，而反应器(B)的pH在6.8～7.0变化不大；反应器(A)出水COD在18～22d间迅速升至最大的500mg/L，而后逐渐降到200mg/L；由于进水COD浓度较高，发现此时反应器的产气量提高了1.5倍左右(约为268mL/h)，可知进水中有机物的增加加快了反应器的产气速度，即污泥的甲烷菌活性得以提高。在后期观察到反应器(B)的污泥床厚度小于反应器(A)的，已可直接观测到反应器(A)中颗粒污泥，说明反应器(A)的污泥颗粒化进程快于对照的反应器(B)。在36d时，发现反应器(A)颗粒污泥的机械强度和沉降性能均良好，颗粒粒径约为0.3～2.0mm，表明颗粒污泥已基本成熟。当阶段D进水COD升为1500mg/L时，两反应器出水pH值稳定在7.0～7.4；反应器(A)出水COD稳定在200mg/L，而对照的反应器(B)出水COD迅速升到500mg/L，说明反应器(A)的抗负荷冲击能力较强([12]E.P.A.Vanlangerak，H.Ramaekers，G.Lettinga.Impact of location of CaCO₃ precipitation on the development of intact anaerobic；[13]曹刚，徐向阳，冯孝善.碱度对UASB污泥颗粒化的影响[J].中国给水排水，2002，18(8)：13-16)。反应器(A)与(B)出水平均碱度分别为590mg/L和450mg/L，碱度差明显增大，符合牡蛎壳添加量逐渐增加所能补充的碱度量。在44d时对照的反应器(B)内的颗粒污泥也逐渐成熟。牡蛎壳添加的反应器(A)与对照的未添加反应器(B)的启动周期分别为76d和84d，可知牡蛎壳添加使反应器启动时间缩短了10％左右。

图9反映了初始pH值为6时牡蛎壳颗粒的溶解特性。可以看出，牡蛎壳在初始的2min内溶解速率最大，达到7.1mg Ca²⁺/(L·min)，即可提供17.8mg/(L·min)的碱度(以CaCO₃计)。随着反应的进行，溶液的pH值逐渐上升，牡蛎壳的溶解速率逐渐降低，碱度供应能力逐渐下降，在60min时已达到平衡，溶液中的Ca²⁺浓度为33.5mg/L。

CaCO₃在弱酸性和中性条件下的溶解关系式为：

由式(1)与(2)可以看出，CaCO₃具有中和水中H+缓冲水体pH值下降的作用。