誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器，及與之有關(guān)的一種污水處理工藝，屬于種環(huán)保裝備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在污水處理過程中，生物反應(yīng)器在高負荷運行狀態(tài)下，由于多相對流發(fā)生強烈的湍動，其產(chǎn)生的高絮流和高剪切力破壞了活性顆粒污泥的結(jié)構(gòu)，致使污泥逐步破裂分散成小顆粒。小顆粒的散裂即增大了有效界面?zhèn)髻|(zhì)面積，但是如果不能采取有效控制措施，顆粒的無序分裂將會導(dǎo)致隨水流的攜帶而出，從而造成生物質(zhì)流失以及床層運行的不穩(wěn)定。污水轉(zhuǎn)化為清潔能源的效率主要取決于裝置內(nèi)的有效生物負載量，生物質(zhì)通過發(fā)酵作用將污水中的有機質(zhì)等轉(zhuǎn)化為可再生的能源氣體，運行過程中的生物質(zhì)大量流失將使污水的轉(zhuǎn)化效率及能源氣體的產(chǎn)出持續(xù)降低。
[0003]目前運行的大多數(shù)此類裝置需要在下游增設(shè)二次沉淀池的工藝，通過外部循環(huán)回流方法回收隨液體帶出的顆粒污泥，這種方法一般工藝路線長，操作控制復(fù)雜，設(shè)備一次投資及維護費用高。也有裝置采用所謂內(nèi)循環(huán)的方法，實質(zhì)仍然是將二沉池串聯(lián)在主裝置的外側(cè)，只是將分體設(shè)備作了集成，反應(yīng)器主體與沉淀池仍然有明顯壁面相隔，且設(shè)計處理不當(dāng)容易造成處理前后水體的返回混流，降低處理效率。目前投產(chǎn)的間歇發(fā)酵裝置處理能力有限，連續(xù)發(fā)酵裝置或無實質(zhì)運行或運行不穩(wěn)定，污水的轉(zhuǎn)化和能源氣體的產(chǎn)出都有待提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述出現(xiàn)的問題，本發(fā)明提出了一種誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器及其在污水處理中的應(yīng)用，該反應(yīng)器是基于流體動力學(xué)和生物傳遞學(xué)過程設(shè)計的新型反應(yīng)器。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器，反應(yīng)器由下到上依次是:進口管、布水裝置、誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)、凈化水出口、集氣包和氣體排放管，所述布水裝置由分布器以及規(guī)整填料構(gòu)成，所述誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)安裝有導(dǎo)流帶和脈沖管，所述導(dǎo)流帶為螺旋盤曲的金屬構(gòu)件，脈沖管沿誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)的內(nèi)壁切向方向?qū)?，分布于四個位置，任意兩個脈沖管之間的夾角為90°或180°。
[0006]本發(fā)明反應(yīng)器主體為罐狀體(如圖1所示)，下端設(shè)進口管，進口管上面設(shè)布水裝置，裝置主要部件的連接方式以焊接為主，兼有螺紋連接等方式。導(dǎo)流帶通過焊接方式固定在誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)內(nèi)壁面上。誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)壁面預(yù)設(shè)有脈沖管的安裝口，在現(xiàn)場安裝時，外部管道通過預(yù)設(shè)的安裝口導(dǎo)入誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)，并在接合部位采用層插焊的方式連接。
[0007]布水裝置高度H3 —般不超過誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)徑Dl的1/5。
[0008]導(dǎo)流帶直徑D5與誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)徑Dl相當(dāng)，帶寬D6為導(dǎo)流帶直徑D5的10?20%。
[0009]導(dǎo)流帶螺旋旋轉(zhuǎn)的層間高差H4為誘導(dǎo)區(qū)高度Hl的1/1(Γ?/4。
[0010]凈化水出口設(shè)置除霧網(wǎng)。
[0011]所述的誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用。
[0012]采用本發(fā)明裝置進行污水處理時，從廠區(qū)或生活區(qū)引入的原水，經(jīng)過格柵、沉淀池、調(diào)節(jié)池的初步過濾沉降，過濾污水中的雜質(zhì)和固體廢物，然后將含有高濃度的有機廢物的廢水，自進口管自下而上流經(jīng)布水裝置、導(dǎo)流帶、脈沖管，從凈化水出口收集排出，發(fā)酵產(chǎn)生氣體在集氣包收集，通過氣體排放管至其它工段待用。進口管的上部設(shè)有一段布水裝置，布水裝置可以是分布器(專利CN 203061165 U)，也可以是由分布器與其上一段規(guī)整填料構(gòu)成的組合件，布水裝置高度(H3) —般不超過誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)徑(Dl)的1/5，使液相在徑向均勻分布的同時產(chǎn)生切向的旋流，該方法分布均勻，并且流體阻力和壓降較小(圖2)。
[0013]誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)存在著大量的泥水混合物。顆粒污泥是固定在裝置內(nèi)部載有發(fā)酵菌種的活性體，污泥裝載量占到誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)(3)容積的4(Γ50%。泥/水相界面接觸傳質(zhì)并進行生化反應(yīng)。顆粒污泥與液流接觸后膨脹，首先會在某些結(jié)構(gòu)疏松的區(qū)域率先開始流化，小顆粒的流動不斷沖擊著大顆粒，同時將動能傳遞給大顆粒，使大顆粒產(chǎn)生松動并最終形成完全的流化。由于實際過程泥/水相接觸傳質(zhì)界面的不規(guī)則性以及濃度擾動的不確定性，均勻的濃度分布無法持續(xù)，可能會隨機出現(xiàn)若干高濃度的擴散源，從這些擴散源開始并引發(fā)界面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。但擴散后該擴散源的濃度就有所降低，如果界面更新補充不及時，其附近相對較高濃度的擴散源就開始擴散，互相影響。界面效應(yīng)引發(fā)的流動與傳質(zhì)的持續(xù)耦合，決定了界面的非定態(tài)傳遞過程，更決定了處理轉(zhuǎn)化效率的高低。
[0014]本發(fā)明所述生物污水處理裝置在誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)設(shè)置若干切向脈沖管，通過脈沖管閥門(5a?5d)調(diào)節(jié)開度，產(chǎn)生高速脈沖射流，帶動流體作順時針或逆時針的旋流運動。誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)內(nèi)壁面另設(shè)雙螺旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流帶。導(dǎo)流帶通過焊接方式固定在內(nèi)壁面上。導(dǎo)流帶的作用使液流在上升過程中受到壁面阻擋，與脈沖口協(xié)同作用產(chǎn)生水平方向上的旋流，水平方向的旋流與豎直方向上的升降環(huán)流構(gòu)成了場域內(nèi)部的立體流動結(jié)構(gòu)。通過立體流動結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)脈沖調(diào)控顆粒污泥界面形態(tài)，實現(xiàn)污水處理能力和再生能源效率的提升。同時由于液固性質(zhì)的差異，顆粒污泥在分散破碎的流動過程中能夠在壁面積聚，并在重力作用下自發(fā)沉降至裝置下部，如此連續(xù)不斷循環(huán)往復(fù)。通過對顆粒污泥界面形態(tài)的調(diào)控和自沉聚作用降低隨液體排除的生物質(zhì)損失，減少后續(xù)沉淀池和曝氣池及相關(guān)裝備的使用及投資運行成本。
[0015]正常操作時，脈沖管水流取自部分處理后水體回流，開車階段來自原水儲罐。在處理后水體排放管道設(shè)置流量監(jiān)測，轉(zhuǎn)化為電氣信號后控制調(diào)節(jié)各脈沖管閥門開度(圖5 )。各脈沖管閥門可獨立調(diào)節(jié)開度，通過在誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)的不同高度和水平位置建立瞬時和(或)持續(xù)的脈沖射流，誘導(dǎo)激發(fā)污泥界面形態(tài)變化，加快裝置啟動運行速度；同時促進內(nèi)部流體切向旋流，離心加速/重力比可以達到3以上，提高液/固界面?zhèn)髻|(zhì)效率。
[0016]裝置運行穩(wěn)定后，顆粒污泥的粒徑呈以Imm為主的近正態(tài)分布，在誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)內(nèi)部循環(huán)流動。作為污水處理及能源再生的主要區(qū)域，污水在誘導(dǎo)發(fā)酵區(qū)域的平均停留時間為15hrs，運行溫度保持在3(T40°C。
[0017]經(jīng)過流化發(fā)酵處理的水體經(jīng)過澄清穩(wěn)定后，細小顆粒進一步得到沉降。上部清液經(jīng)溢流從凈化水出口收集排出。
[0018]裝置頂部設(shè)有集氣區(qū)，主要用于收集在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氫氣、甲烷等能源氣體。
[0019]從廠區(qū)或生活區(qū)引入的原水，經(jīng)過格柵過濾、沉淀池、調(diào)節(jié)池的初步過濾沉降，過濾污水中的雜質(zhì)和固體廢物，然后將含有高濃度的有機廢物的廢水，自下而上流進裝置。自下而上依次流經(jīng)進口管、布水裝置、導(dǎo)流帶、脈沖管，從凈化水出口收集排出，發(fā)酵產(chǎn)生氣體在集氣包收集，通過氣體排放管至其它工段待用。裝置排出的凈化水引入曝氧池進行深度曝氧處理，即可達標(biāo)排放。由于本裝置中基本無活性顆粒污泥流失至曝氧池，故也無需在曝氧池將顆粒污泥沉淀，因此可縮減曝氧池容積，節(jié)省投資運行費用。
[0020]有益效果:本發(fā)明提供一種誘導(dǎo)界面對流生物反應(yīng)器，通過施加誘導(dǎo)脈沖實現(xiàn)液/固界面的形態(tài)調(diào)控，促進界面對流實現(xiàn)發(fā)酵過程的強化，并將生產(chǎn)、生活污水中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化再生為能源氣體，同時使污水處理達標(biāo)排放。運用流體力學(xué)及生物傳遞原理設(shè)計的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)能夠控制顆粒污泥界面形態(tài)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)污水處理能力及再生能源效率。通過流體的旋流作用與異向射流誘導(dǎo)，使大顆粒污泥均勻散裂，并使微小尺度顆粒污泥在內(nèi)部壁面自發(fā)沉聚，加快啟動運行速度，改善水相/污泥接觸方式，提高污水處理和再生能源效率。
[0021]通過對顆粒污泥界面形態(tài)的調(diào)控和自沉聚作用降低隨液體排除的生物質(zhì)損失，減少后續(xù)沉淀池和曝氣池及相關(guān)裝備的使用及投資運行成本。
[0022]本發(fā)明在相同的處理能力下，液/固界面接觸效果好，水力停留時間長，床層壓降較低，基本無活性生物質(zhì)損失。裝置穩(wěn)定運行階段，進水COD約為20000mg/L，COD去除率可達90%以