申请日2017.12.27
公开(公告)日2018.04.06
IPC分类号C02F11/00; C02F11/02
摘要
本发明公开了一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器及其方法，属于污水或污泥处理领域。反应器包括反应器主体、脱钙液流加系统、沼气搅拌系统。反应器主体设分布区、脱钙区、三相分离区;分布区设布水管、进水管、下循环水管、布气管、输气管;脱钙区设竖直隔板、左颗粒污泥床、右颗粒污泥床;三相分离区设三相分离器、沉淀室、集气室、溢流堰、上循环水管。脱钙液流加系统设脱钙液贮罐、脱钙液输送泵、脱钙液输送管和脱钙液分布管。沼气搅拌系统设沼气储罐、沼气增压泵、沼气增压罐、沼气输送管和沼气分布管。本发明可分时段实现有机物转化和颗粒污泥原位除钙。
权利要求书
1.一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，包括反应器主体(I)、脱钙液流加系统(II)、沼气搅拌系统(III);
所述的反应器主体(I)由下至上依次设置分布区(I-1)、脱钙区(I-2)、三相分离区(I-3);所述的脱钙区(I-2)中设有竖直隔板(I-2-1)，竖直隔板(I-2-1)将脱钙区(I-2)分为左右对称的左颗粒污泥床(I-2-2)和右颗粒污泥床(I-2-3);竖直隔板(I-2-1)底部延伸至分布区(I-1);所述的分布区(I-1)中铺设有布水管(I-1-1-1)以及位于布水管(I-1-1-1)上方的布气管(I-1-2-1)，且布水管(I-1-1-1)和布气管(I-1-2-1)都具有两组独立的模块，且以竖直隔板(I-2-1)为中心面呈镜像分布，竖直隔板(I-2-1)每侧均具有一组布水管(I-1-1-1)模块和一组布气管(I-1-2-1)模块;每组布水管(I-1-1-1)模块均连接有进水管(I-1-1-2)，每组布气管(I-1-2-1)模块均连接有输气管(I-1-2-2);进水管(I-1-1-2)连通下循环水管(I-1-1-3);所述的三相分离区(I-3)的下部通过呈喇叭口状的下部扩展段(I-3-6)与脱钙区(I-2)顶部相连，三相分离区(I-3)中设置有三相分离器(I-3-1)，三相分离器(I-3-1)位于下部扩展段(I-3-6)的上沿及集气室(I-3-3)下沿之间;三相分离器(I-3-1)包括倒漏斗(I-3-1-1)、升流管(I-3-1-2)和降流管(I-3-1-3)，倒漏斗(I-3-1-1)上沿与升流管(I-3-1-2)下沿相连，降流管(I-3-1-3)与升流管(I-3-1-2)呈同心筒;集气室(I-3-3)位于三相分离区(I-3)顶部;三相分离器(I-3-1)外壁与三相分离区(I-3)内壁夹持形成环形的沉淀室(I-3-2)，溢流堰(I-3-4)位于沉淀室(I-3-2)壁上;上循环水管(I-3-5)一端伸入三相分离区(I-3)与降流管(I-3-1-3)内腔连通，另一端与下循环水管(I-1-1-3)连通;
所述的脱钙液流加系统(II)中设有脱钙液贮罐(II-1)、脱钙液输送泵(II-2)、脱钙液输送管(II-3)，脱钙液贮罐(II-1)通过脱钙液输送管(II-3)连接至进水管(I-1-1-2)，且脱钙液输送管(II-3)上设有脱钙液输送泵(II-2);
所述的沼气搅拌系统(III)中设有沼气储罐(III-1)，沼气储罐(III-1)通过管道与所述的集气室(I-3-3)顶部相连，沼气储罐(III-1)还通过沼气输送管(III-4)依次连接沼气增压罐(III-3)和输气管(I-1-2-2)，且沼气输送管(III-4)上设有沼气增压泵(III-2)。
2.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的反应器主体(I)呈三段式的圆筒状，分布区(I-1)和脱钙区(I-2)的直径相同，此二区与三相分离区(I-3)最大截面的直径之比为1：1.5;分布区(I-1)、脱钙区(I-2)、三相分离区(I-3)的高度之比为1:10～12：2.5～3。
3.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的布水管(I-1-1-1)模块均呈半月环形，两组布水管(I-1-1-1)模块的直线段均靠近竖直隔板(I-2-1)平行设置，进水管(I-1-1-2)分为两路后分别穿过分布区(I-1)侧壁连通两组布水管(I-1-1-1)模块，且每条支路上设有控制阀;
所述的布气管(I-1-2-1)模块也呈半月环形，两组布气管(I-1-2-1)模块的直线段均靠近竖直隔板(I-2-1)平行设置，输气管(I-1-2-2)分为两路后分别穿过分布区(I-1)侧壁连通两组布气管(I-1-2-1)模块，且每条支路上也设有控制阀。
4.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的布水管(I-1-1-1)所在平面与分布区底面的垂直距离为30～50mm，所述布气管(I-1-2-1)所在平面与分布区底面的垂直距离为50～80mm。
5.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的竖直隔板(I-2-1)上沿与三相分离区下沿等高，竖直隔板(I-2-1)下沿伸入分布区10～30mm，竖直隔板(I-2-1)下沿与分布区(I-1)底面的垂直距离为40～60mm。
6.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的三相分离器(I-3-1)的倒漏斗(I-3-1-1)下沿与扩展段(I-3-6)的上沿等高，倒漏斗(I-3-1-1)下沿的面积与同一高度处的三相分离区(I-3)的面积之比为1：2.25;升流管(I-3-1-2)上沿低于液面30～50mm;降流管(I-3-1-3)上沿高出液面20～30mm，降流管(I-3-1-3)下沿高出倒漏斗(I-3-1-1)上沿20～30mm。
7.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的脱钙液贮罐(II-1)与反应器主体(I)的体积之比为1：2～3。
8.如权利要求1所述的颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其特征在于，所述的反应器主体(I)与沼气增压罐(III-3)的体积之比为1：0.3～0.5。
9.一种利用如权利要求1所述反应器的颗粒污泥原位浮选除钙方法，其特征在于，除钙过程依次分四个阶段：
1)充气搅拌阶段：增压泵(III-2)将沼气从沼气储罐(III-1)抽到增压罐(III-3)内增压，增压沼气经沼气输送管(III-4)、输气管(I-1-2-2)后进入两组布气管(I-1-2-1)模块中，在分布区(I-1)均匀分布，气泡上升过程搅动污泥床，缓解钙化污泥结块状况;
2)浸泡脱钙阶段：由脱钙液输送泵(II-2)将脱钙液贮罐(II-1)中的脱钙液输送至进水管(I-1-1-2)和两组布水管(I-1-1-1)模块，逐渐置换颗粒污泥床中的混合液，置换完成后停加脱钙液，使颗粒污泥浸泡于脱钙液内，以溶解颗粒污泥表面和内部的碳酸钙;
3)循环浮选阶段：将增压沼气经沼气输送管(III-4)、输气管(I-1-2-2)后进入一组布气管(I-1-2-1)模块中，关闭另一组布气管(I-1-2-1)模块;然后使三相分离区(I-3)中的降流管(I-3-1-3)内液体以一定的回流比注入与呈开启状态的布气管(I-1-2-1)模块位于竖直隔板(I-2-1)同一侧的布水管(I-1-1-1)模块中，使混合液在分布区、脱钙区与三相分离区之间围绕竖直隔板(I-2-1)形成内循环，在水流作用下脱钙颗粒污泥浮升并富集于污泥床上部;然后转换两组布气管(I-1-2-1)模块和布水管(I-1-1-1)模块的开启状态，改变布水侧和布气侧，使混合液反方向循环;重复该转换过程若干次后，完成钙化颗粒污泥的脱钙和浮选;
4)清洗阶段：向分布区(I-1)中泵入清水，冲洗颗粒污泥床，除去残留的脱钙液。
10.如权利要求9所述的颗粒污泥原位浮选除钙方法，其特征在于，清水或待处理废水的泵入过程通过脱钙液流加系统(II)兼任实现。
说明书
颗粒污泥原位浮选除钙反应器及其方法
技术领域
本发明属于污水或污泥处理领域，具体涉及一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器及其方法。
背景技术
经过一个多世纪的研发，厌氧生物反应器已发展到以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器和内循环反应器为代表的第三代反应器。厌氧生物反应器以其独特的高效、经济优势而广泛应用于工农业有机废水处理。但在处理石化、造纸、印染等工业有机废水时，遇到了高钙的挑战。废水中的Ca2+与微生物代谢产生的CO2结合形成CaCO3沉积于颗粒污泥表面及内部，影响颗粒污泥传质，降低了反应器的效能，同时加大了剩余污泥的处理负担。
在工程上，目前采用更换颗粒污泥的方式来解决钙化问题，该法虽然有效，但费用较大，且需再次启动反应器，影响日常废水处理。将颗粒污泥移出反应器作异位处理，则操作过程较为复杂，还会造成颗粒污泥损伤。因此，开发颗粒污泥原位除钙技术具有重要的现实意义。
由于有机酸(如乙酸)和无机酸(如硫酸)可溶解碳酸钙，因此它们可用于钙化颗粒污泥除钙。
CaCO3+2HAc→Ca(Ac)2+H2O+CO2↑
CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2↑
颗粒污泥钙化后密度变大，根据Stokes公式，其沉降速度大于普通颗粒污泥，两种污泥的临界流失流速存在差别，控制水流的上升速度介于两种流速之间，可实现钙化污泥颗粒与脱钙颗粒污泥的分选。
其中vs是单个颗粒污泥的沉降速率，dp是颗粒污泥的直径，ρp是颗粒污泥的密度，ρ是溶液的密度，μ是溶液的黏度。
本发明集有机质转化与钙化污泥除钙于一体，能够实现污泥的原位除钙，降低了异位操作所致的人力、物力、财力消耗以及污泥损伤。充分利用反应器自身的有机质转化产物，操作过程简便，物耗较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种颗粒污泥原位除钙反应器，特别是一种颗粒污泥原位浮选除钙反应器。
本发明所采用的具体技术方案如下：
颗粒污泥原位浮选除钙反应器，其包括反应器主体、脱钙液流加系统、沼气搅拌系统;
所述的反应器主体由下至上依次设置分布区、脱钙区、三相分离区;所述的脱钙区中设有竖直隔板，竖直隔板将脱钙区分为左右对称的左颗粒污泥床和右颗粒污泥床;竖直隔板底部延伸至分布区;所述的分布区中铺设有布水管以及位于布水管上方的布气管，且布水管和布气管都具有两组独立的模块，且以竖直隔板为中心面呈镜像分布，竖直隔板每侧均具有一组布水管模块和一组布气管模块，分别位于左颗粒污泥床和右颗粒污泥床的正下方。每组布水管模块均连接有进水管，每组布气管模块均连接有输气管;进水管连通下循环水管;所述的三相分离区的下部通过呈喇叭口状的下部扩展段与脱钙区顶部相连，三相分离区中设置有三相分离器，三相分离器位于下部扩展段的上沿及集气室下沿之间;三相分离器包括倒漏斗、升流管和降流管，倒漏斗上沿与升流管下沿相连，降流管与升流管呈同心筒;集气室位于三相分离区顶部;三相分离器外壁与三相分离区内壁夹持形成环形的沉淀室，溢流堰位于沉淀室壁上;上循环水管一端伸入三相分离区与降流管内腔连通，另一端与下循环水管连通;
所述的脱钙液流加系统中设有脱钙液贮罐、脱钙液输送泵、脱钙液输送管，脱钙液贮罐通过脱钙液输送管连接至进水管，且脱钙液输送管上设有脱钙液输送泵;
所述的沼气搅拌系统中设有沼气储罐，沼气储罐通过管道与所述的集气室顶部相连，沼气储罐还通过沼气输送管依次连接沼气增压罐和输气管，且沼气输送管上设有沼气增压泵。
基于上述方案，本发明还可以提供如下多种优选方式。
所述的反应器主体呈三段式的圆筒状，分布区和脱钙区的直径相同，此二区与三相分离区最大截面的直径之比为1：1.5;分布区、脱钙区、三相分离区的高度之比为1:10～12：2.5～3。
所述的布水管模块均呈半月环形，两组布水管模块的直线段均靠近竖直隔板平行设置，进水管分为两路后分别穿过分布区侧壁连通两组布水管模块，且每条支路上设有控制阀;所述的布气管模块也呈半月环形，两组布气管模块的直线段均靠近竖直隔板平行设置，输气管分为两路后分别穿过分布区侧壁连通两组布气管模块，且每条支路上也设有控制阀。
所述的竖直隔板上沿与三相分离区下沿等高，竖直隔板下沿伸入分布区10～30mm，竖直隔板下沿与分布区底面的垂直距离为40～60mm。
所述的三相分离器的倒漏斗下沿与扩展段的上沿等高，倒漏斗下沿的面积与同一高度处的三相分离区的面积之比为1：2.25;升流管上沿低于液面30～50mm;降流管上沿高出液面20～30mm，降流管下沿高出倒漏斗上沿20～30mm。
所述的布水管所在平面与分布区底面的垂直距离为30～50mm，所述布气管所在平面与分布区底面的垂直距离为50～80mm。
所述的脱钙液贮罐与反应器主体的体积之比为1：2～3。
所述的反应器主体与沼气增压罐的体积之比为1：0.3～0.5。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述反应器的颗粒污泥原位浮选除钙方法，该方法的除钙过程依次分四个阶段：
1)充气搅拌阶段：增压泵将沼气从沼气储罐抽到增压罐内增压，增压沼气经沼气输送管、输气管后进入两组布气管模块中，在分布区均匀分布，气泡上升过程搅动污泥床，缓解钙化污泥结块状况。
2)浸泡脱钙阶段：由脱钙液输送泵将脱钙液贮罐中的脱钙液输送至进水管和两组布水管模块，逐渐置换颗粒污泥床中的混合液，置换完成后停加脱钙液，使颗粒污泥浸泡于脱钙液内，以溶解颗粒污泥表面和内部的碳酸钙。
3)循环浮选阶段：将增压沼气经沼气输送管、输气管后进入一组布气管模块中，关闭另一组布气管模块;然后使三相分离区中的降流管内液体以一定的回流比注入与呈开启状态的布气管模块位于竖直隔板同一侧的布水管模块中，使混合液在分布区、脱钙区与三相分离区之间围绕竖直隔板形成内循环，在水流作用下脱钙颗粒污泥浮升并富集于污泥床上部;然后转换两组布气管模块和布水管模块的开启状态，改变布水侧和布气侧，使混合液反方向循环;重复该转换过程若干次后，完成钙化颗粒污泥的脱钙和浮选。
4)清洗阶段：向分布区中泵入清水，冲洗颗粒污泥床，除去残留的脱钙液。
上述方法中，清水或待处理废水的泵入过程可以通过脱钙液流加系统兼任实现。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)采用分隔反应区的结构特化以及充气搅拌的操作特化，实现脱钙液内循环，利用除钙前后颗粒污泥密度的差异分选钙化污泥，降低脱钙液对颗粒污泥的损伤。2)可以产乙酸菌厌氧发酵形成的乙酸或硫化细菌产生的硫酸作为脱钙液，成本低廉。3)除钙所需的气体由有机物转化产生，无需额外供气，可避免氧气对厌氧颗粒污泥的毒害。