申请日2019.01.29
公开(公告)日2019.04.02
IPC分类号C02F3/12; C02F3/10
摘要
本发明公开了一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器，属于环境工程和化学工程领域。本发明的螺旋床生物膜反应器包括罐体、导流筒、螺旋筛网、载体、载体通道、气体分布器、进气口、出气口、进水口、出水口和排泥口。本发明通过改进载体布置结构、改进螺旋通道的结构，提高污水生物处理过程的传氧速率、传氧效率和生物反应效率，有助于控制生物膜厚度，减少污水处理的能耗。
权利要求书
1.一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，包括罐体、导流筒、载体和载体通道;所述罐体的顶部设置排气口，底部设置排泥口，在罐体的侧壁上设置出水口和进水口;所述导流筒位于罐体内部，与罐体同轴设置，导流筒的高度小于罐体高度;导流筒内侧上部与进水口连通;所述载体通道位于罐体内部，沿导流筒外侧呈螺旋状布置，所述载体通道由上、下两层螺旋筛网构成，每层筛网的两侧边缘分别与罐体侧壁和导流筒外壁固定;所述载体通道内部填充载体;相邻的载体通道之间的区域形成螺旋状空载通道。
2.根据权利要求1所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，所述罐体设置载体进口和载体出口;所述载体进口设置于反应罐体外侧上部，与螺旋筛网的最高处水平相衔接;所述载体出口位于反应罐体外侧的下部，与螺旋筛网的最低处沿水平方向衔接;所述载体进口和载体出口处分别设置直筛网，直筛网与载体通道的上下两层螺旋筛网连接并固定。
3.根据权利要求1或2所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，载体由载体外壳和内芯载体组成;内芯载体被限制在载体外壳的内部且不与载体外壳固定。
4.根据权利要求3所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，所述载体外壳为网格状球体;所述内芯载体的结构为蜂窝状，或海绵状，或泡沫状，或表面为毛刷状，或为移动床生物膜反应器载体中的任一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1～4任一所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，所述螺旋筛网沿竖直方向的最低处至所述导流筒底部的间距与所述反应罐体的内径的比值为0.1～0.6;所述螺旋筛网的沿竖直方向的最高处至所述导流筒顶部的间距与所述反应罐体内径的比值为0.1～0.5。
6.根据权利要求5所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，所述螺旋筛网为正螺旋面或者是向内倾斜螺旋面;或者是向外倾斜螺旋面。
7.根据权利要求1～6任一所述的螺旋床生物膜反应器，其特征在于，导流筒下方设置气体分布器;所述气体分布器为环形管气体分布器，或沿圆周方向排列的若干喷嘴，或含有若干微孔膜的曝气管，或含有若干微孔的曝气器。
8.权利要求1～7任一所述的螺旋床生物膜反应器在生物、环境领域的应用。
9.一种污水处理方法，其特征在于，向权利要求1～7任一所述的螺旋床生物膜反应器中接种污泥，再通入污水，运行至少30天。
10.含有权利要求1～7任一所述螺旋床生物膜反应器的设备，或连接有权利要求1～7任一所述螺旋床生物膜反应器的设备。
说明书
一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器
技术领域
本发明涉及一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器，属于环境工程和化学工程领域。
背景技术
曝气是污水好氧生物处理工艺中必不可少同时也是最耗能的操作单元，占污水处理厂总能耗的50～80%，占用一些国家总电耗的1%。但在生物曝气反应器中，仅有2～10%的氧气被微生物有效摄取和利用。如何节能已成为现代污水生物处理的紧迫关切，提高传氧速率、传氧效率和微生物反应效率是解决这一问题的主要途径，需要从生物反应器、微生物种群、处理工艺和代谢反应机制等角度进行探究。生物膜法处理污水，主要是利用固定化的微生物群落形成生物膜，去除废水中溶解性的和胶体状的有机污染物。生物膜反应器是利用生物膜高效处理污水的装备，在环境工程领域有着广泛应用。针对不同的污水特性和处理规模，研究者发展了多种好氧生物膜反应器，以提升污水处理效率和节省能耗。生物膜反应器的主要形式有固定生物膜活性污泥技术(IFAS)、移动床生物膜反应器(MBBR)、膜生物反应器(MBfR)、生物滤池(普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池)、生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床和颗粒污泥工艺等已成功应用于污水处理过程。
生物接触氧化法是在生物膜法的基础上发展出来的。污水与生物膜接触并在微生物的作用下，使污水得到净化。采用曝气方法为微生物提供溶氧，并起搅拌与混合作用，同时在曝气池内投加载体，以供微生物附着生长，是介于活性污泥法与生物滤池法之间的生物处理法。生物接触氧化法存在的问题主要是池内载体间的生物膜有时会出现堵塞现象，还存在载体易老化、不易拆洗等问题。
移动床生物反应器是20世纪80年代末期出现的一种生物膜处理方法。吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点，利用悬浮载体而成为一种比较高效的污水处理方法。悬浮载体由经过特殊处理的聚丙烯材料做成，载体密度介于0.95～1.00g/cm3之间，具有较大的比表面积(160～450m2/m3)，载体表面易于生物膜生长，而且其结构设计使载体在使用时不结团、不堵塞。但移动床生物膜反应器存在的问题主要是：反应器中的载体依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，但在实际操作中，经常出现由于整个池内气体分布不均匀而导致局部载体堆积和液体混合不充分。移动床生物反应器的深度一般为2-6米，每米深度的传氧效率虽然会高于活性污泥反应池，但仍比较低，约为1.0～2.5%/m。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器，兼顾宏观混合和微观混合过程，提高气液传氧的速率和效率，控制生物膜厚度，减少竖直方向水头损失和能量消耗。利用喷射空气为唯一动力源，带动液体做循环流动，减少气泡尺寸，提高体积传氧系数和氧气利用率，同时促进生物反应效率，防止剥落的生物膜阻塞流体通道。
本发明的第一个目的是提供一种用于污水处理的螺旋床生物膜反应器，包括罐体、导流筒、载体和载体通道;所述罐体的顶部设置排气口，底部设置排泥口，在罐体的侧壁上设置出水口和进水口;出水口位于进水口上方;所述导流筒位于罐体内部，与罐体同轴设置，导流筒的高度小于罐体高度;导流筒上方与进水口连通;所述载体通道位于罐体内部，沿导流筒外侧呈螺旋状布置，所述载体通道由上、下两层螺旋筛网构成，每层筛网的两侧边缘分别与罐体侧壁和导流筒外壁固定;所述载体通道内部填充载体;相邻的载体通道之间的通道形成空载通道。
在本发明的一种实施方式中，罐体的底部是锥形封底。
在本发明的一种实施方式中，罐体底部的锥角为90-150°。
在本发明的一种实施方式中，所述罐体设置载体进口和载体出口;所述载体进口设置于反应罐体外侧上部，与螺旋筛网的最高处水平相衔接，可以使载体填充入由上、下两层螺旋筛网组成的载体通道;所述载体出口位于反应罐体外侧的下部，与螺旋筛网的最低处沿水平方向衔接，用于卸出载体;所述载体进口和载体出口处分别设置直筛网，直筛网与载体通道的上、下两层螺旋筛网连接并固定。
在本发明的一种实施方式中，所述载体进口和载体出口分别引出至反应罐体外侧。
在本发明的一种实施方式中，载体进口和载体出口的形状为长方形，长方形的高等于载体侧通道的垂直高度;载体进口和载体出口在容器外侧采用方形的垂直吊盖带颈法兰人孔。
在本发明的一种实施方式中，所述载体由载体外壳和内芯载体组成，内芯载体设置在载体外壳的内部且不与载体外壳固定;载体外壳为网格状球体;内芯载体可以为表面有毛刷状突起的载体或内部有通孔的多边形载体;反应器运行时，内芯载体在水力作用下在球载体内做翻滚运动。
在本发明的一种实施方式中，载体外壳的网格孔径为18-25mm。
在本发明的一种实施方式中，内芯载体的结构为蜂窝状，或海绵状，或泡沫状，或表面为毛刷状，也可以是其它类似移动床生物膜反应器(MBBR)载体或其组合。
在本发明的一种实施方式中，载体外壳的直径在50～100mm之间，内芯载体的尺寸小于载体外壳的直径但大于载体外壳的孔径，使内芯载体不会从载体外壳中漏出。
在本发明的一种实施方式中，内芯载体的材料可以是塑料、海绵或尼龙纤维等。
在本发明的一种实施方式中，内芯载体的材料密度为1.00～1.20g/cm3，在水力作用下在载体外壳内做翻滚运动。
在本发明的一种实施方式中，所述螺旋筛网的螺距是相等的，所述螺旋筛网的数量是偶数个。
在本发明的一种实施方式中，相邻螺旋筛网的间距是相同的，也可以是不同的。所述相邻螺旋筛网的间距是螺旋筛网螺距的5%～50%。
在本发明的一种实施方式中，所述螺旋筛网沿竖直方向的最低处距离所述导流筒底部的间距与所述反应罐体的内径的比值为0.1～0.6;所述螺旋筛网的沿竖直方向的最高处距离所述导流筒顶部的间距与所述反应罐体内径的比值为0.1～0.5。
在本发明的一种实施方式中，所述导流筒的底部距离罐体底部封头上缘的距离与所述反罐体内径的比值为0～0.3。
在本发明的一种实施方式中，所述罐体内部空间气液混合区所在的罐体筒体部分高径比在2:1～6:1之间，所述气液分离区的罐体内径不小于所述气液混合区所在罐体的罐体内径，所述反应罐体的上升段横截面面积与所述下降段横截面面积的比值在1:0.3～1:1之间。
在本发明的一种实施方式中，所述螺旋筛网的螺旋面为正螺旋面，或向内倾斜螺旋面，或向外倾斜螺旋面。
在本发明的一种实施方式中，所述螺旋筛网的开孔率在60%～90%之间，所述螺旋筛网的筛孔小于载体的直径，使载体不从筛孔中漏出。
在本发明的一种实施方式中，所述螺旋筛网的孔径在10～50mm之间。
在本发明的一种实施方式中，螺旋筛网的材料为结实而耐腐蚀的材料，包括但不限于塑料、尼龙、复合非金属材料或轻质金属合金材料。
在本发明的一种实施方式中，导流筒下方设置气体分布器。
在本发明的一种实施方式中，所述气体分布器设置载体通道的正下方;所述气体分布器为环形管气体分布器，或沿圆周方向排列的若干喷嘴，或含有若干微孔膜的曝气管，或含有若干微孔的曝气器。所述环形管顶部沿环向均布开设有若干出气孔，出气孔向上且正对环隙形上升段。环形管底部设置有1-3个向下的排泥口，防止设备停止运行时污泥堵塞气体分布器。
在本发明的一种实施方式中，所述生物膜反应器为常压容器，或压力容器。
本发明的第二个目的是提供所述螺旋床生物膜反应器的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述应用包括污水处理。
本发明还要求保护含有所述螺旋床生物膜反应器的设备，或连接有本发明所述螺旋床生物膜反应器的设备。
有益效果：本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)本发明的螺旋床生物膜反应器中，一侧螺旋通道装载着载体，气泡穿过载体间隙而被破碎，能阻止气泡聚并，控制气泡尺寸在一定范围内(毫米级)，有效提高气-液两相的比表面积，又能保证气泡具有较高的上升速率和气-液流速差，有利于气液传质速率;另一侧空载的螺旋通道可减少液相循环时间和垂直压头损失，加速气液流动和强化混合。
(2)较高的反应容器高径比和螺旋通道有利于延长气-液-固接触时间。相比于无载体的气升式反应器，螺旋床生物膜反应器的传氧速率(OTR)能提高40-85%、传氧效率(OTE)提高35-75%。
(3)上升的气液流与内芯载体相互作用，使内芯载体一直处于微动状态，可控制生物膜厚度和防止载体通道被生物膜堵塞。与普通固定床生物膜反应器相比，本发明提供了畅通无阻的螺旋上升的空载通道，一方面减少了循环液流的水头损失，保证气液流循环速率，另一方面，较高的气液流速对相邻载体通道中的生物膜进行冲刷，进一步防止生物膜过厚而堵塞床层。
(4)本发明提供了可方便更换的生物膜载体装入口和卸出口，球形组合载体可通过载体装入口从反应器外侧进入反应器中由两层螺旋筛网组成的载体通道中，也可以方便地从载体卸出口取出。
(5)与移动床生物膜反应器相比，本发明对载体在反应罐体空间内进行了更合理布置，解决了移动床生物膜反应器中载体位置不易控制，易发生局部堆积的缺点。