厌氧内置零价铁反应器.pdf

一种厌氧内置零价铁反应器，其属于水处理技术领域。这种反应器在位于布水器和生物滤料层之间设置2～6个零价铁填充层，形成位于生物滤料层和零价铁填充层之间的悬浮污泥区和位于零价铁填充层和布水器之间的污泥膨胀区。悬浮污泥区经循环管道和循环泵连接到厌氧反应器下部的进水管道。厌氧反应器外部设置一套水力循环管路，提高了载体污泥层及悬浮污泥区内的水流速度，从而提高了厌氧菌对有机物的分解速度；该反应器结构合理，工作性能好，可以限制底部污泥层的膨胀及上浮流失，并可提高对有机物的降解能力，达到高的有机物去除率，同时实现污水的快速启动，后期实验表明可在43天实现化工含盐废水的成功启动，并在后续阶段保持稳定运行。

1、  一种厌氧内置零价铁反应器，它主要包括一个圆筒形的厌氧反应器(1)，在厌氧反应器(1)内从下向上依次设有一个布水器(6)、一个生物滤料层(3)和一个三相分离器(2)，位于生物滤料层(3)的上方空间是一个气液固体分离区(1a)，在厌氧反应器(1)的下部通过进水管道与进水泵(9)连接；其特征在于：在所述厌氧反应器(1)内位于布水器(6)和生物滤料层(3)之间设置2～6个零价铁填充层(4)，形成位于生物滤料层(3)和零价铁填充层(4)之间的悬浮污泥区(1c)和位于零价铁填充层(4)和布水器(6)之间的污泥膨胀区(1d)；所述悬浮污泥区(1c)经循环管道(12)和循环泵(13)连接到厌氧反应器(1)下部的进水管道。

2、  据权利要求1所述的厌氧内置零价铁反应器，其特征在于：所述零价铁填充层(4)的最低处位于厌氧反应器(1)有效高度H的1/2处，零价铁填充层(4)的高度为厌氧反应器(1)有效高度H的5％～10％，零价铁填充层(4)的底板(4a)和围壁上设有筛孔(4b)；在零价铁填充层(4)中装填有2/3高度的零价铁粒状材料。

3、  据权利要求1所述的厌氧内置零价铁反应器，其特征在于：所述生物滤料层(3)和三相分离器(2)的高度为厌氧反应器(1)有效高度H的5％～15％。

厌氧内置零价铁反应器
技术领域
本发明涉及一种厌氧内置零价铁反应器，其属于水处理技术领域。
背景技术
厌氧污水处理的能力强，节省能源，同时产生沼气，是污水处理中最有前途的工艺之一。经过多年的发展，厌氧反应器已从最初的化粪池，发展为代表性的USAB(上流式厌氧污泥床)、EGSB(膨胀颗粒污泥床)、IC(内循环厌氧反应器)等。这些第三代厌氧反应器具有的共同特征是：单位容积微生物持有量更高，能承受更高的水力负荷，反应器的处理能力大大提高。
但是，这些反应器在应用中仍然存在以下主要问题：(1)启动时间长、污泥颗粒化缓慢，一般需要3-6个月的启动期，很难满足污染企业限期治理的要求。(2)反应器的运行条件控制困难，时常出现酸化，抑制产甲烷菌的生长，从而导致厌氧处理的失败。
针对以上问题，国内外开展了大量研究。针对启动缓慢问题，目前采用较多的方法有：接种颗粒化污泥、加入絮凝剂、优化水利条件等。从其它反应器中接种颗粒化污泥对大部分污染企业来说不具备条件，较难实现，且影响到原反应器的运行。加入絮凝剂，如铝盐、铁盐，其阴离子(硫酸根、氯根)对厌氧微生物毒害强，抑制处理效率。优化水力条件利用水力剪切作用，通过控制水流、气流的流速、流态，实现快速颗粒化，该方法其一般作为辅助手段。
厌氧反应器的酸化控制是厌氧运行中的关键控制因素。产甲烷菌对环境pH敏感，最佳的pH范围是6.8-7.2，pH降低将造成产甲烷菌的抑制，严重时导致厌氧的失败。因此，反应器的酸化是厌氧处理效果恶化的信号，应采取有效手段提高pH。在实际处理中，常常采用加入石灰水、碳酸氢钠等平抑酸度。
零价铁是处理污水的一种还原性方法，其主要应用于水中污染物的脱氯、脱硝、脱色等过程，其利用零价铁(与惰性物质形成的内电极)产生的新生态[H]和Fe²⁺，可污染物还原，零价铁技术是污水处理中常用的提高可生化性的预处理方法。许多研究将零价铁内电解作为生物处理的前端工艺，处理后污水的可生化性提高，而且产生的铁离子也有利于后续生物处理性能的改善。
但是，该方法在应用中存在的主要障碍是铁屑床层的板结问题。零价铁填料与空气接触，铁被空气氧化的速率远远大于内电解中铁被氧化的速率，快速产生的铁锈造成铁屑间的粘连、堵塞，使污水短流，降低污水处理效率，同时铁锈附于铁表面，阻止其进一步反应，导致处理的失败。因此，零价铁内电解方法在实际中成功应用的不多。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种厌氧内置零价铁反应器，在厌氧反应器外部设置出水循环，用于增强污水的流动性，提高其对高负荷的承受能力；同时在厌氧反应器内部加入零价铁填充层，利用铁屑和活性炭的微电解作用以及二价铁对厌氧微生物活性的促进作用，达到污泥较快的颗粒化，从而提高整体厌氧反应器的启动时间；同时可中和厌氧酸化，解决了零价铁内电解的铁锈、板结问题，从而实现其高效稳定运行。
本发明采用的技术方案是：一种厌氧内置零价铁反应器主要包括一个圆筒形的厌氧反应器，在厌氧反应器内从下向上依次设有一个布水器、一个生物滤料层和一个三相分离器，位于生物滤料层的上方空间是一个气液固体分离区，在厌氧反应器的下部通过进水管道与进水泵连接。在所述厌氧反应器内位于布水器和生物滤料层之间设置2～6个零价铁填充层，形成位于生物滤料层和零价铁填充层之间的悬浮污泥区和位于零价铁填充层和布水器之间的污泥膨胀区；所述悬浮污泥区经循环管道和循环泵连接到厌氧反应器下部的进水管道。所述零价铁填充层的最低处位于厌氧反应器高度的1/2处，零价铁填充层的高度为厌氧反应器有效高度H的5％～10％，零价铁填充层的底板和围壁上设有筛孔；在零价铁填充层中装填有2/3高度的零价铁粒状材料。
所述生物滤料层和三相分离器的高度为厌氧反应器有效高度H的5％～15％。
上述技术方案的指导思想是：该装置的附属部分包括污水回流系统和污泥沉淀系统。污水回流系统将零价铁填充层上端的污水泵入反应器下端的污水管路中，与原污水混合，通过布水管进入反应器的污泥膨胀区。其目的是提高通过零价铁填充区的过水速度，从而增强厌氧与零价铁技术的耦合效果。同时，提高下部污泥区的膨胀效果，提高污水与污泥的接触。反应器外的污泥沉淀系统的主要功能是进一步分离污水、污泥。由于排放污水中含有一定量的铁离子，遇空气后沉淀成Fe(OH)₃，在这一过程中形成的混凝作用，可将污水中的胶体除去，提高污水处理效率。该系统包括污水管、沉淀池、污水外排管等。该系统的起点是三相分离器的污水出口，经沉淀后，上清液排放。
在厌氧反应器的中部设置零价铁层，这不是厌氧反应器与零价铁技术的简单叠加，而是可形成以下耦合作用：1)铁的作用中和厌氧的酸化；2)零价铁的还原作用降低厌氧氧化还原电位，增强厌氧氛围，利于产甲烷菌的生长；3)铁的絮凝有利于颗粒污泥的长大，同时较少污泥的流失；4)吸收二氧化碳，增加碱度，同时提高沼气中的甲烷比例；5)生物铁的酶促作用，提高生物利用性。同时，由于与空气隔绝，铁的腐蚀作用缓慢，均匀释放出二价铁离子，彻底解决空气中铁炭电极的板结问题。
本发明的有益效果是：这种厌氧内置零价铁反应器在位于布水器和生物滤料层之间设置2～6个零价铁填充层，形成位于生物滤料层和零价铁填充层之间的悬浮污泥区和位于零价铁填充层和布水器之间的污泥膨胀区；悬浮污泥区经循环管道和循环泵连接到厌氧反应器下部的进水管道。该厌氧反应器结构合理，工作性能好，克服了上流式厌氧污泥床的缺陷，同时较内循环反应器结构更简单、设计难道小，同时采用投加铁屑加速厌氧污泥的颗粒化，实现厌氧反应器的快速启动，经济高效、稳定运行。该厌氧反应器采用实际工厂废水可实现其在一个半月内启动成功，并保持在高浓度时运行稳定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种厌氧内置零价铁反应器结构示意图。
图2是零价铁填充层的示意图。
图3是采用实际化工废水启动阶段进、出水化学需氧量(COD)变化对比曲线图。横坐标为厌氧反应器稳定运行的天数，纵坐标为COD的值。其中三条曲线分别是进水、反应器中、出水的COD值变化曲线。
图4是采用实际化工废水稳定阶段进、出水化学需氧量(COD)变化对比曲线图。横坐标为厌氧反应器稳定运行的天数，纵坐标为COD的值。其中三条曲线分别是进水、反应器中、出水的COD值变化曲线。
图5是厌氧反应器内污泥粒径变化对比曲线图。横坐标为厌氧反应器内污泥粒径大小，纵坐标为固体百分含量。其中三条曲线分别是第一天、第42天(高度60cm)、第42天(高度10cm)固体含量的变化曲线。
图中：1、厌氧反应器，1a、气液固体分离区，1b、热水套，1c、悬浮污泥区，1d、污泥膨胀区，2、三相分离器，3、生物滤料层，4、零价铁填充层，4a、底板，4b、筛孔，4c、上盖板，5、热水加热器，6、布水器，7、热水循环泵，8、底座，9、进水泵，10、集气管，11、出水管，12、循环管道，13、循环泵；a、污水，b、沼气，c、清水，d、污泥。
具体实施方式
图1示出了一种厌氧内置零价铁反应器结构示意图。该装置主要包括一个圆筒形的厌氧反应器1，在厌氧反应器1内从下向上依次布置一个布水器6、3个零价铁填充层4、一个生物滤料层3和一个三相分离器2，把厌氧反应器1内腔分割为一个位于生物滤料层3上面的气液固体分离区1a、一个位于生物滤料层3和零价铁填充层4之间的悬浮污泥区1c和一个位于零价铁填充层4和布水器6之间的污泥膨胀区1d。厌氧反应器1的壳体采用有机玻璃或玻璃钢制成，其内径为90cm，高为120cm，有效容积为6.36L。生物滤料层3和三相分离器2的高度为厌氧反应器1有效高度的10％。污水a通过进水泵9进入布水器6，同时污泥循环水通过循环泵13进行回流，布水器6对污水a和污泥循环水进行混合后在底部均匀布水，生物滤料层3对上升的污泥进行截留。在悬浮污泥区1c的下端设置有循环管道12连接循环泵13。厌氧反应器1在位于气液固体分离区1a以下部分的外壁设有热水套1b，一个热水加热器5和热水循环泵7经管道与热水套1b的上部和下部连接。
上述厌氧反应器的工作过程如下：污水a通过进水泵9进入厌氧反应器1的污泥膨胀区1d，同时在底部与污泥循环水充分混合，在污水上升过程中与颗粒污泥中的生物体充分接触，当穿过零价铁填充层4到达悬浮污泥区1c的污泥循环水出口时，大部分通过循环管道12回流到底部继续反应，小部分到达生物滤料层3。污水中的悬浮污泥大部分被截留，形成载体污泥层，避免了污泥颗粒在三相分离器2上的快速积存，保证了三相分离器2的正常分离功能；小部分上升到三相分离器2，将悬浮生物体与水、气分离，经分离的厌氧污泥沉淀到厌氧反应器1中，净化好的清水c经出水管11排放接收，而污水与生物体反应产生的沼气b则通过集气管10排放接收，污泥d可从悬浮污泥区1c排放接收。
图2示出了零价铁填充层的示意图。在厌氧反应器1内设置于3个零价铁填充层4，3个叠加在一起的零价铁填充层4的最低处位于厌氧反应器1有效高度H的1/2处。其填充框架为上开口的玻璃钢圆柱体，其高度为厌氧反应器1有效高度H的7％，圆柱面和底板4a上设有许多均匀分布的筛孔4b，筛孔4b的孔径为5mm，孔间距为15mm。每个填充层均装填一定量的零价铁粒状材料，装填高度为每层实际高度的2/3，留出1/3的上部空隙为均匀布水之需。最上端的填充层上覆盖同样筛孔4b的上盖板4c，避免零价铁填料的流失。
将上述厌氧反应器采用城市污水处理厂污泥及某香料化工厂废水进行启动与驯化。从图3可看出废水启动阶段，当废水浓度达5％时，COD去除率到达90％，而在运行43天时进水COD为20000mg/L时就已经实现了成功启动，其COD去除率到达80％以上。从图4可看出进水完全是工业废水时，反应器能够实现稳定运行，出水COD基本稳定在5000mg/L左右，去除率保持在75％以上。从图5看出随着反应器的运行，有零价铁颗粒的反应器其污泥粒径逐渐变大，从开始的主要粒径为100微米到启动结束的200微米左右，说明零价铁的加入对污泥的颗粒化效果较好。