專利名稱：一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，尤其涉及一種針對苯酚廢水的處理方法，屬于環(huán)境工程及工業(yè)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含酚廢水主要來源于焦化、煤氣和石化工業(yè)，是一類難降解有機(jī)廢水。而苯酚在酚類化合物中毒性最大，美國環(huán)保署把苯酚列入優(yōu)先污染物的65種有毒污染物名單中，我國也把苯酚列入中國環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單之中。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，含酚廢水的排放量日益提高，從而出現(xiàn)了與之相關(guān)的含酚廢水處理技術(shù)。
目前，含酚廢水的處理方法主要包括萃取法、吸附法、化學(xué)氧化法和活性污泥法等。萃取法、吸附法和化學(xué)氧化法等是傳統(tǒng)的廢水處理方法，由于這些方法存在投資大，運行費用高，易于對環(huán)境造成二次污染等問題，在大規(guī)模工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制?；钚晕勰喾ㄟ\行費用低，運行操作簡單，出水無二次污染，是最重要的工業(yè)廢水處理方法。
在活性污泥法處理含酚廢水的工藝中，分段式厭氧好氧活性污泥工藝是目前難降解廢水的主要處理方式，廢水按一定順序經(jīng)過厭氧池、兼性厭氧池和好氧池的處理，實現(xiàn)難降解成分的去除，此工藝處理效果較好，但是廢水處理池占地面積大，處理效率低，厭氧裝置啟動維護(hù)困難，水力停留時間長，投資費用較高。近年來，隨著生物流化床在廢水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及一體式厭氧生物降解和好氧生物降解工藝的提出，使難降解廢水的處理效果明顯提高，相關(guān)的廢水處理技術(shù)受到日益廣泛的重視。
生物流化床是近年來出現(xiàn)的一種新型的廢水處理裝置，它包括內(nèi)循環(huán)生物流化床與外循環(huán)生物流化床兩種形式，其中內(nèi)循環(huán)生物流化床的導(dǎo)流筒又可分為一級與多級，一根與多根等不同形式。生物流化床應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域，使得氣液固三相混合效果良好，占地面積小，可以極大的提高空氣、廢水與載體污泥三相的接觸面積，提高了好氧活性污泥法的處理效率。
同時，基于生物流化床的特點，開發(fā)出一些在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行厭氧生物降解和好氧生物降解的流程。例如利用內(nèi)循環(huán)式生物流化床內(nèi)筒溶氧高、外筒溶氧低的特點，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，可以分別強化內(nèi)筒好氧和外筒厭氧的環(huán)境，使得好氧活性污泥和厭氧活性污泥共存于同一反應(yīng)器的不同位置，實現(xiàn)了厭氧好氧的一體化。此類型廢水處理流程工藝簡捷，運行費用低，管理方便，但是好氧厭氧處理過程的匹配仍需改進(jìn)，且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)或操作方法往往過于復(fù)雜。
為進(jìn)一步提高生物流化床的效率，近來研究者提出的內(nèi)循環(huán)三相流化床，將活性炭、焦炭等粒徑在0.3-2mm的無機(jī)載體或聚乙烯、聚丙烯有機(jī)高分子載體，填充在床內(nèi)。此類流化床所選用的載體的粒徑一般非常小，其主要作用是構(gòu)建微生物生長的核心和增加吸附的表面積，從而使床內(nèi)保持高濃度的生物量，提高空氣、廢水與載體污泥三相的接觸面積，該法可明顯提高好氧降解的效率，但是沒有將厭氧過程耦合在流化床中。
本專利在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，立足于生物系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系及生物流化床中的高傳質(zhì)系數(shù)，提出在生物流化床中填加當(dāng)量直徑范圍為10-40mm的大孔載體，通過載體內(nèi)部出現(xiàn)的適合厭氧菌生長的區(qū)域，在生物流化床內(nèi)引入?yún)捬醐h(huán)境，實現(xiàn)厭氧生物降解和好氧生物降解在同一裝置內(nèi)的耦合，從而提高含酚廢水處理效率的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有含酚廢水處理方法占地面積大、能耗高、停留時間長和處理效率低等缺點，提出更為有效的含酚廢水處理方法。該方法通過將厭氧生物處理和好氧生物處理過程耦合起來，實現(xiàn)厭氧好氧處理一體化，使得含酚廢水處理過程中的能耗降低、停留時間縮短、處理效率提高、投資和運行費用降低。
本發(fā)明技術(shù)方案如下一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，該方法包括如下步驟a.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在7.0-8.5之間；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
本發(fā)明的核心是在一個生物流化床中同時提供了好氧生物和厭氧生物生存的環(huán)境，同時兩個環(huán)境間的物質(zhì)可以通過擴(kuò)散交換，從而實現(xiàn)了厭氧生物降解和好氧生物降解的耦合。
在生物流化床中懸浮有好氧活性污泥，通過生物流化床中的曝氣裝置，為好氧活性污泥提供溶氧，實現(xiàn)好氧降解；通過在流化床中投入可懸浮的、化學(xué)和生物穩(wěn)定的大孔載體，利用大孔載體內(nèi)存在的厭氧微生物的生存環(huán)境，實現(xiàn)厭氧降解。大孔載體的內(nèi)核部分為厭氧環(huán)境，構(gòu)成專性厭氧菌生長區(qū)，載體的外層為缺氧環(huán)境，構(gòu)成兼性厭氧菌生長區(qū)。通過被動擴(kuò)散和流體的沖刷作用，有機(jī)物可以進(jìn)入載體內(nèi)部，同時載體內(nèi)部的厭氧降解產(chǎn)物也可進(jìn)入流化床主體，實現(xiàn)厭氧降解和好氧降解在同一流化床反應(yīng)器內(nèi)的耦合。
為達(dá)到本發(fā)明的效果，本發(fā)明還采用了下述的技術(shù)方案
1)在整個載體中，至少有20％體積為厭氧菌可生長的環(huán)境，同時為減小物質(zhì)在載體內(nèi)部擴(kuò)散到流化床主體的阻力，為此載體具體的尺寸特征滿足如下標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量直徑范圍為10-40mm，任何一維的最小尺度不小于8mm，孔徑尺寸范圍為0.5-2.0mm，體積空隙率范圍為80％-95％，其具體的尺寸應(yīng)根據(jù)不同的工業(yè)要求確定。
2)投加的大孔懸浮載體的體積占生物流化床有效體積的比值范圍為1-40％，其投加量的最佳范圍是5-30％。
本發(fā)明中采用的大孔懸浮載體的材料可以是聚亞氨酯、聚氨酯、纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一種或幾種混合；形狀為各種形狀或者不同形狀的混合；所用的生物流化床包括各種形式的內(nèi)循環(huán)生物流化床和外循環(huán)生物流化床。本發(fā)明提出的含酚廢水的處理方法，既可應(yīng)用于序批式處理工藝也可應(yīng)用于連續(xù)流式處理工藝。
本發(fā)明的原理本發(fā)明利用生物流化床取代普通活性污泥曝氣池，強化了氣液固三相的傳質(zhì)作用，一方面提高溶氧和氧氣的利用率，強化了好氧生物降解；另一方面使得好氧活性污泥與廢水充分混合，在較低的氣流量下提高了好氧活性污泥的處理效率。
本發(fā)明將多孔有機(jī)懸浮載體加入到好氧活性污泥體系中，一方面由于溶解氧從主體好氧活性污泥體系向載體內(nèi)部傳遞過程中的阻力，載體內(nèi)部將逐漸形成缺氧或厭氧的微環(huán)境；另一方面促進(jìn)載體內(nèi)部和表面微生物的富集和固定化。
由于微生物的種群分布與所處的溶氧環(huán)境密切相關(guān)，流化床主體環(huán)境中為好氧活性污泥體系，而在載體內(nèi)部則以兼性厭氧微生物和專性厭氧微生物為主。因此，通過在好氧活性污泥工藝中引進(jìn)生物流化床和多孔隙有機(jī)懸浮載體技術(shù)，分別強化了好氧生物降解過程和厭氧生物降解過程，實驗了厭氧生物處理與好氧生物處理的耦合。
由于將好氧、厭氧生物處理過程在同一反應(yīng)器內(nèi)耦合起來，廢水中的難降解有機(jī)污染物將首先在載體內(nèi)的厭氧環(huán)境中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，成環(huán)的大分子物質(zhì)將變成鏈狀分子，從難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到獾闹虚g產(chǎn)物，然后擴(kuò)散到流化床主體，在主體的好氧環(huán)境中實現(xiàn)進(jìn)一步的生物降解。
綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點是1)停留時間縮短、處理效率提高厭氧好氧耦合生物處理法處理含酚廢水的過程中，厭氧過程能夠有效的提高難降解有機(jī)物的生物降解性，而中間產(chǎn)物有可以在強化的好氧過程中實現(xiàn)快速降解，從而使得整個生物處理過程的停留時間縮短，處理效率提高。
2)占地面積小、投資小厭氧好氧耦合生物處理法，一方面利用生物流化床取代傳統(tǒng)的曝氣池，減小了好氧處理的占地面積；另一方面，通過引入多孔隙有機(jī)大孔懸浮載體，使得分段式的好氧厭氧處理工藝實現(xiàn)一體化，從而取消了厭氧消化池，因而本技術(shù)大大減少了占地面積，節(jié)約了投資。
3)啟動、操作和維護(hù)簡單厭氧好氧耦合生物處理法是一種基于傳統(tǒng)活性污泥法的集成耦合生物處理方法，工藝流程簡潔，廢水處理裝置的啟動、操作和維護(hù)簡單。
4)剩余污泥產(chǎn)量小由于生物流化床高溶氧的特點，使得微生物新陳代謝旺盛，在整個生長周期中內(nèi)源呼吸期延長，又因為載體使得厭氧環(huán)境得到強化，兩方面共同作用實現(xiàn)了剩余活性污泥的原位降解，從而降低了剩余污泥的產(chǎn)量。


圖1本發(fā)明處理體系結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明的厭氧好氧耦合環(huán)境示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的厭氧好氧耦合生物處理體系結(jié)構(gòu)如圖1所示(以氣升式內(nèi)環(huán)流生物流化床為例)，主體設(shè)備為生物流化床，內(nèi)部設(shè)有曝氣裝置3，導(dǎo)流筒4，而有機(jī)大孔懸浮載體2均勻分布在好氧活性污泥體系1中。
本發(fā)明中載體內(nèi)部的微環(huán)境如圖2所示，多孔隙有機(jī)大孔懸浮載體的內(nèi)核部分為厭氧環(huán)境，構(gòu)成專性厭氧菌生長區(qū)7；載體的中間部分為缺氧區(qū)，構(gòu)成兼性厭氧菌生長區(qū)6；載體的表層為好氧區(qū)，為好氧菌生長區(qū)5。
下面給出基于本發(fā)明的部分具體實施例，但本發(fā)明專利所保護(hù)的內(nèi)容并限于實施例。
實施例1大孔懸浮載體內(nèi)的微生物相流化床類型氣升式內(nèi)環(huán)流生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量占反應(yīng)器有效容積的體積比1％載體尺寸15mm×15mm×15mm；載體孔徑1.25mm；空隙率95％；最小一維尺寸15mm污泥來源廢水處理廠二沉池污泥a.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在7.0左右；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
當(dāng)污泥馴化后，取出單個載體進(jìn)行掃描電鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)載體內(nèi)核與外部的微生物相有著顯著的區(qū)別，內(nèi)核部分出現(xiàn)了一定數(shù)量的螺旋菌，這是生長在厭氧環(huán)境的典型菌種，表征大孔懸浮載體內(nèi)部確實形成了厭氧環(huán)境。
實施例2序批式活性污泥工藝流化床類型氣升式內(nèi)循環(huán)一級生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量占反應(yīng)器有效容積的體積比30％；載體尺寸10mm×10mm×8mm；載體孔徑0.5mm；空隙率80％；最小一維尺寸8mm處理周期12ha.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在8.0左右；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷鹽類。其中進(jìn)水CODcr為3198.8mg/L，苯酚含量為865.8mg/L，pH為7.33。出水CODcr為59.2mg/L，苯酚未檢測出，pH為7.43。本例的CODcr去除率為98.1％，活性污泥濃度為7.0g/L，污泥體積指數(shù)為60.0ml/g。
實施例3序批式活性污泥工藝流化床類型氣升式內(nèi)循環(huán)一級生物流化床；有效容積19L載體材料聚亞氨酯；載體投加量占反應(yīng)器有效容積的體積比5％載體尺寸25mm×25mm×25mm；載體孔徑1.25mm；空隙率95％；最小一維尺寸25mm處理周期24ha.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在8.5左右；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、氮、磷鹽及少量葡萄糖。其中進(jìn)水CODcr為4137.0mg/L，苯酚含量為1464.2mg/L，pH為8.45。出水CODcr為278.3mg/L，pH為7.63。本例的CODcr去除率為93.3％，活性污泥濃度為7.7g/L，污泥體積指數(shù)為55.2ml/g。
實施例4連續(xù)流式活性污泥工藝流化床類型氣升式內(nèi)循環(huán)二級生物流化床；有效容積67L載體材料聚亞氨酯；載體孔徑2mm；空隙率90％；最小一維尺寸15mm本實施例將兩種不同尺寸的載體混合使用載體尺寸115mm×15mm×15mm；載體投加量占反應(yīng)器的體積比20％載體尺寸240mm×40mm×40mm；載體投加量占反應(yīng)器的體積比20％水力停留時間28ha.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在7.5左右；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
本實施例處理含苯酚的模擬廢水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷鹽類。其中進(jìn)水CODcr為12810.9mg/L，苯酚含量為3903.5mg/L。出水CODcr為1965.1mg/L。本例的CODcr去除率為84.7％，活性污泥濃度為5.7g/L，污泥體積指數(shù)為28.0ml/g。
權(quán)利要求
1.一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a.廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，根據(jù)水中各種營養(yǎng)元素的比例，添加氮鹽、磷鹽及營養(yǎng)鹽類，并調(diào)節(jié)廢水pH在7.0-8.5之間；b.調(diào)節(jié)后的廢水進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；c.經(jīng)過厭氧好氧耦合處理的出水排出流化床，進(jìn)入沉降池中進(jìn)行泥水分離；d.經(jīng)過靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述大孔懸浮載體當(dāng)量直徑范圍為10-40mm，任何一維的最小尺度不小于8mm，孔徑尺寸范圍為0.5-2.0mm，體積空隙率范圍為80％-95％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述大孔懸浮載體投加的體積占生物流化床有效體積的1-40％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述大孔懸浮載體投加的體積占生物流化床有效體積的5-30％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述大孔懸浮載體采用的材料為聚亞氨酯、聚氨酯、纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述生物流化床為內(nèi)循環(huán)生物流化床。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，其特征在于，所述生物流化床為外循環(huán)生物流化床。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厭氧好氧耦合生物流化床處理含酚廢水的方法，屬于環(huán)境工程及工業(yè)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后進(jìn)入含有大孔懸浮載體的生物流化床中，進(jìn)行曝氣，通過厭氧好氧耦合生物處理，實現(xiàn)廢水降解；排出流化床，靜置，將上層達(dá)標(biāo)水排出，下層沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床內(nèi)繼續(xù)參與廢水處理過程。本發(fā)明在一個生物流化床中同時提供了好氧生物和厭氧生物生存的環(huán)境，同時兩個環(huán)境間的物質(zhì)可以通過擴(kuò)散交換，從而實現(xiàn)了厭氧生物降解和好氧生物降解的耦合；本發(fā)明停留時間縮短、處理效率提高，占地面積小、投資小，啟動、操作和維護(hù)簡單，剩余污泥產(chǎn)量小，既可應(yīng)用于序批式處理工藝也可應(yīng)用于連續(xù)流式處理工藝。
文檔編號C02F3/30GK1850656SQ20061001207
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者趙洲洋, 蔣國強, 喬永, 丁富新 申請人:清華大學(xué)