多室固定床生物膜反應器及其處理污水中高氯酸鹽的方法
【專利摘要】本發明公開了一種多室固定床生物膜反應器及其處理污水中高氯酸鹽的方法，包括底部設有進水口、上部設有出水口的填料柱，所述填料柱的內部空間借助設有通孔的布水板分隔為2個以上的上下相互連通的反應室，每個布水板下方設有進水管。其將傳統單室反應器借助布水板分隔為2個以上反應室、并分別設置配套的進水口，使污染物與硫顆粒充分接觸，實現反應器內的優勢菌群單一化，從而提高硫的利用率，降低硫化氫氣體及硫酸鹽的產生。
【專利說明】
多室固定床生物膜反應器及其處理污水中高氯酸鹽的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于廢水或污水的生物處理領域，具體涉及一種多室固定床生物膜反應器 及其處理污水中高氯酸鹽的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著工業科技的發展，水污染情況也越來越嚴重，尤其像高氯酸鹽污染，其主要來 源于染料、橡膠、制革等生產的廢水。高氯酸鹽在攝入人體后會競爭性抑制和妨礙甲狀腺對 碘離子的吸收，干擾甲狀腺正常功能，導致甲狀腺荷爾蒙激素分泌量的減少，引發成人新陳 代謝失調，特別是阻礙兒童正常生長、發育，易造成兒童智商偏低、發育遲緩、多動癥、注意 力分散甚至智障等癥狀。但是由于高氯酸鹽具有非揮發性、強穩定性、高溶解性等特點，一 般的物理化學法很難將其徹底去除，而生物法相對于物化法具有工藝簡單，成本低廉，去除 徹底的優點，成為處理高氯酸鹽的首選。
[0003] 目前生物法去除高氯酸鹽可分為異養和自養兩種，鑒于自養法較異養法出水C0D 低，不易產生二次污染，對于處理低濃度的地下水高氯酸鹽污染來說，采用自養法更具有可 行性。其中，由于硫顆粒具有價格低，化學性質穩定，且可以長期提供電子的優勢，已被廣泛 應用于廢水處理工藝。Sahu (Environ ? Sci ? Technol ? 2009; 43:4466-4471)等研究了硫填充 床反應器降解高氯酸鹽的情況；由于硫的歧化反應，尚未解決硫酸鹽及硫化氫產率過高等 問題，該文獻還對反應器不同高度做了菌群結構分析，結果發現反應器上部的優勢菌比例 與下部相差較大。Boles (Biotechno 1 .Bioeng. 2012 ; 109:637-646)等研究了中試規模的硫 填充床反應器，也尚未解決硫酸鹽及硫化氫產率過高等問題。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是提供一種多室固定床生物膜反應器及其處理污水中 高氯酸鹽的方法，其將傳統單室反應器借助布水板分隔為2個以上反應室、并分別設置配套 的進水口，污染物與硫顆粒充分接觸，實現反應器內的優勢菌群單一化，從而提高硫的利用 率，減少硫化氫氣體的產生。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案1是： 一種多室固定床生物膜反應器，包括底部設有進水口、上部設有出水口的填料柱，所述 填料柱的內部空間借助設有通孔的布水板分隔為2個以上的上下相互連通的反應室，每個 布水板下方設有進水管。
[0006] 優選的，所述填料柱內部空間借助布水板分隔有3~5個反應室;所述布水板借助沿 圓周間隔設置在填料柱內壁上的凸塊限位。
[0007] 所述反應室內填充硫顆粒與石英石混合的填料;所述硫顆粒與石英石按體積比為 1:1~3:1的混合。
[0008] 優選的，所述填料柱借助第一布水板、第二布水板和第三布水板分隔為第一反應 室、第二反應室和第三反應室，并分別在第一布水板、第二布水板和第三布水板下方設有第 一進水管、第二進水管和第三進水管。
[0009] 傳統填充床反應器只有單一進水口，在硫顆粒上形成掛膜時，反應器下部微生物 的優勢菌群和上部的優勢菌群所占得的比例及種類差異很大，反應器上部容易發生副反 應，如硫的歧化反應。而本發明上述的技術方案中，由布水器分隔為2反應室以上，每個反應 室都有單獨的進水口，因此在掛膜時間上要比單室的時間短，形成的菌群結構比較單一，避 免發生多余的副反應，提尚了硫的利用率。
[0010] 本發明還提供了技術方案2: 一種上述多室固定床生物膜反應器處理污水中高氯酸鹽的方法，包括接種馴化好的污 泥、保持厭氧環境形成生物膜、連續進水進行污水處理，具體包括以下步驟： ① 將作為填料的硫顆粒和石英石按體積比1:1~3:1混勻，備用，然后取經過沉降的硫代 硫酸鹽馴化的污泥接種至所述填料、混勻，再將接種污泥的填料自下而上填充至填料柱的 各個反應室內； ② 分別通過設置在填料柱上的各進水管將含有高氯酸鹽的無機廢水栗入到各反應室 中，直至充滿各反應室，間歇馴化72h，形成填料上掛膜的生物膜反應器； ③ 將待處理的含高氯酸鹽的無機廢水從各進水管以連續流栗入步驟②中經馴化的生 物膜反應器中，其中無機廢水中CKV負荷為0.2gAL ? d)~gAL ? d)，處理后的無機廢水從 出水口排出。
[0011] 上述方案中將硫代硫酸鈉馴化的污泥與硫顆粒和石英石的填料混勻，提高了高氯 酸鹽的降解率;采用均勻接種的多室固定床反應器，經過三天間歇馴化后，連續流厭氧處理 含高氯酸鹽的污水，對于較低的進水C1CV負荷(0.2~0.5g/(L ? d))運行1天后，去除率達到 100%;對于較高的進水Cl〇4_負荷(大于l.OgAL ? d))運行2天后，去除率達也能到100%，且硫 的利用率顯著提高。
[0012] 采用上述技術方案產生的有益效果在于：（1)本發明將填料柱借助布水板分隔為 多個反應室，并分別設置進水機構，使得每個反應室中菌群結構單一，減少了副反應的發 生，從而提高了降解效率和硫的有效利用率，試驗結果表明雙室和三室相比單室硫的利用 率提高15%~30%，其中硫化氫的產量減少50%~100%; (2)單一進水時上升流速過大會對反應 器底部硫顆粒上的膜沖擊過大，影響污染物的去除效果，在相同的流量下，分散的多口進水 有效緩解了上升流速對生物膜的沖擊作用，不僅提高了去除負荷同時減少了對微生物膜的 影響；（3)采用硫-石英石為載體減少了傳統以硫-石灰石作為載體而造成的出水水質硬度 高，生成沉積物多，進而堵塞反應器，使進水分布不均導致產生死角等缺點，同時減少了反 沖洗等后續維護費用；（4)本發明操作簡單，一次性投資成本較低，易于在實際中應用。
【附圖說明】
[0013] 圖1是三室結構反應器的結構示意圖； 圖2是第二布水板的俯視結構示意圖； 圖3為多室較單室高氯酸鹽去除效率的比較； 圖4為多室較單室硫利用率的比較； 圖5為多室較單室菌群結構比例的比較； 圖6為多室較單室硫化氫產量的比較； 圖7為多室較單室硫酸鹽產量的比較； 其中，1-1、第一布水板，1-2、第二布水板，1-2-1、通孔，1-3、第三布水板，2-1、第一進水 管，2-2、第二進水管，2-3、第三進水管，3、出水口，4-1、第一水質監測取樣口，4-2、第二水質 監測取樣口，4-3、第三水質監測取樣口，5-1、第一污泥取樣口，5-2、第二污泥取樣口，5-3、 第三污泥取樣口，5-4、上部監測口，6、出氣口，10、填料塔，10-1、第一反應室，10-2、第二反 應室，10-3、第三反應室。
【具體實施方式】
[0014] 本發明是一種多室固定床生物膜反應器，包括底部設有進水口、上部設有出水口3 的填料柱10,所述填料柱10的內部空間借助設有通孔的布水板分隔為2個以上的上下相互 連通的反應室，每個布水板下方設有進水管。所述的多室是指2個、3個或更多個反應室，每 個反應室借助布水板分隔，布水板沿填料柱的橫截面設置，形成反應室上下連通、并在頂部 出水的結構。
[0015] 下面以三室結構的反應器為例說明本發明的具體結構。
[0016] 參見圖1，填料柱10借助第一布水板1-1、第二布水板1-2和第三布水板1-3分隔為 第一反應室10-1、第二反應室10-2和第三反應室10-3,并分別在第一布水板1-1、第二布水 板1-2和第三布水板1-3下方設有第一進水管2-1、第二進水管2-2和第三進水管2-3,第一進 水管2-1連接底部設置的進水口，所述第二進水管2-2和第三進水管2-3的出水端伸入至填 料柱10橫截面的中心部位、距離對應的布水板的高度為3~10mm。這樣無機廢水通過布水板， 無死角，反應室內優勢菌種單一。
[0017]第一布水板1-1、第二布水板1-2和第三布水板1-3結構相同，以第二布水板1-2為 例說明其結構，參見圖2,第二布水板1-2上設有孔徑為2~4mm的通孔1-2-1，厚度為4~6mm，第 二布水板1 -2的直徑比填料柱的內徑小0.1~1.5mm。第一布水板1 -1限位在填料柱10的底座 上，還可以在底座上沿圓周方向間隔設置凸塊，用于將第一布水板1-1限位;在底座中心部 位設置進水口。第二布水板1-2和第三布水板1-3分別借助沿圓周間隔設置的凸塊限位;在 第二布水板1-2和第三布水板1-3的下方還設置第二進水管2-2和第三進水管2-3。
[0018] 所述填料柱10的填料為按體積比為1:1~3:1的硫顆粒與石英石的混合物。其中所 述硫顆粒的粒徑為2~3mm，石英砂的粒徑為2~3_。目前關于填料的研究，多以石灰石作為載 體，例如Sahinkaya(Water research. 2014; 60: 210-217)用硫石灰石做填料，石灰石的作用 主要是起到支撐作用和充當緩沖劑的作用，但是石灰石溶解會產生鈣離子從而導致出水水 質硬化，并且容易生成碳酸鈣等沉淀堵塞反應器，導致水流分布不均勻。因此，本研究以石 英石代替石灰石，因為具有穩定，廉價，硬度高等優點，很有效的解決了水流分布不均的缺 點。
[0019] 填充時，首先將反應器內的填料按照設計比例混勻，然后將馴化好的污泥經過半 小時沉降，取沉降后的污泥與硫顆粒和石英砂混勻，按一定量加入反應器內，接種的初始污 泥量為8g/L載體，以SS計，然后停滯12h，再連續運行12h，再停滯12h、連續運行12h，停滯 12h、連續運行12h，即馴化72h，完成填料表面掛膜，形成馴化好的生物膜反應器。
[0020] 為了便于監測降解效果，每個反應室的側壁上還設有水質監測取樣口和污泥取樣 口，如圖1中，設置第一水質監測取樣口 4-1、第二水質監測取樣口 4-2以及第三水質監測取 樣口4-3;以及第一污泥取樣口 5-1、第二污泥取樣口 5-2以及第三污泥取樣口 5-3。每個反應 室中水質監測取樣口和污泥取樣口還可以設置2個以上，比如在反應室的下部和上部分別 設置。所述填料塔10的頂蓋上設置出氣口 6和上部監測口 5-4。
[0021 ]下面以2個反應室和3個反應室的反應器為實施例，以單個反應室的反應器為對比 例，改變不同的參數，對生物膜反應器的降解效率等方面進行分析。
[0022]圖1為3室反應器的結構示意圖，2室反應器的結構與圖1的區別在于僅在填料柱10 的中部和底部設置布水板，單室反應器僅在底部設置布水板。
[0023] 實施例1 ①首先將硫顆粒與石英石按體積比1:1~3:1的比例混勻做填料，然后取經過沉降的硫 代硫酸鹽馴化的污泥接種所述填料、混勻，再將接種污泥的填料分別加入總體體積均為 3.6L的單室、2室和3室反應器中，其中3室反應器的每個反應室的體積為1.2L、2室反應器的 每個反應室的體積為1.8L，每升填料中污泥的接種量為8g，以SS計。
[0024] 污泥取自石家莊市橋西污水處理廠的活性污泥，將污泥放于錐形瓶內，用硫代硫 酸鈉進行馴化培養，經過厭氧培養七天，高氯酸鹽的去除效率達到1〇〇%。
[0025] 硫顆粒主要為生物膜提供電子并用于生物膜的附著，石英砂主要起支撐作用及增 加孔隙率的作用，提高硫的利用率。反應器每個反應室中部都設有污泥取樣口，污泥取樣口 用膠塞堵上，膠塞上插有電極，用于檢測反應體系中氧化還原電位的變化，進而反映出體系 內發生的化學反應。同時電極可以有效的檢測反應器內主要的反應體系，即主要的反應是 否為高氯酸鹽的降解。
[0026] ②用蠕動栗分別通過設置在填料柱上的進水管以設定的流速將含有高氯酸鹽的 無機廢水栗入到各反應室中，直至充滿各反應室，停滯12h、然后連續流運行12h;再停滯 12h、連續流運行12h，共循環3次，馴化72h，形成生物膜反應器。
[0027] 無機廢水中還含有如下配方的無機鹽：K2HP〇4 ? 3H20，0.25g/L; NaHC03 ? H20， 1.50g/L; NH4C1, 0.15g/L； NaC104, 0.14-0.27g/L〇
[0028]③將待處理的含高氯酸鹽的無機廢水從各進水管以連續流分別栗入步驟②中經 馴化后的單室反應器、2室反應器和3室反應器中，其中無機廢水的濃度、流量、上升流速和 水力停留時間HRT參見表1，運行4天。
[0029]表1實施例1~5中單室、2室和3室反應器的運行參數
實施例2~5 在實施例2中，將單室反應器、2室反應器和3室反應器在實施例1的基礎上、采用表1中 的參數分別運行5天;實施例3在實施例2的基礎上、采用表1中的參數分別運行5天;實施例4 在實施例3的基礎上、采用表1中的參數分別運行5天;實施例5在實施例4的基礎上、采用表1 的參數分別運行15天。
[0030] 通過水質監測口和污泥取樣口分別分析各反應器中高氯酸鹽的降解率、硫顆粒的 利用率、反應器中菌群分布，通過出氣口6檢測硫化氫的產率，以上結果分別參見圖3~7。
[0031] 從圖3可以看出，當進水Cior負荷較低時，如實施例1~3的0.2~0.5gAL ? d)，2室和 3室反應器運行1天后，對高氯酸鹽的降解率達到100%;當CKV負荷較高時，如多l.Og/a* d)時，3室反應器運行1~2天后，對高氯酸鹽的降解率基本達到100%;尤其是當C10f負荷為 1.5g/(L ? d)時，3室反應器運行5天后對高氯酸鹽的降解率達到100%，而單室反應器在運行 6天后，對高氯酸鹽的降解率僅為80%左右。
[0032] 從圖4可以看出，提高進水C1CV負荷，會增加硫顆粒的利用率。但是對于單室反應 器而言，當Cl〇4_負荷為1.5g/(L ? d)時，即使硫顆粒的利用率達到100%，其降解率也僅有80% 左右。
[0033]對各反應器的菌群分析，參見圖5,可以看出：單室的上部優勢菌為?SW/Y/ron?和 辦c/rogeflOjoAi^aceae所占比例為分別為32 ? 19%和22 ? 24%，而反應器下部優勢菌為 所占比例為57 . 79%;對于2室和3室反應器上部和下部的優勢菌均為 ?SWft/roraff，比例均在50%之上。
[0034] 對于單室來說，在形成掛膜時，反應器下部微生物的優勢菌群和上部的優勢菌群 占得比例及種類差異很大，反應器上部容易產生副反應。雙室和三室的菌群結構比較單一， 因為三室和雙室都有單獨的進水口，在掛膜時間上要比單室的時間短且菌群結構比較單 一，不會發生多余的副反應。為此，研究了單室、2室和3室反應器頂部產硫化氫的量及出水 硫酸鹽的量。硫化氫的結果參見圖6,隨著進水ClOf負荷的增加，單室、2室和3室反應器的硫 化氫的產量都有所減少，當進水C10 4_負荷增加至1.5gAL ? d)時，3室反應器對高氯酸鹽去 除效率達到100%時，硫化氫產量為零;而單室反應器對高氯酸鹽去除效率僅為80%左右，且 產硫化氫的量在l〇mg/L左右。出水硫酸鹽的結果參見圖7，隨著進水Cl〇4_濃度的增加，單室、 2室和3室反應器的硫酸鹽的產量都有所增加，隨著水力停留時間的減少，單室、2室和3室反 應器的硫酸鹽的產量都有所減少，但是，2室和3室反應器較單室反應器的出水硫酸鹽的量 都要低。
[0035] 綜上所述，本發明提高了填料硫顆粒的利用率，從而減少了副產物硫化氫及硫酸 鹽的產生。傳統單室反應器的技術問題在于不能充分利用固定床反應器的空間，降解污染 物的部位主要在中下部，而反應器上部的體系就會發生變化，發生硫歧化等副反應，從而增 加了出水硫酸鹽及硫化氫的產生。本發明采用多室反應器目的就是充分利用反應器的空 間，減少副反應的發生。試驗結果表明，雙室和三室相比單室硫的利用率分別提高15%~30%， 硫化氫的產量減少50%~100%，硫酸鹽的產量減少了 15%~30%，對較高進水CKV負荷，三室的 降解率比單室高20%左右。
【主權項】
1. 一種多室固定床生物膜反應器，包括底部設有進水口、上部設有出水口（3)的填料柱 (10)，其特征在于所述填料柱（10)的內部空間借助設有通孔(1-2-1)的布水板分隔為2個以 上的上下相互連通的反應室，每個布水板下方設有進水管。2. 根據權利要求1所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于所述填料柱（10)內部 空間借助布水板分隔有3~5個反應室;所述布水板借助沿圓周間隔設置在填料柱（10)內壁 上的凸塊限位。3. 根據權利要求1或2所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于所述反應室內填充 硫顆粒與石英石混合的填料;所述硫顆粒與石英石按體積比為1:1~3:1混合。4. 根據權利要求3所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于所述硫顆粒的粒徑為2 ~3mm，石英砂的粒徑為2~3_。5. 根據權利要求1所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于每個反應室的側壁上 還設有水質監測取樣口和污泥取樣口；填料塔（10)的頂蓋上設置出氣口（6)和上部監測口 (5-4) 〇6. 根據權利要求1所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于所述填料柱（10)借助 第一布水板(1-1 )、第二布水板（1-2)和第三布水板(1-3)分隔為第一反應室（10-1 )、第二反 應室（10-2)和第三反應室（10-3)，并分別在第一布水板（1-1 )、第二布水板（1-2)和第三布 水板(1-3)下方設有第一進水管(2-1)、第二進水管(2-2)和第三進水管(2-3)。7. 根據權利要求1所述的多室固定床生物膜反應器，其特征在于所述第二進水管(2-2) 和第三進水管(2-3)的出水端伸入至填料柱（10)橫截面的中心部位、距離對應的布水板的 高度為3~10mm。8. -種權利要求1所述的多室固定床生物膜反應器處理污水中高氯酸鹽的方法，包括 接種馴化好的污泥、保持厭氧環境形成生物膜、連續進水進行污水處理，其特征在于具體包 括以下步驟： ① 將作為填料的硫顆粒和石英石按體積比1:1~3:1混勻，備用，然后取經過沉降的硫代 硫酸鹽馴化的污泥接種至所述填料、混勻，再將接種污泥的填料自下而上填充至填料柱 (10)的各個反應室內； ② 分別通過設置在填料柱上的各進水管將含有高氯酸鹽的無機廢水栗入到各反應室 中，直至充滿各反應室，間歇馴化72h，形成填料上掛膜的生物膜反應器； ③ 將待處理的含高氯酸鹽的無機廢水從各進水管以連續流栗入步驟②中經馴化的生 物膜反應器中，其中無機廢水中Cl〇4_負荷為0.2gAL · d)~2.0 gAL · d)，處理后的無機廢 水從出水口（3)排出。9. 根據權利要求8所述的多室固定床生物膜反應器處理污水中高氯酸鹽的方法，其特 征在于步驟①中每升填料中污泥的接種量為7~10g，以SS計;步驟②中間歇馴化的條件為停 滯12h、連續運行12h，如此循環3次。10. 根據權利要求8所述的多室固定床生物膜反應器處理污水中高氯酸鹽的方法，其特 征在于采用3個以上反應室，步驟③中處理后的無機廢水中高氯酸根離子去除率達到100% 以上。
【文檔編號】C02F3/28GK105984943SQ201610515659
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年7月4日
【發明人】郭建博, 張超, 宋圓圓, 逯彩彩, 張新波, 呂建波, 溫海濤
【申請人】天津城建大學