專利名稱：一種具有間隔填充床的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的載體填充反應(yīng)器，該載體填充反應(yīng)器用于化學(xué)和生物工藝中的酶(催化劑)或者活性生物體的固定。
背景技術(shù)：
填料反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物等需要進(jìn)行反應(yīng)的領(lǐng)域，一般而言通過填充高表面積/體積的填料，極大的增加了反應(yīng)器內(nèi)部的表面積。填料的表面積為化學(xué)反應(yīng)中的催化劑或者生物反應(yīng)中的微生物等提供了附著面，由于反應(yīng)內(nèi)反應(yīng)物和催化劑的接觸時間和接觸效果的提高，可以促進(jìn)反應(yīng)器尺寸的降低，從而節(jié)省成本。同時，高濃度的催化劑或菌種密度抵抗能力和填料覆膜的吸附阻擋作用，削弱了有毒有害物質(zhì)對催化劑或菌種的沖擊作用。在生物環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，固定床反應(yīng)器越來越顯示其優(yōu)越性。聚氨酯等泡沫狀的載體，由于具有孔隙多、比表面積大、耐水解老化、吸附能力強(qiáng)、易于改性等優(yōu)點而在環(huán)保領(lǐng)域廣受關(guān)注。目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種利用聚氨酯泡沫作為生物載體的反應(yīng)器。如公開號為CN1587106A，名稱為聚氨酯基生物固定化載體及污水處理方法，公開了一種生物承載量高、相容性好、物理化學(xué)及機(jī)械性能好、適用酸堿廢水的載體和懸浮載體處理方法。通過投加高效菌種，該工藝對橡膠助劑的化工廢水COD去除率可以達(dá)到94%，氨氮去除率達(dá)99% 的處理效果。但該反應(yīng)器采用的是懸浮載體在反應(yīng)池內(nèi)翻滾的處理方法，載體在曝氣的情況下相互碰撞，導(dǎo)致出現(xiàn)載體表面的微生物易脫落、載體容易磨損等缺點。再如公開號為 CN1012^944A，名稱為高氨氮廢水的生物強(qiáng)化處理方法專利，它所用的反應(yīng)器為生物濾池反應(yīng)器，內(nèi)部填充有聚氨酯基載體，通過上下兩層格柵網(wǎng)來固定聚氨酯載體。該反應(yīng)器結(jié)合了生物濾池和生物強(qiáng)化兩種工藝，可同時去除碳和氮兩種污染物，并且具有降解高效和抗沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點。但該工藝所具有的缺陷顯而易見，即隨著聚氨酯基載體上微生物的生長，填料層下面部分的聚氨酯基載體會受到壓縮而導(dǎo)致出現(xiàn)大面積空隙領(lǐng)域，將導(dǎo)致過度的溝流，阻礙溶解氧和有機(jī)物的均勻傳替，同時載體的過度壓縮會導(dǎo)致載體內(nèi)部的微生物無法接觸到溶解氧和有機(jī)物。再如，美國專利號為5267616的專利涉及使用與硬質(zhì)塑料間隔物無規(guī)混合的聚氨酯泡沫載體來防止反應(yīng)器內(nèi)聚氨酯的壓縮堵塞。在此專利中，提出了開放體填料與多孔負(fù)載體填料相混合的方法，為多孔性高比表面的填料應(yīng)用開辟了新的途徑。然而盡管聚氨酯床未被壓縮，但氧氣從空氣泡向液相傳質(zhì)低于在不存在填料時液相充氣情況。再如，專利公開號為CN101263088A，名稱為具有分層填充床的工藝反應(yīng)器專利， 它通過硬質(zhì)塑料的開放體填料和多孔泡沫載體填料的交替分層填充來促進(jìn)氣液的流動、傳質(zhì)，并且能夠減少溝流。但該反應(yīng)器中的多孔性載體填料層之間容易發(fā)生堵塞，對氣流和水流的通過阻力大，導(dǎo)致上層填料易于發(fā)生堵塞。該反應(yīng)器同時也存在微生物供氧與填料沖洗之間的兩難選擇。為了保證上層填料不發(fā)生堵塞，必須采用中孔至大孔的曝氣器，相應(yīng)的帶來了氧利用率低的問題。即便是采用高強(qiáng)度的大孔曝氣方式，其上層的載體填料也依然堵塞嚴(yán)重。尤其在處理高濃度有機(jī)廢水時，要求氧的利用率比較高，否則很容易發(fā)生溶解氧不足的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致處理效率下降。因此，該工藝存在動力消耗大，無法適用于高濃度有機(jī)廢水等缺陷。綜上所述，開發(fā)一種適用于提高微生物濃度和優(yōu)化傳質(zhì)效率的新型固定化反應(yīng)器具有非常重要的意義。理想的反應(yīng)器形式是該反應(yīng)器的填料能夠提供有利的表面積/體積比，同時保持較低的壓降特性并避免處理對象過度的溝流，使其在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間的分布在相對較窄的范圍內(nèi)。同時，反應(yīng)器應(yīng)該能夠較好的避免填料的堵塞和為微生物提供足夠的物質(zhì)條件需求(如好氧反應(yīng)器中提供足夠的溶解氧)，滿足微生物生長和代謝的要求。當(dāng)然該反應(yīng)器的能耗和運行成本在可接受的范圍內(nèi)。本發(fā)明提供的間隔填充生物反應(yīng)器同時解決了微生物在固定床反應(yīng)器中的穩(wěn)定運行問題，同時提供的反應(yīng)器也能夠解決目前多孔性載體在廢水處理中面臨的問題，為其廣泛應(yīng)用提供了一種新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有間隔填充床的反應(yīng)器。技術(shù)方案為了達(dá)到發(fā)明目的，本發(fā)明具體是這樣來實現(xiàn)的一種具有間隔填充床的反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體、填充床、格柵板、曝氣系統(tǒng)和布水系統(tǒng)，所述填充床包含開放體填料的第一類填料單元和包含2 20ppi大小空隙的多孔負(fù)載體填料的第二類單元，第一類開放體填料單元和第二類負(fù)載體填料單元之間是間隔填充的，每個負(fù)載體填料單元四周被開放體填料單元包圍，負(fù)載體填料單元所有的外表面都與開放體填料單元相鄰成層。其中，所述填充床占整個反應(yīng)器殼體容積的30% -90%。其中，所述第一類開放體填料單元為表面積或體積比為15 350平方米或立方米的剛性或者半剛性填充體。其中，所述第一類開放體填料單元為圓柱形填料。其中，所述第一類開放體填料單元為框架體結(jié)構(gòu)。其中，所述第一類開放體填料單元占整個填充床大約30%至90%的空隙空間。其中，所述第二類負(fù)載體填料單元包含多孔狀載體。其中，所述第二類負(fù)載體填料單元自身具有60 98%的空隙空間。其中，所述第二類負(fù)載體填料單元的表面積或體積比為300 3600平方米或立方米。其中，所述第二類負(fù)載體填料的表面積或體積比是第一類開放體填料的3 200倍。本發(fā)明針對目前廢水生物技術(shù)處理的現(xiàn)狀和有機(jī)廢氣生物處理技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種更適合將微生物應(yīng)用于廢水、廢氣處理領(lǐng)域的新型間隔填充形式的思想。通過對反應(yīng)器內(nèi)處理微生物主體和操作參數(shù)等因子的設(shè)計與控制，本專利技術(shù)不但可以用于直接處理包括高油、高鹽、高硫、高氨氮等不同類型的有機(jī)廢水，同時可以將優(yōu)勢菌法處理法應(yīng)用于處理氨氮等無機(jī)物等方面的廢水，同時本工藝提供的間隔填充反應(yīng)器可以適用于改進(jìn)目前常見的大多數(shù)生物反應(yīng)器(無論厭氧好氧)，提高其處理效率和耐沖擊能力。另外，本發(fā)明中提出的填料填充思想，在生物治理有機(jī)廢氣方面相對于傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)更具優(yōu)勢。 該工藝對適合生物處理的各種有機(jī)廢水、無機(jī)廢水和有機(jī)、無機(jī)廢氣等污染物的處理都表現(xiàn)出相對于傳統(tǒng)方法更高的處理效率，并且整個反應(yīng)器具有長期運行穩(wěn)定，抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點。本發(fā)明的間隔填充反應(yīng)器適用于化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵工藝、環(huán)保領(lǐng)域和相關(guān)的工業(yè)過程中以提高反應(yīng)效率、減少反應(yīng)器的尺寸。該填充反應(yīng)器的方案實施以開放體填料和多孔附著載體填料的嚴(yán)格間隔布置為特征，即每個附著載體填料四周(所有的表面)被開放體填料包圍，附著載體填料所有的外表面都與開放體填料相鄰成層。間隔填充床反應(yīng)器提供了通過填料床的低壓降、較少的溝流發(fā)生，并因此可以使廢水通過反應(yīng)器的停留時間分布在較窄的范圍。改進(jìn)的停留時間分布對提高反應(yīng)效率和降低反應(yīng)器尺寸等方面具有很大的促進(jìn)作用。再則，本發(fā)明的間隔填充床反應(yīng)器(在好氧工藝條件下)將生物供氧系統(tǒng)和填料沖洗裝置兩者分開，實現(xiàn)了既能滿足在低能耗的情況下滿足生物對溶解氧的需求，又能通過間歇大孔曝氣沖洗填料，防止填料床發(fā)生堵塞。本發(fā)明顯著改善了填充床反應(yīng)器，尤其是應(yīng)用于固定微生物有機(jī)體的聚氨酯填充床反應(yīng)器的缺點，如無規(guī)填充床中的溝流較多，部分區(qū)域阻力較高、填充床易堵塞等問題。由于空氣和水往往都是優(yōu)先通過無規(guī)填料床和生物質(zhì)的最小阻力通道，所以會出現(xiàn)溝流或不均勻的流體分布。溶解的營養(yǎng)物、氧氣和底物優(yōu)先通過這些阻力小的相鄰區(qū)域，而導(dǎo)致該床中其他阻力大的部分生物活性收到抑制。分層填料填充床是通開放體填料和多孔載體分層布置的原則來克服溝流，但空氣和水流通過掛滿生物膜的多孔載體層所受的阻力很大，而沒有為其通過提供引導(dǎo)作用。這樣導(dǎo)致填充床上層的空氣流速不足，容易發(fā)生填料床的堵塞。為了克服填料層的堵塞，分層填料層通過利用大孔徑的曝氣器和極高的氣水比一直沖刷填料床并且由此為生物提供所需的溶解氧。本發(fā)明中的間隔填充填料床具有活性體單元(負(fù)載生物的多孔載體)和開放體填料單元規(guī)整間隔填充方法提供了有用的解決方案。本發(fā)明中對水和氣實行引導(dǎo)而非強(qiáng)制性截堵，這是與分層填充最根本的區(qū)別。區(qū)別于分層填充理論，本發(fā)明利用的是超大孔徑的多孔體本身的滲透作用和外部空氣水流沖刷作用相結(jié)合的方式來克服負(fù)載體填料內(nèi)部的堵塞和缺氧等問題。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、將兩種不同性質(zhì)和作用的填料填充床反應(yīng)器應(yīng)用于優(yōu)勢菌法廢水處理中，為長期困擾優(yōu)勢菌工程化應(yīng)用過程中面臨的泥水分離難題提供了有效的解決方案。由于多孔性的聚氨酯基載體具有非常優(yōu)秀的生物親和性和高的比表面積，微生物對其附著能力要明顯強(qiáng)于目前市場上所見的其它介質(zhì)或類型的填料。2、將嚴(yán)格間隔填充思想應(yīng)用于開放性填料單元和多孔負(fù)載填料單元的填充過程中，解決了單種多孔填料和兩種填料無規(guī)混填產(chǎn)生的溝流較多，水力分布不均問題；也解決了開放性填料單元和多孔負(fù)載填料單元分層填充所帶來的高阻力、易堵塞、能耗大的問題。 本發(fā)明的規(guī)整間隔填充反應(yīng)器能夠提供更小的阻力損失和更加高效的空氣、溶解物質(zhì)和微生物接觸效率。通過將開放體填料間隔分布在多孔活性載體之間，為氣液的流動提供一條阻力較小而又完全經(jīng)過每個多孔活性載體四周的通道。將兩種填料嚴(yán)格規(guī)整間隔填充，為氣流和液流提供了一曲折的通道(優(yōu)先通過開放體填料)，該通道圍繞在多孔載體周圍，能夠為生長其上的生物體提供所需的空氣和營養(yǎng)物質(zhì)。通過采用更大孔徑的多孔載體(平均孔徑大于5毫米)，使多孔載體內(nèi)的菌種能夠接觸到通過的水流和氣流。同時，間隔填充反應(yīng)床由于沒有軟性多孔載體積聚在一起，反應(yīng)床內(nèi)空隙阻力分布均勻的特點，可以使通過的水流的停留時間保持在一個相對更窄的范圍，這樣可以確保處理效果的提高和穩(wěn)定。3、將組合填料思想應(yīng)用于固定床反應(yīng)器中，區(qū)別于目前常用的流化反應(yīng)床或者M(jìn)BBR工藝。在固定床反應(yīng)器中，填料相對于水、氣和質(zhì)流是基本靜止的，而在流化床和MBBR 工藝中填料是隨水、氣流而流動的，其與水氣流的相對速度要遠(yuǎn)小于固定反應(yīng)床。這樣，固定床氣、水流對大孔填料內(nèi)部的沖洗效果要遠(yuǎn)高于流化床。通過采用固定填料的方式和大孔網(wǎng)狀薄壁聚氨酯的填料，來保證填料內(nèi)部菌種對氧氣和溶解質(zhì)的需求。由于剛性填料和負(fù)載體填料之間的嚴(yán)格填充，負(fù)載體填料上面的菌種可以最大限度的接觸到水流和空氣。4、通過從受污染的水體和土壤中利用平板涂布的方法分離出性能優(yōu)良的優(yōu)勢菌， 利用純培養(yǎng)技術(shù)將其擴(kuò)增至足夠數(shù)量，然后投加到本發(fā)明中的填充反應(yīng)器中。高濃度的硫酸黏菌素廢水(C0D11000mg/L)經(jīng)過調(diào)節(jié)池后進(jìn)入本發(fā)明的間隔填充反應(yīng)床，通過鼓風(fēng)曝氣為微生物提供足夠的溶解氧和填料沖刷作用，經(jīng)過反應(yīng)床的出水進(jìn)入混凝氣浮階段。 填充床反應(yīng)器的停留時間設(shè)置為48h，經(jīng)過本反應(yīng)器的處理后，有機(jī)物降解明顯，連續(xù)3個月出水COD保持在800-1200mg/L之間，COD去除率接近90%左右，反應(yīng)器的容積負(fù)荷為 7. 3kgC0D/m3. d，組合載體的容積負(fù)荷可以達(dá)到10kgC0D/m3. d。


附圖1附著載體填料一種多孔聚氨酯海綿單元示意圖。附圖2開放體填料鮑爾環(huán)示意圖。附圖3粘附式組合填料示意圖。附圖4包裹式間隔填充填料單元示意圖。附圖5四種不同方式填充的生物反應(yīng)器。附圖6分離式間隔填充反應(yīng)器。附圖7包裹式間隔填充反應(yīng)器。在本發(fā)明的附圖中，利用數(shù)字標(biāo)號對涉及的要素進(jìn)行標(biāo)注，圖中各個數(shù)字代表的要素參考附圖詳述中。其中各數(shù)字的代表內(nèi)容如下100為固定填充反應(yīng)器殼體，101為固定床外區(qū)域，102為格柵板，103為流體流出收集管，104為附著載體填料單元，105為開放體填料單元，106為附著載體和開發(fā)填料之間的間隙區(qū)域，107為沖洗擴(kuò)散器，108為流體進(jìn)料分布器，109為供氧曝氣器，110為混合填料床，111為附著載體填料的基質(zhì)，112為附著在填料上的生物體。附圖詳述一方面，本發(fā)明涉及將填充床反應(yīng)器用來吸附固定優(yōu)勢菌菌，實現(xiàn)優(yōu)勢菌的泥水分離的方法。這涉及到優(yōu)勢菌法處理廢水的一種新的應(yīng)用形式。通過使用多孔性載體系統(tǒng)固定的優(yōu)勢菌降解去除廢水、廢氣中的化學(xué)需氧量和生物需氧量，當(dāng)然也包括特別控制的污染物和氮元素等。本發(fā)明中的附著在多孔填料上的微生物，可以是真菌、單純的細(xì)菌或者混合菌群。另外本發(fā)明涉及的開放體填料單元與多孔載體單元規(guī)則間隔填充方法，不限制于好氧處理方法中應(yīng)用，也包括這種填充方式在厭氧或兼氧的處理工藝中運用。另外本發(fā)明涉及提供了一種改進(jìn)生物反應(yīng)器反應(yīng)速率，提高效率和可控的生物裝置和微生物體。在相同的環(huán)境和操作參數(shù)(如停留時間、進(jìn)水污染物濃度、曝氣溶氧量、動力消耗)條件下，與只加入多孔載體而沒有開放體填料的反應(yīng)器相比，本發(fā)明的裝置有更加高效的空氣、溶解物質(zhì)和微生物接觸效率，流經(jīng)反應(yīng)床的廢水停留時間分布范圍更窄。加入適當(dāng)分布的開放體剛性填料，解決單純多孔載體填料易于堵塞和發(fā)生溝流的問題。尤其對于易于壓縮的聚氨酯泡沫，剛性開放體填料的加入可以維持填料床不發(fā)生壓縮塌陷，實現(xiàn)氣液均勻流動起重要作用。在相同的環(huán)境和操作參數(shù)(如停留時間、進(jìn)水污染物濃度、曝氣溶氧量、動力消耗等)條件下，與開放體填料單元、附著載體填料單元分層填充的工藝相比，本發(fā)明的間隔填充反應(yīng)器能夠提供更小的阻力損失和更加高效的空氣、溶解物質(zhì)和微生物接觸效率。通過將開放體填料間隔分布在多孔活性載體之間，為氣液的流動提供一條阻力較小而又完全經(jīng)過每個多孔活性載體四周的通道。本發(fā)明的間隔填充工藝，對于分層填充工藝導(dǎo)致填料內(nèi)部阻力大、上層填料易堵塞等問題有一定的緩解作用。再者，與當(dāng)前公開的填充反應(yīng)器供氣裝置相比，本發(fā)明采用更大孔徑和更薄的多孔填料作為微生物附著的主體，本發(fā)明的關(guān)鍵思想是對水質(zhì)和氣流實行引導(dǎo)疏通，不同其它工藝思想的大阻力沖洗的思想。參照所含附圖可以更加詳細(xì)的了解本發(fā)明在廢水生物處理方面的應(yīng)用。當(dāng)然涉及到其他化學(xué)、生物和環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用也是顯而易見的。參照圖5、圖6和圖7，本發(fā)明方法的實施方案中的間隔填充反應(yīng)器用于處理進(jìn)料流中所含的污染物在好氧、兼氧或者厭氧條件下實現(xiàn)生物降解。本發(fā)明中的“生物降解”包括有機(jī)物代謝分解為較低分子量的化合物；無機(jī)的氨氮的硝化和硝酸鹽的反硝化為氮氣； 硫酸鹽的還原和硫化氫的氧化等生物過程。本發(fā)明涉及的反應(yīng)器不限于上述的幾種生物代謝過程，只要是涉及生物代謝的過程都可以應(yīng)用該反應(yīng)器。參照圖6和圖7，本發(fā)明和實施中的反應(yīng)器是具有特定設(shè)計和結(jié)構(gòu)的水平或者立式反應(yīng)器。但在本發(fā)明中實踐中，反應(yīng)器的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和所用材料可以有很大的變化，并且本發(fā)明在實踐中可以使用其他多種反應(yīng)器的設(shè)計和構(gòu)造，只需要反應(yīng)器的全部或者部分是固定床或者基本固定床即可。固定床反應(yīng)器是指填充在反應(yīng)器內(nèi)的生物載體填料在反應(yīng)過程中處于靜止或者基本靜止?fàn)顟B(tài)。此外，本發(fā)明中所涉及的填充床包括但不限于生物質(zhì)，可以是任何其他種的填料和反應(yīng)物質(zhì)。間隔填充反應(yīng)器包括附著載體填料單元104，微生物112，剛性開放體填料單元 105以及其他附屬設(shè)施。在附著載體填料單元104和開放體填料單元105之間存在的空隙或基本開放的區(qū)域106。通過格柵板或者多孔板102阻止向上的氣流或者液流帶動填料向上運動。同時也阻止填料單元受重力和液流的影響向下運動，將填料限制在固定區(qū)域并將其限于相對靜止的狀態(tài)。格柵板102具有足夠大和多的氣孔足以滿足在生物代謝過程中， 為載體填料104的微生物112提供足夠的空氣流和液流。反應(yīng)器100的輔助設(shè)施包括流體進(jìn)料分布器108和流體流出收集管103。反應(yīng)器100配套有將氣體引入反應(yīng)器而起不同作用的擴(kuò)散器，包括起生物供氧的高效曝氣器109和其沖刷作用的擴(kuò)散器107。當(dāng)然在反應(yīng)器中，除了填充床110之外，還包括固定床外的區(qū)域101，即固定床上面和下面的區(qū)域。如圖6和圖7中所示，反應(yīng)器內(nèi)的填充床110具有與活性生物附著載體104相間隔排列的開放體填料單元105。一般來說，可以使用任何一種結(jié)構(gòu)，只要能夠為流體從中流動提供開放或者基本開放區(qū)域。相應(yīng)的，開放體填料單元可以是任何形狀或者材質(zhì)。不管選擇何種結(jié)構(gòu)和形狀，應(yīng)該盡量為開放體和附著載體填料之間創(chuàng)造空間106，為微生物112 的生長提供足夠的液流和氣流。在下面的一個實施案例中，微生物附著載體104(見圖1)選擇的是直線多孔狀載體，如多孔狀立方體。開放體填料105選擇的是圓柱體，如圖2和圖6所示，鮑爾環(huán)是開放體填料單元105的實例。在這種情況下填料體單元105是四周開孔，兩端完全開口的的薄壁圓桶型結(jié)構(gòu)，中間的一對相交的葉片提高了內(nèi)表面積，由此提高鮑爾環(huán)的表面積/體積。 該填料具有限定其結(jié)構(gòu)的剛性骨架，并且氣液通過的阻力較小，同時氣液可以向四周和上面快速擴(kuò)散。開放體填料105的形狀并不重要，可以是用在其中創(chuàng)造流動空間的任何形狀，其應(yīng)用方法也不限于單獨的顆粒體，可以是通過某種粘結(jié)作用固定負(fù)載體填料104上(如圖 3所示的黏附式式)，分隔開生物負(fù)載體填料104即可。也可以是包裹在負(fù)載體填料104外面的框架體(如附圖4)，能夠完全分隔開負(fù)載體填料104即可。在反應(yīng)器的運行過程中，填料的選擇和設(shè)計應(yīng)該利于流過開放體填料105內(nèi)部和空隙區(qū)106的氣水與生物負(fù)載體填料 104所有的外表面和內(nèi)表面的微生物接觸。為了盡量達(dá)到氣液和生物負(fù)載體填料104上的微生物的充分接觸，開放體填料 105應(yīng)該優(yōu)先選擇包括包含有氣液可以通過的通道的結(jié)構(gòu)，如包含有大的空隙或者通道。 通常，開放體填料單元105的通道或者空隙為開放體填料105總體積的50%，優(yōu)選至少大于60%的空隙比例，更優(yōu)選至少大于80%的空隙比例，最優(yōu)先大于至少95%的空隙體積比例。另外，開放體填料單元105四周開孔面積占填料總面積至少為60%，優(yōu)選選擇大于 80%,最優(yōu)先大于90%的四周開孔面積。當(dāng)然，開放體填料105的表面積/體積要小于生物附著體填料單元104。如圖1所示，負(fù)載體填料單元104包含了構(gòu)成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基質(zhì)111和附著在其上的微生物112，微生物112是可以在厭氧或者好氧條件下代謝降解廢水流中任意一種多種的生物體。負(fù)載體填料單元104、填料之間空隙106和開放體填料單元105之間的定位和相對比例是對本方法的優(yōu)點體現(xiàn)是關(guān)鍵的。應(yīng)該最優(yōu)化地配置填充床內(nèi)的填料比例和位置以提供工藝流中的氣液與負(fù)載體填料單元104的所有內(nèi)外表面上微生物112之間的充分接觸和傳質(zhì)。填充床內(nèi)填料單元的嚴(yán)格定位和比例改進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)的氣液固傳質(zhì)效率，并由此增強(qiáng)污染物與微生物112之間的接觸，提高生物處理的效率。本發(fā)明中的術(shù)語“嚴(yán)格間隔”并非僅限于在附著載體填料單元104四周都布置開放體填料單元105，而是包括把附著載體填料包裹在開放體填料單元105之內(nèi)，還包括其它的一些其他的實現(xiàn)方法。本發(fā)明提供的反應(yīng)器比不含開放體填料單元105的反應(yīng)器、含無規(guī)混合填充開放體填料單元105和附著載體填料單元104的反應(yīng)器、含分層填充開放體填料單元105和附著載體填料單元104的反應(yīng)器具有更加高效處理能力。附圖5中提供了上述四種反應(yīng)器的簡單示意圖。附著載體填料單元104和開放體填料單元105的嚴(yán)格、四周間隔定位，使得本發(fā)明中的反應(yīng)器100對污染物的整體去除效率比上述其他三種反應(yīng)器多大約20%，優(yōu)選 50%,最優(yōu)選80%。附著載體填料單元104和開放體填料單元105的嚴(yán)格、四周間隔定位乃至包裹的原則使得接近100%的附著載體填料104的表面積與開放體填料單元相鄰成層或者說直接接觸，最大限度的滿足微生物112與流進(jìn)開放體填料105直接的氣液接觸，提高傳質(zhì)效率。一般而言，在分層填充開放體填料單元105和附著載體填料單元104的反應(yīng)器中， 只有接近1/3的附著載體填料單元104外表面與開放體填料105相鄰成層(在附著載體填料單元正立方體的六個面中有四個是與自身接觸，兩個與開放體填料接觸)，也就是說只有約33%的附著載體填料單元104的外表面與流經(jīng)開放體填料單元105的氣液直接接觸。而無規(guī)混合填充反應(yīng)中，其附著載體填料單元104外表面與開放體填料105相鄰成層的比例根據(jù)混合填充的混合度而改變，但其接觸面積比例也不可能超過嚴(yán)格間隔填充的比例。在本發(fā)明中，降解污染物的生物并不僅限于附著在附著載體填料單元104內(nèi)外表面的微生物112，還包括可能附著在開放體填料單元105某些位置的微生物以及在反應(yīng)器內(nèi)游離的微生物。本文中有效混合載體填料單元的數(shù)量或者體積110是指與完全是附著載體填料單元104的反應(yīng)器相比，提供更加明顯降解效果的投加量。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，填充床110占整個反應(yīng)器100的體積百分比為大約30%至大約90%。另外，對于填料床110，本文為了不對開放體填料的規(guī)格和形式構(gòu)成限制，將其能夠提供的總空隙體積(包括開放體105填料內(nèi)部的空隙、開放體填料單元105和附著載體填料104之間的空隙)作為判斷開放體填料105所需量的標(biāo)準(zhǔn)。在本發(fā)明的實施中，優(yōu)選總空隙體積占填充床110大約25% -95%的開放體填料105添加比例，其余體積基本上是附著載體填料單元104體積。 更加優(yōu)選總空隙體積占填充床110大約50% -90%的開放體填料105添加比例，其余體積基本上是附著載體填料單元104體積。最優(yōu)選總空隙體積占填充床110大約60% -80%的開放體填料105添加比例，其余體積基本上是附著載體填料單元104體積。開放體填料單元105的結(jié)構(gòu)和組成材質(zhì)可以很大的變化，只要其在提高填充反應(yīng)器的生物處理效率、降低填充床的壓力損失和堵塞方面能夠提供其所需的作用即可。開放體填料105的材質(zhì)可以是任何不起反應(yīng)性的無機(jī)或者有機(jī)材料。優(yōu)選的開放體填料材質(zhì)是剛性塑料，如用聚丙烯或聚乙烯注塑而成的。另外，開放體填料單元105的存在形式并不限于通常的獨立載體，可以是依附在其它結(jié)構(gòu)上的元件，實例如包裹在附著載體填料單元104 外面的框架體，黏附在附著載體填料單元104外表面的阻隔物，或者是含有很多小格(包含載體填料單元104)的框架體。其唯一的要求就是能夠?qū)⒏街d體填料單元104相互間隔開。另外，需要注意的是，本發(fā)明中的術(shù)語“嚴(yán)格間隔填充”或者“間隔填充”只是指附著載體填料單元104外表面都與開放體填料105或其他空隙相鄰成層，而不限定開放體填料105 外表面都必須與附著載體填料單元104都相鄰成層，開放體填料105可以相互之間相鄰成層。附著載體填料單元104是顆粒形式，即指附著載體填料單元104的尺寸小于反應(yīng)器殼體100的尺寸以使該反應(yīng)器100可以容納許多的附著載體填料單元104。載體填料單元 104的尺寸和形狀可以在長度、寬度、厚度和直徑上有很大的變化范圍。載體填料單元104 可以為規(guī)則形狀的顆粒形式，如立方體、長方體、圓柱體、球體和多邊形等類似規(guī)則形狀，也可以具有不規(guī)則的形狀。其大小可以在很大范圍內(nèi)變化，并跟反應(yīng)器的尺寸相關(guān)。載體填料單元104優(yōu)選有效為粒度范圍為5毫米至300毫米，更優(yōu)選的粒度范圍為10毫米至100 毫米，最優(yōu)先的粒度范圍為20毫米至60毫米。本發(fā)明對于附著載體填料單元104的一個關(guān)鍵要求在于其表面積/體積(內(nèi)表面與外表面均計入)大于開放體填料105，并且這種比例差異越大反應(yīng)器的優(yōu)越性更顯著。相應(yīng)的，推薦選擇開放體填料105和附著載體填料104以使其表面積/體積比的差異盡可能大。在保持開放體填料105和附著載體填料104嚴(yán)格相互間隔填充的條件下，附著載體填料單元104優(yōu)先選擇內(nèi)外表面積/體積比是開放體填料105至少5倍的載體，更優(yōu)選的是內(nèi)外表面積/體積比是開放體填料105至少20倍的載體，最優(yōu)選的是內(nèi)外表面積/體積比是開放體填料105至少30倍的載體。附著載體填料104包括構(gòu)成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基質(zhì)111， 基質(zhì)111優(yōu)選多孔狀的，這樣有利于反應(yīng)器內(nèi)的氣液流一定程度的滲透并通過附著載體填料 104。在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，優(yōu)選孔徑為2至60ppi (每英寸長度上所具有的孔隙數(shù)量)的基質(zhì)，更優(yōu)選孔徑為2至30ppi的基質(zhì)，最優(yōu)先孔徑為4至Sppi的基質(zhì)?；|(zhì)111優(yōu)選能夠耐受反應(yīng)過程中出現(xiàn)的各種磨損力，如剪切力、摩擦力，并有良好的彈性的物質(zhì)。另外，作為生物水處理的載體材料，基質(zhì)111應(yīng)該具有耐水解老化、抗生物降解和使用壽命長等特點?；|(zhì)111可以是任何可以形成附著載體填料104的材料?？捎玫牟牧习o機(jī)材料和有機(jī)材料，如各種天然或者合成的化合物。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，基質(zhì)111由撓性、半撓性或剛性聚合體泡沫體形成。 本發(fā)明更優(yōu)選的基質(zhì)材料是對反應(yīng)器內(nèi)的氣液流具有相對較高滲透率，至少大約70%，優(yōu)選至少大約80%，最優(yōu)先至少大約95%的撓性開孔泡沫。為適應(yīng)固定床中的工藝流進(jìn)料流和氣體流，泡沫體具有相對較高的互通孔隙率是非常重要的，其中該泡沫體中的空隙體積應(yīng)該占到泡沫體總體積的60%至98%。最優(yōu)選的泡沫體是空隙體積應(yīng)該占到泡沫體總體積的90%至99%。在本發(fā)明的更優(yōu)選實施方案中，基質(zhì)111由開孔聚氨酯，例如交聯(lián)的聚合材料形成，其可以用適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑以形成具有上述要求孔隙特征的開孔泡沫體，也可以加入其它物質(zhì)以改善泡沫體的性質(zhì)。形成基質(zhì)111的材料可以通過商業(yè)購買或者利用已知的技術(shù)改性制備。另外，附著載體填料104除了包含基質(zhì)111外，還可以包含各種任選的輔助成分。 例如具有陽離子基團(tuán)的改性基團(tuán)，再例如為增加附著載體填料104吸附性而在基質(zhì)111上涂覆活性炭等。可以利用改造方法以改進(jìn)附著載體填料104的性質(zhì)以更好的發(fā)揮其在工藝流程中的作用。在本方法中，含有待處理污染物的廢水進(jìn)水布水器108引入到反應(yīng)器100，經(jīng)過反應(yīng)器100處理后，再經(jīng)由出口管103離開反應(yīng)器。本發(fā)明的方法可以在厭氧、缺氧、兼氧和好氧的條件下進(jìn)行。在使用需氧微生物的實施方案中，該方法是在含有充足的溶解氧的條件下進(jìn)行的。在本發(fā)明的好氧優(yōu)選發(fā)明實施中，涉及到兩套裝置將氣體引入到反應(yīng)器100。 兩套裝置都是優(yōu)先選擇將氣體均勻或者基本均勻的送入到所有或者大部分生物附著載體填料單元104中。生物供氧裝置109可以選擇很多形式的曝氣器。例如旋切式曝氣器、可變微孔曝氣軟管、膜片式微孔曝氣器、無孔曝氣、鏈條式曝氣以及管式微孔曝氣器等。曝氣器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、形式對本發(fā)明中生物供氧裝置關(guān)系并不重要，唯一的要求是其在盡可能低的能耗下滿足微生物體對溶解氧的需求。優(yōu)先選擇的是產(chǎn)生氣泡直徑小于10毫米的曝氣器，更優(yōu)選的是產(chǎn)生氣泡直徑小于5毫米的曝氣器，最優(yōu)先的是產(chǎn)生氣泡直徑小于2毫米的曝氣器。填料沖洗供氣裝置107也可以選擇很多變化形式，其將氣體引入反應(yīng)器100方式也可以有很大的變化。另外，填料沖洗供氣裝置107并不限于在一個平面或者以一套裝置來實現(xiàn)，可以在填充床110的各個水平位置補(bǔ)加曝氣沖刷裝置。填料沖洗供氣裝置107的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、形式、運行規(guī)律對本發(fā)明中填料沖洗關(guān)系并不重要，唯一的要求是其在盡可能低的能耗下滿足填料沖洗、防止堵塞的需求。優(yōu)先選擇的是產(chǎn)生氣泡直徑介于10-60毫米的曝氣器，更優(yōu)選的是產(chǎn)生氣泡直徑介于15-50毫米的曝氣器，最優(yōu)先的是產(chǎn)生氣泡直徑介于20-40毫米的曝氣器。反應(yīng)器100運行的各類控制參數(shù)可以根據(jù)所需處理的物料對象和采用的處理主體在很大程度上變化。工藝穩(wěn)定可以很大程度的變化并取決于所選用的特定微生物。流體在反應(yīng)器100內(nèi)的停留時間是足夠滿足將流出物流中至少一種污染物的程度降低到所需的濃度?？梢杂帽景l(fā)明方法處理的流體流可以有很大變化。例如，這些流體可以是含有含有一種或者多種材料的氣流或者液流；反應(yīng)器100的目的也不限于污染物降解方面，也可以是用于促進(jìn)生物的生長或者某些有用物質(zhì)產(chǎn)生，也可以用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的加速，提高效率等方面。在應(yīng)用于生物降解的實施過程中，需要針對最佳生物降解來調(diào)節(jié)含污染物流體的PH值。一般來說，pH值在允許目標(biāo)污染物代謝的pH范圍之內(nèi)。另外，反應(yīng)器100處理的污染物濃度也不限于高濃度，而是從高濃度到低濃度都可以適應(yīng)。在一個實施方案中，本發(fā)明提供了具有一系列間隔填充單元的填充床反應(yīng)器。間隔填充單元包括開放體填料單元和被開放體包圍的尺寸大約為5至IOppi孔隙的正方體多孔附著載體，如附圖2所示。開放體填料單元和多孔附著載體單元是否相互連接可以根據(jù)實際填充過程選擇。在本實施方案中起包裹多孔附著載體單元的開放體是多個的。任選的，圍繞在多孔附著載體單元的開放體填料是中空圓柱形的，任選的，開放體填料具有大約 85-95%的內(nèi)部空隙，進(jìn)一步任選的，在多孔附著載體單元四周僅有單層圓柱狀開放體構(gòu)成的隔離層。在另一個是實施方案中，本發(fā)明提供了具有一系列完全包裹間隔填充單元的填充床反應(yīng)器。間隔填充單元中的開放體填料單元將大約為5至IOppi孔隙的正方體多孔附著載體包裹在其內(nèi)部區(qū)域，開放體填料是具有剛性結(jié)構(gòu)的框架體。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)部總體空隙需求來控制多孔附著載體和開放體內(nèi)部區(qū)域相對大小。在另外一個實施方案中(如附圖 5和7)，本發(fā)明提供了一種包裹式的間隔填充反應(yīng)器，應(yīng)用完整的球形框架體將大約為5至 IOppi孔隙的正方體多孔附著載體完全包裹，將兩種填料組成一個單元來實現(xiàn)間隔填充。
具體實施例方式實施例1剛性開放體圓柱體(聚丙烯注塑而成)的鮑爾環(huán)獲自市場。這些圓柱體開孔塑料在生物降解試驗中作為開放體填料單元。本實施案例中，選用規(guī)格為Φ50的鮑爾環(huán)，其具體參數(shù)為外形尺寸為50X50X 1. 5mm(外徑X高X壁厚)，表面積/體積比為73. 2m2/ m3，孔隙率為90. 1%，堆積系數(shù)為6500個/m3，堆積重量為46. 3kg/m3。多孔附著載體為多孔泡沫聚氨酯，獲自本公司實驗室自己發(fā)泡而來(聚醚PUF)。該泡沫體具有60%重量的聚醚多元醇含量，反應(yīng)物中含有31%重量的甲苯二異氰酸酯成分。該泡沫體具有5-10個孔隙/英寸(PPi)，孔隙的形狀有各種變化。并且該泡沫體內(nèi)部的孔隙都是相連的，密度為 20kg/m3，孔隙率為97%，開孔率為98%。本案例中多孔生物附著載體單元104的外形尺寸為 50X50X50mm(長 X 寬 X 厚)。附圖5顯示了本實施案例中使用的三種填充床的內(nèi)部構(gòu)造。將PUF多孔生物附著載體單元104與聚丙烯鮑爾環(huán)開放體填料單元105以不同的比例混合在一起以便在每種生物反應(yīng)器中實現(xiàn)一定量的開放度或者空隙空間。每種反應(yīng)器具有相同的有效容積(1000L)， 且每一反應(yīng)器內(nèi)具有相同數(shù)量的開放體填料單元105和PUF多孔生物附著載體單元104。生物反應(yīng)器1由相同比例而隨機(jī)分布在整個反應(yīng)器中的無規(guī)混合填充的PUF多孔生物附著載體單元104與聚丙烯鮑爾環(huán)開放體填料單元105組成。兩種填料的外形尺寸都是50mm，兩者的數(shù)量也相同。生物反應(yīng)器2是由交替分層填充的PUF多孔生物附著載體單元104與聚丙烯鮑爾環(huán)開放體填料單元105構(gòu)成。兩種填料的外形尺寸都是50mm，兩者的數(shù)量也相同。生物反應(yīng)器3是由嚴(yán)格間隔填充的PUF多孔生物附著載體單元104與聚丙烯鮑爾環(huán)開放體填料單元105構(gòu)成。兩種填料的外形尺寸都是50mm，兩者的數(shù)量也相同。生物反應(yīng)器4是由很多個由開放體填料聚丙烯框架體包裹兩層附著載體填料構(gòu)成的組合填料單元組成。整個組合填料的體積與其他三個反應(yīng)器兩種填料的總體積相等。向上述四個生物反應(yīng)器中用計量泵連續(xù)均勻的將硫酸黏菌素廢水加入的反應(yīng)器中。該廢水的性質(zhì)為C0D 11000mg/L，B0D53500mg/L，氨氮 M6mg/L，SO廣約 ^00mg/L，PH 值在3-6之間。反應(yīng)器以并流向上流動模式運行，即空氣和廢水從處理底部的各自入口向反應(yīng)器上部流動(氣流從曝氣器109，廢水從進(jìn)水布水管108進(jìn)入)。使用壓縮空氣通過安裝在反應(yīng)器100底部供氣管上的曝氣盤109向反應(yīng)器供氣。使用空氣調(diào)節(jié)器將通過曝氣器109向反應(yīng)器的供氣量都控制在60-80L/min的范圍之內(nèi)，這是基于生物氧化所需空氣量計算的結(jié)果，曝氣器的溶氧效率按8%計算，該小試案例沒有考慮沖刷所需的空氣量。四個反應(yīng)器內(nèi)廢水的流速和空氣供應(yīng)量都完全相同，反應(yīng)器的控制條件都為PH控制在5-7的范圍，溫度控制在25-35°C范圍之內(nèi)，四個反應(yīng)器都投加特殊篩選的優(yōu)勢菌種。通過調(diào)整泵的流量來調(diào)節(jié)廢水流量，使三個生物反應(yīng)器分別在M小時、36小時和48小時的水力停留時間下運行，在每個水力停留時間下均維持30天的運行。通過收集并檢測反應(yīng)器的出水的水質(zhì)來評價各反應(yīng)器在相應(yīng)水力停留時間下的運行效果。當(dāng)然檢測的出水是經(jīng)過混凝氣浮去除了懸浮物和生物膜的，其混凝的實驗條件都相同。表1概括了使用上述四個生物反應(yīng)器和在三個水力停留時間下，廢水中0 和 BOD5去除情況。表1三種填充方式的反應(yīng)器處理效果
權(quán)利要求
1.一種具有間隔填充床的反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體(100)、填充床(110)、格柵板 (102)、曝氣系統(tǒng)(109)和布水系統(tǒng)(108)，其特征在于，所述填充床(110)包含開放體填料的第一類填料單元(10 和包含2 20ppi大小空隙的多孔負(fù)載體填料的第二類單元 (104)，第一類開放體填料單元(10 和第二類負(fù)載體填料單元(104)之間是間隔填充的， 每個負(fù)載體填料單元(104)四周被開放體填料單元(10 包圍，負(fù)載體填料單元(104)所有的外表面都與開放體填料單元(10 相鄰成層。
2.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述填充床(110)占整個反應(yīng)器殼體(100)容積的30% -90%。
3.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一類開放體填料單元(10 為表面積或體積比為15 350平方米或立方米的剛性或者半剛性填充體。
4.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一類開放體填料單元(10 為圓柱形填料。
5.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一類開放體填料單元(105)為框架體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一類開放體填料單元(105)占整個填充床大約30%至90%的空隙空間。
7.權(quán)根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第二類負(fù)載體填料單元(104)包含多孔狀載體。
8.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第二類負(fù)載體填料單元(104)自身具有60 98%的空隙空間。
9.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第二類負(fù)載體填料單元(104)的表面積或體積比為300 3600平方米或立方米。
10.根據(jù)權(quán)利1要求所述的具有間隔填充床的反應(yīng)器，其特征在于，所述第二類負(fù)載體填料(104)的表面積或體積比是第一類開放體填料(10 的3 200倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有間隔填充床的反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體、填充床、格柵板、曝氣系統(tǒng)和布水系統(tǒng)，所述填充床包含開放體填料的第一類填料單元和包含空隙的多孔負(fù)載體填料的第二類單元，第一類開放體填料單元和第二類負(fù)載體填料單元之間是間隔填充的，每個負(fù)載體填料單元四周被開放體填料單元包圍，負(fù)載體填料單元所有的外表面都與開放體填料單元相鄰成層。附著載體填料的主要作用為負(fù)載反應(yīng)器中的其催化或降解等作用的活性物質(zhì)，開放體填料提供廢物料流動空間以促進(jìn)轉(zhuǎn)化物質(zhì)的流動和分布、傳質(zhì)，并且減少原料物質(zhì)的溝流，使整個物料均勻的通過固定床。本發(fā)明處理效率高、載體磨損少、傳質(zhì)效果好和運行穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號C02F3/34GK102225322SQ20111009136
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者紀(jì)群, 蔣偉群 申請人:紀(jì)群, 蔣偉群