一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置及其方法
技术领域
[0001]
本发明涉及一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置及其方法，其属于废水生物处理技术领域。
背景技术：
[0002]
厌氧颗粒污泥工艺具备废水处理效率高、污泥停留时间长、泥水分离效果好、反应器占地面积小等诸多优点，且能在废水高效去碳同时实现生物质能源甲烷回收，目前已广泛应用于高浓度有机工业废水处理。厌氧发酵产甲烷过程需要多种厌氧互营菌进行协作，废水中的有机质先经水解发酵菌生成丙酸、丁酸、乙醇等小分子酸醇，再经产氢产乙酸菌生成乙酸、氢气等简单物质作为产甲烷菌的基质。但是厌氧互营菌之间平衡脆弱，相比于水解发酵菌和产氢产乙酸菌，产甲烷菌的代谢和生长速率较慢，且对环境要求更高。当厌氧系统处于过载状态时(如启动阶段或负荷冲击)，产酸速率大于产甲烷速率，导致挥发性脂肪酸积累，若系统缓冲能力不足，过低的ph会抑制产甲烷活性，最终导致厌氧系统失稳崩溃。
[0003]
如何强化厌氧生物处理工艺稳定运行一直以来是环境领域研究热点，许多研究者试图通过混合低碱度的废水(如化学合成药废水、合成塑料废水、人造纤维废水等)和高碱度废水(如畜禽养殖废水等)来改善厌氧系统缓冲能力，但不同类型废水往往难以在同一时间和空间尺度获得。因此，开发高效、简单、经济的厌氧生物处理装置和方法对于低碱度高有机工业废水高效稳定处理有较高应用价值。
[0004]
工业生产过程中会有大量废碱(主要是naoh)产生，但将废碱直接回流至厌氧生物系统会导致体系ph过高。nahco3是一种理想的废水碱度物质，但直接购买成本太高。工业废水厌氧处理过程沼气中co2实际占比为25％-50％，严重制约沼气资源化能源化利用。因此，亟需提供一种碱液吸收co2回流强化 uasb工艺性能的装置及方法。
技术实现要素：
[0005]
本发明的目的在于解决废水厌氧处理过程中厌氧系统启动时间长、稳定性差、甲烷难回用等瓶颈问题，并提供一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置及其方法。本发明通过使用naoh溶液吸收沼气中co2组分生成nahco3溶液，再将其回流至uasb反应器，从而增加废水碱度、提升厌氧体系缓冲能力、改善微生物生境，从而实现高浓有机工业废水高效稳定去碳产能和甲烷高质回用。
[0006]
本发明所采用的具体技术方案如下：
[0007]
一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其包括uasb反应筒体、水封瓶、沼气收集室、吸收装置、沼气储存室和水箱；
[0008]
所述uasb反应筒体的底部设有进水口，进水口通过进水泵与存储待处理废水的水箱相连；筒体内下部设有布水板，中部为污泥床，上部设有三相分离器；三相分离器上方的筒体侧壁上设有溢流堰及出水口；三相分离器的顶端气相出口连接有水封瓶，水封瓶通过气体流量计与沼气收集室相连通，沼气收集室通过风机与吸收装置相连通；吸收装置内用
于承装碱性的吸收液，以吸收沼气中的co2气体；吸收装置的上部通过气体管道外接沼气储存室，下部开设出液口，通过出液管与所述水箱相连通，用于将吸收装置内的液体部分回流至水箱中；所述沼气收集室、吸收装置、沼气储存室均为封闭的容器。
[0009]
作为优选，所述气体流量计为湿式气体流量计。
[0010]
作为优选，所述风机为防爆变频风机。
[0011]
作为优选，所述吸收装置的进气管深入吸收装置的筒体内，进气管末端设有微孔曝气盘。
[0012]
进一步的，所述吸收装置的高径比为4:1，微孔曝气盘为abs材质。
[0013]
作为优选，所述吸收液为0.1mol/l的naoh溶液，吸收co2气体后生成 nahco3溶液。
[0014]
作为优选，所述水箱内设有搅拌装置，用于将从吸收装置回流的回流液与进水混合均匀。
[0015]
本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述装置吸收沼气中co2并回流以强化uasb工艺性能的方法，其具体如下：
[0016]
水箱内的废水通过进水泵泵入uasb反应筒体内部，在布水板的作用下均匀布水，经污泥床处理后于三相分离器将污泥、沼气、液体进行分离，污泥重新下沉，液体经筒体侧壁的溢流堰从出水口排出，沼气从三相分离器顶部溢出；沼气通过水封瓶后进入沼气收集室，通过风机调控沼气流量以控制沼气收集室内气压，维持气路气压稳定；随后沼气在风机的作用下鼓入吸收装置，通过吸收液吸收沼气内的co2气体并转化为弱碱性溶液；去除co2气体后的沼气从吸收装置上部的气体管道通入沼气储存室进行储存，从而使沼气内甲烷占比提升；吸收co2气体后的吸收液通过吸收装置下部的出液口部分回流至所述水箱中，与水箱中的待处理废水混合，混合后的废水碱度提升，从而使uasb反应筒体内厌氧体系的缓冲能力得到强化，污泥床中微生物的生境得到改善；同时，co2气体中的c作为碳源进入污泥床，使厌氧产甲烷能力得到提升。
[0017]
作为优选，通过调节所述回流液的回流比，使水箱内的废水ph为8.0～8.35。
[0018]
作为优选，进入所述沼气储存室内沼气中的甲烷占比大于90％。
[0019]
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0020]
1)本发明利用naoh溶液吸收沼气中的co2，将吸收饱和后的nahco3溶液回流至uasb反应器增加进水碱度、提升厌氧体系缓冲能力，从而保证厌氧生物处理工艺高效稳定运行，同时纯化后沼气中甲烷占比大于90％，有利于后续甲烷的资源化能源化利用；
[0021]
2)本发明通过使用naoh溶液吸收沼气中co2组分生成nahco3溶液，再将其回流至uasb反应器，从而增加废水碱度、提升厌氧体系缓冲能力、改善微生物生境，从而实现高浓有机工业废水高效稳定去碳产能和甲烷高质回用；
[0022]
3)工业废水厌氧处理过程沼气中co2实际占比为25％～50％，严重制约沼气资源化能源化利用；本发明将naoh与沼气中co2反应生成nahco3回流至厌氧系统既可以减少废水处理工艺试剂投加成本，也有利于获得较高纯度的甲烷作为能源物质直接利用，减少温室气体的排放，实现废水处理资源化能源化。
附图说明
[0023]
图1是本发明装置的结构示意图；
[0024]
图中：进水泵1、布水板2、污泥床3、三相分离器4、溢流堰5、出水口6、 uasb反应筒体7、水封瓶8、气体流量计9、沼气收集室10、风机11、吸收装置12、吸收液13、曝气头14、沼气储存室15、水箱16。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0026]
如图1所示，为本发明的一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，该装置包括uasb反应系统、co2收集系统和碱液回流系统，其中，uasb反应系统包括升流式厌氧生物反应器和水封瓶8，co2收集系统包括沼气收集室10、吸收装置12和沼气储存室15，碱液回流系统包括水箱16。
[0027]
升流式厌氧生物反应器包括uasb反应筒体7、布水板2、污泥床3、三相分离器4、溢流堰5及出水口6。uasb反应筒体7的底部设有进水口，进水口通过进水泵1与存储待处理废水的水箱16相连通，用于向uasb反应筒体7内进水。uasb 反应筒体7内的下部设有布水板2，用于将进入uasb反应筒体7内的废水均匀布水。uasb反应筒体7内的中部为污泥床3，污泥床中填充有投加生物质炭颗粒的活性污泥，是uasb反应系统的主要处理部分。uasb反应筒体7内的上部设有三相分离器4，三相分离器4上方的筒体侧壁上设有溢流堰5及出水口6。三相分离器 4夹角为55
°
，用于将污泥、气体、液体进行分离，污泥重新下沉，液体从筒体8 侧壁上的溢流堰5再经出水口7排出，气体(即沼气)从三相分离器4顶部溢出。
[0028]
三相分离器4的顶端气相出口连接有水封瓶8，水封瓶8通过气体流量计9与沼气收集室10相连通。其中，在uasb反应筒体7的出气口处和沼气收集室10之间设置水封瓶8的目的在于防止进入沼气收集室10后的沼气气体在气压的变动作用下回流倒吸。气体流量计9采用湿式气体流量计，用于测量沼气的流量，从而计算沼气的产量。沼气收集室10通过风机11与吸收装置12相连通，风机11可以采用防爆变频风机，能够通过调控气体流量以控制沼气收集室(10)内气压，维持气路气压稳定。
[0029]
吸收装置12内用于承装碱性的吸收液13，以吸收沼气中的co2气体。在本实施例中，吸收液13为0.1mol/l的naoh溶液，吸收co2气体后生成nahco3溶液。吸收装置12的进气管深入吸收装置12的筒体内，在本实施例中，吸收装置12的高径比为4:1，进气管末端设有材质为abs的微孔曝气盘14，用以分散沼气形成微小沼气气泡，加强沼气中co2吸收。吸收装置12的上部通过气体管道外接沼气储存室15，下部开设出液口，通过出液管与水箱16相连通，用于将吸收装置12内的液体部分回流至水箱16中。水箱16内可以设有搅拌装置，用于将从吸收装置12 回流的回流液与进水混合均匀。沼气收集室10、吸收装置12、沼气储存室15均为封闭的容器，除此之外，在沼气形成后在各装置之间的流动过程(即气体收集和吸收过程)中，也应该保证该气体通路的气密性。
[0030]
基于上述装置吸收沼气中co2并回流以强化uasb工艺性能的方法，具体如下：
[0031]
水箱16内的废水通过进水泵1泵入uasb反应筒体7内部，在布水板2的作用下均匀布水，经污泥床3处理后于三相分离器4将污泥、沼气、液体进行分离，污泥重新下沉，液体经筒体侧壁的溢流堰5从出水口6排出，沼气从三相分离器4顶部溢出。沼气通过水封瓶8后进入沼气收集室10，通过风机11调控沼气流量以控制沼气收集室10内气压，维持气路气压稳
定。随后沼气在风机11的作用下鼓入吸收装置12，通过吸收液13吸收沼气内的co2气体并转化为弱碱性溶液。去除co2气体后的沼气从吸收装置12上部的气体管道通入沼气储存室15进行储存，从而使沼气内甲烷占比提升，甲烷占比一般大于90％。吸收co2气体后的吸收液13通过吸收装置12下部的出液口部分回流至水箱16中，与水箱16中的待处理废水混合，通过调节回流液的回流比，使水箱16内的废水ph为8.0～8.35。混合后的废水碱度提升，从而使uasb反应筒体7内厌氧体系的缓冲能力得到强化，污泥床3中微生物的生境得到改善。同时，co2气体中的c作为碳源进入污泥床3，使厌氧产甲烷能力得到提升。
[0032]
本发明采用的技术原理可以概括如下：
[0033]
碱液吸收co2回流可以强化厌氧生物处理系统高效稳定运行和甲烷资源化能源化高质回用，其原因在于：(1)naoh吸收co2后产物为nahco3，饱和 nahco3溶液ph为8.3，与废水混合后对厌氧体系ph环境无不利影响；(2)当体系过载时，产酸与产甲烷间失衡会导致酸累积，nahco3与氢离子发生反应，起到缓冲作用，从而改善厌氧微生物生境；(3)碳酸氢盐作为无机碳溶于液相中，会增加厌氧体系还原力，拉动co2还原型产甲烷进行，从而强化厌氧产甲烷。
[0034]
本发明通过naoh溶液吸收沼气中co2生成nahco3溶液，并回流至uasb 反应器，提升了厌氧系统缓冲能力，改善了厌氧微生物生境，强化了co2还原型产甲烷作用，解决了反应器过载条件下酸化失稳问题。
[0035]
下面基于本发明的装置，通过具体的实施例说明碱液吸收co2并回流对 uasb工艺性能的效果影响。
[0036]
实施例1
[0037]
本实施例构建了两组uasb工艺装置，其中实验组相比于对照组差别在于其uasb反应器后连接co2吸收系统和碱液回流系统。
[0038]
装置中uasb反应器的有效体积为7.5l，接种污泥取自海宁丁桥污水处理厂厌氧污泥，污泥的mlss为27.52g/l，mlvss为12.67g/l。反应器进水为模拟废水(蔗糖、nh4hco3、kh2po4、k2hpo4·
3h2o以及nahco3组成，c:n:p 为100:5:1)，其中实验组进水通过与吸收co2饱和后的nahco3溶液充分混合， nahco3浓度是对照组0.97-1.97倍。两组反应器进水ph维持在8.5左右，反应温度在35℃左右，水力停留时间为24h，进水的有机负荷从2kg cod/m3/d逐渐提升至6kg cod/m3/d，连续监测60天出水cod浓度、沼气产量和甲烷占比。
[0039]
在反应器启动阶段，实验组反应器cod去除率达90％以上需要6d，而对照组需要12d，说明碱液吸收co2回流可加速uasb反应器启动。
[0040]
随着反应器负荷的提升，实验组的cod去除率逐渐稳定在98.12
±
1.20％，沼气产量稳定在3.48
±
0.38l/kg cod/d，而对照组cod去除率由96.73
±
0.45％降至 81.56
±
1.73％，沼气产量从3.32
±
0.42l/kg cod/d下降至3.16
±
0.41l/kg cod/d，说明碱液吸收co2回流可维持厌氧体系稳定性，促进沼气生成。
[0041]
实验组反应器出气口甲烷浓度达59.78
±
2.19％，高于对照组的48.16
±
1.06％，说明碱液吸收co2能够有效强化co2还原型产甲烷过程。另外，实验组中纯化后沼气中甲烷占比为92.36
±
5.19％，有利于后续甲烷高质资源化能源化利用。
[0042]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变
化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，包括uasb反应筒体(7)、水封瓶(8)、沼气收集室(10)、吸收装置(12)、沼气储存室(15)和水箱(16)；所述uasb反应筒体(7)的底部设有进水口，进水口通过进水泵(1)与存储待处理废水的水箱(16)相连；筒体内下部设有布水板(2)，中部为污泥床(3)，上部设有三相分离器(4)；三相分离器(4)上方的筒体侧壁上设有溢流堰(5)及出水口(6)；三相分离器(4)的顶端气相出口连接有水封瓶(8)，水封瓶(8)通过气体流量计(9)与沼气收集室(10)相连通，沼气收集室(10)通过风机(11)与吸收装置(12)相连通；吸收装置(12)内用于承装碱性的吸收液(13)，以吸收沼气中的co2气体；吸收装置(12)的上部通过气体管道外接沼气储存室(15)，下部开设出液口，通过出液管与所述水箱(16)相连通，用于将吸收装置(12)内的液体部分回流至水箱(16)中；所述沼气收集室(10)、吸收装置(12)、沼气储存室(15)均为封闭的容器。2.根据权利要求1所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述气体流量计(9)为湿式气体流量计。3.根据权利要求1所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述风机(11)为防爆变频风机。4.根据权利要求1所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述吸收装置(12)的进气管深入吸收装置(12)的筒体内，进气管末端设有微孔曝气盘(14)。5.根据权利要求4所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述吸收装置(12)的高径比为4:1，微孔曝气盘(14)为abs材质。6.根据权利要求1所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述吸收液(13)为0.1mol/l的naoh溶液，吸收co2气体后生成nahco3溶液。7.根据权利要求1所述碱液吸收co2回流强化uasb工艺性能的装置，其特征在于，所述水箱(16)内设有搅拌装置，用于将从吸收装置(12)回流的回流液与进水混合均匀。8.一种基于权利要求1～7任一所述装置吸收沼气中co2并回流以强化uasb工艺性能的方法，其特征在于，具体如下：水箱(16)内的废水通过进水泵(1)泵入uasb反应筒体(7)内部，在布水板(2)的作用下均匀布水，经污泥床(3)处理后于三相分离器(4)将污泥、沼气、液体进行分离，污泥重新下沉，液体经筒体侧壁的溢流堰(5)从出水口(6)排出，沼气从三相分离器(4)顶部溢出；沼气通过水封瓶(8)后进入沼气收集室(10)，通过风机(11)调控沼气流量以控制沼气收集室(10)内气压，维持气路气压稳定；随后沼气在风机(11)的作用下鼓入吸收装置(12)，通过吸收液(13)吸收沼气内的co2气体并转化为弱碱性溶液；去除co2气体后的沼气从吸收装置(12)上部的气体管道通入沼气储存室(15)进行储存，从而使沼气内甲烷占比提升；吸收co2气体后的吸收液(13)通过吸收装置(12)下部的出液口部分回流至所述水箱(16)中，与水箱(16)中的待处理废水混合，混合后的废水碱度提升，从而使uasb反应筒体(7)内厌氧体系的缓冲能力得到强化，污泥床(3)中微生物的生境得到改善；同时，co2气体中的c作为碳源进入污泥床(3)，使厌氧产甲烷能力得到提升。9.根据权利要求8所述吸收沼气中co2并回流以强化uasb工艺性能的方法，其特征在于，通过调节所述回流液的回流比，使水箱(16)内的废水ph为8.0～8.35。10.根据权利要求8所述吸收沼气中co2并回流以强化uasb工艺性能的方法，其特征在于，进入所述沼气储存室(15)内沼气中的甲烷占比大于90％。
技术总结
本发明公开了一种碱液吸收CO2回流强化UASB工艺性能的装置及其方法，装置包括UASB反应筒体、水封瓶、沼气收集室、吸收装置、沼气储存室和水箱；UASB反应筒体的底部设有进水口，进水口通过进水泵与存储待处理废水的水箱相连；筒体上部三相分离器的顶端气相出口连接有水封瓶，水封瓶依次与沼气收集室、吸收装置相连通；吸收装置内用于承装碱性的吸收液，以吸收沼气中的CO2气体；吸收装置的上部外接沼气储存室，下部与水箱相连通。本发明利用NaOH溶液吸收沼气中的CO2，将吸收饱和后的NaHCO3溶液回流至UASB反应器增加进水碱度、提升厌氧体系缓冲能力，从而保证厌氧生物处理工艺高效稳定运行，同时纯化后沼气中甲烷占比大于90％，有利于后续甲烷的资源化能源化利用。有利于后续甲烷的资源化能源化利用。有利于后续甲烷的资源化能源化利用。
技术开发人、权利持有人：朱亮 徐秋瑾 王晨 刘洁仪 韩子贤 徐向阳
