用零價鐵提高UASB產CH₄作用及磷酸鹽去除率的裝置與方法

專利名稱：：用零價鐵提高UASB產CH₄作用及磷酸鹽去除率的裝置與方法
技術領域：
：本發明涉及廢水生物處理
技術領域：
，具體地說是一種用零價鐵提高UASB產CH4作用及磷酸鹽去除率的裝置與方法。
背景技術：
：隨著工業化進程的不斷加快以及經濟的發展，大量未經處理的或處理未達標的工、農業廢水被排放到受納水體中，引起了廣泛而嚴重的水污染問題。同傳統的好氧生物處理方法和物理、化學處理方法相比，廢水的厭氧生物處理技術具有容積負荷高、設備結構簡單、運行維護方便、占地面積小、能耗低、剩余污泥少、產生可再生能源(CH4)等優點。該技術是去除水體中有機污染物的有效途徑，目前已在國內外工業和生活廢水處理中獲得越來越廣泛的應用。此外，厭氧生物處理技術還被認為是符合"可持續發展原則"核心技術之一。厭氧生物處理工藝傳統上稱之為厭氧消化(anaerobicdigestion,AD),也稱污泥消化(sludgedigestion)。厭氧生物處理的實質是指廢水中含有的復雜有機物(碳水化合物、蛋白質、脂類等)在厭氧條件下經過多種微生物的協同代謝，最終被轉化為CH,、C02等。有機物的厭氧生物處理分為兩個階段水解階段；產酸發酵階段；產氫產乙酸階段；產甲烷階段。產酸和產甲烷階段。水解可以定義為復雜的非溶解性的有機物質在產酸細菌胞外水解酶的作用下被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。在厭氧消化過程中，一些分子量較大的有機物如淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白酶水解成短肽與氨基酸等。微生物(產酸發酵細菌)在此階段將水解產物一溶解性單體或二聚體形式的有機物轉化為以脂肪酸和醇為主的末端產物，同時產生新的細胞物質。產酸發酵速率較快，末端產物主要有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸等脂肪酸。此外，醇類、C02、H2等也伴隨產生。產氫產乙酸過程是將產酸發酵階段產生的兩個碳以上的有機酸(乙酸除外)和醇轉化為乙酸、C02、H2等的過程，并產生新的細胞物質。產甲垸階段是由嚴格厭氧的產甲烷菌將乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和H2/C02等轉化為CH4和C02的過程。上流式厭氧污泥床處理技術(UASB)是廢水厭氧生物處理技術的典型代表。自二十世紀70年代UASB技術被發明以來，通過不斷改進而獲得了長足發展，近年來UASB技術已經成為國內外厭氧處理的主流技術之一。目前世界各地已經有1300多座工程化的UASB反應器成功應用于各種濃度、多種類型的廢水生物處理過程中，是應用最為廣泛的厭氧生物反應器。UASB技術的主要處理過程如下:待處理廢水被引入UASB反應器的底部，向上流經由顆粒狀或絮狀污泥組成的污泥床，污水與污泥床相接觸而發生厭氧反應并產生沼氣(主要為甲烷和二氧化碳)，所產沼氣上升而引起污泥床擾動并帶動顆粒污泥上升，在三相分離器的作用下，顆粒污泥得以下降，回到污泥床區域，從而形成顆粒污泥的內部循環，所產沼氣經過三相分離器后被收集再利用，污水經處理后排出系統。一般來講，UASB反應器需要由一個水力循環裝置來保持一個穩定的升流速度，從而得以形成并保持沉淀性能良好的顆粒污泥，這是正常運行UASB系統的一個關鍵。UASB系統一般主要包括以下幾部分進水和配水裝置l、水力循環裝置2、反應器主體3禾n三項分離器4(參見1)。M鐵是地i;;i最為^^富且活性很強的金屬元素之一。鐵及其離子化合物作為絮凝劑、氧化還原反應催化劑已經被廣泛用于水體修復和廢水處理領域。近些年來，應用零價鐵柵或其他形式的元素鐵去除地下水中的有機氯污染物、重金屬甚至是核廢料污染物引起了科學界的廣泛關注，雖然其中的有機污染物被吸附、固定和降解的具體機理還不為人所熟知。此外，零價鐵(Fe8)可以作為電子供體，被許多微生物在污染物還原轉化過程中利用。因此，Fe"-微生物系統在污染的生物修復領域顯露出越來越大的潛力。產甲烷微生物的純培養也可以利用Fe"作為唯一電子供體將C02還原為CH4。在厭氧條件下，當Fe。浸沒在水中時，Fe。會失去2e,形成Fe2+，水中的H+得到電子后形成陰極H2，而H2可以被產甲烷微生物或其他能夠代謝氫的微生物不斷利用而消耗，F^失電子的過程就會不斷進行。換句話說，Fe°的氧化過程同微生物產甲烷過程相耦聯。這些噬氫微生物在鐵電化學氧化的過程中能夠移除金屬表面的氫保護層，發揮了去極化作用，使Fe。氧化持續發生。目前UASB技術在其進一步廣泛推廣應用中尚有一些局限性，如在溫度較低、有機負荷較低或廢水中難降解成分較多的情況下，其處理效率不理想，此外，UASB反應器去除廢水中的氮、磷等營養元素購能力不足。近年來，各國科學家和技術人員分別從不同角度開展研究，以進一步提高上流式厭氧污泥床的COD去除能力、產甲烷能力以及氮磷去除效率。
發明內容本發明目的在于提供一種用零價鐵提高UASB產CH4作用及磷酸鹽去除率的裝置與方法。為實現上述目的，本發明所釆用的技術方案為裝置:UASB反應器水力循環路徑包括反應器主體及顆粒污泥床、三相分離器和水力循環裝置，三相分離器、反應器主體及顆粒污泥床與水力循環裝置連接成環形管路，水力循環裝置和反應器主體及顆粒污泥床之間的管路上設有進水和配水裝置，進水和配水裝置1和水力循環裝置2之間設有承裝零價鐵的零價鐵容器7。所述零價鐵容器7的入口與水力循環裝置2的出水口相連，出口與進水和配水裝置1的出水口相匯、與反應器主體及顆粒污泥床3的進口連接。方法零價鐵容器中添加零價鐵量為10-100g/l;UASB反應器的運行溫在25-35匸或45-55'C穩定運行。所述添加的零價鐵為鐵粉，可為微米級鐵粉或納米級鐵粉，其中微米級鐵粉純度>99%，粒徑為0.02~0.10mm,比表面積為0.7-1.0mVg;納米級鐵粉純度>99%，粒徑為30~100nm,比表面積為70~150m2/g。UASB反應器運行的有機負荷在0.1-20.0kg/m3.d。本發明所具有的優點本發明在現有UASB反應器的水力循環路徑中加入一個輔助裝置一零價鐵容器，容器內放置鐵粉。其通過在厭氧條件下零價鐵對污水厭氧處理的多種特殊加強效應，使UASB反應器的污水處理效率獲得提高。添加零價鐵的方法對上流式厭氧污泥床工藝進行改進并達到提高反應器產甲垸能力、提高COD去除能力以及磷酸鹽去除能力。結果表明改進后的UASB反應器可使處理C0D效率提高6.5%,產甲烷能力提高10.2%,并且UASB反應器磷酸鹽的去除效率接近80%。這種改進對原系統的設備結構和運行條件影響很小，成本增加也很小。圖1為常規UASB反應器系統示意圖。圖2為本發明UASB反應器系統示意圖。主要標號為l.進水和配水裝置，2.水力循環裝置，3.反應器主體及顆粒污泥床，4.三相分離器，5.沼氣收集裝置，6.出水口，7.零價鐵容器。具體實施方式提高UASB反應器產甲烷作用及磷酸鹽去除效率的裝置。常規UASB反應器水力循環裝置2和反應器主體及顆粒污泥床3之間的管路上設有進水和配水裝置1,進水和配水裝置1和水力循環裝置2之間設有承裝零價鐵的零價鐵容器7。所述零價鐵容器7的入口與水力循環裝置2的出水口通過管路相連，出口與進水和配水裝置1的出水口管路相匯、與反應器主體及顆粒污泥床3的進口的管路連接。方法在UASB系統的運行過程中，廢水經過UASB處理后部分出水經水力循環裝置2進入零價鐵容器7，在零價鐵容器中主要有兩個過程一是廢水中的一些難降解有機化和物與活潑的金屬零價鐵作用進一步提高了可生化性；二是容器內的部分零價鐵粉隨著循環水進入UASB反應器顆粒污泥床3內。在厭氧條件下，零價鐵會發生如下電化學反應陽極反應Fe-2e→Fe2+.....E0(Fe2+/Fe)=-0,440V;陰極反應2H++2e→2[H]→H2↑　.....(H+/H2)=0.00V;陰極產生的H2會被厭氧污泥中的產甲烷菌利用還原C02生成CH4。隨著H2被不斷利用掉，上述反應持續進行。[H]也是一種強還原劑，可以將廢水中的有機化合物進一步還原降解，提高其可生化性，利于有機污染物在UASB反應器內被微生物降解。產生的Fe2+會與水中的形成Fe(OHh，該化合物是一種絮凝劑，可進一步去除廢水中的懸浮物，同時增強了厭氧污泥的沉降作用，有益于UASB反應器內實現良好的泥水分離過程。實施例1按照本發明所述方法加工成一套實驗室規模的UASB反應器和常規的UASB反應器各一套。除了零價鐵容器外，兩套UASB反應器的所有參數均相同。反應器的有效容積為2.3L，零價鐵容器體積為0.5L，其中配給的零價鐵粉量50g，鐵粉的物理性質為微米級鐵粉，純度>99%，粒徑為O.05mm，比表面積為0.9mVg。UASB反應器以維生素C生產廢水為處理對象，反應器接種厭氧消化池污泥后在3(TC穩定運行200多天，反應器在處理廢水過程中可分為三個階段，其有機負荷分別為1.0、5.6和10.8kg/m3.d。其處理效果如表l所示。表1.Fe。對提高UASB產曱烷作用及磷酸鹽去除效率的影響UASB反應器運行參數第二階段(*n=35)第三階段(n=23)第四階段(n=47)R。R沼氣產率(m3/mr3.d)CH4含量(%)COD去除率(％)磷酸鹽去除率(％)SMA*'(gCH4-COD/gVSS.d)'測定次數；"SMA在第二、a'b差異極顯著(PO.01)0.5a(0.4)69.1a(1.8)65.1a(18.1)18.0A(12.4)1.12a(0.40)Fe0.6b(0.4)76.5b(3.0)78.3b(19.2)78.5B(24.5)1.17b(0.36)'Fe4.5a(1.3)5.3b(1.5)6.3A(0.4)6.7A(0.4)69.6A(2.7)77.6B(4.1)70.8A(2.1)87.5A(3.9)92.9B(4.5)89.2A(2.6)16.1A(10.3)78.2B(21.0)14.4A(8.4)1.83a(0.35)1.96b(0.42)2.45a(0.21)79.6B(2.7)95.3A(2.2)80,3B(17.0)2.57b(0.10)三、四階段分別測定3、2和3次；括號內數值為標準偏差；a'b差異顯著(P<0.05)Ro為對照反應器，RFe為加零價鐵的UASB反應器；SMA為污泥產甲烷活性如表1所示，維生素C生產廢水經過UASB處理后，加零價鐵的UASB反應器(RJ的處理效果明顯優于不加零價鐵的對照反應器U。)處理第一階段，l的COD去除率、磷酸鹽去除率、沼氣中甲烷含量分別為78.3%、78.5%和76.5%，顯著高于R。的65.1%、18.0%和69.1%。R^的沼氣產率和污泥產甲烷活性也比R。高。第二階段，反應器的有機負荷在5.6kg/m3.d，Rf。的COD去除率、磷酸鹽去除率、沼氣中甲烷含量分別為92.9%、78.2%和77.6%,顯著高于R。的87.5%、16.1%和69.6%。第三階段的效果與第一、二階段的相似。由此可見，零價鐵的補加對于提高UASB反應器產甲烷作用及磷酸鹽的去除率效果顯著。實施例2將上述實驗室規模的UASB反應器用于生活污水的處理。其中零價鐵容器中配給的零價鐵粉量80g,鐵粉的物理性質為納米級鐵粉，其純度>99%，粒徑為40nm，比表面積為140m7g。UASB反應器以生活污水為處理對象，反應器接種厭氧消化池污泥后在55。C穩定運行100多天，反應器在處理廢水過程中穩定期的有機負荷為1.2kg/m3.d。具體的處理效果如表2所示。表2.補加零價鐵的UASB反應器處理生活廢水效果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表2可以看出，處理生活廢水時，采用本發明的UASB反應器l的COD去除率、磷酸鹽去除率、沼氣中甲垸含量分別為80.3%、81.5%和72.5%，顯著高于R。的62.1%、13.0%和67.5%。Rh沼氣產率為0.22m7mr3.d，高于對照RO的沼氣產率0.18mVm,d。實施例3與實施例l不同之處在于所述零價鐵容器中配給的零價鐵粉量30g，UASB反應器的運行溫在25-35'C穩定運行。所述添加的零價鐵為鐵粉，具體為微米級鐵粉，其純度〉99%,粒徑為0.02隱，比表面積為0.8tn7g。UASB反應器運行的有機負荷在20.0kg/m3.d。實施例4'與實施例1不同之處在于所述零價鐵容器中配給的零價鐵粉量10g，UASB反應器的運行溫在45-55。C穩定運行。所述添加的零價鐵為鐵粉，具體為納米級鐵粉，其純度〉99%,粒徑為lOOnm，比表面積為70m7g。UASB反應器運行的有機負荷在15kg/m3.d。實施例5與實施例l不同之處在于所述零價鐵容器中配給的零價鐵粉量60g，所述添加的零價鐵為鐵粉，具體為微米級鐵粉,其純度>99%,粒徑為0.05mm，比表面積為0.9mVg。UASB反應器運行的有機負荷在0.5kg/m3.d。實施例6與實施例l不同之處在于所述零價鐵容器中配給的零價鐵粉量90g，所述添加的零價鐵為鐵粉，具體為納米級鐵粉，其純度>99%,粒徑為50mn，比表面積為90m2/g。UASB反應器運行的有機負荷在2kg/m3.d。實施例7與實施例l不同之處在于所述零價鐵容器中配給的零價鐵粉量20g，所述添加的零價鐵為鐵粉，具體為納米級鐵粉，其純度>99%，粒徑為90nm,比表面積為120m2/g。UASB反應器運行的有機負荷在8kg/m3.d。權利要求1.一種用零價鐵提高UASB產CH4作用及磷酸鹽去除率的裝置，UASB反應器水力循環路徑包括反應器主體及顆粒污泥床、三相分離器和水力循環裝置，三相分離器、反應器主體及顆粒污泥床與水力循環裝置連接成環形管路，水力循環裝置和反應器主體及顆粒污泥床之間的管路上設有進水和配水裝置，其特征在于進水和配水裝置(1)和水力循環裝置(2)之間設有承裝零價鐵的零價鐵容器(7)。2.按權利要求1所述的用零價鐵提高UASB產CH4作用及磷酸鹽去除率的裝置，其特征在于所述零價鐵容器(7)的入口與水力循環裝置(2)的出水口相連，出口與進水和配水裝置(1)的出水口相匯、與反應器主體及顆粒污泥床(3)的進口連接。3.—種按權利要求1所述的用零價鐵提高UASB產CH4作用及磷酸鹽去除率的方法，其特征在于零價鐵容器中添加零價鐵量為10-100g/l;UASB反應器的運行溫在25-35'C或45-55'C穩定運行。4.按權利要求1所述的用零價鐵提高UASB產CH,作用及磷酸鹽去除率的方法，其特征在于所述添加的零價鐵為鐵粉，可為微米級鐵粉或納米級鐵粉，其中微米級鐵粉純度>99%，粒徑為0.02-0.10mm，比表面積為0.7~1.OmVg;納米級鐵粉純度>99%，粒徑為30~100nm,比表面積為70~150mVg。5.按權利要求1所述的用零價鐵提髙UASB產CH,作用及磷酸鹽去除率的方法，其特征在于UASB反應器運行的有機負荷在O.1-20.0kg/m3.d。全文摘要本發明涉及廢水生物處理
技術領域：
，具體地說是一種用零價鐵提高UASB產CH₄作用及磷酸鹽去除率的裝置與方法。裝置為UASB反應器及水力循環路徑，包括顆粒污泥床、三相分離器和水力循環裝置。反應器主體及顆粒污泥床與水力循環裝置連接成環形管路，水力循環裝置和反應器主體及顆粒污泥床之間的管路上設有進水和配水裝置，進水和配水裝置1和水力循環裝置2之間設有承裝零價鐵的零價鐵容器7。方法零價鐵容器中添加零價鐵量為10-100g/l；UASB反應器的運行溫在25-35℃或45-55℃穩定運行。本發明改進后的UASB反應器COD去除效率平均提高6.5％，產甲烷能力提高10.2％，且UASB反應器磷酸鹽的去除效率接近80％。文檔編號C02F3/28GK101250004SQ20081001038公開日2008年8月27日申請日期2008年2月5日優先權日2008年2月5日發明者史榮久,穎張,慧徐申請人:中國科學院沈陽應用生態研究所