11-从理论到实践-VTBR技术研究2

从理论到实践－VTBR技术研究与应用

大连理工大学环境学院大连理工大学环境工程设计研究院周集体

2012.9一、水中污染物的生物脱除过程污水（污染物＋水）生物处理构筑物（反应器）净化后排水微生物污染物水（反应介质）反应条件（氧等）A微生物B污染物C氧

A微生物：菌胶团（生物膜）－胞外胶体物质＋细胞壁－细胞膜－胞内酶系统－新陈代谢－生物生长－产生剩余污泥B可生物降解污染物：水体－扩散到胶团表面（膜表面）－胶团内扩散－胞外聚合物内扩散－细胞壁－细胞膜－参与胞内酶反应－通过新陈代谢－转化为无害物质－再逆向扩散到水体难降解污染物：平衡存在于水体－吸附滞留在胶团内－吸附滞留在细胞壁内外－残留在生物细胞内－随着生物污泥排放而排放

C氧：气泡（曝气气体主体）－溶解于水体－扩散到到胶团表面（膜表面）－胶团内扩散－胞外聚合物内扩散－细胞壁－细胞膜－参与胞内酶反应－提供新陈代谢所需要的氧+++++二、水中污染物的生物脱除过程传递过程降解过程吸附排放过程从水体到胞内的过程生物污泥吸附滞留难降解物质，随着生物剩余污泥的排放而排放生物的新陈代谢过程三、降解过程是污染物脱除的核心过程

污染物本身的结构（生物可降解性，或者生物酶的特性）

氧在胞内的存在浓度（生物反应可获得性）污染物在胞内的存在浓度（可获得性及抑制作用）上述两种浓度的大小取决于传递特性（无论是向胞内的传递还是向胞外的传递）Subtitle降解速率取决于：四、传递过程是提高生化效率的重要环节决定和影响传递过程的重要因素物质穿过传递介质的浓度梯度温度压力介质特性五、氧传递过程的压力影响及其辅助效应亨利定律决定了气相压力的升高必然提高水中氧的溶解度。水中氧的溶解度提高必然加速氧的膜外及跨膜传递速度。跨膜速度的提高必然提高氧在胞内的存在浓度。胞内氧浓度的提高必然促进生化反应速度，加速污染物的生物降解。降解过程的加速必然降低污染物在胞内的存在浓度。胞内污染物浓度的降低必然加大了污染物的胞内外浓度差，从而加速了污染物的向胞内的传递过程。从而提高了生物处理过程的速度和效率。六、提高氧的溶解度的方法提高气相的总压（从而提高分压）：加压曝气，深井曝气等提高气液相接触面积：微孔曝气，无泡曝气等提高气相中氧的分压：纯氧曝气，富氧曝气等123提高气液接触时间：深井曝气等4深井曝气：七、深井曝气回顾空气特点：氧转移率高，约为常规法的10倍以上动力效率高，占地少，易于维护运行耐冲击负荷，产泥量少一般可以不建初次沉淀池但受地质条件的限制投资高/低运行费用较低由上升管、下降管和顶槽三部分组成

源污水河流污泥处理水空气提升深井曝气活性污泥法系统八、从深井曝气到VTBRVTBR—VerticalTubular(Tower)BiologicalReactor集深井曝气、加压接触氧化、固定膜生物反应器原理于一体的，可用于高浓度、中浓度、低浓度污水处理及生物脱氮除磷目的新型污水处理装置。

好氧VTBR工艺原理图中国专利：00131325.8中国专利：00131326.6Putpackinginup-wardwellandgethighMicrobe-productionandhighPollutantRemovalLoadDevelopanaerobicprocesswithhighenergyefficiency厌氧－好氧－厌氧VTBR工作原理图DevelopseriesprocessesofaerobicandanaerobicwastewatertreatmentdevicesforHighConcentrationWasteWaterTreatmentBio-removalofNitrigen,PhosphorusSludgeDigestion中国专利：00131550.1大连理工大学环境工程设计研究院专利设备技术介绍VTBR技术介绍利用了深井曝气的原理，结合了膜生物反应器等诸多优势。1氧的特性气液接触时间长提高氧的利用率形成的较大静液压提高了氧的溶解度处理等量COD需要气水比大大减小2生物学特性高密度填料提高了单位容积生物量固定膜生物反应器，内源呼吸加强，剩余污泥少可实现同步脱氮3应用特性高溶解氧、高生物量促进污染物的分解塔式结构可方便实现不同工艺目的停留时间交常规工艺短，曝气量少、运行费用低塔式反应器利于防腐保温密闭结构有利于尾气的集中收集、处理、排放结构紧凑、占地面积小、易于维护大连理工大学环境工程设计研究院专利设备技术介绍VTBR技术介绍VTBR塔与活性污泥池对比表（好氧特性）对比项目VTBR活性污泥法氧特性氧利用率（%）40～955～10对于易生化污水，处理1000mg/L的COD需要的气水比3～4：130～40：1VOC吹脱曝气量少，有机物吹脱少，通过折流实现生物脱除吹脱量大，且不易收集生物学特性单位容积生物量（g/L）大于152～5好氧处理工艺COD浓度上限（mg/L）100002000处理1000mg/L的COD排泥量无排泥0.3kg干泥/m315kg污泥（98%）/m3应用特性高溶解氧、高生物量促进污染物的分解0.4~1kgCOD/m3·d0.2~0.3kgCOD/m3·d停留时间、曝气量、运行费用停留时间较常规工艺短，曝气量少、运行费用低曝气量大、运行费用较高结构形式塔式钢结构钢筋混凝土排气方式罐体密闭便于收集敞口排放技术特点1.生物易于驯化培养VTBR反应器生物驯化无需特殊菌种接种，只需要城市污水厂污泥接种驯化即可，接种污泥易于取得，购买成本低；驯化技术简单、时间较短，再补充适量的营养盐和提供相应的温度和微生物生长条件即可完成驯化；驯化不易因受到冲击而破坏，附着于弹性填料上的生物群落分别经历调整期、对数期、稳定期和衰亡期；受到冲击的生物快速死亡，同时未被冲击和适应冲击的生物快速调整，可迅速恢复稳定的生物群落量。目前，能达到VTBR塔生物反应器生物量的颗粒污泥法在污泥驯化和培养方面，驯化难度大，时间长，接种污泥难获得，且成本非常高，更重要的是颗粒污泥生长条件苛刻，稍有变化就会造成颗粒破裂甚至死亡，即便是实验室培养都是一个技术难题。2.单位体积生物量多，确保反应效果高浓度有机污水降解时，充足的生物量是确保生化反应效果的必要条件，在对高浓度有机废水处理时，必须选择单位体积生物量大的生物反应体系。VTBR塔因其固定膜生物反应器结构，确保了单位体积生物量。塔内固定直径为120mm的弹性生物填料，填料间的中心距是100mm，填料间相互交叉，使塔内全部空间充满填料，每根填料生长一层2mm左右的生物膜，使单位容积生物量高达10克/立升，相应的容积厌氧脱除负荷升高到10-15公斤/立方米·天和好氧脱除负荷达到5-10公斤/立方米·天。技术特点（1）微生物内源呼吸作用使污泥减量在VTBR塔内，微生物附着在固定弹性填料载体上，在每一个载体的表面形成一层微生物膜，由于生物膜生长条件不同，在膜表面从内之外依次生长着厌氧微生物、缺氧微生物和好氧微生物。微生物的厌氧状态等同于污泥消化的厌氧过程，即生物的内源呼吸作用，无需外部能量，微生物自身消化，厌氧微生物完成消化作用后，自身消解掉，缺氧微生物又转换为厌氧微生物，这样里层的微生物消化掉，外层微生物向内转化，新的微生物又开始生长，维持塔内的高生物量，同时实现了污泥减量。填料表面微生物的自消化，可使污泥减量为普通活性污泥法的40%~80%。3.减少污泥排放量（2）污泥回流再消化使污泥减量由于VTBR塔连接灵活多变，设计时考虑污泥产量大需要减量时，可以使污泥回流，即将二沉池的污泥按比例重新输送至生化反应前，使污泥再次经过生化作用，将污泥中未被降解但随污泥一起排放的有机物再次被生物作用而降解。污泥回流一方面可以补充酸化水解池内微生物的量，一方面也可以大大减少污泥的产量。污泥回流同内源呼吸共同作用可是使污泥减量为悬浮性污泥生物反应法的80%左右。回流降低原水进水浓度：虽然进水为7万多的COD,但实际反应器中污染物的浓度远远小于此值,有效降低了浓度的影响。同时对浓度变化具有缓冲作用,使生化反应器进水浓度更加稳定。技术特点4.节省营养盐投加量污水处理时对于微生物生长必须的营养成分氮和磷的补充是必须的。VTBR塔内的固定膜结构，使微生物在膜表面进行内源呼吸作用而自身消解，污泥消解使氮磷释放的水体中，可以再次被微生物利用，形成了氮磷营养的内部循环使用，仅需要适当补充即可满足微生物生长。本工艺中氮磷的补充量分别为正常用量的0.5和0.2倍。5.沼气产量大，经济效益高污泥成分主要是有机化合物,污泥减量化的目标产物是沼气。本技术沼气产量比常规工艺较大技术特点6.厌氧尾气无需动力收集，节省投资及运行成本VTBR塔均为密闭串联结构，有利于尾气的集中收集、处理、排放；厌氧VTBR塔，塔顶部有2-3m水柱的压力，常规的沼气燃烧罐需要压力只有10kPa，厌氧塔内产生的沼气可以依靠塔顶的压力自动输送至沼气储罐或沼气燃烧炉，这样可以减少因沼气输送必须配套的收集和输送装置，即减少了一次投资和运行成本。

VTBR塔均为串联结构，前一级塔产生的尾气可进入下一级塔进行再处理，较常规工艺整个污水处理场区操作环境大大改善，此设计有利于污水处理厂的员工身体健康和安全，有利于厂区的环境美化。气体表观流速小于0.8m/s时，VTBR塔内气液两相的流型均为鼓泡流流型，与液体的表观流速无关。气体的表观流速大于0.9m/s，液体表观流速小于0.05m/s时，VTBR塔内气液两相的流型进入股流流型区。液体的表观速度大于0.05m/s时，随着气速的增大，直接进入喷射流流型区。VTBR的流型特征

无气流时VTBR反应器内的压力降气液并流时VTBR内的压力降VTBR氧传递特性与容积负荷

氧利用率COD去除率氧传质系数

氧的利用效率80-90%;COD去除率90%以上;最高去除负荷为11kgCOD/m3·d容积负荷VTBR反应器处理典型化工废水的性能煤制气废水处理一级VTBRCOD去除率二级、三级VTBR去除率化纤废水处理COD色度九、VTBR的研究过程过程1过程3过程2过程4十、VTBR的工业化应用实例十、VTBR的工业化应用实例江苏常隆化工有限公司废水处理工程VTBR生化塔大连理工大学环境工程设计研究院十、VTBR的工业化应用实例山西潞安煤基合成油