一种UASB‑ANAMMOX反应器的制作方法

本发明涉及UASB反应器的设计和厌氧氨氧化过程的启动和运行，具体是通过改进UASB反应器，在反应器底部加入混合活性污泥，逐步将污泥驯化成厌氧氨氧化活性污泥，在进水中加入NH₄⁺-N和NO₂^--N，通过污泥的厌氧氨氧化作用将这两种基质去除，并在此过程中启动UASB-ANAMMOX反应器。

背景技术：

UASB(升流式厌氧污泥反应器)反应器是第二代厌氧反应器，主要包括进水和配水系统、反应器的池体(污泥区和沉淀区)和三相分离器这几个部分，可以将固体停留时间和水力停留时间分离，能保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，并注重培养颗粒污泥，属高负荷系统。但大多数的UASB反应器在处理固体悬浮物浓度较高的废水时易引起堵塞和短流。同时，初次启动和形成稳定颗粒污泥用时较长。此外，三相分离器的作用在于实现污泥、水、气的分离，是反应器构型的关键部分，还需要设计合理的三相分离器专利技术。

目前对UASB反应器的改良主要有以下几个方面：

(1)追求高效率的处理能力，提高污水与污泥间的传质。现行UASB反应器的设计参数V_r值与颗粒污泥形成所要求的条件不相符。通过三相分离器的强化，满足了高浓度厌氧污泥的条件，但是反应器内的污泥以絮状污泥为主和浮渣量大。改良UASB反应器可使厌氧微生物与废水最大程度的接触，避免了反应器形成短流和死角，从而使反应器获得较高的容积负荷，减少了浮渣问题，废水在更短的HRT下得以处理。

(2)扩大适用范围，有利于设备系列化开发。传统的厌氧生物技术在处理某种高浓度有机废水方面已取得了很大的成功，但是反应器型式对应于各种高浓度有机废水的设计数据应不同。比如实际过程中处理淀粉废水和处理啤酒废水的UASB反应器各部位流速关系不同，池型变化较大。经济、有效的适应多种浓度污水的通用设备是人们关心的新领域，这也为厌氧反应器的发展开辟了新的空间。

(3)缩短启动时间。由于厌氧微生物世代时间长且自身增殖缓慢，厌氧反应器从开始启动到退到稳定处理效果所用时间较好氧处理工艺长的多，从而限制了厌氧生物技术在一些方面的应用。改良UASB反应器选择合适的接种污泥、适当的内循环和启动方案对缩短厌氧反应器启动时间有很大帮助。

(4)耐冲击负荷。在内循环的作用下，有效的减少水力冲击和有机物负荷冲击所带来的不利影响，使厌氧系统对不良因素(如毒性物质)的适应性大为提高，强化了厌氧技术在处理难降解物质和毒性物质方面的优势。

ANAMMOX工艺是一种新型生物脱氮工艺，是在厌氧条件下以NH₄⁺作电子供体、NO₂^-为电子受体，从而产生氮气的生物脱氮过程。其反应式如下：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.0066HCO₃^-+0.13H⁺→0.0066CH₂O_0.5N_0.15+1.02N₂↑

+0.26NO₃^-+2.03H₂O (1)

式中，CH₂O_0.5N_0.15为ANAMMOX菌的细胞分子式(经验式)。

ANAMMOX工艺由于其相对于传统生物脱氮工艺具有无需有机碳源、无需曝气、运行成本低的特点，因此具有很大的潜力。在实际应用过程中由于其生物倍增时间长达11d，ANAMMOX生物反应器的启动需要3个月甚至数年的时间，且ANAMMOX菌对环境条件敏感，运行过程中易受外界条件的影响，导致运行过程中的不稳定，严重制约了ANAMMOX工艺的应用推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过对UASB反应器构型的改良，在厌氧氨氧化的启动过程中加快厌氧氨氧化反应器的启动，提高反应器脱氮的效能，同时通过填料隔层和设计得三相分离器实现良好的污泥、水、气的分离，减少反应器的堵塞，增强反应器的稳定性和抗负荷能力。

为达到上述发明目的，本发明采取了如下技术方案：

一种UASB-ANAMMOX反应器，包括进出水系统，反应器筒体，气体缓冲瓶，所述的反应器筒体从下往上包括污泥区、填料层、沉淀区、三相分离器、气室，所述气体缓冲瓶连接气室顶部的排气管，所述进出水系统包括连接三相分离器的出水口及出水桶、依次连接污泥区的进水口、蠕动泵、进水桶，所述的三相分离器包括若干设置在反应器筒体内的漏斗形反射锥，所述反射锥与反应器筒体内壁之间以及相邻反射锥之间设置有连通气室的气体通道，所述反射锥底部的开口处设置有分流块，所述反射锥的顶部设置有连接出水口的出水槽，相对于传统的三相分离器的设计，本方案的三相分离器在构型上的简化减少了设计时间和成本。

进一步地，所述反射锥内垂直设置有伸出所述反射锥顶部的导流板，所述导流板与所述反射锥的垂直内壁之间设置有连通气室的气体通道。

进一步地，位于所述填料层和沉淀区的反应器筒体外包裹有用于调节反应温度的恒温水浴层。

进一步地，所述的填料层内填充有密度为18-32kg/m³、且在污泥中浸泡一定时间的多孔填料。填料选用多孔、密度较低的材料，填料将为微生物提供附着的表面，在水中也不会占用太多的有效容积，这样的意义在于在保持反应器具有一定有效容积的同时，也加大反应区内生物量和生物反应的面积，以此加强反应器的处理效果和反应器的负荷，在进水基质浓度过高的同时也会有一定的抗冲击负荷的能力。

进一步地，所述的多孔材料包括无纺布、海绵、聚乙烯醇凝珠、生物质炭。

进一步地，所述的污泥区、填料层、沉淀区、三相分离器均设置有取样口。

进一步地，还包括对反应器筒体进行避光处理的黑布。

进一步地，所述的三相分离器的材料为有机玻璃。

进一步地，所述的污泥区与填料层之间设置有多孔的有机玻璃隔板。

先对于现有技术本发明具有的优点：

针对UASB反应器的改良，许多研究者通过将污泥与填料混合，以此为微生物提供更多的生长的载体，然而在实际过程中却容易造成堵塞的问题，本发明将填料与污泥区分离开来，污泥区的上部的填料能够起到一定去除基质的作用，也能吸收上浮的污泥，而通过填料层上浮到三相分离器的污泥，则会被有机玻璃挡板惯性力的阻隔作用而拦截，进而下沉到填料区或是污泥区，而从污泥区产生的气体则会对填料区的部分污泥有吹脱的作用，三相分离器在构型上的简化减少了设计时间和成本。

附图说明

图1：ANAMMOX-UASB反应器结构示意图。

图2：UASB反应器内三相分离器结构示意图。

图3：UASB反应器对NH₄⁺-N的去除效果图。

图4：UASB反应器对NO₂^--N的去除效果图。

图5：UASB反应器内NO₃^--N的变化趋势图。

图中所示为：1-排气管；2-气室；3-三相分离器；4-沉淀区；5-填料层；6-污泥区；7-进水口；8-蠕动泵；9-进水桶；10-恒温水浴层；11-气体缓冲瓶；12-导流板；13-出水槽；14-反射锥；15-出水口；16-出水桶；17-分流块。

具体实施方式

以下结合说明书附图来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

如附图1和图2所示，一种UASB-ANAMMOX反应器，包括进出水系统，反应器筒体，气体缓冲瓶11，所述的反应器筒体从下往上包括污泥区6、填料层5、沉淀区4、三相分离器3、气室2，所述气体缓冲瓶11连接气室2顶部的排气管1，所述进出水系统包括连接三相分离器3的出水口15及出水桶16、依次连接污泥区6的进水口7、蠕动泵8、进水桶9，所述的三相分离器3包括若干设置在反应器筒体内的漏斗形反射锥14，所述反射锥14与反应器筒体内壁之间以及相邻反射锥14之间设置有连通气室2的气体通道，所述反射锥14底部的开口处设置有分流块17，所述反射锥14的顶部设置有连接出水口15的出水槽13，所述的填料层5内填充有海绵。

所述反射锥14内垂直设置有伸出所述反射锥14顶部的导流板12，所述导流板12与所述反射锥14的垂直内壁之间设置有连通气室2的气体通道。

位于所述填料层5和沉淀区4的反应器筒体外包裹有用于调节反应温度的恒温水浴层10。

所述的污泥区6、填料层5、沉淀区4、三相分离器3均设置有取样口。

还包括对反应器筒体进行避光处理的黑布。

所述的三相分离器3的材料为有机玻璃，所述的污泥区6与填料层5之间设置有多孔的有机玻璃隔板，使填料层5内的调料始终处于预定区域内。

本实施例设计反应器污泥区6为25cm，污泥为亚硝化污泥，厌氧絮状污泥和厌氧颗粒污泥的混合污泥，污泥颜色为褐色，添加量为1.06L，污泥区6上部添加有机玻璃隔板，将污泥和填料混合浸泡2h后，将填料添加在隔板上方，填料体积约为0.5L，填料区高度20cm，将反应器密闭，同时包裹黑布避光。反应器进水为实验室配水，配水基质为氯化铵和亚硝酸钠，以碳酸氢钠为碳源，HRT(HRT是Hydraulic Retention Time的缩写，即水力停留时间，指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间)控制在6-12h，在常温下启动并运行该反应器。

实施过程中，首先取亚硝化污泥、厌氧絮状污泥、厌氧颗粒污泥，然后按照3:1:1的比例加以混合，混合后加入反应器底部的污泥区，将隔板嵌在污泥区上部，将填料与污泥混合一段时间后将填料投入，接着将反应器密闭，并用黑布做避光处理，实验室配水分别加入一定浓度的氯化铵和亚硝酸钠，同时加入碳酸氢钠以提供厌氧氨氧化菌无机碳源。进水c(NO₂^--N)/c(NH₄⁺-N)＝1.1-1.3，初始NH₄⁺-N浓度为40mg/L，随着氨氮及亚硝态氮的去除提升NH₄⁺-N和NO₂^--N的浓度。

实施效果

进出水NH₄⁺-N浓度如附图3所示，进出水NO₂^--N浓度如附图4所示，从图中可以看出，在开始进水后的0-13d，出水的NH₄⁺-N浓度要大于进水，且不稳定，出水的NO₂^--N浓度则是明显小于进水，0-13d内去除率逐渐降低，通过变化趋势可以看出反应器内污泥处于适应阶段，部分微生物发生溶胞作用使有机氮分解成氨氮，因此出水氨氮浓度增加，而同时由于污泥内残留的有机质和少量溶解氧的存在，反应器内发生反硝化作用，将亚硝态氮还原成氮气。13-20d反应器进水的NH₄⁺-N和NO₂^--N的浓度与出水基本持平，反应器还处于迟滞阶段，同时NO₂^--N的浓度增加代表了反应器内亚硝酸根离子的积累，这也是ANAMMOX反应器启动的关键过程。同时从附图3中，可以看到，从第20d开始，出水中的NO₃^--N的浓度明显增加，这是反应器内开始出现ANAMMOX反应的标志，20-27d的时间里，在保持氨氮及亚硝态氮进水浓度基本稳定的情况下，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N随着启动的进行不断减少，从第27d开始，逐渐提高进水NH₄⁺-N和NO₂^--N的浓度，开始进入反应器的负荷提升阶段。

经过前面的适应阶段之后，在负荷提升阶段，反应器对基质浓度的提升表现出了一定的抗冲击能力，出水的NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度一直维持在较低的水平，在第59d和78d这两个时间点面对反应器进水负荷的大幅提升，反应器的基质去除率没有出现过大幅度的波动，也在短时间内回到之前的去除率，这也反应器在构型上的抗冲击能力，在负荷提高阶段，氨氮的去除率一直稳定在50％以上，而亚硝氮则受负荷提升的影响相对较大，在第30d，NO₂^--N去除率因为基质浓度提升而降至20％以下，而在5d后达到50％，这也体现反应器的恢复能力。在第71-83d，NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均达到90％以上，同时观察反应器内的污泥区，出现大量浅红色颗粒污泥，在第83d，NH₄⁺-N去除率在98％以上，NO₂^--N去除率在92％以上，总氮去除率达到81.7％，NLR为0.332kg/m³/d，三氮浓度变化比值逐渐趋向固定值，氨氮减少量：亚硝态氮减少量：硝态氮生成量＝1:1.3:0.26，与目前公认的ANAMMOX反应反应式十分吻合，因而反应器内主导反应为厌氧氨氧化反应，因此认定ANAMMOX反应器启动成功。通过对比其他ANAMMOX反应器的启动过程，在恒温条件下大概需要三个月到半年的启动时间，因此本发明在常温条件下实现了ANAMMOX反应器的快速启动，且启动过程中具备了一定的抗冲击负荷的能力。

图5中的NO₃^-是ANAMMOX反应的产物之一，实验中常用于衡量ANAMMOX反应的化学计量比值。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。