一种上流式厌氧污泥床反应器及废水处理方法与流程

本发明属于污水处理装置技术领域，特别涉及一种上流式厌氧污泥床反应器及废水处理方法。

背景技术：

近年来，我国规模化、集约化畜禽养殖业迅速发展，但同时所排放出的大量粪尿和冲洗废水大部分未经妥善处理而直接排放，使得畜禽养殖业已经成为水体生态污染的主要污染源。氨氮是水体环境中最丰富的含氮化合物，同时也是水体受到污染的重要指标，水体中氨氮含量超标会消耗水中的溶解氧引起富营养化现象，水体中藻类大量繁殖，致使水生生态系统紊乱，水生生物品种多样性受到破坏，从而对人类及整个生态环境造成严重危害。因此，控制水体氮素污染已成为目前急需解决的重大问题。

目前国内养殖废水的主要处理方式包括物化法、还田法、自然处理法和工业化处理法，其中物化处理法主要是进行养殖废水的预处理，例如固液分离、吸附、混凝沉淀等；还田法是将废水中的污染物作为养分进入自然界的物质循环中，该方法经济有效，但是十分容易造成环境问题，若还田过量时容易造成重金属的沉积，使污染物渗入到地下水层，还有滋生蚊虫等问题；自然处理法是利用自然水体及土壤中的微生物来净化的方法，包括氧化塘、人工湿地等，缺点是容易受到外界因素的影响，并且占地的面积大，容易对地下水造成污染；工业化处理模式主要包括好氧处理、厌氧处理、好氧-厌氧组合工艺，近年来工业化处理技术发展的主要方向是微生物反应器，优点是处理能力强，占地小，成本费用低，经济效益高。

厌氧氨氧化即在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌(anammox菌)以nh4⁺为电子供体，以no2^-为电子受体，将二者同时转化成氮气，从而实现生物脱氮。生物脱氮过程的反应式如下：nh4⁺+1.32no2^-+0.066hco3^-+0.13h⁺→1.02n2+0.26no3^-+0.066ch2o0.5n0.15+2.03h2o。厌氧氨氧化是新型的生物脱氮技术，和传统的生物脱氮技术相比具有无需曝气、无需外加碳源、降低剩余的污泥量、容积效能高等优点，对解决高氨氮浓度废水生物降解性差的问题具有重要的意义。随着厌氧氨氧化工艺的日渐成熟，以厌氧氨氧化为主体的工艺已经应用在欧洲和亚洲的10多个国家，部分已经实现了产业化应用，并取得了良好的效果，在我国也逐渐开展了与厌氧氨氧化处理工艺相关的工程。利用上流式厌氧污泥床反应器(uasb)富集anammox菌是近几十年来许多学者研究的热点，但是由于anammox菌生长迟缓，倍增时间长(10-12d)，从而导致反应器启动时间长，一般都超过120d，是限制厌氧氨氧化处理工艺大规模应用的最主要因素。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能缩短反应启动时间，提高处理污水效能的上流式厌氧污泥床反应器及废水处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种上流式厌氧污泥床反应器，包括反应器筒体和连通于反应器筒体上端的三相分离器，所述反应器筒体的侧壁上设有环形保温腔，所述反应器筒体的内腔从下至上包括布水区和污泥床反应区；所述污泥床反应区内设有填料，所述填料为纤维棉球或负载维纶丝的聚乙烯骨架；所述反应器筒体的下端连接有用于将所述上流式厌氧污泥床反应器竖立于地面的支撑座。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述支撑座包括套环和与套环固定连接的支撑体，所述反应器筒体的底部设有限位板，所述套环套设于反应器筒体上并与限位板粘接。

所述反应器筒体上还设有入水口、循环水入口和循环水出口，所述入水口与反应器筒体的内腔相连，所述入水口设于反应器筒体的下端；所述循环水入口和循环水出口与环形保温腔相连；所述三相分离器设有出水口。

所述反应器筒体的底部设有排空口，所述排空口从所述限位板中穿出。

所述反应器筒体的污泥床反应区还设有多个采样口。

多个采样口等间隔布置。

所述布水区的长度为50mm，所述污泥床反应区的长度为800mm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种废水处理方法，在上述的上流式厌氧污泥床反应器外部裹上避光材料，环形保温腔内通入循环水，并在污泥床反应区内接种污泥，废水由布水区进入，经污泥床反应区上流至三相分离器进行气、水和泥的分离。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述循环水的温度为32±1℃，所述废水的ph为7.7～8.2，所述废水在上流式厌氧污泥床反应器内的停留时间为48h。

所述污泥为废水处理厂二沉池污泥与猪场沉淀池兼性活性污泥组成的混合物，所述废水处理厂二沉池污泥与猪场沉淀池兼性活性污泥的质量比为1∶1。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的uasb反应器，污泥床反应区内设置两种填料：毛线球串空心球或聚乙烯骨架负载维纶丝，具有促进厌氧氨氧化菌富集的作用，从而可以缩短反应器启动时间；并且还具有提高uasb反应器脱氮性能的优点，为厌氧氨氧化技术应用于养殖废水处理奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的上流式厌氧污泥床反应器的结构示意图。

图2为启动初期对比例、实施例1、实施例2(3号)的上流式厌氧污泥床反应器内活性污泥sem对照图；其中，1图为对比例1，2图为实施例2，3图为实施例2。

图3为提负荷前期对比例、实施例1、实施例2(3号)的上流式厌氧污泥床反应器内活性污泥sem对照图；其中，1图为对比例1，2图为实施例1，3图为实施例2。

图4为负荷提高期对比例、实施例1、实施例2(3号)的上流式厌氧污泥床反应器内活性污泥sem对照图；其中，1图为对比例1，2图为实施例1，3图为实施例2。

图例说明：1、反应器筒体；11、布水区；12、污泥床反应区；2、三相分离器；3、环形保温腔；4、填料；5、支撑座；51、套环；52、支撑体；6、限位板；7、入水口；8、循环水入口；9、循环水出口；10、出水口；13、排空口；14、采样口。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例的上流式厌氧污泥床反应器，包括反应器筒体1和连通于反应器筒体1上端的三相分离器2，反应器筒体的1侧壁上设有环形保温腔3，反应器筒体1的内腔从下至上包括布水区11和污泥床反应区12；污泥床反应区12内设有填料4，填料4为纤维棉球；反应器筒体1的下端连接有用于将上流式厌氧污泥床反应器竖立于地面的支撑座5。

本实施例中，支撑座5包括套环51和与套环51固定连接的支撑体52，反应器筒体1的底部设有限位板6，套环51套设于反应器筒体1上并与限位板6粘接。

本实施例中，反应器筒体1上还设有入水口7、循环水入口8和循环水出口9，入水口7与反应器筒体1的内腔相连，入水口7设于反应器筒体1的下端；循环水入口8和循环水出口9与环形保温腔3相连；三相分离器2设有出水口10。

本实施例中，反应器筒体1的底部设有排空口13，排空口13从限位板6中穿出。

本实施例中，反应器筒体1的污泥床反应区12还设有多个采样口14。

本实施例中，多个采样口14等间隔布置。

本实施例中，布水区11的长度为50mm，污泥床反应区12的长度为800mm。

实施例2：

本实施例的上流式厌氧污泥床反应器结构与实施例1基本相同，其不同点在于：填料4为负载维纶丝的聚乙烯骨架。

对比例1：

本对比例的上流式厌氧污泥床反应器结构与实施例1基本相同，其不同点在于：不包括填料。

将对比例(1号)实施例1(2号)、实施例2(3号)的上流式厌氧污泥床反应器的进行废水处理对比试验如下：

在1号、2号和3号的uasb反应器的污泥床反应区12中接种相同的混合污泥，混合污泥具体为废水处理厂二沉池污泥和猪场沉淀池兼性活性污泥(二者质量比为1∶1)；在反应器外部裹上厚度为1cm的黑色保温材料进行避光，防止光对anammox菌的影响。环形保温腔3内加循环水控制污泥床反应区12温度为32±1℃，同时起到保温作用；用khco3调节模拟废水的进水ph在7.7-8.2之间，由蠕动泵设置水力停留时间为48h，模拟废水进入布水区11，经污泥床反应区12上流至三相分离器2，气、水、泥混合物由三相分离器2分离，出水流至排水口由橡胶管排出，气孔用气球封住，使uasb反应器内部处于严格缺氧环境。每天取每个uasb反应器的进水及出水检测常规指标，分别在启动初期、提负荷前期、负荷提高期三个阶段取每个uasb反应器内的污泥进行理化性质测定，分析三个uasb反应器的脱氮性能以及厌氧氨氧化活性。

1、厌氧氨氧化菌eps测定结果如表1所示：

表1不同阶段污泥中eps含量

eps是厌氧氨氧化细菌聚合体的重要成分，单位是mg/gvss。cirpusetal^[28]报导道：厌氧氨氧化细菌富含eps，且自然生长在由这些细菌细胞和eps组成的聚合体当中，pn(蛋白质，单位mg/gvss)和ps(多糖，单位mg/gvss)是eps的主要成分。eps可以影响污泥的表面电荷和能量，进而影响其吸附和粘附作用，所以eps的物质构成对污泥的颗粒化具有重要作用。此外，pn/ps可以影响到污泥的沉降性；而具有优良沉降性的污泥的pn/ps值大约在2～6范围内变化^[29]。在本次实验中所得到的结果是，在提负荷前期和负荷提高期时，1号反应器的eps从39.84下降到37.74，pn/ps从46.74下降至19.17；2号反应器的eps从38.19上升至51.12，增加了34％，pn/ps从40.94下降为13.61；3号反应器的eps从33.18上升到57.89，增加了49％，pn/ps从34.90下降到16.28，说明三个反应器内泥的沉降性能得到很大的提高，但是污泥还未完全颗粒化(pn/ps都大于6)。在负荷提高期，2号和3号的eps都高于1号，说明富集的菌体数量更多，pn/ps均低于1号，说明泥沉降性更高。综上所述，2号和3号的菌体富集情况及泥沉降性能都优于1号，可以认为本发明的两种填料具有促进厌氧氨氧化菌富集的作用，并能加速颗粒污泥的形成。

2、厌氧氨氧化菌酶活测定结果如表2

表2不同阶段联氨脱氢酶酶活表

在厌氧氨氧化细菌胞内，几个关键的酶催化氨氮转化为氮气，如硝酸还原酶(nar)、亚硝酸还原酶(nir)、肼合成酶(hzs)和联氨脱氢酶(hdh)，酶活的增强显示出有更多的atp合成及厌氧氨氧化菌分解代谢的加强，关键酶的催化作用及能量代谢的提升引起物质代谢的加快，促进更多底物的利用，如氨氮和亚硝酸。本次实验检测的是联氨脱氢酶(hdh)，该酶的活力在三个反应器运行过程中都呈增高的趋势，1号反应器在提负荷前期时hdh的活性仅9.03μmol/g.protein/min，负荷提高期时活性高达579.24μmol/g.protein/min，2号反应器在提负荷前期时hdh的活性就已高达366.23μmol/g.protein/min，在负荷提高期活性也增加到754.24μmol/g.protein/min，3号反应器在提负荷前期时hdh的活仅有59.46μmol/g.protein/min，负荷提高期时活性高达621.12μmol/g.protein/min，最终hdh酶活性大小为2号＞3号＞1号。从实验结果可以看出，在实验结束前期2号反应器内的酶活最高，对比无填料的1号反应器，2号与3号都具有促进hdh酶活力的作用，说明两种组合填料均对hdh酶活性具有积极的促进作用，因此，添加组合填料有助于提高uasb反应器的脱氮能力。

3、比厌氧氨氧化活性(saa)测定结果如表3：

表3比厌氧氨氧化活性(saa)结果

比厌氧氨氧化活性是基质消耗速率与污泥浓度的比值，反映污泥降解氮素能力的大小，活性越高，降解速率越大，单位为mg-tn/g-vss/h。分别在提负荷前期和负荷提高期时取三个反应器中的混合污泥进行比厌氧氨氧化活性的测定，各反应器内saa的结果如表6所示，三个反应器的saa都呈现出升高的趋势，1号反应器从0.55增加到1.12，增长51％；2号反应器从0.61增加到2.17，增长72％；3号反应器从0.92增加到2.70，增加长66％。结合saa值以及增长百分比来看，1号反应器的saa值最小，增长最慢，2号反应器saa小于3号，但是增长速度最快，说明2号和3号反应器的saa都高于1号，进而降解氮素的能力高于1号，可以认为添加组合填料有助于提高污泥的saa。

4、活性污泥形态分析：

进一步采用电镜扫描对反应器内不同时期的污泥进行观察(如图2至图4)，在启动初期，如图2所示，接种的污泥呈现为有层次感的鳞片状，表面较为粗糙，有较多的孔隙，有少量的菌体附着。在提负荷前期，如图3所示，三个反应器的泥样都发生了相同的变化，原本层次分明的鳞片边缘变得柔和，整体由块状开始向团状转变，说明经过初期培养，污泥开始产生变化，暂未出现明显差异。在负荷提高期，如图4所示，三个反应器内的泥样已经呈现出比较明显的差异，1号反应器同提负荷前期没有太大的变化，2号和3号都呈现出了蓬松多孔的团状形态，且2号比3号团状更多，3号还存在较多的鳞片状，因此就污泥形态来看，2号优于3号，1号相对较差，这说明所选的组合填料对厌氧氨氧化颗粒污泥的形成具有促进作用，并且纤维棉球组合填料比负载维纶丝的聚乙烯骨架组合填料的作用更加明显。

综上所述，根据厌氧氨氧化活性比较，发现2、3号反应器内富集的菌体数量多，厌氧氨氧化活性更高，降解氮素的能力优于1号。说明两种填料：纤维棉球(2号反应器)及负载维纶丝的聚乙烯骨架(3号反应器)具有促进厌氧氨氧化菌富集的作用，从而可以缩短反应器启动时间；并且还具有提高uasb反应器脱氮性能的优点，为厌氧氨氧化技术应用于养殖废水处理奠定了基础。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。