本发明涉及废水处理，具体为基于复合功能材料的膨胀颗粒污泥床反应器及其运行方法。
背景技术：
1、在废水处理领域，氮和磷的去除是关键环节，因为它们是导致水体富营养化的主要营养元素。传统的生物脱氮技术，如活性污泥法，通常涉及硝化和反硝化过程，这些过程能耗高、运行成本大，并且需要额外的有机碳源。厌氧氨氧化技术作为一种新兴的废水处理技术，能够在无需额外有机碳源的情况下，将氨氮和亚硝酸盐氮直接转化为氮气，显示出更高的能源效率和成本效益。
2、然而，厌氧氨氧化工艺在实际应用中面临一些挑战，尤其是颗粒污泥的稳定性和再生能力。颗粒污泥的稳定性对于保持反应器的高效运行至关重要，而其再生能力则关系到反应器的长期稳定性和操作的可持续性。在厌氧氨氧化egsb(expanded granularsludge bed)反应器中，颗粒污泥的性能受到多种因素的影响，包括微生物种群的结构、颗粒的物理结构以及化学组成。
3、尽管已有研究对厌氧氨氧化颗粒污泥的微生物学和生物化学特性进行了探讨，但对于颗粒的形成、生长和再生机制的理解仍然有限。特别是，对于颗粒内部的微观结构和化学组成如何影响其性能，以及如何通过调控这些因素来优化颗粒污泥的稳定性和再生能力，目前尚缺乏深入的研究。
4、此外，磷的回收作为废水处理的另一个重要目标，通常需要额外的化学沉淀过程，这增加了操作的复杂性和成本。如果能将磷回收与氮去除过程整合，将大大提高废水处理的效率和经济性。羟基磷灰石(羟基磷灰石)作为一种重要的磷回收材料，已被广泛研究用于磷的化学沉淀。然而，将羟基磷灰石与厌氧氨氧化颗粒污泥结合，实现氮和磷的同步去除与回收，仍然是一项挑战。
5、综上所述，厌氧氨氧化-羟基磷灰石耦合颗粒在egsb反应器中展现出了氮和磷的高效去除能力。然而，为了进一步提升其在复杂废水处理环境中的适应性和稳定性，需要开发新型复合材料，以增强其物理、化学和生物性能。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供基于复合功能材料的膨胀颗粒污泥床反应器及其运行方法，通过将厌氧氨氧化-羟基磷灰石耦合颗粒与其他功能性材料复合，以提高其在废水处理中的氮磷去除效率和稳定性。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、基于复合功能材料的膨胀颗粒污泥床反应器，包括反应器主罐体，反应器主罐体底部设有输入布水机构，反应器主罐体内设有三相分离机构，反应器主罐体上设有回流机构；
4、输入布水机构包括固定在反应器主罐体外侧下端且为环形中空的布水汇总输入环壳，反应器主罐体侧壁上具有多个与布水汇总输入环壳相连通的布水输入通槽，布水输入通槽内设有布水输入导向管；
5、反应器主罐体顶部固定有与其相连通的旋流气液分离器，旋流气液分离器的气相输出端连接有沼气收集装置，旋流气液分离器的液相输出端连接有反应器总排水管；
6、三相分离机构包括固定在反应器主罐体内的三相分离支撑体，三相分离支撑体上具有多个竖直贯通的三相分离容纳孔，三相分离容纳孔中固定有三相分离器；
7、三相分离器包括开口朝下的三相分离器外筒壳，三相分离器外筒壳内固定有多个导流折返环壳和导流集气锥壳；
8、导流折返环壳下侧边缘与三相分离器外筒壳内侧壁固定相连，导流集气锥壳下侧边缘与三相分离器外筒壳内侧壁之间具有间隙形成折返液相上升通道，导流集气锥壳顶部固定有与其内部相连通的集气外排管；
9、导流折返环壳下侧边缘处具有多个竖直贯通的固相下落通槽；
10、三相分离器外筒壳顶部固定有多根与其内部相连通且竖直延伸的液相外排管；
11、三相分离器外筒壳顶部固定有集气汇总管，各集气外排管均与集气汇总管相连通。
12、优选地，布水输入导向管通过导向偏转调节机构与反应器主罐体侧壁相连，导向偏转调节机构包括固定在布水输入导向管上下两侧且同轴竖直延伸布置的偏转调节支撑轴，反应器主罐体处于布水汇总输入环壳内的外侧壁上固定有偏转调节支撑座，每个布水输入通槽处的上下两侧各固定有一个偏转调节支撑座，偏转调节支撑座上具有竖直延伸的偏转调节轴连接孔，偏转调节支撑轴转动连接在偏转调节轴连接孔中。
13、说明：利用导向偏转调节机构能够对布水输入导向管的朝向进行调节，偏转调节支撑轴由固定在偏转调节支撑座上的现有技术的伺服电机通过齿轮传动驱动绕竖直轴线转动，偏转调节支撑轴进而带动布水输入导向管一起转动，实现对布水输入导向管的朝向调节。
14、优选地，反应器主罐体内底部固定有布水输入导流锥体，布水输入导流锥体外侧面为内凹的锥面结构，布水输入导流锥体外侧面固定有多片布水输入导流板；
15、布水输入导流板分为螺旋导流段和竖向导流段，螺旋导流段绕布水输入导流锥体的竖直轴线螺旋延伸布置，竖向导流段沿竖直平面延伸布置。
16、说明：布水输入导流锥体以及多片布水输入导流板的导流作用下，能够使反应器底部布水均匀，使废水均匀地分布在反应器的横截面上，避免出现局部水流短路或死区，保证了反应器内各部位的颗粒污泥都能与废水充分接触。
17、优选地，导流折返环壳内侧壁和外侧壁均固定有多片微旋流导流片，微旋流导流片绕导流折返环壳的竖直轴线螺旋延伸布置。
18、说明：微旋流导流片能够迫使流经导流折返环壳的废水产生微旋流，有利于进一步促进固液分离。
19、优选地，回流机构包括多根与反应器主罐体内部相连通的回流初始外排管，布水汇总输入环壳顶部固定有多根与其内部相连通的回流混合输入管，多根回流初始外排管与多根回流混合输入管之间通过多个回流输送泵一一对应相连通；
20、反应器主罐体外侧壁具有多个内外相通的回流初始管连接孔，多根回流初始外排管一一对应密封滑动连接在各回流初始管连接孔中；
21、反应器主罐体外侧固定有多个开口斜上的回流管驱动固定筒，回流管驱动固定筒外侧滑动连接有开口斜下的回流管驱动滑动筒，多根回流初始外排管一一对应与各回流管驱动滑动筒固定相连，回流管驱动固定筒内设有用于驱动回流管驱动滑动筒移动的回流管驱动伸缩杆；
22、回流初始外排管与回流输送泵的输入端相连通，回流混合输入管与回流输送泵的输出端相连通。
23、说明：利用回流管驱动伸缩杆驱动回流管驱动滑动筒连同回流初始外排管一起沿回流管驱动固定筒的轴线移动，调节回流初始外排管处于反应器主罐体内一端的具体位置，进而调节回流的水质，以实现不同的废水处理效果。
24、优选地，反应器主罐体内设有温控机构，温控机构包括固定在反应器主罐体内且竖直延伸的温控调节支撑环，温控调节支撑环的侧壁内部为中空结构，温控调节支撑环的侧壁内部固定有绕温控调节支撑环轴线螺旋延伸的温控通道隔板，温控通道隔板将温控调节支撑环的侧壁内部分割成一条绕温控调节支撑环轴线螺旋延伸的温控流通通道；
25、温控调节支撑环外侧固定有分别与温控流通通道两端相连通的温控热交换输入管和温控热交换输出管；
26、反应器主罐体侧壁在竖直方向上布置有多个温度计。
27、说明：根据温度计的监测数据，利用温控机构对反应器主罐体内废水的温度进行调节，利用输送泵将特定温度的水通过温控热交换输入管输入到温控调节支撑环内部，特定温度的水在温控调节支撑环内沿温控流通通道流通，并与温控调节支撑环发生热交换，然后再使温控调节支撑环与废水接触进行热交换，从而达到对废水进行温度调节的目的。
28、优选地，温控调节支撑环内侧壁和外侧壁均固定有多根竖直延伸的温控导热鳍片；
29、温控调节支撑环顶部转动连接有与其同轴布置的流通辅助驱动环，流通辅助驱动环内侧和外侧均固定有多片流通辅助驱动叶片；
30、温控调节支撑环外侧靠近顶部固定有与其同轴布置的辅流驱动支撑环，辅流驱动支撑环上转动连接有辅流驱动旋转环，辅流驱动旋转环与流通辅助驱动环固定相连。
31、说明：利用辅流驱动旋转环带动流通辅助驱动环连同多片流通辅助驱动叶片一起旋转，驱动废水沿温控调节支撑环的轴向进行流通，使废水能够更加充分的与温控调节支撑环接触进行热交换。
32、优选地，反应器主罐体上设有分段式取样机构，分段式取样机构包括固定在反应器主罐体外侧壁且与其内部相连通的取样连通管，取样连通管上具有取样连通控制阀，取样连通管外端固定有与其同轴相连通的取样分配筒，取样分配筒内滑动连接有取样分隔活塞，取样分隔活塞将取样分配筒内部分隔为样本暂存腔室和气压缓冲腔室；
33、样本暂存腔室与取样连通管相连通，取样分配筒外侧固定有与样本暂存腔室相连通的取样外排管，取样外排管上具有取样外排控制阀；
34、取样分隔活塞处于气压缓冲腔室的一端固定有手动回推杆，手动回推杆与取样分配筒外端密封滑动连接且延伸至取样分配筒外部。
35、说明：利用分段式取样机构对处理中的废水进行取样检测，利用样本暂存腔室与气压缓冲腔室之间的压力平衡配合，尽可能在取样过程中减少对反应器主罐体内部的扰动。
36、优选地，反应器主罐体内底部设有搅拌机构，布水输入导流锥体顶部具有竖直延伸的搅拌机构容纳孔，搅拌机构包括滑动连接在搅拌机构容纳孔中的搅拌驱动支撑筒壳，搅拌驱动支撑筒壳顶部转动连接有搅拌支撑柱，搅拌支撑柱外侧壁具有多个竖直延伸的搅拌叶片隐藏槽，搅拌叶片隐藏槽内连接有搅拌驱动叶片；
37、搅拌叶片隐藏槽内底部固定有叶片连接座，叶片连接座上转动连接有叶片连接轴，搅拌驱动叶片下端与叶片连接轴固定相连；
38、搅拌支撑柱下端的转轴延伸至搅拌驱动支撑筒壳内部，搅拌驱动支撑筒壳内固定有用于驱动搅拌支撑柱转动的搅拌驱动电机；
39、搅拌机构容纳孔内底部设有用于驱动搅拌驱动支撑筒壳升降移动的搅拌机构外伸驱动杆。
40、说明：利用搅拌机构对处理中的废水进行低速搅拌，以使废水与复合颗粒污泥进行充分接触，且在非工作阶段，便于将搅拌机构整体缩回收纳至搅拌机构容纳孔中。
41、优选地，基于复合功能材料的膨胀颗粒污泥床反应器的运行方法，基于上述的基于复合功能材料的膨胀颗粒污泥床反应器，包括以下步骤：
42、s1、废水处理：
43、待处理的废水通过输入布水机构输入到反应器主罐体内部，反应器主罐体内部具有复合颗粒污泥；
44、复合颗粒污泥上接种有厌氧氨氧化菌(anammox bacteria)，厌氧氨氧化菌的接种量为25～35gvss/l，对废水进行厌氧反应，在23～27℃的条件下处理18～30小时；
45、利用输送泵将待处理的废水输入到布水汇总输入环壳内，布水汇总输入环壳内的废水再穿过各布水输入通槽进入反应器主罐体内部；
46、废水在穿过各布水输入通槽过程中，利用布水输入导向管对废水的流向进行导流，使废水的流向与反应器主罐体的径向呈一定角度流通，即能够使废水流入反应器主罐体后绕反应器主罐体的轴线产生旋流；
47、s2、三相分离：
48、废水在反应器主罐体内自下而上流通，三相分离器将反应器主罐体内简单分隔为主罐体上段和主罐体下段，利用多个三相分离器对废水进行三相分离处理；
49、废水自下而上流经三相分离器外筒壳，流经导流折返环壳时，迫使废水向中心汇聚，有利于废水中的气泡相互融合，废水中的气相在浮力作用下上升并聚集在导流集气锥壳内顶部，气相通过集气外排管排出并汇集在集气汇总管中；
50、在导流集气锥壳的阻挡作用下，废水中的液相折返穿过导流折返环壳顶端与导流集气锥壳下端的间隙然后流向折返液相上升通道，废水中的液相继续穿过折返液相上升通道自下而上流通；
51、废水中的固相则在重力作用下沿导流折返环壳外侧壁下落，废水中的固相最后穿过各固相下落通槽重新回落至反应器主罐体内底部；
52、最后上升至三相分离器外筒壳顶部的液相通过各液相外排管排出即可；
53、在多个导流折返环壳和导流集气锥壳的分离作用下，将主罐体下段的废水分离为气、液、固三相，其中气相通过集气汇总管排出进行收集起来，固相则回落至反应器主罐体内底部，液相通过各液相外排管排出进入主罐体上段中；
54、s3、回流处理：
55、主罐体上段中的废水通过回流机构进行回流处理；
56、回流比为2.5；
57、s4、分离外排
58、主罐体上段中处理完毕的废水接着自下而上流通经过旋流气液分离器，利用旋流气液分离器将废水中的气相进行进一步分离，从旋流气液分离器的气相输出端分离出的气相被沼气收集装置收集起来，从旋流气液分离器的液相输出端分离出的液相通过反应器总排水管排出即可。
59、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
60、1、本发明结构设计合理，具备高效的传质性能，复合功能材料具有特殊的物理结构，可为污泥和废水提供良好的流动通道，使废水与颗粒污泥能够充分接触和混合。在egsb反应器中，这种特性可促进底物从液相主体向颗粒污泥表面的传递，提高传质效率；
61、2、本发明的复合功能材料具有高孔隙率，采用的复合功能材料往往具有较高的孔隙率，为微生物的生长和代谢提供了更多的空间，也有利于气体、液体和固体颗粒之间的传质过程；
62、3、本发明的反应器具备优异的微生物附着与固定性能，复合功能材料可以通过调整其组成和表面改性，具备适宜的表面电荷、粗糙度和化学官能团，有利于微生物的附着和固定。微生物能够在材料表面形成稳定的生物膜，提高微生物的浓度和活性，增强反应器的处理能力；
63、4、本发明的反应器能够强化传质与分离，高径比大，占地面积小，较大的高径比可形成细长的流道，废水从底部进入后，向上流动的路径较长，能与颗粒污泥充分接触，延长了传质时间，提高了传质效率，同时，有利于气、液、固三相的分离，气体在上升过程中更容易从顶部排出，而颗粒污泥则在重力作用下更容易沉降到反应器底部，减少污泥流失；
64、5、本发明的反应器底部布水均匀，可使废水均匀地分布在反应器的横截面上，避免出现局部水流短路或死区，保证了反应器内各部位的颗粒污泥都能与废水充分接触，充分发挥整个反应器的处理能力，为颗粒污泥提供均匀的水力条件，使颗粒污泥在反应器内均匀膨胀，形成良好的流化状态，有利于提高污泥与废水的混合程度和传质效率，促进微生物与底物的充分接触和反应；
65、6、本发明的反应器配备高效的三相分离器，能够有效地实现气体、液体和固体颗粒的分离，通过特殊的导流板或折流板设计，使气体快速从混合液中分离出来，并通过气体收集管道排出反应器，沉淀区则为颗粒污泥提供了足够的沉淀空间和时间，使污泥能够快速沉降，固相下落通槽的设计保证了沉淀后的污泥能够顺利回流到反应器底部的反应区，维持反应器内的污泥浓度；
66、7、本发明的反应器具备高效且可调的回流设计，提高处理效率，将部分处理后的出水回流至反应器底部，与进水混合后再次进入反应器进行处理，能够提高反应器内的水力负荷，增强废水与颗粒污泥的接触和混合程度，有利于提高污染物的去除效率，特别是对于一些难降解的污染物，通过回流可以增加其在反应器内的停留时间，使其有更多的机会与微生物接触并被降解；
67、8、本发明的反应器具备增强的污染物去除能力以及广谱的污染物适应性，复合功能材料可负载具有不同功能的活性组分，使egsb反应器能够同时处理多种类型的污染物，对有机物、氮、磷等污染物都有较好的去除效果，提高了反应器的处理效率和出水水质，且具备深度处理能力，利用复合功能材料的特殊性能，如吸附、催化等，可以实现对一些难降解污染物的深度处理，将其转化为更易生物降解的物质，进一步提高污染物的去除率。