一種UASB‑ANAMMOX反應器的製作方法

2024-03-26 18:36:05

本發明涉及UASB反應器的設計和厭氧氨氧化過程的啟動和運行，具體是通過改進UASB反應器，在反應器底部加入混合活性汙泥，逐步將汙泥馴化成厭氧氨氧化活性汙泥，在進水中加入NH4+-N和NO2--N，通過汙泥的厭氧氨氧化作用將這兩種基質去除，並在此過程中啟動UASB-ANAMMOX反應器。

背景技術：

UASB(升流式厭氧汙泥反應器)反應器是第二代厭氧反應器，主要包括進水和配水系統、反應器的池體(汙泥區和沉澱區)和三相分離器這幾個部分，可以將固體停留時間和水力停留時間分離，能保持大量的活性汙泥和足夠長的汙泥齡，並注重培養顆粒汙泥，屬高負荷系統。但大多數的UASB反應器在處理固體懸浮物濃度較高的廢水時易引起堵塞和短流。同時，初次啟動和形成穩定顆粒汙泥用時較長。此外，三相分離器的作用在於實現汙泥、水、氣的分離，是反應器構型的關鍵部分，還需要設計合理的三相分離器專利技術。

目前對UASB反應器的改良主要有以下幾個方面：

(1)追求高效率的處理能力，提高汙水與汙泥間的傳質。現行UASB反應器的設計參數Vr值與顆粒汙泥形成所要求的條件不相符。通過三相分離器的強化，滿足了高濃度厭氧汙泥的條件，但是反應器內的汙泥以絮狀汙泥為主和浮渣量大。改良UASB反應器可使厭氧微生物與廢水最大程度的接觸，避免了反應器形成短流和死角，從而使反應器獲得較高的容積負荷，減少了浮渣問題，廢水在更短的HRT下得以處理。

(2)擴大適用範圍，有利於設備系列化開發。傳統的厭氧生物技術在處理某種高濃度有機廢水方面已取得了很大的成功，但是反應器型式對應於各種高濃度有機廢水的設計數據應不同。比如實際過程中處理澱粉廢水和處理啤酒廢水的UASB反應器各部位流速關係不同，池型變化較大。經濟、有效的適應多種濃度汙水的通用設備是人們關心的新領域，這也為厭氧反應器的發展開闢了新的空間。

(3)縮短啟動時間。由於厭氧微生物世代時間長且自身增殖緩慢，厭氧反應器從開始啟動到退到穩定處理效果所用時間較好氧處理工藝長的多，從而限制了厭氧生物技術在一些方面的應用。改良UASB反應器選擇合適的接種汙泥、適當的內循環和啟動方案對縮短厭氧反應器啟動時間有很大幫助。

(4)耐衝擊負荷。在內循環的作用下，有效的減少水力衝擊和有機物負荷衝擊所帶來的不利影響，使厭氧系統對不良因素(如毒性物質)的適應性大為提高，強化了厭氧技術在處理難降解物質和毒性物質方面的優勢。

ANAMMOX工藝是一種新型生物脫氮工藝，是在厭氧條件下以NH4+作電子供體、NO2-為電子受體，從而產生氮氣的生物脫氮過程。其反應式如下：

NH4++1.32NO2-+0.0066HCO3-+0.13H+→0.0066CH2O0.5N0.15+1.02N2↑

+0.26NO3-+2.03H2O (1)

式中，CH2O0.5N0.15為ANAMMOX菌的細胞分子式(經驗式)。

ANAMMOX工藝由於其相對於傳統生物脫氮工藝具有無需有機碳源、無需曝氣、運行成本低的特點，因此具有很大的潛力。在實際應用過程中由於其生物倍增時間長達11d，ANAMMOX生物反應器的啟動需要3個月甚至數年的時間，且ANAMMOX菌對環境條件敏感，運行過程中易受外界條件的影響，導致運行過程中的不穩定，嚴重製約了ANAMMOX工藝的應用推廣。

技術實現要素：

本發明的目的在於通過對UASB反應器構型的改良，在厭氧氨氧化的啟動過程中加快厭氧氨氧化反應器的啟動，提高反應器脫氮的效能，同時通過填料隔層和設計得三相分離器實現良好的汙泥、水、氣的分離，減少反應器的堵塞，增強反應器的穩定性和抗負荷能力。

為達到上述發明目的，本發明採取了如下技術方案：

一種UASB-ANAMMOX反應器，包括進出水系統，反應器筒體，氣體緩衝瓶，所述的反應器筒體從下往上包括汙泥區、填料層、沉澱區、三相分離器、氣室，所述氣體緩衝瓶連接氣室頂部的排氣管，所述進出水系統包括連接三相分離器的出水口及出水桶、依次連接汙泥區的進水口、蠕動泵、進水桶，所述的三相分離器包括若干設置在反應器筒體內的漏鬥形反射錐，所述反射錐與反應器筒體內壁之間以及相鄰反射錐之間設置有連通氣室的氣體通道，所述反射錐底部的開口處設置有分流塊，所述反射錐的頂部設置有連接出水口的出水槽，相對於傳統的三相分離器的設計，本方案的三相分離器在構型上的簡化減少了設計時間和成本。

進一步地，所述反射錐內垂直設置有伸出所述反射錐頂部的導流板，所述導流板與所述反射錐的垂直內壁之間設置有連通氣室的氣體通道。

進一步地，位於所述填料層和沉澱區的反應器筒體外包裹有用於調節反應溫度的恆溫水浴層。

進一步地，所述的填料層內填充有密度為18-32kg/m3、且在汙泥中浸泡一定時間的多孔填料。填料選用多孔、密度較低的材料，填料將為微生物提供附著的表面，在水中也不會佔用太多的有效容積，這樣的意義在於在保持反應器具有一定有效容積的同時，也加大反應區內生物量和生物反應的面積，以此加強反應器的處理效果和反應器的負荷，在進水基質濃度過高的同時也會有一定的抗衝擊負荷的能力。

進一步地，所述的多孔材料包括無紡布、海綿、聚乙烯醇凝珠、生物質炭。

進一步地，所述的汙泥區、填料層、沉澱區、三相分離器均設置有取樣口。

進一步地，還包括對反應器筒體進行避光處理的黑布。

進一步地，所述的三相分離器的材料為有機玻璃。

進一步地，所述的汙泥區與填料層之間設置有多孔的有機玻璃隔板。

先對於現有技術本發明具有的優點：

針對UASB反應器的改良，許多研究者通過將汙泥與填料混合，以此為微生物提供更多的生長的載體，然而在實際過程中卻容易造成堵塞的問題，本發明將填料與汙泥區分離開來，汙泥區的上部的填料能夠起到一定去除基質的作用，也能吸收上浮的汙泥，而通過填料層上浮到三相分離器的汙泥，則會被有機玻璃擋板慣性力的阻隔作用而攔截，進而下沉到填料區或是汙泥區，而從汙泥區產生的氣體則會對填料區的部分汙泥有吹脫的作用，三相分離器在構型上的簡化減少了設計時間和成本。

附圖說明

圖1：ANAMMOX-UASB反應器結構示意圖。

圖2：UASB反應器內三相分離器結構示意圖。

圖3：UASB反應器對NH4+-N的去除效果圖。

圖4：UASB反應器對NO2--N的去除效果圖。

圖5：UASB反應器內NO3--N的變化趨勢圖。

圖中所示為：1-排氣管；2-氣室；3-三相分離器；4-沉澱區；5-填料層；6-汙泥區；7-進水口；8-蠕動泵；9-進水桶；10-恆溫水浴層；11-氣體緩衝瓶；12-導流板；13-出水槽；14-反射錐；15-出水口；16-出水桶；17-分流塊。

具體實施方式

以下結合說明書附圖來對本發明作進一步說明，但本發明所要求保護的範圍並不局限於具體實施方式中所描述的範圍。

如附圖1和圖2所示，一種UASB-ANAMMOX反應器，包括進出水系統，反應器筒體，氣體緩衝瓶11，所述的反應器筒體從下往上包括汙泥區6、填料層5、沉澱區4、三相分離器3、氣室2，所述氣體緩衝瓶11連接氣室2頂部的排氣管1，所述進出水系統包括連接三相分離器3的出水口15及出水桶16、依次連接汙泥區6的進水口7、蠕動泵8、進水桶9，所述的三相分離器3包括若干設置在反應器筒體內的漏鬥形反射錐14，所述反射錐14與反應器筒體內壁之間以及相鄰反射錐14之間設置有連通氣室2的氣體通道，所述反射錐14底部的開口處設置有分流塊17，所述反射錐14的頂部設置有連接出水口15的出水槽13，所述的填料層5內填充有海綿。

所述反射錐14內垂直設置有伸出所述反射錐14頂部的導流板12，所述導流板12與所述反射錐14的垂直內壁之間設置有連通氣室2的氣體通道。

位於所述填料層5和沉澱區4的反應器筒體外包裹有用於調節反應溫度的恆溫水浴層10。

所述的汙泥區6、填料層5、沉澱區4、三相分離器3均設置有取樣口。

還包括對反應器筒體進行避光處理的黑布。

所述的三相分離器3的材料為有機玻璃，所述的汙泥區6與填料層5之間設置有多孔的有機玻璃隔板，使填料層5內的調料始終處於預定區域內。

本實施例設計反應器汙泥區6為25cm，汙泥為亞硝化汙泥，厭氧絮狀汙泥和厭氧顆粒汙泥的混合汙泥，汙泥顏色為褐色，添加量為1.06L，汙泥區6上部添加有機玻璃隔板，將汙泥和填料混合浸泡2h後，將填料添加在隔板上方，填料體積約為0.5L，填料區高度20cm，將反應器密閉，同時包裹黑布避光。反應器進水為實驗室配水，配水基質為氯化銨和亞硝酸鈉，以碳酸氫鈉為碳源，HRT(HRT是Hydraulic Retention Time的縮寫，即水力停留時間，指待處理汙水在反應器內的平均停留時間，也就是汙水與生物反應器內微生物作用的平均反應時間)控制在6-12h，在常溫下啟動並運行該反應器。

實施過程中，首先取亞硝化汙泥、厭氧絮狀汙泥、厭氧顆粒汙泥，然後按照3:1:1的比例加以混合，混合後加入反應器底部的汙泥區，將隔板嵌在汙泥區上部，將填料與汙泥混合一段時間後將填料投入，接著將反應器密閉，並用黑布做避光處理，實驗室配水分別加入一定濃度的氯化銨和亞硝酸鈉，同時加入碳酸氫鈉以提供厭氧氨氧化菌無機碳源。進水c(NO2--N)/c(NH4+-N)＝1.1-1.3，初始NH4+-N濃度為40mg/L，隨著氨氮及亞硝態氮的去除提升NH4+-N和NO2--N的濃度。

實施效果

進出水NH4+-N濃度如附圖3所示，進出水NO2--N濃度如附圖4所示，從圖中可以看出，在開始進水後的0-13d，出水的NH4+-N濃度要大於進水，且不穩定，出水的NO2--N濃度則是明顯小於進水，0-13d內去除率逐漸降低，通過變化趨勢可以看出反應器內汙泥處於適應階段，部分微生物發生溶胞作用使有機氮分解成氨氮，因此出水氨氮濃度增加，而同時由於汙泥內殘留的有機質和少量溶解氧的存在，反應器內發生反硝化作用，將亞硝態氮還原成氮氣。13-20d反應器進水的NH4+-N和NO2--N的濃度與出水基本持平，反應器還處於遲滯階段，同時NO2--N的濃度增加代表了反應器內亞硝酸根離子的積累，這也是ANAMMOX反應器啟動的關鍵過程。同時從附圖3中，可以看到，從第20d開始，出水中的NO3--N的濃度明顯增加，這是反應器內開始出現ANAMMOX反應的標誌，20-27d的時間裡，在保持氨氮及亞硝態氮進水濃度基本穩定的情況下，出水NH4+-N和NO2--N隨著啟動的進行不斷減少，從第27d開始，逐漸提高進水NH4+-N和NO2--N的濃度，開始進入反應器的負荷提升階段。

經過前面的適應階段之後，在負荷提升階段，反應器對基質濃度的提升表現出了一定的抗衝擊能力，出水的NH4+-N和NO2--N濃度一直維持在較低的水平，在第59d和78d這兩個時間點面對反應器進水負荷的大幅提升，反應器的基質去除率沒有出現過大幅度的波動，也在短時間內回到之前的去除率，這也反應器在構型上的抗衝擊能力，在負荷提高階段，氨氮的去除率一直穩定在50％以上，而亞硝氮則受負荷提升的影響相對較大，在第30d，NO2--N去除率因為基質濃度提升而降至20％以下，而在5d後達到50％，這也體現反應器的恢復能力。在第71-83d，NH4+-N和NO2--N的去除率均達到90％以上，同時觀察反應器內的汙泥區，出現大量淺紅色顆粒汙泥，在第83d，NH4+-N去除率在98％以上，NO2--N去除率在92％以上，總氮去除率達到81.7％，NLR為0.332kg/m3/d，三氮濃度變化比值逐漸趨向固定值，氨氮減少量：亞硝態氮減少量：硝態氮生成量＝1:1.3:0.26，與目前公認的ANAMMOX反應反應式十分吻合，因而反應器內主導反應為厭氧氨氧化反應，因此認定ANAMMOX反應器啟動成功。通過對比其他ANAMMOX反應器的啟動過程，在恆溫條件下大概需要三個月到半年的啟動時間，因此本發明在常溫條件下實現了ANAMMOX反應器的快速啟動，且啟動過程中具備了一定的抗衝擊負荷的能力。

圖5中的NO3-是ANAMMOX反應的產物之一，實驗中常用于衡量ANAMMOX反應的化學計量比值。

本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。