申请日2014.04.30
公开(公告)日2014.07.30
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明公开了甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，包括筒体、及位于筒体上方的三相分离器，三相分离器包括外筒和内筒两层筒体，内筒位于外筒内，外筒和内筒底部均开口，外筒底部分为相连的上段和下段，外筒底部上段向内收缩，外筒底部下段向外扩张并形成一级挡板，内筒的下部向外扩张形成二级挡板，外筒的上段和下段伸入筒体空腔内，三相分离器内分为气室区、气体缓释区、沉淀区和回流区四个区域，外筒上在位于回流区上部位置一周上设有周边出水堰。本发明还公开了废水处理方法，通过控制不同阶段内的C/N值，可在单一反应器中同时实现反硝化和产甲烷。本发明优点：能同时深度去除废水中有机物和氮，去除效率高，并能产生能源甲烷。
权利要求书
1.甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，包括作为反应器主体的筒体、及位于 所述筒体上方的三相分离器，所述筒体外部设有温控装置，所述筒体内为筒体空腔，所述筒 体空腔为污泥反应区，所述污泥反应区下部设有厌氧污泥床，所述筒体底部设有进水口，所 述进水口通过进水管连接到原水箱，所述进水管上设有进水泵，其特征在于：所述三相分离 器包括外筒和内筒两层筒体，所述内筒位于外筒内，所述外筒和内筒底部均开口，所述外筒 底部分为相连的上段和下段，所述外筒底部上段向内收缩，所述外筒底部下段向外扩张并形 成一级挡板，所述内筒的下部向外扩张形成二级挡板，所述外筒的上段和下段伸入所述筒体 空腔内，所述三相分离器内分为气室区、气体缓释区、沉淀区和回流区四个区域，所述外筒 内上部位于内筒上方的区域为气室区，所述内筒内上部的区域为气室缓释区，所述外筒底部 上段围成的区域为沉淀区，所述内筒和外筒之间的间隙区域为回流区，所述外筒上在位于回 流区上部位置一周上设有周边出水堰，所述周边出水堰外连接出水口，所述外筒顶部密封且 在位于气室区上方的位置处设置有气体出气口。
2.如权利要求1所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，其特征在于：所 述筒体空腔内在厌氧污泥床与所述进水口之间设置有均匀分布废水的布水器。
3.如权利要求1所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，其特征在于：所 述温控装置为恒温水浴装置，所述恒温水浴装置设置于所述筒体外围。
4.如权利要求1所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，其特征在于：所 述筒体上部设有温度计，所述温度计伸入筒体空腔内。
5.如权利要求1至4任一所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，其特征 在于：所述筒体在不同高度位置上设有多个取样口，所述取样口连接取样管，所述取样管上 设有取样阀。
6.如权利要求5所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，其特征在于：所 述气体出气口通过出气管连接到气体收集容器，所述出气管上设有气体净化器和气体流量计。
7.如权利要求1至6任一所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的方法，其特征在 于，包括如下步骤：
A、将取自工厂废水处理反应器底部的厌氧污泥为接种污泥，将接种污泥用清水清洗干 净以去掉其表面的残留废水，然后将该接种污泥接种到本反应器中作为厌氧污泥床;
B、将低碳氮比的废水加入原水箱中，以废水中的有机物为碳源、以硝酸钠为氮源，通 过温控装置控制反应器运行温度保持在34-36℃，控制废水的pH值保持在7.5-7.7，保持废水 的进水流速为2.304L/d，水力停留时间为73h;启动反应器，废水在进水泵的作用下通过反应 器底部的进水口进入反应器的筒体空腔，向上流过接种污泥组成的厌氧污泥床，废水与污泥 床的污泥发生厌氧反应，产生沼气引起污泥搅动，形成固液气混合的上升流继续上升，一级 挡板位置较低，能较高效率的拦截上升流中的污泥颗粒，完成初步固液分离，经初步固液分 离后的上升流继续上升经过二级挡板第二次分离上升流中的污泥颗粒，完成第二次固液分离; 随后上升流在气体缓释区发生气液分离，分离的气体进入气室区，分离的液体通过回流区进 入沉淀区，分离的液体中上清液越过周边出水堰通过出水口排出;
C、反应器运行前10天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为0;第11-31天，控制原水箱 中进水碳氮比C/N为75:1;第32-62天，控制原水箱中进水碳氮比C/N为15:1;第63-98天， 控制原水箱中进水碳氮比C/N为7.5:1。
8.如权利要求7所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的方法，其特征在于，所述 步骤C为：控制进水总有机碳TOC浓度不变，阶段性提高进水硝态氮的浓度。
9.如权利要求8所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的方法，其特征在于，所述 步骤C具体为：在反应器运行的98天中控制原水箱中进水总有机碳TOC浓度一直保持为 2250mg/L;反应器运行前10天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为0;第11-31天，控制原水 箱中进水硝态氮浓度为30mg/L;第32-62天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为150mg/L;第 63-98天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为300mg/L。
10.如权利要求7所述的甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的方法，其特征在于，所述 步骤B中，进入气室区的气体经过气体出气口进入出气管，经过气体净化器对其进行净化， 然后通过气体流量计进行气体流量测量，最后进入气体收集容器将气体收集起来;通过液体 浓度测量仪对从出水口排出的上清液进行浓度测量。
说明书
甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器及方法
技术领域
本发明涉及工业废水处理技术领域，尤其涉及的是甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水 的反应器及方法。该反应器能同时实现厌氧甲烷化和反硝化。
背景技术
UASB(升流式厌氧污泥床，Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket的英文缩写，以下简 称UASB)由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。在底部反 应区内存留大量厌氧污泥，沉淀性能和凝聚性能良好的污泥在下部形成污泥床。要处理的废 水从厌氧污泥床底部流入与污泥床中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解废水中的有机 物转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形 成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升 进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入 气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，废水 中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑 回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上 部溢出，然后排出污泥床。即该UASB能将废水中有机物去除并转换为沼气。
废水处理过程中反硝化反应是NO3--N在反硝化菌的作用下转化为氮气N2从水中逸出。 大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，反硝化过程需大量电子供体，反硝化阶段以 NO3--N为电子受体，有机物作为电子供体，电子供体通常来源于外部碳源，研究表明甲醇、 乙酸等小分子不易发酵有机物较易被反硝化菌利用，反硝化能力与可用碳源的量有关，即C/N 比。
在同时存在硝酸盐和有机物的厌氧体系内，复杂易发酵有机物能被水解产酸菌转化为有 机酸和醇类，产氢产乙酸菌能将丙酸、丁酸等有机酸和醇类转化为乙酸、H2和CO2。反硝化 菌能以上述各种有机物为碳源还原硝态氮。产甲烷菌则主要以乙酸、H2和CO2为底物产甲烷。 传统理论认为，NO3--N的存在会导致反硝化菌和产甲烷菌的竞争，进而对甲烷化产生抑制。 反硝化菌对产甲烷菌的抑制作用表现为三个方面：①在对碳源底物的竞争中反硝化菌群占据 优势;②反硝化过程导致厌氧体系内氧化还原电位升高，不利于产甲烷菌生长;③反硝化反 应中间产物对产甲烷菌群产生毒害作用。
因此现有的UASB存在不能同时去除废水中有机物和氮素的缺点，即不能在UASB单一 反应器中同时发生反硝化和甲烷化反应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废 水的反应器及方法。通过适当的调控手段，投加特定碳源，控制不同阶段内不同的C/N值， 可在单一反应器中同时实现反硝化和产甲烷反应。
本发明是通过以下技术方案实现的：
甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的反应器，包括作为反应器主体的筒体、及位于所 述筒体上方的三相分离器，所述筒体外部设有温控装置，所述筒体内为筒体空腔，所述筒体 空腔为污泥反应区，所述污泥反应区下部设有厌氧污泥床，所述筒体底部设有进水口，所述 进水口通过进水管连接到原水箱，所述进水管上设有进水泵，所述三相分离器包括外筒和内 筒两层筒体，所述内筒位于外筒内，所述外筒和内筒底部均开口，所述外筒底部分为相连的 上段和下段，所述外筒底部上段向内收缩，所述外筒底部下段向外扩张并形成一级挡板，所 述内筒的下部向外扩张形成二级挡板，所述外筒的上段和下段伸入所述筒体空腔内，所述三 相分离器内分为气室区、气体缓释区、沉淀区和回流区四个区域，所述外筒内上部位于内筒 上方的区域为气室区，所述内筒内上部的区域为气室缓释区，所述外筒底部上段围成的区域 为沉淀区，所述内筒和外筒之间的间隙区域为回流区，所述外筒上在位于回流区上部位置一 周上设有周边出水堰，所述周边出水堰外连接出水口，所述外筒顶部密封且在位于气室区上 方的位置处设置有气体出气口。
作为上述反应器的优选实施方式，所述筒体空腔内在厌氧污泥床与所述进水口之间设置 有均匀分布废水的布水器。
作为上述反应器的优选实施方式，所述温控装置为恒温水浴装置，所述恒温水浴装置设 置于所述筒体外围。
作为上述反应器的优选实施方式，所述筒体上部设有温度计，所述温度计伸入筒体空腔 内。
作为上述反应器的优选实施方式，所述筒体在不同高度位置上设有多个取样口，所述取 样口连接取样管，所述取样管上设有取样阀。
作为上述反应器的优选实施方式，所述气体出气口通过出气管连接到气体收集容器，所 述出气管上设有气体净化器和气体流量计。
本发明还公开了甲烷化同时反硝化处理低碳氮比废水的方法，包括如下步骤：
A、将取自工厂废水处理反应器底部的厌氧污泥为接种污泥，将接种污泥用清水清洗干 净以去掉其表面的残留废水，然后将该接种污泥接种到本反应器中作为厌氧污泥床;
B、将低碳氮比的废水加入原水箱中，以废水中的有机物为碳源、以硝酸钠为氮源，通 过温控装置控制反应器运行温度保持在34-36℃，控制废水的pH值保持在7.5-7.7，保持废水 的进水流速为2.304L/d，水力停留时间为73h;启动反应器，废水在进水泵的作用下通过反应 器底部的进水口进入反应器的筒体空腔，向上流过接种污泥组成的厌氧污泥床，废水与污泥 床的污泥发生厌氧反应，产生沼气引起污泥搅动，形成固液气混合的上升流继续上升，一级 挡板位置较低，能较高效率的拦截上升流中的污泥颗粒，完成初步固液分离，经初步固液分 离后的上升流继续上升经过二级挡板第二次分离上升流中的污泥颗粒，完成第二次固液分离; 随后上升流在气体缓释区发生气液分离，分离的气体进入气室区，分离的液体通过回流区进 入沉淀区，分离的液体中上清液越过周边出水堰通过出水口排出;
C、反应器运行的前10天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为0;第11-31天，控制原水 箱中进水碳氮比C/N为75:1;第32-62天，控制原水箱中进水碳氮比C/N为15:1;第63-98 天，控制原水箱中进水碳氮比C/N为7.5:1。
作为上述方法的优选实施方式，所述步骤C为：控制进水总有机碳TOC浓度不变，阶段 性提高进水硝态氮的浓度。
作为上述方法的优选实施方式，所述步骤C具体为：在反应器运行的98天中控制原水 箱中进水总有机碳TOC浓度一直保持为2250mg/L;反应器运行的前10天，控制原水箱中进 水硝态氮浓度为0;第11-31天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为30mg/L;第32-62天，控 制原水箱中进水硝态氮浓度为150mg/L;第63-98天，控制原水箱中进水硝态氮浓度为 300mg/L。
作为上述方法的优选实施方式，所述步骤B中，进入气室区的气体经过气体出气口进入 出气管，经过气体净化器对其进行净化，然后通过气体流量计进行气体流量测量，最后进入 气体收集容器将气体收集起来;通过液体浓度测量仪对从出水口排出的上清液进行浓度测量。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明方法中，通过适当的调控手段，控制进水TOC浓度不变，阶段性提高进水硝态氮 的浓度，控制不同阶段的C/N值不同，可在单一反应器中同时实现反硝化和产甲烷反应的目 的，通过实验得出，在UASB反应器内，获得了98.6%以上的有机物去除率以及99.1%以上 的硝态氮去除率。
本发明采用UASB反应器处理废水中的有机物，具有能耗低、污泥产量少、负荷高等优 点;本发明使废水处理工艺流程大为简化，充分利用原废水中的碳源反硝化，实现了“以废治 废”的废水处理理念，达到同时深度去除废水中有机物和氮的目的，并能产生能源甲烷。此外， 本发明所用到的反应器，采用两级不同高度位置的挡板，能更加充分的拦截上升流中的污泥 颗粒，两次固液分离使固液分离更充分;且其三相分离器特有的结构，一方面保证由周边出 水堰出来的水澄清，另一方面，上方为二级挡板、下方为外筒底部上段向内收缩形成的沉淀 区，容积较大，能更好的截留污泥，方便污泥沉淀，最终沉淀区分离出来的污泥重新回到厌 氧污泥床反应区内，从而不需设沉淀池和污泥回流设备等，结构简单，三相分离处理效率高; 其温控装置采用围绕在筒体外的恒温水浴装置，保证了反应器运行温度恒定和稳定;且筒体 在不同高度位置上设有多个取样口，能方便的取到不同高度的污泥从而分析其中的微生物组成。
