用于厌氧氨氧化反应的反应装置

技术领域

本发明涉及污水生物处理领域，特别是涉及一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置。

背景技术

随着工业化、城市化进程的加快和对水环境质量要求的提高，全国各地污水处理厂数量也逐年增加，如何处理水中氮元素的污染问题是当今的研究热点。

传统生物脱氮方法为硝化-反硝化工艺，通过硝化菌在好氧条件下将氨氮氧化为硝态氮，通过反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮还原为氮气。这种工艺虽然能对废水有一定的处理效果，但同时也存在诸多缺陷，如需要投加额外碳源及增加曝气量等提高了经济费用。

现有技术中的一种厌氧氨氧化工艺与传统的生物脱氮工艺相比，具有无需额外添加碳源、产泥量低等显著优点，是当前水体污染控制的重要支撑技术之一。但是厌氧氨氧化反应需在厌氧条件下进行，且较难维持高污泥浓度。因此，如何保证厌氧氨氧化反应在厌氧环境中进行和减少污泥流失是厌氧氨氧化菌有效富集的关键，也是工艺快速启动的重难点。

因此，本发明公开了一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，能有效解决以上技术问题。

发明内容

本发明提供了一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，用于解决如何保持厌氧条件和高污泥浓度的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，包括进水箱、反应器、氮气瓶和真空泵，所述进水箱和所述反应器通过设有进水泵的进水管连通，所述反应器连接有设有出水泵的出水管，所述出水管穿设所述反应器且与设于所述反应器内部的MBR膜组件连接，所述反应器还连接有循环管，所述循环管的一端与所述反应器的底部连接、另一端与所述反应器的顶部连接，所述循环管上设有真空泵和氮气瓶，所述循环管上连接有用于与外界连通的第一阀门。

优选地，所述MBR膜组件设于所述反应器的内部的中间位置。

优选地，所述循环管通过连接管与所述氮气瓶连接，所述连接管上设有第二阀门。

优选地，所述循环管与位于所述反应器的内部底面的曝气盘连接。

优选地，所述循环管上还设有安全瓶，所述安全瓶设于所述氮气瓶和所述真空泵之间，所述安全瓶的进气口设有第三阀门。

优选地，所述循环管上还设有集气袋，所述集气袋的进气口与所述第一阀门连接。

优选地，所述循环管上还设有流量调节器，所述流量调节器设于所述安全瓶和所述真空泵之间。

优选地，还包括水位控制器和设于所述反应器内部的水位监测计，所述进水泵和所述水位监测计均与所述水位控制器电连接。

实施本发明的一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，与现有技术相比，其有益效果在于：

通过在反应器内接种厌氧氨氧化菌并调节到相应的pH值，接着通过进水管把进水箱内的水加入到反应器内，由于设置有循环管，循环管上设有氮气瓶和真空泵，因此可以在反应开始前打开氮气瓶、关闭真空泵以及打开第一阀门，氮气瓶产生的氮气将反应器中原有的氧气通过第一阀门排出到外界，使得反应器处于厌氧状态，并在完成后关闭氮气瓶、打开真空泵和关闭第一阀门，使得氮气能够在反应器和真空泵内循环，去除水中的溶解氧以及使反应器内的液体充分搅拌接触，达到混合均匀状态和提高反应速率；另外由于出水管管口设有MBR膜组件，因此反应器出水的过程中，污泥无法透过MBR膜组件，使得厌氧氨氧化菌能够截留在反应器内，使反应器内的厌氧氨氧化菌始终保持高浓度，厌氧氨氧化菌在此条件下，能够高效富集与纯化，并保持高活性状态，从而提高运行效率。

附图说明

图1是本发明实施例中的结构示意图；

图2是本发明实施例中进水和出水的氨氮浓度变化折线图；

图3是本发明实施例中进水和出水的亚硝氮浓度变化折线图；

图4是本发明实施例中进水和出水的硝氮浓度变化折线图。

其中，inf表示进水，eff表示出水。

图中，

1、进水箱，2、反应器，3、氮气瓶，4、真空泵，5、进水泵，6、进水管，7、出水泵，8、出水管，9、MBR膜组件，10、循环管，11、水位控制器，12、水位监测计，13、第一阀门，14、连接管，15、第二阀门，16、曝气盘，17、安全瓶，18、第三阀门，19、集气袋，20、流量调节器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

结合图1所示，本发明实施例提供了一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，包括进水箱1、反应器2、氮气瓶3和真空泵4，进水箱1和反应器2通过设有进水泵5的进水管6连通，反应器2连接有设有出水泵7的出水管8，出水管8穿设反应器2且与设于反应器2内部的MBR膜组件9(MBR又称膜生物反应器，即Membrane Bio－Reactor，是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术)连接，反应器2还连接有循环管10，循环管10的一端与反应器2的底部连接、另一端与反应器2的顶部连接，循环管10上设有真空泵4和氮气瓶3，循环管10上连接有用于与外界连通的第一阀门13。

基于以上技术方案，本发明实施例公开了一种用于厌氧氨氧化反应的反应装置，通过在反应器2内接种厌氧氨氧化菌并调节到相应的pH值，接着通过进水管6把进水箱1内的水加入到反应器2内，由于设置有循环管10，循环管10上设有氮气瓶3和真空泵4，因此可以在反应开始前关闭真空泵4、打开第一阀门13以及打开氮气瓶3，氮气瓶3产生的氮气将反应器2中原有的氧气通过第一阀门13排出到外界，使得反应器2处于厌氧状态，并在完成后关闭氮气瓶3、关闭第一阀门13和打开真空泵4，使得氮气能够在反应器2和真空泵4内循环，去除水中的溶解氧和使反应器2内的液体充分搅拌接触，达到状态和提高反应速率；另外由于出水管8管口设有MBR膜组件9，因此反应器2出水的过程中，污泥无法透过MBR膜组件9，使得厌氧氨氧化菌能够截留在反应器2内，使反应器2内的厌氧氨氧化菌始终保持高浓度，提高了反应效率。

优选地，MBR膜组件9设于反应器2的内部的中间位置，有利于在反应器2出水的时候通过内部中间位置的MBR膜组件9排出，提高了出水的速率。

优选地，循环管10通过连接管14与氮气瓶3连接，连接管14上设有第二阀门15，因此便于控制氮气瓶3的开启或者关闭，并且不会影响到循环管10的通断，保证整个装置的运行不受影响。

优选地，循环管10与位于反应器2的内部底面的曝气盘16连接，一方面可以使得从循环管10进入到反应器2内的气体自下而上运动，起到搅拌均匀以及加快反应速率的作用，另一方面可以利用气体的动量冲击，对MBR膜组件9进行冲刷，减缓膜污染。

优选地，循环管10上还设有安全瓶17，安全瓶17设于氮气瓶3和真空泵4之间，安全瓶17的进气口设有第三阀门18。具体地，安全瓶17采用长进短出的方式布置，避免由于装置异常使得反应器2的水进入到真空泵4以及其他部件内，可在反应前排出反应器2内的氧气时，关闭第三阀门18，使得反应器2原有的氧气和氮气瓶3产生的氮气只能通过第一阀门13排出到外界，加快了排出氧气的速度。

优选地，循环管10上还设有集气袋19，集气袋19的进气口与第一阀门13连接，具体地，在排出反应器2内的氧气时，并不安装集气袋19，使得氧气和氮气可以从第一阀门13排出到外界，在完成排气进行反应的时候，此时可以不关闭第一阀门13，而是安装上集气袋19，利用集气袋19可以收集到反应产生的氮气，方便后期分析反应所产生气体的成分和含量，因此来确认装置的工作效果。

优选地，循环管10上还设有流量调节器20，流量调节器20设于安全瓶17和真空泵4之间，其作用是调整循环气体的流量，使反应器2内的液体与底部曝气盘16充分接触混合。另外，曝气盘16曝气有助于基质进入反应器2后快速混合，避免高浓度基质对厌氧氨氧化菌产生可能的有害影响。

优选地，还包括水位控制器11和设于反应器2内部的水位监测计12，进水泵5和水位监测计12均与水位控制器11电连接，因此，可以利用水位监测计12检测反应器2内的液面高度，并将电信号发送给水位控制器11，使其控制进水泵5增大向反应器2内加水或者减少向反应器2内加水。

本发明实施例的工作过程为：

1.反应装置的启动：向反应器2中接种启动污泥，主要是加入以CandidatusJettenia(Candidatus Jettenia是浮霉状菌目中的厌氧氨氧化菌科中的一个属)为主导的厌氧氨氧化菌，污泥浓度为4500mg/L。打开第二阀门15、关闭第三阀门18和打开第一阀门13，用氮气瓶3曝氮气5min，然后关闭第二阀门15、安装集气袋19，最后重新打开第三阀门18，以便收集反应产生的氮气和使反应器2处于厌氧条件。打开真空泵4形成氮气循环，使进水基质在反应器2内部充分混合。

2.反应装置的运行：

①进水箱1内有使用硫酸铵、亚硝酸钠、碳酸氢钠和磷酸二氢钾配置成氨氮、亚硝氮浓度分别为45mg/L和55mg/L的模拟废水。模拟废水通过进水管6与反应器2相连，打开进水泵5，持续全速转动直至进水达到2.4L，关闭进水泵5，液面维持平衡。

②打开真空泵4进行循环，氮气从反应器2的底部均匀进入能起到搅拌的作用，提高污泥与基质的利用率，同时可以减缓膜污染。

③打开出水泵7，调整出水流速为150ml/h，经MBR膜组件9抽取反应器2内的反应完的出水，能有效截留污泥，实现厌氧氨氧化菌的有效富集。

④每两天一次，检测出水水质状况，以检测通过厌氧氨氧化反应去除氨氮、亚硝氮的能力，以及判断反应器2内厌氧氨氧化菌的生长情况。检测的出水指标有氨氮浓度、亚硝氮浓度和硝氮浓度，以及定期检测胞外聚合物浓度和亚铁血红素浓度。

⑤连续反应20天，根据出水情况逐步提高进水总氮负荷。结合图2-3，从出水的氨氮浓度、亚硝氮浓度可知，脱氮效果明显变化。特别是第10天之后，进水浓度总氮负荷100mg/L，出水氨氮浓度小于5mg/L，亚硝酸盐浓度小于1mg/L，且能稳定出水水质。需要注意的是，进水总氮指的是氨氮和亚硝氮中氮元素的含量；图4中，反应完的出水中的硝氮浓度比进水的硝氮浓度高的原因是由于本实施例中的反应装置发生的是厌氧氨氧化反应，因此会产生硝酸盐，最终导致了硝氮浓度的增加。

综上，运用反应装置进行厌氧氨氧化反应的优势在于：

1.本装置提供严格的厌氧环境，有效避免空气进入，为厌氧氨氧化反应创造良好的厌氧生存环境，有利于解决厌氧氨氧化菌世代时间较长、难高纯度富集等问题。对空气进入量的控制，可减少其他竞争物种如氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的丰度。

2.在反应器上添加真空泵，通过反应器内氮气的循环及曝气，能始终使反应器内部保持厌氧环境，提高反应器的运行效率。

3.应用MBR膜组件，可以有效持留污泥，减少厌氧氨氧化菌的出水损失，维持反应器内厌氧氨氧化菌浓度，缩短厌氧氨氧化反应器的启动时间。

4.反应器底部依靠厌氧氨氧化菌自身产生的氮气通过真空泵进行循环曝气，有助于基质进入反应器时快速混合，避免高浓度基质对厌氧氨氧化菌可能产生的有害影响。

5.利用真空泵进行氮气循环曝气，可以对MBR膜组件进行冲刷，减缓膜污染。

6.在真空泵与反应器之间设置的安全瓶，能有效地防止水位控制器失效时污水进入流量调节器和真空泵，影响反应器装置的稳定运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。