CN101708893A

CN101708893A - 厌氧循环颗粒悬浮床反应器及同步去碳和脱氮方法

Info

Publication number: CN101708893A
Application number: CN200910157926A
Authority: CN
Inventors: 宋英豪; 王焕升; 贾立敏; 王培京; 金桂琴
Original assignee: Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection
Current assignee: Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-05-19

Abstract

一种厌氧循环颗粒悬浮床反应器及同步去碳和脱氮方法，所述反应器为圆柱结构；其包括：进水区、沉淀分离区、反应区和三相分离区，所述反应器还包括：出水系统，设置在该沉淀分离区的上部，并在该沉淀分离区的液面处与该沉淀分离区相连通；以及回流系统，其进水口设置在沉淀分离区底部，其出水口设置在所述反应器的底部并与该进水区连通。本发明利用厌氧反应器内良好的厌氧环境，作为反硝化细菌的生存环境，同时利用厌氧反应器内充足的有机物作为反硝化的碳源，以回流的方式在厌氧反应器内进行前置反硝化，在厌氧颗粒污泥悬浮床反应器中高效地去除有机物的同时完成脱氮。

Description

厌氧循环颗粒悬浮床反应器及同步去碳和脱氮方法

技术领域

本发明涉及一种用于有机物和总氮浓度均比较高的废水处理和能源回收回收的装置，特别是涉及一种同步去碳脱氮的厌氧循环颗粒悬浮床反应器。

背景技术

有机物和总氮的去除是污水处理技术的两个最重要组成部分。经过近百年的发展两种污染物的去除技术有了非常大的进步。但是随着排放标准的日益严格，有机物的去除和总氮的去除都遇到了新的问题，特别是在有机物和总氮浓度都比较高的污水处理中，如何高效地把两者的处理结合起来，是近年来研究的热点。

在低浓度污水中，虽然总氮和有机物额比例可以达到比较高的水平，但是总体上有机物和总氮的浓度比较低，有机物浓度以COD计一般在2000mg/L以下，总氮的浓度一般在100mg/L(以N计)以下，其处理采用的技术一般也是生物去碳和脱氮。有机物的去除以好氧工艺为主，总氮中的氨氮也是在好氧的情况下被微生物氧化成为硝氮氮，脱氮的反硝化一般是在缺氧的情况下进行的，当然可以采用前置的反硝化或后置的反硝化。在低浓度污水中有机物的去除和脱氮一般均不采用厌氧处理工艺。

中高浓度污水一般情况下都是某个行业的废水，其浓度和组成与行业特点有关。高浓度废水中有机物的去除，大部分都是采用低耗高效且能够回收能源的厌氧生物处理工艺，都是利用厌氧微生物在无需供应空气和其它驱动力的情况下把有机物分解成为CO₂和H₂O，并产生部分CH₄。目前比较主流的厌氧反应器包括UASB、ABR、EGSB、IC、UBF等反应器。这些反应器在中高浓度污水的处理中应用非常广泛，改变过去单纯靠曝气好氧的方式去除有机物，节约了大量能源。

近年来国内外排放标准都变的更加严格，不但在控制有机物浓度，而且更加关注对水体富营养化影响严重的氮浓度控制。在高浓度行业的排放标准中总氮标准成为人们日益关注的焦点问题。由于中高浓度污水中，有很多行业污水中氮的浓度偏高，越来越多的研究者对此开展了研究。厌氧氨氧化工艺是最早进行厌氧同时去除有机物和脱氮的工艺之一。它主要的原理是首先通过好氧亚硝化，即在亚硝化反应器中把氮中的氨氮部分氧化成为亚硝酸盐，然后亚硝酸盐进入厌氧反应器与未被氧化的氨氮反应生产氮气从水中逸出，同时有机物被降解并产生甲烷。但是，该工艺所需要的亚硝化反应器控制条件要求苛刻，在工程实践中非常难控制，与传统硝化工艺的稳定性无法相提并论，目前只处于小试阶段，工程化前景很不明郎。另外一种同时去除有机物和脱氮厌氧反应器是UASB反应器，目前研究的重点也是用亚硝酸盐作为脱氮的原供体，进入反应器内的有机物为反硝化碳源，这种工艺也存在亚硝化的问题，同时UASB的有机物去除负荷比较低，影响了反应器的效率。目前在工程中也没有应用。

高效地同时去除有机物和脱氮是目前有机物和总氮浓度均比较高的研究热点之一。

发明内容

为了更好地实现中高浓度污水中有机物和总氮的同时高效去除，本发明利用厌氧反应器内良好的厌氧环境，作为反硝化细菌的生存环境，同时利用厌氧反应器内充足的有机物作为反硝化的碳源，以回流的方式在厌氧反应器内进行前置反硝化，在厌氧颗粒污泥悬浮床反应器中高效地去除有机物的同时完成脱氮。

为了实现上述目的，本发明包括一种圆柱形的厌氧反应器，通过对反应器形状的控制和系统组成的改变，实现多种功能。

根据本发明的技术方案的一个方面，一种厌氧循环颗粒悬浮床反应器，所述反应器为圆柱结构；其包括：进水区，位于所述反应器的底部，在该进水区处还安装有保持均匀进水的布水系统；沉淀分离区，位于所述反应器的顶部；反应区，位于所述反应器的中部，在该反应区内包含进行去碳和脱氮反应的颗粒污泥；三相分离区，位于所述反应器的中上部，并处在该反应区和沉淀分离区之间，在该三相分离区内安装有三相分离器；所述反应器还包括：出水系统，设置在该沉淀分离区4的外周，并在该沉淀分离区4的液面处与该沉淀分离区相连通；以及回流系统，其进水口设置在沉淀分离区(4)的底部，其出水口设置在所述反应器的底部并与该进水区连通。

根据本发明的技术方案的另一个方面，一种同步去碳和脱氮方法，其应用上述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，所述方法包括以下步骤：进水步骤：反应器进水和该回流系统的出水通过位于所述反应器底部的布水系统均匀进入反应器，使得污水水流在反应器内以较高的速度均匀上升；膨胀步骤：在均匀上升的污水水流的带动下，该反应区内的颗粒污泥处于微膨胀的悬浮状态，颗粒污泥与污水中的有机物和硝酸盐充分接触；反应步骤：所述颗粒污泥内的厌氧微生物将有机物降解成为二氧化碳和水，同时产生一定量的沼气，并且所述颗粒污泥内的反硝化微生物将污水中的硝酸盐变成气态氮，且消耗一定的有机物。

本发明的有益效果是：在厌氧颗粒污泥反应器内不但培养了较多的能够降解有机物的微生物，同时反应器内还存在较多的反硝化细菌，使得反硝化细菌在碳源充足下和良好的环境条件下完成反硝化，解决了后置反硝化和有机物去除后的反硝化存在的碳源不足的问题，同时解决了中高浓度污水有机物和总氮种污染物的去除问题。此外，还在厌氧颗粒污泥床反应器外增加回流系统，使得反应器内污水的上升流速增加，颗粒污泥处于微膨胀状态，增加了有机物和硝酸盐在颗粒污泥内的传质效率，在同时去除有机物和脱氮时保持了有机物去除的较高效率；该反应器无需外加碳源和反硝化的搅拌混合，在一定程度上简化了系统的流程，减少了占地，降低了投资和运行费用。

附图说明

图1为示出本发明的反应器的剖面结构示意图

图2为示出图1所示反应器的俯视图

图3为示出应用本发明的反应器进行同步去碳和脱氮的运行过程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示：本发明厌氧循环颗粒悬浮床反应器包括进水区1、反应区2、三相分离区3、沉淀分离区4；反应器为圆柱结构；其中，在所述反应器的下部为进水区1；反应器顶部为沉淀分离区4；反应器的中部为反应区2；在反应器的中上部，且在反应区2和沉淀分离区4之间为三相分离区3；在反应器的进水区1中安装有保持均匀进水的布水系统5；在反应器的外部设有回流系统6，该回流系统6的进水口设在沉淀分离区4的底部；在沉淀分离区4的上部设有环状出水系统7，该出水系统7在该沉淀分离区4的液面处与该沉淀分离区相连通；在三相分离区3内安装有三相分离器8；反应器的底部还装有排泥系统9。

所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器的进水口和回流系统6的出水口均设在反应器的底部，并通过反应器底部的布水系统5均匀进入反应器，使得污水在反应器内以较高的速度均匀上升，实际上升流速可以达到2-15m/h，而现有的UASB反应器的上升流速一般不超过0.5m/h。在较高的上升流速下，水流方向不易受到反应器内颗粒污泥分布的影响，避免出现短流，从而影响系统的传质效果并降低系统的去除效率。

同时，在均匀上升的污水的带动下反应区2内的颗粒污泥处于微膨胀的悬浮状态，颗粒污泥与污水中的有机物和硝酸盐充分接触，大大提高了反应过程中的传质效率，保持了脱氮和高效的有机物去除共同存在；颗粒内的厌氧微生物将有机物降解成为二氧化碳和水，同时产生一定量的沼气；同时颗粒污泥内的反硝化微生物充分利用厌氧反应器内丰富的有机物作为碳源将污水中大的硝酸盐变成气态氮，完成脱氮过程。

所述厌氧循环颗粒悬浮床反应器的三相分离区3中装有三相分离器8，三相分离器8由多个集气室组成，能够把反应区内反应完成后的沼气和氮气单独收集出来，并通过设置在反应室上部并与三相分离器8连接的沼气收集系统11排出反应器；同时三相分离器8利用多个集气室的挡板把随水流而来的大部分颗粒污泥截留在反应区2内，以保证厌氧反应器内的颗粒污泥拥有足够的固体停留时间；携带少量污泥的污水在沉淀分离区4内继续进行固液分离，以把具有活性的污泥截留在反应器内。

所述厌氧循环颗粒悬浮床反应器的沉淀分离区4的上部装有出水系统7，经过沉淀分离的污水由出水系统7从反应器内排出至该出水系统7的水槽中，出水系统7的主要作用是把出水均匀地从沉淀分离区4的表面收集起来，以避免由于出水不均匀所造成的局部紊流对出水的悬浮物和出水水质产生影响。

所述厌氧循环颗粒悬浮床反应器的外部还设有回流系统6，回流系统6的进水口设在沉淀分离区4的底部，回流系统6中的液体经其出水口从反应器的进水区1重新进入反应器，回流系统6的回流量比例在100-200％，用以形成反应器出水的外循环，保持反应器内具有较高的上升流速，以便使得反应区内的颗粒污泥处于悬浮状态。

所述厌氧循环颗粒悬浮床反应器为圆柱形，高径比在3-6之间，主要是为了保证颗粒污泥在反应器内有足够的膨胀空间，而不至于随上升流速的增加使得污泥迅速上升，使得只能仅利用三相分离器8来截留颗粒污泥。反应器设计的进水的表观上升流速在0.5-3m/h，由于回流和进水的共同作用下，反应器内的实际上升流速在2-15m/h。

所述厌氧循环颗粒悬浮床反应器适用于有机物浓度和总氮浓度均比较高的废水，反应器的进水区1除接受较高浓度的有机物外，还接受较大比例的回流后续处理工艺中的硝化出水。在同时去碳脱氮的情况下，有机物的负荷可以达到7-15kg/COD.d，有机物去除率可以达到80-95％，反硝化负荷可以达到0.12-0.25kgNO₃-N/m³.d，出水硝酸盐的浓度能够保持在2mg/L以下；所述的反应器在去除有机物的同时产生一定量的沼气，沼气的产率在0.35-0.38Nm³/kgCOD，沼气的热值在28MJ/Nm³以上。所述的反应器可以在15-25℃的常温下正常运行；在温度升高到35℃左右时，反应器的有机物去除率可以提高到15-20kgCOD/m³.d，反硝化负荷可以达到0.20-0.35kgNO₃-N/m³.d。

本发明的反应器还包括一套完整的自动控制系统，可以完成对反应器内pH变化的监测控制、沼气流量的监测和回流量的控制。该自动控制系统的硬件部分为公知技术，软件部分则根据本发明的反应器的工作流程设定适宜的控制参数。

应用本发明的反应器进行同步去碳和脱氮的运行过程和运行方式：

如图3所示：本发明的厌氧循环颗粒悬浮床反应器从下到上包括进水区1、反应区2、三相分离区3、沉淀分离区4；污水首先经过进水区1底部的布水系统进入反应器内，均匀地分布在整个反应器的横截面上。经过进水区1后污水进入反应区2，反应区2处于厌氧状态，有机物首先被微生物水解成为小分子，然后再经过产酸阶段，最后被降解成为二氧化碳、水和甲烷；同时硝酸盐在反硝化细菌的作用下，利用污水中丰富的有机物作为碳源，把硝酸盐中的氮元素还原成为氮气。经过反应区2处理后的污水进入三相分离区3，由于水流和反应区1产气后的气提作用，许多颗粒污泥也进入三相分离区3。在三相分离区3内，沼气和氮气一起进入三相分离器8的集气室，大部分的颗粒污泥在三相分离器挡板的作用，上升流速变为零而留在反应区2内，一小部分颗粒化不好的污泥随水流进入沉淀分离区4。在沉淀分离区4内主要是进行更加精细的固液分离，以保证出水中携带最小的污泥和固态物。进入沉淀分离区4的污水在出水系统的引导下，较为均匀的从整个反应器的横截面上进入出水系统7的出水槽内，最后汇集到出水管，而从反应器内排出，完成整个处理过程。出水中的有机物和总氮都得到了有效的去除。

进入本反应器的污水一般都要求是中高浓度污水。由于本反应器为厌氧反应器，厌氧微生物在低浓度下生长过慢，很难形成良好的颗粒污泥，如果污泥的颗粒化存在问题则很难保证固液分离的效果，进而影响系统内污泥浓度和总量。反应器内较高的污泥浓度和污泥总量是本反应器达到较高的有机负荷和反硝化负荷的保证。同时，正是由于颗粒污泥化才保证了系统在存在反硝化的情况下并未对系统的固液分离效率产生负面影响。最重要的是本反应器与其它类型的厌氧反应器一样所依赖的是本身就生长缓慢、世代期超长的厌氧微生物，在通过外加污泥达到足够的污泥数量后，如果没有一定的负荷，微生物数量是很难保证的。还有，在低浓度污水情形下，如果为了保证系统的有机负荷，需要较高的水力负荷来实现，这对本身固液分离区就很小的反应器来说是非常不利的，反应器内的微生物更容易随出水带出反应器。因此本反应器所适宜的污水是中高浓度污水，进水的COD浓度一般应在1000-1500mg/L以上。本反应器的进水随回流系统6的出水一起从反应器的底部进水区1进入反应器内部。

在进水区1内的进水、回流水和含有硝酸盐的回流系统6的回流水都是通过布水系统5进入反应器。布水系统的主要作用就是把上述三种水均匀布置在反应器的水平截面上，这可以最大程度的保证进入反应器内的基质与反应器下部的污泥即微生物充分接触，保证其停留时间的有效性。布水的均匀性也是反应器可以保持4-15m/h上升流速的关键。同时，均匀的布水可以从整个截面上为污泥层提供良好向上力，实现颗粒污泥在反应器内的悬浮膨胀。因此，本反应器的主要作用和特点都是需要良好的布水系统5来支撑的。进水和回流水从布水系统5出来后就进入到了与污泥良好接触的阶段，逐渐进入反应区2。

进入反应区2内的污水与反应区2内的污泥相接触，完成本反应器最主要的有机物降解反应，把有机物降解产生沼气，同时把进水中的硝酸盐通过反硝化反应变成氮气。反应区2内的颗粒污泥其实是微生物细菌的集合，它们是以一种共生的方式存在的，在外界水力条件的作用下形成了从外至内的球形结构。在这个球形的颗粒污泥上生存着能够把有机物水解酸化为小分子脂肪酸的酸化菌、能够把小分子脂肪酸变成甲烷、水和二氧化碳的产氢产甲烷菌(即有机物降解反应过程)和能够把有机物和硝酸盐变成为氮气的反硝化细菌(即反硝化反应过程)。正是这三种细菌菌群的存在共生，把来水中的有机物和硝酸盐变成了甲烷、二氧化碳和氮气，实现了在一个反应器内完成去碳和脱氮两个过程。这两个过程是在颗粒污泥内部完成的，有机物和硝酸盐这两种基质是通过浓度差作为移动的动力，从而进入颗粒污泥内部和参与废液细菌细胞内的。随着水流的上升，沿反应器高度方向上，微生物的浓度出现了一定的变化，逐渐降低，同时不同种群微生物的数量比例也发生了一定的变化。但是，在反应区的顶部，也就是污泥浓度明显变稀的地方，去碳和脱氮两个过程都已经完成。在颗粒污泥内部由于去碳和反硝化过程释放大量的甲烷和氮气，反应区顶部气体的释放是非常剧烈。为了减少由于气体提升作用和微细气泡对细小颗粒污泥的捕捉，因而随出水流出系统，必须经过一个有着气液、气固和固液分离作用的三相分离区3。

三相分离区3的主要作用就是在进水和所产气体顺利流出反应器的同时保持反应器内有较高的污泥浓度，尽量减少有效微生物的流失。进入三相分离区3的水、气、固是三种不同的对象，系统对其去留要求也是不一样的。三相分离区安装的三相分离器8利用三种物质密度和形态的不同，首先利用倾斜挡板把所有气体都集中起来，形成具有一定压力的气体空间，在气体空间的顶部是出气孔，这样气体的排出口与气液界面保持了一定距离，有效避免了固液随气体排出。固体和液体可以从挡板的底部迂回上升，在三相分离区的上部进入沉淀分离区4。

在沉淀分离区4内，由于气液分离后整体上升流速的下降和紊流的减少，具有一定大小固态的颗粒污泥的上升速度逐渐变为零，并在重力的作用下缓慢的沉入三相分离器8的顶部，通过三相分离器8气体挡板之间的缝隙重新进入三相分离器8之下，回到反应区2内，完成了固液分离过程。为了保证固液分离效果，尽量减少沉淀分离区4的紊流是非常重要的，出水系统7就是为此而设置。出水系统的主要作用就是保持在整个截面上出水基本均匀，以最大程度的保持沉淀分离区4内水流的稳定。出水系统7最终将水引出反应器。

回流系统6的进水口设在沉淀分离区4的底部，其设置位置可以尽量减少对出水的扰动。回流系统6把相当于进水量100-200％的出水重新送回反应器底部，是为了保持反应器内具有足够的上升流速，实现颗粒的膨胀悬浮，最大程度地优化系统内的传质过程，这也是本反应器能够保持比传统厌氧反应器更高去除效率的原因之一，其有机物的负荷可以达到7-15kg/COD.d，去除率可以达到80-95％。同时，较大的上升流速有利于所产的微小气泡与颗粒污泥的分离，特别是在脱氮的情况下，比甲烷气泡更细微的氮气气泡更容易附着在颗粒污泥上，因此回流系统6提供的较高上升流速更好的融合了去碳和脱氮，使二者同时发生一个厌氧反应器内，在高有机去除负荷的同时，反硝化负荷也可以达到0.12-0.25kgNO₃-N/m³.d。更大的高径比也是为了与回流系统6相配合，以减少在高上升流速下的短流现象，因此本反应器的高径比一般在3-6之间。

除了反应器自身的回流系统6之外，与本发明的厌氧反应器相结合的含硝酸盐的液体的回流(即硝化出水回流系统10对经过后续好氧处理后的硝化出水的回流)是本反应器应用的重要组成部分。本发明的厌氧反应器处理后的出水经后续好氧处理后，再经过硝化出水回流系统10回流至该厌氧反应器中，进行厌氧反硝化处理。由于氮的去除首先需要在好氧条件下进行氧化，把氨氮等转化硝态氮。而氨氮的转化过程与有机物的好氧降解是存在竞争关系，一般情况下有机物降解的异氧菌占据优势。氨氮转化成为硝态氮时，水质的有机物基本消耗殆尽，而硝酸盐向氮气转化的过程又需要一定的有机物。因此，只有通过回流把硝酸盐重新回流到大量降解有机物的厌氧反应器中，在同时去碳和脱氮的厌氧反应器内才能实现更加高效的脱氮。

反应器设置的排泥系统9是为了实现反应器内主动的微生物数量平衡。随着反应器中不断去除有机物和硝酸盐，微生物会大量增长，由于三相分离器8和固液分离区的存在，随出水流出的污泥的数量有限，微生物数量超过系统所需要的数量，就存在随出水大量流失进入下一个工序的危险，这时整个系统内微生物数量需要靠排泥系统9的工作来保持稳定。排泥也是微生物更新的一个过程，有利于保持反应器内微生物的活性。排泥系统9的工作一般是由自动控制系统完成。

以PLC(可编程序控制器)为核心的自动控制系统主要是监测反应器的PH、温度、产气量、回流量、流量、出水悬浮物、硝酸盐浓度等参数判断反应器的状态，除根据设定自动调整部分参数外，还需要对不能自动调整的问题发出报警，以便人工尽快干预保持反应器运行的稳定。

测试条件及方法：

本测试采用畜禽废水作为原水，反应器的容积为15.7m³，处理水量为40m³/d，总停留时间为9.2小时；反应器的反应区2的直径为1.8m，反应区2的高度为6.0m。反应器的三相分离区3的高度0.7m，沉淀分离区4的高度0.3m。反应器进水为养猪废水。

连续监测系统出水22天，每天取样分析反应器进出水COD浓度和硝态氮浓度，其测试结果见下表1和2：

表1测试时间内反应器进出水悬浮物浓度和进出COD浓度

时间 (d)	进水 COD(mg/l)	出水 COD(mg/l)	进水硝酸盐(mg/l)	出水硝酸盐(mg/l)	备注
时间 (d)	进水 COD(mg/l)	出水 COD(mg/l)	进水硝酸盐(mg/l)	出水硝酸盐(mg/l)	备注	1	3200	451	50.0	1.9
2	3411	371	50.3	4.8		1	3200	451	50.0	1.9
2	3411	371	50.3	4.8		3	2430	432	50.7	1.2
4	3419	463	52.2	2.1		3	2430	432	50.7	1.2
4	3419	463	52.2	2.1		5	3085	402	52.5	3.3
6	2056	509	54.6	2.7		5	3085	402	52.5	3.3
6	2056	509	54.6	2.7		7	3201	527	52.9	3.1
8	2873	475	50.7	3.9		7	3201	527	52.9	3.1
8	2873	475	50.7	3.9		9	2402	379	54.5	2.0
10	2443	499	53.9	1.4		9	2402	379	54.5	2.0
10	2443	499	53.9	1.4		11	3495	385	51.5	1.3
12	2123	411	54.5	4.9		11	3495	385	51.5	1.3
12	2123	411	54.5	4.9		13	2769	449	52.7	1.9
14	2975	379	50.3	3.5		13	2769	449	52.7	1.9
14	2975	379	50.3	3.5		15	2518	367	50.4	1.5
16	3200	537	51.6	4.5		15	2518	367	50.4	1.5
16	3200	537	51.6	4.5		17	2332	519	53.7	4.7

时间 (d)	进水 COD(mg/l)	出水 COD(mg/l)	进水硝酸盐(mg/l)	出水硝酸盐(mg/l)	备注
时间 (d)	进水 COD(mg/l)	出水 COD(mg/l)	进水硝酸盐(mg/l)	出水硝酸盐(mg/l)	备注	18	2274	513	50.5	2.2
19	3150	531	53.6	3.2		18	2274	513	50.5	2.2
19	3150	531	53.6	3.2		20	2312	375	51.5	4.4
21	2660	392	53.4	1.4		20	2312	375	51.5	4.4
21	2660	392	53.4	1.4		22	3379	428	53.4	1.7

表2测试时间内其它工艺参数

序号	名称	数量	备注
序号	名称	数量	备注	1	反应器内温度	19-28℃
2	出水回流比	200％		1	反应器内温度	19-28℃
2	出水回流比	200％		3	容积负荷	5.4-9.1kgCOD/m³.d
4	反硝化去除负荷	0.12-0.14kgNO3- N/m³.d		3	容积负荷	5.4-9.1kgCOD/m³.d
4	反硝化去除负荷	0.12-0.14kgNO3- N/m³.d		5	沼气产量	0.36Nm3/kgCOD
6	能耗	0.30kwh/吨污水		5	沼气产量	0.36Nm3/kgCOD

根据试验所得，厌氧循环颗粒悬浮床反应器的出水COD浓度基本少于500mg/l，出水硝态氮浓度基本都5mg/L以下，反应器的有机物去除率基本都在80％以上，污染物的去除量和去除率都达到了设计要求。

Claims

1.一种厌氧循环颗粒悬浮床反应器，所述反应器为圆柱结构；其包括：

进水区(1)，位于所述反应器的底部，在该进水区(1)处还安装有保持均匀进水的布水系统(5)；

沉淀分离区(4)，位于所述反应器的顶部；

反应区(2)，位于所述反应器的中部，在该反应区(2)内包含进行去碳和脱氮反应的颗粒污泥；

三相分离区(3)，位于所述反应器的中上部，并处在该反应区(2)和沉淀分离区(4)之间，在该三相分离区(3)内安装有三相分离器(8)；

所述反应器还包括：

出水系统(7)，设置在该沉淀分离区(4)的上部，并在该沉淀分离区(4)的液面处与该沉淀分离区(4)相连通；以及

回流系统(6)，其进水口设置在沉淀分离区(4)的底部，其出水口设置在所述反应器的底部并与该进水区(1)连通。

2.根据权利要求1所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，所述反应器还包括：

硝化出水回流系统(10)，其出水口设置于所述反应器的底部并与该进水区(1)连通，所述硝化出水是经过后续好氧处理后的出水；

排泥系统(9)，其排泥口设置于所述反应器的底部；以及

沼气收集系统(11)，位于反应器的上部并与该三相分离器(8)相连。

3.根据权利2所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，所述反应器的形状为圆柱形，其高径比在3-6之间。

4.根据权利1至3中任意一个所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，所述反应器所处理的液体适用于有机物浓度和总氮浓度均比较高的废水，该进水区(1)除接受较高有机物浓度的废水外，还接受较大比例的回流后续处理工艺的硝化出水。

5.根据权利1至3中任意一个所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，该三相分离器(8)包括多个集气室，且由挡板把来自该反应区(2)的水流中的大部分所述颗粒污泥截留在该反应区(2)中。

6.根据权利1至3中任意一个所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，所述颗粒污泥中包含进行有机物降解的厌氧微生物和将硝酸盐变成气态氮的反硝化微生物。

7.根据权利1至3中任意一个所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，其中，所述反应器还包括一套完整的自动控制系统，用以完成对所述反应器内pH值变化的监测控制、沼气流量的监测和该回流系统(6)的污水回流量的控制。

8.一种同步去碳和脱氮方法，其应用根据权利要求1至7中任意一个所述的厌氧循环颗粒悬浮床反应器，所述方法包括以下步骤：

进水步骤：反应器进水和该回流系统(6)的出水通过位于所述反应器底部的布水系统(5)均匀进入反应器，使得污水水流在反应器内以较高的速度均匀上升；

膨胀步骤：在均匀上升的污水水流的带动下，该反应区(2)内的颗粒污泥处于微膨胀的悬浮状态，颗粒污泥与污水中的有机物和硝酸盐充分接触；

有机物降解反应步骤：所述颗粒污泥内的厌氧微生物将有机物降解成为二氧化碳和水，同时产生一定量的沼气，并且所述颗粒污泥内的反硝化微生物将污水中硝酸盐变成气态氮，且消耗一定的有机物；

反硝化反应步骤：回流的硝酸盐与反应器内的反硝化细菌利用厌氧反应器内充足的有机物进行反硝化反应，在厌氧颗粒污泥悬浮床反应器中实现高效地去除有机物的同时完成脱氮。

9.根据权利要求8所述的同步去碳和脱氮方法，还包括以下步骤：

三相分离步骤：在所述反应步骤之后，该三相分离区(3)中的三相分离器(8)把该反应区(2)内反应完成后的沼气和氮气单独收集出来，通过该沼气收集系统(11)排出所述反应器，同时该三相分离器(8)通过挡板把来自该反应区(2)的水流中的大部分颗粒污泥截留在反应区(2)内；以及

后继分离步骤：在所述三相分离步骤之后，携带少量颗粒污泥的水流通过该三相分离器(8)继续上升，在该沉淀分离区(4)内继续进行固液分离，以把具有活性的颗粒污泥截留在所述反应器内。

10.根据权利9所述的同步去碳和脱氮方法，其中，还包括污水排出步骤，在所述后继分离步骤之后，经过沉淀分离的污水经由该沉淀分离区(4)侧面的出水系统(7)从反应器内排出。

11.根据权利8至10中任意一个所述的同步去碳和脱氮方法，其中，还包括回流步骤：在污水排出步骤之后，进入该出水系统(7)的所述污水经由设置在该沉淀分离区(4)底部的回流系统(6)从该进水区(1)重新进入所述反应器，形成反应器出水的外循环，以在所述反应器内保持较高的上升流速，并使得该反应区(2)内的颗粒污泥处于悬浮状态。

12.根据权利11所述的同步去碳和脱氮方法，其中，该回流系统(6)中的污水回流量比例为100-200％。

13.根据权利8至10中任意一个所述的同步去碳和脱氮方法，其中，还包括硝化出水回流步骤：经过后续好氧处理后的出水经由硝化出水回流系统(10)输送至所述反应器的底部的进水区(1)，以进行反硝化反应。

14.根据权利8至10中任意一个所述的同步去碳和脱氮方法，其中，所述反应器进水的表观上升流速为0.5-3m/h，实际上升流速为2-15m/h。

15.根据权利8至10中任意一个所述的同步去碳和脱氮方法，其中，在同时去碳脱氮时，所述反应器中的有机物负荷达到7-15kg COD/m³.d，有机物去除率达到80-95％；反硝化负荷达到0.12-0.25kgNO₃-N/m³.d，出水硝酸盐的浓度保持在2mg/L以下；所述反应器在去除有机物的同时还产生一定量的沼气，沼气的产率为0.35-0.38Nm³/kgCOD，沼气的热值为28MJ/Nm³以上。

16.根据权利8至10中任意一个所述的同步去碳和脱氮方法，其中，所述反应器在常温下运行。