CN100465108C - 多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器。该反应器呈柱体结构，自上而下由半曝气反应区、曝气反应区、预处理反应区组成。预处理反应区内装填料，且可以视进水水质不同而改变反应方式(缺氧或好氧)；自生动态膜组件在半曝气反应区内；回流装置回流为无外加动力回流，而且是靠重力与进水泵产生射流动力之和得到本发明。本发明克服了公知的膜生物反应器的膜组件造价高、膜污染难清洗、循环泵和曝气能耗高等问题，且具有出水水质好、多功能、占地面积小、使用灵活方便等优点。适用于工业废水、生活污水等有机废水的处理，使膜生物反应器水处理和废水资源化技术应用更加广泛。

Description

多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器。

背景技术

膜分离与生物反应器相结合而形成的膜生物反应器(MBR，membrane bioreactor)，凭借其出水水质可靠、操作方式便捷及结构紧凑、占地面积小等特点，被认为是21世纪最有发展前景的污水处理之一。

膜生物反应器的生物单元多采用活性污泥法，所用膜处理单元则多采用有机或无机的材料而制成的微滤或超滤膜。其主要特点是利用膜分离的特点从生物反应器的活性污泥混合液中分离出优良的出水，同时利用该特点使反应器内活性污泥混合液浓度比传统活性污泥法的活性污泥混合液浓度高出数至数十倍，从而增加反应器对污染物质的去除能力和抗冲击能力。但是，这种膜的造价虽较刚出现时有大幅度下降，但仍然十分昂贵。由于膜过滤所需的抽吸动力，以及为了延缓由于膜污染而造成的通量下降，不得不必须连续的高于生物所需的曝气动力消耗十分惊人。同时，由于连续的曝气不能达到脱氮的目的，使得氨态氮多以硝态氮的形式存在于水中，无法得到去除。

为了解决膜造价问题，国内外进行了多方面的研究，Macinkowsky等人(A.EMacinkowsky，K.A.Philips，H.O.Johnson and Shon，Hyperfiltration studies(IV)salt rejection by dynamicallyformed hydrous oxide membrane[J].Am.Chem.Socl，1966，88:5744.)于1996年首先发现，在MBR的运行过程中，膜表面会形成一层污泥层，该污泥层能造成过流阻力的增加、通量的衰减，但同时也有利于小颗粒的截留，出水水质的提高。由此出发，产生了DMBR反应器的想法，即使用大孔径的网膜代替传统的微滤或超滤膜，利用运行过程中在膜表面产生的污泥层的截留作用，该污泥层在运行过程中在线产生，并不断积累变化，故称为动态膜。已见公知的动态膜生物反应器主要为平板动态膜生物反应器(范彬，黄霞，文湘华，等.动态膜-生物反应器处理生活污水的研究[J].环境科学，2002，23(5):51-56.)。同时也有管式自生动态膜生物反应器(樊耀波等.分体式管式动态膜生物反应器[P].CN 1785841A)。但仅涉及处理生活污水等方面的研究，对于氮素以及难降解物质的去除，则鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种占地省、经济简便，同时可以去除较难降解的有机物和氨氮，同时可以克服膜生物反应器膜单元造价昂贵及膜污染问题的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器。

本发明提出的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，该反应器呈柱体结构，自下而上依次由预处理反应区2、曝气反应区3、半曝气区4组成(其结构如图1所示)，各反应区之间通过穿孔板分隔，其中：

预处理反应区2呈柱体结构，底部呈圆锥形，由进水口6、回流管7、填料10、第一穿孔板11-1、第一曝气管12-1、第一进气口13-1、放空阀14、支撑架23组成，第一穿孔板11-1位于预处理反应区2顶部，并固定于支撑架23上方，第一进气口13-1位于预处理反应区2一侧，第一曝气管12-1位于预处理反应区2下方，并连接第一进气口13-1，填料10位于预处理反应区2内，放空阀14位于预处理反应区2底部圆锥形部位，进水口6位于预处理反应区2底部，进水口6另一端依次通过管道、单向阀9、阀门8和回流管7连接半曝气区4；

曝气反应区3由第二穿孔板11-2、第二曝气管12-2、第二进气口13-2、隔泥装置15、支撑架23组成，第二穿孔板11-2位于曝气反应区3顶部，并固定于支撑架23上方，第二曝气管12-2位于曝气反应区3下部，第二进气口13-2位于曝气反应区3一侧，第二进气口13-2连接第二曝气管12-2；隔泥装置15呈“喇叭口”形结构，其顶部口形大，底部口形小，其顶部喇叭形口与第二穿孔板11-2连接，第二穿孔板11-2周边开孔，集气管24的一端连接该开孔处，集气管24的另一端穿过半曝气区4，伸出至水面外以排气；

半曝气区4由第三曝气管12-3、三角溢流区16和自生动态膜组件5组成，第三曝气管12-3位于半曝气区4下部，第二穿孔板11-2上部，第三进气口13-3位于半曝气区4一侧，第三进气口13-3连接第三曝气管12-3，三角溢流区16位于半曝气区4顶部，三角溢流区16一侧设有事故出水口17；自生动态膜组件5位于半曝气区4中部，由自生动态膜单元18与总集水管19组成，每个自生动态膜单元18一端插入总集水管19内，总集水管19另一端伸出半曝气反应4外，连接收集管道后排出；自生动态膜单元18由内到外分别由支撑骨架、钢丝筛网和工业无纺布组成。

本发明中，第一曝气管12-1、第二曝气管12-2、第三曝气管12-3分别为4-5根。

本发明中，预处理反应区2、曝气反应区3、半曝气区4四周均设有取样阀20，取样阀20分别为8个。

本发明中，排泥阀21为2-8个。放空阀14兼作预处理反应区2排泥阀。

本发明中，回流管7采用射流重力式回流管。

本发明中，预处理反应区2内部填料10为固定式填料或悬浮填料之一种。

本发明中，自生动态膜单元18为3-10个。

本发明中，进水管6为1-3根。

本发明所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器在含有较难降解物质废水或高浓度生活污水中(冲厕废水等)的应用(缺氧回流运行模式)；同时可用于普通生活污水的处理(好氧-缺氧运行模式)。

本发明的工作原理是：

(1)回流管7的回流动力为重力与进水泵产生的射流动力之和，回流管7上有阀门8控制回流流量。

(2)充分发挥各反应区功能，并可通过改变曝气条件实现各反应区的流态及运行方式的功效，实现灵活简便的多功能区，从而使反应器有两种完全不同的运行模式。

本发明的工作过程如下：

一、缺氧回流式

经过预处理(沉淀除渣)后的废水由进水管6进入预处理反应区2(此时为缺氧反应区)进行水解。固定填料10上的生物膜在缺氧的条件下，对进水中的有机物，尤其是难降解物质进行水解，一方面生物膜不断地更新，另一方面使废水中的难降解物质通过水解酸化作用转化成为易降解物质，使废水的可生化性得到了提高。同时，由回流管7回流的废水进入预处理水解区2进行脱氮反应。经过水解处理的废水经由穿孔板11-1进入曝气反应区3，在曝气反应区3进行生化反应和硝化反应。污泥在隔泥装置15的干预下留在曝气反应区，从而使生物固体量保持相当的浓度，因而具有很好的抗冲击负荷能力，隔泥装置15表面逐渐覆盖形成一层生物膜，可以深度净化废水。半曝气区4的剩余污泥可经排泥阀21定期排出，出水经过自生动态膜组件5由总集水管19排出。

二、好氧-缺氧式

经过预处理(沉淀除渣)后的废水(普通生活污水)由进水管进入预处理反应区2(此时为好氧反应)，进行好氧生化作用。悬浮填料10在进水管6的水力带动和曝气管12-1的气升作用下，处于动态的流动中，而且流态均匀，没有死角，动力消耗低。悬浮填料10上的生物膜在曝气管12-1提供的氧气作用下对进水中的有机物进行，一方面生物膜不断地更新，另一方面污水得到了净化。经过初步净化的污水经由穿孔板11-1进入曝气反应区3，此时，调节曝气反应区的曝气强度，使其在低氧状态下或缺氧状态下进行脱氮反应，之后污水进入半曝气反应区4进行进一步的脱氮反应。出水经过自生动态膜组件5由总集水管19排出。

本发明的创新点如下：

(1)本发明可根据进水水质的特点而灵活改变处理区的状态，如将预处理反应区改为固定填料的缺氧反应区或悬浮填料好氧反应区，从而实现处理不同进水水质的多功能反应器。

(2)本发明独有的回流装置利用重力与进水泵产生的射流动力之和为回流动力，并通过阀门控制回流流量。实现了无需外加动力的回流模式。

本发明的优点如下：

(1)预处理区为缺氧水解区时，可对难降解物质如LAS、油类等难降解物质或高浓污水进行水解，提高进水的可生化性，进一步提高反应器的处理水平。预处理区为好氧反应区时，曝气反应区采用好氧悬浮填料生物膜系统，这有利于生长缓慢的硝化菌的生长繁殖，保证不会在和异养菌的竞争中被淘汰。连续的曝气使填料生物膜的更新速度很快，提高系统抗冲击负荷的能力。而且进水口和进气口的位置处于反应器下部略微偏上的位置，这样使悬浮填料处于动态的流动中，而且流态均匀，没有死角，动力消耗低。

(2)曝气管上大小合适的孔洞，既有足够的动力保持填料的悬浮状态(预处理反应区)，又确保氧的传质，使生物膜(预处理反应区)表面和活性污泥(曝气反应区)的异养生物代谢旺盛，降解有机物的能力增加，去除水中大部分的有机物，生成的小分子碳水化合物有利于反硝化细菌的生长，为后续的脱氮反应提供必要条件。

(3)曝气反应区污泥经隔泥装置阻挡，使得该反应区的污泥浓度保持相当的浓度，从而具有非常好的耐受冲击负荷的作用。污泥定期可以排出，从而具有一定的除磷功能。隔泥装置一方面可以起到沉降污泥，改善出水水质的效果，另一方面，隔泥板上附着的生物膜也会起到净化水质的作用。

(4)在曝气反应区上部增设的缺氧区—半曝气反应区可进一步强化反硝化的效果，有利于增强脱氮的效果；同时自生动态膜组件亦布设于此，节约了空间，而且由于沉淀的因素，此反应区的污泥量较少，且有一定的空气扰动，这样使得自生动态膜组件的膜污染得到了极为有效的控制，并且保持稳定。

(5)回流装置回流为无外加动力回流，既不通过离心泵的叶轮搅动，从而不会损害污泥絮体的结构，从而使污泥保持较高的活性。同时回流装置回流半曝气区的上清液(含有较多的胞外聚合物质)到缺氧区，从而进一步对此类物质进一步处理。

(6)反应器出水不靠外加的抽吸力，而是靠反应器的自身压力水头出水；回流装置回流为无外加动力回流，而是靠重力与进水泵产生的射流动力之和为回流动力；同时，由于半曝气区的存在，使曝气区不需要公知的膜生物反应器所需的为了减缓膜污染而额外的曝气量(大大超过生物反应所需的量)，因此，十分节约能耗。

(7)自生动态膜组件单元为硬PVC支撑骨架，40目钢丝筛网，工业无纺布组成，造价十分低廉，而出水水质略差于或等于普通有机膜组件，具有很好的经济效益。同时，与一般的框式自生动态膜组件相比，管式自生动态膜组件具有相同容积下出水面积大的优点。而且本发明的自生动态膜单元的数量可根据处理水量的多少和反应器的容积而自由调整。总集水管有预留插孔，只需将自生动态膜单元插入或拔出即可。使用十分灵活、方便。

(8)由于回流的存在，使得反应器具有很好的脱氮功能，并使高氮低浓污水的无外加碳源脱氮成为可能。同时，由于填料上的生物膜作用和曝气反应区的高浓度污泥存在，使得SND现象在反应器内十分普遍，达到良好的脱氮硝果。

本发明结合国内外的研究现状，考虑我国污水处理的实际需求，开发了多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，实现有机污染物(难降解物质)和氮的同时去除。下部的生物膜系统可以同时完成硝化和反硝化的功能。曝气管布设合理，动力消耗较低。处于中间的功能区，以污水中的有机物为碳源进一步执行反硝化功能。本发明不需要外加碳源和碱度，节省资源。本发明利用价廉的自生动态膜组件代替昂贵的有机膜组件，起到与此类膜相应的处理效果。本发明占地面积小，可灵活改变反应器的功能，操作管理可实现无人职守，能耗省，同时可以达到去除有机物和脱氮的功能，与实现人类社会可持续发展的观念相契合。

附图说明

图1为本发明的结构图示。

图中标号：1 进水系统，2 预处理反应区，3 曝气反应区，4 半曝气区，5 动态管式膜组件，6 进水口，7 回流管，8 阀门，9 单向阀，10 填料，11-1、11-2 分别为第一穿孔板、第二穿孔板，12-1、12-2、12-3 分别为第一曝气管、第二曝气管、第三曝气管，13-1、13-2、13-3分别为第一进气口、第二进气口、第三进气口，14 放空阀，15 隔泥装置，16 三角溢流区，17 事故出水口，18 自生动态膜单元，19 总集水管，20 取样阀，21 排泥阀，22 压力表，23为支撑架，24 为集气管。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器呈柱体结构，自下而上由进水系统1、预处理反应区2、曝气反应区3、半曝气区4组成一体，其结构如图1所示，预处理反应区2、曝气反应区3和半曝气区4间均由穿孔板分隔，利于水流通过，同时又有支撑与界定各功能区的作用。其中：

进水系统1为进水口6与射流重力式回流管7组成，进水管与回流管7均设有单向阀9，以避免事故时水倒流。回流管7的使用视预处理反应区的反应状态而定，若预处理反应区为缺氧反应则使用，若预处理反应区为好氧反应则关闭。在预处理反应区为缺氧区时，回流管7使曝气区与半曝气区的废水回到预处理反应区进行反硝化脱氮。回流管7的回流动力为重力与进水泵产生的射流动力之和，回流管7上有阀门8控制回流流量。由于进水首先进入预处理反应区，使预处理反应区有充足的碳源，因此，使得低浓污水的脱氮成为可能。进水口6设有两处，分别为固定式填料进水口和悬浮填料进水口，以利于均匀布水。

预处理反应区2视进水的不同可以灵活变化为缺氧水解功能区或好氧反应功能区。由填料(固定式弹性填料或悬浮填料)10、第一穿孔板11-1、第一曝气管12-1、第一进气口13-1与放空阀14组成。其底部呈圆锥形，以收集剩余污泥；反应区呈柱体结构，利于填料10放置。第一穿孔板11-1位于预处理反应区2顶部，有支撑架23支撑。其作用是阻止活性污泥沉入预处理反应区2。第一进气口13-1在预处理反应区2一侧。填料10视水质情况分为固定式或悬浮式，而供设计者选择。固定式填料可悬挂于第一穿孔板11-1上进行固定。原污水在预处理区完成水解酸化反应或生物氧化反应，使废水中较难降解的污染物进一步转化。本发明不仅适于处理生活污水，且易处理含有较难降解物质且碳源较低的污水，如含有表面活性物质的洗衣浴废水等等。与此同时，由半曝气区4的回流水在此进行反硝化反应，从而完成脱氮作用。预处理反应区2的底部为半圆形，类似集泥斗，利于沉淀集中，放空阀14布设于此，有利于排泥。进水口6亦设置于此，可将沉积物冲起，有利于均化水质。该反应区第一曝气管12-1在缺氧反应情况下呈关闭状态，只有在对缺氧区进行冲洗时，可通过曝气产生的扰动对缺氧区进行清洗。当预处理反应区2为好氧区时，第一曝气管12-1的开启，使缺氧区变为好氧区，达到多功能的效果。调节悬浮填料的流态或改变固定填料生物的呼吸方式，从而使反应器很快改为固定生物接触氧化反应器或悬浮载体生物膜-膜生物反应器等等。

曝气反应区3由第二曝气管12-2、第二进气口13-2和隔泥装置15组成。第二穿孔板11-2位于曝气反应区3顶部，同样有支撑架23支撑。其作用是阻止活性污泥进入半曝气反应区4。第二曝气管12-2位于曝气反应区3的下部，第一穿孔板11-1的上部，第二进气口13-2位于曝气反应区3的一侧，第二进气口13-2连接第二曝气管12-2。隔泥装置15呈“喇叭口”形结构，其顶部与第二穿孔板11-2连接，第二穿孔板11-2周边为六个大开孔，此六孔连接集气管24的一端，集气管24的另一端从半曝气区伸出至水面外以排气。在此区域内，污水完成其生物氧化反应。

半曝气区4由第三曝气管12-3、三角溢流区16、事故出水口17及自生动态膜组件5组成。第三曝气管12-3位于半曝气区4的下部，第二穿孔板11-2的上部，第三进气口13-3位于半曝气区4的一侧，第三进气口13-3连接第三曝气管12-3。第三曝气管12-3只在水力清洗膜组件时使用，其余时间不用。在此区域内，污水可完成部分脱氮，并沉淀部分污染物至曝气反应区3。最终出水在水头压力(无需外加动力)作用下经由自生动态膜组件5流出。三角溢流区16是为事故时而备用，当出水水质较好时也可作为收水系统。

自生动态膜组件5由3-5个自生动态膜单元18与总集水管19组成，每个自生动态膜单元为φ 30的管式动态膜组件，其组成由内到外分别为硬PVC支撑骨架，40目钢丝筛网，工业无纺布。每个自生动态膜单元18插入总集水管19内，由总集水管19将出水收集后排出。自生动态膜单元的数量可根据处理水量的多少和反应器的容积而自由调整。总集水管19有预留插孔，只需将自生动态膜单元插入或拔出即可。

将上述所得反应器处理某学生浴室洗浴废水。

洗浴废水进入多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，在固定式填料的水解作用下对洗浴废水中的LAS进行水解，溶解氧为0.5mg/L以下，曝气反应区溶解氧为1～2mg/L，活性污泥浓度为2000～4000mg/L，鼓气量为80～120L/h，温度为27℃左右，pH为6.5～8.2条件下，系统稳定运行60天。

在进水COD，BOD₅，NH₃-N，TN，TP，LAS分别为：120～300mg·L^-1，60～90mg·L^-1，17～20mg·L^-1，35～50mg·L^-1，2.2～4.5mg·L^-1，3～10mg·L^-1时，工艺处理后出水水质分别为：30～50mg·L^-1，5～6mg·L^-1，3～5mg·L^-1，5～12mg·L^-1，0.2～0.3mg·L^-1，0.3～0.4mg·L^-1。能够达到《城市污水再生利用景观用水水质标准》(GB/T 18921—2002)的要求。

实施例2

将实施例1所得反应器处理某小区生活污水。

生活污水进入多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，反应器内部气流推动悬浮填料呈流动状态，生活污水在预处理区悬浮填料的生物膜的作用之下进行分解。在预处理区水力停留时间为1～2h，溶解氧为1～2mg/L；之后进入曝气反应区微曝气作用下，由活性污泥对污水进行进一步净化，并完成部分脱氮，在曝气反应区水力停留时间为0.5h，溶解氧为0.5mg/L以下；之后进入半曝气反应区(此时该区为缺氧状态)进一步脱氮，该区水力停留时间为1～2h，最后由自生动态膜出水。

在进水COD，BOD₅，NH₃-N，SS分别为：190～300mg·L^-1，80～100mg·L^-1，37～50mg·L^-1，20～50mg·L^-1时，工艺处理后出水水质分别为：30～40mg·L^-1，15～20mg·L^-1，3～8mg·L^-1，1～2mg·L^-1。浊度稳定在5NTU以下。能够达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920—2002)的要求。

Claims (6)

1、一种多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于该反应器呈柱体结构，自下而上依次由预处理反应区(2)、曝气反应区(3)、半曝气区(4)组成，各反应区之间通过穿孔板分隔，其中：

预处理反应区(2)呈柱体结构，底部呈圆锥形，由进水口(6)、回流管(7)、填料(10)、第一穿孔板(11-1)、第一曝气管(12-1)、第一进气口(13-1)、放空阀(14)、第一支撑架组成，第一穿孔板(11-1)位于预处理反应区(2)顶部，并固定于第一支撑架上方，第一进气口(13-1)位于预处理反应区(2)一侧，第一曝气管(12-1)位于预处理反应区(2)下方，并连接第一进气口(13-1)，填料(10)位于预处理反应区(2)内，放空阀(14)位于预处理反应区(2)底部圆锥形部位，进水口(6)位于预处理反应区(2)底部，进水口(6)另一端依次通过管道、单向阀(9)、阀门(8)和回流管(7)连接半曝气区(4)；

曝气反应区(3)由第二穿孔板(11-2)、第二曝气管(12-2)、第二进气口(13-2)、隔泥装置(15)、第二支撑架组成，第二穿孔板(11-2)位于曝气反应区(3)顶部，并固定于第二支撑架上方，第二曝气管(12-2)位于曝气反应区(3)下部，第二进气口(13-2)位于曝气反应区(3)一侧，第二进气口(13-2)连接第二曝气管(12-2)；隔泥装置(15)呈喇叭口形结构，其顶部口形大，底部口形小，隔泥装置(15)顶部喇叭形口与第二穿孔板(11-2)连接，第二穿孔板(11-2)周边开孔，集气管(24)一端连接该开孔处，集气管(24)另一端穿过半曝气区(4)，伸出至水面外以排气；

半曝气区(4)由第三曝气管(12-3)、三角溢流区(16)和自生动态膜组件(5)组成，第三曝气管(12-3)位于半曝气区(4)下部，第二穿孔板(11-2)上部，第三进气口(13-3)位于半曝气区(4)一侧，第三进气口(13-3)连接第三曝气管(12-3)，三角溢流区(16)位于半曝气区(4)顶部，三角溢流区(16)一侧设有事故出水口(17)；自生动态膜组件(5)位于半曝气区(4)中部，由自生动态膜单元(18)与总集水管(19)组成，每个自生动态膜单元(18)一端插入总集水管(19)内，总集水管(19)一端伸出半曝气区(4)外，连接收集管道后排出；自生动态膜单元(18)由内到外分别由支撑骨架、钢丝筛网和工业无纺布组成。

2、根据权利要求1所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于，第一曝气管(12-1)、第二曝气管(12-2)、第三曝气管(12-3)分别为4-5根。

3、根据权利要求1所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于预处理反应区(2)、曝气反应区(3)、半曝气区(4)四周均设有取样阀，取样阀分别为8个。

4、根据权利要求1所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于回流管(7)采用射流重力式回流管。

5、根据权利要求1所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于预处理反应区(2)内部填料(10)为固定式填料或悬浮填料之一种。

6、根据权利要求1所述的多功能硝化反硝化一体式自生动态膜生物反应器，其特征在于自生动态膜单元(18)为3-10个。

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