CN101302059B - 倒置式脱氮工艺膜生物反应器 - Google Patents
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Abstract
一种倒置式脱氮工艺膜生物反应器，属于水处理设备技术领域。其特征是它由无纺布填料、反应容器、曝气装置、温度控制装置、膜组件组成。厌氧氨氧化反应容器是密闭装置，厌氧氨氧化菌采用无纺布附着生长；亚硝化反应容器是敞开装置，出水采用膜出水。无纺布有较大的孔隙度(孔径为3微米)，表面粗糙，适合于生长缓慢的厌氧氨氧化菌的附着，其造价低、质量轻；膜组件采用中空纤维膜(材料为聚丙烯，平均孔径0.1μm，膜面积0.2m 2)。本发明的效果是微生物附着良好，基质以及气液固三相混合均匀，容易达到所需的操作参数，节省了成本和运行费用。该反应器适用于先厌氧氨氧化后亚硝化工艺，是一种市场应用前景广阔的新型生物脱氮反应器。
Description
技术领域
本发明属于水处理设备技术领域，涉及一种倒置式脱氮工艺膜生物反应器。
背景技术
随着排放标准的日趋严格，废水中氨氮的脱除日益引起人们的关注。针对于传统的先硝化后反硝化的生物脱氮工艺的高能耗、高运行费用等缺点，近十几年，国内外学者开发出了一批生物脱氮工艺，如SHARON-ANAMMOX(Singlereactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite，ANaerobic AMMonia OXidation)组合工艺、亚硝化-ANAMMOX组合工艺、CANON(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)工艺和OLAND(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification and Denitrification)工艺，这些工艺都能有效地去除废水中的氮。但是这些生物脱氮工艺也存在着一些问题：反应器内菌种增值慢、水中的碳源和溶解氧会对菌种起到抑制作用、工艺条件较为苛刻、操作复杂等。
正常的亚硝化-ANAMMOX组合工艺的基本原理是：首先在亚硝化反应器中将含氨氮废水中50％左右的氨氮氧化成亚硝酸氮。然后将含有氨氮和亚硝酸氮的亚硝化反应器出水作为厌氧氨氧化反应器的进水，在该反应器中氨氮和亚硝酸氮在厌氧条件下被转化为N2和H2O。但是，该组合工艺也存在着缺点：全流程的脱氮效率取决于亚硝化阶段出水中氨氮与亚硝酸氮的基质比例，亚硝化程度制约组合工艺的运行；水中的溶解氧以及亚硝化过程中产生的硝酸氮会对厌氧氨氧化菌(ANAMMOX菌)产生抑制作用；过高或过低的COD浓度对工 艺运行均可能产生不利影响。
倒置式脱氮工艺是指先进行厌氧氨氧化后进行亚硝化的工艺。在厌氧条件下，厌氧氨氧化反应器中的ANAMMOX菌利用废水中的氨氮与亚硝化反应器的回流液中的亚硝酸氮发生厌氧氨氧化反应生成氮气，同时厌氧氨氧化反应器中共存的异养反硝化菌以废水中的COD作为电子供体和碳源，将亚硝化过程中产生的副产物——硝酸氮转化为氮气，并消除混合液中残留的溶解氧。厌氧氨氧化反应器出水进入亚硝化反应器中，由反应器中悬浮生长的亚硝化细菌在限氧条件下将水中剩余的氨氮转化为亚硝酸氮，再将一部分出水回流至厌氧氨氧化反应器中。以倒置式脱氮工艺为代表的生物脱氮工艺及其运行系统是一个新兴的研究方向，是含氮废水生物处理技术领域的新兴工艺。与传统生物脱氮工艺相比，倒置式脱氮工艺由于具有硝化进程短、需氧量少、不需要有机碳源、剩余污泥的排放量少等特点而具有节省基建投资，减少能耗，降低运行费用等优点。同时与亚硝化-厌氧氨氧化工艺相比，能够避免亚硝化过程中产生过多的亚硝酸氮、使厌氧氨氧化反应器中的氨氮与亚硝酸氮的比为1，同时克服亚硝化过程中产生的副产物——硝酸氮、剩余溶解氧、以及废水中所含COD对ANAMMOX菌的干扰抑制作用。
由于运行此工艺的关键菌种之一ANAMMOX菌的生长速率很低，最大比生长速率小于0.1d-1，所以要求反应器有良好的生物吸附能力。溶解氧的浓度是此工艺运行的关键因素，有效的控制溶解氧的浓度，是运行厌氧氨氧化-亚硝化工艺的反应器所必须的。目前国内外运行亚硝化-厌氧氨氧化工艺的反应器主要有：固定床反应器、流化床反应器、序批式反应器、气提式反应器等，但这些反应器在运行过程中都存在一些问题：如流化床反应器运行时挂膜不均匀，固定床反应器、序批式反应器的氧气传递速率差，气提式反应器生成的氮气使污 泥颗粒上浮堵塞出水管等。
ANAMMOX菌采用无纺布附着生长。无纺布适宜生长世代时间较长的微生物、污泥龄长，有较强的耐冲击负荷能力，处理效果好，在工艺和维护运行方面具有微生物浓度高、生物相分级、污泥勿需回流等优点，因此动力消耗低，运行费用低，在废水处理中有较广泛的应用前景。ANAMMOX菌生长条件严格，生长和代谢所需的最佳温度为30～40℃，反应器内需要有温度控制装置。微量的氧气对ANAMMOX菌产生可逆抑制的作用，在运行厌氧氨氧化工艺的第一步——进行ANAMMOX菌的纯培养时需要较严格的厌氧环境，普通的反应器不是密闭的装置，不能进行厌氧培养和厌氧反应。为了更好的运行厌氧氨氧化工艺，必须对普通的反应器改型，以建造一个适用厌氧氨氧化工艺运行的反应器。ANAMMOX菌培养结束后再逐步接种反硝化细菌，以消除废水中硝酸氮、剩余溶解氧、以及COD对ANAMMOX菌的干扰抑制作用
亚硝化工艺采用膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)。MBR是以膜组件作为取代二沉池的泥水分离单元设备，并与生物反应器组合构成的一种生物处理装置，主要由生物反应器和膜组件两个单元设备组成。生物处理系统和膜分离组件的有机结合，使它与传统的废水生物处理方法相比有很大的优越性：(1)能够高效地进行固液分离，使泥水得到很好的分离。出水水质良好，可完全滤去悬浮物及有关微生物，出水无需消毒，可直接回用。(2)膜的机械截留避免了微生物的流失，使生物反应器内保持高的生物浓度，从而大大提高了容积负荷，降低污泥负荷，减少占地面积。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种倒置式脱氮工艺膜生物反应器，以适用于厌氧氨氧化-亚硝化工艺的运行。
本发明的技术方案是：
采用无纺布作为ANAMMOX菌附着生长的填料，厌氧氨氧化反应池为密闭的反应容器，亚硝化反应池为敞开的反应容器同时采用膜出水，两个反应器中另设有曝气装置和温度控制装置。
运行厌氧氨氧化-亚硝化工艺的倒置式膜生物反应器，它主要由厌氧氨氧化反应器、顶端设有排气孔，亚硝化反应器，曝气装置，温度控制装置，搅拌装置，填料所组成，ANAMMOX菌附着生长在无纺布填料，并由不锈钢架固定，亚硝化反应器出水采用中空纤维膜。其中的温度控制装置由温度控制仪、加热棒组成，其作用在于给微生物生长和代谢创造稳定适宜的温度条件。氮气曝气装置可在厌氧氨氧化反应器中实现厌氧的条件，空气曝气装置可在亚硝化反应器中实现好氧的条件。厌氧氨氧化反应容器的底部平行于中轴并位于其正下方设有一根曝气管，管上分别连接曝气头、气体流量计、氮气钢瓶一起构成了反应器的氮气曝气装置，其作用在于厌氧培养ANAMMOX菌时曝氮气创造厌氧环境。反应容器的顶端设有排气孔，配有适宜大小向外开启的弹簧片，以使反应器内部处于密闭状态保持厌氧环境，同时还可将反应器内产生的氮气以及曝氮气时的气体排出。亚硝化反应容器的底部平行于中轴并位于其正下方设有一根曝气管，管上分别连接曝气头、气体流量计、空气泵一起构成了反应器的空气曝气装置，其作用一方面在于曝一定流量的空气，为运行亚硝化工艺创造限氧好氧环境，另一方面，形成气体剪切力，使部分附着于中空纤维膜组件上的生物膜脱落，以降低膜污染。
厌氧氨氧化反应器的填料采用孔径可以为3微米的无纺布；亚硝化反应器的中空纤维膜组件的膜材料可以为聚丙烯，平均孔径0.1μm，膜面积0.2m2。
厌氧氨氧化-亚硝化工艺的整个运行过程为：
1.废水首先进入厌氧氨氧化反应器，附着生长在无纺布上的ANAMMOX菌利用废水中NH4 +和亚硝化反应器的回流液中的NO2 -发生厌氧氨氧化反应生成N2，同时共存于反应器中的异养反硝化菌以废水中的COD作为电子供体和碳源，将亚硝化过程中产生的副产物——NO3 -转化为N2，并消除混合液中残留的溶解氧。
2.厌氧氨氧化反应器的出水进入亚硝化反应器中，由反应器中悬浮生长的亚硝化细菌在限氧条件下将水中剩余的NH4 +转化为NO2 -，同时出水经由中空纤维膜组件进入出水水箱。
3.经由蠕动泵将出水水箱中一部分出水回流至厌氧氨氧化反应器中参与厌氧氨氧化反应，剩余出水经由出水孔排出。
本发明的效果和益处是：微生物的附着良好，基质以及气液固三相混合均匀，溶解氧的控制简便，容易达到工艺运行所需的操作参数，节省运行成本和能耗。此外，无纺布有较大的孔隙度，表面粗糙，有利于微生物的附着、生长与繁殖，特别适合于生长缓慢的微生物的培养及其工艺的运行。膜分离组件出水水质良好，膜的机械截留避免了微生物的流失，使生物反应器内保持高的生物浓度，从而大大提高了容积负荷，降低污泥负荷。本工艺能够避免亚硝化过程中产生过多的的NO2 -、使厌氧氨氧化反应器中的NH4 +∶NO2 -＝1∶1，同时克服亚硝化过程中产生的副产物NO3 -、剩余溶解氧、以及废水中所含COD对ANAMMOX菌的干扰抑制作用。
附图说明
图1是倒置式脱氮工艺膜生物反应器运行厌氧氨氧化-亚硝化工艺流程图。
图2是倒置式脱氮工艺膜生物反应器无纺布填料正面结构示意图。
图3是倒置式脱氮工艺膜生物反应器无纺布填料侧面结构示意图。
图中：1进水箱；2、3、4蠕动泵；5温度控制仪；6、7加热棒；8、9曝气头；10搅拌装置；11、12气体流量计；13氮气钢瓶；14排气孔；15中空纤维膜组件；16空气泵；17厌氧氨氧化反应器；18亚硝化反应器；19、20曝气管；21出水水箱；22出水孔；23填料；24无纺布填料；25不锈钢架。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明装置的具体实施例。
实施例：
由倒置式膜生物反应器运行厌氧氨氧化-亚硝化工艺的流程示意图可以看出，反应器由厌氧氨氧化反应器17，亚硝化反应器18，曝气装置，温度控制装置，搅拌装置10，填料23所组成所组成，厌氧氨氧化反应器的顶端设有排气孔14，ANAMMOX菌附着生长在无纺布填料24上，并由不锈钢架25固定，亚硝化反应器出水采用中空纤维膜15。温度控制装置由温度控制仪5、加热棒6、7组成。曝气装置由曝气头8、9，气体流量计11、12，氮气钢瓶13、空气泵16和反应容器底部的曝气管19、20组成。两个反应器的容积分别为14L，无纺布填料的总面积为0.33m2，单位面积的最大生物量为0.12kg/m2，生物体的附着率为98％。当HRT为8h时，处理高氨氮废水达到的最大氮容积去除负荷为1.8gNH4 +-N/L·d，总氮去除率为92％。采用本倒置式膜生物反应器运行厌氧氨氧化-亚硝化工艺处理含COD的高氨氮废水，脱氮除碳效果良好，试运行以来未出现严重的膜污染问题和其他运行问题。倒置式脱氮工艺膜生物反应器适用于处理实际的纯高氨氮废水和低COD高氨氮废水，是一种市场应用前景广阔的生物脱氮反应器。
Claims (2)
1.一种倒置式脱氮工艺膜生物反应器，其特征在于：该反应器包括厌氧氨氧化反应器(17)、亚硝化反应器(18)、曝气装置、温度控制装置、搅拌装置(10)和填料(23)；厌氧氨氧化反应器的顶端设有排气孔(14)；厌氧氨氧化反应器(17)的填料(23)采用孔径为3微米的无纺布填料(24)，无纺布填料(24)由不锈钢架(25)固定在厌氧氨氧化反应器(17)中，ANAMMOX菌附着生长在无纺布填料(24)上；亚硝化反应器采用中空纤维膜组件(15)出水，亚硝化反应器(18)的中空纤维膜组件(15)的膜材料为聚丙烯，平均孔径0.1μm，膜面积0.2m2；温度控制装置由温度控制仪(5)、加热棒组成，且加热棒分别置于厌氧氨氧化反应器(17)和亚硝化反应器(18)内；
厌氧氨氧化反应器的底部平行于中轴并位于其正下方设有一根曝气管，管上分别连接的曝气头、气体流量计、氮气钢瓶一起构成了厌氧氨氧化反应器的氮气曝气装置；亚硝化反应容器的底部平行于中轴并位于其正下方设有一根曝气管，管上分别连接的曝气头、气体流量计、空气泵一起构成了亚硝化反应器的空气曝气装置；
废水依次先后经由进水箱、厌氧氨氧化反应器、亚硝化反应器中、出水水箱，出水水箱中一部分出水回流至厌氧氨氧化反应器中参与厌氧氨氧化反应，剩余出水经由出水孔排出。
2.一种利用权利要求1所述膜生物反应器运行厌氧氨氧化-亚硝化的工艺，其特征在于，废水经由进水箱进入厌氧氨氧化反应器，附着生长在无纺布填料上的ANAMMOX菌利用废水中的NH4 +和亚硝化反应器的回流液中的NO2 -发生厌氧氨氧化反应生成N2，同时共存于厌氧氨氧化反应器中的异养反硝化菌以废水中的COD作为电子供体和碳源，将亚硝化过程中产生的副产物——NO3 -转化为N2，并消除混合液中残留的溶解氧；厌氧氨氧化反应器的出水进入亚硝化反应器中，由亚硝化反应器中悬浮生长的亚硝化细菌在限氧条件下将水中剩余的NH4 +转化为NO2 -，同时出水经由中空纤维膜组件进入出水水箱；经由蠕动泵将出水水箱中一部分出水回流至厌氧氨氧化反应器中参与厌氧氨氧化反应，剩余出水经由出水孔排出。
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