CN101538087A - 一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器 - Google Patents
一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器 Download PDFInfo
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Abstract
一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器,属于水处理设备技术领域。该反应器膜组件采用多微孔炭管膜等距离垂直排列组成,每根炭管用无纺布包裹,微生物附着在无纺布填料上;空气用气泵从膜组件底端的封头打入炭管膜内腔,部分气体透过炭管膜壁进入反应器,剩余部分从另一端排除;通过调节气体流量计逐步控制炭管膜内腔压力进而调节供氧量,进而控制反应器内溶解氧。本发明的效果是具有高效的氧传质速率、巨大的生物膜载体比表面积和内外分层的特殊生物膜结构,容易达到单级自养生物脱氮工艺运行所需的操作参数。炭管膜曝气生物膜反应器适用于运行单级自养生物脱氮工艺,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,涉及到一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器。
背景技术
20世纪80年代末一种全新的生物反应厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)的发现,为人们研究和开发单级自养生物脱氮工艺提供了理论依据。它能利用厌氧氨氧化菌以亚硝酸根为电子受体,氨为电子供体生成氮气,由于厌氧氨氧化反应具有缩短硝化进程,降低需氧量和碱度消耗,减少剩余污泥产生量,节省运行费用等优点,引起了人们的广泛关注,与之相关的单级自养生物脱氮工艺近年来成为了国内外研究的热点,其中包括:CANON(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺、OLAND(oxygen-limited autotrophic nitrification杁enitrification)工艺以及SNAP(single-stage nitrogen removal using anammox and partial nitritation)工艺等,这些工艺都是依靠好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用所完成。在微氧条件下,自养型好氧氨氧化菌以氧作为电子受体,把部分氨氧化成亚硝酸根,厌氧氨氧化菌再以氨作为电子供体,亚硝酸根为电子受体,生成氮气完成废水中的氮的去除。
在这些单级自养生物脱氮工艺中,溶解氧浓度、氨氮负荷和亚硝化程度是反应能否顺利进行的关键因素,因此反应器具备有效的供氧效率和高效的污泥截留能力是提高反应器负荷,维持好氧和厌氧氨氧化菌群动态平衡,进而保证工艺长期稳定运行的关键。目前实验室中运行单级自养生物脱氮工艺如CANON的反应器以气升反应器和SBR应用较多。拥有更高氧传质速率的气升式反应器氨氮的去除负荷可以达到1.5Kg N/m3.d,是SBR的20倍,但系统稳定性较差。由于气升反应器频繁发生的跑泥现象会造成部分生物量的流失,这对于缓慢增长的anammox等自养菌群的富集影响巨大,因而导致反应器处理效率下降并可能出现亚硝酸的短暂积累。尽管SBR反应器对缓慢增长的自养细菌的富集效果更加出众。但SBR反应器的气体传输效率不高,较低的工艺负荷限制了其进一步工业应用。相比之下,采用固定形式的生物膜反应器也许更适合单级生物脱氮工艺原理的应用,根据郝晓地等的模型分析,在优化的生物转盘反应器中,DO控制在0.6mg/L可得到最大的氮去除效率(氨氮95.5%、总氮87.5%),但这只是优化后的结果,如何提高单级自养生物脱氮工艺的处理效率还是尚未解决的问题。
膜曝气生物反应器(membrane aerated bioreactor,MABR)是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理组合新工艺。膜曝气的主要特点在于无泡曝气和特殊结构的生物膜。MABR是采用微孔膜或致密透气膜曝气供氧,膜组件既是供氧通道,又是生物膜载体。通过控制膜孔内的空气压力,氧气几乎全部被生物膜吸收,氧气浓度沿生物膜厚度逐渐衰减,至生物膜与主体溶液界面处DO浓度为零,形成无泡曝气。因此在曝气膜上形成的生物膜结构与传统载体生物膜(例如生物滤池)结构相反,曝气膜内侧为好氧菌,中间层为兼氧菌,外层为厌氧菌。因此在曝气膜内侧,DO浓度最大,微生物以好氧硝化菌为主;而外层生物膜处于缺氧或厌氧环境,且此处有机物、NO3 -浓度最高,可使反硝化速率达到最高,因此可在生物膜内同时发生硝化-反硝化过程,可达到同时去除有机物和氮的目的。无泡曝气的高传氧效率使MABR在高浓度废水的处理中具有明显优势。而MABR中好氧-厌氧菌群共存的特殊生物膜结构,使该工艺在强化硝化及同步脱氮除碳方面具有很大的应用潜力。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。此外,在曝气膜壁上生长微生物,易造成孔径堵塞的问题。为了节省工艺运行和基建投资费用,需要开发廉价,高效的膜组件形式,以适用于单级自养生物脱氮工艺的运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器(MABR),以适用于单级自养生物脱氮工艺的运行。
实现本发明的技术方案如下:
运行单级自养生物脱氮工艺的MABR,主要由膜组件、进水装置、曝气装置和温度控制装置组成,进水装置的进水蠕动泵与包裹无纺布的炭管膜生物反应器入水端相接,曝气装置与包裹无纺布的炭管膜生物反应器的曝气管相通,温度控制装置与包裹无纺布的炭管膜生物反应器的外层相连。
膜组件由多微孔炭管膜等距离垂直排列组成,每根炭管用无纺布包裹,以增加反应器对生物的持留能力。微生物附着在无纺布填料上,而不是生长在曝气膜表面,能有效的减缓炭管膜表面的膜污染问题。
进水装置由进水蠕动泵和进水箱组成。
曝气装置是由气泵、气体流量计和压力表组成,空气用气泵从膜组件底端的封头打入炭管膜内腔,部分气体透过炭管膜壁进入反应器,剩余部分从另一端排除。通过调节气体流量计逐步控制炭管膜内腔压力进而调节供氧量,进而控制反应器内溶解氧。膜内压力由压力表读出。
温度控制装置由加热水回流泵和加热水箱组成,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。
单级自养生物脱氮工艺的整个运行过程为:
(1)第1阶段接种普通硝化污泥启动MABR。进水在调节pH值为7-7.5之后由进水水箱和蠕动泵打入反应器底部。通过温度控制装置控制反应装置的温度在35-37。启动机械搅拌装置(旋转速度=100r/min)以保证反应器内水体保持全混流状态。溶解氧由曝气装置提供,经由炭管无纺布透过膜壁进入反应器,剩余部分从另一端排除。通过调节气体流量计逐步降低炭管膜内腔压力从而降低反应器内溶解氧。膜内腔压力由压力表读取。通过控制pH值,温度,溶解氧,将亚硝酸氧化细菌从反应器内洗脱,使得好氧氨氧化菌大量持留,实现亚硝酸盐的大量积累,为可能发生的厌氧氨氧化反应创造条件。当反应器出水中氨氮和亚硝酸氮浓度的比例接近1∶1时,工艺进入第2阶段。
反应器在第2阶段,再次接种厌氧氨氧化污泥启动单级自养生物脱氮
工艺,使之附着在无纺布填料上,构成生物膜的外层。通过进一步调节气体流量计,调节炭管膜内腔压力,以此来控制生物膜内形成好氧层和厌氧层同时存在的分层结构,使好氧氨氧化菌群和厌氧氨氧化菌群在生物膜内协同共生,进行短程硝化和厌氧氨氧化,实现全程自养生物脱氮。
本发明的效果和益处是:MABR具有高效的氧传质速率、巨大的生物膜载体比表面积和内外分层的特殊生物膜结构,容易达到单级自养生物脱氮工艺运行所需的操作参数。所用炭管是以煤为原材料经高温裂解炭化而成,具有机械强度高、化学稳定性好、成本低廉等特点,节省工艺的基建投资费用。由于炭管外层包裹的无纺布造价低、质量轻、孔隙度大,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。
附图说明
附图是MABR运行单级自养生物脱氮工艺流程图。
图中:1加热水回流泵;2气泵;3气体流量计;4加热水箱;5进水蠕动泵;
6进水箱;7出水口;8取样口;9机械搅拌装置;10压力表;11炭管;
12无纺布;
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例。
由MABR运行单级自养生物脱氮工艺的流程示意图可以看出,膜组件由多微孔炭管膜11等距离垂直排列组成,每根炭管用无纺布12包裹以增加反应器对生物的持留能力。其中的温度控制装置由加热水回流泵1和加热水箱4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。溶解氧由气泵2提供,可通过调节气体流量计3逐步控制炭管膜内腔压力从而可以调节供氧量,进而控制反应器内溶解氧。膜内压力由压力表10读出。反应器的容积为4L,生物体的附着率为98%。膜组件由4根长25cm的多微孔炭管膜等距离垂直排列组成,其外径和内径分别为8.9mm和4.7mm,孔径为0.1~0.3μm。每根炭管用长20cm、宽2cm、厚0.5cm的无纺布条包裹以增加反应器对生物的持留能力。控制水温在35℃±2℃,NaHCO3溶液调节pH在7.5~8.0之间。经过120d连续运行,在膜内压力为0.015MPa,水力停留时间6h,进水NH4 +-N为200mg/L±10mg/L条件下,NH4 +-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65mg/L,总氮去除率达到83.77%。荧光原位杂交分析表明,好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域。采用本炭管膜曝气生物膜反应器运行单级自养生物脱氮工艺处理高氨氮废水,脱氮效果良好,试运行以来没有出现膜孔堵塞问题和其他运行问题。经无纺布包裹的炭管膜曝气生物膜反应器适用于单级自养生物脱氮工艺,是一种市场应用前景广阔的新型生物脱氮反应器。
Claims (1)
1.一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器,其特征在于:该曝气生物膜反应器包括膜组件、进水装置、曝气装置和温度控制装置组成,进水装置的进水蠕动泵(5)与炭管膜生物反应器入水端相接,曝气装置与炭管膜生物反应器的曝气管相通,温度控制装置与炭管膜生物反应器的外层相连;
膜组件由多微孔炭管膜等距离垂直排列组成,每根炭管(11)用无纺布(12)包裹,微生物附着在无纺布(12)填料上;
进水装置由进水蠕动泵(5)和进水箱(6)组成;
曝气装置是由气泵(2)、气体流量计(3)和压力表(10)组成,空气用气泵(2)从膜组件底端的封头打入炭管膜内腔,部分气体透过炭管膜壁进入反应器,剩余部分从另一端排除;通过调节气体流量计逐步控制炭管膜内腔压力进而调节供氧量,进而控制反应器内溶解氧;膜内压力由压力表(10)读出;
温度控制装置由加热水回流泵(1)和加热水箱(4)组成。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090923 |