CN103395878A - 一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是涉及一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法及装置，属于污水处理技术领域。一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：原水引入；好氧硝化反应；好氧污泥沉降；膜组件A连接、流量设定及微曝气；电源连接及电流设定；抽停时间比设定及膜组件A清洗；重新投入运行。为能完成上述的步骤，安排了专用的实施装置。该方法及装置能够将废水中氨氮转化为硝氮以及进行硝氮富集，克服了现有处理低C/N比废水处理方法以及NO3 -分离富集方法的不足和缺陷；并且能有效减少膜污染，延长膜的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法及装置。
背景技术
水体富营养化问题日益突出，近年来由其引发的一系列问题严重影响了居民的日常生活。氮磷是引起水体富营养化的主要因素，因此，污水中氮磷达标排放就显得尤为重要。处理低C/N比废水通常是投加有机碳源来实现高效脱氮，然而这即消耗了有限有机资源，又增加了运行费用。
研究发现，废水中氨氮极易在好氧活性污泥（主要是硝化细菌）作用下转化为硝氮，进而实现氨氮去除。因此，处理低C/N比废水，首先可以运用相关技术手段（如组合膜A）将废水中氨氮和有机物分离，然后将氨氮输送到硝化阶段，有机物到反硝化阶段，氨氮在硝化细菌作用下，转化为硝氮，并进行硝氮富集，用于其它后续处理（反硝化），进而实现氮的去除，其中硝氮的富集将显得十分重要。
目前，NO3 -分离富集的主要方法有吸附与离子交换法、一体式膜生物反应器、膜吸收法及电渗析等方法。吸附与离子交换法（如沸石，离子交换树脂），可以分离浓缩NO3 -，但存在吸附容量有限，再生频率高，化学再生易造成二次污染等问题，因此，目前沸石法脱氮的应用大多数针对微污染河道水、景观水、二沉池出水等含氮不高的水体。一体式膜生物反应器运行能耗低，但存在不能稳定运行和易膜污染的问题。电渗析( ED) 法常被用于废水的NO3 -富集，该方法具有低能耗， 高效率等优点，但电渗析有一定局限性，即只允许特定离子透过膜，而水分子不能透过，而且当膜污染时，膜清洗难度很大。
发明内容
本发明的目的是针对现有处理低C/N比废水处理方法以及NO3 -分离富集方法的不足和缺陷，提供一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法及装置，该方法及装置能够将废水中氨氮转化为硝氮以及进行硝氮富集，以用于后续处理；并且能有效减少膜污染，延长膜的使用寿命。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置，其特征在于：该装置包括敞口的硝化反应器和硝氮分离器，膜组件A，曝气头，气泵，气体流量计，气路管线，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水管，出水管，电极，电源，导线，时间继电器，硝化液管，污泥回流管，污泥回流泵；曝气头放置在硝化反应器和硝氮分离器中；膜组件A和电极位于硝氮分离器内；硝化反应器和硝氮分离器连在一起，组成一个整体；膜组件A的出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；进水泵受时间继电器控制；曝气头与气路管线、气体流量计和气泵依次相连；硝氮分离器内的曝气头位于膜组件A下部；电极的两极经导线分别和电源相连，两极放在膜组件A两侧；进水泵接进水管，进水管末端位于硝化反应器内，且靠近硝化反应器底部；污泥回流泵接污泥回流管，污泥回流管两端分别接硝化反应器底部和硝氮分离器底部；硝化液管位于硝化反应器和硝氮分离器共有器壁上部；膜组件A由阴离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之一、和带有导流槽和孔洞的支撑板组成。
进一步，所述的电极采用板状或者圆柱状石墨电极。
进一步， 应用所述的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1) 原水引入：原水经进水泵增压后，以1-10 ml/min进入硝化反应器中，进水泵受时间继电器控制，进水为间歇性型进水即进水泵抽停时间比为5分钟：1-5分钟；
(2) 好氧硝化反应：将MLSS为3000-3500mg/L的好氧活性污泥、曝气头放入硝化反应器中，并进行曝气，调整气体流量计，控制DO在2-3mg/L，进而形成硝化液，HRT为5h-6.25d；
(3) 好氧污泥沉降：硝化液经硝化液管进入硝氮分离器中，在此进行泥水分离，打开污泥回流泵，调整流量为1-5 ml/min，沉降污泥经污泥回流管回流至硝化反应器中；
(4) 膜组件A连接、流量设定及微曝气：将曝气头和膜组件A放入到硝氮分离器的上清液中，膜组件A出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制，打开出水蠕动泵，调整流量为1-10 ml/min，经出水管出水；同时，将曝气头放入硝氮分离器中膜组件A下部进行曝气，调整气体流量计，控制DO在0.5-0.7mg/L，HRT为5h-6.25d；
(5) 电源连接及电流设定：将电极的两极经导线分别与电源相连，并将阳极正对超滤膜或者微滤膜，阴极正对阴离子交换膜，打开电源，调整到电流为0.05-0.3A，并保持不变；
(6) 抽停时间比设定及膜组件A清洗：出水蠕动泵，在时间继电器的控制下，出水为间歇性型出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，且与进水泵同步间歇进出水，当压力表指示数值超过15kpa时，需对膜组件A进行清洗或者更换。
将膜组件A清洗后可重新投入运行。整个过程被富集的硝氮从出水管流出，进而实现了硝氮富集。
本发明还提供了一种膜组件A，其特征在于：该膜组件A由阴离子交换膜、超滤膜或者微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成；阴离子交换膜和超滤膜或者微滤膜分别固定在支撑板的两面。
本发明的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法及装置，其原理在于：
（1）氨氮转化为硝氮
废水中氨氮在好氧活性污泥（主要是硝化细菌）作用下，通过硝化过程转化为硝氮。
（2）硝氮富集
膜组件A由阴离子交换膜、超滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成，膜组件A中的超滤膜可以允许水分子透过进入到超滤膜和支撑板之间，透过的水分子通过支撑板的孔洞进入到支撑板和阴离子交换膜之间，使阴离子交换膜两侧均为水溶液，由于阴离子交换膜具有阴离子（如NO3 -）选择透过性，在不外加电流作用下，可以通过渗析原理，进入膜组件A内，在外加电流作用下，单位时间内加快NO3 -进入膜组件A的数量增加，进入膜组件A的离子，会迅速进入到从超滤膜透过的水中，形成高浓度的硝氮浓缩液，在蠕动泵的抽吸作用下，将硝氮浓缩液输送到后续的反硝化工艺，从而实现硝氮富集。
（3）降低膜污染
好氧污泥有良好的沉降性能，因此，硝化液很容易形成污泥沉降区和上清液区， 将膜组件A浸在上清液中，这样就大大减少了微生物及污泥附着在膜表面或者进入膜空隙内部机会，同时，在上清液中，进行微曝气，通过上述措施，达到了减少膜污染目的。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：
（1）装置采用分置式，大大减少了膜污染。
（2）在硝氮分离器中实现了对硝氮富集，硝氮富集率为40%-70%；由于采用膜组件A和污泥回流泵，保持了高浓度好氧污泥，有利于硝化作用。
（3）针对电渗析与膜反应器在污水处理中的局限性，开发出了浸没式膜组件A，浸没式膜组件A不仅可以使水透过，而且具有一价阴离子选择透过性，可富集NO3 -，克服了电渗析不能将有机物与离子分离的缺点，弥补了膜反应器不能分离富集离子的弱点，膜组件A的浸没性为未来实际工程应用提供了利便性。
附图说明
图1为本发明提供的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置示意图。
图2为本发明提供的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的方法运行示意图。
图3为本发明提供的一种膜组件A示意图。
图4为本发明提供的一种膜组件A的支撑板示意图。
图中：1-进水泵 2-进水管 3-硝化反应器 4-硝氮分离器5-电源 6-导线 7-电极 8-膜组件A 9-压力表 10-出水蠕动泵 11-时间继电器 12-出水管 13-气体流量计 14-气泵 15-气路管线 16-曝气头 17-硝化液管 18-污泥回流泵19-污泥回流管 20-支撑板 21-超滤膜或者微滤膜 22-阴离子交换膜 23-膜组件A出水口 24-导流槽 25-孔洞
具体实施方式
下面结合附图1、2、3、4及实施例详细加以说明，以进一步理解本发明。
本发明的一种膜组件A 8（图3、图4），是由由阴离子交换膜22、超滤膜或者微滤膜21和带有导流槽24和孔洞25的支撑板20组成；阴离子交换膜22和超滤膜或者微滤膜21分别固定在支撑板20的两面。
为了使实验效果达到更好，本发明所采用的阴离子交换膜22为来自日本astom提供的型号为ACS的阴离子交换膜，超滤膜21为来自南京瑞洁特提供的孔径为0.1μm、膜通量为18.75-20.83 L/m2.h的超滤膜。
本发明所提供的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置（图1）包括敞口的硝化反应器3和硝氮分离器4，膜组件A 8，曝气头16，电极7，进水泵1，进水管2，电源5，导线6，压力表9，出水蠕动泵10，时间继电器11，出水管12，气体流量计13，气泵14，气路管线15，硝化液管17，污泥回流泵18，污泥回流管19；曝气头16放置在硝化反应器3和硝氮分离器4中；膜组件A 8和电极7位于硝氮分离器4内；硝化反应器3和硝氮分离器4连在一起，组成一个整体；膜组件A出水口23与出水管12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制；进水泵1受时间继电器11控制；曝气头16与气路管线15、气体流量计13和气泵14依次相连；硝氮分离器4内的曝气头16位于膜组件A 8下部；电极7两极经导线6分别和电源5相连，采用阳极正对超滤膜21，阴极正对阴离子交换膜22；进水泵1接进水管2，进水管末端位于硝化反应器3内，且靠近硝化反应器3底部；污泥回流泵18接污泥回流管19，污泥回流管两端分别接硝化反应器3底部和硝氮分离器4底部；硝化液管17位于硝化反应器3和硝氮分离器4共有器壁的上部。
图2表示了一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置运行状态，具体步骤为：
(1) 原水引入：原水经进水泵1增压后，经过进水管2以流量为1-10ml/min进入硝化反应器3中，进水泵1受时间继电器11控制，进水为间歇性型进水即进水泵抽停时间比为5分钟：1-5分钟；
(2) 好氧硝化反应：将MLSS为3000-3500mg/L的好氧活性污泥、曝气头16放入硝化反应器3中，并进行曝气，调整气体流量计13，控制DO在2-3mg/L，进而形成硝化液，HRT为5h -6.25d；
(3) 好氧污泥沉降：硝化液经硝化液管17进入硝氮分离器4中，在此进行泥水分离，打开污泥回流泵18，调整流量为1-5 ml/min，沉降污泥经污泥回流管19回流至硝化反应器3中；
(4) 膜组件A连接、流量设定及微曝气：将曝气头16和膜组件A 8放入到硝氮分离器4的上清液中，膜组件A出水口23与出水管12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制，打开出水蠕动泵10，调整流量为1-10 ml/min，经出水管12出水；同时，将曝气头16放入硝氮分离器4中膜组件A 8下部进行曝气，调整气体流量计13，控制DO在0.5-0.7mg/L，HRT为5h-6.25d；
(5) 电源连接及电流设定：将电极7的两极经导线6分别与电源5相连，并将阳极正对超滤膜21，阴极正对阴离子交膜22，打开电源5，调整到电流为0.05-0.3A，并保持不变；膜组件A 8中的超滤膜21可以允许水分子透过进入到超滤膜21和支撑板20之间，透过的水分子通过支撑板20的孔洞25进入到支撑板20和阴离子交换膜22之间，使阴离子交换膜22两侧均为水溶液，由于阴离子交换膜22具有阴离子（如NO3 -）选择透过性，在外加电流的作用下，单位时间内NO3 -进入膜组件A 8的数量增加，进入膜组件A 8的离子，会迅速进入到从超滤膜21透过的水中，形成高浓度的硝氮浓缩液，进而使硝氮得到富集；
(6) 抽停时间比设定及膜组件A清洗： 出水蠕动泵10，在时间继电器11的控制下，出水为间歇性型出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，且与进水泵1同步间歇进出水，当压力表指示数值超过15kpa时，需对膜组件A 8进行清洗；
(7) 重新投入运行：将膜组件A 8清洗后可重新投入运行。整个过程被富集的硝氮从出水管12流出，进而实现了硝氮富集。
以下实施例中硝氮分离器的DO均控制在0.5-0.7mg/L即可，DO在该范围对硝氮富集影响可以忽略。
结果：
例1 当原水为配水时，其主要水质指标为： NH4 +-N =80 mg/L；操作条件为：进水泵、出水蠕动泵抽停时间比均为5分钟:4分钟，进水流量为4 ml/min, 膜组件A出水流量为4 ml/min ，电流为0.25A，污泥回流流量为2 ml/min ，硝化反应器中DO=2 mg/L，MLSS=3000mg/L，HRT=6.25d时，经过分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到： NO3 --N =128.36 mg/L，硝氮富集率为60.45%。
例2当原水为配水时，其主要水质指标为： NH4 +-N =85 mg/L；操作条件为：进水泵、出水蠕动泵抽停时间比均为5分钟:4分钟，进水流量为6.6 ml/min, 膜组件A出水流量为6.6 ml/min ，电流为0.25A，污泥回流流量为2 ml/min，硝化反应器中DO=3 mg/L，MLSS=3500 mg/L，HRT=3.79d时，经过分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到： NO3 --N -=133.99 mg/L，硝氮富集率为57.64%。
Claims (3)
1.一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置，其特征在于：该装置包括敞口的硝化反应器和硝氮分离器，膜组件A，曝气头，气泵，气体流量计，气路管线，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水管，出水管，电极，电源，导线，时间继电器，硝化液管，污泥回流管，污泥回流泵；曝气头放置在硝化反应器和硝氮分离器中；膜组件A和电极位于硝氮分离器内；硝化反应器和硝氮分离器连在一起，组成一个整体；膜组件A的出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；进水泵受时间继电器控制；曝气头与气路管线、气体流量计和气泵依次相连；硝氮分离器内的曝气头位于膜组件A下部；电极的两极经导线分别和电源相连，两极放在膜组件A两侧；进水泵接进水管，进水管末端位于硝化反应器内，且靠近硝化反应器底部；污泥回流泵接污泥回流管，污泥回流管两端分别接硝化反应器底部和硝氮分离器底部；硝化液管位于硝化反应器和硝氮分离器共有器壁上部；膜组件A由阴离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之一、和带有导流槽和孔洞的支撑板组成；阴离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之一分别固定在支撑板的两面。
2.按照权利要求1所述的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置，其特征在于：所述的电极采用板状或者圆柱状石墨电极。
3.应用权利要求1所述的一种分置式组合膜生物反应器硝化并硝氮富集的装置的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1) 原水引入：原水经进水泵增压后，以1-10 ml/min进入硝化反应器中，进水泵受时间继电器控制，进水为间歇性型进水即进水泵抽停时间比为5分钟：1-5分钟；
(2) 好氧硝化反应：将MLSS为3000-3500mg/L的好氧活性污泥、曝气头放入硝化反应器中，并进行曝气，调整气体流量计，控制DO在2-3mg/L，进而形成硝化液，HRT为5h-6.25d；
(3) 好氧污泥沉降：硝化液经硝化液管进入硝氮分离器中，在此进行泥水分离，打开污泥回流泵，调整流量为1-5 ml/min，沉降污泥经污泥回流管回流至硝化反应器中；
(4) 膜组件A连接、流量设定及微曝气：将曝气头和膜组件A放入到硝氮分离器的上清液中，膜组件A出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制，打开出水蠕动泵，调整流量为1-10 ml/min，经出水管出水；同时，将曝气头放入硝氮分离器中膜组件A下部进行曝气，调整气体流量计，控制DO在0.5-0.7mg/L，HRT为5h-6.25d；
(5) 电源连接及电流设定：将电极的两极经导线分别与电源相连，并将阳极正对超滤膜或者微滤膜，阴极正对阴离子交换膜，打开电源，调整到电流为0.05-0.3A，并保持不变；
(6) 抽停时间比设定及膜组件A清洗：出水蠕动泵，在时间继电器的控制下，出水为间歇性型出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，且与进水泵同步间歇进出水，当压力表指示数值超过15kpa时，需对膜组件A进行清洗或者更换。
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- 2013-06-29 CN CN201310269648.4A patent/CN103395878B/zh active Active
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