CN103936140A - 高氨氮微污染原水的mbbr预处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于饮用水处理技术领域，涉及一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器预处理的方法及系统。该系统包括进水泵（2）、移动床生物膜反应器（20）和鼓风机（10），所述的移动床式生物膜反应器（20）内部设有分离挡板（13）和导流墙（15）。本发明中在移动床式生物膜反应器中设置了分离挡板，加强了全池流化的状态，利于微生物对原水的净化；还设置了出水沉淀区，有利于剩余污泥的排放；反应池结构紧凑，占地面积少，能耗低，易于运行、维护和管理，减少了投资和运行费用。

Description

高氨氮微污染原水的MBBR预处理方法及系统

技术领域

本发明属于饮用水处理技术领域，涉及一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器（MBBR）预处理的方法及系统。

背景技术

随着工农业生产的迅速发展，大量含有各种有毒、有害物质的工业废水和生活污水未经适当处理即排人天然水体，直接或间接地污染了城市的给水水源。目前微污染原水普遍存在着溶解性有机物增多、氨氮浓度高、水体有异味、色度增高、藻类大量繁殖等问题，其中有机物和氨氮是原水中的主要污染物。根据其来源，原水中的有机污染物可分为两大类：天然的和人工合成的有机物。近年研究表明，原水中的有机物可作为多种消毒副产物的前体物，是导致饮用水致突变活性增加的主要因素。原水中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，在一定条件下，有机物可经氨化作用转化为氨氮，它们存在饮用水中均是不安全的。

目前，我国城市给水处理普遍采用的常规处理工艺流程为：混凝—沉淀—过滤—消毒，主要是针对原水中浊度和细菌而制定的处理流程，只能有效去除水中的悬浮物、胶体物质和细菌等杂质。但是，在原水水质受到有机物和氨氮污染时，常规水处理工艺对有机物的去除率仅仅在20%～30%之间，对氨氮的去除率仅为15%左右。未被去除的有机物在加氯消毒过程中，这些有机物会与氯反应生成许多副产物，如三卤甲烷(THMs)等，导致饮用水致突变活性增加。饮用水传统处理工艺中，氨氮主要通过预加氯去除，但这个过程增加了氯气的投加量，同时氯气的投加亦会与原水中的有机物反应可生成消毒副产物。再者，如果氨氮得不到有效去除，出厂水中残留的氨氮可作为配水管网中硝化菌再生的基质，影响出水的生化稳定性。原水中氨氮的存在已成为饮用水安全的一大威胁。

发明内容

本发明的目的要提供一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器（MBBR）预处理的方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

MBBR为通用技术用语，是Moving-bed Biofilm Reactor(移动床生物膜反应器)的缩写，主要解决微污染原水的有机物及氨氮的去除问题。

一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器（MBBR）的预处理系统，该系统包括进水泵、移动床生物膜反应器和鼓风机，所述的移动床式生物膜反应器内部设有分离挡板和导流墙。移动床式生物膜反应器设置分离挡板，使得在上升区曝气的情况下，呈现出上升和回流这两种不同的流向。

所述的移动床式生物膜反应器的反应池为长方体，在移动床式生物膜反应器顶部两侧分别设置进水渠、出水渠。

所述的进水泵与进水渠连通。

所述的进水泵与进水渠之间设有液体流量计。

所述的进水渠内设有筛网。

所述的导流墙下部设有筛网。

所述的分离挡板为长方结构的平板，其固定于移动床式生物膜反应器的池壁上，并与池底与池顶部分别预留有空间，方便水流通过。

所述的导流墙的两侧分别为主反应区和沉淀区；所述的主反应区通过分离挡板分隔为上升区和回流区。其中，上升区的底部设有曝气管，由于上升区底部设置曝气管，曝气时可以使得原水以及填料向上运动，当到达最高处时，通过重力在回流区向下运动。

所述的移动床式生物膜反应器的底部两侧分别设有排泥管和进气管；所述的进气管与鼓风机相连通。

所述的移动床式生物膜反应器的底部还设有放空管以及时排走沉淀物，减缓后续处理构筑物和管道的堵塞情况。

所述的MBBR的反应池底部设泥斗，使水体中易沉降的大颗粒SS（悬浮固体）在反应池中沉淀下来。

所述的移动床式生物膜反应器内设有悬浮填料；悬浮填料悬浮于移动床式生物膜反应器中。

所述的悬浮填料的外形结构为斜椭圆柱体，外部有若干鳍状结构，内部由三个交叉叶片组成，将填料分成六部分（玉环净化集团生产）；这种填料表面经过特殊工艺处理，增加了叶片表面的粗糙度，利于挂摸。

所述的悬浮填料的填充率为30%～70%。

所述的鼓风机与移动床生物膜反应器底部的进气管相连。

一种利用上述移动床式生物膜反应器预处理高氨氮微污染原水的方法，包括以下步骤：

（1）将移动床生物膜反应器中的悬浮填料自然挂膜，使填料上附着生长大量微生物，具有净化原水的能力；

（2）将微污染原水连续泵入移动床式生物膜反应器；

（3）曝气管在移动床式生物膜反应器主反应区的上升区进行曝气，提供填料全池流化所需动力的同时向反应池内充氧，栖息在填料表面上的微生物不断摄取水中的氧、有机污染物及氨氮，从而达到净化原水的目的；

（4）通过沉淀区时，高氨氮微污染原水中的颗粒物和脱落的生物膜得到沉降，最后出水排入水体或进行后续处理，沉降下来的污泥通过排泥管排出后处理。

所述的步骤（1）中，挂膜时水温为20～30℃；利于膜的形成。

所述的步骤（2）中，进水采用90°三角堰；从移动床式生物膜反应器顶部进水；设置进水渠，进水渠设置筛网，以阻拦大的悬浮杂质；水力停留时间为1～2h。

所述的步骤（4）中，出水采用90°三角堰；沉淀区底部设置泥斗，并通过排泥管将剩余污泥排出。

曝气管在反应池底部的上升区一侧进行曝气，提供填料全池流化所需动力。在上升区内，具有一定压力和流量的压缩空气通过曝气管曝气装置由池底进入上升区，对悬浮填料产生上升作用，上升区内的悬浮填料与原水、空气泡形成三相流，以一定流速向上流动。三相流到池顶后，大部分空气逸出水面并进入大气中，在运动惯性的作用下，回流区的载体下沉并由底部进入上升区进行补充，从而形成悬浮填料在反应器内的循环流动。悬浮填料在反应器内的全池流化状态，强化了生物膜与原水之间的传质作用，加速了有机污染物与氨氮从原水中向生物膜内部的传递过程。同时向反应池内充氧，在悬浮填料上升的过程中，由于激烈的三相流运动，曝气管出来的粗大气泡被悬浮填料切割成细小气泡，传质的作用被强化，空气中的氧得以更快的速度溶入水中并进而传递到生物膜内部为微生物所利用，因此上升过程中具有良好的充氧效果。在填料表面生物膜的作用下，原水中的污染物得到降解。

由于三相流中气、液、固三相的不同步特征，空气和液体对悬浮填料表面产生较强的剪切作用，使老化的生物膜从载体表面脱落更新，新生长的生物膜繁殖迅速，生物活性强，有利于维持整个反应器处于高效状态。悬浮填料在反应器内流化的同时，载体表面的生物膜通过传质作用不断摄取原水中的有机物以及氨氮，从而使原水得到净化。

处理过的泥水混合液经过导流墙上的筛网进入沉淀区，通过沉淀区时，原水中的颗粒物和脱落的生物膜得到沉降，最后出水排入水体或进行后续处理，沉降下来的污泥直接排放后处理。该反应池出水方式为上部出水，后面设置出水渠，出水采用90°三角堰。

本发明的有益效果：

本发明提供的移动床式生物膜反应器工艺与现有工艺相比：

(1)在贫营养状态下，也具有活性微生物量大，选用的悬浮填料具有较大的比表面积，且填料的流化状态易于保持较高的微生物活性，净化功能显著提高；微生物相多样化，食物链长，并能存活世代时间较长的硝化菌，有利于氨氮的去除；

（2）本发明中在移动床式生物膜反应器中设置了分离挡板，加强了全池流化的状态，利于微生物对原水的净化；还设置了出水沉淀区，有利于剩余污泥的排放；

(3)悬浮填料密度接近于水，在反应器内易于流化，有利于有机物、溶解氧以及氨氮在生物膜内部的传质；不需要反冲洗，水头损失小，不发生堵塞，管理上较为简便；

(4)耐冲击负荷，对水质、水量变动有较强的适应性，并能处理高浓度原水；

(5)反应池结构紧凑，占地面积少，能耗低，易于运行、维护和管理，减少了投资和运行费用；

(6)反应池的设计较为简便，有利于处理系统的改造、升级及扩充。

附图说明

图1 A是本发明实施例移动床生物膜反应器的工艺流程图；图1B为图1A的P-P剖面图。

图2是本发明实施例中所选用的悬浮填料。

图3是本发明实施例进出水NH₄ ⁺-N浓度及其去除率在不同工况下的变化。

图4是本发明实施例NH₄ ⁺-N去除率及水温在冬春交替期内的变化。

附图标注：

1原水池，                  2进水泵，

3液体流量计，              4进水渠，

5上升区，                  6回流区，

7出水渠，                  8沉淀区，

9排泥管，                  10鼓风机，

11气体流量计，             12进气管，

13分离挡板，               14悬浮填料，

15导流墙，

16曝气管，

17泥斗，                   18放空管，

20移动床式生物膜反应器。

具体实施方式

以下结合实施例和附图进一步说明本发明。

图1A和图1B所示为一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器的预处理系统，该系统包括进水泵2、移动床生物膜反应器20和鼓风机10，移动床式生物膜反应器20内部设有分离挡板13和导流墙15。移动床式生物膜反应器设置分离挡板，使得在上升区曝气的情况下，呈现出上升和回流这两种不同的流向。导流墙15下部设有筛网。

移动床式生物膜反应器20的反应池为长方体，在移动床式生物膜反应器20顶部两侧分别设置进水渠4、出水渠7。进水泵2与进水渠4连通。进水泵2与进水渠4之间设有液体流量计3。进水渠4内设有筛网。

分离挡板13为长方结构的平板，其固定于移动床式生物膜反应器20的池壁上，并与池底与池顶部分别预留有空间方便水流通过。

导流墙15的两侧分别为主反应区和沉淀区8；主反应区通过分离挡板13分隔为上升区5和回流区5。其中，上升区5的底部设有曝气管16，由于上升区底部设置曝气管16，曝气时可以使得原水以及悬浮填料14向上运动，当到达最高处时，通过重力在回流区向下运动。

移动床式生物膜反应器20的底部两侧分别设有排泥管9和进气管12；进气管与鼓风机相连通。移动床式生物膜反应器20的底部还设有放空管18以及时排走沉淀物，减缓后续处理构筑物和管道的堵塞情况。MBBR的反应池底部设泥斗17，使水体中易沉降的大颗粒SS悬浮固体在反应池中沉淀下来。

移动床式生物膜反应器内设有悬浮填料14（如图2所示）；悬浮填料14悬浮于移动床式生物膜反应器20中。悬浮填料14的外形结构为斜椭圆柱体，外部有若干鳍状结构，内部由三个交叉叶片组成，将填料分成六部分玉环净化集团生产；这种填料表面经过特殊工艺处理，增加了叶片表面的粗糙度，利于挂摸。悬浮填料14的填充率为30%～70%。

鼓风机10与移动床生物膜反应器20底部的进气管12相连。

实施例参见图1，本发明的具体流程为：微污染原水通过泵连续进入MBBR反应池，曝气管在反应池上升区一侧进行曝气，提供填料全池流化所需动力的同时向反应池内充氧，在填料表面生物膜的作用下，原水中的污染物得到降解，通过沉淀区时原水中的颗粒物和脱落的生物膜得到部分沉降，最后出水排入水体或进行后续处理。

这种利用移动床生物膜反应器预处理微污染原水的方法，有以下步骤：

（1）MBBR自然挂膜后，填料上附着生长着大量微生物，形成生物膜。

（2）微污染原水通过泵连续进入MBBR反应池，MBBR反应器进水采用上部进水，设置进水渠，进水采用90°三角堰。MBBR内的悬浮填料的填充率为50%。

（3）分离挡板将MBBR主反应区分为上升区以及回流区。曝气管在MBBR反应池上升区底部进行曝气，提供填料全池流化所需动力，同时向反应池内充氧，在良好的气、液、固接触条件下，栖息在载体表面上的微生物不断摄取水中氧、有机污染物及氨氮，从而达到净化原水的目的。在空气的上升作用下，悬浮填料和原水在池内不断循环移动，呈现出上升和回流这两种不同的流向。

（4）通过沉淀区时原水中的颗粒物和脱落的生物膜得到部分沉降，最后出水排入水体或进行后续处理。MBBR反应池出水方式为上部出水，后面设置出水渠，出水采用90°三角堰。

该装置采用自然挂膜，即不接种微生物，进水为某湖泊微污染原水，不投加其他基质。考虑到填料的挂膜，启动阶段拟选用较小的气水比，启动阶段工艺参数可以为水力停留时间HRT=2h，气水比为0.3:1。当水温适宜（24-36℃），有利于微生物在填料表面挂膜，运行几天后，若反应器对氨氮有较好的去除效果，表明挂膜启动成功。运行阶段的工艺参数可以为水力停留时间HRT=1h，气水比为0.2:1。

本发明在处理微污染原水有显著的效果，在预处理微污染原水方面有广阔的发展前景。MBBR工艺具有挂膜时间短、氨氮去除效率高、气水比小、传质效果好、占地面积小、运行方便以及不积泥等优点。该发明是一种经济有效的生物预处理技术，且运行管理简便、工艺能耗低，具有很好的经济效益和环境效益。

1、以某湖泊的微污染原水作为实验用水，采用MBBR作为中试装置，实验周期为一年，实验工况见表1。该MBBR反应池为长方体结构，采用铁板焊接而成，反应池平面尺寸为1m×1m正方形，有效水深为h1=4.0m，池体超高取h2=0.4m，底部泥斗高度为h3=0.1m，总高度为4.5m。内部填装悬浮填料，填充率为50%。

进出水NH₄ ⁺-N浓度及其去除率的变化如图3所示。整个研究周期内，进水NH₄ ⁺-N为2.2±1.7mg/L，出水NH₄ ⁺-N为0.4±0.4mg/L，NH₄ ⁺-N的平均去除率达到了71±27%。在整个研究过程中，水温经历了从高(夏季)到低(冬季)并进而升高(夏季)的过程，同时伴随着NH₄ ⁺-N去除率的变化。例如，当水温从11℃降低到2℃时(阶段4，冬季)，NH₄ ⁺-N去除率从82%下降到13%；然后当水温逐渐上升到18℃时(阶段5，春季)，NH₄ ⁺-N去除率亦升高到98%。虽然水温对于硝化菌活性的影响很大，但相比于悬浮生长的活性污泥系统，低温对于附着生长的生物膜系统去除NH₄ ⁺-N的影响要小得多。水温对于NH₄ ⁺-N去除率的影响存在着一个临界水温(约为10℃)：该温度以上，NH₄ ⁺-N去除率可达到80%以上。

NH₄ ⁺-N去除率及水温在阶段4-5中的变化如图4所示。整个研究过程中，进水NH₄ ⁺-N浓度经历了逐渐增加的过程，NH₄ ⁺-N负荷在阶段5中由于水力停留时间的延长而有所下降。但是，进水NH₄ ⁺-N浓度的增加并不意味着NH₄ ⁺-N去除率的下降。例如，阶段3的进水NH₄ ⁺-N浓度在投加NH₄ ⁺-N后增加了1.0mg/L，NH₄ ⁺-N去除率却不降反升，由阶段2的62±25%上升到阶段3的75±17%。这表明本工艺对于进水NH₄ ⁺-N浓度的变化有很好的适应性，在NH₄ ⁺-N浓度升高的情况下仍能保证NH₄ ⁺-N去除效果。值得注意的是，阶段6中将NH₄ ⁺-N投加浓度逐渐从3.0mg/L增加到6.0mg/L，NH₄ ⁺-N去除率仍可达到96±2%。证明了MBBR生物预处理工艺可处理含高浓度NH₄ ⁺-N的微污染原水。

2、MBBR生物预处理装置在水温为24～30℃，DO为7.0mg/L以上，进水NH₄ ⁺-N浓度为0.07～0.24mg/L时，填料表面的挂膜启动所需时间约为半个月，此时填料表面已附着一定量的氨氧化菌（AOB），可发挥NH₄ ⁺-N降解作用；形成的生物膜表面生长着轮虫、栉毛虫和寡毛类等后生动物，表明生物预处理出水水质良好。

3、MBBR生物预处理装置具有良好的硝化性能，甚至可用来处理NH₄ ⁺-N浓度高达6.0mg/L的原水，且出水能满足生物预处理要求；水温和NH₄ ⁺-N负荷的提高均有利于促进MBBR的硝化性能；当水温低于5℃时，低温对于AOB的抑制作用要大于NOB，此时MBBR出水中无NO₂ ^--N积累现象。

移动床生式物膜反应器工艺有以下优势：(1)在贫营养状态下，也具有活性微生物量大，选用的悬浮填料具有较大的比表面积，且填料的流化状态易于保持较高的微生物活性，净化功能显著提高；微生物相多样化，食物链长，并能存活世代时间较长的硝化菌，有利于氨氮的去除；(2)悬浮填料密度接近于水，在反应器内易于流化，有利于有机物、溶解氧以及氨氮在生物膜内部的传质；不需要反冲洗，水头损失小，不发生度行费用；(3)耐冲击负荷，对水质、水量变动有较强的适应性，并能处理高浓度原水；(4)反应池结构紧凑，占地面积少，能耗低，易于运行、维护和管理，减少了投资和运行费用；(5)反应池的设计较为简便，有利于原处理系统的改造、升级及扩充。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高氨氮微污染原水的移动床式生物膜反应器的预处理系统，其特征在于：该系统包括进水泵（2）、移动床生物膜反应器（20）和鼓风机（10），所述的移动床式生物膜反应器（20）内部设有分离挡板（13）和导流墙（15）。

2.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的移动床式生物膜反应器（20）的反应池为长方体，在移动床式生物膜反应器（20）顶部两侧分别设置进水渠（4）、出水渠（7）。

3.根据权利要求2所述的预处理系统，其特征在于：所述的进水泵（2）与进水渠（4）连通；

或所述的进水泵（2）与进水渠（4）之间设有液体流量计（3）；

或所述的进水渠（4）内设有筛网。

4.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的导流墙（15）下部设有筛网；

或所述的导流墙（15）的两侧分别为主反应区和沉淀区（8）；所述的主反应区通过分离挡板（13）分隔为上升区（5）和回流区（5）；所述的上升区（5）的底部设有曝气管（16）。

5.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的分离挡板（13）为长方结构的平板，其固定于移动床式生物膜反应器（20）的池壁上，并与池底与池顶部分别预留有空间。

6.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的移动床式生物膜反应器（20）的底部两侧分别设有排泥管（9）和进气管（12）；所述的进气管（12）与鼓风机（10）相连通；

或所述的移动床式生物膜反应器（20）的底部还设有放空管（18）。

所述的移动式生物膜反应器（20）的反应池底部设泥斗（17）。

7.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的移动床式生物膜反应器（20）内设有悬浮填料（14）；

或所述的悬浮填料（14）为斜椭圆柱体，外部有若干鳍状结构，内部由三个交叉叶片组成，将填料分成六部分；

或所述的悬浮填料（14）的填充率为30%～70%。

8.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于：所述的鼓风机（10）与移动床生物膜反应器（20）底部的进气管（12）相连。

9.一种利用权利要求1-8中任一所述的移动床式生物膜反应器预处理高氨氮微污染原水的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将移动床生物膜反应器中的悬浮填料自然挂膜；

（2）将微污染原水连续泵入移动床式生物膜反应器，水力停留时间为1～2h；

（3）曝气管在移动床式生物膜反应器主反应区的上升区进行曝气；

（4）通过沉淀区时，高氨氮微污染原水中的颗粒物和脱落的生物膜得到沉降，最后出水排入水体或进行后续处理，沉降下来的污泥通过排泥管排出后处理。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，挂膜时水温为20～30℃；

或所述的步骤（2）中，进水采用90°三角堰；从移动床式生物膜反应器顶部进水；

或所述的步骤（4）中，出水采用90°三角堰。