CN105481208B - 一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置，属于污（废）水处理技术领域。该工艺流程包括厌氧发酵电子生成室、异养‑自养反硝化室及好氧膜分离室。低浓度有机污水进入厌氧发酵电子生成室后，颗粒态及部分溶解态有机质被填料拦截、吸附，在微生物作用下形成胞外电流，用于后续自养反硝化过程。同时，微滤/超滤膜分离过程的使用，提升了污水处理工艺流程负荷，保证了固液分离效率，使出水水质满足高标准的污（废）水回用要求。该工艺通过调节有机污水处理过程中电子流流动方向，强化氮等营养元素的去除效果，并降低系统污泥产量，减缓膜过滤污染。该工艺能够在常温条件（>15℃）下高效处理低浓度有机污水，并显著降低污水处理的运行能耗。

Description

一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置
技术领域
本发明属于水和废水处理技术领域，具体涉及一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置。
背景技术
随着社会经济的发展，我国的环境问题日益严重，水污染问题已经成为制约我国社会、经济发展的重要因素。因此，国家制定了更加严格的营养物质排放标准以防止受纳水体进一步富营养化。氮元素作为全球性的水体污染物，受到了越来越多的重视。减少城市污水中氮的排放对于控制富营养化及改善水体环境具有重要意义，高效脱氮是当前城市污水处理厂运行调控的难点之一。
生物脱氮过程分为三个阶段，包括有机氮氨化、氨氮硝化和硝酸盐的反硝化作用。传统的生物脱氮工艺通常采用前置反硝化或后置反硝化，A2/O工艺中脱氮过程主要发生在好氧段和缺氧段，好氧段发生硝化反应产生硝酸盐和亚硝酸盐，之后再回流至缺氧段进行反硝化反应，实现氮的去除。但是，污水经过好氧段时，污水中易降解的有机物被大量去除，导致缺氧段反硝化碳源不足，降低了脱氮效果。为此，一些学者提出了添加外碳源的方法，如汪诚文（一种垃圾渗滤液作碳源对低碳氮比城市污水的处理方法发明 专利公开号101575140），但是这种方法不仅增加了外加碳源的成本，也会产生较多的剩余污泥，增加污泥处理的成本。另一些学者提出通过改进工艺提高脱氮效率，如马军（一种城市污水强化脱氮除磷的方法发明 专利公开号10157515）；吴成强（一种一体化生物脱氮装置及其处理废水的方法 专利公开号103613196）；黄霞（强化内源反硝化的膜-生物反应器脱氮除磷工艺及装置发明 专利公开号101279794）等。
在所有的方案中，电化学辅助的方法是最具有启发性的。冯华军（一种电化学生物联合脱氮反应器 专利公开号101857309）通过电解作用，将氢自养型反硝化作用替代或部分替代异养反硝化作用，实现自养型同步硝化反硝化脱氮；李超（交互式三室生物燃料电池装置及其应用于废水脱氮的方法 专利公开号I03872368）引入了电极的还原作用，反硝化电子供体由有机碳微生物代谢和阴极电极共同提供，同时进行异养反硝化和自养反硝化，用以弥补碳源不足。电化学的方法通过分解有机物从而提供电子，将硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，进行自养反硝化，缓解碳源不足的问题。但是传统电化学的方法对颗粒性有机物的去除效果不甚理想，很难将污染物浓度降低至满足水回用的标准限值，限制了其更大规模的应用，需要增设后处理单元。
膜-生物反应器（Membrane bioreactors，MBRs）是将膜分离技术与生物处理单元相结合的新型污水处理工艺，因具有出水水质好、占地面积小和污泥产率低等特点而在污水处理及回用中发挥着越来越重要的作用。
基于上述原因，本发明借助生物电化学手段来调控膜-生物反应器中有机物降解与脱氮过程，发明出一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置，用于处理低浓度的城市污水。本发明能够将低浓度废水中的有机质进行最大程度的回收与转化，污水处理效果好，具有较高的技术经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺及装置，用以处理低浓度的有机污水。通过构建新工艺，能有效地去除污水中的总氮和有机物；能够显著降低反应器中的污泥产量，从而较大程度地缓解了膜污染问题；污水处理的同时能够直接产生电能，补充消耗的能量，运行成本较低。
本发明的技术方案如下：
一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，该工艺按如下步骤进行：
（１）污水首先通过进水系统进入厌氧发酵电子生成室，污水中颗粒态及部分溶解态有机质被厌氧发酵电子生成室内的多孔导电填料拦截、吸附，在产电微生物的作用下，有机质转化为电子；处理后的污水依次进入异养-自养反硝化室和好氧膜分离室；
（２）在异养-自养反硝化室内，微生物利用进水中残余有机物与厌氧发酵电子生成室和异养-自养反硝化室间形成的外电路传递来的电子，通过异养与自养反硝化途径，将从好氧膜分离室回流的污泥混合液中硝酸盐或亚硝酸盐去除；
（３）在好氧膜分离室内，污水进行高效硝化，并可通过自动加药装置投加化学除磷药剂，提升好氧膜分离室对总磷（TP）的去除效果。最终通过膜组件抽吸，得到优质出水。
本发明中，所得污泥产量很低，装置污泥龄可达150~250天；同时好氧膜分离室内膜组件污染速率很低，操作通量在20~30 L/(m2·h) 条件下，清洗周期可达4个月以上。
本发明中，厌氧发酵电子生成室内的多孔导电填料采用碳毡、碳球或碳布等中任一种，具有多孔导电特性，能够为微生物生长提供较大的比表面积。当填料表面形成生物膜后可进一步提升对污水中细小颗粒有机物的拦截、过滤效果，并在产电微生物的作用下，最终转化为电子用以后续自养反硝化过程。
本发明中，步骤（1）中进水有机物被转化为电子并用于后续脱氮过程，氮营养元素在硝化-反硝化过程中去除，磷营养元素在生物、化学除磷作用下从污水中去除，而膜分离过程的使用保证了高效的固液分离效果。采用该工艺流程处理一般城市生活污水或农村生活污水，出水水质可稳定达到国家一级A排放标准。
本发明中，适合处理低浓度的城市生活污水（COD为200~550mg/L，氨氮为20~55mg/L，总氮为20~70mg/L），出水COD、氨氮、总氮浓度均能满足国家综合污水排放标准一级A的要求。本工艺中通过调节污水处理中电子的流动方向，强化了氮元素的去除，同时，系统的污泥泥龄较长（150天以上），污泥产率低，很大程度上缓解了膜污染的问题。
本发明提供的一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺的污水处理装置，该装置由进水系统1、厌氧发酵电子生成室2、异养-自养反硝化室3以及好氧膜分离室4依次连接组成，厌氧发酵电子生成室2底部设有一块穿孔板5，所述穿孔板5用以分隔厌氧发酵电子生成室2和异养-自养反硝化室３；厌氧发酵电子生成室２内填充多孔导电填料，异养-自养反硝化室３内悬挂碳刷作为电极；厌氧发酵电子生成室２和异养-自养反硝化室３的外电路通过外电阻6连接；好氧膜分离室4内布设曝气系统7和膜组件8，膜组件8通过膜出水泵和出水系统9连接出水口；好氧膜分离室４通过回流泵和回流管路10连接异养-自养反硝化室3；好氧膜分离室４内安装有除磷药剂自动加药装置11。
本发明的有益效果在于：
（１）污水处理效率高，出水水质好。反应器中同时发生异养反硝化和自养反硝化，总氮的去除率高；耦合化学除磷工艺，有效弥补生物除磷的不足。
（２）膜污染减轻。进水中的部分有机质被转化为电能，限制了后续异养菌的增值，污泥浓度降低，膜污染得以缓解。
（３）节约能耗。在污水处理的同时能够直接获得电能，一定程度上降低能耗。相比于传统膜-生物反应器，运行能耗降低20~30%。
（４）污泥泥龄较长，排出的剩余污泥较少，实现了污泥的减量化。
（５）基建、运行费用低廉，占地面积小，可以有效融入现有污水处理工艺中对其进行升级改造。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电子流定向调控的高效污水处理装置图示。
图中：1-进水系统；2-厌氧发酵电子生成室；3-异养-自养反硝化室；4-好氧膜分离室；5-穿孔板；6-外电路及电阻；7-曝气系统；8-膜组件；9-出水系统；10-回流管路；11-自动加药装置。
具体实施方式
实施例1：
一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，该工艺按如下步骤进行：
1）污水首先通过进水系统进入厌氧发酵电子生成室。污水中颗粒态及部分溶解态有机质被多孔导电填料拦截、吸附，在产电微生物的作用下，有机质转化为电子；处理后的污水依次进入异养-自养反硝化室、好氧膜分离室。
2）在异养-自养反硝化室内，微生物利用进水中残余有机物与外电路传递来的电子，通过异养与自养反硝化途径，将从好氧膜分离室回流的污泥混合液中的硝酸盐或亚硝酸盐去除。
3）在好氧膜分离室内，污水进行高效硝化，并可通过投加化学除磷药剂，提升系统对总磷（TP）的去除效果。最终通过膜组件抽吸，得到优质出水。
所述工艺的高效污水处理装置，该装置包括进水系统1、厌氧发酵电子生成室2、异养-自养反硝化室3以及好氧膜分离室4。在厌氧发酵电子生成室底部设有一块穿孔板5，以分隔厌氧发酵电子生成室和异养-自养反硝化室；厌氧发酵电子生成室内填充多孔导电填料，异养-自养反硝化室内悬挂碳刷作为电极；厌氧发酵电子生成室和异养-自养反硝化室的外电路通过一个外电阻6连接；好氧膜分离室内布设曝气装置7和膜组件8，膜组件通过膜出水泵和出水系统9连接出水口；好氧膜分离室通过回流泵和回流管路10连接异养-自养反硝化室；好氧膜分离室内安装有除磷药剂自动加药装置11。
利用该污水处理工艺处理南方某城市生活污水处理厂的沉砂池出水，温度高于15℃时，进水COD浓度为408.7±141.0mg/L，氨氮浓度40.7±8.6 mg/L，总氮浓度58.3±7.8mg/L。水力停留时间15.3 h，膜通量为20L/(m2·h)。COD平均去除率为（95.4±1.4）%，氨氮平均去除率为（99.1±1.1）%，总氮平均去除率为（78.2±5.3）%，膜清洗周期稳定维持在130天以上，最大功率密度能达到为98.4mW/m2。
实施例2：
利用实施例１所述的工艺和装置，处理农村生活污水，进水COD浓度为312.7±20.9mg/L，氨氮浓度27.7±5.8 mg/L，总氮浓度30.3±7.8 mg/L，总磷浓度8.1±3.2 mg/L。水力停留时间13.7h，膜通量为22 L/(m2·h)，化学药剂聚合氯化铁加药量12 mg/L。COD平均去除率为（96.3±1.0）%，氨氮平均去除率为（99.2±0.9）%，总氮平均去除率为（92.2±2.4）%，总磷平均去除率为（87.1±4.2）%。膜清洗周期稳定维持在150d以上，最大功率密度能达到为94.2 mW/m2。
实施例3：
利用实施例１所述的工艺和装置，处理某小区实际生活污水，进水COD浓度为320.7±70.6mg/L，氨氮浓度46.1±7.2mg/L，总氮浓度55.6±8.2mg/L。水力停留时间14h，膜通量为18 L/(m2·h)。COD平均去除率为（96.9±2.4）%，氨氮平均去除率为（98.5±1.2）%，总氮平均去除率为（84.7±3.5）%，膜清洗周期稳定维持在150 d以上，最大功率密度能达到为91.9 mW/m2。

Claims (6)

1.一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，其特征在于该工艺按如下步骤进行：
（1）污水首先通过进水系统进入厌氧发酵电子生成室，污水中颗粒态及部分溶解态有机质被厌氧发酵电子生成室内的多孔导电填料拦截、吸附，在产电微生物的作用下，有机质转化为电子；处理后的污水依次进入异养-自养反硝化室和好氧膜分离室；
（２）在异养-自养反硝化室内，微生物利用进水中残余有机物与厌氧发酵电子生成室和异养-自养反硝化室间形成的外电路传递来的电子，通过异养与自养反硝化途径，将从好氧膜分离室回流的污泥混合液中硝酸盐或亚硝酸盐去除；
（３）在好氧膜分离室内，污水进行高效硝化，并通过自动加药装置投加化学除磷药剂，提升好氧膜分离室对总磷（TP）的去除效果，最终通过膜组件抽吸，得到优质出水。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，其特征在于所采用污泥泥龄可达150~250天；控制好氧膜分离室内膜组件的通量为20~30 L/(m2·h)。
3.根据权利要求1所述的一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，其特征在于厌氧发酵电子生成室内的多孔导电填料采用碳毡、碳球或碳布中任一种，具有多孔导电特性，能够为微生物生长提供较大的比表面积；当多孔导电填料表面形成生物膜后可进一步提升对污水中细小颗粒有机物的拦截、过滤效果，并在产电微生物的作用下，最终转化为电子用以后续自养反硝化过程。
4.根据权利要求1所述的一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，其特征在于步骤（1）中进水有机物被转化为电子并用于后续脱氮过程，氮营养元素在硝化-反硝化过程中去除，磷营养元素在生物、化学除磷作用下从污水中去除。
5.根据权利要求1所述的一种基于电子流定向调控的高效污水处理工艺，其特征在于步骤（1）中所述污水为COD为200~550mg/L，氨氮为20~55mg/L，总氮为20~70mg/L。
6.一种如权利要求1所述的基于电子流定向调控的高效污水处理工艺的污水处理装置，其特征在于该装置由进水系统（1）、厌氧发酵电子生成室（2）、异养-自养反硝化室（3）以及好氧膜分离室（4）依次连接组成，厌氧发酵电子生成室（2）底部设有一块穿孔板（5），所述穿孔板（5）用以分隔厌氧发酵电子生成室（2）和异养-自养反硝化室（３）；厌氧发酵电子生成室（２）内填充多孔导电填料，异养-自养反硝化室（３）内悬挂碳刷作为电极；厌氧发酵电子生成室（２）和异养-自养反硝化室（３）的外电路通过外电阻（6）连接；好氧膜分离室（4）内布设曝气系统（7）和膜组件（8），膜组件（8）通过膜出水泵和出水系统（9）连接出水口；好氧膜分离室（４）通过回流泵和回流管路（10）连接异养-自养反硝化室（3）；好氧膜分离室（４）内安装有除磷药剂自动加药装置（11）。
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