CN107935177B - 膜曝气厌氧颗粒污泥反应器及其高效脱氮与温室气体减排方法 - Google Patents
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Abstract
一种膜曝气厌氧颗粒污泥反应器，属于污水处理技术领域。它解决了气体物质在水溶液中的溶解度很低，气液传质阻力大且传质速率低的问题。反应器主体的顶部设有出水口，反应器主体的中部侧壁上设有中间出气口；反应器主体的中间出气口与膜组件的进气口连通；膜组件的出气口与反应器主体的底部进水口通过循环泵连通，进水口与反应器主体的底部进水口通过进水泵连通，高压气瓶输出高压气体进入膜组件，高压气瓶与膜组件之间设有气体压力调节阀。膜曝气厌氧颗粒污泥反应器提高反应器中气体基质的含量，缩短颗粒污泥的形成时间。本发明高效脱氮与温室气体减排方法在较短时间内，拥有较高的硝酸盐氮和氨氮去除速率和较高的溶解性甲烷去除速率。
Description
技术领域
本发明涉及膜曝气厌氧颗粒污泥反应器及其高效脱氮与温室气体减排方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
温室气体的持续排放引起全球气候变暖，导致冰川融化、海平面上升和极端天气频发等一系列环境问题，将对人类和生态系统造成严重、普遍和不可逆转影响，甲烷是全球第二大温室气体，其温室效应是CO2的28倍，对大气辐射强度贡献超过18％，对气候变化的影响比二氧化碳更为显著。水处理技术中的厌氧技术因为有着低能耗、低污泥产量并产生甲烷作为可利用能源的优势而在世界范围被广泛应用。但是传统厌氧工艺所产生的甲烷往往大量的存在于污水处理的出水中，从出水中释放的大气中，从而引起温室效应。目前，污水处理厂已经成为全球范围内甲烷的重要排放源之一。
厌氧氨氧化Anammox和反硝化厌氧甲烷氧化DAMO是生物氮循环领域的最新发现，DAMO微生物包括DAMO细菌和DAMO古菌，两者都是以甲烷为电子供体的自养微生物，DAMO古菌将硝酸盐转化成亚硝酸盐，DAMO细菌将亚硝酸盐还原成氮气。Anammox微生物可以利用亚硝酸盐和铵盐生成氮气和硝酸盐。因此，DAMO微生物和Anammox微生物的耦合一方面为高效同步脱氮和去除甲烷提供了新选择，另一方面也是碳氮循环的关键环节，为甲烷的减排与氮素污染的处理提供了新的思路和选择。
然而，反硝化厌氧甲烷氧化DAMO和厌氧氨氧化Anammox微生物生长十分缓慢，有着长达11至30天的倍增时间，生物量积累耗时长，而且现有研究中，反硝化厌氧甲烷氧化DAMO和厌氧氨氧化Anammox微生物多以絮状污泥形式存在，沉降效果差，功能微生物易流失，从而难以得到实际应用。
此外，反硝化厌氧甲烷氧化DAMO微生物的生长以甲烷作为碳源，而甲烷在水中的溶解度低于常温常压下22mg/L时，难以保证充足的甲烷供反硝化厌氧甲烷氧化DAMO微生物生长并进行反硝化脱氮作用，气液传质速率低，导致细胞生长缓慢、生物合成速率慢，极大限制反硝化厌氧甲烷氧化DAMO微生物的大规模应用。
发明内容
本发明所述的膜曝气厌氧颗粒污泥反应器为了解决气体物质在水溶液中的溶解度很低，气液传质阻力大且传质速率低的问题；本发明所述的高效脱氮与温室气体减 排方法为了解决传统厌氧工艺为达到高效脱氮的目的需要大量的外加碳源，增加成本，产生大量的甲烷气体排放至大气中造成的温室效应的问题。
为了实现上述目的，本发明膜曝气厌氧颗粒污泥反应器采用的技术方案是这样实现的：
膜曝气厌氧颗粒污泥反应器，所述的反应器包括进水泵，反应器主体，膜组件，循环泵，高压气瓶；
所述的反应器主体顶部为圆柱形，所述的反应器主体顶部直径大于反应器主体中部直径，反应器主体顶部与反应器主体中部连接处的为圆台形，反应器主体底部为圆锥形；
反应器主体的底部设有底部进水口，反应器主体的顶部设有出水口，反应器主体的中部侧壁上设有中间出气口；
所述膜组件设有进气口、出气口，反应器主体的中间出气口与膜组件的进气口连通；
膜组件的出气口与反应器主体的底部进水口通过循环泵连通，进水口与反应器主体的底部进水口通过进水泵连通，高压气瓶输出高压气体进入膜组件，高压气瓶与膜组件之间设有气体压力调节阀。
进一步限定，所述的高压气瓶中的气体是95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体。
一种利用如膜曝气厌氧颗粒污泥反应器所述的高效脱氮与温室气体减排方法，包括以下步骤：
(a)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的接种，将经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌、反硝化厌氧甲烷氧化古细菌以及厌氧氨氧化功能微生物的絮状污泥与厌氧 颗粒污泥投放至反应器内部，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中通过加入与膜曝气厌氧颗粒污泥反应器容积成比例的硝酸盐浓缩液和氨盐浓缩液来调节反应器内硝酸盐和氨盐的浓度，1ml的硝酸盐和氨盐浓缩液使反应器内硝酸盐和氨盐浓度分别提高25mg-N/L； 95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体通过气体压力调节阀控制压力，并连接到膜曝气装置,所述高压混合气体通过膜组件迅速溶解到厌氧颗粒污泥反应器液相中，为反硝化厌氧甲烷氧化菌提供生长底物；
(b)颗粒污泥中的反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用膜曝气产生的溶解性甲烷为电子供体将硝酸盐还原为亚硝酸盐，供颗粒污泥中的厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用；反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用亚硝酸盐，以甲烷为还原剂，将亚硝酸盐还原成氮气；厌氧氨氧化微生物利用铵盐和亚硝酸盐，生成硝酸盐和氮气；厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐反之又可以被反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用；
(c)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的运行温度为30-32℃,pH值维持在7.3-7.5, 控制膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内的气体压力为0.02-0.1Mpa,每天从膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中取液相样品,根据该样品检测获得膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内硝酸盐氮和氨盐氮的浓度,当硝酸盐氮的浓度低于100mg-N/L时,向反应器内加入硝酸盐和铵盐浓缩物,使反应器内的硝酸盐氮的浓度恢复到300mg-N/L以上；
(d)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器运行50天后,反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧 氨氧化菌逐渐成为系统内的优势菌种，实现富集,但膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内功能微生物主要以絮状污泥形式存在,此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到大约90mg-N/L/ day和氨氮的消耗速率60mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到42mg/L/day；
(e)反应器运行100天后，富含反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌的污泥逐渐开始颗粒化，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内明显出现形状规则的污泥，形状多成圆形或椭圆形，粒径在500-1000μm；此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到大约240mg-N/L/day和氨氮的消耗速率200mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到约95mg/L/day；
(f)继续运行100天后，污泥粒径变大，颗粒污泥已经形成，污泥粒径在800-2000μm，硝酸盐氮和氨氮的消耗速率显著增加，最终硝酸盐氮消耗速率达到400mg-N/L/day以上，氨氮消耗速率达到300mg-N/L/day以上,对于水中溶解性甲烷的去除效果可以达到约170mg/L/day以上，而且膜曝气厌氧颗粒污泥反应器对于硝酸盐和铵盐的负载能力得到加强，硝酸盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L以上，铵盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L 以上。
本发明所述的膜曝气厌氧颗粒污泥反应器解决了气体物质在水溶液中的溶解度很低，气液传质阻力大且传质速率低的问题；本发明所述的高效脱氮与温室气体减排 方法解决了传统厌氧工艺为达到高效脱氮的目的需要大量的外加碳源，增加成本，产生大量的甲烷气体排放至大气中造成的温室效应的问题。
本发明膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的有益效果：将颗粒污泥与膜曝气结合到 一起，一方面通过膜曝气的方式为颗粒污泥提供气体，膜曝气将气体直接溶解在反应体系中，通过调节供气压力，突破气液传质阻力，实现气液高效传质，大大降低了由于气体供应不足而导致的限制；另一方面，由于颗粒污泥有较好的泥水分离、较高的生物反应器单位体积处理能力、可以承受较高的冲击负荷、有同时去除有机物和氮、磷营养物质等优点。本发明膜曝气厌氧颗粒污泥反应器广泛适用于多种气体，本发明膜曝气厌氧颗粒污泥反应器不但适用于厌氧颗粒污泥反应器，同时也适用于内循环厌氧反应器、升流式厌氧污泥床反应器等。
本发明高效脱氮与温室气体减排方法利用膜曝气实现甲烷从气相进入液相的高效传质，在反应器内培养出以反硝化厌氧甲烷氧化DAMO和厌氧氨氧化Anammox为功能微生物的厌氧颗粒污泥。颗粒污泥功能微生物具有较好的沉降性能，生物截留效率高，有效避免生物量的流失，为生长缓慢的DAMO和厌氧氨氧化Anammox功能微生物提供的良好的生长环境；在不额外投加碳源的情况下，以水中溶解性甲烷为碳源，达到高效脱氮的目的，同时去除了溶解性甲烷，避免了甲烷排放带来的温室效应。
附图说明
图1为本发明膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的结构示意图。
图中特征：进水口1，进水泵2，反应器主体3，膜组件4，循环泵5，出水6，气体压力调节阀7，高压气瓶8，中间出气口9，进气口10，出气口11，底部进水口12。
具体实施方式
具体实施方式一，结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的膜曝气厌氧颗 粒污泥反应器，它包括进水泵2、反应器主体3、膜组件4、循环泵5、气体压力调节阀7和高压气瓶8；
所述的反应器主体3顶部为圆柱形，所述的反应器主体3顶部直径大于反应器主体3中部直径，反应器主体3顶部与反应器主体3中部连接处的为圆台形，反应器主体3底部为圆锥形；
反应器主体3的底部设有底部进水口12，反应器主体3的顶部设有出水口6，反应器主体3的中部侧壁上设有中间出气口9；
所述膜组件4设有进气口10、出气口11，反应器主体3的中间出气口9与膜组件4的进气口10连通；
膜组件4的出气口11与反应器主体3的底部进水口12通过循环泵5连通，进水口1与反应器主体3的底部进水口12通过进水泵2连通，高压气瓶8输出高压气体进入膜组件4，高压气瓶8与膜组件4之间设有气体压力调节阀7。
本实施方式所述膜曝气厌氧颗粒污泥反应器厌氧颗粒污泥反应器，进水通过 进水泵2进入反应器主体3底部进入，主体反应器3的中间出气口9与膜组件4进气口10相连，膜组件4出气口11与循环泵5进口端相连，循环泵5出口端与主体反应器3的底部进水口12相连。膜组件4进气口10和出气口11与气体压力调节阀7连接，之后连接高压气瓶8。高压气瓶中的高压甲烷和二氧化碳在膜组件4内通过膜曝气的方式迅速溶解到液体中，这部分液体在循环泵5的循环作用下进入反应器主体3，溶液中的溶解性气体被颗粒污泥所利用，然后再循环回到膜组件4内。在膜组件4内，甲烷再次在膜曝气的作用下溶解于液体，溶解了大量甲烷的液体通过循环泵5进入主体反应器主体3，按照此方式循环，液体从出水口6排出。
具体实施方式二，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的进一步限定，本实施方式中所述的高压气瓶8中的气 体是是95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体。
具体实施方式三，结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的膜曝气厌氧颗 粒污泥反应器的反应方法，包括以下步骤：
(a)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的接种，将经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌、反硝化厌氧甲烷氧化古细菌以及厌氧氨氧化功能微生物的絮状污泥与厌氧 颗粒污泥投放至反应器内部，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中通过加入与膜曝气厌氧颗粒污泥反应器容积成比例的硝酸盐浓缩液和氨盐浓缩液来调节反应器内硝酸盐和氨盐的浓度，1ml的硝酸盐和氨盐浓缩液使反应器内硝酸盐和氨盐浓度分别提高25mg-N/L；95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体通过气体压力调节阀7控制压力，并连接到膜曝气装置,所述高压混合气体通过膜组件4迅速溶解到厌氧颗粒污泥反应器液相中，为反硝化厌氧甲烷氧化菌提供生长底物；
(b)颗粒污泥中的反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用膜曝气产生的溶解性甲烷为电子供体将硝酸盐还原为亚硝酸盐，供颗粒污泥中的厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用；反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用亚硝酸盐，以甲烷为还原剂，将亚硝酸盐还原成氮气；厌氧氨氧化微生物利用铵盐和亚硝酸盐，生成硝酸盐和氮气；厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐反之又可以被反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用；
(c)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的运行温度为30-32℃,pH值维持在7.3-7.5, 控制膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内的气体压力为0.02-0.1Mpa,每天从膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中取液相样品,根据该样品检测获得膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内硝酸盐氮和氨盐氮的浓度,当硝酸盐氮的浓度低于100mg-N/L时,向反应器内加入硝酸盐和铵盐浓缩物,使反应器内的硝酸盐氮的浓度恢复到300mg-N/L以上；
(d)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器运行50天后,反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧 氨氧化菌逐渐成为系统内的优势菌种，实现富集,但膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内功 能微生物主要以絮状污泥形式存在,此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到大约90mg-N/L/ day和氨氮的消耗速率60mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到42mg/L/day；
(e)反应器运行100天后，富含反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌的污泥逐渐开始颗粒化，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内明显出现形状规则的污泥，形状多成圆形或椭圆形，粒径在500-1000μm；此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到大约240mg-N/L/day和氨氮的消耗速率200mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到约95mg/L/day；
(f)继续运行100天后，污泥粒径变大，颗粒污泥已经形成，污泥粒径在800-2000μm，硝酸盐氮和氨氮的消耗速率显著增加，最终硝酸盐氮消耗速率达到400mg-N/L/day以上，氨氮消耗速率达到300mg-N/L/day以上,对于水中溶解性甲烷的去除效果可以达到约170mg/L/day以上，而且膜曝气厌氧颗粒污泥反应器对于硝酸盐和铵盐的负载能力得到加强，硝酸盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L以上，铵盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L 以上。
本实施方式所述的高效脱氮与温室气体减排方法，成功的结合了膜曝气和颗粒污泥的特性,在较短时间内成功的培养了以反硝化厌氧甲烷氧化DAMO和厌氧氨氧化Anammox为主要功能微生物的颗粒污泥，拥有较高的硝酸盐氮和氨氮去除速率和较高的溶解性甲烷去除速率。
本发明所述的膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的结构不局限于上述各个实施方式所描述的具体结构，还可以是上述各个实施方式所描述的特征的合理组合。
Claims (2)
1.膜曝气厌氧颗粒污泥床反应器的高效脱氮与温室气体减排方法，其特征在于，所述的膜曝气厌氧颗粒污泥床反应器，它包括进水泵(2)、反应器主体(3)、膜组件(4)、循环泵(5)、气体压力调节阀(7)和高压气瓶(8)；
所述的反应器主体(3)顶部为圆柱形，所述的反应器主体(3)顶部直径大于反应器主体(3)中部直径，反应器主体(3)顶部与反应器主体(3)中部连接处的为圆台形，反应器主体(3)底部为圆锥形；
反应器主体(3)的底部设有底部进水口(12)，反应器主体(3)的顶部设有出水口(6)，反应器主体(3)的中部侧壁上设有中间出气口(9)；
所述膜组件(4)设有进气口(10)、出气口(11)，反应器主体(3)的中间出气口(9)与膜组件(4)的进气口(10)连通；
膜组件(4)的出气口(11)与反应器主体(3)的底部进水口(12)通过循环泵(5)连通，进水口(1)与反应器主体(3)的底部进水口(12)通过进水泵(2)连通，高压气瓶(8)输出高压气体进入膜组件(4)，高压气瓶(8)与膜组件(4)之间设有气体压力调节阀(7)；
所述的方法，包括以下步骤：
(a)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的接种，将经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌、反硝化厌氧甲烷氧化古细菌以及厌氧氨氧化功能微生物的絮状污泥与厌氧颗粒污泥投放至反应器内部，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中通过加入与膜曝气厌氧颗粒污泥反应器容积成比例的硝酸盐浓缩液和氨盐浓缩液来调节反应器内硝酸盐和氨盐的浓度，1ml的硝酸盐和氨盐浓缩液使反应器内硝酸盐和氨盐浓度分别提高25mg-N/L；95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体通过气体压力调节阀(7)控制压力，并连接到膜曝气装置,所述高压混合气体通过膜组件(4)迅速溶解到厌氧颗粒污泥反应器液相中，为反硝化厌氧甲烷氧化菌提供生长底物；
(b)颗粒污泥中的反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用膜曝气产生的溶解性甲烷为电子供体将硝酸盐还原为亚硝酸盐，供颗粒污泥中的厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用；反硝化厌氧甲烷氧化细菌利用亚硝酸盐，以甲烷为还原剂，将亚硝酸盐还原成氮气；厌氧氨氧化微生物利用铵盐和亚硝酸盐，生成硝酸盐和氮气；厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐反之又可以被反硝化厌氧甲烷氧化古菌利用；
(c)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器的运行温度为30-32℃,pH值维持在7.3-7.5,控制膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内的气体压力为0.02-0.1Mpa,每天从膜曝气厌氧颗粒污泥反应器中取液相样品,根据该样品检测获得膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内硝酸盐氮和氨盐氮的浓度,当硝酸盐氮的浓度低于100mg-N/L时,向反应器内加入硝酸盐和铵盐浓缩物,使反应器内的硝酸盐氮的浓度恢复到300mg-N/L以上；
(d)膜曝气厌氧颗粒污泥反应器运行50天后,反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌逐渐成为系统内的优势菌种，实现富集,但膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内功能微生物主要以絮状污泥形式存在,此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到90mg-N/L/day和氨氮的消耗速率60mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到42mg/L/day；
(e)反应器运行100天后，富含反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌的污泥逐渐开始颗粒化，膜曝气厌氧颗粒污泥反应器内明显出现形状规则的污泥，形状多成圆形或椭圆形，粒径在500-1000μm；此时，硝酸盐氮的消耗速率可以达到240mg-N/L/day和氨氮的消耗速率200mg-N/L/day；溶解性甲烷的去除效果可以达到95mg/L/day；
(f)继续运行100天后，污泥粒径变大，颗粒污泥已经形成，污泥粒径在800-2000μm，硝酸盐氮和氨氮的消耗速率显著增加，最终硝酸盐氮消耗速率达到400mg-N/L/day以上，氨氮消耗速率达到300mg-N/L/day以上,对于水中溶解性甲烷的去除效果可以达到170mg/L/day以上，而且膜曝气厌氧颗粒污泥反应器对于硝酸盐和铵盐的负载能力得到加强，硝酸盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L以上，铵盐的耐受浓度可以达到800mg-N/L以上。
2.根据权利要求1所述的膜曝气厌氧颗粒污泥床反应器的高效脱氮与温室气体减排方法，其特征在于，所述的高压气瓶(8)中的气体是95％甲烷和5％二氧化碳的高压混合气体。
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