CN108101210A - 实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的mbr装置及方法 - Google Patents

实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的mbr装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现厌氧氨氧化法协同反硝化厌氧甲烷氧化反应的MBR装置及处理方法，该装置包括：甲烷贮气罐、气压调节器、生物膜反应器、溢流容器、进水箱、出水箱、蠕动泵、甲烷气体流量计、中空纤维膜组件、气体收集容器、气体喷头和回收气体流量计；各装置经管路连接。该装置可弥补厌氧氨氧化法本身机理上的缺陷，当有反硝化厌氧甲烷菌参与反应，污水中氨氮与亚硝态氮含量的比值控制可更加宽松，不必严格控制在1.32:1；其次，厌氧氨氧化法脱氮后不可避免产生的硝酸盐亦可得到去除，提高出水水质。甲烷作为一种廉价，易获取的碳源，可替代甲醇等外加碳源，极大地缩减了处理成本。

Description

实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置及方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置及方法。
背景技术
厌氧氨氧化法作为当前炙手可热的新型脱氮技术，在降低能耗，减少额外碳源投加量及剩余污泥产量方面有着显著优势，也因此引发了大量与之相关的研究。但是绝大部分科研项目着眼于如何优化操作方式或微生物培养手段，却对厌氧氨氧化法本身反应机理上的缺陷关注甚少。其中主要难题包括当采用厌氧氨氧化法时，亚硝态氮与氨氮含量的比值有严格要求，需控制在1.32:1，这无疑极大地增加了污水处理的难度；而且，此反应的最终产物除了氮气之外，还不可避免的产生了少部分硝酸根离子，从而影响出水水质。
甲烷是一种廉价的，容易获取的碳源。在污水处理过程中可通过污泥厌氧消化获得。但作为一种温室气体，每吨甲烷造成的全球变暖威力比二氧化碳高出25倍。合理地收集并利用甲烷气体对环境保护至关重要。甲烷在厌氧条件下可以被氧化，为反硝化过程提供电子，从而替代像甲醇这钟昂贵的外加碳源。这种方法被称作反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)。此法与厌氧氨氧化法有效结合可进一步降低处理能耗，提高脱氮效率。此结合生物处理工艺主要涉及三大反应式。
(1)ANAMMOX细菌参与的反应如下：
NH4 ++1.31NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+→1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O；
(2)N-DAMO古生菌参与的反应如下：
8NO3 -+2CH4→8NO2 -+2CO2+4H2O；
(3)N-DAMO细菌参与的反应如下：
3CH4+8NO2 -+8H+→3CO2+4N2+10H2O；
从上述反应式可见，DAMO细菌可以利用甲烷还原亚硝酸根进而生成二氧化碳和氮气。DAMO古生菌可以利用甲烷把硝酸根还原为亚硝酸根。在硝化反应过程中，只需要将一半的氨氮氧化为硝酸根，这些硝酸根能与DAMO古生菌反应，生成的亚硝酸继而被ANAMMOX细菌和DAMO细菌利用，生成氮气排出体系。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置及方法，能协同厌氧氨氧化法与反硝化厌氧甲烷氧化反应，弥补厌氧氨氧化法本身机理上的缺陷，提升处理效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，包括：
甲烷贮气罐、气压调节器、生物膜反应器、溢流容器、进水箱、出水箱、蠕动泵、甲烷气体流量计、中空纤维膜组件、气体收集容器、气体喷头和回收气体流量计；其中，
所述进水箱经设有水泵的进水管道与所述生物膜反应器的进水端连接；
所述生物膜反应器的出水端经出水管道依次连接溢流容器和出水箱；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件底部的气体入口处设有气体喷头，所述甲烷贮气罐经设有甲烷气体流量计和气压调节器的进气管道与所述气体喷头连接；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件顶部的气体出口经设有回收气体流量计的出气管道与气体收集容器连接。
本发明实施方式还提供一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置的处理方法，采用本发明所述的MBR装置，包括以下步骤：
在起始阶段，向MBR装置的生物膜反应器中加入等体积的培养基质和含氮废水；并每周向所述生物膜反应器中投放硝酸盐浓缩液和铵盐浓缩液，控制硝态氮和氨氮的实际浓度均达到180mgN L-1，回流率控制为60mL min-1；每周向所述生物膜反应器中投放至少两次甲烷气体，当所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件内部压力每降低到1.3atm时就重新加压到1.6atm；
每天测出水中硝态氮，亚硝态氮和氨氮的浓度，并计算各含氮指标的去除率，直至根据测定结果确认所述生物膜反应器稳定运行，则进入第二阶段的SBR反应方式；
启动第二阶段，使所述生物膜反应器以SBR的方式运行，SBR运行周期为1天，每个周期开始，循环泵停止运行5分钟，通过蠕动泵进水到所述生物膜反应器中，同时从溢流容器排出与进水等量的出水，维持容积平衡；控制整个MBR装置的水力停留时间为3天，控制甲烷气体输入压力，使所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件内的压力控制在1.4atm，直至根据出水测得硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐的浓度，确定所述生物膜反应器稳定运行，按此方式保持所述生物膜反应器持续运行。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置及方法，其有益效果为：
该MBR装置通过向生物膜反应器的中空纤维膜组件内可控的输入甲烷作为碳源，满足反应所需的厌氧环境，可弥补厌氧氨氧化法本身机理上的缺陷，当有反硝化厌氧甲烷菌参与反应，污水中氨氮与亚硝态氮含量的比值控制可更加宽松，不必严格控制在1.32:1；其次，厌氧氨氧化法脱氮后不可避免产生的硝酸盐亦可得到去除，提高出水水质。并且，使用的甲烷作为廉价易获取的碳源，可替代甲醇等外加碳源，极大地缩减了处理成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的实现厌氧氨氧化法协同反硝化厌氧甲烷氧化反应的MBR装置示意图；
图中各标号为：1-甲烷贮气罐；2-生物膜反应器；3-溢流容器；4-进水箱；5-出水箱；6-循环泵；7-蠕动泵；8-甲烷气体流量计；9-中空纤维膜组件；10-气体收集容器；11-气体喷头；12-回收气体流量计。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1上述，本发明实施例提供一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，包括：
甲烷贮气罐、气压调节器、生物膜反应器、溢流容器、进水箱、出水箱、蠕动泵、甲烷气体流量计、中空纤维膜组件、气体收集容器、气体喷头和回收气体流量计；其中，
所述进水箱经设有水泵的进水管道与所述生物膜反应器的进水端连接；
所述生物膜反应器的出水端经出水管道依次连接溢流容器和出水箱；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件底部的气体入口处设有气体喷头，所述甲烷贮气罐经设有甲烷气体流量计和气压调节器的进气管道与所述气体喷头连接；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件顶部的气体出口经设有回收气体流量计的出气管道与气体收集容器连接。
上述MBR装置还包括：
所述溢流容器经设有循环泵的管路与所述生物膜反应器的进水端连接。
上述MBR装置中，甲烷贮气罐与所述气体喷头之间连接的进气管道上还设有测压表。
上述MBR装置中，溢流容器上设有气体取样点、pH值探测器和液体取样点。
上述MBR装置中，生物膜反应器内设有悬浮状态的带有ANAMMOX菌和DAMO菌的污泥。
上述MBR装置中，出水箱上设有水封。
本发明实施例还提供一种实现厌氧氨氧化法协同反硝化厌氧甲烷氧化反应的MBR装置的处理方法，采用上述的MBR装置，包括以下步骤：
在起始阶段，向MBR装置的生物膜反应器中加入等体积的培养基质和含氮废水；并每周向所述生物膜反应器中投放硝酸盐浓缩液和铵盐浓缩液，控制硝态氮和氨氮的实际浓度均达到180mgN L-1，回流率控制为60mL min-1；每周向所述生物膜反应器中投放至少两次甲烷气体，当所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件内部压力每降低到1.3atm时就重新加压到1.6atm；
每天测出水中硝态氮，亚硝态氮和氨氮的浓度，并计算各含氮指标的去除率，直至根据测定结果确认所述生物膜反应器稳定运行，则进入第二阶段的SBR反应方式；
启动第二阶段，使所述生物膜反应器以SBR的方式运行，SBR运行周期为1天，每个周期开始，循环泵停止运行5分钟，通过蠕动泵进水到所述生物膜反应器中，同时从溢流容器排出与进水等量的出水，维持容积平衡；控制整个MBR装置的水力停留时间为3天，控制甲烷气体输入压力，使所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件内的压力控制在1.4atm，直至根据出水测得硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐的浓度，确定所述生物膜反应器稳定运行，按此方式保持所述生物膜反应器持续运行。
本发明的MBR装置能使ANAMMOX细菌协同DAMO菌去除污水中硝态氮和氨氮，将ANAMMOX菌和DAMO菌接种到MBR装置中，同时将甲烷输送到中空纤维膜组件内部，进而与液相中的硝态氮和氨氮参与反应，检测硝态氮和氨氮的浓度即能反应MBR装置的处理效果。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
如图1所示，本实施例提供一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，主要包括：生物膜反应器、进水箱、出水箱、溢流容器、甲烷贮气罐、进水箱、出水箱、循环泵、蠕动泵、气体收集容器、甲烷气体流量计和回收气体流量计；其中，进水箱经进水泵与生物膜反应器相连，装有甲烷的甲烷贮气罐经进气管道连接到生物膜反应器底部的气体喷头上，进气管道上装有测压表；溢流容器与生物膜反应器的出水端相连，溢流容器上设有气体取样点、pH值探测器和液体取样点；溢流容器中部分水经循环泵回流到生物膜反应器的进水端；出水箱与溢流容器相连通，出水箱上设有水封；生物膜反应器内的中空纤维膜组件中充入了甲烷气体可满足反应所需的厌氧环境，向生物膜反应器中投入悬浮状态的带有ANAMMOX菌和DAMO菌的污泥，实现了ANAMMOX菌和DAMO菌协同反应处理污水。
处理过程中，上述MBR装置一共运行18个月，分为两个阶段；其中，第一阶段运行时间为前260天，每天测验反应器中各含氮指标浓度从而得到去除率，用于反映微生物菌群的生长状况。第二阶段从第261天到550天，该阶段反应系统按照SBR的方式运行，进水含氮指标浓度阶段性升高以测定该反应机理的处理强度。
在起始阶段，向系统中加入500mL的培养基质和500mL的含氮废水。为了防止生物菌群被冲洗掉，进水在起始阶段一直保留于反应器中。同时，每周向反应器中投放100gN L-1的硝酸盐浓缩液和50gN L-1的铵盐浓缩液，使硝态氮和氨氮的实际浓度均达到180mgN L-1。回流率控制在60mL min-1。甲烷气体通过一个气体调节器每周手动投放两次，中空纤维内部的压力每降低到1.3atm时就重新加压到1.6atm。每天测出水中硝态氮，亚硝态氮和氨氮的浓度。并计算各含氮指标的去除率。结果表明氨氮和硝态氮的去除率随着微生物的稳定而缓慢递增。在100天之后，测得硝态氮和氨氮的消耗率分别为9mg NO3 --N L-1和8mgNH4 +-N L-1。在232天时，硝态氮和氨氮的消耗率迅速提升到了42mg NO3 --N L-1和36mg NH4 +-NL-1，而且是在没有任何实验操作方法变动的情况下得到的。此流程继续运行了一个月至第260天，硝态氮和氨氮的消耗率波动较小，仍维持在上述较高水平，视此时反应器已运行稳定，并进入下一阶段的SBR反应方式；
从261天起，第二阶段启动，MBR反应器开始以SBR的方式运行。在此阶段，SBR运行周期为1天。在每个周期开始，循环泵停止运行5分钟，通过蠕动泵进水180mL到反应器中，同时从溢流容器出水180mL的，维持系统容积平衡。整个系统控制水力停留时间为3天。在这个阶段，中空纤维一直与一个甲烷贮气罐相连，通过气压调节器将压力控制在1.4atm。氨氮和硝态氮的进水浓度从起始的200mg-N L-1开始逐步递增。在每天循环周期结束时，提取出水样本来测得硝酸盐，亚硝酸盐，铵盐的浓度。系统运行到第370天时达到稳定。此时，硝态氮和氨氮的去除率分别达到了24mg NO3 --N L-1和11mg NH4 +-N L-1；
当到第440天时，硝态氮和氨氮的浓度开始明显下降，这反映了作用微生物菌群的活性增强。此时逐步增加进水中氨氮和硝态氮浓度，来检验此系统的脱氮能力。最终测得当氨氮的进水浓度为280mg NH4 +-N L-1时，出水浓度可达到110mg NH4 +-N L-1；当硝态氮的进水浓度为540mg NO3 --N L-1时，出水浓度可达到28mg NO3 --N L-1。由此可见，此MBR反应装置的总脱氮率为200mgNL-1D-1(56.7mg NO3 --N L-1+143.3NH4 +-N L-1)，此结果表明厌氧氨氧化法结合反硝化厌氧甲烷氧化法可协同作用用于生物脱氮过程，并且对高浓度含氮废水也有很好的处理效果。
本发明的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，可弥补厌氧氨氧化法本身机理上的缺陷，当有反硝化厌氧甲烷菌参与反应，污水中氨氮与亚硝态氮含量的比值控制可更加宽松，不必严格控制在1.32:1；其次，厌氧氨氧化法脱氮后不可避免产生的硝酸盐亦可得到去除，提高出水水质。甲烷作为一种廉价，易获取的碳源，可替代甲醇等外加碳源，极大地缩减了处理成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，包括：
甲烷贮气罐、气压调节器、生物膜反应器、溢流容器、进水箱、出水箱、蠕动泵、甲烷气体流量计、中空纤维膜组件、气体收集容器、气体喷头和回收气体流量计；其中，
所述进水箱经设有水泵的进水管道与所述生物膜反应器的进水端连接；
所述生物膜反应器的出水端经出水管道依次连接溢流容器和出水箱；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件底部的气体入口处设有气体喷头，所述甲烷贮气罐经设有甲烷气体流量计和气压调节器的进气管道与所述气体喷头连接；
所述生物膜反应器内的中空纤维膜组件顶部的气体出口经设有回收气体流量计的出气管道与气体收集容器连接。
2.根据权利要求1所述的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，还包括：
所述溢流容器经设有循环泵的管路与所述生物膜反应器的进水端连接。
3.根据权利要求1或2所述的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，所述甲烷贮气罐与所述气体喷头之间连接的进气管道上还设有测压表。
4.根据权利要求1或2所述的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，所述溢流容器上设有气体取样点、pH值探测器和液体取样点。
5.根据权利要求1或2所述的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，所述生物膜反应器内设有悬浮状态的带有ANAMMOX菌和DAMO菌的污泥。
6.根据权利要求1或2所述的实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置，其特征在于，所述出水箱上设有水封。
7.一种实现厌氧氨氧化协同反硝化厌氧甲烷氧化的MBR装置的处理方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的MBR装置，包括以下步骤：
在起始阶段，向MBR装置的生物膜反应器中加入等体积的培养基质和含氮废水；并每周向所述生物膜反应器中投放硝酸盐浓缩液和铵盐浓缩液，控制硝态氮和氨氮的浓度稳定；每周向所述生物膜反应器中投放至少两次甲烷气体；
每天测出水中硝态氮，亚硝态氮和氨氮的浓度，并计算各含氮指标的去除率，直至根据测定结果确认所述生物膜反应器稳定运行，则进入第二阶段的SBR反应方式；
启动第二阶段，使所述生物膜反应器以SBR的方式运行，SBR运行周期为1天，通过蠕动泵进水到所述生物膜反应器中，同时从溢流容器排出与进水等量的出水，维持容积平衡；控制整个MBR装置的水力停留时间为3天，控制甲烷气体输入压力，直至根据出水测得硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐的浓度，确定所述生物膜反应器稳定运行，按此方式保持所述生物膜反应器持续运行进行污水处理。
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