CN109019860A - 一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步硝化反硝化膜‑生物膜反应器处理市政废水的装置及方法。所述装置主要包括膜生物反应器、悬浮填料层，搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统、自动控制系统，填料层为内部均匀填充聚丁二酸丁二醇酯颗粒的海绵。本发明所述方法是海绵填料投加体积比为30%~50%，启动阶段曝气量设定为0.8~1.2 L/min，水力停留时间在1~10天为24 h，11~20天为18 h，21天后设为12 h，悬浮污泥附着于载体形成生物膜。稳定阶段将曝气量由0.8~1.2 L/min改为0.3~0.6 L/min。本发明创新性地采用内含可降解聚合物的海绵作为生物膜载体，解决了同步硝化反硝化过程碳源量不足的问题，同时缓解了膜污染。本装置具有占地面积小、抗冲击能力强、总氮去除效率高、节能降耗等优点。

Description

一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置 及方法

技术领域

本发明涉及一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法，属于废水生物处理领域，适用于低碳氮比市政废水中总氮的去除。

背景技术

随着我国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，大量的生活废水、 工业废水和农业面源污染携带含氮物质排入水体，导致河流、湖泊等水体富营养化严重，生态系统退化，生态服务功能下降，甚至完全丧失，并呈进一步恶化趋势。生物脱氮是目前废水脱氮处理中最为经济有效的技术，包括硝化和反硝化两个过程。传统的硝化反硝化只有在碳源充足和大曝气量条件下才能实现完全脱氮过程。而我国市政废水特点为低碳氮比，碳氮比约为1.5~3.5，无法满足完全脱氮的需求。而投加碳源的量会影响硝化反硝化过程，当碳氮比低于完全反硝化所需的最小值时，可造成亚硝氮积累，发生不完全硝化，而当碳源过量时，会导致出水中有机物含量增加，降低出水水质。传统生物脱氮技术利用的是微生物的硝化和反硝化作用，目前大多数的生物脱氮工艺都将好氧区和缺氧区（或厌氧区）分隔开，分别在不同的反应器中运行，或者采用间歇的好氧和厌氧条件来实现。同步硝化反硝化是是指在同一反应器内同步进行硝化反应和反硝化反应。同步硝化反硝化的实现一般存在两种机理：一种是由于溶解氧浓度梯度，自养硝化和异养反硝化微生物共存于微生物生物膜上;另一种是在单核反应器中，在合适的低溶解氧条件下同时进行硝化和反硝化。在微生物絮体外表面溶解氧较高，微生物菌群以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，由于氧传递受阻，以及有机物氧化、硝化作用的消耗，形成缺氧区，反硝化菌为优势菌群；正是由于絮体内部存在缺氧环境，导致同步硝化反硝化现象的发生。从物理学角度认为，产生该现象是由于在微生物絮体内形成了溶解氧梯度。1999年，Yoo等人提出了在单反应器中通过控制间歇曝气实现同步硝化反硝化过程（Yoo H, Ahn K H, Lee H J, et al. Nitrogen removal fromsynthetic wastewater by simultaneous nitrification and denitrification (SND)via nitrite in an intermittently-aerated reactor[J]. Water Research, 1999, 33(1):145-154.），证明了同步硝化反硝化脱氮的可行性。CN104609566A公开了一种同步硝化反硝化处理含氨废水的方法，该方法利用膜分离组件将反应器中的硝化污泥和反硝化污泥隔离开，使污泥在各自单独空间作用，硝化污泥在膜分离组件的内部区域进行硝化反应，反硝化污泥在膜分离组件的外部区域进行反硝化脱氮。针对废水处理过程中常存在的碳源不足的问题，可生物降解聚合物逐渐被研究作为固体碳源，其优势在于可生物降解聚合物只在微生物酶的作用下降解释放有机物提供碳源，同时能作为微生物附着载体，有效地避免传统工艺中液体碳源的投加量不易控制影响出水水质和造成浪费的风险，有利于系统的控制及稳定运行，并且投加的固体碳源可长期被微生物利用，降低了成本。2011年，Chu等（ChuL, Wang J. Nitrogen removal using biodegradable polymers as carbon source andbiofilm carriers in a moving bed biofilm reactor[J]. Chemical EngineeringJournal, 2011, 170(1):220-225.）在移动床生物膜反应器中利用可降解合成材料PCL作为固相碳源，实现了同步硝化反硝化过程处理低碳氮比废水。膜生物反应器作为一种新型态废水处理系统，其将膜分离技术与生物处理技术有机结合，以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少废水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量，同时具备膜过滤功能，出水水质高。因此，将同步硝化反硝化技术在膜生物反应器中实现，以新型包含生物降解聚合物的海绵材料作为生物膜载体和固体缓释碳源，实现低碳氮比废水的脱氮，同时减轻膜污染，提高反应器性能，对于实现低碳氮比市政废水的处理具有重要的理论意义和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理低碳氮比市政废水的装置及方法，用于实现低碳氮比市政废水中总氮的去除的问题，同时缓解膜生物反应器的膜污染问题。

本发明的技术方案如下：

1.一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法，所述装置设有方型膜生物反应器、悬浮填料层、搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统、自动控制系统和反冲洗系统。

2.上述1所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置，所述方型膜生物反应器采用的膜组件采用浸没式，膜丝为中空纤维膜，其孔径范围为0.1~1 μm，膜厚120~150 μm；运行模式采用抽吸8 min，进水2 min交替运行。

3. 上述1所述的悬浮填料层采用聚丁二酸丁二醇酯颗粒填充的海绵载体组成，方型海绵载体边长为2 cm，孔径为80 ~100 ppi，内部均匀填充聚丁二酸丁二醇酯颗粒，聚丁二酸丁二醇酯颗粒为圆柱型，直径为2.5~3.5 mm，高为3.5~4.5 mm，密度为1.0~1.3 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为35~40 MPa，投加体积占反应器有效容积30%~50%。

4. 上述1所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置用于处理市政废水，实现氨氮和总氮的高效去除，同时降低膜污染。

5. 上述1所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置进行市政废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）启动阶段

膜-生物膜反应器接种污泥浓度控制在3~4 g/L；膜组件没入液面后向膜生物反应器内部投加30%~50%的海绵填料；出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250~350 rpm/min；温控系统设定温度为23~28℃；为快速实现氨氮的高效去除和载体的快速挂膜，曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，启动阶段曝气量设定为0.8~1.2L/min；膜生物反应器通过调节蠕动泵流量调节水力停留时间，1~10天水力停留时间设定为24 h，10天时检测反应器悬浮污泥浓度低于1 mg/L；11~20天水力停留时间调整为18 h，20天时检测反应器悬浮污泥浓度低于0.5 mg/L，污泥均匀附着于载体表面；

（2）稳定阶段

出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250~350rpm/min；温控系统设定温度为23~28℃；曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，在稳定阶段将曝气量调整为0.3~0.6 L/min；水力停留时间调整为12 h；稳定期（20~40天）内氨氮和总氮去除率分别达到99%和96%。

本发明的有益成果

本发明所提供的提供一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法同现有脱氮工艺相比，具有下列优势：

（1）降低能耗

本发明所提供的一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法在低溶解氧条件下实现，生物膜内部存在的氧浓度梯度提供好氧与缺氧共存的微环境，并且氨氮转化为亚硝酸盐后直接被还原成氮气，不经过成硝酸盐，因此可以减少25%左右的需氧量，降低了运行能耗；

（2）利于生物膜形成

本发明所提供的一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法采用的海绵载体，孔隙多，比表面积大，且具有生物亲和性，微生物更易附着其中形成生物膜；

（3）运行稳定，便于控制

本发明所提供的一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法，可通过海绵载体内部的聚丁二酸丁二醇酯颗粒释放碳源，可降解材料在微生物酶的作用下才能分解，实现了微生物自身调节碳源的目的，解决了传统废水处理过程中投加葡萄糖、乙酸钠等液体碳源量不易控制的问题，保证了出水水质；

（4）减少污泥产率

本发明所提供的的膜-生物膜反应器相比于传统的反应装置，其污泥龄可以延长到30天以上，且由于其较高的污泥浓度，在高有机负荷冲击时保证处理效果，同时在低有机负荷时可进行自身消化，比常规活性污泥法减少50%左右剩余污泥；

（5）缓解膜污染

本发明所提供的一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置及方法，以包含有聚丁二酸丁二醇酯圆柱颗粒的海绵填料作为生物膜载体，微生物在海绵和颗粒表面形成生物膜附着，降低了反应器内部悬浮污泥浓度，缓解膜污染。

附图说明

附图1是本发明中一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置示意图。

图1中：1抽水泵；2原水桶；3温度控制器；4液面控制器；5继电控制器；6搅拌装置；7膜组件；8膜生物反应器；9曝气圆盘；10聚丁二酸丁二醇酯颗粒；11海绵载体；12曝气泵；13蠕动泵；14出水桶.

附图2 处理装置45天运行效果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

装置参见附图1，一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置示意图，设有正方体膜生物反应器和圆柱型固相反硝化反应器、进水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、出水系统和自动控制系统，膜生物反应器8内设有浸没式膜组件7、包含有聚丁二酸丁二醇酯颗粒的海绵载体11、曝气圆盘9、搅拌装置6、温度控制器3和液面控制器4，液面控制器4控制抽水泵1在2 min间歇时将原水桶2中的高氨氮废水泵入膜生物反应器8；曝气泵12连续通过曝气圆盘9提供氧气；反应器污泥通过搅拌装置6实现流化；膜生物反应器通过蠕动泵13流入出水桶14。

（1）启动阶段：

膜-生物膜反应器接种污泥浓度控制在3 g/L；膜组件没入液面后向膜生物反应器内部投加30%的海绵填料；出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250 rpm/min；温控系统设定温度为23℃；为快速实现氨氮的高效去除和载体的快速挂膜，曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，启动阶段曝气量设定为0.8 L/min；膜生物反应器通过调节蠕动泵流量调节水力停留时间，1~10天水力停留时间设定为24 h，10天时检测反应器悬浮污泥浓度低于1 mg/L；11-20天水力停留时间设定为18 h，20天时检测反应器悬浮污泥浓度低于0.5 mg/L，，污泥均匀附着于载体表面。

（2）稳定阶段

出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250 rpm/min；温控系统温度设定为23℃；曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，在稳定阶段将曝气量由0.8 L/min调整为0.3 L/min；水力停留时间调整为12 h；稳定期（20~40天）内氨氮和总氮去除率分别达到99%和96%。

实施例2

装置参见附图1，一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置示意图，设有正方体膜生物反应器和圆柱型固相反硝化反应器、进水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、出水系统和自动控制系统，膜生物反应器8内设有浸没式膜组件7、包含有聚丁二酸丁二醇酯颗粒的海绵载体11、曝气圆盘9、搅拌装置6、温度控制器3和液面控制器4，液面控制器4控制抽水泵1在2 min间歇时将原水桶2中的高氨氮废水泵入膜生物反应器8；曝气泵12连续通过曝气圆盘9提供氧气；反应器污泥通过搅拌装置6实现流化；膜生物反应器通过蠕动泵13流入出水桶14。

（1）启动阶段：

膜-生物膜反应器接种污泥浓度控制在3.5 g/L；膜组件没入液面后向膜生物反应器内部投加40%的海绵填料；出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为300 rpm/min；温控系统设定温度为25℃；为快速实现氨氮的高效去除和载体的快速挂膜，曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，启动阶段曝气量设定为1.0 L/min；膜生物反应器通过调节蠕动泵流量调节水力停留时间，1~10天水力停留时间设定为24 h，10天时检测反应器悬浮污泥浓度低于1 mg/L；11-20天水力停留时间设定为18 h，20天时检测反应器悬浮污泥浓度低于0.5 mg/L，污泥均匀附着于载体表面。

（2）稳定阶段

出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为300 rpm/min；温控系统设定温度为25℃；曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，在稳定阶段将曝气量由1.0 L/min调整为0.45 L/min；水力停留时间调整为12 h；稳定期（20~40天）内氨氮和总氮去除率分别达到99%和96%。

实施例3

装置参见附图1，一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置示意图，设有正方体膜生物反应器和圆柱型固相反硝化反应器、进水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、出水系统和自动控制系统，膜生物反应器8内设有浸没式膜组件7、包含有聚丁二酸丁二醇酯颗粒的海绵载体11、曝气圆盘9、搅拌装置6、温度控制器3和液面控制器4，液面控制器4控制抽水泵1在2 min间歇时将原水桶2中的高氨氮废水泵入膜生物反应器8；曝气泵12连续通过曝气圆盘9提供氧气；反应器污泥通过搅拌装置6实现流化；膜生物反应器通过蠕动泵13流入出水桶14。

（1）启动阶段：

膜-生物膜反应器接种污泥浓度控制在4 g/L；膜组件没入液面后向膜生物反应器内部投加50%的海绵填料；出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8min，停运2min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为350 rpm/min；温控系统设定温度为28℃；为快速实现氨氮的高效去除和载体的快速挂膜，曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，启动阶段曝气量设定为1.2 L/min；膜生物反应器通过调节蠕动泵流量调节水力停留时间，1~10天水力停留时间设定为24 h，10天时检测反应器悬浮污泥浓度低于1 mg/L；11-20天水力停留时间调整为18 h，20天时检测反应器悬浮污泥浓度低于0.5 mg/L，污泥均匀附着于载体表面。

（2）稳定阶段

出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为350 rpm/min；温控系统设定温度为28℃；曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，在稳定阶段将曝气量由1.2 L/min调整为0.6 L/min；水力停留时间调整为12 h；稳定期（20~50天）内氨氮和总氮去除率分别达到99%和96%。

Claims (5)

1.一种同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置，其特征在于，该装置设有方型膜生物反应器，悬浮填料层，搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统、自动控制系统和反冲洗系统。

2.根据权利要求1所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置，其特征在于，所述方型膜生物反应器采用的膜组件采用浸没式微滤膜组件，其孔径范围为0.1~1μm，膜厚120~150 μm，所述装置运行模式采用抽吸8 min，进水2 min交替运行。

3.根据权利要求1所述的悬浮填料层，其特征在于，所述悬浮填料层采用聚丁二酸丁二醇酯颗粒填充的海绵载体组成，正方型海绵载体边长为2 cm，内部均匀填充聚丁二酸丁二醇酯颗粒，聚丁二酸丁二醇酯颗粒为圆柱型，直径为2.5~3.5 mm，高为3.5~4.5 mm，密度为1.0~1.3 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为35~40 MPa，投加体积占反应器有效容积30%~50%。

4.根据权利要求1所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置用于处理市政废水的用途。

5.根据权利要求4所述的同步硝化反硝化膜-生物膜反应器处理市政废水的装置用于市政废水处理的用途，其特征在于，包括以下步骤：

（1）启动阶段：

膜-生物膜反应器接种污泥浓度控制在3~4 g/L；膜组件浸入液面后向膜生物反应器内部投加30%~50%的海绵填料；出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在2 min进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250~350 rpm/min；温控系统设定温度为23~28℃；为快速实现氨氮的高效去除和载体的快速挂膜，曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，启动阶段曝气量设定为0.8~1.2 L/min；膜生物反应器通过调节蠕动泵流量调节水力停留时间，1~10天水力停留时间设定为24 h，10天时检测反应器悬浮污泥浓度低于1 mg/L；11~20天水力停留时间调整为18h，20天时检测反应器悬浮污泥浓度低于0.5 mg/L，污泥均匀附着于载体表面；

（2）稳定阶段

出水通过蠕动泵抽出，模式为运行8 min，停运2 min；进水通过抽水泵和液面控制器完成，在进水阶段，抽水泵将废水泵入膜生物反应器至设定液面；搅拌系统速度为250~350rpm/min；温控系统设定温度为23~28℃；曝气采用下部曝气圆盘的曝气方式，在稳定阶段将曝气量调整为0.3~0.6 L/min；水力停留时间调整为12 h；稳定期（20~40天）内氨氮和总氮去除率分别达到99%和96%。