CN109516647B - 一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种利用厌氧自生动态膜高效处理污水的工艺及装置。包括以下工序：工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理；工序二、厌氧反应器中接种污泥，进行三阶段驯化；工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。本发明工艺利用厌氧自生动态膜可高效地进行COD去除和脱色处理，本工艺对总COD的去除率可达93％，平均MLSS去除率为98.67％，平均脱色率可达97.5％，可见本工艺适用于印染废水的处理。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺及装置。
背景技术
近年来随着化工类行业的迅速发展，各种含有难生物降解的有机污染物的废水相应增多，如纺织工业废水、垃圾渗滤液、制革废水等。高浓度有机废水由于其成分的复杂性，采用一般的废水治理方法已经难以达到经济和技术要求，因此寻求高效处理含盐、高浓度有机废水的方法成为国内外学者共同关注的热点。
自生动态膜生物反应器（Dynamic membrane bioreactors，DMBR）是一种将动态膜过滤技术和生物处理工艺相结合的污水处理工艺，利用较大孔径的廉价微网材料作为膜基材，通过在活性污泥过滤过程中形成的生物动态膜实现近似于微滤膜的过滤效果，同时动态膜上的微生物群体也可对废水中的有机物进行降解。
厌氧自生动态膜生物反应器是将动态膜技术与厌氧消化技术巧妙结合处理废水的新型膜生物反应器，是好氧自生动态膜工艺的引申演化。AnSFDM的成膜和过滤原理与好氧SFDMBR相似，都是利用污泥混合液通过膜表面时沉积于膜表面上形成的污泥层来达到泥水分离的目的。
由于厌氧生物处理技术对有机废水的高效处理效果，将厌氧处理技术应用于膜生物反应器也已受到一些学者的关注．但是到目前为止，国内外对厌氧动态膜生物反应器的研究还不多见．陆凤海等采用250目（粒径约58μm）微网构造一体式厌氧动态膜生物反应器用于城市污水的处理，结果表明反应器在70L/（m2·h）高通量下稳定运行40d，系统对COD的去除率为58.4%，出水SS最高为15.0mg/L，出水中污染物粒径在10μm以下，微网动态膜对分子量大于1000KU的物质有明显的截留效果．Zhang等用厌氧动态膜生物反应器处理市政污水，反应器以65L/（m2·h）的高通量稳定运行11个月，COD去除率达60%以上，该研究发现，厌氧膜污染层为双层结构，外层疏松内层致密，膜孔隙内也存在污染物．膜上污染物及孔隙内污染物与混合液内的污泥相比，颗粒更细小。
由上述可知，目前利用厌氧自生动态膜处理废水的效率较低，并且利用厌氧自生动态膜进行废水脱色处理的研究更为少见。因此，如何将厌氧自生动态膜运用到工业废水的降解、脱色处理，提高厌氧自生动态膜生物反应器对废水的处理效果，是本领域亟待解决的重要技术问题。
发明内容
针对背景技术中所述问题，本发明提供一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺及装置。本发明工艺可用于生活污水也可用于工业废水的处理，尤其对印染废水具有较好的处理效果。
本发明采用以下方案：
本发明第一个方面，提供一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺，所述工艺包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理；
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段运行50-60天，水力停留时间为3-6天，废水中难降解有机物浓度为0.1-0.5gCOD/L，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段运行30-40天，水力停留时间为3-6天，废水中难降解有机物浓度浓度为0.5-2gCOD/L，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段运行30-40天，水力停留时间为2-3天，废水中难降解有机物浓度为3-5gCOD/L有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0-7.2之间；
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
本发明第二个方面，提供一种用于以上所述工艺的装置，所述装置为外置式厌氧自生动态膜生物反应器，包括主体反应器，侧流反应器，动态膜组件，第一蠕动泵，第二蠕动泵，第三蠕动泵，压力计，温度控制单元和沼气收集管；所述主体反应器为密封结构，其顶部设有排气口，侧面设有与侧流反应器进水口相连接的出水管，底部设有进水口和与侧流反应器相连的污泥口，主体反应器设置温度控制单元；主体反应器顶部排气口与沼气收集管连接，主体反应器底部进水口与第一蠕动泵连接，主体反应器底部污泥口与第二蠕动泵连接，动态膜组件设置于侧流反应器中，动态膜组件设有出水管；出水管道上设有压力计和蠕动泵。
本发明第三个方面，提供另外一种用于以上所述工艺的装置，所述装置为内置式厌氧自生动态膜生物反应器；所述反应器包括主体反应器、蠕动泵、动态膜组件和沼气收集管；所述主体反应器为密封结构，其顶部设有排气口，排气口与沼气收集管连接，主体反应器底部设有进水口，进水口与蠕动泵连接；动态膜组件置于主体反应器中，动态膜组件设有出水管，出水管通过主体反应器排水口伸出。
本发明第四个方面，提供以上所述装置在处理废水中的应用，所述废水包括生活污水和工业废水；优选的，所述工业废水为印染废水。
本发明取得的有益效果：
本发明工艺利用厌氧自生动态膜可高效地进行COD去除和脱色处理，本工艺对总COD的去除率可达93%，平均MLSS去除率为98.67%，平均脱色率可达97.5%，可见本工艺适用于印染废水的处理。
本发明工艺以厌氧发酵处理为主体，本发明对活性污泥进行三个阶段的驯化，不仅可驯化得到降解能力强的微生物，并可产生大量能源气体。生成的动态膜中含有的降解功能菌降解能力强，在废水过滤中，进一步增强了对污染物的降解，提高了出水水质。
本发明工艺所用装置可为外置式厌氧自生动态膜生物反应器或内置式厌氧自生动态膜生物反应器，本发明工艺所用装置结构简单，操作方便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1 动态膜组件结构示意图；
图2 外置式厌氧自生动态膜生物反应器结构示意图；
图3 内置式厌氧自生动态膜生物反应器结构示意图；
图4 本工艺对废水处理性能：a.COD去除，b.颜色去除，c.运行期间的沼气组成；
图5 形成的动态膜结构：a.扫描电镜图，b.EDS分析。
其中：1.出水管，2.动态膜支撑骨架，3.动态膜支撑物，4.第一主体反应器，5.侧流反应器，6.第一动态膜组件，7.第一蠕动泵，8.第二蠕动泵，9.第三蠕动泵，10.压力计，11.温度控制单元，12.第一沼气收集管，13.第二主体反应器，14.第四蠕动泵，15.第二动态膜组件，16.第二沼气收集管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
针对背景技术中涉及的问题，本发明第一个方面，提供一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺，所述工艺包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理；对人工合成废水进行臭氧预处理，可增加合成废水的可生化性。
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段运行50-60天，水力停留时间为3-6天，废水中难降解有机物浓度为0.1-0.5gCOD/L，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段运行30-40天，水力停留时间为3-6天，废水中难降解有机物浓度浓度为0.5-2gCOD/L，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段运行30-40天，水力停留时间为2-3天，废水中难降解有机物浓度为3-5gCOD/L有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0-7.2之间；优选的，难降解有机物为雷玛唑亮蓝。
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
进一步地，人工合成废水的配制，包括驯化第一阶至第三阶段所用废水；驯化第一阶段所用人工合成废水组成为：C6H12O6 4.50 g COD/L，NH4Cl 0.3 g·L-1，K2HPO4.3H2O0.10 g·L-1，难降解有机物0.10-0.50 gCOD/L，硫酸盐0.20 g·L-1。
进一步地，驯化第二阶段所用人工合成废水组成为：NH4Cl 0.135 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.05 g·L-1，难降解有机物0.50-2.00 g COD/L，硫酸盐0.10 g·L-1；
进一步地，驯化第三阶段所用人工合成废水组成为：难降解有机物3.00-5.00 gCOD/L。
进一步地，接种污泥混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为10-11 g·L-1 和 6-7 g·L-1。控制污泥浓度是防止出水浊度不断提高的关键，而高污泥浓度可能有助于形成自生动态膜，但是会造成后期出水浊度的提高。在本发明污泥浓度范围内，即可保证自生动态膜的形成，同时不会因污泥中小颗粒的大量存在而造成出水浊度的提高。
现有研究表明，动态生物膜反应器对污染物质的去除主要依靠混合液活性污泥，但是生物动态膜对污染物质具有一定的去除能力，生物动态膜的生物活性低于混合液活性污泥。此外，在废水处理过程中，能够有效收集能源气体，可增加废水处理的附加值。本发明工艺中，对污泥进行了更为有效的驯化；与常规驯化方式不同，本发明分三个阶段对活性污泥进行驯化，每个阶段驯化所用废水组成不同，其中所用难降解有机物的浓度逐次升高，有利于筛选高降解能力的微生物；在此基础上，本工艺同时保证了在该条件下可生成性能稳定的动态膜。本发明工艺各步骤紧密连接，构成一个有机整体，各步骤共同作用下提高了对废水COD的去除，并且对废水还能进行高效地脱色处理。
本发明第二个方面，提供一种用于以上所述工艺的装置，所述装置为外置式厌氧自生动态膜生物反应器，包括主体反应器，侧流反应器，动态膜组件，第一蠕动泵，第二蠕动泵，第三蠕动泵，压力计，温度控制单元和沼气收集管；所述主体反应器为密封结构，其顶部设有排气口，侧面设有与侧流反应器进水口相连接的出水管，底部设有进水口和与侧流反应器相连的污泥口，主体反应器设置温度控制单元；主体反应器顶部排气口与沼气收集管连接，主体反应器底部进水口与第一蠕动泵连接，主体反应器底部污泥口与第二蠕动泵连接，动态膜组件设置于侧流反应器中，动态膜组件设有出水管；出水管道上设有压力计和蠕动泵。
本发明第三个方面，提供另外一种用于以上所述工艺的装置，所述装置为内置式厌氧自生动态膜生物反应器；所述反应器包括主体反应器、蠕动泵、动态膜组件和沼气收集管；所述主体反应器为密封结构，其顶部设有排气口，排气口与沼气收集管连接，主体反应器底部设有进水口，进水口与蠕动泵连接；动态膜组件置于主体反应器中，动态膜组件设有出水管，出水管通过主体反应器排水口伸出。
本发明装置采用抽吸的方式实现废水过滤和处理，在外置式厌氧自生动态膜生物反应器中保持跨膜压差低于400mbar，可保证动态膜过滤稳定性；通过温度控制单元，将主体反应器工作温度保持在中温范围，有效保证厌氧微生物的发酵。
进一步地，所述动态膜组件包括出水管、动态膜支撑骨架和动态膜支撑物；动态膜组件支撑物可为尼龙网、非织物纤维、筛网、单滑面无纺布和不锈钢丝网材料中的一种。本发明自生动态膜是采用大孔径网膜代替传统的微滤膜，在过滤过程中以甲烷微菌纲（Methanomicrobia）为主的古生菌，和以变形菌门（phylum Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和Aminicenantes为主的细菌组成的微生物及其代谢产物在膜材料表面形成，动态膜表面滤饼层元素组成主要为C，O，Na，Mg，Al，Si等。
进一步地，动态膜组件支撑物直径与出水管直径的比例为4~7.5。
本发明第四个方面，提供以上所述装置在处理废水中的应用，所述废水包括生活污水和工业废水；优选的，所述工业废水为印染废水。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1 一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺
所述工艺包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理：
驯化第一阶段所用人工合成废水组成为：C6H12O6 4.50 g COD/L，NH4Cl 0.3 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.10 g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 0.50 gCOD/L，硫酸盐0.20 g·L-1。
驯化第二阶段所用人工合成废水组成为：NH4Cl 0.135 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.05g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 2.00 gCOD/L，硫酸盐0.10 g·L-1；
驯化第三阶段所用人工合成废水组成为：雷玛唑亮蓝(RBBR) 5.00 gCOD/L。
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行60天，水力停留时间为3天，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行30天，水力停留时间为3天，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行30天，水力停留时间为2.5天，废水中难降解有机物浓度提高到100%，有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0之间；所述难降解有机物为雷玛唑亮蓝。
接种污泥混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为10.82 g·L-1 和 6.50 g·L-1
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
如图2所示，外置式厌氧自生动态膜生物反应器结构示意图包括第一主体反应器4、侧流反应器5和第一动态膜组件6，第一蠕动泵7，第二蠕动泵8，第三蠕动泵9，压力计10，温度控制单元11，和第一沼气收集管12；所述主体反应器4为密封结构，其顶部设有排气口，主要用来收集CH4、H2等气体，侧面设有与侧流反应器进水口相连接的出水管，出水管与第一蠕动泵7连接，底部设有进水口和与侧流反应器相连的污泥口，主体反应器外部涂覆加热盖，设置温度控制单元涂覆加热盖以保持工作温度在中温范围，37±1℃，反应器具有10.0L工作体积；所述侧流反应器顶部设有排气口，底部设有与反应器相连的污泥口，污泥口通过第二蠕动泵8与主体反应器连接；动态膜组件安装在侧流反应器中，动态膜组件内设有出水管。所述动态膜组件呈筒状，下端设有伸入动态膜支撑骨架内的出水管，出水管道上设置压力计10和第三蠕动泵9。
将合成纺织工业废水加入主体反应器内，与主体反应器内活性污泥混合均匀，进行水解、酸化、乙酸化和产甲烷过程；产生的气体逐渐上升至顶部排气口，经排气口至气体收集装置；未发酵完全的废弃物与活性污泥通过反应器侧面出水管经自生动态膜过滤，实现固液分离；发酵液经出水管排出待处理，固体废物和微生物被截留在动态膜上，形成滤饼层，然后逐渐脱离下沉，经侧流反应器沉淀区通过反应器底部污泥口进入反应器继续参与生物发酵过程。由此，实现高效厌氧发酵系统的稳定运行。
所述动态膜组件包括出水管、动态膜支撑骨架和动态膜支撑物；动态膜组件支撑物可为尼龙网、非织物纤维、筛网、单滑面无纺布和不锈钢丝网材料中的一种。所述动态膜组件呈筒状，下端设有连接动态膜支撑骨架的出水管，出水管道上设置压力计和蠕动泵。动态膜支撑物的平均孔径为约100.0μm，动态膜支撑骨架的总有效过滤面积为0.01m2。动态膜组件是以丙烯腈丁二烯苯乙烯丝为原料通过3D打印得到。设置动态膜组件支撑物直径与其出水管直径的比例为6。
动态膜形成后，开始对废水进行过滤并进行气液分离，经过动态膜过滤得到的出水由出水口排出，分离得到的甲烷气体由沼气收集管9进行收集。如图4a所示，前两个阶段的平均可溶性COD去除率约为98.5%，但总COD去除率约为93%。在操作期间平均MLSS去除率为98.67%。另一方面，在阶段-I和-II中实现了超过97.5%的颜色去除率，证明了该反应器适于处理含RBBR的废水。整个研究期间沼气产生的趋势如图4c所示。结果表明，虽然硫化氢浓度在同一时期呈增加趋势，但前两阶段甲烷和二氧化碳的百分比几乎未受影响。
所形成的动态膜微观结构如图5所示。
本发明工艺还可采用内置式厌氧自生动态膜生物反应器；所述反应器包括第二主体反应器13、第四蠕动泵14、第二动态膜组件15和第二沼气收集管16；所述主体反应器为密封结构，其顶部设有排气口，排气口与沼气收集管连接，主体反应器底部设有进水口，进水口与蠕动泵连接；动态膜组件置于主体反应器中，动态膜组件设有出水管，出水管通过主体反应器排水口伸出。
实施例2 一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺
所述工艺包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理：
驯化第一阶段所用人工合成废水组成为：C6H12O6 4.50 g COD/L，NH4Cl 0.3 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.10 g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 0.10 gCOD/L，硫酸盐0.20 g·L-1。
驯化第二阶段所用人工合成废水组成为：NH4Cl 0.135 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.05g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 0.50 gCOD/L，硫酸盐0.10 g·L-1；
驯化第三阶段所用人工合成废水组成为：难降解有机物3.00 g COD/L。
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行60天，水力停留时间为3天，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行40天，水力停留时间为6天，废水中难降解有机物浓度提高到50%，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行40天，水力停留时间为3天，废水中难降解有机物浓度提高到100%，有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0-7.2之间；所述难降解有机物为雷玛唑亮蓝。
接种污泥混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为11 g·L-1 和7 g·L-1
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
实施例3一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺
所述工艺包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理：
驯化第一阶段所用人工废水组成为：C6H12O6 4.50gCOD/L，NH4Cl 0.3 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.10 g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 0.50 gCOD/L，硫酸盐0.20 g·L-1。
驯化第二阶段所用人工合成废水组成为：NH4Cl 0.135 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.05g·L-1，雷玛唑亮蓝(RBBR) 2.50 gCOD/L，硫酸盐0.10 g·L-1；
驯化第三阶段所用人工合成废水组成为：难降解有机物3.00 g COD/L。
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行50天，水力停留时间为6天，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行30天，水力停留时间为3天，废水中难降解有机物浓度提高到50%，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段利用上述相应阶段人工合成废水运行30天，水力停留时间为2天，废水中难降解有机物浓度提高到100%，有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0-7.2之间；优选的，难降解有机物为雷玛唑亮蓝。
接种污泥混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为10 g·L-1 和6g·L-1
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用厌氧自生动态膜高效处理废水的工艺，其特征在于，包括以下工序：
工序一、人工合成废水的配制，配制得到的人工合成废水进行臭氧预处理；
工序二、厌氧反应器中接种污泥，并按以下方式进行驯化：第一阶段运行50-60天，水力停留时间为3-6天，人工合成废水中难降解有机物浓度为0.1-0.5gCOD/L，有机负荷为5kg/m3·d；第二阶段运行30-40天，水力停留时间为3-6天，人工合成废水中难降解有机物浓度为0.5-2gCOD/L，有机负荷为4kg/m3·d；第三阶段运行30-40天，水力停留时间为2-3天，人工合成废水中难降解有机物浓度为3-5gCOD/L，有机负荷为2kg/m3·d；将反应器pH值保持在7.0-7.2之间；难降解有机物为雷玛唑亮蓝；
工序三、待装置出水悬浮物浓度逐渐减少，表明动态膜有效形成，通入废水，进行废水处理。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，人工合成废水的配制，包括驯化第一阶至第三阶段所用人工合成废水；驯化第一阶段所用人工合成废水组成为：C6H12O6 4.50 gCOD/L，NH4Cl 0.3 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.10 g·L-1，难降解有机物0.1-0.5gCOD/L，硫酸盐0.20g·L-1。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，驯化第二阶段所用人工合成废水组成为：NH4Cl 0.135 g·L-1，K2HPO4.3H2O 0.05 g·L-1，难降解有机物 0.50-2.00 gCOD/L，硫酸盐0.10 g·L-1。
4.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，驯化第三阶段所用人工合成废水组成为：难降解有机物3.00-5.00 gCOD/L。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，接种污泥混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为10-11 g·L-1 和 6-7 g·L-1。
6.权利要求1-5任一项所述工艺在处理废水中的应用，其特征在于，所述废水包括生活污水和工业废水。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述工业废水为印染废水。
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