CN112093896A - 一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器及净化方法 - Google Patents
一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器及净化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及污水生物处理技术领域，更具体地，涉及一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器及净化方法。其中一体化反应器，包括顺次连通的用于储存污水的进水箱、反应器主体、出水阀门，在所述反应器主体内设有厌氧区域和缺氧区域，在所述反应器主体内还设有多个相互连通的用于过滤处理后污水的平板膜组件，所述出水阀门设在所述反应器主体远离所述进水箱一端，并与远离所述进水箱的平板膜组件连通。本发明利用多个平板膜组件实现过滤功能，相比现有技术，过滤面积更大，过滤效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，更具体地，涉及一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器及净化方法。
背景技术
高效、低耗是今后污水处理厂设计与运行的重要目标，由于我国市政污水具有碳氮比较低的特点，传统的硝化反硝化工艺需要外加碳源，增大了运行成本。硝化与反硝化过程往往需要在不同构筑物内进行，且需要额外设置二沉池，这极大地增加了基建费用。近年来研究较多的短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等工艺虽然也有报道应用于低碳氮比污水，但是工艺运行的不稳定性及对环境条件的苛刻要求，限制了其在国内市政污水处理厂的应用。因此，对传统硝化反硝化工艺进行改良与优化以适用于市政污水的高效处理，在达到排放标准的同时尽可能减低能耗至关重要。
中国专利CN104229979A公开了一种MBR脱氮一体化装置，可将硝化和反硝化在同一个装置内进行，但是其主要是通过一个由平板膜围成的空间进行泥水分离，过滤面积较小，过滤效果较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将处理后的污水经过多个平板膜组件过滤的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器。本发明通过多个平板膜组件实现高效过滤，增大了过滤面积，过滤效果更优。
为解决单个平板膜过滤面积小，过滤效果差的技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，包括顺次连通的用于储存污水的进水箱、反应器主体、出水阀门，在所述反应器主体内设有厌氧区域和缺氧区域，在所述反应器主体内还设有多个相互连通的用于过滤处理后污水的平板膜组件，所述出水阀门设在所述反应器主体远离所述进水箱一端，并与远离所述进水箱的平板膜组件连通。
本发明进水箱作为储存污水的容器，给一体化反应器提供污水来源。一体化反应器对污水进行净化处理，使流经一体化反应器处理后的污水碳氮磷等含量降低，并同时降低污泥产量，出水达到排污标准后从出水阀门排出。具体地，多个平板膜组件用于对处理后污水进行过滤，增大了过滤面积，实现泥水分离，提高了净化效果。
优选地，所述平板膜组件两侧端部与所述反应器主体连接，所述平板膜组件的高度至少为所述反应器主体高度的1/3。
优选地，所述平板膜组件表层设置不同孔径的过滤膜。
优选地，所述出水阀门设在所述反应器主体中上部。
优选地，所述反应器主体内还设有若干曝气和隔板，所述隔板将所述反应器主体内部腔体划分为靠近所述进水箱的厌氧区域和远离所述进水箱的缺氧区域，所述平板膜组件设在所述缺氧区域，所述曝气头包括设于所述厌氧区域底部的且可间歇曝气的厌氧区曝气头，和设于所述缺氧区域底部的且可持续曝气的缺氧区曝气头。
优选地，所述隔板顶部与所述反应器主体顶部连接，所述隔板底部为自由端，所述隔板上设有可供泥水混合物流过的若干溢流孔。
优选地，还包括依次连接的时间继电器、厌氧区气泵、厌氧区流量计，所述厌氧区流量计与所述厌氧区曝气头连接；以及依次连接的缺氧区气泵、缺氧区流量计，所述缺氧区流量计和所述缺氧区曝气头连接。
本发明还提供一种根据上述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器的净化方法，包括以下步骤：
a、将污水引入反应器主体；
b、在所述厌氧区域对污水进行厌氧释磷处理；
c、在所述缺氧区域吸收所述厌氧区域释放的磷酸盐，并将污水中的氨氮经硝化作用生成硝态氮后将硝态氮还原为氮气；
d、利用平板膜组件过滤处理后的污水；
e、将过滤后的出水从出水阀门排出。
进一步地，所述步骤b中进行间歇性曝气，其中曝气时长为5-10min，停止时长为10-15min，所述步骤c中进行连续曝气，并将所述缺氧区域溶解氧控制在1mg/L以下。
进一步地，所述平板膜组件膜通量维持在8-16L/m2·h，所述一体化反应器水力停留时间稳定在6-9h，所述一体化反应器内活性污泥MLSS为4000-8000mg/L，且污泥龄为14-22d。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)解决传统市政污水处理厂处理效率较低、能耗较高、运行操作复杂等问题。
(2)本发明中的反应器主体实为动态生物膜反应器，没有单独的好氧池及厌氧池，以自制的平板膜组件代替二沉池，以重力流出水取代了泵的抽吸出水且无需设置回流。极大地节省了占地成本及运行成本。反应器主体运行期间平均溶氧0.59mg/L，远低于传统活性污泥法好氧池溶解氧，在一定程度上节省了曝气能耗。同时，本发明无需额外投加碳源，出水水质满足一级A排放标准。
(3)本发明中的平板膜组件两侧边端部与反应器主体连接，且高度至少为所述反应器主体高度的1/3使平板膜组件具有较大的过滤面积，优化了过滤效果。
(4)平板膜组件表层设置不同孔径的过滤膜可根据需要过滤多种不同孔径的杂质，提升过滤效果。
(5)将出水阀门设在反应器主体中上部，使处理后污水经平板膜组件过滤后依靠液位高度差造成的水体势能的差异自然流出出水阀门，多了一个依靠污水重力进行静置沉淀的过程，相当于二次过滤，过滤效果更优。
(6)本发明以反应器主体液位差动态变化代替压力表监测系统膜阻力变化，反应器主体稳定阶段平板膜组件未发现明显膜污染情况，其膜污染周期长于同通量条件下商业化平板膜膜污染周期。
(7)反应器主体的间歇运行，有效降低了系统的污泥产率，减少了污泥处置成本。
(8)本发明具有良好的过滤效果，可提升污水净化能力。
附图说明
图1为本发明一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器的结构示意图。
图示标记说明如下：
1、进水箱；2、进水泵；3、一体化反应器；4、平板膜组件；5、隔板；51、厌氧区域；52、缺氧区域；6、厌氧区曝气头；7、厌氧区流量计；8、厌氧区气泵；9、时间继电器；10、缺氧区曝气头；11、缺氧区流量计；12、缺氧区气泵；13、出水阀门；14、曝气头。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器3的第一实施例，包括顺次连通的用于储存污水的进水箱1、反应器主体3、出水阀门13，在反应器主体3内设有厌氧区域51和缺氧区域52，在反应器主体3内还设有多个相互连通的用于过滤处理后污水的平板膜组件4，出水阀门13设在反应器主体3远离进水箱1一端，并与远离进水箱1的平板膜组件4连通。
平板膜组件4设置多个，可以增大过滤面积，优选设置2至6个平板膜组件4；平板膜组件4采用PVC板和表面为蜂窝状结构的生化棉等纤维材料制成。平板膜组件4表面的生物膜作用可进一步强化营养物去除。在使用过程中，平板膜组件4表面生物膜污染周期长于同通量条件下商业化平板膜膜污染周期。为了保证一体化反应器的污水净化处理能力，我们需要定期对平板膜组件4进行表面清洗，使平板膜组件4表面膜通量维持在一定范围内。
作为本发明的一个实施方式，平板膜组件4两侧端部与反应器主体3连接，平板膜组件4的高度至少为反应器主体3高度的1/3。上述设置可以尽可能地增大平板膜组件4的过滤面积，优化过滤效果。
作为本发明的一个实施方式，平板膜组件4表层设置不同孔径的过滤膜。根据过滤物质的需要可以选用不同孔径的平板膜组件4进行过滤，当然了，此处，若干个平板膜组件4的孔径可以选择一致的或者不同的均可。设置若干层不同孔径的过滤膜可以起到对微小物质多次过滤的目的，以优化过滤效果。
作为本发明的一个实施方式，出水阀门13设在反应器主体3中上部。多个平板膜组件4可以在顶部进行连通，出水阀门13设在反应器主体3的中上部，使处理后的污水经过过滤后，依靠液位高度差造成的水体势能的差异自出水阀门自然流出，多了一个依靠污水重力进行静置沉淀的过程，相当于二次过滤，过滤效果更优。将出水阀门13设置得比较高可以更优地实现此二次过滤功能。
作为本发明的一个实施方式，反应器主体3内还设有若干曝气头14和隔板5，隔板5将反应器主体3内部腔体划分为靠近进水箱的厌氧区域51和远离进水箱1的缺氧区域52，平板膜组件4设在缺氧区域52，曝气头14包括设于厌氧区域51底部的且可间歇曝气的厌氧区曝气头6，和设于缺氧区域52底部的且可持续曝气的缺氧区曝气头10。
曝气过程使空气与水强烈接触，其目的在于将空气中的氧溶解于水中，或者将污水中的氮气等其他挥发性物质放逐到空气中。隔板用于对一体化反应器进行厌氧区域和缺氧区域的划分，便于实现污水处理的不同过程；厌氧区域主要对污水进行厌氧释磷处理，缺氧区域用于吸收厌氧区域释放的磷酸盐，并将污水中的氨氮经硝化作用生成硝态氮后将硝态氮还原为氮气。由于微生物在一定条件下才能将污水中的有机物彻底分解，达到净化的目的。为保证活性淤泥中微生物的生长繁殖，故需要满足给其提供一定的氧气量，厌氧区域51采用间歇性曝气的方式，缺氧区域52采用持续性曝气的方式，均为了适应区域内的微生物的需要，而使水中溶解性氧气含量保持在一定的值，曝气的同时可达到搅拌水体加速微生物对污水中污染物的分解效果。
作为本发明的一个实施方式，隔板5顶部与反应器主体3顶部连接，隔板5底部为自由端，隔板5上设有可供污水流过的若干溢流孔。
隔板5用于将反应器主体3区分成厌氧区域51和缺氧区域52，隔板5顶部与反应器主体3顶部连接是为了更好地对内部的空气、污水菌群进行区分，以实现不同的污水处理步骤，隔板5底部为自由端是为了加快泥水混合物流速，便于泥水混合物从厌氧区域51向缺氧区域52的流动，以提高污水处理效率，同时减小污水对隔板5的冲击力，提升隔板5的稳固性。隔板5可将反应器主体3的三分之一划分为厌氧区域51，三分之二划分为缺氧区域52，缺氧区域52中还需要设置平板膜组件4进行处理后污水过滤，这样划分可以给缺氧区域52留出更大的反应空间，便于进行净化处理。在隔板5不同高度处设有若干溢流孔，可保证反应器主体3内液体充分混合；提升污水处理效果。
作为本发明的一个实施方式，还包括依次连接的时间继电器9、厌氧区气泵8、厌氧区流量计7，厌氧区流量计7与厌氧区曝气头6连接；以及依次连接的缺氧区气泵12、缺氧区流量计11，缺氧区流量计11和缺氧区曝气头10连接。
时间继电器9是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的自动开关装置。厌氧区气泵8用于排出厌氧区的空气，保持厌氧区域51的厌氧状态。厌氧区流量计7用于统计厌氧区域51的气体流动情况。具体地，利用时间继电器9控制厌氧区气泵8的开启时间，然后通过厌氧区流量计7把控空气流动情况，根据厌氧区流量计7的数据来调节时间继电器9，优选曝气时长为5-10min，停止时长为10-15min，确保反应器主体3内混合液的正常传质。缺氧区气泵12用于增加缺氧区的空气，使缺氧区域52污水中溶解性氧气含量保持在一定的值。缺氧区流量计11用于统计缺氧区域52的气体流动情况，进行对氧气含量的更好的把控。缺氧区域52采用连续曝气的方式，在保持氧气含量稳定的同时可以将系统中进行硝化作用和反硝化作用后产生的氮气及时地排出。
作为本发明的一个实施方式，在进水箱1和反应器主体3之间还设有分别与进水箱1和反应器主体3连通的进水泵2。进水泵2用于给进水箱1中的污水提供动力，使污水能源源不断地进入反应器主体3中进行净化处理。
实施例2
本实施例为实施例1的一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器3的净化方法，包括以下步骤：
a、将污水引入反应器主体3；
b、在所述厌氧区域51对污水进行厌氧释磷处理；
c、在所述缺氧区域52吸收所述厌氧区域51释放的磷酸盐，并将污水中的氨氮经硝化作用生成硝态氮后将硝态氮还原为氮气；
d、利用平板膜组件4过滤处理后污水；
e、将过滤后的出水从出水阀门13排出。
作为本发明的一个实施方式，步骤b中进行间歇性曝气，其中曝气时长为5-10min，停止时长为10-15min，步骤c中进行连续曝气，并将缺氧区域52溶解氧控制在1mg/L以下。
作为本发明的一个实施方式，平板膜组件4膜通量维持在8-16L/m2·h，一体化反应器3水力停留时间稳定在6-9h，反应器主体3内活性污泥MLSS为4000-8000mg/L，且污泥龄为14-22d。
具体的原理如下：
(1)在试运行阶段
以A2/O工艺为主体的某城市污水处理厂二沉池污泥作为接种污泥，反应器运行初期污泥浓度维持在5000mg/L，缺氧区域52采用连续曝气，厌氧区域51采用间歇曝气，其中曝气时长为5-10min，停止时长为10-15min，确保反应器内混合液的正常传质。维持系统内溶解氧在0-1mg/L。反应器主体3出水通过自制膜的过滤利用重力流出水，反应器启动10min后出水浊度低于1NTU，达到排放标准。
(2)在正式运行阶段
城市生活污水通过进水箱1经进水泵2进入一体化反应器3，在反应器主体3内存在局部缺氧区域52和厌氧区域51，活性污泥微生物将进水中的有机物吸收储存为内碳源，聚磷菌利用内碳源进行厌氧释磷，反硝化菌将混合液中的硝态氮还原为氮气。厌氧区域51溶解氧通过厌氧区气体流量计及时间继电器9控制在0.2mg/L以下。
系统混合液经底部不密封的带溢流孔的隔板5流入缺氧区域52，进水中的氨氮在缺氧区域52经硝化作用生成硝态氮，同时，厌氧区域51释放的磷酸盐在缺氧区域52被聚磷菌吸收，通过缺氧区域52气体流量计控制缺氧区域52溶解氧在1mg/L以下。
缺氧区域52平板膜组件4连接有出水管路并与出水阀门13连接，混合液通过平板膜组件4及表面生物膜的过滤后，依靠液面与出水口的高差而引起的势能差异进行自然出水。平板膜组件4表面的生物膜作用可进一步强化营养物去除。
系统膜通量维持在8-16L/m2·h，利用液位差的动态变化衡量膜污染严重程度并根据实际情况进行定期洗膜，确保系统水力停留时间稳定在6-9h。
控制低氧动态生物膜反应器内活性污泥MLSS约为4000-8000mg/L，污泥龄为14-22d。
以下是具体的两个污水的脱氮除磷处理的实验：
①利用一体化反应器进行实验室规模的小试，反应器总体积为20L，日处理量为56m3/d，进水采用实验室模拟配水，水力停留时间分别为8h和20d。反应器污泥浓度约为5000mg/L，厌氧区域51采用曝气5min停止5min的模式，缺氧区域52采用连续曝气模式，维持反应器主体3内平均溶解氧低于1mg/L，采用重力流出水，系统液位差维持在5-15cm，超过15cm进行洗膜。反应器主体内pH约6-8，温度为24℃。
实验室模拟废水COD为200-300mg/L，NH4 +-N约15-20mg/L，TN约18-24mg/L，TP约2-5mg/L。
一体化反应器稳定运行80d脱氮除磷情况如下表：
②利用一体化反应器在某地区城市污水处理厂进行中试，反应器主体3有效体积为250L，日处理量约0.7m3/d，污水通过进水箱1进入反应器主体3，水力停留时间约8h，污泥停留时间为14-22d，系统内MLSS约为4000-8000mg/L，厌氧区域51采用曝气5min，停止10min的模式，厌氧区域51溶解氧在0.2mg/L以下，缺氧区域52采用连续曝气，溶解氧在1mg/L以下。反应器主体3内温度约22℃，pH为6-8。系统液位差在5-20cm波动，超过20cm进行洗膜。
以实际生活污水作为进水，COD约为120-380mg/L，NH4 +-N含量为10-30mg/L，TN含量为15-40mg/L，TP含量为1.3-7mg/L。
一体化反应器连续运行116d脱氮除磷情况如下表：
从实验室小试及现场中试结果中发现，一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器及运行方法，其出水总氮、氨氮、总磷、COD等主要指标均低于一级A标准，且抗冲击负荷强。经计算，系统内污泥产率约为0.24kg MLVSS/kg COD，低于中试所在污水处理厂同期A2/O工艺污泥产率。
综上所述，一体化反应器的构建、低氧模式下运行以及重力流出水的方式均显著降低了工艺运行成本，在当前以低C/N为主的城市生活污水处理上具有良好的应用前景。在一体化反应器内实现同步硝化反硝化，系统平均溶解氧维持在0-1mg/L，稳定阶段氨氮出水低于0.2mg/L，总氮出水低于10mg/L，总磷出水低于0.4mg/L，无需外加碳源，实现了高效、低耗脱氮除磷。此外，平板膜组件4表面形成的生物膜优化了出水水质，不仅丰富了系统内微生物种类，还提高了系统的抗冲击负荷。间歇运行的模式还有利于降低污泥产率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，包括顺次连通的用于储存污水的进水箱(1)、反应器主体(3)、出水阀门(13)，其特征在于，在所述反应器主体(3)内设有厌氧区域(51)和缺氧区域(52)，在所述反应器主体(3)内还设有多个相互连通的用于过滤处理后污水的平板膜组件(4)，所述出水阀门(13)设在所述反应器主体(3)远离所述进水箱(1)一端，并与远离所述进水箱(1)的平板膜组件(4)连通。
2.根据权利要求1所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，所述平板膜组件(4)两侧端部与所述反应器主体(3)连接，所述平板膜组件(4)的高度至少为所述反应器主体(3)高度的1/3。
3.根据权利要求2所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，所述平板膜组件(4)表层设置不同孔径的过滤膜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，所述出水阀门(13)设在所述反应器主体(3)中上部。
5.根据权利要求4所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，所述反应器主体(3)内还设有若干曝气头(14)和隔板(5)，所述隔板(5)将所述反应器主体(3)内部腔体划分为靠近所述进水箱的厌氧区域(51)和远离所述进水箱(1)的缺氧区域(52)，所述平板膜组件(4)设在所述缺氧区域(52)，所述曝气头(14)包括设于所述厌氧区域(51)底部的且可间歇曝气的厌氧区曝气头(6)，和设于所述缺氧区域(52)底部的且可持续曝气的缺氧区曝气头(10)。
6.根据权利要求5所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，所述隔板(5)顶部与所述反应器主体(3)顶部连接，所述隔板(5)底部为自由端，所述隔板(5)上设有可供泥水混合物流过的若干溢流孔。
7.根据权利要求6所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器，其特征在于，还包括依次连接的时间继电器(9)、厌氧区气泵(8)、厌氧区流量计(7)，所述厌氧区流量计(7)与所述厌氧区曝气头(6)连接；以及依次连接的缺氧区气泵(12)、缺氧区流量计(11)，所述缺氧区流量计(11)和所述缺氧区曝气头(10)连接。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器的净化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将污水引入反应器主体(3)；
b、在所述厌氧区域(51)对污水进行厌氧释磷处理；
c、在所述缺氧区域(52)吸收所述厌氧区域释放的磷酸盐，并将污水中的氨氮经硝化作用生成硝态氮后将硝态氮还原为氮气；
d、利用平板膜组件(4)过滤处理后的污水；
e、将过滤后的出水从出水阀门(13)排出。
9.根据权利要求8所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器的净化方法，其特征在于，所述步骤b中进行间歇性曝气，其中曝气时长为5-10min，停止时长为10-15min，所述步骤c中进行连续曝气，并将所述缺氧区域(52)溶解氧控制在1mg/L以下。
10.根据权利要求8所述的用于污水脱氮除磷的低氧动态膜一体化反应器的净化方法，其特征在于，所述平板膜组件(4)膜通量维持在8-16L/m2·h，所述一体化反应器(3)水力停留时间稳定在6-9h，所述反应器主体(3)内活性污泥MLSS为4000-8000mg/L，且污泥龄为14-22d。
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