CN114906930A - 水处理系统 - Google Patents

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刘艳臣
朱先征
王黎声
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Abstract

本发明实施例涉及一种水处理系统。一种水处理系统(10)包括：厌氧膜生物反应器单元(12)，适于接收待处理水流(14)、输出第一处理水流(16)；以及膜曝气生物膜反应器单元(18)，适于接收所述第一处理水流(16)、输出第二处理水流(20)。本发明实施例可以有利于降低能源消耗和物料消耗，提高水中含氮物质的去除率等。

Description

水处理系统
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及水处理系统。
背景技术
城市污水等待处理水中常常含有有机物、含氮物质等，一般需要经过处理将有机物、含氮物质浓度降低之后才能排放、重复使用。
但是，现有的水处理系统在能源消耗、物料消耗、水中含氮物质去除等方面存在提升空间。
发明内容
本发明解决的技术问题包括，现有的水处理系统在能源消耗、物料消耗、水中含氮物质去除等方面存在提升空间。
本发明实施例的一方面涉及一种水处理系统，包括：厌氧膜生物反应器单元，适于接收待处理水流、输出第一处理水流；以及膜曝气生物膜反应器单元，适于接收所述第一处理水流、输出第二处理水流。
可选地，所述第二处理水流的氨氮含量低于所述第一处理水流。
可选地，所述第二处理水流的氨氮与亚硝氮之比有利于厌氧氨氧化反应。
可选地，所述膜曝气生物膜反应器单元包括中空纤维膜。
可选地，所述水处理系统包括厌氧氨氧化单元，适于接收所述第二处理水流、输出第三处理水流。
可选地，所述厌氧氨氧化单元与所述膜曝气生物膜反应器单元在空间上彼此分离。
可选地，所述厌氧氨氧化单元向所述膜曝气生物膜反应器单元输出第四处理水流。
可选地，所述厌氧氨氧化单元与所述膜曝气生物膜反应器单元一体设置。
可选地，所述厌氧氨氧化单元包括活性炭膨胀床。
可选地，所述厌氧氨氧化单元包括颗粒活性炭。
可选地，所述第三处理水流的总氮浓度、氨氮浓度低于所述待处理水流。
本发明实施例的技术方案可以有利于降低能源消耗和物料消耗，提高水中含氮物质的去除等。
下文将结合附图对本发明实施例进行进一步的描述。
附图说明
图1是本发明实施例一方面涉及的水处理系统的构造示意图。
具体实施方式
图1是本发明实施例一方面涉及的水处理系统的构造示意图。请参见图1，本发明实施例一方面涉及的一种水处理系统10包括：厌氧膜生物反应器单元12，适于接收待处理水流14、输出第一处理水流16；以及膜曝气生物膜反应器单元18，适于接收所述第一处理水流16、输出第二处理水流20。
本发明实施例中，除非另外特别指出，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、以及类似用语并非用于表示先后顺序、优先等级等，可用于帮助彼此区分。
本发明实施例中，所述厌氧膜生物反应器单元12可包括任何适宜的厌氧膜生物反应器以及相应的配套材料、装置、设备、系统等。
本发明实施例中，所述厌氧膜生物反应器单元12所接收的所述待处理水流14可以为需要降低有机物的含量、适于所述厌氧膜生物反应器单元12处理的任意水流，例如城市污水等污水。
本发明实施例中，所述厌氧膜生物反应器单元12所输出的所述第一处理水流16可以有利于为所述膜曝气生物膜反应器单元18提供稳定环境。所述厌氧膜生物反应器单元12所输出的所述第一处理水流16的有机物浓度较低，可以有助于减小异养菌对氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的竞争。所述厌氧膜生物反应器单元12所输出的所述第一处理水流16的溶解氧浓度较低，可以更容易实现液相主体的缺氧环境，有利于所述厌氧氨氧化菌的生长与亚硝酸盐氧化菌的抑制。所述亚硝酸盐氧化菌的抑制，有助于膜曝气生物膜反应器单元18中的短程硝化反应。所述厌氧膜生物反应器单元12所输出的所述第一处理水流16没有杂菌，对所述膜曝气生物膜反应器单元18的生物群落的干扰较小。
本发明实施例中，所述膜曝气生物膜反应器单元18可以采用无泡曝气，相较于采用有泡曝气的技术而言，可以具有更高的氧气传递速率和氧气传递效率，可以有助于大大降低所述水处理系统10的能源消耗、物料消耗。
本发明实施例中，所述膜曝气生物膜反应器单元18的生物膜可以为异向传质系统，氧气从所述膜曝气生物膜反应器单元18的曝气膜向所述第一处理水流16的液相方向传递，可以被所述曝气膜上附着的所述生物膜直接利用。
靠近所述曝气膜表面的好氧的所述生物膜上可以发生短程硝化反应，即，所述第一处理水流16中的氨氮在所述生物膜上的氨氧化菌作用下，被氧气氧化为亚硝氮，得到氨氮含量降低的所述第二处理水流20，所述短程硝化反应式示例包括：
Figure BDA0002939124850000031
可选地，所述第二处理水流20的氨氮含量低于所述第一处理水流16。
所述膜曝气生物膜反应器单元18的所述氧气传递速率与曝气压力可以存在线性关系，而且传递进所述膜曝气生物膜反应器单元18的所述生物膜的所述氧气可以被全部利用。可以通过调节所述曝气压力灵活调整所述氧气传递速率、曝气量，将所述氧气的负荷与第一处理水流16中的氨氮负荷匹配，控制所述第二处理水流20中氨氮与亚硝氮的比例，比如为有利于厌氧氨氧化反应的水平。可选地，所述第二处理水流20的氨氮与亚硝氮之比有利于厌氧氨氧化反应。
本发明实施例中，所述膜曝气生物膜反应器单元18可包括任何适宜的膜曝气生物膜反应器主体以及相应的供气系统、进水系统、循环系统等配套材料、装置、设备、系统等。可选地，所述膜曝气生物膜反应器单元18包括中空纤维膜22。所述中空纤维膜22可为一个或多个，为多个时，可组成一个或多个膜组件。
除了所述厌氧膜生物反应器单元12和所述膜曝气生物膜反应器单元18以外，所述水处理系统10还可根据需要包括其它水处理单元、以及相应的配套材料、装置、设备、系统等。可选地，所述水处理系统10包括厌氧氨氧化单元24，适于接收所述第二处理水流20、输出第三处理水流26。
所述厌氧氨氧化单元24中所述第二处理水流20的液相的主体包括缺氧区，具有较高的基质浓度和较低的溶解氧，可以有利于厌氧氨氧化反应的进行。例如，在所述厌氧氨氧化单元24的生物膜上的厌氧氨氧化菌作用下，所述第二处理水流20中的亚硝氮可以作为电子受体，氨氮可以作为电子供体，发生厌氧氨氧化反应，产生氮气以脱氮的同时产生少量硝氮。所述厌氧氨氧化反应的反应式示例包括：
Figure BDA0002939124850000041
Figure BDA0002939124850000042
所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18相互之间的空间位置关系可以根据需要进行设置。
可选地，所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18在空间上彼此分离。如此，可以有利于避免所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18的相互干扰。
可选地，所述厌氧氨氧化单元24向所述膜曝气生物膜反应器单元18输出第四处理水流28。如此，可以有助于所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18之间，例如通过高倍循环的方式，相互联系，以维持所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18的pH相对稳定。
可选地，所述厌氧氨氧化单元24与所述膜曝气生物膜反应器单元18一体设置。所述膜曝气生物膜反应器单元18中的所述生物膜可以为异向传质系统，所述氧气从所述膜曝气生物膜反应器单元18中的所述曝气膜向液相方向传递，被所述曝气膜上附着的所述生物膜直接利用，可以有助于实现从膜表面的好氧区到液相的缺氧区分层，为不同反应阶段提供适合的环境。
靠近膜表面的好氧的所述生物膜上可以发生短程硝化反应。即，所述第一处理水流16中的氨氮在所述生物膜上的氨氧化菌作用下，被氧气氧化为亚硝氮，得到所述第二处理水流20，所述短程硝化反应式示例包括：
Figure BDA0002939124850000043
Figure BDA0002939124850000044
所述第二处理水流20的所述液相的主体包括所述缺氧区，具有较高的基质浓度和较低的溶解氧浓度，有利于所述厌氧氨氧化反应的发生。例如，在所述液相的主体中的生物膜上的厌氧氨氧化菌作用下，所述液相的主体中的亚硝氮可以作为电子受体，氨氮可以作为电子供体，发生所述厌氧氨氧化反应，产生氮气以脱氮的同时产生少量硝氮。所述厌氧氨氧化反应的反应式示例包括：
Figure BDA0002939124850000051
Figure BDA0002939124850000052
所述厌氧氨氧化单元24可以根据需要包括相应的配套材料、装置、设备、系统等。可选地，所述厌氧氨氧化单元24包括活性炭膨胀床30。所述活性炭膨胀床30的活性炭载体对厌氧氨氧化菌的亲和性高，容易附着厌氧氨氧化生物膜，可以有助于为所述厌氧氨氧化反应提供稳定的缺氧环境以及充足的空间。
当所述厌氧氨氧化单元24需要与所述膜曝气生物膜反应器单元18一体设置的时候，可以将已经富集厌氧氨氧化生物膜的所述活性炭膨胀床30加入所述膜曝气生物膜反应器单元18，以构建一体式载体耦合膜曝气生物膜反应器(未图示)。
可选地，所述厌氧氨氧化单元24包括颗粒活性炭32。所述颗粒活性炭32对厌氧氨氧化菌的亲和性高，容易附着厌氧氨氧化生物膜，可以有助于为所述厌氧氨氧化反应提供稳定的缺氧环境以及充足的空间。
由上述可见，所述短程硝化反应消耗了氨氮，而所述厌氧氨氧化反应消耗了氨氮和亚硝氮，所述水处理系统10可以显著地降低所述待处理水流14中的总氮浓度。可选地，所述第三处理水流26的总氮浓度低于所述待处理水流14。
由上述可见，所述短程硝化反应和所述厌氧氨氧化反应都消耗了氨氮，所述水处理系统10可以显著地降低所述待处理水流14中的氨氮浓度。可选地，所述第三处理水流26的氨氮浓度低于所述待处理水流14。
一些实施例中，由于所述膜曝气生物膜反应器单元18采用无泡曝气，所述第一处理水流16中的溶解甲烷不会随气泡挥发。所述膜曝气生物膜反应器单元18的所述生物膜上有与所述氨氧化菌共存的甲烷氧化菌，所述第一处理水流16中的溶解甲烷在所述甲烷氧化菌的作用下被氧气氧化并释放甲醇，可以被完全有效地去除，以得到甲烷含量降低的所述第二处理水流20。甲烷氧化反应式的示例包括：
Figure BDA0002939124850000061
可选地，所述第二处理水流20的甲烷含量低于所述第一处理水流16。
一些实施例中，所述厌氧氨氧化单元24中的异养反硝化菌可以甲醇为电子供体，将硝氮经反硝化反应还原为亚硝氮，作为所述厌氧氨氧化反应的电子受体，示例反应式包括：
Figure BDA0002939124850000062
而且，如有剩余，甲醇还可以进一步还原亚硝氮，直接实现脱氮，示例反应式包括：
Figure BDA0002939124850000063
Figure BDA0002939124850000064
所述硝氮、所述亚硝氮可能来自所述厌氧氨氧化反应、所述短程硝化反应、所述反硝化反应，而所述硝氮仅通过所述短程硝化反应和所述厌氧氨氧化反应无法去除，因此，所述甲烷氧化反应及其产生的甲醇可以有助于提高所述待处理水流14中甲烷、含氮物质的去除率等。
下述实验示例可以用于帮助理解本发明的实施方式，无意用作对权利要求的限制。
示例1
实验室构建膜曝气生物膜反应器单元，由反应器主体、供气系统、进水系统、循环系统组成。
所述反应器主体内置1个曝气膜组件，通过无气泡高效氧气扩散疏水膜曝气向生物膜上的微生物提供氧气。所述曝气膜组件长81.3cm，宽11.2cm，厚2.3cm，由80根中空纤维膜(无气泡高效氧气扩散疏水膜)组成。生长在所述中空纤维膜上的微生物构成所述生物膜。每根所述中空纤维膜的膜丝外径0.7mm，总膜面积为0.25m2，氧气传递效率为30～40％，氧气传递速率为8～12g/(m2-d)，最大气体运行流量为1～2L/h，最大运行供气压力为83kPa。
所述膜曝气生物膜反应器单元中的微生物接种来自清华大学再生水站生活污水好氧处理池的悬浮硝化污泥，接种挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为1.40±0.10g/L。
所述膜曝气生物膜反应器单元的进水(第一处理水流)采用人工配制的模拟厌氧膜生物反应器单元出水(第一处理水流，氨氮浓度为50mg/L)，在供氧压力0.06kPa、1h/1h间歇供氧、推流式条件下连续运行，可稳定地实现短程硝化反应。
所述膜曝气生物膜反应器单元达到了61±5％的氨氮去除率，其中亚硝氮积累率为70±3％，出水(第二处理水流)氨氮与亚硝氮之比有利于厌氧氨氧化反应。
示例2
在示例1中所述膜曝气生物膜反应器单元成功实现短程硝化工艺稳定运行的基础上，向所述膜曝气生物膜反应器单元内投加已经富集厌氧氨氧化生物膜的颗粒活性炭膨胀床(其中颗粒活性炭的参数列于下表1)，构建一体式载体耦合膜曝气生物膜反应器。
表1
材料 颗粒活性炭
厂商 承德冀北燕山活性炭有限公司
比表面积 2.5×108m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
表观密度 1.1g/cm<sup>3</sup>
接触角 115.6±6.9
粒径 8-20目
装填密度 20％
所述一体式载体耦合膜曝气生物膜反应器的运行采用连续进出水的方式，进水(第一处理水流)的成分与所述示例1中所述膜曝气生物膜反应器单元的进水(第一处理水流)相同，在供氧压力0.06kPa、1h/1h间歇供氧、推流式条件下连续运行。
所述一体式载体耦合膜曝气生物膜反应器实现了全自养型脱氮，达到了88±2％的氨氮去除率与76±2％的总氮去除率，总氮去除速率可达0.077±0.005kg-N/(m3·d)，出水(第三处理水流)的氨氮浓度与总氮浓度均可达到城镇污水处理厂出水一级A标准。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种水处理系统(10)，其特征在于，包括：
厌氧膜生物反应器单元(12)，适于接收待处理水流(14)、输出第一处理水流(16)；以及
膜曝气生物膜反应器单元(18)，适于接收所述第一处理水流(16)、输出第二处理水流(20)。
2.如权利要求1所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述第二处理水流(20)的氨氮含量低于所述第一处理水流(16)。
3.如权利要求1所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述第二处理水流(20)的氨氮与亚硝氮之比有利于厌氧氨氧化反应。
4.如权利要求1所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述膜曝气生物膜反应器单元(18)包括中空纤维膜(22)。
5.如权利要求1所述的水处理系统(10)，其特征在于，包括厌氧氨氧化单元(24)，适于接收所述第二处理水流(20)、输出第三处理水流(26)。
6.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述厌氧氨氧化单元(24)与所述膜曝气生物膜反应器单元(18)在空间上彼此分离。
7.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述厌氧氨氧化单元(24)向所述膜曝气生物膜反应器单元(18)输出第四处理水流(28)。
8.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述厌氧氨氧化单元(24)与所述膜曝气生物膜反应器单元(18)一体设置。
9.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述厌氧氨氧化单元(24)包括活性炭膨胀床(30)。
10.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述厌氧氨氧化单元(24)包括颗粒活性炭(32)。
11.如权利要求5所述的水处理系统(10)，其特征在于，所述第三处理水流(26)的总氮浓度、氨氮浓度低于所述待处理水流(14)。
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