CN115259386A - 一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统及方法，包括控制模块、进水泵、反应器、以及设置在反应器内的微孔曝气头和多个模块化填料组件，反应器外侧设置有光照模块以及与微孔曝气头连通的曝气泵，进水泵与反应器底部相连；反应器的出水控制装置、进水泵、曝气泵和光照模块分别与控制模块电性连接。本发明采用菌藻共生代谢实现含氨氮废水的微动力处理，并且无需投加有机碳源强化反硝化即可实现总氮的高效绿色去除，特别适用于处理低碳氮比的城镇生活污水和工业废水。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，具体是指一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统及方法。
背景技术
厌氧氨氧化是目前广泛关注的一种新型低碳废水脱氮工艺。相比于传统的脱氮工艺，具有无需外加碳源、降低供氧量、污泥产生量和CO2排放量大为减少等优点。实际运行过程中，厌氧氨氧化可以分为一段式和两段式两种模式，其中一段式厌氧氨氧化即全程自养脱氮工艺，利用氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)的协同作用，可以在一个反应器内实现短程硝化和厌氧氨氧化，在经济可行性和环境可持续性方面展现出的巨大优势。
但是，全程自养脱氮工艺理论上出水仍有11％的硝酸盐无法得到有效去除，在处理氨氮浓度较高的废水时，总氮去除效率仍需要进一步提高。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统及方法，采用菌藻混合液共生代谢实现含氨氮废水的微动力处理，并且无需投加有机碳源强化反硝化即可实现总氮的高效绿色去除。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，包括控制模块、进水泵、反应器、以及设置在反应器内的微孔曝气头和多个模块化填料组件，反应器外侧设置有光照模块以及与微孔曝气头连通的曝气泵，进水泵与反应器底部相连；
反应器的出水控制装置、进水泵、曝气泵和光照模块分别与控制模块电性连接。
作为优选，模块化填料组件包括框体、设置在框体内的菌藻混合液和海绵填料，框体通过固定架竖向分布在反应器的液面下。
模块化填料组件设置有多个，多个模块化填料组件竖向等间距分布在反应器内，菌藻混合液和海绵填料设置在框体内，海绵填料边长3～10cm，海绵填料体积填充比为30～60％，海绵填料通过钢丝线竖向间隔固定在框体内。
作为优选，进水泵与反应器之间连接设置有液体流量计。
作为优选，曝气泵与微孔曝气头之前连接设置有气体流量计。
作为优选，光照模块设置在反应器两侧。
光照模块为LED灯或太阳光。
作为优选，菌藻混合液包括短程硝化污泥、厌氧氨氧化污泥和藻液。
一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理方法，步骤如下：
1)同时接种一定量菌藻混合液接种至反应器(2)，反应器(2)采用进水-曝气-沉淀-出水的序批式运行模式，废水通过进水泵(1)进入至反应器(2)内，处理后的废水通过出水控制装置(7)排出反应器(2)；
2)开启光照模块(6)连续照射促进菌藻混合液内的藻类生长，控制模块(8)控制光照模块(6)光照12小时、夜间12小时，单周期24小时，控制藻类光合作用和曝气泵(3)曝气两个产氧过程，实现系统溶解氧浓度为0.5～1.5mg/L；
3)经过驯化后的菌藻共生生物膜逐渐成熟和稳定，系统短程硝化需要的溶解氧全部通过藻类光合作用提供，结合厌氧氨氧化和藻类吸收作用实现氨氮和总氮的去除。
步骤1)中反应器(2)内接种菌藻混合液后，短程硝化污泥控制在3～5g/L、厌氧氨氧化污泥控制在3～5g/L、藻液控制在0.5～2g/L。
步骤1)中废水的氨氮浓度控制在100-500mg/L，化学需氧量COD浓度控制在0-500mg/L。
反应器排水比为50％。
所述藻液为小球藻或四链藻中的一种。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)菌藻共生生物膜污水处理技术具有低耗高效的优势，短程硝化所需要的氧气可以通过藻类的光合作用来提供，整体系统无需额外的曝气供给，极大的节约了运行费用；
(2)厌氧氨氧化脱氮无需有机碳源，而藻类对于氮类化合物同样具有一定的吸收作用，可以进一步提高系统的总氮去除能力，可以实现污水长期性、持续性的处理。
(3)细菌与微藻共生生物膜同样具有抗冲击负荷及环境毒性耐受能力强等优势，具有广泛的市场应用前景；
(4)采用菌藻共生代谢实现含氨氮废水的微动力处理，并且无需投加有机碳源强化反硝化即可实现总氮的高效绿色去除，特别适用于处理低碳氮比的城镇生活污水和工业废水；
(5)运行成本低、处理效果好，可有效解决污水处理厂进水碳源不足的问题，具有明显的技术优势。
(6)进水时同时短程硝化污泥、厌氧氨氧化污泥和藻液菌藻混合液，具有更快启动的优势，实现反应器快速形成菌藻共生生物膜。
附图说明
附图1为本发明结构示意图。
附图中所示标号：1、进水泵；2、反应器；3、曝气泵；4、微孔曝气头；5、模块化填料组件；6、光照模块；7、出水控制装置；8、控制模块；9、液体流量计；10、气体流量计；11、固定架。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，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，不应该用来限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1:一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统
如图1所示，本实施例提供一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，包括控制模块8、进水泵1、反应器2、以及设置在反应器2内的微孔曝气头4和多个模块化填料组件5，反应器2外侧设置有光照模块6以及与微孔曝气头4连通的曝气泵3，进水泵1与反应器2底部相连，进水泵1可以为蠕动泵，进水泵1与反应器2之间连接设置有液体流量计9，通过液体流量计9实现进水和水量调节；曝气泵3与微孔曝气头4之前连接设置有气体流量计10，并且通过气体流量计10来调节气量大小。
反应器2的出水控制装置7、进水泵1、曝气泵3和光照模块6分别与控制模块8电性连接，出水控制装置7为电磁阀或电动阀，本实施例使用电磁阀控制反应器2的出水，控制模块8为时间控制器，时间控制器连接用电设备，用于实现装置的自动化运行。
模块化填料组件5包括框体、设置在框体内的菌藻混合液和海绵填料，框体通过固定架11竖向分布在反应器2的液面下，菌藻混合液包括短程硝化污泥、厌氧氨氧化污泥和藻液。
模块化填料组件5设置有多个，多个模块化填料组件5竖向等间距分布在反应器2内，菌藻混合液和海绵填料设置在框体内，海绵填料边长3～10cm，海绵填料体积填充比为30～60％，海绵填料通过钢丝线竖向间隔固定在框体内。
光照模块6设置在反应器2两侧，光照模块6为LED灯管或太阳光。
实施例2：一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理方法
本实施提供一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理方法，步骤如下：
1)同时接种一定量菌藻混合液接种至反应器2，反应器2采用进水-曝气-沉淀-出水的序批式运行模式，废水通过进水泵1进入至反应器2内，处理后的废水通过出水控制装置7排出反应器2；
2)开启光照模块6连续照射促进菌藻混合液内的藻类生长，控制模块8控制光照模块6光照12小时、夜间12小时，单周期24小时，控制藻类光合作用和曝气泵3曝气两个产氧过程，实现系统溶解氧浓度为0.5～1.5mg/L；
3)经过驯化后的菌藻共生生物膜逐渐成熟和稳定，系统短程硝化需要的溶解氧全部通过藻类光合作用提供，结合厌氧氨氧化和藻类吸收作用实现氨氮和总氮的去除。
其中，步骤1)中反应器2内接种菌藻混合液后，短程硝化污泥控制在3～5g/L、厌氧氨氧化污泥控制在3～5g/L、藻液控制在0.5～2g/L。步骤1中废水的氨氮浓度控制在100-500mg/L，化学需氧量COD浓度控制在0-500mg/L。反应器2排水比为50％。其中，所述藻液为小球藻或四链藻中的一种。
进一步的，为了更清楚的理解本方法，下面做一进步说明：
反应器2为有机玻璃PSBR反应器，有效体积为4L，高50cm、直径12cm。模块化填料组件包括32个聚氨酯海绵载体，尺寸3×3×3cm；比表面积为15000m2/m3，比重为0.91g/cm3，分为四组均匀垂直固定在反应器中；在长期运行中，反应器2的温度维持在30℃左右。
整个实验由第一阶段(由曝气泵3与微孔曝气头4进行机械曝气提供DO，第1-40天，HRT 24h)、第二阶段(藻类光合作用提供DO，第41-100天，HRT24h)和第三阶段(藻类光合作用提供DO，第101-150天，HRT 48h)组成；
第一阶段每个周期为12h(HRT 24h)，包括进水(10min)、曝气(635min)、沉淀(60min)和出水(15min)；
第二阶段光照模块6采用2支LED灯管(飞利浦冷光20w,距离50cm)对反应器2连续照射，促进菌藻混合液中的藻类生长；
第三阶段将光照条件转换为12h光/12h暗，光功率密度为1.9-2.0mW/cm3。
为了进一步说明该方法的详细过程，以模拟废水进行详细说明：
1)模拟废水仅由NH4+-N(200mg/L)和培养液组成，在进料阶段通过蠕动泵引入反应器2，培养液中含有以下营养物质(mg/L):10mg/L的KH2PO4；12mg/L的MgSO4·2H2O；22mg/L的CaCl2和1mL微量元素A、B溶液。微量元素A溶液为5g/L的EDTA、5g/L的FeSO4；微量元素B溶液为15g/L的EDTA、0.014g/L的H3BO4、0.99g/L的MnCl2·4H2O、0.25g/L的CuSO4·5H2O、；0.43g/L的ZnSO4·7H2O、0.19g/L的NiCl2·6H2O、0.21g/L的NaSeO4·10H2O、0.22g/L的NaMoO4·2H2O。通过添加NaHCO3调节生物反应器进水pH值为7.5～7.8。
将短程硝化污泥3～5g/L、氧氨氧化污泥3～5g/L、藻液0.5～2g/L组成的菌藻混合液接种至反应器内，添加NaHCO3调节反应器进水pH值为7.5～7.8。
2)第一阶段：采用机械曝气提供DO，第一阶段每个周期为12h(HRT 24h)，包括进水(10min)、曝气(635min)、沉淀(60min)和出水(15min)，时间为1-40天；
第二阶段：藻类光合作用提供DO，光照模块6采用2支LED灯管(飞利浦冷光20w,距离50cm)对反应器2连续照射促进藻类生长，时间为41-100天，HRT 24h；
第三阶段：第101天，将光照条件转换为12h光/12h暗，调节HRT至48h，运行30天后，在不添加外部碳源的情况下，出水氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐均小于1.0mg/L,总无机氮去除率接近100％。
对照相同条件下运行的全程自养脱氮反应器，总氮去除率仅为89％左右，菌藻全程自养生物膜反应器具有明显的节约能源、提高总氮去除率的技术优势。
表1两组对照反应器稳定运行阶段氨氮和总氮去除率对比
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
Claims (10)
1.一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，其特征在于：包括控制模块(8)、进水泵(1)、反应器(2)、以及设置在反应器(2)内的微孔曝气头(4)和多个模块化填料组件(5)，所述反应器(2)外侧设置有光照模块(6)以及与微孔曝气头(4)连通的曝气泵(3)，所述进水泵(1)与反应器(2)底部相连；
所述反应器(2)的出水控制装置(7)、进水泵(1)、曝气泵(3)和光照模块(6)分别与控制模块(8)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，其特征在于：所述模块化填料组件(5)包括框体、设置在框体内的菌藻混合液和海绵填料，所述框体通过固定架(11)竖向分布在反应器(2)的液面下。
3.根据权利要求1所述的一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，其特征在于：所述进水泵(1)与反应器(2)之间连接设置有液体流量计(9)。
4.根据权利要求1所述的一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，其特征在于：所述曝气泵(3)与微孔曝气头(4)之前连接设置有气体流量计(10)。
5.根据权利要求1所述的一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理系统，其特征在于：所述菌藻混合液包括短程硝化污泥、厌氧氨氧化污泥和藻液。
6.一种微动力菌藻全程自养生物膜废水处理方法，其特征在于，步骤如下：
1)同时接种一定量菌藻混合液接种至反应器(2)，反应器(2)采用进水-曝气-沉淀-出水的序批式运行模式，废水通过进水泵(1)进入至反应器(2)内，处理后的废水通过出水控制装置(7)排出反应器(2)；
2)开启光照模块(6)连续照射促进菌藻混合液内的藻类生长，控制模块(8)控制光照模块(6)光照12小时、夜间12小时，单周期24小时，控制藻类光合作用和曝气泵(3)曝气两个产氧过程，实现系统溶解氧浓度为0.5～1.5mg/L；
3)经过驯化后的菌藻共生生物膜逐渐成熟和稳定，系统短程硝化需要的溶解氧全部通过藻类光合作用提供，结合厌氧氨氧化和藻类吸收作用实现氨氮和总氮的去除。
7.根据权利要求6所述的一种微动力藻类全程自养生物膜废水处理方法，其特征在于：步骤1中反应器(2)内接种菌藻混合液后，短程硝化污泥控制在3～5g/L、厌氧氨氧化污泥控制在3～5g/L、藻液控制在0.5～2g/L。
8.根据权利要求6所述的一种微动力藻类全程自养生物膜废水处理方法，其特征在于：步骤1中废水的氨氮浓度控制在100-500mg/L，化学需氧量COD浓度控制在0-500mg/L。
9.根据权利要求6所述的一种微动力藻类全程自养生物膜废水处理方法，其特征在于：反应器(2)排水比为50％。
10.根据权利要求6所述的一种微动力藻类全程自养生物膜废水处理方法，其特征在于：所述藻液为小球藻或四链藻中的一种。
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