CN1232454C

CN1232454C - 一种膨胀颗粒污泥床厌氧反应器－好氧膜生物反应器组合系统处理生活污水的中水回用技术

Info

Publication number: CN1232454C
Application number: CN 03158355
Authority: CN
Inventors: 陈坚; 堵国成; 杨云军; 伦世仪
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: CN1526661A

Abstract

一种膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合系统处理生活污水的中水回用技术，涉及生活污水处理和污泥减量技术。本发明特点在于将膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合成一个处理系统，对低浓度生活污水进行处理，EGSB厌氧反应器高效降解生活污水中的有机物，停留时间短，容积有机负荷高；MBR反应器对剩余有机物和氨氮进行彻底地去除，出水水质可达到中水回用标准。本发明EGSB-MBR组合系统处理生活污水可有效降低反应系统的体积，处理过程污泥产量低，良好的出水水质具有回用价值。

Description

一种膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合系统处理生活污水的中水回用技术

技术领域

一种膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合系统处理生活污水的中水回用技术，涉及生活污水处理和污泥减量技术。

背景技术

随着城市人口的急剧膨胀，城市生活污水的总量在迅速增加，生活污水已成为重要的污染源。对于水资源缺乏的城市来说，城市废水也是一笔宝贵的财富，世界上许多国家都在积极利用城市污水，发展适合其国情的中水回用系统。城市污水回用和中水系统可作为城市自来水的补充水源，广泛供给工厂、企业和居民小区冲洗厕所及杂用，发展利用中水系统，是为了实现水资源的可持续利用。

常规的初沉加二次好氧生物城市污水处理工艺是一种非常有效的方法。但是这种高效处理是以高资本投入、运转费用和高技术需求为代价(El-Gohary et al.，1995)的。在欧美发达国家，已广泛应用这些昂贵的系统，但在经济欠发达地区并非是一条城市污水处理的可接受方案。厌氧处理技术已被证实为极好的处理工艺并被许多国内外专家公认为可接受城市污水处理方案的关键(Zeeman andLettinga，1999；Hammes et al.，2000；Gijzen，2001)。

膨胀颗粒污泥床厌氧反应器(EGSB)作为第三代高效厌氧处理反应器，实现了污泥停留时间和平均水力停留时间分离，反应器单位容积的生物量更高。同时通过出水循环的方式提高了水力负荷，使得进水和颗粒污泥之间保持充分的接触，强化了传质过程。因而在低温条件下处理低浓度生活污水具有明显的优势，从而具有了与好氧处理竞争的优势。

根据我国《城市水资源可持续利用》中提出的控制水污染发展的工作重点为提高城市污水处理率。通过因地制宜，多方面筹资建立小型城镇污水处理厂，特别强调采用高效低耗的革新技术和天然净化技术以降低造价、节约运行费用。在气温较高的南方，应优先采用厌氧生物处理技术。可见研究和开发EGSB反应器适应我国环境规划和发展需要，EGSB反应器以其特有的技术优势，将在低浓度城市生活污水处理领域具有更为广阔的应用前景。

膜生物反应器(MBR)是膜分离技术与普通活性污泥法相结合产生的一种新型、高效的废水生物处理工艺。由于它在废水资源化及中水回用方面的诱人潜力，而受到了世界各国的普遍关注。

目前的各种活性污泥法都不可避免地要排剩余污泥，且大量的污泥的处理技术和费用历来是污水处理厂的难题。因此对污泥减量技术的研究具有很大的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合系统处理生活污水的中水回用技术。其创新点在于，将EGSB厌氧反应器和MBR反应器组成一个处理系统，对低浓度生活污水进行处理，EGSB厌氧反应器高效降解生活污水中的有机物，停留时间短，有机容积负荷(OLR)高；MBR反应器对部分有机物和氨氮进行彻底地去除，出水水质可达到中水回用的标准。

本发明的技术方案：

一种生活污水的处理方法，是将膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合成一个处理系统，对低浓度生活污水进行处理。EGSB反应器处理：进水COD浓度为300-400mgL^-1，控制出水COD浓度为150-200mgL^-1，进水NH₃-N浓度约为30mgL^-1，出水NH₃-N浓度为18-21mgL^-1。好氧处理：采用一体式MBR反应器处理EGSB出水，处理后MBR出水COD浓度为10mgL^-1左右，NH₃-N浓度稳定低于5mgL^-1。

本发明采用的工艺流程见图1。污水槽中的生活污水流入到由液位开关控制的恒位水箱中，并通过自动控温系统升高水温。然后废水与经过计量的部分循环出水混合后从底部泵入EGSB反应器中，EGSB反应器出水一部分经过循环水泵重新进入反应器，另一部分排入MBR反应器系统的恒位进水箱。EGSG和MBR反应器中的温度是通过控制进水温度来实现的，EGSB反应器产生的沼气经过湿式流量计计量后排空。MBR反应器内液位通过自动液位控制器与进水泵的连动来调节。由风机提供的空气通过微孔曝气器进入水体，为微生物提供氧的同时减少污泥在膜面的沉积。由自动程序控制器控制出水泵的开和停。出水泵采用间歇抽吸运行，抽吸频率为10min开，5min停。

EGSB反应器采用有机玻璃制成，外壁加保温材料包裹。反应器总高度为3000mm，有效容积150L。MBR好氧生物反应器总容积为400L，由聚丙烯板制成，外壁加保温材料包裹，通过控制进水温度维持反应器内温度，内置中空纤维膜组件1个。膜组件为天津膜天膜工程技术有限公司生产的中空纤维微滤膜，膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，膜孔径为0.2μm，膜面积为12.5m²。

EGSB反应器以无锡太湖水啤酒公司工业规模UASB反应器中的颗粒污泥作为接种污泥。污泥接种量约为32.5g VSS L^-1。启动初期采用COD在300-400mg L^-1左右生活污水进行驯化，维持COD去除率在80％以上，通过增加进水流量的方法逐渐增加OLR，开始时OLR可达到2.0kg CODm^-3 d^-1，15天后，OLR达到8.0kgCODm^-3 d^-1，然后对EGSB反应器进行有机负荷冲击试验，确定EGSB反应器已完成启动过程。在此基础上进行了一系列低浓度生活污水处理实验研究。本实验开始时，VSS/SS为0.82，反应器内总的VSS为35.18g L^-1。

MBR反应器是以无锡城北污水处理厂氧化沟的好氧活性污泥为接种污泥，污泥接种量MLSS为8.5g L^-1，启动采用COD浓度在300-400mg L^-1生活污水，维持COD去除率在80％以上，通过增加进水流量的方法逐渐增加OLR，启动7天后，OLR达到3.0kg CODm^-3 ^d-1，本实验开始时，MLSS为10g L^-1左右。

本发明采用的分析测定方法

pH：采用pHs-2型酸度计法，

COD：采用标准重铬酸钾法，

BOD₅：稀释接种法，

NH₃-N 钠试剂分光光度法，

碱度(ALK)：酸碱滴定法，

浊度： WGZ-100型浊度仪，

色度：铂钴标准比色法，

溶解氧(DO)： JPB-607型溶氧仪，

悬浮物固体浓度(SS) ：采用重量法，

挥发性固体浓度(VSS) ：采用重量法，

混合液悬浮固体浓度(MLSS)：采用重量法，

混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)：采用重量法，

甲烷的产量：湿式气体流量计计量，

细菌总数：平板计数法，

大肠杆菌总数：多管发酵。

EGSB反应器系统运行参数的确定

固定反应温度为30℃，污水COD浓度为400mg L^-1，回流比为1∶0.5，改变不同的进水流量Q_in，可以得到一系列水力停留时间(HRT)、容积有机负荷(OLR)、污泥负荷(SLR)和上升流速(V_up)，它们之间的对应关系如表4所示。

表1 EGSB运行操作参数之间的对应关系

Q_in(L/h)	80	160	200	240	320
Q_in(L/h)	80	160	200	240	320	HRT(h)	1.875	0938	0.75	0.625	0.469
OLR(kg CODm^-3 d^-1)	5.12	10.24	12.8	15.36	20.48	HRT(h)	1.875	0938	0.75	0.625	0.469
OLR(kg CODm^-3 d^-1)	5.12	10.24	12.8	15.36	20.48	SLR(kg COD kgVSS^-1 d^-1)	0.27	0.54	0.67	0.8	1.07
V_up(mh)	2.45	4.89	6.12	7.335	9.78	SLR(kg COD kgVSS^-1 d^-1)	0.27	0.54	0.67	0.8	1.07

HRT对COD去除效率的影响

水力停留时间(HRT)是反应器运行状况的一个重要的参数，以COD浓度为400mg L^-1的葡萄糖合成废水作为进水，HRT为1.875h时，此时的OLR为5kg CODm^-3 d^-1，COD去除率接近85％，出水COD仅为60mg L^-1，随着HRT减小，COD去除率逐渐降低，出水COD和SS逐渐升高，当HRT降为0.469h时，COD去除率仍接近70％，出水COD浓度在120mgL^-1，此时的有机负荷OLR已达到20.48kgCOD m^-3 ^d-1，这表明EGSB反应器处理低浓度有机废水具有非常大的潜力，同时也体现了EGSB反应器的高效性。这种高效性来源于反应器内颗粒污泥高浓度生物量，以及较大的水力负荷强化了废水与颗粒污泥之间的传质。这里选取HRT为0.75h作为处理生活污水时的运行参数较为合适。

甲烷产量与HRT之间的关系

沼气的产量是体现EGSB反应器系统运行状况的一个重要参数，同时也反映出了反应器的产能情况，HRT与沼气产量成负相关性，在该实验条件下，每一个HRT对应着OLR，HRT与OLR成反比，HRT增加虽然能延长颗粒污泥和污水的接触时间，提高了COD去除率，使得出水COD浓度很低，但由于OLR降低，总的结果表现为沼气产量降低，即反应器效能未能充分发挥出来。由此可见，保持较小的HRT更能充分发挥反应器的效能。

MBR运行参数的确定

生活污水经过EGSB反应器处理后，进入MBR反应系统中的有机物浓度已经较低，因而在MBR反应器中有机负荷较低，污泥的生长缓慢，可以控制更长的泥龄，在这种环境中自养型的硝化细菌可优势生长，同时，滤膜可有效地防止硝化细菌的流失。由于反应系统污泥浓度高，控制曝气量可以在絮状污泥的内部形成局部的厌氧区域，异养型的反硝化细菌利用废水中的碳源进行反硝化作用，将硝基和亚硝基还原成氮气。在碳源不足时也可以采用内源碳进行反硝化，内源碳是指微生物细胞因衰亡可释放出二次性碳基质。这一过程是在污泥的泥龄长、负荷低、停留时间长条件下完成，此时微生物处于生长曲线静止期的后部和衰亡期。这样在同一反应器内部同时进行硝化和反硝化反应，氨氮和硝氮均得以脱除。

固定MBR反应器运行温度30℃，控制曝气量使得反应器内DO在2mg L^-1左右，MLSS在10g L^-1左右，进水COD在200mg L^-1左右，进水pH值6.5-7.5。在该条件下通过控制出水流量改变不同的HRT，确定COD、NH₃-N去除率的变化趋势，从而确定在处理生活污水时的HRT。

HRT与COD、氨氮去处率的关系

HRT与COD和NH₃-N去除率之间均成反比，但对两者的影响程度不一，对COD去除率的影响较大，随着HRT的减小，COD去除率由100％降至82％左右，相应地，NH₃-N去除率一直不低于96％。可见MBR反应器对COD和NH₃-N具有很好的去除效果。当HRT达到2h，由于受膜通量的限制，已接近最小值，很难继续降低，此时COD、氨氮去除率分别为82％、96％。在处理生活污水时，这里选取HRT为2h作为生活污水处理时的运行参数。

控制整个系统反应温度为30℃，在处理生活污水时，考虑到MBR反应器中反硝化作用对废水中有机物的需求，通过控制进水流量的方法使得EGSB反应器出水COD浓度在150-200mg L^-1左右即可。这里选择EGSB进水流量为200L h^-1，循环水流量为100L h^-1，此时反应器内HRT为0.75h，上升流速V_up为6.12m h^-1，OLR为9.6-12.8kg COD m^-3 d^-1，SLR为0.50-0.67kg COD kg^-1VSS d^-1，控制MBR反应器出水流量为200L h^-1，HRT为2h，污泥的浓度MLSS为10g L^-1，控制曝气量使得反应器内溶解氧为2mg L^-1，pH值为6.5-7.5，在该操作条件下进行运转。

整个反应系统对COD去除效果

40天内EGSB-MBR组合系统对生活污水COD的去除效果，尽管进水COD浓度变动幅度比较大，在300-400mg L^-1范围波动，而EGSB部分出水COD浓度在150-200mg L^-1之间变动，MBR出水稳定在10mg L^-1左右。这说明EGSB反应器具有较强的抗负荷冲击能力，反应器系统运行稳定。整个系统的COD去除率稳定在95％左右，其中在EGSB厌氧段COD去除率为65-70％，MBR好氧段为80-90％，而这些去除率是在总停留时间为2.75h下的结果，这说明反应器系统具有高效降解有机物的能力，停留时间短意味着反应器系统的体积小，工程应用中可以降低设备投资。

整个反应系统对NH₃-N去除效果

EGSB厌氧反应器对NH₃-N具有一定地脱除效果，脱氮效率在30-40％。原因有两个方面，一是生活污水中有机物的浓度比较低，生活污水在反应器内的停留时间短，生活污水中本身溶解一小部分溶解氧，这部分溶解氧在颗粒污泥的表面形成薄层的好氧区域，EGSB反应器所具有的较大的高径比和三相分离器等特殊结构使得包括硝化、反硝化细菌菌群在内的生物量最大程度地保留在反应器内，这样在颗粒污泥的部分表面进行硝化反应，颗粒污泥的内部仍然是厌氧区域，进行反硝化反应。还有一方面原因，在厌氧反应器中还可能存在氨氧化菌群，生活污水中的NH₃-N和NO^3-、NO^2-直接进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，由于生活污水中的溶解氧有限，只能进行部分的脱氮。MBR反应器对NH₃-N去除率在99％以上，这与硝化细菌在反应器内的富集密切相关。在运行40天内，整个系统进水NH₃-N约30mg L^-1，出水氨氮浓度稳定低于5mg L^-1以下，系统的稳定性很好。

整个反应系统对SS去除效果

生活污水中含有大量的SS，其中SS含量占总COD的20-50％，EGSB反应器对SS有一定的去除效果，SS去除率在40-60％之间，MBR反应器对SS具有完全的去除作用，去除率达到100％，整个系统的出水SS为0mg L^-1。这体现了MBR反应器的优点。SS在反应系统中被拦截和降解，没有出现因悬浮物的积累而导致的污泥的活性降低的现象。这是因为EGSB和MBR高效反应器中均含有比普通反应器高得多的生物量，污泥的泥龄长，难降解的有机物也能得到较彻底地降解。

整个反应系统对浊度去除效果

回用水要求浊度低于10NTU，生活污水进水浊度约为200-300NTU，EGSB反应器对生活污水的浊度去除率在55-65％之间，出水浊度在100NTU左右，这是因为污水中一部分悬浮物通过颗粒污泥床时被拦截下来，同时EGSB反应器降解了大部分可溶性和胶体状有机物使得出水的浊度得到一定程度地降低。MBR反应器对浊度具有几乎完全的去除能力，出水浊度接近0NTU。这是由于微孔滤膜对悬浮物具有完全的截留能力，MBR反应器中的高浓度活性污泥对污水中的有机物具有较彻底地降解作用。40天的运行结果表明组合系统对生活污水浊度具有彻底的去除作用。出水浊度远低于回用水标准。

整个反应系统对色度去除效果

生活污水具有较高的色度，该组合系统对生活污水色度的去除情况，可以看出，该系统对色度具有很好的去除效果，可以降低到20倍以下，其中MBR反应器对色度去除的贡献要大于EGSB反应器，两者的去除率分别为40-60％和80-90％；40天运行阶段内，尽管进水色度波动范围在90-130倍，出水色度一直稳定在20倍以下，显示了该组合系统的抗冲击负荷能力和稳定性。

EGSB-MBR组合系统中各反应器中污泥浓度的变化情况

整个实验过程40天时间内，反应器中污泥的量并没有发生明显的增加，这说明该组合系统处理生活污水时，具有很好的污泥减量作用。

表2实验40天前后，各个反应器内污泥量的变化

项目	时间	MLSS(g L^-1)	MLVSS(g L^-1)	MLVSS/MLSS	污泥床高度(m)	反应器中污泥的总量kg
项目	时间	MLSS(g L^-1)	MLVSS(g L^-1)	MLVSS/MLSS	污泥床高度(m)	反应器中污泥的总量kg	EGSB反应器	实验开始时	23.4	19.2	0.82	1.67	2.88
连续运行40天后	24.6	20.2	0.82	1.70	3.03			实验开始时	23.4	19.2	0.82	1.67	2.88
连续运行40天后	24.6	20.2	0.82	1.70	3.03	MBR反应器		实验开始时	10.0	7.5	0.75	---	3.00
连续运行40天后	11.2	8.7	0.78	---	3.12			实验开始时	10.0	7.5	0.75	---	3.00

生活污水出水与城市回用水标准对比

针对生活污水水质，采用EGSB-MBR组合系统处理工艺，可使出水达到并优于《城市污水再生利用—城市杂用水标准》(GB/T18920-2002)。

表3出水水质与回用标准的比较

表明，在水温30℃，处理COD浓度为400mg L^-1，NH₃-N浓度为30mg L^-1的生活污水中，EGSB水力停留时间HRT为0.75h，OLR为9.6-12.8kg COD m^-3 d^-1，SLR为0.50-0.67kg COD kg^-1VSS d^-1，COD、NH₃-N、SS、浊度、色度去除率分别为65-70％、30-40％、40％、60％、40-60％，MBR反应器HRT为2h，污泥的浓度MLSS为10g L^-1，反应器内溶解氧为2mg L^-1，COD、NH3-N、SS、浊度、色度去除率分别为80-90％、95-99％、100％、98-99.5％、80-90％，整个系统的COD、NH₃-N、SS、浊度、色度去除率分别为95％、大于99％、100％、大于99％、80-95％，出水指标优于《城市污水再生利用—城市杂用水标准》(GB/T18920-2002)。这说明EGSB-MBR反应器组合系统对生活污水处理具有高效作用。在生活污水处理领域具有很大的潜力。该组合系统运行的40天中，运行稳定，对悬浮性有机物的降解作用好，污泥产量很低，可大大减少污泥处理的投资和费用。

本发明的有益效果：

本发明将EGSB厌氧反应器和MBR反应器组成一个处理系统，对低浓度生活污水进行处理，EGSB厌氧反应器高效降解生活污水中的有机物，停留时间短，有机容积负荷(OLR)高；MBR反应器对部分有机物和氨氮进行彻底地去除，出水水质可达到中水回用的标准。EGSB-MBR组合系统来处理生活污水可有效降低反应系统的体积、减少分解有机物所需的曝气量、整个处理过程污泥产量低，良好的出水水质具有回用价值。系统COD去除率高，总停留时间短，表明反应器系统具有高效降解有机物的能力，停留时间短意味着反应器系统的体积小，工程应用中可以降低设备投资。系统出水NH₃-N浓度稳定低于5mgL^-1，表明系统稳定性好；系统出水SS为0.mgL^-1，表明系统对不溶性有机物也有良好的降解能力；且对生活污水中的浊度和色度有很好的去除效果。出水的各项指标优于《城市污水再生利用—城市杂用水标准》(GB/T18920-2002)。

附图说明

图1 EGSB-MBR组合系统处理生活污水工艺流程示意图。

1-EGSB进水箱，2-恒位水箱，3-自动控温系统，4-进水泵，5-进水流量计，6-循环水流量计，7-循环水水泵，8-EGSB反应器，9-缓冲水箱，10-水封，11-湿式气体流量计，12-MBR进水箱，13-自动控温系统，14-MBR进水泵，15-MBR反应器，16-风机，17-气体流量计，18-微孔曝气管，19-微滤膜组件，20-污泥回流泵，21-污泥排出口，22-排水缓冲水箱，23-MBR排水口，24-反冲洗水泵，25-MBR厌氧区域。

具体实施方式

实施例1

按照说明书中所述的主要设备和工艺流程操作，用EGSB-MBR组合系统处理生活污水，进水COD浓度为300-400mgL^-1，控制EGSB出水COD浓度为150-200mgL^-1，MBR出水COD浓度约为10mg L^-1。整个系统进水NH3-N浓度约为30mg L^-1，出水NH₃-N浓度稳定低于5mg L^-1，SS为0mg L^-1，出水浊度接近0NUT，出水色度稳定在20倍以下。

Claims

1.一种生活污水的处理方法，其特征是将膨胀颗粒污泥床厌氧反应器——好氧膜生物反应器组合成一个处理系统，对低浓度生活污水进行处理，

EGSB反应器处理：进水COD浓度为300-400mg L^-1，控制出水COD浓度为150-200mgL^-1，进水NH₃-N浓度约为30mg L^-1，出水NH₃-N浓度约为18-21mg L^-1，EGSB反应器污泥接种量维持为32.5g VSS L^-1，启动初期采用COD在300-400mg L^-1生活污水进行驯化，维持COD去除率在80％以上，通过增加进水流量的方法逐渐增加OLR，开始时OLR可达到2.0kg COD m^-3 d^-1，15天后，OLR达到8.0kg CODm^-3 d^-1，然后对EGSB反应器进行有机负荷冲击试验，确定EGSB反应器已完成启动过程，运行开始时，VSS/SS为0.82，反应器内总的VSS为35.18g L^-1；

好氧处理：采用一体式MBR反应器处理EGSB出水，处理后MBR出水COD浓度为10mg L^-1左右，NH₃-N浓度稳定低于5mg L^-1，所用的MBR反应器，膜组件为中空纤维微滤膜，膜材质为聚偏氟乙烯，膜孔径为0.2μm，膜面积为12.5m²，以好氧活性污泥为接种污泥，污泥接种量MLSS为8.5g L^-1，启动采用COD浓度在300-400mg L^-1生活污水，维持COD去除率在80％以上，通过增加进水流量的方法逐渐增加OLR，启动7天后，OLR达到3.0kg COD m^-3 d^-1，运行开始时，MLSS为10g L^-1左右；

EGSB-MBR组合系统的操作：污水槽中的生活污水流入到由液位开关控制的恒位水箱中，并通过自动控温系统升高水温，然后废水与经过计量的部分循环出水混合后从底部泵入EGSB反应器中，EGSB反应器出水一部分经过循环水泵重新进入反应器，另一部分排入MBR反应器系统的恒位进水箱，EGSG和MBR反应器中的温度是通过控制进水温度来实现的，EGSB反应器产生的沼气经过湿式流量计计量后排空，MBR反应器内液位通过自动液位控制器与进水泵的连动来调节，由风机提供的空气通过微孔曝气器进入水体，为微生物提供氧的同时减少污泥在膜面的沉积，由自动程序控制器控制出水泵的开和停，出水泵采用间歇抽吸运行，抽吸频率为10min开，5min停。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是EGSB反应器处理生活污水进水量200L h^-1，循环水流量为100L h^-1，HRT为0.75h，V_up为6.12m h^-1，OLR为9.6-12.8kg COD m^-3 d^-1，SLR为0.50～0.67kg COD kg^-1 VSS d^-1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是MBR处理：以EGSB反应器出水作为MBR反应器进水，控制MBR反应器出水流量为200L h^-1，HRT为2h，污泥浓度MLSS为10g L^-1，控制曝气量使得反应器内溶解氧为2mg L^-1，pH为6.5-7.5。