CN204298138U - 一种移动床生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种移动床生物膜反应器，包括罐体、进水桶、蠕动泵、曝气砂头和空气曝气机，罐体内装填有填料，填料为K3型填料，K3型填料的直径为2.5cm，高度为1.1cm，材质为聚丙烯，填料在罐体中的填充率为40％，还包括时间控制器，控制蠕动泵、空气曝气机和出水口电磁阀的开关和运行时间。本实用新型相比现有技术具有以下优点：能够在同一反应器中，同时实现好氧和缺氧环境，在单一反应器中能实现同步硝化反硝化过程，具有减少有机负荷和曝气量，降低基建和运行费用等优点，且能够达到良好的脱氮效果。

Description

一种移动床生物膜反应器

技术领域

本实用新型涉及污水处理领域，尤其涉及的是一种移动床生物膜反应器。

背景技术

根据传统生物脱氮理论，生物脱氮过程包括同化、氨化、硝化和反硝化作用。首先通过异养菌的氨化作用将蛋白质、尿素、胺类化合物等有机氮转化为氨氮，然后在好氧条件下，经好氧自养型硝化菌和亚硝化菌的作用，将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，反硝化细菌将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气，从而达到脱氮的目的。

传统的生物脱氮理论认为在好氧情况下，反硝化过程难以实现，因而在单一反应器内不能达到同步硝化反硝化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种移动床生物膜反应器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种移动床生物膜反应器，包括罐体、进水桶、蠕动泵、曝气砂头和空气曝气机，罐体侧壁上部设置取样口，罐体侧壁中部设置出水口，出水口设置出水口电磁阀，罐体侧壁下部设置进水口，进水桶通过软管连接到进水口，蠕动泵设置在进水桶与进水口之间的软管上，曝气砂头设置在罐体底部，曝气砂头通过软管与空气曝气机相连，其特征在于：罐体内装填有填料，填料为K3型填料。

作为对上述方案的进一步改进，K3型填料的直径为2.5cm，高度为1.1cm，材质为聚丙烯。

作为对上述方案的进一步改进，还包括时间控制器，时间控制器与蠕动泵、空气曝气机和出水口电磁阀相连。

作为对上述方案的进一步改进，填料在罐体中的填充率为40％。

使用时，通过曝气提供反应器运行所需氧气并使内部悬浮填料转动，填料材质选用聚丙烯，其填充率为40％，填料密度与水相近，因此在充满气泡的污水中，能够随着水流和气流上下翻滚，实现污水中的物质与填料内外表面充分接触。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：移动床生物膜反应器在生物膜技术的基础上，以悬浮填料载体上附着生长的生物膜代替活性污泥而形成的一种复合式膜生物污水处理装置，其生物膜作为一种特殊的微生物聚集形式，其在传质条件及多种细菌共生上具有独特的优势，可在生物膜上形成稳定的好氧区、缺氧区/厌氧区，从而实现在生物膜表面硝化，内部反硝化的同步硝化反硝化过程。本方案能够降低污水生物处理成本并能提高出水水质。通过 构建一个高效的移动床生物膜反应器，使反应器内填料快速挂膜，硝化菌和反硝化菌得到富集，在单一反应器内实现同步硝化反硝化(SND)，形成一种成熟的移动床生物膜反应器的同步硝化反硝化脱氮技术，可应用于现有城市生活污水处理工艺的升级改造。使用移动床生物膜反应器(MBBR)的同步硝化反硝化(SND)脱氮技术作为一种新型的生物脱氮技术，能够有效的处理低C/N污水，可独立应用于生物脱氮，亦可与其他工艺结合，可应用于现有城市生活污水处理工艺的升级改造，提高出水水质，减少氮营养化的排放，具有良好的应用前景。在单一反应器中能实现同步硝化反硝化过程，具有减少有机负荷和曝气量，降低基建和运行费用等优点，且能够达到良好的脱氮效果。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2反映移动床生物膜反应器去除有机物能力即COD浓度随时间的变化趋势图：左图是单个周期运行情况的变化趋势图，右图是整体运行情况的变化趋势图。

图3反映移动床生物膜反应器单个周期脱氮能力即单个周期氮浓度随时间的变化趋势图：左图是初始挂膜阶段的变化趋势图、右图是挂膜成熟阶段的变化趋势图。

图4反映移动床生物膜反应器整体运行脱氮能力即氮浓度随时间的整体变化趋势图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种移动床生物膜反应器，包括罐体1、进水桶4、蠕动泵3、曝气砂头2和空气曝气机5，罐体1侧壁上部设置取样口6，罐体1侧壁中部设置出水口7，出水口7上设置出水口电磁阀9，罐体1侧壁下部设置进水口8，进水桶4通过软连接到进水口8，蠕动泵3设置在进水桶4与进水口8之间的软管上，曝气砂头2设置在罐体1底部，曝气砂头2通过软管与空气曝气机相5连，其特征在于：罐体内装填有填料，填料为K3型填料，K3型填料的直径为2.5cm，高度为1.1cm，材质为聚丙烯，还包括时间控制器10，时间控制器10与蠕动泵3、空气曝气机5和出水口电磁阀9相连，填料在罐体中的填充率为40％。

使用时，通过空气曝气机和曝气砂头提供反应器运行所需氧气并使内部悬浮填料转动，填料材质选用聚丙烯，其填充率为40％，填料密度与水相近，因此在充满气泡的污水中，能够随着水流和气流上下翻滚，实现污水中的物质与填料内外表面充分接触。

上述移动床生物膜反应器处理污水的方法，主要包括以下步骤：①将污水储存于进水桶中4，控制进水桶4中的污水DO浓度在3～4mg·L^-1；②启动蠕动泵3，向罐体1中输送污水， 并通过时间控制器10，控制进水时间；③启动空气曝气机5，通过曝气砂头2向罐体1中通气，并通过时间控制器10，控制曝气时间；④停止曝气，静置一段时间；⑤处理结束，启动出水口电磁阀9，排出处理过的污水，并通过时间控制器10，控制排水时间。

作为改进，移动床生物膜反应器运行单个周期为12h，其中进水时间为15min，曝气时间为7.5h，静置时间为4h，排水时间为15min。

填料的选择

填料为K3型，其参数如下表所示。K3型填料在挂膜后，在其外表面形成好氧作用区域，在填料内部，因生物膜的生长使内部空间非常狭小，形成厌氧作用区域，从而实现了在单一反应器内能达到同时具有好养和缺氧环境。在填料表面好氧作用区域，好氧自养型亚硝化菌、硝化菌将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，然后在填料内部厌氧区域，反硝化细菌将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气，从而达到脱氮的目的。

接种污泥与试验用水

接种污泥取自合肥市望塘污水处理厂氧化沟，浓度为3000mg·L^-1。采用人工模拟废水进行培养挂膜，主要成份为：COD(添加1:1的蔗糖和乙酸钠)200mg·L^-1，NH₄ ⁺-N，40mg·L^-1，KH₂PO₄，30mg·L^-1，添加微量元素如下表所示，并用NaHCO₃调节进水pH到7.5左右。

生物膜的生长

反应器接种污泥几天后，填料内部开始有少量微生物附着，此阶段为微生物的适应期。反应器运行20天后，填料内部多数空隙内聚集了微生物，填料上生物膜生物相变化大，微生物种类较多，此为生物膜的增长期。当反应器运行至50天左右，生物膜表面紧固，生物膜上杆菌，丝状菌等数量明显增多，生物膜更为紧实，且微生物之间相互缠绕形成菌胶团，丝状菌、杆菌大量富集，成团成簇，并生成大量聚合物将其包裹于其中，结构稳固，说明此时生物膜达到成熟阶段。

在生物膜的培养驯化过程中，生物膜厚度不断增加，填料上生物膜量也在不断增长。反应器运行20天后的单个填料平均生物膜重量达到0.0053gSS·个填料-1，40天、60天和80天 后分别达到0.0168gSS·个填料-1、0.0266gSS·个填料-1和0.0335gSS·个填料-1。生物膜厚度的增加，有利于系统运行的稳定和提高其去除有机物和脱氮的能力。

COD的去除

在反应器整个运行阶段，进水COD浓度固定为200mg·L^-1，COD去除率逐渐增加(图2B)。运行初期COD的去除主要是污泥中异养菌的代谢作用，对低COD/N的废水适应性较差，COD去除率在70％～80％之间。反应器运行后期因微生物对低COD/N废水适应能力提高，且随生物膜厚度的增加，反硝化作用能力的增强，COD去除率提高，到后期平均COD的去除率为86.68％。

同步硝化反硝化作用的实现

如图3所示，在初始挂膜阶段，由于生物膜与反应器中废水、溶氧接触充分，亚硝化、硝化反应充分进行，NH4+-N浓度下降速率较快，在2h～3h内，NH4+-N去除率可达87.5％以上。随亚硝化和硝化反应不断进行，亚硝酸盐和硝酸盐的不断累积。在静置阶段，反应器中亚硝酸盐和硝酸盐含量降低，显示此阶段有利于反硝化作用进行。

在生物膜成熟后，反应器内部微生物主要富集于填料内部，所以微生物与污染物接触面有限，硝化速率明显减缓，但NH4+-N去除效果较好。在整个周期过程中亚硝酸盐基本无累积，说明硝化反应过程充分，且硝酸盐累积量也较为缓慢，显示在好氧条件下，生物膜中反硝化过程仍不断进行，一个周期结束时，反应器中硝酸盐累积量低于5mg·L-1。在静置阶段，硝酸盐浓度继续降低。

在整个实验阶段，亚硝化作用一直处于较高的水平(图4)，NH4+-N去除率在94.15％～98.05％之间；生物膜成熟后，其平均去除率达97.25％。TN去除率随生物膜的成熟而逐渐提高。初始阶段出水中TN浓度较高，TN去除率在50％左右，这主要是由于亚硝酸盐累积所致，出水中亚硝酸盐浓度最高达11.29mg·L^-1，表明此阶段反应器中硝化细菌活性不高。随反应器的运行，填料内部硝化菌不断富集，使反应器中出水亚硝酸盐浓度逐渐降低，硝化效率明显提高。

反应器静置阶段虽有利于反硝化过程的进行，但因填料上生长的生物膜厚度较小，生物膜在曝气阶段难以达到缺氧条件，不易在整个运行周期中实现反硝化过程，所以此过程中硝酸盐浓度仍不断增加。当反应器运行50天后，反应器出水中硝酸盐浓度呈现下降趋势，说明生物膜厚度的逐渐增大到一定值，生物膜上的缺氧环境逐步形成，反硝化菌在逐渐累积、增殖并具有良好的活性。在此运行阶段，反应器出水中硝酸盐含量减少幅度较大，出水浓度低于4mg·L^-1，TN去除率最高达90.6％。

综上所述，以K3型填料为载体，在移动床生物膜反应器形成了异养菌、亚硝化菌、硝 化菌和反硝化菌共存的体系，在单一反应器内实现了有机物的降解及同步硝化反硝化；

微生物多样性分析

运用变形梯度凝胶电泳技术(DGGE)对具有稳定同步硝化反硝化功能的移动床生物膜形成过程中微生物的多样性进行了分析。DGGE电泳图谱上共计有23个不同的条带，分别标记为1,2，…，23。经克隆分析表明1为gamma–变形菌纲；2为放线菌；3为黄杆菌属，可以除磷；4为变形菌，属于厌氧反硝化菌；5为黄单胞菌，好氧异养菌；6为伯克霍尔德氏菌属；7为亚硝化螺旋菌属；8为拟杆菌；9/11动胶菌属；10为gamma–变形菌纲，具有还原硝酸盐或亚硝酸盐的能力；12为Alpha变形菌纲；13明串珠菌属，在好氧条件下可利用蔗糖；14变形菌纲；15TM7类群；16硝化螺旋菌；17拜叶林克氏菌属，自生固氮菌属，专性好氧性固定氮细菌；18红球菌属，好氧异养菌；19为Steroidobacter菌属；20亚硝化单胞菌属；21红杆菌属；22绿弯菌门，兼性厌氧生物；23醋杆菌属，专性好氧菌。

生物膜在培养驯化过程中，有新条带出现，也有条带消失，这表明不适应培养条件的微生物被淘汰，而适应能力强的则逐渐占优。一些亚硝化菌则基本上存在于反应器运行的每个时期，如20；而一些硝化菌和亚硝化菌随系统的培养而逐渐生长、增多，如7，16；随生物膜的生长，逐渐出现具有反硝化作用的变形菌，随生物膜的增厚而大量繁殖，如条带4和10；在后期出现了自生固氮菌属17；其他的还存在一些好氧异养菌，在初期培养的过程中较多，随着培养的继续，起种类大部分被淘汰，如1，5，19等。

微生物多样性分析结果亦证实了通过对移动床生物膜反应器运行条件的控制，可以在单一反应器内获得亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌共存的生物体系，从而实现同步硝化反硝化。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种移动床生物膜反应器，包括罐体、进水桶、蠕动泵、曝气砂头和空气曝气机，所述罐体侧壁上部设置取样口，所述罐体侧壁中部设置出水口，所述出水口设置出水口电磁阀，所述罐体侧壁下部设置进水口，所述进水桶通过软管连接到所述进水口，所述蠕动泵设置在所述进水桶与所述进水口之间的软管上，所述曝气砂头设置在所述罐体底部，所述曝气砂头通过软管与空气曝气机相连，其特征在于：所述罐体内装填有填料，所述填料为K3型填料。

2.如权利要求1所述的一种移动床生物膜反应器，其特征在于：所述K3型填料的直径为2.5cm，所述K3型填料的高度为1.1cm。

3.如权利要求1或2所述的一种移动床生物膜反应器，其特征在于：所述K3型填料的材质为聚丙烯。

4.如权利要求1或2所述的一种移动床生物膜反应器，其特征在于：还包括时间控制器，所述时间控制器与蠕动泵、空气曝气机和出水口电磁阀相连。

5.如权利要求1或2所述的一种移动床生物膜反应器，其特征在于：所述填料在所述罐体中的填充率为40％。