短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器及其污水处理工艺

摘要

本发明公开了一种短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器及其污水处理工艺，该短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器包括脱氮反应池、膜组件，所述脱氮反应池分为多级串联的反应室，每级反应室内部通过折板墙分隔为缺氧区和兼氧区，且两者的顶部和底部均相连通；相邻两级反应室间通过穿孔墙分隔，穿孔墙上的通孔沿水流方向孔径逐渐变小；所述膜组件设于末级反应室的兼氧区内，所述短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器还包括往每级反应室的厌氧区供水的布水系统以及往每级反应室的兼氧区底部通气的曝气装置。该反应器可实现反应器内部污水的内循环流动脱氮过程，提高污水的脱氮处理效果。

说明书

技术领域

本发明涉及生物脱氮装置，属于污水处理领域，具体涉及一种短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器及其污水处理工艺。

背景技术

水体富营养化是指大量的氮、磷等元素排入水体后，促使藻类等水生生物大量生长繁殖，使有机物产生的速度远远超过水体消耗速度，造成水体中有机物积蓄，破坏了水生生态平衡。常见的较为严重的水体富营养化的表现有：水体发生“水华”、“赤潮”等现象。水体富营养化会污染水资源，严重影响人类的日常生活，然而绝大多数的水体富营养化都是由于人类活动过程中向水体输入氮、磷等元素而在水体中富集引起。因此，为了防止水体富营养化，首先应该减少或者截断因人类活动而向水体输入的富含氮、磷等外部营养物质的污染物。

近年来，有大量污水处理设施在大规模的兴建，同时也采用了生物脱氮工艺，其目的都在于，削减因人类活动而向水体输入的富含氮、磷等外部营养物质的污染物，进而防治水污染。传统的生物脱氮工艺包括A²/O、A/O、氧化沟、SBR及其变种、UCT等，其基本原理是在将有机氮转化为氨氮(NH₄⁺-N)的基础上，先利用好氧段由硝化细菌和亚硝化细菌的协同作用，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮(N-NO₂^-)、硝态氮(N-NO₃^-)。再在缺氧条件下通过反硝化作用将N-NO₂^-、N-NO₃^-转化为氮气(N₂)，溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环。减少水中含氮量，降低出水的潜在危险性，达到削减水中氮元素目的。

反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌，在厌氧的条件下以NO_x-N为电子受体，以有机物为电子供体。碳源是反硝化过程中不可少的一种物质，进水的C/N直接影响生物脱氮除氮效果。当进水C/N低于3.4时，传统的生物脱氮工艺将面临碳源不足的问题而无法实现生物脱氮，若外加甲醇、 乙酸钠等方式补充碳源，采用大量的、持续的外加碳源措施，又将造成污水处理成本的显著增加。并且，养殖废水、垃圾渗滤液、化工废水及部分城市生活污水的C/N都远低于此值，传统的生物脱氮工艺将难以实现脱氮目的。此外，A²/O、A/O、氧化沟、SBR及其变种、UCT等传统生物脱氮工艺构架组合中，含有多重污泥和混合液的回流，增加了系统的复杂性，提高了基建和运行费用；脱氮过程对能源消耗多，这些都不符合环境低碳可持续发展的要求。

所以，针对广泛存在的养殖废水、垃圾渗滤液、化工废水等高氨氮浓度、低C/N废水，开发一种低成本投入、可持续的高效脱氮反应器，提高生物脱氮的去除效果，降低处理成本，将更符合环境低碳可持续发展的趋势。

授权公告号为CN101863586B的专利申请公开了一种用于脱氮的膜生物反应器及其污水脱氮方法，该膜生物反应器包括反应池和反应池内的膜组件以及膜组件连接的出水口，反应池底部分别设有一个进水口和一个回流液入口，所述的膜生物反应器内通过四块垂直导流挡板分隔为五个串联的小池，进水口与第一缺氧池相连；第一缺氧池通过上端的折流出口与好氧池相通，好氧池底部设有第一曝气装置；好氧池进而通过下端的折流出口与第二缺氧池相通；第二缺氧池再通过上端的折流出口与厌氧池相通；最后厌氧池通过下端的折流出口与膜池相通，膜池底部设有第二曝气装置；膜池中有垂直放置的膜组件，并有出水口与膜池相连；膜池的底部还设有污泥排放口，并与排泥泵连接；膜池的顶部还设有回流液出口，并通过回流泵连接到第一缺氧池底部的回流液入口；其中，五个串联的小池的容积比为1:1:1:1:1～3，第一曝气装置的曝气量与好氧池容积的比为2-4.5h^-1，第二曝气装置的曝气量与膜池容积的比为3～7h^-1。

该膜生物反应器虽然能够实现深度脱氮处理，可减轻膜污染，而且利用膜的高效截留分离特性，过滤出水的水质良好；但是，该膜生物反应器的污水脱氮处理进程过短，且污水在膜生物反应器中为单向流动，易造成污水脱氮处理不充分，污水处理效果不佳，尤其是针对养殖废水、垃圾渗滤液、化工废水等高氨氮浓度、低C/N废水，处理效果更有待提高。

发明内容

本发明提供了一种短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器及其污水处理工艺，该反应器可实现反应器内部污水的内循环流动脱氮过程，提高污水的脱氮处理效果。

一种短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器，包括脱氮反应池、膜组件，所述脱氮反应池分为多级串联的反应室，每级反应室内部通过折板墙分隔为缺氧区和兼氧区，且两者的顶部和底部均相连通；相邻两级反应室间通过穿孔墙分隔，穿孔墙上的通孔沿水流方向孔径逐渐变小；所述膜组件设于末级反应室的兼氧区内，所述短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器还包括往每级反应室的厌氧区供水的布水装置以及往每级反应室的兼氧区底部通气的曝气装置。

所述缺氧区内设置有生物选择器，通过选择器对微生物进行选择性培养以防止污水处理过程中发生污泥膨胀现象，从而影响反应室内污水与活性污泥混合液内循环的进行。

在兼氧区曝气过程中，压缩空气由曝气装置释放进入兼氧区内，由于气体的推动作用和压缩空气在水中的裹夹与混合作用，使得水与气的混合液密度减小而向上流动，并在翻过折板墙的过程中到达液面，此时气液分离，气泡逸出水面，而液体翻过折板墙进入缺氧区的生物选择器内与从布水装置进入的污水混合，继续进行污水脱氮处理过程。由于缺氧区未与曝气装置相连，故污水与活性污泥的混合液因相对密度增大而向下沉，并重新进入兼氧区。所以，污水与活性污泥的混合液在兼氧区内向上流动，在缺氧区内向下流动，构成无动力内循环体系，其中，缺氧区和兼氧区内混合液的密度差即是循环的内动力，混合液可在缺氧区和兼氧区中交替循环，从而提高了污水处理的效果。

所述折板墙的底部设有折向兼氧池的折板。所述缺氧区的底部远离兼氧区一侧设有倾斜设置的导流斜坡。折板和导流斜坡的设置均可起到污水导流作用，避免部分污水堆积反应室底部缺氧区和兼氧区相通的区域内，从而影响内循环体系的顺利进行。

所述折板墙的顶部设有高度可调的堰板。该堰板在折板墙上可上下移动，堰板移动至最高位置时，高于折板墙且与液面高度一致，调节堰板的 高度可调节污水与活性污泥混合液从兼氧区顶部流入缺氧区过程中的流量，从而使反应室内部的内循环脱氮系统的脱氮效果更佳。

由于气体与液体的密度不同，液体会受到重力的作用向下运动，而气体向上运动，向上的气体会附着在变径孔壁面上，并沿着孔径变大的方向运动，回流至兼氧区内，气体回流比例大于100％，从而使兼氧池区的气体不会随液体一同沿穿孔墙进入下一级的缺氧区。作为优选，所述穿孔墙的通孔与水平方向的夹角为30～60°，通孔的进水入口端高于出口端。

第一级反应室的厌氧区设有回泥口，最后一级反应室的兼氧区设有排泥口。本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器，除包括脱氮反应池、膜组件、布水装置和曝气装置外，还设有污泥回流装置和污泥排放装置；所述污泥回流装置的进口端与末级反应室的兼氧区相连，出口端与第一级反应室的缺氧区相连通；所述污泥排放装置的一端与末级反应室的兼氧区相通。

本发明还提供了一种所述短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的污水处理工艺，通过布水系统向各级反应室的缺氧区通入污水，通过曝气系统在兼氧区底部曝气，使污水在缺氧区和兼氧区内进行循环脱氮，待脱氮处理结束后，污水经膜生物反应器过滤后流出。

作为优选，控制缺氧区的水力停留时间为0.5～3.0h，兼氧区的水力停留时间为1.0～5.0h。

传统的全程硝化-反硝化生物脱氮途径为：

NH₄⁺-N→NO₂^--N→NO₃^--N→NO₂^--N→N₂

短程硝化-反硝化生物脱氮途径为：

NH₄⁺-N→NO₂^--N→N₂

与传统的全程硝化-反硝化生物脱氮途径相比，本发明采用的短程硝化-反硝化途径节约了NO₂^--N→NO₃^--N的耗氧量，节约供氧量可达25％以上，在反硝化过程中亦可节省碳源40％，节约运行费用。

为了有利于短程硝化-反硝化过程的发生，作为优选，兼氧区的溶解氧浓度小于1.5mg/L，缺氧区的溶解氧浓度小于0.5mg/L，所述缺氧区内游离氨的浓度为9～300mg/L，pH值为7.0-9.0。通过控制曝气量和堰板高度可调节缺氧区和兼氧区的溶解氧浓度达到上述要求。通过控制布水支线阀 门的开启度，可调节缺氧区的进水流量，从而使缺氧区内游离氨的浓度控制在上述范围内，该游离氨的浓度大于亚硝酸盐氧化菌转化作用的阈值，低于氨氧化菌转化利用的阈值，可保证本发明反应器内的脱氮过程为短程硝化-反硝化生物脱氮途径。

除控制反应器内溶解氧的浓度和游离氨的浓度外，还应控制反应器的pH值处于7.0～9.0范围内，并通过改变通孔大小来控制污水流经穿孔墙上通孔的流速为3～10m/min，使反应器内氨氧化菌成为优势菌群，实现NO₂^--N的积累，保证脱氮过程为短程硝化-反硝化生物脱氮途径。

本发明中反应器内液体的溶解氧浓度、游离氨浓度以及pH值的测定均采用常规测定手段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过折板墙和穿孔墙的设置，将短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器分隔成了多级的缺氧区与兼氧区交替连通的反应器，并在兼氧区内通入曝气，在缺氧区内通入污水，利用混合液的密度差，使整个反应器实现了缺氧区与兼氧区内循环脱氮的过程，使污水在本发明反应器内的脱氮流程延长，脱氮效果提高，最终得到的出水水质更佳；

(2)本发明在缺氧区内设置生物选择器，使反应器内氨氧化菌成为优势菌群，不仅可以实现短程硝化-反硝化脱氮过程，处理高氨氮、低C/N废水，还避免了活性污泥在脱氮处理过程中的膨胀问题，进而保证了活性污泥在本发明反应器内循环脱氮系统中顺畅流通。

附图说明

图1为本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的结构侧视图；

图2为本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的平面俯视图；

1、布水支线；2、调控阀门；3、一级缺氧区；4、一级兼氧区；5、折板墙；6、折板；7、堰板；8、导流斜坡；9、穿孔墙；10、二级缺氧区；11、二级兼氧区；12、五级缺氧区；13、五级兼氧区；14、膜组件；15、曝气装置；16、供气管及阀门；17、污泥回流装置；18、污泥排放装置；19、排泥装置。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器进行详细的描述。

如图1、2所示，一种短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器，由布水装置、脱氮反应池、膜组件14、曝气装置15、污泥回流装置17和污泥排放装置18组成。

脱氮反应池分为五级反应室，各反应室之间依次相连且通过穿孔墙9分隔，每级反应室内部通过折板墙5分隔为缺氧区和兼氧区，图中的3为一级缺氧区，4为一级兼氧区。一级缺氧区内设置为生物选择区，缺氧区的底部设有倾斜设置的导流斜坡8，导流斜坡8的导流面朝向折板墙5。折板墙5的顶部位于液面以下，底部设有折向兼氧区的折板6，折板6与反应池底部水平面保持60°的夹角，水平宽度为30cm。折板墙5的上部设置有堰板7，可通过控制堰板7的高度，调节流经堰板7的混合液从兼氧区顶部流入缺氧区过程中的流量；每级反应室兼氧区的底部均设有曝气装置15；在第五级反应室的五级兼氧区13内设置有膜组件14。穿孔墙9的通孔与水平方向的夹角为30～60°，通孔的进水入口端高于出口端。

在兼氧区曝气过程中，压缩空气由曝气装置释放进入兼氧区内，由于气体的推动作用和压缩空气在水中的裹夹与混合作用，使得水与气的混合液密度减小而向上流动，并在翻过堰板的过程中到达液面，此时气液分离，气泡逸出水面，而液体翻过堰板进入缺氧区的生物选择器内与从布水装置进入的污水混合，继续进行污水处理过程。由于缺氧区未与无曝气装置相连，故污水与活性污泥的混合液因相对密度增大而向下沉，并重新进入兼氧区。所以，污水与活性污泥的混合液在兼氧区内向上流动，在缺氧区内向下流动，构成无动力内循环体系。

应用例1

某垃圾焚烧发电厂渗滤液处理现有工艺为“调节池+初沉池+上流式厌氧复合床+氧化沟+MBR”工艺，设计处理规模为600m³/d，实际处理量为400～500m³/d，其进出水水质详见表1。

为提高脱氮效果，采用本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的 中试装置，用于某垃圾焚烧发电厂渗滤液处理，中试装置处理流量为24m³/d。

在短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的启动过程中，首先向短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器一级反应室中注入1/10的垃圾渗滤液后再注入清水至满地，接种具有良好硝化活性的活性污泥，通过曝气装置向兼氧区曝气，并起动污泥回流装置，将堰板7调至高度低于折板墙，连续曝气至氨氮浓度为10～30mg/L后，开始进水连续运行。布水支线管的污水流量从第一级反应室至第五级反应室的污水分配比例分别为30％、25％、20％、15％和10％。缺氧区和兼氧区的有效水深为4.5m，将缺氧区的水力停留时间控制在0.5～3.0h，兼氧区的水力停留时间控制在1.0～5.0h。调节曝气量，使兼氧池内的溶解氧浓度DO<1.5mg/L，调节堰板的高度，改变缺氧区和兼氧区内混合液的分配比例，使缺氧区的溶解氧浓度DO<0.5mg/L。调节通孔孔径，使污水流经穿孔墙上通孔的流速为3～10m/min，通孔的孔径为DN150。

分别测定进出短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器和垃圾渗滤液厂出水处的水质状况，结果如下：

表1：

由上述结果可知，本发明短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器的出水水质明显优于常规的垃圾渗滤液处理厂氧化沟处的出水，短程硝化-反硝化脱氮膜生物反应器出水的TN、COD_Cr指标明显优于垃圾渗滤液处理厂的氧化沟工艺出水，且TP去除效果亦更佳。