一种用于脱氮的膜生物反应器及其污水脱氮方法

摘要

本发明属于环保领域，公开了一种用于脱氮的膜生物反应器及其污水脱氮方法，用垂直导流挡板，并结合曝气装置把膜生物反应器依次分割成第一缺氧池、好氧池、第二缺氧池、厌氧池、膜池五个独立且连通的反应器室；污水进入工艺后，经微生物作用，完成有机物的降解、硝化、反硝化等生化处理过程，最终通过膜过滤抽吸获得出水。本发明的益处是整个系统中污泥混合液以平推流的形式流动，而在单个隔间内呈全混流态，加之回流装置使得整个反应器混合度高，传质效果好；该工艺在不额外投加碳源的条件下，利用高污泥浓度强化内源反硝化作用，实现深度脱氮处理，而且可减轻膜污染；同时利用膜的高效截留分离特性，过滤出水水质良好。

说明书

技术领域

本发明属于环保领域，涉及一种用于脱氮的膜生物反应器及其污水脱氮方法。

背景技术

随着人类生产和生活活动的加剧，各种含氮废水大量排放进入水体，造成了严重的环境污染。我国大部分地表水体都出现富营养化现象，氮磷污染日趋严重，深入系统的研究硝化反硝化理论及其工艺，并将其推广到实际工程应用中，对于降低水体中营养元素的含量和改善我国环境污染和水资源短缺现状有重要的现实意义。

膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术与传统活性污泥法有机结合而形成的新型污水处理工艺，具有出水水质好、占地面积小和产泥量低等特点，在污水处理及回用水中发挥着越来越重要的作用。但是单独的膜生物反应器由于要求大的曝气量而无法形成缺氧区，反硝化效果差，总氮的去除率不高，往往要与传统的生物脱氮工艺相结合。由此，污水的脱氮技术已成为膜生物反应器的一个重要的研究方向和应用领域。

折流式污水处理装置是一种比较先进的废水处理设备，基本的结构一般包括多级处理隔间，每个隔间设置垂直的折流板，折流板两端设有成一定角度的导流板，废水依次以折流的形式经过不同的隔间进行处理。其中混合液在单独的隔间内完全混合，而在整个装置又呈推流态流动，底物与微生物充分接触，具有混合效果好、系统稳定、耐冲击负荷、出水水质好等优点。

专利“一种折流板反应器及其处理污水的方法(专利号200610012070.4)”采用了折流板反应器的构造来实现污水与污泥停留时间的分离，虽然处理效果好，但正如专利“折流式污水处理装置(专利号03247124.6)”中所述折流式构造在实际应用中存在施工要求高、难度大的问题，而且结构复杂。

专利“折线流膜生物反应器(专利号20071001164.7)”存在好氧区和膜池设计尺寸偏大，曝气能耗高的问题。

专利“强化内源反硝化的膜-生物反应器脱氮除磷工艺及装置(专利号200810097427.2)”也采用了厌氧缺氧好氧多个池子串联耦合的原理，但该专利采用的是多个独立分开的反应池子，这势必需要大量管道连通，同时整个工艺也需要多个回流管路和泵输送来达到反应器液体的混合。因此运行能耗可能较高，反应器中污泥混合液的流态不是很好，而且回流管路多而复杂，不易操作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种设备构建简易、能耗低、脱氮效果好的膜生物反应器。

本发明的另一个目的在于提供该膜生物反应器脱氮的方法。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种用于脱氮的膜生物反应器，包括反应池及反应池内的膜组件，反应池的两侧分别有一个进水口和一个出水口，其特征在于所述的反应器内通过四块垂直导流挡板分为五个串联的小池，连接进水口的为第一缺氧池；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，膜池底部有第二曝气装置，同时膜组件垂直放置于膜池中，并有出水口与膜组件相连。

进水口位于第一缺氧池的底部，出水口位于膜池的顶部。膜池中的膜组件可以是中空纤维式膜或者平板式膜，膜孔径可为0.01～0.4μm。膜池的底部还设有污泥排放装置；膜池的侧面还设有回流液出口，并通过回流泵连接到第一缺氧池底部的回流液入口。

当进行污水处理时，污水通过进水口进入第一缺氧池，然后依次通过好氧池、第二缺氧池、厌氧池和膜池，最后污泥通过回流泵返回到第一缺氧池，被处理的污水通过膜流出。

为了更好地实现发明目的，以适应污水脱氮的要求，使得处理水在各级处理池的综合处理下具有优良的脱氮效果，本发明需要对各个反应池好氧池和膜池中的曝气装置进行优化。经过多次试验摸索，以下参数的装置最有利于污水的脱氮处理：第一缺氧池、好氧池、第二缺氧池、厌氧池和膜池的容积比为1∶1∶1∶1∶1～3，第一曝气装置(16)的曝气量与好氧池(9)容积的比为2-4.5h^-1，第二曝气装置(17)的曝气量与膜池(12)容积的比为3-7h^-1。第一曝气装置和第二曝气装置的曝气量分别由转子流量计(22)和空气压缩机(3)控制。

为了使得污水在反应器中具有平流和全混流相结合的流动性，以促进反应的进行，五个串联的小池的高度与直径的比例设置为8～13。

为了使处理水在厌氧池和缺氧池中更充分地进行反应，反应器的第一缺氧池、第二缺氧池和厌氧池中均设有搅拌混合装置。

为了使进水量、出水量、排泥量得到较好的控制，本发明的进水口连接有进水泵；出水口连接有出水泵；排泥口连接有排泥泵；膜池上方还设置有与进水泵相连的液位计。同时，出水泵还连接有真空表，以记录膜渗透压力(TMP)的变化并用于表征膜污染状况。

本发明同时提供了利用该膜生物反应器进行污水脱氮的方法：污水通过进水口进入第一缺氧池，自下而上通过第一缺氧池进行反硝化反应，并从上端平流进入好氧池中进行硝化反应，再自上而下通过好氧池并从下端平流进入第二缺氧池进行反硝化反应，再自下而上通过第二缺氧池并从上端平流进入厌氧池进行进一步的反硝化反应，再自上而下通过厌氧池并从下端平流进入膜池，最后污泥通过污泥混合液通过回流泵返回到第一缺氧池，被处理的污水通过膜流出。

在这个过程中，为了保证硝化反应和反硝化反应的有效进行，并控制好它们之间的关系，以更好地脱氮，第一缺氧池、好氧池、二缺氧池、厌氧池和膜池中的含氧量分别控制在0～0.5mg/L、0.5～1.5mg/L、0～0.5mg/L、0～0.1mg/L、2～5mg/L，膜池(12)中的气水比约为20。

在膜池中一部分污泥混合液回流至第一缺氧池，回流比可以为200％-300％，一小部分污泥混合液由污泥排放装置排出，其余部分则被膜组件截留并由出水泵抽吸出水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的污水处理方法利用厌氧缺氧好氧交替串联工艺，可独立控制每个池子的溶解氧值，使得硝化与反硝化反复进行，总氮的去除比较完全，可以实现深度脱氮处理，出水水质好。

2.本发明所采用的污水处理方法，在进水COD/TN较低的情况下，缺氧池和厌氧池中不需要投加额外碳源，利用微生物胞内、胞外聚合物质或者死亡的菌体作碳源仍能进行很好的内源反硝化。这不仅节约了成本，而且可以减少膜池中溶解性微生物产物(SMP)的量从而达到减轻膜污染的效果。

3.本发明的膜生物反应器用于污水脱氮处理，占地面积小，只是采用了单独的垂直导流板，施工方面比较简单；并且易操作，易实现自动化。

4.本发明的膜生物反应器的膜池较为紧凑，曝气可以被充分用于冲刷膜表面，所需气水比较小，可控制在20以下，大大降低曝气能耗，节约成本，较好地克服了传统膜生物反应器能耗大的问题。因此，膜池只需要较小的曝气量就可以很好的控制膜污染。

5.本发明运用折流式污水处理装置中的垂直挡板构造，把一个反应器分割成多个隔间，构成了多级全混流式串联的反应器。单个反映室混合液呈全混合流态，而整个反应器混合液呈平推流态流动。其优点：整个工艺处在一个呈连续流的反应器中，回流管路少而且简单，大大减少了单独池子之间不必要的管道和泵的输送，节约了成本和能源；同时还使得反应器具有混合效果和传质效果好，与微生物接触充分、降解均匀，整个系统稳定耐冲击负荷等优点。

6.本发明的膜生物反应器中每个反应池具有大的高径比，使得污泥混合液在整个反应器中的流动具有显著平推流的特点，而其在单个反应池中具有全混流特点，因而，该反应器具有传统反应器无法比拟的传质性能；在本发明所构建的反应器内进行污水脱氮处理，仅需采用1台污泥回流装置(污泥回流泵)即可满足出水品质要求，大大节省了运行能耗，并方便了反应器的操作。

附图说明

图1为本发明反应器示意图。

图2为本发明中第二缺氧池和厌氧池中利用胞外聚合物进行反硝化情况。

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

反应器的构建：

在一个总体积为50L的反应器24中，用四块垂直导流挡板15将反应器分隔为五个串联的小池，分别是容积为8.69L的第一缺氧池8、容积为8.69L的好氧池9、容积为8.69L的第二缺氧池1、积为8.69L的厌氧池11和容积为14L的膜池12，五个反应池的高度与直径的比例依次为13、13、13、13和8.33；在膜池12中垂直放置有膜组件6，为PVDF平板式微滤膜，膜孔径为0.1μm，膜面积为0.23m²。

第一缺氧池8的底部连接有进水口20，进水口20接有进水泵1；膜组件6连接有出水口21，出水口21连接有出水泵4，出水泵4还连接有真空表13；同时，膜池12的底部还设有污泥排放口14；通过排泥泵23排出污泥；膜池12的测上部还设有回流液出口19，并通过回流泵2连接到第一缺氧池8底部的回流液入口18；膜池12上方还设置有与进水泵1相连的液位计5。

在第一缺氧池8、第二缺氧池10和厌氧池11中均设有搅拌混合装置7。在好氧池9和膜池12中分别设置有第一曝气装置16和第二曝气装置17，第一曝气装置16的曝气量与好氧池9容积的比例为3.35h^-1，第二曝气装置17的曝气量与膜池12容积的比例为5h^-1。第一曝气装置16、第二曝气装置17的曝气量分别由转子流量计22和空气压缩机3控制。

在进行污水处理时，污水由进水泵1进入第一缺氧池8，经搅拌装置7混合均匀，水中的部分有机物酸化水解，部分有机氮也转化为氨氮，其中反硝化菌利用水中有机物对原水和膜池12回流液中的硝态氮和亚硝态氮进行反硝化脱氮处理；之后污水进入好氧池9，水中有机物进一步被降解，硝化菌将水中氨氮转化为硝酸盐；接着污水又进入第二缺氧池10，经过前面的生物降解，水中COD含量已经很低，有的微生物或菌体开始死亡溶解，一些有机成分被释放出来，存活的反硝化菌就利用这些物质进行内源反硝化；之后污水进入厌氧池11，水中残余的硝酸盐进一步被彻底去除；经过一系列处理，污水进入膜池12，通过膜的截留作用，污泥和胶体颗粒及悬浮物质被拦截，最终由出水泵4抽吸出水。

实施例2

污水的脱氮处理：

利用实施例1所构建的设备进行污水处理，污水从进水口中进入，通过各级反应池，污泥停留时间SRT＝20d，水力停留时间HRT＝13.4h，气水比在20左右，回流比为200％；膜出水16.2L·h^-1·m^-；反应器内污泥浓度在6000-7000mg/L，温度在20℃左右，好氧池9溶解氧浓度在1mg/L左右，膜池12溶解氧浓度3mg/L左右；第一缺氧池8、第二缺氧池10和厌氧池11的溶解氧分别为0.11mg/、0.12mg/、近乎为零。本发明设置了不同的反应pH条件，在6.5-8.5之间，pH与溶解氧的变化情况如表1所示。

进水为模拟生活废水，COD含量300-500mg/L，NH₄-N含量30-50mg/L，TN含量60-100mg/L，COD/TN约为5；出水COD为30-60mg/L，去除率平均约90％，NH₄-N去除率近100％，TN的去除率约为90％。

在处理过程中，同时对第二缺氧池和厌氧池中利用胞外聚合物进行反硝化的情况进行了测定，其结果如图2所示。

实验结果表明，第二缺氧池和厌氧池中微生物利用COD为150mg/L的胞外聚合物(EPS)作为碳源进行了很好的反硝化作用，NO₃-N浓度明显下降。同时，由图2可知EPS中蛋白质(Pn)和多糖(Ps)的量都有不同程度的减少，而EPS作为溶解性微生物产物(SMP)的主要来源，这在一定程度减轻了膜污染。

表1本发明各反应隔室中溶解氧和pH变化情况

  反应池  第一缺氧池  好氧池  第二缺氧池  厌氧池  膜池  溶解氧(mg/L)  0.11  0.86  0.12  0.07  2.76  pH  6.95  6.85  7.17  7.23  7.25