一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器及其水处理方法

摘要

本发明公开了一种生物膜-活性污泥复合膜生物反应器。所述复合膜生物反应器利用无纺布作为生物膜载体和过滤介质，并与悬浮污泥进行耦合作用，最终达到高效脱氮的目的。所述复合膜生物反应器包括与反应池相连通的进水管路、出水管路和排泥管路，所述反应池内设有若干膜组件和微孔曝气管。所述的膜组件由支撑板和无纺布组成，且与出水泵相连，所述无纺布组成的膜组件起到生物膜载体和“膜过滤”双重作用。本发明所述复合膜生物反应器不仅能高效的去除污水中的有机物和氮，还有具有传质效率高；工艺结构紧凑、节省了碱度的投加、节省了运行成本等优点。

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种生物膜膜生物反应器，特 别涉及一种利用无纺布作为生物膜载体和过滤介质，并与悬浮污泥进 行耦合作用的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器及其水处理方法。

背景技术

城市生活污水不同于工业污水，主要是排泄物和洗涤污水，其产 量与生产水平有关。生活污水中含有大量的有机物，如纤维素、淀粉、 糖类和脂肪蛋白质等，主要特点是有机物、氮、磷含量高，如果不处 理直接排入水体中，湖泊中的藻类会大量繁殖，引起水体富营养化， 直接导致水质恶化，鱼虾大量死亡，引发严重的生态灾难。有些藻类 还会释放藻毒素，严重影响了当地居民的饮用水安全。因此，设计一 种工艺简单，成本节约，又能高效去除有机物和氮磷的工艺是环保科 技工作者一直追求的目标。

生物处理是迄今为止去除污水中有机物和氮最经济有效的途径。 其原理是氨氮首先经硝化菌在好氧环境下氧化为NO_X^-，NO_X^-又在缺氧 条件下由反硝化菌还原为N₂。在传统工艺中，硝化和反硝化过程一 般是在两个反应器中独立进行或在同一反应器中顺次进行，占地面积 比较大。同步硝化反硝化现象的发现使得活性污泥法的脱氮过程更加 简化。

污泥颗粒化和生物膜法是实现同时硝化反硝化的两种主要途径。 污泥颗粒化方法效果虽然很好，但是形成的条件比较苛刻，如果应用 于实际中，由于进水水质变化比较大，很容易使污泥颗粒解体，造成 工艺运行不稳定。而生物膜法则相对简单，只要有合适的载体，微生 物就会附着生长，形成较厚的生物膜，因此，生物膜法是实现同时硝 化反硝化的主要途径。

专利“一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法(专利号 CN200610040287.6)”采用曝气生物滤池的工艺，通过控制曝气装置 位置和曝气量的大小来实现同时硝化反硝化。由于曝气分布不均匀， 陶粒上附着的生物膜很薄，反硝化效果并不理想，只能处理低氨氮的 微污染水。

专利“一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器(专 利号CN200810010377)“采用MBR和固定填料组合工艺来实现同时 硝化反硝化。污泥介质主要靠自由扩散作用进入固定填料上的生物膜 内，由于生物膜较厚，影响了介质的传质作用，影响了脱氮的效果。 又由于采用MBR工艺，使得运行成本增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于脱氮的生 物膜-活性污泥复合膜生物反应器，所述复合膜生物反应器具有传质 效率高、过滤性能好、占地体积小、成本低廉等优点。

本发明的另一目的在于公开一种采用所述复合膜生物反应器处 理生活污水的方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，包括与反 应池相连通的进水管路、出水管路和排泥管路，所述反应池内设有若 干膜组件和微孔曝气管；所述膜组件浸在反应池内部的悬浮活性污泥 中，并垂直固定于反应池内的卡槽中，所述膜组件由支撑板和无纺布 组成，所述支撑板内部为中空且侧面呈孔格状的板材，无纺布平铺并 固定在支撑板的侧面，支撑板的内部与出水管路直接相连，出水管路 设有出水泵。

无纺布在膜组件的作用是：

(1)生物膜载体：无纺布为微生物的附着生长提供载体；无纺 布的结构为疏松多孔，且具有一定厚度，使悬浮活性污泥中的微生物 容易附着在无纺布上，并繁殖生长。在污水处理的运行过程中，积聚 在无纺布上的微生物及其分泌的微生物胞外聚合物(EPS)逐渐形成 一层生物膜。生物膜的外部具有较高浓度的溶解氧，形成好氧区；随 着生物膜的增厚，溶解氧的传质阻力逐渐升高，生物膜的内部及无纺 布内的溶解氧浓度逐渐降低，并最终形成厌氧区，在这个过程中异养 厌氧菌逐渐形成优势菌种；

(2)过滤介质：无纺布还起到膜过滤的作用，在无纺布的外表 面形成较厚的生物膜，改善了无纺布的截留性能，使其具有类似MBR 的“膜过滤”作用。在污水处理的整个过程，出水口的SS(悬浮物) 为0。

支撑板的内部与出水管路的出水泵相连，在出水泵的抽吸作用 下，膜组件的内部形成真空，从而在无纺布的外部和内部之间形成压 力差，在压力差的作用下，水经无纺布做跨膜运动，由出水泵引出， 形成出水。

作为一种优选方案，所述进水管路包括进水池、进水泵和进水阀， 并通过进水口与反应池相连，反应池中含有活性污泥；所述排泥管路 包括排泥阀和排泥泵，并通过排泥口与反应池相连。

进水阀、排泥阀可以起到调节进水量和排泥量的作用。

作为一种优选方案，所述微孔曝气管优选为位于反应池的底部， 且与转子流量计相连。转子流量计与曝气泵相连。微孔曝气管的曝气 量由转子流量计控制，在曝气推力的作用下，反应池中的液体在反应 池中循环流动。

作为一种优选方案，所述膜组件在反应池中优选为等间距分布。

作为一种优选方案，所述反应池的上方设有与进水泵相连的液位 计。进水泵的电源与液位计连通，由液位计控制进水泵的开关；液位 计的感应探针浸在悬浮活性污泥液面以下。当液面低于设定高度时， 液位计控制接通进水泵电源，开始进水，当液面高于设定高度时，液 位计控制切断进水泵电源，停止进水。

作为一种优选方案，所述支撑板优选为内部为中空且两个主侧面 呈孔格状的板材，无纺布平铺并固定在支撑板的两个主侧面。

本发明中，所述主侧面为板材的长与高形成的侧面。无纺布固定 在支撑板的侧面上，一起构成膜组件。

作为一种优选方案，所述出水管路还设有真空压力表，真空压力 表可以用于监测膜阻力的变化。

所述悬浮活性污泥中，富含好氧自养细菌如氨氮氧化细菌(AOB) 和亚硝酸氮氧化细菌(NOB)、好氧异氧菌。

一种生活污水的处理方法，采用上述用于脱氮的生物膜-活性污泥 复合膜生物反应器为处理装置，位于进水池的生活污水通过进水管路 进入反应池后，在膜组件的外部，形成一层生物膜，生物膜的外部为 好氧区，内部为厌氧区；好氧区中，在好氧细菌AOB和NOB的作 用下，水中的氨氮首先转变成亚硝氮，然后转变为硝氮，一部分有机 物在好氧异养菌的作用下得到降解或转变成增殖微生物；经过好氧区 处理的水通过出水泵的抽吸作用形成的压力差，进入厌氧区及膜组件 的内部，，在生物膜中厌氧反硝化菌的作用下完成反硝化过程剩余有 机物的分解过程；通过上述两个过程，生活污水中的有机物和氮得到 去除。然后处理后的水经过出水管路排出反应池，完成处理。

曝气量为10～15m³/h。所述的生活污水的处理方法为一个连续处 理过程，其中，出水口的流量为1.0～1.5L/h。

作为一种优选方案，所述生活污水的处理方法中，污泥龄优选为 18～20d。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)在反应池的膜组件的外部和内部分别形成好氧区和厌氧区， 悬浮活性污泥中的好氧细菌能够消耗污水中的溶解氧，为膜组件生物 膜内部的厌氧菌的生长创造了适宜的环境；经过长时间的运行，生物 膜的外部形成好氧区，内部形成厌氧区；经过膜组件的处理，同时实 现硝化和反硝化的过程；

(2)氨氮和亚硝态氮等污染物在生物膜内部的传质效率得到强 化；在传统的生物膜反应器中，污染物质的传质主要依靠生物膜内外 的浓度梯度产生的动力，生物膜过厚或过密都会限制污染物的传质效 率。在本发明所述的反应池中，污染物在出水泵的抽吸作用下被强制 进入、通过生物膜，这不仅大大提高了传质效率，还避免了“短路” 问题；

(3)无纺布作为的膜组件具有膜过滤作用，由于无纺布外部形 成的较厚的生物膜，改善了无纺布的截留性能，使其具有类似MBR 的“膜过滤”作用；在污水处理的过程中，出水悬浮物浓度一直维持 在一个很低的水平；

(4)占地面积小，无纺布兼具了厌氧区和“膜过滤”两种功能， 省去了其它工艺要设置反硝化区或二沉池的步骤，从而大大降低了反 应器的占地面积；

(5)硝化过程产生的H⁺导致体系的pH值下降，现有技术中需 要投加碱来防止pH值的下降，本申请中，硝化和反硝化在同一反应 池中同时发生，硝化过程产生的H⁺被反硝化过程利用，使得硝化后 污泥pH值下降速度变慢，从而节省了碱度的投加；

(6)成本低廉，膜组件的核心部分为无纺布，其价格低廉，因 此装置的制备成本较低；另外，由于硝化和反硝化在同一反应池中完 成，因此为了保证反硝化菌的活性，曝气量不能过高，较低的曝气量 能耗也减少，因此污水处理的运行成本也较低。

附图说明

图1为本发明所述生物膜-活性污泥复合膜生物反应器侧剖面示 意图；其中，1为反应池，2为进水泵，3为进水阀，4为出水泵，5 为真空压力表，6为膜组件，7为曝气泵，8为转子流量计，9为曝气 管，10为反应池，11为排泥阀，12为排泥泵，13为液位计；

图2为本发明所述膜组件侧剖面示意图；其中，14为支撑板， 15为无纺布，16为出水引流管。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的解释说明，但具体实施 例并不对本发明作任何限定。

实施例1

本实施例装置的示意图如图1和图2所示，图1中，实心箭头指 示反应池内悬浮污泥流动的方向，空心箭头指示膜出水方向。图2中， 箭头指示膜出水方向。

反应池10有效容积16L，由有机玻璃粘合制成。内部长29cm， 内部宽19cm，液面高度30cm。内部平衡放置5个膜组件6，膜组件 长19cm，宽1.5cm，高26cm，膜组件之间相距4cm。进水泵2由液 位计13控制。反应池两侧设有两个微孔曝气管，曝气量为10～15m³/h。 出水口为连续出水，流量为1.5L/h。每天定期排泥800mL，污泥龄为 20天。收集进水和出水水样，测定水样中的COD，总氮，氨氮，硝 氮，亚硝氮，同时定期测定污泥浓度，通过进出水水质来评价反应器 对总氮和有机质的去除效果。设定水力停留时间为12h，进水COD_cr平均为400mg/L，总氮平均为60mg/L时，经过100天的连续运行后， 结果显示，出水的COD_cr平均为40mg/L，对有机质的去除高达90％； 出水总氮平均为10mg/L，总氮去除效率为83.3％；悬浮污泥浓度 (MLSS)稳定在3000mg/L左右，pH为7.3左右，生物膜中的微生 物浓度为5000mg/L左右。

实施例2

利用实施例1构筑的复合膜生物反应器考察悬浮活性污泥和生 物膜之间的耦合作用。在相同条件下，分别进行悬浮活性污泥、生物 膜以及抽吸回流作用下生物膜的硝化反硝化的批试试验，实验结果如 表1所示。

试验结果表明：在悬浮活性污泥和生物膜组成的系统中，起硝化 作用的主要是悬浮污泥，起反硝化作用的主要是生物膜。在有抽吸回 流作用时，生物膜的传质效率大大提高，反硝化速率提高了49％。

在相同条件下，分别进行悬浮污泥、生物膜、生物膜+悬浮污泥 (即膜组件外不设真空泵，污染物依靠生物膜内外的浓度差透过生物 膜)，本发明所述抽吸作用下的生物膜+悬浮污泥的耦合脱氮批试试 验，实验结果如表2所示。

实验结果表明：悬浮活性污泥和生物膜之间存在耦合作用，耦合 作用使悬浮活性污泥和生物膜组成的系统的脱氮速率大大提高，分别 是悬浮活性污泥和生物膜的6倍和4倍。在有抽吸作用时，系统的总 氮的脱除效率提高了22％。

表1硝化反硝化速率批试试验

表2耦合脱氮批试试验