CN101234815A - 一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含氮工业废水、生活污水处理，具体地说是一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器(MBR)。该反应器包括反应器柱体、膜组件、球形弹性填料以及溶氧(DO)电极、pH电极、温度计等在线监测控制元件。MBR内膜组件的产水端与产水压力表和真空泵相连。除膜组件外，MBR内还均匀布设球形弹性填料。填料自上而下串联组成一体，固定于反应器的顶、底部。MBR底部设有微孔曝气器并与空气泵连接以供MBR曝气使用。本发明在MBR内引入多孔球形弹性填料并对MBR内微环境进行调控以实现同步硝化反硝化脱氮功能。本发明占地面积小，操作简单，节省能耗，可同时去除有机物、氨氮等多种污染物质，适用于工业、生活废水等有机废水处理。
Description
技术领域
本发明涉及含氮工业废水、生活污水处理，具体地说是一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器。
背景技术
随着石化、焦化、食品和制药等工业的不断发展，各种含氮废水的大量排放造成了严重的环境污染和水体富营养化等问题。因此，有效、经济地去除废水中的氮或者控制水体中氮的含量具有重大社会和经济意义。处理含氨氮废水的方法主要有物理化学法和生化法。同物理化学方法相比，生物脱氮技术具有投资省、占地小、无二次污染等特点，被公认为最有发展前途的方法之一。生物脱氮技术首先通过微生物的硝化作用将氨态氮转变成硝态氮，再通过反硝化作用将后者转变成氮气排入大气中，最终实现氮元素的循环和氨氮的无害化。
传统顺序式硝化反硝化(sequential nitrifcation anddenitrification，简称SQND)工艺包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成，由于两者对环境条件的要求不同，这两个过程一般不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应在好氧条件下由自养菌完成，反硝化反应在厌/缺氧条件下由异养菌完成。近几十年来，尽管生物脱氮技术有了很大发展，但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同溶解氧(D0)浓度的反应器中进行，或者是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，一个过程分成两个系统，条件控制复杂，两者难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，设备庞大，投资高。显然，如果两个硝化、反硝化过程能够在同一个反应器中同时进行，则可节省更多的占地面积，还可避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐及再还原成亚硝酸盐这两个多余的反应，从而可节省约25％的O2和40％以上的有机碳；另外，微生物硝化过程中好氧、耗碱度、无需COD，而反硝化过程则与之相反并互补：厌氧、产生碱度、需消耗大量的COD。所以，如能在同一个反应器中实现同时硝化反硝化并达到两个过程的动力学平衡，将大大简化生物法脱氮的工艺流程，提高生物脱氮的效率，并节省投资。
近年来，好氧反硝化菌如Thiosphaerapan totropha和异养硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化、自养反硝化等概念的提出，奠定了同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND)生物脱氮新技术的理论基础。许多好氧反硝化菌如T.totropha、Pseudomonasspp.Alcaligenesfaecalis等同时也是异养硝化菌，能够直接地将氨氮转化为气态产物而从系统中去除。正是由于好氧反硝化菌、低D0下的硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在，使得SND能够进行。
膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)将膜分离过程同生物处理过程有机结合在一起，具有常规生物处理工艺无法比拟的独特优势，如可实现泥水完全分离、 出水水质好、 负荷高、应用范围广等等。目前，MBR工艺以及相关的一些研究越来越受到政府部门及学术界的重视。随着膜材料、技术的不断成熟，MBR在废水处理领域的应用也得到了飞速的发展。
发明内容
本发明目的是提供一种一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
膜生物反应器，包括反应器系统、膜组件和溶氧电极、pH电极等在线监测元件，反应器内设有膜组件，其上依次连接有产水压力表和真空泵，反应器内设有进水管、溶氧电极、温度计和pH电极，所述反应器柱体11内的膜组件7的四周均匀布设球形弹性填料8，反应器柱体11底部设有微孔曝气器9，微孔曝气器9与空气泵10相连。
所述球形弹性填料8为多孔型，其比表面积在5m2/g-20m2/g，孔隙率在40％～70％，载体孔径为100μm～1000μm。所述球形弹性填(8自上而下串联组成一体，固定于反应器柱体11内。膜组件中膜为中空纤维超滤膜，超滤膜的公称孔径为0.02-0.05μm，膜面积为25-50m2，通量为30-1001/m2.h。反应器内每平方米膜组件的数量为1～2组。
其中根据所处理废水材料性质的不同进而控制膜生物反应器运行参数，通常反应器运行参数为：反应器中污泥停留时间：5-30d，运行温度：10-30℃；反应器内pH：6.5-8.5；溶解氧浓度：0.2-3.0mg/L。
本发明所具有的优点：
1.本发明具有传统MBR反应器的一切优点：出水水质好、占地面积小、操作简单、易于实现自动化；
2.本发明兼具膜物理过滤同微生物降解作用的优点，在MBR中填料内生物量高，可减轻膜污堵(membrane fouling)发生；
3.本发明将球形弹性填料与MBR反应器有机结合。通过使用球形填料，使得MBR反应器内微环境的物理、化学和生物条件或状态发生人为的改变。在此条件下由于受D0、有机物等传质阻力的影响，在微生物絮体内产生D0梯度：微生物絮体的外表面D0较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧微区，反硝化菌占优势。通过控制系统中的D0浓度及对功能微生物的营养调控实现同步硝化反硝化(SND)的脱氮功能；
4.本发明中的MBR反应器抗冲击能力强，可适用于多种废水的处理。
附图说明
图1为本发明可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器示意图。
主要标号：1.真空泵，2.产水压力表，3.温度计，4.MBR反应器进水管，5.pH电极，6.溶氧电极，7.膜组件，8.球形弹性填料，9.微孔曝气器，10.空气泵，11.反应器柱体，12.反应器底座。
具体实施方式
实施例1
包括反应器系统、膜组件和溶氧电极、pH电极等在线监测元件，反应器内设有膜组件，其上依次连接有产水压力表和真空泵，反应器内设有进水管、溶氧电极、温度计和pH电极，所述反应器柱体11内的膜组件7的四周均匀布设球形弹性填料8，反应器柱体11底部设有微孔曝气器9，微孔曝气器9与空气泵10相连，可保证反应器柱体11曝气均匀，提供所需浓度的溶解氧。所述球形弹性填料8比表面积5m2/g，孔径为100μm，孔隙率为50％，膜组件中膜为中空纤维超滤膜，超滤膜的公称孔径为0.02μm，膜面积为40m2，通量为60l/m2.h(参见图1)。
反应器的体积可以随实验规模的变化做适当调整。系统所需的真空泵、压力表等配件均按相应型号选配；反应器系统配备溶解氧、温度在线监测系统以及pH在线监控系统。在此条件下由于受D0、有机物等传质阻力的影响，在微生物絮体内产生D0梯度：微生物絮体的外表面D0较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧微区，反硝化菌占优势。通过控制系统中的溶解氧浓度及对功能微生物的营养调控实现同步硝化反硝化脱氮的功能。
污水经格栅进入调节池后通过提升泵进入膜生物反应器柱体11，MBR反应器内接种活性污泥。此外，为了缩短启动时间，增加挂膜效果，MBR内可接种市售的具有高效COD降解功能的菌液或者硝化细菌以及反硝化细菌菌剂。
MBR的运行参数为：污泥停留时间控制在5-30d，反应器内运行温度维持在20-30℃；并采用盐酸或氢氧化钠调节MBR内的pH在6.5-8.5范围内。MBR内采取连续曝气方式运行，但须保持MBR内溶解氧浓度在：0.6-2.0mg/L。另外，可根据所处理废水材料性质的不同进而控制膜生物反应器运行参数。
将上述所述装置用于处理某地生活污水，该生活污水经过沉淀、过滤后进入MBR反应器。生活污水的基本水质情况以及经过MBR处理后的情况见表1。
| 表1.新型MBR反应器处理生活污水效果 | |||||||||||
| 项目 | COD(mg/L) | BOD5(mg/L) | 氨氮(mg/L) | 总氮(mg/L) | |||||||
| 进水 | 出水 | 去除率 | 进水 | 出水 | 去除率 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | 去除率 | |
| 生活污水 | 760 | 50 | 93％ | 420 | 30 | 93％ | 40 | 1 | 100 | 10 | 90％ |
由表1可以看出，经过新型MBR处理后，废水的COD去除率、BOD5去除率达到93％，出水氨氮浓度平均为1.0mg/L。另外，废水的总悬浮固体由进水中的150mg/L减少至0.9mg/L，去除率高达99％以上，反应器的出水水质符合国家《城市污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。
实施例2
与实施例不同之处在于：
按照图1加工成有效容积为0.5m3的MBR反应器柱体11，膜组件配置1组，并用球形弹性填料8均匀布设与MBR内其他空间。所述球形弹性填料(8)自上而下串联组成一体，固定于反应器柱体11内。此外，MBR系统仍配置溶解氧、pH、温度在线监测控制元件。其他设备如真空泵、空气泵、曝气器等均按相应型号选配。
MBR的进水为焦化厂生物活性滤池的出水，MBR内的接种污泥取自工程规模的处理焦化废水的生物处理系统内污泥。其他反应器运行参数为：MBR内污泥停留时间控制在25d；反应器内运行温度维持在25±2℃；MBR内的pH在6.5-8.5范围内；反应器MBR内采取8-8-8h间歇曝气方式运行，即曝气8h，停止曝气8h，而后交替曝气，但须保持MBR内溶解氧浓度在：0.2-2.0mg/L，而球形填料内部溶解氧浓度低于0.3mg/L。在这种工况条件下运行20d，球形填料外表面可附着生长大量硝化细菌和COD降解菌，而球形填料内部反硝化细菌占优势。反应器处理焦化废水的效果见表2所示。
| 表2.新型MBR反应器处理工业废水效果 | |||||||||||
| 项目 | COD(mg/L) | BOD5(mg/L) | 氨氮(mg/L) | 总氮(mg/L) | |||||||
| 进水 | 出水 | 去除率 | 进水 | 出水 | 去除率 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | 去除率 | |
| 焦化废水(生物滤池出水) | 680 | 90 | 83.8％ | 120 | 10 | 91％ | 60 | 2 | 90 | 12 | 86.6％ |
从表2可以看出，在合适的运行条件下，MBR处理焦化废水时其COD去除率达83.8％，而BOD5的去除率高达91％，出水氨氮浓度平均在2mg/L，总氮的去除率达86.6％。出水水质达到《污水综合排放标准》一级标准。
实施例3
与实施例不同之处在于：所述球形弹性填料8，其比表面积在20m2/g，孔隙率在70％之间，载体孔径为1000μm。膜生物反应器运行参数为：反应器中污泥停留时间：5-10d，运行温度：10-30℃；反应器内pH：6.5-8.5；溶解氧浓度：0.2-3.0mg/L。膜组件中膜为中空纤维超滤膜，超滤膜的公称孔径为0.05μm，膜面积为25m2，通量为301/m2.h。
实施例4
与实施例不同之处在于：所述球形弹性填料8，其比表面积在10m2/g，孔隙率在40％之间，载体孔径为500μm。膜生物反应器运行参数为：反应器中污泥停留时间：5-10d，运行温度：10-30℃；反应器内pH：6.5-8.5；溶解氧浓度：0.2-3.0mg/L。膜组件中膜为中空纤维超滤膜，超滤膜的公称孔径为0.03μm，膜面积为30m2，通量为80l/m2.h。
Claims (4)
1.一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器，包括反应器系统、膜组件和溶氧电极、pH电极等在线监测元件，反应器内设有膜组件，其上依次连接有产水压力表和真空泵，反应器内设有进水管、溶氧电极、温度计和pH电极，其特征在于：所述反应器柱体(11)内的膜组件(7)的四周均匀布设球形弹性填料(8)，反应器柱体(11)底部设有微孔曝气器(9)，微孔曝气器(9)与空气泵(10)相连。
2.按权利要求1所述的可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器，其特征在于：所述球形弹性填料(8)为多孔型，其比表面积在5m2/g-20m2/g，孔隙率在40％～70％，载体孔径为100μm～1000μm。所述球形弹性填料(8)自上而下串联组成一体，固定于反应器柱体(11)内。
3.按权利要求1所述的可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器，其特征在于：膜组件中膜为中空纤维超滤膜，超滤膜的公称孔径为0.02-0.05μm，膜面积为25-50m2，通量为30-1001/m2.h。
4.按权利要求1所述的可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器，其特征在于：反应器内每平方米膜组件的数量为1～2组。
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