申请日2017.09.11
公开(公告)日2017.11.24
IPC分类号C02F3/10; C02F3/34; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，所述双级膜曝气生物膜反应器MABR包含缓冲罐、一级MABR装置和二级MABR装置;经物化预处理的城镇生活污水先进入缓冲罐，然后经一级MABR装置进行初级生化处理，最后流经二级MABR装置进行深度处理;一级MABR装置生物膜通过自然挂膜法形成，处理高负荷污染物;二级MABR装置生物膜通过人工挂膜法形成，处理低负荷污染物;两级MABR系统能够对城镇生活污水进行深度处理，解决单级MABR系统无法进一步脱除低浓度有机物、氨氮和总氮等问题;双级MABR系统操作简便，运行稳定，氧利用率高，生物活性高，污泥产量低，能耗低。
权利要求书
1.一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，所述双级膜曝气生物膜反应器包含依次连接的缓冲罐、一级MABR装置和二级MABR装置;
所述一级MABR装置和二级MABR装置均包含膜组件、生物膜、循环系统、布水系统、进水系统以及出水系统;所述出水系统包含出水口;所述进水系统包含进水口;所述布水系统包含前置布水器和后置布水器;所述循环系统包含蠕动泵;
所述一级MABR装置生物膜为通过自然挂膜法形成的异向传质生物膜;
所述二级MABR装置生物膜为通过人工挂膜法形成的异向传质生物膜;
所述缓冲罐与所述一级MABR装置的进水口通过进水管连接，所述进水管中间连接蠕动泵;所述一级MABR装置的出水口与所述二级MABR装置的进水口通过连接管连接，所述一级MABR装置的出水口比所述二级MABR装置的进水口的液面高。
2.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述一级MABR装置用于处理城镇生活污水，所述二级MABR装置针对一级MABR装置出水口所排出的污水进行深度处理;自然挂膜法形成的生物膜中氨氧化细菌AOB的数量是氨氧化古菌AOA的400-700倍;人工挂膜法形成的生物膜中氨氧化古菌AOA的数量是氨氧化细菌AOB的100-150倍。
3.如权利要求1或2所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：构成所述布水系统的板材上半部均匀分布有直径为0.5-0.8 cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.7-2.0 cm;构成所述布水系统的板材下半部均匀分布有直径0.3-0.5 cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.3-1.5 cm。
4.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述膜组件包含曝气头、膜丝;所述膜丝有效比表面积在200-600 m2/m3范围内，所述膜丝选自聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜、聚丙烯(PP)中空纤维膜、聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜;优选，所述膜丝外径为3.5-5.0 mm，内径为2.1-3.2 mm，孔径大小为0.05-0.08 μm。
5.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述膜曝气生物膜反应器为连续进水;
所述一级MABR装置的膜池和所述二级MABR装置的膜池的容积不同，优选，所述一级MABR装置的膜池的容积为5-7 L，所述二级MABR装置的膜池的容积为2-3 L;
所述一级MABR装置和二级MABR装置的膜丝有效比表面积不同，优选，所述一级MABR装置的膜丝有效比表面积为450-600 m2/m3，所述二级MABR装置的膜丝有效比表面积为200-300 m2/m3。
6.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述一级和二级MABR装置生物膜中的功能菌群均呈现空间和功能分层结构。
7.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述一级MABR装置生物膜通过下述自然挂膜法形成;采集AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥，采用实验室配置模拟生活污水;按照所述活性污泥与所述模拟生活污水体积比为1：10-12的比例混匀形成水体，将水体采用批量进水法进入所述一级MABR装置的膜池中;所述循环系统的循环流速控制在2-3 cm/s，所述膜池的水体为混流;优选，污水停留时间控制在6-8 h;优选，重复上述步骤三次以上;当一级MABR装置膜丝表面形成一层均匀的生物膜时，停止挂膜;随后采用置换法一进行生物膜的驯化。
8.如权利要求7所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述置换法一具体操作如下：逐级增大城镇生活污水在水体中的比例，直至完全替换;驯化期间采取连续进水法进水，优选，污水停留时间控制在3-5 h;当COD和氨氮去除率稳定达到80%以上，总氮去除率达到60%以上，生物膜均匀且致密，颜色为黄褐色时，停止生物膜的驯化。
9.如权利要求1所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述二级MABR装置生物膜通过下述人工挂膜法形成：采集AOA接种污泥;配置寡营养无机含氮污水(氨氮浓度<3.0 mg/L，COD=0 mg/L);将所述AOA接种污泥与所述寡营养无机含氮污水按照1:10-12的体积配比混匀，放入摇瓶进行摇床培养;添加0.1-0.2%的青霉素;摇床培养一定时间后，用0.1-0.3 μm滤膜富集AOA菌种;将富集的AOA菌种和寡营养无机含氮污水充分混合均匀，泵入二级MABR装置，进行初级挂膜，直至所述二级MABR装置膜丝表面有一层均匀的生物膜，停止挂膜，得到AOA膜;配置含低浓度COD和低浓度氨氮(COD < 30 mg/L，氨氮浓度 < 3.0 mg/L)的寡营养有机含氮污水与所述AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥混合均匀，泵入所述二级MABR装置，进行第二轮挂膜，当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时结束挂膜;采用置换法二进行生物膜的驯化。
10.如权利要求9所述的用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，其特征在于：所述置换法二具体操作如下：将AAO污水处理厂的二级生化单元出水和所述寡营养有机含氮污水混合形成混合污水，逐渐增大二级生化单元出水在混合污水中的比例，直至完全替换;驯化期间采取连续进水法进水，优选，污水停留时间控制在1.5-2.5 h;当COD和氨氮去除率稳定达到80%以上，总氮去除率达到60%以上，生物膜均匀且致密，颜色为黄褐色时，停止生物膜的驯化。
说明书
一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器
技术领域
本发明属于环境工程中的污水处理技术领域，特别涉及一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器。
背景技术
城镇生活污水分布广泛，其特点是可生化性强，有机碳和氮类污染物浓度比较稳定，不经过有效处理便排放至环境中容易造成水体富营养化，导致水华现象。同时，无机氮污染物如NO2-和NO3-能够引起人类肠胃癌等疾病，因此，将城镇生活污水进行科学处理具有重要的环境和社会效益。
污水中的无机氮一般采用生化法处理，氨氮通过氨氧化细菌转化为亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮被亚硝酸盐氧化菌转化为硝酸盐氮，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮再由反硝化菌还原为气态氮。一般而言，城镇生活污水经过生化二级处理后的出水有机物(COD)和氨氮浓度低，过量的曝气将会增大好氧硝化菌过度消耗有机物，导致反硝化所需碳源不足;过低的溶解氧(DO)导致氨氧化细菌AOB活性降低，脱氮效率不理想。这也是采用生化法对污水进行深度处理效果不佳的主要原因。近些年来，氨氧化古菌AOA的发现打破了人们一直认为的关于氨氧化作用完全由细菌完成这一固有观念。AOA也更适宜在寡氨氮营养和低DO等特殊环境中生存。AOA对氨氮和氧气的特定亲和力均高于AOB。
膜曝气生物膜反应器(MABR)作为一种新型生物膜反应器，具有独特的脱氮除碳优势。其核心部位为双膜组合，即微曝气膜-生物膜。前者是富氧载体膜，氧气优先通过中空纤维膜，传递到所载的生物膜，为生物膜中的微生物提供电子受体;后者是生物膜，具有完整的微生物生态链，夹杂在曝气膜和污水液相之间，两边分别吸收氧气(电子受体)和污染物(电子供体)，是典型的异向传质生物膜。独特的双膜结构和异向传质过程决定了生物膜的功能菌群在生物膜微环境中的分层现象：按贴近曝气膜-生物膜界面到生物膜-污水界面，依次为好氧层，缺氧层和厌氧层。其中好氧层一般聚集着硝化菌群和异养好氧菌，缺氧层一般由反硝化细菌组成，厌氧层则主要由厌氧发酵菌、产氢产乙酸菌以及产甲烷菌组成。这种结构使MABR具有同步硝化反硝化、控氧灵活且氧利用率高、生物膜泥龄长活性高以及基建运行成本低等诸多优点。目前为止，MABR尚未用于生活污水深度处理，主要是因为AOB在二级生化出水寡营养环境中的氨氧化活性不足造成，进而导致水体中的氨氮无法得到进一步氧化，后续的反硝化脱氮也相应受到很大的限制。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器。
实现本发明的技术方案如下：
一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器，所述双级膜曝气生物膜反应器包含依次连接的缓冲罐、一级MABR装置和二级MABR装置;
所述一级MABR装置和二级MABR装置均包含膜组件、生物膜、循环系统、布水系统、进水系统以及出水系统;所述出水系统包含出水口;所述进水系统包含进水口;所述布水系统包含前置布水器和后置布水器;所述循环系统包含蠕动泵;
所述一级MABR装置生物膜为通过自然挂膜法形成的异向传质生物膜;
所述二级MABR装置生物膜为通过人工挂膜法形成异向传质生物膜;
所述缓冲罐与所述一级MABR装置的进水口通过进水管连接，所述进水管中间连接蠕动泵;所述一级MABR装置的出水口与所述二级MABR装置的进水口通过连接管连接，所述一级MABR装置的出水口比所述二级MABR装置的进水口的液面高。
所述一级MABR装置用于处理城镇生活污水，所述二级MABR装置针对一级MABR装置出水口所排出的污水进行深度处理;自然挂膜法形成的生物膜中氨氧化细菌AOB的数量是氨氧化古菌AOA的400-700倍;人工挂膜法形成的生物膜中氨氧化古菌AOA的数量是氨氧化细菌AOB的100-150倍。
构成所述布水系统的板材上半部均匀分布有直径为0.5-0.8 cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.7-2.0 cm;构成所述布水系统的板材下半部均匀分布有直径0.3-0.5 cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.3-1.5 cm。
所述膜组件包含曝气头、膜丝;所述膜丝有效比表面积在200-600 m2/m3范围内，所述膜丝选自聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜、聚丙烯(PP)中空纤维膜、聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜;优选，所述膜丝外径为3.5-5.0 mm，内径为2.1-3.2 mm，孔径大小为0.05-0.08 μm。
所述膜曝气生物膜反应器为连续进水;
所述一级MABR装置的膜池和所述二级MABR装置的膜池的容积不同，优选，所述一级MABR装置的膜池的容积为5-7 L，所述二级MABR装置的膜池的容积为2-3 L;
所述一级MABR装置和二级MABR装置的膜丝有效比表面积不同，优选，所述一级MABR装置的膜丝有效比表面积为450-600 m2/m3，所述二级MABR装置的膜丝有效比表面积为200-300 m2/m3。
所述一级和二级MABR装置生物膜中的功能菌群均呈现空间和功能分层结构。
所述一级MABR装置生物膜通过下述自然挂膜法形成：
采集AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥，采用实验室配置模拟生活污水;按照所述活性污泥与所述模拟生活污水体积比为1：10-12的比例混匀形成水体，将水体采用批量进水法进入所述一级MABR装置的膜池中;所述循环系统的循环流速控制在2-3 cm/s，所述膜池的水体为混流;优选，污水停留时间控制在6-8 h;优选，重复上述步骤三次以上;当一级MABR装置膜丝表面形成一层均匀的生物膜时，停止挂膜;随后采用置换法一进行生物膜的驯化。
所述置换法一具体操作如下：逐级增大城镇生活污水在水体中的比例，直至完全替换;驯化期间采取连续进水法进水，优选，污水停留时间控制在3-5 h;当COD和氨氮去除率稳定达到80%以上，总氮去除率达到60%以上，生物膜均匀且致密，颜色为黄褐色时，停止生物膜的驯化。
所述二级MABR装置生物膜通过下述人工挂膜法形成：
采集AOA接种污泥;配置寡营养无机含氮污水(氨氮浓度<3.0 mg/L，COD=0 mg/L);将所述AOA接种污泥与所述寡营养无机含氮污水按照1:10-12的体积配比混匀，放入摇瓶进行摇床培养;添加0.1-0.2%的青霉素;摇床培养一定时间后，用0.1-0.3 μm滤膜富集AOA菌种;将富集的AOA菌种和寡营养无机含氮污水充分混合均匀，泵入二级MABR装置，进行初级挂膜，直至所述二级MABR装置膜丝表面有一层均匀的生物膜，停止挂膜，得到AOA膜;
配置含低浓度COD和低浓度氨氮(COD < 30 mg/L，氨氮浓度 < 3.0 mg/L)的寡营养有机含氮污水与所述AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥混合均匀，泵入所述二级MABR装置，进行第二轮挂膜，当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时结束挂膜;
采用置换法二进行生物膜的驯化。
所述置换法二具体操作如下：将AAO污水处理厂的二级生化单元出水和所述寡营养有机含氮污水混合形成混合污水，逐渐增大二级生化单元出水在混合污水中的比例，直至完全替换;驯化期间采取连续进水法进水，优选，污水停留时间控制在1.5-2.5 h;当COD和氨氮去除率稳定达到80%以上，总氮去除率达到60%以上，生物膜均匀且致密，颜色为黄褐色时，停止生物膜的驯化。
经过本申请的双级膜曝气生物膜反应器处理后的COD去除率高于93%;氨氮去除率高于94%，总氮去除率高于90%，总磷去除率高于93%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。
本发明的效果和益处是：
1) 双级MABR系统的生物膜分工明确，一级生物膜处理高负荷污染物，二级生物膜处理低负荷污染物，能够对城镇生活污水进行深度处理，解决单级MABR系统无法进一步脱除低浓度氨氮和总氮等问题。
2) 在双级MABR的启动过程中，二级MABR可以快速实现生物膜的人工群落构建;在低氨氮浓度条件下，AOA在生物膜中的种群优势远高于AOB，且生理功能活性比较稳定。在实际运行过程中，也容易通过改变供氧压力和污水停留时间等工序条件调控生物膜功能菌群的活性大小，用以应对进水负荷的非正常性波动，确保出水水质的稳定，实现高效的污水处理效益。
3) 双级MABR系统操作简便，氧利用率高，生物活性高，污泥产量低，能耗低。