申请日2013.11.13
公开(公告)日2014.02.05
IPC分类号C02F1/463; C02F9/14
摘要
本发明公开一种污水处理方法依次包括前置曝气、接触氧化、缺厌氧沉淀、膜生物反应及电絮凝;所述电絮凝处于前置曝气步和/或接触氧化和/或缺厌氧沉淀和/或膜生物反应等步骤中。本发明的电絮凝膜生物反应器，在反应器本体内设置有接触氧化柜、沉淀柜和膜生物反应柜;在反应器本体内至少设置有一组正负絮凝电极;所述接触氧化柜、沉淀柜和膜生物反应柜相互依次连通，所述沉淀柜和/或膜生物反应柜内设置有沉淀物返送管。本发明不仅能有效增强活性污泥的聚集状态，而且能提高污泥菌体细胞活性，具有强化和稳定脱氧除磷效果，延缓膜污染，提高膜通量和使用寿命，广泛适用于生活污水、工业废水的处理中。
权利要求书
1.一种污水处理方法，其特征在于：在该污水处理方法的处理流程主线上包括有对污水的前置曝气步骤、接触氧化步骤、缺厌氧沉淀步骤、膜生物反应步骤及电絮凝步骤;所述前置曝气步骤、接触氧化步骤、缺厌氧沉淀步骤及膜生物反应步骤依次处于该污水处理方法的处理流程主线上;所述电絮凝步骤处于前置曝气步骤和/或接触氧化步骤和/或缺厌氧沉淀步骤和/或膜生物反应步骤中。
2.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于：所述电絮凝步骤处于前置曝气步骤和/或接触氧化步骤中。
3.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于：所述电絮凝步骤处于缺厌氧沉淀步骤或膜生物反应步骤中。
4.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：所述电絮凝步骤所采用的正负絮凝电极的极板间距为3~10mm，正负絮凝电极铝材制成，该铝材中铝的质量百分比≧95%。
5.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：经膜生物反应步骤的膜萃取排出水的总氮小于20mg/L、总磷小于1.0mg/L。
6.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：所述电絮凝步骤中所采用的正负絮凝电极间的电压为0 V ~15V，该正负絮凝电极间的电流为0 A ~2A。
7.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：所述前置曝气步骤包括对污水的粉碎和曝气充氧。
8.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：所述接触氧化步骤间隙或连续地对生活污水进行曝气充氧，使设置于生活污水中的软性填料上生成具有一定活性的生物膜。
9.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：在所述缺厌氧沉淀步骤中对污水进行加热。
10.根据权利要求1、2或3所述的污水处理方法，其特征在于：所述膜生物反应步骤的滤膜采用外置式分离膜或内置式分离膜结构。
11.一种采用权利要求1所述污水处理方法的电絮凝膜生物反应器，包括反应器本体(1)，在该反应器本体(1)内设置有接触氧化柜(4)、沉淀柜(20)和膜生物反应柜(14);在接触氧化柜(4)内设置有接触氧化曝气器(45)和软性填料(44)，所述膜生物反应柜(14)连通有滤膜组(31)，该滤膜组(31)的膜萃取水出口通向净水排放管(30)，在所述反应器本体(1)上还设置有污水输入管(7)，其特征在于：在所述反应器本体(1)内至少设置有一组正负絮凝电极(2)，该正负絮凝电极(2)与电絮凝电源(8)相互电连接;所述接触氧化柜(4)、沉淀柜(20)和膜生物反应柜(14)相互依次连通，所述沉淀柜(20)和/或膜生物反应柜(14)内设置有沉淀物返送管(16)。
12.根据权利要求11所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述接触氧化柜(4)包括有前置曝气区(3)和接触氧化区(10)，在前置曝气区(3)和/或接触氧化区(10)设置有正负絮凝电极(2);该前置曝气区(3)还设置有前置曝气器(46);所述接触氧化曝气器(45)和软性填料(44)设置于接触氧化区(10);所述接触氧化柜(4)通过上清液输送管(15)与沉淀柜(20)相连通，该沉淀柜(20)则通过澄清液溢流口(18)与膜生物反应柜(14)相连通。
13.根据权利要求11所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述接触氧化柜(4)包括有前置曝气区(3)和接触氧化区(10)，在前置曝气区(3)和接触氧化区(10)均设置有正负絮凝电极(2)，所述沉淀柜(20)或膜生物反应柜(14)中也设置有正负絮凝电极(2);所述接触氧化柜(4)通过上清液输送管(15)与沉淀柜(20)相连通，该沉淀柜(20)则通过澄清液溢流口(18)与膜生物反应柜(14)相连通。
14.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述正负絮凝电极(2)，的两电极均由铝材制成，该铝材中铝的质量百分比大于95%。
15.根据权利要求14所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述正负絮凝电极(2)的电极间距为3mm~10mm;该正负絮凝电极(2)的工作电流为0 A ~2A，正负絮凝电极(2)的工作电压为0 V ~15V。
16.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述净水排放管(30)膜萃取排出水的总氮小于20mg/L、总磷小于1.0mg/L。
17.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述膜生物反应柜(14)的滤膜组(31)设置于反应器本体(1)的体外，该滤膜组(31)通过连接管与膜生物反应柜(14)相连通。
18.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述膜生物反应柜(14)的滤膜组(31)设置于该膜生物反应柜(14)内。
19.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述正负絮凝电极(2)的电极材料至少有一为铝、铁、锌或钛。
20.根据权利要求11、12或13所述的电絮凝膜生物反应器，其特征在于：所述沉淀柜(20)中设置有加热器(25)。
说明书
一种污水处理方法及其电絮凝膜生物反应器
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及处理船舶、海上装备、城市乡镇等海上和陆上点源生活污水的处理方法。本发明还涉及应用该处理方法的膜生物反应器。
背景技术
生活污水是人类生产过程中所产生的污水，是水体的主要污染源，它主要有粪便和洗涤污水。随着社会经济的快速发展以及人口的增加，生活污水的排放越来越大，已成为经济发展和人们生活质量提高的严重阻碍，人们面临着资源性和水质性双重缺水的严峻考验。城市、村镇等陆上居民生活污水的排放直接影响着人们的生存环境和水体污染程度;海洋工程装备及船舶生活污水的排放则严重影响海洋环境，这些点源式生活污水具有面广量大、分布广泛不便集中处理的特点，给环境造成的危害更加直接、更加严重。为此，人们正以前所未有的决心寻求生活污水资源化的有效途经，并通过制定各种国际公约、排放标准来限制和提高生活污水的排放水质要求。
磷和氨氮是引起水源水质恶化的重要物质之一。生活污水中普遍存在一定含量的磷，磷是藻类繁殖所需各种成分中的限制性因素之一，水体中磷含量高低与水体富营养化程度有密切的关系。氨氮进入水体后，不但能作为生物营养物质诱发“富营养化”，使水味腥臭难闻，降低透明度，大量消耗溶解氧，并向水体排放毒素，造成水生生态系统紊乱。由于磷和氮素污染的种种危害，加上人们对水质和水量要求的提高，采用脱氧除磷净化的相应技术手段和措施改善水源水质已越来越受到社会的广泛关注。
国际海事组织(IMD)制定的《国际防止船舶污染公约》中规定，海上生产生活设施必须装有生活污水处理装置，非特殊情况禁止直接向限制海域排放生活污水，IMO的MEPC.159(55)决议出台了严格的强行执行排放标准，MEPC.227(64)决议增加并提出苛刻的磷氮去除排放标准。我国城镇污水处理常污染物排放标准以及我国再生水标准中均严格控制总磷、总氮的排放要求。
目前生活污水处理方法大致有 :生化处理、物理化学处理和电化学处理法。膜生物反应器(MBR)则是近些年来发展起来的高效生活污水处理方法，它由膜分离技术与生物反应技术相结合而形成的一种生化反应系统，其实质是生物降解与膜分离相互影响、共同作用的过程，它利用微生物对水中生物降解有机污染物进行转化，使之生成对环境无害的二氧化碳和水，同时截留生化反应物，具有固液分离率高、有机污染物降解效率高、剩余污泥少等优势。
虽然膜生物反应器是当前最为先进高效的污水处理方法，但也存在一些固有的严重不足：首先膜生物反应器(MBR)脱氮除磷效果差。由于在MBR反应器中有机物的消化降解依赖于对活性污泥进行充氧曝气，但脱氮除磷过程中的反硝化作用需要缺氧环境，而曝气作用对反硝化有着很大的影响，因此对于总氮的处理效果不尽人意，也由于充氧曝气过程的存在，事实上膜生物反应器中无法形成绝对的厌氧条件，这对释磷过程十分不利，即使采用间隙式曝气方法，对于磷的去除效果也不很理想。再者膜生物反应器中污泥活性降低。膜生物反应器能有效地截留反应器中的活性污泥，从而获得较高的污泥浓度，进而降低污泥产出率，减少反应器体积，然而这种工艺方法也使得污泥龄过长，不可避免地引起污泥菌体细胞活性的降低，具有污泥停留时间越长、污泥活性越低的趋势。还有膜生物反应器中膜污染是较难解决的问题。由于反应器污水中的微粒、胶体颗粒以及溶质大分子处于分解的、悬浮状态，而这些呈悬浮分散状态的微粒、胶体颗粒及溶质大分子与膜存在物理、化学作用或机械作用，使之吸附和沉积在膜表面或膜孔内，使膜的通量下降，甚至导致整个反应器无法正常工作。虽然现有技术中的采用反冲洗、间歇曝气延长膜污染时间，但并没有改变微粒的分散自由状态，不能较好地阻止膜污染。
本申请人于2008年10月7日申请并获授权的发明专利“多级生化生活污水处理方法及其处理装置”(专利号2008101966589)。该发明主要包括接触氧化柜、沉淀柜和膜生物反应柜，其污水经多级反复消解，有机物得到较为充分的降解，有机物去除率高，剩余污泥量极少。但在实际使用中，该发明中滤膜仍存在易污染问题，污水的处理效率不高，且脱氮除磷效果并不理想和稳定。针对该发明的不足，本申请人又于2012年11月30日申请并获得授权的发明专利“连续循环式膜生物反应器”(专利号2012105020267)，本发明采用管式膜作为截留分离元件，并合理选择管式膜的管内流量、流速、以及管内流量与透出量之间的关系等，提出了管膜组的截留作用和柜内污泥浓度，减少了管膜的污染机率，提高了污水处理效率，但脱氮除磷效果仍然很不理想。
综上所述，不管是目前具有通常结构的膜生物反应器，还是包括本申请人多项发明在内的性能增强型膜生物反应器，在稳定脱氮除磷效果、提高污泥活性及阻止膜污染上均未取得突破，这对目前日益提高的排放水总氮、总磷要求，不管是现有的生化处理技术、物化处理技术，还是相对先进的膜生物反应器处理技术，均难以满足日益严格的排放水标准。
发明内容
针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种污水处理方法，该处理方法不仅能有效改善活性污泥的聚集状态，而且能增强污泥菌体细胞活性，从而强化和稳定脱氮除磷效果，延缓膜污染，提高膜通量和使用寿命。本发明另一要解决的技术问题是还要提供一种实现该处理方法的电絮凝膜生物反应器。
为了解决上述技术问题，在本发明的污水处理方法的处理流程主线上包括有对污水的前置曝气步骤、接触氧化步骤、缺厌氧沉淀步骤、膜生物反应步骤及电絮凝步骤;所述前置曝气步骤、接触氧化步骤、缺厌氧沉淀步骤及膜生物反应步骤依次处于该污水处理方法的处理流程主线上;所述电絮凝步骤处于前置曝气步骤和/或接触氧化步骤和/或缺厌氧沉淀步骤和/或膜生物反应步骤中。
采用该污水处理方法的电絮凝膜生物反应器，包括反应器本体，在该反应器本体内设置有接触氧化柜、沉淀柜和膜生物反应柜;在接触氧化柜内设置有接触氧化曝气器和软性填料，所述膜生物反应柜连通有滤膜组，该滤膜组的膜萃取水出口通向净水排放管，在所述反应器本体上还设置有污水输入管，在所述反应器本体内至少设置有一组正负絮凝电极，该正负絮凝电极与电絮凝电源相互电连接;所述接触氧化柜、沉淀柜和膜生物反应柜相互依次连通，所述沉淀柜和/或膜生物反应柜内设置有沉淀物返送管。
本发明由于依次采用接触氧化、缺厌氧沉淀和膜生物反应的处理流程和工艺结构，尤其是在该处理流程主线上又增设了电絮凝，从而形成电絮凝技术、生物处理技术、膜分离技术以及物理分离技术的综合运用，使得本发明与现有技术相比具有如下显著优点：
本发明具有极高的脱氮除磷效果。首先该处理工艺及结构中，电絮凝在外电场作用下可溶性金属阳极产生大量的阳离子和污水水体中的悬浮物絮凝沉淀，电絮凝在此过程中通过对污染物的吸附聚集、压缩絮凝、以及污染物与水的分离沉淀，实现对水体中污染物的净化去除效果。由于在反应器中产生了独特的絮凝环境，一方面电极金属失去电子而生成金属离子与反应器污水中的磷酸根离子发生絮凝作用而生成沉淀去除物，另一方面金属离子由于发生水解作用而生成高价聚合离子絮体网，具有极强的综合吸附水中污染物和悬浮物的作用，从而具有极好的固磷固氮作用。再者电絮凝作用通过增强生物反应系统、膜分离系统中活性污泥菌体细胞的活性，改善污水中活性污泥的聚集密度，以及污水中污染物和悬浮物的絮凝聚集、吸附分离，强化生物反应系统、膜分离系统中对有机物的生物降解和固磷作用，抑制和弥补了膜生物反应器在污水处理中所存在的污泥活性不足。尤其是电絮凝步骤和工艺结构处于生物反应系统和膜分离系统之中，使电絮凝作用于污水处理流程的高浓度污水中，而不是作用于经膜生物反应系统处理的低浓度污水中，强化了电絮凝的絮凝作用和脱氮除磷效率，既减轻了膜生物反应器的脱氮除磷负担，又使膜生物反应系统的优势得以强化和充分发挥。
本发明具有合理的处理流程和工艺结构。在本发明的处理主线上依次安排着接触氧化、缺厌氧沉淀和膜生物反应等工艺步骤和处理流程，一方面污水通过充入空气/氧化的好氧过程，使污水中的有机物大部分被生物消解，而后进入厌氧缺氧和沉淀过程，形成先好氧、再厌氧、缺氧，利用硝化细菌的好氧硝化和反硝化细菌的缺厌氧反硝作用来实现生物脱氮除磷作用。尤其是独立设置的沉淀柜创造了一个不受曝气过程影响的厌氧环境，强化了反硝化除磷细菌在缺厌氧环境下利用硝酸氮充当电子受体进行聚磷沉淀，更利于磷的脱除。另一方面沉淀柜设置于膜生物柜之前，处理中仅向膜生物反应柜中引入沉淀后的澄清液，给滤膜主体创造了一个“清水”的运行环境，从而有效降低跨膜浓度差，极好寺解决了膜浓度极化问题，实现了膜通量的稳定。由于本发明的处理流程和处理工艺结构具有极强和稳定的脱氧除磷效果，经反复试验和实际使用证明膜萃取排出水的总氮小于20mg/L，总磷小于1.0 mg/L，远高于现有膜生物反应器的最好水平。
本发明能有效增强污泥菌体细胞活性。本发明中的电絮凝正负电极所产生的电磁场，该电磁场作用于生物反应器中还促进污泥中微生物的生长、加速酚的降解，刺激菌群的良性生长代谢，增强微生物菌种活性，使絮状菌和丝状菌等微生物的增殖速度和进度均优于普通活性污泥，且不易老化，显示出良好的生物电磁效能。污泥活性的增强不仅解决了膜生物反应器(MBR)的固有缺陷，而且增强了对有机物的降解速度和效率。电絮凝所产生的电磁场还使活性污泥增长快，驯化成熟时间短，污泥浓度、沉降性能、单位容积处理能力和抗冲击负荷能力明显提高。还由于在电场作用下，消解菌群被磁化，从而提高菌群颗粒间的碰撞频率，便于污泥絮体之间结合成更大的污泥絮体。电场的磁化作用又使絮体间产生挤压，不仅提高了活性污泥的紧密度，而且使污泥絮体与水的分离速度加快，提高污泥的沉降速度，并减少污泥的沉降体积。
本发明能有效阻止膜污染。本发明中的电絮凝在污水处理系统中产生独特的絮凝环境，使污水中的污染物和悬浮物从自由分布状态变成聚集状态，抑制和避免污染物的附着和渗透，有效阻止污染物在膜表面上的沉淀积累，该呈絮凝状态的污染物也更容易从膜表面脱落分离。因此本发明较好地从污水处理机理上解决膜污染问题，有效稳定了膜通量，延长了膜的使用寿命。
本发明能有效防止或延缓反应器本体及其内设机件的腐蚀。由于污水含有复杂的酸性、碱性物质，以及熔解盐类等腐蚀物质，反应器本体和反应器的内部机件均处于高腐蚀环境中，存在难以抗拒的电化学腐蚀现象，不仅影响污水处理系统的生物反应效率，而且会造成反应器及其机件的腐蚀损坏，影响整个反应系统的可靠性和使用寿命。本发明中的正负絮凝电极在进行电絮凝的同时，处于污水电解质环境中的阳极也与反应器本体及其内置构件这些相对阴极构成相互电连接，组成一电偶电池，作为牺牲阳板的电絮凝电极板优先溶解，释放出的电流使反应器本体及其他构件得到保护，以阻止他们的腐蚀损坏，从而大大延长反应器的使用寿命。
本发明是一种环境友好的污染物脱除技术。电絮凝作用不需要添加任何化学药剂，产生的污泥量少，污泥由于得到絮凝压缩而含水率低，只需要改变电场外加电压就能控制其运转条件，既无二次污染，又便于实现自动化控制，还由于电絮凝中的两电极在反应器中产生了电磁场，其电解离子有着相当高的活性，具有灭菌效应，该电磁场能起到良好的消毒灭菌效果。