申请日2011.12.14
公开(公告)日2012.06.13
IPC分类号C02F3/12; C02F3/34; C02F3/10
摘要
本发明公开了一种可低温运行的污水处理方法，属于污水处理领域。本发明的步骤为：(1)构建一体式复合膜生物反应器;(2)在上述反应器中投加表面固定化耐寒菌的中空悬浮填料，填料空间比例为30%~50%，驯化和挂膜周期为15~30天;(3)待处理污水由进水口进入一体式复合膜生物反应器，控制进水COD浓度在50~400mg/L之间，污泥浓度为2~4g/L，水力停留时间为11~13h;(4)生化处理后的污水经过超滤膜或微滤膜进行泥水分离，微生物被截留在反应池中，处理后出水通过出水口排出。本发明的反应器可以在5~15℃的低温运行，处理后出水COD浓度在50mg/L以下，利用表面固定耐寒菌的中空悬浮填料巨大的表面积及稳定的内环境，实现在低温环境下微生物对污水的较好的生化降解作用。
权利要求书
1.一种可低温运行的污水处理方法，其步骤为：
(1)构建一体式复合膜生物反应器：
该一体式复合膜生物反应器包括进水口(1)、隔网(3)、过滤膜(4)、出水口(5)、微孔曝气装置(6)和反应池(7)，反应池(7)和过滤膜(4)下方均设置有微孔曝气装置(6)，反应池(7)与过滤膜(4)之间通过隔网(3)隔开，过滤膜(4)为超滤膜或微滤膜;
(2)投加中空悬浮填料：
在一体式复合膜生物反应器中投加表面固定化耐寒菌的中空悬浮填料(2)，利用悬浮填料巨大的表面积和稳定的内环境，强化对微生物的表面固定化作用，填料空间比例为30%~50%，驯化和挂膜周期为15~30天，在固定于悬浮填料上之前，耐寒菌被放于冰箱包藏，其中耐寒菌包括：耐冷细菌、耐冷放线菌和耐冷霉菌;
(3)生化反应：
待处理污水由进水口(1)进入一体式复合膜生物反应器，控制进水COD浓度在50~400mg/L之间，污泥浓度为2~4g/L，在反应池(7)中，水力停留时间为11~13 h，对反应池(7)进行微孔曝气，气水比为10：1~30：1，在低温运行的条件下，反应器中活性污泥中的耐冷菌缓慢地附着、固定和富集于悬浮填料上，实现对耐冷菌的高效固定化和富集作用，从而维持复合膜生物反应器对低温污水的稳定处理效果;
(4)泥水分离：
生化处理后的污水经过超滤膜或微滤膜进行泥水分离，对过滤膜(4)进行微孔曝气，气水比为10：1~30：1，超滤膜或微滤膜对微生物具有高效的截留作用，微生物被截留在反应池(7)中，处理后出水通过出水口(5)排出。
2.根据权利要求1所述的一种可低温运行的污水处理方法，其特征在于：步骤(2)中的中空悬浮填料(2)为聚乙烯材质，填料呈空圆柱体，内部有十字支撑，密度小于水，空隙率为85%~90%，可供生物膜附着的比表面积为450~550m2/m3。
3.根据权利要求1或2所述的一种可低温运行的污水处理方法，其特征在于：所述的隔网(3)为尼龙或金属材质的网状物。
说明书
一种可低温运行的污水处理方法
技术领域
本发明涉及到一种污水处理方法，更具体地说，它涉及一种向反应池中投加表面固定化耐寒菌的中空悬浮填料，可在低温环境运行的污水处理方法。
背景技术
国内外90%以上的城市污水处理设施普遍都采用活性污泥法，但活性污泥工艺通常都是在20~35℃的微生物生长最适温度条件下才可稳定运行，而在20℃以下低温废水，特别是8~15℃之间的生活污水或城市污水，存在以下问题：
(1)由于低温时污水粘度变大，有机物在污水中的扩散及沉降速率都已衰减、缓慢，易导致污泥膨胀或活性污泥大量流失，出水SS难以控制;
(2)低温使得污水中溶解的气体量变大，易导致污泥上浮、酸化严重、甲烷产率低等问题;
(3)低温可显著降低活性污泥中微生物的活性、数量及种群分布，减弱微生物对有机物的分解能力，导致COD、氨氮去除率降低;
(4)低温使得污水中可溶性微生物产物变多、化学和生化反应缓慢等，所有低温导致的问题都将严重影响污水生化处理工艺的在低温条件下的稳定运行，或者限制了常规污水处理工艺在低温、寒冷地区的正常设计、安装和应用。
我国西北干旱地区的采用活性污泥工艺的污水处理设施，虽然在春夏季都可以正常和稳定运行，但在秋冬季相对漫长的低温条件下，也普遍都存在着生化降解效率降低、易发生污泥膨胀或污泥活性丧失等诸多棘手的问题，严重情况下，污水处理设施的运行有可能被暂时性地停止，污泥活性处于休眠状态，而在气温升高时，则往往又将面临着污泥活性低、活性恢复周期长、需要重新接种新污泥或重新启动周期较长等问题。
针对高纬度地区采用活性污泥法的城市或工业污水处理设施的低温运行问题，一般都采用污水加热升温和对反应器进行保温等常规处理措施，继续维持反应器或反应池内微生物的最佳生化反应温度，除此之外，也已经有很多正处于试验中的低温污水处理措施正在开展，其中，在能实现同样去除效果的污水工艺方案中，可以优先选择运行参数对水温不敏感的工艺，例如，化学沉淀和对水温变化不敏感的污水处理方法，一般有氯气氧化、高锰酸钾氧化、聚合氯化铝絮凝沉淀等各种物化处理单元工艺，虽然这些物化处理过程对污染物的去除效率也受温度的影响，温度的变化，尤其是低温环境，一般也将导致物化处理效率的下降，但相比生化工艺中微生物降解活性的休眠状态所引起的污染物去除效率的下降幅度，还是比较轻微的。因此，通常可以认为，污水处理中的物化单元工艺过程一般对温度、pH、矿化度等因素的变化不很敏感，对污染物的氧化、沉降或絮凝效果比较稳定，这些物化处理单元工艺一般都是应用在后续的生化工艺之前，强化对污水中悬浮物、难生化降解的污染成分的氧化、絮凝或沉淀处理，在一定程度上能较大幅度地削减所处理的污水的中的污染物，减轻后续生化工艺的污染负荷。
但这些作为预处理措施的物化单元工艺，在一定程度上都将加大污水处理设施的运行成本，并产生大量不可通过生化降解过程进行减量化处理的化学污泥，并让水体中再次引入大量化学组分，因此，在低温环境中，将完整的污水处理工艺中的生化处理单元删减掉，或者单独强化物化处理工艺单元，都将不是低温污水处理工艺的最好选择。
由于生化工艺所具有的分解产物彻底、二次污染程度低和运行成本低等优点，因此，在常规的完整的污水处理工艺流程中，采取合适的技术措施，改善或强化生化工艺的反应器结构和运行方式，稳定微生物的降解活性，将是低温环境中污水处理工艺的较好选择之一。
而能在低温条件下保持生化工艺性能稳定性的关键主体则是活性污泥等微生物菌群中最适宜低温生长环境的微生物，这些喜低温生存环境、耐寒的微生物成为优势菌群。而这些最适宜低温运行条件的微生物群体，则需要从低温废水长期污染的环境中筛选、分离、富集和培养，最终将获得适于处理低温城市或工业废水的耐寒微生物菌群。
赵立军，博士论文 “低温污水生物强化处理技术应用研究”(哈尔滨工业大学，2007年)，专门针对东北冬季水温低(15℃)、水处理难度大的特点，从分析污水中特征污染物的角度入手，探讨了低温工程菌筛选与构建策略，分析了工程菌固定化载体的选择原则，并通过试验研究推导总结出可用于指导实际应用的生物质载体—菌丝球的生产与固定工程菌方法和参数，提出一种更为廉价高效的寒冷地区污水生物强化处理技术，以期为改善东北老工业基地水环境污染奠定基础。以污水中有机污染物的含量多少、对COD贡献大小和可生物降解性能为筛选原则，采用理化和GC-MS分析手段，确定石化废水中的特征污染物分别为石油烃类、苯胺类、苯酚类和显色有机物。针对特征污染物筛选出372株低温工程菌，并对其中44株高效菌进行了鉴定。发明将44株高效菌和29株库存菌种进行生态位组合构建，通过菌源重组、生态位分离和自适应的构建策略，得到了功能菌群C1、C2和C3。对构建的工程菌群进行了固定化研究，开发出了性能优良的生物质载体—菌丝球和生物亲和悬浮载体。经小试试验表明，两种填料均可以达到固定化目的，固定工程菌的反应器对污染物保持了较高的去除率。将构建并固定的工程菌群的生物填料投入二级A/O反应器，使反应器在低温条件下运行，研究二级A/O工艺对COD、NH4+-N、苯胺、苯酚、色度等的去除效果。结果显示，在HRT为17.5h、进水COD 504.11mg/L、进水NH4+-N 13.25mg/L的情况下，出水COD和NH4+-N分别为84.26mg/L和11.77mg/L。同时对中试装置出水的GC-MS分析表明，有机物的种类由未强化时的68种减少到了强化后的31种，出水的绝对石油烃含量、苯系物含量较未强化前都大幅度下降。为了探讨生物强化技术在污水厂低温启动中的应用效果，将构建的生物强化制剂投入哈尔滨太平污水厂A/O池，进行污水厂的低温快速启动，结果表明，采取活化菌液、生物菌剂与生物污泥共同投加的方式，在气温低于10℃、水温低于14℃的条件下，采用先异步后同步的复合培菌方法，可有效克服了低温、低负荷、贫营养、水量波动等不利因素的影响。
江苏鹏鹞集团研制开发的HSL好氧生物流化床技术，该法是通过在污水处理系统的生化反应池中，培养能分解有机污染物的微生物，使污水得以净化，发明即使水温降到4℃，处理装置在水力停留时间3小时的情况下，污水COD去除率也能稳定达到70%以上。
中国专利申请号200710065134.1发明“一株耐冷动性球菌在低温污水处理中的应用”，公开了一株耐冷动性球菌在低温污水处理中的应用。低温污水处理的方法是将耐冷动性球菌(Planococcus psychrotoleratus)AS 1.2722接种于污水中在10℃至25℃下培养，在较低的温度下，可以有效去除污水中淀粉、蛋白、脂肪和BOD、COD。此类专利证明，富集分离耐寒菌可成为保持污水低温处理效果稳定的有效途径之一。
但上述耐寒微生物如果仅采取直接投加至主体生化反应器的运行方式，则不能实现低温运行的稳定污染物处理效果。通常的工艺设计是：对这些耐寒微生物作包埋或表面固定化处理，因为这些被固定化处理的耐寒菌除了能在低温条件下仍可保持常温细菌的生物活性，而且被固定化的微生物，其抗水流冲击的能力都已经大大提高，因此，包埋固定化等方式处理过的耐寒微生物可以用来在低温条件下处理生活或城市污水，但这种工艺方法存在分离筛选困难、培养周期长、固定化效率低，以及工程应用的潜力小等不利因素;而目前很多的有关污水处理工艺的低温运行试验和实例，都是将目前已有的成熟的生化反应器或活性污泥运行工艺，普遍性地推广其在有低温常态出现的环境下运行，观察其降解效果的下降幅度，而据此采取相应的对策，如向反应器投加填料，构筑MBBR等反应器，在活性污泥体系中培植附着生长的生物膜，强化微生物活性对低温抑制的适应性和抗性，在低温条件下，尽可能地维持常规生化工艺运行的稳定性，但这些措施存在污泥黏度大、沉降性能差和耐寒菌富集困难，从而导致整体运行工艺处理效果低等缺陷。
发明内容
发明要解决的技术问题
针对每年经历季节性低温和干旱地区污水和工业污水的处理，低温严重影响污水生化处理在低温条件下的稳定运行，限制了常规污水处理工艺在低温、寒冷地区的正常设计、安装和应用，以及耐寒微生物存在分离筛选困难、培养周期长、固定化效率低和工程应用的潜力小等不利因素，本发明提供一种种可低温运行的污水处理方法，所用的方法主要是采用投加悬浮填料构成一体式复合浸没膜生物反应器，有效解决污水处理设施在秋冬低温环境下持续稳定地发挥污水处理效果的问题。
技术方案
本发明的原理为：
通过向反应器中投加已经表面固定耐寒微生物的中空悬浮填料，构置含有填料的一体式复合浸没膜生物反应器，利用超滤膜或微滤膜对细菌等微生物的高效截留作用，防止微生物随水流的损失;利用悬浮填料巨大的表面积和稳定的内环境，强化对细菌等微生物的表面固定化作用;在秋冬季低温运行的条件下，反应器可将活性污泥中的耐冷菌缓慢地附着、固定和富集于悬浮填料上，实现对耐冷菌的高效固定化和富集作用，从而维持复合浸没膜生物反应器对低温污水的稳定处理效果。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种可低温运行的污水处理方法，其步骤为：
(1)构建一体式复合膜生物反应器：
该一体式复合膜生物反应器包括进水口、隔网、过滤膜、出水口、微孔曝气装置和反应池，反应池和过滤膜下方均设置有微孔曝气装置，反应池与过滤膜之间通过隔网隔开，过滤膜为超滤膜或微滤膜;
(2)投加中空悬浮填料：
在一体式复合膜生物反应器中投加表面固定化耐寒菌的中空悬浮填料，利用悬浮填料巨大的表面积和稳定的内环境，强化对微生物的表面固定化作用，填料空间比例为30%~50%，驯化和挂膜周期为15~30天，在固定于悬浮填料上之前，耐寒菌被放于冰箱包藏，其中耐寒菌包括：耐冷细菌、耐冷放线菌和耐冷霉菌;
固定化耐寒菌的中空悬浮填料可加快和提高整个生化反应体系中耐寒菌的固定化和富集作用，因此，表面固定耐寒菌的中空填料、超滤膜或微滤膜以及耐低温环境的活性接种后的污泥等重要元素所构置的一体式复合浸没膜生物反应器，可以最大程度地实现对低温污水的稳定生化处理效果，并可实现污泥的减量化等环境效益。
(3)生化反应：
待处理污水由进水口进入一体式复合膜生物反应器，控制进水COD浓度在50~400mg/L之间，污泥浓度为2~4g/L，在反应池中，水力停留时间为11~13 h，对反应池进行微孔曝气，气水比为10：1~30：1，在低温运行的条件下，反应器中活性污泥中的耐冷菌缓慢地附着、固定和富集于悬浮填料上，实现对耐冷菌的高效固定化和富集作用，从而维持复合膜生物反应器对低温污水的稳定处理效果;
(4)泥水分离：
生化处理后的污水经过超滤膜或微滤膜进行泥水分离，对过滤膜进行微孔曝气，气水比为10：1~30：1，超滤膜或微滤膜对微生物具有高效的截留作用，微生物被截留在反应池中，处理后出水通过出水口排出。
其中的超滤膜或微滤膜可以高效地进行泥水分离，从而将几乎全部的微生物都截留在反应器中，而剩余污泥或脱落微生物碎屑在长期的自我消化和驯化过程中，还可实现污泥减量化，并可使耐寒菌逐步得到驯化和富集，最终可提高这些特性降解菌在整个生化反应体系中所占的比例，从而达到生化工艺逐渐适应处理低温污水的良好效果;本发明所用的反应器可以在5~15℃的低温运行，待气温逐渐升高后，反应器内部的微生物结构可自行调整，逐渐适应污水温度的变化，可维持污水处理装置的稳定运行，出水可达到国家污水排放标准。
更进一步地，步骤(2)中的中空悬浮填料为聚乙烯材质，填料呈空圆柱体，内部有十字支撑，密度小于水，空隙率为85%~90%，可供生物膜附着的比表面积为450~550m2/m3。
更进一步地，所述的隔网为尼龙或金属材质的网状物。
有益效果
本发明通过向反应器中投加已经表面固定耐寒微生物的中空悬浮填料，构置含有填料的一体式复合浸没膜生物反应器，采用本发明的技术方案，具有如下显著的效果：
(1)本发明通过向反应器中投加已经表面固定耐寒微生物的中空悬浮填料，构置含有填料的一体式复合浸没膜生物反应器，使得反应器可以在5~15℃的低温环境下运行，处理城市或工业污水的COD浓度在50~400mg/L之间，处理后出水COD浓度在50mg/L以下，COD去除率达85%以上;
(2)本发明利用表面固定耐寒菌的中空悬浮填料巨大的表面积及稳定的内环境，强化对细菌等微生物的表面固定化作用;
(3)本发明利用超滤膜或微滤膜可高效地进行泥水分离，从而将几乎全部的微生物都截留在反应器中，实现污泥减量化，并可使耐寒菌逐步得到驯化和富集，最终可提高这些特性降解菌在整个生化反应体系中所占的比例。