申请日2019.01.09
公开(公告)日2019.03.19
IPC分类号C02F3/30; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器及废水处理方法，将污水稀释后输送至厌氧产甲烷反应器，厌氧产甲烷反应器内投放有孔径为1～10μm、孔隙率超过80%的微生物载体，微生物载体上的厌氧氨氧化菌为经过驯化后，用于将污水中的亚硝态氮和氨氮转化为氮气和硝态氮，第一回流路径连通活性污泥好氧区和活性污泥缺氧区，第二回流路径联通活性污泥厌氧区与活性污泥缺氧区，第三回流路径联通活性污泥缺氧区和活性污泥好氧区，可将活性污泥缺氧区中的污泥混合液通过第一回流路径、第二回流路径、第三回流路径回流至厌氧产甲烷反应器、活性污泥厌氧区、活性污泥缺氧区的回水口，使污水和活性污泥在厌氧条件下发生水解酸化、产酸和产甲烷三个过程。
权利要求书
1.一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，包括通过排水管顺次连接的进水池(1)、厌氧产甲烷反应器(3)、活性污泥厌氧区(9)、活性污泥缺氧区(11)以及活性污泥好氧区(16)，所述活性污泥好氧区(16)内设置有膜组件(18)，其特征在于，所述厌氧产甲烷反应器(3)内投放有孔径为1～10μm、孔隙率超过80%的微生物载体，微生物载体上定植有厌氧氨氧化菌，所述活性污泥好氧区(16)和活性污泥缺氧区(11)的底部通过第一回流路径连通所述厌氧产甲烷反应器(3)，所述活性污泥厌氧区(9)与活性污泥缺氧区(11)的底部通过第二回流路径联通，活性污泥缺氧区(11)通过第三回流路径联通所述活性污泥好氧区(16)，活性污泥厌氧区(9)与活性污泥好氧区(16)的池容之比大于2，所述厌氧产甲烷反应器(3)的顶部设置有所述三相分离器(6)，所述三相分离器(6)的沼气排出管与水封(8)连接，水封(8)中盛装碳酸钙水溶液。
2.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述活性污泥厌氧区(9)、活性污泥缺氧区(11)内均设有水底搅拌机(12)，所述活性污泥好氧区(16)内设有曝气器(19)，所述曝气器(19)设置在所述膜组件(18)的下方，曝气器(19)通过进风管连接有鼓风机(15)，鼓风机(15)为所述曝气器(19)提供充足的气流。
3.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述厌氧产甲烷反应器(3)的一侧纵向设置有多个取样管(5)，多个所述取样管(5)上均安装有取样阀门(51)。
4.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述厌氧产甲烷反应器(3)内设有布水管(4)，所述进水池(1)通过所述排水管连通所述厌氧产甲烷反应器(3)内的布水管(4)，排水管上安装有进水泵(2)，所述布水管(4)的上端面布设有布水孔，所述进水池(1)通过进水泵(2)将污水输送至厌氧产甲烷反应器(3)底部的布水管(4)。
5.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述厌氧产甲烷反应器(3)的顶部设有集水堰(7)，所述集水堰(7)通过所述排水管连通所述活性污泥厌氧区(9)。
6.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述微生物载体由以下任意一种或多种微孔颗粒组成：聚醚砜颗粒、聚砜颗粒、聚丙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚四氟乙烯颗粒、醋酸纤维素颗粒、聚乙烯醇凝胶颗粒、丙烯酰胺凝胶颗粒、聚乙二醇凝胶颗粒、聚氨酯颗粒、聚偏二氯乙烯颗粒，所述微生物载体的孔径为3～7μm、孔隙率为87%～93%。
7.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述微生物载体的投加量占厌氧产甲烷反应器(3)的容积的1/20～1/2。
8.根据权利要求1所述的一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，其特征在于，所述膜组件(18)连接有膜过滤抽吸泵(17)，所述第一回流路径均设有第一循环泵(13)，第二回流路径、第三回流路径上均设有第二循环泵(14)，所述第一回流路径通过调节阀(20)连接所述活性污泥好氧区(16)和活性污泥缺氧区(11)。
9.采用权利要求1～8中任意一项所述的同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器进行废水处理的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1:将污水输送至进水池(1)内，稀释至有机物浓度为1000mg(COD)/L～5000mg(COD)/L;
步骤S2:将微生物载体投加于厌氧产甲烷反应器(3)中，启动进水泵(2)，将进水池(1)内的污水输送至厌氧产甲烷反应器(3)底部的布水管(4)，从布水孔喷出的污水形成上升水流，与微生物载体充分接触，直至污水灌满厌氧产甲烷反应器(3);
步骤S3：待厌氧产甲烷反应器(3)将污水稀释至有机物浓度为100mg(COD)/L～800mg(COD)/L，将稀释后的污水顺次灌满活性污泥厌氧区(9)、活性污泥缺氧区(11)、活性污泥好氧区(16);
步骤S4：停止进水泵(2)、第一循环泵(13)和膜过滤抽吸泵(17)，开启两个所述第二循环泵(14)和鼓风机(15)，接通第二回流路径、第三回流路径，所述活性污泥厌氧区(9)、活性污泥缺氧区(11)以及活性污泥好氧区(16)之间形成短循环污水处理路径，让各个区中的微生物处于驯化状态;
步骤S5：当水封(8)的沼气产量明显增加时，关闭两个所述第二循环泵(14)，断开第二回流路径、第三回流路径，开启第一循环泵(13)，所述活性污泥缺氧区(11)、活性污泥好氧区(16)与所述厌氧产甲烷反应器(3)之间形成长循环污水处理路径，从活性污泥缺氧区(11)与活性污泥好氧区(16)将悬浮液回流至厌氧产甲烷反应器(3);通过两个所述调节阀(20)来调节从活性污泥好氧区(16)与活性污泥缺氧区(11)的回流量，启动伊始，主要从活性污泥缺氧区(11)回流悬浮液，逐步增加从活性污泥好氧区(16)回流至厌氧产甲烷反应器(3)的回流量，将第一回流路径的回流量控制在150kg/h～320kg/h，每天监测水封(8)的沼气产量和取样管(5)的水样的pH值;
步骤S6：当水封(8)的沼气产量没有明显下降时，逐步增加第一回流路径的回流量，将回流量调节为380kg/h～600kg/h;当水封(8)的沼气产量明显增加时，每天定时开启膜过滤抽吸泵(17)将水排除出，然后开启进水泵(2)将污水输送至厌氧产甲烷反应器(3)，进水泵(2)输入的污水量与膜过滤抽吸泵(17)的排水量持平，使沼气产量没有明显减小，以此增加厌氧产甲烷反应器(3)的进水负荷;
步骤S7：所述活性污泥厌氧区(9)内污水的容量至少为所述活性污泥好氧区(16)内污水容量的2倍，当进水负荷达到预设负荷时，每天从厌氧产甲烷反应器(3)底部取出部分活性污泥;
步骤S8：将取出的活性污泥回收溶解于水中，将活性污泥中的磷元素析出作为肥料。
10.根据权利要求9所述的采用同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器进行废水处理的方法，其特征在于：步骤S1中污水输送至所述进水池(1)后被稀释至有机物浓度为2000mg(COD)/L～3000mg(COD)/L;步骤S3中所述的厌氧产甲烷反应器(3)将污水稀释至有机物浓度为200mg(COD)/L～500mg(COD)/L;步骤S5中所述的第一回流路径的回流量控制在150kg/h～300kg/h;步骤S6：所述的第一回流路径的回流量调节为380kg/h～450kg/h。
说明书
同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器及废水处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理系统领域，特别涉及一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器及废水处理方法。
背景技术
养猪场污水含有高浓度有机物，化学需氧量高达8000mg(COD)/L，还含有大量氮、磷等营养物质，总氮含量可高达1900mg(N)/L，总磷含量可高达150mg(P)/L。一旦养猪场污水进入地表水体就会引起地表水体严重缺氧、水生生物死亡，而且还引起水体富营养化、造成土壤和地下水污染等环境影响。
当前，养猪场污水的处理主要有厌氧消化和好氧活性污泥法等生物处理方法。养猪场的污水首先进入厌氧消化池，然后再对厌氧消化池的出水进行好氧活性污泥法处理。这一生物处理工艺往往难以奏效，细究其原因在于，养猪场污水中的高浓度铵氮影响了好氧活性污泥法的生物活性，在厌氧消化池，大量有机物被厌氧菌转化成甲烷和二氧化碳，厌氧出水的有机物浓度明显降低，厌氧消化的串联代谢反应不能去除水体中的铵氮，相反，水解反应将进水悬浮物分解成铵和溶解性有机物，从而厌氧消化池出水的铵浓度不降反升。厌氧消化池出水的铵氮与有机物的比例(g(N)/g(COD))常常超过30%g(N)/g(COD)，很多情形甚至高达40%以上g(N)/g(COD)。这样，厌氧消化池的出水往往呈现强烈的碱性，水体的pH值高达9～10。众所周知，当水体的pH值超过8时，活性污泥法的微生物活性将受到严重抑制。这就是当前普遍采用的厌氧消化-后续好氧活性污泥法的生物处理工艺之所以失效的原因。
因此，有必要研发一款集厌氧消化和好氧活性污泥反应于一体的膜生物反应器以及公开采用该膜生物反应器进行废水处理的方法，该膜生物反应器可实现回流循环反应处理，可以在厌氧产甲烷反应器内同步实现产甲烷反应、厌氧氨氧化反应和厌氧甲烷氧化反应，从而显著地减小厌氧产甲烷反应器出水的铵浓度，进而减小厌氧出水碱性过高对活性污泥上的微生物活性的抑制。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器及废水处理方法，该反应器可有效提高活性污泥中菌种的活性，改善净化效果，提高污水的净化率。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器，包括通过排水管顺次连接的进水池、厌氧产甲烷反应器、活性污泥厌氧区、活性污泥缺氧区以及活性污泥好氧区，所述活性污泥好氧区内设置有膜组件，所述厌氧产甲烷反应器内投放有孔径为1～10μm、孔隙率超过80%的微生物载体，微生物载体上定植有厌氧氨氧化菌，所述活性污泥好氧区和活性污泥缺氧区的底部通过第一回流路径连通所述厌氧产甲烷反应器，所述活性污泥厌氧区与活性污泥缺氧区的底部通过第二回流路径联通，活性污泥缺氧区通过第三回流路径联通所述活性污泥好氧区，活性污泥厌氧区与活性污泥好氧区的池容之比大于2，所述厌氧产甲烷反应器的顶部设置有所述三相分离器，所述三相分离器的沼气排出管与水封连接，水封中盛装碳酸钙水溶液。
作为优选，所述活性污泥厌氧区、活性污泥缺氧区内均设有水底搅拌机，所述活性污泥好氧区内设有曝气器，所述曝气器设置在所述膜组件的下方，曝气器通过进风管连接有鼓风机，鼓风机为所述曝气器提供充足的气流。
作为优选，所述厌氧产甲烷反应器的一侧纵向设置有多个取样管，多个所述取样管上均安装有取样阀门。
作为优选，所述厌氧产甲烷反应器内设有布水管，所述进水池通过所述排水管连通所述厌氧产甲烷反应器内的布水管，排水管上安装有进水泵，所述布水管的上端面布设有布水孔，所述进水池通过进水泵将污水输送至厌氧产甲烷反应器底部的布水管。
作为优选，所述厌氧产甲烷反应器的顶部设有集水堰，所述集水堰通过所述排水管连通所述活性污泥厌氧区。
作为优选，所述微生物载体由以下任意一种或多种微孔颗粒组成：聚醚砜颗粒、聚砜颗粒、聚丙烯颗粒、聚偏氟乙烯颗粒、聚四氟乙烯颗粒、醋酸纤维素颗粒、聚乙烯醇凝胶颗粒、丙烯酰胺凝胶颗粒、聚乙二醇凝胶颗粒、聚氨酯颗粒、聚偏二氯乙烯颗粒，所述微生物载体的孔径为3～7μm、孔隙率为87%～93%。
作为优选，所述微生物载体的投加量占厌氧产甲烷反应器的容积的1/20～1/2。
作为优选，所述膜组件连接有膜过滤抽吸泵，所述第一回流路径均设有第一循环泵，第二回流路径、第三回流路径上均设有第二循环泵，所述第一回流路径通过调节阀连接所述活性污泥好氧区和活性污泥缺氧区。
采用所述的同步厌氧氨氧化和产甲烷的膜生物反应器进行废水处理的方法，包括如下步骤：
步骤S1:将污水输送至进水池内，稀释至有机物浓度为1000mg(COD)/L～5000 mg(COD)/L;
步骤S2:将微生物载体投加于厌氧产甲烷反应器中，启动进水泵，将进水池内的污水输送至厌氧产甲烷反应器底部的布水管，从布水孔喷出的污水形成上升水流，与微生物载体充分接触，直至污水灌满厌氧产甲烷反应器;
步骤S3：待厌氧产甲烷反应器将污水稀释至有机物浓度为100mg(COD)/L～800 mg(COD)/L，将稀释后的污水顺次灌满活性污泥厌氧区、活性污泥缺氧区、活性污泥好氧区;
步骤S4：停止进水泵、第一循环泵和膜过滤抽吸泵，开启两个所述第二循环泵和鼓风机，接通第二回流路径、第三回流路径，所述活性污泥厌氧区、活性污泥缺氧区以及活性污泥好氧区之间形成短循环污水处理路径，让各个区中的微生物处于驯化状态;
步骤S5：当水封的沼气产量明显增加时，关闭两个所述第二循环泵，断开第二回流路径、第三回流路径，开启第一循环泵，所述活性污泥缺氧区、活性污泥好氧区与所述厌氧产甲烷反应器之间形成长循环污水处理路径，从活性污泥缺氧区与活性污泥好氧区将悬浮液回流至厌氧产甲烷反应器;通过两个所述调节阀来调节从活性污泥好氧区与活性污泥缺氧区的回流量，所述活性污泥缺氧区的硝态氮(包括硝酸盐和亚硝酸盐)浓度较低，活性污泥好氧区的硝态氮浓度较高，启动伊始，主要从活性污泥缺氧区回流悬浮液，逐步增加从活性污泥好氧区回流至厌氧产甲烷反应器的回流量，从所述活性污泥缺氧区和活性污泥好氧区回流的硝态氮(包括硝酸盐和亚硝酸盐)会引发厌氧产甲烷反应器内的厌氧氨氧化反应和厌氧产甲烷反应，取样管的水样的pH值会降低，第一回流路径的回流量不宜过大，否则会明显地减小水封的沼气产量，将第一回流路径的回流量控制在150kg/h～320kg/h，每天监测水封的沼气产量和取样管的水样的pH值;
步骤S6：当水封的沼气产量没有明显下降时，逐步增加第一回流路径的回流量，将回流量调节为380kg/h～600kg/h;当水封的沼气产量明显增加时，每天定时开启膜过滤抽吸泵将水排除出，然后开启进水泵将污水输送至厌氧产甲烷反应器，进水泵输入的污水量与膜过滤抽吸泵的排水量持平，使沼气产量没有明显减小，以此增加厌氧产甲烷反应器的进水负荷;
步骤S7：所述活性污泥厌氧区内污水的容量至少为所述活性污泥好氧区内污水容量的 2倍，当进水负荷达到预设负荷时，每天从厌氧产甲烷反应器底部取出部分活性污泥;
步骤S8：将取出的活性污泥回收溶解于水中，将活性污泥中的磷元素析出作为肥料。
作为优选，步骤S1中污水输送至所述进水池后被稀释至有机物浓度为2000 mg(COD)/L～3000mg(COD)/L;步骤S3中所述的厌氧产甲烷反应器将污水稀释至有机物浓度为200mg(COD)/L～500mg(COD)/L;步骤S5中所述的第一回流路径的回流量控制在 150kg/h～300kg/h;步骤S6：所述的第一回流路径的回流量调节为380kg/h～450kg/h。
与现有的污水处理技术相比，本发明具有以下特点：
(1)由于在厌氧产甲烷反应器内发生了厌氧氨氧化反应和厌氧甲烷氧化反应，游离氨对厌氧消化的串联代谢反应的抑制作用减弱;厌氧出水的铵浓度减小，导致后续活性污泥法的微生物活性较高，而且本发明膜生物反应器完全消除了污水中高浓度铵带来的微生物抑制作用，膜生物反应器的微生物活性较高，生物处理系统能够长期稳定地运行。
(2)本发明公布的膜生物反应器具备生物储磷功能，污水中的磷沉淀到剩余污泥中回收利用，膜生物反应器出水不含悬浮物，出水的有机物浓度、氮浓度和磷浓度均相当低，出水可以作为地表水再生使用。
(3)本发明公布的膜生物反应器将污水中的有机物转化成甲烷，作为能源回收利用。