申请日2017.12.18
公开(公告)日2018.05.18
IPC分类号C02F3/28; C02F3/12; C02F3/34; C02F101/16
摘要
本发明涉及一种固定化厌氧氨氧化折流板—膜生物反应器处理城镇污水的装置与方法，所述装置是“微生物固定化+厌氧折流板反应器+膜生物反应器”于一体的集成系统，由进水系统、厌氧折流板反应器、膜生物反应器、出水系统、水浴循环系统5部分组成。采用“厌氧折流板—膜生物反应器”运行厌氧氨氧化工艺，并引入微生物固定化技术，将固定化微生物所用的无纺布载体放置于厌氧折流板反应器内部，以减少低水力停留时间条件下污泥流失，提高反应器运行负荷，同时减缓膜污染。膜生物反应器内部污泥定期回流至厌氧折流板反应器内。该工艺无需外加碳源，废水处理效果好，成本低且不存在污泥流失问题。
权利要求书
1.一种固定化厌氧氨氧化折流板—膜生物反应器处理城镇污水的装置，其特征是：采用集“微生物固定化+折流板反应器+膜生物反应器”于一体的集成系统处理城镇污水，所述装置由进水系统、厌氧折流板反应器、膜生物反应器、出水系统、水浴循环系统5个部分组成。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述的进水系统包括进水瓶和进水蠕动泵。进水瓶以橡胶塞封口，胶塞上需用打孔器钻出2个孔，并插入2根玻璃管，其中一根连接一个50L的气袋(防止进水后广口瓶内产生负压，影响进水速度或导致瓶壁破裂)，另一根连接进水蠕动泵的塑料管，塑料管的另一端接厌氧折流板反应器的进水口。蠕动泵的转速可设置为适宜的数值，以适应不同的水力停留时间。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述的厌氧折流板反应器由有机玻璃制成，反应器长33cm，宽13cm，高度16cm，持水高度14.5cm，有效容积5L，反应器分为4个隔室，每个隔室中上下流向格间宽度比为5∶2，折流板导向角45°。厌氧折流板反应器两侧上部设有进水口和出水口，外层设有水浴加热夹套，维持反应器温度为35℃。反应器每个隔室上部设有污泥回流口和取样口，且折流板反应器出水口与膜生物反应器的进水口相连接。反应器采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器性能的改变而改变。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述的膜生物反应器外形为圆柱形，反应器中部设有进水口，外层设有水浴加热夹套，维持反应器温度为35℃。膜组件放置在反应器内部，高度约为反应器3/4左右，膜组件出水口与反应器的出水管相连，压力计经三通管连接膜组件的出水管测定过膜压力。反应器进水口与折流板反应器出水口相连，反应器底部设有污泥回流管，定期将底部的厌氧氨氧化污泥回流至折流板反应器内。膜反应器采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器性能的改变而改变。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述的出水系统包括出水蠕动泵和出水瓶。出水蠕动泵的塑料管一端连接反应器的出水管，另一端通入出水瓶内。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述的水浴循环系统由水浴锅和加压泵组成，恒温水流经水浴锅、加压泵、厌氧折流板反应器和膜生物反应器水浴加热夹套构成了闭合循环回路，反应器内温度恒为35℃以确保厌氧氨氧化菌的正常生长。厌氧折流板反应器的水浴出水口和膜生物反应器的水浴进水口相连接，水浴锅与加压泵连接，恒温水在加压泵的作用下泵入厌氧折流板反应器和膜生物反应器水浴夹套。反应器的水浴进水口、水浴出水口与水浴加热夹套相通，水浴出水 口与水浴锅连接，恒温水重新回流至水浴锅内。即水浴锅内的恒温水经加压泵、水浴进水口流至水浴夹套，再由水浴夹套流至反应器水浴出水口并回流至水浴锅内，形成循环水浴系统。
7.一种利用权利要求1-6之一所述的装置处理城镇污水的方法，其特征包括以下步骤：
1)厌氧氨氧化的无纺布载体固定化
将无纺布载体与厌氧氨氧化污泥闷曝两天，闷曝结束后厌氧氨氧化菌在无纺布表面很好的附着，所述厌氧氨氧化污泥可以在厌氧的条件下使氨氮与亚硝氮直接反应生成氮气，优选的，来自厌氧序批式反应器培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50%-60%之间);
2)固定化厌氧折流板反应器的启动
将上述4片无纺布载体附着在不锈钢网上(骨架支撑)，分别投加至反应器内的4个隔室反应器内，反应器保持厌氧环境，控制温度为37℃，进水pH在7.3-7.8之间。进水氨氮和亚硝酸盐氮的浓度模拟城镇污水中氨氮的浓度为30mg/L，水力停留时间为24h，厌氧折流板反应器出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于5mg/L时，视为此反应器启动成功。
3)不断缩短反应器的水力停留时间至1h
当厌氧折流板反应器成功启动后，分别监测四个隔室的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度。当第四个隔室的氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于5mg/L时，缩短反应器的水力停留时间直至1h，且反应器能正常稳定运行，视为反应器运行成功。
4)定期将膜生物反应器内的厌氧氨氧化菌回流至折流板反应器内
固定化厌氧折流板反应器能有效截留厌氧氨氧化菌，但仍会有部分絮状污泥被膜组件拦截，定期将膜生物反应器内的污泥回流至折流板反应器四个隔室内，既能减缓膜污染情况，又能为折流板反应器补充少量菌源，有利于提高反应器脱氮性能。
说明书
一种用于城镇废水厌氧氨氧化生物脱氮的反应器装置与方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种利用厌氧折流板反应器结合膜生物反应器运行厌氧氨氧化并微生物固定化技术处理城镇污水的装置与方法。
背景技术
随着城市化和工业化的不断加快，城市人口剧增，城镇污水的产生量不断增加，已成为全国废水的主要组成成分。城镇污水中含有大量有机物、氨氮等，是造成水体富营养化，破坏水体生态平衡的主要因素。在过去十几年里，传统的脱氮工艺即硝化反硝化工艺已逐渐发展成熟，成为目前应用最为广泛的生物脱氮技术。传统的硝化-反硝化工艺虽曾在脱氮方面做出了不少贡献，但其缺陷也非常明显—基建费用高、运行和动力成本高、缓冲能力差、脱氮效率低且易造成二次污染。随着国家对污水处理排放标准要求的提高，传统脱氮工艺已不能满足要求。
近年来，以厌氧氨氧化为代表的新型生物脱氮工艺成为了水处理领域的研究热点。与传统硝化反硝化工艺相比它具有很大的优越性①氮去除负荷高;②生化反应过程不需要氧气，供氧能耗下降;③不再需要外加有机物作为电子供体;④剩余污泥量少;⑤产碱量为零，减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，同时还能减轻二次污染。但是，厌氧氨氧化菌生长十分缓慢，产率低。对环境条件要求严苛，导致反应器启动时间过长。采用厌氧氨氧化工艺处理城镇污水时，由于城镇污水来水量大，氨氮浓度较低，且厌氧氨氧化反应氮去除负荷高，导致反应器的水力停留时间大大缩短，因此选择合适的反应器，降低厌氧氨氧化菌种的流失，是应用厌氧氨氧化处理城镇污水的关键。目前常使用的反应器类型有膜生物反应器和序批式反应器，采用膜生物反应器处理城镇污水，膜的高效截留作用能将微生物完全截留在反应器内，但膜污染不可避免，致使运行成本增加，若采用序批式反应器运行厌氧氨氧化工艺，其沉淀时间会随水力停留时间的降低而降低，菌种流失现象严重，反应器运行不稳定。而厌氧折流板反应器具有可耐受高负荷、生物截留能力强、易于固液分离等特点，对培养增殖速度缓慢的厌氧氨氧化菌具有较好的菌体持留能力，因此本发明采用厌氧折流板反应器运行厌氧氨氧化工艺处理低浓度城镇污水，能在水力停留时间较低的条件下有效截留厌氧氨氧化菌，保证出水水质良好。
微生物固定化就是用物理或化学方法将微生物固定在一定的空间内，以提高微生物的浓度同时保证生物活性。本发明以无纺布为固定化载体，将无纺布放置于厌氧折流板反应器的四个隔室内，达到富集厌氧氨氧化菌，提高反应器负荷的目的，同时能有效防止厌氧氨氧化的流失。
本发明在厌氧折流板反应器后连接膜生物反应器，同时设置污泥回流装置，定期将膜生物反应器内污泥回流至厌氧折流板反应器。膜生物反应器是膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，易于富集污泥龄较长的微生物。为进一步提高出水水质，防止污泥的流失，厌氧折流板反应器高的生物截留能力及微生物固定化技术的应用大大减缓了膜生物反应器膜污染，保证整个体系的稳定运行。
发明内容
为了克服现有的生物脱氮技术处理城镇污水时出水总氮不能达标、运行成本高、低水力停留时间条件下污泥流失严重的问题，本发明提出了一种集“微生物固定化+厌氧折流板反应器+膜生物反应器”于一体的集成系统用于城镇废水生物脱氮，为城镇污水的达标处理提供了有效的工艺模式与反应器形式，该工艺流程简单、成本与能耗低、出水水质良好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是利用厌氧折流板—膜生物反应器运行厌氧氨氧化并耦合微生物固定化技术处理城镇污水的装置与方法，其特征在于：采用厌氧折流板反应器运行厌氧氨氧化工艺，可以在较低水力停留时间条件下持留生长速率缓慢的厌氧氨氧化菌。引入微生物固定化技术，不仅提高反应器的运行负荷，提高反应器运行性能，载体对微生物良好的亲和性能有效减缓在厌氧折流板反应器之后串联的膜生物反应器膜污染情况，厌氧折流板反应器后加膜生物反应器能完全的避免菌群的流失，同时提高反应器出水水质。
装置由进水系统、厌氧折流板反应器、膜生物反应器、水浴循环系统和出水系统5个部分组成。
进水系统包括进水瓶和进水蠕动泵。进水瓶以橡胶塞封口，胶塞上需用打孔器钻出2个孔，并插入2根玻璃管，其中一根连接一个50L的气袋(防止进水后广口瓶内产生负压，影响进水速度或导致瓶壁破裂)，另一根连接进水蠕动泵的塑料管，塑料管的另一端接厌氧折流板反应器的进水口。蠕动泵的转速可设置为适宜的数值，以适应不同的水力停留时间。
厌氧折流板反应器由有机玻璃制成，反应器长33cm，宽13cm，高度16cm，持水高度14.5cm，有效容积5L，反应器分为4个隔室，每个隔室中上下流向格间宽度比为5∶2，折流板导向角45°。厌氧折流板反应器两侧上部设有进水口和出水口，外层设有水浴加热夹套，维持反应器温度为35℃。反应器每个隔室上部设有污泥回流口和取样口，且折流板出水口与膜生物反应器的进水口相连接。反应器采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器性能的改变而改变。
膜生物反应器外形为圆柱形，反应器中部设有进水口，外层设有水浴加热夹套，维持反应器温度为35℃。膜组件放置在反应器内部，高度约为反应器3/4左右，膜组件出水口与反应器的出水管相连，压力计经三通管连接膜组件的出水管测定过膜压力。反应器进水口与折流板反应器出水口相连，反应器底部设有污泥回流管，定期将底部的厌氧氨氧化污泥回流至折流板反应器内。膜反应器采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器性能的改变而改变。
本发明所用载体为无纺布，所述载体与微生物细胞具有很好的亲和性，持水率高，耐生物降解，有利于微生物固定化。微生物细胞被固定在载体上，可以大大提高微生物对有毒物质的承受能力，载体对微生物的吸附作用可以减缓膜污染。将4片长为13cm，宽为15cm的无纺布(每个隔室的长13cm，宽16cm)附着在不锈钢网上(骨架支撑)放置于4个隔室内。
出水系统包括出水蠕动泵和出水瓶。出水蠕动泵的塑料管一端连接反应器的出水管，另一端通入出水瓶内。
水浴循环系统由水浴锅和加压泵组成，恒温水流经水浴锅、加压泵、厌氧折流板反应器和膜生物反应器水浴加热夹套构成了闭合循环回路，反应器内温度恒为35℃以确保厌氧氨氧化菌的正常生长。厌氧折流板反应器的水浴出水口和膜生物反应器的水浴进水口相连接，水浴锅与加压泵连接，恒温水在加压泵的作用下泵入厌氧折流板反应器和膜生物反应器水浴夹套。反应器的水浴进水口、水浴出水口与水浴加热夹套相通，水浴出水口与水浴锅连接，恒温水重新回流至水浴锅内。即水浴锅内的恒温水经加压泵、水浴进水口流至水浴夹套，再由水浴夹套流至反应器水浴出水口并回流至水浴锅内，形成循环水浴系统。
本发明所用到的厌氧氨氧化污泥不拘于此来源，凡是具有厌氧氨氧化功能的污泥均可用于启动厌氧氨氧化反应器。
本发明所用的载体具有良好的持水性及微生物负载量，有利于微生物的固定化，凡具有此作用的载体都用于微生物固定化。
利用上述的装置进行厌氧氨氧化处理城镇污水的方法包括以下步骤：
1)厌氧氨氧化的无纺布载体固定化
将4片长为13cm，宽为15cm的无纺布(每个隔室的长13cm，宽16cm)与厌氧氨氧化污泥(所述厌氧氨氧化污泥可以在厌氧的条件下使氨氮与亚硝氮直接反应生成氮气，优选的，来自厌氧序批式反应器培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50%-60%之间)闷曝两天，闷曝结束后厌氧氨氧化菌在无纺布表面很好的附着。
2)固定化厌氧折流板反应器的启动
将上述4片无纺布载体附着在不锈钢网上(骨架支撑)，分别投加至反应器内的4个隔室反应器内，反应器保持厌氧环境，控制温度为37℃，进水pH在7.3-7.8之间。进水氨氮和亚硝酸盐氮的浓度模拟城镇污水中氨氮的浓度为30mg/L，水力停留时间为24h，厌氧折流板反应器出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于5mg/L时(国家污水处理厂出水一级A标准)，视为此反应器启动成功。
3)不断缩短反应器的水力停留时间至1h
当厌氧折流板反应器成功启动后，分别监测四个隔室的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度。当第四个隔室的氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于5mg/L时，缩短反应器的水力停留时间直至1h，且反应器能正常稳定运行，视为反应器运行成功。
4)定期将膜生物反应器内的厌氧氨氧化菌回流至折流板反应器内
固定化厌氧折流板反应器能有效截留厌氧氨氧化菌，但仍会有部分絮状污泥被膜组件拦截，定期将膜生物反应器内的污泥回流至折流板反应器四个隔室内，既能减缓膜污染情况，又能为折流板反应器补充少量菌源，有利于提高反应器脱氮性能。
技术原理
厌氧氨氧化反应是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以亚硝氮为电子受体，氧化氨氮为氮气的生物过程[式(1)]。由于厌氧氨氧化菌是自养型细菌，因此该反应无需添加外源有机物质，能够在完全无机的条件下运行。又由于厌氧氨氧化菌对氧气敏感，因此厌氧氨氧化反应必须在低氧环境中实施。在固定化厌氧折流板反应器启动运行的过程中，需要严格控制溶解氧的含量在0-0.1mg/L之间。
用厌氧折流板反应器运行厌氧氨氧化工艺时，反应器在低水力停留时间条件下仍能保持高的生物截留量和高氨氮去除负荷，厌氧折流板反应器是应用厌氧氨氧化处理城镇污水的有效形式。
膜生物反应器能够完全截留从厌氧折流板反应器内流失的部分厌氧氨氧化菌，并定期回流至反应器内。同时膜组件可进一步提高出水水质。
本发明所用载体为无纺布，与微生物细胞具有很好的亲和性，能有效减缓厌氧氨氧化菌的流失。载体对微生物及无机盐等物质的吸附作用是减缓膜污染的主要原因。载体对微生物也具有一定的保护作用，使反应器负荷提高，运行性能更稳定。
本发明的固定化厌氧氨氧化折流板反应器联合膜生物反应器处理城镇污水的装置与方法与现有工艺相比有如下优点：
1.该工艺与传统生物脱氮工艺相比，氮去除负荷高，无需额外投加有机碳源，无需曝气，剩余污泥量小，占地面积小，工艺流程简单，基建与运行费用低。
2.固定化厌氧折流板反应器可耐受高负荷，易于固液分离，能在水力停留时间较低的条件下有效截留生长缓慢的厌氧氨氧化菌，保证良好的出水水质。
3.无纺布载体具有良好的持水性及微生物负载量，能有效固定厌氧氨氧化菌，防止其在低水力停留时间条件下流失，提高反应器的氮去除负荷。载体对微生物和无机盐离子等物质的吸附作用减缓了膜污染，也使反应器的运行性能更加稳定。
4.膜生物反应器可以完全截留厌氧折流板反应器流失的厌氧氨氧化细菌并定期回流补充厌氧折流板反应器菌量。膜组件可进一步提高出水水质。