CN107381788B - 一种用于污水深度处理的双级膜曝气生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
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***能够对城镇生活污水进行深度处理，解决单级MABR***无法进一步脱除低浓度有机物、氨氮和总氮等问题；双级MABR***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。
Description
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***、布水***、进水***以及出水***；所述出水***包含出水口；所述进水***包含进水口；所述布水***包含前置布水器和后置布水器；所述循环***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***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***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***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***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***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***操作简便，氧利用率高，生物活性高，污泥产量低，能耗低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1 双级MABR处理城镇生活污水示意图
图2 双级MABR装置运行流程图
图3 二级MABR生物膜群落构建示意图
a1、A-空压机 a2、A-进气阀 a3、A-气压表 a4、中空纤维膜-生物膜（自然挂膜）a5、A-pH计 a6、A-溶氧仪 a7、A-取样池 a8、A-循环泵 a9、A-液体流量计 a10、A-布水器a11、蠕动泵 a12、A-曝气头 a13、A-排水口 a14、连接管 a15、进水管 a16、A-进水口 a17、A-出水口 a18、A-排气阀 a19、A-水阀 a20、A-排水阀 a21、A-缓冲区
b1、B-空压机 b2、B-进气阀 b3、B-气压表 b4、中空纤维膜-生物膜（人工挂膜）b5、B-pH计 b6、B-溶氧仪 b7、B-取样池 b8、B-循环泵 b9、B-液体流量计 b10、B-布水器b11、B-曝气头 b12、B-排水口 b13、B-出水管 b14、B-进水口 b15、B-出水口 b16、B-排气阀b17、B-水阀 b18、B-排水阀 b19、B-缓冲区
41、氨氧化古菌（AOA） 42、中空纤维膜壁 43、中空纤维膜腔 44、AOA聚集体 45、反硝化菌 46、好氧消化菌 47、AOA生物膜 48、好氧消化菌生物膜 49、反硝化菌生物膜。
具体实施方式
提供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；所述缓冲罐与所述一级MABR装置左上角的A-进水口a16通过进水管a15连接，所述进水管a15中间连接蠕动泵a11；所述一级MABR装置的右上角有A-出水口a17，所述二级MABR装置的左上角部分有B-进水口b14，所述A-出水口a17和所述B-进水口b14的液位差高度在10 cm-20 cm，所述A-出水口a17和所述B-进水口b14之间由连接管a14连通。
所述缓冲罐的污水通过A-蠕动泵a11和进水管a15进入所述一级MABR装置A-缓冲区a21底部，然后依次通过A-布水器a10、中空纤维膜-生物膜（自然挂膜）a4，最后经A-出水口a17进入连接管a14；连接管a14中的初级处理污水在液位差的作用下通过B-进水口b14进入二级MABR装置的B-缓冲区b19，然后依次通过B-布水器b10、中空纤维膜-生物膜（人工挂膜）b4，最后经B-出水口b15进入出水管b13完成深度处理；
所述缓冲罐为有机玻璃构建的长方体箱，用以接收在污水处理厂经过物化预处理的城镇污水处理；
所述一级MABR装置和二级MABR装置均包含膜组件、生物膜、膜池、曝气***、循环***、布水***、检测***、进水***以及出水***；
所述膜组件包含曝气头、气管、中空纤维膜丝、进气阀、排气阀；优选，所述进气阀和排气阀为二通单向气阀；
所述生物膜为附着生长在膜丝表面的微生物群落聚集体；优选，生物膜中的功能菌群呈现空间和功能分层结构；
所述膜池是有机玻璃构建的长方体箱，用作膜组件和污水的载体；
所述曝气***包含空压机、气管、气阀、气压表；优选，所述气阀采用二通单向气阀；
所述循环***包含蠕动泵、流量计、阀门、水管；优选，所述阀门采用二通双向水阀；
所述布水***包含前置布水器、后置布水器；优选，构成所述布水器的板材为有机玻璃，所述板材上半部均匀分布有直径为0.5-0.8cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.7-2.0cm；所述板材下半部均匀分布有直径为0.3-0.5 cm圆孔，相邻圆孔的圆心距为1.3-1.5 cm；所述上半部分圆孔孔径范围比所述下半部分圆孔孔径范围大的益处在于较好地平衡水体在上半部分和下半部分的流速分布，从而使水体在膜池中的流速大小分布均匀。
所述检测***包含pH计、溶氧仪、储液罐；
所述进水***包含抽水泵、水管；
所述出水***包含出水口、出水管、排水阀、排水管；
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；
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，低于该范围导致生物膜负荷过高，无法达到有效处理，高于该范围导致膜成本高，且膜丝聚集成团，生化处理效果不理想；
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；
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；
优选，所述膜曝气生物膜反应器运行温度为室温，也即25℃±1℃；
所述膜曝气生物膜反应器为连续进水；
优选，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，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；
优选，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，用于处理高负荷污水，所述二级MABR装置的膜丝有效比表面积为200-300 m2/m3，用于处理低负荷污水；
所述一级MABR装置和二级MABR装置生物膜的形成过程不同：
所述一级MABR装置生物膜通过自然挂膜法形成；
所述自然挂膜方法如下：从AAO污水处理厂二级生化池取剩余污泥作为接种污泥，挂膜期间采用批量进水法进水，所采用的水为实验室配置的模拟生活污水（200 mg/L≤COD ≤ 300 mg/L，40 mg/L ≤ 氨氮 ≤ 50 mg/L，4 mg/L ≤ 硝酸盐氮 ≤ 5 mg/L，2 ≤碳氮质量比（C/N）≤ 10，1 mg/L ≤总磷≤ 2 mg/L，pH为7.5-8.0）；按照所述接种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，批量进入膜池，所述循环***的循环流速控制在2-3 cm/s，所述膜池的水体为混流，用以增加微生物与所述一级MABR装置膜丝表面的接触频率；优选，批量进水的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，采用连续进水法进水，具体操作如下：逐级增大城镇生活污水在混合污水（城镇生活污水和模拟生活污水）中的比例，每次替换率为10%，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，停止膜的驯化；
所述二级MABR装置生物膜通过人工挂膜法形成；
所述人工挂膜方法如下：
从AAO污水处理厂二级生化单元的低溶解氧（<0.5 mg/L）和低氨氮浓度（<0.5 mg/L）以及有机碳源较少的区域采集AOA接种污泥；随后采用高通量测序法和定量PCR法分析鉴定所述AOA接种污泥的结构组成和丰度大小；在实验室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500 mL摇瓶进行摇床培养；添加0.1-0.2%的青霉素用来抑制细菌生长；所述摇床培养20-24 h后，用0.1-0.3 μm滤膜富集AOA菌种；将富集的AOA菌种和所述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；将所配合的含低浓度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从所述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（主要是反硝化菌），当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时结束挂膜；然后进行生物膜的驯化，该驯化采用置换法二，采用连续进水法进水，具体操作如下：逐级增大取自所述AAO污水处理厂二级生化单元出水在混合污水（所述AAO污水处理厂二级生化单元出水和所述寡营养有机含氮污水）中的比例，每次替换率为10%，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，停止膜的驯化。
通过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;通过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；通过自然挂膜法形成的生物膜在高浓度氨氮生活污水中具有同时脱氮除碳功能，通过人工挂膜法形成的生物膜在较低浓度氨氮生活污水中具有同时脱氮除碳功能；相对于传统同向传质生物膜，异向传质生物膜具备同时脱氮除碳功能，本发明中所涉及的生物膜均为异向传质生物膜，但是，现有的异向传质生物膜通过自然挂膜法形成，生物膜中的氨氧化菌主要为氨氧化细菌AOB，该菌在低浓度氨氮环境下氨氧化活性较低，无法进行氨氮污染物的进一步氧化，进而导致总氮无法脱除；本发明所涉及到的通过人工挂膜法形成的生物膜中含有大量的氨氧化古菌AOA，该菌适合在低氨氮浓度环境下发挥氨氧化功能，所以能够对低浓度氨氮生活污水进行深度处理。
正常运行的工序条件：污水来自生活污水处理厂，在厂内经过简单物化法预处理后进入缓冲池，然后泵入一级MABR反应器，经过一级生化处理后的出水由出水口进入出水管，然后由出水管进入二级MABR反应器进行深度处理；一级MABR反应器膜池中的水流速度为2-3 cm/s，二级MABR反应器膜池中的水流速度为1-2 cm/s；一级MABR反应器膜腔压力为100-250 KPa（在此范围内，依据进水负荷调整膜腔压力，进水负荷大则上调膜腔压力，反之亦然）二级MABR反应器膜腔压力为20-70 KPa；正常运行时采用连续进水模式，一级MABR反应器的污水停留时间为3-5 h，二级MABR反应器为1.5-2.5 h（在此范围内，依据进水流量调整污水停留时间，进水流量变大，污水停留时间变短，反之亦然）。
所述生活污水中COD ≤ 300 mg/L，氨氮≤50 mg/L，硝酸盐氮 ≤ 5 mg/L，2 ≤碳氮质量比（C/N）≤ 10，总磷≤ 2 mg/L，pH控制在7.2-7.8范围内，保障氨氧化过程所需的碱度；所述一级MABR装置出水口所排出的污水中COD ≤ 50 mg/L，氨氮 ≤ 3 mg/L，硝酸盐氮 ≤ 2 mg/L，2 ≤ 碳氮质量比（C/N）≤ 10，总磷 ≤ 1 mg/L；所述二级MABR装置出水口所排出的污水中COD ≤ 7 mg/L，氨氮≤ 0.8 mg/L，硝酸盐氮 ≤ 0.4 mg/L，总磷 ≤ 0.2mg/L。
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。
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例：
实施例1
1）污水处理***结构组成及相关参数：由双级MABR反应器示意图1可知，该***由一级MABR和二级MABR生化单元组成。两级单元的结构均是按照图2所示的流程图进行创建。采用PVDF中空纤维致密膜组件，外径4.1 mm，内径2.2 mm，孔径0.05-0.06 μm；膜池的容积不同，一级为5 L，二级为2 L；有效膜比表面积不同，一级为450 m2/m3，二级200 m2/m3；生物膜的形成过程不同：一级MABR装置生物膜通过自然挂膜形成；二级MABR装置生物膜通过人工挂膜形成（具体详见第2）和第3）部分）。
2）工序条件：污水来自生活污水处理厂，在厂内经过简单物化法预处理后进入缓冲池，然后泵入双级MABR反应器（图2），进水流量由蠕动泵a12控制，均设置为1.4 L/h；过膜流速由A-循环泵a8、A-布水器a10以及B-循环泵b8、B-布水器b10控制，一级为3 cm/s，二级为2 cm/s；供氧压力由A-空压机a1、A-进气阀a2、A-气体流量计a9、A-排气阀a19和B-空压机b1、B-进气阀b2、B-气体流量计b9、B-排气阀b18控制，一级膜腔压力为120 KPa，二级膜腔压力为50 KPa。进水原水水质：COD浓度为200 mg/L，氨氮浓度为42 mg/L，硝酸盐氮含量为1.3mg/L，TP含量为0.9 mg/L，pH为7.6。 正常运行时采用连续进水模式，一级的污水停留时间为3.5 h，二级为1.4 h。
3）一级MABR生物膜的自然挂膜过程。将污水处理厂500 mL好氧生化池回流污泥与4.5 L原生活污水混合后泵入膜池，批量培养8 h。并将供氧压力调至200 KPa，过膜流速控制在2 cm/s。重复上述培养三次，当膜表面生成一层较厚的黄褐色生物膜时，即可结束挂膜。驯化时改为连续流培养，污水停留时间为3.5 h，驯化30天，氨氮去除率达82%，COD去除率达85%，总氮去除率达71%，驯化结束。
4）二级MABR生物膜的人工挂膜过程。首先，采集AOA接种源：采集地点选择在污水处理厂二级生化单元的低溶解氧（0.4 mg/L）和低氨氮浓度（0.5 mg/L）以及有机碳源较少的区域，采集1 L，抑或在二级出水口处取4 L出水液体，静置沉降10 min后搜集沉淀物。每个取样点做好标记，尽快送回实验室，通过高速离心机进行泥水分离，离心条件设置为4500rpm/min，时长20 min。取0.5 g污泥用作高通量测定和定量PCR等分子生物学分析，鉴定污泥体系AOA的结构组成和丰度大小。以此确定污泥驯化来源。驯化富集AOA。进水为实验室配置的微污染水(寡营养无机含氮污水)，其中氨氮0.8 mg/L，COD、 NO2 --N以及NO3 --N含量均为零，用磷酸氢纳和磷酸氢二纳调节pH在7.5。实验采用批量进水，摇瓶培养50 min。每个摇瓶的有效溶液体积为200 ml，污泥接种量占有效体积的10%，添加0.1%青霉素用来抑制和消灭细菌。室温培养。每次培养周期过后将培养液用0.22 μm的滤膜过滤，搜集滤膜表面的菌体作为下一轮摇瓶培养的接种源。反复循环培养35天左右。最后采用定量PCR技术检测富集污泥中AOA的丰度大小。丰度达到60%以上即可结束驯化。其次，建立生物膜功能菌群分层结构(图3)：取50 mL AOA富集污泥41和驯化液充分混合均匀，泵入MABR***。采用批量进水模式。用循环泵将反应槽中的泥水混合物达到混流状态。流速控制在1.0 cm/s，逐步将污泥通过水流的带动粘附在曝气膜丝42表面。污水停留时间控制在1.5 h。重复上述步骤3次，直至膜丝表面有一层均匀的AOA聚集体44；然后将所配置的含低浓度COD和低浓度氨氮（COD= 20mg/L，氨氮浓度= 2.8 mg/L）的寡营养有机含氮污水与从所述AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥45-46混合均匀，泵入MABR***，进行第二轮挂膜。工艺条件与第一轮相同。当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时，即可结束挂膜。最后，验证功能菌群的层化结构以及驯化。利用定量PCR技术分别测定AOA、AOB的功能基因amoA和反硝化菌的功能基因nirS的拷贝数，结果显示，AOA的数量是AOB的150倍，反硝化菌数量是AOA数量的1250倍。由此可见，生物膜中已经形成了以AOA为主要的氨氧化菌47以及大量反硝化菌49共存的群落生态结构。该生物膜驯化采用置换法二，该驯化过程按照如下操作：逐级增大取自污水处理厂的二级生化出水的实际污水在混合污水（实际污水和寡营养有机含氮污水）中的比例（按10%置换），直至完全替换；改为连续流培养，污水停留时间为1.4 h。经过25天，氨氮去除率达86%，COD去除率达88%，总氮去除率达75%，驯化结束。
5）经过150天的正常运行，COD去除率稳定在95%，氨氮去除率为98%，总氮去除率为94%，总磷去除率为96%。
实施例2
1) 污水处理***结构组成及相关参数：由双级MABR反应器示意图1可知，该***由一级MABR和二级MABR生化单元组成。两级单元的结构均是按照图2所示的流程图进行创建。采用PP中空纤维致密膜组件，外径3.7 mm，内径2.3mm，孔径0.07-0.08 μm；膜池的容积不同，一级为6 L，二级为2.5 L；有效膜比表面积不同，一级为550 m2/m3，二级265 m2/m3；生物膜的形成过程不同：一级MABR装置生物膜通过自然挂膜形成；二级MABR装置生物膜通过人工挂膜形成（具体详见第2）和第3）部分）。
2) 工序条件：污水来自生活污水处理厂，在厂内经过简单物化法预处理后进入缓冲池，然后泵入双级MABR反应器，进水流量由蠕动泵a12控制，均设置为1.4 L/h；过膜流速由A-循环泵a8、A-布水器a10以及B-循环泵b8、B-布水器b10控制，一级为3 cm/s，二级为1cm/s；供氧压力由A-空压机a1、A-进气阀a2、A-气体流量计a9、A-排气阀a19和B-空压机b1、B-进气阀b2、B-气体流量计b9、B-排气阀b18控制，一级膜腔压力为150 MPa，二级膜腔压力为30 MPa。进水原水水质：COD浓度为260 mg/L，氨氮浓度为45 mg/L，硝酸盐氮含量为3.4mg/L，TP含量为0.8 mg/L，pH为7.8。 正常运行时采用连续进水模式，一级的污水停留时间为4.3 h，二级为1.8 h。
3) 一级MABR生物膜的自然挂膜过程。将污水处理厂500 mL好氧生化池回流污泥与4.5 L原生活污水混合后泵入膜池，批量培养8 h。并将供氧压力调至200 KPa，过膜流速控制在2 cm/s。重复上述培养三次，当膜表面生成一层较厚的黄褐色生物膜时，即可结束挂膜。驯化时改为连续流培养，污水停留时间为4.3 h，驯化30天，氨氮去除率达84%，COD去除率达86%，总氮去除率达73%。驯化结束。
4) 二级MABR生物膜的人工挂膜过程。首先，采集AOA接种源：采集地点选择在污水处理厂二级生化单元的低溶解氧（0.5 mg/L）和低氨氮浓度（0.6 mg/L）以及有机碳源较少的区域，采集1 L，抑或在二级出水口处取4 L出水液体，静置沉降10 min后搜集沉淀物。每个取样点做好标记，尽快送回实验室，通过高速离心机进行泥水分离，离心条件设置为4500rpm/min，时长20 min。取0.5 g污泥用作高通量测定和定量PCR等分子生物学分析，鉴定污泥体系AOA的结构组成和丰度大小。以此确定污泥驯化来源。驯化富集AOA。进水为实验室配置的微污染水(寡营养无机含氮污水)，其中氨氮0.8 mg/L，COD、 NO2 --N以及NO3 --N含量均为零，用磷酸氢纳和磷酸氢二纳调节pH在7.5。实验采用批量进水，摇瓶培养50 min。每个摇瓶的有效溶液体积为200 ml，污泥接种量占有效体积的10%，添加0.1%青霉素用来抑制和消灭细菌。室温培养。每次培养周期过后将培养液用0.22 μm的滤膜过滤，搜集滤膜表面的菌体作为下一轮摇瓶培养的接种源。反复循环培养35天左右。最后采用定量PCR技术检测富集污泥中AOA的丰度大小。丰度达到60%以上即可结束驯化。其次，建立生物膜功能菌群分层结构(图3)：取50 mL AOA富集污泥41和驯化液充分混合均匀，泵入MABR***。采用批量进水模式。用循环泵将反应槽中的泥水混合物达到混流状态。流速控制在1.0 cm/s，逐步将污泥通过水流的带动粘附在曝气膜丝42表面。污水停留时间控制在1.5 h。重复上述步骤3次，直至膜丝表面有一层均匀的AOA聚集体44；将所配置的含低浓度COD和低浓度氨氮（COD= 20 mg/L，氨氮浓度= 2.8 mg/L，）的寡营养有机含氮污水与从所述AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥45-46混合均匀，泵入MABR***，进行第二轮挂膜。工艺条件与第一轮相同。当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时，即可结束挂膜。最后，验证功能菌群的层化结构以及驯化。利用定量PCR技术分别测定AOA、AOB的功能基因amoA和反硝化菌的功能基因nirS的拷贝数，结果显示，AOA的数量是AOB的134倍，反硝化菌数量是AOA数量的1121倍。由此可见，生物膜中已经形成了以AOA为主要的氨氧化菌47以及大量反硝化菌49共存的群落生态结构。该生物膜驯化采用置换法，该驯化具体如下操作：逐级增大取自污水处理厂的二级生化出水的实际污水在混合污水（实际污水和寡营养有机含氮污水）中的比例（按10%置换），直至完全替换；改为连续流培养，污水停留时间为1.8 h。经过25天，氨氮去除率达85%，COD去除率达89%，总氮去除率达77%。驯化结束。
5）经过150天的稳定运行，COD去除率稳定在96%，氨氮去除率为98%，总氮去除率为93%，总磷去除率为97%。
实施例3
1) 污水处理***结构组成及相关参数：由双级MABR反应器示意图1可知，该***由一级MABR和二级MABR生化单元组成。两级单元的结构均是按照图2所示的流程图进行创建。采用PTFE中空纤维致密膜组件，外径3.8 mm，内径2.5 mm，孔径0.06 μm；膜池的容积不同，一级为7 L，二级为3 L；有效膜比表面积不同，一级为600 m2/m3，二级300 m2/m3；生物膜的形成过程不同：一级MABR装置生物膜通过自然挂膜形成；二级MABR装置生物膜通过人工挂膜形成（具体详见第2）和第3）部分）。
2) 工序条件：污水来自生活污水处理厂，在厂内经过简单物化法预处理后进入缓冲池，然后泵入双级MABR反应器，进水流量由蠕动泵a12控制，均设置为1.4 L/h；过膜流速由A-循环泵a8、A-布水器a10以及B-循环泵b8、B-布水器b10控制，一级为3 cm/s，二级为1cm/s；供氧压力由A-空压机a1、A-进气阀a2、A-气体流量计a9、A-排气阀a19和B-空压机b1、B-进气阀b2、B-气体流量计b9、B-排气阀b18控制，一级膜腔压力为180 MPa，二级膜腔压力为65 MPa。进水原水水质：COD浓度为297 mg/L，氨氮浓度为50 mg/L，硝酸盐氮含量为3.7mg/L，TP含量为0.9 mg/L，pH为7.8。 正常运行时采用连续进水模式，一级的污水停留时间为5 h，二级为2.1 h。
3) 一级MABR生物膜的自然挂膜过程。将污水处理厂500 mL好氧生化池回流污泥与4.5 L原生活污水混合后泵入膜池，批量培养8 h。并将供氧压力调至200 KPa，过膜流速控制在2 cm/s。重复上述培养三次，当膜表面生成一层较厚的黄褐色生物膜时，即可结束挂膜。驯化时改为连续流培养，污水停留时间为5 h，驯化30天，氨氮去除率达86%，COD去除率达86%，总氮去除率达75%。驯化结束。
4) 二级MABR生物膜的人工挂膜过程。首先，采集AOA接种源：采集地点选择在污水处理厂二级生化单元的低溶解氧（0.4 mg/L）和低氨氮浓度（0.5 mg/L）以及有机碳源较少的区域，采集1 L，抑或在二级出水口处取4 L出水液体，静置沉降10 min后搜集沉淀物。每个取样点做好标记，尽快送回实验室，通过高速离心机进行泥水分离，离心条件设置为4500rpm/min，时长20 min。取0.5 g污泥用作高通量测定和定量PCR等分子生物学分析，鉴定污泥体系AOA的结构组成和丰度大小。以此确定污泥驯化来源。驯化富集AOA。进水为实验室配置的微污染水(寡营养无机含氮污水)，其中氨氮0.8 mg/L，COD、 NO2 --N以及NO3 --N含量均为零，用磷酸氢纳和磷酸氢二纳调节pH在7.5。实验采用批量进水，摇瓶培养50 min。每个摇瓶的有效溶液体积为200 ml，污泥接种量占有效体积的10%，添加0.1%青霉素用来抑制和消灭细菌。室温培养。每次培养周期过后将培养液用0.22 μm的滤膜过滤，搜集滤膜表面的菌体作为下一轮摇瓶培养的接种源。反复循环培养35天左右。最后采用定量PCR技术检测富集污泥中AOA的丰度大小。丰度达到60%以上即可结束驯化。其次，建立生物膜功能菌群分层结构(图3)：取50 mL AOA富集污泥41和驯化液充分混合均匀，泵入MABR***。采用批量进水模式。用循环泵将反应槽中的泥水混合物达到混流状态。流速控制在1.0 cm/s，逐步将污泥通过水流的带动粘附在曝气膜丝42表面。污水停留时间控制在1.5 h。重复上述步骤3次，直至膜丝表面有一层均匀的AOA聚集体44；然后将所配置的含低浓度COD和低浓度氨氮（COD= 20mg/L，氨氮浓度= 2.8 mg/L）的寡营养有机含氮污水与从所述AAO污水处理厂二级生化单元的活性污泥45-46混合均匀，泵入MABR***，进行第二轮挂膜。工艺条件与第一轮相同。当生物膜表面颜色为由黄色转变为黄褐色时，即可结束挂膜。最后，验证功能菌群的层化结构以及驯化。利用定量PCR技术分别测定AOA、AOB的功能基因amoA和反硝化菌的功能基因nirS的拷贝数，结果显示，AOA的数量是AOB的144倍，反硝化菌数量是AOA数量的1325倍。由此可见，生物膜中已经形成了以AOA为主要的氨氧化菌47以及大量反硝化菌49共存的群落生态结构。该生物膜驯化采用置换法，该驯化具体如下操作：逐级增大取自污水处理厂的二级生化出水的实际污水在混合污水（实际污水和寡营养有机含氮污水）中的比例（按10%置换），直至完全替换；改为连续流培养，污水停留时间为2.1 h。经过25天，氨氮去除率达84%，COD去除率达87%，总氮去除率达79%。驯化结束。
5) 经过150天的稳定运行，COD去除率稳定在97%，氨氮去除率为97%，总氮去除率为93%，总磷去除率为98%。
Claims (9)
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***、布水***、进水***以及出水***；所述出水***包含出水口；所述进水***包含进水口；所述布水***包含前置布水器和后置布水器；所述循环***包含蠕动泵；
所述一级MABR装置生物膜为通过下述自然挂膜法形成的异向传质生物膜：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***的循环流速控制在2-3 cm/s，所述膜池的水体为混流；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；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装置生物膜为通过下述人工挂膜法形成的异向传质生物膜：采集AOA接种污泥；配置寡营养无机含氮污水，所采用的无机含氮污水中氨氮浓度<3.0 mg/L，COD=0mg/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，配置含低浓度COD和低浓度氨氮的寡营养有机含氮污水，其中COD < 30 mg/L，氨氮浓度 < 3.0 mg/L；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污水；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***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***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；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，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，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：自然挂膜法过程中，污水停留时间控制在6-8 h；重复上述自然挂膜步骤三次以上。
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：所述置换法一操作过程中，驯化期间采取连续进水法进污水，所述污水停留时间控制在3-5h。
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：所述置换法二操作过程中，驯化期间采取连续进水法进污水，污水停留时间控制在1.5-2.5h。
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