CN107963783B

CN107963783B - 一种污水厌氧膜生物处理***与工艺

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Publication number: CN107963783B
Application number: CN201711218998.2A
Authority: CN
Inventors: 陈荣; 雷振; 文雯
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN107963783A

Abstract

一种污水厌氧膜生物处理***与工艺，通过基质池、溶解池(非必要)、厌氧消化及膜分离池三部分构建污水处理***，通过3个蠕动泵及时间控制装置构建设备动力***。实际运行结果表明:当设定***的水力停留时间(HRT)为8h时，能够同时实现对COD和SS的有效去除，包括一些生物降解的表面活性剂、纤维素和木质素等均可有效降解。此外，在此运行条件下污泥产量很低，能够将86％以上的COD转化为甲烷，且产率可达0.3L CH₄/gCOD。此装置能实现在有效处理城市污水的条件下获得较高的生物气体产量，出水经进一步处理后有回收磷元素或作为生物肥料的潜力，是一种低碳环保、能够实现资源回收的新型污水处理工艺。

Description

一种污水厌氧膜生物处理***与工艺

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种污水厌氧膜生物处理***与工艺。

背景技术

在过去的十余年间，我国城市污水处理率快速提高。截至2015年末，达到91.90％，预计在2020年达到95％。但是，随着环境可持续发展的呼声越来越大，传统以好氧处理为主的污水处理模式存在的问题也逐渐被社会各界所认识和关注。诚然好氧生物处理工艺在过去一段时间内在我国城市生活污水处理和改善城市水环境方面发挥了非常重要的作用，但常规好氧生物处理的弊端在当今追求低碳、环保、资源回收利用的大环境下也越发凸显。

传统好氧污水处理工艺不仅污水处理过程中会消耗大量能源，同时还会产生较多的剩余污泥，如处理不当还可能对环境造成二次污染。此外，污水中潜在的可利用能源和资源也被忽略。人们不得不重新开始审视污水处理工艺的发展历程，评估合理的城市污水处理方法，寻求新的发展方向，构建更加合理可行的城市污水处理资源化和能源化技术。

厌氧处理技术作为一种能耗低，绿色环保的污水处理技术重新收到人们的重视，但单纯利用厌氧生物技术处理城市生活污水可能存有机物负荷过低、处理效率受温度影响显著、污泥流失严重和能源回收率低等缺陷的限制。厌氧处理装置发展到今天，以厌氧膜生物反应器(AnMBR)装置为代表的第三代厌氧处理装置以其更加高效、更加节能的特点而受到热捧。该技术将厌氧处理装置与膜分离装置串联起来，将污泥停留时间与水力停留时间两个原本耦合在一起的两个参数分离开来，通过降低水力停留时间而增加有机物负荷，同时又通过膜截留保证足够的污泥停留以供微生物增殖，很好的弥补厌氧生物反应器污泥流失严重导致的微生物量不足的问题，而且可以提高了反应体系有机物资源化效率。AnMBR装置理城市污水过程中一般以COD的去除效率为组要指标，很少考虑到污水中的纤维素、木质素、表面活性剂等难生物降解性物质的生物降解利用，没有实现污染物的充分降解和充分资源的回收。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种污水厌氧膜生物处理***与工艺，不仅可以很好地实现城市污水中常规污染物的降解，同时对难生物降解的物质也实现了很高的降解，同时达到很高资源回收效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种污水厌氧膜生物处理***，包括：

基质池1，用于贮存待反应基质，配置有控温装置；其容量可根据流量和基质配制周期综合考虑。

厌氧消化及膜分离池3，主要完成产甲烷消化以及通过膜分离装置来实现固液分离，包括设置在池内的厌氧膜生物反应器31和膜组件32，其中，厌氧膜生物反应器31接收来自基质池1内的待反应基质，膜组件32浸于消化液中，反应产生的气体通过隔膜泵33实现循环，用于冲刷组件32表面的污染物。

所述基质池1与厌氧膜生物反应器31的连接管路上设置有泵一11和计时器一12，厌氧膜生物反应器31中反应产生的气体的一部分实现循环，另一部分通过带有计量计34后外送；所述厌氧消化及膜分离池3的出水管路上设置有压力传感器35、计时器三36和泵三37；所述厌氧消化及膜分离池3连接有水浴装置5。

本发明***还可包括：

溶解池2，并联在基质池1和厌氧消化及膜分离池3的供水管路上，用于对含有颗粒物含量较高的基质进行进一步混合溶解，实现进水均匀，溶解池2的出水管路上设置有计时器二21和泵二22。

上述的各个泵构成了本发明的动力装置，泵一11主要是将基质池1中的基质输送到后一个装置中，并配备有计时器一12，根据不同的水力停留时间调整进水时间；泵二22的作用主要是将充分溶解混匀的基质加入到厌氧消化及膜分离池3中，并配备有计时器二21，根据不同的水力停留时间调整进水时间；泵三37的作用主要是将经过膜分离后的水排出***，配备有计时器三36，根据不同的水力停留时间调整出水时间，以HRT8h为例，运行1min，停1min。

溶解池2不是必须部分，若进水颗粒物含量不高可由基质池1直接进水至厌氧消化及膜分离池3。

所述膜组件32中，膜孔径为0.2μm，反应池的体积为6L，膜的总面积为0.116m²。在实际应用中可视情况适当调整反应装置和膜组件大小。

所述膜组件32为浸没式的平板膜装置，膜组件32在厌氧消化及膜分离池(3)中纵向固定，整体浸没于混合液中，节省了动力消耗。

本发明还提供了基于所述污水厌氧膜生物处理***的污水厌氧膜生物处理工艺，适用于城市污水等COD相对较低的污/废水处理，包括如下步骤：

将待反应基质贮存在基质池1中，利用控温装置将温度保持在4℃，以保障基质稳定；

将待反应基质输送至厌氧消化及膜分离池3，利用厌氧膜生物反应器31实现厌氧反应，通过膜组件32实现水力停留时间与污泥停留时间的相对分离，从而提高有机物负荷，反应产生的生物气体的一部分再次循环，用于冲刷膜表面的污染物，延缓膜污染。

所述水力停留时间≤16h时，能够实现的很高的COD和SS去除率，在HRT＝8h时，不仅能够实现污水的有效处理，而且具有很高的甲烷产率，并能很好的控制剩余污泥产量。具体地，在HRT＝8h时，进水COD中仅有不到4％的有机物用于微生物增殖，大大降低了***的出泥量。

所述生物气体以2.6m³/m²的恒速再次循环。

反应过程中实时监测跨膜压力，跨膜压力大于30kPa时暂停反应，取出膜组件32进行清洗。

当所述待反应基质中的颗粒物含量高于20g/L时，先将其送入溶解池2，进行进一步混合溶解，然后再送入厌氧消化及膜分离池3。

与现有技术相比，本发明结构简单，可以通过调节泵的运行参数来达到对厌氧消化装置水力停留时间的控制。运行结果表明此装置在一定的水力停留时间下不仅能够实现对污水中易降解有机物的有效去除，而且对其中的纤维素、咖啡因、木质素以及表面活性剂等难生物降解的物质也有良好的降解去除效果，并均有可观的生物气体产率，是一种可作为实验室相关研究的模拟工艺，并具有实际应用推广前景。

附图说明

图1是本发明***结构示意图。

图2是人工合成污水的处理效果示意图。

图3是采用本发明工艺的COD转化及产甲烷效率示意图。

图4是采用本发明工艺的难降解物质(纤维素和木质素)的降解效果(水力停留时间为8h)示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种污水厌氧膜生物处理***，包括：

基质池1与厌氧膜生物反应器31的连接管路上设置有泵一11和计时器一12，厌氧膜生物反应器31中反应产生的气体的一部分实现循环，另一部分通过带有计量计34后外送；厌氧消化及膜分离池3的出水管路上设置有压力传感器35、计时器三36和泵三37；厌氧消化及膜分离池3连接有水浴装置5。

相应的处理工艺具体实施过程如下：

第一步：设定初始水力停留时间与污泥停留时间，从而根据基质组成确定有机物负荷；

第二步：依据设定的水力停留时间、污泥停留时间设置泵一11、泵二22、泵三37的运行参数设定，根据产气量确定隔膜泵33的空气流量；

第三步：反应器的启动。选择适合的污泥(城市污水厂的厌氧消化污泥)作为初始的种泥，以较长的水力停留时间启动厌氧膜生物反应器31，运行平稳后开始记录数据；

第四步：依据设定的水力停留时间梯度逐步递减水力停留时间，以达到较高的有机物负荷，从而使厌氧膜生物反应器31内具有较高的微生物浓度，再结合出水的COD出去效率，确定最佳的水力停留时间及污泥停留时间。

(1)对城市污水的处理效果

城市污水处理效果模拟时采用人工合成污水，里面除碳源、氮源、磷源、缓冲物质、微量元素外还包含纤维素、非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂等物质。合成人工污水各项指标及反应装置的部分运行参数分别如表1和表2所示.

实验持续时间共150天，实验结果如附图2～4所示。HRT在8～48h内本装置均能实现很好的COD去除效果，去除效率均在93％以上，HRT变化对COD去除效果影响不大。BOD5、SS与COD的变化基本一致，在所有HRT条件下本装置均能有效的降低出水BOD5，并使其主体保持在25mg/L一下，而SS的去除效果也都保持在95％以上。非离子表面活性剂(AE)的去除效果与HRT有关，在HRT≤24h时，AE的去除效果整体可保持在85％以上，主体高于95％。相对AE，本装置对阴离子表面活性剂(LAS)的去除效率较低且并不稳定。对于进水中的氨氮和磷等营养物质本工艺基本不能去除，而且由于有机物降解时的脱氨基左用，出水中氨氮含量相对于进水有明显上升，氨氮和磷的去除需要后续工艺去除，也可制成农业肥料，实现资源的回收利用。

图3(a)所示为处理过程中COD的转化效率。随着HRT的降低，转化为MLSS和出水中残存的COD含量逐渐减小，在HRT8h时仅有3.6％的COD用于生物增值；转化为甲烷的COD比例随HRT减小逐渐增加，最高可达到86％。结合图3(b)所示的甲烷产率，在HRT为8h时去除单位质量的COD所产生的甲烷量已十分接近理论甲烷产率，说明在HRT为8h时能够实现很好的生物气体转化效率。

对于污水中常见的物质如纤维素和木质素，其去除效果可通过对比原材料(厕纸)和混合液悬浮污泥(MLSS)中纤维素含量来体现(图4)。通过热重分析发现，MLSS中纤维素和木质素含量相对于厕纸很低，说明通过此工艺可以有效的降解污水中常见的纤维和木质素等难降解性物质。

综合以上结果，在HRT≤16h时本工艺处理生活污水能很好的实现主要有机物及SS的去除。特别时HRT为8h时，不仅可以实现很好的污水处理效果，很低的污泥产率(仅有3.6％的COD用于微生物增殖)，而且可以实现很好的资源回收。

表1合成污水的生化指标

表2反应器的部分运行参数

综上，本发明通过基质池、溶解池(非必要)、厌氧消化及膜分离池三部分构建污水处理***，通过3个蠕动泵及时间控制装置构建设备动力***。实际运行结果表明:当设定***的水力停留时间(HRT)为8h时，能够同时实现对COD和SS的有效去除，包括一些生物降解的表面活性剂、纤维素和木质素等均可有效降解。此外，在此运行条件下污泥产量很低，能够将86％以上的COD转化为甲烷，且产率可达0.3L CH₄/gCOD。此装置能实现在有效处理城市污水的条件下获得较高的生物气体产量，出水经进一步处理后有回收磷元素或作为生物肥料的潜力，是一种低碳环保、能够实现资源回收的新型污水处理工艺。

Claims

1.一种污水厌氧膜生物处理***，其特征在于，包括：

基质池（1），用于贮存待反应基质，配置有控温装置；

厌氧消化及膜分离池（3），主要完成产甲烷消化以及通过膜分离装置来实现固液分离，包括设置在池内的厌氧生物反应器（31）和膜组件（32），其中，厌氧生物反应器（31）接收来自基质池（1）内的待反应基质，膜组件（32）浸于消化液中，反应产生的气体通过隔膜泵（33）实现循环，用于冲刷膜组件（32）表面的污染物，所述膜组件（32）为浸没式的平板膜装置，膜组件（32）在厌氧消化及膜分离池（3）中纵向固定，整体浸没于混合液中，厌氧生物反应器（31）中反应产生的气体的一部分实现循环，另一部分通过计量计（34）后外送；

其中，所述基质池（1）与厌氧生物反应器（31）的连接管路上设置有泵一（11）和计时器一（12），所述厌氧消化及膜分离池（3）的出水管路上设置有压力传感器（35）、计时器三（36）和泵三（37）；

还包括：

溶解池（2），并联在基质池（1）和厌氧消化及膜分离池（3）的供水管路上，用于对颗粒物含量较高的基质进行进一步混合溶解，实现进水均匀，溶解池（2）的出水管路上设置有计时器二（21）和泵二（22）；

所述污水厌氧膜生物处理***的污水厌氧膜生物处理工艺，包括如下步骤：

将待反应基质贮存在基质池（1）中，利用控温装置将温度保持在4℃，以保障基质稳定；

将待反应基质输送至厌氧消化及膜分离池（3），利用厌氧生物反应器（31）实现厌氧反应，通过膜组件（32）实现水力停留时间与污泥停留时间的相对分离，从而提高有机物负荷，反应产生的生物气体的一部分再次循环，用于冲刷膜表面的污染物，延缓膜污染；所述水力停留时间≤16h；

当所述待反应基质中的颗粒物含量高于20g/L时，先将其送入溶解池（2），进行进一步混合溶解，然后再送入厌氧消化及膜分离池（3）。

2.根据权利要求1所述污水厌氧膜生物处理***，其特征在于，所述厌氧消化及膜分离池（3）连接有水浴装置（4）。

3.根据权利要求1所述污水厌氧膜生物处理***，其特征在于，所述膜组件（32）中，膜孔径为0.2μm，膜的总面积为0.116m²。

4.根据权利要求1所述污水厌氧膜生物处理***，其特征在于，所述生物气体以2.6 m³/m²的恒速再次循环。

5.根据权利要求1所述污水厌氧膜生物处理***，其特征在于，反应过程中实时监测跨膜压力，跨膜压力大于30 kPa时暂停反应，取出膜组件（32）进行清洗。