CN110240260A - 一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备及方法，其中装置包括依次连接的进水池、进水泵、反应器和出水阀，反应器内设有无泡曝气膜，设备还包括用于调节膜内氧分压及溶解氧浓度的气体压力调节阀，该气体压力调节阀一端连接至空压机，另一端通过进气管总成连接至各无泡曝气膜；对反应器进行污泥接种后，含有高氨氮的废水预先调节pH值之后进入反应器，通过调节反应器中膜内氧分压及溶解氧浓度，在无泡曝气膜表面形成生物膜后，氧气污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，同步进行硝化和反硝化脱氮。与现有技术相比，本发明降低了电子供体的需求，膜装置占地面积小，降低污水处理的成本，实现污水处理的低碳化。

Description

一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备及方法
技术领域
本发明涉及环境保护、水处理技术与设备技术领域，尤其是涉及一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备及方法。
背景技术
一般的污水处理工艺中，多采用鼓风气泡曝气或表面曝气，不仅能耗高，而且挥发性有机污染物还会随气泡进入大气中造成环境污染。传统的污水脱氮工艺是通过硝化和反硝化两段过程来实现的，分别由硝化菌和反硝化菌在不同的反应器中(空间上分段)，或者同一个反应器中不同时间段内，通过好氧和厌氧环境的交替进而实现氮的去除具有工艺流程较长、需要混合液回流、运行能耗较大、产生的污泥量较大、占地面积大、基建投资高、若反硝化阶段碳源不足，还需要投加额外的碳源有机物等缺点。因此，开发高效低耗的生物脱氮新工艺成为当今污水处理领域的研究热点之一。使用膜曝气生物膜反应器运用短程反硝化工艺脱氮，将氨氮控制在亚硝化阶段然后直接进行反硝化脱氮，大大降低了能耗。
短程硝化反硝化脱氮利用将氨氮氧化控制在亚硝化阶段然后直接进行反硝化脱氮的原理，可大幅度缩短脱氮的工艺流程，而且省去了亚硝酸盐氧化成硝酸盐所需的能耗，产生的污泥量也很少，可大幅度降低污水处理的运行成本，因此，短程硝化反硝化脱氮成为污水脱氮处理的一种新型高效低耗途径。目前，短程硝化反硝化脱氮工艺多为两段式，即第一段完成亚硝化，即将氨氮氧化为亚硝酸盐；第二段为反硝化或者厌氧氨氧化，实现氮的去除。两段式短程硝化反硝化工艺，仍然存在工艺流程长、运行和处理效果不稳定、操控管理复杂等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，包括依次连接的进水池、进水泵、反应器和出水阀，所述反应器内设有无泡曝气膜，所述设备还包括用于调节膜内氧分压及溶解氧浓度的气体压力调节阀，该气体压力调节阀一端连接至空压机，另一端通过进气管总成连接至各无泡曝气膜；
对反应器进行污泥接种后，含有高氨氮的废水预先调节pH值之后进入反应器，通过调节反应器中膜内氧分压及溶解氧浓度，在无泡曝气膜表面形成生物膜后，氧气污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，同步进行硝化和反硝化脱氮。
所述设备还包括混合液循环泵、用于测定pH值的pH计和英语测定溶解氧浓度的溶解氧测定仪，所述混合液循环泵的输入端与反应器的顶端部分连接，输出端连接至用于连接进水泵和反应器的进水管路中，所述进水泵通过进水管路连接至反应器的底端部分，所述溶解氧测定仪连接至用于连接混合液循环泵和反应器的循环管路中；待整个反应器充满水之后，开启混合液循环泵，然后即可连续运行。
所述设备还包括刮膜板和机电装置，当生物膜厚度超标时，由机电装置控制刮膜板刮出多余的部分。
所述反应器的底部还设有排污口。
所述设备还包括蠕动泵和流量计，所述蠕动泵通过第二管路连接至各无泡曝气膜，且所述流量计设于第二管路中。
一种如上述设备的控制方法，包括：
步骤S1：对反应器进行污泥接种；
步骤S2：预先调节含有高氨氮的废水的pH值；
步骤S3：开启进水泵，调节好pH值的含有高氨氮的废水进入反应器中；
步骤S4：调节膜曝气的供气压力由低到高逐步增加，在初期保证反应器内溶解氧不高于1.0mg/L；
步骤S5：待无泡曝气膜表面生长有设定量的生物膜后，控制混合液中的溶解氧浓度低于设定值；
步骤S6：排出经过处理后的废水。
进入反应器中的水的的pH值控制在7.5～8.3之间。
进入反应器中的水的的pH值控制在8。
步骤S5中，控制混合液中的溶解氧浓度低于0.1mg/L以下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、在一个***内实现了亚硝化和反硝化(即短程脱氮)过程，实现亚硝化过程的专属降解微生物，例如氨氧化菌等，往往是优先位于生物膜-曝气膜界面的位置，主要集中生长在曝气膜表面并以生物膜的形式稳定存在于反应器内，可以有更长的停留时间，有利于高效去除含氮废水。
2、采用无泡膜曝气方式进行供氧，氧气直接透过曝气膜供给微生物，氧传质效率高，而且氧气几乎全部被氨氧化菌消耗，氧利用效率高，而且膜曝气所需能耗很低，大大降低了供氧所需的能耗，进而可大幅度降低污水处理的运行成本。
3、在反应器装置中，氧气和污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，生物膜属于异向传质生物膜，所谓异向传质生物膜是从生物膜两侧获得氧和底物等限制营养物质，其浓度梯度方向正好和传统的生物膜法相反，在靠近载体膜一侧生物膜内层，溶解氧浓度高，有机底物浓度低，而靠近液相主体一侧的生物膜外层，溶解氧浓度低而底物浓度高，因此异向传质生物膜的活性区域出现变化，其活性层可出现在生物膜厚度的任何位置，不必只出现在生物膜废水界面处，因而形成了膜曝气生物膜独特的微生物群落结构和氧化还原分层结构，可产稳定的好氧和厌氧层，同步硝化/反硝化和去除COD可以达到相对高的速率。
4、曝气膜的表面经过了空间布局优化，其氧传质效率高，供氧能耗低，可大幅度降低运行成本，经空间布局优化后的曝气膜比表面积大，有利于生物量的积累，使得生物膜在生长的过程中能够更好地均匀附着在其表面上，且生物膜活性分层明显，靠近改性表面的生物膜活性最高，中间层活性较高，外层活性较低。可通过生物膜生长到一定厚度后将表面生物膜刮去，控制生物膜在空间布局优化区域生长的特定的厚度区间因而保证生物膜活性为最高，从而保证微生物活性最高，进而保证膜曝气生物膜反应器短程硝化反硝化性能最好。
5、设有混合液循环***，一方面可以保证混合液中基质与生物膜的充分接触，使整个***接近完全混合状态，提高***抗击冲击负荷的能力；另一方面还可以有效控制生物膜表面的水动力学特性，控制生物膜的生长及厚度。
6、将空间布局优化膜曝气生物膜反应器装置与短程反硝化脱氮结合起来，既可以达到同步硝化反硝化脱氮的目的，同时由于膜对氧气的高效传递，进一步降低了电子供体的需求，膜装占地面积小，降低污水处理的成本，实现污水处理的低碳化。
7、采用可上下控制的刮膜装置，可将生物膜维持在一定厚度，并且可将脱落的生物膜收集至反应器下部的排泥斗中，经冲洗装置由排泥管排出。
附图说明
图1为用于污水短程硝化反硝化脱氮的空间布局优化的膜曝气生物膜工艺装置流程图；
图2为空间布局优化的膜曝气整体构造及生物膜厚度控制装置图；
其中：1、进水池，2、进水泵，3、蠕动泵，4、流量计，5、混合液循环泵，6、反应器，7、溶解氧测定仪，8、气体压力调节阀，9、无泡曝气膜组件，10、出水阀，11、机电装置，12、刮膜板，13、冲洗装置，14、排泥斗，15、排污口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
近年来，随着膜曝气生物膜研究的逐渐深入，许多研究证实膜曝气生物膜反应器具有良好的污水硝化性能，而且经常伴有部分亚硝化(即亚硝酸盐积累)现象的产生。在膜曝气生物膜反应器装置中，氧气和污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，形成膜曝气生物膜独特的微生物群落结构，可产稳定的好氧和厌氧层，有利于同步脱氮。发明人发现将膜曝气生物膜反应器与短程硝化反硝化脱氮结合起来，既可以达到同步硝化反硝化脱氮的目的，同时由于膜对氧气的高效传递，进一步降低了电子供体的需求，膜装置占地面积小，降低污水处理的成本，实现污水处理的低碳化，为膜材料应用于污水处理，提供了理论和现实依据。
一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，如图1所示，包括依次连接的进水池1、进水泵2、反应器6和出水阀10，反应器6内设有无泡曝气膜9，设备还包括用于调节膜内氧分压及溶解氧浓度的气体压力调节阀8，该气体压力调节阀8一端连接至空压机，另一端通过进气管总成16连接至各无泡曝气膜9；
对反应器6进行污泥接种后，含有高氨氮的废水预先调节pH值之后进入反应器6，通过调节反应器6中膜内氧分压及溶解氧浓度，在无泡曝气膜9表面形成生物膜后，氧气污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，同步进行硝化和反硝化脱氮。
设备还包括混合液循环泵5、用于测定pH值的pH计和英语测定溶解氧浓度的溶解氧测定仪7，混合液循环泵5的输入端与反应器6的顶端部分连接，输出端连接至用于连接进水泵2和反应器6的进水管路中，进水泵2通过进水管路连接至反应器6的底端部分，溶解氧测定仪7连接至用于连接混合液循环泵5和反应器6的循环管路中；待整个反应器6充满水之后，开启混合液循环泵5，然后即可连续运行。
设备还包括刮膜板12和机电装置11，当生物膜厚度超标时，如图2所示，由机电装置11控制刮膜板12刮出多余的部分。
反应器6的底部还设有排污口15。
设备还包括蠕动泵3和流量计4，蠕动泵通过第二管路连接至各无泡曝气膜9，且流量计4设于第二管路中。
反应器6的主要特征是反应器中的曝气膜是空间布局优化的无泡曝气膜9，通过控制膜内氧分压、进水pH、溶解氧浓度、进水氨氮浓度、温度从而使得反应器中发生短程硝化反硝化。本申请在避免亚硝酸盐积累的同时，实现污水短程脱氮，降低了亚硝酸盐积累对微生物的毒害作用。
本申请中膜曝气***为空间布局优化硅胶膜或者其它气体透过性膜材料，其氧传质效率高，供氧能耗低，可大幅度降低运行成本。本发明工艺流程简捷，脱氮效率高而且运行稳定。
本申请空间布局优化膜曝气生物膜反应器污水处理***主要由进水泵、膜曝气生物膜、混合液循环泵及其连接管路组成。本申请中膜曝气生物膜区内曝气膜采用经空间布局优化的管式无机硅胶曝气膜。
本申请中反应器6由有机玻璃制成。
本申请中***要求进水碳氮比控制在5以下，进水中悬浮固体SS小于20mg/L。中***中水力停留时间控制在4-12h。
首先，含氨氮污水在进水池1中经进水泵2加入到空间布局优化的膜曝气生物膜的反应器6中，在反应器6中安装有空间布局优化的无泡曝气膜9，其表面将会生长微生物生物膜，起到亚硝化的作用。无泡曝气膜内经空压机通有空气，空气的压力有压力表显示，并由气体压力调节阀8来调节。污水通过混合液循环泵5实现对混合液的回流，延长污水的停留时间，提高处理效果。处理的出水经出水阀10排出。整个***内的pH值和溶解氧浓度由pH计和溶解氧在线式的溶解氧测定仪7来测定。生物膜的厚度可通过机电装置11控制的可上下移动的刮膜板12来控制。刮膜板12自上而下运行，脱落下的生物膜可由排泥斗14收集，之后由冲洗装置13冲洗后从排污口15排出。
具体的，控制方法包括：
步骤S1：对反应器6进行污泥接种；
步骤S2：预先调节含有高氨氮的废水的pH值；
步骤S3：开启进水泵2，调节好pH值的含有高氨氮的废水进入反应器6中；
步骤S4：调节膜曝气的供气压力由低到高逐步增加，在初期保证反应器6内溶解氧不高于1.0mg/L；
步骤S5：待无泡曝气膜9表面生长有设定量的生物膜后，控制混合液中的溶解氧浓度低于设定值；
步骤S6：排出经过处理后的废水。
进入反应器6中的水的的pH值控制在7.5～8.3之间。
进入反应器6中的水的的pH值控制在8。
步骤S5中，控制混合液中的溶解氧浓度低于0.1mg/L以下。
实现本发明工艺的技术方案主要是：高氨氮废水→pH值调节→进入空间布局优化膜曝气生物膜反应器→调节膜内氧分压、溶解氧浓度、温度→出水。具体方法是在工艺应用之前，首先膜曝气生物膜反应器进行污泥接种。膜曝气生物膜反应器接种硝化污泥，闭路循环1天，然后接入高氨氮废水进行连续运行。进水氨氮负荷采用由低到高逐步增加的方式。高氨氮废水在进入***之前首先进行pH值调节，采用碳酸氢钠NaHCO3和碳酸钠Na2CO3的pH值缓冲溶液，使进水pH在8.0左右。然后，如附图1所示，高氨氮废水经进水泵2加入本发明的工艺***的空间布局优化膜曝气生物膜反应器6，待整个***充满水之后，开启混合液循环泵5，然后即可连续运行。膜曝气的供气压力也是由低到高逐步增加，压力由压力表显示。在初期保证反应器内溶解氧不高于1.0mg/L，溶解氧数值由溶解氧仪7显示。等曝气膜表面生长有一定量的生物膜时，即混合液内溶解氧会逐步降低，最终控制混合液中的溶解氧浓度低于0.1mg/L或者低于检测限，这样有利于反硝化效率的提高。一般情况下***出水中SS含量很低，也可以接入沉淀池或者经膜分离装置进一步提高出水水质。
将上述所得的装置用于处理某高氨氮废水。所处理高氨氮废水的水质情况为：NH4 +-N 200－250mg/L，CODCr 50－80mg/L，SS 10－20mg/L，TP 4.2－6.1mg/L，pH 7.4－8.5，温度23－28℃。当反应器水力停留时间为6h，反应器内混合液溶解氧浓度控制在0.1mg/L以下。膜曝气生物膜短程硝化反硝化脱氮***可以在15－20天完成启动并进行稳定运行状态，出水氨氮5－10mg/L，CODCr 30－50mg/L，出水亚硝酸盐氮10－15mg/L，出水硝酸盐氮15－20mg/L，氨氮去除率可稳定达到95％以上，而且在适当投加部分碳源的情况下，***的反硝化性能会进一步提高，出水亚硝酸盐和硝酸盐浓度会进一步降低。本发明工艺***也表现出较强的抗冲击负荷能力。

Claims (9)

1.一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，包括依次连接的进水池(1)、进水泵(2)、反应器(6)和出水阀(10)，其特征在于，所述反应器(6)内设有无泡曝气膜(9)，所述设备还包括用于调节膜内氧分压及溶解氧浓度的气体压力调节阀(8)，该气体压力调节阀(8)一端连接至空压机，另一端通过进气管总成(16)连接至各无泡曝气膜(9)；
对反应器(6)进行污泥接种后，含有高氨氮的废水预先调节pH值之后进入反应器(6)，通过调节反应器(6)中膜内氧分压及溶解氧浓度，在无泡曝气膜(9)表面形成生物膜后，氧气污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，同步进行硝化和反硝化脱氮。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，其特征在于，所述设备还包括混合液循环泵(5)、用于测定pH值的pH计和英语测定溶解氧浓度的溶解氧测定仪(7)，所述混合液循环泵(5)的输入端与反应器(6)的顶端部分连接，输出端连接至用于连接进水泵(2)和反应器(6)的进水管路中，所述进水泵(2)通过进水管路连接至反应器(6)的底端部分，所述溶解氧测定仪(7)连接至用于连接混合液循环泵(5)和反应器(6)的循环管路中；待整个反应器(6)充满水之后，开启混合液循环泵(5)，然后即可连续运行。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，其特征在于，所述设备还包括刮膜板(12)和机电装置(11)，当生物膜厚度超标时，由机电装置(11)控制刮膜板(12)刮出多余的部分。
4.根据权利要求3所述的一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，其特征在于，所述反应器(6)的底部还设有排污口(15)。
5.根据权利要求1所述的一种基于生物膜厚度原位控制的污水处理设备，其特征在于，所述设备还包括蠕动泵(3)和流量计(4)，所述蠕动泵通过第二管路连接至各无泡曝气膜(9)，且所述流量计(4)设于第二管路中。
6.一种如权利要求1～5任一所述的设备的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对反应器(6)进行污泥接种；
步骤S2：预先调节含有高氨氮的废水的pH值；
步骤S3：开启进水泵(2)，调节好pH值的含有高氨氮的废水进入反应器(6)中；
步骤S4：调节膜曝气的供气压力由低到高逐步增加，在初期保证反应器(6)内溶解氧不高于1.0mg/L；
步骤S5：待无泡曝气膜(9)表面生长有设定量的生物膜后，控制混合液中的溶解氧浓度低于设定值；
步骤S6：排出经过处理后的废水。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进入反应器(6)中的水的的pH值控制在7.5～8.3之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进入反应器(6)中的水的的pH值控制在8。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中，控制混合液中的溶解氧浓度低于0.1mg/L以下。
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