CN112424129A - 用膜曝气生物膜侧流预处理以从高强度废水中去除氨 - Google Patents

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Abstract

在将具有高氨浓度的废水排放到处理较低强度废水的废水处理厂(例如处理市政污水的活性污泥厂)之前，对其预处理。通过与膜曝气生物膜反应器中的支撑在气体转移膜上的固定膜接触，预处理所述高强度废水以氧化氨。预处理可以是间歇或连续方法。可以控制预处理以去除氨至大约材料碱度耗尽的点。可以监测一个或多个参数，例如碱度、pH或膜排出的氧浓度，以确定碱度耗尽是否已经发生或大约要发生。在一些实例中，将高强度废水与具有较少氨和较高碱度的废水(例如市政污水或初级流出物)共混。在一些实例中，所述高强度废水是一种或多种污泥的液体部分。

Description

用膜曝气生物膜侧流预处理以从高强度废水中去除氨
技术领域
本说明书涉及废水处理和膜曝气生物膜反应器。
背景技术
许多具有高氨浓度的废水，例如在工业流出物中发现的或来自市政污泥脱水的那些，倾向于碱度有限。当碱度耗尽时，废水的pH下降，并进一步抑制生物硝化。这限制了通过生物硝化去除氨的潜力。
在一些处理方法中，加入化学品(例如苛性钠)以增加废水的碱度。在其它处理方法中，尝试生物学地恢复碱度，例如通过加入碳源以增强生物脱硝化或通过尝试通过厌氧氨氧化途径恢复碱度。然而，这些方法可能操作昂贵或难以控制。
在一些情况下，将具有高氨浓度的废水排放到市政废水处理厂(WWTP)中。虽然高强度废水被低强度废水(如也在WWTP中处理的市政污水)稀释，WWTP的氨负载增加。这可能引起WWTP中的操作问题或者引起流出物氨浓度超过流出物氨许可。
发明内容
以下意图向读者介绍本发明，而不是限制或限定任何要求保护的发明。
在本文所述的方法中，在将高强度废水(特别是具有高氨浓度的废水)排放到处理较低强度废水的废水处理厂(例如处理市政污水的活性污泥厂)之前，对其预处理。通过与支撑在气体转移膜上的固定膜接触，生物学地预处理所述高强度废水。所述预处理可以是间歇或连续方法。在一些实例中，控制所述预处理以去除氨至大约材料碱度耗尽的点。任选地，可以监测一个或多个参数，例如碱度、pH或膜排出的氧浓度，以确定碱度耗尽是否已经发生或大约要发生。在一些实例中，将高强度废水与相对于其非氨碱度具有较少氨的废水共混，例如具有远大于1摩尔碱度/摩尔氨(大于3.57 mg CaCO3当量/mg NH4 +-N)的废水，例如市政污水或初级流出物。任选地，所述高强度废水可以包括厌氧消化器污泥、初沉污泥或活性污泥中的一种或多种的液体部分，例如厌氧消化器污泥的液体部分。
在本文所述的***中，膜曝气生物膜反应器(MABR)与活性污泥***组合。所述MABR包括一个或多个膜曝气生物膜模块。所述***配置成使得MABR接收高强度废水并将流出物排放到所述活性污泥***。在使用中，将氧供应到所述模块，并且附着的生长以由模块的气体转移膜支撑的固定膜的形式存在于MABR中。氨(即铵或NH4 +-N)在附着的生物膜中被硝化或以其它方式氧化，并从而在其进入所述活性污泥***之前从所述高强度废水给水中去除。任选地，在所述活性污泥***的处理槽中处理之前，也可以在所述MABR中处理流向所述活性污泥***的市政污水的一部分。任选地，所述***可以配置成将在所述活性污泥***或厌氧消化器中产生的一种或多种污泥的液体部分输送到所述MABR作为高强度废水。
附图说明
附图是废水处理厂10的方法流程图。
具体实施方式
高强度废水可以具有例如1000 mg/L或更多的氨。在一些情况下，高强度废水也可以是碱度不足的，这意味着废水不具有足够的碱度以允许废水中的所有氨的生物硝化。在下面更详细描述的方法中，在进一步在活性污泥方法中处理之前，通过膜曝气生物膜反应器(MABR)的生物膜中的生物氧化(即硝化)处理高强度废水。高强度废水可以在MABR中以连续流或间歇进料方法处理。任选地，MABR尚未收集和循环活性固体，并因此没有材料悬浮生长。来自MABR的流出物可以与例如低强度废水(如市政污水)混合，任选地通过将MABR流出物与例如流入废水、初级流出物、混合液或活性污泥厂中的返回活性污泥共混。任选地，高强度废水在MABR中处理之前可以例如用带式压滤机洗涤水稀释。
任选地，可以操作MABR以去除氨至大约碱度耗尽的点。例如，在间歇进料方法中，当碱度耗尽到大约pH降低变得抑制生物活性的水平时，可以结束间歇反应。缺乏足够的碱度可以通过直接测量碱度和/或氨，或通过测量相关参数(如pH或膜排出的氧浓度或两者)来确定。例如，碱度耗尽可以通过MABR中的废水的pH处于或低于特定阈值来指示，例如，该值在约6-6.5的范围内。碱度耗尽也可以通过膜排出的氧浓度的快速增加来指示，例如相对于前一小时或更长时间内的平均浓度，或者通过在指定阈值处或高于指定阈值的膜排出的氧浓度来指示，例如在约15%-15.5%的范围内的值或者由地点特定条件确定的不同范围。不归因于氧进料速率变化的膜排出的氧浓度的增加指示生物膜中的微生物正被抑制氧化(即硝化)氨。连续MABR方法也可以配置成通过在感知碱度耗尽时调节一个或多个方法参数(例如进料速率或停留时间)，在大约碱度耗尽的点操作。然而，连续方法可能比间歇方法更难控制，同时允许方法条件的变化(即流入污水流速的日变化)，并因此可能需要更高的pH阈值或更低的膜排出的氧浓度阈值。
任选地，具有较低氨与碱度比率的废水可以与高强度水混合，并在MABR中处理。向碱度废水(例如市政污水或市政污水的初级流出物)中加入较低的氨允许在MABR中去除更多的氨。任选地，加入的较低氨比碱度废水的量可以随时间变化，以降低在其它方法条件中变化的影响。任选地，可以调节高强度废水与较低氨比碱度废水的共混，以在组合流中至少实现足够的碱度与氨的比率，使得在MABR中的氨去除不受缺乏碱度的限制。例如，可以共混该组合流，以具有至少约2摩尔碱度/摩尔氨(7.14 mg CaCO3 eq/mg NH4，以N计)。
附图显示废水处理***10。将废水12(例如市政污水)进料到初级澄清器14中。初级澄清器14生产初沉污泥16和初级流出物18。初级流出物18流入一个或多个处理槽20。在所示的实例中，处理槽20具有曝气器22(例如细小气泡曝气器)的格栅。从鼓风机36向曝气器22供应空气，空气的量足以保持混合液24至少在处理槽20中时是有氧的。混合液24流向二级澄清器26。二级澄清器26生产工厂流出物28和活性污泥30。活性污泥30被分离成废活性污泥32和返回活性污泥34。返回活性污泥34返回到处理槽20。
在初级澄清器14中去除废水中的一些悬浮的固体。在其它实例中，初级澄清器14不存在，并且流入的悬浮的固体通过处理槽20进入二级澄清器26。一些剩余的有机化合物(即生物需氧量(BOD))通过处理槽20中的悬浮的生物质去除。特别地，氨通过硝化细菌转化为硝酸盐。在其它活性污泥***中，加入更多的处理槽20。例如，加入缺氧槽允许通过脱硝化方法减少总的氮。初级澄清器14(如果有)、一个或多个处理槽20和二级澄清器26形成活性污泥反应器或***8。
MABR槽38含有一个或多个膜曝气生物膜模块(MABM) 40。在MABR 40的下方加入MABR曝气器48，例如粗气泡曝气器或脉冲曝气器，以周期性冲洗MABM 40中或周围的生物膜和/或更新水。从MABM 40释放的过量的生物膜或在MABR槽38中沉降的固体可以作为MABR固体47被去除。MABR固体47可以如所示的直接从MABR槽38中去除，或者从下游分离器中去除。任选地，可以将MABR固体47送至厌氧消化器58。
高强度废水42流入MABR槽38。任选地，可以加入均衡槽44以允许调节高强度废水42的流速。任选地，可以在MABR槽38的上游加入筛网，以保护MABM 40免受大的固体或过量的纤维或毛发的影响。高强度废水42的氨浓度比废水12高。
MABR流出物46流向处理槽20，任选地直接流入或通过与废水12或初级流出物18共混或加入到初级澄清器14。MABR流出物46流向处理槽20可以是连续的或间歇的。在另一个选择中，一部分MABR流出物46 (其可以暂时包括全部MABR流出物46)可以连续地或周期性地循环到MABR槽38中。这么做可以例如混合MABR槽38的内容物或调节MABR槽38的停留时间。
在所示的实例中，废活性污泥32通过增稠器50。增稠器50生产增稠的废活性污泥(TWAS) 54和滤液56。TWAS 54和初级流出物16在厌氧消化器58中处理。在脱水器60中分离消化液(或者称为消化器污泥) 60以生产离心液(centrate) 52。离心液52和滤液56组成高强度废水42。在其它实例中，初沉污泥16也可通过相同的增稠器50或不同的增稠器，或者废活性污泥32可以不被增稠，使得滤液56可以是废活性污泥32和初沉污泥16之一或两者的液体部分。在其它实例中，仅一种或多种污泥可以在消化器58中处理，或者可能没有消化器58。在另一种选择中，消化液60可以被增稠而不是脱水。
任何类型的固液分离装置都可以用于增稠器50或脱水器60。尽管来自活性污泥方法的污泥通常被增稠，而来自厌氧消化器的污泥通常被脱水，但来自任一者的固体部分的浓度不需要在增稠或脱水范围内。为了方便起见，使用词语“滤液”和“离心液”来一般地指固液分离的液体部分，并且不限于特定的产品或过滤器或离心机。在其它选择中，滤液56或离心液52中仅一种构成高强度废水42。在其它实例中，高强度废水42可以全部或部分地由***10外部的来源提供，例如由工业(即工业方法、农业或采矿)废水提供。
MABR鼓风机64向MABM 40供应空气。MABR曝气器48可以直接从鼓风机64 (或另一个鼓风机)接收空气，或者以已经通过MABM 40的废气的形式接收空气。MABR曝气器48通常仅周期性地接收空气。到MABM 40的空气流通常是打开的。流速可以是可调节的或恒定的。可以选择空气流速以防止生物膜中的氧化(即硝化)由于缺乏氧而被抑制。在调节的气流的情况下，考虑一个或多个方法测量值，例如MABR槽38中的流入物或水中的氨浓度，可以改变该速率。可以在来自一个或多个MABM 40的氧排出管线68上提供氧浓度传感器66。可以提供pH传感器69与MABR槽38中的废水连通。
MABM 40、MABR槽38和相关设备(如鼓风机64)和MABR曝气器48形成膜曝气生物膜反应器(MABR) 70。高强度废水42首先在MABR 70中处理。在MABM 40的膜上生长的固定生物膜上发生硝化。由于生物膜是附着的，MABR 70不需要在澄清器中或用过滤膜或其它固体分离装置捕获混合液悬浮的固体。
在一种选择中，MABR 70以间歇方法操作。高强度废水42可以周期性从均衡槽44中抽出并加入到MABR槽38。或者，高强度废水42可以在其生产时加入到MABR槽38，例如在每天进行污泥脱水4-12小时的WWTP中。将相应量的MABR流出物46送到活性污泥反应器8。加入以开始新批次的高强度废水42的量可以约等于或小于MABR槽38的体积。氨氧化(即硝化)细菌在批次之间保持在MABR 70中，因为它们保持在附着于膜介质的生物膜中。
任选地，可以维持批次直到高强度废水42的碱度被实质上耗尽。例如，通过pH降低到或低于指定阈值，例如6-6.5范围内的阈值，可以用信号通知碱度的材料消耗。或者，例如，可以通过膜排出的氧浓度快速增加、增加到或高于指定阈值(例如15%-15.5%范围的阈值)、或相对于氧浓度与在没有碱度耗尽的情况下且在相同或相关的氧进料速率下生产的氨浓度的图增加，用信号通知碱度的材料消耗。当材料碱度耗尽即将来临或已经发生到小程度时，冲洗反应器并用新批次的废水替换至少一些其内容物。
在另一种选择中，MABR以连续方法操作。在连续模式操作中，将高强度、碱度不足的废水与较低强度、碱度丰富的稀释水共混。可以任选地调节共混比率以将碱度与氨的比率保持在选定的范围内或高于选定的阈值。例如，可以选择共混比率以在废水共混物中提供至少2摩尔碱度/摩尔氨。或者，可以选择共混比率以足以避免例如通过以下而用信号通知材料碱度耗尽：pH处于或高于指定阈值(例如在6-6.5范围内)；膜排出的氧浓度处于或高于指定阈值(例如在15%-15.5%范围内的阈值)，或者膜排出的氧浓度高于在没有碱度耗尽的情况下且在相同或相关的氧进料速率下生产的氧浓度与氨浓度的图。
在MABR中，在“较少气泡”扩散方法中，通过支撑膜将氧递送至生物膜中的氨氧化(即硝化)有机体。基于扩散的气体转移方法比细小气泡曝气更有效。可以在生物膜的缺氧外层中、在生物膜外部的本体水中或在废水处理厂的缺氧区中提供脱硝化。任选地，该方法可以使用“短程”氮去除途径，即亚硝酸盐分流、部分亚硝化或部分亚硝化/厌氧氨氧化(脱氨化)，而不是常规的硝化-脱硝化。
有关MABR及其操作的另外的信息可以在美国公开号2016/0009578 A1，MembraneAssembly for Supporting a Biofilm；美国公开号2017/0088449 A1，WastewaterTreatment with Primary Treatment and MBR or MABR-IFAS Reactors；以及国际公开号WO 2016/209235 A1, Floating Apparatus for Membrane Biofilm Reactor andProcess for Water Treatment中找到，其通过引用并入本文。
美国公开号2016/0009578 A1，Membrane Assembly for Supporting a Biofilm描述了用于支撑生物膜的绳索。该绳索具有多根纱线，包括至少一根具有多个中空纤维气体转移膜的纱线。模块具有封装在至少一个集管(header)中的多个绳索。反应器具有浸入待处理的水槽中的模块。将空气供应到模块，并且在绳索上形成生物膜。
美国公开号2017/0088449 A1，Wastewater Treatment with Primary Treatmentand MBR or MABR-IFAS Reactors描述了用于处理废水的各种方法。将气体转移膜浸入水中，并向膜提供加压空气。在一个实例中，将气体转移膜加入到活性污泥反应器中的处理槽。膜支撑充氧的硝化生物膜，其浸入槽中的缺氧的悬浮的生物质中。
国际公开号WO 2016/209235 A1, Floating Apparatus for Membrane BiofilmReactor and Process for Water Treatment描述了具有多个气体转移膜的设备。该设备漂浮在水中，具有膜浸入水中。该设备可以加入到常规活性污泥反应器的处理槽中。
实施例
在市政废水处理厂中操作膜曝气生物膜反应器(MABR)。MABR用于减少来自用厌氧消化器污泥进料的压滤机的滤液中的氨。MABR以间歇方法操作。将130 L批次的滤液加入到MABR中，并通过具有800 L体积的MABR槽再循环。每批次通过置换操作，其中将130 L加入到现有的800 L中，将130 L从该方法中置换出来。滤液含有1960 mg/L氨、4690 mg/L碱度、2180 mg/L COD。在将一批次滤液加入到MABR槽中之后，槽中的浓度为约740 mg/L氨和800mg/L碱度。每批次操作3-5天，并且在此期间，供应到MABR模块的膜的方法空气是用于硝化的唯一氧源。在每批次期间，周期性测量反应器中的氨浓度，以及pH、碱度、硝酸盐、亚硝酸盐和COD。还测量来自MABR模块的排出气的氧浓度，以确定氧通过膜的传质。当碱度被耗尽至抑制硝化的点时，认为批次完成，这通过pH降低到约6.5或更低来指示。
来自间歇测试的氨测量结果导致观察到的硝化速率在3.5-17 g NH4-N/d/m2之间，以每平方米膜表面积每天硝化的氨的质量来测量。观察到的平均硝化速率为8.4 g NH4-N/d/m2。在每批次期间，氨的去除百分比为20%，并受滤液中可利用的碱度的限制。相应的氧转移速率在18-28 g O2/d/m2范围内，平均为20.3 g O2/d/m2。
作为第二个测试，在间歇运行结束时(即当硝化由于缺乏碱度而减慢并且pH＜6时)，将来源于现场酸相消化器的挥发性脂肪酸(VFA)加入到MABR中，以提供用于脱硝化的碳。目的是测试***通过脱硝化生产碱度的能力，该碱度可用于通过MABR进一步硝化。该测试证明是有效的，并以平均6.2 g NH4-N/d/m2的速率生产进一步的硝化。
在间歇测试条件下，MABR模块的曝气效率速率为3.3-5 kg O2/kWh范围，平均为4.5 kg O2/kWh。典型的细小气泡曝气效率速率在1-2 kg O2/kWh范围内。基于这些测试条件，MABR模块比细小气泡曝气在用于去除侧流氨负载更节能。每单位去除的氨消耗的氧的量小于硝化所需的量，指示在MABR中至少一些氨可以通过亚硝化或另一种氨氧化途径去除。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则这样的其它实例被认为是在处于权利要求的范围内。

Claims (14)

1.处理废水的方法，所述方法包括以下步骤，
a)通过活性污泥方法处理第一废水；
b)用膜曝气生物膜预处理第二废水，以生产具有降低的氨浓度的流出物；
c)在所述活性污泥方法中处理所述具有降低的氨浓度的流出物，
其中所述第二废水具有比所述第一废水更高的氨浓度或包含一种或多种污泥的液体部分。
2.权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括用所述膜曝气生物膜处理所述第一废水的一部分。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述第二废水包含在所述活性污泥方法中生产的初沉污泥和废活性污泥之一或两者的液体部分。
4.权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述第二废水包含厌氧消化器污泥的液体部分。
5.权利要求4所述的方法，其中所述厌氧消化器污泥通过消化在所述活性污泥方法中生产的初沉污泥和废活性污泥之一或两者而生产。
6.权利要求1-5中任一项所述的方法，其中如果存在的话，所述第二废水在稀释之前具有1000 mg/L或更多的氨。
7.权利要求1-6中任一项所述的方法，其中在间歇方法中处理所述第二废水至大约材料碱度耗尽的点。
8.权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法包括用所述膜曝气生物膜处理所述第一废水的一部分，其中所述部分足以允许所述第二废水中的氨硝化而没有碱度耗尽。
9.权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法包括用所述膜曝气生物膜处理所述第一废水的一部分，其中所述部分足以生产具有至少约2摩尔碱度/摩尔氨的组合废水。
10.权利要求1-9中任一项所述的方法，所述方法包括在步骤b)中监测碱度、pH和膜排出的氧浓度中的一种或多种。
11.权利要求1-10中任一项所述的方法，所述方法包括考虑pH或膜排出的氧浓度的测量来选择批次的持续时间或第一废水与第二废水的比率。
12.用于处理废水的***，其包含，
a)膜曝气生物膜反应器(MABR)，其具有入口和出口；
b)活性污泥***，其具有入口、流出物出口和一个或多个污泥出口；
c)固液分离单元，其具有入口和液体部分出口，
其中
d)来自所述MABR的出口连接到所述活性污泥***；
e)所述固液分离单元的入口直接或通过厌氧消化器连接到所述一个或多个污泥出口；和
f)所述固液分离单元的所述液体部分出口连接到所述MABR的入口。
13.权利要求12所述的***，其中所述MABR进一步包含pH计或氧浓度计。
14.权利要求12或13所述的***，其中所述MABR的所述入口进一步连接到非生物处理的污水源。
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