CN1490259A

CN1490259A - 动态生物膜和活性污泥法协同作用的污水处理方法及装置

Info

Publication number: CN1490259A
Application number: CNA021308977A
Authority: CN
Inventors: 彬范; 范彬; 栾兆坤; 吴晓清; 贾智萍
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-21

Abstract

本发明属于应用生物法进行污水处理的技术领域，包括利用悬浮的活性污泥与动态的生物膜的协同作用对污水进行处理的方法及装置。悬浮的活性污泥与动态生物膜被集成在同一个曝气容器中。在曝气容器中放置动态生物膜组件，其上沉积动态的生物膜。其中，悬浮的活性污泥的作用是消除进水中大部分的污染物质。曝气容器中的混合液透过动态生物膜成为最终出水。动态生物膜的作用一方面是实现对出水近似完全的固液分离效果，另一方面是通过其中的微生物的生化作用在混合液透过时消除其中残留的部分污染物。本发明的污水处理方法及装置解决了传统污水处理方法中的固液分离问题，实现了水力停留时间与污泥停留时间的完全分离，处理效率高、出水水质好；另外还具有占地面积小、污泥产量少和易于实现自动化等优点。本发明的方法和装置可应用在适合生物法处理的各种污水处理中。

Description

动态生物膜和活性污泥法协同作用的污水处理方法及装置

本发明属于生物法污水处理工艺的技术领域，特别涉及应用动态生物膜和活性污泥法协同作用强化污水处理效果的的工艺及装置。

传统的人工生物法污水处理工艺可以分为活性污泥法和生物膜法两大类(张自杰，林荣忱，金儒霖，编。张自杰主编，顾夏声主审。排水工程。中国建筑工业出版社，pp99，pp199)。前者如常见的由曝气池、二沉池等组成的城市污水处理***，主要利用存在于活性污泥絮体内的微生物对污水中的污染物进行生物降解，活性污泥的絮体一般在反应器(曝气池)中呈悬浮状态；后者如生物滤池、生物转盘等，主要利用膜状污泥(生物膜)中的微生物对污水中的污染物进行生物降解，生物膜一般附着在滤料或其他载体上。这两类方法的优缺点往往是相互对应的。尽管生物膜法污水处理工艺发展迅速，新型工艺不断涌现，但活性污泥法仍是主流的处理方法。总的来说传统的人工生物法污水处理工艺的主要缺点是处理效率不够高、出水水质不够好以及运行管理的难度大等。另外，随着城市水危机问题的加剧，污水处理的目标已不仅仅是达标排放，还希望能够满足回用的要求。传统生物法污水处理工艺的出水通常都难以满足回用的要求。

本发明针对传统生物法污水处理工艺的缺点，提出了动态生物膜和活性污泥法协同作用的污水处理工艺。其原理在于在同一个反应器内集成活性污泥法和生物膜法，利用悬浮的活性污泥絮体的高效降解作用去除绝大部分的污染物质，然后经过活性污泥作用后的混合液再穿过动态生物膜形成最终出水；在此过程中，混合液中的悬浮固体物为动态生物膜的筛分作用截留，而其中残留的有机物等污染物质则为动态生物膜中的微生物生化作用吸收和降解，从而提高出水的水质。本发明中，动态生物膜具有两方面的作用。一是完成固液分离。在传统的生物法污水处理中，反应后的泥水混合液一般需要借助二沉池等重力沉降设备进行固液分离，不仅占地大、投资高，而且固液分离的效果受很多因素的影响，分离效果差，严重时甚至会影响整个***的正常工作。本发明完全克服了传统方法中的固液分离问题。本发明中动态生物膜的第二个作用是通过其中的微生物的生化作用进一步去除溶解性污染物质。在传统的生物膜法污水处理工艺中，水中的溶解性污染物、溶解氧等主要通过扩散传质作用进入生物膜，因此其效率往往受扩散传质效果的限制。在本发明的方法中，混合液作穿透生物膜的运动，传质效果不再成为限制性条件，因此时提高了生物膜的工作效率。

本发明的实施方法如下：

1)建立生物反应器A。所建立的生物反应器包含反应槽A-I、导流装置A-II、曝气装置A-III、进出水装置A-IV。所指的反应槽A-I是一个容器，可以是长方体，但并不局限于长方体。通过污泥接种、驯化培养等步骤在反应槽A-I内形成一定体积和浓度的活性污泥混合液。导流装置A-II是-个(或数个)隔板A-V，将反应槽分隔成两个(或多个)相连通的单元A-VI，其作用是引导水流在隔板A-V的两侧相连通的反应槽单元A-VI之间形成环流A-VII。所指的曝气装置A-III敷设在反应槽底部，通过管道与外来的压缩空气源相连，向反应器内鼓入空气。曝气***A-III由两组(或多组)曝气装置单元A-VIII组成，每个反应槽单元A-VI的底部安装一个曝气单元A-VIII。不同的曝气单元A-VIII可以单独控制。

2)建立动态生物膜组件B。动态生物膜组件B可由多个相同的动态生物膜组件单元B-I相距一定距离平行排列组成。组件单元B-I的特征是包含动态生物膜承载面B-II、支架B-III和出水装置B-IV组成。支架B-III可以是板框形状，也可以是其它形状。构成承载面B-II的材料，可以选择各种材料的编织网，包括有机合成材料编织网、天然从材料编织网、不锈钢网、铜网等金属材料编织网等，也可选用无纺布材料，或其他具有筛分过滤作用的材料。编织网的孔径的最佳范围为300目～40目。B-II覆盖在B-III上，二者形成一个密封的内部空腔B-V。所指的密封是指水只能透过承载面B-II进入B-V。出水装置B-IV的作用是将B-V中的水引出并便于收集成为出水。同一个组件B的各个单元B～I的出水装置B-IV可相互连接，形成一个总的出水装置(或者称为组件B的出水装置)B-VI。

3)在生物反应器A内安放动态膜组件B，并且使安放了动态膜组件B的反应槽单元A-VI-1与未安放B的反应槽单元A-VI-0呈交替排列。

4)开启反应器的进水装置，同时开启未安装B的反应槽单元A-VI-0中的曝气单元A-VIII-0。当反应器内的液面高于出水装置B-VII的出水口时即形成一出水水头A-IX，在A-IX作用下，生物反应器内的混合液开始透过载体面B-II进入组件单元的空腔B-V，并从B-VI的出水口流出，成为整个***的出水。伴随出水，在载体面上沉积以活性污泥为主的生物膜。此生物膜一方面可以将出水中的悬浮固体物等物质截留在反应器内，另一方面可以进一步降解其中所含的污染物。初期的出水比较浑浊，可将这部分出水返回反应器之中。通常在10～30分钟后，出水中的悬浮固体(SS)浓度即可降低到5mg/L以下，并可进一步将到接近0。此时的出水即可以作为反应器的正常出水。

5)当动态生物膜组件B发生堵塞时停止反应器的进水和曝气单元A-VIII-0的进气，在出水水头A-IX降低到0后开启曝气单元A-VIII-1的进气，将载体面上沉积的动态生物膜清除。

6)使本发明的污水处理***按4)和5)所述的方式周期性地运行。本发明的方法具有下列特征：

7)利用悬浮的活性污泥消除被处理水中的绝大部分污染物质，在随后泥水混合液穿透动态生物膜的过程中，利用动态生物膜的生化作用进一步消除污染物，并通过动态生物膜的筛分作用将泥水混合液中的固体悬浮物截留在反应装置内，而使最终出水中几乎不含悬浮固体物质。

8)所指的悬浮活性污泥和动态生物膜集成在同一个曝气容器中。

9)所指的动态生物膜是在所指的混合液透过动态生物膜载体时沉积在载体上的膜状活性污泥。

10)上述泥水混合液在水力自重的作用下穿透所指的动态生物膜后形成最终出水，所指的水力自重是形成在动态生物膜两侧的小于或等于5cm的液位差。

11)当动态生物膜发生堵塞而不能维持稳定的出水通量时，利用在动态生物膜下方进行曝气的方法，形成平行于动态生物膜表面的气固液三相流动，将动态生物膜从载体上清除。

12)动态生物膜沉积和被清除具有周期性，所指周期性的一个周期是指一次动态生物膜开始在载体上沉积到被从载体上清除之间的时间间隔。本发明提出了采用上述方法的污水处理装置，具有以下特征：

1)包含生物反应器与动态生物膜组件。

2)所指的生物反应器包含反应槽、曝气装置、导流装置和进出水装置。

3)所指的导流装置将反应槽分隔成相连通的两个或多个反应槽单元，在每个反应槽单元底部铺设所指的曝气装置，不同反应槽单元中的曝气可以单独控制。

4)所指的动态生物膜组件放置在上述反应槽的一部分单元中，并使未放置动态生物膜组件和放置动态生物膜组件的反应槽单元呈交替排列。

5)所指的动态生物膜组件具有由多孔材料构成的可供生物膜沉积的承载面。

6)所指的多孔材料可以是各种具有筛分性能的材料，筛孔的孔径最好介于300目～40目，但并不限定于此范围。

7)通过所指的导流装置和曝气装置的共同作用在生物反应器内形成气固液三相环流，该环流的一部分是权利1中所指的平行于动态生物膜表面的气固液三相流动。

8)放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置与未放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置以交替工作的方式向反应器内曝气；在如权利1所指的一个运行周期内，当动态生物膜发生如权利1所指的堵塞时，仅使放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置向反应器内曝气；在该运行周期的其它时间内，仅使未放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置向反应器内曝气。

发明效果：

本发明将曝气池活性污泥法和生物膜法对污染物的高效降解作用以及动态生物膜的高效筛分过滤作用集成在同一个反应器中，不仅提高了对有机污染物的去除效果，还具有下列优点：

(1)对出水的固液分离效果可以接近100％(出水中的悬浮固体浓度小于＜5mg/L)，并且固液分离效果不受混合液沉降性的影响，使***内的细胞停留时间与水力停留时间完全分离，便于运行管理；

(2)有利于硝化细菌等生长缓慢的微生物的增殖，***对氨氮的去除率可以达到95％以上；

(3)由于取消了传统污水处理中的二沉池，并且***内的水力停留时间短，因此节约了占地面积；

(4)***内维持高的污泥浓度，便于降低污泥负荷、减少剩余污泥产量；

(5)便于实现自动化的运行管理。

实施例一：用孔径为300目的尼龙网构成动态生物膜组件的承载面。图1为本实施例的装置示意图，图2为所指的动态生物膜组件示意图。本例中，未放置动态生物膜组件的反应槽单元数与放置了动态生物膜组件的反应槽单元数之比为1∶1。图1中1为反应槽，2为导流装置，3为曝气***，4为动态生物膜组件的出水装置，5为动态生物膜组件，6为动态生物膜组件单元的支架，7为动态生物膜组件单元的承载面，8为动态生物膜组件单元的出水装置。应用本发明的方法和装置处理城市污水。被处理水的主要水质指标：化学耗氧量COD浓度为300mg/L～600mg/L，氨态氮NH₃-N的浓度为20～40mg/L，pH＝6.7～7.5。结合附图对实施例详细描述如下。

在本实施例中，生物反应器的主要运行参数：混合液悬浮污泥浓度为4000～5000mg/L；生物反应器的水力停留时间3小时，污泥停留时间60天；反应器内溶解氧的浓度为3～5mg/L。动态生物膜的主要运行参数：水力负荷为20L/(m²h)；如图1所示的液位差在初始阶段的稳定值为0.6cm，运行周期为10天，周期中止时的液位差为4cm。

在图示液位差的驱动下，反应器内的混合液透过动态生物膜组件的承载面进入动态生物组件单元的内部空腔，再通过出水出水装置4流出并收集为出水。在每个运行周期里，将最初半小时内的出水返回生物反应器。实际运行的效果：出水的悬浮固体浓度小于2mg/L，但在绝大多数情况下为0；浊度小于1NTU；最终出水中的COD_cr浓度小于30mg/L，BOD₅小于5mg/L；出水中的NH₃-N小于1mg/L。上述指标符合***生活杂用水(洗车、清扫)水质标准CJ25.2-89的有关规定。在本例中，生物反应槽中悬浮的活性污泥去除的COD占进水中COD大于80％，动态生物膜去除的COD占进水中的总COD大于10％。

实施例二：采用孔径为40目的不锈钢网构成动态生物膜组件的承载面。图3为本实施例的装置***示意图，动态生物膜组件的外形结构如图2所示相同。本例中，未放置动态生物膜组件的反应槽单元与放置动态生物膜组件的反应槽单元数目之比为2。图3中9为反应槽，10为导流装置，11为曝气装置，12为出水装置，13为动态生物膜组件。应用本发明的方法和装置农业生态小区内的粪便废水。被处理水的主要水质指标：化学耗氧量COD浓度为600mg/L～1000mg/L，氨态氮NH₃-N的浓度为40～60mg/L，pH＝6.7～7.5。结合附图3对本实施例详细描述如下。

生物反应器的运行参数：悬浮固体浓度为8000～10000mg/L；污泥停留时间为30天，水力停留时间为4小时；溶解氧浓度为2～3mg/L。动态生物膜的主要运行参数：水力负荷为15L/(m²h)，如图3所示的出水液位差在每个运行周期的初始阶段为0.5mm，运行周期为7天，周期终止时的出水液位差为5cm。实施效果：出水中的悬浮固体浓度小于5mg/L，出水浊度小于5NTU，出水中的COD_cr浓度小于80mg/L，BOD₅的浓度小于10mg/L，出水中氨氮NH₃-N的浓度小于1.5mg/L。本例中，生物反应槽中的悬浮的活性污泥去除的COD占进水COD的75％以上，动态生物膜去除的COD占进水COD的15％以上。

实施例3：选用无纺布NWA50构成动态生物膜组件的承载面。本实施例的装置***示意图见图1，动态生物膜组件的示意图见图2。应用本发明的方法和装置处理城市污水，进水的主要水质数据：COD浓度为200～400mg/L，NH₃-N的浓度为20～40mg/L，pH为6.8～7.4。结合附图1对本实施例详细描述如下。

生物反应器的运行参数：悬浮固体浓度为4000～6000mg/L；污泥停留时间为80天，水力停留时间为3.5小时；溶解氧浓度为3～4mg/L。动态生物膜的主要运行参数：水力负荷为24L/(m²h)，如图1所示的出水液位差在每个运行周期的初始阶段为0.9mm，运行周期为12天，周期终止时的出水液位差为5cm。实施效果：出水中的悬浮固体浓度小于5mg/L，出水浊度小于5NTU，出水中的COD_cr浓度小于30mg/L，BOD₅的浓度小于3mg/L，出水中氨氮NH₃-N的浓度小于1.0mg/L。本例中，生物反应槽中的悬浮的活性污泥去除的COD占进水COD的80％以上，动态生物膜去除的COD占进水COD的10％以上。

Claims

1.一种应用悬浮的活性污泥与动态生物膜的协同作用进行污水处理的方法，其特征在于：

1)利用悬浮的活性污泥消除被处理水中的大部分污染物质，在随后泥水混合液穿透动态生物膜的过程中，利用动态生物膜的生化作用进一步消除污染物，并通过动态生物膜的筛分作用将泥水混合液中的固体悬浮物截留在反应装置内，而使最终出水中几乎不含悬浮固体物质。

2)所指的悬浮活性污泥和动态生物膜集成在同一个曝气容器中，所指的动态生物膜是在所说的混合液透过动态生物膜载体时沉积在载体上的膜状活性污泥。

3)泥水混合液在水力自重的作用下穿透所指的动态生物膜后形成最终出水，所指的水力自重是形成在动态生物膜两侧的小于或等于5cm的液位差。

4)当动态生物膜发生堵塞而不能维持稳定的出水通量时，利用在动态生物膜下方进行曝气的方法，形成平行于动态生物膜表面的气固液三相流动，将动态生物膜从载体上清除。

5)动态生物膜沉积和被清除具有周期性，所指周期性的一个周期是指一次动态生物膜开始在载体上沉积到被从载体上清除之间的时间间隔。

2.使用如权利要求1所述方法并适用于权利要求1所述方法的污水处理装置，具有以下特征：

1)包含生物反应器与动态生物膜组件；所指的生物反应器包含反应槽、曝气装置、导流装置和进出水装置，所指的导流装置将反应槽分隔成相连通的两个或多个反应槽单元，在每个反应槽单元底部铺设所指的曝气装置，不同反应槽单元中的曝气可以单独控制；所指的动态生物膜组件放置在上述反应槽的一部分单元中，并使未放置动态生物膜组件和放置动态生物膜组件的反应槽单元呈交替排列。

2)所指的动态生物膜组件具有由多孔材料构成的可供生物膜沉积的承载面，所指的多孔材料可以是各种具有筛分性能的材料，筛孔的孔径最好介于300目～40目，但并不限定于此范围。

3)通过所指的导流装置和曝气装置的共同作用在生物反应器内形成气固液三相环流，该环流的一部分是权利1中所说的平行于动态生物膜表面的气固液三相流动。

4)放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置与未放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置以交替工作的方式向反应器内曝气；在如权利1所说的一个运行周期内，当动态生物膜发生如权利1所指的堵塞时，仅使放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置向反应器内曝气；在该运行周期的其它时间内，仅使未放置动态生物膜组件的反应槽单元中的曝气装置向反应器内曝气。