专利名称：一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器及其水处理方法
技术领域：
本发明属于水处理技术领域，涉及一种生物膜膜生物反应器，特别涉及一种利用无纺布作为生物膜载体和过滤介质，并与悬浮污泥进行耦合作用的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器及其水处理方法。
背景技术：
城市生活污水不同于工业污水，主要是排泄物和洗涤污水，其产量与生产水平有关。生活污水中含有大量的有机物，如纤维素、淀粉、糖类和脂肪蛋白质等，主要特点是有机物、氮、磷含量高，如果不处理直接排入水体中，湖泊中的藻类会大量繁殖，引起水体富营养化，直接导致水质恶化，鱼虾大量死亡，引发严重的生态灾难。有些藻类还会释放藻毒素，严重影响了当地居民的饮用水安全。因此，设计一种工艺简单，成本节约，又能高效去除有机物和氮磷的工艺是环保科技工作者一直追求的目标。生物处理是迄今为止去除污水中有机物和氮最经济有效的途径。其原理是氨氮首先经硝化菌在好氧环境下氧化为N0X-，NOx-又在缺氧条件下由反硝化菌还原为队。在传统工艺中，硝化和反硝化过程一般是在两个反应器中独立进行或在同一反应器中顺次进行， 占地面积比较大。同步硝化反硝化现象的发现使得活性污泥法的脱氮过程更加简化。污泥颗粒化和生物膜法是实现同时硝化反硝化的两种主要途径。污泥颗粒化方法效果虽然很好，但是形成的条件比较苛刻，如果应用于实际中，由于进水水质变化比较大， 很容易使污泥颗粒解体，造成工艺运行不稳定。而生物膜法则相对简单，只要有合适的载体，微生物就会附着生长，形成较厚的生物膜，因此，生物膜法是实现同时硝化反硝化的主要途径。专利“一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法(专利号 CN200610040287. 6) ”采用曝气生物滤池的工艺，通过控制曝气装置位置和曝气量的大小来实现同时硝化反硝化。由于曝气分布不均勻，陶粒上附着的生物膜很薄，反硝化效果并不理想，只能处理低氨氮的微污染水。专利“一种可实现同步硝化反硝化脱氮功能的膜生物反应器(专利号 CN200810010377) “采用MBR和固定填料组合工艺来实现同时硝化反硝化。污泥介质主要靠自由扩散作用进入固定填料上的生物膜内，由于生物膜较厚，影响了介质的传质作用，影响了脱氮的效果。又由于采用MBR工艺，使得运行成本增加。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，所述复合膜生物反应器具有传质效率高、过滤性能好、占地体积小、成本低廉等优点。本发明的另一目的在于公开一种采用所述复合膜生物反应器处理生活污水的方法。本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，包括与反应池相连通的进水管路、出水管路和排泥管路，所述反应池内设有若干膜组件和微孔曝气管；所述膜组件浸在反应池内部的悬浮活性污泥中，并垂直固定于反应池内的卡槽中，所述膜组件由支撑板和无纺布组成，所述支撑板内部为中空且侧面呈孔格状的板材，无纺布平铺并固定在支撑板的侧面，支撑板的内部与出水管路直接相连，出水管路设有出水泵。无纺布在膜组件的作用是(1)生物膜载体无纺布为微生物的附着生长提供载体；无纺布的结构为疏松多孔，且具有一定厚度，使悬浮活性污泥中的微生物容易附着在无纺布上，并繁殖生长。在污水处理的运行过程中，积聚在无纺布上的微生物及其分泌的微生物胞外聚合物(EPQ逐渐形成一层生物膜。生物膜的外部具有较高浓度的溶解氧，形成好氧区；随着生物膜的增厚， 溶解氧的传质阻力逐渐升高，生物膜的内部及无纺布内的溶解氧浓度逐渐降低，并最终形成厌氧区，在这个过程中异养厌氧菌逐渐形成优势菌种；(2)过滤介质无纺布还起到膜过滤的作用，在无纺布的外表面形成较厚的生物膜，改善了无纺布的截留性能，使其具有类似MBR的“膜过滤”作用。在污水处理的整个过程，出水口的SS(悬浮物)为0。支撑板的内部与出水管路的出水泵相连，在出水泵的抽吸作用下，膜组件的内部形成真空，从而在无纺布的外部和内部之间形成压力差，在压力差的作用下，水经无纺布做跨膜运动，由出水泵引出，形成出水。作为一种优选方案，所述进水管路包括进水池、进水泵和进水阀，并通过进水口与反应池相连，反应池中含有活性污泥；所述排泥管路包括排泥阀和排泥泵，并通过排泥口与反应池相连。进水阀、排泥阀可以起到调节进水量和排泥量的作用。作为一种优选方案，所述微孔曝气管优选为位于反应池的底部，且与转子流量计相连。转子流量计与曝气泵相连。微孔曝气管的曝气量由转子流量计控制，在曝气推力的作用下，反应池中的液体在反应池中循环流动。作为一种优选方案，所述膜组件在反应池中优选为等间距分布。作为一种优选方案，所述反应池的上方设有与进水泵相连的液位计。进水泵的电源与液位计连通，由液位计控制进水泵的开关；液位计的感应探针浸在悬浮活性污泥液面以下。当液面低于设定高度时，液位计控制接通进水泵电源，开始进水，当液面高于设定高度时，液位计控制切断进水泵电源，停止进水。作为一种优选方案，所述支撑板优选为内部为中空且两个主侧面呈孔格状的板材，无纺布平铺并固定在支撑板的两个主侧面。本发明中，所述主侧面为板材的长与高形成的侧面。无纺布固定在支撑板的侧面上，一起构成膜组件。作为一种优选方案，所述出水管路还设有真空压力表，真空压力表可以用于监测膜阻力的变化。所述悬浮活性污泥中，富含好氧自养细菌如氨氮氧化细菌(AOB)和亚硝酸氮氧化细菌(NOB)、好氧异氧菌。一种生活污水的处理方法，采用上述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器为处理装置，位于进水池的生活污水通过进水管路进入反应池后，在膜组件的外部，形成一层生物膜，生物膜的外部为好氧区，内部为厌氧区；好氧区中，在好氧细菌AOB和NOB的作用下，水中的氨氮首先转变成亚硝氮，然后转变为硝氮，一部分有机物在好氧异养菌的作用下得到降解或转变成增殖微生物；经过好氧区处理的水通过出水泵的抽吸作用形成的压力差，进入厌氧区及膜组件的内部，，在生物膜中厌氧反硝化菌的作用下完成反硝化过程剩余有机物的分解过程；通过上述两个过程，生活污水中的有机物和氮得到去除。然后处理后的水经过出水管路排出反应池，完成处理。曝气量为10 15m3/h。所述的生活污水的处理方法为一个连续处理过程，其中， 出水口的流量为1. 0 1. 5L/h。作为一种优选方案，所述生活污水的处理方法中，污泥龄优选为18 20d。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)在反应池的膜组件的外部和内部分别形成好氧区和厌氧区，悬浮活性污泥中的好氧细菌能够消耗污水中的溶解氧，为膜组件生物膜内部的厌氧菌的生长创造了适宜的环境；经过长时间的运行，生物膜的外部形成好氧区，内部形成厌氧区；经过膜组件的处理，同时实现硝化和反硝化的过程；(2)氨氮和亚硝态氮等污染物在生物膜内部的传质效率得到强化；在传统的生物膜反应器中，污染物质的传质主要依靠生物膜内外的浓度梯度产生的动力，生物膜过厚或过密都会限制污染物的传质效率。在本发明所述的反应池中，污染物在出水泵的抽吸作用下被强制进入、通过生物膜，这不仅大大提高了传质效率，还避免了 “短路”问题；(3)无纺布作为的膜组件具有膜过滤作用，由于无纺布外部形成的较厚的生物膜， 改善了无纺布的截留性能，使其具有类似MBR的“膜过滤”作用；在污水处理的过程中，出水悬浮物浓度一直维持在一个很低的水平；(4)占地面积小，无纺布兼具了厌氧区和“膜过滤”两种功能，省去了其它工艺要设置反硝化区或二沉池的步骤，从而大大降低了反应器的占地面积；(5)硝化过程产生的H+导致体系的pH值下降，现有技术中需要投加碱来防止pH 值的下降，本申请中，硝化和反硝化在同一反应池中同时发生，硝化过程产生的H+被反硝化过程利用，使得硝化后污泥PH值下降速度变慢，从而节省了碱度的投加；(6)成本低廉，膜组件的核心部分为无纺布，其价格低廉，因此装置的制备成本较低；另外，由于硝化和反硝化在同一反应池中完成，因此为了保证反硝化菌的活性，曝气量不能过高，较低的曝气量能耗也减少，因此污水处理的运行成本也较低。
图1为本发明所述生物膜-活性污泥复合膜生物反应器侧剖面示意图；其中，1为反应池，2为进水泵，3为进水阀，4为出水泵，5为真空压力表，6为膜组件，7为曝气泵，8为转子流量计，9为曝气管，10为反应池，11为排泥阀，12为排泥泵，13为液位计；图2为本发明所述膜组件侧剖面示意图；其中，14为支撑板，15为无纺布，16为出水引流管。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明作进一步的解释说明，但具体实施例并不对本发明作任何限定。实施例1本实施例装置的示意图如图1和图2所示，图1中，实心箭头指示反应池内悬浮污泥流动的方向，空心箭头指示膜出水方向。图2中，箭头指示膜出水方向。反应池10有效容积16L，由有机玻璃粘合制成。内部长^cm,内部宽19cm，液面高度30cm。内部平衡放置5个膜组件6，膜组件长19cm，宽1. 5cm,高^cm,膜组件之间相距 4cm。进水泵2由液位计13控制。反应池两侧设有两个微孔曝气管，曝气量为10 15m3/h。 出水口为连续出水，流量为1. 5L/h。每天定期排泥800mL，污泥龄为20天。收集进水和出水水样，测定水样中的C0D，总氮，氨氮，硝氮，亚硝氮，同时定期测定污泥浓度，通过进出水水质来评价反应器对总氮和有机质的去除效果。设定水力停留时间为12h，进水CODct平均为 400mg/L,总氮平均为60mg/L时，经过100天的连续运行后，结果显示，出水的COD。,平均为 40mg/L，对有机质的去除高达90% ；出水总氮平均为10mg/L，总氮去除效率为83. 3% ；悬浮污泥浓度(MLSS)稳定在3000mg/L左右，pH为7. 3左右，生物膜中的微生物浓度为5000mg/ L左右。实施例2利用实施例1构筑的复合膜生物反应器考察悬浮活性污泥和生物膜之间的耦合作用。在相同条件下，分别进行悬浮活性污泥、生物膜以及抽吸回流作用下生物膜的硝化反硝化的批试试验，实验结果如表1所示。试验结果表明在悬浮活性污泥和生物膜组成的系统中，起硝化作用的主要是悬浮污泥，起反硝化作用的主要是生物膜。在有抽吸回流作用时，生物膜的传质效率大大提高，反硝化速率提高了 49%。在相同条件下，分别进行悬浮污泥、生物膜、生物膜+悬浮污泥(即膜组件外不设真空泵，污染物依靠生物膜内外的浓度差透过生物膜)，本发明所述抽吸作用下的生物膜+ 悬浮污泥的耦合脱氮批试试验，实验结果如表2所示。实验结果表明悬浮活性污泥和生物膜之间存在耦合作用，耦合作用使悬浮活性污泥和生物膜组成的系统的脱氮速率大大提高，分别是悬浮活性污泥和生物膜的6倍和4 倍。在有抽吸作用时，系统的总氮的脱除效率提高了 22%。表1硝化反硝化速率批试试验
权利要求
1.一种用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，包括与反应池(10)相连通的进水管路、出水管路和排泥管路，所述反应池(10)内设有若干膜组件(6)和微孔曝气管 (9)；其特征在于，所述膜组件(6)浸在反应池(10)内部的悬浮活性污泥中，并垂直固定于反应池(10)内的卡槽中，所述膜组件(6)由支撑板(14)和无纺布(1 组成，所述支撑板 (14)内部为中空且侧面呈孔格状的板材，无纺布(15)平铺并固定在支撑板(14)的侧面，支撑板(14)的内部与出水管路直接相连，出水管路设有出水泵G)。
2.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于，所述进水管路包括进水池(1)、进水泵( 和进水阀(3)，并通过进水口与反应池(10)相连， 反应池(10)中含有活性污泥；所述排泥管路包括排泥阀(11)和排泥泵(12)，并通过排泥口与反应池(10)相连。
3.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于， 所述微孔曝气管(9)位于反应池(10)的底部，且与转子流量计(8)相连。转子流量计(8) 与曝气泵(7)相连。
4.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于，所述膜组件(6)在反应池(10)中为等间距分布。
5.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于，所述反应池(10)的上方设有与进水泵(4)相连的液位计(13)。
6.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于，所述支撑板(14)内部为中空且两个主侧面呈孔格状的板材，无纺布(1 平铺并固定在支撑板(14)的两个主侧面。
7.如权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器，其特征在于，所述出水管路还设有真空压力表(5)。
8.一种生活污水的处理方法，其特征在于，采用权利要求1所述用于脱氮的生物膜-活性污泥复合膜生物反应器为处理装置，位于反应池(1)的生活污水通过进水管路进入反应池(10)后，在膜组件(6)的外部，形成一层生物膜，生物膜的外部为好氧区，内部为厌氧区； 好氧区中，在好氧细菌的作用下，使生活污水中的有机物得到分解，氨氮发生硝化过程；然后通过出水泵(4)的抽吸作用形成的压力差，进入厌氧区及膜组件(6)的内部，在厌氧反硝化菌的作用下完成反硝化过程和剩余有机物的分解过程，然后经过出水管路排出反应池， 完成处理。
9.如权利要求8所述的处理方法，其特征在于，进水为连续进水，出水为连续出水，出水口的流量为1.0 1.5L/h。
10.如权利要求8所述的处理方法，其特征在于，处理过程中的污泥龄为18 20d。
全文摘要
本发明公开了一种生物膜-活性污泥复合膜生物反应器。所述复合膜生物反应器利用无纺布作为生物膜载体和过滤介质，并与悬浮污泥进行耦合作用，最终达到高效脱氮的目的。所述复合膜生物反应器包括与反应池相连通的进水管路、出水管路和排泥管路，所述反应池内设有若干膜组件和微孔曝气管。所述的膜组件由支撑板和无纺布组成，且与出水泵相连，所述无纺布组成的膜组件起到生物膜载体和“膜过滤”双重作用。本发明所述复合膜生物反应器不仅能高效的去除污水中的有机物和氮，还有具有传质效率高；工艺结构紧凑、节省了碱度的投加、节省了运行成本等优点。
文档编号C02F3/12GK102557255SQ201210003550
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者周忠波, 孟凡刚, 李适宇, 王源 申请人:中山大学