一种IEM‑UF氮富集前置反硝化硝化脱氮方法及装置与流程

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种利用组合膜生物反应系统的氮富集去除方法及装置。

背景技术：

低c/n是我国城市生活污水的典型水质特征。传统生物脱氮技术是通过硝化作用和反硝化作用来实现氮的去除，充足的碳源是反硝化菌高效脱氮的关键。但在处理低c/n污水的过程中，由于有机物含量偏低，污水中所能提供的碳源不能满足反硝化要求，使得传统生物脱氮工艺处理低c/n污水时遇到较大困难。

针对传统脱氮工艺处理低c/n污水的碳源不足及硝化菌硝化效率不高等问题，申请者发明了“一种利用组合膜生物反应系统的氮富集及去除方法及装置”(专利号：zl201310270168.x)来解决这一问题。运行该系统发现将富集后的氨氮进行硝化作用，硝化过程中曝气量较大，增加了能耗。但如果将硝化阶段控制在亚硝化阶段，硝化阶段将减少25％的曝气需氧量，大大节省了能耗。因此申请者发明了“一种iem-uf氮富集亚硝化反硝化脱氮方法及装置”(专利号：zl201610405969.6)。同时在“一种利用组合膜生物反应系统的氮富集及去除方法及装置”系统运行过程中发现，为使膜组件有较好的nh4⁺-n富集效果，增加了一个电极电场，但外加电场的同时电解消耗了大量有机物，使后续反硝化碳源不足，这一矛盾问题限制了氨氮富集和系统的脱氮性能。

针对上述问题，如果可以使反硝化阶段直接在氨氮分离器内进行，那么则可以直接利用分离器中的cod而不被电解消耗,使反硝化碳源充足从而脱氮效果良好。因此为了有效解决现有的低c/n生活污水脱氮效率较低，能耗较大、碳源不足等问题，本人发明一种iem-uf氮富集前置反硝化硝化脱氮方法及装置。该系统将进水中的氨氮和cod在氨氮分离器内进行富集分离，然后富集的氨氮进入硝化反应器进行硝化反应，将硝化反应液经蠕动泵抽回到氨氮分离器(即反硝化反应器)中利用其中的cod进行反硝化脱氮。反硝化反应器前置于氨氮分离器内，这样不仅可以充分利用分离出的有机物，减少电解消耗，同时对提高氨氮富集率也有保证，且该系统还可发生一部分二价铁的自养生物反硝化反应，提高脱氮效果。

“一种iem-uf氮富集前置反硝化硝化脱氮方法及装置”可有效解决反硝化过程碳源不足的问题，同时也可解决硝化过程中异养菌与自养菌的竞争。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有处理低c/n比废水处理效率不高的问题，提供一种利用组合膜生物反应系统的氨氮富集及去除方法及装置，该方法及装置具有较好的去除有机物和脱氮功能，尤其为处理碳源不足的废水提供一种处理方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种iem-uf氮富集前置反硝化硝化脱氮装置，其特征在于：该装置包括封闭的氨氮分离器(3)、硝化反应器(16)。氨氮分离器又是反硝化反应器，即两者合二为一。

氨氮分离器(3)包括原水进水蠕动泵(1)，进水管(2)，电源(4)，时间继电器(5)，导线(6)，电极(7)，搅拌器(8)，膜组件c(9)，压力表(10)，氨氮富集液出水蠕动泵(11)，氨氮富集液出水管(12)。氨氮分离器(3)中原水经过进水蠕动泵进入氨氮分离器中，膜组件c(9)位于氨氮分离器内；膜组件c(9)由超滤膜(或者微滤膜)(34)阳离子交换膜(33)以及带有导流槽(36)和孔洞(37)的支撑板(35)组成，阳离子交换膜、超滤膜(或者微滤膜)之一分别位于支撑板两侧。膜组件c出水口(32)与氨氮富集液出水管(12)、压力表(10)和出水蠕动泵(11)依次相连，并受时间继电器(5)的控制。电极(7)放置在氨氮分离器(3)内，搅拌器(8)叶片位于膜组件c(9)旁；电极(7)的两极经导线(6)分别和电源(4)相连，电极阳极正对膜组件c(9)的阳离子交换膜(33)，电极阴极正对超滤膜(或微滤膜)(34)。

硝化反应器(16)包括硝化反应器进水管(14)，硝化进水蠕动泵(15)，曝气装置(17)，气体流量计(18)，气泵(19)，时间控制开关(20)。硝化反应器(16)中曝气装置(17)与气路管线、气体流量计(18)和气泵(19)依次相连；硝化出水管(21)与硝化出水蠕动泵(22)相连，硝化反应器(16)内的曝气头(17)位于反应器下部；

反硝化反应器即为氨氮分离器，反硝化反应器与氨氮分离器两个反应器合二为一，包括搅拌器(8)，通过反硝化硝化液进水管(23)、反硝化硝化液进水蠕动泵(24)连接氨氮富集液箱(13)，通过反硝化出水蠕动泵(25)和反硝化出水管(26)连接反硝化出水二沉池(27)，反硝化出水二沉池(27)还通过反硝化污泥回流蠕动泵(28)和反硝化污泥回流管(29)连接反硝化反应器，反硝化出水二沉池(27)还设有二沉池出水蠕动泵(30)和二沉池出水管(31)。

总流程：原水经进水蠕动泵进入氨氮分离器底部；nh4⁺在氨氮分离器中在电场力作用下选择性透过阳离子交换膜被富集，被富集的氨氮富集液经氨氮富集出水管由蠕动泵抽入到氨氮富集液收集箱；在硝化进水蠕动泵的作用下氨氮富集液被抽入到硝化反应器中；氨氮富集液经过硝化反应后，由硝化出水蠕动泵抽出到硝化出水水箱收集；反硝化蠕动泵将硝化反应器出水抽入反硝化反应器(即氨氮分离器)中进行反硝化脱氮作用。

本发明提供了一种利用上述装置进行氨氮富集、硝化、反硝化脱氮的方法，其特征在于：它具有如下工艺流程步骤：

(1)废水：废水经进水泵增压后，经进水管流入氨氮分离器中；

(2)膜组件c对废水中nh4⁺富集及有机物分离：氨氮分离器中在电场力作用下，经过膜组件中阳离子交换膜将进水氨氮富集，出水氨氮浓度提高；通过超滤膜将进水cod截留在氨氮分离器中，使进入硝化反应器的膜组件出水中cod减小；

(3)sbr硝化反应：将收集的氨氮富集液经蠕动泵引入硝化反应器中，nh4⁺在曝气条件下通过硝化菌转化为no3^-，形成硝化液并对硝化液进行收集；

(4)反硝化反应器：将收集的硝化液经蠕动泵通过反硝化进水管进入反硝化反应器中，通过反硝化菌利用有机物在缺氧条件下将no3^-转化为n2，完成脱氮和有机物的去除；

(5)出水：经过第(4)步处理后出水进入二沉池泥水分离，二沉池上清液出水排放，二沉池污泥回流到反硝化反应器中。

本发明提供了一种氨氮分离前置反硝化硝化脱氮方法及装置，其特征在于：氨氮分离器将氨氮富集，在硝化阶段由于氨氮分离器将硝化进水中cod截留，可以避免硝化过程中异养菌与自养菌的竞争，保证硝化的高效运行。反硝化脱氮是又回到氨氮分离器内进行，避免了氨氮分离器内cod被电解消耗，使得反硝化可以充分利用有机物，而且还可形成一部分二价铁自养生物反硝化，从而进行高效脱氮。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：

1、一种iem-uf氮富集前置反硝化硝化脱氮方法及装置，利用组合膜使cod截留在氨氮分离器中作为反硝化的碳源，将反硝化阶段直接在氨氮分离器内进行，可以有效减少氨氮分离器内cod被电极电解消耗，与原先的单独设置的反硝化脱氮系统相比，该系统cod电解消耗明显降低，使得反硝化可以充分利用更多的有机物，促使硝氮去除率增加38.8％，从而提高了整个系统脱氮效果。

2、由于氨氮分离器内有铁电极，以适宜的条件培养驯化，其中的反硝化菌还可形成一部分二价铁自养反硝化菌，在其中发生二价铁的自养反硝化反应，与原先的反硝化菌共同作用，从而提高脱氮效果。与之前只有反硝化菌脱氮相比，该系统总氮去除率增加了10.5％。

3、通过氨氮分离器中的超滤膜将硝化进水中的cod截留，消除硝化过程中异养微生物与自养硝化菌的竞争，经过氨氮分离器富集后的氨氮供给硝化反应器，可为硝化的稳定运行提供条件，提高硝化效率。

4、针对传统生物脱氮系统对低c/n生活污水处理的局限性，将组合膜iem-uf与硝化及前置反硝化工艺相结合，形成了iem-uf组合膜氮富集前置反硝化硝化脱氮系统，该系统稳定性强、能耗低、总氮去除率明显提高。

附图说明

图1为本发明提供的一种利用iem-uf组合膜生物反应系统的氮富集前置反硝化硝化去除氮的方法运行示意图。

图中：1-原水进水泵2-原水进水管3-氨氮分离器4-电源5-时间继电器6-导线7-电极8-搅拌器9-膜组件c10-压力表11-氨氮富集液出水蠕动泵12-氨氮收集液出水管13-收集箱14-硝化反应器进水管15-硝化进水蠕动泵16-硝化反应器17-曝气装置18-气体流量计19-气泵20-时间控制开关21-硝化出水管22-硝化出水蠕动泵23-反硝化硝化液进水管24-反硝化硝化液进水蠕动泵25-反硝化出水蠕动泵26-反硝化出水管27-反硝化出水二沉池28-反硝化污泥回流蠕动泵29-反硝化污泥回流管30-二沉池出水蠕动泵31-二沉池出水管

图2为膜组件的平面示意图，图3为膜组件的剖面示意图。

图中：32-膜组件c出水口33-阳离子交换膜34-超滤膜(或者微滤膜)35-支撑板36-导流槽37孔洞

具体实施方式

下面结合附图1及实施例详细加以说明，以进一步理解本发明。

本发明是利用iem-uf组合膜处理生活污水一种装置，其中包括：氨氮分离器(反硝化反应器)、硝化反应器。氨氮分离器为长方体形，有效体积为20l。其中膜组件c，是由阳离子交换膜33、超滤膜(或者微滤膜)34和带有导流槽36和孔洞37的支撑板35组成；阳离子交换膜33和超滤膜(或者微滤膜)34分别固定在支撑板35的两面，电极板为铁电极。反硝化反应器和氨氮分离器合二为一，氨氮分离器内培养有反硝化菌。硝化反应器为圆柱形有机玻璃制成，有效容积为2.0l。其中硝化反应器为敞口容器，反硝化反应器为密闭容器。

本发明所采用的阳离子交换膜33为来自日本astom提供的型号为cms的阳离子交换膜，超滤膜34为国内某厂家提供的孔径为0.1μm、膜通量为18.75-20.83l/m².h的超滤膜。

具体运行步骤如下：

(1)原水(废水)：废水经进水泵(1)增压后，经进水管(2)以流量为1-10ml/min流入氨氮分离器(3)中；

(2)膜组件c对废水中nh4⁺富集及有机物分离：氨氮分离器(3)中设置有膜组件c(9)和搅拌器(8)，膜组件c(9)由阳离子交换膜(33)和超滤膜(34)组成，可以对废水中nh4⁺和有机物分别进行富集和分离，搅拌使溶液混合均匀；膜组件c出水口(32)与氨氮富集出水管(12)、压力表

(10)和出水蠕动泵(11)依次相连，并受时间继电器(5)的控制，打开出水蠕动泵(11)，调整流量为1-9ml/min；同时，将搅拌器(8)放入氨氮分离器(3)中并运行，其搅拌叶片位于膜组件c(9)旁，hrt为5h-2.5d；电极(7)的两极经导线(6)分别与电源(4)相连，并将阳极正对离子交换膜(33)，阴极正对超滤膜(34)，打开电源(4)，调整到电流为0.05-0.3a，并保持不变；出水蠕动泵(11)，在时间继电器(5)的控制下，出水为间歇性出水即出水蠕动泵抽停时间比为8分钟:1-5分钟，出水经氨氮富集出水管(12)到达氨氮富集液箱(13)中，当压力表(10)指示数值超过15kpa时，需对膜组件c(9)进行清洗；

(3)sbr硝化反应：将氨氮富集液箱(13)中的废水经硝化进水管(14)由硝化进水蠕动泵(15)引入硝化反应器(16)中。硝化进水ph范围为7.5-8.2，硝化反应器中活性污泥mlss为3000-3500mg/l，曝气头(17)设置在反应器底部，由气体流量计(18)，控制do在0.4-1.5mg/l。通过时间控制器(20)使硝化反应器采用sbr方式运行，其中一个周期中进水0.5h，曝气反应4-8h，静置0.5-1h，排水0.5h。nh4⁺在硝化活性污泥和曝气条件下，形成硝化液；将硝化液进行收集为下一阶段的反硝化过程提供氮源。

(4)反硝化反应：将硝化液由反硝化进水管(23)经蠕动泵(24)、送入反硝化反应器中进行反硝化，反硝化进水ph范围为7.0-7.8。反硝化反应器中活性污泥mlss为3000-3500mg/l，水力停留时间为6h。反应器为封闭缺氧环境，在搅拌器(8)的搅拌下，no3^-在反硝化活性污泥和有机物条件下进行反硝化。进而完成有机物去除和脱氮。

(5)出水：经过第(4)步处理后出水进入二沉池泥水分离，二沉池上清液出水排放，二沉池污泥回流到反硝化反应器中。

结果：

当原水为配水时，其主要水质指标平均值为：nh4⁺-n＝60-80mg/l、cod＝180-200mg/l；操作条件为：控制膜组件c出水的蠕动泵抽停时间比均为8分钟:5分钟，进水流量为5ml/min，膜组件c出水流量均为4.8ml/min，膜组件c电流为0.2a，硝化反应器活性污泥mlss＝3000mg/l，反应4h。反硝化反应器活性污泥mlss＝3200mg/l，反应4h。出水主要指标平均值可以达到：cod＝16.52mg/l，nh4⁺-n＝20.87mg/l，no3^--n＝14.75mg/l，no2^--n＝0.26mg/l；去除率平均值分别为：cod＝90.82％，nh4⁺-n＝65.21％，tn＝40.20％。

控制膜组件c出水的蠕动泵抽停时间比均为8分钟:5分钟，进水流量为5ml/min，膜组件c出水流量均为4.8ml/min，膜组件c电流为0.2a，硝化反应器活性污泥mlss＝3200mg/l，反应6h。反硝化反应器活性污泥mlss＝3000mg/l，反应4h。出水主要指标平均值可以达到：cod＝18.42mg/l，nh4⁺-n＝17.60mg/l，no3^--n＝13.28mg/l，no2^--n＝0.42mg/l；去除率平均值分别为：cod＝89.77％，nh4⁺-n＝70.67％，tn＝47.8％。