专利名称：厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于水和废水处理技术领域，具体涉及一种厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺。
背景技术：
随着环境水体污染的不断加剧，许多国家及地方都制定了更加严格的营养物质排放标准以防止受纳水体进一步富营养化。目前，我国越来越多地方要求城市污水厂出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，其中总氮要求 < 15mg/L ；而北京地区制定了全面提升污水处理厂出水水质的改造技术，要求处理出水达到地表水IV类水体标准，其中总氮要求< 1. 5 mg/L ；此外，在水体污染较为严重的城市和地区，如昆明，则要求污水厂升级改造后出水部分指标优于国家一级A标准，甚至也达到IV类水体标准，为滇池的治理开辟新的途径。随着国家对污水处理厂出水的进一步严格要求，污水处理厂的升级改造逐渐成为排水行业关注的焦点，同时也是排水行业面临的主要挑战。膜-生物反应器(MBR)是膜分离技术与传统活性污泥法有机结合而成的新型污水处理工艺，因具有出水水质好、占地面积小和污泥产率低等特点而在污水处理及回用中发挥着越来越重要的作用。然而，目前国内MBR的研究重点主要放在污染物去除机理、膜污染机理及膜污染控制等方面，而MBR强化脱氮方面研究尚显不足。MBR中一般硝化效率较高， 脱氮过程主要受反硝化控制，而由于受限于反硝化碳源不足，出水硝态氮占总氮较高的百分比，总氮的去除需要进一步优化。MBR技术由于自身具有传统生物处理工艺所无法比拟的优点，近年来在污水处理与资源化领域得到了越来越广泛的应用，也成为城市污水处理厂进行升级改造的主选工艺之一，如何进一步强化MBR工艺对氮的高效去除，实现出水水质的提升就显得尤为迫切和重要。生物脱氮过程主要包括有机氮的氨化，氨氮的硝化和硝酸盐的反硝化作用，其中氨化可在好氧或厌氧条件下进行，硝化作用是在好氧条件下进行，反硝化作用是在缺氧条件下进行。生物脱氮是含氮化合物经过氨化、硝化、反硝化后，转变为氮气而被去除的过程。 同时，微生物的同化作用也可以将部分氮(氨氮或有机氮)转化为微生物细胞的组成部分， 以剩余活性污泥的形式从污水中去除。传统的生物脱氮工艺通常采用前置反硝化或后置反硝化来实现对氮的去除，设置了厌氧段的AAO工艺可同步实现脱氮和除磷，其中，脱氮过程主要在缺氧段和好氧段完成，好氧段硝化作用产生的硝态氮和亚硝态氮再回流至缺氧段进行反硝化；然而，污水经过厌氧段后，污水中易生物降解的有机物被大量去除，导致缺氧段碳源不足，反硝化过程受抑制，影响了脱氮效果。针对生物脱氮效率不高的问题，现有的研究方向主要有以下两个方面(1)改进工艺条件，如黄霞(强化内源反硝化的膜-生物反应器脱氮除磷工艺及装置发明专利公开号101279794)利用高污泥浓度强化内源反硝化作用和反硝化除磷技术实现对氮和磷的高效同步去除；马军(一种城市污水强化脱氮除磷的方法发明专利公开号 10157515)将二沉池底部的污泥处理后回至初沉池进行水解酸化提供碳源从而强化脱氮效果；王建芳(利用内源反硝化生物脱氮除磷使污泥减量的方法及反应系统发明专利公开号 10118207)利用污泥浓缩厌氧过程中产生的溶解性COD作为聚磷菌厌氧释磷的碳源，实现脱氮除磷。(2)投加外碳源，如汪诚文(一种污泥脱水液作碳源对低碳氮比城市污水的处理方法发明专利公开号101575139; —种垃圾渗滤液作碳源对低碳氮比城市污水的处理方法发明专利公开号101575140)，均在投加外碳源的条件下取得了比较好的处理效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺， 本工艺主要通过优化厌氧条件，在厌氧微生物的作用下，原污水中颗粒态(含胶体态)有机物、慢速降解有机物及难降解有机物的水解酸化，同时回流的剩余活性污泥厌氧发酵产生易生物降解物质，从而为反硝化提供优质碳源，提高反硝化速率，实现污水的深度脱氮。本发明提出的厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺，厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器包括深度厌氧池1 (污泥发酵池)、缺氧池2和好氧池3，其中深度厌氧池1下部为厌氧污泥层11，上部为厌氧上清液10，缺氧池2内设置搅拌混合装置4，好氧池 3内设置曝气充氧装置5和膜组件6，膜组件6通过膜出水泵9和管道连接出水口，底部设置剩余活性污泥排放口 12 ；好氧池3通过第一回流泵7和管道连接缺氧池2，通过第二回流泵8和管道连接深度厌氧池1，具体步骤如下
原污水首先从深度厌氧池1底部进入整个厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器，经过一段厌氧污泥层11，在厌氧微生物的作用下，将原污水中的部分碳源(颗粒态、胶体态以及部分慢速降解和难降解有机物)充分水解、酸化，转化为小分子的挥发性有机酸(乙酸、丙酸、 异丁酸等)，富含优质碳源的厌氧上清液10再进入缺氧池2，污水在异养菌的作用下进行高效的反硝化过程；随后，污泥混合液进入好氧池3，经过高浓度自养微生物的硝化作用，产生的富含硝态氮和亚硝态氮的混合液回流至缺氧池2，为反硝化过程提供电子受体，同时， 将好氧池3内的活性污泥部分回流至深度厌氧池1底部，进行污泥的厌氧发酵处理，污泥在厌氧条件下进行发酵产生脂肪酸，进一步提供系统反硝化所需碳源，并同步实现污泥减量； 此外，好氧池3底部排放少量的剩余活性污泥，以维持整个生物过程在高污泥浓度下进行。 在本工艺中，总水力停留时间6. 5 10h，其中，厌氧发酵过程1. 5^3. 0 h，脱氮过程5. (Γ7. 0 h ；系统总泥龄80 120 d，硝化菌泥龄15 20 d，膜组件通量18 22 L/(m2 · h)。本发明中，所述好氧池3由膜池和生物反应池合建。本发明中，整体工艺需控制两个泥龄。一个是系统总泥龄，由好氧池剩余活性污泥的外排量控制，是表观泥龄；另一个是硝化菌泥龄，由好氧池回流至深度厌氧池的污泥量和外排的污泥量之和控制。本发明通过改变厌氧条件和进水方式，将厌氧段设计为较深的池型和较长的水力停留时间，在其底部创造良好的厌氧环境，使原污水中颗粒态(含胶体态)有机物、慢速降解有机物及难降解有机物充分水解、酸化以及好氧池回流的部分剩余活性污泥厌氧发酵，产生易生物利用的碳源，促进缺氧段的反硝化作用，从而提升和强化脱氮效果。同时，剩余活性污泥进行厌氧发酵产酸可以减少系统的排泥量，实现污泥的减量化和资源化。本工艺在无需外加碳源的情况下，充分发挥厌氧发酵产酸的优势，最大程度地挖掘碳源的利用效率。从整体上来看，由于好氧池部分剩余污泥回流至厌氧池底部，工艺排出系统外的污泥量很少，本工艺具有长泥龄(长达100天)的运行模式，但如果将厌氧段与后续的脱氮段隔离开来看，由于好氧池存在剩余活性污泥的回流和排放，脱氮过程又具有短泥龄(25天)和短水力停留时间的特点，节省了占地，节约了能耗。本发明工艺具有以下优点
(1)通过改变厌氧条件和进水方式，使原污水中的颗粒态(含胶体态)有机物、慢速降解有机物及难降解有机物充分地水解酸化，生成易生物降解的小分子有机物，为后续的生物反硝化过程提供优质碳源，脱氮效果好，出水总氮低；
(2)工艺本身产生的剩余活性污泥部分回流至厌氧段底部，经过污泥发酵产酸，提供更多的生物碳源，最大程度地挖掘碳源利用率；
(3)厌氧段充分实现了水解酸化和污泥发酵的结合，碳源生成率高，且品质优良；
(4)无需外加碳源，解决了反硝化碳源不足的问题；
(5)厌氧发酵池接纳部分剩余活性污泥，最大限度地减少污泥外排量，实现了污泥的减量化和资源化；
(6)可以通过调节剩余活性污泥的回流量调配厌氧上清液中碳源的品质及含量；
(7)整体工艺具有较长的污泥龄和较短的水力停留时间，系统在较高的污泥浓度下运行，且占地和能耗利用较少。
图1是本发明厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺示意图； 图2是本发明厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺工作原理图中标号1为深度厌氧池(污泥发酵池)；2为缺氧池；3为好氧池(与膜-生物反应池合建)；4为搅拌混合装置；5为曝气充氧装置；6为膜组件；7为第一回流泵；8为第二回流泵；9为膜出水泵；10为厌氧上清液；11为厌氧污泥层；12为剩余活性污泥排放口 ；13为鼓风机；14为气体流量计。
具体实施例方式下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。本发明工艺由深度厌氧池1、缺氧池2和好氧池3按照液位差推流的运行方式设置。首先，污水从深度厌氧池1底部进入反应器，经过一段较长的厌氧污泥层，原污水中的部分碳源(颗粒态、胶体态、溶解态碳源)被水解、酸化，转化为易生物降解的小分子物质，厌氧上清液10在溢流液位差的推动力下，进入缺氧池2，污水在异养微生物(反硝化菌)的作用下进行高效的反硝化过程；然后，污泥混合液进入好氧池3，在高浓度自养微生物(硝化菌)的作用下进行硝化过程；最后，通过膜出水泵9的抽吸获得出水。此外，本工艺有两个回流，一是好氧池3富含硝态氮和亚硝态氮的混合液通过第一回流泵7回流至缺氧池2，为反硝化过程提供电子受体；二是好氧池3内部分活性污泥通过第二回流泵8排至深度厌氧池1底部，进行污泥的厌氧发酵，为后续生物反硝化提供碳源。实施例1
利用该污水处理工艺及装置处理典型城市生活污水，进水COD浓度为461士观7 mg/L， 总氮浓度为44. 6 士 15. 1 mg/L，总磷浓度为6. 3 士 2. 4 mg/L，氨氮浓度为观.0 士 7. 5 mg/L。反应器膜组件通量20 L/(m2*h)，系统总水力停留时间7.1 h，泥龄100 d，其中，脱氮过程水力停留时间5. 1 h，硝化菌泥龄17 d，第一回流泵7回流量为200%，第二回流泵8回流量为1. 3 L/d。该装置好氧段污泥浓度为MLSS=13. 2士2. 1 g/L，膜出水COD浓度为18士5 mg/ L，总氮浓度为7. 2 士 2. 9 mg/L，总磷浓度为2. 2 士 1.2 mg/L，氨氮浓度为0. 3 士 0. lmg/L，该工艺对COD、总氮、氨氮、总磷的去除率依次为96. 1%、83. 9%,98. 9%,65. 1%。出水总氮明显优于一级A排放标准。实施例2:
利用该污水处理工艺及装置处理某农村地区生活污水，进水COD浓度为245士 105 mg/ L，总氮浓度为47. 4士 14. 5 mg/L，总磷浓度为7. 7 士 3. 9 mg/L，氨氮浓度为35. 0 士 12. 6 mg/ L。反应器膜组件通量18 L/(m2*h)，系统总水力停留时间7. 9 h，泥龄100 d，其中，脱氮过程水力停留时间5. 7 h，硝化菌泥龄15 d，第一回流泵7回流量为200%，回流2为1. 5 L/d。 该装置好氧段污泥浓度为^^5=12.5士3.2 g/L，膜出水COD浓度为18士6 mg/L，总氮浓度为8.3 士 2.5 mg/L，总磷浓度为3.0 士 1.6 mg/L，氨氮浓度为0. 5 士 0. 15 mg/L，该工艺对COD、 总氮、氨氮、总磷的去除率依次为92. 6%,82. 5%,98. 6%,61. 0%。出水总氮优于一级A排放标准。实施例3:
利用该污水处理工艺及装置处理南方某城市低碳源生活污水，进水COD浓度为 150 士 36 mg/L, BOD 浓度为 60 士 15 mg/L, SS 为 40 mg/L，总氮浓度为 42. 3 士 10. 4 mg/L, M 氮浓度为30. 2士6. 5 mg/L。反应器膜组件通量15 L/(m2 *h)，系统总水力停留时间9. 5 h， 泥龄128 d，其中，脱氮过程水力停留时间6. 8 h，硝化菌泥龄15 d;第一回流泵7回流量为 200%，第二回流泵8回流量为1. 5 L/d。该装置好氧段污泥浓度为MLSS=IO. 5士3. 1 g/L，膜出水COD浓度为16士5mg/L，总氮浓度为10. 0士2. 3 mg/L，氨氮浓度0. 5士0. 2 mg/L，该工艺对COD、总氮、氨氮的去除率依次为89. 3%,79. 4%,98. 3%。出水总氮优于一级A排放标准。
权利要求
1. 一种厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺，其特征在于厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器包括深度厌氧池(1)、缺氧池( 和好氧池(3)，深度厌氧池(1)下部为厌氧污泥层(11)，上部为厌氧上清液(10)，缺氧池O)内设置搅拌混合装置G)，好氧池 (3)内设置曝气充氧装置(5)和膜组件(6)，膜组件(6)通过膜出水泵(9)和管道连接出水口，底部设置剩余活性污泥排放口(12)；好氧池(3)通过第一回流泵(7)和管道连接缺氧池O)，通过第二回流泵(8)和管道连接深度厌氧池(1)，具体步骤如下原污水首先从深度厌氧池(1)底部进入整个厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器，经过一段厌氧污泥层(11)，在厌氧微生物的作用下，将原污水中的部分碳源充分水解、酸化，转化为小分子的挥发性有机酸，富含优质碳源的厌氧上清液(10)再进入缺氧池0)，污水在异养菌的作用下进行高效的反硝化过程；随后，污泥混合液进入好氧池C3)，经过高浓度自养微生物的硝化作用，产生的富含硝态氮和亚硝态氮的混合液回流至缺氧池O)，为反硝化过程提供电子受体，同时，将好氧池(3)内的活性污泥部分回流至深度厌氧池(1)底部，进行污泥的厌氧发酵处理，污泥在厌氧条件下进行发酵产生脂肪酸，进一步提供系统反硝化所需碳源，并同步实现污泥减量；此外，好氧池(3)底部排放少量的剩余活性污泥，以维持整个生物过程在高污泥浓度下进行；在本工艺中，总水力停留时间6. 5 10h，其中，厌氧发酵过程1. 5 3. 0h，脱氮过程5. (Γ7. Oh ；系统总泥龄8(Tl20d，硝化菌泥龄15 20d，膜组件通量 18 22 L/(m2 · h)。
全文摘要
本发明涉及一种厌氧发酵产酸强化膜-生物反应器脱氮处理工艺，本发明包括深度厌氧池、缺氧池和好氧池。污水进入工艺后，经不同种类微生物的作用，完成厌氧发酵、缺氧反硝化，好氧硝化的生化处理过程，最终通过膜过滤抽吸获得出水。该工艺通过优化厌氧段微生物的生长环境，一方面促进原污水中颗粒态(含胶体态)有机物、慢速降解有机物及难降解有机物的水解酸化，另一方面使排放至厌氧池的剩余活性污泥发酵产酸，为缺氧反硝化提供优质碳源，并利用高污泥浓度强化生物反硝化过程，解决生物脱氮过程碳源不足的问题，同时利用膜的高效截流分离特性，实现污水中总氮的高效去除。该工艺可在不额外投加碳源的条件下，充分利用进水中的碳源转化及工艺自身污泥发酵产生的碳源补充到反硝化段，进行深度脱氮处理，工艺简单、控制灵活，出水总氮可达优于一级A排放标准。
文档编号C02F3/28GK102502959SQ20111042731
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者于鸿光, 何磊, 吴志超, 张 杰, 梅晓洁, 王志伟, 韩小蒙, 马金星 申请人:同济大学