专利名称：上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于膜生物反应器废水处理设备，主要针对硝态氮含量较高的城市污水处理厂二沉池出水的脱氮处理。
背景技术：
目前，我国约90%的城镇污水处理厂设计排放标准为一级B标准。城镇污水处理厂集纳和处理了大部分的城市生活污水，因此排水量非常大。同时，随着工业化、城市化的进程加快，这部分的排水量增长势头比较迅猛。这在一定的地区的环境造成很大的压力.如果还是按照老的一级B的排放标准设计运营城镇污水处理厂，其中的氮磷等在水体中日积月累.造成水体富营养化.特别是到夏天，水质严重恶化，生态平衡遭到极大破坏。2011年环保部公布的环境状况公报也证实了这种情况，公报显示，我国七大水系总体为轻度污染，湖泊(水库)富营养化问题突出。因此，污水处理厂的提标改造(一级A到一级B)迫在眉睫。一级A标准和一级B标准的主要差别体现在C0D、B0D、SS、动植物油、石油类、阴离子表面活性剂、氨氮、总氮和总磷、以及粪大肠菌群数等10个基本控制项目上。其中氨氮、总氮和总磷浓度的 降低是提标改造中的重点和难点，对于城市污水处理厂二级出水中的磷，通常采用混凝沉淀法去除，目前对氮的去除主要还是以生物法为主。但是，城市污水厂二级出水普遍存在生物脱氮碳源不足的问题，使之成为制约生物脱氮效率的重要因素。污水处理厂提标改造一般采用的方式有:采用新工艺、改变工况、在二沉池出水后接三级处理工艺，其中，采用新工艺这种方式，由于要更换原有的旧工艺，操作上最复杂，成本较高，耗时长；改变工况往往以增加能耗来保证出水水质达标，也不太理想；在二沉池出水后接三级处理工艺，操作简单，成本低，耗时短，所以受到广泛的关注。目前用于污水脱氮反硝化的深度处理工艺主要有离子交换、吸附、化学处理、膜技术和生物反硝化。离子交换和吸附主要用于生产高纯度的水并且产生的浓缩盐水需要进行额外的处理，吸附树脂由于吸附能力很快达到极限，所以需要经常的更换和再生。膜技术是一种浓缩技术，产生的浓缩盐水需要经过后处理才能排放。化学处理处理低浓度的低硝酸盐浓度的废水脱氮效率低并且需要连续的供应大量的化学物质。而生物反硝化是目前发展最好并且使用最广泛的脱氮技术，无论从技术性和经济性上都要优于前面所述的几种工艺。生物反硝化主要有曝气生物滤池、反硝化填充床滤池、活性砂反硝化滤池、深床反硝化滤池、流化床生物反应器、固定微生物反应器、人工湿地等。其中填充床易发生填料堵塞从而需要定时进行反冲洗；流化床堵塞问题得到解决，但是控制和运行上存在的问题，如填料易流失、能耗高等，限制了它的应用和推广；固定微生物解决了微生物容易造成出水二次污染的问题，但是固定载体有限的传质能力和载体本身的稳定性也是亟待解决的问题。另外，由于城市污水厂二级出水普遍存在生物脱氮碳源不足的问题，这些工艺都需要配套单独的碳源投加系统才能保证脱氮效率，并且主要以投加液态碳源为主。但是，向污水中投加甲醇、乙醇等液态有机物，在进水水质波动情况下容易造成碳源投加不足或过量，投加量过多则出水中含有多余的液体碳源，影响出水水质的同时造成高运行成本；投加量少则会导致反硝化反应不完全，出现亚硝酸盐的积累和出水硝酸氮含量超标。为了解决这个问题，一些发明者设计了一些在线监测自动投加碳源装置，虽然解决了碳源投加量和投加时间的问题，但是使得工艺和操作更加复杂，也额外增加了成本。
发明内容
本发明根据城市污水处理厂二沉池出水的水质特点，针对现有反硝化反应器存在的问题，提供一种结构简洁、操作简便、易于挂膜、处理效率高、抗DO和pH冲击负荷强、运行成本低、载体环保无污染的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器。本发明提出的一种上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，包括反应室和设置在反应室内的生物膜载体。所述生物膜载体是固体碳源生物膜载体，呈板块状，有多块，它们相互平行竖直插装在固定架中，形成主反应室。在反应室中设置隔板将反应器的进水和主反应室隔开，形成调节池，在隔板下端设进水口与主反应室下方连通，隔板隔出的前端调节池一方面可以调节进水的水量，另一方面，隔板只允许进水从隔板下的小口进入主反应室，可以营造一个良好的缺氧环境，有利于微生物反硝化反应的进行。在主反应室上方的反应室壁上设置有出水口，在主反应室下方的反应室底设置有污泥排放口，在主反应室底部与固定架底部之间留有距离，在此空间设置机械搅拌装置，主反应室内的水流呈上流式。固体碳源生物膜载体的挂膜方式是将接种污泥和人工配置的硝酸盐浓度为80mg/L的废水，通过隔板下的进水口进入主反应室，在机械搅拌装置螺旋叶片的搅拌下，接种污泥呈悬浮状态，微生物在可生物降解聚合物生物膜载体上吸附并形成生物膜，污泥在生物膜载体上挂膜成功后，剩余的污泥通过污泥排放口排出。使用时，进水注入调节池后通过隔板下的进水口进入主反应室，主反应室内的水流呈上流式，污水和生物膜载体框架中裸露的生物膜充分接触，污水中的硝态氮得到有效去除，净化后的水通过生物膜载体固定板顶端的镂空板继续上流，最后排出反应室。本发明的生物膜载体采用的是经热塑性淀粉改性的可生物降解聚合物(共混物)，这种共混物不仅具有一定的机械强度，同时具有良好的可生物降解性，既可以作为微生物的载体，同时也可以为微生物反硝 化提供碳源，并且这种载体在反应的过程中，始终可以保持原有的形态，只是在厚度上发生变化。这种共混物可以采用以下制备方法制备:(I)高淀粉含量热塑性淀粉的制备:利用脲素、甲酰胺和丙三醇作为复合增塑剂，以淀粉作为主要原料，在90°c水浴锅中在复合增塑剂的作用下，将淀粉搅拌至蜡黄色固体状，将这种蜡黄的固体状物质密封24小时，使得增塑剂充分的混合在淀粉中，24小时后，将密封后的固体在转矩流变仪的密炼器中混炼，取出混炼物，经高速搅拌机搅拌成颗粒状制得高淀粉含量热塑性淀粉(TPS )。其中，所用甲酰胺、脲素、丙三醇和淀粉的质量份数比为:5 10:1 5:5 10:75 100。(2)高淀粉含量热塑性淀粉基共混物的制备:将转矩流变仪的温度设置为140-1600C，待温度达到后先保温5min，然后将称好的TPS放至混炼器中，在转速为40r/min下混炼至完全熔融，再向混炼器中缓慢加入聚酯、偶联剂，或者进一步加入润滑剂、抗氧化齐U、热稳定剂等助剂，塑炼时间为12min。待混炼完毕后，待混炼物冷却后，在粉碎机中将它粉碎成粉末，然后再将粉末放入单螺杆挤出机中挤出造粒。其中所用聚酯、热塑性淀粉、偶联剂、润滑剂、抗氧化剂、热稳定剂的质量份数比为:50 70: 10 30:1 5:0 5:0 5:0 0.1。聚酯可以选用PLA、PCL、PHBV, PBS、PHA等脂肪族聚酯中的一种或几种混合，并且聚酯的分子量在40000-100000之间。偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂(L_3Z、F1和F2)和硅烷偶联剂中的一种或几种的混合。润滑剂成分为包括脂肪 酸酯、脂肪酸盐、硬脂酸盐、硬脂酸成分中的至少一种。抗氧化剂为抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂1076、抗氧化剂245中的至少一种。热稳定剂为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯和三乙级磷酸酯成分中的至少一种。本发明的生物膜载体固定架通过安装在主反应室前后壁上的挡板固定在反应室内。生物膜载体固定架由固定板和中空框架组成。固定板在顶部，主要作用是固定底部的多个中空框架，使得中空框架可以垂直悬挂在主反应室内。中空框架之间相互平行，之间留有水流通道。固定板为镂空结构，其在固定中空框架的位置有与框架顶端一致的矩形开口，供生物膜载体直接从矩形开口插入中空框架，而在与两块中空框架之间的水流通道对应的位置也设有容水流通的开口，有利于流经中空框架两侧的废水的通过。中空框架的两侧面开有窗口，装于其中的生物膜载体由这些窗口露出，露出部分即为微生物吸附和形成生物膜的位置。本发明的生物膜载体可以直接垂直插入或从固定板的中空框架抽出，当载体上的生物膜出现老化、脱落时，可以按奇数和偶数的规律交替更换生物膜载体，具体来说，可以先保留奇数排的生物膜载体，将偶数排的长有生物膜的载体从固定板的框架结构中取出，装入新的生物膜载体，从偶数上脱落的悬浮微生物可以在新装入的生物膜载体上吸附、挂膜，从而使得整个反应器的微生物活性得到恢复。另外，在主反应室的外侧安装有在养鱼缸中普通使用的恒温加热棒，设定温度为250C，水体水温可以恒定保持在25°C，有利于反硝化菌对污水中硝酸盐的去除。本发明的优点如下(I)本反应器以经热塑性淀粉改性的可生物降解聚合物片材作为生物膜载体的微生物反硝化的碳源，不需要单独配套碳源投加系统，使整个系统构造更加简洁。同时，这种材料具备缓释有机碳的特点，可在较长的时间内稳定供碳，克服了传统反硝化需要持续投加碳源且需要严格控制投加量的缺点。(2)本反应器中利用的可生物降解聚合物载体具有较强的机械强度，在反硝化的过程中仅仅只是厚度发生了变化，形状没有发生改变。加上载体是直接插入载体固定板中，非常方便更换，通过交替更换载体膜片，可以达到去除老化脱落污泥，恢复污泥活性的目的，克服了传统反硝化滤池需要配备反冲洗水或反冲洗气装置的缺点。(3)本反应器的生物膜载体和传统载体相比，更利于微生物的吸附和挂膜，从而使得反应器的挂膜时间大大缩短，反应器的启动时间加快；独特的载体安装形式，使得生物膜载体和水体充分接触，加上反应器的进水采用上流的形式，污水先后经过下层的生物膜和上面的生物膜，污水中的硝态氮得到充分的去除。再加上这种新型的生物膜载体对进水中DO和pH抗冲击负荷强，整个反应器系统也具有较强的抗DO和pH冲击负荷的能力。(4)载体在使用中和用后逐渐分解为无害的水和二氧化碳，避免了颗粒活性炭、陶瓷球、多空不锈钢和聚氯乙烯等传统水处理载体使用后产生固体废弃物、燃烧产生有害物质的污染环境问题。
图1为本发明所述的上流式固体碳源载体反硝化膜生物反应器的结构示意图。图2为本发明所述的上流式固体碳源载体反硝化膜生物反应器的侧视图。图3为本发明所述生物膜载体固定架的结构示意图。图中1-隔板，2-固体碳源生物膜载体，3-生物膜载体固定架，31-生物膜载体插入口，32-镂空固定板，33-中空框架，34-圆形开口，4-恒温加热装置，5-机械搅拌装置，6-污泥排放口，7-固定挡板，8-进水口，9-出水口，A-调节池，B-主反应室。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的结构:参见图1和图2，该上流式新型固体碳源载体反硝化膜生物反应器包括反应室和设置在反应室内的生物膜载体。生物膜载体是固体碳源生物膜载体2，采用的是经热塑性淀粉改性的可生物降解聚合物，呈板块状，有多块，它们相互平行间隔距离竖直插装在生物膜载体固定架3中，形成主反应室B。主反应室内的水流呈上流式。在反应室中设置有一块隔板I将进水和主反应室隔开，形成调节池A，进水口 8设置在调节池壁上。在隔板下端设进水口与主反应室下方连通，在主反应室上方的反应室壁上设置有出水口 9，在主反应室下方的反应室底设置有污泥排放口 6，反应室的底部与生物膜载体固体板的底部之间留有距离，在此空间设置机械搅拌装置5的叶片。在主反应室外侧安装有恒温加热装置4。参见图3，生物膜载体固定架3由固定板32和中空框架33组成，固定板在顶面，中空框架具有相同结构的11个，垂直悬挂固定在固定板下，中空框架之间相互平行，之间留有水流通道。固定板为镂空结构，其在固定中空框架的位置有与框架顶端一致的矩形开口，是生物膜载体插入口 31，供生物膜载体直接从矩形开口插入中空框架，而在与两块中空框架之间的水流通道对应的位置也设有容水流通的圆形开口 34，有利于流经中空框架两侧的废水的通过。每个中空框架的两侧分别开有两个规格为5 X 5cm的正方形窗口，装于其中的生物膜载体由这些窗口露出，露出部分即为微生物吸附和形成生物膜的位置。以上生物膜载体固定架在反应室一前一后并列设置两组，前后的定义是，进水方向为前，出水方向为后。一组生物膜载体固定架可以同时插入11块生物膜载体片材。反应器内的水流形式呈上流式，污水流经中空框架两侧后通过固定板上的圆形开口继续往上直至流出反应器。这种独特的布置形式，一方面有利于反应器的挂膜，另一方面有利于污水和生物膜的充分接触，有利于硝态氮的去除。本反应器的工作方式如下:1.反硝化微生 物的挂膜。反应器的生物膜载体为片状(见图1)，将22块制备的固体碳源生物膜载体垂直插入中空框架中，将接种污泥和硝酸盐浓度为80mg/L的废水混合，送进主反应室，污泥在机械搅拌装置的作用下呈悬浮状态，反硝化菌在生物膜载体上形成生物膜，反应室的温度通过恒温加热棒进行调节，温度设定在25°C。每天用现配的硝酸盐浓度为80mg/L的废水换水，待生物膜载体表面形成生物膜，通过污泥排放口排出剩余污泥。每天继续换水，并检测出水中的NO3-N和NO2-N浓度，待反硝化效果稳定后，驯化结束。2.反硝化脱氮。驯化结束后，开始反应器的正常运行，运行时主反应室内水体的温度为25 30°C。首先将含硝酸盐原水通过提升泵泵入反应器前端的调节池，保证一定的停留时间和控制溶解氧的含量，使反硝化反应有效的进行。原水中的硝酸盐氮在载体生物膜中的微生物作用下，被逐步还原为氮气，通过排气口排出，处理后的水通过排水口排出。应用例I反应器规格为:18cmX12.50cmX25cm(长X宽X高)。在反应器的固定架中插入经热塑性淀粉改性的可生物降解聚合物生物膜载体，载体的数量为22个，可以提供44个供微生物附着、挂膜的平面。被处理水原水为重庆大学的自来水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为50mg/L，在下述条件下进行脱氮处理:水力停留时间:4小时，温度:25°C，pH:7.2，原水D0:5.6mg/L处理后水质如下表I所示。表I水质变化情况
权利要求
1.一种上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，包括反应室和设置在反应室内的生物膜载体；其特征在于:所述生物膜载体是固体碳源生物膜载体，呈板块状，有多块，它们相互平行间隔距离竖直插装在生物膜载体固定架中，形成主反应室；在反应室中设置有一块隔板将进水和主反应室隔开，形成调节池，进水口设置在调节池壁上，在隔板下端设进水口与主反应室下方连通，在主反应室上方的反应室壁上设置有出水口，在主反应室下方的反应室底设置有污泥排放口，反应室的底部与生物膜载体固体板的底部之间留有距离，在此空间设置机械搅拌装置，主反应室内的水流呈上流式。
2.根据权利要求1所述的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，其特征在于，所述固体碳源生物膜载体采用的是经热塑性淀粉改性的可生物降解聚合物。
3.根据权利要 求1或2所述的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，其特征在于，所述固体碳源生物膜载体的挂膜方式是将接种污泥和硝酸盐浓度为80mg/L的废水混合，送进主反应室，在机械搅拌装置的搅拌下，接种污泥呈悬浮状态，微生物在可生物降解聚合物片材上上吸附并形成生物膜，污泥在生物膜载体上挂膜成功后，剩余的污泥通过污泥排放口排出。
4.根据权利要求1或2所述的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，其特征在于，所述生物膜载体固定架由固定板和中空框架组成，固定板在顶面，中空框架具有相同结构的若干个，垂直悬挂固定在固定板下，中空框架之间相互平行，之间留有水流通道；所述固定板为镂空结构，其在固定中空框架的位置有与框架顶端一致的矩形开口，供生物膜载体直接从矩形开口插入中空框架，而在与两块中空框架之间的水流通道对应的位置也设有容水流通的开口 ；所述中空框架的两侧面开有窗口，装于其中的生物膜载体由这些窗口露出，露出部分即为微生物吸附和形成生物膜的位置。
5.根据权利要求4所述的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，其特征在于，所述生物膜载体固定架在反应室一前一后并列设置两组，前后的定义是，进水方向为前，出水方向为后。
6.根据权利要求1或2所述的上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，其特征在于，在主反应室外侧安装有恒温加热装置。
全文摘要
本发明提出一种上流式固体碳源生物膜载体反硝化生物反应器，包括隔板、固定框架、生物膜载体、机械搅拌装置、加热恒温装置等。所述生物膜载体为经热塑性淀粉改性的可生物降解聚酯片材，材料机械强度高、可生物降解性好，有利于微生物的吸附和挂膜，又可以为微生物反硝化提供碳源。反应器具有结构简洁、操作简便、易于挂膜、处理效率高、抗DO和pH冲击负荷强、运行成本低、载体环保无污染等优点，具有很高的工程应用价值。
文档编号C02F3/28GK103172172SQ20131012949
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者吉芳英, 张千, 徐璇, 周碧, 邹秋林, 姜宁, 周卫威, 明浩 申请人:重庆大学