本发明涉及一种高效短程脱氮mbr膜生物处理装置及方法。
背景技术：
：目前，主要采用生物脱氮技术处理城市污水和工业废水中的氮源污染。传统的生物脱氮必须包含生物硝化和反硝化两个不同阶段，硝化过程需要提供充足曝气将氨氮氧化，反硝化过程需要则在缺氧条件下投加碳源，将硝化生成的硝酸根还原生成氮气，彻底去除水中的氮源污染，这不仅需要消耗大量能源，而且运行处理成本较高。传统的生物脱氮技术需要消耗大量能源，而且还存在生物量(尤其是硝化细菌)易流失、系统占地面积大，抗冲击能力弱、剩余污泥量多等问题。传统脱氮技术是建立在有机氮氨化反应—硝化过程—反硝化过程等三个步骤进行脱氮的，需要有厌氧—缺氧—好氧三个阶段，同时需要将好氧池的混合液进行回流到缺氧池进行反硝化，此时回流比成为一个制约反硝化效果因素之一；硝化菌、反硝化菌等菌种属于世代生长周期比较长的微生物，此类微生物一般难以以菌胶团形式存在于水体中，经常游离在污水处理系统中，对该类菌种如何保留，如何提高其浓度也成为提高硝化、反硝化效果的制约因素之一。因此，研究和应用高效的生物脱氮水处理技术对于高氨氮废水行业的发展至关重要。短程硝化反硝化是生物脱氮工艺中重要的脱氮手段，其主要控制硝化及反硝化过程不需要采用回流方式，保持高浓度的硝化、反硝化菌群等手段。膜生物反应器(mbr)处理废水具有以下的特点：(1)氨氮去除率。mbr内高浓度活性污泥可以加快氨氮和有机物的降解速率，提高处理效率；其次，mbr有利于增殖世代时间长、絮凝性差的硝化菌，有效截留硝化菌，减少了硝化细菌的流失，加快硝化速率。但是目前国内对于mbr的研究大多集中在低浓度的生活污水处理方面。高浓度的氨氮工业工艺废水容易导致膜污染，制约mbr运行，其工程应用例子相对较少。(2)有机物去除率。mbr将膜材料的过滤截留作用与生物处理技术相结合的新工艺，用膜的分离作用取代传统二沉池的泥水分离过程。由于膜的截留作用提高出水水质标准，满足中水回用标准；同时mbr系统srt与hrt的分离，有效延长srt以截留大部分微生物菌种；污泥产率低而减轻污泥处理负担，从而培养更多的有效菌群，提高废水的可生化性，有效去除有机物。然而，难生化降解有机废水污染因子单一、污染物浓度高、成份复杂、存在毒性污染物等因素会对mbr膜组件产生污染从而提高了膜过滤阻力，致使膜污染的频繁发生。这不仅减少了膜处理通量能力，同时缩短了膜的使用寿命，增加了膜清洗频率和更换费用。技术实现要素：本发明主要针对氨氮含量高、毒性强、含痕量重金属、难生化降解的废水深度处理、提高膜生物反应器中的微生物活性，提供的微电场激发微生物特性而研制的一种短程好氧硝化反硝化电化学微电场mbr膜生物(se-mbr)反应器装置，继而提供一种高效短程反硝化脱氮mbr膜生物处理方法。本发明所采取的技术方案是：一种高效短程脱氮mbr膜生物处理装置，包括缺氧池和好氧池，缺氧池内置阴阳极板，好氧池内置mbr膜组件，所述的缺氧池和好氧池通过回流形成循环系统。所述的阴阳极板外接电源整流发生器。所述的阴阳极板外加电压为1.5～5v。所述的阴阳极板为石墨板。所述的缺氧池内置推流器。所述的好氧池内置曝气装置。所述的mbr膜组件为中空纤维膜。所述膜的孔径为0.02～1μm。所述的装置还连接产水设备、do仪表和plc自控装置。一种高效短程脱氮mbr膜生物处理方法，是采用上述的一种高效短程脱氮mbr膜生物处理装置进行废水处理。本发明的有益效果是：本发明在mbr之中引入微电场这种清洁能源，在微生物菌群落的微小生态环境中发生电渗析、电泳、电子载体、静电排斥等作用，改变膜生物反应器内生物的群落结构与生存环境，激发有益的高活性菌群，提高其世代更换周期，缩短污水处理停留时间；同时电化学系统激发的电子载体供给微生物作为栖息场所、介质载体，对降解污染物起到良好的效果；se-mbr对微生物活性有促进作用，提高膜的过滤效能，减缓膜污染的发生，提高污水的处理效率。具体如下：(1)通过外加微电场作用解决碳源需求问题，实现短程硝化反硝化脱氮。缺氧池内置阴阳极板，阳极利用电流控制电解和好氧回流实现亚硝酸盐的积累，阴极通过电解产氢提供电子供体进行反硝化脱氮。但反硝化菌附着能力较差，菌群易随生物膜脱落而流失，而絮凝性较差的硝化菌会随出水损失，直接影响脱氮效果。故好氧池采用浸入式膜生物反应器，高效截留有效菌群，使系统维持较高的污泥浓度。缺氧-好氧不是两个独立的反应系统，通过回流形成整体循环系统，相辅相成；(2)mbr系统运行易出现膜污染问题，通过微电场产生电渗析、电泳、电子载体等作用改变mbr微生物群落结构和生存环境，提供电子载体供给微生物栖息场所，提高微生物活性和世代更换周期，缩短污水处理停留时间，同时电化学系统激发的电子载体供给微生物作为栖息场所、介质载体，对降解氨氮起到良好的效果，促进微生物活性，提高膜的过滤效能。外加微电场可解决mbr膜污染问题，减缓膜污染的影响；(3)该技术应用可实现plc全自动控制，系统运行参数通用电源整流器、do仪表、浮球液位计等反馈到中央处理器，中央处理器分辨分析信号后下达指令调整运行参数，提高反应器的运行效率及自动化控制程度。附图说明附图1是短程硝化反硝化的电化学微电场膜生物反应装置图。具体实施方式一种高效短程脱氮mbr膜生物处理装置，包括缺氧池和好氧池，缺氧池内置阴阳极板，好氧池内置mbr膜组件，所述的缺氧池和好氧池通过回流形成循环系统。所述的阴阳极板外接电源整流发生器。所述的阴阳极板外加电压为1.5～5v；优选的，所述的阴阳极板外加电压为2v。所述的阴阳极板为石墨板；优选的，所述的阴阳极板为天然石墨板。所述的缺氧池内置推流器。所述的好氧池内置曝气装置；优选的，所述的曝气装置包括曝气管和曝气头；再进一步优选的，所述的曝气装置包括微孔曝气管和微孔曝气头，微孔的平均孔径为80～100μm。优选的，所述的mbr膜组件为中空纤维膜；进一步优选的，所述的mbr膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维帘式膜。优选的，所述膜的孔径为0.02～1μm；进一步优选的，所述膜的孔径为0.02～0.05μm；再进一步优选的，所述的膜的孔径为0.03μm。所述的装置还连接产水设备、do仪表和plc自控装置。优选的，所述的产水设备包括产水泵、产水流量计和产水管。一种高效短程脱氮mbr膜生物处理方法，是采用上述的一种高效短程脱氮mbr膜生物处理装置进行废水处理。下面结合附图1的短程硝化反硝化的电化学微电场膜生物反应装置图作进一步的说明。附图1的电化学微电场膜生物反应装置包括缺氧池(短程反硝化区)和好氧池(短程硝化区)，其中1、推流器；2、平板式电极板；3、阳极电极；4、阴极电极；5、电源整流发生器；6、微孔曝气管；7、do仪表；8、mbr膜组件；9、负压压力表；10、产水泵；11、产水流量计；12、产水管；13、plc自控控制柜；14、微孔曝气头。所述的阳极和阴极电极都是平板式电极板。装置上是分两格，一格是缺氧状态(引入微电场)，一格是好氧状态(以mbr膜反应器)；缺氧是起到反硝化脱氮，好氧是起到硝化菌将氨氮转化为硝酸盐氮、亚硝酸盐氮；常规的缺氧在碳源缺乏的情况下外加碳源，而此处是利用微电场提供电子载体作为反硝化菌生长需要的物质进行反硝化；另外，形式上是采用内循环方式，使到这个装置类似于直接在一个设备中完成硝化反硝化过程。下面对本发明的基本控制原理阐述如下：在短程反硝化区，微电场作用可以改善反硝化作用的碳源问题，利用某些反硝化菌能以h2为电子供体的特点，在外加电流的作用下电解水产生h2，生物膜内的反硝化菌利用h2作为电子供体，将no-3最终还原为n2，更好地实现短程硝化反硝化。其反应方程式为：阴极：2h++2e-→h22h2o+2e-→h2+2oh-生物膜内：n2o+h2→n2+h2o总反应：微电场对短程硝化反硝化脱氮的作用机理，解决反硝化碳源需求的问题，提高了微电场条件下脱氮效率和微生物菌群的生长情况。装置设计以se-mbr为核心的短程缺氧-好氧组合，整个系统为一个反应器，形成内回流循环。缺氧区内置电极板为反硝化作用提供良好环境，好氧为浸没式膜生物反应器进行充分硝化作用提供充足的硝基氮，同时采用间歇式曝气法抑制硝化菌的活性保证短程硝化反硝化。所述的“短程”是指在本发明的装置中可以实现缺氧好氧内循环达到反硝化脱氮的作用，而不需像传统厌氧缺氧好氧那样，需要回流泵将混合液从好氧池回流至缺氧池进行反硝化。本装置采用plc自控系统控制，电源整流发生器通过plc反馈do的数据进行调频，调整输出电压，保持新型好氧短程硝化反硝化的电化学微电场膜生物反应装置恒定弱电场，由短程反硝化区电极板作用，提供弱电场，激发微生物膜的细胞磁场，提高微生物生长效率及污水的处理效率，达到预期目标；所述提供的mbr膜组件，有效地截留该反应器内的微生物菌群，特别是不容易附着在菌胶团或者填料上的微生物，这些特效菌种的有效截留，为处理特定的废水起到决定性的作用。下端曝气头起到供氧作用，提供微生物生长所需的氧气。以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例：项目中试试验装置的阴、阳极板均为天然石墨板(单块尺寸为20cm×2cm×15cm)，利用电源整流器于系统外加2v电压，阴阳极板间连接一个外电阻(rex)，经过rex的电流通过自动数据采集系统记录。膜组件采用聚偏氟乙烯中空纤维帘式膜，膜孔径为0.03μm；膜组件长20cm，高15cm，通过流量计控制出水膜通量(膜通量为10l/(m2·h))；利用时间继电器控制抽吸时间(抽吸时间为10:2)；跨膜压差(tmp)由压力表记录，当tmp>30.0kpa时三次物理清洗后采用0.5％次氯酸钠浸泡2h进行化学清洗；mbr底部的安装曝气盘，控制溶解氧保持在2-4mg/l。中试试验装置主体为有机玻璃，反应器尺寸为50cm×50cm×50cm，有效容积为125l。装置主体内设置缺氧区和好氧区。缺氧池内置阴阳极板，好氧池内置mbr膜组件。缺氧池内设推流器，以保证微电场产生的电子载体在系统内形成完整的回流。实验废水取自某电镀厂废水。废水经过蠕动泵提升进入试验装置，外加2v电压时，系统中的微生物sour提高了3～15％。下面分别就se-mbr和传统mbr的脱氮效果、剩余污泥量、cod去除效果、耗电量和运行周期这五个方面进行对比分析。1)脱氮效果对本发明所采用的se-mbr和传统mbr的其脱氮效果进行比较，具体的脱氮结果数据见下表1。表1se-mbr和传统mbr脱氮结果从表1可见，处理前原水总氮的平均值是23.9mg/l，传统mbr出水为11.21mg/l，se-mbr出水为5.06mg/l。传统mbr和se-mbr对总氮的去除率分别为53.10％、78.83％，se-mbr比传统mbr对总氮的去除率提高了25％以上。系统形成了好氧短程硝化反硝化脱氮机理，且阴极通过电解产氢提供电子供体进行反硝化脱氮。2)剩余污泥量在正常运行后连续测试，se-mbr与传统mbr系统剩余污泥量数据如表2所示。表2se-mbr与传统mbr系统剩余污泥量数据由表2可见，se-mbr比传统mbr，其污泥的产生量减少了近30％。3)cod去除效果se-mbr与传统mbr对cod的去除效果(折算为co2减排量)数据如表3所示。表3se-mbr与传统mbr对cod的去除效果时间(d)05101520平均进水(mg/l)410.2420.6450.9470.8440.6438.6se-mbr出水(mg/l)38.544.944.73946.542.72传统mbr出水(mg/l)58.657.457.458.458.758.01se-mbr去除率(％)90.6189.3290.0991.7289.4590.26传统mbr去除率(％)85.7186.3587.2787.6086.6886.77折算为co2减排率(％)4.902.972.824.122.773.49从表3可见，传统mbr和se-mbr对cod的去除率分别为86.77％、90.26％，se-mbr对cod的去除效果略高于传统mbr。另外，se-mbr比传统mbr，其cod的去除率的提高3.49％，也即是co2的减排率3.49％。4)耗电量se-mbr与传统mbr系统鼓风机耗电量数据如表4所示(正常运行后记录，保持溶解氧在2.5mg/l)。表4se-mbr与传统mbr系统鼓风机耗电量数据测试次数123456平均se-mbr(kw)0.500.500.500.500.500.500.50传统mbr(kw)0.650.650.650.650.650.650.65能耗降低率(％)23.0823.0823.0823.0823.0823.0823.08从表4可见，se-mbr比传统mbr，其能耗降低率即曝气量减少率为23.08％。以二氧化碳排放量＝cod去除率的提高导致减排+电耗减少的减排来计算，则本发明的二氧化碳排放量为3.49％+23.08％＝26.57％。5)运行周期试验过程中，se-mbr中的导电膜运行了两个周期，平均运行周期为42d，而传统mbr平均运行周期仅为36d。导电膜抗污染性能提高的主要原因是污染物与导电膜之间的静电排斥作用和h2o2的原位清洗作用。综上，本发明技术采用电化学提供的电场作用下以亚硝酸根作为电子受体进行反硝化作用及采用mbr膜作为提高硝化菌、反硝化菌浓度的截留方式。与传统硝化-反硝化工艺相比，短程硝化-反硝化工艺曝气量大约要节省25％，污泥产生量减少30％，二氧化碳排放量减少20％，脱氮效果提高25％。故其具有污泥量少、反应时间短、节约碳源等优点。当前第1页12