本发明涉及一种微生物、膜联合处理含氮废水，属于污水脱氮生物处理领域，尤其涉及一种自养脱氮膜生物反应器。
背景技术：
氨氮废水主要来源于化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等，大量氨氮废水排入水体不仅引起湖泊富营养化、海洋赤潮、造成水体黑臭，给环境造成极大的危害，还会对人群及生物产生毒害作用。在工业废水处理和回用工程中，氨氮能引起设备中微生物的繁殖而形成生物垢，堵塞管道和用水设备。如何有效治理水体中的氮素污染一直是环境领域的热门课题。
基于微生物脱氮机理研发了一系列生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺和部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺等。其中部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺为全程自养生物脱氮工艺，该工艺具有无需额外投加有机碳源、节省曝气量、能源消耗少、运行费用低等优点，是一种高效、经济的脱氮途径，该工艺一经问世就引起了研究者和环保工程人员的广泛关注。
生物反应器是实现部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺的核心设备，生物反应器构型设计对部分亚硝化、厌氧氨氧化功能区间合理配置、各功能菌群潜能的最大化、功能微生物高生物量获得、脱氮效能提高等均至关重要。目前应用的部分亚硝化-厌氧氨氧化生物反应器存在以下不足：①曝气过程会抑制厌氧氨氧化微生物活性，从而影响生物反应器整体脱氮能力；②部分亚硝化与厌氧氨氧化功能菌群共存于同一物理空间需严格控制工艺操作参数且反应器稳定性差；③部分亚硝化功能区、厌氧氨氧化功能区人为设定物理界限致使各功能菌群潜能无法实现最大化；④需外加回流设备实现碱度回用平衡，增加处理成本及工艺能耗；⑤功能菌群流失，功能微生物生物量无法进一步提高等。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有部分亚硝化-厌氧氨氧化生物反应器存在的不足，提供一种自养脱氮膜生物反应器。本发明将膜生物反应器分为部分亚硝化区、过渡区、厌氧氨氧化区、滤料过滤区、膜处理区。通过设置过渡区可实现部分亚硝化功能区与厌氧氨氧化功能区之间物理空间的自主调配，也可完全避免曝气过程对厌氧氨氧化功能菌活性的不利影响；分隔部分亚硝化区、厌氧氨氧化区物理空间可使各功能反应独立进行，条件可控性强；通过采用上布水、下曝气的异向错流方式可优化部分亚硝化区流态，且提高氧气的传质效果从而进一步减少曝气量；通过滤料过滤区、膜处理区及部分亚硝化区内置填料的设置可减少污泥流失，提高功能微生物生物量；采用膜分离技术可显著提高出水水质；利用重力自降与气体提升作用形成污水内循环，实现碱度的自回流与平衡，减少投资及运行成本。试验证明，据此开发的自养脱氮膜生物反应器具有良好的脱氮效能，出水可直接回用，且反应器性能高效稳定。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明所述的自养脱氮膜生物反应器为圆柱体结构，由内圆筒、外圆筒组合而成，可由钢板或有机玻璃制作，可为污水脱氮生物处理一体化装置，也可为拼装式模块单体与其他不同的处理工艺构成复合型处理设施。自养脱氮膜生物反应器包括生物反应器主体、进水管、布水圆盘、曝气圆盘、圆盘筛板、圆环筛板、填料承托孔隙板、滤料承托圆环板、膜组件、曝气余气外排管、气体外排管、自回流管、好氧排泥管、过渡区排泥管、厌氧排泥管。自养脱氮膜生物反应器主体按功能可分为部分亚硝化区、过渡区、厌氧氨氧化区、滤料过滤区、膜处理区。
所述的部分亚硝化区内置有半软性纤维束填料或流化床填料，接种有短程硝化絮体污泥，其内包含布水圆盘、自回流管、曝气圆盘，布水圆盘连接进水管，反应区底部设有好氧排泥管，顶部设有曝气余气外排管。部分亚硝化区通过底部圆盘筛板与过渡区相隔离，但通过圆盘筛板上圆孔相连通；通过内圆筒与厌氧氨氧化区相隔离，但通过自回流管与厌氧氨氧化区相通。
所述的过渡区内置有流化床填料k1，填料k1位于填料承托孔隙板之上。过渡区通过圆盘筛板与部分亚硝化区相隔离，但通过圆盘筛板上圆孔相连通；通过圆环筛板与厌氧氨氧化区相隔离，但通过圆环筛板上圆孔相连通。过渡区底部设有过渡区排泥管。
所述的厌氧氨氧化区外套于部分亚硝化区和过渡区，接种有厌氧氨氧化颗粒污泥。其与部分亚硝化区、过渡区、滤料过滤区物理分隔，但通过自回流管与部分亚硝化区相通，通过圆环筛板上圆孔与过渡区相通，通过滤料承托圆环板上圆孔与滤料过滤区相通。厌氧氨氧化区底部连接厌氧排泥管。
所述的滤料过滤区位于部分亚硝化区、厌氧氨氧化区上部；其上部为膜处理区。滤料过滤区内置有纤维球滤料。滤料过滤区与部分亚硝化区完全隔离；与厌氧氨氧化区相隔离，但通过滤料承托圆环板上圆孔相通；与膜处理区完全相通。
所述的膜处理区位于滤料过滤区上部，与滤料过滤区完全相通。膜处理区内置有膜组件，膜组件置于滤料承托圆环板的正上方。
其中，所述生物反应器主体径高比为1:(2～4)。
其中，所述部分亚硝化区、过渡区分别位于内圆筒的上、下部，高度比为(4～6):1。亚硝化反应区的径高比为1:(2～4)。
其中，所述厌氧氨氧化区位于内圆筒、外圆筒组成的环腔内，外圆筒、内圆筒内径比为(1.4～1.7):1。厌氧氨氧化区高度等于内圆筒高度。
其中，所述厌氧氨氧化区、滤料过滤区、膜处理区高度比为8:1:1。
其中，所述圆盘筛板、圆环筛板、滤料承托圆环板、填料承托孔隙板开孔率为0.4～0.6。
其中，所述自回流管数量为4～8个，内径为2～8cm，均匀分布于内圆筒内壁。自回流管底部弯管均位于曝气圆盘上方，弯管外边缘与内圆筒距离为5～10cm，弯管底部与曝气圆盘垂直距离为3～5cm。
其中，所述的部分亚硝化区内填充半软性纤维束填料或流化床填料体积占部分亚硝化区体积的25％～45％；过渡区填充流化填料k1体积占过渡区体积的100％。
本发明的有益效果如下：
1)反应器容积负荷高、处理效率高，出水消毒后可直接回用。部分亚硝化区填料对生物的附着使自养脱氮膜生物反应器中的污泥浓度比传统生物反应器高出2～6倍左右，大大提高了生物反应器脱氮能力；膜组件高效分离作用可使出水的ss及浊度接近于零，污泥的损失几乎为零；出水水质好，经消毒后可直接回用。
2)避免曝气过程对厌氧氨氧化微生物的不利影响。过渡区的设置可在部分亚硝化区与厌氧氨氧化区之间形成缓冲地带，短程硝化后污水中剩余氧气在过渡区可被微生物有效利用，且曝气剩余气体无需经过厌氧氨氧化区直接外排，可完全消除曝气过程对厌氧氨氧化功能菌群活性的不利影响，从而维持反应器整体高效稳定运行。
3)实现生物功能区的自主调配。过渡区可由自主调配其所行使的生物功能，可在短程硝化、厌氧氨氧化进行自主切换，自我调整部分亚硝化功能区、厌氧氨氧化功能区之间配比，对反应器操作参数及环境因素的变动进行快速有效响应，自主调节合理分配。
4)节约投资运行成本。自回流管的设计可在厌氧氨氧化处理水的重力自降与曝气过程气泡上升产生的提升力作用下形成污水内部自循环，可使厌氧氨氧化过程产生碱度自回流至部分亚硝化区供给短程硝化反应，无需额外提供碱度物质及外加回流设备即可实现碱度的自回用；采用上部布水、下部曝气的异向错流方式可提高氧气的传质效果从而进一步减少曝气量；膜组件位于厌氧氨氧化区正上方，可充分利用产生的氮实现对膜表面冲洗，且滤料过滤区的设置也可减少污水中悬浮物的含量，减少膜组件的清洗频率，延长膜组件的使用寿命。
5)操作管理方便，易于实现自动控制。部分亚硝化区、厌氧氨氧化区的物理分隔可使各反应功能单元独立运行，条件可控性强；膜分离可使生物反应器中的水力停留时间和污泥停留时间完全分离，可灵活、稳定控制，易于实现自动控制，提高了污水生物处理的自动化水平。
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为自养脱氮膜生物反应器示意图
其中，1、生物反应器主体；2、部分亚硝化区；3、过渡区；4、厌氧氨氧化区；5、滤料过滤区；6、膜处理区；7、进水管；8、布水圆盘；9、曝气圆盘；10、好氧排泥管；11、过渡区排泥管；12、厌氧排泥管13、圆盘筛板；14、圆环筛板；15、滤料承托圆环板；16、内圆筒；17、外圆筒；18、自回流管；19、膜组件；20、曝气余气外排管；21、气体外排管；22、填料承托孔隙板。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
以下结合附图对本发明的实施例做详细描述。
如图1所示，自养脱氮膜生物反应器为圆柱体结构，由内圆筒16、外圆筒17组合而成，可由钢板或有机玻璃制作，可为污水脱氮生物处理一体化装置，也可为拼装式模块单体与其他不同的处理工艺构成复合型处理设施。自养脱氮膜生物反应器包括生物反应器主体1、进水管7、布水圆盘8、曝气圆盘9、圆盘筛板13、圆环筛板14、填料承托孔隙板22、滤料承托圆环板15、填料承托孔隙板22、膜组件19、曝气余气外排管20、气体外排管21、自回流管18、好氧排泥管10、过渡区排泥管11、厌氧排泥管12。自养脱氮膜生物反应器主体按功能可分为部分亚硝化区2、过渡区3、厌氧氨氧化区4、滤料过滤区5、膜处理区6。
所述的部分亚硝化区2内置有半软性纤维束填料或流化床填料，接种有短程硝化絮体污泥，其内包含布水圆盘8、自回流管18、曝气圆盘9，布水圆盘8连接进水管7，反应区底部设有好氧排泥管10，顶部设有曝气余气外排管20。部分亚硝化区2通过底部圆盘筛板13与过渡区3相隔离，但通过圆盘筛板13上圆孔相连通；通过内圆筒16与厌氧氨氧化区4相隔离，但通过自回流管18与厌氧氨氧化区4相通。
所述的过渡区3内置有流化床填料k1，填料k1位于填料承托孔隙板22之上。其通过圆盘筛板13与部分亚硝化区2相隔离，但通过圆盘筛板13上圆孔相连通；通过圆环筛板14与厌氧氨氧化区4相隔离，但通过圆环筛板14上圆孔相连通。过渡区3设有过渡区排泥管11。
所述的厌氧氨氧化区4外套于部分亚硝化区2和过渡区3，接种有厌氧氨氧化颗粒污泥。其与部分亚硝化区2、过渡区3、滤料过滤区5物理分隔，但通过自回流管18与部分亚硝化区2相通，通过圆环筛板14上圆孔与过渡区3相通，通过滤料承托圆环板15上圆孔与滤料过滤区5相通。厌氧氨氧化反应区4底部设有厌氧排泥管12。
所述的滤料过滤区5位于部分亚硝化区2、厌氧氨氧化区4上部，其上部为膜处理区6，内置有纤维球滤料。其与部分亚硝化区2完全隔离；与厌氧氨氧化区4相隔离，但通过滤料承托圆环板15上圆孔相通；与膜处理区6完全相通。
所述的膜处理区6位于滤料过滤区5上部，与滤料过滤区5完全相通，内置有膜组件19，膜组件19放置与滤料承托圆环板15的正上方。
其中，所述生物反应器主体1径高比为1：(2～4)。所述部分亚硝化区2、过渡区3分别位于内圆筒16的上、下部，高度比为(4～6):1。亚硝化区2的径高比为1:(2～4)。所述厌氧氨氧化区4位于内圆筒16、外圆筒17组成的环腔内，外圆筒17、内圆筒16内径比为(1.4～1.7):1。厌氧氨氧化区4高度等于内圆筒16高度。所述厌氧氨氧化区4、滤料过滤区5、膜处理区6高度比为8:1:1。所述圆盘筛板13、圆环筛板14、滤料承托圆环板15、填料承托孔隙板22开孔率为0.4～0.6。所述自回流管18数量为4～8个，内径为2～8cm，均匀分布于内圆筒16内壁。自回流管18底部弯管均位于曝气圆盘9上方，弯管外边缘与内圆筒16距离为5～10cm，弯管底部与曝气圆盘9垂直距离为3～5cm。所述的部分亚硝化区2内填充半软性纤维束填料或流化床填料体积占部分亚硝化区2体积的25％～45％；过渡区3填充流化填料k1体积占过渡区3体积的100％。
本发明自养脱氮膜生物反应器工作过程如下：氨氮废水经进水管7通过布水圆盘8均匀布水至自养脱氮膜生物反应器主体1的部分亚硝化区2，在重力作用下自上而下运动；外接鼓风机的曝气圆盘9切割气体产生的微小气泡自下而上运动，气泡上升产生提升力带动自回流管18中自流而入的经厌氧氨氧化反应区4处理后的部分回流水向上流动，与进水形成异向错流流动，增大气液固三相接触频率，提高传质效果，在气泡的搅动下充分混合，废水在部分亚硝化区2中部分氨氮在亚硝化微生物作用下转化为亚硝酸盐；曝气剩余气体通过曝气余气外排管20直接排出。经部分亚硝化区2处理后废水通过圆盘筛板13上圆孔均匀分布进入过渡区3，废水中氧气浓度在过渡区3中得到降低，此反应区发生部分亚硝化反应或厌氧氨氧化反应或两种反应共存。经过渡区3处理后废水通过圆环筛板14上圆孔均匀分布进入厌氧氨氧化区4，在厌氧氨氧化颗粒污泥作用下，部分亚硝化区2所产生的亚硝酸盐与废水中剩余氨氮反应生成氮气，氮气透过滤料承托圆环板15的圆孔、滤料过滤区5可直接气刷位于滤料承托圆环板15正上方的膜组件19，减缓膜组件19膜表面污染速度；部分经厌氧氨氧化区4处理后废水在自身重力作用下经自回流管18直接回流至部分亚硝化区2中，为亚硝化反应提供碱度。经厌氧氨氧化区4处理后废水通过滤料承托圆环板15上圆孔继续进入滤料过滤区5，该区置有纤维束滤料可阻截留厌氧氨氧化颗粒污泥、絮体污泥，降低进入膜处理区6的废水中的ss含量，从而降低膜表面污染速度。经滤料过滤区5过滤后的废水最后进入膜分离区6，经膜组件19分离后外排。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。