接触氧化型MBR装置及其部分硝化快速启动与运行方法与流程

本发明属于生物化学法污水处理技术领域，特别涉及接触氧化型mbr装置及其部分硝化快速启动与运行方法。

背景技术：

随着城市规模扩大和工农业的发展，污泥消化液和半导体工业废水等高氨氮废水的产量逐年增加。传统好氧硝化/缺氧反硝化生物脱氮工艺处理上述高氨氮废水需要消耗大量的外加碳源和氧气，存在能耗高的缺点。

部分硝化-厌氧氨氧化工艺可以在缺氧或厌氧条件下，直接以nh4⁺-n为电子供体，no2^--n为电子受体，将nh4⁺-n、no2^--n转变为no3^--n和n2。该工艺的反应式如下：

nh4⁺+1.32no2^-+0.066hco3^-+0.13h⁺→1.02n2+0.26no3^-+0.066ch2o0.5n0.15+2.03h2o(1)

与传统生物脱氮工艺相比，部分硝化-厌氧氨氧化工艺有着节省约60％的曝气量、几乎所有的外加碳源和污泥产量减少80％的优点。部分硝化和厌氧氨氧化在同一个反应器中进行的系统被称为一体化部分硝化-厌氧氨氧化。由于节省占地空间和运行成本，一体化部分硝化-厌氧氨氧化系统已经成为高氨氮废水处理工艺的重要发展方向。

部分硝化是指氨氧化细菌(aob)将氨氮氧化为亚硝酸盐而不继续氧化为硝酸盐的过程。但是在系统中，同为好氧自养型的亚硝酸盐氧化细菌(nob)一方面会与aob竞争氧气影响后者生长，另一方面，nob会将生成的亚硝酸盐氧化为硝酸盐，根据工艺的反应式可知，厌氧氨氧化菌无法利用硝酸盐，由此导致出水总氮浓度难于达标排放的问题；部分硝化存在着系统构建时间长，出水水质不稳定的难题，另外，处理过程中进水氨氮浓度的波动也会影响部分硝化的稳定运行。

通过在装置内部形成内循环可以提高装置中污泥的造粒能力和颗粒性能力，有利于颗粒污泥的形成。

接触氧化法中高比表面积的生物填料能够提供极高的生物附着量，增加反应器中的污泥浓度，减少反应器水力停留时间从而提高处理效率；生物填料表面形成的生物膜能够减少污泥冲刷造成污泥流失，提高系统抗冲击能力。

膜生物反应器具有极高的固体停留时间和极强的生物截留能力，有利于世代周期较长的aob和厌氧氨氧化细菌生长，延长污泥龄；膜组件控制出水解决了微生物随出水流失的影响处理效果的问题，同时节省了沉淀池减少了装置占地面积。

通过选择合适的填料，构建生物膜反应器，并耦合膜分离技术，控制合适的上升流速，形成新型的生物膜-膜分离组合反应器系统，可望实现一体化部分硝化-厌氧氨氧化系统中部分硝化功能的快速启动和稳定控制，有利于一体化部分硝化-厌氧氨氧化系统在高氨氮废水处理中的推广应用。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种接触氧化型mbr装置。

本发明的第二个目的是提供一种接触氧化型mbr装置的部分硝化快速启动与运行方法，通过控制ph，进水氨氮浓度和碱度，得出最佳运行控制参数，达到快速实现部分硝化启动稳定运行的效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种接触氧化型mbr装置，由进水水箱、内循环接触氧化膜生物反应器、膜组件出水装置、曝气装置、酸碱调节水箱、循环加热水箱和plc控制器连接而成；所述进水水箱的出水口通过进水泵与内循环接触氧化膜生物反应器底部的进水口连通，进水水箱内部设有1号组合式在线检测仪并与plc控制器连接；所述内循环接触氧化膜生物反应器中的内循环筒通过内循环筒顶部固定盘固定在内循环接触氧化膜生物反应器内壁的卡口上；生物填料经尼龙线固定在内循环筒外壁与内循环接触氧化膜生物反应器内壁之间；内循环接触氧化膜生物反应器上部设有气体排出口和与plc控制器连接的2号组合式在线检测仪；内循环接触氧化膜生物反应器外侧设有恒温水夹层；回流水经回流口通过回流泵与内循环接触氧化膜生物反应器底部的进水口连通，回流水和进水通过内循环筒至反应器顶部经生物填料回落至内循环接触氧化膜生物反应器底部；所述膜组件出水装置中的膜组件连接膜组件出水泵，膜组件出水泵由plc控制器控制进行周期抽吸出水；所述曝气装置位于内循环接触氧化膜生物反应器底部，曝气装置与空气压缩机连接，空气压缩机分别连接气体流量计和plc控制器；所述酸碱调节水箱分为储酸水箱和储碱水箱，储酸水箱出水通过酸进水泵经加酸管路与内循环接触氧化膜生物反应器连通，储碱水箱出水通过碱进水泵经加碱管路与内循环接触氧化膜生物反应器连通，酸碱调节水箱与plc控制器连接；所述循环加热水箱出水通过循环加热进水泵与内循环接触氧化膜生物反应器底部的循环加热进水口连接，循环加热水通过循环加热出水口由循环加热出水管路回到循环加热水箱。

回流管路、循环加热进水管路、加酸管路和加碱管路上均设有阀门；在进水水箱和内循环接触氧化膜生物反应器中均设有组合式在线检测仪，包括cod电极、ph值电极、溶解氧电极、氨氮电极和硝态氮电极，各组合式在线检测仪均与plc控制器进行信号连接。

本发明的另一个技术方案是：一种接触氧化型mbr装置的部分硝化快速启动与运行方法，设有以下步骤：

启动阶段：内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30～35℃，初始活性污泥接种mlss为3500～4000mg/l，控制进水氨氮浓度为100～250mg/l，水力停留时间(hrt)为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制溶解氧为1～5mg/l；

增加进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30～35℃，进水氨氮浓度从250mg/l增加为400mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制溶解氧为2～2.5mg/l；

增加进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30～35℃，进水氨氮浓度从400mg/l增加为600mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制溶解氧为2～2.5mg/l；

降低进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30～35℃，进水氨氮浓度从250mg/l降低为100mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制溶解氧为2～2.5mg/l；

本发明所提供的部分硝化快速启动装置和运行方法是将提高aob活性，降低nob活性的因素综合在一起，具体包括：

1)高氨氮废水系统中，aob相较于nob有着更高的适应性和生长速率，因此在高氨氮负荷下能够快速实现aob相较于nob的高活性，快速启动部分硝化过程；

2)aob的最佳生长ph范围为7.9～8.2，nob适宜生长的ph范围为7.2～7.6。通过向内循环接触氧化膜生物反应器中投加0.1mol/l的盐酸和0.1mol/l的氢氧化钠溶液能够充分控制反应器中的ph在7.9～8.2，从而有效满足aob的最佳生长ph要求同时抑制nob的活性；

3)由公式(1)知，每氧化1mol的nh4⁺需要消耗2mol的hco3^-，通过控制进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2～2.5，为aob完全氧化氨氮为亚硝酸盐氮提供充足的hco3^-；

4)内循环接触氧化膜生物反应器中水温30～35℃，aob的生长速度高于nob，长期在此条件下运行，aob能够获得充分的生长从而提高aob的生物量。

本发明的一种接触氧化型mbr装置及其部分硝化快速启动与运行方法同现有高氨氮废水传统处理和部分硝化的处理技术相比，具有下列优点：

1)节省能耗。相较于传统好氧硝化/缺氧反硝化生物脱氮工艺处理高氨氮废水，部分硝化只需要将氨氮氧化成亚硝酸氮，节省了亚硝酸盐氧化为硝酸盐需要的25％的氧气，降低污水厂处理能耗。

2)运行控制方便。采用组合式在线检测仪均与plc联合控制，减少了污水厂人工管理运行维护的压力。

3)部分硝化过程启动快。通过控制内循环接触氧化膜生物反应器内ph为7.9～8.2、进水氨氮浓度为250mg/l，hrt为24h，回流比为150％，do为2～2.5mg/l，氨氮负荷为0.25gn/l/d，在8天内完成部分硝化过程的启动运行。

4)抗冲击效果好。分别将氨氮负荷从0.25增加到0.4gn/l/d和从0.4增加到0.6gn/l/d之后，部分硝化过程稳定性没有受到影响，氨氧化率are分别为82.1％和95％，亚硝酸盐积累率(nar)分别为89％和90％。将氨氮负荷从0.25降低为0.1gn/l/d后，可以在5天内完成部分硝化的重新构建，亚硝酸盐积累率达稳定在85％以上。

5)占地面积小。采用膜组件控制出水，减少了沉淀池的使用，节省了装置的占地面积，满足用地紧张的污水处理厂。

附图说明

图1是一种接触氧化型mbr装置示意图；

图2a是内循环筒与卡口固定连接剖面示意图，图2b是内循环筒与卡口固定连接俯视示意图；

图3a是生物填料固定剖面示意图，图3b是生物填料固定俯视示意图；

图4是实施部分硝化启动阶段的工艺效果图；

图5是实施增加进水氨氮在250mg/l负荷强化部分硝化阶段的工艺效果图；

图6是实施增加进水氨氮在600mg/l负荷强化部分硝化阶段的工艺效果图；

图7是实施减少进水氨氮负荷构建部分硝化阶段的工艺效果图。

图中：

1-1、进水水箱1-2、1号组合式在线检测仪

1-3、进水泵1-4、进水管路

2-1、内循环接触氧化膜生物反应器2-2、进水口

2-3、内循环筒2-4、内循环筒顶部固定盘

2-5、卡口2-6、生物填料

2-7、尼龙线2-8、气体排出口

2-9、2号组合式在线检测仪2-10、恒温水夹层

2-11、回流口2-12、回流管路

2-13、回流管阀门2-14、回流泵

3-1、膜组件出水装置3-2、膜组件

3-3、膜组件出水泵3-4、膜组件出水管路

4-1、曝气装置4-2、曝气头

4-3、曝气管路4-4、气体流量计

4-5、空气压缩机

5-1、酸碱调节水箱5-2、储酸水箱

5-3、储碱水箱5-4、酸进水阀门

5-5、碱进水阀门5-6、酸进水泵

5-7、碱进水泵5-8、加酸管路

5-9、加碱管路5-10、加酸进水口

5-11、加碱进水口

6-1、循环加热水箱6-2、循环加热进水阀门

6-3、循环加热进水泵6-4、循环加热进水管路

6-5、循环加热进水口6-6、循环加热出水口

6-7、循环加热出水管路

7-1、plc控制器

1、内循环接触氧化膜生物反应器内壁2、内侧生物填料

3、外侧生物填料

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置进一步加以说明。

如图1至图3所示，一种接触氧化型mbr装置，包括依序连接的进水水箱1-1、内循环接触氧化膜生物反应器2-1、膜组件出水装置3-1、曝气装置4-1、酸碱调节水箱5-1、循环加热水箱6-1和plc控制器7-1，进水水箱1-1的出水口通过进水泵1-3与内循环接触氧化膜生物反应器2-1底部进水口2-2连通，进水水箱1-1内部设有1号组合式在线检测仪1-2，1号组合式在线检测仪1-2与plc控制器7-1连接；内循环接触氧化膜生物反应器2-1为笔筒型结构，内设有上下口贯通的内循环筒2-3，内循环筒2-3通过内循环筒顶部固定盘2-4固定在内循环接触氧化膜生物反应器内壁的卡口2-5上，且将内循环接触氧化膜生物反应器2-1内腔分成上、下两层，下层内循环筒2-3外壁与内循环接触氧化膜生物反应器2-1内壁之间设有经尼龙线2-7固定的生物填料2-6，上层在内循环接触氧化膜生物反应器2-1上部设有气体排出口2-8和与外部plc控制器7-1连接的2号组合式在线检测仪2-9；膜组件出水装置3-1包括设置在内循环接触氧化膜生物反应器2-1内上部的膜组件3-2和外部膜组件出水管路3-4上的膜组件出水泵3-3，经由plc控制器7-1控制的膜组件出水泵3-3抽吸出水；曝气装置4-1位于内循环接触氧化膜生物反应器2-1内的内循环筒2-3下方，与外部空气压缩机4-5连接，空气压缩机4-5分别连接气体流量计4-4和plc控制器7-1；酸碱调节水箱5-1包括储酸水箱5-2和储碱水箱5-3，储酸水箱5-2出水通过酸进水泵5-6经加酸管路5-8由加酸进水口5-10与内循环接触氧化膜生物反应器2-1连通，储碱水箱5-3出水通过碱进水泵5-7经加碱管路5-9由加碱进水口5-11与内循环接触氧化膜生物反应器2-1连通，酸进水泵5-6和碱进水泵5-8分别与plc控制器7-1连接；内循环接触氧化膜生物反应器2-1的外壁设有恒温水夹层2-10，上部设有循环水出口、笔尖部设有循环水进口，所述循环加热水箱6-1出水通过循环加热进水泵6-3与内循环接触氧化膜生物反应器2-1底部的循环加热进水口6-5连接，进入恒温水夹层2-10，循环加热水通过循环加热出水口6-6由循环加热出水管路6-7回到循环加热水箱6-1。

所述内循环接触氧化膜生物反应器2-1的上部侧壁上设有回流口2-11，回流水经回流口2-11通过回流泵2-14与内循环接触氧化膜生物反应器2-1底部进水口2-2连通。

生物填料2-6的材质为高密度聚乙烯hdpe改性材料、直径比表面积＞1000m²/m³，孔隙率＞85％，比重0.96～0.98，填料填充比为80％。

膜组件出水装置3-1采用孔径为0.22μm、膜通量为30l/(m²·h)的pvdf中空纤维u型微滤膜，膜组件3-2由plc控制器7-1控制的膜组件出水泵3-3控制抽吸出水，抽吸出水方式为膜组件出水泵3-3，8分钟抽吸出水、2分钟停止抽吸，周期循环。

循环加热水箱6-1控制内循环接触氧化膜生物反应器2-1内的水温恒为30℃。

回流管路2-12、加酸管路5-8、加碱管路5-9和循环加热进水管路6-4均设有阀门，同时在连接的曝气管路4-3上设有气体流量计4-4。

使用进水泵1-3采用连续进水的方式。

一种接触氧化型mbr装置的部分硝化快速启动与运行方法，包括以下步骤：

步骤一，启动阶段：内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30℃，初始活性污泥接种mlss为3500～4000mg/l，控制进水氨氮浓度为100～250mg/l，水力停留时间hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制溶解氧为2mg/l；

步骤二，增加进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30℃，进水氨氮浓度从250mg/l增加为400mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制曝气量为2～2.5mg/l；

步骤三，增加进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30℃，进水氨氮浓度从400mg/l增加为600mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制曝气量为2～2.5mg/l；

步骤四，降低进水氨氮负荷阶段：控制内循环接触氧化膜生物反应器中水温为30℃，进水氨氮浓度从250mg/l降低为100mg/l，hrt为24h，装置中ph为7.9～8.2，进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，回流比为150％，控制曝气量为1～2.5mg/l。

根据aob和nob在不同氨氮负荷和ph的活性差异，通过控制氨氮负荷在100～600mg/l和ph在7.6～8.2抑制系统中nob的活性；aob以悬浮状态和附着在生物填料表面生物膜中以维持装置内高污泥浓度，膜组件出水装置控制出水避免污泥流失；接种种泥种类为城市污水处理厂絮状活性污泥，接种污泥浓度为3500～4000mg/l；部分硝化的进水氨氮范围在100～600mg/l。

进水中hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2～2.5，水力停留时间为16～28h，回流比为100～200％，控制溶解氧为2～5mg/l，反应器内ph为7.6～8.2；内循环接触氧化膜生物反应器中的ph维持在7.6～8.2，当2号组合式在线检测仪检测ph不在7.6～8.2时，通过plc控制器通过加入储酸水箱中的0.1mol/l的盐酸和储碱水箱中的0.1mol/l的氢氧化钠对内循环接触氧化膜生物反应器中的ph进行调控使其维持在7.6～8.2。

实施例1：

如图4所示，实施启动阶段快速启动部分硝化

将富含硝化细菌的接种污泥导入有效体积为8.5l的内循环接触氧化膜生物反应器中，接种污泥为城市污水处理厂二沉池回流污泥；接种后反应器中污泥浓度mlss为4000mg/l，内循环接触氧化膜生物反应器外部夹层连接循环加热器，反应条件控制为：避光，反应器水温恒定为30℃；

控制进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，自来水配制的ph为7.8～8.5的模拟废水为进水，模拟废水中其他元素组成和含量为0.008g/lkh2po4，0.01g/lmgso4，0.026g/lcacl2·2h2o，5.06mg/lmncl2·4h2o，50mg/lfeso4·7h2o，0.12mg/lznso4·7h2o，0.112mg/lnicl2·6h2o，1.18mg/lna2moo4·2h2o，0.03mg/lcuso4·5h2o，0.15mg/lcocl2·6h2o，0.15mg/lh3bo4，0.03mg/lki，50mg/lna2·edta；

控制进水nh4⁺-n为100mg/l，氨氮负荷为0.1gn/l/d，hrt为24h，溶解氧为5mg/l，回流比为150％，通过加0.1mol/l的盐酸和0.1mol/l氢氧化钠控制反应器内ph为7.6～8.2，经过8天运行nar低于80％，将溶解氧降低为2mg/l后，nar依然低于80％。从第17天之后将进水nh4⁺-n增加为250mg/l，氨氮负荷为0.25gn/l/d并控制hrt为24h，回流比为150％，溶解氧为2～2.5mg/l。由于在高氨氮下，aob的活性高于nob，因此在运行8天后nar高于80％达到84.5％，成功启动部分硝化。

实施例2：

如图5所示，增加进水氨氮负荷强化部分硝化运行

在实施例1中的基础上，进水nh4⁺-n增加为400mg/l，氨氮负荷为0.4gn/l/d，控制hrt为24h，回流比为150％，溶解氧为2～2.5mg/l，进水水质仍然为自来水配制的ph为7.8～8.5的模拟废水，模拟废水中其他元素组成和含量和实施例1相同，控制进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，通过加0.1mol/l的盐酸和0.1mol/l氢氧化钠控制反应器内ph为7.6～8.2，避光，反应器水温恒定为30℃；

进水氨氮浓度从250mg/l增加为400mg/l后，部分硝化过程依然运行稳定，nar一直稳定在89％。运行结果说明经本发明装置和方法启动的部分硝化系统在面对进水氨氮浓度增加的冲击下，依然能够保持良好的运行，出水效果稳定。

实施例3：

如图6所示，增加进水氨氮负荷强化部分硝化运行

在实施例2中的基础上，进水nh4⁺-n增加为600mg/l，氨氮负荷为0.6gn/l/d，控制hrt为24h，回流比为150％，溶解氧浓度控制为2mg/l，进水水质仍然为自来水配制的ph为7.8～8.5的模拟废水为进水，模拟废水中其他元素组成和含量和实施例1相同，控制进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，通过加0.1mol/l的盐酸和0.1mol/l氢氧化钠控制ph为7.6～8.2，避光，反应器水温恒定为30℃；

进水氨氮浓度从400mg/l增加为600mg/l后，部分硝化过程依然运行稳定，亚硝酸盐积累率能够稳定在90％以上。运行结果说明经本发明装置和方法启动的部分硝化系统在面对进水氨氮浓度连续增加多次的冲击下，依然能够保持良好的运行，出水效果稳定。

实施例4：

如图7所示，降低进水氨氮负荷下部分硝化的再构建

在实施例1中的基础上，将进水nh4⁺-n减少为100mg/l，氨氮负荷为0.1gn/l/d，控制hrt为24h，回流比为150％，溶解氧浓度控制为2～2.5mg/l，进水水质仍然为自来水配制的ph为7.8～8.5的模拟废水，模拟废水中其他元素组成和含量和实施例1相同，控制进水hco3^-与nh4⁺的摩尔比为2，通过加0.1mol/l的盐酸和0.1mol/l氢氧化钠控制ph为7.6～8.2，避光，反应器水温恒定位30℃；

进水氨氮浓度从250mg/l减少为100mg/l后，部分硝化过程在最初的一周里被破坏；经过持续的运行，氨氧化细菌的活性逐渐得到恢复，在随后的5天里，亚硝酸盐积累率稳定在80％以上重新构建了部分硝化过程，亚硝酸盐积累率稳定在85％。运行结果说明经本发明装置和方法启动的部分硝化系统在面对进水氨氮浓度减少的冲击下，能够快速恢复氨氧化细菌的活性，重新构建部分硝化过程，抗冲击能力强。

运行结果说明本发明装置和方法具有能够在进水nh4⁺-n为250mg/l，氨氮负荷为0.25gn/l/d，回流比为150％，溶解氧为2～2.5mg/l并控制反应器内ph在7.9～8.2的条件下，在8天里快速启动部分硝化系统，在面对进水nh4⁺-n从250mg/l增加为400mg/l，氨氮负荷为0.4gn/l/d和进水nh4⁺-n从400mg/l增加为600mg/l，氨氮负荷为0.6gn/l/d的进水氨氮浓度增加的冲击下，出水nar稳定达到89％以上运行稳定。在面对进水nh4⁺-n从250mg/l减少为100mg/l的情况下，能够在5天内重新快速构建部分硝化过程，出水nar稳定达到85％。