一种膜生物反应器、污水处理系统及处理方法与流程

本发明涉及一种污水生物处理技术，具体地说是涉及一种膜生物反应器、污水处理系统及处理方法。

背景技术：

膜生物反应器（mbr）将膜分离技术与活性污泥法有效结合，是一种新型的高效污水处理技术，被认为是20世纪末发展起来最具发展潜力的污水高效处理技术。膜生物反应器具有出水水质高、设备紧凑、一体化自动化程度高、操作简单、占地面积小、污泥产率低等优点，是解决我国水污染严重和水资源紧缺问题的最有效技术之一。

在膜生物反应器运行过程中不可避免地会产生膜污染问题，微生物细胞及其代谢过程中产生的代谢产物、污水中的胶体颗粒、大分子有机物以及金属离子等无机物与膜之间发生机械作用或物理化学作用，膜表面和膜孔内吸附沉积导致膜有效过滤面积减小和膜孔堵塞。膜污染的产生会直接致使膜组件过滤性能变差，过滤所需压力迅速升高，缩短膜组件使用寿命，严重时导致系统无法正常运行，高频率的膜清洗与膜更换还导致mbr工艺的运行成本的大幅度增加。目前膜污染问题依然是限制膜生物反应器工艺广泛应用的关键瓶颈问题。

好氧膜生物反应器中生物处理与膜截留作用相结合，能够实现污水中氨氮、cod、ss、浊度等污染物的高效去除，但单一的好氧膜生物反应器难以实现总氮的有效去除，需与厌氧生物处理单元相结合，导致工艺复杂，控制难度大等问题，亟待开发能够实现污水同步硝化反硝化的膜生物反应系统。

此外，虽然与传统的活性污泥法相比，膜生物反应器中污泥浓度高，污泥龄长，剩余污泥产量低，但膜生物反应器依然面临着剩余污泥的处理问题，膜生物反应器中产生的剩余污泥粘度高、沉降性和脱水性较差，处理处置困难，因此，亟待开发能够同步实现污泥减量化和资源化的膜生物反应系统。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种膜生物反应器，以解决现有膜生物反应器膜污染严重、不能实现污水同步硝化和反硝化和剩余污泥处理困难的问题。

本发明的目的之二是提供一种污水处理系统，以实现污水硝化和反硝化同步且污泥减量化和资源化。

本发明的目的之三是提供一种污水处理方法，以高效处理污水。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种膜生物反应器，包括：

反应器壳体，在所述反应器壳体上设置有反应器进水口和反应器出水口；

设置在所述反应器壳体内腔的阳极材料、阴极材料、膜组件、第一曝气装置和第二曝气装置；在所述反应器壳体内腔盛装有好氧活性污泥；所述第一曝气装置设置于所述反应器壳体内腔的底部，所述第二曝气装置设置于所述第一曝气装置上部；所述阳极材料位于所述第一曝气装置与所述第二曝气装置之间，在所述阳极材料表面附着有普通厌氧菌、产电菌及蠕虫；所述阴极材料位于所述反应器内的液位之下，在所述阴极材料的表面内层附着有厌氧菌，外层附着有好氧菌；所述膜组件设置在所述第二曝气装置与所述阴极材料之间，在所述膜组件上设置有膜组件出水口，其与所述反应器出水口相接；以及

外接负载，设置在所述反应器壳体外部，且经导线与所述阳极材料和所述阴极材料相接。

所述第一曝气装置经管道与第一气泵相接，所述第一曝气装置采用间歇曝气的运行方式；所述第二曝气装置与第二气泵经管道相接，所述第二曝气装置采用连续曝气的运行方式。

所述第一曝气装置的间歇曝气运行方式为曝气关闭时间10~24h，曝气打开时间5~15min；更优选地，曝气关闭时间为12h，曝气打开时间为10min。

所述反应器进水口设置在反应器中下部，优选地，所述反应器进水口设置在所述膜组件与所述第二曝气装置之间。

阳极材料为碳毡或碳刷；阴极材料为碳刷、碳毡、碳布、碳纸、石墨板或不锈钢网。

膜组件为中空纤维帘式膜或板式膜。

膜生物反应器内盛装的好氧活性污泥浓度可根据需要调整，优选地，所述好氧活性污泥浓度为9000~14000mg/l；更优选地，所述好氧活性污泥浓度为10000mg/l。

在阳极材料表面附着的普通厌氧菌、产电菌及蠕虫，在阴极材料表面内层附着的厌氧菌、外层附着的好氧菌通过接种附着在阳极材料和阴极材料表面上。具体地，外电阻设置为1000ω，按照后期拟处理污水的反应参数进行接种，反应器接种初期，电化学活性菌在阳极和阴极表面逐渐富集，即普通厌氧菌、产电菌及蠕虫在阳极材料表面富集，厌氧菌和好氧菌在阴极材料表面富集，输出电压逐渐升高，在接种30天后，输出最高电压稳定在450mv左右，最高输出电压不再随着运行时间的延长而升高，则系统接种成功。

所述阳极材料表面附着的蠕虫种类及负载量可根据需要调整，优选地，所述阳极材料表面的蠕虫负载量为0.4kg/m²；所述蠕虫为颤蚓类蠕虫，包括正颤蚓、霍夫水丝蚓和苏氏尾腮蚓，其中优势种为正颤蚓。

所述外接负载可根据需要调整，优选地，其为5ω；所述阳极材料和所述阴极材料之间形成强度为0.042v/cm的内电场环境，输出电压为11.5mv。

优选地，膜生物反应器体积为18l，长×宽×高为30cm×20cm×30cm；所述阳极材料与所述第一曝气装置和所述第二曝气装置之间的距离均为2cm，所述阴极材料位于污水液位之下，且与污水液位之间的距离为3cm，与膜组件的顶部之间的距离为2cm；所述膜组件的底部与所述第二曝气装置之间的距离为3cm。

本发明的目的之二是这样实现的：

一种污水处理系统，包括前述膜生物反应器。

优选地，所述污水处理系统包括原水水箱和膜生物反应器，原水水箱的出水口经进水泵与所述膜生物反应器进水口相接，以将所述原水水箱内的污水输送至所述膜生物反应器内进行处理。

所述反应器出水口与出水泵相接，以将处理后的水排出或进行后续处理。

本发明的目的之三是这样实现的：

一种污水处理方法，使用前述污水处理系统进行污水处理。

具体地，一种污水处理方法，包括下述步骤：

（a）设置前述污水处理系统，并通过接种使所述膜生物反应器的阳极材料表面附着普通厌氧菌、产电菌及蠕虫，阴极材料表面内层附着厌氧菌、外层附着好氧菌；

（b）开启膜生物反应器的反应器进水口和出水口，将污水以特定流量输送至膜生物反应器中，同时开启膜生物反应器中的第一曝气装置与第二曝气装置，曝气5~15min；

（c）关闭第一曝气装置10~24h；之后以间歇曝气运行方式即曝气打开时间5~15min、曝气关闭时间10~24h控制第一曝气装置运行；

（d）将处理后的水自膜生物反应器出水口排出。

本发明通过在膜生物反应器内设置的阳极材料表面附着普通厌氧菌、产电菌及蠕虫，在阴极材料的表面内层附着有厌氧菌，外层附着有好氧菌，并在阳极材料与阴极材料之间设置外接负载，同步实现污水硝化反硝化，提高总氮去除效率，在降解污泥的同时进行微生物产电，回收电能，控制并减缓膜污染，实现污泥减量化和资源化。

本发明操作简单，处理效率高，出水水质好，布置紧凑，占地面积小，易于实现自动控制，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是污水处理系统的结构示意图。

图中，1、原水水箱，2、原水水箱出水口，3、进水泵，4、反应器壳体，5、反应器进水口，6、第一曝气装置，7、第一气泵，8、阳极材料，9、第二曝气装置，10、第二气泵，11、膜组件，12、出水泵，13、阴极材料，14、外接负载，15、反应器出水口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。

在下述实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，实施例中所用试剂或材料均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。

如图1所示，本发明的膜生物反应器包括反应器壳体4、阳极材料8、阴极材料13、膜组件11、第一曝气装置6、第二曝气装置9、反应器进水口5、反应器出水口15和外接负载14。

在反应器壳体4内腔设置有阳极材料8、阴极材料13、膜组件11、第一曝气装置6和第二曝气装置9，在反应器壳体4内腔盛装有好氧活性污泥。第一曝气装置6即底部曝气装置设置于反应器壳体4内腔的底部；第二曝气装置9即上层曝气装置设置于第一曝气装置6上部且与第一曝气装置6之间设置有特定的高度。阳极材料8位于第一曝气装置6与第二曝气装置9之间，在阳极材料8表面附着有普通厌氧菌、产电菌及蠕虫。阴极材料13设置于反应器壳体4内腔的上部，且位于膜生物反应器内腔的污水液位之下。在阴极材料13表面的内层附着有厌氧菌，外层附着有好氧菌。阳极材料8可采用碳毡或碳刷，阴极材料13可采用碳刷、碳毡、碳布、碳纸、石墨板或不锈钢网。阴极材料13与阳极材料8经设置在反应器壳体4外部的导线与外接负载14相接。膜组件11设置在第二曝气装置9与阴极材料13之间，在膜组件11上设置有膜组件出水口。

在反应器壳体4上设置有反应器进水口5和反应器出水口15，为了防止反应器进水对阳极材料表面附着的污泥造成扰动和/或发生短流，将反应器进水口5设置在膜组件11与第二曝气装置9之间且远离反应器出水口15，反应器出水口15与膜组件出水口相接。

本发明的污水处理系统包括原水水箱1和膜生物反应器，原水水箱出水口2经进水泵3与膜生物反应器进水口5相接，以将原水水箱1内的污水输送至膜生物反应器内进行处理。膜生物反应器出水口15可与出水泵12相接，以将处理后的水排出或进行后续处理。

本实施例中，原水水箱1和膜生物反应器壳体4由有机玻璃制成，原水水箱1体积为100l，膜生物反应器体积为18l（长×宽×高：30cm×20cm×30cm）。膜生物反应器内盛装的好氧活性污泥浓度为10000mg/l。阳极材料8与第一曝气装置6和第二曝气装置9之间的距离均为2cm，阴极材料13位于反应器内的污水液位之下，且与污水液位之间的距离为3cm，与膜组件11顶部之间的距离为2cm。膜组件11可采用中空纤维帘式膜或板式膜，膜组件11的底部与第二曝气装置9之间的距离为3cm。

第一曝气装置6与第一气泵7经管道相接，第一曝气装置6采用间歇曝气的运行方式，本实施例中间歇曝气为10min开/12h关。第二曝气装置9与第二气泵10经管道相接，第二曝气装置9采用连续曝气的运行方式。曝气流量可根据实际需要进行调整，本实施例中，通过间歇曝气与连续曝气使反应器上层完全混合的活性污泥中的溶解氧含量为4~6mg/l，第二曝气装置的流量为1.5m³/h。

阳极材料8为碳毡，阴极材料13为碳刷。阳极材料8表面附着的蠕虫负载量为0.4kg/m²，本实施例中采用的蠕虫为颤蚓类蠕虫，取自水塘底泥中，经鉴定颤蚓类蠕虫为混种，主要包括正颤蚓、霍夫水丝蚓和苏氏尾腮蚓，其中优势种为正颤蚓。

反应器接种过程中，外电阻设置为1000ω，将蠕虫和好氧活性污泥放入反应器中，按照后期拟处理污水的反应参数进行接种，反应器接种初期，电化学活性菌在阳极材料8和阴极材料13表面逐渐富集，即氧活性污泥中的普通厌氧菌、产电菌及蠕虫在阳极材料8表面富集，厌氧菌和好氧菌在阴极材料13表面富集，输出电压逐渐升高，在接种30天后，输出最高电压稳定在450mv左右，最高输出电压不再随着运行时间的延长而升高，表明系统接种成功。

采用本发明的污水处理系统处理污水时，膜生物反应器连续运行，进水泵3和出水泵12的流量相同，含有cod和nh4⁺-n的污水在进水泵3作用下从原水水箱1进入到膜生物反应器4，膜生物反应器中的污水液位保持恒定，即液位高于阴极材料3cm，水力停留时间为6h，首先第一曝气装置6和第二曝气装置9同时开始曝气，第一曝气装置6曝气10min后关闭，污水中的有机物在好氧活性污泥作用下得到充分去除，nh4⁺-n被氧化为no3^--n；在第一曝气装置6关闭期间，阳极材料8表面会形成一层污泥层，蠕虫对沉积在阳极表面的污泥进行捕食，实现污泥减量，有效降低污泥中微生物胞外聚合物，提高污泥的沉降性能（脱水性能）和过滤性能，减缓膜污染，但捕食过程会释放出大量的有机物，污泥厌氧消化也会产生部分有机物，则阳极材料8表面附着的产电菌以污泥厌氧消化和蠕虫捕食过程种释放的有机物为底物进行产电，阳极材料8表面附着的厌氧菌能够进行反硝化反应，将no3^-还原为n2，实现总氮的去除，阴极材料13表面附着的内层厌氧菌（自养反硝化菌）也能够利用阳极材料8传递过来的电子将no3^-还原为n2，实现电能的回收，促进总氮的去除；在第一曝气装置6曝气期间，蠕虫捕食后的污泥在第一曝气装置6的作用下与上层好氧活性污泥进行混合，能够有效改善污泥的性质，降低污泥的膜污染趋势；外接负载14为5ω，阳极材料8和阴极材料13之间形成强度为0.042v/cm的内电场环境，输出电压为11.5mv，膜组件11处于内电场中，膜表面的污染物绝大部分带负电性，污染物在电场中受到电场力的作用，能够在电场力的作用下脱离膜表面，实现膜污染的控制。此外，蠕虫运动能够在阳极材料8表面实现扰动作用，能够增强电子和质子的传质，从而提高产电性能。

同时，以不设置阳极、阴极和双曝气系统的传统好氧膜生物反应器作为对照，本发明的污水处理系统及传统的好氧膜生物反应器进行污水处理时的运行效果如下表1所示。

表1

本发明污水处理系统出水cod和总氮去除率分别为94.6%和76.9%，而传统好氧膜生物反应器出水cod和总氮去除率分别为：94.9%和1.3%，相比传统好氧膜生物反应器，本发明污水处理系统cod去除率没有明显变化，但总氮去除率得到了显著的提高。

本发明污水处理系统中污泥产率为0.12kgvss/kgcodremoved，传统好氧膜生物反应器污泥产率为：0.31kgvss/kgcodremoved，相比传统好氧膜生物反应器，本发明污水处理系统能实现61.3%的污泥减量。

本发明污水处理系统中膜污染平均周期为68天，而传统好氧膜生物反应器中膜污染平均周期仅为35天，相比传统好氧膜生物反应器，本发明污水处理系统中膜运行周期能够有效延长94.3%。