甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备及其方法
【专利摘要】本发明涉及甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备及其方法。本发明的设备是由内部安装有多个气体膜组件的气体膜分离容器、用于容置甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌附着的填料及悬浮液的环流式氧化容器、用于容置含有脱氮硫杆菌的悬浮溶液的升流式再生容器、固液分离容器和气体导流容器构成。在环流式氧化容器甲烷被氧化，硫酸盐被还原；气体膜组件的分离作用，使未及时氧化的甲烷回流至环流式氧化容器继续被氧化，使硫酸盐还原产物硫化氢进入升流式再生容器被硝酸盐氧化为硫酸盐，成为再生的氧化剂，同时硝酸盐被还原为氮气，实现甲烷废气与含硫含氮废水在两个生化反应区协同有效地处理。本发明的设备结构紧凑、能耗低、操作简单。
【专利说明】甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于利用生物反应器协同处理废气、废水的设备，特别涉及一种组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备及其方法。
【背景技术】
[0002]在污水厌氧处理、污泥浓缩与消化以及垃圾填埋过程中，伴随恶臭物质产生的同时，还有大量的甲烷生成。无论是物化法还是生物法，目前主要是去除恶臭气体中的硫化氢、氨和挥发性有机酸等污染物质，对甲烷的去除效果甚微。恶臭气体中的甲烷浓度通常不高，作为能源回收利用在经济上不合算，通常是将处理后的仍含甲烷的气体通过空气稀释高空排放。但是，甲烷属于温室气体，其温室效应是二氧化碳的26倍。而且甲烷还是危险气体，其在空气中的浓度为5% -15%时极易发生爆炸。因此，研究经济有效的甲烷与恶臭物质的协同控制技术，对于消除安全隐患、保护大气环境具有重要的意义。
[0003]在厌氧条件下，甲烷氧化菌利用硫酸盐将甲烷氧化为二氧化碳，反应式如式(I)。食品医药生产废水、工业废水以及矿山废水中含有大量的硫酸盐。硫酸盐排入水体，会引起水体酸化、土壤板结等问题。利用含硫酸盐的废水处理含甲烷的废气，是甲烷与硫酸盐协同处理的一个有效途径。但是，甲烷被氧化为二氧化碳的同时，硫酸盐被还原为硫离子(s2_)。当溶液中有H+存在时，S2_与H+结合生成硫化氢，反应式如式⑵。硫化氢极易从溶液中逸散到空气中，形成恶臭污染。研究发现，在脱氮硫杆菌的作用下，硫化氢的厌氧氧化能够与硝酸盐的反硝化同时进行，硝酸盐被还原为氮气，硫化氢被氧化为硫酸盐，反应式如式(3)。产物硫酸盐可以作为氧化剂回用于甲烷的厌氧氧化。化肥制造、钢铁生产、火药制造、牲畜饮料场、电子元件生 产、氧化有机和燃料生产等过程排放含有硝酸盐和亚硝酸盐的废水。水中氮元素过多会引起水体富营养化，水质下降，危害水生动植物的生存。这样，将甲烷氧化-硫酸盐还原与硫化氢氧化-硝酸盐反硝化两个过程结合，利用硫酸盐废水氧化甲烷，利用硝酸盐废水再生甲烷氧化剂一硫酸盐，可以实现含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。
[0004]CH4+S0广一C02+S2>2H20 (I)
[0005]S2>2H+ — H2S ? (2)
[0006]H2S+N03_ — N2 ? +SO广+H2O (3)
[0007]但是，甲烷氧化-硫酸盐还原过程是在甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌的作用下完成的。硫化氢氧化-硝酸盐反硝化则是在脱氮硫杆菌的作用下进行的。甲烷氧化菌、硫酸盐还原菌与脱氮硫杆菌甲烷的生长环境不同，很难在一个反应区内生长。现有专利一般相对独立地设置上述两个过程的反应区，如ZL200510126217.8公开了一种环流式膜生物反应器废水处理设备和废水处理方法，CN201310193077.0公开了 “一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法”，该装置包括SMBR反应器、进水箱、自动控制系统、出水箱、甲烷储气罐、氩气储气罐，实现了厌氧甲烷细菌的快速富集；CN201310589503.2公开了“应用厌氧膜生物反应器对污水进行处理以脱硫除氮的方法”，将含有硝酸盐和/或亚硝酸盐以及硫化物的待处理污水引入厌氧反应器中并与脱氮硫杆菌相接触，可高效脱硫脱氮。另外，甲烷的氧化速度较慢，使甲烷氧化-硫酸盐还原过程的气体产物中除了硫化氢、二氧化碳，通常还含有一定量未被氧化的甲烷。这部分甲烷如不能及时去除，不仅降低甲烷氧化净化效果，还会影响硫化氢氧化-硝酸盐反硝化过程，引起含甲烷废气与含硫含氮废水不能协同生物处理的问题。
[0008] 膜生物反应器是一种由膜过滤取代传统生化处理技术中二次沉淀池和沙滤池的水处理技术。膜生物反应器的出现提高了泥水分离效率。利用膜的分离作用，将水中的污染物降解菌截留在反应器内，提高降解菌的浓度，从而增加生物反应器的去除能力。CN01123900.X公开了“分体式膜生物反应器及水处理方法”，所述及的生物膜反应器包括筛网、调节池、生物反应器和膜滤池，采用浅水层鼓起的方式进行膜冲洗以有效降低能耗。CN201210505701.1公开了“一体化气浮-膜生物反应器”，该反应器壳体由两个单池组成，其中左侧单池的上部为气浮室、下部为生物滤层，右侧单池中放置膜组件，并在壳体外部设置回流加压容器装置以有效去除水中的藻类。CN201310068691.4公开了“一种膜生物反应器”，包括氧化沟、真空装置、透过液池和透过液管路，其中氧化沟内设置有多个膜箱，每一个膜箱内设置有多个超滤膜组件或微滤膜膜组件，达到较好的泥水分离效果。CN201110435627.6公开了 “一种VT-MBR生物反应器”，由VTBR装置、膜分离装置、缓冲池、循环泵和排气口组成，利用膜的截留作用，延长大分子难降解有机物在反应器内的停留时间，并可在管式膜组件内部膜表面形成不同流态的气液两相流，增大了膜表面的剪切力，提高膜的透水率。然而，无论早期的分体式膜生物反应器还是现有的一体式膜生物反应器，都是通过真空泵或其它类型泵得到过滤液，因而能耗高。
[0009]气体分离膜是近年来发展很快的一项新技术。不同的高分子膜对不同种类的气体分子的透过率和选择性不同，因而可以从气体混合物中选择分离和富集某种气体。如ZL200310117133.9公布了一种气膜-生物反应器废气处理设备。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于解决含甲烷废气与含硫含氮废水不能协同生物处理的问题，利用气体分离膜选择分离气体以及膜组件截留降解菌的特性，将甲烷氧化-硫酸盐还原与硫化氢氧化-硝酸盐反硝化两个反应过程结合。
[0011]本发明的另一目的是提供利用组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备进行含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的方法。
[0012]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，包括环流式氧化容器、气体膜选择分离容器、升流式再生容器、固液分离容器和气体导流容器。
[0013]所述的环流式氧化容器的内部安装有隔板将环流式氧化容器分成固定式反应区和悬浮式反应区，固定式反应区与悬浮式反应区通过设置在隔板两端的第一液体导流口和第二液体导流口相连通，液体在固定式反应区内向下流动，在悬浮式反应区内向上流动；所述的固定式反应区内部安装有带有多个孔的气体分布板，气体分布板上装填有填料，且填料是在第一液体导流口和第二液体导流口之间；固定式反应区的顶部开有第一出气口，底部开有第一排泥口 ；固定式反应区外侧壁上端开有第一进水口，下端开有第一进气口，且第一进水口高于第一液体导流口，第一进气口高于第二液体导流口 ；第二液体导流口高于第一排泥口 ；所述的悬浮式反应区的底部开有排水口。
[0014]所述的气体膜选择分离容器的底部设置第二出气口，一侧壁上设置第二进气口，另一侧壁上设置第三出气口，所述第二进气口与第一出气口相连通；气体膜选择分离容器的内部安装有多个气体分离膜组件，多个气体分离膜组件之间通过管道相连通，且每一个气体膜组件的底部通过各自的管道与一总管道相连通，多个气体膜组件的一端通过管道与第二进气口连通，另一端通过管道与第三出气口相连通；总管道与第二出气口相连通，第二出气口与第一进气口连通，且第二出气口与第一进气口之间设置第一真空泵。
[0015]所述的固液分离容器内部装有膜组件，一侧壁上端设置出水口，下端设置第三进气口，所述出水口通过管道及循环泵与第一进水口连通，第三进气口与第三出气口相连通；且第三进气口与第三出气口之间设有第二真空泵。
[0016]所述的升流式再生容器的底部设有第二排泥口，顶部设有排气口，一侧壁的上端设有第二进水口 ；另一侧壁下端通过连通口与固液分离容器相连通，液体在所述的升流式再生容器内向上流动。
[0017]所述的气体导流容器在升流式再生容器与固液分离容器之间，气体导流容器一侧壁的上端设有第一气体导流孔与固液分离容器相连通；另一侧壁的下端设有第二气体导流孔与所述的升流式再生容器相连通。
[0018]所述的连通口低于所 述的第二气体导流孔。
[0019]所述的气体分布板上的孔的孔径为3~50mm。
[0020]所述的第一进气口低于气体分布板，且高于第二液体导流口。
[0021 ] 所述第一进水口高于第一液体导流口。
[0022]所述气体分离膜组件至少为2个。
[0023]所述环流式氧化容器的固定式反应区的填料上附着有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌，悬浮式反应区内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中；升流式再生容器内装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液；含硫酸盐的废水从第一进水口连续进入环流式氧化容器中的固定式反应区并向下流动，穿过所述的填料，经过第二液体导流口进入悬浮式反应区并向上流动，再通过第一液体导流口回流至固定式反应区，从而使液体在环流式氧化容器内的两个反应区内环流流动；同时，附着在所述的填料上或悬浮在悬浮式反应区溶液中的硫酸盐还原菌将硫酸盐还原为S2_ ;甲烷从第一进气口进入环流式氧化容器中并向上流动，附着在所述的填料上的甲烷氧化菌利用溶液中的硫酸盐将甲烷氧化为二氧化碳；一部分甲烷从下部的第二液体导流口进入所述的环流式氧化容器中的悬浮式反应区并向上流动，提升悬浮式反应区内的液体促进环流流动的同时被悬浮的甲烷氧化菌氧化；硫酸盐的还原产物硫化氢与未及时被氧化的甲烷从第一出气口排出，经第二进气口进入气体分离膜组件内，难于透过气体分离膜的甲烷作为渗余气，通过连通第二出气口的总管道流出气体膜选择分离容器，并通过真空泵从第一进气口回流进入环流式氧化容器中继续被氧化；易于透过气体分离膜组件的硫化氢、二氧化碳作为渗透气透过所述的气体分离膜，通过第三出气口和第三进气口进入固液分离容器中并向上流动，通过第一气体导流孔进入气体导流容器中并向下流动，穿过第二气体导流孔进入升流式再生容器并向上流动；含硝酸盐的废水从第二进水口进入所述的升流式再生容器中并向下流动，悬浮在所述的升流式再生容器中的脱氮硫杆菌利用硝酸盐将硫化氢氧化为硫酸盐，同时，硝酸盐被还原为氮气；氮气和二氧化碳从升流式再生容器的顶部的排气口排出；多余的污泥从第二排泥口排出；含有硫化氢的氧化产物硫酸盐和脱氮硫杆菌的液体从底部的连通口进入所述的固液分离容器；固液分离容器内设置的膜组件将含有硫酸盐的液体和脱氮硫杆菌分离；含硫酸盐的液体从固液分离容器的出水口经过循环泵从第一进水口输入环流式氧化容器的固定式反应区内，作为再生的氧化剂继续氧化甲烷；处理后的水从排水口排出。
[0024]所述的升流式再生容器高于固液分离容器，固液分离容器的膜出水靠膜组件上方的重力水头驱动连续出水，降低运行能耗；脱氮硫杆菌被截留在固液分离容器内；从第三进气口进入固液分离容器的含硫化氢、二氧化碳的渗透气一方面冲刷膜表面，使污泥或脱氮硫杆菌不能附着在膜表面，防止膜污染，另一方面推动水流，使含脱氮硫杆菌的液体通过第一气体导流孔和第二气体导流孔回流至升流式再生区，避免脱氮硫杆菌的流失。
[0025]所述的气体分离膜组件中的气体分离膜为卷式膜，中空纤维膜或平板膜，膜材料为聚酰亚胺、聚砜或聚二甲基硅氧烷。
[0026]所述的固液分离容器的膜组件为中空纤维膜或平板膜，膜材料为聚丙烯或聚砜。
[0027]所述的填料为轻质多孔的天然材料或合成材料；如无机填料是火山岩、珍珠岩、砾石、陶粒或活性炭其中的一种或几种的混合；或有机填料是树皮、木片、塑料球或树脂泡沫其中的一种或几种的混合。
[0028]所述的含有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌的悬浮水溶液中的甲烷氧化菌的含量为
5.0XlO3 ~1.0X10nCFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为 5.0XlO5 ~1.0X 10nCFU/ml。
[0029]所述的含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液中的脱氮硫杆菌的含量为1.0X IO5~1.0X10nCFU/ml。
[0030]所述含硝酸盐的废水中硝酸盐浓度为10_2000mg/L。
[0031]所述含硫酸盐的废水中硫酸盐浓度为100_2000mg/L。
[0032]所述甲烷浓度范围:20-70%。
[0033]所述处理时间为I小时-2天。
[0034]有益效果:
[0035]本发明结构紧凑，操作简便，能耗较低；氧化剂循环利用的组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，实现含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。甲烷在氧化区被硫酸盐氧化为二氧化碳，硫酸盐还原产物硫化氢经多级气体分离膜的选择分离，与未被降解的甲烷分离后进入再生区；硫化氢在再生区被硝酸盐氧化为硫酸盐，完成氧化剂的再生；再生的氧化剂回流至氧化区，为甲烷的氧化提供氧化剂，实现氧化剂的循环利用；再生区的出水采用膜组件过滤，防止脱氮硫杆菌流失和进入氧化区；甲烷氧化-硫酸盐还原与硫化氢氧化-硝酸盐反硝化两个过程均采用厌氧条件，不需要补充额外的氧气，节省能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明结构示意图
[0037]其中，1.第一进气口 2.固定式反应区3.填料4.环流式氧化容器5.第一进水口 6.第一出气口 7.第一液体导流口 8.第二液体导流口 9.悬浮式反应区10.第一排泥口 11.第二进气口 12.气体膜选择分离容器13.气体分离膜组件14.总管道15.第二出气口 16.第三出气口 17.第一真空泵18.第二真空泵19.第三进气口 20.固液分离容器21.膜组件22.出水口 23.第一气体导流孔24.第二气体导流孔25.连通口 26.第二排泥口 27.升流式再生容器28.第二进水口 29.排气口 30.气体导流容器31.循环泵32.排水口 33.气体分布板34.隔板
【具体实施方式】
[0038]实施例1
[0039]请参见图1。塑料板制成的组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其长、宽、高分别为1.5m、0.5m、l.2m ;包括用于容置甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌附着的填料3以及容置甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮溶液的环流式氧化容器4、气体膜选择分离容器12、用于容置脱氮硫杆菌悬浮溶液的升流式再生容器27、固液分离容器20和气体导流容器30。
[0040]所述的环流式氧化容器4的内部安装有隔板34将环流式氧化容器分成固定式反应区2和悬浮式反应区9，固定式反应区2与悬浮式反应区9通过设置在隔板34两端的第一液体导流口 7和第二液体导流口 8相连通，液体在的固定式反应区2内向下流动，在悬浮式反应区9内向上流动；所述的固定式反应区2内部安装有带有多个孔的气体分布板33，气体分布板33上装填有填料3，且填料3是在第一液体导流口 7和第二液体导流口 8之间；固定式反应区2的顶部开有第一出气口 6，底部开有第一排泥口 10 ;固定式反应区2外侧壁上端开有第一进水口 5，下端开有第一进气口 1，且第一进水口 5高于第一液体导流口 7，第一进气口 I高于第二液体导流口 8 ;第二液体导流口 8高于第一排泥口 10 ;所述的悬浮式反应区9的底部开有排水口 32。 [0041]所述的气体膜选择分离容器12的底部设置第二出气口 15，一侧壁上设置第二进气口 11，另一侧壁上设置第三出气口 16，所述第二进气口 11与第一出气口 6相连通；气体膜选择分离容器12的内部安装有多个气体分离膜组件13，多个气体分离膜组件13之间通过管道相连通，且每一个气体分离膜组件13的底部通过各自的管道与一总管道14相连通，多个气体分离膜组件13的一端通过管道与第二进气口 11连通，另一端通过管道与第三出气口 16相连通；总管道14与第二出气口 15相连通，第二出气口 15与第一进气口 I连通，且第二出气口 15与第一进气口 I之间设置第一真空泵17。
[0042]所述的固液分离容器20内部装有膜组件21，一侧壁上端设置出水口 22，下端设置第三进气口 19，所述出水口 22通过管道及循环泵31与第一进水口 5连通，第三进气口 19与第三出气口 16相连通；且第三进气口 19与第三出气口 16之间设有第二真空泵18。
[0043]所述的升流式再生容器27的底部设有第二排泥口 26，顶部设有排气口 29，一侧壁的上端设有第二进水口 28;另一侧壁下端通过连通口 25与固液分离容器20相连通，液体在所述的升流式再生容器27内向上流动。
[0044]所述的气体导流容器30在升流式再生容器27与固液分离容器20之间，气体导流容器30 —侧壁的上端设有第一气体导流孔23与固液分离容器20相连通；另一侧壁的下端设有第二气体导流孔24与所述的升流式再生容器27相连通。
[0045]含硫酸盐的废水从第一进水口 5连续进入环流式氧化容器4中的固定式反应区2并向下流动，穿过所述的填料3，经过第二液体导流口 8进入悬浮式反应区9并向上流动，再通过第一液体导流口 7回流至固定式反应区2，从而使液体在环流式氧化容器4内的两个反应区内环流流动；同时，附着在所述的填料3上或悬浮在悬浮式反应区溶液中的硫酸盐还原菌将硫酸盐还原为S2_ ；甲烷从第一进气口 I进入环流式氧化容器4中并向上流动，附着在所述的填料3上的甲烷氧化菌利用溶液中的硫酸盐将甲烷氧化为二氧化碳；一部分甲烷从下部的第二液体导流口 8进入所述的环流式氧化容器4中的悬浮式反应区9并向上流动，提升悬浮式反应区9内的液体促进环流流动的同时被悬浮的甲烷氧化菌氧化；硫酸盐的还原产物硫化氢与未及时被氧化的甲烷从第一出气口 6排出，经第二进气口 11进入气体分离膜组件13内，难于透过气体分离膜的甲烷作为渗余气，通过连通第二出气口 15的总管道14流出气体膜选择分离容器12，并通过第一真空泵17从第一进气口 5回流进入环流式氧化容器4中继续被氧化；易于透过气体分离膜组件的硫化氢、二氧化碳作为渗透气透过所述的气体分离膜，通过第三出气口 16和第三进气口 19进入固液分离容器20中并向上流动，通过第一气体导流孔23进入气体导流容器30中并向下流动，穿过第二气体导流孔24进入升流式再生容器27并向上流动；硝酸盐从第二进水口 28进入所述的升流式再生容器27中并向下流动，悬浮在所述的升流式再生容器27中的脱氮硫杆菌利用硝酸盐将硫化氢氧化为硫酸盐，同时，硝酸盐被还原为氮气；氮气和二氧化碳从升流式再生容器27的顶部的排气口 29排出；多余的污泥从第二排泥口 26排出；含有硫化氢的氧化产物硫酸盐和脱氮硫杆菌的液体从底部的连通口 25进入所述的固液分离容器20 ;固液分离容器20内设置的膜组件21将含有硫酸盐的液体和脱氮硫杆菌分离；含硫酸盐的液体从固液分离容器20的出水口 22经过循环泵31从第一进水口 5输入环流式氧化容器4的固定式反应区2内，作为再生的氧化剂继续氧化甲烷；处理后的水从排水口 32排出。
[0046]所述的升流式再生容器27高于固液分离容器20，固液分离容器20的膜出水靠膜组件21上方的重力水头驱动连续出水，降低运行能耗；脱氮硫杆菌被截留在固液分离容器20内；从第三进气口 19进入固液分离20的含硫化氢、二氧化碳的渗透气一方面冲刷膜表面，使污泥或脱氮硫杆菌不能附着在膜表面，防止膜污染，另一方面推动水流，使含脱氮硫杆菌的液体通过第一气体导流孔23和第二气体导流孔24回流至升流式再生容器27，避免脱氮硫杆菌的流失。
[0047]室温条件下，利用上述组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备进行含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。
[0048]在环流式氧化容器4的固定式反应区2内部安装的承托填料的带有多个孔的气体分布板33上装有活性炭填料3，且甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌附着在所述的填料上；在由第一容器构成的环流式氧化区的悬浮式反应区内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中，甲烷氧化菌的含量为5.0X 104CFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为1.0 X 108CFU/ml ;在升流式再生容器27内装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液，脱氮硫杆菌的含量为1.0X IO6CFU/ml。气体膜选择分离容器12中安装有2个气体分离膜组件13，气体分离膜为平板膜，膜材料为聚酰亚胺。固液分离容器20内设置膜组件21，膜组件为中空纤维膜，膜材料为聚丙烯。
[0049] 含有31%甲烷的废气，从第一进气口 I进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备中，含有267mg/L硫酸盐的废水从第一进水口 5进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，含有35mg/L硝酸盐的废水从第二进水口 28进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备中，停留时间为12小时,废气中甲烷的去除率达到99%，废水中硫酸盐的去除率91%，硝酸盐的去除率80%。
[0050]实施例2.[0051]请参见图1。组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其长、宽、高分别为4.0m,2.50m、l.50m。设备结构及对废气、废水的处理方法同实施例1。
[0052]室温条件下，利用上述设备对含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。环流式氧化容器4的固定式反应区2中装有填料3，填料3为树皮，填料3上附着有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌，在环流式氧化容器4的悬浮式反应区9内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中，甲烷氧化菌的含量为1.0X 106CFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为5.0 X 109CFU/ml ;升流式再生容器中装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液，脱氮硫杆菌的含量为1.0X IO7CFU/ml。气体膜选择分离容器12中安装有3个气体分离膜组件13，气体分离膜为卷式膜，膜材料为聚砜。固液分离容器20内设置膜组件21，膜组件为平板膜，膜材料为聚丙烯。
[0053]含有53%甲烷的废气，从第一进气口 I进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备中，含有300mg/L硫酸盐的废水从第一进水口 5连续进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，含有125mg/L硝酸盐的废水从第二进水口 28进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，停留时间为I天，甲烷、硫酸盐和硝酸盐的去除率分别达到90.2%，91%和79.6%。
[0054]实施例3.[0055]请参见图1。组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其 长、宽、高分别为4.5m,3.5m、l.8m。设备结构及对废气处理方法同实施例1。
[0056]室温条件下，利用上述设备对含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。环流式氧化容器4的固定式反应区2中装有填料3，填料3为树脂泡沫和塑料球的混合物，填料3上附着有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌，在环流式氧化容器4的悬浮式反应区9内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中，甲烷氧化菌的含量为1.0X109CFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为1.0X101(lCFU/ml ;升流式再生容器中装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液，脱氮硫杆菌的含量为1.0X 101(lCFU/ml。气体分离膜选择分离容器12中安装有3个气体分离膜组件13，气体分离膜为中空纤维膜，膜材料为聚酰亚胺。固液分离容器20内设置膜组件21，膜组件为平板膜，膜材料为聚砜。
[0057]含有60%甲烷的废气，从第一进气口 I进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备中，含有1200mg/L硫酸盐的废水从第一进水口 5连续进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，含有800mg/L硝酸盐的废水从第二进水口 28进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，停留时间为1.5天，甲烷、硫酸盐和硝酸盐的去除率分别达到82%，81%和70%。
[0058]实施例4.[0059]请参见图1。组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其长、宽、高分别为6.5m、4.5m,2.0m。设备结构及对废气处理方法同实施例1。
[0060]室温条件下，利用上述设备对含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理。环流式氧化容器4的固定式反应区2中装有填料3，填料3为砾石和陶粒的混合物，填料3上附着有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌，在环流式氧化容器4的悬浮式反应区9内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中，甲烷氧化菌的含量为5.0X101(lCFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为
1.0X 10nCFU/ml ;升流式再生容器中装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液，脱氮硫杆菌的含量为1.0X 10nCFU/ml。气体膜选择分离容器12中安装有4个气体膜组件13，气体膜组件13的气体分离膜为平板膜，膜材料为聚二甲基硅氧烷。固液分离容器20内设置膜组件21，膜组件为中空纤维膜，膜材料为聚丙烯。
[0061]含有65%甲烷的废气，从第一进气口 I进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备中，含有1800mg/L硫酸盐的废水从第一进水口 5连续进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，含有1500mg/L硝酸盐的废水从第二进水口 28进入组合式含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理中，停留时间为2天，甲烷、硫酸盐 和硝酸盐的去除率分别达到75%，80%和70%。
【权利要求】
1.甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，包括环流式氧化容器、气体膜选择分离容器、升流式再生容器、固液分离容器和气体导流容器；其特征是， 所述的环流式氧化容器的内部安装有隔板将环流式氧化容器分成固定式反应区和悬浮式反应区，固定式反应区与悬浮式反应区通过设置在隔板两端的第一液体导流口和第二液体导流口相连通，液体在固定式反应区内向下流动，在悬浮式反应区内向上流动；所述的固定式反应区内部安装有带有多个孔的气体分布板，气体分布板上装填有填料，且填料在第一液体导流口和第二液体导流口之间；固定式反应区的顶部开有第一出气口，底部开有第一排泥口 ；固定式反应区外侧壁上端开有第一进水口，下端开有第一进气口，且第一进水口高于第一液体导流口，第一进气口高于第二液体导流口 ；第二液体导流口高于第一排泥口 ；所述的悬浮式反应区的底部开有排水口； 所述的气体膜选择分离容 器的底部设置第二出气口，一侧壁上设置第二进气口，另一侧壁上设置第三出气口，所述第二进气口与第一出气口相连通；气体膜选择分离容器的内部安装有多个气体分离膜组件，多个气体分离膜组件之间通过管道相连通，且每一个气体分离膜组件的底部通过各自的管道与一总管道相连通，多个气体分离膜组件的一端通过管道与第二进气口连通，另一端通过管道与第三出气口相连通；总管道与第二出气口相连通，第二出气口与第一进气口连通，且第二出气口与第一进气口之间设置第一真空泵； 所述的固液分离容器内部装有膜组件，固液分离容器一侧壁上端设置出水口，下端设置第三进气口，所述出水口通过管道及循环泵与第一进水口连通，第三进气口与第三出气口相连通；且第三进气口与第三出气口之间设有第二真空泵； 所述的升流式再生容器的底部设有第二排泥口，顶部设有排气口，一侧壁的上端设有第二进水口 ；另一侧壁下端通过连通口与固液分离容器相连通，液体在所述的升流式再生容器内向上流动； 所述的气体导流容器在升流式再生容器与固液分离容器之间，气体导流容器一侧壁的上端设有第一气体导流孔与固液分离容器相连通；另一侧壁的下端设有第二气体导流孔与所述的升流式再生容器相连通。
2.根据权利要求1所述的甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其特征是:所述的第一进气口低于气体分布板，且高于第二液体导流口。
3.根据权利要求1所述的甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其特征是:所述第一进水口高于第一液体导流口。
4.根据权利要求1所述的甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备，其特征是:连通口低于第二气体导流孔。
5.一种利用权利要求1~4中任意一项所述的甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备进行含甲烷废气与含硫含氮废水协同处理的方法:其特征是:环流式氧化容器的固定式反应区的填料上附着有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌，悬浮式反应区内甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌悬浮在溶液中；升流式再生容器内装载有含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液； 含硫酸盐的废水从第一进水口进入环流式氧化容器中的固定式反应区并向下流动，穿过所述的填料，经过第二液体导流口进入悬浮式反应区并向上流动，再通过第一液体导流口回流至固定式反应区，从而使液体在环流式氧化容器内的两个反应区内环流流动；同时，附着在所述的填料上或悬浮在悬浮式反应区溶液中的硫酸盐还原菌将硫酸盐还原为S2_ ；甲烷从第一进气口进入环流式氧化容器中并向上流动，附着在所述的填料上的甲烷氧化菌利用溶液中的硫酸盐将甲烷氧化为二氧化碳；一部分甲烷从下部的第二液体导流口进入所述的环流式氧化容器中的悬浮式反应区并向上流动，提升悬浮式反应区内的液体促进环流流动的同时被悬浮的甲烷氧化菌氧化；硫酸盐的还原产物硫化氢与未及时被氧化的甲烷从第一出气口排出，经第二进气口进入气体分离膜组件内，难于透过气体分离膜的甲烷作为渗余气，通过连通第二出气口的总管道流出气体膜选择分离容器，并通过第一真空泵从第一进气口回流进入环流式氧化容器中继续被氧化；易于透过气体分离膜组件的硫化氢、二氧化碳作为渗透气透过所述的气体分离膜，通过第三出气口和第三进气口进入固液分离容器中并向上流动，通过第一气体导流孔进入气体导流容器中并向下流动，穿过第二气体导流孔进入升流式再生容器并向上流动；硝酸盐废水从第二进水口进入所述的升流式再生容器中并向下流动，悬浮在所述的升流式再生容器中的脱氮硫杆菌利用硝酸盐将硫化氢氧化为硫酸盐，同时，硝酸盐被还原为氮气；氮气和二氧化碳从升流式再生容器的顶部的排气口排出；多余的污泥从第二排泥口排出；含有硫化氢的氧化产物硫酸盐和脱氮硫杆菌的液体从底部的连通口进入所述的固液分离容器；固液分离容器内设置的膜组件将含有硫酸盐的液体和脱氮硫杆菌分离；含硫酸盐的液体从固液分离容器的出水口经过循环泵从第一进水口输入环流式氧化容器的固定式反应区内，作为再生的氧化剂继续氧化甲烷；处理后的水从排水口排出。
6.根据权利要求5所述的方法:其特征是:所述的升流式再生容器高于固液分离容器，固液分离容器的膜出水靠膜组件上方的重力水头驱动连续出水，降低运行能耗；脱氮硫杆菌被截留在固液分离容器内；从第三进气口进入固液分离容器的含硫化氢的渗透气一方面冲刷膜表面，使污泥或脱氮硫杆菌不能附着在膜表面，防止膜污染，另一方面推动水流，使含脱氮硫杆菌的液体通过第一气体导流孔和第二气体导流孔回流至升流式再生容器，避免脱氮硫杆菌的流失。
7.根据权利要求5所述的方法:其特征是:所述的气体选择分离膜组件中的气体分离膜为卷式膜，中空纤维膜或平板膜，膜材料为聚酰亚胺、聚砜或聚二甲基硅氧烷。
8.根据权利要求5所述的方法:其特征是:所述的填料为轻质多孔的天然材料或合成材料。
9.根据权利要求5所述的方法:其特征是:所述的含有甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌的悬浮水溶液中的甲烷氧化菌的含量为5.0 X IO3~1.0X10nCFU/ml，硫酸盐还原菌的含量为 5.0 X IO5 ~1.0 X 10nCFU/ml。
10.根据权利要求5所述的方法:其特征是:所述的含有脱氮硫杆菌的悬浮水溶液中的脱氮硫杆菌的含量为1.0X IO5~1.0X 10nCFU/ml。
【文档编号】B01D53/52GK103979732SQ201410195422
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】李琳, 席婧茹, 刘俊新 申请人:中国科学院生态环境研究中心