專利名稱：：一種可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及含氮工業(yè)廢水、生活污水處理，具體地說是一種可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器。技術(shù)背景隨著石化、焦化、食品和制藥等工業(yè)的不斷發(fā)展，各種含氮廢水的大量排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化等問題。因此，有效、經(jīng)濟(jì)地去除廢水中的氮或者控制水體中氮的含量具有重大社會和經(jīng)濟(jì)意義。處理含氨氮廢水的方法主要有物理化學(xué)法和生化法。同物理化學(xué)方法相比，生物脫氮技術(shù)具有投資省、占地小、無二次污染等特點(diǎn)，被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的方法之一。生物脫氮技術(shù)首先通過微生物的硝化作用將氨態(tài)氣轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮，再通過反硝化作用將后者轉(zhuǎn)變成氮?dú)馀湃氪髿庵?，最終實(shí)現(xiàn)氮元素的循環(huán)和氨氮的無害化。傳統(tǒng)力頃序式石肖4七反確"(七(sequentialnitrifcationanddenitrification，簡稱SQND)工藝包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成，由于兩者對環(huán)境條件的要求不同，這兩個(gè)過程一般不能同時(shí)發(fā)生，而只能序列式進(jìn)行，即硝化反應(yīng)在好氧條件下由自養(yǎng)菌完成，反硝化反應(yīng)在厭/缺氧條件下由異養(yǎng)菌完成。近幾十年來，盡管生物脫氮技術(shù)有了很大發(fā)展，但硝化和反硝化仍然是在兩個(gè)獨(dú)立的或分隔的具有不同溶解氧(D0)濃度的反應(yīng)器中進(jìn)行，或者是在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，一個(gè)過程分成兩個(gè)系統(tǒng)，條件控制復(fù)雜，兩者難以在時(shí)間和空間上統(tǒng)一，脫氮效果差，設(shè)備龐大，投資高。顯然，如果兩個(gè)硝化、反硝化過程能夠在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行，則可節(jié)省更多的占地面積，還可避免亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽及再還原成亞硝酸鹽這兩個(gè)多余的反應(yīng)，從而可節(jié)省約25%的02和40%以上的有機(jī)碳；另夕卜，微生物硝化過程中好氧、耗堿度、無需C0D,而反硝化過程則與之相反并互補(bǔ)厭氧、產(chǎn)生堿度、需消耗大量的COD。所以，如能在同一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化反硝化并達(dá)到兩個(gè)過程的動(dòng)力學(xué)平衡，將大大簡化生物法脫氮的工藝流程，提高生物脫氮的效率，并節(jié)省投資。近年來，好氧反硝化菌如77n'ospi3aerapa/7to"cpi3a和異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)以及好氧反硝化、異養(yǎng)硝化、自養(yǎng)反硝化等概念的提出，奠定了同步硝化反硝化(SimultaneousNitrificationandDenitrification,SND)生物脫氮新技術(shù)的理論基礎(chǔ)。許多好氧反硝化菌如Lt0tr叩/3a、Pseudofflonass卯.A〗c"igenesfaecaiis等同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌，能夠直接地將氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物而從系統(tǒng)中去除。正是由于好氧反硝化菌、低DO下的硝化菌、異養(yǎng)硝化菌及自養(yǎng)反硝化菌等的存在，使得SND能夠進(jìn)行。膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor，MBR)將膜分離過程同生物處理過程有機(jī)結(jié)合在一起，具有常規(guī)生物處理工藝無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，如可實(shí)現(xiàn)泥水完全分離、出水水質(zhì)好、負(fù)荷高、應(yīng)用范圍廣等等。目前，MBR工藝以及相關(guān)的一些研究越來越受到政府部門及學(xué)術(shù)界的重視。隨著膜材料、技術(shù)的不斷成熟，MBR在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了飛速的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種一種可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物'反應(yīng)器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案為膜生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器系統(tǒng)、膜組件和溶氧電極、PH電極等在線監(jiān)測元件，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有膜組件，其上依次連接有產(chǎn)水壓力表和真空泵，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有進(jìn)水管、溶氧電極、溫度計(jì)和PH電極，所述反應(yīng)器柱體11內(nèi)的膜組件7的四周均勻布設(shè)球形彈性填料8,反應(yīng)器柱體11底部設(shè)有微孔曝氣器9，微孔曝氣器9與空氣泵10相連。所述球形彈性填料8為多孔型，其比表面積在5mVg-20mVg,孔隙率在40%~70%,載體孔徑為100jum~1000|im。所述球形彈性填(8自上而下串聯(lián)組成一體，固定于反應(yīng)器柱體ll內(nèi)。膜組件中膜為中空纖維超濾膜，超濾膜的公稱孔徑為0.02-0.05膜面積為25-50m2,通量為30-100l/ra2.h。反應(yīng)器內(nèi)每平方米膜組件的數(shù)量為1~2組。其中根據(jù)所處理廢水材料性質(zhì)的不同進(jìn)而控制膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)，通常反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)為反應(yīng)器中污泥停留時(shí)間5-30d，運(yùn)行溫度10-30°C;反應(yīng)器內(nèi)pH:6.5-8.5;溶解氧濃度0.2-3.Omg/L。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明具有傳統(tǒng)MBR反應(yīng)器的一切優(yōu)點(diǎn)出水水質(zhì)好、占地面積小、操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；2.本發(fā)明兼具膜物理過濾同微生物降解作用的優(yōu)點(diǎn)，在MBR中填料內(nèi)生物量高，可減輕膜污堵(membranefouling)發(fā)生；3.本發(fā)明將球形彈性填料與MBR反應(yīng)器有機(jī)結(jié)合。通過使用球形填料，使得MBR反應(yīng)器內(nèi)微環(huán)境的物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)發(fā)生人為的改變。在此條件下由于受DO、有機(jī)物等傳質(zhì)阻力的影響，在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度微生物絮體的外表面DO較高，以好氧菌、硝化菌為主；深入絮體內(nèi)部，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧微區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢。通過控制系統(tǒng)中的DO濃度及對功能微生物的營養(yǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化(SND)的脫氮功能；4.本發(fā)明中的MBR反應(yīng)器抗沖擊能力強(qiáng)，可適用于多種廢水的處理。圖1為本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器示意圖。主要標(biāo)號l.真空泵，2.產(chǎn)水壓力表，3.溫度計(jì)，4.MBR反應(yīng)器進(jìn)水管，5.pH電極，6.溶氧電極，7.膜組件，8.球形彈性填料，9.微孔曝氣器，10.空氣2泵，ll.反應(yīng)器柱體，12.反應(yīng)器底座,具體實(shí)施方式實(shí)施例1包括反應(yīng)器系統(tǒng)、膜組件和溶氧電極、pH電極等在線監(jiān)測元件，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有膜組件，其上依次連接有產(chǎn)水壓力表和真空泵，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有進(jìn)水管、溶氧電極、溫度計(jì)和pH電極，所述反應(yīng)器柱體11內(nèi)的膜組件7的四周均勻布設(shè)球形彈性填料8，反應(yīng)器柱體11底部設(shè)有微孔曝氣器9,微孔曝氣器9與空氣泵IO相連，可保證反應(yīng)器柱體11曝氣均勾，提供所需濃度的溶解氧。所述球形彈性填料8比表面積5mVg,孔徑為100lam,孔隙率為50%，膜組件中膜為中空纖維超濾膜，超濾膜的公稱孔徑為0.02jam，膜面積為40ra2，通量為60l/m2.h(參見圖1)。'反應(yīng)器的體積可以隨實(shí)驗(yàn)規(guī)模的變化做適當(dāng)調(diào)整。系統(tǒng)所需的真空泵、壓力表等配件均按相應(yīng)型號選配；反應(yīng)器系統(tǒng)配備溶解氧、溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)以及pH在線監(jiān)控系統(tǒng)。在此條件下由于受DO、有機(jī)物等傳質(zhì)阻力的景響，在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度微生物絮體的外表面DO較高，以好氧菌、硝化菌為主；深入絮體內(nèi)部，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧微區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢。通過控制系統(tǒng)中的溶解氧濃度及對功能微生物的營養(yǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮的功能。污水經(jīng)格柵進(jìn)入調(diào)節(jié)池后通過提升泵進(jìn)入膜生物反應(yīng)器柱體11,MBR反應(yīng)器內(nèi)接種活性污泥。此外，為了縮短啟動(dòng)時(shí)間，增加掛膜效果，MBR內(nèi)可接種巿售的具有高效COD降解功能的菌液或者硝化細(xì)菌以及反硝化細(xì)菌菌劑。MBR的運(yùn)行參數(shù)為污泥停留時(shí)間控制在5-30d，反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)行溫度維持在20-30。C;并釆用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)MBR內(nèi)的pH在6.5-8.5范圍內(nèi)。MBR內(nèi)釆取連續(xù)曝氣方式運(yùn)行，但須保持MBR內(nèi)溶解氧濃度在0.6-2.Omg/L。另外，可根據(jù)所處理廢水材料性質(zhì)的不同進(jìn)而控制膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)。將上述所述裝置用于處理某地生活污水，該生活污水經(jīng)過沉淀、過濾后進(jìn)入MBR反應(yīng)器。生活污水的基本水質(zhì)情況以及經(jīng)過MBR處理后的情況見表1。表1.新型MBR反應(yīng)器處理生活污水效果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表l可以看出，經(jīng)過新型MBR處理后，廢水的COD去除率、BODs去除率達(dá)到93%,出水氨氮濃度平均為1.0mg/L。另外，廢水的總懸浮固體由進(jìn)水中的150mg/L減少至0.9mg/L，去除率高達(dá)99%以上，反應(yīng)器的出水水質(zhì)符合國家《城巿污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施例2與實(shí)施例不同之處在于按照圖l加工成有效容積為0.5m3的MBR反應(yīng)器柱體11,膜組件配置1組，并用球形彈性填料8均勻布設(shè)與MBR內(nèi)其他空間。所述球形彈性填料(8)自上而下串聯(lián)組成一體，固定于反應(yīng)器柱體ll內(nèi)。此外，MBR系統(tǒng)仍配置溶解氧、PH、溫度在線監(jiān)測控制元件。其他設(shè)備如真空泵、空氣泵、曝氣器等均按相應(yīng)型號選配。MBR的進(jìn)水為焦化廠生物活性濾池的出水，MBR內(nèi)的接種污泥取自工程規(guī)模的處理焦化廢水的生物處理系統(tǒng)內(nèi)污泥。其他反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)為MBR內(nèi)污泥停留時(shí)間控制在25d;反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)行溫度維持在25±2°C;MBR內(nèi)的pH在6.5-8.5范圍內(nèi)；反應(yīng)器MBR內(nèi)釆取8-8-8h間歇曝氣方式運(yùn)行，即曝氣8h,停止曝氣8h,而后交替曝氣，但須保持MBR內(nèi)溶解氧濃度在0.2-2.Omg/L,而球形填料內(nèi)部溶解氧濃度低于0.3mg/L。在這種工況條件下運(yùn)行20d,球形填料外表面可附著生長大量硝化細(xì)菌和COD降解菌，而球形填料內(nèi)部反硝化細(xì)菌占優(yōu)勢。反應(yīng)器處理焦化廢水的效果見表2所示。表2.新型M已R反應(yīng)器處理工業(yè)廢水效果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表2可以看出，在合適的運(yùn)行條件下，MBR處理焦化廢水時(shí)其COD去除率達(dá)83.8%,而B0D5的去除率高達(dá)91%，出水氨氮濃度平均在2mg/L,總氮的去除率達(dá)86.6%。出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施例3與實(shí)施例不同之處在于所述球形彈性填料8，其比表面積在20mVg,孔隙率在70%之間，載體孔徑為1000iam。膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)為反應(yīng)器中污泥停留時(shí)間5-10d，運(yùn)行溫度10-3(TC;反應(yīng)器內(nèi)pH:6.5-8.5;溶解氧濃度0.2-3.Omg/L。膜組件中膜為中空纖維超濾膜，超濾膜的公稱孔徑為0.05jum,膜面積為25m2,通量為301/m2.h。實(shí)施例4與實(shí)施例不同之處在于所述球形彈性填料8，其比表面積在10mVg,孔隙率在40%之間，載體孔徑為500jim。膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)為反應(yīng)器中污泥停留時(shí)間5-10d，運(yùn)行溫度10-3(TC;反應(yīng)器內(nèi)pH:6.5-8.5;溶解氧濃度0.2-3.Omg/L。膜組件中膜為中空纖維超濾膜，超濾膜的公稱孔徑為0.03|um，膜面積為30m2,通量為80l/m2.h。權(quán)利要求1.一種可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器系統(tǒng)、膜組件和溶氧電極、pH電極等在線監(jiān)測元件，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有膜組件，其上依次連接有產(chǎn)水壓力表和真空泵，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有進(jìn)水管、溶氧電極、溫度計(jì)和pH電極，其特征在于所述反應(yīng)器柱體(11)內(nèi)的膜組件(7)的四周均勻布設(shè)球形彈性填料(8)，反應(yīng)器柱體(11)底部設(shè)有微孔曝氣器(9)，微孔曝氣器(9)與空氣泵(10)相連。2.按權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述球形彈性填料(8)為多孔型，其比表面積在5mVg-20mVg,孔隙率在40%~70%,載體孔徑為100um~1000(im。所述球形彈性填料(8)自上而下串聯(lián)組成一體，固定于反應(yīng)器柱體(ll)內(nèi)。3.按權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器，其特征在于膜組件中膜為中空纖維超濾膜，超濾膜的公稱孔徑為0.02-0.05ium，膜面積為25-50m2，通量為30-100l/m2.h。4.按權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)每平方米膜組件的數(shù)量為1~2組。全文摘要本發(fā)明涉及含氮工業(yè)廢水、生活污水處理，具體地說是一種可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能的膜生物反應(yīng)器(MBR)。該反應(yīng)器包括反應(yīng)器柱體、膜組件、球形彈性填料以及溶氧(DO)電極、pH電極、溫度計(jì)等在線監(jiān)測控制元件。MBR內(nèi)膜組件的產(chǎn)水端與產(chǎn)水壓力表和真空泵相連。除膜組件外，MBR內(nèi)還均勻布設(shè)球形彈性填料。填料自上而下串聯(lián)組成一體，固定于反應(yīng)器的頂、底部。MBR底部設(shè)有微孔曝氣器并與空氣泵連接以供MBR曝氣使用。本發(fā)明在MBR內(nèi)引入多孔球形彈性填料并對MBR內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行調(diào)控以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮功能。本發(fā)明占地面積小，操作簡單，節(jié)省能耗，可同時(shí)去除有機(jī)物、氨氮等多種污染物質(zhì)，適用于工業(yè)、生活廢水等有機(jī)廢水處理。文檔編號C02F1/44GK101234815SQ20081001037公開日2008年8月6日申請日期2008年2月5日優(yōu)先權(quán)日2008年2月5日發(fā)明者史榮久,穎張,慧徐,慧李,楊偉超申請人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所