專利名稱：一種用于脫氮的膜生物反應(yīng)器及其污水脫氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域，涉及一種用于脫氮的膜生物反應(yīng)器及其污水脫氮方法。
背景技術(shù)：
隨著人類生產(chǎn)和生活活動的加劇，各種含氮廢水大量排放進(jìn)入水體，造成了嚴(yán)重 的環(huán)境污染。我國大部分地表水體都出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，氮磷污染日趨嚴(yán)重，深入系統(tǒng)的研 究硝化反硝化理論及其工藝，并將其推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中，對于降低水體中營養(yǎng)元素的 含量和改善我國環(huán)境污染和水資源短缺現(xiàn)狀有重要的現(xiàn)實(shí)意義。膜生物反應(yīng)器(MBR)是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)活性污泥法有機(jī)結(jié)合而形成的新型 污水處理工藝，具有出水水質(zhì)好、占地面積小和產(chǎn)泥量低等特點(diǎn)，在污水處理及回用水中發(fā) 揮著越來越重要的作用。但是單獨(dú)的膜生物反應(yīng)器由于要求大的曝氣量而無法形成缺氧 區(qū)，反硝化效果差，總氮的去除率不高，往往要與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相結(jié)合。由此，污水的 脫氮技術(shù)已成為膜生物反應(yīng)器的一個重要的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。折流式污水處理裝置是一種比較先進(jìn)的廢水處理設(shè)備，基本的結(jié)構(gòu)一般包括多級 處理隔間，每個隔間設(shè)置垂直的折流板，折流板兩端設(shè)有成一定角度的導(dǎo)流板，廢水依次以 折流的形式經(jīng)過不同的隔間進(jìn)行處理。其中混合液在單獨(dú)的隔間內(nèi)完全混合，而在整個裝 置又呈推流態(tài)流動，底物與微生物充分接觸，具有混合效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷、出水 水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。專利“一種折流板反應(yīng)器及其處理污水的方法(專利號200610012070. 4) ”采用了 折流板反應(yīng)器的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)污水與污泥停留時間的分離，雖然處理效果好，但正如專利“折 流式污水處理裝置(專利號03247124. 6)，，中所述折流式構(gòu)造在實(shí)際應(yīng)用中存在施工要求 高、難度大的問題，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。專利“折線流膜生物反應(yīng)器(專利號20071001164. 7) ”存在好氧區(qū)和膜池設(shè)計尺 寸偏大，曝氣能耗高的問題。專利“強(qiáng)化內(nèi)源反硝化的膜-生物反應(yīng)器脫氮除磷工藝及裝置(專利號 200810097427. 2) ”也采用了厭氧缺氧好氧多個池子串聯(lián)耦合的原理，但該專利采用的是多 個獨(dú)立分開的反應(yīng)池子，這勢必需要大量管道連通，同時整個工藝也需要多個回流管路和 泵輸送來達(dá)到反應(yīng)器液體的混合。因此運(yùn)行能耗可能較高，反應(yīng)器中污泥混合液的流態(tài)不 是很好，而且回流管路多而復(fù)雜，不易操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)備構(gòu)建簡易、能耗低、脫氮效 果好的膜生物反應(yīng)器。本發(fā)明的另一個目的在于提供該膜生物反應(yīng)器脫氮的方法。本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供了一種用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)池及反應(yīng)池內(nèi)的膜組件，反應(yīng)池的兩側(cè)分別有一個進(jìn)水口和一個出水口，其特征在于所述的反應(yīng)器內(nèi)通過四塊垂直 導(dǎo)流擋板分為五個串聯(lián)的小池，連接進(jìn)水口的為第一缺氧池；第一缺氧池通過上端的折流 出口與好氧池相通，好氧池底部有第一曝氣裝置；好氧池進(jìn)而通過下端的折流出口與第二 缺氧池相通；第二缺氧池再通過上端的折流出口與厭氧池相通；最后厭氧池通過下端的折 流出口與膜池相通，膜池底部有第二曝氣裝置，同時膜組件垂直放置于膜池中，并有出水口 與膜組件相連。進(jìn)水口位于第一缺氧池的底部，出水口位于膜池的頂部。膜池中的膜組件可以是 中空纖維式膜或者平板式膜，膜孔徑可為0.01 0.4 ym。膜池的底部還設(shè)有污泥排放裝 置；膜池的側(cè)面還設(shè)有回流液出口，并通過回流泵連接到第一缺氧池底部的回流液入口。當(dāng)進(jìn)行污水處理時，污水通過進(jìn)水口進(jìn)入第一缺氧池，然后依次通過好氧池、第二 缺氧池、厭氧池和膜池，最后污泥通過回流泵返回到第一缺氧池，被處理的污水通過膜流 出o為了更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，以適應(yīng)污水脫氮的要求，使得處理水在各級處理池的 綜合處理下具有優(yōu)良的脫氮效果，本發(fā)明需要對各個反應(yīng)池好氧池和膜池中的曝氣裝置進(jìn) 行優(yōu)化。經(jīng)過多次試驗(yàn)摸索，以下參數(shù)的裝置最有利于污水的脫氮處理第一缺氧池、好氧 池、第二缺氧池、厭氧池和膜池的容積比為1 1 1 1 1 3，第一曝氣裝置(16)的 曝氣量與好氧池(9)容積的比為2-4. 51T1，第二曝氣裝置(17)的曝氣量與膜池(12)容積 的比為3-71T1。第一曝氣裝置和第二曝氣裝置的曝氣量分別由轉(zhuǎn)子流量計(22)和空氣壓 縮機(jī)⑶控制。為了使得污水在反應(yīng)器中具有平流和全混流相結(jié)合的流動性，以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn) 行，五個串聯(lián)的小池的高度與直徑的比例設(shè)置為8 13。為了使處理水在厭氧池和缺氧池中更充分地進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)器的第一缺氧池、第 二缺氧池和厭氧池中均設(shè)有攪拌混合裝置。為了使進(jìn)水量、出水量、排泥量得到較好的控制，本發(fā)明的進(jìn)水口連接有進(jìn)水泵； 出水口連接有出水泵；排泥口連接有排泥泵；膜池上方還設(shè)置有與進(jìn)水泵相連的液位計。 同時，出水泵還連接有真空表，以記錄膜滲透壓力(TMP)的變化并用于表征膜污染狀況。本發(fā)明同時提供了利用該膜生物反應(yīng)器進(jìn)行污水脫氮的方法污水通過進(jìn)水口 進(jìn)入第一缺氧池，自下而上通過第一缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，并從上端平流進(jìn)入好氧池中 進(jìn)行硝化反應(yīng)，再自上而下通過好氧池并從下端平流進(jìn)入第二缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，再 自下而上通過第二缺氧池并從上端平流進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行進(jìn)一步的反硝化反應(yīng)，再自上而下 通過厭氧池并從下端平流進(jìn)入膜池，最后污泥通過污泥混合液通過回流泵返回到第一缺氧 池，被處理的污水通過膜流出。在這個過程中，為了保證硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的有效進(jìn)行，并控制好它們之間 的關(guān)系，以更好地脫氮，第一缺氧池、好氧池、二缺氧池、厭氧池和膜池中的含氧量分別控制 在 0 0. 5mg/L、0. 5 1. 5mg/L、0 0. 5mg/L、0 0. lmg/L、2 5mg/L，膜池(12)中的氣 水比約為20。在膜池中一部分污泥混合液回流至第一缺氧池，回流比可以為200% -300%,-小部分污泥混合液由污泥排放裝置排出，其余部分則被膜組件截留并由出水泵抽吸出水。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
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1.本發(fā)明的污水處理方法利用厭氧缺氧好氧交替串聯(lián)工藝，可獨(dú)立控制每個池子 的溶解氧值，使得硝化與反硝化反復(fù)進(jìn)行，總氮的去除比較完全，可以實(shí)現(xiàn)深度脫氮處理， 出水水質(zhì)好。2.本發(fā)明所采用的污水處理方法，在進(jìn)水C0D/TN較低的情況下，缺氧池和厭氧池 中不需要投加額外碳源，利用微生物胞內(nèi)、胞外聚合物質(zhì)或者死亡的菌體作碳源仍能進(jìn)行 很好的內(nèi)源反硝化。這不僅節(jié)約了成本，而且可以減少膜池中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的 量從而達(dá)到減輕膜污染的效果。3.本發(fā)明的膜生物反應(yīng)器用于污水脫氮處理，占地面積小，只是采用了單獨(dú)的垂 直導(dǎo)流板，施工方面比較簡單；并且易操作，易實(shí)現(xiàn)自動化。4.本發(fā)明的膜生物反應(yīng)器的膜池較為緊湊，曝氣可以被充分用于沖刷膜表面，所 需氣水比較小，可控制在20以下，大大降低曝氣能耗，節(jié)約成本，較好地克服了傳統(tǒng)膜生物 反應(yīng)器能耗大的問題。因此，膜池只需要較小的曝氣量就可以很好的控制膜污染。5.本發(fā)明運(yùn)用折流式污水處理裝置中的垂直擋板構(gòu)造，把一個反應(yīng)器分割成多個 隔間，構(gòu)成了多級全混流式串聯(lián)的反應(yīng)器。單個反映室混合液呈全混合流態(tài)，而整個反應(yīng)器 混合液呈平推流態(tài)流動。其優(yōu)點(diǎn)整個工藝處在一個呈連續(xù)流的反應(yīng)器中，回流管路少而且 簡單，大大減少了單獨(dú)池子之間不必要的管道和泵的輸送，節(jié)約了成本和能源；同時還使得 反應(yīng)器具有混合效果和傳質(zhì)效果好，與微生物接觸充分、降解均勻，整個系統(tǒng)穩(wěn)定耐沖擊負(fù) 荷等優(yōu)點(diǎn)。6.本發(fā)明的膜生物反應(yīng)器中每個反應(yīng)池具有大的高徑比，使得污泥混合液在整 個反應(yīng)器中的流動具有顯著平推流的特點(diǎn)，而其在單個反應(yīng)池中具有全混流特點(diǎn)，因而，該 反應(yīng)器具有傳統(tǒng)反應(yīng)器無法比擬的傳質(zhì)性能；在本發(fā)明所構(gòu)建的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行污水脫氮處 理，僅需采用1臺污泥回流裝置(污泥回流泵)即可滿足出水品質(zhì)要求，大大節(jié)省了運(yùn)行能 耗，并方便了反應(yīng)器的操作。


圖1為本發(fā)明反應(yīng)器示意圖。圖2為本發(fā)明中第二缺氧池和厭氧池中利用胞外聚合物進(jìn)行反硝化情況。
具體實(shí)施例方式以下通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例1反應(yīng)器的構(gòu)建在一個總體積為50L的反應(yīng)器24中，用四塊垂直導(dǎo)流擋板15將反應(yīng)器分隔為 五個串聯(lián)的小池，分別是容積為8. 69L的第一缺氧池8、容積為8. 69L的好氧池9、容積為 8. 69L的第二缺氧池1、積為8. 69L的厭氧池11和容積為14L的膜池12，五個反應(yīng)池的高度 與直徑的比例依次為13、13、13、13和8. 33 ；在膜池12中垂直放置有膜組件6，為PVDF平板 式微濾膜，膜孔徑為0. 1 u m，膜面積為0. 23m2。第一缺氧池8的底部連接有進(jìn)水口 20，進(jìn)水口 20接有進(jìn)水泵1 ；膜組件6連接有 出水口 21，出水口 21連接有出水泵4，出水泵4還連接有真空表13 ；同時，膜池12的底部還設(shè)有污泥排放口 14 ；通過排泥泵23排出污泥；膜池12的測上部還設(shè)有回流液出口 19，并 通過回流泵2連接到第一缺氧池8底部的回流液入口 18 ；膜池12上方還設(shè)置有與進(jìn)水泵1 相連的液位計5。在第一缺氧池8、第二缺氧池10和厭氧池11中均設(shè)有攪拌混合裝置7。在好氧池 9和膜池12中分別設(shè)置有第一曝氣裝置16和第二曝氣裝置17，第一曝氣裝置16的曝氣量 與好氧池9容積的比例為3. 351T1，第二曝氣裝置17的曝氣量與膜池12容積的比例為51T1。 第一曝氣裝置16、第二曝氣裝置17的曝氣量分別由轉(zhuǎn)子流量計22和空氣壓縮機(jī)3控制。在進(jìn)行污水處理時，污水由進(jìn)水泵1進(jìn)入第一缺氧池8，經(jīng)攪拌裝置7混合均勻， 水中的部分有機(jī)物酸化水解，部分有機(jī)氮也轉(zhuǎn)化為氨氮，其中反硝化菌利用水中有機(jī)物對 原水和膜池12回流液中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化脫氮處理；之后污水進(jìn)入好氧池 9，水中有機(jī)物進(jìn)一步被降解，硝化菌將水中氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；接著污水又進(jìn)入第二缺氧 池10，經(jīng)過前面的生物降解，水中COD含量已經(jīng)很低，有的微生物或菌體開始死亡溶解，一 些有機(jī)成分被釋放出來，存活的反硝化菌就利用這些物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源反硝化；之后污水進(jìn)入 厭氧池11，水中殘余的硝酸鹽進(jìn)一步被徹底去除；經(jīng)過一系列處理，污水進(jìn)入膜池12，通過 膜的截留作用，污泥和膠體顆粒及懸浮物質(zhì)被攔截，最終由出水泵4抽吸出水。實(shí)施例2污水的脫氮處理利用實(shí)施例1所構(gòu)建的設(shè)備進(jìn)行污水處理，污水從進(jìn)水口中進(jìn)入，通過各級反應(yīng) 池，污泥停留時間SRT = 20d，水力停留時間HRT = 13. 4h，氣水比在20左右，回流比為 200% ；膜出水16. 2L h-1 m_ ；反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度在6000_7000mg/L，溫度在20°C左右，好 氧池9溶解氧濃度在lmg/L左右，膜池12溶解氧濃度3mg/L左右；第一缺氧池8、第二缺氧 池10和厭氧池11的溶解氧分別為0. llmg/、0. 12mg/、近乎為零。本發(fā)明設(shè)置了不同的反應(yīng) PH條件，在6. 5-8. 5之間，pH與溶解氧的變化情況如表1所示。進(jìn)水為模擬生活廢水，COD含量300-500mg/L，NH4_N含量30_50mg/L，TN含量 60-100mg/L, C0D/TN約為5 ；出水COD為30_60mg/L，去除率平均約90%，NH4_N去除率近 100%, TN的去除率約為90%。在處理過程中，同時對第二缺氧池和厭氧池中利用胞外聚合物進(jìn)行反硝化的情況 進(jìn)行了測定，其結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第二缺氧池和厭氧池中微生物利用COD為150mg/L的胞外聚合物 (EPS)作為碳源進(jìn)行了很好的反硝化作用，N03-N濃度明顯下降。同時，由圖2可知EPS中 蛋白質(zhì)(Pn)和多糖(Ps)的量都有不同程度的減少，而EPS作為溶解性微生物產(chǎn)物(SMP) 的主要來源，這在一定程度減輕了膜污染。表1本發(fā)明各反應(yīng)隔室中溶解氧和pH變化情況
權(quán)利要求
一種用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)池(24)和反應(yīng)池(24)內(nèi)的膜組件(6)以及與膜組件(6)連接的出水口(21)，反應(yīng)池(24)底部分別設(shè)有一個進(jìn)水口(20)和一個回流液入口(18)，其特征在于所述的膜生物反應(yīng)器內(nèi)通過四塊垂直導(dǎo)流擋板(15)分隔為五個串聯(lián)的小池，進(jìn)水口(20)與第一缺氧池(8)相連；第一缺氧池(8)通過上端的折流出口與好氧池(9)相通，好氧池(9)底部設(shè)有第一曝氣裝置(16)；好氧池(9)進(jìn)而通過下端的折流出口與第二缺氧池(10)相通；第二缺氧池(10)再通過上端的折流出口與厭氧池(11)相通；最后厭氧池(11)通過下端的折流出口與膜池(12)相通，膜池(12)底部設(shè)有第二曝氣裝置(17)；膜池(12)中有垂直放置的膜組件(6)，并有出水口(20)與膜池(12)相連；其中，五個串聯(lián)的小池的容積比為1∶1∶1∶1∶1～3，第一曝氣裝置(16)的曝氣量與好氧池(9)容積的比為2-4.5h-1，第二曝氣裝置(17)的曝氣量與膜池(12)容積的比為3～7h-1。
2.如權(quán)利要求1所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的膜組件(6)可以 是中空纖維式膜或者平板式膜，膜孔徑可以為0. 01 0. m。
3.如權(quán)利要求2所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的進(jìn)水口(20)是連 接于第一缺氧池(8)的底部；所述的出水口(21)是與膜組件(6)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的五個串聯(lián)的小池 的高度與直徑的比例為8 13。
5.如權(quán)利要求3所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的膜池(12)的底部 還設(shè)有污泥排放口(14)，并與排泥泵(23)連接；膜池(12)的頂部還設(shè)有回流液出口(19)， 并通過回流泵(2)連接到第一缺氧池(8)底部的回流液入口(18)。
6.如權(quán)利要求4所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的第一缺氧池(8)、 第二缺氧池(10)和厭氧池(11)中均設(shè)有攪拌混合裝置(7)。
7.如權(quán)利要求4所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述的進(jìn)水口(20)連接 有進(jìn)水泵(1)；出水口(21)連接有出水泵(4)；污泥排放口(14)連接有排泥泵(23)；膜池 (12)上方還設(shè)置有與進(jìn)水泵(1)相連的液位計(5)。
8.如權(quán)利要求4所述的用于脫氮的膜生物反應(yīng)器，其特征在于所述出水泵(4)還連接 有真空表(13)；第一曝氣裝置(16)和第二曝氣裝置(17)分別與轉(zhuǎn)子流量計(22)和空氣 壓縮機(jī)⑶連接。
9.一種利用如權(quán)利要求1所述的膜生物反應(yīng)器進(jìn)行污水脫氮的方法，其特征在于污 水通過進(jìn)水口進(jìn)入第一缺氧池(8)，自下而上通過第一厭氧池(8)并從上端平流進(jìn)入好氧 池(9)中，再自上而下通過好氧池(9)并從下端平流進(jìn)入第二缺氧池(10)，再自下而上通 過第二缺氧池(10)并從上端平流進(jìn)入?yún)捬醭?11)，再自上而下通過厭氧池(11)并從下端 平流進(jìn)入膜池(12)，最后污泥通過污泥排放口(14)排除，水通過回流泵(2)回流進(jìn)入第一 缺氧池(8)，和通過出水口(21)流出；所述的水在第一缺氧池(8)好氧池(9)、第二缺氧池 (10)、厭氧池(11)和膜池(12)中的含氧量分別為0 0. 5mg/L、0. 5 1.5mg/L、0 0. 5mg/ L、0 0. lmg/L、2 5mg/L。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的回流比為200% 400%。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域，公開了一種用于脫氮的膜生物反應(yīng)器及其污水脫氮方法，用垂直導(dǎo)流擋板，并結(jié)合曝氣裝置把膜生物反應(yīng)器依次分割成第一缺氧池、好氧池、第二缺氧池、厭氧池、膜池五個獨(dú)立且連通的反應(yīng)器室；污水進(jìn)入工藝后，經(jīng)微生物作用，完成有機(jī)物的降解、硝化、反硝化等生化處理過程，最終通過膜過濾抽吸獲得出水。本發(fā)明的益處是整個系統(tǒng)中污泥混合液以平推流的形式流動，而在單個隔間內(nèi)呈全混流態(tài)，加之回流裝置使得整個反應(yīng)器混合度高，傳質(zhì)效果好；該工藝在不額外投加碳源的條件下，利用高污泥濃度強(qiáng)化內(nèi)源反硝化作用，實(shí)現(xiàn)深度脫氮處理，而且可減輕膜污染；同時利用膜的高效截留分離特性，過濾出水水質(zhì)良好。
文檔編號C02F9/14GK101863586SQ20101019142
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者周忠波, 孟凡剛, 李適宇, 陳尊裕 申請人:中山大學(xué)