本發(fā)明涉及一種高效短程脫氮mbr膜生物處理裝置及方法。
背景技術：
：目前，主要采用生物脫氮技術處理城市污水和工業(yè)廢水中的氮源污染。傳統(tǒng)的生物脫氮必須包含生物硝化和反硝化兩個不同階段，硝化過程需要提供充足曝氣將氨氮氧化，反硝化過程需要則在缺氧條件下投加碳源，將硝化生成的硝酸根還原生成氮氣，徹底去除水中的氮源污染，這不僅需要消耗大量能源，而且運行處理成本較高。傳統(tǒng)的生物脫氮技術需要消耗大量能源，而且還存在生物量(尤其是硝化細菌)易流失、系統(tǒng)占地面積大，抗沖擊能力弱、剩余污泥量多等問題。傳統(tǒng)脫氮技術是建立在有機氮氨化反應—硝化過程—反硝化過程等三個步驟進行脫氮的，需要有厭氧—缺氧—好氧三個階段，同時需要將好氧池的混合液進行回流到缺氧池進行反硝化，此時回流比成為一個制約反硝化效果因素之一；硝化菌、反硝化菌等菌種屬于世代生長周期比較長的微生物，此類微生物一般難以以菌膠團形式存在于水體中，經(jīng)常游離在污水處理系統(tǒng)中，對該類菌種如何保留，如何提高其濃度也成為提高硝化、反硝化效果的制約因素之一。因此，研究和應用高效的生物脫氮水處理技術對于高氨氮廢水行業(yè)的發(fā)展至關重要。短程硝化反硝化是生物脫氮工藝中重要的脫氮手段，其主要控制硝化及反硝化過程不需要采用回流方式，保持高濃度的硝化、反硝化菌群等手段。膜生物反應器(mbr)處理廢水具有以下的特點：(1)氨氮去除率。mbr內高濃度活性污泥可以加快氨氮和有機物的降解速率，提高處理效率；其次，mbr有利于增殖世代時間長、絮凝性差的硝化菌，有效截留硝化菌，減少了硝化細菌的流失，加快硝化速率。但是目前國內對于mbr的研究大多集中在低濃度的生活污水處理方面。高濃度的氨氮工業(yè)工藝廢水容易導致膜污染，制約mbr運行，其工程應用例子相對較少。(2)有機物去除率。mbr將膜材料的過濾截留作用與生物處理技術相結合的新工藝，用膜的分離作用取代傳統(tǒng)二沉池的泥水分離過程。由于膜的截留作用提高出水水質標準，滿足中水回用標準；同時mbr系統(tǒng)srt與hrt的分離，有效延長srt以截留大部分微生物菌種；污泥產(chǎn)率低而減輕污泥處理負擔，從而培養(yǎng)更多的有效菌群，提高廢水的可生化性，有效去除有機物。然而，難生化降解有機廢水污染因子單一、污染物濃度高、成份復雜、存在毒性污染物等因素會對mbr膜組件產(chǎn)生污染從而提高了膜過濾阻力，致使膜污染的頻繁發(fā)生。這不僅減少了膜處理通量能力，同時縮短了膜的使用壽命，增加了膜清洗頻率和更換費用。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明主要針對氨氮含量高、毒性強、含痕量重金屬、難生化降解的廢水深度處理、提高膜生物反應器中的微生物活性，提供的微電場激發(fā)微生物特性而研制的一種短程好氧硝化反硝化電化學微電場mbr膜生物(se-mbr)反應器裝置，繼而提供一種高效短程反硝化脫氮mbr膜生物處理方法。本發(fā)明所采取的技術方案是：一種高效短程脫氮mbr膜生物處理裝置，包括缺氧池和好氧池，缺氧池內置陰陽極板，好氧池內置mbr膜組件，所述的缺氧池和好氧池通過回流形成循環(huán)系統(tǒng)。所述的陰陽極板外接電源整流發(fā)生器。所述的陰陽極板外加電壓為1.5～5v。所述的陰陽極板為石墨板。所述的缺氧池內置推流器。所述的好氧池內置曝氣裝置。所述的mbr膜組件為中空纖維膜。所述膜的孔徑為0.02～1μm。所述的裝置還連接產(chǎn)水設備、do儀表和plc自控裝置。一種高效短程脫氮mbr膜生物處理方法，是采用上述的一種高效短程脫氮mbr膜生物處理裝置進行廢水處理。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在mbr之中引入微電場這種清潔能源，在微生物菌群落的微小生態(tài)環(huán)境中發(fā)生電滲析、電泳、電子載體、靜電排斥等作用，改變膜生物反應器內生物的群落結構與生存環(huán)境，激發(fā)有益的高活性菌群，提高其世代更換周期，縮短污水處理停留時間；同時電化學系統(tǒng)激發(fā)的電子載體供給微生物作為棲息場所、介質載體，對降解污染物起到良好的效果；se-mbr對微生物活性有促進作用，提高膜的過濾效能，減緩膜污染的發(fā)生，提高污水的處理效率。具體如下：(1)通過外加微電場作用解決碳源需求問題，實現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮。缺氧池內置陰陽極板，陽極利用電流控制電解和好氧回流實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，陰極通過電解產(chǎn)氫提供電子供體進行反硝化脫氮。但反硝化菌附著能力較差，菌群易隨生物膜脫落而流失，而絮凝性較差的硝化菌會隨出水損失，直接影響脫氮效果。故好氧池采用浸入式膜生物反應器，高效截留有效菌群，使系統(tǒng)維持較高的污泥濃度。缺氧-好氧不是兩個獨立的反應系統(tǒng)，通過回流形成整體循環(huán)系統(tǒng)，相輔相成；(2)mbr系統(tǒng)運行易出現(xiàn)膜污染問題，通過微電場產(chǎn)生電滲析、電泳、電子載體等作用改變mbr微生物群落結構和生存環(huán)境，提供電子載體供給微生物棲息場所，提高微生物活性和世代更換周期，縮短污水處理停留時間，同時電化學系統(tǒng)激發(fā)的電子載體供給微生物作為棲息場所、介質載體，對降解氨氮起到良好的效果，促進微生物活性，提高膜的過濾效能。外加微電場可解決mbr膜污染問題，減緩膜污染的影響；(3)該技術應用可實現(xiàn)plc全自動控制，系統(tǒng)運行參數(shù)通用電源整流器、do儀表、浮球液位計等反饋到中央處理器，中央處理器分辨分析信號后下達指令調整運行參數(shù)，提高反應器的運行效率及自動化控制程度。附圖說明附圖1是短程硝化反硝化的電化學微電場膜生物反應裝置圖。具體實施方式一種高效短程脫氮mbr膜生物處理裝置，包括缺氧池和好氧池，缺氧池內置陰陽極板，好氧池內置mbr膜組件，所述的缺氧池和好氧池通過回流形成循環(huán)系統(tǒng)。所述的陰陽極板外接電源整流發(fā)生器。所述的陰陽極板外加電壓為1.5～5v；優(yōu)選的，所述的陰陽極板外加電壓為2v。所述的陰陽極板為石墨板；優(yōu)選的，所述的陰陽極板為天然石墨板。所述的缺氧池內置推流器。所述的好氧池內置曝氣裝置；優(yōu)選的，所述的曝氣裝置包括曝氣管和曝氣頭；再進一步優(yōu)選的，所述的曝氣裝置包括微孔曝氣管和微孔曝氣頭，微孔的平均孔徑為80～100μm。優(yōu)選的，所述的mbr膜組件為中空纖維膜；進一步優(yōu)選的，所述的mbr膜組件為聚偏氟乙烯中空纖維簾式膜。優(yōu)選的，所述膜的孔徑為0.02～1μm；進一步優(yōu)選的，所述膜的孔徑為0.02～0.05μm；再進一步優(yōu)選的，所述的膜的孔徑為0.03μm。所述的裝置還連接產(chǎn)水設備、do儀表和plc自控裝置。優(yōu)選的，所述的產(chǎn)水設備包括產(chǎn)水泵、產(chǎn)水流量計和產(chǎn)水管。一種高效短程脫氮mbr膜生物處理方法，是采用上述的一種高效短程脫氮mbr膜生物處理裝置進行廢水處理。下面結合附圖1的短程硝化反硝化的電化學微電場膜生物反應裝置圖作進一步的說明。附圖1的電化學微電場膜生物反應裝置包括缺氧池(短程反硝化區(qū))和好氧池(短程硝化區(qū))，其中1、推流器；2、平板式電極板；3、陽極電極；4、陰極電極；5、電源整流發(fā)生器；6、微孔曝氣管；7、do儀表；8、mbr膜組件；9、負壓壓力表；10、產(chǎn)水泵；11、產(chǎn)水流量計；12、產(chǎn)水管；13、plc自控控制柜；14、微孔曝氣頭。所述的陽極和陰極電極都是平板式電極板。裝置上是分兩格，一格是缺氧狀態(tài)(引入微電場)，一格是好氧狀態(tài)(以mbr膜反應器)；缺氧是起到反硝化脫氮，好氧是起到硝化菌將氨氮轉化為硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮；常規(guī)的缺氧在碳源缺乏的情況下外加碳源，而此處是利用微電場提供電子載體作為反硝化菌生長需要的物質進行反硝化；另外，形式上是采用內循環(huán)方式，使到這個裝置類似于直接在一個設備中完成硝化反硝化過程。下面對本發(fā)明的基本控制原理闡述如下：在短程反硝化區(qū)，微電場作用可以改善反硝化作用的碳源問題，利用某些反硝化菌能以h2為電子供體的特點，在外加電流的作用下電解水產(chǎn)生h2，生物膜內的反硝化菌利用h2作為電子供體，將no-3最終還原為n2，更好地實現(xiàn)短程硝化反硝化。其反應方程式為：陰極：2h++2e-→h22h2o+2e-→h2+2oh-生物膜內：n2o+h2→n2+h2o總反應：微電場對短程硝化反硝化脫氮的作用機理，解決反硝化碳源需求的問題，提高了微電場條件下脫氮效率和微生物菌群的生長情況。裝置設計以se-mbr為核心的短程缺氧-好氧組合，整個系統(tǒng)為一個反應器，形成內回流循環(huán)。缺氧區(qū)內置電極板為反硝化作用提供良好環(huán)境，好氧為浸沒式膜生物反應器進行充分硝化作用提供充足的硝基氮，同時采用間歇式曝氣法抑制硝化菌的活性保證短程硝化反硝化。所述的“短程”是指在本發(fā)明的裝置中可以實現(xiàn)缺氧好氧內循環(huán)達到反硝化脫氮的作用，而不需像傳統(tǒng)厭氧缺氧好氧那樣，需要回流泵將混合液從好氧池回流至缺氧池進行反硝化。本裝置采用plc自控系統(tǒng)控制，電源整流發(fā)生器通過plc反饋do的數(shù)據(jù)進行調頻，調整輸出電壓，保持新型好氧短程硝化反硝化的電化學微電場膜生物反應裝置恒定弱電場，由短程反硝化區(qū)電極板作用，提供弱電場，激發(fā)微生物膜的細胞磁場，提高微生物生長效率及污水的處理效率，達到預期目標；所述提供的mbr膜組件，有效地截留該反應器內的微生物菌群，特別是不容易附著在菌膠團或者填料上的微生物，這些特效菌種的有效截留，為處理特定的廢水起到?jīng)Q定性的作用。下端曝氣頭起到供氧作用，提供微生物生長所需的氧氣。以下通過具體的實施例對本發(fā)明的內容作進一步詳細的說明。實施例：項目中試試驗裝置的陰、陽極板均為天然石墨板(單塊尺寸為20cm×2cm×15cm)，利用電源整流器于系統(tǒng)外加2v電壓，陰陽極板間連接一個外電阻(rex)，經(jīng)過rex的電流通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。膜組件采用聚偏氟乙烯中空纖維簾式膜，膜孔徑為0.03μm；膜組件長20cm，高15cm，通過流量計控制出水膜通量(膜通量為10l/(m2·h))；利用時間繼電器控制抽吸時間(抽吸時間為10:2)；跨膜壓差(tmp)由壓力表記錄，當tmp>30.0kpa時三次物理清洗后采用0.5％次氯酸鈉浸泡2h進行化學清洗；mbr底部的安裝曝氣盤，控制溶解氧保持在2-4mg/l。中試試驗裝置主體為有機玻璃，反應器尺寸為50cm×50cm×50cm，有效容積為125l。裝置主體內設置缺氧區(qū)和好氧區(qū)。缺氧池內置陰陽極板，好氧池內置mbr膜組件。缺氧池內設推流器，以保證微電場產(chǎn)生的電子載體在系統(tǒng)內形成完整的回流。實驗廢水取自某電鍍廠廢水。廢水經(jīng)過蠕動泵提升進入試驗裝置，外加2v電壓時，系統(tǒng)中的微生物sour提高了3～15％。下面分別就se-mbr和傳統(tǒng)mbr的脫氮效果、剩余污泥量、cod去除效果、耗電量和運行周期這五個方面進行對比分析。1)脫氮效果對本發(fā)明所采用的se-mbr和傳統(tǒng)mbr的其脫氮效果進行比較，具體的脫氮結果數(shù)據(jù)見下表1。表1se-mbr和傳統(tǒng)mbr脫氮結果從表1可見，處理前原水總氮的平均值是23.9mg/l，傳統(tǒng)mbr出水為11.21mg/l，se-mbr出水為5.06mg/l。傳統(tǒng)mbr和se-mbr對總氮的去除率分別為53.10％、78.83％，se-mbr比傳統(tǒng)mbr對總氮的去除率提高了25％以上。系統(tǒng)形成了好氧短程硝化反硝化脫氮機理，且陰極通過電解產(chǎn)氫提供電子供體進行反硝化脫氮。2)剩余污泥量在正常運行后連續(xù)測試，se-mbr與傳統(tǒng)mbr系統(tǒng)剩余污泥量數(shù)據(jù)如表2所示。表2se-mbr與傳統(tǒng)mbr系統(tǒng)剩余污泥量數(shù)據(jù)由表2可見，se-mbr比傳統(tǒng)mbr，其污泥的產(chǎn)生量減少了近30％。3)cod去除效果se-mbr與傳統(tǒng)mbr對cod的去除效果(折算為co2減排量)數(shù)據(jù)如表3所示。表3se-mbr與傳統(tǒng)mbr對cod的去除效果時間(d)05101520平均進水(mg/l)410.2420.6450.9470.8440.6438.6se-mbr出水(mg/l)38.544.944.73946.542.72傳統(tǒng)mbr出水(mg/l)58.657.457.458.458.758.01se-mbr去除率(％)90.6189.3290.0991.7289.4590.26傳統(tǒng)mbr去除率(％)85.7186.3587.2787.6086.6886.77折算為co2減排率(％)4.902.972.824.122.773.49從表3可見，傳統(tǒng)mbr和se-mbr對cod的去除率分別為86.77％、90.26％，se-mbr對cod的去除效果略高于傳統(tǒng)mbr。另外，se-mbr比傳統(tǒng)mbr，其cod的去除率的提高3.49％，也即是co2的減排率3.49％。4)耗電量se-mbr與傳統(tǒng)mbr系統(tǒng)鼓風機耗電量數(shù)據(jù)如表4所示(正常運行后記錄，保持溶解氧在2.5mg/l)。表4se-mbr與傳統(tǒng)mbr系統(tǒng)鼓風機耗電量數(shù)據(jù)測試次數(shù)123456平均se-mbr(kw)0.500.500.500.500.500.500.50傳統(tǒng)mbr(kw)0.650.650.650.650.650.650.65能耗降低率(％)23.0823.0823.0823.0823.0823.0823.08從表4可見，se-mbr比傳統(tǒng)mbr，其能耗降低率即曝氣量減少率為23.08％。以二氧化碳排放量＝cod去除率的提高導致減排+電耗減少的減排來計算，則本發(fā)明的二氧化碳排放量為3.49％+23.08％＝26.57％。5)運行周期試驗過程中，se-mbr中的導電膜運行了兩個周期，平均運行周期為42d，而傳統(tǒng)mbr平均運行周期僅為36d。導電膜抗污染性能提高的主要原因是污染物與導電膜之間的靜電排斥作用和h2o2的原位清洗作用。綜上，本發(fā)明技術采用電化學提供的電場作用下以亞硝酸根作為電子受體進行反硝化作用及采用mbr膜作為提高硝化菌、反硝化菌濃度的截留方式。與傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝相比，短程硝化-反硝化工藝曝氣量大約要節(jié)省25％，污泥產(chǎn)生量減少30％，二氧化碳排放量減少20％，脫氮效果提高25％。故其具有污泥量少、反應時間短、節(jié)約碳源等優(yōu)點。當前第1頁12