申请日2017.08.02
公开(公告)日2017.11.17
IPC分类号C02F3/30; C02F3/34
摘要
本发明公开了一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法，所述反应器主要包括反应器本体、厌氧反应区、好氧反应区、曝气杆Ⅰ/Ⅱ、阴极板Ⅰ/Ⅱ、阳极棒Ⅰ/Ⅱ，厌氧反应区位于反应器本体的下部，好氧反应区位于反应器本体的上部，曝气杆Ⅰ/Ⅱ分别固定在厌氧反应区和好氧反应区的横轴中心，阴极板Ⅰ/Ⅱ分别固定在曝气杆Ⅰ/Ⅱ的侧面，阳极棒Ⅰ/Ⅱ分别位于相邻两个阴极板Ⅰ/Ⅱ之间，厌氧反应区内填充有三维电极粒子和生物填料球A，好氧反应区填充有三维电极粒子和生物填料球B。本发明具有处理效果好、运行管理方便、费用低等优点，适用于对污水的集约化处理及有机能源的沼气化利用。
权利要求书
1.一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，集成式反应器主要包括反应器本体(1)，所述反应器本体(1)为半地埋式结构，内部分为厌氧反应区(2)和好氧反应区(3)，所述厌氧反应区(2)埋于地下，所述好氧反应区(3)位于地上，厌氧反应区(2)的横轴中心设有曝气杆Ⅰ(4)，所述曝气杆Ⅰ(4)的侧面设有阴极板Ⅰ(5)，相邻所述阴极板Ⅰ(5)之间设有与曝气杆Ⅰ(4)平行的阳极棒Ⅰ(6)，所述阳极棒Ⅰ(6)的左右两端通过支撑杆(7)固定连接在曝气杆Ⅰ(4)上，所述曝气杆Ⅰ(4)的左端穿过厌氧反应区(2)外壁连有电机Ⅰ(8)，曝气杆Ⅰ(4)的右端穿过厌氧反应区(2)外壁通过气体输入管(9)连接有气体储存罐(10)，厌氧反应区(2)的上方设有污水布水管(11)，所述污水布水管(11)的下方设有多个喷水口(12)，厌氧反应区(2)内部均匀填充有三维电极粒子(13)和生物填料球A(14)，所述生物填料球A(14)内包含高附膜载体填料和A型微生物菌，所述A型微生物菌来自复合微生物菌剂A，污水布水管(11)的上方设有气体收集区(15)，所述气体收集区(15)的右端通过气体输出管(16)与气体收集中心(17)相连，所述气体输出管(16)的中间通过支管(18)与所述气体输入管(9)相通，所述好氧反应区(3)内的横轴中心设有曝气杆Ⅱ(19)，所述曝气杆Ⅱ(19)的侧面设有阴极板Ⅱ(20)，相邻所述阴极板Ⅱ(20)之间设有与曝气杆Ⅱ(19)平行的阳极棒Ⅱ(21)，所述阳极棒Ⅱ(21)的左右两端通过支撑杆(7)固定连接在曝气杆Ⅱ(19)上，所述曝气杆Ⅱ(19)的左端穿过好氧反应区(3)外壁连有电机Ⅱ(22)，曝气杆Ⅱ(19)的右端穿过好氧反应区(3)外壁通过空气管(23)连接有空气压缩机(24)，所述电机Ⅱ(22)的下方设有电源(25)，曝气杆Ⅰ(4)和曝气杆Ⅱ(19)的右端分别通过导线一(26)和导线二(27)与所述电源(25)相连，好氧反应区(3)内部均匀填充有三维电极粒子(13)和生物填料球B(28)，所述生物填料球B(28)内包含高附膜载体填料和B型微生物菌，所述B型微生物菌来自复合微生物菌剂B，好氧反应区(3)的下方设有污泥沉淀区(29)，所述污泥沉淀区(29)为倒三角形，污泥沉淀区(29)的底部通过污泥输送管(30)与外界连通，好氧反应区(3)的右上方设有净水输出口(31)，厌氧反应区(2)与好氧反应区(3)通过水管(32)相连通，所述水管(32)的主体位于反应器本体(1)的外部，水管(32)上设有水泵(39)，水管(32)的进水端内置于厌氧反应区(2)底部中心，水管(32)的出口端内置于好氧反应区(3)上部中心。
2.如权利要求1所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，所述反应器本体(1)为三层结构，内层为传热层(33)，外层为保温层(34)，中间层为折流水浴层(35)，所述折流水浴层(35)折流方式为纵向折流、横向折流或螺旋折流，折流水浴层所用的水为所述好氧反应区(3)输出的净水。
3.如权利要求1所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，所述曝气杆Ⅰ(4)内设有电缆腔(36)和导气腔(37)，所述电缆腔(36)和导气腔(37)之间密封隔断，电缆腔(36)位于所述支撑杆(7)与所述电机Ⅰ(8)之间，导气腔(37)位于支撑杆(7)与所述气体输入管(9)之间，导气腔(37)上设有曝气孔(38)。
4.如权利要求1所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，所述曝气杆Ⅱ(21)内设有电缆腔(36)和导气腔(37)，所述电缆腔(36)和导气腔(37)之间密封隔断，电缆腔(36)位于所述支撑杆(7)与所述电机Ⅱ(21)之间，导气腔(37)位于支撑杆(7)与所述空气管(23)之间，导气腔(37)上设有曝气孔(38)。
5.如权利要求3、4所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，所述电缆腔(36)内包含有导线一(26)和导线二(27)，所述导线一(26)分别与所述阴极板Ⅰ(5)和阴极板Ⅱ(20)相连，所述导线二(27)分别通过所述支撑杆(7)内部与所述阳极棒Ⅰ(6)和阳极棒Ⅱ(21)相连。
6.如权利要求1、5所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，所述阴极板Ⅰ(5)和阴极板Ⅱ(20)为十字直板型或S曲面板型。
7.如权利要求1所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，复合微生物菌剂A的组成成分按重量百分比计包括：15-18%反硝化细菌、12-16%甲烷氧化菌、10-13%红螺菌、13-16%酵母菌、5-8%水解酶、6-9%超氧物歧化酶、余量为厌氧氨氧化菌。
8.如权利要求1所述的一种新型集成式生物膜反应器，其特征在于，复合微生物菌剂B的组成成分按重量百分比计包括：13-19%陶厄氏菌、14-20%大肠杆菌、12-18%弗兰克氏菌、8-10%青霉菌、6-12%氧化酶、余量为巴氏醋酸杆菌。
9.利用权利要求1-8任意一项所述的一种新型集成式生物膜反应器进行污水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：先进行挂膜驯化，将复合微生物菌剂A与复合微生物菌剂B分别加水配制成浓度为1000mg/L的菌液A和菌液B，菌液A通过污水布水管流入厌氧反应区，菌液B通过净水输出口反送入好氧反应区，使厌氧反应区和好氧反应区内温度维持在15-20℃，两个反应区内连续进水，水力停留时间为12h，接通电源，电机Ⅰ和电机Ⅱ以50-150r/min的速度旋转，同时依次以直流电强度50、100、150、200、250mA进行梯度挂膜，每个电流梯度运行3-5天，挂膜完成后排出菌液;
第二步：引进污水处理，将污水通过污水布水管或污水进水管引入厌氧反应区，电机Ⅰ带动曝气杆Ⅰ使阴极板Ⅰ和阳极棒Ⅰ以10-30r/min的速度间歇转动，使污水在厌氧反应区完成初步净化，然后利用水管将厌氧反应处理后的污水泵送入好氧反应区，电机Ⅱ带动曝气杆Ⅱ使阴极板Ⅱ和阳极棒Ⅱ以30-60r/min的速度间歇转动，同时利用空气压缩机充入空气曝气，使污水在好氧反应区完成强化净化，产生的污泥汇集到污泥沉淀区从污泥输送管排出，处理后的净水从净水输出口排出。
说明书
一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法。
背景技术
日益突显的水环境污染及水资源短缺，对世界范围内的污水处理提出了新的挑战。生物膜法技术具有高有机负荷、高有机物去除率、低剩余污泥产量、运行管理方便等特点，在逾百年的污水处理实践中发挥着重要支撑作用。面向未来污水处理“提标增效”、“节能降耗”及“集约化”、“能源化”的重大需求，基于生物增效原理及应用实践开发新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法，具有重要意义和广泛应用前景。
基于电化学和生物膜法耦合的电极生物膜法处理工艺，集成了絮凝、气浮、氧化、微电解等电化学作用以及电极与生物膜微生物间强电子传递作用，可有效增强工艺对污水尤其是难降解废水的处理能力、实现对有机物、氮、磷等目标污染物的深度净化，近年来逐渐成为研究者们关注的热点。中国发明专利“生物膜电极与UASB耦合反应器”(申请号：201410208078.2)公开了生物膜电极-UASB耦合反应器，包括反应器筒体、生物膜电极体系、电化学测试系统和阴极电势测试装置，通过微电场与微生物的耦合作用，促进微生物对有机污染物的氧化代谢，提高污染物降解速率。中国发明专利“一种复合式电极生物膜脱氮反应器”(申请号：201610837288.7)公开了一种复合式电极生物膜脱氮反应器，通过电解产氢和反硝化生物膜的代谢，以氢气作为电子供体将废水中的硝酸盐氮进行反硝化，达到深度脱氮的目的。为实现对污水多目标污染物(有机物、氮、磷等)的协同高效去除，不仅需要在反应器构型设计和增加生物量方面吸收前述有益经验，更要在反应器功能分区优化、传质强化、功能微生物强化、一体化设计及运行优化等方面进行系统集成，发明新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法。
本发明的技术方案为：一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法，集成式反应器主要包括反应器本体，反应器本体为半地埋式结构，内部分为厌氧反应区和好氧反应区，厌氧反应区埋于地下，好氧反应区位于地上，厌氧反应区的横轴中心设有曝气杆Ⅰ，曝气杆Ⅰ的侧面设有阴极板Ⅰ，相邻阴极板Ⅰ之间设有与曝气杆Ⅰ平行的阳极棒Ⅰ，阳极棒Ⅰ的左右两端通过支撑杆固定连接在曝气杆Ⅰ上，曝气杆Ⅰ的左端穿过厌氧反应区外壁连有电机Ⅰ，曝气杆Ⅰ的右端穿过厌氧反应区外壁通过气体输入管连接有气体储存罐，厌氧反应区的上方设有污水布水管，污水布水管的下方设有多个喷水口，厌氧反应区内部均匀填充有三维电极粒子和生物填料球A，生物填料球A内包含高附膜载体填料和复合微生物菌剂A，污水布水管的上方设有气体收集区，气体收集区的右端通过气体输出管与气体收集中心相连，气体输出管的中间通过支管与气体输入管相通，好氧反应区内的横轴中心设有曝气杆Ⅱ，曝气杆Ⅱ的侧面设有阴极板Ⅱ，相邻阴极板Ⅱ之间设有与曝气杆Ⅱ平行的阳极棒Ⅱ，阳极棒Ⅱ的左右两端通过支撑杆固定连接在曝气杆Ⅱ上，曝气杆Ⅱ的左端穿过好氧反应区外壁连有电机Ⅱ，曝气杆Ⅱ的右端穿过好氧反应区外壁通过空气管连接有空气压缩机，电机Ⅱ的下方设有电源，曝气杆Ⅰ和曝气杆Ⅱ的右端分别通过导线一和导线二与电源相连，好氧反应区内部均匀填充有三维电极粒子和生物填料球B，生物填料球B内包含高附膜载体填料和复合微生物菌剂B，好氧反应区的下方设有污泥沉淀区，污泥沉淀区为倒三角形，污泥沉淀区的底部通过污泥输送管与外界连通，好氧反应区的右上方设有净水输出口，厌氧反应区与好氧反应区通过水管相连通，水管的主体位于反应器本体的外部，水管上设有水泵，水管的进水端内置于厌氧反应区底部中心，水管的出口端内置于好氧反应区上部中心。
作为一种改进，一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法，主要包括反应器本体，所述反应器本体为半地埋式结构，反应器本体内部分为厌氧反应区和好氧反应区，所述厌氧反应区埋于地下，所述好氧反应区位于地上，厌氧反应区的横轴中心设有曝气杆Ⅰ，所述曝气杆Ⅰ的侧面设有阴极板Ⅰ，相邻所述阴极板Ⅰ之间设有与曝气杆Ⅰ平行的阳极棒Ⅰ，所述阳极棒Ⅰ的左右两端通过支撑杆固定连接在曝气杆Ⅰ上，所述曝气杆Ⅰ的左端穿过厌氧反应区外壁连有电机Ⅰ，曝气杆Ⅰ的右端穿过厌氧反应区外壁通过气体输入管连接有气体储存罐，厌氧反应区的底部设有污水进水管，厌氧反应区内部均匀填充有三维电极粒子和生物填料球A，所述生物填料球A内包含高附膜载体填料和A型微生物菌，所述A型微生物菌来自复合微生物菌剂A，污水布水管的上方设有气体收集区，所述气体收集区的下方设有多孔固液分离隔板，气体收集区的右端通过气体输出管与气体收集中心相连，所述气体输出管的中间通过支管与所述气体输入管相通，所述好氧反应区内的横轴中心设有曝气杆Ⅱ，所述曝气杆Ⅱ的侧面设有阴极板Ⅱ，相邻所述阴极板Ⅱ之间设有与曝气杆Ⅱ平行的阳极棒Ⅱ，所述阳极棒Ⅱ的左右两端通过支撑杆固定连接在曝气杆Ⅱ上，所述曝气杆Ⅱ的左端穿过好氧反应区外壁连有电机Ⅱ，曝气杆Ⅱ的右端穿过好氧反应区外壁通过空气管连接有空气压缩机，所述电机Ⅱ的下方设有电源，曝气杆Ⅰ和曝气杆Ⅱ的右端分别通过导线一和导线二与所述电源相连，好氧反应区内部均匀填充有三维电极粒子和生物填料球B，所述生物填料球B内包含高附膜载体填料和B型微生物菌，所述B型微生物菌来自复合微生物菌剂B，好氧反应区的下方设有污泥沉淀区，所述污泥沉淀区为倒三角形，污泥沉淀区的底部通过污泥输送管与外界连通，好氧反应区的右上方设有净水输出口，厌氧反应区与好氧反应区通过水管相连通，所述水管的主体位于反应器本体的外部，水管上设有水泵，水管的进水端设置在所述多孔固液分离隔板的上方，水管的出口端内置于好氧反应区上部中心。
进一步地，反应器本体为三层结构，内层为传热层，外层为保温层，中间层为折流水浴层，折流水浴层折流方式为纵向折流、横向折流或螺旋折流，折流水浴层所用的水为好氧反应区输出的净水，利用水浴对反应器进行保温处理，相较于电加热温度更均匀且耗能小，水热资源利用率高。
进一步地，曝气杆Ⅰ内设有电缆腔和导气腔，电缆腔和导气腔之间密封隔断，电缆腔位于支撑杆与电机Ⅰ之间，导气腔位于支撑杆与气体输入管之间，导气腔上设有曝气孔，电缆腔和导气腔之间密封隔断防止气体逃窜和污水逆流，提高了厌氧反应区的密封性。
进一步地，曝气杆Ⅱ内设有电缆腔和导气腔，电缆腔和导气腔之间密封隔断，电缆腔位于支撑杆与电机Ⅱ之间，导气腔位于支撑杆与空气管之间，导气腔上设有曝气孔。
进一步地，电缆腔内包含有导线一和导线二，导线一分别与阴极板Ⅰ和阴极板Ⅱ相连，导线二分别通过支撑杆内部与阳极棒Ⅰ和阳极棒Ⅱ相连。
进一步地，所述阴极板Ⅰ和阴极板Ⅱ为十字直板型或S曲面板型，十字直板型的四个分区内均可对应分布四个阳极棒，提高反应速率;S曲面板型的两个半圆形分区内可对应分布两个阳极棒，半圆形分区包裹阳极棒形式使得电极反应的有效面积扩大，进而提高反应速率还可节省电能。
进一步地，高附膜载体填料是由多孔矿物质颗粒和高分子载菌颗粒以重量比为3-5:1组成，多孔矿物质的组成成分按重量百分比计包括：25-28%纳米磷酸钙、20-26%纳米二氧化硅、4-6%粘合剂、余量为聚吡咯改性纳米碳，高分子载菌颗粒包括多孔聚氨酯颗粒和固化真菌，经聚吡咯包膜改性后的纳米碳能提高生物膜的附膜率，采用固化真菌作为另一种载体，一方面能净化污水还能较少矿物载体的使用量，降低成本。
更进一步地，固化真菌为米根霉、产黄青霉、毛霉属、深黄被孢霉、海枣曲霉、里氏木霉、黄孢平革菌中任意一种或几种组合。
进一步地，复合微生物菌剂A的组成成分按重量百分比计包括：15-18%反硝化细菌、12-16%甲烷氧化菌、10-13%红螺菌、13-16%酵母菌、5-8%水解酶、6-9%超氧物歧化酶、余量为厌氧氨氧化菌，超氧物歧化酶能够消除多余氧自由基，为厌氧菌提供更好的厌氧环境，提高效率。
进一步地，复合微生物菌剂B的组成成分按重量百分比计包括：13-19%陶厄氏菌、14-20%大肠杆菌、12-18%弗兰克氏菌、8-10%青霉菌、6-12%氧化酶、余量为巴氏醋酸杆菌，青霉菌能够抑制革兰氏阳性菌的繁殖，在一定程度上提高了所添加好氧菌的竞争力。
本发明还提供了一种集成式生物膜反应器处理污水的方法，包括以下步骤：
第一步：先进行挂膜驯化，将复合微生物菌剂A与复合微生物菌剂B分别加水配制成浓度为1000mg/L的菌液A和菌液B，菌液A通过污水布水管流入厌氧反应区，菌液B通过净水输出口反送入好氧反应区，使厌氧反应区和好氧反应区内温度维持在15-20℃，两个反应区内连续进水，水力停留时间为12h，接通电源，电机Ⅰ和电机Ⅱ以50-150r/min的速度旋转，同时依次以直流电强度50、100、150、200、250mA进行梯度挂膜，每个电流梯度运行3-5天，挂膜完成后排出菌液;
第二步：引进污水处理，将污水通过污水布水管或污水进水管引入厌氧反应区，电机Ⅰ带动曝气杆Ⅰ使阴极板Ⅰ和阳极棒Ⅰ以10-30r/min的速度间歇转动，使污水在厌氧反应区完成初步净化，然后利用水管将厌氧反应处理后的污水泵送入好氧反应区，电机Ⅱ带动曝气杆Ⅱ使阴极板Ⅱ和阳极棒Ⅱ以30-60r/min的速度间歇转动，同时利用空气压缩机充入空气曝气，使污水在好氧反应区完成强化净化，产生的污泥汇集到污泥沉淀区从污泥输送管排出，处理后的净水从净水输出口排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的新型集成式生物膜反应器在传统生物膜反应器中加入了三维电极，联合电化学法和生物法，有利于强化污水处理效率;其中，反应器本体被分为厌氧反应区和好氧反应区，两个反应区均填充有不同的生物填料球，相较于同时适用于厌氧和好氧的生物填料球，本发明的生物填料球内含有针对厌好氧不同环境条件设置的专用功能型微生物，有利于提高和延长微生物的存活率;相较于普通三维电极的单一或固定形式，本发明将阴极板和阳极棒交叉固定在曝气杆上，通过电机转动搅拌和曝气两种方式增加污水和生物填料球的接触面积，大大提高了污水处理效率。总之，本发明采用生物膜法与电化学法耦合形成的新型集成式生物膜反应器，是在反应器功能分区优化、传质强化、功能微生物强化、一体化设计及运行优化等方面进行的系统集成，不仅可以提高工艺对污水尤其是难降解废水的处理能力，且可实现对有机物、氮、磷等多目标污染物的深度净化。另外本发明具有处理效果好、运行管理方便、费用低等优点，适用于对污水的集约化处理及有机能源的沼气化利用。
