申请日2018.05.18
公开(公告)日2018.08.17
IPC分类号C02F3/28; C02F3/30
摘要
本发明涉及一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器及其污水处理工艺，所述膜生物反应器包括设有中空腔体的膜生物反应器本体，所述膜生物反应器本体中设有中空纤维膜，所述中空纤维膜可将膜生物反应器的腔体中的水体引出;所述膜生物反应器本体的腔体中还设有填料层。本发明通过固定化技术与厌氧氨氧化技术耦合，能够有效去除废水中的氨氮，无论是低浓度氨氮的市政污水还是高浓度氨氮的污泥消化液都可以采用，所述膜生物反应器启动时间快，能耗低，无外加药剂费用，并且能够高效筛选出厌氧氨氧化菌种。
翻译权利要求书
1.一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器，其特征在于，包括设有中空腔体的膜生物反应器本体(8)，所述膜生物反应器本体(8)中设有中空纤维膜(4)，所述中空纤维膜(4)可将膜生物反应器(8)的腔体中的水体引出;所述膜生物反应器本体(8)的腔体中还设有填料层(22)。
2.如权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)填料层(22)的总体积为膜生物反应器内污水体积的10～20%;
2)填料层的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
3)所述填料层为组合填料层，所述组合填料层依所述中空纤维膜(4)的延伸方向依次包括填料上层(12)、填料中层(13)和填料下层(14)，相邻层的填料材料不相同;
4)填料层(22)中设有厌氧氨氧化菌，填料层(22)中的厌氧氨氧化菌为经过驯化后的厌氧污泥，用于将污水中的亚硝态氮和氨氮转化为氮气和硝态氮;
5)所述填料层设有中空纤维膜通道(23)，所述中空纤维膜设于所述中空纤维膜通道(23);
6)中空纤维膜的材料为聚偏氟乙烯、聚丙烯、陶瓷或多孔玻璃;
7)中空纤维膜的截留孔径为0.02～0.22μm;
8)所述中空纤维膜包括多个并联连接的中空纤维膜组件;
9)所述中空纤维膜(4)的下方设有多孔曝气管(15);
10)还包括用于监测膜生物反应器内部温度的温度探针(3)和液位的液位探针(7);
11)膜生物反应器本体(8)的侧壁上设有进水管(21)，所述进水管(21)设置于填料层(22)旁的侧壁;
12)还包括用于将所述填料层(22)固定在所述膜生物反应器本体(8)内腔中的支架(2);
13)膜生物反应器本体(8)的顶部设有可拆卸式封闭盖(1);
14)所述膜生物反应器还包括恒温水浴层(9)，所述恒温水浴层(9)包裹于所述膜生物反应器本体(8)外。
3.如权利要求2所述的膜生物反应器，其特征在于，特征3)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)填料上层(12)、填料中层(13)和填料下层(14)的体积比为0.4:1:0.4～0.6:1:0.6;
2)填料上层(12)的厚度为1～2cm;
3)填料中层(13)的厚度为3～5cm;
4)填料下层(14)的厚度为1～2cm;
5)填料上层(12)的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
6)填料中层(13)的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
7)填料下层(14)的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯。
4.如权利要求2所述的膜生物反应器，其特征在于，特征13)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)所述可拆卸式封闭盖(1)还设有排气管(5);
2)所述膜生物反应器还包括用于将所述填料层(22)固定在所述膜生物反应器本体(8)内腔中的支架(2)，所述支架(2)与所述可拆卸式封闭盖(1)的内壁连接;
3)所述中空纤维膜(4)位于所述可拆卸式封闭盖(1)上。
5.如权利要求2所述的膜生物反应器，其特征在于，特征14)中，恒温水浴层(9)的侧壁上设有恒温水浴层进水管(19)和恒温水浴层出水管(10)，所述出水管(10)设于所述进水管(19)的上方。
6.如权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，还包括搅拌部件，所述搅拌部件位于所述多孔曝气管(15)的下方。
7.如权利要求6所述的膜生物反应器，其特征在于，所述搅拌部件为搅拌子(16)。
8.如权利要求7所述的膜生物反应器，其特征在于，还包括磁力搅拌器(17)，所述膜生物反应器本体(8)设于所述磁力搅拌器(17)上。
9.一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器的污水处理工艺，其特征在于，为通过权利要求1至8任一项所述的填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器进行污水处理，所述污水处理工艺包括以下步骤：污水进入膜生物反应器本体(8)搅拌混合，然后经过填料层(22)，最后通过中空纤维膜(4)排出。
10.如权利要求9所述的污水处理工艺，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)污水中总氮负荷与填料层的厌氧氨氧化菌的挥发性悬浮物浓度的比为0.5～2.2:1gN/gVSS-day;
2)溶解氧浓度为0～0.5mg/L。
说明书
一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器及其污水处理工艺
技术领域
本发明属于环境工程中氨氮废水处理的技术领域，具体涉及一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器及其污水处理工艺，利用微生物固定化技术将厌氧氨氧化菌固定在填料层后形成厌氧氨氧化系统从而降解废水中氨氮。
背景技术
污水脱氮工艺有物化法和生物法，其中，物化法主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、磷酸铵镁法。物化技术脱氮快速高效，但是化学药品消耗量巨大，高昂的费用以及易产生二次污染等问题使其暴露出不可持续的缺陷。相对于物化法，生物法具有操作简单、效果稳定、处理成本低、二次污染少等多种优势，目前我国污水处理厂一般采用生物法脱氮。日前，我国主要采用传统的生物脱氮技术进行污水处理，该技术以硝化-反硝化原理为基础，自身存在高能耗(需要大量曝气以完成硝化)和高药耗(投加甲醇等有机物以完成反硝化)等不足，已越来越暴露出不可持续性。厌氧氨氧化作为一种新型生物脱氮工艺，依靠厌氧氨氧化菌的特殊生理代谢机制，相较于传统生物脱氮工艺能够节约50%的电能和100%的有机碳源，并减少90%的剩余污泥产量，为污水处理厂实现能源平衡甚至能源盈余提供了可行性。厌氧氨氧化工艺面临的主要问题是厌氧氨氧化菌生长缓慢，污泥流失严重，导致厌氧氨氧化菌难以在反应器内有效持留。如何获得足量厌氧氨氧化菌是实现并维持稳定的厌氧氨氧化过程的主要技术瓶颈。利用微生物固定化技术的优点，可将厌氧氨氧化菌加以固定，有效提高菌种的抗冲击负荷能力。利用膜生物反应器特有的膜出水特性，将水力停留时间与污泥停留时间分开，污泥截留率高于90%，将大大增加厌氧氨氧化菌的保有率。
对于厌氧氨氧化工艺，常用UASB、SBR、IC、EGSB等反应器运行。这些反应器水力停留时间与污泥停留时间相同，反应器内存在大量世代时间较短的亚硝化菌、硝化菌等杂菌与厌氧氨氧化菌竞争基质，增加了反应器的运行不稳定性。因此，如何使得厌氧氨氧化菌能够稳定去除废水中的氮素，对于高效生物废水脱氮领域来说具有巨大的技术与工业应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的确定，提供一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器及其污水处理工艺，所述膜生物反应器包括设有中空腔体的膜生物反应器本体，所述膜生物反应器本体中设有中空纤维膜，所述中空纤维膜可将膜生物反应器的腔体中的水体引出;所述膜生物反应器本体的腔体中还设有填料层。本发明在单个反应器内，利用固定在填料层中的厌氧氨氧化菌来去除废水中的氮素，对于氮素具有良好的去除效果，无需添加碳源，同时降低了曝气导致的能耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明第一方面提供一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器，包括设有中空腔体的膜生物反应器本体，所述膜生物反应器本体中设有中空纤维膜，所述中空纤维膜可将膜生物反应器的腔体中的水体引出;所述膜生物反应器本体的腔体中还设有填料层。
所述膜生物反应器通过多孔曝气管向反应器内部通氮气、氩气或者Ar/CO2混合气(95:5)。
所述多孔曝气管可与装有流量计的气瓶相连，通过流量计调节反应器内部的溶解氧浓度，气体可通过可拆卸式封闭盖上的排气管排出。
优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)填料层的总体积为膜生物反应器内污水体积的10～20%，如10～15%或15～20%;
2)填料层的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
3)所述填料层为组合填料层，所述组合填料层依所述中空纤维膜的延伸方向依次包括填料上层、填料中层和填料下层，相邻层的填料材料不相同;所述中空纤维膜的延伸方向是指与中空纤维膜水体引出方向相反。
4)填料层中设有厌氧氨氧化菌，填料层中的厌氧氨氧化菌为经过驯化后的厌氧污泥，用于将污水中的亚硝态氮和氨氮转化为氮气和硝态氮，可以取自市政污水处理厂;
5)所述填料层设有中空纤维膜通道，所述中空纤维膜设于所述中空纤维膜通道;
6)中空纤维膜的材料为聚偏氟乙烯、聚丙烯、陶瓷或多孔玻璃;
7)中空纤维膜的截留孔径为0.02～0.22μm，如0.02～0.1μm、0.1～0.15μm或0.15～0.22μm;
8)所述中空纤维膜包括多个并联连接的中空纤维膜组件;
9)所述中空纤维膜的下方设有多孔曝气管;
10)还包括用于监测膜生物反应器内部温度的温度探针和液位的液位探针;
11)膜生物反应器本体的侧壁上设有进水管，所述进水管设置于填料层旁的侧壁，进水管上可以设有进水阀门;
12)还包括用于将所述填料层固定在所述膜生物反应器本体内腔中的支架;所述支架可以为三层不锈钢圆环;
13)膜生物反应器本体的顶部设有可拆卸式封闭盖;
14)所述膜生物反应器还包括恒温水浴层，所述恒温水浴层包裹于所述膜生物反应器本体外，使膜生物反应器处于恒温状态;所述恒温水浴层可与温控装置相连，通过温控装置调节反应器内部的温度，通过水浴层侧壁上的进水管、出水管进行循环水的流动。
更优选地，特征3)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)填料上层、填料中层和填料下层的体积比为0.4:1:0.4～0.6:1:0.6，如0.4:1:0.4～0.5:1:0.5或0.5:1:0.5～0.6:1:0.6;
2)填料上层的厚度为1～2cm，如1～1.5cm或1.5～2cm;
3)填料中层的厚度为3～5cm，如3～4.2cm或4.2～5cm;
4)填料下层的厚度为1～2cm，如1～1.5cm或1.5～2cm;
5)填料上层的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
6)填料中层的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯;
7)填料下层的填料材料为沸石、无纺布、聚乙烯或聚氨酯。
更优选地，特征13)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)所述可拆卸式封闭盖还设有排气管;排气管上可以设有排气阀门;
2)所述膜生物反应器还包括用于将所述填料层固定在所述膜生物反应器本体内腔中的支架，所述支架与所述可拆卸式封闭盖的内壁连接;
3)所述中空纤维膜位于所述可拆卸式封闭盖上。
更优选地，特征14)中，恒温水浴层的侧壁上设有恒温水浴层进水管和恒温水浴层出水管，所述出水管设于所述进水管的上方。恒温水浴层进水管上可以设有恒温水浴层进水阀门，恒温水浴层出水管上可以设有恒温水浴层出水阀门。
优选地，还包括搅拌部件，所述搅拌部件位于所述多孔曝气管的下方。
更优选地，所述搅拌部件为搅拌子。
进一步更优选地，还包括磁力搅拌器，所述膜生物反应器本体设于所述磁力搅拌器上。
本发明第二方面提供一种填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器的污水处理工艺，为通过上述填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器进行污水处理，所述污水处理工艺包括以下步骤：污水进入膜生物反应器本体搅拌混合，然后经过填料层，最后通过中空纤维膜排出。
优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)污水中总氮负荷与填料层的厌氧氨氧化菌的挥发性悬浮物浓度的比为0.5～2.2:1gN/gVSS-day;，如0.5～1.5:1gN/gVSS-day或1.5～2.2:1gN/gVSS-day;例如每天进水总氮负荷为2000mg/L，则填料层的厌氧氨氧化菌的挥发性悬浮物浓度为0.91～4g/L;
2)溶解氧浓度为0～0.5mg/L，如0～0.2mg/L或0.2～0.5mg/L;pH无需调节。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：
1.利用本发明提供的填料固定化厌氧氨氧化菌的膜生物反应器可以有效得去除水中的氨氮，启动时间快，能够在十六天时间能完成全程自养脱氮反应的启动，相比于目前国内外文献中发明启动时间缩减了二分之一;
2.本发明采用填料固定化技术，对微生物无毒性，能够使固定在其中的厌氧氨氧化菌提高对外界环境的适应性和抗负荷能力，优选采用组合填料层，固定效果更佳;由于厌氧氨氧化菌对于基质浓度非常敏感，在目前现有技术里，水体中游离亚硝酸和游离氨对厌氧氨氧化菌影响非常大，而本发明的反应器能够降低其运行维护成本;
3.本发明采用的膜生物反应器能够大大增加厌氧氨氧化菌的截留率，同时提供较低的水力停留时间和较高的污泥停留时间，这对于反应器初期的高效启动具有显著的帮助;
4.本发明和传统硝化-反硝化生物脱氮工艺相比，采用二氧化碳作为碳源，消耗温室气体，无需外加碳源;
5.本发明相比传统工艺，不再需要消耗大量的能源进行曝气，只需控制溶解氧在较低的浓度下完成厌氧氨氧化即可，目前常规硝化好氧反硝化传统工艺中溶解氧浓度的范围在2～6mg/L，而本专利中溶解氧浓度为0～0.5mg/L;
6.本发明采用固定化技术，填料传质效果优于传统颗粒污泥，并且可以根据进水氨氮浓度调节填料大小，使氧气和基质进入反应区更加易于控制。
