本發(fā)明涉及污水生物處理技術領域，尤其涉及一種無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置及處理方法。

背景技術：

疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器是膜生物反應器的一種類型，該反應器是一種通過向疏水性微孔中空纖維膜腔體內(nèi)充氧，氧氣和污染物在附著其上的生物膜內(nèi)呈現(xiàn)異向傳質(zhì)，通過生物膜、主體料液中微生物的新陳代謝消耗溶解氧并使污水中的污染物得到降解的一種污水處理技術。疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器去除污染物的過程可分為以下四步：首先，水體中的污染物與水流中的厭氧菌反應，使得一部分磷酸鹽被吸收、含氮有機物降解為氨氮；第二，降解后的污染物隨水流與生物膜碰撞接觸，在濃度差驅(qū)動下，向生物膜界面擴散，同時氧氣由疏水性微孔膜腔內(nèi)向外部擴散；第三，生物膜內(nèi)的好氧菌或兼氧菌通過新陳代謝將污染物進一步降解為硝酸鹽no3^-、亞硝酸鹽no2^-等；第四，二次降解后的污染物隨水流再次進入?yún)捬鯀^(qū)，轉(zhuǎn)化后的硝酸鹽、亞硝酸鹽被還原成n2，達到除氮效果。該反應器缺氧與厭氧環(huán)境的共存使得反硝化聚磷菌得以富集，使反應器在脫氮的同時具有除磷功能。

疏水性微孔膜無泡曝氣避免了傳統(tǒng)生物處理曝氣時污水中易揮發(fā)性及有毒有害的惡臭物質(zhì)(如烴及芳香烴類、硫化物、含氮化合物及含氧有機物)隨氣泡進入大氣而對環(huán)境造成污染，同時不會由于表面活性劑的存在而產(chǎn)生泡沫。通過微孔供氧，傳氧效率得到極大的提高，幾乎能達到100％，運行費用也隨之降低。同時，氣液兩相以疏水性微孔膜作為分界，曝氣系統(tǒng)的控制可以更加靈活方便。生物脫氮是從廢水中去除氮素污染的較為經(jīng)濟有效的方法之一,一般包括硝化過程和反硝化過程。硝化過程是由硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為no2^-和no3^-。反硝化過程是在無氧或低氧條件下,no2^-和no3^-被微生物還原轉(zhuǎn)化為n2,反應過程中需要有機碳作為碳源和能源。傳統(tǒng)脫氮工藝與新型脫氮工藝,負責脫氮的微生物均主要為硝化菌和反硝化菌。在實際應用中,因兩種菌體生長環(huán)境的差異,一般是將硝化過程和反硝化過程分步序列進行,如傳統(tǒng)的a/o,a²/o工藝,存在工藝冗長,污水處理構筑物占地面積大,投資和運行費用高等諸多弊端。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置，實現(xiàn)利用疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化對污水的脫氮處理。該裝置強化生物脫氮技術，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是提供無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置，其中：該處理裝置包括有原水水箱、進水泵、調(diào)節(jié)閥、流量計，無泡曝氣膜生物反應器、氣體流量計ⅰ、壓力表空壓機、疏水性中空纖維膜組件、循環(huán)泵；所述原水水箱通過進水泵、調(diào)節(jié)閥、流量計與無泡曝氣膜生物反應器相連接，污水經(jīng)過無泡曝氣膜生物反應器處理之后由出水口以溢流方式流出，反應器采用推流運行方式；設在無泡曝氣膜生物反應器內(nèi)的中空纖維膜組件的一端與空壓機通過氣管路連接，管路上設置氣體流量計ⅰ、壓力表，中空纖維膜組件的另一端通過氣管路及控制閥與氣體流量計ⅱ連接，監(jiān)測通過組件未利用的剩余氣體流量，流量計ⅱ的差值可視為曝氣量，無泡曝氣膜生物反應器一側(cè)從下往上取樣口ⅰ、取樣口ⅱ、取樣口ⅲ，同時在這一側(cè)上端設有出水口，無泡曝氣膜生物反應器底部與接近出水口下部的反應器一側(cè)通過水管路連通，在所述水管路上部設有循環(huán)泵形成實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮的污水處理裝置，空壓機和控制閥用于調(diào)節(jié)組件的曝氣壓力，循環(huán)泵用于疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器的啟動掛膜。

同時提供一種利用無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置的處理方法。

本發(fā)明的效果在于該無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的裝置和方法克服傳統(tǒng)工藝硝化和反硝化過程在兩個不同的反應器內(nèi)進行或者在同一反應器內(nèi)順次進行的不足,同時降低能耗和物耗?？梢詼p少反硝化反應設備、節(jié)省基建費用；反硝化過程產(chǎn)生的堿可部分中和硝化過程產(chǎn)生的酸,能有效地維持反應器中ph相對穩(wěn)定，減少堿液的投加。在曝氣過程中空氣(或純氧)以極小的氣泡甚至無泡的形式進入水體中,獲得較高的氧利用率，甚至達到100％，并且曝氣過程不產(chǎn)生肉眼可見的氣泡，避免了采用傳統(tǒng)曝氣時污水中易揮發(fā)性及有毒有害物質(zhì)隨氣泡逸出，進入大氣對環(huán)境造成污染。同時，在曝氣壓力為0.04mpa時，獲得了74.67％的tn去除率，此時硝化與反硝化過程的動力學基本達到平衡，此過程中除氮率高，不會產(chǎn)生一氧化氮等氮氧化物，減少了空氣污染。此外，在曝氣壓力僅為0.06mpa時，cod去除率可達到93％，并且在c/n比值接近于6的情況下，硝化效率達到99.24％，反硝化效率為83.75％，tn去除率達到85.42％，cod去除率始終維持在80％以上，因此可用于生活污水的脫氮和除碳，裝置流程簡單，易于操作，能耗較低，是一種新型的污水處理裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化方法的裝置結構示意圖；

圖2為曝氣壓力對本發(fā)明無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化方法脫氮的影響；

圖3為進水c/n對本發(fā)明無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化氮的轉(zhuǎn)換及cod去除的影響；

圖4為進水hrt對本發(fā)明無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化氮轉(zhuǎn)化的影響；

圖5為三種不同c/n比條件下出水中所含cod、nh4⁺-n、no3-n、no2-n、tn的含量；

圖6為不同水力停留時間(hrt)下出水中含氮量情況。

1、原水水箱2、進水泵3、調(diào)節(jié)閥4、流量計ⅰ5、無泡曝氣膜生物反應器6、氣體流量計ⅱ7、壓力表8、空壓機9、疏水性中空纖維膜組件10、控制閥11、氣體流量計ⅱ12、取樣口ⅰ13、取樣口ⅱ14取樣口ⅲ15、出水口16、循環(huán)泵

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置及處理方法加以說明。

本發(fā)明的無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置如圖1所示，其處理方法設計思想是該裝置采用疏水性微孔膜無泡曝氣，氧以分子狀態(tài)擴散，幾乎100％被吸收；同步硝化反硝化技術實現(xiàn)硝化、反硝化在同一反應器內(nèi)同時完成，縮短氮的去除途徑，減少有機碳源的投加、提高脫氮效率；反硝化反應產(chǎn)堿補充硝化反應產(chǎn)酸對系統(tǒng)ph值的影響，保持系統(tǒng)ph相對穩(wěn)定。此外，通過微生物鑒定技術，從微生物學角度對系統(tǒng)的生物膜、主體料液的微生物群落結構進行分析，明確生物膜、主體料液各自的作用，可實現(xiàn)系統(tǒng)特定脫氮過程的控制。該裝置的疏水性微孔中空纖維膜具有氣體擴散通道和生物膜載體兩個功能。壓力氣體通過疏水性微孔中空纖維膜內(nèi)腔，以壓力差作為推動力，氣體由膜壁上的微孔通道擴散至中空纖維膜的外側(cè)；中空纖維膜的外側(cè)附著生物膜。氧氣和有機物、氮、磷等營養(yǎng)底物分別從生物膜的兩側(cè)進入內(nèi)部，生物膜內(nèi)出現(xiàn)異向傳質(zhì)。在生物膜/液相界面(或稱生物膜外層)，有機物濃度最大而溶解氧濃度最小；在疏水性微孔膜/生物膜界面(或稱生物膜內(nèi)層)，則正好相反。這種異向傳質(zhì)特性使硝化菌處于生物膜內(nèi)層、反硝化菌生長于生物膜外層，形成好氧硝化、厭氧反硝化共處的理想場所。不同生物相的微生物生長和代謝功能得以相互協(xié)調(diào)和抑制，微生物在一個相對穩(wěn)定的生物膜厚度范圍內(nèi)和諧地生長，生物膜內(nèi)層附近的高氧低碳濃度促進硝化反應的發(fā)生，該層上的好氧層易于進行有機碳氧化反應，而在生物膜外層附近存在的厭氧層卻維持著反硝化反應的進行。主體料液控制為缺氧/厭氧環(huán)境，在兼氧菌及厭氧菌的共同作用下，完成反硝化脫氮過程。因此，反應器內(nèi)生物膜-主體料液共同構成脫氮系統(tǒng)，同時實現(xiàn)硝化反應、反硝化反應和異氧氨化反應，達到同時去除有機物和氮的目的。

如圖1所示，本發(fā)明的無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置中可實現(xiàn)同步硝化反硝化過程，該裝置包括：1原水水箱、2進水泵、3調(diào)節(jié)閥、4流量計ⅰ、5無泡曝氣膜生物反應器、6氣體流量計ⅱ、7壓力表、8空壓機、9疏水性中空纖維膜組件、16循環(huán)泵；其中所述原水水箱1通過進水泵2、調(diào)節(jié)閥3、流量計4與無泡曝氣膜生物反應器5相連接，污水經(jīng)過無泡曝氣膜生物反應器5處理之后由出水口15以溢流方式流出，反應器采用推流運行方式；無泡曝氣膜生物反應器5內(nèi)的疏水性中空纖維膜組件9一端與空壓機8由管路連接，其上設置氣體流量計6、壓力表7，疏水性中空纖維膜組件9另一端由管路及控制閥10與氣體流量計11連接，監(jiān)測通過組件9未利用的剩余氣體流量，氣體流量計6、11的差值可視為曝氣量。空壓機8和控制閥10用于調(diào)節(jié)組件9的曝氣壓力，循環(huán)泵16用于疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器5的啟動掛膜。編號12、13、14分別為ⅰ、ⅱ、ⅲ取樣口，15為出水口。所述的疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器內(nèi)的do通過便攜式溶解氧儀測定，并且通過調(diào)節(jié)空壓機8的壓力來調(diào)控疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化反應器內(nèi)的do值。所述的疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器內(nèi)的ph通過便攜式ph計測定，根據(jù)所測ph的大小確定是否外加堿及投加量。

圖2為掛膜階段cod去除效果，從圖可知，在實驗運行45天內(nèi)，系統(tǒng)對cod的去除率逐漸上升，達到穩(wěn)定狀態(tài)時，出水cod濃度約為43.64mg/l，cod去除率在84％左右。

圖3為系統(tǒng)啟動掛膜階段對nh4⁺-n的去除情況，由圖可知，在實驗前45天內(nèi)，系統(tǒng)對nh4⁺-n去除效果較好，達到穩(wěn)態(tài)時，nh4⁺-n去除率在90％以上，但隨著微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的分解氧化作用，膜上生物量繼續(xù)增加，對nh4⁺-n的去除率也隨著生物量的增加而提高。隨著生物膜的增長，nh4⁺-n去除率卻持續(xù)增長且高達90％，說明膜上具有硝化功能的微生物仍在快速生長，其中nh4⁺-n去除率最高可達96.46％。具體的啟動掛膜的操作步驟如下：

①系統(tǒng)啟動

為了提高掛膜效率并保證無泡曝氣，操作壓力低于泡點。接種污泥取自某污水處理廠a²/o工藝好氧池回流污泥，該工藝在去除有機物的同時能很好地實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮過程，因此有利于本次試驗的生物膜馴化。起始污泥的mlss為5833mg/l，沉降比(sv)為38％。

②掛膜馴化

配水中加入nahco3調(diào)節(jié)ph，控制ph為7.0～8.0。取污泥從反應器頂部沿器壁緩慢地加入到反應器中。然后，打開進水泵，緩慢加入人工污水。

由于本試驗過程設計為推流，不設攪拌裝置，為了使掛膜過程保持污泥懸浮狀態(tài)，系統(tǒng)設置循環(huán)泵(僅限于掛膜階段)，循環(huán)量為總?cè)莘e的4-10％，循環(huán)量逐漸增加。

考慮到馴化階段微生物對新環(huán)境有一個逐漸適應的過程，故人工配水的換入量分三個階段進行，分別為反應器體積的1/3、2/3、1各運行15天。

掛膜45天后，附著的生物膜逐漸致密，顏色由淺棕色逐級變?yōu)楹诤稚?。生物膜厚度也隨水流的沖刷和自身增殖變得均勻。與此同時，mabr對cod及氮素的去除能力逐漸增強，并且逐漸獲得了對總氮的去除效果，反應器出水指標達到穩(wěn)定，表明掛膜成功開始正式試驗。

③操作運行:

將污水加入到原水水箱1,啟動進水泵2，將污水抽入到疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器5內(nèi),利用空壓機8對疏水性中空纖維膜組件9進行充氧,調(diào)節(jié)空壓機控制曝氣壓力為泡點(采用聚丙烯中空纖維膜，微孔孔徑0.01-0.03微米，泡點為0.07mpa)的1/5～2/3，保持反應器5內(nèi)的do值在0.5～1.1mg/l。通過控制調(diào)節(jié)閥3、流量計4使水流以較低速度推流至反應器5的頂端，溢流流出。

改變進水凱氏氮濃度控制進水c/n為6，通過調(diào)節(jié)閥3、流量計4控制進水hrt為12h,此時，疏水性微孔曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化脫氮效果最佳。

本發(fā)明疏水性微孔曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化脫氮的方法，具有以下優(yōu)點：

①將同步硝化反硝化脫氮技術應用于疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器處理生活污水過程中，系統(tǒng)ph維持相對穩(wěn)定，無需外加堿源；在一個反應器內(nèi)的相同處理空間實現(xiàn)同步硝化反硝化，裝置流程簡單，容積小，脫氮效率高，投資低。

②將疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器應用于同步硝化反硝化脫氮過程中，氧及能量的利用率提高，占地面積減小，需氧量可通過調(diào)節(jié)供氧量控制，易實現(xiàn)模塊化及進一步升級改造。

③厭氧硝化層處在生物膜最外層，有利于控制生物膜厚度，可明顯減少污泥產(chǎn)量，對高濃度廢水處理尤為明顯。硝化菌處在生物膜內(nèi)層，高氧低碳環(huán)境有利于獲得高硝化速率，加之硝化反應產(chǎn)生的硝酸鹽作為反硝化的電子受體，節(jié)省外加碳源投加.

④本發(fā)明疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化過程中，硝化反應產(chǎn)生的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮在反硝化菌的作用下直接轉(zhuǎn)化為氮氣排出。傳統(tǒng)生物脫氮理論，高氧條件下反硝化菌作用的主要產(chǎn)物為n2o，低氧條件下產(chǎn)生n2，因此，本發(fā)明疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器的同步硝化反硝化脫氮過程減少氮氧化物的溢出，避免產(chǎn)生大量溫室氣體，是一種綠色的生物脫氮方法。

⑤本發(fā)明疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化方法是硝化反應、反硝化反應在疏水性微孔膜無泡曝氣膜生物反應器中同時發(fā)生，該過程中反硝化產(chǎn)生的oh-可以中和硝化產(chǎn)生的部分h⁺，減少ph值的波動，使兩個生物反應過程同時受益，提高了反應效率，并可減少外加堿量，降低運行成本。

⑥結合膜無泡曝氣生物反應器便于控制的特點，可通過調(diào)控系統(tǒng)的曝氣壓力、進水c/n比、進水hrt，實現(xiàn)硝化反應、反硝化反應的平衡，提高脫氮效率。

試驗過程中,試驗用水為生活污水,原水cod為220～250mg/l，總氮為24～75mg/l。接種污泥取自某污水處理廠a²/o工藝好氧池回流污泥，該工藝在去除有機物的同時能很好的實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮，因此有利于本次試驗的生物膜馴化。起始污泥的mlss為6000～8000mg/l，沉降比(sv)為20～50％。試驗系統(tǒng)如圖1所示,反應器中膜組件的浸沒深度為反應器高度的1/3。

(5)具體的運行操作如下：

①系統(tǒng)的啟動

a、泡點的測定

向反應器內(nèi)注滿清水，通過調(diào)節(jié)空壓機向疏水膜腔內(nèi)逐漸加壓空氣，加壓至膜組件表面剛好產(chǎn)生微小氣泡時，記錄壓力為0.07mpa，即為泡點。

b、掛膜馴化

疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器生物膜的形成是懸浮微生物的附著，微生物在載體膜組件上生長繁殖的過程，因此該實驗采用循環(huán)掛膜方式。為了提高掛膜效率并保證無泡曝氣，曝氣壓力調(diào)節(jié)為稍低于泡點的壓力。進水方式為在循環(huán)泵7的作用下連續(xù)進水，具體操作如下：

①配水中加入nahco3調(diào)節(jié)ph，控制ph為7.0～8.0。取接種污泥從反應器頂部沿器壁緩慢地加入到反應器中。打開進水泵，緩慢加入人工污水，使反應器內(nèi)的混合液體積達到反應器的有效容積。

②由于本試驗過程設計為推流，不設攪拌裝置，為了使掛膜過程保持污泥懸浮狀態(tài)，系統(tǒng)設置循環(huán)泵(僅限于掛膜階段)，循環(huán)量為總?cè)莘e的4-10％，循環(huán)量逐漸增加。

③考慮到馴化階段微生物對新環(huán)境有一個逐漸適應的過程，故人工配水的換入量分三個階段進行，分別為反應器容積的1/3、2/3、1倍。

④掛膜完成時，附著的生物膜逐漸致密，顏色由淺棕色逐級變?yōu)楹诤稚?。生物膜厚度也隨水流的沖刷和自身增殖變得均勻。與此同時，本發(fā)明疏水性微孔膜無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化系統(tǒng)對cod及氮素的去除能力逐漸增強，反應器出水指標達到穩(wěn)定，掛膜成功開始正式試驗。

c、啟動效果分析

啟動階段主要檢測cod、nh4⁺-n的去除，具體的去除情況如圖2、3所示。在實驗運行的45天內(nèi)，系統(tǒng)對cod、nh4⁺-n的去除率逐漸上升，到穩(wěn)定狀態(tài)時，出水cod去除率在84％，nh4⁺-n去除率在90％以上。

d、影響因素控制分析

本發(fā)明以生活污水為處理對象，分別考察曝氣壓力、進水c/n、進水hrt對疏水性微孔曝氣膜生物反應器同步硝化反硝化的影響。進水cod負荷0.85～2.02kg/(m³·d)，ph7.5～8.5，溫度20℃～30℃條件下，曝氣壓力為泡點的1/5～2/3、進水c/n比分別為3、6、9，進水hrt為4、8、12、24h時，同步硝化反硝化及去除cod的效果，如圖4、5、6所示。

圖4為曝氣壓力對無泡曝氣生物反應器同步硝化反硝化的污水處理裝置(如圖1)的氮的轉(zhuǎn)化及去除的影響。由圖4可知，硝化率隨曝氣壓力的增加而增加，曝氣壓力低至0.02mpa時，硝化率僅為63.75％，曝氣壓力升至0.06mpa，去除率可達96.50％。隨著曝氣壓力的增加do值升高，好氧硝化菌活性增強、厭氧反硝化菌活性受到抑制，致使硝化率升高、反硝化率降低。當曝氣壓力為0.04mpa時，硝化率與反硝化率相等，使硝化、反硝化過程的動力學達到基本平衡，mabr內(nèi)tn去除率最高，獲得最佳的脫氮效果，其tn去除率為74.67％。

圖5為三種不同c/n比條件下出水中所含cod、nh4⁺-n、no3-n、no2-n、tn的含量。由圖可知不同c/n比條件下，n02^--n濃度均很低，未超過1mg/l,出水n03^--n的濃度則隨著c/n值得增加而降低，說明隨著c/n值增加，反硝化反應進行的比較完全，硝化反應成為脫氮過程的限制步驟，同時也說明由于進水有機物濃度的提高，使得好氧異養(yǎng)菌大量生長，生物膜中硝化菌所占比例下降，異養(yǎng)菌和硝化菌競爭營養(yǎng)底物和溶解氧，使硝化菌的增殖受到抑制，并抑制了硝化反應的進行。根據(jù)微環(huán)境理論，進水c/n值越高，好氧異養(yǎng)菌活動越旺盛，對氧氣的競爭利用能力會越強，生物膜及污泥絮體do傳遞更差。若微環(huán)境傾向于缺氧狀態(tài)，雖不利于硝化反應進行，但有利于反硝化反應進行。綜合以上，分析認為mabr系統(tǒng)在c/n值為6時同步硝化反硝化效果最佳。

圖6為不同水力停留時間(hrt)下出水中含氮量情況。由圖可知，在hrt為4-12h時，生物膜內(nèi)部好氧區(qū)是限制脫氮效果的主要因素，達到高效除氮的關鍵是適當調(diào)整生物膜內(nèi)好氧區(qū)與缺氧區(qū)的容積比來控制反應器中硝化反應和反硝化反應的平衡。當hrt從12h延長至24h時，氨氮和總氮去除率增長較為緩慢，此時好氧區(qū)已不再是限制脫氮效果的主要原因，由此推斷，要想進一步提高同步硝化反硝化的脫氮效率可通過控制厭氧反硝化區(qū)來實現(xiàn)。

結果表明：出水cod濃度<50mg/l、nh4⁺-n濃度<3mg/l、no2-n濃度<1mg/l、no3-n濃度<10mg/l、tn濃度<15mg/l，出水達一級a排放標準。