一种强化脱氮的膜生物处理方法

摘要

本发明公开了一种强化脱氮的膜生物处理方法，包括培养驯化阶段和正常运行阶段，以解决膜生物反应器碳源不足导致脱氮效果不佳的问题，且相对于传统的膜生物处理方法能更有效地控制膜污染。本发明的处理方法提供了一种廉价的缓释碳源，显著改善脱氮效果，有效降低膜污染，提高出水水质，使系统更加稳定，同时具有较好的经济效益和环境效益。

权利要求

1.一种强化脱氮的膜生物处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）培养驯化阶段：

首先向膜生物反应器中输送污水，然后向膜生物反应器中投加直径为1～50mm的农作物废弃物，所述农作物废弃物为丝瓜络、稻秆、麦秆、稻壳、玉米芯和花生壳，投加比例为每去除1g氮投加30～300g农作物废弃物；

然后按照曝气气水比20:1～60:1、曝气时间4小时、污水容积负荷为2～4kgBOD/3

m·d、水力停留时间4～8小时进行反应；

按照上述方式连续循环运行5～7天，当农作物废弃物呈悬浮状态时结束培养驯化阶段；

2）正常运行阶段：

向膜生物反应器中连续输送污水，膜生物反应器的每个运行周期投加一次农作物废弃3

物，控制污水容积负荷为1～5kgBOD/m·d，水力停留时间为4～8小时，对污水进行连续曝气，曝气气水比为20:1～60:1，每2～3月排一次活性污泥，农作物废弃物的单次投加量，是根据进出水水质设计指标，按照下式确定，m＝αTQ(C0-C1)式中：m为农作物废弃物的单次投加质量，单位为g；ɑ为去除1g氮需要农作物废弃物的质量，取30～300g/g；T为膜生物反应器运行周期，单位为h；Q为膜生物反应器进水流3

量，单位为m/h；C0为进水总氮浓度，单位为mg/L；C1为出水总氮浓度，单位为mg/L。

说明书

一种强化脱氮的膜生物处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种膜生物处理方法，特别是涉及一种投加农业废弃物作为反硝化碳源和微生物生长载体的膜生物处理方法。

背景技术

[0002] 开发水处理新技术实现污水回用是目前各国缓解水危机的重要措施之一，同时也是保护环境的重要举措。如今膜生物反应器技术以其独特的优势，如出水质好，操作管理方便，占地面积小等已经成为了我国污水处理的主要方法，在我国步入了实际应用阶段。膜生物反应器开始在我国的大规模应用，处理量不断增加，同时处理对象也不断的拓宽，从生活污水到食品废水、工业污水等。

[0003] 虽然膜生物反应器较传统污水处理方法具有显著优势，然而在膜生物反应器实际运行过程中也发现了诸多问题。其中，膜污染是膜生物反应器在运行中不可避免的问题，而膜污染会导致膜使用寿命变短，进而运行成本增加。目前关于控制膜污染的研究有很多，如新型膜材料的开发、新式膜组件的设计、膜生物反应器（MBR）运行方式的优化、混合液性状的改善以及各种清洗等。所以在膜生物反应器的开发利用过程中不断寻找新的方法减缓膜污染显得越来越重要，其所具有的经济社会价值也会不断增加。同时在膜生物反应器的实际运行中，还发现很多时候脱氮效果并不好，究其原因普遍为当前中国污水组成成分原因，污水本身能够提供的可利用碳源不够，导致反硝化过程有机物不足，影响脱氮效果。目前通常采用的投加乙醇、糖类等有机物补充碳源的方法，因其较高的经济成本不利于大规模推广，而同时农业废弃物如丝瓜络、玉米芯、稻壳、芦苇、麦秸等作为一种高效的缓释碳源越来越引起人们的重视。

[0004] 随着社会经济的快速发展，人们对资源的利用要求越来越高，当前农村存在的大量农作物秸秆，如玉米芯、稻草、麦秸、棉杆等处理和利用问题越来越突出。所以如何有效的利用这些农作物秸秆，把这些物质变为有效的资源成为当前越来越关注的问题。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种有效提高污水中污染物的去除效率，提高膜组件使用周期，并且能够实现高效脱氮的强化脱氮的膜生物处理方法。

[0006] 技术方案：本发明的强化脱氮的膜生物处理方法，包括以下步骤：

[0007] 1）培养驯化阶段：

[0008] 首先向膜生物反应器中输送污水，然后向膜生物反应器中投加直径为1~50mm的农作物废弃物，所述农作物废弃物为丝瓜络、稻秆、麦秆、稻壳、玉米芯和花生壳，投加比例为每去除1g氮投加30~300g农作物废弃物；

[0009] 然后按照曝气气水比20:1~60:1、曝气时间4小时、污水容积负荷为2~4kgBOD/3
(m·d)、水力停留时间4~8小时进行反应；

[0010] 按照上述方式连续循环运行5~7天，当农作物废弃物呈悬浮状态时结束培养驯化阶段；

[0011] 2）正常运行阶段：

[0012] 向膜生物反应器中连续输送污水，每个膜生物反应器运行周期投加一次农作物废3
弃物，控制污水容积负荷为1~5kgBOD/(m·d)，水力停留时间为4~8小时，对污水进行连续曝气，曝气气水比为20:1~60:1，每2~3月排一次活性污泥，

[0013] 农作物废弃物的单次投加量，是根据进出水水质设计指标，按照下式确定，[0014] m＝αTQ(C0-C1)

[0015] 式中：m为农作物废弃物的单次投加质量，单位为g；α为去除1g氮需要农作物废弃物的质量，取30~300g/g；T为膜生物反应器运行周期，单位为h；Q为膜生物反应器进水3
流量，单位为m/h；C0为进水总氮浓度，单位为mg/L；C1为出水总氮浓度，单位为mg/L。

[0016] 有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

[0017] 1.提供了一种廉价的缓释碳源，显著改善脱氮效果。

[0018] 悬浮固体生物膜是多种、不同功能微生物共生的微生态系统，形成的悬浮载体主要由生物量、胞外多聚物、无机成分以及包裹水和孔隙组成，由于存在物质扩散限制，内部细胞得到的氧气较少，在颗粒污泥内部形成厌氧区，为反硝化菌提供了适当的反硝化条件，MBR系统中从而可以发生同步硝化反硝化，有利于脱氮。反硝化所需的碳源，由悬浮固体生物膜载体中的细胞内储存物质PHB提供，然而当污水中可利用碳源不足时会导致反硝化效果不好。本生物反应器投加的天然有机质既可提供反硝化所需碳源，又可为微生物提供附着生长场所，使世代周期比较长的硝化菌和反硝化菌得以富集增殖，进而强化生物脱氮。

[0019] 2.有效降低膜污染，提高出水水质，使系统更加稳定。

[0020] 降低膜污染的途径有多种，本发明从改善混合液性状方面减轻膜污染。天然有机质的投加，不仅会为微生物反硝化提供所需的碳源，同时会带来一系列的协同效应：第一，天然有机质作为载体会增加污泥的沉降性能，和絮状污泥相比，会减轻对膜的污堵；第二，由天然有机质所形成的附着生物膜的流化，可对膜表面实现不断冲刷，大大减少膜表面有机物的积累，能够使膜一直维持在较高通量水平；第三，天然有机质对某些污染物具有一定的吸附作用，通过排泥能够使这部分污染物得以降解；第四，天然有机质对磷的去除也具有一定的协同沉淀作用，通过排泥使得磷得以有效的去除，从而出水水质更优。综上所述，天然有机质的投加能够有效的降低膜污染，提高出水水质，使系统运行更加稳定。

[0021] 3.具有较好的经济效益和环境效益。

[0022] 相对于投加传统的乙醇、乙酸、乙酸钠和葡萄糖等快速外加碳源，本发明采用的天然有机物碳源如丝瓜络、玉米芯、稻壳、稻秆等来源广泛且便宜，有利于降低污水处理运行成本，同时可实现农业废弃物的资源化利用。在实际工程使用中，可以根据不同的污水性质调整投加不同天然有机质的比例和有机量，而且本发明可快速应用到现有膜生物反应器乃至现有广泛应用的二级污水处理工艺的改造，可以广泛应用于城市生活污水和工业废水的处理，污染物去除效率和出水水质均有明显的提高，具有较好的经济效益和环境效益。

[0023] 4.投加农业废弃物作为碳源、强化膜生物反应器对污染物的去除和减少膜污染的工艺特征在于：第一，系统投加一定比例的农业废弃物，在生物反应器中作为缓释固体碳源，提供反硝化所需要的碳源，有利于脱氮；第二，投加的丝瓜络、稻壳、玉米芯等农业废弃物具有大量的毛细结构和细小空隙，有较大的比表面积，易于微生物的附着，是一种良好的生物载体，强化了膜生物反应器对污染物的去除；第三，生物反应器中采用搅拌装置或曝气系统，保持生物反应器中污泥、投加载体的流化状态，形成农业废弃物随着水流和曝气对膜组件的不断冲刷，减少膜组件表面污染物质的积累，减缓膜污染，提高膜使用周期。

附图说明

[0024] 图1为膜生物反应器示意图。

[0025] 图中：1.原水、2.抽吸泵、3.生物反应器、4.农作物废弃物预处理及投加系统、5.曝气装置、6.搅拌装置、7.膜组件、8.抽吸泵、9.污泥池、10.反冲洗装置、11.风机。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例进一步详述本发明的技术方案，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

[0027] 实施例1：

[0028] 试验所用农作物废弃物试验材料丝瓜络、稻秆、麦秆、稻壳、玉米芯和花生壳收集于江苏南京江宁区，收集后洗净、晾干，放入温度为65℃的干燥箱中24h，取出备用。分别称取重量为3g的农作物废弃物放入盛有500mL去离子水的锥形瓶中，试验温度控制在25±1℃，PH在6.8~7.5之间，分别在第6、12、24、36、48、60、72和96小时取样，测定水溶液中的COD浓度。实验结果为：48小时内，实验材料释放出95%的碳，之后水溶液中的COD浓度趋于稳定，稳定之后浓度分别为698、412、559、216、552、252mg/L，得出上述6种材料释放有机物能力分别为116、68、93、36、92、42mgCOD/g。

[0029] 取上述COD稳定后的溶液，按相应比例稀释至浓度为200mg/L，分别取3份150mL稀释后的溶液放入锥形瓶中，分为3组，组1、组2和组3进行试验。取特征：SV为95%，MLSS为10653mg/L的正常膜生物反应器活性污泥，在组1中加入10mL，组2中加入20mL，组3中加入30mL，放入温度为25℃，转速为120r/min的恒温摇床中进行试验，分别于12、24、36和48h取样，测定溶液中的COD浓度。实验结果为：36小时后COD去除率趋于稳定，组1去除率分别为52%、38%、20%、47%、18%和50%，组2的COD去除率分别为69%、51%、60%、53%、36%和
52%，组3的COD去除率分别为73%、53%、61%、55%、40%、53%。通过对比实验结果中组2和组
3的COD去除率可以得出，污泥量继续增加对COD去除率的贡献较小，表明COD的去除率已达到饱和，取组2和组3平均值，得出作为实验材料的农作物废弃物释放出的有机物能够被利用率分别为71%、52%、61%、54%、38%、53%。综上所述，得出6种农作物废弃物释放的能被微生物利用的有机物分别为82、35、57、19、35和22mgCOD/g。

[0030] 按照上述试验，农作物废弃物固体碳源每克能释放被微生物利用的碳源20~80mg的COD量，反硝化过程的理论需碳量为4.2gCOD/gN，但是在实际情况中的需碳量约为6~11gCOD/gN，因为实际污水能提供一部分反硝化所需碳源，所以实际应用中按每去除1g氮投加30~300g农作物废弃物。

[0031] 按如图1所示搭建膜生物反应装置7套，编号为A、B、C、D、E、F、G。其中A、B、C、D、E、F为试验组，G为不投加农作物废弃物的实验组，其他运行条件相同。原水1为人工配制污水，水质为COD=1000mg/L，NH3-N=30mg/L，TN=60mg/L，TP=10mg/L，按流量为0.8L/h通过抽吸泵2进入生物反应器3中，生物反应器有效体积为7L，径深比为0.2，农作物废弃物经过预处理及投加装置4的预处理后，按如下方式投加到生物反应器3中进行试验：A组单次投加丝瓜络10g，B组单次投加稻秆18g，C组单次投加麦秆14g，D组单次投加稻壳15g，E组单次投加玉米芯24g，F组单次投加花生壳30g，投加周期为4次/天。生物反应器底部设有曝气装置5，对污水进行连续曝气，控制曝气气水比为40:1。风机11连接曝气装置5与搅拌装置6协同工作使污泥混合液保持一定的紊流状态，形成农作物废弃物碎片随水流和气体对膜组件7的冲刷，减轻膜污染，提高膜使用周期。处理水经过抽吸泵8的抽吸作用排出。生物反应器底部的污泥通过排泥口到达污泥池9中。反冲洗装置10周期性的对膜组件进行反冲洗，提高膜组件的使用寿命。在此工艺条件下，反应器运行稳定，处理效果良好。

[0032] 进行试验的7组膜生物反应器运行7天后全部达到稳定状态，检测出水水质。实验结果为：A组COD去除率为97%，TN去除率为89%，TP去除率为85%；B组COD去除率为95%，TN去除率为85%，TP去除率为88%；C组COD去除率为95%，TN去除率为83%，TP去除率为84%；D组COD去除率为96%，TN去除率为85%，TP去除率为85%；E组COD去除率为97%，TN去除率为80%，TP去除率为83%；F组COD去除率为98%，TN去除率为90%，TP去除率为80%；
G组COD去除率为94%，TN去除率为62%，TP去除率为51%。综上所述，本发明的强化脱氮的膜生物处理方法，相对于传统膜生物处理方法在脱氮方面具有强化效果，对于TP和COD的去除效果也有一定提高。

[0033] 实施例2：

[0034] 改变实施例1中7套膜生物反应器的运行条件，具体改变如下：进水水质为COD=500mg/L，NH3-N=10mg/L，TN=40mg/L，TP=10mg/L；农作物废弃物投加方式为：A组单次投加丝瓜络6g，B组单次投加稻秆12g，C组单次投加麦秆10g，D组单次投加稻壳10g，E组单次投加玉米芯16g，F组单次投加花生壳20g，投加周期为4次/天；曝气气水比为20:1。其它同实施例1。

[0035] 进行试验的7组膜生物反应器运行5天后全部达到稳定状态，检测出水水质。实验结果为：A组COD去除率为98%，TN去除率为91%，TP去除率为83%；B组COD去除率为96%，TN去除率为88%，TP去除率为82%；C组COD去除率为97%，TN去除率为86%，TP去除率为80%；D组COD去除率为97%，TN去除率为84%，TP去除率为76%；E组COD去除率为95%，TN去除率为81%，TP去除率为75%；F组COD去除率为95%，TN去除率为93%，TP去除率为76%；
G组COD去除率为95%，TN去除率为53%，TP去除率为43%。综上所述，本发明的强化脱氮的膜生物处理方法，相对于传统膜生物处理方法在脱氮方面具有强化效果，对于TP和COD的去除效果也有一定提高。

[0036] 实施例3：

[0037] 改变实施例1中7套膜生物反应器的运行条件，具体改变如下：进水水质为COD=1500mg/L，NH3-N=30mg/L，TN=80mg/L，TP=10mg/L；农作物废弃物投加方式为：A组单次投加丝瓜络15g，B组单次投加稻秆25g，C组单次投加麦秆25g，D组单次投加稻壳25g，E组单次投加玉米芯35g，F组单次投加花生壳50g，投加周期为4次/天；曝气气水比为60:1。其它同实施例1。

[0038] 进行试验的7组膜生物反应器运行6天后全部达到稳定状态，检测出水水质。实验结果为：A组COD去除率为96%，TN去除率为89%，TP去除率为90%；B组COD去除率为95%，TN去除率为85%，TP去除率为85%；C组COD去除率为97%，TN去除率为83%，TP去除率为93%；D组COD去除率为98%，TN去除率为76%，TP去除率为98%；E组COD去除率为96%，TN去除率为88%，TP去除率为94%；F组COD去除率为95%，TN去除率为84%，TP去除率为90%；
G组COD去除率为95%，TN去除率为47%，TP去除率为56%。综上所述，本发明的强化脱氮的膜生物处理方法，相对于传统膜生物处理方法在脱氮方面具有强化效果，对于TP和COD的去除效果也有一定提高。

[0039] 本发明的处理方法适用于多种废水的处理。对于不同水质的污水和标准，可以设计不同的处理工况条件；在废水处理时，通过调节投加农业废弃物的投加量和投加周期，以适应不同的水质条件；通过调节曝气装置的曝气量和曝气强度、搅拌装置不同的搅拌速率，控制污泥的流化状态，保持混合物质对膜的最佳冲刷状态，最大限度的减轻膜污染；通过调节投加农业废弃物不同的投加大小，可以最大优化微生物生长条件，最大限度利于污水处理；通过控制不同的污泥龄，能够最大限度的利用农业废弃物的碳源，使农业废弃物达到最大的释碳效能。根据实际情况，选择合适的工艺参数，能够最大限度提高出水水质和降低运行费用。

[0040] 本发明的应用广泛，可以根据实际情况调整工艺参数以适用不同的污水处理，如：各种生活污水的处理和回用、制药废水、酿酒废水等的污水处理与回用单元等。本发明处理费用低，利用廉价的农业废弃物，不仅有效的处理了污水，能部分解决了这些农业废弃物的处理问题，实现了一物多用的功能，对环境和社会经济都有重要意义。