一种膜生物膜培养驯化工艺及处理高盐废水用膜生物膜反应
装置
技术领域
背景技术
[0002] 随着我国人口数量的不断增加、经济体系的快速发展，社会各行业废水
排放量日益增多。国家统计局最新数据显示：2017年我国废水排放总量约为699.66亿吨，其中总氮总磷排放量分别达216.46万吨和11.84万吨，此类废水若未得到有效治理而直接排放至天然
水体，会
加速受纳水体环境恶化，增加
水体富营养化几率。《中国水资源
公报(2018年)》指出：在全国监测的124个重要湖泊中，劣V类湖泊占监测总数的16.1％，而符合Ⅰ～Ⅲ类水质标准的湖泊仅为25.0％；可见，目前我国面临着严重的水体污染及富营养化问题。
[0003] 工业废水排放是我国污染水源中非常重要的组成部分之一，2017年我国工业废水排放量约为189.9亿吨，占废水排放总量的27.14％。其含有高浓度无机盐离子，并携带大量的
碳、氮等污染物，处理难度大，难以重复利用，是典型的高盐高浓度难降解有机废水。此类废水若未经有效处理而直接排放，不仅破坏河流生态环境，更危害人类身体健康。可见，针对高盐废水的有效处理，对解决我国水环境污染问题具有重要的理论和实践意义。
[0004] 我国目前常用的
污水处理技术以活性
污泥法为主，有近85％以上的城市污水处理厂采用
活性污泥法。但其具有运行能耗高、占地面积大、出水水质低等缺点外，高浓度无机盐离子还会降低活性污泥沉降性、恶化生物系统。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种膜生物膜培养驯化工艺以及一种膜生物膜反应装置，该膜生物膜培养驯化工艺可以培养出适于高盐废水处理的生物膜，且该膜生物膜反应装置克服了传统
活性污泥法处理废水时工艺占地面积大、污泥产率高，同时生物相脆弱等方面的
缺陷。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种膜生物膜培养驯化工艺，包括步骤：
[0008] 1)将第一
营养液与污泥按照设定比例放入反应器内，并使第一营养液与污泥在反应器内按照第一设定流速流动，向所述反应器内供
氧并保持第一设定供气压
力，所述第一+ +营养液中COD的浓度为第一COD浓度且NH4-N的浓度为第一NH4-N浓度；
[0009] 2)每隔第一设定时间向所述反应器内添加第一设定体积的第一营养液，共添加N1次第一营养液，N1＞0；
[0010] 3)将反应器内的沉降污泥和液体全部排出；
[0011] 4)将第二营养液与污泥按照设定比例放入反应器内，并使第二营养液与活性污泥在反应器内按照第二设定流速流动，向所述反应器内供氧并保持第二设定供气压力，所述第二营养液中COD的浓度为第二COD浓度且NH4+-N的浓度为第二NH4+-N浓度；
[0012] 5)每隔第二设定时间向所述反应器内添加第二设定体积的第二营养液，共添加N2次第二营养液，N2＞0；
[0013] 6)多次向反应容器内添加
氯化钠溶液，每次添加氯化钠溶液时将第三设定体积的氯化钠溶液在设定时间段内逐渐添加到反应容器内，且每次添加的氯化钠溶液的浓度均高于上一次添加的氯化钠溶液的浓度。
[0014] 优选地，上述膜生物膜培养驯化工艺中，
[0015] 所述第一设定流速和第二设定流速均为0.005m/s；
[0016] 所述第一设定供气压力和第二设定供气压力均为0.05Mpa；
[0017] 所述第一COD浓度为500mg/L，所述第二COD浓度为800mg/L；
[0018] 所述第一NH4+-N浓度和第二NH4+-N浓度均为50mg/L；
[0019] 所述第一设定时间和第二设定时间为12h。
[0020] 优选地，上述膜生物膜培养驯化工艺中，所述步骤6)中多次向反应容器内添加的氯化钠溶液浓度逐渐增加，相邻两次添加的氯化钠溶液的浓度相差5g/L，且最后一次添加的氯化钠溶液的浓度为20g/L。
[0021] 一种膜生物膜反应装置，用于废水处理，包括：
[0022] 反应容器；
[0023] 设置在所述反应容器内的气体分离膜，且所述气体分离膜具有内腔；
[0024] 位于所述气体分离膜外侧的生物膜位于所述气体分离膜外侧的生物膜，所述生物膜为由上述中任一项膜生物膜培养驯化工艺制得的生物膜；
[0025] 与所述反应容器内部连通的进水管道和出水管道，进入所述反应器的废水从反应器底端流向反应器顶端至排出；
[0026] 与所述气体分离膜的内腔连通的进气组件和泄气组件，所述进气组件与所述气体分离膜的顶端连通，所述泄气组件与所述气体分离膜的底端连通。
[0027] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述气体分离膜由下至上呈螺旋状分布在所述反应容器内，所述生物膜沿着所述气体分离膜的延伸方向分布。
[0028] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述生物膜贴合所述气体分离膜的外壁生长，由所述生物膜靠近所述气体分离膜的外壁的一侧至背离所述气体分离膜的外壁的一侧，所述生物膜依次为好氧层、缺氧层和厌氧层。
[0029] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述进水管道上设置有进水
蠕动泵，和/或，所述出水管道上设置有出水
蠕动泵；
[0030] 所述进气组件包括曝气泵和气体流量计。
[0031] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述进气组件还包括串接于所述曝气泵和气体流量计之间的稳压
阀。
[0032] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述泄气组件包括
泄压阀。
[0033] 优选地。上述膜生物膜反应装置中，所述反应容器的壁上开设有与所述气体分离膜的泄气端连通的通气孔，所述泄压阀位于所述反应容器外侧。
[0034] 本发明提供的膜生物膜培养驯化工艺包括二次循环挂膜和耐盐驯化阶段。其中步骤1)-步骤3)为第一次挂膜，第一次挂膜通过相对较低的液相流速、相对较高的
氨氮浓度和膜丝表面的含氧量促进硝化细菌在曝气膜表面附着生长。待活性污泥松散的
吸附在曝气膜表面后，将反应器内的沉降污泥和水全部排出。步骤4)-5)为第二次挂膜，目的是使曝气膜表面吸附活性更强的
微生物，生物膜逐渐变化且致密。步骤6)为生物膜的耐盐驯化阶段，挂膜后形成的生物膜进具有不成熟的
生态系统，极易受外界因素影响，本发明采取添加人工配置的低
盐度的废水进行驯化，每次添加5L，停留24h，并监控COD、NH4+-N去除效果，具体地按照氯化钠浓度为5g/L的浓度梯度逐步递增氯化钠含量至20g/L，每次提高盐度后都要待反应器趋于稳定后再次提高盐度。
[0035] 由上可知，本发明提供的膜生物膜培养驯化工艺中包括二次循环挂膜和耐盐驯化阶段，应用该膜生物膜培养驯化工艺制得的生物膜对处理高盐废水的效率更高，且生物膜经过耐盐驯化后，不会降低污泥活性、生物系统更易保持。
[0036] 应用上述提供的膜生物膜反应装置时，首先废水经过进水管道进入到反应容器中，同
时空气或氧气在进气组件的作用下进入气体分离膜的内腔中，废水与附着在气体分离膜外侧的生物膜
接触，进入反应容器5的废水的流向与进入气体分离膜4内腔的气体的流向相反，以使废水沿着生物膜的延伸方向流动，保证生物膜充分消除废水中的氮和磷，最终附着在气体分离膜外侧的生物膜完成脱氮除磷。处理完毕的水经出水管道排出反应容器，同时气体分离膜中的尾气经泄气组件排出。
[0037] 由上可知，本发明提供的膜生物膜反应装置具有基建成本低、占地面积小，消费能耗少、操作简单、氧气利用率高等优点，还能够提高微生物附着的
稳定性、强化微
生物污染物去除能力等优点，同时实现高效的污泥减量效果。
附图说明
[0038] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1为本发明实施例提供的膜生物膜反应装置的结构示意图。
[0040] 在图1中：
[0041] 1-曝气泵、2-稳压阀、3-气体流量计、4-气体分离膜、5-反应容器、6-进水蠕动泵、7-泄压阀、8-生物膜、9-出水蠕动泵。
具体实施方式
[0042] 本发明的目的在于提供一种膜生物膜培养驯化工艺以及一种膜生物膜反应装置，该膜生物膜培养驯化工艺可以培养出适于高盐废水处理的生物膜，且该膜生物膜反应装置克服了传统活性污泥法处理废水时工艺占地面积大、污泥产率高，同时生物相脆弱等方面的缺陷。
[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0045] 本发明提供的膜生物膜培养驯化工艺，包括步骤：
[0046] 1)将第一营养液与污泥按照设定比例放入反应器内，并使第一营养液与污泥在反应器内按照第一设定流速流动，向所述反应器内供氧并保持第一设定供气压力，所述第一营养液中COD的浓度为第一COD浓度且NH4+-N的浓度为第一NH4+-N浓度；
[0047] 上述步骤1)中，第一营养液与污泥可以按照设定比例先混合均匀后再注入反应容器中，也可以分两次分别将第一营养液与污泥放入反应容器中。反应容器可以为气体分离膜。第一设定流速为0.005m/s，即第一营养液与污泥在反应器内的流动速度为0.005m/s。第一设定供气压力为0.05Mpa，即保持反应容器内的气压为0.05Mpa，可以直接向反应容器内供空气或氧气。第一COD浓度为500mg/L，第一NH4+-N浓度为50mg/L。
[0048] 2)每隔第一设定时间向所述反应器内添加第一设定体积的第一营养液，共添加N1次第一营养液，N1＞0；
[0049] 第一设定时间为12h。N1＝6，即可以每隔12h向反应器内添加第一设定体积的第一营养液，共添加6次第一营养液。
[0050] 3)将反应器内的沉降污泥和液体全部排出；
[0051] 4)将第二营养液与污泥按照设定比例放入反应器内，并使第二营养液与活性污泥在反应器内按照第二设定流速流动，向所述反应器内供氧并保持第二设定供气压力，所述第二营养液中COD的浓度为第二COD浓度且NH4+-N的浓度为第二NH4+-N浓度；
[0052] 上述步骤2)中，第二营养液与污泥可以按照设定比例先混合均匀后再注入反应容器中，也可以分两次分别将第二营养液与污泥放入反应容器中。第一设定流速为0.005m/s，即第二营养液与污泥在反应器内的流动速度为0.005m/s。第二设定供气压力为0.05Mpa，即保持反应容器内的气压为0.05Mpa，可以直接向反应容器内供空气或氧气。第二COD浓度为800mg/L，第二NH4+-N浓度为50mg/L。
[0053] 5)每隔第二设定时间向所述反应器内添加第二设定体积的第二营养液，共添加N2次第二营养液，N2＞0；
[0054] 第二设定时间为12h。N1＝12，即可以每隔12h向反应器内添加第二设定体积的第二营养液，共添加12次第一营养液。
[0055] 6)多次向反应容器内添加氯化钠溶液，每次添加氯化钠溶液时将第三设定体积的氯化钠溶液在设定时间段内逐渐添加到反应容器内，且每次添加的氯化钠溶液的浓度均高于上一次添加的氯化钠溶液的浓度。
[0056] 该步骤6)为生物膜的耐盐驯化阶段，第三设定体积为5L，设定时间段为24h。优选地，多次向反应容器内添加氯化钠溶液过程中，可以按照氯化钠溶液的浓度为5g/L的浓度梯度逐步递增氯化钠含量至20g/L，相邻两次添加的氯化钠溶液的浓度相差5g/L，最后一次添加的氯化钠溶液的浓度为20g/L。该步骤中还可以监控COD、NH4+-N去除效果。
[0057] 本发明提供的膜生物膜培养驯化工艺包括二次循环挂膜和耐盐驯化阶段。其中步骤1)-步骤3)为第一次挂膜，第一次挂膜通过相对较低的液相流速、相对较高的氨氮浓度和膜丝表面的含氧量促进硝化细菌在曝气膜表面附着生长。待活性污泥松散的吸附在曝气膜表面后，将反应器内的沉降污泥和水全部排出。步骤4)-5)为第二次挂膜，目的是使曝气膜表面吸附活性更强的微生物，生物膜逐渐变化且致密。步骤6)为生物膜的耐盐驯化阶段，挂膜后形成的生物膜进具有不成熟的生态系统，极易受外界因素影响，本发明采取添加人工配置的低盐度的废水进行驯化，每次添加5L，停留24h，并监控COD、NH4+-N去除效果，具体地按照氯化钠浓度为5g/L的浓度梯度逐步递增氯化钠含量至20g/L，每次提高盐度后都要待反应器趋于稳定后再次提高盐度。
[0058] 由上可知，本发明提供的膜生物膜培养驯化工艺中包括二次循环挂膜和耐盐驯化阶段，应用该膜生物膜培养驯化工艺培养驯化而得的生物膜对处理高盐废水的效率更高，且生物膜经过耐盐驯化后，不会降低污泥活性、生物系统更易保持。
[0059] 请参阅图1，本发明提供的膜生物膜反应装置用于废水处理，主要用于处理含有高浓度无机盐离子的废水。上述膜生物膜反应装置包括反应容器5、气体分离膜4、生物膜8、进水管道、出水管道、进气组件和泄气组件。
[0060] 其中，气体分离膜4设置在反应容器5内，并且气体分离膜4具有内腔，氧气可以穿过气体分离膜4。生物膜8位于气体分离膜4的外侧，即生物膜8生长在气体分离膜4上，生物膜8上具有菌群，生物膜8为应用上述膜生物膜培养驯化工艺而得的生物膜。进水管道和出水管道均与反应容器5内部连通，废水经进水管道进入反应容器5，在反应容器5被处理后从出水管道流出。进入反应器5的废水从反应器底端流向反应器顶端至排出，即进水管道与反应器5的底端连通，出水管道与反应器5的顶端连通。进气组件和泄气组件均与气体分离膜4的内腔连通，氧气或空气经进气组件进入气体分离膜4的内腔，最终从泄气组件排出。进气组件与气体分离膜4的顶端连通，泄气组件与气体分离膜4的底端连通，即进入反应容器5的废水的流向与进入气体分离膜4内腔的气体的流向相反。
[0061] 应用上述实施例提供的膜生物膜反应装置时，首先废水经过进水管道进入到反应容器5中，同时空气或氧气在进气组件的作用下进入气体分离膜4的内腔中，废水与附着在气体分离膜4外侧的生物膜8接触，进入反应容器5的废水的流向与进入气体分离膜4内腔的气体的流向相反，以使废水沿着生物膜8的延伸方向流动，保证生物膜8充分消除废水中的氮和磷，最终附着在气体分离膜4外侧的生物膜8完成脱氮除磷。处理完毕的水经出水管道排出反应容器5，同时气体分离膜4中的尾气经泄气组件排出。
[0062] 由上可知，本发明提供的膜生物膜反应装置具有基建成本低、占地面积小，消费能耗少、操作简单、氧气利用率高等优点，还能够提高微生物附着的稳定性、强化微生物污染物去除能力等优点，同时实现高效的污泥减量效果。
[0063] 为了进一步延长生物膜8与废水的反应时间，上述气体分离膜4由下至上呈螺旋状分布在反应容器5内，并且生物膜8沿着气体分离膜4的延伸方向分布。即生物膜8也由下至上呈螺旋状分布。如此，生物膜8的总长度较长，其可以含有更多的菌群，可大大提高微生物污染物去除能力。
[0064] 当然，气体分离膜4和生物膜8也可以为方体状等，在此不作限定。
[0065] 其中，进水管道和泄气组件均与反应容器5的上端和下端中的一端连接，出水管道和进气组件均与反应容器5的上端和下端中的另一端连接。即进水管道和泄气组件可以均与反应容器5的下端连接，出水管道和进气组件可以均与反应容器5的上端连接。或者，进水管道和泄气组件可以均与反应容器5的上端连接，出水管道和进气组件可以均与反应容器5的下端连接。如此设置，废水的流向和气体的流向一个从上至下且另一从下至上。比如，当进水管道和泄气组件均与反应容器5的下端连接，出水管道和进气组件均与反应容器5的上端连接时，废水从反应容器5的下端流向上端，空气或氧气从反应容器5的上端流向下端，实现了进入反应容器5的废水依次经过气体分离膜4的泄气端和进气端。
[0066] 进一步地，生物膜8贴合气体分离膜4的外壁设置，由生物膜8靠近气体分离膜4的外壁的一侧至背离气体分离膜4的外壁的一侧，生物膜8依次为好氧层、缺氧层和厌氧层。即生物膜8附在气体分离膜4的外壁上，生物膜8为高盐废水提供脱氮除磷主要场所，氧气进入气体分离膜4的内腔，在供氧压力驱动下氧气通过吸附-溶解扩散方式透过气体分离膜4流动到生物膜8，并向生物膜8远离气体分离膜4的一侧扩散，形成由高到低的氧浓度分层。同时，废水中的有机底物传递方向与氧气传输方向相反，在浓差驱动和生物膜8吸附作用下从液相临界-生物膜层扩散至生物膜8内部，形成由高到低的有机质浓度梯度；在生物膜8相中，由于氧气与有机质的异向传质，导致氧气和污染物浓度梯度刚好相反，在生物膜8内形成了独特的分层结构，出现不同的功能区，导致由生物膜8靠近气体分离膜4的外壁的一侧至背离气体分离膜4的外壁的一侧，生物膜8依次为好氧层、缺氧层和厌氧层。
[0067] 厌氧层氧气浓度几乎为零而有机质浓度最大，菌系主要由厌氧
发酵菌、产氢产乙酸菌以及产甲烷菌组成，该菌群主要负责有机物的
水解酸化，将结构复杂、分子量大、可生化学差的有机物分解成短链物质，利于其向生物膜8内部扩散。缺氧层区域氧气含量较低，堆积了从好氧层扩散来的
硝酸盐及亚硝酸盐等氧化物，菌系主要由
反硝化细菌组成，该菌群以厌氧层水解酸化产生的小分子物质为碳源，将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气等。好氧层氧气浓度最高，而有机底物浓度较低，菌系主要为世代周期较长的硝化细菌和异养好氧菌，该菌群主要负责氨氮和易降解有机物的氧化分解。此外，由于生物膜8独特的分层结构，即氧气浓度梯度与有机质浓度梯度相反，进而污泥产率低，从而实现有效的污泥减量。
[0068] 为了便于控制进水流量，可以在进水管道上设置进水蠕动泵6。
[0069] 同样地，为了便于控制出水流量，还可以在出水管道上设置出水蠕动泵9。
[0070] 通过进水蠕动泵6和/或出水蠕动泵9，控制进出水流量，可以进而控制高盐废水在反应容器5内的
停留时间。
[0071] 在一具体实施例中，进气组件包括曝气泵1和气体流量计3，以便于控制进入气体分离膜4内的氧气或空气。
[0072] 进一步地，进气组件还包括串接于曝气泵1和气体流量计3之间的稳压阀2，以通过稳压阀2稳定进气压力。
[0073] 优选地，泄气组件可以包括泄压阀7，泄压阀7串接在泄气管路上。
[0074] 进一步地，反应容器5的壁上开设有与气体分离膜4的泄气端连通的通气孔，泄压阀7位于反应容器5外侧。气体分离膜4内的尾气直接经通气孔排出反应容器5，进而经泄压阀7排出。当然，尾气也可以直接排至反应容器5内部，在此不作限定。
[0075] 具体地，反应容器5可以为圆柱形。反应容器5可以为玻璃容器，具体可为有机玻璃容器。
[0076] 综合上述各个实施例，高盐废水在进水蠕动泵6的作用下从反应容器5底部进入反应容器5中，通过进水蠕动泵6控制水流速度，
自下而上流动。通过曝气泵1进行供氧，由稳压阀2、泄压阀7和气体流量计3调控曝气压力，并且氧气
自上而下流动。水流方向、气体分离膜4的排布方向以及氧气流向的分布情况，可以最大限度的实现
对流传递，利于生物膜8内微生物的稳定性。气体分离膜4上长有的生物膜8完成同步脱氮除磷作用，处理后的水体在出水蠕动泵9的作用下排出系统，尾气在泄压阀7的作用下释放出体系外。
[0078] 采用某垃圾中转站的垃圾渗滤液，在整个运行过程中，保持水温为20-30℃。实验结果显示：COD去除率可达到90±2.3％，总氮去除率可达到85±3.1％，磷是去除率可达83±2.1％，比传统的活性污泥法提高20-30％以上。生物膜8反应装置的污泥SVI值较常规活性污泥下降37％，污泥产率较传统活性污泥法污泥产率降低30％以上。
[0079] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0080] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
