[发明专利]一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器

说明书

技术领域

本发明属于水处理设备技术领域，涉及到一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器。

背景技术

20世纪80年代末一种全新的生物反应厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation，ANAMMOX)的发现，为人们研究和开发单级自养生物脱氮工艺提供了理论依据。它能利用厌氧氨氧化菌以亚硝酸根为电子受体，氨为电子供体生成氮气，由于厌氧氨氧化反应具有缩短硝化进程，降低需氧量和碱度消耗，减少剩余污泥产生量，节省运行费用等优点，引起了人们的广泛关注，与之相关的单级自养生物脱氮工艺近年来成为了国内外研究的热点，其中包括：CANON(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺、OLAND(oxygen-limited autotrophic nitrification杁enitrification)工艺以及SNAP(single-stage nitrogen removal using anammox and partial nitritation)工艺等，这些工艺都是依靠好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用所完成。在微氧条件下，自养型好氧氨氧化菌以氧作为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸根，厌氧氨氧化菌再以氨作为电子供体，亚硝酸根为电子受体，生成氮气完成废水中的氮的去除。

在这些单级自养生物脱氮工艺中，溶解氧浓度、氨氮负荷和亚硝化程度是反应能否顺利进行的关键因素，因此反应器具备有效的供氧效率和高效的污泥截留能力是提高反应器负荷，维持好氧和厌氧氨氧化菌群动态平衡，进而保证工艺长期稳定运行的关键。目前实验室中运行单级自养生物脱氮工艺如CANON的反应器以气升反应器和SBR应用较多。拥有更高氧传质速率的气升式反应器氨氮的去除负荷可以达到1.5Kg N/m³.d，是SBR的20倍，但系统稳定性较差。由于气升反应器频繁发生的跑泥现象会造成部分生物量的流失，这对于缓慢增长的anammox等自养菌群的富集影响巨大，因而导致反应器处理效率下降并可能出现亚硝酸的短暂积累。尽管SBR反应器对缓慢增长的自养细菌的富集效果更加出众。但SBR反应器的气体传输效率不高，较低的工艺负荷限制了其进一步工业应用。相比之下，采用固定形式的生物膜反应器也许更适合单级生物脱氮工艺原理的应用，根据郝晓地等的模型分析，在优化的生物转盘反应器中，DO控制在0.6mg/L可得到最大的氮去除效率(氨氮95.5％、总氮87.5％)，但这只是优化后的结果，如何提高单级自养生物脱氮工艺的处理效率还是尚未解决的问题。

膜曝气生物反应器(membrane aerated bioreactor，MABR)是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理组合新工艺。膜曝气的主要特点在于无泡曝气和特殊结构的生物膜。MABR是采用微孔膜或致密透气膜曝气供氧，膜组件既是供氧通道，又是生物膜载体。通过控制膜孔内的空气压力，氧气几乎全部被生物膜吸收，氧气浓度沿生物膜厚度逐渐衰减，至生物膜与主体溶液界面处DO浓度为零，形成无泡曝气。因此在曝气膜上形成的生物膜结构与传统载体生物膜(例如生物滤池)结构相反，曝气膜内侧为好氧菌，中间层为兼氧菌，外层为厌氧菌。因此在曝气膜内侧，DO浓度最大，微生物以好氧硝化菌为主；而外层生物膜处于缺氧或厌氧环境，且此处有机物、NO₃^-浓度最高，可使反硝化速率达到最高，因此可在生物膜内同时发生硝化-反硝化过程，可达到同时去除有机物和氮的目的。无泡曝气的高传氧效率使MABR在高浓度废水的处理中具有明显优势。而MABR中好氧-厌氧菌群共存的特殊生物膜结构，使该工艺在强化硝化及同步脱氮除碳方面具有很大的应用潜力。由于运行此工艺的关键菌种之一ANAMMOX菌的生长速率很低，最大比生长速率小于0.1d^-1，所以要求反应器有良好的生物吸附能力。此外，在曝气膜壁上生长微生物，易造成孔径堵塞的问题。为了节省工艺运行和基建投资费用，需要开发廉价，高效的膜组件形式，以适用于单级自养生物脱氮工艺的运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种运行单级自养生物脱氮工艺的炭管膜曝气生物膜反应器(MABR)，以适用于单级自养生物脱氮工艺的运行。

实现本发明的技术方案如下：