本發明屬于污水處理技術領域，尤其涉及一種利用組合膜生物反應系統的氮富集去除方法及裝置。

背景技術：

低c/n是我國城市生活污水的典型水質特征。傳統生物脫氮技術是通過硝化作用和反硝化作用來實現氮的去除，充足的碳源是反硝化菌高效脫氮的關鍵。但在處理低c/n污水的過程中，由于有機物含量偏低，污水中所能提供的碳源不能滿足反硝化要求，使得傳統生物脫氮工藝處理低c/n污水時遇到較大困難。

針對傳統脫氮工藝處理低c/n污水的碳源不足及硝化菌硝化效率不高等問題，申請者發明了“一種利用組合膜生物反應系統的氮富集及去除方法及裝置”(專利號：zl201310270168.x)來解決這一問題。運行該系統發現將富集后的氨氮進行硝化作用，硝化過程中曝氣量較大，增加了能耗。但如果將硝化階段控制在亞硝化階段，硝化階段將減少25％的曝氣需氧量，大大節省了能耗。因此申請者發明了“一種iem-uf氮富集亞硝化反硝化脫氮方法及裝置”(專利號：zl201610405969.6)。同時在“一種利用組合膜生物反應系統的氮富集及去除方法及裝置”系統運行過程中發現，為使膜組件有較好的nh4⁺-n富集效果，增加了一個電極電場，但外加電場的同時電解消耗了大量有機物，使后續反硝化碳源不足，這一矛盾問題限制了氨氮富集和系統的脫氮性能。

針對上述問題，如果可以使反硝化階段直接在氨氮分離器內進行，那么則可以直接利用分離器中的cod而不被電解消耗,使反硝化碳源充足從而脫氮效果良好。因此為了有效解決現有的低c/n生活污水脫氮效率較低，能耗較大、碳源不足等問題，本人發明一種iem-uf氮富集前置反硝化硝化脫氮方法及裝置。該系統將進水中的氨氮和cod在氨氮分離器內進行富集分離，然后富集的氨氮進入硝化反應器進行硝化反應，將硝化反應液經蠕動泵抽回到氨氮分離器(即反硝化反應器)中利用其中的cod進行反硝化脫氮。反硝化反應器前置于氨氮分離器內，這樣不僅可以充分利用分離出的有機物，減少電解消耗，同時對提高氨氮富集率也有保證，且該系統還可發生一部分二價鐵的自養生物反硝化反應，提高脫氮效果。

“一種iem-uf氮富集前置反硝化硝化脫氮方法及裝置”可有效解決反硝化過程碳源不足的問題，同時也可解決硝化過程中異養菌與自養菌的競爭。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有處理低c/n比廢水處理效率不高的問題，提供一種利用組合膜生物反應系統的氨氮富集及去除方法及裝置，該方法及裝置具有較好的去除有機物和脫氮功能，尤其為處理碳源不足的廢水提供一種處理方法。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種iem-uf氮富集前置反硝化硝化脫氮裝置，其特征在于：該裝置包括封閉的氨氮分離器(3)、硝化反應器(16)。氨氮分離器又是反硝化反應器，即兩者合二為一。

氨氮分離器(3)包括原水進水蠕動泵(1)，進水管(2)，電源(4)，時間繼電器(5)，導線(6)，電極(7)，攪拌器(8)，膜組件c(9)，壓力表(10)，氨氮富集液出水蠕動泵(11)，氨氮富集液出水管(12)。氨氮分離器(3)中原水經過進水蠕動泵進入氨氮分離器中，膜組件c(9)位于氨氮分離器內；膜組件c(9)由超濾膜(或者微濾膜)(34)陽離子交換膜(33)以及帶有導流槽(36)和孔洞(37)的支撐板(35)組成，陽離子交換膜、超濾膜(或者微濾膜)之一分別位于支撐板兩側。膜組件c出水口(32)與氨氮富集液出水管(12)、壓力表(10)和出水蠕動泵(11)依次相連，并受時間繼電器(5)的控制。電極(7)放置在氨氮分離器(3)內，攪拌器(8)葉片位于膜組件c(9)旁；電極(7)的兩極經導線(6)分別和電源(4)相連，電極陽極正對膜組件c(9)的陽離子交換膜(33)，電極陰極正對超濾膜(或微濾膜)(34)。

硝化反應器(16)包括硝化反應器進水管(14)，硝化進水蠕動泵(15)，曝氣裝置(17)，氣體流量計(18)，氣泵(19)，時間控制開關(20)。硝化反應器(16)中曝氣裝置(17)與氣路管線、氣體流量計(18)和氣泵(19)依次相連；硝化出水管(21)與硝化出水蠕動泵(22)相連，硝化反應器(16)內的曝氣頭(17)位于反應器下部；

反硝化反應器即為氨氮分離器，反硝化反應器與氨氮分離器兩個反應器合二為一，包括攪拌器(8)，通過反硝化硝化液進水管(23)、反硝化硝化液進水蠕動泵(24)連接氨氮富集液箱(13)，通過反硝化出水蠕動泵(25)和反硝化出水管(26)連接反硝化出水二沉池(27)，反硝化出水二沉池(27)還通過反硝化污泥回流蠕動泵(28)和反硝化污泥回流管(29)連接反硝化反應器，反硝化出水二沉池(27)還設有二沉池出水蠕動泵(30)和二沉池出水管(31)。

總流程：原水經進水蠕動泵進入氨氮分離器底部；nh4⁺在氨氮分離器中在電場力作用下選擇性透過陽離子交換膜被富集，被富集的氨氮富集液經氨氮富集出水管由蠕動泵抽入到氨氮富集液收集箱；在硝化進水蠕動泵的作用下氨氮富集液被抽入到硝化反應器中；氨氮富集液經過硝化反應后，由硝化出水蠕動泵抽出到硝化出水水箱收集；反硝化蠕動泵將硝化反應器出水抽入反硝化反應器(即氨氮分離器)中進行反硝化脫氮作用。

本發明提供了一種利用上述裝置進行氨氮富集、硝化、反硝化脫氮的方法，其特征在于：它具有如下工藝流程步驟：

(1)廢水：廢水經進水泵增壓后，經進水管流入氨氮分離器中；

(2)膜組件c對廢水中nh4⁺富集及有機物分離：氨氮分離器中在電場力作用下，經過膜組件中陽離子交換膜將進水氨氮富集，出水氨氮濃度提高；通過超濾膜將進水cod截留在氨氮分離器中，使進入硝化反應器的膜組件出水中cod減小；

(3)sbr硝化反應：將收集的氨氮富集液經蠕動泵引入硝化反應器中，nh4⁺在曝氣條件下通過硝化菌轉化為no3^-，形成硝化液并對硝化液進行收集；

(4)反硝化反應器：將收集的硝化液經蠕動泵通過反硝化進水管進入反硝化反應器中，通過反硝化菌利用有機物在缺氧條件下將no3^-轉化為n2，完成脫氮和有機物的去除；

(5)出水：經過第(4)步處理后出水進入二沉池泥水分離，二沉池上清液出水排放，二沉池污泥回流到反硝化反應器中。

本發明提供了一種氨氮分離前置反硝化硝化脫氮方法及裝置，其特征在于：氨氮分離器將氨氮富集，在硝化階段由于氨氮分離器將硝化進水中cod截留，可以避免硝化過程中異養菌與自養菌的競爭，保證硝化的高效運行。反硝化脫氮是又回到氨氮分離器內進行，避免了氨氮分離器內cod被電解消耗，使得反硝化可以充分利用有機物，而且還可形成一部分二價鐵自養生物反硝化，從而進行高效脫氮。

本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出效果：

1、一種iem-uf氮富集前置反硝化硝化脫氮方法及裝置，利用組合膜使cod截留在氨氮分離器中作為反硝化的碳源，將反硝化階段直接在氨氮分離器內進行，可以有效減少氨氮分離器內cod被電極電解消耗，與原先的單獨設置的反硝化脫氮系統相比，該系統cod電解消耗明顯降低，使得反硝化可以充分利用更多的有機物，促使硝氮去除率增加38.8％，從而提高了整個系統脫氮效果。

2、由于氨氮分離器內有鐵電極，以適宜的條件培養馴化，其中的反硝化菌還可形成一部分二價鐵自養反硝化菌，在其中發生二價鐵的自養反硝化反應，與原先的反硝化菌共同作用，從而提高脫氮效果。與之前只有反硝化菌脫氮相比，該系統總氮去除率增加了10.5％。

3、通過氨氮分離器中的超濾膜將硝化進水中的cod截留，消除硝化過程中異養微生物與自養硝化菌的競爭，經過氨氮分離器富集后的氨氮供給硝化反應器，可為硝化的穩定運行提供條件，提高硝化效率。

4、針對傳統生物脫氮系統對低c/n生活污水處理的局限性，將組合膜iem-uf與硝化及前置反硝化工藝相結合，形成了iem-uf組合膜氮富集前置反硝化硝化脫氮系統，該系統穩定性強、能耗低、總氮去除率明顯提高。

附圖說明

圖1為本發明提供的一種利用iem-uf組合膜生物反應系統的氮富集前置反硝化硝化去除氮的方法運行示意圖。

圖中：1-原水進水泵2-原水進水管3-氨氮分離器4-電源5-時間繼電器6-導線7-電極8-攪拌器9-膜組件c10-壓力表11-氨氮富集液出水蠕動泵12-氨氮收集液出水管13-收集箱14-硝化反應器進水管15-硝化進水蠕動泵16-硝化反應器17-曝氣裝置18-氣體流量計19-氣泵20-時間控制開關21-硝化出水管22-硝化出水蠕動泵23-反硝化硝化液進水管24-反硝化硝化液進水蠕動泵25-反硝化出水蠕動泵26-反硝化出水管27-反硝化出水二沉池28-反硝化污泥回流蠕動泵29-反硝化污泥回流管30-二沉池出水蠕動泵31-二沉池出水管

圖2為膜組件的平面示意圖，圖3為膜組件的剖面示意圖。

圖中：32-膜組件c出水口33-陽離子交換膜34-超濾膜(或者微濾膜)35-支撐板36-導流槽37孔洞

具體實施方式

下面結合附圖1及實施例詳細加以說明，以進一步理解本發明。

本發明是利用iem-uf組合膜處理生活污水一種裝置，其中包括：氨氮分離器(反硝化反應器)、硝化反應器。氨氮分離器為長方體形，有效體積為20l。其中膜組件c，是由陽離子交換膜33、超濾膜(或者微濾膜)34和帶有導流槽36和孔洞37的支撐板35組成；陽離子交換膜33和超濾膜(或者微濾膜)34分別固定在支撐板35的兩面，電極板為鐵電極。反硝化反應器和氨氮分離器合二為一，氨氮分離器內培養有反硝化菌。硝化反應器為圓柱形有機玻璃制成，有效容積為2.0l。其中硝化反應器為敞口容器，反硝化反應器為密閉容器。

本發明所采用的陽離子交換膜33為來自日本astom提供的型號為cms的陽離子交換膜，超濾膜34為國內某廠家提供的孔徑為0.1μm、膜通量為18.75-20.83l/m².h的超濾膜。

具體運行步驟如下：

(1)原水(廢水)：廢水經進水泵(1)增壓后，經進水管(2)以流量為1-10ml/min流入氨氮分離器(3)中；

(2)膜組件c對廢水中nh4⁺富集及有機物分離：氨氮分離器(3)中設置有膜組件c(9)和攪拌器(8)，膜組件c(9)由陽離子交換膜(33)和超濾膜(34)組成，可以對廢水中nh4⁺和有機物分別進行富集和分離，攪拌使溶液混合均勻；膜組件c出水口(32)與氨氮富集出水管(12)、壓力表

(10)和出水蠕動泵(11)依次相連，并受時間繼電器(5)的控制，打開出水蠕動泵(11)，調整流量為1-9ml/min；同時，將攪拌器(8)放入氨氮分離器(3)中并運行，其攪拌葉片位于膜組件c(9)旁，hrt為5h-2.5d；電極(7)的兩極經導線(6)分別與電源(4)相連，并將陽極正對離子交換膜(33)，陰極正對超濾膜(34)，打開電源(4)，調整到電流為0.05-0.3a，并保持不變；出水蠕動泵(11)，在時間繼電器(5)的控制下，出水為間歇性出水即出水蠕動泵抽停時間比為8分鐘:1-5分鐘，出水經氨氮富集出水管(12)到達氨氮富集液箱(13)中，當壓力表(10)指示數值超過15kpa時，需對膜組件c(9)進行清洗；

(3)sbr硝化反應：將氨氮富集液箱(13)中的廢水經硝化進水管(14)由硝化進水蠕動泵(15)引入硝化反應器(16)中。硝化進水ph范圍為7.5-8.2，硝化反應器中活性污泥mlss為3000-3500mg/l，曝氣頭(17)設置在反應器底部，由氣體流量計(18)，控制do在0.4-1.5mg/l。通過時間控制器(20)使硝化反應器采用sbr方式運行，其中一個周期中進水0.5h，曝氣反應4-8h，靜置0.5-1h，排水0.5h。nh4⁺在硝化活性污泥和曝氣條件下，形成硝化液；將硝化液進行收集為下一階段的反硝化過程提供氮源。

(4)反硝化反應：將硝化液由反硝化進水管(23)經蠕動泵(24)、送入反硝化反應器中進行反硝化，反硝化進水ph范圍為7.0-7.8。反硝化反應器中活性污泥mlss為3000-3500mg/l，水力停留時間為6h。反應器為封閉缺氧環境，在攪拌器(8)的攪拌下，no3^-在反硝化活性污泥和有機物條件下進行反硝化。進而完成有機物去除和脫氮。

(5)出水：經過第(4)步處理后出水進入二沉池泥水分離，二沉池上清液出水排放，二沉池污泥回流到反硝化反應器中。

結果：

當原水為配水時，其主要水質指標平均值為：nh4⁺-n＝60-80mg/l、cod＝180-200mg/l；操作條件為：控制膜組件c出水的蠕動泵抽停時間比均為8分鐘:5分鐘，進水流量為5ml/min，膜組件c出水流量均為4.8ml/min，膜組件c電流為0.2a，硝化反應器活性污泥mlss＝3000mg/l，反應4h。反硝化反應器活性污泥mlss＝3200mg/l，反應4h。出水主要指標平均值可以達到：cod＝16.52mg/l，nh4⁺-n＝20.87mg/l，no3^--n＝14.75mg/l，no2^--n＝0.26mg/l；去除率平均值分別為：cod＝90.82％，nh4⁺-n＝65.21％，tn＝40.20％。

控制膜組件c出水的蠕動泵抽停時間比均為8分鐘:5分鐘，進水流量為5ml/min，膜組件c出水流量均為4.8ml/min，膜組件c電流為0.2a，硝化反應器活性污泥mlss＝3200mg/l，反應6h。反硝化反應器活性污泥mlss＝3000mg/l，反應4h。出水主要指標平均值可以達到：cod＝18.42mg/l，nh4⁺-n＝17.60mg/l，no3^--n＝13.28mg/l，no2^--n＝0.42mg/l；去除率平均值分別為：cod＝89.77％，nh4⁺-n＝70.67％，tn＝47.8％。