一种厌氧陶瓷膜生物反应器处理生活污水的生物强化装置和方法

技术领域

本发明涉及一种厌氧陶瓷膜生物反应器处理生活污水的生物强化装置和方法，属于污水处理及环境保护技术领域。

背景技术

厌氧消化(AD)技术因不需要曝气从而显著减少了废水处理的总能源需求，可以实现废物的减量化、资源化和稳定化，将有机废物转化为甲烷(CH

厌氧膜生物反应器(AnMBR)作为新型的污水处理方式，结合了厌氧处理和膜分离的优势，可以防止生物质流失，在实现高效污水处理的同时能够实现沼气(主要是甲烷)生产。传统上，废水处理一直侧重于去除废水中的营养物质和有机物含量，近年来重点已转向废水处理过程中营养物质和有价值的副产品的回收。

现有生物能源的获取大部分底物都是高负荷的有机物如糖蜜废水、餐厨垃圾、秸秆等，生活污水的有机物含量较低，要实现高效产能往往需要额外投加碳源或利用各种手段来提高反应器中微生物的活性。一般情况下，经AnMBR产生的沼气中通常含有40％左右的CO

但是引入外源H

发明内容

本发明针对现有以生活污水为底物，经AnMBR产生的沼气中甲烷低的问题，提供一种厌氧陶瓷膜生物反应器处理生活污水的生物强化装置和方法，在不引入外源H

本发明的技术方案：

本发明的目的之一是提供一种生活污水厌氧发酵生物强化装置，该装置为厌氧陶瓷膜生物反应器系统，该装置包括长方体构型的反应器主体，以及通过管路与反应器主体连接的进水装置、出水装置、进气袋和集气袋；

反应器主体由反应器外壁1、反应器盖子9、膜组件和悬浮填料6组成，膜组件和悬浮填料6位于由反应器外壁1构成的上方具有开口的长方体反应腔室内；

反应器外壁1的一侧设有三个与反应腔室连通的管道，其中最下方的为进水口2，进水口2通过管路与进水装置连接，另外两个为污泥取样口；与该侧相对的反应器外壁1设有两个与反应腔室连通的通路，其中最上方的为出水口3，出水口3通过管路与出水装置连接，另外一个为污泥取样口；

反应器盖子9盖装在反应腔室的开口处，并通过密封胶条和禁锢螺钉8固定，密封反应腔室；反应器盖子9上设置两个气体管道，分别为集气管道14和进气管道，集气管道通过管路与集气袋连接，进气管道通过管路与进气袋7连接；

膜组件包括陶瓷膜5和陶瓷膜卡槽10，陶瓷膜5通过陶瓷膜卡槽10固定并浸没在反应腔室内。

进一步限定，陶瓷膜5为平板Al

更进一步限定，陶瓷膜5的膜表面积为0.032m

进一步限定，反应器外壁1和反应器盖子9为亚克力材质，反应腔室的容积为1～1.2L。

进一步限定，悬浮填料6为K3型悬浮填料。

进一步限定，进水装置包括蠕动泵和进水箱4，进水箱4通过管路与进水口2连接，蠕动泵13安装在管路上；出水装置包括蠕动泵13、压力表12和出水箱，出水箱通过管路依次与压力表12和出水口3连接，蠕动泵13安装在管路上设置在压力表12和出水箱之间。

进一步限定，反应器主体置于磁力搅拌器11上，磁力搅拌转子置于反应腔室内。

进一步限定，进气袋7内盛装氮气，氮气纯度为99.999％。

进一步限定，进水箱4为丝口玻璃瓶，瓶盖为三通瓶盖，其中一个为进水口，管道一端斜切处理并通过进水口插入底部，管道另一端通过蠕动泵连接到反应器的进水口，将进水箱内液体泵入到反应器，另外一个为曝气口，曝完气与装满氮气的气袋相连，最后一个也与装满氮气的气袋相连，起到平衡气压的作用。

本发明的目的之二是提供一种生活污水厌氧发酵生物强化方法，具体的使用上述生活污水厌氧发酵生物强化装置进行，该该方法的操作过程如下：

步骤一、将活性污泥和悬浮填料6加入到反应腔室内，使用反应器盖子9密封反应腔室，利用氮气曝气，确保反应腔室为厌氧环境，通过蠕动泵13将进水箱4中的模拟生活污水从进水箱4输送进反应腔室内，并以两天为周期进行换水和取样，直至反应器成功启动，稳定后使用实际生活污水替换模拟生活污水；

步骤二、在恒温摇床中培养哈尔滨产乙醇杆菌YUAN-3至2～3代后投加到反应腔室内，同时向反应腔室内加入葡萄糖，实现生物强化厌氧发酵。

进一步限定，活性污泥初始的MLSS为4.05g/L，MLVSS为2.66g/L，MLVSS/MLSS为0.66。

进一步限定，模拟生活污水的COD浓度为300-500mg/L。

进一步限定，实际生活污水的COD浓度为100-300mg/L。

进一步限定，反应器放置在中温室，保持温度为35±2℃。

本发明将YUAN-3引入AnMBR系统中，在不加入外源H

(1)哈尔滨产乙醇杆菌YUAN-3不仅具有较好的糖酵解性能，同时还具有优异的自凝集特性，能够在反应器中聚集，不易随出水流失。

(2)反应器不需要曝气，节省了大量能耗，在反应过程中产生的甲烷可作为生物燃料进行利用。

(3)本发明提供的方法对AnMBR系统改进较小，制取甲烷的产率更大，具有操作简便的优势，适合推广应用。

附图说明

图1为生活污水厌氧发酵生物强化装置的结构示意图；

图2为实施例1的产气量结果图；

图3为实施例1的反应器内pH值变化；

图4为实施例1的反应器内COD变化；

图5为实施例1的反应器内TOC变化；

图中1-反应器外壁，2-进水口，3-出水口，4-进水箱，5-陶瓷膜，6-悬浮填料，7-进气袋，8-禁锢螺钉，9-反应器盖子，10-陶瓷膜卡槽，11-磁力搅拌器，12-压力表，13-蠕动泵，14-集气管道。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

实施例1

本实施例设计并构建了一个用于生活污水处理的厌氧陶瓷膜生物反应器(AnCMR)的生物强化系统，如图1所示，反应器的构型如下：反应器整体为亚克力材质，长方体构型，有效容积为1.2L(10×12×5cm)，反应器采用左侧下端进水，右侧上端出水的模式。

反应器主体由反应器外壁1、反应器盖子9、膜组件和悬浮填料6组成，膜组件和悬浮填料6位于由反应器外壁1构成的上方具有开口的长方体反应腔室内。

反应器外壁1的左侧设有三个与反应腔室连通的管道，其中最下方的为进水口2，进水口2通过管路与进水箱4，且在管路上安装蠕动泵13，另外两个为污泥取样口，在不使用的情况下用止水夹夹住；反应器外壁1的右侧设有两个与反应腔室连通的通路，其中最上方的为出水口3，出水口3通过管路依次与压力表12和出水箱连接，蠕动泵13安装在管路上并设置在压力表12和出水箱之间，压力表12检测跨膜压差(TMP)，另外一个为污泥取样口，在不使用的情况下用止水夹夹住。

反应器盖子9盖装在反应腔室的开口处，并通过可拆卸的密封胶条和禁锢螺钉8固定，密封反应腔室，确保反应器的密闭性。反应器盖子9上设置两个气体管道，分别为集气管道14和进气管道，集气管道通过管路与集气袋连接，进气袋7为空的气袋，用来收集产生的气体；进气管道通过#17号泵管与进气袋7连接，进气袋7内装满氮气，在必要时平衡气压并排出反应器内部的氧气。

膜组件包括陶瓷膜5和陶瓷膜卡槽10，陶瓷膜5通过陶瓷膜卡槽10固定并浸没在反应腔室内，持陶瓷膜在反应器内部的稳定。陶瓷膜5为平板Al

为保证反应过程中的严格厌氧环境，进水过程中不会进入氧气，进水箱4为5L丝口玻璃瓶，瓶盖为三通瓶盖，其中一个为进水口，管道一端斜切处理并通过进水口插入底部，管道另一端通过蠕动泵连接到反应器的进水口，将进水箱内液体泵入到反应器，另外一个为曝气口，曝完气与装满氮气的气袋相连，最后一个也与装满氮气的气袋相连，起到平衡气压的作用。每次给进水箱4换水时，将瓶子刷干净，然后利用高纯氮气曝气处理5min。

为保证反应过程中混合液均匀，在反应腔室内部加入磁力转子，并将反应器整体放在磁力搅拌器上运行。

上述生活污水处理的厌氧陶瓷膜生物反应器(AnCMR)的生物强化系统工作时，放置在中温室，保持温度为35±2℃。实验开始前将250mL活性污泥加入反应器中，活性污泥为哈尔滨文昌污水处理厂二沉池污泥，为深褐色絮状污泥，污泥初始的MLSS为4.05g/L，MLVSS为2.66g/L，MLVSS/MLSS为0.66。并往反应器加入K3型悬浮填料，检查实验装置密闭性，利用高纯氮气(纯度99.999％)进行曝气，确保厌氧环境。换水和取样周期都为两天，每次换水都对进水箱4进行曝气。反应器进水为模拟的生活污水，COD浓度约为500mg/L，反应器成功启动后一段时间采用实际生活污水替换模拟的生活污水，实际生活污水COD浓度约为150mg/L。待系统稳定运行后，将10g在35℃、150rpm恒温摇床中培养至2～3代(活化后)哈尔滨产乙醇杆菌YUAN-3投加到反应器中，同时通过进水向反应腔室内加入葡萄糖。

为了研究哈尔滨产乙醇杆菌YUAN-3在污水处理产气过程中发挥的作用，投加哈尔滨产乙醇杆菌YUAN-3后，反应器进水葡萄糖浓度由2000mg/L梯度减小到800mg/L，具体葡萄糖浓度变化、间歇性投加YUAN-3的时机以及产气量如图2所示，图中箭头表示在反应器稳定运行期间歇性投加YUAN-3，每次投加量为10g。由图2可知，反应器具有良好的产能效果，最高甲烷产率可达0.29L/g-COD。在反应器稳定运行期间歇性投加YUAN-3，CH

图3～图5分别为反应器运行过程中pH、COD和TOC的变化情况。

由图3可知，进水的pH一直稳定在7左右，而厌氧出水和膜出水的pH都很低，厌氧出水的pH在3.34～4.75之间波动，平均pH为4.12，膜出水的pH在3.61～5.42之间波动，平均pH为4.46，整体都呈酸性。这是因为往反应器投加了YUAN-3后，YUAN-3生长代谢产生了乙酸等酸性物质，改变了反应器内的环境，这也说明了YUAN-3可以在反应器内存活生长。

由图4可知，当葡萄糖浓度为2000mg/L时，平均进水COD浓度为2190mg/L，平均出水COD浓度为1062mg/L，平均去除率为51.2％。当葡萄糖浓度为1500mg/L时，平均进水COD浓度为1718mg/L，平均出水浓度为727.8mg/L，平均去除率为55.6％。当葡萄糖浓度为800mg/L时，平均进水COD浓度为1068mg/L，平均出水浓度为416mg/L，平均去除率为61％。由此可知，反应器出水COD的波动较大，导致去除率很不稳定。总体来看，加入YUAN-3之后反应器保留了一部分COD去除能力，最高也能达到80％以上，但由于生境改变，反应器中的厌氧菌无法发挥出最大优势。

由图5可知，当葡萄糖浓度为2000mg/L，平均进水TOC浓度为1225.4mg/L，平均出水TOC浓度为617mg/L，平均去除率为47.8％。当葡萄糖浓度为1500mg/L时，平均进水TOC浓度为792mg/L，平均出水TOC浓度为404mg/L，平均去除率为48％。当葡萄糖浓度为800mg/L时，平均进水TOC浓度为494mg/L，平均出水TOC浓度为257mg/L，平均去除率为48％，最高的TOC去除率可以达到60％以上。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。