串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器及其使用方法

本技术涉及水、废水、污水或污泥的处理，尤其涉及串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器及其使用方法。

背景技术：

1、膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm reactor, mabr）是一种新型的污水处理工艺，它能够利用中空纤维膜组件向水溶液无泡传递氧气，同时能够借助中空纤维膜（曝气膜）表面形成的生物膜降解污水中的污染物。无泡曝气所需的供气压力低，且氧气利用效率高，能够有效降低污水处理工艺的曝气能耗。此外，如图2的（a）所示，由于氧气从膜材料向溶液方向传递，生物膜能够实现从内到外的好氧区、缺氧区分层结构，内层好氧区和外层缺氧区分别有利于硝化细菌和反硝化菌的生长，能够实现一体化的硝化反硝化，在污水脱氮领域具有较好的应用前景。

2、目前，针对生活污水的mabr硝化反硝化脱氮技术已经实现了初步应用。如果能够进一步优化脱氮途径，将mabr与短程硝化-厌氧氨氧化工艺结合，就能够进一步降低脱氮工艺的曝气能耗和碳源投加量，更好地发挥mabr节能降耗的优势。但是，目前基于mabr的短程硝化-厌氧氨氧化工艺存在脱氮速率低、出水水质差以及运行不稳定等问题。

3、公开号为cn101538087a的专利公开了一种利用mabr实现短程硝化-厌氧氨氧化脱氮的方法。该方法利用无纺布包裹微孔曝气炭管，硝化菌和厌氧氨氧化菌均生长在无纺布填料上，即中空纤维膜表面附近。在实际运行中，生物膜内层为好氧硝化细菌，外层为厌氧氨氧化菌。以该专利为代表的传统mabr在实现短程硝化-厌氧氨氧化脱氮功能时有两个主要缺陷。

4、首先，厌氧生物膜（或称外层缺氧区、生物膜外层）阻碍氨氮传质，导致装置的脱氮速率低或出水氨氮浓度高。由于脱氮过程分为短程硝化和厌氧氨氧化两步，其中短程硝化发生在生物膜内层的好氧区，硝化细菌利用膜材料传递的氧气将氨氮氧化为亚硝酸盐。短程硝化的速率与生物膜内层的氨氮浓度有关，当生物膜内层的氨氮浓度低于5 mg-n/l（毫克氮每升）时，短程硝化速率会受到较为明显的抑制，进而降低整体脱氮速率。

5、生物膜内层的氨氮浓度取决于主体溶液的氨氮浓度和氨氮从主体溶液到生物膜内层的传质阻力。其中，当处理市政污水时，为了达到氨氮出水指标的要求，一体式mabr的主体溶液氨氮浓度需要低于5 mg-n/l，使得生物膜内层的氨氮浓度也低于5 mg-n/l。另一方面，主体溶液到生物膜内层的传质阻力则主要包括厌氧生物膜的传质阻力。在传统mabr中，厌氧氨氧化菌被富集在厌氧生物膜。由于厌氧氨氧化菌基质利用速率低，所以脱氮过程对厌氧氨氧化菌的生物量需求相对较大，即以厌氧氨氧化菌为主的厌氧生物膜层厚度较大，对氨氮传质的阻力也较大。加上厌氧氨氧化菌本身需要消耗氨氮，因此厌氧生物膜会进一步降低好氧区的氨氮浓度。因此，在主体溶液氨氮浓度为5 mg-n/l左右时，膜曝气生物膜内层的氨氮浓度会降低到1 mg-n/l以下，对硝化速率的抑制较强，会导致脱氮速率大大降低。

6、公开号为cn101538087a的专利在进水氨氮浓度为200 mg-n/l的条件下，氨氮转化率为88.7%，即出水氨氮高达22.6 mg-n/l。这是由于氨氮传质阻力过高，因此必须维持超过20 mg-n/l的出水氨氮浓度才能维持合适的硝化速率，无法同时保证高脱氮速率和低出水氨氮浓度。根据相关研究论文（文献1~5，详见后文），在进水氨氮浓度约为50 mg-n/l时，传统mabr在短程硝化-厌氧氨氧化工艺下的出水氨氮浓度仅能达到5 mg-n/l左右，无法稳定达到市政污水一级a标准（城镇污水处理厂污染物排放标准，gb 18918-2002，后同），水力停留时间为12 h以上，脱氮速率较低。因此，mabr短程硝化-厌氧氨氧化工艺的处理水质和脱氮速率有待改善和提高。

7、其次，当出水氨氮浓度较低时，mabr难以维持对亚硝酸盐氧化菌（nob）的抑制，无法维持长期稳定的脱氮效果。nob会将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，使亚硝酸盐无法被厌氧氨氧化菌利用，降低系统的总氮去除率。因此，为了维持稳定的短程硝化-厌氧氨氧化过程，可以选择抑制nob的活性。在mabr中，主要依靠氨氧化菌（aob）与nob对氧气的竞争，实现nob抑制。因此，为了抑制nob活性，除了需要控制氧气的供给，还需要维持较高的aob活性。当出水氨氮浓度低（例如小于5 mg-n/l）时，aob活性开始受到抑制，nob活性可能会升高，进而降低总氮去除率。

8、公开号为cn101538087a的专利在进水氨氮为200 mg-n/l的条件下，出水总氮浓度高达48.65 mg-n/l。根据相关研究论文（文献1~5），在进水氨氮浓度约为50 mg-n/l时，传统mabr在短程硝化-厌氧氨氧化工艺下的出水总氮浓度仅能达到15 mg-n/l左右，无法稳定达到市政污水一级a标准。因此，mabr短程硝化-厌氧氨氧化工艺中还需要发展对应的nob抑制手段。

9、文献

10、文献1：li x, sun s, badgley b d, et al. nitrogen removal by granularnitritation-anammox in an upflow membrane-aerated biofilm reactor[j]. waterresearch, 2016, 94: 23-31.（基于升流式膜曝气生物膜反应器的颗粒污泥短程硝化-厌氧氨氧化脱氮）。

11、文献2：bunse p, orschler l, agrawal s, et al. membrane aerated biofilmreactors for mainstream partial nitritation/anammox: experiences using realmunicipal wastewater[j]. water research x, 2020, 9: 100066.（膜曝气生物膜反应器用于主流污水的短程硝化-厌氧氨氧化：实际市政污水处理实例）。

12、文献3：zhao b, ma x, xie f, et al. development of simultaneousnitrification-denitrification and anammox and in-situ analysis of microbialstructure in a novel plug-flow membrane-aerated sludge blanket[j]. science ofthe total environment, 2021, 750(9): 142296.（新型推流式膜曝气污泥床中同步硝化-反硝化和厌氧氨氧化工艺的建立及微生物群落结构的原位分析）。

13、文献4：chen r, zhou y. mainstream nitrogen removal in membrane aeratedbiofilm reactor at minimal lumen pressure[j]. science of the totalenvironment, 2022, 818:151758.（在膜曝气生物膜反应器中以最小腔室压力实现主流污水脱氮）。

14、文献5：li m, li y, sun z, et al. partial nitrification/anammox (pn/a)membrane aerated biofilm reactor (mabr) under a low c/n ratio andmetagenomics identification[j]. environmental science-water research&technology, 2022, 9(1): 265-273.（在低碳/氮比条件下的短程硝化/厌氧氨氧化（pn/a）膜曝气生物膜反应器（mabr）及其宏基因组学鉴定）。

技术实现思路

1、为了解决或缓解背景技术提到的至少一个问题，本技术提供了串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器及其使用方法。

2、本技术实施方式提供的串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器包括串联设置的至少两级膜曝气生物膜反应器本体，所述膜曝气生物膜反应器本体包括：池体，所述池体包括进水口和出水口，第n级的所述膜曝气生物膜反应器本体的所述出水口连接于第n+1级的所述膜曝气生物膜反应器本体的所述进水口，n≥1且为整数；膜组件，包括多个中空纤维膜丝；耦合载体，厌氧氨氧化菌富集于所述耦合载体，所述耦合载体用于设置在所述膜组件的外侧，所述膜组件和所述耦合载体设置在所述池体中。

3、在至少一个实施方式中，所述中空纤维膜丝形成为棒状，所述多个中空纤维膜丝的轴线平行且圆周阵列设置， 所述耦合载体围绕设置在所述中空纤维膜丝的外侧。

4、在至少一个实施方式中，所述池体与所述膜组件之间堆放设置多个形成为固体填料的所述耦合载体。

5、在至少一个实施方式中，所述中空纤维膜丝的材料包括硅胶、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯中的至少一者。

6、在至少一个实施方式中，所述耦合载体的形状包括颗粒状、多孔块状、空心圆柱、车轮状、毛刷状中的至少一者。

7、在至少一个实施方式中，所述池体处设置有温度调节装置，用于控制所述池体内的溶液的温度。

8、本技术提供的串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器的使用方法使用如前所述的串联式载体耦合膜曝气生物膜反应器，所述使用方法包括：在投加所述耦合载体前先通过所述膜组件进行短程硝化；投加已完成厌氧氨氧化菌挂膜的所述耦合载体。

9、在至少一个实施方式中，在投加所述耦合载体前，使所述池体中的溶液的温度控制为30℃~35℃。

10、在至少一个实施方式中，在投加所述耦合载体前，在出现亚硝酸盐积累后，逐步调整水力停留时间，使出水氨氮浓度和亚硝酸盐浓度介于1：0.8至1：1.2之间。

11、在至少一个实施方式中，通过调整所述耦合载体的投加量以使出水亚硝酸盐浓度低于1 mg-n/l。

12、本技术构建了一种能够基于膜曝气生物膜反应器实现短程硝化-厌氧氨氧化脱氮的装置构型，耦合载体解决了传统膜曝气生物膜反应器中因氨氮传质受阻导致的脱氮速率低、出水水质差的问题，同时串联的形式将nob的活性维持在较低水平，以实现长期稳定、高效的脱氮。

13、本技术提供的使用方法应用了前述装置而同样具有上述优点。