一种污泥膨胀床耦合MBR的自循环污处理装置及方法

本发明涉及一种污处理装置及方法，更具体的说，尤其涉及一种污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置及方法。

背景技术：

1、目前，活性污泥法是一种常用于污水处理的工艺，其简便的操作和广泛应用使其成为许多污水处理厂的首选方法。然而，尽管活性污泥法的操作相对简单，但其对水质变化的适应能力有限，特别是在面对水质波动和高水负荷的情况下。这一工艺中曝气供氧效果较差，而在高水负荷的情况下，为了达到排放标准，通常需要大量曝气，从而导致显著的能耗和运营成本上升。

2、污泥膨胀床技术，作为活性污泥法的一种改进型，在处理高浓度工业废水和低浓度城镇污水方面具有显著的优势。污水通过反应器底部的布水装置均匀进入反应器，以一定的流速自下而上地流经污泥床，出水经过外部设备再次循环进入反应器。在反应器底部，有一个高浓度、高活性的污泥床，具有较高的水力负荷。然而，现有的污泥膨胀床技术仍面临一些挑战。布水不均匀容易产生死区，传质效果差。当进水水质波动时，分离效果会受到影响，导致出水含有悬浮物等问题。

3、膜生物反应器技术为污水处理带来了新的可能。膜生物反应器通过膜过滤的形式实现了高效的固液分离，能将较高的污泥浓度保留在反应器内，有效提高了反应器的生化反应效率，同时能够获得更好的出水水质。这种技术能够进一步提高污泥膨胀床的固液分离效果，将更多的污泥截留在反应器内部。然而，膜生物反应器的膜组件容易堵塞，需要经常进行曝气冲刷，这无疑增加了运行费用。

4、将膜生物反应器与污泥膨胀床结合使用，能够更好地保留污泥、延长泥龄。然而，现有的膜清洗方式操作复杂且增加了化学药剂的使用频率。因此，虽然这种组合形式在系统内保留了大量污泥，但如何优化膜清洗操作、降低运行成本并提高系统的整体效率，仍然是需要进一步解决的难点。

技术实现思路

1、本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置及方法。

2、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，包括反应器主体、原水水箱、出水水箱、布水装置、整流装置、曝气头、风机、溢流堰、回流管路和plc控制箱，反应器主体的内部为空腔，布水装置设置于反应器主体内部空腔的底部，原水水箱经进水管路和进水水泵与布水装置相通；整流装置位于反应器主体内部空腔的中部，布水装置与整流装置之间形成污泥膨胀床区，污泥膨胀床区中接种有对污水进行处理的颗粒污泥；溢流堰位于反应器主体内部空腔的上部，回流管路的上端与溢流堰相通、下端与布水装置相通；反应器主体上设置有do和ph传感器、超声波液位计和压力传感器，plc控制箱控制污水处理装置的运行；其特征在于：曝气头位于反应器主体内部空腔的中部，并位于整流装置的上方，风机经设置有第一曝气电动阀和第一转子流量计的管路与曝气头相连通，曝气头的上部形成曝气区；曝气区的上部形成膜分离区，膜分离区中设置有mbr膜组件，mbr膜组件的出水口经设置有膜出水电动阀和膜出水抽吸泵的管路与出水水箱相通；

3、在风机经曝气头对曝气区曝气作用下，使得反应器主体内部空腔的中部水体密度减小、压强降低，使得污泥膨胀床区中的水体流入至曝气区，曝气区中的水体随曝气向上流动进入膜分离区并流入溢流堰，溢流堰中的水体经回流管路流入布水装置，进而流入污泥膨胀床区，实现在曝气作用下污水的循环流动和净化；净化处理完成后的污水在膜出水抽吸泵的作用下，经mbr膜组件过滤后的清澈水流入至出水水箱中，上浮的絮状污泥悬浮物被截留在反应器主体中。

4、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，包括储气罐、反洗抽吸泵、负压气泵和沼气压缩机，储气罐用于存储沼气，mbr膜组件的下方设置有曝气冲刷装置，反应器主体的顶部为气液分离区，出水水箱经设置有反洗抽吸泵和反洗电动阀的管路与mbr膜组件的出水口相通，气液分离区经设置负压气泵的管路与储气罐相通，风机的出气口经设置有第一冲刷电动阀的管路与曝气冲刷装置相通；沼气压缩机的进气口与储气罐相连通，沼气压缩机的出气口经设置有第二曝气电动阀和第二转子流量计的管路与曝气头相通，沼气压缩机的出气口经设置有第二冲刷电动阀的管路与曝气冲刷装置相通。

5、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，所述整流装置由水平板和设置于水平板中央的锥形下凸部构成，水平板的两侧为连通污泥膨胀床区与曝气区的矩形腔，水平板上均匀开设有泄流孔，锥形下凸部由间隔设置的倾斜挡流板和间隔设置的水平挡流板构成，相邻倾斜挡流板之间以及相邻水平挡流板之间形成泄流区；倾斜挡流板与水平方向上的夹角为45°~60°；水平隔板、倾斜挡流板和水平挡流板实现对向下流动水流的阻挡，向上流动的水流经矩形腔、泄流孔和泄流区进入曝气区。

6、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，所述布水装置由布水主管和均匀设置于布水主管两侧的布水支管构成，布水支管与布水主管相通，布水支管与水平面的夹角为15°~30°，布水支管上均匀开设有多个朝下的布水孔。

7、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，所述mbr膜组件为中空纤维膜或中空陶瓷膜，mbr膜组件的孔径为0.01μ~0.1μm的超滤膜。

8、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，所述溢流堰的顶部为锯齿状上沿，回流管路进水口最高处低于溢流堰上沿，最低处高于溢流堰底部。

9、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，所述plc控制箱经信号线与do和ph传感器、超声波液位计、压力传感器、第一转子流量计和第二电子流量计相连接，经控制线与进水水泵、膜出水抽吸泵、反洗抽吸泵、风机、沼气压缩机、负压气泵、膜出水电动阀、反洗电动阀、第一曝气电动阀、第一冲刷电动阀、第二曝气电动阀和第二冲刷电动阀相连接。

10、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，处理中低浓度城镇废水的方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

11、a).接种污泥；在反应器主体底部的污泥膨胀床区接种具有良好内源反硝化性能的颗粒污泥，并保证接种后具有较高的污泥浓度，同时确保接种的颗粒污泥中含有一定比例的聚糖菌gaos；

12、b).启动系统；plc控制箱控制开启进水水泵、第一曝气电动阀和风机，以使原水水箱中的待处理污水进入到反应器主体中，以及在风机的作用下对反应器主体中的污水进行曝气；

13、c).进水和厌氧反应；原水水箱中待处理污水和回流管路的回流污水经反应器主体底部的布水装置进入到污泥膨胀床区，在颗粒污泥中厌氧微生物的生化作用下发生厌氧反应，大部分硝化菌利用进水中cod作为外碳源将氧化态氮转化为氮气去除，同时，一部分反硝化菌、聚糖菌gaos和聚磷菌paos利用细胞内存储的聚羟基烷酸酯phas和糖原gly作为电子供体发生内源反硝化脱氮；

14、d).曝气、好氧反应和回流；污水流至曝气区，氨氧化细菌aob和亚硝酸盐氧化细菌nob通过曝气头提供的溶解氧将氨氮氧化成亚硝氮，维持溶解氧浓度为0.5~2.0mg/l，当溶解氧浓度低于0.5mg/l时则加大曝气强度，高于2.0mg/l时则减小曝气强度；

15、同时，在好氧反应过程中，曝气头对曝气区下层污水进行曝气充氧，经曝气的下层污水压强减小，水位加速上升流入溢流堰，进而进入回流管路，原水水箱的进水和回流管路的回流污水又流至反应器主体的底部，再次经过污泥膨胀床区和曝气区进行净化；在曝气提供水力剪切力的作用下，沉降性能差的絮状污泥上升，沉降性能好的污泥下降，形成颗粒污泥落至下部的污泥膨胀床区；

16、e).污水整流；在整流装置中水平隔板、倾斜挡流板和水平挡流板的作用下，使得部分从曝气区回流至污泥膨胀床区的水流消能减速，使得只有少部分污水通过整流装置向下流动，进而使水流主体向上流动；

17、f).出水和回流；污水流至反应器顶部，大部分水经溢流堰流入回流管路回流至反应器主体底部，再经过上述步骤c)和步骤d)进一步降解污水中污染物，经过多次循环处理后直至污染物含量达标；少部分污水流入膜分离区，在膜出水抽吸泵作用下得到清澈的产水进入出水水箱，后续进入深度处理单元，上浮的絮状污泥被mbr膜组件截留在反应器主体中，使得反应器主体中保持较高的污泥浓度；

18、g).反冲洗；定期通过开启风机和第一冲刷电动阀向曝气冲刷装置输送空气至mbr膜组件，同时开启反洗抽吸泵和反洗电动阀，从出水水箱中抽取一定的水反向输送至mbr膜组件进行气液联合反冲洗，以增强反冲洗效果、延长mbr膜组件的使用寿命。

19、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置，处理高浓度工业废水的方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

20、1).接种污泥；在反应器主体底部的污泥膨胀床区接种一定数量的厌氧颗粒污泥，并保证接种后具有较高的污泥浓度，同时确保接种的颗粒污泥中含有一定比例的产酸菌和产甲烷菌；

21、2).启动系统；plc控制箱控制开启进水水泵、负压气泵、第二曝气电动阀和沼气压缩机，以使原水水箱中的待处理污水进入到反应器主体中，以及在沼气压缩机的作用下对反应器主体中的污水进行曝气；

22、3).进水和厌氧反应；原水水箱中待处理污水和回流管路的回流污水经反应器主体底部布水装置进入污泥膨胀床区，在厌氧颗粒污泥中厌氧微生物的生化作用下发生厌氧消化，污水中有机物首先被水解酸化成短链脂肪酸和醇类，产酸菌将短链脂肪酸和醇类进一步转化为乙醇，最后乙醇被甲烷菌利用产生甲烷；

23、4).充入甲烷和污水循环；污水流至曝气区，此时储气罐中的甲烷沼气通过沼气压缩机被输送至曝气头对污水进行曝气，在曝气头和污泥膨胀床区产生的气体作用下，曝气区和污泥膨胀床区的污水压强减小，使得污水加速液位上升，直至流入溢流堰，进而进入回流管路，回流污水和进水又流至反应器主体的底部，形成循环流动对污水进行处理；

24、同时，在曝气头曝出的甲烷气体的作用下，曝气提供水力剪切力，使得沉降性能差的絮状污泥上升，沉降性能好的污泥下降，形成颗粒污泥落至下部的污泥膨胀床区；沼气压缩机经曝气头充入沼气的时机和频率根据do和ph传感器和6超声波液位计在线检测数值进行判断，当经do和ph传感器检测到污水中do＞0.5mg/l或者液位较长时间位于溢流堰之下时，则利用压缩机将沼气送入曝气头进行曝气；

25、5).污水整流；在整流装置中水平隔板、倾斜挡流板和水平挡流板的作用下，使得部分从曝气区回流至污泥膨胀床区的水流消能减速，使得只有少部分污水通过整流装置向下流动，进而使水流主体向上流动；

26、6).出水和回流；污水流至反应器顶部，大部分水经溢流堰流入回流管路回流至反应器主体底部，再经过上述步骤3)和步骤4)进一步降解污水中污染物，经过多次循环处理后直至污染物含量达标；少部分污水流入膜分离区与mbr膜组件截留的污泥进一步发生厌氧反应产生甲烷，在膜出水抽吸泵作用下得到的清澈产水进入出水水箱，出水水箱的产水后续进入深度处理单元；反应器主体产生的气体经顶部气液分离区由负压气泵收集至储气罐；

27、7).反冲洗；以反洗抽吸泵18抽取一定的水反向输送至mbr膜组件进行反冲洗为主，另外定期通过沼气压缩机向曝气冲刷装置输送储气罐中的沼气对膜组件进行反冲洗，以延长mbr膜组件的使用寿命。

28、本发明的有益效果是：本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置及方法，反应器主体的内部空腔由下至上依次为污泥膨胀床区、曝气区和膜分离区，污泥膨胀床区的下部、曝气区的下部和膜分离区中分别设置布水装置、曝气头和mbr膜组件，在曝气头的曝气作用下，使得污水跟随曝气上升，在液位差的作用下上部的污水进入回流管路，经回流管路回流的污水与进水经布水装置的布水后重新进入到反应器主体中进行净化处理，实现了无需外部动力源的情况下的污水循环流动，降低了污水处理过程中的能耗，同时通过控制曝气的气体流量控制污水上升流速，然后根据出水水质决定循环比例；同时，由于在膜分离区中设置有mbr膜组件，经mbr膜组件的阻隔，可以将絮状污泥悬浮物截留在膜分离区，使得产水清澈，而且出水水质不受上升流速的影响，出水可以直接进入深度处理阶段。

29、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置及方法，通过曝气的作用增强了污水的循环流动，无需外加循环动力源，降低了系统能耗，同时解决了底部污泥堆积的问题；当进水为高浓度工业废水时，本工艺可以全程厌氧运行，利用厌氧消化和mbr膜组件处理，同时产生资源型气体，当进水为中低浓度生活污水，本工艺也可以厌氧+好氧运行，利用厌氧内源反硝化、好氧亚硝化-厌氧氨氧化等生物过程处理污水深度脱氮，可以有效地处理低碳氮比生活污水而减少外加碳源，应用场景广泛；本发明创新性地使用膜组件进行出水，省去了三相分离器这一结构，同时可以利用气体进行原位膜组件清洗，避免了化学药剂使用或大量外加气体，实现了资源的高效循环利用。

30、本发明的污泥膨胀床耦合mbr的自循环污处理装置及方法具有以下的优势：

31、（1）本装置中部的曝气头不仅实现了对系统充入气体的作用，而且曝气使得曝气区域的污水压强减小，污水膨胀加速上升而使得污水在此作用下经溢流堰流入回流管路然后再次系统中进行循环处理以提升出水水质，增加了循环水量而且无需循环泵提供额外动力，大大降低了运行能耗，节省了运行成本。同时，通过对曝气量的控制，可以轻易实现对系统污水上升流速的控制，也可以有效增加系统内部的湍流程度，避免污泥持续堆积在底部出现短流，达到“一气多用”的目的。

32、（2）本装置顶端利用膜生物反应器（mbr）代替三相分离器实现泥水分离，避免了出水浊度可能超标的风险，克服了水质波动引起的泥水分离效果不佳的问题，具有更好的耐冲击负荷能力，同时高效截留了系统中的污泥，使系统具有更高的污泥浓度，

33、（3）本装置厌氧运行时，可以将系统中生化反应产生的沼气收集到储气罐内，利用气体定时对膜组件进行曝气冲刷进行气水联合反洗，可以有效缓解膜污染程度，防止膜堵塞，延长了系统寿命，同时基本不需要通入额外的气体，减少了反冲洗的成本。

34、（4）本装置具有多种运行模式，可针对不同的进水水质进行灵活调整，如单独处理高浓度工业废水，可以接种厌氧颗粒污泥，全系统厌氧运行同时产生甲烷能资源型气体回收利用，如单独处理中低浓度城镇污水，可以接种剩余污泥和厌氧氨氧化菌下部厌氧、上部好氧运行，通过内源反硝化-厌氧氨氧化过程高效去除碳氮污染物，而无需添加外碳源。