一种立体式生物膜反应器的制作方法

本发明涉及污水生物处理技术领域，具体涉及一种立体式生物膜反应器。

背景技术：

废水好氧生物处理技术可分为生物膜法和活性污泥法两大类。活性污泥法虽较为成熟，但也存在很多的缺点和不足，如占地面积大、基建费用高等，同时对水质、水量变化的适应性较差。生物膜法可弥补活性污泥法的诸多不足：运行稳定性好、无污泥膨胀、对污染物的去除率高、反应器的体积和占地面积小等优点。但是传统的生物膜法也有其缺陷，如生物滤池易受堵塞，需周期性反冲洗，同时固定填料以及曝气设备的更换较困难；生物流化床反应器中的载体颗粒只有在流化状态下才能发挥作用，使其工艺的运行稳定性较差。

近年来，尽管生物脱氮技术有了很大发展，但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同溶解氧浓度的反应器中进行(如传统A/O工艺)，或是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行(如氧化沟或SBR工艺)。一个脱氮过程被分成两个独立的系统，二者难以在空间、时间和条件上得到统一。因此一般的生物脱氮系统脱氮效果差(通常不会超过70％)。而且这些系统中还需要分设多个独立处理单元，如必须设置污泥回流系统，使得基建和管路设备投资多，占地面积较大，运行费用也高。另外，根据上述反应，硝化过程需要投加碱度，而反硝化过程也需要补充碳源，造成系统投资高，运行费用也高。

因此，如果因此，开发一种能在一个单体设备中实现连续脱氮过程，同时又能对其中所含的有机物进行高效脱除的工艺设备，成为污水脱氮领域研究的热点和难点。另外，大量研究与工程实践表明，利用传统硝化/反硝化工艺原理进行脱氮，污泥回流和充氧曝气必不可少，两者都需要动力的消耗，能否将二者结合起来也是节能的关键。

对于传统的缺氧-好氧生物脱氮系统而言，其缺氧段和好氧段均采用的是传统的活性污泥法，污泥和水在缺氧池接触并发生脱氮和脱除有机物后，再一起进入到后续 的好氧段进行脱碳和硝化反应，随后泥水混合物进入后续的沉淀池进行泥水分离，分离后的污泥再回流至缺氧段。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的脱氮除磷工艺效率较低、占地面积大的缺陷，提供一种具有节能降耗、占地面积小的立体式生物膜反应器。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种立体式生物膜反应器，其特征在于：包括外壳及设置于外壳内部的厌氧区、好氧区、回流区、排泥区和膜产水区，所述外壳包括上部的筒体和底部的倒锥体；所述厌氧区、好氧区自下而上依次设置于外壳的筒体内部，倒锥体内为排泥区，倒锥体底部开设有排泥口；厌氧区底部设置有布水管，厌氧区和好氧区之间设置曝气装置；厌氧区和好氧区外围设置有一体的分隔层，分隔层与筒体之间的环形区域形成回流区；分隔层的顶部设置出水区，在筒体与出水区位置对应的内表面周向设置连续或间断的膜产水区，膜产水区设置介电电泳电极DEP膜，厌氧区内设有厌氧填料，好氧区内设有好氧填料。

所述的厌氧区内的厌氧填料为柔性组合厌氧填料。

所述的好氧区内的好氧填料为表面附着生物膜的移动床生物填料。

所述的布水管为环形布水管。

所述的介电电泳电极DEP膜包括钣金电极组件、渗透膜和平板框架，平板框架的前、后两面安装渗透膜，所述渗透膜之间设置钣金电极组件；所述钣金电极组件包括两片分别连接交流电源不同输出端且相互绝缘的电极板，所述电极板为一体成型的钣金件，包括多条平形排列的电极及同时连接所有所述电极的一条或一条以上边线；两所述电极板交错叠放，使一电极板的电极置于另一电极板的两相邻电极之间；所述平板框架上设置有连通两渗透膜之间的产水腔的产水出口。

所述电极板为梳齿状电极板，包括多条平行排列的电极，及同时连接所有所述电极一端的一条边线，所述电极的另一端为自由端；一电极板的边线位于另一电极板中电极的自由端侧。

所述电极板为栅形电极板，包括多条平行排列的电极，及分别连接所述电极的两端的边线。

所述电极板为立体栅形电极板，包括多条平行排列的电极，及分别连接所述电极 的两端的两条边线；所述电极的两端弯折，在交错叠放时相互避让。

两所述电极板外部均设置绝缘层；或一电极板外部设置绝缘层，另一电极板为耐腐蚀性材料制成的裸电极。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的立体式生物膜反应器，硝化和反硝化过程能在一个反应器内同时连续发生，不仅可以节省反应时间，还可减小反应器容积，节省占地面积；同时，反硝化过程增加的碱度可以补充硝化过程减少的部分碱度，从而节约药剂投加量；反硝化过程如果置于硝化过程前段，也可节省碳源的投加。

2、本发明的立体式生物膜反应器，无需额外投加药剂和碳源，运行费用低。目前，在硝化反应过程中，将1mg的NH₄+-N氧化为NO₃--N，要消耗7.14mg的碱度，而在反硝化过程中，还原1mg硝态氮能产生3.75mg的碱度。因此，在本发明提供的一体化的缺氧-好氧系统中，反硝化反应所产生的碱度可补偿硝化反应消耗的碱度的一半左右。对含氨氮浓度不高的废水(如生活污水、纺织染整行业、电镀废水、啤酒废水等)可不必另行投碱以调节pH值。另外，由于缺氧段在前，好氧段在后，尽管反硝化过程需要消耗一定的碳源，但此时进水的有机物浓度较高，碳源充足，此时，反硝化菌以原污水中的有机物为碳源，以回流的硝化液中硝酸盐的氧为受电体，进行呼吸和生命代谢活动，将硝态氮还原为气态氮，而不需外加碳源(如甲醇等)。

3、本发明的立体式生物膜反应器，反应器内生物活性更高。在传统的脱氮工艺中，硝化菌和反硝化菌是捆绑在一起的，难以彻底分开。由于污泥的回流，硝化菌会进入到反硝化段，由于氧含量低下，因此硝化菌活性会受到抑制，而当它随出水再次进入硝化段后又需要一段恢复活性的过程。由于缺氧段和好氧段均采用膜法，微生物被固定在各自的反应器内，硝化菌和反硝化菌不会混杂在一起，二者彻底分开，分别在各自的具有良好的代谢环境体系中生存，生物活性均处于最佳生理状态。而这对于保证高脱氮率是非常重要的。

4、本发明的立体式生物膜反应器，采用介电电泳电极DEP膜，此过滤膜可以很好的截留净化液中悬浮的活性污泥，使活性污泥不需要再经过二沉池进行回流，减少二沉池占地及建设成本。回流的净化液与污水充分混合，起到稀释污水的作用，这样可降低进水CODcr浓度对厌氧区的冲击，当CODcr负荷变小时，处理的效率提高；也使沉降到布水区的活性污泥随水流再次上升回到厌氧区，防止活性污泥的流失。

5、本发明的立体式生物膜反应器，采用含有钣金电极组件的介电电泳电极DEP 膜，通过在钣金电极组件上施加交流电，从而在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生不匀称电场，利用固体微粒与其所悬浮的连续相介电极化能力不同的原理，介电电泳力将固体微粒推离电极或者将固体微粒吸附在电极上，减少甚至消除渗透膜工艺中发生的膜污染和堵膜现象，可连续运行，无需间歇式进行抽吸，不需要在线清洗，节省能耗。且过滤膜可以很好的截留净化液中悬浮的活性污泥，使活性污泥不需要再经过二沉池进行回流，减少二沉池占地及建设成本。

6、本发明的立体式生物膜反应器，介电电泳电极DEP膜所使用的钣金电极组件中的电极板是通过冲压一体成型，其上制有多条平形排列的电极，以及连接所述电极的一条或一条以上边线，两片电极板之间交错叠放，使两片电极板的电极相互间隔对应以形成电极组；电极板通过钣金工艺一体成型，生产成本低，较圆柱形电极降低成本70％以上；任何一处位置连接电源即可使得整板得以供电，从而使电极和连接导线集成在一个钣金件上；根据钣金选材质地和厚度的不同，可具备一定柔性或刚性，可卷曲或平展使用；在安装时由于各电极之间相对位置已经设定好，可进行整个电极板的一体安装，不会造成电极排列的混乱。

7、本发明的立体式生物膜反应器，介电电泳电极DEP膜所使用的钣金电极组件中的电极板电极板可设置为梳齿状电极板，当两片梳齿状电极板交错构成钣金介电电泳电极结构时，第一梳齿状电极板的电极从第二梳齿状电极板的电极之间插入，形成电极组，这样可以防止两片电极板在叠加时边线相接触，产生干涉，具有结构极为简化，制造容易，安装方便的优点。

8、本发明的立体式生物膜反应器，介电电泳电极DEP膜所使用的钣金电极组件中的电极板可为栅形电极板，当两片栅形电极板间隔交错叠放构成钣金介电电泳电极结构时，电极的两端均通过边线连接在一起，因此电极在安装时位置相对固定，不需要后期调整；而且，为了避免栅形电极板的边线相接触，可使两电极板的边线折弯避让，也可在两电极板的边线之间设置绝缘片。

9、本发明的立体式生物膜反应器，介电电泳电极DEP膜所使用的钣金电极组件中的电极板可为立体栅形电极板，当两片立体栅形电极板交叠构成钣金介电电泳电极结构时，两片电极板的电极中部交叉，形成电极组；且由于电极的两端弯折，因此两立体栅形电极板的边线之间存在缝隙，能自动相互绝缘。

附图说明

图1为本发明反应器的结构示意图；

图2是本发明的介电电泳电极DEP膜的内部结构示意图；

图3是本发明的介电电泳电极DEP膜的外部结构示意图；

图4是本发明的当两电极板叠加时，其中连接不同输出端的电极位置分布示意图；

图5是本发明的电场及介电电泳力矢量和等值线图；

图6是本发明的实施例一的电极板结构示意图；

图7是本发明的实施例一的钣金电极组件结构示意图；

图8是本发明的实施例二的电极板结构示意图；

图9是本发明的实施例三的电极板结构示意图；

图10是本发明的实施例三的钣金电极组件的主视图；

图11是本发明的实施例三的钣金电极组件的仰视图；

图12是本发明的实施例三的钣金电极组件的俯视图；

图13是本发明的实施例三的平板膜元件剖视图。

附图标记说明

1-厌氧区、2-好氧区、3-回流区、4-排泥区、5-膜产水区、6-外壳、7-锥体、8-筒体、9-排泥口、10-曝气装置、11-分隔层、12-布水管、13-出水区、14-钣金电极组件、15-渗透膜、16-平板框架、17-产水腔、18-导流布、19-产水出口、20-电源转接头、21-第一电极、22-第二电极、23-梳齿状电极板、24-梳齿状电极板的电极、25-梳齿状电极板的边线、26-栅形电极板、27-栅形电极板的电极、28-栅形电极板的边线、29-立体栅形电极板、30-立体栅形电极板的电极、31-立体栅形电极板的边线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的立体式生物膜反应器包括厌氧区1、好氧区2、回流区3、排泥区4、膜产水区5和外壳6，其中排泥区4、厌氧区1、好氧区2自下而上依次设置。外壳由柱形的筒体及底部的倒锥体构成。外壳6的下部为容纳排泥区4的倒锥体7，倒锥形上部连接容纳厌氧区1和好氧区2的柱形的筒体8，倒锥体7的底部开设有排泥口9。穿过外壳6的布水管12设置在厌氧区1的下部，曝气装置10设置在厌氧区1和好氧区2之间，用于向好氧区2提供空气。厌氧区1和好氧区2的外围设置一体的分隔层11，分隔层11与筒体8之间的环形区域为回流区3。

分隔层11的顶部设置位置低于筒体8的边沿或者出水孔，使分隔层11内的水位低于筒体8，在筒体8上部形成出水区13。在筒体8与出水区位置对应的内表面周向设置连续或间断的膜产水区5。本发明的膜产水区5所使用的膜优选内置介电电泳电极的DEP膜。

厌氧区1内安装固定的厌氧填料，厌氧填料优选柔性组合填料，增加污泥接触面积，从而增强厌氧区的污泥负荷，固定的安装方式能够固化附着在厌氧填料上的厌氧活性污泥，使其不会随水流进入好氧区2。

好氧区2内为可悬浮漂移的好氧填料，并用管式曝气装置10增强周边曝气效果，好氧填料可随曝气在整个好氧区2内部进行无规则移动。好氧填料优选表面附着生物膜的移动床生物填料，移动床生物填料可以固化活性污泥，通过曝气装置10进入好氧区2的空气可渗透进入生物膜。随着氧气被微生物消耗，生物膜中的微生物可自然分层，即贴在生物膜表面的是硝化菌群，而反硝化菌和其他异样菌则附着在生物膜的内层，碳氧化、硝化和反硝化过程分别在化物膜的不同部位进行，以提高好氧区的污泥负荷和处理效率。

布水管12采用环形布水，在产生最大扰度情况下达到布水均匀，在厌氧区1的底部形成布水区。当反应开始时，布水管12向厌氧区1输入污水，污水在厌氧区1与好氧区2中进行复合的脱氮除磷过程：

在厌氧区1内，由反硝化菌进行反硝化反应，利用污水中的有机物作碳源，将污水中的NO₃-N和NO₂-N还原为N₂释放N₂至空气，达到脱氮的目的；同时回流的活性污泥中嗜磷菌在厌氧状态下，释放出少量磷；

在好氧区2内，有机物被微生物生化降解而继续下降，硝化菌利用水中BOD₅作为氢供给体(有机碳源)将有机氮氨化继而被硝化，使NH₃-N浓度显著下降；随着硝化过程的继续，水体中NO₃-N的浓度不断增加；嗜磷菌在好氧状况下对磷过量摄取，使磷的浓度快速下降，达到除磷的目的。

细菌代谢产生的活性污泥随着经过脱氮除磷之后的净化液，由好氧区2顶端溢流至出水区13，之后一部分净化液透过过滤膜进入膜产水区5向外界输出产水，另一部分净化液经过回流区3循环至布水管12周围的布水区。过滤膜可以很好的截留净化液中悬浮的活性污泥，使活性污泥不需要再经过二沉池进行回流，减少二沉池占地及建设成本。

水的回流过程为：回流的净化液与污水充分混合，起到稀释污水的作用，这样可 降低进水CODcr浓度对厌氧区1的冲击，也使沉降到布水区的活性污泥随水流再次上升回到厌氧区1，防止活性污泥的流失。活性污泥的回流过程为：活性污泥被过滤膜截留后，随净化液通过回流区3回流到布水区，再进入厌氧区1；多余的活性污泥在排泥区4沉淀积累，通过定期开放排泥口9排出反应器之外。由于净化液在在自身重力作用下进行回流，因此无需提供额外的动力，运行过程中节能降耗。

如图2、3所示，本发明的膜产水区5所使用的介电电泳电极的DEP膜的结构为：包括钣金电极组件14、渗透膜15、平板框架16，平板框架16的前、后两面采用压塑方式安装渗透膜15，两渗透膜15之间为产水腔17，钣金电极组件14设置在产水腔17内。两电极板外侧与两渗透膜之间分别设置导流布18；平板框架16的侧边上设置有连通产水腔17的产水出口19。平板框架16优选ABS材料，平板框架16与渗透膜15的安装结构为可更换渗透膜的夹层平板结构，当渗透膜15破损时可更换，结构元件重复利用。平板框架16上设置有电源转接头20。

关于钣金电极组件14的实施例1：

钣金电极组件14包括两片相互绝缘的电极板，电极板为在薄金属板材上直接切割或冲压成型的钣金件，包括多条平形排列的电极及同时连接所有电极的一条或一条以上边线；两电极板交错叠放，使一电极板的电极置于另一电极板的两相邻电极之间的空间中，两电极板通过平板框架16上设置的电源转接头20连接交流电源的不同输出端形成电极组，在周围产生非匀称电场。两电极板可均绝缘，也可一个绝缘另一个为裸电极；当有一个电极板为裸电极时，该电极板应为耐腐蚀材料，或经过耐腐蚀处理。当交流电源的两输出端之间的相位相差优选180°时，在介电电泳电极以及渗透膜的附近产生不匀称电场；且由于交流电源输入的频率不同，在不匀称电场中产生正介电电泳效应或负介电电泳效应。

如图4所示，第一电极板中的第一电极21(涂黑色)设置在第二电极板的第二电极22(涂白色)之间的空档，使第一电极21和第二电极22交错排列，构成电极组；第一边线和第二边线分别连接交流电源的不同输出端，第一边线和第二边线的形状可以相同，也可以不同。

如图5所示，当第一边线和第二边线分别接通交流电源的两输出端时，电极相对的棱线之间形成不均匀电场，图为介电电泳电极阵列中沿电极的长度方向产生介电电泳力矢量和等值线。

如图6所示，本实施例的两片电极板均为梳齿状电极板23，该梳齿状电极板23由多条平行排列的电极24及共同连接该电极24一端的一条边线25构成，多条平行 排列的电极24的另一端为自由端。两片梳齿状电极板23交错叠放，两片梳齿状电极板23的电极24之间左右间隔对应，形成电极组。如图7所示，当两片电极板交叠构成钣金介电电泳电极结构时，第一梳齿状电极板的电极24从第二梳齿状电极板的电极之间插入，形成电极组。这样可以防止两片电极板在叠加时边线25相接触，产生干涉。梳齿状电极板23的外表面可均设置绝缘层，也可一个绝缘另一个为裸电极板；当有一个梳齿状电极板23为裸电极板时，该梳齿状电极板23应为耐腐蚀材料，或经过耐腐蚀处理。

关于钣金电极组件14的实施例2：

如图8所示，与实施例1的区别在于，两片电极板为栅形电极板26，该栅形电极板由多条平行排列的电极27及连接该电极的两端的两条边线28构成。两片栅形电极板间隔叠放，形成电极组。两片栅形电极板26的边线28之间采用绝缘片进行间隔叠放。当两片栅形电极板26交叠构成钣金介电电泳电极结构时，在两栅形电极板26的边线28之间设置所述绝缘片，可避免栅形电极板26的边线28相接触，可由于电极27的两端均通过边线28连接在一起，因此电极在安装时位置相对固定，不需要后期调整。

实施例3：

如图9所示，与实施例2的区别在于，两片电极板为立体栅形电极板29，该立体栅形电极板29由多条平行排列的电极30及连接该电极的两端的两条边线31构成，电极30的两端向同侧方向弯折后，再分别连接两条边线。优选的方式为：电极30的两端向垂直于电极的方向弯折后，再向平行于电极30的方向弯折90°，形成阶梯状，使电极30的中部相对于两端凸起。如图10、图11所示，两片立体栅形电极板29的边线部分间隔叠放，两片立体栅形电极板29的电极30之间相互交错叠放，形成电极组。如图12所示，由于电极30的两端弯折，因此两立体栅形电极板29的边线31之间存在缝隙，能相互避让自动绝缘。如图13所示，两电极板的相对边线之间设置固定件，将两电极板固定为一体。

内部设置钣金电极组件14的介电电泳电极DEP膜的工作过程是：

本发明所涉及的介电电泳电极DEP膜浸泡于外壳筒体上部所需要处理的废水中，由于相对于水而更低的介电极化能力，固体颗粒在废水中通常表现为阴性介电电泳性质；即在不匀称电场中，固体颗粒被向弱电场方向移动。如图2、图3所示，废水经过渗透膜15的表面，在渗透膜15内的钣金电极组件14提供介电电泳力所需的不匀称电场。当废水中固体颗粒靠近渗透膜15时，在介电电泳力的作用下，固体颗 粒向远离渗透膜15的方向移动，如此减少甚至消除膜污染和堵膜得发生；净水通过渗透膜15进入两渗透膜15之间的产水腔17，再通过与产水腔17连通的产水出口19排出。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。