一种污水处理膜生物反应器膜污染控制装置及方法

1.本发明属于污水处理领域，涉及一种污染控制装置及方法，尤其涉及一种污水处理膜生物反应器膜污染控制装置及方法。


背景技术：

2.随着水资源的短缺和水体污染的加剧，国家对污水污染物的排放限制标准日趋严格。膜生物反应器(membrane bioreactor，mbr)具有出水水质好、占地面积少等诸多优点，正逐渐成为城市生活污水、高浓度难处理工业废水，乃至农村生活污水处理领域广泛应用的技术。在我国，mbr市场需求增长迅猛，以近1倍甚至几倍的年增速高速增长。然而，生物处理过程中胞外聚合物(extracellular polymeric substances，eps)引起的膜污染是限制mbr进一步广泛推广的难题。为了减轻膜污染保持膜通量，mbr膜组件需要很高的曝气量，mbr的比能耗是常规活性污泥法的几倍以上。因此，目前采用的废水mbr处理技术最大的缺点之一是能耗高，抑制mbr膜污染的形成及其调控研究对于推动mbr的发展与污水厂节能降耗具有重要意义。
3.微生物群体感应及淬灭现象为控制mbr膜污染提供了一种全新的方法。群体感应(quorum sensing，qs)是细菌通过分泌和感应qs信号分子来感知细菌群体密度，并开始调节特定基因表达，以调控细菌的诸多生理功能，如eps的合成和分泌、以及生物膜的形成等。活性污泥系统中最常见的qs信号分子为酰基高丝氨酸内酯(acyl-homoserine lactones，ahls)。与此同时，微生物还存在群体感应淬灭机制，细菌可通过分泌群体感应淬灭酶来降解qs信号分子，进而抑制生物膜的形成。
4.国内外学者对群体感应淬灭控制膜污染的形成做了大量的研究。2009年，chung-hak lee团队首次发现直接添加qs信号分子降解酶至mbr中可以有效延迟膜污染。为了克服酶成本高的特点，一些团队将群体感应淬灭酶固定在载体中，以降低ahls浓度，并减轻膜污染。群体感应淬灭菌可以分泌分解ahls信号分子的酶，其成功分离为群体感应淬灭菌大规模应用于mbr膜污染提供了可能。研究发现，群体感应淬灭菌投加组污泥eps中多糖和蛋白质含量较对照组大量减少是减缓膜污染的主要原因。但如何稳定保持群体感应淬灭菌在膜生物反应器中的长期活性，成为阻碍该技术广泛应用的限制性因素。包埋固定化微生物技术是用化学或物理的手段将游离微生物定位于限定的载体空间领域，并使其保持活性和反复利用的方法。这种固定化细菌的方法能纯化和保持高效菌种，因此具有处理效率高、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高等优点。大多数技术仅关注群体感应淬灭菌的应用制备方法，但在长期运行过程中，群体感应淬灭菌会从载体中流失，群体感应淬灭活性降低，目前尚无从反应器装置设计角度，持续实现群体感应淬灭菌稳定高效控制mbr膜污染。
5.本发明试图寻找一种装置与方法，能利用污水处理各工艺单元特性，通过装置改进与流程优化，在群体感应淬灭菌活性弱化时利用污水中碳源恢复活性，并以此持续保持群体感应淬灭菌的高活性。因此，该技术方法可稳定进行高效强化，实现mbr反应器的高效膜污染控制，解决mbr反应器的高能耗及清洗难题。同时，可在保证处理效能的情况下，长期
保持群体感应淬灭菌活性，显著降低群体感应淬灭菌外加处理成本，具有很好的经济和环境效益。
6.因此，分离适应污水不同工艺特性的群体感应淬灭菌，通过装置改进，不断恢复群体感应淬灭菌载体中菌数量，一方面可以使群体感应淬灭菌持续不断的分泌qq酶，另一方面可以保持群体感应淬灭菌载体的长期稳定性，最终实现mbr膜污染的高效控制，正是本发明的关键所在。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对污水mbr处理工艺中膜污染的难题，提供一种兼性群体感应淬灭菌控制mbr膜污染方法及其在污水工艺中的应用装置，主要通过载体固定兼性群体感应淬灭菌，利用污水处理不同工艺段的特性，本发明主要针对污水处理工艺中的进水单元和mbr单元进行改进，实现群体感应淬灭菌降解各工艺段qs信号分子，并稳定保持其高活性，以实现mbr膜污染的高效控制及群体感应淬灭菌的循环利用。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
9.一种污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，包括按照污水处理工艺依次连接的格栅、沉砂池、选择池、生化池、好氧mbr池、旋流分离池以及自动控制系统、控制中心和螺旋转筒；所述选择池分别与第一螺旋转筒、第二螺旋转筒的一端连接，选择池出水口与生化池进水口相连接，第一螺旋转筒另一端与好氧mbr池连接，所述好氧mbr池中装有膜组件，好氧mbr池侧流通过泵与旋流分离池的顶部相连接，旋流分离池底部与第二螺旋转筒另一端相连，所述好氧mbr池中设置自动控制系统并与控制中心相连。上述“连接”可以为直接相连也可以为通过管道间接相连。
10.进一步的，所述螺旋转筒为管状，内部设有转轴，转轴上有螺旋状的桨叶形成螺旋桨，群体感应淬灭菌载体通过螺旋桨输送。所述转轴通过电机驱动。
11.进一步的，所述选择池底部为锥体状，上部为圆柱结构，出水端为筛网结构，筛网孔径大于1mm，且小于群体感应淬灭菌载体，选择池底部与第一螺旋转筒的进水端相连。
12.更进一步的，所述膜组件底部安装曝气装置，膜组件顶部与抽吸泵相连接，在抽吸泵上设置跨膜压差传感器；所述跨膜压差传感器、抽吸泵、泵均与自动控制系统连接；所述好氧mbr池中还可安装溶解氧do探头、ph探头，溶解氧do探头、ph探头均与自动控制系统连接。
13.一种利用上述装置的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，包括以下步骤：
14.污水经格栅和沉砂池预处理后，进入选择池，选择池中含有群体感应淬灭菌载体，在群体感应淬灭菌作用下去除进水中的群体感应信号分子，选择池出水经生化池处理后，进入好氧mbr池，选择池中群体感应淬灭菌载体通过第一螺旋转筒输送至好氧mbr池，利用群体感应淬灭菌载体控制膜污染，好氧mbr池中的群体感应淬灭菌载体和泥水混合物进入旋流分离池，经旋流分离池分离后群体感应淬灭菌载体通过第二螺旋转筒输送回选择池，污泥回流至好氧mbr池中，好氧mbr池出水进入下一级工艺单元。
15.进一步的，所述群体感应淬灭菌载体在选择池中的停留时间为12
–
24h。
16.进一步的，群体感应淬灭菌载体中的群体感应淬灭菌为兼性菌，在好氧mbr池中的投加量，即群体感应淬灭菌的质量与好氧mbr池的体积比为2-5％，停留时间为20-30天。
17.进一步的，所述好氧mbr池与旋流分离池间联动通过自动控制系统控制；在好氧mbr池中有跨膜压差传感器在线监测，记录跨膜压差传感器的数值，计算膜污染平均速率，设定膜污染平均速率低值和高值，在膜污染平均速率高于高值时，增加旋流分离池进水量，降低群体感应淬灭菌载体在好氧mbr池中停留时间，以通过选择池提高群体感应淬灭菌载体活性，旋流分离池进水端通过泵进入侧管调节水量。
18.更进一步的，所有控制指标由自动控制系统控制，设备运行数据可在控制中心在线监控，智能记录。
19.本发明的有益效果在于：
20.(1)利用兼性群体感应淬灭菌特性，通过工艺优化和装置设计，在进水段后设置选择池发挥其厌氧特性，在好氧mbr池中发挥其好氧特性，并侧流设置旋流分离池将群体感应淬灭菌载体分离后回流至选择池中，此设计最大程度持续地保持了兼性群体感应淬灭菌活性。一方面，兼性群体感应淬灭菌可以在好氧mbr池中分泌qq酶干扰qs效应，控制膜污染，另外一方面，当好氧mbr池中兼性群体感应淬灭菌活性降低时，回流至进水中丰富的有机物可以快速复苏群体感应淬灭菌，并大幅提高其活性。同时，兼性群体感应淬灭菌固定在载体中，可以保护免受有毒污染物的冲击，稳定长期保持群体感应淬灭菌活性。
21.(2)在废水生物处理体系中，兼性群体感应淬灭菌可以分解多个工艺环节中qs信号分子，最大程度地减缓膜污染潜能。研究表明，不管是污水厂进水，还是高污泥浓度的好氧mbr池，均存在较高浓度的qs信号分子，会大幅增加eps分泌和生物膜形成的潜能，加剧膜污染。本发明分别针对进水和好氧mbr反应器的qs信号分子，通过工艺优化，稳定实现qs信号分子分解，可以大幅减缓膜污染。
22.(3)好氧mbr池与旋流分离池间的联动智能控制，为膜污染智慧预警与控制提供了保障。本发明可以根据好氧mbr池的跨膜压差和膜污染平均速率，反馈控制群体感应淬灭菌载体的停留时间与群体感应淬灭活性，有效的保障好氧mbr池的高效运行。
23.(4)基于群体感应淬灭菌控制膜污染基础上，好氧mbr池的曝气可以降低，膜清洗频率大幅降低，进而大幅降低运行成本。与常用的载体相比，运行成本更低，更具显著的经济效益与环保效益。
24.(5)应用前景广泛。该技术可用于市政生活污水mbr工艺的膜污染控制，为低耗高效mbr处理技术开发提供新的思路及开辟新的途径，同时，也可以用于工业废水、垃圾渗滤液等mbr工艺的膜污染控制，为mbr技术的推广应用提供更广阔的前景。
附图说明
25.图1：本发明的装置的一种具体实例的原理流程图。
26.其中，1为格栅，2为沉砂池，3为选择池，4为生化池，5为好氧mbr池，6为旋流分离池，7为do探头，8为跨膜压差传感器，9为抽吸泵，10为ph探头，11为膜组件，12为泵，13为群体感应淬灭菌载体，14为自动控制系统，15为控制中心，16为第一螺旋转筒，17为第二螺旋转筒。图2：不同载体群体感应信号分子浓度随时间变化。
27.control：无添加，vacant beads:无菌载体；qq beads-fresh:刚制备好的群体感应淬灭菌载体；qq beads-mbr：运行一段时间的群体感应淬灭菌载体；qq beads-refresh：选择池活化后群体感应淬灭菌载体。
28.图3：不同模式mbr的tmp变化情况。
29.c-mbr：无添加运行的传统mbr；v-mbr：添加无菌载体的mbr；qq-mbr：添加群体感应淬灭菌载体的mbr；qq-refresh：选择池耦合群体感应淬灭菌载体的mbr。
具体实施方式
30.以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
31.参照图1，为本发明装置的一种具体实例，该污水处理膜生物反应器膜污染控制装置包括按照污水处理工艺依次连接的格栅1、沉砂池2、选择池3、生化池4、好氧mbr池5、旋流分离池6以及自动控制系统14、控制中心15和螺旋转筒；所述选择池分别与第一螺旋转筒16、第二螺旋转筒17的一端连接，选择池出水口与生化池进水口相连接，第一螺旋转筒另一端与好氧mbr池连接，所述好氧mbr池中装有膜组件，好氧mbr池侧流通过泵12与旋流分离池的顶部相连接，旋流分离池底部与第二螺旋转筒另一端相连，所述好氧mbr池中设置自动控制系统并与控制中心相连。
32.其中，所述螺旋转筒为管状，螺旋转筒中布有螺旋状的螺旋桨，群体感应淬灭菌载体通过螺旋桨输送。所述选择池3底部为锥体状，上部为圆柱结构，出水端为筛网结构，筛网孔径大于1mm，且小于群体感应淬灭菌载体。所述膜组件11底部安装曝气装置，膜组件顶部与抽吸泵9相连接，在抽吸泵上设置跨膜压差传感器8；所述跨膜压差传感器8、抽吸泵9、泵12均与自动控制系统连接；所述好氧mbr池中还可安装溶解氧do探头7、ph探头10。
33.一种利用上述装置的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，包括以下步骤：
34.污水经格栅1和沉砂池2预处理后，进入选择池3，选择池中含有群体感应淬灭菌载体，在群体感应淬灭菌作用下去除进水中的群体感应信号分子，选择池出水经生化池4(厌氧、缺氧、好氧或其他变形工艺)处理后，进入好氧mbr池5，选择池中群体感应淬灭菌载体通过第一螺旋转筒16输送至好氧mbr池5，完成大部分污染物的降解，并且利用群体感应淬灭菌载体控制膜污染，好氧mbr池中的群体感应淬灭菌载体和泥水混合物进入旋流分离池6，群体感应淬灭菌载体在旋流分离池中切向剪切力作用下，沉至底部，分离后的群体感应淬灭菌载体在真空泵作用下通过第二螺旋转筒输送回选择池，污泥回流至好氧mbr池中，好氧mbr池出水进入下一级工艺单元。
35.选择池通过进水水力混合，实现群体感应淬灭菌载体与进水充分接触，群体感应淬灭菌可以利用进水中富足的有机物快速增殖，大幅提高群体感应淬灭活性，有利于降解下游mbr单元中qs信号分子。同时，进水中微生物也会分泌qs信号分子，在膜污染中起着重要作用。群体感应淬灭菌的快速增殖也可以大幅降低进水中qs信号分子含量，可以进一步降低膜污染。群体感应淬灭菌载体在选择池中的停留时间为12
–
24h。
36.群体感应淬灭菌载体中的群体感应淬灭菌为兼性菌，在好氧mbr池中的投加量，即群体感应淬灭菌载体的质量与好氧mbr池的体积比为2-5％，停留时间为20-30天，群体感应淬灭菌既可以在相对厌氧的进水环境中存活，利用其中碳源进行快速繁殖，保持群体感应淬灭活性并降解进水中的qs信号分子，也可以在好氧mbr池保持活性，在好氧mbr池含污泥情况下降解qs信号分子，大幅减缓膜污染。
37.好氧mbr池5与旋流分离池6间联动通过自动控制系统14控制；在好氧mbr池中有跨膜压差传感器8在线监测，记录跨膜压差传感器的数值，计算膜污染平均速率，设定膜污染
平均速率低值和高值，在膜污染平均速率高于高值时，增加旋流分离池进水量，降低群体感应淬灭菌载体在好氧mbr池中停留时间，以通过选择池提高群体感应淬灭菌载体活性，旋流分离池进水端通过泵进入侧管调节水量。
38.所有控制指标由自动控制系统控制，设备运行数据可在控制中心在线监控，智能记录。
39.实施例
40.以城市生活污水处理为例，废水水质指标为：ph 7-7.5，氨氮浓度为30-50mg/l，cod 100-250mg/l。
41.废水mbr反应器控制膜污染是通过下述步骤实现的：
42.(1)群体感应淬灭菌载体制作条件为：培养群体感应淬灭菌兼性菌brucella sp.zj1，在lb培养基中30℃培养24h后，离心后加入海藻酸钠和pva溶液中，再加入cacl
2-h3bo3溶液中，边搅拌边滴加，滴加速度为2.0ml/min，将所形成的凝胶颗粒放置1h后，再放入naso4溶液中交联，获得直径为2mm的群体感应淬灭菌载体，用无菌蒸馏水冲洗多次，于4℃保存备用。
43.(2)污水经格栅、沉砂池预处理后，依次进入选择池、生化池、好氧mbr池，好氧mbr池中群体感应淬灭菌载体投加比例约为2％，通过旋流分离池，群体感应淬灭菌载体可通过螺旋转筒回流至选择池中。在选择池中，水流因底部锥形结构产生较大的旋流，搅拌起群体感应淬灭菌载体，使得进水与群体感应淬灭菌载体混合均匀，群体感应淬灭菌载体在选择池中停留时间为12-24h；经过选择池后，群体感应淬灭菌载体的群体感应淬灭活性提升30-60％(如图2所示)，进水中ahls信号分子浓度降低10-25％。
44.(3)群体感应淬灭菌载体在选择池停留后，通过螺旋转筒输送至好氧mbr池，好氧mbr池的污泥浓度约为5000mg/l，膜通量为20l/(m2·
h)，水力停留时间为3h，污泥停留时间为10天。
45.(4)结果表明，好氧mbr池中添加膜污染控制效能显著，与常规mbr反应器相比，膜污染周期由常规mbr的2-3天，延长3倍至6-8天。而群体感应淬灭菌载体耦合选择池+好氧mbr池的膜污染周期可延长5倍至10-13天(如图3所示)。同时，运行60天发现，选择池+好氧mbr池的群体感应淬灭菌载体群体感应淬灭活性保持稳定，展现出长期的膜污染控制效果。
46.以上仅是本发明的一个实施例，并不限制本发明的保护范围，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，其特征在于，包括按照污水处理工艺依次连接的格栅(1)、沉砂池(2)、选择池(3)、生化池(4)、好氧mbr池(5)、旋流分离池(6)以及自动控制系统(14)、控制中心(15)和至少两个螺旋转筒；所述选择池(3)分别与第一螺旋转筒(16)、第二螺旋转筒(17)的一端连接，选择池(3)出水口与生化池(4)进水口相连接，第一螺旋转筒另一端与好氧mbr池(5)连接，所述好氧mbr池(5)中装有膜组件(11)，好氧mbr池(5)侧流通过泵(12)与旋流分离池(6)的顶部相连接，旋流分离池(6)底部与第二螺旋转筒另一端相连，所述好氧mbr池(5)中设置自动控制系统(14)并与控制中心(15)相连。2.根据权利要求1所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，其特征在于，所述螺旋转筒为管状，内部设有转轴，转轴上有螺旋状的桨叶形成螺旋桨，群体感应淬灭菌载体通过螺旋桨输送。3.根据权利要求1所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，其特征在于，所述选择池(3)底部为锥体状，上部为圆柱结构，出水端为筛网结构，筛网孔径大于1mm，且小于群体感应淬灭菌载体，选择池的底部与第一螺旋转筒的进水端相连。4.根据权利要求1所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，其特征在于，所述膜组件(11)底部安装曝气装置，膜组件(11)顶部与抽吸泵(9)相连接，在抽吸泵(9)上设置跨膜压差传感器(8)；所述跨膜压差传感器(8)、抽吸泵(9)、泵(12)均与自动控制系统(14)连接。5.根据权利要求1所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制装置，其特征在于，所述好氧mbr池(5)中还安装有溶解氧do探头(7)、ph探头(10)，且溶解氧do探头(7)、ph探头(10)均与自动控制系统(14)连接。6.一种污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述装置实现，方法包括以下步骤：污水经格栅(1)和沉砂池(2)预处理后，进入选择池(3)，选择池(3)中含有群体感应淬灭菌载体，在群体感应淬灭菌作用下去除进水中的群体感应信号分子，选择池(3)出水经生化池(4)处理后，进入好氧mbr池(5)，选择池(3)中群体感应淬灭菌载体通过第一螺旋转筒(16)输送至好氧mbr池(5)，利用群体感应淬灭菌载体控制膜污染，好氧mbr池(5)中的群体感应淬灭菌载体和泥水混合物进入旋流分离池(6)，经旋流分离池(6)分离后群体感应淬灭菌载体通过第二螺旋转筒(17)输送回选择池(3)，污泥回流至好氧mbr池(5)中，好氧mbr池(5)出水进入下一级工艺单元。7.根据权利要求6所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，其特征在于，所述群体感应淬灭菌载体在选择池(3)中的停留时间为12
–
24h。8.根据权利要求6所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，其特征在于，群体感应淬灭菌载体中的群体感应淬灭菌为兼性菌，在好氧mbr池(5)中的投加量即群体感应淬灭菌载体的质量与好氧mbr池(5)的体积比为2-5％，停留时间为20-30天。9.根据权利要求6所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，其特征在于，所述好氧mbr池(5)与旋流分离池(6)间联动通过自动控制系统(14)控制；在好氧mbr池(5)中有跨膜压差传感器(8)在线监测，记录跨膜压差传感器(8)的数值，计算膜污染平均速率，设定膜污染平均速率低值和高值，在膜污染平均速率高于高值时，增加旋流分离池(6)进水量，降低群体感应淬灭菌载体在好氧mbr池(5)中停留时间，以通过选择池(3)提高群体感应淬灭
菌载体活性，旋流分离池(6)进水端通过泵(12)进入侧管调节水量。10.根据权利要求6所述的污水处理膜生物反应器膜污染控制方法，其特征在于，所有控制指标由自动控制系统(14)控制，设备运行数据可在控制中心(15)在线监控，智能记录。

技术总结
本发明公开了一种污水处理膜生物反应器膜污染控制装置及方法。本发明利用污水处理各工艺单元特性，通过装置改进与流程优化，充分发挥兼性群体感应淬灭菌降解群体感应信号分子能力，一方面降解进水中的群体感应信号分子，减轻下游工艺中群体感应信号分子浓度，另一方面在MBR中群体感应淬灭菌活性弱化时利用污水中碳源恢复活性，并以此持续保持群体感应淬灭菌的高活性，最终实现MBR膜污染的高效控制，显著降低群体感应淬灭菌外加处理成本，具有很好的经济和环境效益。本方法可用于市政污水、工业废水、垃圾渗滤液等有机废水的生物处理系统。理系统。理系统。


技术研发人员：樊璐 孙法迁 蔡晓林 苏晓梅 尹文君 王锐 林红军
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/5