CN104445600A - 一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器，包括反应池，所述反应池内设有膜组件、顶部导流板、侧部导流板和曝气装置，其中，所述顶部导流板设置在所述膜组件之上，所述侧部导流板设置在所述膜组件的外侧，所述曝气装置设置在所述膜组件之下，所述顶部导流板、侧部导流板之间设有供水流出的导流出口，所述侧部导流板、曝气装置之间设有供水流入的导流入口。本发明还提供了一种基于膜污染原位控制的工艺。本发明的有益效果是：可通过顶部导流板、侧部导流板和曝气装置在反应池内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流，中心向上流的水流流经膜组件，可以有效控制膜表面的可逆污染。

Description

一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器及其工艺

技术领域

本发明涉及污水处理，尤其涉及污水处理中的一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器及其工艺。

背景技术

膜生物反应器将生物处理与膜分离相结合，实现水力停留时间与污泥龄的分离控制，可大大提高反应器内微生物量，有利于特定功能菌的生长和污染物的去除。具有占地面积小，出水水质稳定，容易实现自动控制等优势，在水和废水处理领域的应用日益增多。膜作为膜生物反应器的核心部分，其所处环境十分恶劣。由于生物反应器内存在高浓度的悬浮物、有机物和微生物及胞外分泌物，导致膜的不可逆污染普遍存在，严重影响了膜生物反应器的应用。因此，如何在强化污染物去除效果的同时，控制膜污染成为膜生物反应器发展的关键瓶颈。

为强化膜生物反应器的处理效果和控制膜污染，可采用投加填料的方法增加微生物量，流化态的填料还可清洗膜表面的污染层，降低膜污染。国内相关的主要专利有：环流式膜生物反应器废水处理设备和废水处理方法（授权公告号CN 100429160C），主要通过固定填料上的工程菌或酶制剂去除污染物，同时利用膜进行固液分离；一种研究填料对膜污染改善的膜生物反应器***和量化测试方法及应用（授权公告号CN 102642920B），主要通过三组平行运行的膜生物反应器来评价不同悬浮填料对膜污染的影响，为设计新型填料提供基础；投加填料的流化床型膜-生物反应器及水处理方法（授权公告号CN 1164507C），通过导流装置将反应池分隔为升流区和降流区，膜组件置于升流区内，通过曝气使填料流动，控制膜污染，强化处理效果；控制膜污染的一种膜生物反应器中混合液性质调控方法（公开号CN 1600705A），主要通过投加臭氧使反应器内混合液性质的改变从而控制膜污染；一种控制膜生物反应器中膜污染的新方法（公开号CN 102276055A），通过在反应器内投加填料作为生物膜的载体，优化曝气方式控制微生物代谢，从而减缓膜污染，一种平板陶瓷超滤膜生物反应器（公开号CN 103304021A），通过利用平板陶瓷膜和固定的FSB 生物载体对传统膜生物反应器改造，使微生物絮体附着在生物填料表面，有效缓解膜污染。

基于上述讨论，可见现有方法和设备所存在的问题是：1）曝气和投加的填料仅能减缓膜表面的可逆污染，而对膜孔内的污染无能为力；2）采用的膜大部分为低机械强度的有机膜，无法忍受硬性填料的刮擦，而且大气量的曝气也会导致膜的抖动幅度增加，加速了膜的老化和损坏；3）反应器无污泥沉淀及排泥***；4）无法去除水中的PPCPs和某些具有内分泌干扰作用的工业微量污染物。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器及其工艺。

本发明提供了一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器，包括反应池，所述反应池内设有膜组件、顶部导流板、侧部导流板和曝气装置，其中，所述顶部导流板设置在所述膜组件之上，所述侧部导流板设置在所述膜组件的外侧，所述曝气装置设置在所述膜组件之下，所述顶部导流板、侧部导流板之间设有供水流出的导流出口，所述侧部导流板、曝气装置之间设有供水流入的导流入口。

作为本发明的进一步改进，所述反应池内设有隔板，所述隔板沿水平面设置，所述隔板将所述反应池分隔成反应区和缓冲区，所述反应区位于所述隔板之上，所述缓冲区位于所述隔板之下，所述膜组件、顶部导流板、侧部导流板和曝气装置均设置在所述反应区内。

作为本发明的进一步改进，所述反应池的底部设有污泥区，所述污泥区位于所述缓冲区之下，所述污泥区的输出口设有排泥阀。

作为本发明的进一步改进，所述侧部导流板绕所述膜组件的周向形成上下开口的侧部导流筒，所述侧部导流筒的底部设有扩口部，所述曝气装置设置在所述扩口部内。

作为本发明的进一步改进，所述顶部导流板为圆锥状，所述顶部导流板的顶点靠近所述膜组件，所述顶部导流板的底面靠近所述反应池的顶部。

作为本发明的进一步改进，所述反应池连接有进水装置，所述膜组件连接有出水装置，所述进水装置的进水口设置在所述反应池的侧壁、侧部导流板之间。

作为本发明的进一步改进，所述进水装置包括进水管，所述进水管连接有混凝剂投加装置。

作为本发明的进一步改进，所述出水装置与所述膜组件的顶部连接，所述曝气装置包括氧气源、与所述氧气源连接的臭氧发生器和与所述臭氧发生器连接的微孔曝气棒，所述微孔曝气棒设置在所述膜组件之下。

本发明还提供了一种基于膜污染原位控制的工艺，包括以下步骤：

S1、将膜组件设置在顶部导流板的下面、侧部导流板的内侧、曝气装置的上面，通过曝气装置进行曝气，使水流向上流，并且经过膜组件，通过侧部导流板将向上流的水导流在侧部导流板内侧，通过顶部导流板将向上流的水导流为向下流，通过顶部导流板、侧部导流板将向下流的水导流在侧部导流板外侧，在反应池内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流；

S2、向反应池内投加混凝剂。

作为本发明的进一步改进，步骤S1还包括：通过水平设置的隔板将反应池分隔为反应区、缓冲区，反应区位于隔板之上，缓冲区位于隔板之下，在缓冲区下设置污泥区，所述循环水流位于反应区内；步骤S2为：向进水装置投加混凝剂形成混凝水，将该混凝水注入到反应池侧壁、侧部导流板外侧之间，该混凝水的进水方向为垂直向下。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可通过顶部导流板、侧部导流板和曝气装置在反应池内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流，中心向上流的水流流经膜组件，可以有效控制膜表面的可逆污染。

附图说明

图1是本发明一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器的结构示意图；

图2是图1的剖视图A-A；

图3是图1的剖视图B-B。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图3中的附图标号为：反应池1；顶部导流板11；侧部导流板12；填料13；进水管14；隔板15；排泥阀16；混凝剂投加泵2；混凝剂储存罐21；投加管22；臭氧发生器3；微孔曝气棒31；氧气源32；膜组件4；出水抽吸泵41；出水管42；

为解决当前膜生物反应器存在的问题，本发明提供一种可以原位控制膜污染的膜生物反应器及工艺，通过对进水投加混凝剂，在膜生物反应器内放置悬浮型填料，使用臭氧/纯氧曝气，在异形导流板的作用下实现膜表面和膜孔内污染的原位控制，同时利用臭氧/纯氧强化新兴污染物的去除效果。

如图1至图3所示，一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器，包括反应池1，所述反应池1内设有膜组件4、顶部导流板11、侧部导流板12和曝气装置，其中，所述顶部导流板11竖直设置在所述膜组件4之上，所述侧部导流板12设置在所述膜组件4的外侧，所述曝气装置设置在所述膜组件4之下，所述顶部导流板11、侧部导流板12之间设有供水流出的导流出口，所述侧部导流板12、曝气装置之间设有供水流入的导流入口。

如图1至图3所示，所述反应池1内设有填料13，所述填料13优选为悬浮型填料，优选在反应池内填充半悬浮型填料，所述半悬浮性填料的直径需要与导流出口、导流入口、相邻膜组件4的间隙相配合，所述填料13为耐氧化的柔性或刚性材料制成。

如图1至图3所示，所述曝气装置优选为臭氧、纯氧混合的曝气装置。

如图1至图3所示，所述膜组件4优选为耐氧化、高机械强度的陶瓷膜组件。

如图1至图3所示，所述反应池1内设有隔板15，所述隔板15优选为多孔隔板，所述隔板15沿水平面设置，所述隔板15将所述反应池1分隔成反应区和缓冲区，所述反应区位于所述隔板15之上，所述缓冲区位于所述隔板15之下，所述膜组件4、顶部导流板11、侧部导流板12和曝气装置均设置在所述反应区内。

如图1至图3所示，所述反应池的底部设有污泥区，所述污泥区位于所述缓冲区之下，所述污泥区的输出口设有排泥阀16。

如图1至图3所示，反应池1内的隔板15将反应区与污泥区分开，部分污泥絮体可在惯性力做用下进入网格下的污泥区，而填料13仍保留在反应区，填料13与隔板15的碰撞还可使填料13上老化的生物膜脱落进入污泥区，维持生物膜的高活性，污泥区的污泥可通过排泥阀16排除，反应池1的水力停留时间 0.5-1h。

如图1至图3所示，所述侧部导流板11绕所述膜组件4的周向形成上下开口的侧部导流筒，所述侧部导流筒的底部设有扩口部，所述扩口部类似喇叭状，所述曝气装置设置在所述扩口部内。

如图1至图3所示，所述顶部导流板11为圆锥状，所述顶部导流板11的顶点靠近所述膜组件4，所述顶部导流板11的底面靠近所述反应池1的顶部。

如图1至图3所示，所述反应池1连接有进水装置，所述膜组件4连接有出水装置，所述进水装置的进水口设置在所述反应池1的侧壁、侧部导流板12之间。

如图1至图3所示，所述进水装置包括进水管14，所述进水管14连接有混凝剂投加装置。

如图1至图3所示，所述混凝剂投加装置包括混凝剂储存罐21、与所述混凝剂储存罐21连接的混凝剂投加泵2和与所述混凝剂投加泵2连接的投加管22，混凝剂通过投加管22直接进入进水管14，在进水管14内和反应池1内完成混凝过程。

如图1至图3所示，所述出水装置与所述膜组件4的顶部连接。

如图1至图3所示，所述出水装置包括与所述膜组件4的顶部连接的出水抽吸泵41和与出水抽吸泵41连接的所述出水管42，出水抽吸泵41可提供-80kPa的抽吸压强和200kPa压强的扬程，出水抽吸泵41可同时作为产水泵和反冲洗泵使用。

如图1至图3所示，所述曝气装置包括氧气源32、与所述氧气源32连接的臭氧发生器3和与所述臭氧发生器3连接的微孔曝气棒31，所述微孔曝气棒31设置在所述膜组件4之下，氧气源32可提供压力为40-100kPa的干燥纯氧，经过臭氧发生器3后可产生臭氧浓度在30-100mg/L的臭氧、纯氧混合气体，微孔曝气棒31可将臭氧均匀的分布于反应池1底部。

如图1至图3所示，一种基于膜污染原位控制的工艺，包括以下步骤：

S1、将膜组件4设置在顶部导流板11的下面、侧部导流板12的内侧、曝气装置的上面，通过曝气装置进行曝气，使水流向上流，并且经过膜组件4，通过侧部导流板12将向上流的水导流在侧部导流板12的内侧，通过顶部导流板11将向上流的水导流为向下流，通过顶部导流板11、侧部导流板12将向下流的水导流在侧部导流板12的外侧，在反应池1内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流；

S2、向反应池1内投加混凝剂。

如图1至图3所示，步骤S1还包括：通过水平设置的隔板15将反应池1分隔为反应区、缓冲区，反应区位于隔板之上，缓冲区位于隔板之下，在缓冲区下设置污泥区，所述循环水流位于反应区内；步骤S2为：向进水装置投加混凝剂形成混凝水，将该混凝水注入到反应池1的侧壁、侧部导流板12的外侧之间，该混凝水的进水方向为垂直向下。

本发明提供的一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器及其工艺具有以下优点：

1、投加混凝剂后的混凝水直接进入反应池1，在反应池1内实现微絮凝过程，膜过滤可截留绝大部分混凝水中的颗粒物，并可在反应池1内形成一定浓度的絮体，絮体可停留较长时间，其本身就是一种“填料”，附着于絮体上的微生物可对污染物进行降解；

2、膜组件4过滤同时对反应池1中的混凝水进行臭氧、纯氧曝气，气体带动水体和填料13运行，在顶部导流板11、侧部导流板12的共同作用下形成在反应池1内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流，完成混凝过程，填料13为固着态微生物提供载体的同时可降低膜表面的可逆污染阻力，臭氧可氧化水中有机物，去除色度和臭味，并且可控制膜组件4的孔内的有机物污染，因此，可实现污染物去除和控制膜污染的双重效果；

3、通过臭氧、纯氧曝气，投加的臭氧量为1-5mg/L，反应区的溶解氧浓度可维持在10-15mg/L左右；在隔板15的分离作用下，填料13始终位于反应池1的反应区；在惯性力和重力作用下，部分絮体可通过隔板15在污泥区形成污泥，减少排泥水量，提高产水率。

本发明提供的一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器在正式运行之前，需经过一定时间的微生物培养，培养时间视环境温度和水质条件而定。

本发明解决的关键问题之一是：如何有效地控制膜污染。其原理是：1）曝气使填料13呈流化态，填料13和水流分别具有较高的摩擦力和剪切力，结合填料13直径与相邻膜组件4间隙的调节，絮体和填料13在循环水流带动下，可有效控制膜表面的可逆污染；2）臭氧可分解大分子有机物，增加有机物的亲水性，一方面有利于膜池内污染物的降解，一方面溶解态臭氧可进入膜孔，与膜组件4孔内的有机物反应，从而制膜孔内的物理不可逆有机物污染，延长膜的化学清洗周期；3）反应池1设置了缓冲区和污泥区，有利于控制反应区内的絮体浓度，避免在反应过程中絮体浓度持续增加而加重膜的污染。

与现有技术相比，本发明的显著优点是填料13和混凝剂形成的絮体均可作为微生物的载体，且絮体的比表面积远高于填料，增加了微生物量，同时臭氧、纯氧曝气过程比传统的空气曝气具有更高的氧分压，提高了氧的传质效率。高生物量和氧的高传质效率保证了污染物的降解速率，提高了反应器的有机物容积负荷。

利用本发明处理微污染原水或低浓度有机物废水时，具有如下优点：1）采用混凝工艺后，反应池1内形成一定浓度絮体，絮体和填料13可同时为微生物生长提供载体，有利于世代时间长的微生物如硝化细菌的繁殖，絮体还可以吸附部分进水的污染物，絮体和填料13在循环水流带动下，降低膜组件4的污染物负荷；2）采用臭氧、纯氧曝气，使填料13处于流化态可以分别控制膜组件4的可逆污染和膜组件4孔内的物理不可逆有机物污染，实现膜污染的原位控制；3）臭氧可分解不利于微生物分解的大分子有机物，强化有机物的去除效果；4）臭氧、纯氧曝气的使用加快了氧的传质，降低能耗；5）反应池1分区为反应区、缓冲区、污泥区，可使反应区内污泥浓度不至太高而加重膜污染。

以下提供两项实验，进一步说明本发明。

实验1

测试本发明对膜污染的控制效果，在曝气量为400L/h，臭氧投加量为2mg/L，膜通量为100L/m²h，水力停留时间0.5h的工况下处理微污染原水，与未投加臭氧和填料的膜生物反应器相比，膜的化学清洗周期可由7天延长至20天。

实验2

测试本发明对有机物、氨氮、PPCPs和嗅味物质的去除效果，在曝气量为400L/h，臭氧投加量为2mg/L，膜通量为100L/m²h，水力停留时间0.5h的工况下，反应池1水中的溶解氧可由4mg/L提高至15-20mg/L，PPCPs和嗅味物质的去除率为95%以上，有机物的去除率约为50%，对氨氮的绝对去除量可达3-4mg/L而无亚硝酸盐的积累。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：包括反应池，所述反应池内设有膜组件、顶部导流板、侧部导流板和曝气装置，其中，所述顶部导流板设置在所述膜组件之上，所述侧部导流板设置在所述膜组件的外侧，所述曝气装置设置在所述膜组件之下，所述顶部导流板、侧部导流板之间设有供水流出的导流出口，所述侧部导流板、曝气装置之间设有供水流入的导流入口。

2.根据权利要求1所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述反应池内设有隔板，所述隔板沿水平面设置，所述隔板将所述反应池分隔成反应区和缓冲区，所述反应区位于所述隔板之上，所述缓冲区位于所述隔板之下，所述膜组件、顶部导流板、侧部导流板和曝气装置均设置在所述反应区内。

3.根据权利要求2所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述反应池的底部设有污泥区，所述污泥区位于所述缓冲区之下，所述污泥区的输出口设有排泥阀。

4.根据权利要求1所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述侧部导流板绕所述膜组件的周向形成上下开口的侧部导流筒，所述侧部导流筒的底部设有扩口部，所述曝气装置设置在所述扩口部内。

5.根据权利要求1所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述顶部导流板为圆锥状，所述顶部导流板的顶点靠近所述膜组件，所述顶部导流板的底面靠近所述反应池的顶部。

6.根据权利要求1所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述反应池连接有进水装置，所述膜组件连接有出水装置，所述进水装置的进水口设置在所述反应池的侧壁、侧部导流板之间。

7.根据权利要求6所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述进水装置包括进水管，所述进水管连接有混凝剂投加装置。

8.根据权利要求6所述的基于膜污染原位控制的膜生物反应器，其特征在于：所述出水装置与所述膜组件的顶部连接，所述曝气装置包括氧气源、与所述氧气源连接的臭氧发生器和与所述臭氧发生器连接的微孔曝气棒，所述微孔曝气棒设置在所述膜组件之下。

9.一种基于膜污染原位控制的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将膜组件设置在顶部导流板的下面、侧部导流板的内侧、曝气装置的上面，通过曝气装置进行曝气，使水流向上流，并且经过膜组件，通过侧部导流板将向上流的水导流在侧部导流板内侧，通过顶部导流板将向上流的水导流为向下流，通过顶部导流板、侧部导流板将向下流的水导流在侧部导流板外侧，在反应池内形成中心向上流、侧部向下流的循环水流；

S2、向反应池内投加混凝剂。

10.根据权利要求9所述的基于膜污染原位控制的工艺，其特征在于，步骤S1还包括：通过水平设置的隔板将反应池分隔为反应区、缓冲区，反应区位于隔板之上，缓冲区位于隔板之下，在缓冲区下设置污泥区，所述循环水流位于反应区内；步骤S2为：向进水装置投加混凝剂形成混凝水，将该混凝水注入到反应池侧壁、侧部导流板外侧之间，该混凝水的进水方向为垂直向下。