CN205398223U - 内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种厌氧颗粒污泥膨胀床反应器与MBR结合为一体的反应器，本体由布水器、三相分离器、内置膜组件、气液分离器、进水泵、内循环泵、抽吸水泵等组成；具有高颗粒污泥浓度、高反应速率和高的容积负荷，采用内置膜对混合液进行泥水分离，对厌氧污泥、悬浮物的截留率为100%，对胶体等大分子物质的截留率达70%‑80%，出水水质好，浊度接近0，且分离效果不受升流速度和湍流程度的影响，同时采用优化设计，使膜具有良好的抗污染能力和稳定的透水通量。本实用新型对可应用于垃圾渗滤液、市政污水、食品废水、屠宰废水、生物制药废水、焦化废水、造纸废水、石化废水、高含盐量榨菜废水等治理领域。

Description

内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器

技术领域

本实用新型涉及一种内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，可应用于垃圾渗滤液、市政污水、食品废水、屠宰废水、生物制药废水、焦化废水、造纸废水、石化废水、高含盐量榨菜废水等治理领域。

背景技术

处理高、低浓度有机物废水或含大分子难降解有机物废水的厌氧反应器形式有升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）和完全混合式厌氧反应器（CMAR）。

UASB的中温容积负荷约为3-10kgCOD/（m3.d），反应器污泥浓度约30gVSS/L，对化学需氧量（COD）的去除率为80%-90%，对固体悬浮物（SS）的去除率为30%-50%，为了确保出水水质及污泥的截留，反应器内废水的上升流速宜小于0.8m/h。

EGSB的中温容积负荷约为10-30kgCOD/（m3.d），反应器污泥浓度约30gVSS/L，对易降解废水的COD的去除率为70%-90%，对SS的去除率为30%-50%，对难降解废水的COD的去除率为50%-70%，对SS的去除率为20%-40%。其上升流速宜在3-7m/h之间，为了具有较好的出水水质，在高度方向上设两级泥水分离装置，装置的高度很高，有效水深宜为15-24m，高径比3-8。

对于这些靠三相分离器进行分离的反应器，污泥层要维持在三相分离器下0.5-1.5m，污泥过多时应进行排泥。

完全混合式厌氧反应器（CMAR）分为无回流和有回流两种形式。设置搅拌措施使反应池内呈完全混合状态，厌氧出水进入脱气器及沉淀池。其整体对COD的去除率为70%-90%，对SS的去除率为80%-90%。

厌氧反应器的高负荷、高反应速度、高升流速度、高湍流程度与泥水分离效果之间的矛盾是有待解决的。

MBR是一种活性污泥***，采用膜过滤来实现泥水分离，膜将活性污泥截留在生化池内从而提高了生化池的污泥浓度和生化速率，同时通过膜过滤得到更好的出水水质。MBR根据微生物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类。

目前，好氧形式的MBR已广泛地被应用于市政、畜禽养殖、印染造纸、钢铁、石油化工、医疗等行业污水的处理及中水回用上。

厌氧MBR，***不允许曝气，但Simon Judd等采用每10min曝气5s的间歇曝气方式，此种方法对膜冲刷的作用甚微，且在安全方面有很大的局限性，如甲烷在空气中的***极限为5%-15%，存在安全隐患。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种处理效率高、出水水质好的厌氧污泥内循环反应器。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，包括厌氧反应器本体、三相分离器、以三相分离器为分界线将厌氧反应器本体分为污泥床和顶部膜分离区,所述厌氧反应器本体上还设置有气液分离器，所述气液分离器与顶部膜分离区之间连接有第一环路，所述第一环路上依次设置有储气柜、沼气压缩机、气体稳压罐、气体流量计。

通过上述设置，底部污泥床区污泥浓度高达30-40g/L，且大部分为粒径大、密度大、沉降性能好的颗粒污泥，具有高的有机物降解速率和高的容积负荷。顶部膜分离区污泥浓度较低，且主要为沉淀性能差的絮状污泥，污泥浓度在5000-8000mg/L以下，在其中放置内置膜组件，对经三相分离器分离过的含有部分絮状污泥的和经过厌氧降解的废水进行固液分离。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述顶部膜分离区内设有内置膜组件，所述内置膜组件上连接有第二环路，所述第二环路上依次设置有真空表、产水电动阀、抽吸水泵、转子流量计、反洗水箱、反洗水泵、反洗电动阀。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述内置膜组件的孔径范围为0.05-0.1μm。

通过上述设置，采用孔径0.05-0.1μm的内置膜组件（6）为分离介质，对反应器中的厌氧微生物、悬浮物和大分子难降解胶体物质等进行截留，对微生物和悬浮物的截留率达100%，对大分子有机物的截留率达70%-80%。产水浊度几乎为0，出水不需要另做混凝沉淀等处理，可直接进入深度处理单元。出水水质取决于膜孔径的分布，完全不受反应器内上升流速和湍流程度的影响。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述污泥床内设有布水器，所述布水器连接有第三环路，所述第三环路上设置有内循环泵，布水器的进口设有进水泵，厌氧反应器本体上还设有连接污泥床和顶部膜分离区的下降回流管。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述内置膜组件下方设置有气体分散装置、产气收集管，产气收集管收集气体输送至气液分离器。

通过上述设置，在膜箱内外形成气、液、固三相循环流，增加***的湍流程度和膜面的冲刷作用，形成膜的错流过滤，提高膜通量，可达40-100L/(m2.h)。同时对于厌氧***，曝气采用的是沼气而不是空气。经三相分离器收集和内置膜组件冲刷后汇集的沼气，分别经产气收集管和顶部气体收集管导入气液分离器进行气液分离，经分离得到的沼气排至储气柜，经沼气压缩机和气体稳压罐后被送至气体分散装置进行膜面的冲刷，实现沼气的循环搅拌作用。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述内置膜组件为中空纤维式或板式，膜功能层材质为经亲水改性的PP、PVDF、PES、PA、PS膜中的一种或多种。

通过上述设置，通透性能好、抗污染性能好、机械强度高、耐腐蚀性强、出水水质好的超微滤膜，成孔截留分子量5000-300000 Dalton

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述污泥床的底部设有排泥阀。

通过上述设置，便于污泥的排出。

作为本实用新型的具体方案可以优选为：所述顶部膜分离区上设置有压力表。

通过上述设置，利用反洗水泵对膜进行间歇反冲洗，产水和反冲洗由按时间由反洗电动阀和产水电动阀进行切换控制。同时在顶部膜分离区中安装压力表，在抽吸水泵的吸入侧安装真空表，以确认膜的污堵程度，考虑是否需要进行恢复性清洗

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：具有高颗粒污泥浓度、高反应速率和高的容积负荷，采用内置膜对混合液进行泥水分离，对厌氧污泥、悬浮物的截留率为100%，对胶体等大分子物质的截留率达70%-80%，出水水质好，浊度接近0，且分离效果不受升流速度和湍流程度的影响，很好地解决了反应器内混合强度、处理效果与出水水质之间的矛盾；采用自产沼气内循环的方式进行膜的曝气冲刷，多余的沼气火炬燃烧或利用，不产生安全隐患。

附图说明

图1为本实施例的设备连接结构图。

图中1、进水泵；2、布水器；3、三相分离器；4、产气收集管；5、气体分散装置；6、内置膜组件；7、下降回流管；8、顶部气体收集管；9、气液分离器；10、储气柜；11、沼气压缩机；12、气体稳压罐；13、气体流量计；14、真空表；15、压力表；16、抽吸水泵；17、转子流量计；18、内循环泵；19、排泥阀；20、污泥床；21、顶部膜分离区；22、厌氧反应器本体；23、反洗水箱；24、反洗水泵；25、反洗电动阀；26、产水电动阀。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器A-MBR，包括进水泵1、布水器2、三相分离器3、产气收集管4、气体分散装置5、内置膜组件6、下降回流管7、顶部气体收集管8、气液分离器9、储气柜10、沼气压缩机11、气体稳压罐12、气体流量计13、真空表14、压力表15、抽吸水泵16、转子流量计17、内循环泵18、排泥阀19、厌氧反应器本体22、反洗水箱23、反洗水泵24、反洗电动阀25、产水电动阀26。

原水由进水泵1提升进入布水器2，均匀分布于厌氧反应器本体22池底横截面上，之后在升流过程中与厌氧颗粒污泥充分混合，废水中所含的有机物在污泥床20内被厌氧微生物吸附和降解，有机物在污泥床20内经历了水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷阶段，大分子有机物被依次分解为小分子有机物如醇和脂肪酸类，溶解性小分子有机物被最终分解为CO2和CH4。含厌氧颗粒污泥、絮状污泥、悬浮物、剩余未降解有机物和沼气的废水被设置在厌氧反应器本体22中上部的三相分离器3所分离，沼气通过产气收集管4被输送至气液分离器9中，沉淀性能好的颗粒污泥和部分大粒径的絮状污泥在三相分离器3的沉淀区被沉淀后重新回流至污泥床20中，含有少量絮状污泥的澄清水进入顶部膜分离区21，在抽吸水泵16提供的动力作用下经过内置膜组件6的截留过滤，得到清澈透明的产水，直接去下一单元继续处理。

为了提高进水和厌氧污泥的混合程度，提高有机物的降解率，使流入顶部膜分离区21的水中含有较低的有机物浓度，在三相分离器3的下部0.5-1.0m处设内循环回流泵，将含絮状污泥和颗粒污泥的混合液回流至进水口，实现较完全的混合和反应。此做法不需在污泥区的中上部设置排泥点，只需在厌氧反应器本体22的底部设置排泥阀19，定期排出经无机稳定化的剩余污泥。

内置膜组件6的底部设有气体分散装置5，压缩沼气通过气体分散装置5形成中气泡对膜面进行冲刷后上升聚集在厌氧反应器本体22的顶部空间，通过顶部气体收集管8导入气液分离器9中。气液分离器9中的液体通过下降回流管7回流至布水器2进行内循环。分离出的沼气排至储气柜10，一部分经沼气压缩机11和气体稳压罐12后被送至气体分散装置5进行膜面的冲刷，对多余的沼气进行火炬燃烧或利用。

为了防止和延缓膜的污染，根据不同的膜组件形式，需要利用反洗水泵24对膜进行间歇反冲洗，产水和反冲洗由按时间由反洗电动阀25和产水电动阀26进行切换控制。同时在顶部膜分离区21中安装压力表15，在抽吸水泵16的吸入侧安装真空表14，以确认膜的污堵程度，考虑是否需要进行恢复性清洗。

本实用新型提供的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器A-MBR，其特征在于采用孔径0.05-0.1μm的内置膜组件6为分离介质，对反应器中的厌氧微生物、悬浮物和大分子未降解胶体物质等进行截留，对微生物和悬浮物的截留率达100%，对有机物的截留率达70%-80%。产水浊度几乎为0，出水不需要另做混凝沉淀等处理，可直接进入深度处理单元。

本实用新型提供的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器A-MBR，其特征在于反应分两个区：污泥床20和顶部膜分离区21,以三相分离器3为分界线。底部污泥床20区污泥浓度高达30-40g/L，且大部分为粒径大、密度大、沉降性能好的颗粒污泥，具有高的有机物降解速率和高的容积负荷。顶部膜分离区21污泥浓度较低，且主要为沉淀性能差的絮状污泥，污泥浓度在5000-8000mg/L以下，在其中放置内置膜组件6，对经三相分离器3分离过的含有部分絮状污泥的和经过厌氧降解的废水进行固液分离。

本实用新型提供的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器A-MBR，其特征在于上下两个反应区各自实现内循环，无需外循环。对于底部污泥床20区，有两个内循环：其一为在三相分离器3的下部0.5-1.0m处设回流管，通过内循环回流泵，将含絮状污泥和颗粒污泥的混合液回流至进水口，和原水混合后通过布水器2分配至厌氧反应器本体22底部横截面上，实现较完全的混合和反应；其二为在气液分离器9中与沼气分离的液体通过下降回流管7回流至布水器2进行内循环重新参与反应。对于顶部膜分离区21，由气体分散装置5形成的沼气流的气提效应，在膜箱内外形成气、液、固三相循环流，增加***的湍流程度和膜面的冲刷作用，形成膜的错流过滤，提高膜通量，可达40-100L/(m2.h)。同时对于厌氧***，曝气采用的是沼气而不是空气。经三相分离器3收集和内置膜组件6冲刷后汇集的沼气，分别经产气收集管4和顶部气体收集管8导入气液分离器9进行气液分离，经分离得到的沼气排至储气柜10，经沼气压缩机11和气体稳压罐12后被送至气体分散装置5进行膜面的冲刷，实现沼气的循环搅拌作用。

A-MBR装置能够集膜优良的分离性能和厌氧生化法对有机物降解的高效性于一体，与常规的颗粒污泥或絮状污泥厌氧反应器相比，具有显著的优势：

（1）固液分离效果好，出水悬浮物和浊度接近零，且可以去除细菌病毒。膜为固液分离提供了绝对的保证，排水的质量与生物絮体的沉降性没有关联。

同时由于出水水质好，不需要另设脱气池和沉淀池进行固液分离，其后可直接接深度处理单元如人工湿地等，使***的处理效率大大提高。

（2）膜的高效截留作用使微生物完全截留在反应器内，实现了HRT与SRT的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定。

（3）不管是絮状污泥还是颗粒污泥，都能有效地被截留在反应器中，不受水流升流速度的影响，反应器内的微生物浓度完全可控，保持高的微生物浓度，耐冲击负荷能力更强。

（4）有利于生长和繁殖食物链较长的高等微生物，在其内部能形成如厌氧生物膜形成的各种菌群的良好共生体系，对大分子难降解有机物和有毒物质的分解代谢能力能强。

（5）在低的污泥负荷下，大部分基质基本被用来维持微生物生长需要，剩余污泥量大大减少，且已经得到稳定，污泥产率0.04-0.10d-1。

（6）占地面积小。反应器内能维持高浓度的微生物量，容积负荷高，且反应器整体为竖向布置，占地面积较传统厌氧反应器小20%-30%。

（7）通过***的优化设计，使膜具有较强的抗污染能力，维持较大的膜通量。

本实用新型在达到上述目的的同时，在防止和延缓膜污染、膜通量及过滤驱动力方面的考虑和设计如下。

（1）防止和延缓膜污染

在膜的应用上，除了要求维持好的产水水质和高的膜通量外，避免浓差极化和延缓膜污染一直是工程应用过程中永恒的主体。为了延缓和防止膜污染，本实用新型采取的措施有：增加水流的湍动程度，形成错流过滤；在膜组件的下方设置中气泡气体分布装置，形成气流冲刷作用；针对不同形式的膜组件配置间歇反冲洗***。

A-MBR装置运行时，膜分离的悬浮物主要为厌氧微生物絮凝物（如菌胶团和丝状菌）和厌氧微生物代谢物（如胞外聚合物、溶解性微生物产物等胶体物质以及溶解性大分子），其中微生物絮凝物的含量占绝大多数，其在膜表面形成临时性污染的滤饼层，而微生物代谢物易吸附在膜表面及孔道内形成永久性覆盖。本实用新型采取错流过滤的方式来有效减少滤饼层增加而带来的渗透阻力和膜污染。

截留物在膜附近累积会使其在该区域的浓度高于溶液浓度，对于错流过滤，通量越高，边界区域积累的溶质越多，因而浓度梯度越大，反向扩散越快，膜通量的增加也会带来溶质累积速率的增加，发生浓差极化现象，同时微溶溶质易于在膜表面析出，形成低渗透性的凝胶层。因为使膜两侧的浓度梯度增加，浓差极化甚至会促使待截留物通过膜。本实用新型通过增加湍动程度和在较低通量下运行来控制浓差极化。另外，采用的膜孔径为0.05-0.1μm，对于截留组分小于0.1μm颗粒的过程，浓差极化现象较为明显，而厌氧絮状污泥的粒径约为0.02-0.2mm，因此本装置形式基本上不存在浓差极化现象。

（2）膜通量与膜污染的技术经济性的协调统一

膜通量由驱动力和总阻力确定，而总阻力包括膜阻力和膜表面区域阻力。对于某种膜来说，膜阻力是一定的，膜表面区域阻力随着进水污染物的累积而增加，当驱动力一定时，累积速度与膜通量有关，通量越大，污染物累积的越快。当膜的渗透通量低于某通量时，膜的边界层形成滤饼层的速度近似为零，膜的过滤阻力不随时间或跨膜压差的改变而改变；当膜的渗透通量大于该通量时，膜的边界层将逐步地形成滤饼，膜的过滤阻力随时间的延长或跨膜压差的增加而增加，此通量即为临界膜通量。

当通量不超过临界膜通量时，随着操作压力的增大膜通量线性增大且可逆，但是，超过临界通量时，减小操作压力时通量将不再恢复到原来的值，即若膜通量在临界通量以下时，膜的污染可以得到有效的控制，但当膜通量在临界通量以上时，膜污染加剧将导致膜通量无法恢复。

本实用新型在设计时通过试验测定膜通量与衰减、恢复的关系曲线，以确定合适的膜通量，确保膜通量与膜污染的技术经济性的协调统一。

（3）过滤驱动力

超微滤膜的驱动力是压力梯度。当跨膜压差（TMP）低于临界压力值时，膜通量随压差的增大而增加；当跨膜压差高于临界压力时，膜通量随压差的变化不大。一般微滤膜和超滤膜的临界压差值分别约为120kPa和160kPa。

对于内置式中空纤维帘式膜，一般工作压力PP为-0.01MPa至-0.03MPa，PVDF为-0.03MPa至-0.05MPa。

（4）产气与气流冲刷

A-MBR的容积负荷可以做到8-50kgCOD/（m3.d），甲烷产量约为0.16-0.35Nm3CH4/kgCOD，相应的沼气产量约为0.32-0.7Nm3（CH4+CO2）/kgCOD，实际为0.45-0.5Nm3沼气/ kgCOD，底部MLSS浓度可达20-50kg/m3，顶部清水区的污泥浓度不超过10000-15000mg/L。

在膜组件的下部安装中气泡气体扩散装置，每个膜箱都设置导流挡板，膜底部曝气产生的强大推动力使得生物反应池内气、水、活性污泥三相混合液形成高速循环流，循环水流产生的剪切力和提升力促进了滤饼层的去除。并通过减小膜元件间间距，在同样的水流和气流作用下，形成的流态更有利于膜表面的冲洗。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：包括厌氧反应器本体（22）、三相分离器（3）、以三相分离器（3）为分界线将厌氧反应器本体（22）分为污泥床（20）和顶部膜分离区（21）,所述厌氧反应器本体（22）上还设置有气液分离器（9），所述气液分离器（9）与顶部膜分离区（21）之间连接有第一环路，所述第一环路上依次设置有储气柜（10）、沼气压缩机（11）、气体稳压罐（12）、气体流量计（13）。

2.根据权利要求1所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述顶部膜分离区（21）内设有内置膜组件（6），所述内置膜组件（6）上连接有第二环路，所述第二环路上依次设置有真空表（14）、产水电动阀（26）、抽吸水泵（16）、转子流量计（17）、反洗水箱（23）、反洗水泵（24）、反洗电动阀（25）。

3.根据权利要求2所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述内置膜组件（6）的孔径范围为0.05-0.1μm。

4.根据权利要求2或3所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述污泥床（20）内设有布水器（2），所述布水器（2）连接有第三环路，所述第三环路上设置有内循环泵（18），布水器（2）的进口设有进水泵（1），厌氧反应器本体（22）上还设有连接污泥床（20）和顶部膜分离区（21）的下降回流管（7）。

5.根据权利要求4所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述内置膜组件（6）下方设置有气体分散装置（5）、产气收集管（4），产气收集管（4）收集气体输送至气液分离器（9）。

6.根据权利要求3所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述内置膜组件（6）为中空纤维式或板式，膜功能层材质为经亲水改性的PP、PVDF、PES、PA、PS膜中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述污泥床（20）的底部设有排泥阀（19）。

8.根据权利要求1所述的内置膜分离式厌氧污泥内循环反应器，其特征在于：所述顶部膜分离区（21）上设置有压力表（15）。