新型的膜生物反應器的製作方法

2023-10-06 19:26:49

專利名稱：新型的膜生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種膜生物反應器，特別是涉及一種推流式接觸氧化的生物反應器。
背景技術：
隨著人口增長和工業化步伐的加快，城市汙水量急劇增多。在新水源枯竭的同時，開始嘗試利用再生水。膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor，MBR)是將生物處理工藝與膜分離技術相結合而成的一種高效汙水處理工藝，它的出水水質優於傳統處理工藝，可以作為寶貴的水資源來使用(如綠化、洗車、景觀以及灑地等)。膜生物反應器主要是由生物反應器和膜組件兩部分組成。生物反應器是汙染物降解的主要場所，傳統的生物反應器是全混式活性汙泥生物處理反應器；膜組件主要是對固液分離並對一些大分子化合物起到截留的作用，一般選用微濾或超濾膜。根據膜組件在膜生物反應器中所處位置的不同，大致可將MBR分為分置式膜生物反應器和浸沒式膜生物反應器或一體化膜生物反應器。
最早出現的是分置式MBR，生物反應器內的泥水混合物在工藝泵的增壓作用下進入膜組件，其中，混合物中的水透過膜成為處理出水，其餘物質隨濃縮液回流到生物反應器內。這種反應器最大的缺點是由於微生物含量高導致動力消耗過高以及膜汙染非常嚴重。為了減輕動力消耗，提出了浸沒式膜生物反應器，將膜組件置於生物反應器中，通過工藝泵的負壓抽吸作用得到膜過濾出水，能耗較分置式低，但是仍沒有很好解決膜組件汙染問題以及由於活性汙泥生物反應器本身的局限所帶來的問題。
傳統的膜生物反應器存在的主要問題1.能耗高分置式膜生物反應器(附圖1)在處理汙水時，原水1首先進入活性汙泥生物反應器2，在此利用風機4提供的氧氣以及通過曝氣裝置7完成有機物的降解。隨後汙水和大量的微生物通過泵5進入膜組件6完成泥水分離，完成泥水分離以及對大分子截留後的出水11可以作為再生水回用，濃縮水12進入活性汙泥反應器2，完成汙泥的回流。膜組件6設反洗系統13定期進行清洗。
分置式膜生物反應器運行時細小的固體顆粒沉積在膜組件表面，造成膜組件的堵塞，也就是膜汙染。為了減緩膜汙染，利用泵將混合液以較高的流速(3～6m·s-1)壓入膜組件，在膜表面形成錯流衝刷，減輕膜組件的汙染。為了達到這麼高的流速，泵的能源消耗巨大。分置式MBR的典型能耗為6kwh/m3～8kwh/m3，也就說在能耗上的成本在3.6~4.8元/m3(電費按0.6元/kwh)，過高的能耗增加了再生水處理成本，制約了本工藝的推廣應用。
一體化膜生物反應器(附圖2)在處理原水時，原水1首先進入活性汙泥生物反應器2，微生物利用風機4提供的氧氣以及通過曝氣裝置7完成有機物的降解。利用完全浸沒在活性汙泥反應器2中的膜組件6並通過泵5提供的負壓完成泥水分離，完成泥水分離以及對大分子截留，截留後的出水11可以作為再生水回收使用。膜組件6設反洗系統13定期進行清洗。一體化膜生物反應器的能耗雖然較分置式膜生物反應器低，但由於膜組件浸泡在活性汙泥反應器中，反應器內存在大量的微生物(普通活性汙泥法微生物含量大約在2000~3000mg/l，MBR的活性汙泥最高能達到10000mg/l)，這些微生物很容易粘附在膜組件上，造成膜組件的堵塞、透水率的降低。另外，與微生物濃度成正比的生物細胞的胞外聚合物EPS(ExtracelluarPolrmers)在汙泥混合液中的累積可引起混合液粘度的增加以及濃差極化造成膜過濾阻力的增加。所以為了降低微生物的粘附作用以及濃差極化，一體化膜生物反應器的曝氣系統要比傳統活性汙泥法高的多。一般傳統活性汙泥法的曝氣量為水量的3~5倍，而一體化膜生物反應器的曝氣量為水量的40倍左右，這勢必增加能耗，提高再生水處理成本。
2.無法承受比較高的有機負荷現有的膜生物反應器的生物反應器都採用活性汙泥反應器，由於該工藝本身的局限，導致現有的膜生物反應器無法承受較高的有機負荷。這是因為，有機負荷的提高，導致絲狀菌的大量繁殖，雖然沒有汙泥膨脹問題，但由於絲狀菌EPS要比杆狀菌高的多，引起濃差極化現象巨增，導致膜組件通量下降，加劇膜汙染；此外，有機負荷的增加，導致微生物的大量繁殖，同樣能加重微生物在膜組件表面的沉積以及濃差極化現象，加重膜汙染問題。
3.無法真正實現剩餘汙泥的穩定化雖然膜生物反應器理論上可以實現汙泥的零排放，但由於以下原因，不得不重新考慮剩餘汙泥的穩定化首先汙泥長時間的積累，導致汙泥活性的降低；其次，汙泥的好氧曝氣降解，需要消耗大量的動力；最後，汙泥的積累，導致微生物濃度的升高，又會引起膜組件汙染程度的增加。所以膜生物反應器的剩餘汙泥要定期排放，不能實現汙泥的穩定化，還要進行汙泥的穩定化處理。
4.無法有效的防治膜汙染問題無論是分體式的還是浸沒式的傳統膜生物反應器，由於採用活性汙泥法，從而導致膜組件不得不與大量的微生物接觸，這些微生物不僅能夠堵塞膜組件的孔徑，而且會粘附在組件上，造成組件的嚴重汙染，所以，不得不頻繁清洗，造成運行成本的提高。

發明內容
為了降低能耗、減輕對膜組件的汙染程度以及提高生物反應器的有機負荷，本發明提出以下新型膜生物反應器，它包括生物反應器、導流系統、中間水池、膜系統四部分；生物反應器是推流式接觸氧化生物反應器，它的泥水混合物通過出水口進入導流系統，導流系統的泥水混合物翻過擋牆進入中間水池，中間水池的泥水通過管道進入膜系統的泵。膜生物反應器的生物處理部分採用接觸氧化法代替傳統的活性汙泥法，填料採用彈性填料。生物反應器與膜反應器分離，採用內壓管式膜組件。接觸氧化反應器採用推流式反應器，生物反應器出水通過導流系統進入膜組件，膜組件的回流水到生物反應器前端，完成汙泥的回流。由於微生物大部分都固定生長在填料上，這樣就可以大大降低膜組件的汙染程度。生物反應器採用推流式接觸氧化工藝，不但可以承受高濃度負荷，獲得良好的出水水質，而且還具有脫氮功能。發明如圖3所示。
本發明的有益效果1.減輕膜組件汙染程度，能耗降低膜組件與生物反應器分開，並且微生物大部分都附著在填料上，膜組件只與少量的微生物直接接觸，首先大大減輕了微生物在膜表面的沉積，有助於減輕對膜組件的堵塞，從而可以延長膜組件的清洗周期以及減輕膜組件清洗的動力消耗另外，由於懸浮生長的微生物量的降低，導致生物細胞的胞外聚合物EPS量的減少，這樣可以降低拈度，減輕濃差極化問題，減少泵的動力消耗以及減輕膜組件的汙染程度，從而延長膜組件的清洗周期。另外，由於微生物含量低，混合液可以以較低的流速通過膜組件，而保證膜組件的出水通量，達到降低能耗的目的。另外曝氣量控制在水量的5~15倍左右減少風機的耗電量。
2.能夠承受高的有機負荷由於接觸氧化法本身能夠承受較高的有機負荷，所以膜生物反應器的生物處理單元，接觸氧化法要比活性汙泥法的有機負荷高。活性汙泥膜生物反應器的有機負荷一般在0.5kgCOD/d.m3，接觸氧化法的有機負荷一般在1~2kgCOD/d.m3，所以對於高濃度的汙水，新型膜生物反應器更加有利，這樣也降低了佔地面積。
3.具有更好的硝化和脫氮功能接觸氧化法膜生物反應器的生物反應部分，不但膜組件的截留保證世代時間長的硝化菌存活，而且由於微生物附著在骨架上，也可以保證硝化菌能夠保留下來，從而為氨氮的硝化提供良好的條件；另外由於氧氣的傳質作用，微生物群落從外到裡，依次經歷了好氧區、微氧區以及缺氧區，所以這種環境的存在，為氨氮的反硝化(缺氧區)提供了條件。所以，新型膜生物反應器不僅能夠完成氨氮的硝化，而且能夠反硝化脫氮，其脫氮能力要遠遠高於傳統的膜生物反應器。
4.兼有生物膜和活性汙泥法二者優點從生物反應器內出來的少量汙泥，沉積在膜反應器內，利用氣提泵使之返回到生物反應器內，保證了生物反應器內足夠的汙泥量。另外，生物反應器的微生物不但有附著在骨架上的生物膜，也有懸浮在水中的活性汙泥，即克服了汙泥的膨脹現象，又保證了良好的傳質能力。也就說，本生物反應器兼有生物膜法和活性汙泥法二者的優點。
5.真正實現汙泥穩定化由於微生物附著在骨架上，由於氧氣和有機物的傳質能力限制，在內層的微生物由於得不到氧氣和食物，所以就在厭氧的環境下進行自我分解，把微生物本身降解為無機質，完成穩定化。
6.減少佔地面積以及投資傳統的膜生物反應器為了降低膜組件的汙染程度，都採用較低的通量，從而造成膜組件佔地面積大。效率低以及高昂的投資費用。而本發明所提供的膜生物反應器能夠很好的克服膜汙染問題，可以大大提高膜組件的通量，從而達到減少佔地面積以及降低投資的效果。簡言之，利用接觸氧化法代替活性汙泥法，可以承受更高的有機負荷，實現NH3-N的硝化和脫氮一體化，保證更加優良的出水水質；採用本發明的生物反應器不但能夠減輕動力消耗，減輕膜組件的汙染程度，實現汙泥的穩定化處理，而且能夠減少佔地面積和降低投資。


圖1.傳統分置式膜生物反應器示意2.傳統浸沒式膜生物反應器示意3.新型的膜生物反應器示意中1.原水2.活性汙泥生物反應器3.中間水池4.鼓風機5.泵6.膜組件7.曝氣裝置8.推流式接觸氧化生物反應器9.彈性填料10.導流系統11.處理水12.濃縮水 13.反洗裝置14.管道15.擋牆16.出水口具體實施方式
圖3是本發明一新型的膜生物反應器示意圖。
這種新型的膜生物反應器，包括推流式接觸氧化生物反應器8、導流系統10、中間水池3、膜系統四部分推流式接觸氧化生物反應器的泥水混合物通過出水口16進入導流系統10，導流系統10的泥水混合物翻過擋牆16進入中間水池3，中間水池3的泥水通過管道14進入膜系統的泵5。
推流式接觸氧化生物反應器8中間部位是彈性填料9，底部為曝氣裝置7，風機4從外部把空氣引入反應器內並通過反應器底部的曝氣裝置7提供給附著在中間的填料9和在反應器內少量懸浮的微生物所需要的氧氣。利用鼓風機4提供並通過曝氣裝置7完成傳質後的氧氣降解汙水中的有機物和完成氨氮的硝化以及反硝化脫氮，經過生物處理後的汙水與少量的微生物首先進入中間水池14然後通過泵5進入膜系統。導流系統10由出水口16和擋牆15構成，擋牆是中間水池3的一面。
中間水池3處於推流式接觸氧化生物反應器和膜系統之間，接受並儲存從導流系統出來的泥水。
膜系統包括膜組件、泵和反洗裝置13，它通過管道從中間水池接收泥水混合物，進入膜系統的泥水混合物經過泵的加壓後進入膜組件，在膜組件中完成泥水的分離，其中濃縮水12通過管道返回到推流式接觸氧化反應器的前端，膜組件的處理水排放並回收使用，反洗裝置定期衝洗膜組件，保證膜組件正常運行。
新型的膜生物反應器的處理工藝流程包括下列步驟①原水1進入推流式接觸氧化生物反應器8②原水經過附著大量微生物和懸浮的少量微生物的彈性填料9
③微生物利用風機4從外部引入反應器的空氣並通過反應器底部的曝氣裝置7提供的氧氣去除原水中的有機物和氨氮④推流式接觸氧化生物反應器的泥水混合物通過導流系統的出水口16和擋牆15進入中間水池，在導流系統中沉澱部分微生物⑤中間水池3中含少量微生物的水通過泵5的加壓並通過管道14進入膜組件6⑥含少量微生物的泥水在膜組件6中完成泥水分離⑦含泥的濃縮水12通過管道返回到推流式接觸氧化生物反應器的前端，處理水11從膜組件6排出⑧膜組件由反洗裝置13定期清洗，保證膜組件正常運行原水1進入膜生物反應器的生物處理單元—推流式接觸氧化生物反應器8，微生物大部分附著在骨架彈性填料9上，利用鼓風機4提供並通過曝氣裝置7完成傳質後的氧氣降解汙水中的有機物和完成氨氮的硝化以及反硝化脫氮，經過生物處理後的汙水與少量的微生物通過導流系統出水口16首先進入中間水池3，然後通過泵5進入膜組件6，完成泥水分離以及對大分子截留，截留後的處理水11可以作為再生水回收使用，濃縮水12進入推流式接觸氧化反應器8的前端，完成汙泥的回流。膜組件6由反洗裝置13定期進行清洗。
權利要求
1.一種新型的膜生物反應器，它包括生物反應器，其特徵在於它還包括導流系統(10)、中間水池(3)、膜系統三部分生物反應器是推流式接觸氧化生物反應器(8)，它的泥水混合物通過出水口(16)進入導流系統，導流系統的泥水混合物翻過擋牆(15)進入中間水池(3)，中間水池的泥水通過管道(14)進入膜系統的泵(5)。
2.根據權利要求1所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於推流式接觸氧化生物反應器中間部位是彈性填料(9)，底部為曝氣裝置(7)，風機(4)從外部把空氣引入反應器內並通過反應器底部的曝氣裝置提供給附著在中間的填料和在反應器內少量懸浮的微生物所需要的氧氣。
3.根據權利要求1所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於導流系統由出水口(16)和擋牆(15)構成，擋牆是中間水池的一面。
4.根據權利要求1所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於中間水池是處於接觸氧化生物反應器和膜系統之間，接受並儲存從導流系統出來的泥水。
5.根據權利要求1所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於膜系統包括膜組件、泵和反洗裝置(13)，它通過管道從中間水池接收泥水混合物，進入膜系統的泥水混合物經過泵的加壓後進入膜組件(6)，在膜組件中完成泥水的分離，其中濃縮水(12)通過管道返回接觸氧化反應器的前端，膜組件的處理水(11)排放和回收使用，反洗裝置定期衝洗膜組件，保證膜組件正常運行。
6.根據權利要求2所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於填料採用半彈性填料。
7.根據權利要求2所述的新型的膜生物反應器，其特徵在於曝氣裝置採用內循環式曝氣方法。
8.根據權利要求5所述的新型的膜生物僅應器，其特徵在於膜組件採用外壓式膜組件。
9.根據權利要求1所述的新型的膜生物反應器的處理工藝流程，其特徵在於它包括下列步驟①原水(1)進入推流式接觸氧化生物反應器②原水經過附著大量微生物和懸浮的少量微生物的彈性填料③微生物利用風機從外部引入反應器的空氣並通過反應器底部的曝氣裝置提供的氧氣去除原水中的有機物和氨氮④推流式接觸氧化生物反應器的泥水混合物通過導流系統的出水口和擋牆進入中間水池，在導流系統中沉澱部分微生物⑤中間水池中含少量微生物的水通過泵的加壓並通過管道進入膜組件⑥含少量微生物的水在膜組件中完成泥水分離⑦含泥的濃縮水(12)通過管道返回到推流式接觸氧化生物反應器的前端，處理水從膜組件排出⑧膜組件由反洗裝置定期清洗，保證膜組件正常運行。
全文摘要
本發明涉及一種膜生物反應器，特別是涉及一種推流式接觸氧化生物反應器。最早出現的是分置式反應器，由於微生物含量高導致動力消耗過高以及膜汙染非常嚴重。浸沒式反應器，沒有很好解決膜組件汙染問題。本發明採用的反應器是新型的推流式接觸氧化生物反應器，中間部位是彈性填料，微生物大部分附著在骨架彈性填料上，底部為曝氣裝置，利用鼓風機提供的氧氣並通過曝氣裝置完成微生物降解和NH
文檔編號C02F3/10GK1539759SQ20031010689
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月31日 優先權日2003年10月31日
發明者李克勳, 傅學起, 孫紅文 申請人:南開大學