一種源頭富集與回收汙水有機碳源的方法及裝置與流程
2023-06-04 23:08:51
本發明涉及一種源頭富集與回收汙水有機碳源的方法及裝置，屬於汙水處理技術領域。
背景技術：
傳統的汙水生物處理工藝是將汙水中的汙染物轉化成氣體或固體去除，尤其是將汙水中的大部分有機物由微生物降解成二氧化碳，氨，最終以氮氣的形式排掉，除此之外，剩餘汙泥中的磷酸鹽的含量也不可小視。因此，傳統的汙水生物處理方式並不是基於可持續化發展的理念，不僅沒有將汙染物轉化為資源回收，還對環境造成了不可忽視的影響。因此，一種將汙水中的營養物質直接分離出來，並進行高附加值轉化(如發酵產沼氣、製備有機酸等)的裝置和方法，對於簡化工藝汙水處理工藝，節省投資成本與運行費用，實現了汙染物的資源化利用具有重要的應用意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種源頭富集與回收汙水有機碳源的裝置，包括反應器主體，膜組件，攪拌驅動裝置，和攪拌裝置；所述攪拌驅動裝置設置在反應器主體頂部；所述攪拌裝置包括攪拌軸、攪拌葉輪和轉子，攪拌軸為中空的管道，設置於反應器主體的中軸線上，一端插入攪拌驅動裝置內部並用螺絲固定，另一端貫穿旋入轉子內並固定；攪拌葉輪設置在攪拌軸上，轉子固定在發明器主體底部；所述膜組件包括支撐組件和無紡布膜，支撐組件呈中空的圓柱狀雙層框架結構，外層框架和內層框架之間設置空腔，空腔內部設置管道並與攪拌軸通過管道連接；支撐組件外部由無紡布膜包裹。
在本發明的一種實施方式中，所述攪拌驅動裝置為電機，還與攪拌調節裝置連接；所述攪拌調節裝置包括顯示屏和旋轉閥，通過調節旋轉閥控制攪拌驅動裝置的轉速。
在本發明的一種實施方式中，所述反應器主體呈圓筒狀，頂部設置頂蓋，底部封底；頂蓋上方固定有攪拌驅動裝置和攪拌調節裝置，使三者形成一體結構。
在本發明的一種實施方式中，頂蓋還設置排氣口。
在本發明的一種實施方式中，反應器主體設置進水管、排泥管和取樣口；所述進水管設置於反應器主體側壁靠近頂端1/6～1/3處，所述排泥管設置於反應器主體側壁的底部區域；所述取樣口設置於反應器主體側壁上。
在本發明的一種實施方式中，反應器主體底部設置出水管；所述出水管12設置於反應器主體中軸線位置，與攪拌軸通過管道連接，出水依次經過攪拌、轉子、並從安裝在反應器底部的出水管流出。
在本發明的一種實施方式中，所述攪拌葉輪有至少一對，數量為≥2對時在攪拌軸上平行設置，並使膜組件位於兩對攪拌葉輪之間。
在本發明的一種實施方式中，所述裝置還在底部設置萬向輪。
本發明的第二個目的是提供一種源頭富集與回收汙水有機碳源的方法，所述方法是應用所述裝置，加入汙水和活性汙泥，控制運行溫度為0-40℃左右，水力停留時間為10-50min；汙泥濃度為1000-6000mg/L；攪拌裝置的轉速為15-100r/min。
在本發明的一種實施方式中，所述方法是應用大孔徑網狀無紡布，孔徑為100-500目，膜通量為50-150L/m2/h。
在本發明的一種實施方式中，活性汙泥取自汙水處理廠的曝氣池，進水為含有機碳的汙水。
在本發明的一種實施方式中，所述方法具體是：控制運行溫度為0-40℃，水力停留時間為10-50min；控制汙泥濃度為1000-6000mg/L；攪拌裝置的轉速為15-100r/min；連續進水、連續出水和間歇排泥；所述間歇排泥是每40～90min排泥一次。
本發明還提供所述源頭富集與回收汙水有機碳源的裝置在環境領域的應用。
本發明的方法具有以下有益效果：
(1)汙泥的吸附作用解決了常規的生物處理帶來的資源回收率低的問題，甚至避免了後者產生的環境問題或後續處理壓力，減少剩餘汙泥的產生，將汙染物吸附以後，進行資源化回收，如，發酵產酸作為碳源回用於汙水處理。
(2)利用活性汙泥的吸附性進行汙水處理，取代市售吸附劑，節省成本，便於操作，便於資源化，吸附時間最短僅10min，且吸附率達到80以上。
(3)自生動態膜的分離作用，使出水的SS趨於零，截留率接近100％，將汙泥與廢水很好的分離，動態膜反應器取代了沉澱池，避免了因過長的沉澱時間而造成的汙泥釋放碳源的問題，並且節省佔地面積。
(4)採用自旋式膜組件，有效地控制了膜汙染，COD的去除效率達到80％左右動態膜通量可維持在較大數值，50-150L/m2/h，滿足了較短的吸附時間。
(5)動態膜製作成本低，並且重力自流出水，節省運行能耗。
附圖說明
圖1為吸附碳源的高通量自生動態膜反應器的示意圖；其中：1、攪拌驅動裝置，2、攪拌調節裝置，3、排氣口，4、進水管，5、反應器主體，6、攪拌軸，7、膜組件，8、蓋子，9、取樣口，10、攪拌葉輪，11、轉子，12、出水管，13、排泥管，14、萬向輪；虛線表示汙水的運動軌跡；
圖2為吸附汙水碳源的自生動態膜反應器的阻力變化曲線；
圖3為吸附汙水碳源的自生動態膜反應器出水SS變化曲線；
圖4為吸附汙水碳源的自生動態膜反應器出水COD變化曲線；
圖5為汙泥濃度對SCOD的去除率的影響；
圖6為汙泥濃度對截留效果和膜形成時間的影響；
圖7為轉速對出水SCOD的去除率的影響；
圖8為轉速對出水截留效果和動態膜形成時間的影響。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，但本發明並不局限於此。
實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
測定方法：化學需氧量(COD)、SS根據標準方法測定，COD採用重鉻酸鉀法，SS採用重量法。
實施例1
如圖1所示，一種源頭富集與回收汙水碳源的裝置，包括反應器主體5，攪拌驅動裝置1，攪拌調節裝置2，膜組件7，和攪拌裝置；所述反應器主體5呈圓筒狀，頂部設置頂蓋8，底部封底，頂蓋8上方固定有攪拌驅動裝置1和攪拌調節裝置2，使三者形成一體結構；攪拌裝置包括攪拌軸6、攪拌葉輪10和轉子11；攪拌軸6為中空的管道，設置於反應器主體的中軸線上，一端插入攪拌驅動裝置1內部並用螺絲固定，另一端旋入轉子11內並固定；所述轉子11用螺絲固定在反應器主體5底部。攪拌軸上還設置攪拌葉輪10；膜組件7與攪拌葉輪10同軸設置，，膜組件7包括支撐組件和無紡布膜，支撐組件呈中空的圓柱狀雙層框架結構，外層框架和內層框架之間設置空腔，空腔內部可容納液體並與中空攪拌軸6通過管道連接；無紡布膜包裹在支撐組件外部，使汙水能夠通過無紡布膜、支撐組件外層進入支撐組件框架結構的空間內，然後通過設置在空腔內部的管道流入攪拌軸6內，汙泥經過無紡布膜的過濾，在無紡布表面形成汙泥層。
攪拌驅動裝置1為電機，攪拌調節裝置2包括轉速顯示屏和旋轉閥，通過調節旋轉閥控制攪拌驅動裝置1的轉速；頂蓋8還設置排氣口3，反應器主體5的側壁靠近頂端1/6～1/3處設置進水管4，側壁底部至2/3反應器高度的區域設置取樣口9，用於實時取樣；反應器主體5底部設置出水管12和排泥管13；所述出水管12設置於反應器主體5中軸線位置，於膜組件7內部通過管道連接，出水依次經過攪拌軸6、轉子11、並從安裝在反應器底部的出水管12流出。。
所述攪拌葉輪10有至少1對，數量為≥2對時在攪拌軸上平行設置，並使膜組件7位於2對攪拌葉輪10之間。本裝置還在底部設置萬向輪，使裝置便於移動。
本裝置運行時，汙水由進水管4進入反應器，採自汙水廠的活性汙泥由排泥管13進入反應器，當水面達到設定液位時，開啟攪拌裝置進行攪拌。在10～30min內，汙水經過膜組件表面的無紡布膜、支撐組件進入至膜組件7內部，活性汙泥被截留在無紡布膜表面，汙水中的碳源被迅速吸附並富集在活性汙泥上；同時，在出水推流作用下，活性汙泥沉積在由無紡布材料膜構成的過濾基網上，形成動態膜。然後，出水經自生動態膜重力自流排出，而汙泥被截留在反應器內，實現了碳源與汙水的分離，吸附10～50min使反應器中的活性汙泥達到吸附飽和以後，由排泥管排出，並進行碳源資源化回收。
實施例2
啟動實施例1設計的裝置：將蓋子蓋上，控制反應器內部處於厭氧環境。通過計算所需要加入反應器的汙泥體積，和汙水量，調節反應器中汙泥濃度為1000-6000mg/L。汙泥由泵從排泥口注入反應器，然後加入汙水至既定液位。開啟驅動器進行攪拌，攪拌速度為15-100r/min，攪拌大約1分鐘左右，開始出水，調整出水高度，使膜通量為50-150L/m2.h，連續進水，連續出水。在整個實驗過程中，每隔一定的時間調整、記錄出水高度(圖2)，以維持膜通量，確定過濾阻力。同時進行取樣，測定出水COD(圖3)、SS(圖4)等指標的變化，確定吸附效果。
經過長時間的運行，可以看到自生動態膜生物反應器在高通量條件下運行時達到了很好的吸附效果。隨著反應的進行，可以看到出水阻力(圖2)首先下降，然後上升，此時動態膜形成，時間大約在125min左右，此時，出水SS降至最低，趨於零(圖4)，說明動態膜的截留效果很好，泥水分離效果趨於100％。之後，阻力緩慢下降並緩慢上升，這是自生動態膜生物反應器的穩定運行。出水COD(圖3)隨著汙泥吸附達到穩定，COD的去除效率達到80％左右。
實施例3
具體實施方式同實施例2，區別在於，調整汙泥濃度分別為1500、3000、6000、7000mg/L，測定SCOD去除率膜形成時間和對截留效果。結果顯示(圖5-6)，汙泥濃度從1500mg/L增加至7000mg/L，出水中SCOD逐漸減少，當汙泥濃度為1500mg/L時，反應器的運行時間接近8000min，而當汙泥濃度為7000mg/L時，反應器的運行時間接近4000min，可見，汙泥濃度越高越容易造成膜堵塞，運行時間越短；反之，動態膜形成比較緩慢，運行時間長，且吸附率低。圖6可以看出，汙泥濃度越高，越有利於動態膜的形成，出水中SS達到穩定的時間越短，且當汙泥濃度為1500mg/L時，出水SS接近於1mg/L，當汙泥濃度為7000mg/L時，出水SS接近0mg/L，說明，汙泥濃度越高形成的動態膜的截留效果越好。
實施例4
具體實施方式同實施例2，區別在於，調整攪拌速度分別為10、50、100、120r/min，測定SCOD去除率、膜形成時間和對截留效果。結果顯示(圖7-8)，轉速太小，攪拌不均勻，吸附不徹底並容易造成膜汙染，轉速太大，動態膜形成比較緩慢。圖7中，轉速從10r/min增加至100r/min，出水中SCOD逐漸減少，說明轉速越高，汙泥對有機物的吸附(去除)效果就越好，但是當再增加至120r/min時，SCOD的變化並不是很大；同時，當轉速為10r/min時，反應器的運行時間接8000min，轉速為120r/min時，反應器的運行時間接近3500min；圖8可以看出，轉速越大，越不利於動態膜的形成，出水中SS達到穩定的時間越長，且當轉速為120r/min時，出水SS接近於0.5mg/L，當轉速為10r/min時，出水SS接近於0mg/L，說明轉速越低動態膜的截留效果越好。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和範圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發明的保護範圍應該以權利要求書所界定的為準。