CN101434444B - 一种膜生物反应器及其在废水处理中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种膜生物反应器及其在废水处理中的应用方法。膜生物反应器包括采用颗粒生物膜介质的生化反应单元、脉冲式空气供给单元和膜过滤单元，脉冲气流将进入膜过滤单元的废水转化为脉冲掺气水流，废水中的颗粒生物膜介质被流化，并与膜组件摩擦、刮蹭，清除膜表面的污垢沉积。本发明将颗粒生物膜介质生化处理效果好、对膜组件的摩擦清洗效果好的特点，与脉冲掺气液流的扰动强化清洗作用结合起来，发挥协同作用，提高了MBR单元的膜污染防治效果，降低了单元的运行费用，可以应用在各种废水处理场合。

Description

一种膜生物反应器及其在废水处理中的应用

技术领域

本发明涉及一种膜生物反应器，尤其涉及一种采用颗粒生物膜介质和脉冲给气单元的膜生物反应器及其在废水处理中的应用。通过对膜组件的连续高效自清洗，本发明实现了膜生物反应器的连续生产。

背景技术

随着经济的高速发展和城市化进程的加快，新鲜水用量和各种污水的排放量正在逐年增长，这对水资源的保护和高效利用提出了越来越高的要求。目前，我国北方和一些大中城市的水资源短缺问题已十分突出，污水处理及资源化正在经济的健康发展中起着越来越重要的作用。

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是将超滤或微滤等高效膜分离技术与生物反应器的生物降解作用集于一体的生物化学反应单元，是自20世纪90年代迅速发展起来的一种新型水处理技术。

膜生物反应器一般分为三类：分离膜生物反应器(截留和分离固体)；曝气膜生物反应器(无泡曝气，用于高需氧量的废水处理)；萃取膜生物反应器(用于工业废水中优先污染物的处理)，其中分离膜生物反应器应用最为广泛。

近年来，MBR在我国已经进入了实用阶段。其处理对象已从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、豆制品废水等。从发展趋势来看，未来一段时间内，污水回用和难降解有机废水的处理是MBR在我国推广应用的重要方向。

MBR既不同于传统的生物处理方法，又不同于单纯的膜分离方法，是二者的有机结合。它使用膜组件代替传统活性污泥法中的沉淀池进行泥水分离，不仅可以在生物反应池中维持高浓度的生物量，提高容积负荷，降低污泥负荷，节省占地面积，减少废水处理单元的投资；而且利用膜组件的高效截留作用，可以获得长泥龄污泥，这有利于生长缓慢的硝化菌的生长，使废水处理单元在脱除COD、BOD的同时实现脱氮；并且由于水力停留时间与污泥停留时间的彻底分离，可以降低污泥产量，消除了传统活性污泥工艺的污泥膨胀问题。

由于出水的水质好、水质稳定，且其中几乎不含有机固体颗粒，可以满足多种场合的污水回用要求，因此膜生物反应器技术对缓解水资源的紧张、提高水资源的利用率十分有利。

目前，在膜生物反应器应用中，存在着膜污染和运行费用较高等问题。统计资料表明，MBR单元中膜组件的投资占单元的80％、运行费用占单元的40％～75％。如果不能解决好膜污染问题，就会提高换膜频率，使运行费用大幅度提高，因此近年来的应用研究主要集中在防治膜污染、降低运行费用等方面。

现有技术中，为了防治膜污染、提高MBR的处理效果，一般采用以下方法：

1、生物曝气与气水清洗结合。

“外置式中空纤维膜生物反应器”(CN2755081Y)，包括中空纤维束、带中心连接口的气液分布器、外壳，可实现料液均匀分布、膜组件的就地清洗，单元易于管理和维修，过滤性能稳定。

这种在向单元供氧的同时利用气水上升流对膜表面进行清洗方法，由于满足生物反应的曝气量不可能很大，单纯依靠气流上升对膜搓洗的效果有限。

2、在反洗水中加入压缩空气。

“膜生物反应器膜的气水反冲洗装置”(CN2530940Y)，涉及一种气水反冲装置，其特点是采用压缩空气对膜进行反冲洗，提高了反冲洗效果。

这种方法利用少量的反冲洗水，减缓膜的堵塞，延长膜的使用寿命，在一定程度上改善了反洗效果，但该方法仍然停留在反冲的层面上，防治膜的污染的效果有限。

3、在反应器中增加扰动装置。

“膜生物反应器”(CN1727289A)，包括至少一预过滤层、至少一生物膜单元，及至少一扰流装置，该扰流装置夹在预过滤层和生物膜单元中间，可扰动介于预过滤层和生物膜单元中间的污水，具有膜生物反应器流通量高、膜清洗方便、膜操作周期长、运行成本低的优点。

这种方法通过提高液流的紊动强度，强化膜面清洗效果，对减缓膜面污染物沉积、提高清洗效率有效，但由于扰动装置为静态装置，借助液流的动能清洗膜面，在回流比不可能太大的情况下清洗效果有限。

发明内容

为了提高膜污染的防治效果，降低膜生物反应器单元的运行费用，本发明提供了一种膜生物反应器及其在废水处理中的应用方法。

本发明的“膜生物反应器”是这样实现的：

一种膜生物反应器，包括生化反应单元、脉冲式空气供给单元、膜过滤单元，其特征在于：

(1)所述生化反应单元，包括采用颗粒生物膜介质处理废水的生化反应器1，其上部是生化反应区11、下部是颗粒生物膜介质沉淀区12、底部是活性污泥浓缩区13；

原水、回流水进入生化反应区11，处理后的废水挟带颗粒生物膜介质由颗粒生物膜介质沉淀区12排出生化反应器1，剩余的活性污泥由活性污泥浓缩区13的底部排出生化反应器1；

(2)所述脉冲式空气供给单元，包括空压机3和脉冲阀4；空压机3产生的压缩空气，经过脉冲阀4形成脉冲气流，该脉冲气流通过进气管路21进入膜过滤单元的进水管22中，使进入膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流；

(3)所述膜过滤单元，包括膜组件5、产水箱6；通过膜组件5的产水进入产水箱6，被膜组件5截留的浓水回流至生化反应器1。

在具体实施时，所述颗粒生物膜介质的平均粒径1～2mm、均匀系数1.1～1.2、强度≮97％、糖蜜值＞150mg/g；所述颗粒生物膜介质的材质为橄榄壳活性碳。

在具体实施时，所述膜过滤单元采用错流过滤方式；膜组件5为中空纤维式、管式或板框式膜组件；优选的膜组件5为外压式中空纤维膜，其孔径为0.1～0.3μm。

在具体实施时，所述脉冲式空气供给单元的脉冲阀4由PLC控制，脉冲阀4在PLC控制下周期性地开闭，产生周期性的脉冲带压气流，带压气流通过进气管路21进入膜过滤单元的进水管22中，使膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流；优选的进气管路21通过坡口管23伸进膜过滤单元的进水管22中；在进水管22的坡口管23伸入处，设置产生文丘里效应的收缩段24和扩散段25，所述坡口管23插入收缩段24和扩散断25的中间。

颗粒生物膜介质的主要作用是：1、作为载体，其表面和内部孔隙中生长有生物膜，使生化反应单元成为一个较传统活性污泥单元更加高效的生物膜单元；2、在膜过滤单元，在脉冲掺气水流的作用下，颗粒生物膜介质流化并与膜组件表面摩擦、刮蹭，清除膜组件表面的污垢沉积，减薄浓差极化层厚度，实现对膜组件的连续自清洗，维持膜过滤能力在较高的水平。

颗粒生物膜介质的比重一般以与水接近为宜，以便悬浮和流化。强度、摩擦系数代表颗粒生物膜介质的抗冲击破坏、耐磨损能力；良好的机械性能有利于长期运行中优势菌种的稳定生长、形成高活性的生物膜，而且在水流循环、颗粒碰撞和与膜组件的摩擦中不至于破裂影响优势菌的生长。良好的孔隙分布为优势菌提供适宜的栖息场所，同时利于吸附有机物，并由微生物降解。适宜的表面化学性质能为优势菌提供良好的生存环境，利于形成高活性、完整的生物膜。由于水力剪切力是破坏优势菌在介质表面固定的首要原因，因此要求介质的粒径小、比表面积大、颗粒均匀。

本发明的生化反应单元，包括生化反应区11、颗粒生物膜介质沉淀区12、活性污泥浓缩区13；这3个区的功能可以在不同的罐体内实现，也可以在一个罐体内利用重力沉降进行功能分区，合并实现。在生化反应区11颗粒生物膜介质呈悬浮状态，经自然沉降，聚集在颗粒生物膜介质沉淀区12，生化处理后的废水挟带颗粒生物膜介质用泵排出生化反应器1，过剩的活性污泥在沉积在活性污泥浓缩区13，定期排出生化反应器1。

脉冲式空气供给单元利用空压机3产生压缩空气，气路上装有脉冲阀4，该阀可在PLC控制下周期性地开闭，产生脉冲带压气流，该带压气流通过进气管路21进入膜过滤单元的进水管22，使进水由平稳均匀流变成脉冲掺气水流，并在膜过滤单元中以紊动强度较高的上升紊流扰动膜组件，裹胁在其间的颗粒生物膜介质与膜组件碰撞、摩擦，从而实现生物膜更新和膜组件的清洗。

膜过滤单元的膜材料要求具有足够的机械强度、亲水，构型上要求方便携带颗粒生物膜介质的水流通过、形成紊动效应，可以选用中空纤维式、管式和板框式的膜组件，从高度集成、减少占地、降低单位水处理量造价角度考虑，优选外压式中空纤维膜组件。

本发明的“膜生物反应器在废水处理中的应用”是这样实现的：

一种使用本发明的膜生物反应器处理废水的方法，该方法依次包括如下步骤：

(1)所述废水进入生化反应区11，经生化处理的废水挟带颗粒生物膜介质由颗粒生物膜介质沉淀区12排出生化反应器1，然后该废水进入膜过滤单元；剩余活性污泥由活性污泥浓缩区13的底部排出生化反应器1；

(2)由空压机3和脉冲阀4产生的脉冲气流通过进气管路21进入膜过滤单元的进水管22中，使进入膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流；

(3)在膜过滤单元，透过膜组件5的产水进入产水箱6，被膜组件5截留的浓水回流至生化反应区11，该浓水挟带有颗粒生物膜介质和脱落的活性污泥。

本发明的处理方法适用于多种废水的处理。对于不同的废水和不同处理要求，存在着不同的最佳处理条件；在处理废水时，通过调节膜过滤单元的回流比，控制废水生化处理的水力停留时间，通过调节生化反应单元的排泥量，控制污泥停留时间，使生化处理的水力条件和生物反应条件维持在最佳状态；通过调节脉冲气流的脉冲宽度、脉冲间隔和气体流量，控制颗粒生物膜介质的流化状态，使膜清洗效果达到最佳状态。选择优化的操作参数，可以使膜组件清洗、生物膜生长与脱膜、剩余污泥沉降与泥龄等维持在最佳状态，使气、液、固三相合理流动，在保证出水水质的前提下降低运行费用。

本发明在生物反应器中引入了颗粒生物膜介质，利用其生化反应比表面积大、污泥浓度高、污泥沉降速度快、剩余污泥产率低等特点，提高了膜生物反应器的负荷和废水处理效果；通过脉冲气流，使膜分离单元中的颗粒生物膜介质流化，流化状态的颗粒生物膜介质对膜组件的搓洗、刮蹭，加上膜本身的振荡、抖动，使膜表面的沉积物得以及时清除，有效减缓了浓差极化层的形成，解决了膜表面的污染问题；辅以定期反洗，及时清除膜内污染，能够进一步提高膜组件的使用寿命，降低单元的操作费用和废水处理成本。

本发明综合了颗粒生物膜介质和脉冲掺气液流的优点，将颗粒生物膜介质的生化处理效果好、对膜组件摩擦清洗效果好的特点，与脉冲掺气液流的扰动强化清洗作用结合起来，发挥协同作用，提高了防治MBR单元膜污染的效果，降低了单元的运行费用。并且在膜分离单元的进水中掺入压缩空气，为整个生化反应单元提供氧和为老化生物膜脱落提供动力，实现了一气多用。

本发明的膜清洗与生化反应同步、悬浮流化与单元供氧同步，达到了膜表面清洗更彻底、生化反应效率更高、废水处理效果更好、能量消耗更低、单元运行更稳定的目的；可以应用在各种污水处理场合，尤其适用在以回用为目的的污水处理中和难处理工业废水的处理中，例如：各种生活污水的处理与回用单元，以及酿酒、食品、石化、毛纺、医院等污水处理与回用单元等。

附图说明

图1是膜反应器的单元结构示意图

图2是生化反应单元的结构示意图

图3是脉冲气流进气管路与膜过滤单元进水管连接处的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例进一步详述本发明的技术方案，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

实施例1

1、膜生物反应器

膜生物反应器包括：生化反应器1、浆料泵2、空气压缩机3、脉冲阀4、膜组件5、产水箱6、反洗供水泵7、产水泵8。

生化反应器1中装有颗粒生物膜介质，该颗粒生物膜介质由橄榄壳活性碳制造，其颗粒平均粒径1.5mm、均匀系数1.1～1.2、糖蜜值＞150mg/g，强度≮97％、堆积密度500～520g/L，填料投加量为30～60％(以生化反应器1中颗粒生物膜介质与废水的体积比计)。

生化反应器1是一罐体，其上部是生化反应区11，下部是颗粒生物膜介质沉淀区12，底部是活性污泥浓缩区13。生化反应区11设有进水口和回流水进口，颗粒生物膜介质沉淀区12设有出水口，活性污泥浓缩区13设有排泥口。

生化反应器1的出水经浆料泵2进入膜处理单元，空气压缩机3产生的压缩空气，经过由PLC控制的脉冲阀4产生脉冲气流，通过进气管路21进入膜过滤单元的进水管22中，使膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流。其中，进气管路21通过坡口管23伸进膜过滤单元的进水管22中；在进水管22的坡口管23伸入处，设置产生文丘里效应的收缩段24和扩散段25，坡口管23插入收缩段24和扩散断25的中间。

膜过滤采用错流过滤方式。膜组件5采用PVDF中空纤维膜，其膜孔径为0.1～0.2μm、膜通量为15L/m²·h，这种膜材质具有亲水性，并具有较高的机械强度和膜孔均匀度。

膜组件5的产水进入产水箱6，部分产水经由产水泵8外送，部分产水由反洗泵7送至膜组件5作为反洗水定期反洗。被膜组件5截留下来的浓水，由回流水进口返回生化反应器1。

2、废水处理方法

待处理的原水进入生化反应器1，与从膜分离单元来的回流水混合，该回流水中挟带有颗粒生物膜介质和脱落的老化生物膜，介质在膜分离单元中经过摩擦、碰撞，老化的生物膜已经脱落，介质表面是经过更新的生物膜，废水利用高活性的微生物进行降解。

进入生化反应器1的颗粒生物膜介质和老化生物膜自然沉降，老化生物膜在活性污泥浓缩区13进行浓缩后排放，充分湿润的颗粒生物膜介质比重稍大于水，在沉降过程中自然分层，并在活性污泥浓缩区13之上的颗粒生物膜介质沉淀区12沉积。

浆料泵2通过出水口将生化处理后的废水和沉积的颗粒生物膜介质抽出，经与脉冲阀4来的脉冲气流混合，形成挟带颗粒生物膜介质的脉冲掺气水流，(固、液、气三相流体)。在膜过滤单元，脉冲掺气水流具有一定的脉冲动能，固、液、气三相流体以湍流形式流过膜组件5的表面；膜组件5的滤过水为经过有机物降解和物理过滤的净化水，滤过水进入产水箱6。

废水中挟带的颗粒生物膜介质的在脉冲气流作用下翻滚、碰撞(包括自身碰撞及与膜组件表面碰撞)，对膜组件表面的摩擦、刮蹭，清除了膜表面的污垢沉积，减薄了浓差极化层厚度，维持膜过滤能力在较高的水平；同时，实现了颗粒生物膜介质表面生物膜的更新。

脉冲气流在为生化反应供氧、提供颗粒生物膜介质流化动力的同时，还能促使膜丝自身振荡、抖动、进行搓洗、进一步提高膜污染的防治效果，实现一气多用，降低综合能耗指标。

本发明的膜生物反应器，结合所处理废水的特点，通过合理调整回流比、脉冲加气参数和排泥量，可以使生物膜生长与脱膜、剩余污泥沉降、泥龄控制以及膜清洗等维持在最佳状态，在保证出水水质的前提下降低运行成本。与现有的MBR技术相比，具有控制膜污染效果好、反洗周期长、反洗水用量少、可以基本实现连续生产的特点。

3、废水处理效果

上述膜生物反应器，可以用于多种废水的处理过程。

在处理城市生活污水时，控制生化反应单元的运行参数为：水力停留时间(HRT)5小时、污泥龄(SRT)25d左右、容积负荷＜2kg/m³·d；膜生物反应器出水的水质能够达到国家杂用水标准，即TDS＜1mg/l，BOD₅＜10mg/l，并且膜组件的运行稳定、膜清洗周期较现有MBR延长。

Claims (8)

1.一种膜生物反应器，包括生化反应单元、脉冲式空气供给单元、膜过滤单元，其特征在于：

(1)所述生化反应单元，包括采用颗粒生物膜介质处理废水的生化反应器[1]，其上部是生化反应区[11]、下部是颗粒生物膜介质沉淀区[12]、底部是活性污泥浓缩区[13]；所述颗粒生物膜介质的平均粒径1～2mm、均匀系数1.1～1.2、强度≮97％、糖蜜值＞150mg/g；

原水、回流水进入生化反应区[11]，处理后的废水挟带颗粒生物膜介质由颗粒生物膜介质沉淀区[12]排出生化反应器[1]，剩余的活性污泥由活性污泥浓缩区[13]的底部排出生化反应器[1]；

(2)所述脉冲式空气供给单元，包括空压机[3]和脉冲阀[4]；空压机[3]产生的压缩空气，经过脉冲阀[4]形成脉冲气流，该脉冲气流通过进气管路[21]进入膜过滤单元的进水管[22]中，使进入膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流；

(3)所述膜过滤单元，包括膜组件[5]、产水箱[6]；通过膜组件[5]的产水进入产水箱[6]，被膜组件[5]截留的浓水回流至生化反应器[1]。

2.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述颗粒生物膜介质的材质为橄榄壳活性碳。

3.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述膜过滤单元的膜组件[5]为中空纤维式、管式或板框式膜组件。

4.根据权利要求3所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述膜过滤单元的膜组件[5]使用外压式中空纤维膜，其孔径为0.1～0.3μm。

5.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述膜过滤单元采用错流过滤方式。

6.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述脉冲式空气供给单元的脉冲阀[4]由PLC控制，脉冲阀[4]在PLC控制下周期性地开闭，产生周期性的脉冲带压气流，带压气流通过进气管路[21]进入膜过滤单元的进水管[22]中，使膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流。

7.根据权利要求6所述的膜生物反应器，其特征在于：

所述进气管路[21]通过坡口管[23]伸进膜过滤单元的进水管[22]中；

在进水管[22]的坡口管[23]伸入处，设置产生文丘里效应的收缩段[24]和扩散段[25]，所述坡口管[23]插入收缩段[24]和扩散段[25]的中间。

8.一种使用权利要求1～7之一所述膜生物反应器的废水处理方法，该方法依次包括如下步骤：

(1)所述废水进入生化反应区[11]，经生化处理的废水挟带颗粒生物膜介质由颗粒生物膜介质沉淀区[12]排出生化反应器[1]，然后该废水进入膜过滤单元；剩余活性污泥由活性污泥浓缩区[13]的底部排出生化反应器[1]；

(2)由空压机[3]和脉冲阀[4]产生的脉冲气流通过进气管路[21]进入膜过滤单元的进水管[22]中，使进入膜过滤单元的进水成为脉冲掺气水流；

(3)在膜过滤单元，透过膜组件[5]的产水进入产水箱[6]，被膜组件[5]截留的浓水回流至生化反应区[11]，该浓水挟带有颗粒生物膜介质和脱落的活性污泥。

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