CN100371264C - 低能耗膜生物反应器 - Google Patents

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Abstract

低能耗膜生物反应器，由生物处理系统和自动控制系统两部分构成，生物处理系统由中空纤维膜组件、穿孔曝气管、进、出水泵、曝气泵、压力表组成；自控系统由液位计、时间继电器、A/D-D/A-I/O转换装置、PC机、变频器组成。运行过程中，在抽吸和停歇时间确定的前提下，分别设定两个阶段的气水比，抽吸阶段气水比为20∶1～30∶1，停歇阶段气水比为40∶1～50∶1，可获得稳定的膜出水。本发明通过分配不同阶段的气水比，可有效的减小曝气能耗，稳定膜通量。通过自控系统在抽吸/停歇阶段为反应器提供不同的曝气强度，可在较低的能耗下获得稳定的膜通量，同时避免了持续较大的曝气强度对污泥混合液可滤性造成的负面影响。

Description

低能耗膜生物反应器
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种采用低能耗的膜生物反应器进行污水处理的技术。
背景技术
水资源短缺和水污染情况日益严重，如何使污水成为一种资源成为亟待解决的问题，中水回用是实施污水资源化的核心内容。膜生物反应器(MBR)是膜分离与生物降解作于一体的污水处理新技术，与传统生物处理相比，该技术具有污染物去除效率高、出水水质好且稳定、剩余污泥产生量少等优点。具有良好的发展前景。MBR工艺虽有传统工艺所无法比拟的优点，但是，膜污染依然是影响该技术经济性和运行稳定性的一个关键因素。膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理、化学、生化作用或机械作用，引起膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界面的积累，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性大幅度降低的现象。研究表明，影响膜污染的主要因素有污泥絮体、溶解性大分子、微细胶体粒子以及膜孔内繁殖的细菌。
MBR运行过程中，必须保持一定的膜驱动压力，因而膜组件不可避免的要受到污染；由于膜污染的存在，使得MBR的能耗比传统生物处理工艺高。MBR运行中为了获得稳定的膜通量，通常采用加大曝气强度的方式来改善这一状况，大量研究数据显示，曝气能耗占MBR运行总能耗的80％以上。传统MBR的曝气形式通常采用恒定的曝气强度，即在整个运行过程中设定气水比(通常是40∶1～100∶1)，依靠持续曝气来提高膜面液体循环流速，减少污泥在膜表面的沉积。传统曝气方式一方面增加了曝气能耗，提高了产水成本；另一方面由于持续的曝气作用，不仅破坏了反应器内生物絮体的结构，同时也改变了颗粒的粒度分布，使得污泥混合液可沉降部分减少，絮体尺寸的降低，产生大量的生物微絮胶体粒子。细小胶体粒子和溶解性部分增多，增加了膜孔堵塞的机会，加剧了膜污染的进程。本发明提出了新的MBR工艺曝气方式，根据MBR工艺间歇出水的特点，在抽吸和停歇两个阶段分别提供相应不同的曝气强度，以期以较低的成本，取得满意的膜污染控制效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种低能耗膜生物反应器，采用具有自动控制功能的曝气方式来减小膜污染，维持稳定的膜通量，减小MBR工艺的产水成本。
本发明通过以下技术方案予以实现：膜生物反应器(MBR)包括生物处理系统和自动控制系统两部分构成。图1中的实线代表设备连接管路；虚线表示控制信号线。生物处理系统由中空纤维膜组件1、穿孔曝气管2、进水泵3、出水泵4、曝气泵5、压力表6组成。穿孔曝气管2位于中空纤维膜组件1下方，出水泵4进口接于中空纤维膜组件1。曝气泵5出口端接于穿孔曝气管2。自动控制系统由液位计7、时间继电器8、A/D-D/A-I/O转换装置9、PC机10、变频器11组成。液位计7输出的液位高低信号，传入A/D-D/A-I/O转换装置9，由A/D-D/A-I/O转换装置9来控制进水泵3的输出功率，以便调整待处理水的进水流量。运行时中空纤维膜组件1采用负压出水方式，由时间继电器8、A/D-D/A-I/O转换装置9控制膜出水的抽吸和停歇时间，在抽吸和停歇两个不同的工作阶段，A/D-D/A-I/O转换装置9与PC机10通过控制变频器11调整曝气泵5的曝气量，进而改变曝气强度。该自动控制系统的设计既可节约能耗，又可减少大的曝气强度对污泥料液的剪切作用。在MBR工艺运行过程中的抽吸过程其膜表面形成负压，大量污染物将黏附在膜表面，形成污染层。由于膜表面负压的作用，使得即使较大的曝气强度也无法有效的冲刷膜表面的污染层。在停歇阶段由于膜表面的负压消失，因而提供一定的曝气强度可有效的去除膜表面的污染层，获得稳定的膜通量。本发明在抽吸和停歇时间设定的前提下，抽吸阶段气水比为20∶1～30∶1，停歇阶段气水比为40∶1～50∶1，通过分配两个阶段不同的气水比，可有效的减小曝气能耗。
附图说明
附图1为本发明装置各部件连接示意图。
附图2为横跨膜压力(TMP)随抽/歇周期变化图。
实施具体方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步的说明。低能耗膜生物反应器的生物处理系统结构为：中空纤维膜组件1浸没在反应器中，正下方3cm处设有穿孔曝气管2。待处理水经进水泵3进入反应器进行生化降解，生化处理后的水经中空纤维膜组件1过滤，由出水泵4排出系统。曝气泵5为生化处理提供氧气并提高中空纤维膜组件1的错流流速(如图1)。中空纤维膜组件1膜丝材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，膜的有效孔径为0.1-0.2μm；出水流量12L/h。实施例原水为模拟城市生活污水，化学需氧量(COD)为230～400mg/L。抽吸阶段气水比和停歇阶段气水比的设计参数见表1。
图2显示出横跨膜压力(TMP)随抽吸、停歇运行时间的变化。试验结果表明：在运行10个周期中，抽吸过程中膜阻力在15～25kPa之间波动，经过3min的空曝气，膜阻力降为3kPa左右，可见对于抽吸、停歇两个阶段提供不同的曝气强度，可有效的获得稳定的膜通量。该装置能耗与工程中通常采用(气水比为40∶1)的膜生物反应器相比，产水成本在曝气费用上节省40％，可见通过设计不同的曝气强度降低了能耗，降低了产水成本，与传统膜生物反应器曝气设计相比，有明显的推广优势。
本发明的有益效果在于：根据MBR工艺间歇出水的特点，在抽吸和停吸阶段分别提供不同的曝气强度，可有效的减小曝气能耗，一方面可在较低的能耗下获得稳定的膜通量；另一方面避免了大的曝气强度对污泥混合液可滤性造成的负面影响，因而可进一步推动膜生物反应器(MBR)的应用，从而提高水资源的利用率，缓解水资源紧张的现状。
表1自控设计参数
  设定参数   抽吸   停歇
  时间(min)   12   3
  气水比   20∶1   40∶1

Claims (2)

1.低能耗膜生物反应器，包括中空纤维膜组件(1)、穿孔曝气管(2)、进水泵(3)、出水泵(4)、曝气泵(5)、压力表(6)、液位计(7)、时间继电器(8)、A/D-D/A-I/O转换装置(9)、PC机(10)、变频器(11)，其特征是所述低能耗膜生物反应器由生物处理系统和自动控制系统两部分构成，生物处理系统由中空纤维膜组件(1)、穿孔曝气管(2)、进水泵(3)、出水泵(4)、曝气泵(5)、压力表(6)组成，穿孔曝气管(2)位于中空纤维膜组件(1)下方，出水泵(4)进口接于中空纤维膜组件(1)，曝气泵(5)出口端接于穿孔曝气管(2)，自动控制系统由液位计(7)、时间继电器(8)、A/D-D/A-I/O转换装置(9)、PC机(10)、变频器(11)组成，液位计(7)输出的液位信号经A/D-D/A-I/O转换装置(9)控制进水泵(3)，中空纤维膜组件(1)采用负压出水方式，由时间继电器(8)、A/D-D/A-I/O转换装置(9)控制膜出水的抽吸和停歇时间，在抽吸和停歇两个不同的工作阶段，A/D-D/A-I/O转换装置(9)与PC机(10)通过控制变频器(11)调整曝气泵(5)的曝气量。
2.按照权利要求1所述的低能耗膜生物反应器，其特征是所述曝气泵(5)在抽吸阶段提供气水比为20∶1～30∶1，停歇阶段提供气水比为40∶1～50∶1。
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