CN101234834B - 一种压力式无泡膜式充氧系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力式无泡膜式充氧系统及其方法。系统中的调解池与絮凝沉降池、氧化反应池相连接，膜式无泡曝气充氧器分别与絮凝沉降池、氧化反应池相连接，氧化反应池底部设有水力分布器。方法是原水经过调解池进入絮凝沉降池，絮凝池的上清液由泵或自流进入膜式无泡曝气充氧器，流经膜表面进行无泡充氧后的水从膜式无泡曝气充氧池再经水力分布器进入活性污泥氧化反应池底部；由于水力流动作用形成翻滚流动，同时起到混合搅拌的作用。本无泡膜式充氧的方法具有工艺简单、能耗低，占地面积小、氧的利用效率高等特点，特别适用于污水处理工艺中的活性污泥曝气池(好氧氧化反应池)的升级和改造。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，尤其涉及一种压力式无泡膜式充氧系统及其方法。
背景技术
我国是水资源匮乏国家。尽管我国水资源总量为2.8万亿立方米，居世界第6位，但是人均年占有量仅为2260立方米，约为世界平均值的四分之一(约相当于美国人均占有量的1/6，原苏联的1/8，加拿大的1/58)。而且，地区分布和时间分布很不均衡。长江流域和江南地区径流量占全国的82％；而黄河、淮河流域的径流量只占10％，造成北方干旱、半干旱状态并使许多城市严重缺水。而且，在全部水资源中，可供城市工业与生活用的水资源不到一半。近几年来，我国有300多个城市生活用水处于缺水状态，日缺水量达1600万吨以上，严重缺水的城市有一百五十余个，日供水能力仅能保证高峰期日用水量的60-70％；对辽宁、山东、江苏、黑龙江、陕西等5省94个城市的调查，共计日缺水量达464万吨，并造成342万城市居民用水困难。水资源匮乏已成为我国经济与社会发展的制约因素之一。
此外，随着我国经济的持续快速发展和城市化进程的加快以及水污染的加重，缺水范围不断扩大，缺水形势尤其严峻，每年因此而减少的工业产值超过1200亿元)。因此，对水资源紧缺和污染的问题必须引起高度重视。这就迫切要求适合时代发展的污水资源再利用，以缓解水资源的短缺。目前常用的污水处理技术主要有“混凝沉降”、“气浮”和“生化处理”等，这些方法虽然成本不高，但往往存在处理效率低、能耗高等缺点。因此，近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中尤以膜分离技术，特别是膜-生物反应器、无泡膜式充氧技术的开发在废水处理中的应用格外引人注目。
80年代以来，人们就一直探索和研究污水处理和再利用问题。其中，污水生物处理新工艺与新技术的研究、开发和应用，已在全球范围内得到很快的发展，并出现了很多新的污水生物处理工艺技术。例如活性污泥法、接触氧化法、AB法、SBR法(包括CAST、MSBR或MBR工艺等)、氧化沟法、兼氧水解工艺及以上各类工艺的组合工艺等，这些技术大部分已在我国各地的工程实践中得到广泛的应用。在我国，已有的污水处理大多采用二级处理工艺，即污水通过粗隔栅、集水调节池、沉砂池、絮凝沉淀池、活性污泥曝气池、二级沉淀池后进行排水。
活性污泥法污水处理工艺的核心处理单元是活性污泥曝气池(好氧氧化反应池)。它是通过曝气来强化氧气溶解到污泥混合液中，供好氧微生物用于降解污水中的有机物。水中的COD主要是通过吸附和微生物降解水中有机物两个过程实现的。污水中的COD包括以下几部分：可溶性快速降解COD、可溶性难生物降解的COD、悬浮性可慢速降解的COD、悬浮性不可生物降解的COD。对于可溶性快速降解COD，很容易除去；而对于不溶性及难溶性物质所造成的COD，却很难除去，为了去除这部分COD，必须经过长时间的曝气，其结果使处理设施的占地面积、基建投资和运行费用大大增加。由于曝气法是通过气泡的不断产生，扩大气泡与水的接触时间与面积，从而达到提高水中溶解氧浓度的目的。因而氧气利用效率低、能耗高。此外，活性污泥曝气池在处理含有易挥发性或含硫化合物的污水时，由于强烈的曝气作用，使挥发性气体进入空气，造成空气污染；在处理含有表面活性剂的污水时容易产生大量飞沫。
采用疏水性中空纤维膜无泡供氧技术可以极大的提高氧的传质速率，具有高效节能等显著的特点。可广泛的应用于环保、养殖、水处理等领域，与传统水处理技术结合组成各种新型的反应器，如无泡曝气生物反应器处理生活和工业废水，使好氧生物处理工艺发生革命性的改进，是一种极具发展潜力的新技术。
上世纪80年代，国外道(DOW)化学、杜邦(DUPONT)化学公司等开始对中空纤维膜无泡供氧进行了深入研究，取得了极高的充氧效率，并在实验室内将其应用于废水生物处理；国内清华、浙江大学、南昌大学、天津大学等单位近年来也开展了无泡供氧技术的基础性和应用性探索研究。研究表明：无泡供氧较传统曝气方式具有更高效节能的显著优势，然而这些结果均处于实验室研发阶段，尚末实现产业化。
高效节能无泡膜式充氧装置是一种类似于”人工肺”(膜式氧合器)的充氧新技术。膜组件由透气性疏水中空纤维微孔膜制成，具有巨大的氧传递面积。当污水流经膜表面的一侧时，污水不能透过疏水性强的膜表面，而膜另一侧的空气在低于膜的泡点压力下，空气中的氧却能够不断透过膜并以分子形态直接溶于水中，因此进行膜式无泡充氧时，氧的利用率可高达100％，这种充氧方法尤其适用于含有挥发性有机物及表面活性剂废水的生化处理。因其不产生泡沫，避免了有机物挥发所造成的空气污染。
同时，由于水体污染加剧，使得我国水资源状况进一步恶化。据报道，1998年我国废水排放总量395亿吨，其中工业废水和生活污水分别为201亿吨和194亿吨，排放的废水中化学耗氧量(COD)分别为806万吨和693万吨。然而，目前我国的环保技术仍然比较落后，基本上仍然是采用“混凝沉淀、溶气气浮、生化降解”的老三套技术。其中的生化降解技术的曝气由原来的穿孔曝气改为微孔曝气，但仍然存在曝气量大、氧利用率低、能耗高等问题。假设工业废水和生活污水的总处理率分别为70％和90％，则每天的处理量分别为0.39亿吨和0.48亿吨。当采用高效节能无泡膜式充氧装置进行充氧时，由于它的动力消耗小，如果以每吨废水处理可节约0.1度电进行计算时，每天可为国家节约用电870万度，由此可见，高效节能膜式充氧技术的研发成功，将具有巨大的市场应用前景，并能产生明显的经济和社会效益。
本发明提供一种压力式无泡膜式充氧系统及其方法，对絮凝沉降池的上清液进行无泡曝气，通过水力作用和潜水泵进行活性污泥的搅拌。进行活性污泥的混合和搅拌，氧利用率可达100％，能耗大大降低，工艺简单，特别适用于污水处理工艺中的活性污泥曝气池(好氧氧化反应池)的升级和改造。
发明内容
本发明目的是提供一种压力式无泡膜式充氧系统及其方法。
压力式无泡膜式充氧系统中的调解池与絮凝沉降池、氧化反应池相连接，膜式无泡曝气充氧器分别与絮凝沉降池、氧化反应池相连接，氧化反应池底部设有水力分布器。
所述的膜式无泡曝气充氧器具有膜式无泡曝气充氧池，在膜式无泡曝气充氧池内依次间隔设置多个档板、多个膜器件，所述的多个档板依次间隔与膜式无泡曝气充氧池底部相接。膜器件具有膜，膜两端设有膜集气管。膜式无泡曝气充氧器具有膜式无泡曝气充氧池，在膜式无泡曝气充氧池内设有多个柱式膜组件，柱式膜组件具有壳体，壳体内设有中心分水管，壳体与中心分水管之间设有膜，壳体和中心分水管上设有水流孔。膜为中空纤维膜或中空管式膜，膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。多个柱式中空纤维微孔膜组件为园柱型排列或平行厢式排列。
压力式无泡膜式充氧方法是原水经过调解池进入絮凝沉降池，絮凝池的上清液由泵或自流进入膜式无泡曝气充氧器，上清液流经帘式膜或柱式中空纤维微孔膜外表面进行无泡充氧后从膜式无泡曝气充氧器再经水力分布器进入氧化反应池底部。
所述的膜采用帘式膜时，上清液夜由于隔板的作用与膜内部的空气或氧气形成同向流动或逆向流动；在无挡板情况下，则形成横流流动。膜采用柱式中空纤维微孔膜时，上清液夜进入柱式中空纤维微孔膜组件中心分布管向周围辐射流经膜外表面进行充氧。
本发明采用中空管式膜或中空纤维微孔膜在低于膜的泡点压力下进行无泡曝气，氧利用效率大大提高，可达100％，能耗少，污泥负荷能力得到提高；由于曝气膜不参与分离作用，同时由于水力流动作用也会降低膜污染，膜的使用寿命长，成本更低；只需在絮凝沉降池和好氧反应池之间或活性污泥曝气池上部增加无泡曝气器和适当的管路连接就可实现对污水或活性污泥进行高效的曝气，工艺简单，占地面积小，易于现有污水处理工艺的改造和升级；经过充氧的污水或活性污泥经过水力分布器进入活性污泥氧化池底部，由水力作用形成翻滚流，同时起到污泥的混合搅拌作用，从而避免了传统的增加曝气量和曝气时间达到混合和充氧的目的，能耗和设备费用大大降低。
附图说明
图1是本发明的压力式无泡膜式充氧系统结构示意图；
图2是本发明的膜式无泡曝气充氧器结构示意图；
图3是本发明的帘式中空管式膜或中空纤维微孔帘式膜器件示意图；
图4是本发明的柱式中空管式膜或中空纤维微孔器件示意图；
图5是本发明的柱式中空管式膜或中空纤维微孔膜器件园柱型排列示意图；
图6是本发明的柱式中空管式膜或中空纤维微孔膜器件平行厢式排列示意图；
图中：调解池1、絮凝沉降池2、膜式无泡曝气充氧器3、水力分布器4、氧化反应池5、膜式无泡曝气充氧池6，挡板7，膜器件8，膜9，集气管10，壳体11，中心分布管12，水流孔13。
具体实施方式
如图1所示，压力式无泡膜式充氧系统中的调解池1与絮凝沉降池2、氧化反应池5相连接，膜式无泡曝气充氧器3分别与絮凝沉降池2、氧化反应池5相连接，氧化反应池5底部设有水力分布器4。
如图2所示，膜式无泡曝气充氧器3具有膜式无泡曝气充氧池6，在膜式无泡曝气充氧池内依次间隔设置多个档板7、多个膜器件8，所述的多个档板依次间隔与膜式无泡曝气充氧池底部相接。
如图3所示，膜器件8具有膜9，膜两端设有膜集气管10。膜为中空纤维膜或中空管式膜，膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。
如图4所示，膜式无泡曝气充氧器3具有膜式无泡曝气充氧池6，在膜式无泡曝气充氧池内设有多个柱式膜组件，柱式膜组件具有壳体11，壳体内设有中心分水管12，壳体与中心分水管之间设有膜9，壳体和中心分水管上设有水流孔13。
如图5、6所示，多个柱式中空纤维微孔膜组件为园柱型排列或平行厢式排列。
压力式无泡膜式充氧方法是原水经过调解池1进入絮凝沉降池2，絮凝池的上清液由泵或自流进入膜式无泡曝气充氧器3，上清液流经帘式膜或柱式中空纤维微孔膜外表面进行无泡充氧后从膜式无泡曝气充氧器3再经水力分布器4进入氧化反应池5底部。
所述的膜采用帘式膜时，上清液夜由于隔板的作用与膜内部的空气或氧气形成同向流动或逆向流动；在无挡板情况下，则形成横流流动。膜采用柱式中空纤维微孔膜时，上清液夜进入柱式中空纤维微孔膜组件中心分布管向周围辐射流经膜外表面进行充氧。
高效的无泡膜式充氧的方法采用如下工艺路线(图1)：
原水经过调解池进入絮凝沉降池1，絮凝池的上清液一部分或全部由泵或自流进入无泡充氧装置3，经过膜表面进行无泡充氧后的水从无泡充氧池流出再经水力分布器4进入活性污泥氧化池5底部；
经过充氧的水进入活性污泥氧化池底部，由水力作用形成翻滚流，同时起到污泥的混合搅拌作用；
无泡曝气充氧装置用膜为中空管式膜或中空纤维微孔膜，膜器件可选择帘式或柱式(图3，4)。
采用帘式膜组件时，其结构设计排列如图2：水由于隔板的作用与空气或氧气形成平行流动，延长了水力停留时间，提高了氧的利用效率，同时也起到冲刷膜的作用减缓膜污染，提高了膜的使用寿命和良好的供氧效果。在无挡板情况下，则形成横流流动(图2)，同样起到减缓膜污染和提高氧的利用率作用；可根据不同情况选择流动方式。
当采用柱式膜器件时，中空管式膜或中空纤维微孔膜均匀分布在中心分水管周围；其结构设计排列可采用园柱型或平行厢式如图5和6。
依照上述一种压力式无泡膜式充氧的方法，下面以具体实施例详细说明本发明。所有实施例的实施工艺步骤均与前述实施步骤相同，表中参数为各项实施条件和得到膜结构和性能。需要注意的是，所述实施例不构成对本发明的限制，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
实施例1
所用膜器件为PP中空纤维帘式膜，工艺如图2，膜器件为3支；膜式无泡充氧器尺寸为30×21×30cm3，PP中空纤维膜孔径为0.1～0.2μm，膜壁厚：40～50μm，外径为450μm，孔隙率：40～50％透气率：＞7.0×10-2(cm3/cm2·s·cmHg)，泡点为MPa。器件尺寸为20×25cm，膜丝有效长度为20cm，膜有效面积为1×3m2。试验用水为纯水，此时认为溶解氧接近于零，实验气体是氧气或空气，经储气罐再由减压阀控制压力。膜式无泡充氧器内水力停留时间分别为15min和30min，出水溶解氧用溶解氧仪测定。充氧结果如下表：
| 实验气体 | 实验压力/MPa | 水力停留时间/min | 出水溶解氧/mg·L<sup>-1</sup> |
| 空气 | 0.02 | 15 | 0.7 |
| 30 | 1.3 | ||
| 0.05 | 15 | 1.8 | |
| 30 | 3.5 | ||
| 纯氧 | 0.02 | 15 | 2.1 |
| 30 | 4.5 | ||
| 0.05 | 15 | 4.6 | |
| 30 | 8.9 |
实施例2
所用膜器件为PE中空纤维帘式膜，工艺如图2，膜器件为3支；膜式无泡充氧器尺寸为30×21×30cm3，PP中空纤维膜孔径为0.1～0.2μm，膜壁厚：40～50μm，外径为450μm，孔隙率：40～50％透气率：＞7.0×10-2(cm3/cm2·s·cmHg)，泡点为MPa。器件尺寸为20×25cm，膜丝有效长度为20cm，膜有效面积为1×3m2。试验用水为纯水，此时认为溶解氧接近于零，实验气体是氧气或空气，经储气罐再由减压阀控制压力。膜式无泡充氧器内水力停留时间分别为15min和30min，出水溶解氧用溶解氧仪测定。充氧结果如下表：
| 实验气体 | 实验压力/MPa | 水力停留时间/min | 出水溶解氧/mg·L<sup>-1</sup> |
| 空气 | 0.02 | 15 | 0.6 |
| 30 | 1.1 | ||
| 0.05 | 15 | 1.6 | |
| 30 | 3.1 | ||
| 纯氧 | 0.02 | 15 | 1.9 |
| 30 | 3.5 | ||
| 0.05 | 15 | 4.4 | |
| 30 | 8.0 |
实施例3
所用膜器件为PVDF中空纤维柱式膜，工艺如图5，膜器件为7支；圆柱膜式无泡充氧器的直径为，PVDF中空纤维膜孔径为0.01～0.2μm，膜壁厚：150～250μm，内径为1.2mm，孔隙率：50～85％透气率：＞1.0×10-2(cm3/cm2·s·cmHg)，泡点为0.45MPa。膜丝有效长度为20cm，膜有效面积为7×0.15m2。试验用水为纯水，此时认为溶解氧接近于零，实验气体是氧气或空气，经储气罐再由减压阀控制压力。膜式无泡充氧器内水力停留时间分别为15min和30min，出水溶解氧用溶解氧仪测定。充氧结果如下表：
| 实验气体 | 实验压力/MPa | 水力停留时间/min | 出水溶解氧/mg·L<sup>-1</sup> |
| 空气 | 0.02 | 15 | 0.4 |
| 30 | 1.0 | ||
| 0.05 | 15 | 1.1 | |
| 30 | 2.9 | ||
| 纯氧 | 0.02 | 15 | 1.9 |
| 30 | 3.4 | ||
| 0.05 | 15 | 4.5 | |
| 30 | 8.2 |
Claims (7)
1.一种压力式无泡膜式充氧系统，其特征在于调解池(1)与絮凝沉降池(2)、氧化反应池(5)相连接，膜式无泡曝气充氧器(3)分别与絮凝沉降池(2)、氧化反应池(5)相连接，氧化反应池(5)底部设有水力分布器(4)，所述的膜式无泡曝气充氧器(3)具有膜式无泡曝气充氧池(6)，在膜式无泡曝气充氧池内依次间隔设置多个档板(7)、多个膜器件(8)，所述的多个档板依次间隔与膜式无泡曝气充氧池底部相接。
2.根据权利要求1所述的一种压力式无泡膜式充氧系统，其特征在于所述的膜器件(8)具有膜(9)，膜两端设有膜集气管(10)。
3.根据权利要求1所述的一种压力式无泡膜式充氧系统，其特征在于所述的膜式无泡曝气充氧器(3)具有膜式无泡曝气充氧池(6)，在膜式无泡曝气充氧池内设有多个柱式中空纤维微孔膜组件，柱式膜组件具有壳体(11)，壳体内设有中心分水管(12)，壳体与中心分水管之间设有膜(9)，壳体和中心分水管上设有水流孔(13)。
4.根据权利要求2所述的一种压力式无泡膜式充氧系统，其特征在于所述的膜(9)为中空纤维膜或中空管式膜，膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。
5.根据权利要求3所述的一种压力式无泡膜式充氧系统，其特征在于多个柱式中空纤维微孔膜组件为圆柱型排列或平行厢式排列。
6.一种使用如权利要求1所述系统的压力式无泡膜式充氧方法，其特征在于原水经过调解池(1)进入絮凝沉降池(2)，絮凝沉降池的上清液由泵或自流进入膜式无泡曝气充氧器(3)，上清液流经帘式膜或柱式中空纤维微孔膜外表面进行无泡充氧后从膜式无泡曝气充氧器(3)再经水力分布器(4)进入氧化反应池(5)底部。
7.根据权利要求6所述的一种压力式无泡膜式充氧方法，其特征在于所述的膜采用柱式中空纤维微孔膜时，上清液进入柱式中空纤维微孔膜组件中心分布管向周围辐射流经膜外表面进行充氧。
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