CN101659495A - 一种膜蒸馏生物反应器的装置与方法 - Google Patents

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范正虹
陈福泰
刘海宁
麻丽峰
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Abstract

本发明提供了一种膜蒸馏生物反应器的装置及采用该装置进行废水或废液处理的方法。将膜蒸馏技术与生物降解技术有机结合，疏水性微孔膜组件浸没于生物反应器内，利用太阳能、废热等潜热资源将待处理废水加热，使膜两侧产生蒸汽压差，从而回收水资源，大大节省了运行能耗，降低运行成本。高温条件还有助于改善微生物活性，提高生物降解速率。该工艺中膜分离过程不受生物降解程度的影响，系统启运所需时间短，出水水质稳定优良，达到反渗透出水标准。该装置具有结构简洁、工艺过程简单、运行能耗低、占地面积小、生物降解速率快等突出优点，对高有机废水处理及高纯水制备技术的改进和发展具有重要的实用价值。

Description

一种膜蒸馏生物反应器的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种膜蒸馏生物反应器的装置及采用该装置进行废水或废液处理的方法，属于废水废液处理，以及膜蒸馏技术领域。
背景技术
我国是极度缺水的国家，人均淡水资源仅为世界人均水平的四分之一。与此同时，随着工业的快速发展和人口的增长，大量的生活污水和工业废水未经处理直接排放，造成水环境的严重污染，加剧了水资源的短缺。为解决水资源的短缺，推动经济和社会的可持续发展，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将发展海水淡化技术和先进的工业废水处理技术，列为国民经济和社会发展重点领域的优先主题。
近年来，膜生物反应器(MBR)在废水处理和回用中得到广泛的应用。与传统废水生物处理工艺相比，该工艺具有出水水质好、可直接回用、占地面积小、活性污泥浓度高和剩余污泥少等优点。然而在实际应用中，MBR工艺也存在一定的问题：
(1)MBR对于废水中的SS和COD具有良好的去除效果，但无法去除水中的Ca2+、Mg2+等离子，出水仅能达到中水回用的标准。如要将污水处理后回用于循环冷却水或锅炉补给水，尚需要采取反渗透(RO)等后续处理工艺。
(2)MBR工艺中，废水中的有机物主要依靠活性污泥的生物降解作用去除。为使有机物充分降解，必须保证生物反应池足够的水力停留时间，占地面积相对较大。
(3)对于色度较大的工业废水，如烟草废水、印染废水等，MBR对废水中色度的去除效果较差，需要进一步采取其他的脱色工艺。
本发明中，申请人首次提出一种膜蒸馏生物反应器装置(Membrane Distillation Bioreactor，MDBR)，以及采用该装置进行废水废液处理的方法。本发明采用疏水膜组件，将先进的膜蒸馏技术与传统的生物处理技术相结合，以新型的蒸汽压驱动膜工艺代替传统的压力驱动膜工艺。污泥混合液中的易挥发组分水以蒸汽形式透过疏水膜孔，其它溶质组分被完全截留，出水水质不受微生物降解性能的影响，可以直接回用于循环冷却水和锅炉补给水。与MBR工艺相比，MDBR具有出水水质好，占地面积小，启动迅速等优点。与MBR-RO双膜法相比，MDBR工艺流程简单，操作维护方便。此外，MDBR还可以利用太阳能、工业废热等，以进一步降低运行成本。
发明内容
本发明涉及一种膜蒸馏生物反应器装置，该装置将先进的膜蒸馏技术与活性污泥技术相结合。与现有的双膜法相比，工艺简单，操作维护方便，占地面积小等优点。
本发明的另一目的在于提供一种膜蒸馏生物反应器废水/废液处理的方法。该方法采用疏水性微孔膜，对难挥发组分、无机盐、有机物等均有非常好的截留性能，只允许水等易挥发组分通过，出水不受微生物降解性能的影响，出水水质优良稳定。本方法在较高温度下进行，较高的温度可以进一步改善微生物的活性，提高微生物的降解速率。
本发明的技术方案如下：
膜蒸馏生物反应器(MDBR)装置，由进料泵、换热器、高温循环泵、冷凝液循环泵、冷凝器、生物反应器、曝气系统、膜组件及液体输送管路组成。其特征在于：
(1)料液循环系统安装于生物反应器外循环管路上，换热器一端与生物反应器一出口相连，另一端通过高温循环泵与反应器入口相连；
(2)膜组件浸没于反应器内的料液中，底部设有曝气系统，气水混合液对膜表面形成冲刷，抖动膜丝以控制膜污染，同时对反应器内的微生物进行充氧；
(3)冷凝液循环泵入口与膜组件冷侧管路的一端相连，冷凝液循环泵出口一支与产水管路相连，另一支与冷凝器相连，冷凝器出口与膜组件冷侧管路的另一端相连。
本发明提供了一种膜蒸馏生物反应器废水处理的方法，该方法包括下列过程：
(1)待处理废水经进料泵送入生物反应器内，生物反应器内的废水在高温循环泵作用下进入换热器与热源进行热量交换，升温后回流至生物反应器内；
(2)出水在冷凝液循环泵作用下，一部分经收集成为产水，另一部分经冷凝器降温后在膜组件冷侧管路进行循环；
(3)在膜组件内蒸汽压差的驱动下，反应器内污泥混合液中的水分在膜丝表面汽化，水蒸气通过膜孔进入到膜组件冷侧管路，被冷凝液循环泵带走；
(4)曝气系统在膜组件底部曝气，抖动膜丝以控制膜污染，同时对反应器内的微生物进行充氧。
本发明与现有装置和技术相比具有以下优点：
(1)工艺流程简单，操作维护方便，占地面积小；
(2)出水水质优良稳定，可以直接用于循环冷却水或锅炉补给水；
(3)生物反应器内较高的运行温度可以有效改善微生物的活性，加快生物降解速率；
(4)可以利用太阳能、工业废热等资源，进一步降低运行成本。
本发明具有工艺流程简单，占地面积小，出水水质优良稳定，可以利用太阳能、工业废热等突出优点，其实施对解决水资源的短缺，推动经济和社会的可持续发展具有重要的实际价值。
附图说明
附图为本发明工艺流程图。
图中：1-待处理废水，2-进料泵，3-换热器、4-高温循环泵，5-膜组件，6-冷凝液循环泵，7-冷凝器，8-曝气系统，9-生物反应器，10-产水，11-热源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述原理、结构和工艺过程作进一步的说明。
如图所示，待处理废水1经进料泵2送入生物反应器9内，生物反应器9内的废水在高温循环泵4作用下进入换热器3与热源11进行热量交换，升温后回流至生物反应器9内。出水在冷凝液循环泵6作用下，一部分经收集成为产水10，另一部分经冷凝器7降温后在膜组件5冷侧管路进行循环。在膜组件内蒸汽压差的驱动下，反应器内污泥混合液中的水分在膜丝表面气化，水蒸气通过膜孔进入到膜组件冷侧管路，被冷凝液循环泵带走。曝气系统8在膜组件5底部曝气，抖动膜丝以控制膜污染，同时对反应器内的微生物进行充氧。
实施例1：食品加工废水处理与回用项目小试，处理量为10m3/d，原水CODcr为200～500mg/L，BOD为100～200mg/L，SS为150～200mg/L。冷凝液流速为0.42～0.46m/s，沸水温度分别为50℃、60℃、70℃，冷却水温度为32～35℃，冷却水为反渗透去离子水，电导率18.8～21.2μs/cm。中试结果表明，各运行条件下，膜通量均达到13kg/m2h以上，出水CODcr小于0.5mg/L，稳定的产品水导电率保持在25.1～26.3μs/cm之间，与反渗透纯水的电导率数值(18.8～21.2μs/cm)相比可以断定，膜组件无明显渗漏现象，效果良好。
实施例2：生活污水处理与回用项目，处理量为8m3/d，原水CODcr为500～1000mg/L，BOD为150～400mg/L，SS为200～450mg/L。冷凝液流速为0.44～0.47m/s，废水温度分别为50℃、60℃、70℃，冷却水温度为32～35℃，冷却水为反渗透去离子水，电导率18.8～21.2μs/cm。中试结果表明，各运行条件下，膜通量均达到13kg/m2h以上，出水CODcr小于0.5mg/L，稳定的产品水导电率保持在25.1～26.3μs/cm之间，与反渗透纯水的电导率数值(18.8～21.2μs/cm)相比可以断定，膜组件无明显渗漏现象，效果良好。

Claims (9)

1.一种膜蒸馏生物反应器装置，包括生物反应器、膜组件、料液循环系统、冷凝液循环系统、产水系统及曝气系统。料液循环系统安装于生物反应器外循环管路上，换热器一端与生物反应器一出口相连，另一端通过高温循环泵与反应器入口相连；膜组件浸没于生物反应器内料液中，反应器内膜组件底部安装有曝气系统，对生物反应器内微生物进行充氧曝气；冷凝液循环泵入口通过冷凝液循环管路与膜组件膜丝内管路一端相通，冷凝液循环泵出口一支与产水管路相连，另一支与冷凝器相连，冷凝器出口与膜组件膜丝内管路另一端相连。
2.根据权利要求1所述的膜蒸馏生物反应器装置，其特征在于：所用膜为疏水性微孔膜。
3.根据权利要求1所述的膜蒸馏生物反应器装置，其特征在于：换热器另一端为潜热源，可以为太阳能或工农业生产中的废热、余热等。
4.根据权利要求1所述的膜蒸馏生物反应器装置，其特征在于：所述曝气系统可以为鼓风曝气、射流曝气或能实现曝气的其它任何曝气方式
5.一种膜蒸馏生物反应器废水或废液处理的方法，包括以下过程：待处理废水经进料泵送入生物反应器内，生物反应器内废水在高温循环泵作用下进入换热器与外界潜热源进行热量交换，废水升温之后返回生物反应器；冷凝出水在冷凝液循环泵作用下一部分被输送到产品水管路收集，另一部分出水被输送至冷凝器换热降温，之后返回到膜组件膜丝内管路进行循环；由于膜丝内外表面处存在温度差，产生蒸汽压差，高温废水中的水分在膜丝外表面被气化，水蒸气通过膜孔进入到冷凝水侧，被循环流动的冷凝水带走；曝气系统在生物反应池内膜组件底部曝气，提供生物降解所需氧分，同时气水混合液对膜表面冲刷、擦洗，缓解浓度、温度极化和污泥在膜表面沉积现象，减轻膜污染。
6.根据权利要求5所述的一种膜蒸馏生物反应器废水或废液处理的方法，其特征在于：所述膜分离过程为蒸汽压驱动型膜过程。
7.根据权利要求5所述的一种膜蒸馏生物反应器废水或废液处理的方法，其特征在于：膜分离过程启动时间不受污泥活性影响，只需达到膜分离所需的温度差即可开始运行。
8.根据权利要求5所述的一种膜蒸馏生物反应器废水或废液处理的方法，其特征在于：出水不受生物降解程度影响，水质稳定优良，达反渗透出水标准。
9.根据权利要求5所述的一种膜蒸馏生物反应器废水或废液处理的方法，其特征在于：所述工艺一级即可达到反渗透出水水质标准，不需进行多级处理。
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