CN101851049A - 用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于用于污泥厌氧消化的系统及工艺技术领域的用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统及运行方法。该在线超声厌氧膜生物反应系统包括厌氧消化罐和膜组件，膜组件外配有超声清洗槽。运行过程中厌氧消化罐中的污泥混合液送至配有超声清洗槽的外置式膜组件中。采用本发明的系统，挥发性有机物负荷高达2.7kg/m3·d，高出传统工艺的运行负荷。在2.7kg/m3·d的负荷下，在线超声厌氧膜生物反应系统对剩余污泥的消化效果理想，VS平均降解率达到66.8％，在1.0m/s的低错流速度下，由于在线超声的引入，与无超声的膜组件相比，在线超声厌氧膜生物反应系统的膜污染程度得到控制。

Description

用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统及运行方法
技术领域
本发明属于用于污泥厌氧消化的系统及工艺技术领域，特别涉及用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统及运行方法。
背景技术
剩余污泥是污水生物处理过程中的副产物。近年来，随着污水处理量的增加而逐年增多。大量污泥对生态环境来说是极大的威胁，必须得到适当的处理和处置。而污泥处理和处置成本较高，一般占整个污水处理厂运行成本的50～60％，因此，其相关工艺一直以来是研究的热点。污泥的处理和处置一般遵循减量化、稳定化和无害化的原则。其中，污泥的稳定化是指将污泥中的有机物转化为稳定的最终产物。若不经过稳定化处理，污泥中的有机物会发生降解，极易腐败而产生恶臭。污泥稳定化一般采用的是生物好氧或厌氧消化工艺。
目前，污泥的厌氧消化工艺一般都还是沿用传统的厌氧消化池。由于没有固液分离功能，其水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)相同。污泥中的有机物需要较长的SRT(20～30天)才能得到有效降解，这样就使得传统厌氧消化池的HRT也需要20～30天，甚至更长的时间，其反应器容积相应很大，大大增加了投资的成本。于是，人们开始寻求新的工艺来代替厌氧消化池。近年来的研究发现，厌氧膜生物反应器可应用于污水污泥的处理(Pillay，V.L.，Townsend，B.and Buckley，C.A.Improving the performance of anaerobic digestion at wastewater treatment works：the coupled cross-flow microfiltration/digester process.Water.Sci.Technol.，1994，30(12)：329-337；Pierkiel，A.and Lanting，J.Membrane-coupled anaerobic digestion of municipal sewage sludge.Water Sci.Technol.，2005，52(1-2)：253-258.)，系统相对简单，管理运行方便，具有明显的优势和应用的前景。
厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor，即AnMBR)就是将厌氧生物处理反应器与作为固液分离单元的膜组件相结合构成的系统，可以通过膜组件完全截留微生物来分离HRT和SRT。此工艺用于污泥消化的优点体现在以下几点：1.与传统的厌氧消化池相比，由于HRT与SRT的分离，使得HRT可以大幅度缩短，从而可减小反应器的容积，而同时维持较长的SRT，保证对有机物的有效降解；2.污泥的浓缩和消化可以结合在一个厌氧膜生物反应器体系中完成，从而简化了整个污泥处理工艺；3.与一些高效厌氧反应器相比，厌氧膜生物反应器并不依赖污泥颗粒化和生物膜的形成来截留固体，这就使得它的抗冲击负荷能力较强。
但是，膜污染一直以来都是困扰厌氧膜生物反应器发展的一个突出问题。当厌氧膜生物反应器应用于污泥消化时，其技术可行性取决与污泥消化效果和膜污染控制两方面。对于外置式厌氧膜生物反应器，通常可以通过采用较高的错流速度(2～3m/s)来减缓滤饼层的形成，控制污染的发展速率。但是高错流速度会带来高能耗和对微生物活性的潜在危害。近几年来人们开始施加一些外力来控制膜污染，超声也是其中一个尝试的手段。根据本课题组的前期研究结果，在厌氧膜生物反应器系统中引入超声的办法可以控制厌氧膜污染的发展(文湘华，黄霞，隋鹏哲，一种利用超声在线控制膜污染发展的方法。中国发明专利，申请号：200510011799.5，2005.5.27)。虽然在前期研究中，厌氧膜生物反应器针对的只是溶解性自配废水的处理，但是这一结果为用于污泥消化的厌氧膜生物反应器膜污染控制提供了一个方向。
综上所述，厌氧膜生物反应器可以克服传统厌氧污泥消化池存在的停留时间长，池容积大的缺点，但随之带来的膜污染仍未得到有效解决。这一问题制约了厌氧膜生物反应器在污泥消化方面的应用。
发明内容
本发明是为了解决厌氧膜生物反应器用于污泥消化时产生的膜污染问题，构建一套用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统(US-AnMBR)并提供相应的运行方法。
一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统，其特征在于：该在线超声厌氧膜生物反应系统包括厌氧消化罐和膜组件；
所述厌氧消化罐上设置保温水套层、污泥混合液入口、沼气出口和污泥混合液出口，所述厌氧消化罐内装有搅拌器；
所述膜组件为外置式膜组件，其上设置混合液进水口、截留液出水口和膜滤液出水口，所述膜组件外配有超声清洗槽；
所述厌氧消化罐的污泥混合液入口经a蠕动泵与污泥罐相连；
所述厌氧消化罐的保温水套层与恒温水箱相连，所述恒温水箱再经水泵与所述厌氧消化罐的保温水套层连接；所述厌氧消化罐的沼气出口与排水集气瓶相连；
所述厌氧消化罐的污泥混合液出口与螺杆泵相连，所述螺杆泵与所述膜组件的混合液进水口连接；
所述膜组件的截留液出水口与所述厌氧消化罐连接，所述膜组件的膜滤液出水口与b蠕动泵连接；
在所述膜组件的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计及调节阀门，用于膜跨膜压差(TMP)测定及流量调节。
一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：通过a蠕动泵将污泥罐中的剩余污泥间歇地均匀注入装有搅拌器的厌氧消化罐中；
为了保证污泥的中温厌氧消化，通过水泵将恒温水箱中的恒温水注入厌氧消化罐的保温水套层；
污泥消化过程中产生的沼气通过排水集气瓶收集；
厌氧消化罐中的污泥混合液通过螺杆泵送至配有超声清洗槽的外置式膜组件中，经膜组件截留的浓缩混合液返回至消化罐中，而膜滤出液通过b蠕动泵进行抽吸；
在膜组件的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计及调节阀门，用于膜跨膜压差(TMP)测定及流量调节。
在线超声厌氧膜生物反应系统的运行条件：
1.污泥罐中待消化的剩余污泥取自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥。污泥通过蠕动泵间歇均匀注入消化罐，开启频率为1.5min/12min(每12分钟进泥1.5分钟)；
2.污泥的消化温度：35±2℃；
3.反应器的SRT为36天，启动初期采用低的污泥负荷，而后逐渐缩短HRT，提高污泥负荷。最终HRT可缩短至1.5天(污泥含水率99.4％)，相当于剩余污泥挥发性有机物负荷为2.7kg/m3·d；
4.膜组件的错流速度为1.0m/s，设计膜通量为7L/m2·h，膜出水蠕动泵抽吸频率为8min/10min(每10分钟抽吸8分钟)；
5.超声条件：工作频率为28kHz，超声功率为200W，作用时间为1min/10min(即每10分钟工作1分钟)。
有益效果：用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统运行效果：
1.根据一般的设计标准，对于传统的中温厌氧消化池来说，重力浓缩后的原污泥挥发性有机物负荷宜为0.6～1.5kg/m3·d(《室外排水设计规范》GB50014-2006)。采用本发明的系统，挥发性有机物负荷高达2.7kg/m3·d，高出传统工艺的运行负荷。也就是说，若均采用浓缩后污泥进行消化(含水率为96％)，本发明系统的HRT可缩短至10天，低于传统工艺的20～30天，减小了1/2～2/3的反应器体积。
2.在2.7kg/m3·d的负荷下，在线超声厌氧膜生物反应系统对剩余污泥的消化效果理想，VS平均降解率达到66.8％，符合污泥厌氧消化的指标(污泥的厌氧消化至少达到38％的VS减少率，US EPA/625/R-92/013，1992)。
3.在1.0m/s的低错流速度下，由于在线超声的引入，与无超声的膜组件相比，在线超声厌氧膜生物反应系统的膜污染程度得到控制，在试验范围内可正常运行而不用施加额外的清洗措施。
以上运行效果表明了在线超声厌氧膜生物反应系统用于污泥消化的可行性：在保证高负荷下污泥消化效果的同时，膜污染也能够得到有效控制。
附图说明
图1在线超声厌氧膜生物反应系统示意图及其工艺流程图；
图2在线超声厌氧膜生物反应系统污泥消化过程中的挥发性脂肪酸；
图3在线超声厌氧膜生物反应系统污泥消化过程中的污泥浓度变化；
图4在线超声对厌氧膜污染的控制；
图中标号：1-污泥罐；2-a蠕动泵；3-厌氧消化罐；4-恒温水箱；5-水泵；6-排水集气瓶；7-螺杆泵；8-超声清洗槽；9-膜组件；10-b蠕动泵；11-调节阀门；12-水银压差计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统
该在线超声厌氧膜生物反应系统如图1所示，包括厌氧消化罐3和膜组件9；
所述厌氧消化罐3上设置保温水套层、污泥混合液入口、沼气出口和污泥混合液出口，所述厌氧消化罐3内装有搅拌器；
所述膜组件9为外置式膜组件，其上设置混合液进水口、截留液出水口和膜滤液出水口，所述膜组件9外配有超声清洗槽8；
所述厌氧消化罐3的污泥混合液入口经a蠕动泵2与污泥罐1相连；
所述厌氧消化罐3的保温水套层与恒温水箱4相连，所述恒温水箱4再经水泵5与所述厌氧消化罐3的保温水套层连接；所述厌氧消化罐3的沼气出口与排水集气瓶6相连；
所述厌氧消化罐3的污泥混合液出口与螺杆泵7相连，所述螺杆泵7与所述膜组件9的混合液进水口连接；
所述膜组件9的截留液出水口与所述厌氧消化罐3连接，所述膜组件9的膜滤液出水口与b蠕动泵10连接；
在所述膜组件9的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计12及调节阀门11，用于膜跨膜压差(TMP)测定及流量调节。
实施例2用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法
应用实施例1所述的用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统处理污泥，工艺流程图如图1所示，其运行方法如下：通过a蠕动泵2将污泥罐1中的剩余污泥间歇地均匀注入装有搅拌器的厌氧消化罐3中；
为了保证污泥的中温厌氧消化，通过水泵5将恒温水箱4中的恒温水注入厌氧消化罐3的保温水套层；
污泥消化过程中产生的沼气通过排水集气瓶6收集；
厌氧消化罐3中的污泥混合液通过螺杆泵7送至配有超声清洗槽8的外置式膜组件9中，经膜组件截留的浓缩混合液返回至消化罐中，而膜滤出液通过b蠕动泵10进行抽吸；
在膜组件9的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计12及调节阀门11，用于膜跨膜压差(TMP)测定及流量调节。
污泥罐1中待消化的剩余污泥取自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥。
a蠕动泵2开启频率为：每12分钟进泥1.5分钟。
恒温水箱4内水温为35±2℃，即污泥的消化温度为35±2℃。
在线超声厌氧膜生物反应系统的SRT为36天。
膜组件9的错流速度为1.0m/s，膜通量为7L/m2·h。
b蠕动泵10抽吸频率为：每10分钟抽吸8分钟。
超声清洗槽8超声条件：工作频率为28kHz，超声功率为200W，作用时间为：即每10分钟工作1分钟。
(1)用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的启动
反应器的启动直接用污水处理厂厌氧消化池中的消化污泥作为接种污泥。接种量加约占反应器有效体积的2/3。将待消化的剩余活性污泥(含水率为98.6％)一次性加至设计液面。然后以1℃/h的升温速率逐步升温，直至设计温度。开启搅拌装置以保证污泥的混合。待污泥驯化几天后再开启膜循环螺杆泵7。启动初期，反应器采用较低的污泥负荷(1.1kg/m3·d)运行，此时HRT为8天。超声功率90W，作用时间为3～5min/h。膜设计通量为1.3L/m2·h。
启动试验表明：反应器内的挥发性脂肪酸(VFA)在启动初期逐渐上升直至在第28天高达1939mgHAc/L(见图2)。此数据表明反应器发生酸化，消化过程不稳定。随着反应器的运行，VFA逐渐下降直至稳定，说明反应器可在1.1kg/m3·d下运行。在这一工况下，剩余活性污泥的VS去除率为42.0％。污泥浓度最终稳定在(见图3)28g/L左右。超声功率90W，作用时间5min/h对膜污染控制效果理想，在运行期间内膜过滤阻力低于3.8×1012m-1。而无超声的膜过滤阻力为13.8×1012m-1(见图4)。
(2)在线超声厌氧膜生物反应系统的工况调节及稳定运行特性
运行条件：在启动成功后，根据运行情况逐步缩短HRT，即容积负荷依次提高至1.5kg/m3·d(HRT为6天，污泥含水率98.8％)，2.0kg/m3·d(HRT为6天，污泥含水率98.9％)，2.8kg/m3·d(HRT为3天，污泥含水率98.7％)，3.6kg/m3·d(HRT为3天，污泥含水率98.1％)。与此同时，膜设计通量提高至1.7，2.5，3.5L/m2·h。超声作用功率范围为90～250W，采用两种作用时间模式：1.周期长，一次作用时间长(2～5min/h)；2.周期短，一次作用时间短(1min/10min)。
试验结果表明：随着负荷的提高至2.8kg/m3·d，VFA并没有明显上升。当负荷提高至3.6kg/m3·d，VFA上升。随着反应器的运行，VFA逐渐下降，表明在线超声厌氧膜生物反应系统能够在此高负荷下进行污泥消化。但在此负荷下，反应器内污泥浓度高达100g/L，膜污染发展严重。在超声控制下的膜阻力达到29.2×1012m-1，而无超声的组件必须频繁清洗，阻力最高达到169.4×1012m-1。将运行负荷降至2.7kg/m3·d(HRT为1.5天，原污泥含水率为99.4％)，此负荷下剩余污泥的挥发性有机物去除率为66.8％。反应器的污泥浓度最终稳定在50g/L。将2.7kg/m3·d确定为系统可长期稳定运行的负荷。同时，在功率为200W，时间模式为1min/10min的超声作用条件下，膜过滤阻力在运行期间内控制在12×1012m-1，可保证系统的正常运行。

Claims (9)

1.一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统，其特征在于：该在线超声厌氧膜生物反应系统包括厌氧消化罐(3)和膜组件(9)；
所述厌氧消化罐(3)上设置保温水套层、污泥混合液入口、沼气出口和污泥混合液出口，所述厌氧消化罐(3)内装有搅拌器；
所述膜组件(9)为外置式膜组件，其上设置混合液进水口、截留液出水口和膜滤液出水口，所述膜组件(9)外配有超声清洗槽(8)；
所述厌氧消化罐(3)的污泥混合液入口经a蠕动泵(2)与污泥罐(1)相连；
所述厌氧消化罐(3)的保温水套层与恒温水箱(4)相连，所述恒温水箱(4)再经水泵(5)与所述厌氧消化罐(3)的保温水套层连接；所述厌氧消化罐(3)的沼气出口与排水集气瓶(6)相连；
所述厌氧消化罐(3)的污泥混合液出口与螺杆泵(7)相连，所述螺杆泵(7)与所述膜组件(9)的混合液进水口连接；
所述膜组件(9)的截留液出水口与所述厌氧消化罐(3)连接，所述膜组件(9)的膜滤液出水口与b蠕动泵(10)连接；
在所述膜组件(9)的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计(12)及调节阀门(11)，用于膜跨膜压差测定及流量调节。
2.一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：通过a蠕动泵(2)将污泥罐(1)中的剩余污泥间歇地均匀注入装有搅拌器的厌氧消化罐(3)中；
为了保证污泥的中温厌氧消化，通过水泵(5)将恒温水箱(4)中的恒温水注入厌氧消化罐(3)的保温水套层；
污泥消化过程中产生的沼气通过排水集气瓶(6)收集；
厌氧消化罐(3)中的污泥混合液通过螺杆泵(7)送至配有超声清洗槽(8)的外置式膜组件(9)中，经膜组件截留的浓缩混合液返回至消化罐中，而膜滤出液通过b蠕动泵(10)进行抽吸；
在膜组件(9)的混合液进水口、截留液出水口及膜滤液出水口分别安装水银压差计(12)及调节阀门(11)，用于膜跨膜压差测定及流量调节。
3.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：污泥罐(1)中待消化的剩余污泥取自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥。
4.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：所述a蠕动泵(2)开启频率为每12分钟进泥1.5分钟。
5.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：所述恒温水箱(4)内水温为35±2℃，即污泥的消化温度为35±2℃。
6.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：在线超声厌氧膜生物反应系统的SRT为36天。
7.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：所述膜组件(9)的错流速度为1.0m/s，膜通量为7L/m2·h。
8.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：所述b蠕动泵(10)抽吸频率为每10分钟抽吸8分钟。
9.根据权利要求2所述的一种用于污泥消化的在线超声厌氧膜生物反应系统的运行方法，其特征在于：所述超声清洗槽(8)超声条件如下，工作频率为28kHz，超声功率为200W，作用时间为每10分钟工作1分钟。
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