CN102001745B

CN102001745B - 低能耗免曝气膜生物反应器

Info

Publication number: CN102001745B
Application number: CN2010105143412A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 武强; 张慧川; 张跃庭; 程景萌; 王振峰
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: CN102001745A

Abstract

本发明低能耗免曝气膜生物反应器，涉及水、废水或污水的生物处理，由低位水箱、循环水泵、膜管组件、高位水箱、水位控制器、控制阀、连通管、过滤水箱、膜管支架、出水口、滤网和配水管组成，所述膜管组件是由在陶瓷膜管外侧管壁挂有生物膜的、膜管孔径为1.5μm～3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成。本发明低能耗免曝气膜生物反应器运行过程中无需人工曝气，而是让微生物直接与空气相接触，克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量带来的高能耗和膜寿命短的缺点，兼具生物去碳、脱氮和除磷的功能，既提高了微生物对氧的利用速率，又大大降低了该技术的运行费用。

Description

低能耗免曝气膜生物反应器

技术领域

本发明的技术方案涉及水、废水或污水的生物处理，具体地说是低能耗免曝气膜生物反应器。

背景技术

现有膜生物反应器(简称为MBR)技术是活性污泥法和膜分离技术相结合的一种污水处理新工艺，其反应器主要由生物处理反应器和膜组件构成。膜生物反应器技术具有占地面积小、去除效率高和出水水质好的优点。近年来，随着膜技术的发展，MBR越来越广泛地应用于污水处理中。

传统的MBR工艺为缓减膜污染，常采用较大的曝气量，以加强膜组件表面的水力冲刷，这虽然能在一定程度上缓减膜污染，同时使混合液具有较高的溶解氧，但导致该技术运行能耗高，从而制约了该技术的进一步推广应用。

CN200610014449公开了一种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、曝气泵和压力表组成；自控系统由液位计、时间继电器、A/D-D/A-I/O转换装置、PC机和变频器组成，该发明通过分配不同阶段的气水比，减小曝气能耗，稳定膜通量，避免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。CN 200520073100.3披露了一体式多功能膜生物反应器，该膜生物反应器主要包括主反应器、搅拌装置、膜组件、鼓风机、回流泵和控制系统，其特征在于：主反应器通过内置活动隔板被划分为厌氧区、缺氧区和好氧区，实现UCT+MBR、A/O+MBR及交替厌氧/缺氧+MBR工艺的功能，达到污水处理脱氮除碳效能。CN 200620043204报道了带有膜清洗装置的膜生物反应器，主要是一个带有膜清洗装置的膜生物反应器，包括有膜组件、超声波换能器、曝气系统、反冲水洗系统、液位控制器和电路控制系统，主要是通过曝气系统维持生物反应器较高的溶解氧浓度，反冲水洗系统控制膜污染，系统运行能耗相对较高。

上述现有技术的主要问题是，膜污染依然是影响膜生物反应器长期稳定运行的关键因素，膜曝气、气水交替、气-水联合反冲洗和分离曝气等技术均是依靠高曝气量维持膜生物反应器的稳定运行，势必造成运行能耗较高和膜寿命短等一系列问题。因此，目前许多企事业单位所应用的现有膜生物反应器技术的污水处理回用设施均处于半停滞状态，给膜生物反应器的实际运行效果带来了一系列严重的负面影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供低能耗免曝气膜生物反应器，将生物膜技术与膜过滤技术有机结合，其中采用Al₂O₃材料制成陶瓷膜管，在膜管外侧管壁附着生长微生物形成的生物膜，运行过程中无需人工曝气，而是让微生物直接与空气相接触，克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量带来的高能耗和膜寿命短的缺点，兼具生物去碳、脱氮和除磷的功能，既提高了微生物对氧的利用速率，又大大降低了该技术的运行费用。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：低能耗免曝气膜生物反应器，由低位水箱、循环水泵、膜管组件、高位水箱、水位控制器、控制阀、连通管、过滤水箱、膜管支架、出水口、滤网和配水管组成，低位水箱通过水管与循环水泵连接，循环水泵又通过水管与高位水箱相连接，水位控制器探头固定于高位水箱中，水位控制器探头的引线与循环水泵连接，高位水箱通过配水管和控制阀与膜管组件沟通，控制阀安装于连接高位水箱与连通管之间的配水管上的任意位置上，连通管一端与配水管相连接，连通管又通过接头与膜管组件连接，膜管组件被固定于膜管支架上，膜管支架固定于过滤水箱上，低位水箱与膜管组件之间有回水管连通，出水口设置于过滤水箱一侧距该水箱底部30mm之上，滤网固定于距膜管组件底部30cm的位置，低位水箱和循环水泵被固定于设定的建筑基座上，高位水箱和过滤水箱被固定于设定的建筑支架上，所述膜管组件是由在陶瓷膜管外侧管壁挂有生物膜的、膜管孔径为1.5μm～3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成。

上述低能耗免曝气膜生物反应器，其中所述膜管组件中陶瓷膜管外侧管壁挂有的生物膜的挂膜方法是闷曝培养法：按体积比为接种污泥∶污水＝5∶1的比例将接种污泥和污水混合后倒入一个培养箱，并将Al₂O₃陶瓷膜管两端封堵浸于该培养箱的接种污泥和污水混合液中，静置24小时不曝气，使固着态微生物接种到Al₂O₃陶瓷膜管外侧，然后曝气20小时，静置2小时后排上清液，再加入与前等量的同种污水，曝气20小时，静置2小时后排上清液，一个处理周期包含20小时曝气、2小时静置、2小时排上清液和加入等量同种污水的三个过程，耗时24小时，每天重复此周期操作过程，经过7天的闷曝培养，所浸入的Al₂O₃陶瓷膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，即生物膜的挂膜成功。所用的接种污泥来自于城市污水处理厂二沉池剩余污泥，污水来自于生活污水。

将上述Al₂O₃陶瓷膜管外侧管壁表面的生物膜剥落，镜检发现生物膜中有大量的丝状菌以及钟虫、轮虫和变形虫等微型动物。

上述低能耗免曝气膜生物反应器，所述膜管组件由1～3组陶瓷膜管组成，每组含有4～20根陶瓷膜管，每一根陶瓷膜管的处理水量为5L/h，膜管组件中的每一根陶瓷膜管都通过接头并联接在连通管上。

上述低能耗免曝气膜生物反应器，所述低位水箱容积与高位水箱容积相等，均等于每小时处理水量的4倍；过滤水箱容积等于每小时处理水量的2倍。

上述低能耗免曝气膜生物反应器，其中，所述低位水箱、高位水箱和过滤水箱均为普通材质的水箱；循环水泵为ZB型自吸旋涡泵25ZB30-0.37D；控制阀为普通手动球阀；水位控制器型号DF-96A；连通管、配水管和出水管均为钢管或PVC管；滤网为100目不锈钢材质微孔网；膜管支架根据膜管组件的规格尺寸确定；Al₂O₃陶瓷膜材料是公知的，Al₂O₃陶瓷膜管可以委托陶瓷膜管生产厂家按照要求加工制造得到；接头采用一般公知的通用水暖器件。上述所有元器件和材料均可商购得到。

上述低能耗免曝气膜生物反应器，其中所述部件之间的连接方法和固定方法都是本技术领域中一般采用的方法。

本发明的有益效果是：

I.本发明低能耗免曝气膜生物反应器的工作原理

本发明低能耗免曝气膜生物反应器将生物膜技术与膜过滤技术有机结合，采用Al₂O₃材料所制成的陶瓷膜，在膜管外侧管壁附着生长微生物形成生物膜。由于微生物直接与空气相接触，维持了微生物生长代谢的好氧条件。污水在膜管内腔中纵向流动，污水中的有机物质透过膜孔供膜管外侧管壁附着生长的微生物增殖需求，污水中有机污染物质得到高效生物降解。随着微生物的增殖和生物膜的变厚，生物膜内层微生物出现厌氧状态，粘附力减弱，旧的生物膜逐渐脱落至其下面的过滤水箱的滤网上，陶瓷膜管表面又重新生长出新的生物膜。由于附着在膜表面的微生物直接与空气相接触，氧的传递速率大大提高，这就使生物膜对氧的利用率保持一个较高的水平，有机物的降解速率较快，从而微生物增殖速度快，污水的处理能力高于现有的膜-生物反应器技术，并且由于生物膜因厚度原因出现好氧和厌氧不同类型的微生物菌种，从而使该技术兼具生物去碳、脱氮和除磷的功能。本发明技术所需的运行费用仅是用循环水泵将污水从低位水箱泵入高位水箱，使污水在高位水箱、陶瓷膜管和低位水箱之间循环的花费，无需人工曝气，而是让微生物直接与空气相接触，既提高了微生物对氧的利用速率，又大大降低了该技术的运行费用。

II.本发明低能耗免曝气膜生物反应器的优点

(1)本发明的低能耗免曝气膜生物反应器保留了已有膜生物反应器膜过滤性能的优点，出水水质好，但是实现了免曝气，从而使运行能耗大大降低，运行费用仅仅是循环泵将污水从低位水箱泵入高位水箱的花费；

(2)本发明的低能耗免曝气膜生物反应器是生物膜技术与膜过滤技术的有机结合，其中膜管组件的膜管外侧管壁生长生物膜，生物膜不同厚度生长有不同相态的微生物群落，即好氧菌、厌氧菌及兼性菌，使该反应器技术兼具去碳、脱氮和除磷的技术要求；

(3)本发明的低能耗免曝气膜生物反应器的膜管组件的膜管外侧管壁生长的生物膜中的好氧型微生物直接与空气相接触，这就使得生物膜对氧的利用率保持一个较高的水平，有机物的降解速率得以大大提高，并且免除曝气，延长了膜的使用寿命。

基于上述理由，本发明技术与现有技术相比的优点是：本发明技术克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量带来的高能耗和膜寿命短的缺点，现有的膜生物反应器技术是活性污泥法与膜过滤技术的结合，而本发明低能耗免曝气膜生物反应器则是膜过滤技术与生物膜技术的有机结合，免除曝气却依然维持膜生物反应器对污水中有机物的高效降解性能，兼具去碳、脱氮和除磷功能，既提高了微生物对氧的利用速率，又大大降低了该技术的运行费用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明低能耗免曝气膜生物反应器的结构示意图。

图2是用本发明低能耗免曝气膜生物反应器处理污水的COD的去除效果曲线图。

图3是用本发明低能耗免曝气膜生物反应器处理污水的NH₃-N的去除效果曲线图。

图4是用本发明低能耗免曝气膜生物反应器处理污水的工作原理简图。

图中，1.低位水箱，2.循环水泵，3.膜管组件，4.高位水箱，5.水位控制器，6.控制阀，7.连通管，8.过滤水箱，9.膜管支架，10.出水口，11.滤网，12.配水管。

具体实施方式

图1表明本发明低能耗免曝气膜生物反应器是由低位水箱1、循环水泵2、膜管组件3、高位水箱4、水位控制器5、控制阀6、连通管7、过滤水箱8、膜管支架9、出水口10、滤网11和配水管12组成，低位水箱1通过水管与循环水泵2连接，循环水泵2又通过水管与高位水箱4相连接，水位控制器5探头固定于高位水箱4中，水位控制器5探头的引线与循环水泵2连接，高位水箱4通过配水管12和控制阀6与膜管组件3沟通，控制阀6安装于连接高位水箱4与连通管7之间的配水管12上的任意位置上，连通管7又通过接头与膜管组件3连接，膜管组件3被固定于膜管支架9上，膜管支架9固定于过滤水箱8上，低位水箱1与膜管组件3之间有回水管连通，出水口10设置于过滤水箱8一侧距该水箱底部30mm之上，滤网11固定于距膜管组件3底部30cm位置，低位水箱1和循环水泵2被固定于设定的建筑基座上，高位水箱4和过滤水箱8被固定于设定的建筑支架上。图1显示了膜管组件3中的4根Al₂O₃陶瓷膜管。本图中“——”表示管路，

表示水位控制器5探头的引线。

图2表明用本发明低能耗免曝气膜生物反应器处理污水，在30天内，污水进水的COD平均为220mg/L，处理之后出水的COD平均为30mg/L，COD的去除率平均为86％。

图3表明用本发明低能耗免曝气膜生物反应器处理污水，在30天内，污水进水的NH₃-N的含量平均为50mg/L，处理之后出水的NH₃-N的含量平均为1mg/L，NH₃-N的去除率平均为98％。

图4说明污水在Al₂O₃材料所制成的陶瓷膜管内腔中作如长箭头所示方向的纵向流动，污水中的有机物质按如陶瓷膜管内左右箭头所示方向透过陶瓷膜管的膜孔供陶瓷膜管外侧管壁附着生长的微生物增殖需求，污水中有机污染物质由此得到高效生物降解。随着微生物的增殖和生物膜的变厚，生物膜内层微生物出现厌氧状态，粘附力减弱，生物膜逐渐脱落至其下面的过滤水箱的滤网上，陶瓷膜管表面又重新生长出新的生物膜。由于附着在生物膜表面的微生物直接与空气相接触，如陶瓷膜管外箭头所示氧的传递速率大大提高，这就使生物膜对氧的利用率保持一个较高的水平，有机物的降解速率较快，从而微生物增殖速度快，污水的处理能力高于现有的膜-生物反应器技术，并且由于生物膜因厚度原因出现好氧和厌氧不同类型的微生物菌种，从而使该技术兼具生物去碳、脱氮和除磷的功能。图4中：M为有膜孔的管壁，S为生物膜，W为微生物。

实施例1

按体积比为接种污泥∶污水＝5∶1的比例将接种污泥和污水混合后倒入一个培养箱，并将将膜管孔径为1.5μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管两端封堵浸于该培养箱的接种污泥和污水混合物中，静置24小时不曝气，使固着态微生物接种到Al₂O₃陶瓷膜管外侧，然后曝气20小时，静置2小时后排去上清液，再加入与前等量的同种污水，曝气20小时，静置2小时后排上清液。一个处理周期包含20小时曝气、2小时静置、2小时排上清液和加入等量同种污水的三个过程，耗时24小时。每天重复此周期操作过程，经过7天的闷曝培养，所浸入的Al₂O₃陶瓷膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，即生物膜的挂膜成功。所用的接种污泥来自于城市污水处理厂二沉池剩余污泥，污水来自于生活污水。将如此制得的一组4根共3组的外侧管壁挂有生物膜Al₂O₃陶瓷膜管通过接头并联接在连通管上形成膜管组件，采用由此得到的4×3膜管组件，按照上述图1的说明安装好低能耗免曝气膜生物反应器，将待处理的污水从低位水箱1通过水管用循环水泵2送入高位水箱4，高位水箱4中的污水由控制阀6通过配水管12和连通管7送入膜管组件3进行净化，净化后的水体经过滤水箱8和滤网11进一步过滤之后由出水口10流出，水位控制器5根据高位水箱4中的水位高低控制循环水泵2的开启与关闭，以控制高位水箱4中的水位高低，污水通过循环水泵2在低位水箱1、高位水箱4和膜管组件3之间循环，一部分污水渗透过Al₂O₃陶瓷膜管壁，污水中的有机物通过其外表明的生物膜降解，另一部分污水则继续在低位水箱1、高位水箱4和膜管组件3之间循环流动。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为60L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例2

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的构成除所用膜管组件由2组陶瓷膜管组成，每组含有4根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为40L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例3

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的构成除所用膜管组件由1组陶瓷膜管组成，每组含有4根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为20L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例4

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的构成除所用膜管孔径为2.3μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由1组陶瓷膜管组成，每组含有12根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

实施例5

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的构成除所用膜管孔径为2.3μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由2组陶瓷膜管组成，每组含有12根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为120L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例6

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的构成除所用膜管孔径为2.3μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由3组陶瓷膜管组成，每组含有12根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为180L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例7

除所用膜管孔径为3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由1组陶瓷膜管组成，每组含有20根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为100L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例8

除所用膜管孔径为3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由2组陶瓷膜管组成，每组含有20根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为200L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例9

除所用膜管孔径为3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成，所用膜管组件由3组陶瓷膜管组成，每组含有20根陶瓷膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗免曝气膜生物反应器的总处理水量为300L/h，净化后出水的COD小于35mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

Claims

1.低能耗免曝气膜生物反应器，其特征在于：由低位水箱、循环水泵、膜管组件、高位水箱、水位控制器、控制阀、连通管、过滤水箱、膜管支架、出水口、滤网和配水管组成，低位水箱通过水管与循环水泵连接，循环水泵又通过水管与高位水箱相连接，水位控制器探头固定于高位水箱中，水位控制器探头的引线与循环水泵连接，高位水箱通过配水管和控制阀与膜管组件沟通，控制阀安装于连接高位水箱与连通管之间的配水管上的任意位置上，连通管一端与配水管相连接，连通管又通过接头与膜管组件连接，膜管组件被固定于膜管支架上，膜管支架固定于过滤水箱上，低位水箱与膜管组件之间有回水管连通，出水口设置于过滤水箱一侧距该水箱底部30mm之上，滤网固定于距膜管组件底部30cm的位置，低位水箱和循环水泵被固定于设定的建筑基座上，高位水箱和过滤水箱被固定于设定的建筑支架上，所述膜管组件是由在陶瓷膜管外侧管壁挂有生物膜的、膜管孔径为1.5μm～3.0μm、管长度为1000mm、膜管内径×外径为30×32mm和膜管壁厚1mm的Al₂O₃陶瓷膜管所构成。

2.根据权利要求1所述低能耗免曝气膜生物反应器，其特征在于：其中所述膜管组件中陶瓷膜管外侧管壁挂有的生物膜的挂膜方法是闷曝培养法：按体积比为接种污泥∶污水＝5∶1的比例将接种污泥和污水混合后倒入一个培养箱，并将Al₂O₃陶瓷膜管两端封堵浸于该培养箱的接种污泥和污水混合液中，静置24小时不曝气，使固着态微生物接种到Al₂O₃陶瓷膜管外侧，然后曝气20小时，静置2小时后排上清液，再加入与前等量的同种污水，曝气20小时，静置2小时后排上清液，一个处理周期包含20小时曝气、2小时静置、2小时排上清液和加入等量同种污水的三个过程，耗时24小时，每天重复此周期操作过程，经过7天的闷曝培养，所浸入的Al₂O₃陶瓷膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，即生物膜的挂膜成功。

3.根据权利要求1所述低能耗免曝气膜生物反应器，其特征在于：所述膜管组件由1～3组陶瓷膜管组成，每组含有4～20根陶瓷膜管，每一根陶瓷膜管的处理水量为5L/h，膜管组件中的每一根陶瓷膜管都通过接头并联接在连通管上。

4.根据权利要求1所述低能耗免曝气膜生物反应器，其特征在于：所述低位水箱容积与高位水箱容积相等，均等于每小时处理水量的4倍；过滤水箱容积等于每小时处理水量的2倍。