CN102145936A - 基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，对传统膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)进行改进-用高精度不锈钢过滤网代替传统MBR中的有机膜，无纺布，陶瓷膜及其它材料的膜。不锈钢过滤网的孔径大小可从从1μm到10μm。不锈钢过滤网可以被加工成平板，管状，褶叠型筒式或其它形状的过滤组件，结合组件支架，出水孔及集水管，用于生物反应器中，成为新型的污水处理设备。本发明彻底解决了传统膜生物反应器(MBR)中膜污染和低膜通量带来的困扰，给MBR在污水处理中的应用带来了更广阔的前景。

Description

基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用
技术领域
本发明涉及膜生物反应器污水处理方法，尤其涉及一种利用高精度不锈钢过滤网作为膜生物反应器的核心过滤装置，取代传统膜生物反应器中常用的有机和无机膜过滤器。
背景技术
膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)水处理技术是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术(T.Stephenson，S.Judd，B.Jefferson and K.Brindle，Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment，IWA Publishing：London，2000.)。由于膜的过滤作用，微生物和污泥完全被截留在生物反应器中，实现了水力停留时间和污泥龄的彻底分离，使得生物单元具有很高的污泥浓度，提高了其对有机物的去除率。
从近期国内外MBR研究情况来看，过滤器的滤膜大都为较小孔径的微滤膜，或能截留较大分子的超滤膜，孔径范围为0.01～0.4μm(X.Huang，B.Cao，X.H.Wen and H G.Wei，State-of-the-art of membrane bioreactors research andapplication in China[J]；Acta Scientiae Circumstantiae，2008，28(3)，416-432.)。材质主要是疏水性的聚烯烃和亲水性的聚砜、纤维素等，还有一些无机陶瓷膜等(M.H.Al-Malack and G.K.Anderson，Use of crossflow microfiltration inwastewater treatment[J]；Water Research，1997，31(12)，3064-3072.)。疏水性的聚烯烃一般做成中空纤维式膜组件，而亲水性的聚砜、纤维素膜一般做成平板式膜组件。由于大部分MBR采用了由高分子合成物做成的微滤或超滤膜，膜污染很容易发生，带来了膜通量降低，维护成本增加，膜寿命减少，投资和运营成本增加等问题。
为了降低成本，无纺布曾在MBR中被用于固液分离，但是其通量也只在20-40L/m2·h范围内(G.T.Seo，B.H.Moon，T.S.Lee，T.J.Lim and I.S Kim，Non-woven fabric separation activated sludge reactor for domestic wastewaterreclamation[J]；Water Science and Technology，2002，47(1)，133-138.)。
其他廉价材料，如尼龙，的确良和金属丝网，也被用于MBR中。他们的孔径为100μm级，主要是通过所谓的动态生物膜来实现过滤的[(a)Y.Kiso，Y.-J.Jung，T.Ichinari，M Park，T.Kitao，K.Nishimura and K.-S.Min，Wastewatertreatment performance of a filtration bio-reactor equipped with a mesh as a filtermaterial[J]，Water Research，2000，34(17)，4143-4150；(b)F.Bin，H Xia，X.H.Wen and Y.Yan，Filtration capability of the bio-dynamic membrane[J]，Environmental Science，2003，24(1)，91-97.]。基于动态膜的MBR在运行时，丝网上形成污泥层，从而实现固液分离。但是，由于这层污泥层不稳定，特别是在过滤初期，动态膜成熟之前，过滤后的出水水质不能保证，限制了这个方法在实际污水处理设施中的大规模应用。
为了克服动态生物膜出水水质不稳定的缺点，W.Fuchs研究了尼龙网过滤器在MBR中的应用，尼龙网的孔径在10μm级(20-30μm)，流量也可高达150L/m2·h(W.Fuchs，C.Resch，M Kernstock，M Mayer，P.Schoeberl and R.Braun，Influence of operational conditions on the performance of a mesh fitlteractivated sludge process[J]，Water Research，2005，39(5)，803-810.)。目前，尼龙网过滤器在生化池中的长期运行效果也在研究中。
本发明利用高精度不锈钢过滤网制作成过滤器，应用于膜生物反应器，作为污水处理中固液分离的核心器件；过滤网的孔径介于100-101μm(1-10μm)。该过滤器联接自动控制的出水和反冲装置，保证了出水的高品质，同时过滤网也被及时清洗，保留了相当高的通量。
发明内容
为了克服传统MBR中膜通量低，污染严重，膜寿命短，投资成本高，维护费用高，运行能耗高等问题，本发明提出了一种利用高精度不锈钢过滤网为核心过滤器件的新型膜生物反应器(MBR)，成为新一代革新的污水处理设备及方法。从过滤孔径来说，该技术填补了传统MBR和动态膜生物反应器的空隙。传统MBR所用的膜的孔径在10-1μm级，而动态膜生物反应器所用丝网的孔径在102μm级。(Z.J.Pang，Dynamic membrane and its new applicationin wastewater treatment [J]，Water Purification Technology，2008，27(6)，5-7，23.)本发明利用的不锈钢丝网的孔径介于100-101μm(1-10μm)，代表了MBR污水处理技术中又一个新的过滤方法。
本发明的优点如下：
1)本发明利用的不锈钢丝网的孔径介于100-101μm(1-10μm)，绝大部分的固体可被截留；将该过滤器置于生化反应池中，出水的品质可与传统沙滤的出水媲美；如果生化反应池中的MLSS得于提高，出水的品质也可进一步提高；
2)本发明由于利用不锈钢丝网的直接过滤，而不是依靠动态生物污泥来过
滤，出水的水质稳定，在实际应用中，明显优于动态膜生物反应器；
3)相比于传统的MBR中的膜过滤器，本发明所用的过滤器具有投资成本低，运行成本低，维护成本低和寿命长等优点；
4)相比于传统的活性污泥法，本发明所涉及的污水处理技术的投资成本基本与之相当，但由于反应器中的MLSS浓度增加，处理后的出水品质要高得多，运行也要稳定；
5)本发明利用高精度不锈钢过滤网代替传统膜生物反应器(MBR)中的有机膜，无纺布，陶瓷膜及其它材料的膜；高精度不锈钢过滤网可由304，304L，316，316L不锈钢丝编织而成，可耐酸、耐碱、耐高温、抗拉力和耐磨性强。编织方式为：平纹编织、斜纹编织、荷兰编织(平纹)、荷兰编织(斜纹)等；孔径在1-10微米；丝径在1-10微米；
6)不锈钢丝网可加工性好，可以被加工成平板，管状，褶叠型筒式或其它形状的过滤器件，也可直接被焊接，用机械的方法或用合成树脂连接在框架上，结合组件支架，出水孔及集水管，用于生物反应器中，成为新型的污水处理设备；不锈钢网平板，管状过滤装置或褶叠型筒式滤芯也可如有机膜一样，用合成树脂粘合成组件；
7)用不锈钢丝网加工的过滤器寿命长；
8)不锈钢丝网的优良物理性能使新型过滤器件更易于清洗，反冲压力可以更高，甚至在运行中，就可用机械的方法(如毛刷)清理污垢，保持高的水通量；也可用药剂，如稀的碱液或氧化剂进行反冲清洗；彻底解决了传统膜生物反应器(MBR)中膜污染和低膜通量带来的困扰；另外，无须如传统膜生物反应器那样需把膜组件从反应器中取出，进行清洗，大大降低了膜生物反应器的维护强度；
9)不锈钢丝网的孔径大小可从几百目到几千目(即从几微米到几十微米)，视污水处理要求，可选择合适的不锈钢丝网作为MBR的过滤器件；可完全依靠重力水压出水，通常所需的压力为1-2米水柱；如需加大水通量，适当增加小功率的自吸泵就可。可以预见，随着科技和加工技术的发展，不锈钢丝网的孔径可以进一步缩小到1微米以下，成为超滤不锈钢丝网；彻底取代现有的MBR中的有机和无机过滤膜；
10)为了取得稳定的出水效果，一般过滤压力达到20-25kPa时，出水流量可达150L/m2·h；比传统的膜过滤器要高出一个数量级；在高通量的要求下，也可采用50微米孔径的过滤器，出水中的悬浮物并不会显著增加；
11)如出水需要回用，可按回用要求，增加超滤或反渗透设备；因为出水已经经过精滤，水中的不可溶解物已被绝大部分去除，超滤或反渗透设备的运行和维护费用将大大降低；
本发明的应用，给污水处理工艺提供了多种选择。在不需要回用的地区，经过本发明的MBR后可直接排放，节省了处理成本。传统MBR只能提供高品质的出水，在水资源丰富，无需中水回用的地区，过度的优化处理浪费了能源，增加了不必要的投资和处理成本。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供高精度不锈钢过滤网在膜生物反应器中的应用，该膜生物反应器的核心精滤装置包括：高精度不锈钢过滤网，出水口，封头(或封边)，连接器材(不锈钢条)，自动控制的出水系统和反冲系统。图2是由高精度不锈钢网组合而成的平板精滤元件。
图3是由高精度不锈钢精滤元件组成的精滤组件，10个精滤元件被接在一起，固定成一个组件，每个精滤装置的出水口也由较大的不锈钢管连接起来，成为统一的出水口。
附图说明
图1为本发明装有不锈钢过滤网精滤器的MBR；
图2为本发明单个不锈钢过滤网精滤元件；
图3为本发明不锈钢过滤网精滤组件。
附图标记说明：1-污水泵及入口；2-生物反应器；3-不锈钢丝网精滤组件；4-出水压力表；5-出水阀；6-出水泵；7-出水流量计；8-储水池；9-反冲压力表；10-反冲流量计；11-反冲阀；12-反冲泵；13-风机；14-空气阀；15-空气流量计；16-污泥回流泵；17-曝气器；18-液位计；19-不锈钢精滤网；20-出水口；21-反冲水管；22-框架；23-出水总管；24-反冲总管；25-连接器材。
具体实施方式
下面结合具体的实施例进一步说明本发明是如何实现的：
实施例
图1展示了具有不锈钢丝网精滤组件的膜生物反应器。
经过粗滤和初部沉淀后，污水被泵入生物反应器2中。污水的液位由液位计18监测，并将信号传到PLC控制柜，控制污水泵及入口1的开闭。生化池的曝气系统由风机13，空气阀14，空气流量计15和曝气器17组成。空气的流量通过PLC控制空气阀14来调节。不锈钢丝网精滤组件3连接出水系统。该出水系统由出水压力表4，出水阀5，出水泵6和出水流量计7组成。出水流量计将信号传递到PLC控制系统，通过调节出水阀5来保持衡流出水(150-200L/m2·h)。出水的负压小于0.02MPa。过滤器由反冲水清洗。反冲系统由反冲压力表9，反冲流量计10，反冲阀11和反冲泵12组成。当出水流量低于150L/m2·h时，启动反冲系统约30秒。反冲时，出水阀5闭，反冲阀11开。出水时，出水阀5开，反冲阀11闭。
经过过滤后，污泥被截留在反应器内。启动污泥回流泵16，确保污泥在反应器内保持均匀。
将以上装置置于传统活性污泥池中，经过10μm不锈钢丝网精滤组件的过滤，在不提高MLSS的情况下，出水的水质高于普通二沉池出水的水质，与沙滤出水的水质相当(COD＜50ppm，SS＜10ppm)。
如果需要对出水进一步纯化，在出水后可接超滤或反渗透装置。
图2展示了不锈钢丝网过滤元件。该元件由不锈钢精滤网19，出水口20，反冲水入口21及框架22组成。框架22可由不锈钢，合成树脂等做成。两面不锈钢精滤网19可以焊接或用胶水粘在框架上，形成过滤箱体。当这个过滤箱体浸入生化反应池中时，混合液体透过过滤网，成为清澈的出水。当高压水被泵入箱体时，反冲开始，丝网被清洗干净。
图3展示了不锈钢丝网过滤组件。该组件由10个元件组合而成。每个元件与总出水管23和反冲总管24相连。

Claims (6)

1.一种基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，该膜生物反应器的核心精滤元件包括：不锈钢过滤网、封头/封边和出水口，其特征在于：所述的不锈钢过滤网被加工成平板、管状或褶叠型筒式，并结合焊接、机械或合成树脂粘结封头/封边、连接出水口及组成精滤元件；将10个所述的精滤元件连接在一起，固定成一个组件，每个精滤元件的出水口由不锈钢管连接起来，成为统一的出水口。
2.根据权利要求1所述的基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：所述的不锈钢网的孔径尺寸为1μm～10μm。
3.根据权利要求1所述的基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：所述的不锈钢网的孔径尺寸为50μm。
4.根据权利要求1所述的基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：所述的不锈钢网的孔径尺寸小于1μm。
5.根据权利要求1所述的基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：所述的不锈钢过滤网MBR组件在污水处理中的实际应用，污水经过粗格栅和细格栅的过滤，去除大部分的漂浮物，进入初沉池，得到初步澄清，再进入不锈钢过滤网MBR的主要处理阶段-，在此，污染物得到有效消解，经过精滤，活性污泥和处理后的水被分离开，出水即达标排放，如需回用，增设超滤或反渗透装置，进行进一步纯化。
6.根据权利要求1所述的基于不锈钢精滤装置的膜生物反应器在污水处理中的应用，其特征在于：所述的出水和反冲过程由PLC自动控制，不锈钢过滤网做成的组件能够用机械的方法清理污垢，保持高的水通量；或者采用药剂进行反冲清洗。
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