CN102153251B - 外置式厌氧膜生物反应器及其废水净化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外置式厌氧膜生物反应器，包括厌氧池、管式膜组件和管式超滤膜元件、清水池，所述管式超滤膜元件竖直并联排布在管式膜组件内。本发明还提供了一种相应的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，将待处理废水首先在厌氧池中净化处理，处理后产生的沼气收集起来，处理后的废水依次经细格栅和管式超滤膜元件的过滤分离，最后将滤出的清水导出，间隔一段时间对管式超滤膜元件进行反冲洗和化学清洗，收集起来的沼气经过淋洗清洗后，与污水一并泵入管式超滤膜元件，增强管式超滤膜元件内壁的清洗效果。本发明的外置式厌氧膜生物反应器及其废水净化工艺，运行耗能低、出水水质好、不易堵塞。

Description

外置式厌氧膜生物反应器及其废水净化工艺

技术领域

本发明涉及一种外置式厌氧膜生物反应器及其废水净化工艺。

背景技术

厌氧生物反应是污水处理中的常规工艺，其具有占地面积小、工艺简单、运行能耗低、污泥产量低、可降解一些难降解的有机污染物质等优点，且厌氧过程中产生的沼气可以作为能源再生利用，是一种兼具环境和经济效益多种优点的处理技术，因此被广泛应用于废水处理领域，尤其是较高浓度有机污染物的废水处理。但传统的厌氧反应器存在着污泥流失造成的微生物浓度过低的问题，因流失和数量衰减，厌氧微生物很难在厌氧反应器中累积到较高浓度，造成厌氧反应器效率降低，另外，微生物的流失也造成出水水质变差。为了解决厌氧反应器低截留问题，一般采用增加水力停留时间，这样就必须增大反应器容积，造成占地面积增大和投资成本提高等问题。

目前厌氧膜生物反应器技术分为外置式和浸没式两种。外置式是将厌氧处理出水引出到反应池外，通过内压式进入膜管内高速错流过滤，滤出清水渗出膜管，活性污泥及浓缩液留在膜管内，然后回流到反应池中，该技术的优点是处理通量较高、设备紧凑、膜污堵后便于清洗；缺点主要是运行能耗很高，需要循环泵在4m/s的错流速度下循环污泥，以防止膜污染，同时回流污泥可能影响厌氧环境，使系统运行存在不稳定因素。浸没式是将膜置于厌氧反应池出水区中，清水渗入膜管内，活性污泥及浓缩液被膜截留在反应池内，然后通过抽吸泵施加负压方式将处理后的清水排出，由于采用负压出水，能耗远远低于外置膜方式，同时没有污泥回流，也减少了对系统稳定性潜在的影响，因此在稳定性和运行能耗上，浸没式较外置式更有优势。但由于浸没式膜采用低速错流模式，即0.2m/s的表面流速(通常采用在组件底部加上搅拌装置，加强污泥流动)，使浸没式存在更快的膜污染问题，这就严重影响了浸没式膜系统的工程实用性。浸没式膜堵塞后清洗也很困难，往往需要对膜组进行在线反冲，或将膜组取出清洗，这就大大增加了工作强度。浸没式膜组主要包括中空纤维膜，这种膜很易发生断丝和堵塞。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种运行耗能低、出水水质好、不易堵塞的外置式厌氧膜生物反应器和外置式厌氧膜生物反应器工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供的外置式厌氧膜生物反应器，包括厌氧池、竖直并联排布的多个管式膜组件，所述每个管式膜组件内设有若干根竖直的管式超滤膜元件，所述厌氧池下部设有进水口，所述厌氧池上部设有出水口，所述出水口与管式膜组件之间连有第一进水管道，所述第一进水管道上依次连有细格栅和第一进水泵，每根管式超滤膜元件的下端入口与第一进水管道相连通，每根管式超滤膜元件的上端出口与所述厌氧池进水口之间设有相连通的回流管道，所述每根管式超滤膜元件的内径为5-10mm，所述管式膜组件设有滤出清水出口。

优选地，所述厌氧池内由下到上依次为进水区、填料区、出水区和沼气收集区，所述进水口设在进水区的侧壁上，所述进水区内设有污泥搅拌器和布水器，所述出水口设在出水区的侧壁上，所述沼气收集区设有排气口。

进一步地，所述排气口处连有通往沼气收集罐底部入口的进气管道，所述沼气收集罐上部出口和所述第一进水管道通过曝气管道相连通，所述曝气管道上依次设有曝气泵和控制阀，所述第一进水管道和曝气管道交汇处连有通往每根管式超滤膜元件下端入口处的第二进水管道，所述第二进水管道上设有用于将沼气和废水进行混合的曝气混合装置，所述沼气收集罐上方侧壁上连有清水进水管，所述沼气收集罐内上方设有清水喷雾布水器，所述沼气收集罐下方侧壁上连有排水管。

优选地，所述每根管式超滤膜元件的上端出口处连有与进气管道相通的气体管道，所述气体管道上连有沼气分离器。

优选地，所述厌氧池进水口处连有第二进水泵。

优选地，所述每根管式超滤膜元件包括支撑层和涂覆于支撑层内表面的有机高分子滤膜层，所述支撑层采用聚酯工业微滤无纺布缠绕而成，所述有机高分子滤膜层材料为聚醚砜或聚砜或聚偏氟乙烯。

优选地，所述管式膜组件上还连接有反冲洗泵。

优选地，还包括一清洗池，所述清洗池通过两根清洗水管分别与第一进水管道、回流管道相连接，所述两根清洗水管上分别设有阀门。

优选地，所述细格栅的过滤精度为500-800微米。

本发明还提供了一种外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其包括以下步骤：

1)待处理废水进入厌氧池内，进行厌氧反应同时产生沼气；

2)厌氧反应后的废水经细格栅过滤；

3)过滤后的废水以0.5-1.0m/s的错流速度进入竖直的管式超滤膜元件内，在液位差和重力作用下，清水透过管式超滤膜元件向外渗透后被导出，留在所述管式超滤膜元件内的浓缩污泥被回流至厌氧池，所述管式超滤膜元件内径为5-10mm。

优选地，所述步骤1)中参与厌氧反应的厌氧污泥浓度为5-20g/L。

优选地，所述沼气收集区的沼气被收集并提纯后，引入管式超滤膜元件中，对管式超滤膜元件内壁进行曝气冲刷。

进一步地，曝气冲刷后从管式超滤膜元件排出的沼气与沼气收集区新产生的沼气混合，被重新收集提纯后再次引入管式超滤膜元件中，继续循环用于对管式超滤膜元件内壁进行曝气冲刷。

优选地，还包括对管式超滤膜元件进行反冲洗的步骤，每运行过滤20-60分钟后反冲洗一次，反冲洗时间为30-60s。

优选地，还包括对管式超滤膜元件进行化学清洗的步骤，所述化学清洗频率为每周一次，持续时间1-2小时，采用的化学清洗药剂为柠檬酸或次氯酸钠。。

本发明的外置式厌氧膜生物反应器，管式膜组件按照竖直并联排布方式，减少了占地面积，并且采用管式超滤膜元件，解决了高分子中空纤维膜使用中容易断丝，以及由于堆积密度高造成的堵塞问题。相比传统的外置式错流膜，本发明的膜表面错流速度大幅降低，因此相应的运行能耗大幅降低，同时该错流速度高于浸没式膜，使膜更不容易污染堵塞。本发明的外置式厌氧膜生物反应器工艺采用连续运行模式，并采用反冲洗和化学清洗两种膜表面恢复模式，以保持膜运行的正常通量。本发明的外置式厌氧膜生物反应器，具有运行能耗低、有机物降解效率高、污泥产量小、清洗检修方便等特点。

附图说明

图1为本发明外置式厌氧膜生物反应器结构示意图。

图2为本发明外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方案进一步说明。

如图1所示的一种外置式厌氧膜生物反应器，包括厌氧池1、竖直排布的一个管式膜组件2(也可为多个竖直并联排布的管式膜组件)，清水池16，管式膜组件2上连接有反冲洗泵20，管式膜组件2内设有若干根竖直并列的管式超滤膜元件3，厌氧池1内由下到上依次为进水区5、填料区6、出水区7和沼气收集区8，进水区5内设有污泥搅拌器32和布水器33，进水区5的侧壁上设有进水口4，进水口4处连有第二进水泵17，出水区7的侧壁上设有出水口9，出水口9与管式膜组件2之间连有第一进水管道10，第一进水管道10上依次连有细格栅23和第一进水泵19，细格栅23的过滤精度为500-800微米，每根管式超滤膜元件3的下端入口与第一进水管道10相连通，每根管式超滤膜元件3的上端出口与厌氧池进水口4之间设有相连通的回流管道11，每根管式超滤膜元件3的内径为5-10mm，管式膜组件2上设有滤出清水出口12，滤出清水出口12的清水经管道进入清水池16，沼气收集区8设有排气口21，排气口21处连有通往沼气收集罐13底部入口的进气管道14，沼气收集罐13上部出口和第一进水管道10通过曝气管道15相连通，曝气管道15上依次设有曝气泵31和控制阀29，第一进水管道10和曝气管道15交汇处连有通往每根管式超滤膜元件3下端入口处的第二进水管道，第二进水管道上设有用于将沼气和废水进行混合的曝气混合装置24，沼气收集罐13上方侧壁上连有清水进水管26，沼气收集罐13内上方设有清水喷雾布水器27，沼气收集罐13下方侧壁上连有排水管28，用于将喷雾布水产生的废水引出罐体外。

如图1所示，每根管式超滤膜元件3的上端出口处连有与进气管道14相通的气体管道30，气体管道30上连有沼气分离器25，用于将对管式超滤膜元件3内壁冲刷后的气水混合液中的沼气分离出来。

每根管式超滤膜元件3包括支撑层和涂覆于支撑层内表面的有机高分子滤膜层，支撑层采用聚酯工业微滤无纺布缠绕而成，有机高分子滤膜层材料为聚醚砜或聚砜或聚偏氟乙烯。

该外置式厌氧膜生物反应器中还包括清洗池18，清洗池18通过两根清洗水管分别与第一进水管道10、回流管道11相连接，如图1所示，两根清洗水管上分别设有阀门22，在管式超滤膜3执行过滤时，该两处阀门22关闭，当对管式超滤膜3进行化学清洗时，该两处阀门22打开。

本发明还提供了一种外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，如图2所示，其包括以下步骤：

1)待处理废水进入厌氧池1内，通过进水区5的布水器与污泥接触，然后缓慢通过填料区6，在填料区6废水被厌氧污泥吸附并降解，产生沼气，厌氧污泥的浓度为5-20g/L，之后废水进入出水区7，产生的沼气进入沼气收集区8，沼气收集区8的沼气从排气口21出来经进气管道14被收集到沼气收集罐13中；

2)出水区7内的废水进入第一进水管道10后经细格栅23过滤，该细格栅23的过滤精度为500-800微米；

3)步骤2)过滤后的废水以0.5-1.0m/s的错流速度进入竖直的管式超滤膜元件3内，废水在管式超滤膜元件3内侧至下向上流动，在液位差和重力作用下，清水透过管式超滤膜元件3向外渗透后被导入清水池16，留在管式超滤膜元件3内的浓缩污泥被回流至厌氧池1，其中管式超滤膜元件外侧可以增加负压，也可以不增加，该管式超滤膜元件3的内径为5-10mm，优选为5.2mm，过滤通量30-50LMH，优选为40LMH；

4)在管式超滤膜元件3内每运行20-60分钟(优选30分钟)后(运行能耗0.1kWh/m3)，可将清水池16中的清水(或自来水)，经反冲洗泵20引入管式膜组件2中对管式超滤膜元件3进行30-60s的反冲洗；

5)对管式超滤膜元件3进行化学清洗，化学清洗频率为每周一次，持续时间1-2小时，采用的化学清洗药剂为柠檬酸(0.5％)或次氯酸钠(500ppm)，出水NTU＜1。

本发明的工作过程如下：废水经第二进水泵17从进水口4进入厌氧池1内，通过进水区5内的布水器33与污泥接触，并通过污泥搅拌器32搅拌，然后缓慢通过填料区6，在填料区6废水被厌氧污泥吸附并降解，产生沼气，填料为厌氧污泥提供附着表面，同时为污水搅动提供缓冲。之后废水进入出水区7，沼气进入沼气收集区8，从排气口21经进气管道14进入到沼气收集罐13内，通过清水进水管26往沼气收集罐13内引入清水并产生喷雾，与从进气管道14进入沼气收集罐13的沼气相遇，将沼气中混杂的酸碱性杂质气体洗除，喷雾洗涤产生的废水通过排水管28排出，清洗后的沼气进入曝气管道15，并通过控制阀29调节后经曝气泵31与厌氧池中出来的污水通过曝气混合装置24混合，进入管式超滤膜元件3内壁，对其进行气水曝气冲刷，降低污泥在管式超滤膜元件3内壁的膜表面污染堵塞情况。曝气冲刷后从管式超滤膜元件3排出的气水经沼气分离器25分离，将分离后得到的沼气经气体管道30进入进气管道14，与沼气收集区8新产生的沼气混合，被重新收集至沼气收集罐13，分离提纯后经曝气管道15再次引入管式超滤膜元件3中，继续循环用于对管式超滤膜元件3内壁进行曝气冲刷。由于沼气无氧气成分，维持了外置式厌氧膜生物反应器的厌氧环境。出水区7中的废水从出水口9出来先经过细格栅23(过滤精度为500-800微米)将废水中较大的固体颗粒去除处理(预防在进入管式超滤膜元件3时划伤膜表面)，然后再通过第一进水泵19泵入管式超滤膜元件3内，滤出的清水导入清水池16，浓缩液再通过回流管道11循环回流至厌氧池1内。在管式超滤膜元件3每运行约30分钟后，对超滤膜管进行清水反冲洗，运行大约1周后，膜污染达到饱和，打开两个阀门22，利用清洗池18中的化学药剂进行清洗，使用40-45度的热水加入化学药剂，清洗被污染的膜表面，恢复过滤通量和膜性能。

本发明的管式超滤膜元件3包括支撑层和涂覆于支撑层内表面的有机高分子滤膜层，支撑层采用聚酯工业微滤无纺布缠绕而成，厚度约0.5mm，强度高，可耐压超过10公斤压力，避免了纤维膜断丝的问题；有机高分子滤膜层为高分子材料涂层膜，涂层材料为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯等材质，管式膜组件2的外壳为PVC或FRP(玻璃钢)，若干个管式超滤膜元件3构成的管式膜组件内径为6英寸、8英寸、10英寸，管式膜组件2高3-4米，管式超滤膜元件3膜表面表观孔径主要采用0.01-0.03微米的超滤材料，厚度约40-50微米，提高了过滤通量，降低了设备成本和运行压力，管式超滤膜元件3的使用寿命可达5-7年。

本发明的外置式厌氧膜生物反应器，管式超滤膜元件采用竖直放置，所需的错流速度小于通常的外置式膜，大大降低了运行耗能，并且进一步减少了占地空间；内径为5.2mm的管式超滤膜元件可有效防止废水在过滤中堵塞膜管。并且在该外置式厌氧膜生物反应器中，水力停留时间HRT与污泥停留时间SRT完全分离，这样可在不改变水力停留时间HRT的情况下，任意改变污泥停留时间SRT，达到控制污泥龄的目的。由于微生物的完全截留，而无须增加厌氧池容积，也无需污泥完全颗粒化，运行更加稳定。大量胶体物质被截留在厌氧池内，使一些难以降解的有机物在较长的污泥停留时间内被降解，有机物降解效率大幅提高。经过膜过滤后，出水水质很好，不含胶体物质和悬浮固体，SS为零，浊度可小于1NTU。

本发明的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺中，采用填料工艺步骤，可以固定更高浓度的厌氧污泥，并对底部的布水区产生的搅动起到缓冲作用，对管式超滤膜元件的回流浓缩液造成的污水搅动，也有缓冲作用。本发明外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺采用连续运行模式，并采用反冲洗和化学清洗两种膜表面恢复模式，以保持膜运行的正常通量，并且具有运行能耗低、有机物降解效率高、污泥产量小、清洗检修方便等特点。

本发明的外置式厌氧膜生物反应器，管式膜组件和管式超滤膜元件放置在厌氧池外部，膜清洗和检修都比浸没式更加容易，而且膜表面错流速度比传统的外置管式膜系统大幅降低，相应的运行能耗也大幅降低；同时由于错流速度高于浸没式膜，使膜更不容易污染堵塞，检修和清洗也更加方便。本发明使用的管式超滤膜元件解决了高分子中空纤维膜使用中容易断丝，以及由于堆积密度高造成的堵塞问题。并且本发明外置厌氧膜生物反应器采用PLC电控设备进行自动控制，成本低廉、操作方便。

总之，本发明的外置式厌氧膜生物反应器，其运行能耗低、堆积密度高、出水水质好、成本低廉、容积负荷高、设备体积小、结构简单，无断丝风险、无膜管堵塞、运行通量大、清洗方便。

Claims (15)

1.一种外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：包括厌氧池(1)、竖直并联排布的多个管式膜组件(2)，所述每个管式膜组件(2)内设有若干根竖直的管式超滤膜元件(3)，所述厌氧池(1)下部设有进水口(4)，所述厌氧池(1)上部设有出水口(9)，所述出水口(9)与管式膜组件(2)之间连有第一进水管道(10)，所述第一进水管道(10)上依次连有细格栅(23)和第一进水泵(19)，每根管式超滤膜元件(3)的下端入口与第一进水管道(10)相连通，每根管式超滤膜元件(3)的上端出口与所述厌氧池进水口(4)之间设有相连通的回流管道(11)，所述每根管式超滤膜元件(3)的内径为5-10mm，所述管式膜组件(2)设有滤出清水出口(12)。

2.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述厌氧池(1)内由下到上依次为进水区(5)、填料区(6)、出水区(7)和沼气收集区(8)，所述进水口(4)设在进水区(5)的侧壁上，所述进水区(5)内设有污泥搅拌器(32)和布水器(33)，所述出水口(9)设在出水区(7)的侧壁上，所述沼气收集区(8)设有排气口(21)。

3.根据权利要求2所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述排气口(21)处连有通往沼气收集罐(13)底部入口的进气管道(14)，所述沼气收集罐(13)上部出口和所述第一进水管道(10)通过曝气管道(15)相连通，所述曝气管道(15)上依次设有曝气泵(31)和控制阀(29)，所述第一进水管道(10)和曝气管道(15)交汇处连有通往每根管式超滤膜元件(3)下端入口处的第二进水管道，所述第二进水管道上设有用于将沼气和废水进行混合的曝气混合装置(24)，所述沼气收集罐(13)上方侧壁上连有清水进水管(26)，所述沼气收集罐(13)内上方设有清水喷雾布水器(27)，所述沼气收集罐(13)下方侧壁上连有排水管(28)。

4.根据权利要求3所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述每根管式超滤膜元件(3)的上端出口处连有与进气管道(14)相通的气体管道(30)，所述气体管道(30)上连有沼气分离器(25)。

5.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述厌氧池进水口(4)处连有第二进水泵(17)。

6.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述每根管式超滤膜元件(3)包括支撑层和涂覆于支撑层内表面的有机高分子滤膜层，所述支撑层采用聚酯工业微滤无纺布缠绕而成，所述有机高分子滤膜层材料为聚醚砜或聚砜或聚偏氟乙烯。

7.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述管式膜组件(2)上还连接有反冲洗泵(20)。 

8.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：还包括一清洗池(18)，所述清洗池(18)通过两根清洗水管分别与第一进水管道(10)、回流管道(11)相连接，所述两根清洗水管上分别设有阀门(22)。

9.根据权利要求1所述的外置式厌氧膜生物反应器，其特征是：所述细格栅(23)的过滤精度为500-800微米。

10.一种利用权利要求2所述的外置式厌氧膜生物反应器的废水净化工艺，其特征是包括以下步骤：

1)待处理废水进入厌氧池(1)内，进行厌氧反应同时产生沼气；

2)厌氧反应后的废水经细格栅(23)过滤；

3)过滤后的废水以0.5-1.0m/s的错流速度进入竖直的管式超滤膜元件(3)内，在液位差和重力作用下，清水透过管式超滤膜元件(3)向外渗透后被导出，留在所述管式超滤膜元件(3)内的浓缩污泥被回流至厌氧池(1)，所述管式超滤膜元件(3)内径为5-10mm。

11.根据权利要求10所述的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其特征是：所述步骤1)中参与厌氧反应的厌氧污泥浓度为5-20g/L。

12.根据权利要求10所述的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其特征是：所述沼气收集区(8)的沼气被收集并提纯后，引入管式超滤膜元件(3)中，对管式超滤膜元件(3)内壁进行曝气冲刷。

13.根据权利要求12所述的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其特征是：曝气冲刷后从管式超滤膜元件(3)排出的沼气与沼气收集区(8)新产生的沼气混合，被重新收集提纯后再次引入管式超滤膜元件(3)中，继续循环用于对管式超滤膜元件内壁进行曝气冲刷。

14.根据权利要求10所述的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其特征是：还包括对管式超滤膜元件(3)进行反冲洗的步骤，每运行过滤20-60分钟后反冲洗一次，反冲洗时间为30-60s。

15.根据权利要求10所述的外置式厌氧膜生物反应器废水净化工艺，其特征是：还包括对管式超滤膜元件(3)进行化学清洗的步骤，所述化学清洗频率为每周一次，持续时间1-2小时，采用的化学清洗药剂为柠檬酸或次氯酸钠。 

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