CN102285713A - 一种膜生物反应器及其水处理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜生物反应器及其水处理控制方法，该膜生物反应器中增设了清洗系统对膜组件进行清洗，并且由计算机系统根据溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号控制曝气泵的开关，根据压力传感器输出的水压信号控制出水泵、电控出水阀门和清洗系统的开关，使得水处理控制过程高度自动化，操作人员只需要进行相应的参数设置，使用操作更加简便，而且本发明的膜生物反应器不需要借助曝气进行膜组件的清洗处理，根据水中溶解氧浓度合理控制曝气泵的开关减小曝气能耗，避免曝气泵持续进行大功率曝气而增加能耗，同时根据抽水水压的大小合理控制清洗过程，可以避免膜组件膜阻压力过高导致的抽水泵能耗升高，使得产水能耗成本得以有效控制。

Description

一种膜生物反应器及其水处理控制方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种膜生物反应器及其水处理控制方法。

背景技术

当前，由于国内很多地区在过度地、毫无节制地开发水资源的同时，环境保护意识比较差，使地表水和地下水均受到了不同程度的污染，使原本具有良好水质的新鲜水供应受到限制；其次，待开发的新鲜水源离集中供水点距离较远，一次性投资费用高昂，这样一些缺水地区无力扩大供水能力。若将人们在生活和生产中用过的以及生活污水/废水经集流再生处理后回用，充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、冲洗便器、消防等不与人体直接接触的杂用水，可以充分节约水资源，并通过分质供水的方式降低了水处理所需的能耗，是一种真正绿色环保的水处理方式。 

中水开发与回用技术近期得到了迅速发展，在美国、日本、英国等国家（尤以日本为突出）得到了广泛的应用。在我国，这一技也术已受到各级政府及有关部门重视，并对建筑中水回用做了大量理论研究和实践工作，取得了显著的效果。膜生物反应器技术也在这一过程中应运而生，它是真正意义上能够实现中水稳定处理的技术，是将膜分离技术与生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理技术，是国际水处理领域最新一代高效水处理工艺的代表和领先技术。

膜生物反应器（MBR）通常主要由反应池、曝气管和膜组件构成；反应池与进水管路连通；曝气管通常设置在反应池内的底部，通过由气体管路连通的曝气泵对反应池内进行曝气；膜组件连通出水管路，并通过出水管路中的出水泵抽水形成负压，使得反应池中的水景膜组件过滤后被送出。与传统的沉降水处理装置相比，在膜生物反应器中，以膜组件代替了普通沉降水处理装置的二次沉淀池，因此微生物与水的分离不再被动的依靠重力沉淀去污，而是在负压力的驱动下，使水和部分小分子物质透过膜组件被抽出，微生物和大分子物质则被膜组件截留在反应池内，从而使系统获得了优良的出水水质，特别是对悬浮物、病原微生物、色度、BOD₅、氨氮、阴离子表面活性剂的去除效果尤为显著。与传统的生物处理池相比，膜组件高效的分离作用使泥水彻底分离，污泥龄（SRT）可以不受水力停留时间（HRT）的影响而单独调控，反应池中活性污泥浓度大幅提高，SRT的延长促使污泥中增殖缓慢的特殊菌（如硝化菌等）得以富集，膜生物反应器中的生物功能得到扩大，因此微生物活性以及生化反应速率较传统生物处理工艺大大提高，对难降解有机物有很好的去除效果，硝化能力明显增强，亦有很强的抗冲击负荷能力，因此膜生物反应器也基本解决了传统污水生物处理工艺存在的出水水质不稳定（尤其是色度和氨氮容易超标）、消毒副产物多、工艺流程长、占地面积大、运行维护复杂、污泥处置费用高等各类突出问题。由此可见，膜生物反应器相比于其它现有的水处理设备具有更加广阔的应用前景。

但是，现有的膜生物反应器普遍自动化程度较低，控制操作比较繁琐，为技术人员的使用和维护带来的困难。此外，由于膜组件的分离作用使其难免受到污染，导致膜组件堵塞而增加膜阻压力，因此只能依靠增大曝气气泡大小和曝气压力并持续曝气，借助大气泡连续对膜组件的冲刷达到清洗膜组件、减少堵塞的效果，由此一来使得曝气能耗非常大，大大增加了膜生物反应器的产水成本，并且曝气气泡过大也导致了氧溶解率降低，难以达到预设的溶解氧浓度，造成曝气能耗的浪费。这些因素都限制了膜生物反应器的广泛普及和发展。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种控制过程高度自动化的膜生物反应器，解决其使用操作繁琐的问题，进一步解决膜生物反应器能耗大、产水成本高的问题；相应地，本发明还提供一种该膜生物反应器的水处理控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术手段：

一种膜生物反应器，包括与进水管路连通的反应池，反应池中设有膜组件和曝气管，与膜组件连通的出水管路设有出水泵，与曝气管连通的气体管路设有曝气泵；所述反应池中还设有溶解氧传感器；所述出水管路还设有压力传感器和电控出水阀门，所述膜组件与电控出水阀门之间的出水管路与清洗系统连通；所述溶解氧传感器、压力传感器、电控出水阀门、出水泵、曝气泵和清洗系统均与计算机控制系统连接；计算机控制系统根据溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号控制曝气泵的开关，根据压力传感器输出的水压信号控制出水泵、电控出水阀门和清洗系统的开关。

作为上述膜生物反应器的进一步改进，所述曝气管上曝气孔的孔径大小为80~100μm。

作为上述膜生物反应器的进一步改进，所述进水管路设有进水泵，所述反应池中还设有液位传感器，进水泵和液位传感器均与计算机控制系统连接，所述计算机控制系统根据液位传感器输出的液位信号控制进水泵的开关。

上述膜生物反应器的水处理控制方法，其特征在于：计算机控制系统预设有溶解氧浓度下限阈值D_0-、溶解氧浓度上限阈值D₀₊、出水压力阈值P₀和时长阈值T₀；

当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号低于溶解氧浓度下限阈值D_0-的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵开启；当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号高于溶解氧浓度上限阈值D₀₊的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵关闭；

计算机控制系统控制出水泵间歇开启抽水；当抽水状态下压力传感器输出的水压信号低于出水压力阈值P₀时，计算机控制系统控制出水泵和电控出水阀门关闭，开启清洗系统对膜组件进行一次反冲洗后，再关闭清洗系统，控制电控出水阀门重新打开，恢复出水泵间歇开启抽水工作。

作为上述水处理控制方法的进一步改进，所述溶解氧浓度下限阈值D_0-的取值为1.0~1.5mg/L，所述溶解氧浓度上限阈值D₀₊的取值为3.0~3.5mg/L，所述时长阈值T₀的取值为3~5分钟。

作为上述水处理控制方法的进一步改进，所述出水压力阈值P₀的取值为：

P₀=P_额定-P_膜阻；

其中，P_额定表示出水泵按额定功率抽水且不受阻力影响情况下出水管路中的水压；P_膜阻表示膜组件的膜阻压力限值，膜阻压力限值P_膜阻的取值为0.3~0.5Mpa。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的膜生物反应器可以通过计算机控制系统自动控制其产水过程，操作人员只需要进行相应的参数设置，使用操作更加简便。

2、本发明的膜生物反应器不再简单的依靠曝气对膜组件进行清洗，而增加了清洗系统对膜组件进行反冲洗，进而可以在反应池中溶解氧浓度达到要求的情况下停止曝气，以减小曝气能耗，从而降低膜生物反应器的产水成本。

3、由于可利用清洗系统对膜组件进行反冲洗，因此曝气系统可以主要用于控制水中溶解氧浓度，可以将曝气管上曝气孔大小设置得更小，减小曝气气泡以提高氧溶解率，提高曝气利用效率，减少曝气能耗的浪费。

4、本发明的膜生物反应器还可以通过增设液位传感器来自动控制进水量，进一步提高自动化程度。

5、本发明膜生物反应器的水处理控制方法，可以根据水中溶解氧浓度合理控制曝气泵的开关减小曝气能耗，同时可以根据抽水水压的大小合理控制清洗过程，保证出水泵能够以正常抽水功率工作，可以避免膜组件膜阻压力过高导致的抽水泵能耗升高，使得产水能耗成本得以有效控制。

附图说明

图1为采用本发明方法的膜生物反应器的结构示意图。

具体实施方式

本发明是针对现有膜生物反应器的进一步改进，其结构如图1所示，包括与进水管路12连通的反应池1，反应池1中设有膜组件2和曝气管3，膜组件2的膜丝建议采用聚偏氟乙烯（PVDF）材质，其强度和耐用性能较好，使用寿命长；与膜组件2连通的出水管路4设有出水泵5，与曝气管3连通的气体管路设有曝气泵7；反应池1中还设有溶解氧传感器6；出水管路5还设有压力传感器8和电控出水阀门9；所述膜组件2与电控出水阀门9之间的出水管路与清洗系统10连通，清洗系统10可以采用电控水泵或设有电控开关控制出水的清洗池实现；溶解氧传感器6、压力传感器8、电控出水阀门9、出水泵5、曝气泵7和清洗系统10均与计算机控制系统11连接，计算机控制系统11即为计算机以及必要控制电路的集成系统；计算机控制系统11根据溶解氧传感器6输出的溶解氧浓度信号控制曝气泵7的开关，根据压力传感器8输出的水压信号控制出水泵5、电控出水阀门9和清洗系统10的开关。从本发明膜生物反应器的结构可见，其不再简单的依靠曝气对膜组件进行清洗，而增加了清洗系统对膜组件进行反冲洗，进而无需借助增大曝气压力并持续曝气的方式清洗膜组件，使得曝气系统可以完全用于供氧处理，大大减小了曝气能耗；同时，曝气泵的开关根据溶解氧传感器6输出的溶解氧浓度信号进行控制，进而可以在反应池中溶解氧浓度达到要求的情况下停止曝气，以进一步减小曝气能耗，从而降低膜生物反应器的产水成本。

本发明的膜生物反应器可以通过计算机控制系统自动控制其产水过程，操作人员只需要控制好进水管路的进水量（例如控制进水管路保持适宜的流量恒定供水），并在计算机系统中进行相应的参数设置，膜生物反应器的水处理过程即由计算机系统自动控制，使用和操作都非常简便。本发明膜生物反应器中，计算机系统进行水处理控制的方法如下：计算机控制系统预设有溶解氧浓度下限阈值D_0-、溶解氧浓度上限阈值D₀₊、出水压力阈值P₀和时长阈值T₀，这些参数的具体取值可由操作人员进行设置；当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号低于溶解氧浓度下限阈值D_0-的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵开启；当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号高于溶解氧浓度上限阈值D₀₊的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵关闭；计算机控制系统控制出水泵间歇开启抽水；当抽水状态下压力传感器输出的水压信号低于出水压力阈值P₀时，计算机控制系统控制出水泵和电控出水阀门关闭，开启清洗系统对膜组件进行一次反冲洗后，再关闭清洗系统，控制电控出水阀门重新打开，恢复出水泵的间歇抽水工作。这样以来，由于不需要借助曝气进行膜组件的清洗处理，膜生物反应器可以根据水中溶解氧浓度合理控制曝气泵的开关减小曝气能耗，避免曝气泵持续进行大功率曝气而增加能耗，同时可以根据抽水水压的大小合理控制清洗过程，保证出水泵能够以正常抽水功率工作，可以避免膜组件膜阻压力过高导致的抽水泵能耗升高，使得产水能耗成本得以有效控制，经实验数据验证，与常规控制方法相比，采用该控制方法能够节省能耗30~47%。

通常情况下，溶解氧浓度下限阈值D_0-的取值为1.0~1.5mg/L，溶解氧浓度上限阈值D₀₊的取值为3.0~3.5mg/L，时长阈值T₀的取值为3~5分钟；出水压力阈值P₀的取值为：

P₀=P_额定-P_膜阻；

其中，P_额定表示出水泵按额定功率抽水且不受阻力影响情况下出水管路中的水压，可以通过常规实验测得P_额定的值；P_膜阻表示膜组件的膜阻压力限值，膜阻压力限值P_膜阻的取值为0.3~0.5Mpa。

由于可利用清洗系统对膜组件进行反冲洗，因此曝气系统可以主要用于控制水中溶解氧浓度，而选择曝气孔大小为80~100μm的曝气管（曝气孔过小会增加曝气阻力，导致曝气能耗增加、曝气效率降低），使得曝气气泡大小在0.5~1.0mm之间，气泡与水接触更充分，提高气泡中的氧溶解率，从而提高曝气利用效率，减少曝气能耗的浪费。普通膜生物反应器的曝气管上曝气孔的孔径为6~10mm，与此相比，选择曝气孔大小为80~100μm的曝气管其曝气能耗可节省8~10%。

此外，作为改进方案，进水管路12还可以设置进水泵13，反应池1中还设有液位传感器14，进水泵13和液位传感器14均与计算机控制系统11连接，计算机控制系统11根据液位传感器14输出的液位信号控制进水泵13的开关。这样一来，膜生物反应器的进水量也可由计算机控制系统进行自动控制，进一步提高自动化程度，使用更加方便。

采用本发明的膜生物反应器和水处理控制方法对重庆市某高档商务楼进行中水处理，进水流量为350m3/d，每天处理时间20h，连续进水，调节池容积175m3，要求出水达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质标准》（GB18920-2002）出水水质指标。从2010年6月~2011年5月，连续监控12个月，平均进出水水质数据如表1所示：

表1

项目实施期为50个工作日，调试期为14个工作日。调试完毕后进水，出水水质达标率100%，可见本发明的膜生物反应器和水处理控制方法完全能够满足水处理标准要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种膜生物反应器，包括与进水管路连通的反应池，反应池中设有膜组件和曝气管，与膜组件连通的出水管路设有出水泵，与曝气管连通的气体管路设有曝气泵；其特征在于：所述反应池中还设有溶解氧传感器；所述出水管路还设有压力传感器和电控出水阀门，所述膜组件与电控出水阀门之间的出水管路与清洗系统连通；所述溶解氧传感器、压力传感器、电控出水阀门、出水泵、曝气泵和清洗系统均与计算机控制系统连接；计算机控制系统根据溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号控制曝气泵的开关，根据压力传感器输出的水压信号控制出水泵、电控出水阀门和清洗系统的开关。

2.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：所述曝气管上曝气孔的孔径大小为80~100μm。

3.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：所述进水管路设有进水泵，所述反应池中还设有液位传感器，进水泵和液位传感器均与计算机控制系统连接，所述计算机控制系统根据液位传感器输出的液位信号控制进水泵的开关。

4.如权利要求1~3中任一项所述膜生物反应器的水处理控制方法，其特征在于：计算机控制系统预设有溶解氧浓度下限阈值D_0-、溶解氧浓度上限阈值D₀₊、出水压力阈值P₀和时长阈值T₀；

当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号低于溶解氧浓度下限阈值D_0-的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵开启；当溶解氧传感器输出的溶解氧浓度信号高于溶解氧浓度上限阈值D₀₊的状态持续时长达到时长阈值T₀时，计算机控制系统控制曝气泵关闭；

计算机控制系统控制出水泵间歇开启抽水；当抽水状态下压力传感器输出的水压信号低于出水压力阈值P₀时，计算机控制系统控制出水泵和电控出水阀门关闭，开启清洗系统对膜组件进行一次反冲洗后，再关闭清洗系统，控制电控出水阀门重新打开，恢复出水泵的抽水工作。

5.根据权利要求4所述的水处理控制方法，其特征在于：所述溶解氧浓度下限阈值D_0-的取值为1.0~1.5mg/L，所述溶解氧浓度上限阈值D₀₊的取值为3.0~3.5mg/L，所述时长阈值T₀的取值为3~5分钟。

6.根据权利要求4所述的水处理控制方法，其特征在于：所述出水压力阈值P₀的取值为：

P₀=P_额定-P_膜阻；

其中，P_额定表示出水泵按额定功率抽水且不受阻力影响情况下出水管路中的水压；P_膜阻表示膜组件的膜阻压力限值，膜阻压力限值P_膜阻的取值为0.3~0.5Mpa。

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