CN102358658B - 六段式可移动少曝气膜生物反应器及其污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种六段式可移动少曝气膜生物反应器及其污水处理方法，由五个在体积和深度方面完全相同的生物反应池组成的五段式多级生物反应池系统、一个浸没式膜生物反应池及PLC自动化控制系统组成。可为村镇污水、工业废水、高档小区、别墅等需要半集中/分散污水处理的地方提供免土建、免安装的解决方法。主要优势有：(1)膜通量可比传统MBR系统提高1倍，达到20-30L/m2.h，降低投资成本；(2)综合曝气能耗比现有具有除磷脱氮功能的MBR系统降低30％，减少运行费用；(3)减缓MBR系统的膜污染，延长膜更换周期，降低膜的维护与更换成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种生活污水或工业废水处理与回用的方法，特别是一种六段式可移动少曝气膜生物反应器及其污水处理方法。
背景技术
膜-生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)是一种将膜分离技术与生物处理技术相结合的污水处理技术，它以膜组件取代传统生物处理中的二沉池，可保持高活性污泥浓度，减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。MBR主要利用膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子固体物，因此系统内活性污泥(MLSS)浓度可提升至10,000mg/L，污泥龄(SRT)可延长30天以上，可降低生物反应池体积，提高难降解物质降解率。
国内外对MBR的研究大致可分为以下几个方面：(1)探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式：与膜结合的生物处理单元已从传统活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复台式工艺、两相厌氧工艺等；(2)研究膜生物反应系统的处理效果与膜污染的影响因素、研究膜生物反应器的生物化学反应机理与数学模型，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；(3)扩大MBR的应用范围：MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水(食品废水、啤酒废水)与难降解工业废水(焦化废水、印染废水等)。
但是MBR技术也存在曝气能耗大、膜污染防治与更换成本高等问题阻碍其在工业领域的大规模应用。此外，多数MBR系统没有集成前级生物处理单元或前级生物预处理单元设计不合理，处理效率不高，导致设计设计膜通量偏低(一般仅10-15L/m2.h或更低)，增加MBR系统的投资成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种六段式可移动少曝气膜生物反应器及其污水处理方法，以利于解决以下技术难题：(1)提升MBR系统膜通量指标，降低投资成本；(2)降低MBR系统综合曝气能耗指标，减少运行费用；(3)减缓MBR系统的膜污染，延长膜更换周期，降低膜的维护与更换成本。可为村镇污水、工业废水、高档小区、别墅等需要半集中/分散污水处理的地方提供免土建、免安装的解决方法。
为实现上述目的，本发明采用提供一种六段式可移动少曝气膜生物反应器，其特征是：该反应器包括以下三部分：五段式多级生物反应池系统、浸没式膜生物反应器系统及PLC自动化控制系统；
所述五段式多级生物反应池系统包括有五个体积相同的第一生物反应池、第二生物反应池、第三生物反应池、第四生物反应池、第五生物反应池以及第六生物反应池，第一生物反应池、第二生物反应池、第三生物反应池、第五生物反应池、第六生物反应池通过联通口依次联通，第三生物反应池还通过联通口与第四生物反应池、第六生物反应池依次联通，第四反应池与第六生物反应池联通，在第一生物反应池、第二生物反应池、第三生物反应池、第四生物反应池、第五生物反应池内均预留有搅拌器和曝气设备；在第一生物反应池的一侧设有进水泵，在第一生物反应池的另一侧与第二生物反应池、第四生物反应池、第五生物反应池的任一反应池之间设有污泥一级回流泵，在第四生物反应池与第六生物反应池之间设有污泥二级回流泵，而形成一体化生物反应池；
所述浸没式膜生物反应器系统为在第六生物反应池之中设有膜组件而形成膜生物反应器系统，在第六反应池的一侧设有出水抽吸泵，在第六生物反应池的另一侧设有排泥阀；
所述PLC自动化控制系统设在所述一体化生物反应池的一侧，并与所述进水泵、出水抽吸泵、各生物反应池的曝气机和曝气设备相连接，并控制所述各生物反应池水位液面的高低。
同时提供一种采用上述的六段式可移动少曝气膜生物反应器的污水处理方法。
本发明是一种可移动的一体化污水处理设施，可为村镇污水、工业废水、高档小区、别墅等需要半集中/分散污水处理的地方提供免土建、免安装的解决方法。本发明的主要有益指标如下：
(1)膜通量可比传统MBR系统提高1倍，达到20-30L/m2.h，降低投资成本；(2)本发明综合曝气能耗比现有具有除磷脱氮功能的MBR系统降低30％，减少运行费用；(3)减缓MBR系统的膜污染，延长膜更换周期，降低膜的维护与更换成本。
附图说明
图1为本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器结构示意图。
图中：
1、进水泵 2、联通口 3、第一生物反应池 4、第二生物反应池
5、第三生物反应池 6、第四生物反应池 7、第五生物反应池
8、第六生物反应池 9、膜组件 10、污泥二级回流泵 11、排泥阀
12、出水抽吸泵 13、污泥一级回流泵 14、自动控制室
具体实施方式
结合附图对本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器及其污水处理方法加以说明。
本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器，该结构主要由以下三部分组成：
(1)五段式多级生物反应池系统
本发明所述五段式多级生物反应池系统由五个在体积和深度方面完全相同的第一生物反应池3、第二生物反应池4、第三生物反应池5、第四生物反应池6、第五生物反应池7组成。污水通过自流或进水泵1进入第一生物反应池3后，通过联通口2依次流入第二生物反应池4、第三生物反应池5，然后从第三生物反应池5分配到第四生物反应池6和第五生物反应池7。五个生物反应池内同时预留搅拌器和曝气设备。但通常情况下仅对第三生物反应池5的曝气设备进行曝气，而形成曝气池，对第一生物反应池3、第二生物反应池4、第四生物反应池6、第五生物反应池7的搅拌器进行搅拌。如果所进污水水质COD或氨氮浓度分别超过500mg/L与60mg/L时，酌情将第一生物反应池3、第二生物反应池4、第四生物反应池6、第五生物反应池7中的至少一个换成进行曝气的曝气池。五段式多级生物反应池第一回流系统通过污泥一级回流泵13从第二生物反应池4、第四生物反应池6、第五生物反应池7中任一池泵送到第一生物反应池3中来实现。图1说明中仅对将污泥从第四生物反应池6回流到第一生物反应池3的情况进行了图示说明。
通常情况下，该发明的五段式多级生物反应池的第一生物反应池3是厌氧环境形成厌氧池，去除有机物并释放磷；第二生物反应池4、第四生物反应池6、第五生物反应池7是缺氧环境缺氧池，进行反硝化除磷，同时去除有机物、N和P；第三生物反应池5是好氧环境形成好氧池，能够去除有机物、氨氮和P。通过交替的厌氧/缺氧/好氧环境，利用多级反应理论，对污水中的COD、N、P指标形成五级去除效应，并且能够充分利用污水中的有限碳源，强化反硝化除磷效果，达到对污染物的高效去除。
通常情况下，五段式多级生物反应池厌氧池、缺氧池、好氧池的数量比为1∶3∶1，因此理论上可以节约曝气量30％。
所述五段式多级生物反应池的设置机理：
传统除磷脱氮工艺有相当一部分碳源在缺氧池被普通反硝化细菌利用，削减了反硝化除磷菌可利用的总碳源；而且由于外回流中硝态氮含量弱化了厌氧环境，对厌氧池有效释磷也会产生不利影响，进一步加重了除磷和脱氮之间的矛盾，主要体现在工艺总体脱氮水平和内回流比成正相关，但内回流比越大，缺氧和好氧环境边界越模糊、工艺运行能耗越高。无法充分利用外回流中的硝态氮作为反硝化除磷电子供体，而是必需尽量减轻其不利影响。无法充分利用多池一体化工艺水流循环灵活的优点，浪费了水的重力势能而辅以机械提升的能量方式。
五段式多级生物反应池通过减缓回流污泥中残留硝态氮对厌氧池的不利影响和更大比例的缺氧池比例在系统中富集反硝化除磷菌，其运行方式如图1所示；该方法的厌氧池、缺氧池、好氧池数量比为1∶3∶1。第一生物反应池3即厌氧池的生物量维持通过从第四生物反应池6即缺氧池的回流实现，尽量减少污泥外回流中残留硝态氮对厌氧池的不利影响；第四生物反应池6和第五生物反应池7即缺氧池，所需要的硝态氮通过与其相邻的第三生物反应池5即好氧池自流进入获得，节省了缺氧内回流所需的大量能量。污水自流进入第四生物反应池6和第五生物反应池7之后，易生物降解性COD几乎全部被合成为PHAs，此时聚磷菌以PHAs做电子供体进行吸磷的潜力较大，因此尽管厌氧时间短，依然可以有较好的释磷和合成PHAs作用；来自污泥外回流混合液中含有一定的硝态氮，可以作为生化反应的电子受体，因此在第二生物反应池4即缺氧池内会发生一定程度的反硝化除磷作用。污水自流进入第三生物反应池5之后，由于大部分COD都以胞内物质的形式存在于污泥相中，水相有机物含量很少，污泥负荷低，有利于硝化反应的进行。因此在第三生物反应池5中除了发生好氧吸磷反应之外，还会发生一定程度的硝化反应。由于水力条件的作用，第三生物反应池5内污泥混合液约有2/3进入第四生物反应池6，有1/3进入第五生物反应池7。第五生物反应池7除了反应时间更长之外，和第四生物反应池6所发生的生化反应是相同的：聚磷菌利用来自第三生物反应池5的硝态氮作电子受体，利用PHAs作电子供体，进一步反硝化除磷脱氮。由于五段式多级生物反应池强化了缺氧除磷的效果，氧气用于除磷的需求锐减，因此节约了大量的曝气能耗。
(2)浸没式膜生物反应器
将膜组件9浸没在第六生物反应池8中，形成膜生物反应器。第六生物反应池8的体积和深度与第一生物反应池3-第五生物反应池7完全相同，通过曝气保持其中的好氧环境，去除有机物、氨氮和磷。所采用的膜为中空纤维或平板式，孔径为0.05-0.1μm。起到固液分离和截留大分子有机物的作用。膜生物反应器出水通过出水泵12抽吸实现。
第六生物反应池8和五段式多级生物反应池组合成六段式生物反应器系统，与膜滤耦合后形成本发明的主体——六段式多级膜生物反应器系统。该系统的二级污泥回流系统通过二级污泥回流泵10从第六生物反应池8回流到第二生物反应池4实现。整个系统的排泥通过排泥阀11或另设排泥泵实现。
由于有五段式多级生物反应池作为膜生物反应器的预处理，MBR的负荷大幅降低，削减了膜污染的形成，延长了膜的寿命，并提升了膜的通量。
所述浸没式膜生物反应器机理：
第六生物反应池8即好氧池作为本方法的最后一级屏障，可起到进一步硝化和除磷的功能。由于有了膜的高效截留作用，一体化生物反应池内污泥量可以高达10mg/L，并且可以增加微生物与难降解有机物的接触时间。这样就实现了整个系统对污染物的高效去除，确保了出水水质优标排放或回用。
(3)PLC自动化控制系统
如图1所示，PLC自动化控制系统位于一体化反应池一侧，内设PLC自动控制系统，以自动控制进水泵1、每一生物反应池的曝气机、搅拌器的启闭以及每一生物反应池水位的液面和出水抽吸泵12的流量。
一体化设计和PLC自动化控制系统：
采用上述的六段式可移动少曝气膜生物反应器的污水处理方法包括以下步骤：
污水通过自流或进水泵1进入第一生物反应池3后，通过联通口2依次流入第二生物反应池4、第三生物反应池5，然后污水从第三生物反应池5分配到第四生物反应池6和第五生物反应池7；第一生物反应池3、第二生物反应池4、第三生物反应池5、第四反应池6、第五生物反应池7内的预留搅拌器和曝气设备中，只启动第三生物反应池5的曝气设备进行曝气，启动第一生物反应池3、第二生物反应池4、第四生物反应池6、第五生物反应池7的搅拌器进行搅拌。
所进污水水质COD、氨氮质量浓度分别超过500mg/L、60mg/L时，将启动第一生物反应池3、第二生物反应池4、第四生物反应池6和第五生物反应池7中的至少一个曝气设备进行曝气。
所述五段式多级生物反应池的第一回流系统是通过污泥一级回流泵13与第二生物反应池4或第四生物反应池6或第五生物反应池7中任一池泵送到第一反生物应池3而形成；第六生物反应池8和五段式多级生物反应池组合成六段式生物反应器系统，与膜组件9耦合后形成六段式多级膜生物反应器，六段式多级膜生物反应器的污泥回流系统是通过二级污泥回流泵10从第六生物反应池8回流到第二生物反应池4而形成；通过排泥阀11或另设排泥泵而形成整个系统的排泥。本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器是一种一体化的多级膜生物反应器，可通过集装箱运送到污水处理现场，实现污水处理零土建、零星安装，可大大缩短污水处理工程的建设周期。
本发明所采用的设备运行是通过PLC自动化程序而完成，可实现无人值守，节约了人工费用。可为村镇污水、工业废水、高档小区、别墅等需要半集中/分散污水处理的地方提供免土建、免安装的解决方法，实现零土建、零星安装的污水处理装置。
实施方式较为简便，具体描述如下：
(1)将本发明装置运送到污水处理现场；
确保污水处理现场通水通电，接通本发明PLC自动化控制系统的自动控制室电源；
(2)将污水排水管与本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器进水管1连通，将本发明放空管和排泥阀11相连的排泥管与污水污泥排放管连通；
(3)将本发明的出水抽吸泵12连通的出水管与污水处理单位的回用管道或排江、排河管接通；
(4)调试本发明PLC控制系统，使水泵、风机等设备按程序设定运行，污水处理工程的建设工作即告完成。
以下结合实施例对本发明的实施加以说明。
实施例1
本发明六段式可移动少曝气膜生物反应器的用于建筑或小区中水处理与回用，建筑或小区中水进水CODcr浓度为180-300mg/L，BOD5浓度为80-160mg/L，TP浓度为2-5mg/L，TN浓度为20-35mg/L，其中氨氮浓度为15-30mg/L。经过格栅预处理后进入中水原水收集池调节水质水量，之后进入本发明污水处理装置进行处理，处理后相关出水指标可稳定达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)的要求。该实例中本发明装置总的水力停留时间为6小时，好氧池∶缺氧池∶厌氧池数量比为2∶3∶1，膜通量为30L/m2.h。
实施例2
本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器用于村镇污水处理，村镇污水经过化粪池简单收集处理后，直接进入本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器进行处理。其进水CODcr浓度为300-500mg/L，BOD5浓度为130-250mg/L，TP浓度为3-6mg/L，TN浓度为25-45mg/L，其中氨氮浓度为15-35mg/L；相关出水指标可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准.》(GB 18918-2002)一级B的要求。该实例中本发明装置总的水力停留时间为7.8小时，好氧池∶缺氧池∶厌氧池数量比为2∶3∶1，膜通量为30L/m2.h。
实施例3
本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器用于焦化废水处理，焦化废水经过格栅-隔油池-初沉-气浮工艺预处理后，直接进入本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器进行后处理。其进水CODcr浓度为600-1000mg/L，BOD5浓度为200-350mg/L，氨氮浓度为200-300mg/L，相关出水指标可稳定满足《污水综合排放标准》(GB8978-96)针对焦化废水的一级标准。
该实例中本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器总的水力停留时间为24小时，好氧池∶缺氧池的数量比为1∶1，不设厌氧池。膜通量为20L/m2.h。
实施例4
本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器用于印染废水处理，印染废水经过格栅-混凝-沉淀工艺预处理后，直接进入本发明的六段式可移动少曝气膜生物反应器进行后处理。其进水CODcr浓度为600-1200mg/L，BOD5浓度为180-400mg/L，色度为80倍，相关出水指标可稳定满足《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4278-1992)。
该实例中本发明装置总的水力停留时间为30小时，好氧池∶缺氧池数量比为1∶1，不设厌氧池。膜通量为20L/m2.h。
Claims (1)
1.一种采用六段式可移动少曝气膜生物反应器的污水处理方法，该方法是在六段式可移动少曝气膜生物反应器中进行的，所述六段式可移动少曝气膜生物反应器结构为该反应器包括以下三部分：五段式多级生物反应池系统、浸没式膜生物反应器及PLC自动化控制系统；
所述五段式多级生物反应池系统包括有五个体积相同的第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第三生物反应池（5）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7），第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第三生物反应池（5）、第五生物反应池（7）、第六生物反应池（8）通过联通口（2）依次联通；同时第三生物反应池（5）还通过联通口（2）与第四生物反应池（6）、第六生物反应池（8）依次联通，第四生物反应池（6）与第六生物反应池（8）联通；在第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第三生物反应池（5）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7）内均预留有搅拌器和曝气设备；在第一生物反应池（3）的一侧设有进水泵（1），在第一生物反应池（3）的另一侧与第二生物反应池（4）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7）的任一反应池之间设有污泥一级回流泵（13），在第六生物反应池（8）与第二生物反应池（4）之间设有污泥二级回流泵（10），而形成一体化生物反应池，所述第六生物反应池（8）与第一生物反应池（3）至第五生物反应池（7）的体积相同；
所述浸没式膜生物反应器为在第六生物反应池（8）之中设有膜组件（9）而形成膜生物反应器，在第六生物反应池（8）的一侧设有出水抽吸泵（12），在第六生物反应池（8）的另一侧设有排泥阀（11）；
所述PLC自动化控制系统设在所述一体化生物反应池的一侧，并与所述进水泵（1）、出水抽吸泵（12）、各生物反应池的曝气机和曝气设备相连接，并控制所述各生物反应池水位液面的高低；
该方法包括以下步骤：
污水通过自流或进水泵（1）进入第一生物反应池（3）后，通过联通口（2）依次流入第二生物反应池（4）、第三生物反应池（5），然后污水从第三生物反应池（5）分配到第四生物反应池（6）和第五生物反应池（7）；第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第三生物反应池（5）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7）内的预留搅拌器和曝气设备中，只启动第三生物反应池（5）的曝气设备进行曝气，启动第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7）的搅拌器进行搅拌；
所进污水水质COD、氨氮质量浓度分别超过500mg/L、60mg/L时，将启动第一生物反应池（3）、第二生物反应池（4）、第四生物反应池（6）和第五生物反应池（7）中的至少一个曝气设备进行曝气；
所述五段式多级生物反应池的第一回流系统是通过污泥一级回流泵（13）与第二生物反应池（4）或第四生物反应池（6）或第五生物反应池（7）中任一池泵送到第一生物反应池（3）而形成；第六生物反应池（8）和五段式多级生物反应池组合成六段式生物反应器系统，与膜组件（9）耦合后形成六段式多级膜生物反应器，六段式多级膜生物反应器的污泥回流系统是通过污泥二级回流泵（10）从第六生物反应池（8）回流到第二生物反应池（4）而形成；通过排泥阀（11）或另设排泥泵而形成整个系统的排泥；
六段式多级膜生物反应器的第一生物反应池（3）为厌氧池、第二生物反应池（4）、第四生物反应池（6）、第五生物反应池（7）为缺氧池、第三生物反应池（5）为好氧池，但除第六生物反应池（8）之外的反应池的环境能够在厌氧池、缺氧池、好氧池之间转换，所述六段式多级膜生物反应器厌氧池：缺氧池：好氧池有效体积比为1：3：2。
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