CN102417273A

CN102417273A - 一种动态膜净化反应器和去除再生水中氨氮和有机物的方法

Info

Publication number: CN102417273A
Application number: CN2011103042464A
Authority: CN
Inventors: 孙丽华; 许萍; 张雅君; 汪长征
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-10
Also published as: CN102417273B

Abstract

本发明涉及再生水处理领域，特别涉及动态膜净化反应器及其去除再生水中氨氮和有机物的方法。为了实现再生水中氨氮和有机物的去除，本发明采取以下方案：(1)设置臭氧氧化池和动态膜池；(2)在动态膜池中加入可以吸附有机物和利于微生物生长的粉末活性炭和硅藻土作为基质；(3)利用抽吸泵的抽吸作用，基质附着涂覆在动态膜过滤基材上并形成具有截留过滤功能的滤饼层；(4)水在抽吸泵的作用下穿过动态膜表面的滤饼层进入出水管，并最终通过出水总管进入清水池。本发明将臭氧氧化与动态膜过滤结合，臭氧氧化破坏难降解污染物并将大分子有机物转化为中小分子量有机物；粉末活性炭通过吸附和表面生长的微生物的生物降解作用进一步去除水中有机物和氨氮等污染物。基质、微生物、胶体颗粒物等在动态膜过滤作用下得以过滤去除。

Description

一种动态膜净化反应器和去除再生水中氨氮和有机物的方法

技术领域

本发明涉及一种水净化反应器和方法，尤其是指，一种利用动态膜去除水中氨氮和有机物的净化反应器及其应用于再生水处理的方法。

背景技术

我国人均淡水资源不及世界平均水平的1/20，且分布极不均匀。我国北方绝大多数城市都面临水资源短缺问题，以城市污水厂出水、城市雨水等为水源经深度净化之后作为再生水进行回用，这已成为许多城市缓解水资源危机的重要途径。根据再生水回用用途的不同，处理水质目标也存在明显区别。例如，景观用水对去除水中氮、磷等营养元素的要求较高，而冲厕用水对色度、臭味、微生物等指标要求较高。

臭氧-生物活性炭(O₃-BAC)、臭氧-膜生物反应器(O₃-MBR)等工艺在再生水处理中应用较为广泛。但是，O₃-MBR投资和运行成本较高，且易受膜污染导致膜通量下降。O₃-BAC通常应用于规模较大的再生水厂，但对中小规模或分散式的再生水站应用较少；此外，对于水中颗粒物浓度较高的城市雨水回用等工程，其应用会受到一定限制。

动态膜是指通过预涂剂或反应池中混合液在基网或大孔支撑体(如不锈钢网)表面形成的具有固液分离能力的新膜，其过滤基材是微网材料(筛绢、无纺布、尼龙筛网等)。动态膜的优点是对颗粒物去除效果很好，出水浊度可以控制在0.1NTU以下。此外，动态膜尤其适用于规模较小的分散式再生水净化工程。但是，动态膜本质上属于涂覆过滤(Precoat filtration)，对于溶解性有机物、氨氮、磷等几乎没有去除能力。如何以动态膜过滤过程为基础，提高动态膜对溶解性有机物、氨氮、磷等去除效果，这是拓展其在再生水处理中应用的重要方式。

本发明针对上述问题，以动态膜技术为基础，通过强化提高传统动态膜净化方法中的微生物降解作用和吸附作用，提高再生水中有机物去除效果。本发明可应用于城市污水厂深度净化、以城市污水厂出水或雨水为水源的再生水处理，也可用于以受污染水源为原水的小规模分散式饮用水净化工程。

发明内容

本发明的目的之一是：提供一种具有良好的去除颗粒物、氨氮和有机物能力的动态膜净化反应器；

本发明的另一目的是：提供一种利用动态膜净化反应器进行再生水处理的方法。

一般的再生水处理工程以城市污水厂二级出水、城市雨水为水源，经净化之后进行再生水回用。通常情况下，城市污水厂二级出水中有机物浓度、色度较高；城市雨水则浊度、颗粒物较高，在某些情况下也存在有机物较高的问题。

为了实现去除城市污水厂二级出水或城市雨水中的浊度、颗粒物、有机物、色度等污染物的目的，本发明采取如下技术方案：

本发明的动态膜净化反应器包括臭氧氧化池和动态膜池两部分，且臭氧氧化池位于动态膜池之前。其中，臭氧氧化池包括进水口、臭氧接触池、臭氧反应池、臭氧发生器、臭氧曝气头等；动态膜池包括稳流区、基质投加点、动态膜组件、曝气管、集泥区、排泥管、空气管阀门、空气压缩机、压力表、抽吸泵、出水管阀门、反冲洗、反冲洗管阀门等。

一穿孔板安装于所述的动态膜池中，所述的穿孔板的一侧与该动态膜池的池壁之间形成的空间的顶部设置为开口，在此开口设有基质投加点；在所述的穿孔板的另一侧安装有所述的动态膜组件形成动态膜过滤区；在动态膜组件的下方安装有所述的曝气装置，该曝气装置通过所述的曝气管路与所述的空气压缩机相连接，所述的曝气装置的下方设置有所述的污泥槽。

所述的曝气管路上设置有空气阀。所述的污泥槽中安装有排泥管。

在所述的动态膜组件的上方安装有所述的出水管，所述的出水管与所述的抽吸泵相连接。所述的出水管与抽吸泵相连接的出水管上安装有压力表及出水管阀门。

所述的动态膜组件的使用数量的确定方法为使得动态膜的膜通量在30～300L/m²·h之间。

所述的动态膜组件形式是平板膜，材质是孔径为0.1～0.2mm的筛绢。动态膜的孔径范围为0.01～0.20μm之间，动态膜的膜通量为30～300L/m²·h。水在安装有动态膜组件的膜过滤区的水力停留时间为10～40分钟。

在每个所述的动态膜组件的上方设置一出水支管，所有出水支管最终并入一根动态膜的出水总管；在动态膜的出水总管中设置有抽吸泵将动态膜出水抽走。

基质通过所述的基质投加点投入所述的动态膜池之后，在动态膜的出水总管上设置的抽吸泵的抽吸形成的负压作用下，基质附着涂覆在动态膜过滤基材上并形成具有截留过滤功能的滤饼层。

所述的基质是粉末活性炭和硅藻土或高岭土，且粉末活性炭与硅藻土或高岭土的质量比范围为1∶1～1∶100(g∶g)。

所述的基质可以连续投加或间歇投加；当基质为间歇投加时，粉末活性炭与硅藻土或高岭土可以同时投加，也可以不同时投加。

所述的基质的投加量的确定方法是使得粉末活性炭在所述的动态膜池中的停留时间为1d～12d。

所述的臭氧反应池的出水流经动态膜组件是通过抽吸泵的抽吸作用得以完成的。在动态膜的出水总管上设置的抽吸泵的抽吸形成的负压作用下，动态膜池中的水从膜外侧进入内侧，并经由动态膜组件的出水支管最终由出水总管流出。抽吸泵在动态膜组件的表面形成的抽吸负压控制在10kPa～60kPa之间。

臭氧反应池的出水进入动态膜池，在动态膜池中的基质的吸附作用、基质表面生长的微生物的生物氧化作用、动态膜组件的截留过滤作用下去除水中有机物、色度、颗粒物、絮体、细菌、病毒等污染物。

本发明进一步设置一个动态膜反冲洗水总管，且每个动态膜组件设置一个反冲洗水支管；在动态膜反冲洗水总管中设置有动态膜反冲洗泵。即在所述的出水管与所述的抽吸泵相连接的出水管与一动态膜反冲洗水总管相连通，该动态膜反冲洗水总管与动态膜反冲洗泵相连接，且出水管与动态膜反冲洗水总管相连通处位于所述的抽吸泵上方的出水管上。所述的动态膜反冲洗水总管的管路上安装有反冲洗管阀门。

为了保证膜通量，在动态膜组件运行过程中需要定期对动态膜组件进行反冲洗。在动态膜组件进行反冲洗时，膜反冲洗泵将动态膜组件过滤后的出水泵入动态膜组件内侧并向外侧流出，附着在膜表面的污染物得以从膜表面脱离。动态膜组件反冲洗的周期为0.5～20分钟。

膜反冲洗泵开启时，反冲洗进水管阀门开启，而抽吸泵停止运行且出水管阀门关闭；反冲洗停止后，反冲洗进水管阀门关闭，而抽吸泵开始运行且出水管阀门开启。

所述的空气压缩机往动态膜过滤区的水中泵入压缩空气，从而为水中提供溶解氧，并提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗动态膜表面的附着物。压缩空气可以是持续地通入，也可以是间歇地通入。膜过滤区的气水比范围是5∶1～100∶1(m³∶m³)。所述的曝气装置可以是穿孔曝气管、曝气头等。

在本发明中，水中密度较大的颗粒物、絮体等杂质在重力作用下进入污泥槽，并通过排泥管将污泥槽中的污泥排出。排泥周期可以是12～72小时。

所述的臭氧氧化池是由一隔板将容器分隔成臭氧接触池和臭氧反应池，且该隔板与所述的容器的底部之间有空隙；所述的臭氧接触池位于所述的臭氧反应池之前；所述的臭氧反应池的出水管的出口与所述的动态膜池的开口相连接；所述的臭氧接触池的上端设有所述的进水口，待处理水由所述的进水口进入臭氧接触池。

所述的臭氧氧化池包括臭氧接触池和臭氧反应池两部分。臭氧接触池的目的在于将臭氧气体充分溶解在水中，臭氧反应池的目的在于发挥臭氧氧化作用将污染物降解。提升泵站的出水首先进入臭氧接触池，之后进入臭氧反应池。臭氧接触池的水力停留时间为2～4分钟，臭氧反应池的水力停留时间为10～20分钟。臭氧接触池和臭氧反应池的池型设计与常见的臭氧接触池和臭氧反应池相同。

在臭氧氧化池中，利用臭氧氧化作用降解农药等小分子有机物，并将分子量较大的(一般数均分子量范围为＞30KDa)、微生物难以利用的有机物转化为分子量较小(一般数均分子量范围为＜3KDa)、易被微生物利用的小分子有机物。

本发明的利用上述动态膜净化反应器进行再生水处理的方法：

待处理水进入臭氧接触池和臭氧反应池，利用臭氧的强氧化作用降解破坏有毒有害有机物并将大分子有机物(一般数均分子量范围为＞30KDa)转化为微生物容易利用的小分子有机物(一般数均分子量范围为＜3KDa)；

臭氧反应池出水从动态膜池的开口进入动态膜池的稳流区，之后经过多孔板进入动态膜池的膜过滤区。

从动态膜池的基质投加点向动态膜池中投加基质；膜过滤区中的基质在抽吸泵形成的负压的作用下在动态膜基材表面形成滤饼层。

动态膜池中的水中的有机物在粉末活性炭的吸附作用、粉末活性炭和硅藻土或高岭土表面生长的微生物的生物氧化作用下得以去除；动态膜池中的水中的氨氮在粉末活性炭和硅藻土或高岭土表面生长的硝化细菌的硝化作用下转化为硝酸盐氮得以去除；动态膜池中的水中的颗粒物和粉末活性炭在动态膜基材表面形成的滤饼层的截留过滤作用下得以去除。

动态膜池中的水在抽吸泵的作用下穿过动态膜表面的滤饼层进入出水管，并最终通过出水总管进入清水池中。在进行动态膜池运行过程中，空气压缩机可以持续或间歇地泵入压缩空气以提供溶解氧，并提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗动态膜表面的附着物。膜过滤区中的水在抽吸泵的作用下穿过动态膜组件的膜表面的滤饼层进入中间水池中。

所述的待处理水中基质的投加量的确定方法是使得粉末活性炭在所述的动态膜池中的停留时间为1d～12d。

在动态膜组件运行过程中需要定期对动态膜组件进行反冲洗。在动态膜组件进行反冲洗时，膜反冲洗泵将动态膜组件过滤后的出水泵入动态膜组件内侧并向外侧流出，附着在膜表面的污染物得以从膜表面脱离。动态膜组件反冲洗的周期为5～20分钟。

附图说明

图1为动态膜净化反应器

附图标记

1、进水口 2、臭氧曝气头 3、臭氧发生器

4、臭氧接触池 5、臭氧反应池 6、稳流区

7、基质投加点 8、膜过滤区 9、动态膜组件

10、曝气管 11、污泥槽 12、排泥管

13、空气管阀门 14、空气压缩机 15、压力表

16、抽吸泵 17、出水管阀门 18、反冲洗泵

19、反冲洗管阀门

本发明具有如下优点：

1、相对于一般的动态膜反应器只能去除胶体颗粒物相比，本发明可在此基础上大幅提高氨氮和有机物去除效果，可应用于再生水深度净化；

2、本发明可根据处理规模灵活地进行设计，尤其适合于中小型的再生水净化工程和城市雨水回用工程；

3、动态膜过滤、反冲洗、曝气等运行操作可非常方便地实现自动控制，运行管理方便。

具体实施方式

实施例1

请参见说明书附图，本发明的动态膜净化反应器包括臭氧氧化池和动态膜池8两部分，且臭氧氧化池位于动态膜池之前。其中，臭氧氧化池包括进水口1、臭氧接触池4、臭氧反应池5、臭氧发生器3、臭氧曝气头2等；动态膜净化反应器包括稳流区6、基质投加点7、膜过滤区8、动态膜组件9、曝气管10、集泥区11、排泥管12、空气管阀门13、空气压缩机14、压力表15、抽吸泵16、出水管阀门17、反冲洗泵18、反冲洗管阀门19等；

一穿孔板安装于所述的稳流区6与膜过滤区8之间，所述的穿孔板的一侧与膜过滤区8的池壁之间形成的空间的顶部设置为开口，在此开口设有基质投加点7；在所述的穿孔板的另一侧安装有所述的动态膜组件9形成动态膜过滤区；在动态膜组件的下方安装有所述的曝气装置10，该曝气装置10通过所述的曝气管路10与所述的空气压缩机14相连接，所述的曝气装置10的下方设置有所述的污泥槽11。所述的曝气管路上设置有空气阀13；所述的污泥槽中安装有排泥管12。在所述的动态膜组件9的上方安装有所述的出水管，所述的出水管与所述的抽吸泵16相连接。所述的出水管与抽吸泵16相连接的出水管上安装有压力表15及出水管阀门17。

在所述的膜过滤区安装有4组所述的动态膜组件9形成膜过滤区，所述的动态膜组件为平板膜，其材质为筛绢材质；动态膜的孔径为0.1mm，动态膜的膜通量为60L/m²·h。

在每个所述的动态膜组件的上方设置一出水支管，所有出水支管最终并入一根动态膜的出水总管；在动态膜的出水总管中设置有抽吸泵16将动态膜出水抽走。设置一个动态膜反冲洗水总管，且每个动态膜组件设置一个反冲洗水支管；在动态膜反冲洗水总管中设置有动态膜反冲洗泵18。即在所述的出水管与所述的抽吸泵相连接的出水管与一动态膜反冲洗水总管相连通，该动态膜反冲洗水总管与动态膜反冲洗泵相连接，且出水管与动态膜反冲洗水总管相连通处位于所述的抽吸泵上方的出水管上。所述的动态膜反冲洗水总管的管路上安装有反冲洗管阀门19。

所述的臭氧氧化池是由一隔板将容器分隔成臭氧接触池4和臭氧反应池5，且该隔板与所述的容器的底部之间有空隙。

利用上述动态膜净化反应器进行再生水处理的方法：

待处理水进入臭氧接触池4中，水在臭氧接触池中停留2～4分钟后进入臭氧反应池5中，水在臭氧反应池中停留时间为10～20分钟。利用臭氧的强氧化作用降解破坏有毒有害有机物并将大分子有机物(一般数均分子量范围为＞30KDa)转化为微生物容易利用的小分子有机物(一般数均分子量范围为＜3KDa)；臭氧反应池5的出水进入动态膜池的稳流区，之后经过多孔板进入动态膜池的膜过滤区。

从动态膜池的基质投加点向动态膜池中投加基质；膜过滤区中的基质在抽吸泵形成的负压的作用下在动态膜基材表面形成滤饼层。动态膜池中的水中的有机物在粉末活性炭的吸附作用、粉末活性炭和硅藻土或高岭土表面生长的微生物的生物氧化作用下得以去除；动态膜池中的水中的氨氮在粉末活性炭和硅藻土或高岭土表面生长的硝化细菌的硝化作用下转化为硝酸盐氮得以去除；动态膜池中的水中的颗粒物和粉末活性炭在动态膜基材表面形成的滤饼层的截留过滤作用下得以去除。

动态膜池中的水在抽吸泵的作用下穿过动态膜表面的滤饼层进入出水管，并最终通过出水总管进入清水池中。水在安装有动态膜组件的膜过滤区的水力停留时间为10～40分钟。

用抽吸泵抽吸膜过滤区的水，抽吸泵在动态膜组件的表面形成的抽吸负压控制在10kPa～60kPa之间。动态膜过滤区中的水在抽吸泵的作用下穿过动态膜组件的膜表面进入出水管，并最终通过出水总管进入清水池中。此时水中胶体、絮体等颗粒态污染物则被截留，大部分密度较大的颗粒在重力沉降作用下进入污泥槽11中，并最终通过排泥管12从动态膜池8中排除；动态膜组件9运行一定时间后需要进行反冲洗操作，此时，开启膜反冲洗泵18，并将动态膜组件过滤后的出水泵入动态膜组件的内侧并向外侧流出，附着在动态膜组件的膜表面的污染物得以从膜表面脱离；空气压缩机14可以持续或间歇地泵入压缩空气以提供溶解氧，并提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗动态膜表面的附着物，膜过滤区的气水比范围是5∶1～100∶1(m³∶m³)。

待处理水中化学需氧量COD_Cr浓度为30mg/L，氨氮浓度为4mg/L。采用上述方法进行处理，出水化学需氧量COD_Cr浓度为10mg/L，氨氮浓度为0.5mg/L。

Claims

1.一种动态膜净化反应器，其包括臭氧氧化池和动态膜池两部分，且臭氧氧化池位于动态膜池之前；其中，臭氧氧化池包括进水口、臭氧接触池、臭氧反应池、臭氧发生器、臭氧曝气头等；动态膜池包括稳流区、基质投加点、膜池、动态膜组件、曝气管、集泥区、排泥管、空气管阀门、空气压缩机、压力表、抽吸泵、出水管阀门、反冲洗泵、反冲洗管阀门等；其特征是：

一穿孔板安装于所述的动态膜池中，所述的穿孔板的一侧与该动态膜池的池壁之间形成的空间的顶部设置为开口，在此开口设有基质投加点；在所述的穿孔板的另一侧安装有所述的动态膜组件形成动态膜过滤区；在动态膜组件的下方安装有所述的曝气装置，该曝气装置通过所述的曝气管路与所述的空气压缩机相连接，所述的曝气装置的下方设置有所述的污泥槽；

所述的曝气管路上设置有空气阀；所述的污泥槽中安装有排泥管；

在所述的动态膜组件的上方安装有所述的出水管，所述的出水管与所述的抽吸泵相连接；所述的出水管与抽吸泵相连接的出水管上安装有压力表及出水管阀门。

2.根据权利要求1所述的动态膜净化反应器，其特征在于动态膜组件的使用数量的确定方法为使得动态膜的膜通量在30～300L/m²·h之间。

3.根据权利要求1或2所述的动态膜净化反应器，其特征在于所述的动态膜组件形式是平板膜，材质是孔径为0.1～0.2mm的筛绢。动态膜的孔径范围为0.01～0.20μm之间，动态膜的膜通量为30～300L/m²·h；在每个所述的动态膜组件的上方设置一出水支管，所有出水支管最终并入一根动态膜的出水总管；在动态膜的出水总管中设置有抽吸泵将动态膜出水抽走。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的动态膜净化反应器，其特征在于基质通过所述的基质投加点投加入所述的动态膜池；且基质在动态膜的出水总管上设置的抽吸泵的抽吸形成的负压作用下，附着涂覆在动态膜过滤基材上并形成具有截留过滤功能的滤饼层。

5.根据权利要求4所述的基质，其特征在于是粉末活性炭和硅藻土或高岭土，且粉末活性炭与硅藻土或高岭土的质量比范围为1∶1～1∶100(g∶g)；基质的投加量的确定方法是使得粉末活性炭在所述的动态膜池中的停留时间为1d～12d。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的动态膜净化反应器进行再生水处理的方法，其特征是：待处理水依次进入臭氧接触池和臭氧反应池完成臭氧氧化过程，之后在基质投加点投加基质并经稳流区后进入动态膜池中的膜过滤区；

膜过滤区中的基质在抽吸泵形成的负压的作用下在动态膜基材表面形成滤饼层；膜过滤区中的水则在抽吸泵形成的负压的作用下穿过动态膜的膜表面的滤饼层进入出水管，并最终通过出水总管进入清水池中；

在动态膜过滤过程中，空气压缩机以持续或间歇地泵入压缩空气；

所述的穿孔板的一侧与所述的动态膜池的池壁之间形成的空间构成了所述的稳流区。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的膜过滤区的水力停留时间为10～40分钟；

所述的抽吸泵在动态膜组件的表面形成的抽吸负压控制在10kPa～60kPa之间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是：膜过滤区的气水比范围是5∶1～100∶1(m³∶m³)。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的臭氧接触池的水力停留时间为2～4分钟，臭氧反应池的水力停留时间为10～20分钟。