CN102963972A - 连续循环式管膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续循环式管膜生物反应器，包括反应器本体，该反应器本体内至少设置有接触氧化柜，所述接触氧化柜通过进水泵连向循环管膜组；该循环管膜组至少包括一管膜和循环泵，管膜和循环泵通过回流管道相互串联成循环回路；管膜的管腔与浓缩液回流管相连通，管膜外侧的滤过腔与排放管相连通；工作时流经进水泵的进水流量V1与循环管膜组的滤过清液流量V3之比V1/V3=2～10，流经管膜管内腔的循环流量V2与滤过清液流量V3之比V2/V3=2～50。该管膜生物反应器，具有有机污染物去除效率高、滤膜不易被污染、使用寿命长的优点，适用于海洋工程装备、船舶及城市、住宅或者其他人员密集区生活污水的集中处理。

Description

连续循环式管膜生物反应器

技术领域

本发明涉及污水处理技术装备，尤其是通过生物处理和膜分离技术相结合实现对生活污水进行处理的膜生物反应装置。

背景技术

生活污水是人类生活生产过程中所产生的污水，是水体的主要污染源，它主要是粪便和洗涤污水。生活污水中含有大量的有机物，如纤维素、淀粉、糖类等，也常含有病原菌、病毒和寄生虫卵。城市住宅生活污水的无序排放不仅加剧了水资源的短缺，而且直接影响到人们的生存环境和水体污染程度；海洋工程平台及船舶生活污水的排放则严重影响着海洋环境。为此，人们也在以前所未有的决心寻求污水资源化的有效途径，并通过制定各种国际公约、排放标准来限制和提高生活污水的排放水质要求。

国际海事组织（IMO）制定的《国际防止船舶造成污染公约》中规定，海上生产生活设施必须装有生活污水处理装置，非特殊情况禁止直接向限制海域排放生活污水，IMO的MEPC、159（55）决议出台了更为严格的排放标准，并强行执行。因此，对海洋工程平台及船舶的污水处理技术和装备提出更高的性能要求。

目前的生活污水处理方法大致有：生化处理法、物理化学处理法等污水处理法。其中膜生物处理法是一种生物处理和膜分离技术相结合的污水处理工艺技术，它具有污染物去除率高、出水水质好、体积负荷高、剩余污泥量少，以及易于实现机电控制一体化的诸多优点，成为当今最为先进的污水处理技术方案。

在现有的膜生物反应器中，其最为普通的结构是浸没式中空纤维膜生物反应器，如本申请人于2008年10月07日申请的“多级生化生活污水处理方法及其处理装置”（专利号：2008101966589）。该处理器的结构主要包括接触氧化柜、沉淀柜以及浸没于膜柜中的膜组，该膜组采用中空纤维膜。虽然这种膜生物反应器中中空纤维膜的填充密度较大，相对降低造价，但实际使用中，特别是在处理高浓度有机污水时，中空纤维膜生物反应器遇到了诸多问题：如膜易污染和堵塞、易断丝、清洗周期短、维护难。虽然在上述专利中是将膜组件置于专门的膜柜中，而非直接置于接触氧化柜的高污染浓度的“浑水”中，给中空纤维膜组创造了一个“清水”运行环境，膜污染率得以减少，但由于纤维膜的膜径均在0.1mm左右，且实际处于死端过滤工作状态，如此小尺寸的膜腔难以形成有效的管内湍流和错流，仍不能有效解决膜污染问题，同时膜的清洗也很困难，为了保证纤维膜具有稳定的透过性能，减缓浓差极化，其工作往往是间隙的，且分离流量较小，处理效率难以提高。

为了改善膜污染问题，人们开始了以管式膜取代纤维膜的研究，但这种研究到目前为此仍处于理论层面，未能解决管式膜与接触氧化柜的连接关系和连接结构，也未能解决管式膜的管内流量、流速，以及管内流量与透出量之间关系等技术问题。而过低的管内流量、流速不能形成有效的管内错流速度，容易形成管内滤饼沉积；而过高的管内流量、流速又使得分离效率下降，能量消耗增大。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种连续循环式管膜生物反应器，它不仅对有机污染物的去除率高、出水水质好，而且滤膜不易被污染、处理效率高。

为了解决上述技术问题，本发明连续循环式管膜生物反应器，包括反应器本体，该反应器本体内至少设置有接触氧化柜，在反应器本体上还连接有污水输入管，在接触氧化柜内设有接触氧化柜曝气管，所述接触氧化柜通过进水泵连向循环管膜组；该循环管膜组至少包括一管膜和循环泵，管膜和循环泵通过回流管道相互串联成循环回路；所述管膜的膜芯内径3mm—30mm，管膜的管腔与浓缩液回流管相连通，管膜外侧的滤过腔与排放管相连通；工作时流经进水泵的进水流量V1与循环管膜组的滤过清液流量V3之比V1 /V3=2～10，流经管膜管内腔的循环流量V2与滤过清液流量V3之比V2 /V3=2～50。

采用上述技术方案后，本发明具有如下显著优点：

首先，本发明采用了接触氧化柜加管膜组的结构，在接触氧化柜中进行生物处理，利用柜内存在着依靠溶解氧来消解有机物的好氧菌，好氧菌通过吸收污水中的有机物及氧气，进行生物氧化和分解，使之一部分生成二氧化碳、水和其它无机物，另一部分则生成新的活性污泥，继续降解污水中的有机物。利用管膜组的截留作用提高柜内污泥浓度，增加污泥停留时间，以有利于硝化细菌的生长，又提高氨氮的去除效果和污染物去除率。该结构实现了微生物对污染物的降解和膜对污染物的分离，降解与分离之间又存在协同作用，从而具有优越的对有机污染物等的去除效果，出水水质好，处理效率高，剩余污泥少。

第二，在本发明的膜生物反应器中采用管式膜作为截留分离元件，由于管膜具有流道宽的特点，料液在管内湍流流动，膜不易被污染，对料液的预处理要求相对较低，管膜易于清洗，既可以机械方法清洗，也可以通过化学试剂进行清洗。而管膜包括了高强度的支撑层和分离层，管膜能承受表面高流速产生的错流剪切力，能适应更高污泥浓度的运行要求，因此管膜较好地解决了易污染、易断丝、难维护的问题。管膜膜芯内径选择在3mm～30mm间，既保证合适的流道宽度，又具有合理的管膜装填密度和膜滤面积。

第三，在本发明的膜生物反应器中，采用了循环管膜组结构，其管膜和循环泵通过回流管道相互连接成循环回路，循环回路中的料液在循环泵的作用下，连续不断进循环回流，既产生了膜滤工作压力，更使料液在管膜通道内产生高流速的剪切力，膜面流速和剪切力的增大不仅使膜面污染的扰动和错流增加，有效地破坏了污染层的形成，而且能有效冲刷膜面污染物，使膜通量保持长时间的稳定，保证了膜的滤过分离效率。随着循环回路中料液的不断被浓缩，该浓缩液又通过回流管回流再行参与生物反应，经管膜滤过的清液则进行排放或回用，实现了水资源的无害排放或再利用。

第四，在本发明中，工作时流经进水泵的进水流量V1与滤过清液流量V3之比V1 /V3=2～10，由于过低会加剧污染物在膜表面的沉积，易于形成膜面滤饼层，使膜通道快速下降，加速管膜的失效，直接影响膜的使用寿命。而过高的V1/V3的比值，虽可消弱污染层形成，但会产生过高的膜面流速，使膜循环回路中轴向压差增加，导致污染层因压密而产生阻力增大，因此，过高的V1/V3的比值不仅不能增加膜通量，反而会造成能耗过高，过高的V1/V3的比值还会加强污染物及其微粒对膜面冲刷强度，影响膜的使用寿命。将V1/V3的比值控制在2～10之间，具有滤过分离效率高、通量稳定、能耗低和使用寿命长的综合效果。同样循环流量V2滤过清液流量V3之比V2/V3的比值选择在2～50之间，具有与上述相同的机理和技术效果。

本发明的一种优选实施方式，所述反应器本体通过曝气柜隔板分隔有曝气柜和接触氧化柜，曝气柜和接触氧化柜通过滤网孔相连通；在接触氧化柜内设置有软性填料，在曝气柜内设置有曝气柜气管；曝气柜气管和接触氧化柜曝气管与送风机相连通。在反应器本体中设置曝气柜，使生活污水在该柜中得到预处理，预处理后再将生活污水送至接触氧化柜强化处理，从而使污水被多级、反复地消解，有机物得到充分的降解，有机物去除效率更高、工艺流程合理、剩余污泥量极小。软性填料则有利于微生物在其上形成生物膜，该生物膜进一步吸附消解有机物。

本发明的进一步实施方式，在所述接触氧化柜内通过缓流隔板分隔有缓流腔，该缓流腔通过原水阀与进水泵连通；所述缓流隔板上设有滤网或滤孔板。在曝气柜外设置有粉碎泵，该粉碎泵的进水口连通于曝气柜的柜底，粉碎泵的出水口连通于曝气柜的柜壁上。在接触氧化柜中分隔缓流腔有利于泥水分离，减轻膜滤负担。粉碎泵强化对生活污水中大颗粒物的分解，以提高有机物的消解效率。

本发明的进一步实施方式，在所述反应器本体内通过清水柜隔板分隔有清水柜，该清水柜通过清水阀与进水泵相连通；在清水柜上还连通有清水接入阀；该清水柜还通过清洗阀与浓缩液回流管相连通。在反应器本体中分隔设置清水柜，有利于对管膜组的清水清洗和加药清洗。

本发明的又一种优选实施方式，若干根管膜并列设置于膜筒壳体内而构成管膜筒，滤过腔位于膜筒壳体中的管膜外侧，若干个管膜筒与循环泵串联成循环管膜组。所述滤过腔经滤过液排出阀、杀毒器、排放泵和流量计与排放管相连通。该结构能有效提高管膜的滤过面积，增加滤膜的分离效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明连续循环式管膜生物反应器作进一步详细说明。

图1是本发明连续循环式管膜生物反应器一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明中循环管膜组的一种实施结构示意图；

图3是图1所示实施方式具体结构的主视方向结构示意图；

图4是图3所示结构的D—D剖面结构示意图；

图5是图4所示结构的A—A剖面结构示意图；

图6是图4所示结构的B—B剖面结构示意图；

图7是图4所示结构的C—C剖面结构示意图。

图中，1—反应器本体、2—曝气柜、3—溢流管、4—冲洗管、5—污水输入管、6—曝气阀、7—接触氧化阀、8—软性填料、9—送风机、10—防火星网、11—清水接入阀、12—返送阀、13—浓缩液回流管、14—清洗阀、15—流量计、16—排放泵、17—杀毒器、18—滤过液排出阀、19—管膜、20—滤过腔、21—膜筒壳体、22—泵前阀、23—循环泵、24—泵后阀、25—清洗水排放阀、26—进水泵、27—清水柜、28—清水阀、29—清水柜隔板、30—原水阀、31—缓流腔、32—缓流隔板、33—接触氧化柜曝气管、34—接触氧化柜、35—曝气柜隔板、36—曝气柜气管、37—粉碎泵前阀、38—粉碎泵、39—应急排放阀、40—粉碎泵后阀、41—排放管、42—滤网孔、43—机座、44—管膜筒。

V1—进水流量、V2—循环流量、V3—滤过清液流量、V4—浓缩液回流量。

具体实施方式

   如图1所示，反应器本体1通过曝气柜隔板35和清水柜隔板29依次被分隔成曝气柜2、接触氧化柜34以及清水柜27。接触氧化柜34又被缓流隔板32分隔成接触氧化腔和缓流腔31两个腔室。反应器本体1采用圆柱体罐式结构，其两端呈椭圆球冠。在曝气柜2内设置有曝气柜气管36；接触氧气柜2中设有接触氧化柜曝气管33，送风机9分别通过曝气阀6和接触氧化阀7与曝气柜气管36和接触氧化曝气管33相连通。在接触氧化柜2的接触氧化腔室中设置有软性填料8，该软性填料8采用维尼纶、尼龙丝等材料。

在曝气柜2的反应器本体1顶壁上连通有污水输入管5，曝气柜2的反应器本体1的端壁上端连通有溢流管3。分隔曝气柜2和接触氧化柜34的曝气隔板35上设有滤网孔42，该滤网孔42使得曝气柜2和接触氧化柜34相连通。滤网孔42上装有滤网或孔板。在曝气柜2外设置有粉碎泵38，粉碎泵38的进水口连通于曝气柜2的柜底位置，粉碎泵38的出水口连通于曝气柜2的柜端壁位置。在粉碎泵38的出水口位置连通有粉碎泵后阀40，粉碎泵38的进水管路上设有粉碎泵前阀37。

在接触氧化柜34的顶壁板上装有鹅颈弯管，该鹅颈弯管的管端装有防火网10。粉碎泵38为带刀离心泵，用于污水颗粒的循环粉碎，使打浆后的污水容易被降解。在应急情况下，也可以经过排放阀39直排放污水；或者在清洗柜体时打开该应急排放阀39。在清水柜27的顶壁处连通有清水接入阀11，通过清水接入阀11可以向清水柜27注清水或净水，在化学清洗时则通过清水接入阀11向柜内注入清洗液。

接触氧化柜34的缓冲腔31通过进水泵26与循环管膜组相连通。在进水泵26的进水端和清水柜27之间连通有清水阀28，在进水泵26的出水端并接有清洗水排放阀25。

上述的循环管膜组包括有两根管膜筒44和循环泵23。管膜筒44包括膜筒壳体21，在膜筒壳体21内轴向并列地装有若干根管膜19（图中仅示意地画出了一根管膜），例如在膜筒壳体21中装有7根、19根、37根、91根或更多根等。该管膜19通过管膜壳体21两端的集水腔相互连通，管膜筒44内的管膜19和循环泵23通过回流管道相互串联成循环回路，即在管膜19的管内腔和循环泵23之间能形成回旋的液流。管膜19呈管式结构，它至少包括滤过薄膜层和支撑层。管膜19既可采用超滤膜，也可以是微滤膜，管膜19的膜芯内径为8mm，当然也可以视污水颗粒粒径在3mm～30mm之间进行选择。流经管膜筒44内管膜19的管内腔的料液与浓缩回流管13相连通，该浓缩回流管13将管膜19腔内的部分浓缩液回流返送到曝气柜2，当然也可以返送到接触氧化柜34。浓缩液的回流返送量通过返送阀12调节，或通过返送阀12和泵后阀24及泵过腔20位于管膜筒44的膜筒壳体21内侧、管膜19的外侧之间的位置，滤过腔20依次经滤过液排放出阀18、杀毒器17、排放泵16、流量计15与排放管41相连通，该排放管41为防倒虹管，以防止污水从反应器中自流排出。

图2所示为本发明的循环管膜组另一种实施结构图。在该实施结构中循环管膜组包括有四根管膜筒44和一循环泵23，四根管膜筒44和循环泵相互串联成循环回路。同样，在管膜筒44的膜筒壳体21内并列装有相互连通的若干根管膜19，在循环泵23的出水端和进水端分别装有泵前阀22及泵后阀24。当然循环管膜组的串接管膜筒44内的管膜19的数量，均应根据反应器膜分离参数进行选择设计，串接的管膜筒44的数量不限于两根、四根，还可以是一根、五根、陆根或更多根。

如图3所示，反应器本体1固定安装于机座43上，机座43由槽钢焊接而成。设置于曝气柜2内的曝气柜气管36，以及设置于接触氧化柜34的接触氧化柜曝气管33均采用管道结构，在其管道壁上开有曝气微孔，当然该曝气结构也可以采用盘式曝气头等其它相应的曝气结构。

如图4、图7所示，接触氧化柜34内的缓流腔31设置于弧形罐筒壁的一侧，其缓流隔板32上设有过滤孔的滤板孔，或者在该缓流隔板32上装有滤网，以控制滤去进入循环管膜组液体中的粗颗粒物。如图5所示，在曝气柜隔板35上设有滤网孔42，经曝气柜2初步生化处理的生活污水通过此滤网孔42进入到接触氧化柜34。如图6所示，软性填料8和接触氧化柜曝气柜管33均设置于接触氧化柜34的接触氧化腔室内，这种结构既有利于生物降解的高效进行，又利于缓流腔31内的液料沉淀分离。

工作时，生活污水经污水输入管5输入到曝气柜2，位于该柜中的曝气柜气管36不断向生活污水充入空气，在生活污水中形成许多的微小气泡，并造成水的紊流，使空气中的氧溶入到污水中，形成对污水的曝气充氧，消化分解污水中的有机物。粉碎泵38则不断对曝气柜2中污物进行循环粉碎，以增强消解效果。经曝气柜2处理的污水进入到接触氧化柜34，在接触氧化柜34中悬挂有软性填料8，在软性填料8上形成具有一定活性的生物膜，这不仅进一步加大了其与有机物的接触面积，而且使之悬浮于水中不沉。接触氧化柜34处理后的污水经缓流隔板32的过滤和缓流腔31的沉淀后，再经原水阀30并在进水泵26的作用下进入到循环管膜组中，此时，清水阀28关闭。在循环管膜组中，流经进水泵26的进水流量V1是滤过清液流量V3及浓缩液回流量V4之和，必须控制好上述V1 、V2、 V3及V4之间的流量比例关系，才能达到较好的处理效率和使用寿命。循环流量V2为循环流经管膜筒44中管膜19管内腔的流量 ；滤过清液流量V3是循环管膜组中滤过腔20中膜过滤渗透液的总流出量；浓缩液回流量V4则是有控制地返送到曝气柜2或接触氧化柜34中的管膜19管腔内的浓缩液。经过大量分析研究和反复的试验对比，进水流量V1与滤过清液流量V3之比V1 /V3=2～10，循环流量V2与滤过清液流量V3之比V2 /V3=2～50。

清洗分为用清水对管膜进行清洗和清洗液对膜进行清洗。清水清洗时，先关闭原水阀30，并通过清水接入阀11向清水柜27注入一定量的清水或者经膜滤处理的净水，打开清水阀28和返送阀12，清水柜27中的清水在进水泵26和循环泵23的作用下，流经循环管膜组，并将带有膜面冲洗物的冲洗液，经浓缩液回流管13返送至曝气柜2中，管膜渗出液则经滤过液排出阀18、杀毒器17、排放泵16、流量计15与排放管41排出。清洗液清洗时，关闭原水阀30、返送阀12和滤过液排出阀18，打开清水阀28和清洗阀14，通过清水接入阀11向清水柜27注入一定量的清洗液，清水柜27中的清洗液在进水泵26和循环泵23的作用下，流经循环管膜组，再经浓缩液回流管13流回至清水柜27，清洗完毕后的浊液在进水泵26作用下经清洗水排放阀25排出。

Claims (10)

1.一种连续循环式管膜生物反应器，包括反应器本体（1），该反应器本体（1）内至少设置有接触氧化柜（34），在反应器本体（1）上还连接有污水输入管（5），在接触氧化柜（34）内设有接触氧化柜曝气管（33），其特征在于：所述接触氧化柜（34）通过进水泵（26）连向循环管膜组；该循环管膜组至少包括一管膜（19）和循环泵（23），管膜（19）和循环泵（23）通过回流管道相互串联成循环回路；所述管膜（19）的膜芯内径3mm～30mm，管膜（19）的管腔与浓缩液回流管（13）相连通，管膜（19）外侧的滤过腔（20）与排放管（41）相连通；工作时流经进水泵（26）的进水流量V1与循环管膜组的滤过清液流量V3之比V1 /V3=2～10，流经管膜（19）管内腔的循环流量V2与滤过清液流量V3之比V2 /V3=2～50。

2.根据权利要求1所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：所述反应器本体（1）通过曝气柜隔板（35）分隔有曝气柜（2）和接触氧化柜（34），曝气柜（2）和接触氧化柜（34）通过滤网孔（42）相连通；在接触氧化柜（34）内设置有软性填料（8），在曝气柜（2）内设置有曝气柜气管（36）；曝气柜气管（36）和接触氧化柜曝气管（33）与送风机（9）相连通。

3.根据权利要求1或2所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：在所述接触氧化柜（34）内通过缓流隔板（32）分隔有缓流腔（31），该缓流腔（31）通过原水阀（30）与进水泵（26）连通；所述缓流隔板（32）上设有滤网或滤孔板。

4.根据权利要求2所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：在曝气柜（2）外设置有粉碎泵（38），该粉碎泵（38）的进水口连通于曝气柜（2）的柜底，粉碎泵（38）的出水口连通于曝气柜（2）的柜壁上。

5.根据权利要求2所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：在所述反应器本体（1）内通过清水柜隔板（29）分隔有清水柜（27），该清水柜（27）通过清水阀（28）与进水泵（26）相连通；在清水柜（27）上还连通有清水接入阀（11）；该清水柜（27）还通过清洗阀（14）与浓缩液回流管（13）相连通。

6.根据权利要求1—5中任一项所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：所述浓缩液回流管（13）连向反应器本体（1）内的曝气柜（2）或接触氧化柜（34），在浓缩液回流管（13）上装有返回阀（12）。

7.根据权利要求6所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：所述管膜（19）呈管式结构，该管膜（19）至少包括滤过薄膜层和支撑层。

8.根据权利要求6或7所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：若干根管膜（19）并列设置于膜筒壳体（21）内而构成管膜筒（44），滤过腔（20）位于膜筒壳体（21）中的管膜（19）外侧，若干个管膜筒（44）与循环泵（23）串联成循环管膜组。

9.根据权利要求8所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：所述滤过腔（20）经滤过液排出阀（18）、杀毒器（17）、排放泵（16）和流量计（15）与排放管（41）相连通。

10.根据权利要求8所述的连续循环式管膜生物反应器，其特征在于：在所述循环泵（23）的进口端和出口端分别设置有泵前阀（24）和泵后阀（22），在所述进水泵（26）的出水端并联有清洗水排放阀（25）。

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