CN103387316A - 复合式双级膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境保护的污水处理技术和膜分离技术领域。本发明针对现有技术中膜生物反应器的膜组件易污染，从而导致膜反应器产水量降低、清洗过程复杂、膜组件寿命短的问题，提供一种新型的复合式双级膜生物反应器，包括生物反应池、膜分离池和初级过滤器，所述生物反应池内设有能分解污染物的微生物，所述膜分离池内设有膜分离器件。通过初级过滤器将生物反应池和膜分离池分隔，污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器的过滤，再进入膜分离池由膜分离器件分离。本发明提供的双级膜生物反应器在膜分离之前增加初级过滤系统，将较大粒径的污泥絮凝体和颗粒物阻截在生物反应池内，显著降低了膜组件的污染，不仅可以延长膜组件的使用寿命，提高使用过程中的膜通量和产水量，而且可以减少清洗膜组件的曝气和反冲洗所需的能量和净水。

Description

复合式双级膜生物反应器

技术领域

本发明属于环境保护的污水处理技术和膜分离技术领域，特别涉及一种膜生物反应器，以及使用该膜生物反应器净化处理污水的方法。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)是将膜分离技术与生物处理技术有机结合的新型废水处理系统，以膜组件作为泥水分离单元取代传统生物处理技术中的二次沉淀池，具有占地面积小、出水水质好、运行管理简单等优点。膜生物反应器利用膜分离设备将活性污泥与大分子有机物截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。

活性污泥混合液对膜组件的污染复杂而又严重，废水中的固体颗粒、有机大分子、溶解性物质和微生物菌群及其代谢物形成絮凝体沉积并吸附在膜表面，形成黏附性很强的凝胶层，并不断累积而形成堵塞。膜污染不仅增大过滤阻力、降低了膜通量，从而降低了产水量；进一步地，为了控制膜污染而需要增加的气体和水力冲洗装置，造成设备能耗很大，操作和维护费用高，成为制约膜生物反应器技术商业化应用发展的主要障碍。

Cabassud等的研究表明，传统活性污泥处理工艺与膜生物反应器中污泥的絮凝体的尺寸分布不同，传统活性污泥处理工艺中污泥絮凝体的平均颗粒尺寸约160微米，而膜生物反应器中污泥絮凝体的平均颗粒尺寸约为240微米(Submerged membrane bioreactors：Interactions between membrane filtration and biological activity，Proceedings of WaterEnvironment-Membrane Technology Conference，Seoul，Korea，2004)。进一步地，膜生物反应器中污泥絮凝体的粒径分布，在5～20微米和240微米附件存在双峰现象。Bae等的研究则表明，膜生物反应器中污泥絮凝体的尺寸分布于10～40微米范围内，平均粒径约为25微米(Interpretation of fouling characteristics of ultrafiltration membrane during the filtration ofmembrane bioreactor mixed liquor，J.Membrane Sci.，2005，Vol.264)。

因此，对现有的膜生物反应器工艺，如果在膜分离之前增加初级过滤系统，将较大粒径的污泥絮凝体和颗粒物阻截下来，使其不能进入膜分离组件，就可以大大减少对膜组件的污染，从而增大产水量、延长膜组件的寿命，降低操作和维护成本。

中国专利“双重过滤的膜过滤器”(201210052668.1)、“水草式双重过滤的膜过滤器”(201210052670.9)提出双重过滤的膜过滤器，多根毛细管膜被一根网布过滤套包裹保护，以解决毛细管膜根部脆弱的问题。这两项专利的主要区别只在于一端是否封闭，在说明书中都指出：网布过滤套的归圆直径大于50mm时其内部膜丝间污染物难以通过反洗清除；当网布过滤套和/或毛细管膜表面污堵时可以通过反洗或化学清洗恢复过滤效率。由此可见，虽然该网布过滤套也起到初级过滤的作用，能过滤纤维物质以避免与毛细管膜接触缠绕；但如将该膜过滤器用于浸没式膜生物反应器，不仅不能将生物污泥被截留在生物反应池内，反而会在进入网布过滤套内后，由于网布过滤套的阻力而无法被反洗清除，从而增大了对膜表面的污染。

中国专利“膜生物反应器”(200410054983.3)提出一种包含预过滤层、扰流装置和生物膜单元的膜生物反应器，其预过滤层的孔径约50～200微米，生物膜单元的孔径约0.01～0.4微米。该专利利用预过滤层初步过滤掉污水中大部分的悬浮微粒，以减少悬浮物附着于生物膜单元的薄膜上，以降低该薄膜的污堵。但是，其中的生物膜单元同时作为微生物附着生长的载体，使富含微生物及其代谢物的污泥附着在膜组件表面，累积后仍将沉积堵塞在膜表面。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术中膜生物反应器的膜组件易污染，从而导致膜反应器产水量降低、清洗过程复杂、膜组件寿命短的问题，提供一种新型的复合式双级膜生物反应器的技术方案，通过初级过滤器将生物反应池和膜分离池分隔，以降低生物污泥对膜组件的污染。

为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种复合式双级膜生物反应器，包括生物反应池、膜分离池和初级过滤器，其特征在于：(1)所述生物反应池内设有能分解污染物的微生物；(2)所述膜分离池内设有膜分离器件；(3)污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器的过滤，再进入膜分离池由膜分离器件分离。经过初级过滤器的过滤，将污泥絮凝体和颗粒物截留在生物反应池内，并不进入膜分离池，因而避免或降低了生物污泥对膜组件的污染。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器的生物反应池与膜分离池相邻设置，其特征在于，所述初级过滤器是设于生物反应池与膜分离池之间的初级过滤网。进一步地，所述初级过滤网是双层或多层滤网，在双层滤网之间加有颗粒状、粉末状或块状的填料，填料优选当量直径1～5毫米的多孔材料。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器还设有初级过滤器的清洗装置，其特征在于，所述清洗装置是气体吹扫装置，或水力冲洗装置，或机械擦洗装置，或振动清洗装置。清洗装置可以降低生物污泥对初级过滤器的污染。即使初级过滤器因长期污染堵塞而导致压差增大、出水量降低，不能再通过在线清洗装置再生时，只要将初级过滤器拆下通过离线清洗或者予以更换，就能迅速恢复膜生物反应器的污水处理性能。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器，在初级过滤网的侧面设有气体吹扫装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置的喷头与初级过滤网的距离小于3cm；2)所述气体吹扫装置从临近生物反应池的侧向出气。优选地，所述气体吹扫装置设在膜分离池一侧，喷头与初级过滤网的距离为0～0.5cm。空气从气体吹扫装置临近生物反应池的侧向喷向初级过滤网吹扫后，穿过初级过滤网进入生物反应池，为好氧微生物提供氧气。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器，在初级过滤网的侧面设有可运动的气体吹扫装置或水力冲洗装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置或水力冲洗装置包括喷头、连接软管、导轨和驱动装置，2)连接软管的一端与喷头相通，另一端与鼓风机或增压泵相通；3)驱动装置可以驱动喷头沿导轨运动，对初级过滤网进行吹扫或冲洗，可以更有效地降低生物污泥对初级过滤器的污染。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器，在初级过滤网的侧面设有可运动的机械擦洗装置，其特征在于：1)所述机械擦洗装置包括刷头、导轨和驱动装置，2)所述驱动装置可以驱动刷头沿导轨运动，对过滤网表面进行刷洗。

进一步地，将所述机械擦洗装置与前述气体吹扫装置或水力冲洗装置集成为一体，可以更有效地清除初级过滤网表面的堵塞物，减少初级过滤网的污染。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器，其特征在于，所述生物反应池的污水经过初级过滤器过滤后，在水位压差作用下进入膜分离池，经过初级过滤器的过滤，再进入膜分离池由膜分离器件分离。

优选地，所述复合式双级膜生物反应器，其特征在于，所述膜分离器件的过滤精度在0.01～1微米之间，所述初级过滤器的过滤精度在3～100微米之间。进一步地，1)当膜分离器件的过滤精度在0.01～0.1微米之间时，初级过滤器的过滤精度在3～20微米之间；2)当膜分离器件的过滤精度在0.1～1微米之间时，初级过滤器的过滤精度在10～50微米之间。

初级过滤器的作用是过滤和截留生物污泥，初级过滤器可以是微孔过滤器，滤材由金属滤网、尼龙滤网、陶瓷滤芯、微滤膜或无纺布制成，因此初级过滤器比膜组件更容易清洗。

本发明提供的复合式双级膜生物反应器的技术方案，通过初级过滤器将生物反应池和膜分离池分隔，将生物污泥被截留在生物反应池内，显著降低了生物污泥对膜组件的污染，不仅可以延长膜组件的使用寿命，提高使用过程中的膜通量和产水量，而且可以减少清洗膜组件的曝气和反冲洗所需的能量和净水。

参照所附附图，和下述的实施方式的说明，可以理解本发明的目的、特征及效果。

附图说明

图1所示为一种现有技术的浸没式膜生物反应器的原理图。

图2所示为一种复合式双级膜生物反应器的原理图。

图3所示为复合式双级膜生物反应器的过滤网清扫装置的结构示意图。

图4所示为复合式双级膜生物反应器的过滤网清扫装置工作状态的结构示意图。

图5所示为复合式双级膜生物反应器的过滤网清扫装置的结构侧视图。

图6所示为复合式双级膜生物反应器的过滤网清扫装置的结构爆炸图。

具体实施方式

实施例一：

一种现有技术的浸没式膜生物反应器的原理图如附图1所示。

膜生物反应器101内设有膜分离器件102和富含好氧微生物的活性污泥。待处理的污水从进水口103进入膜生物反应器101进行生物处理后，在产液泵104的负压作用下从出水口105排出。膜生物反应器101内还设有曝气盘107，空气在鼓风机106的作用下由曝气盘107泵入膜生物反应器，以提高好氧微生物分解污水中污染物的反应速度。

工程实践中的的膜生物反应器，还设有膜分离器件的反向曝气或反向冲洗系统，以降低活性污泥对膜表面的污染。

实施例二：

附图2是一种按照本发明提供的技术方案实施的复合式双级膜生物反应器的原理图。

一种复合式双级膜生物反应器，包括生物反应池201、膜分离池202和初级过滤器203.生物反应池201与膜分离池202相邻设置，生物反应池201内设有富含微生物的活性污泥，能分解污染物，膜分离池202内设有膜分离器件204，初级过滤器203是设于生物反应池与膜分离池之间的初级过滤网。

所述初级过滤网是双层滤网，在双层滤网之间加有颗粒状、粉末状或块状的填料，填料优选当量直径1～5毫米的多孔材料。填料的投加量是双层滤网之间的空间体积的3～10％，因此并不密实堆积，而是在滤网之间流动。研究表明，粒径为膜孔径0.5～2倍的污染物对膜表面的污染最为严重。由于初级过滤网的过滤精度通常达到膜孔径的5～10倍甚至更大，这一范围的污染物仅靠初级过滤网并不能有效拦截。试验表明，初级过滤器的双层滤网之间的多孔填料对拦截当量直径的污染物、降低膜表面的污染，起到了非常重要的作用。虽然之前有研究在生物反应器中投加粉末填料，对阻截污染物微粒起到了一定的效果，但由于这些填料分布于生物反应池内，与富含微生物的污泥共存，因而很快就被微生物絮凝体包围，并成为微生物生长的载体，从而失去了对微粒污染物的阻截能力。而本发明中富含微生物的活性污泥基本上已经被初级过滤器的滤网所拦截，只有微小颗粒才能通过首层滤网进入双层滤网之间的空间，因此多孔填料对微小颗粒的阻截性能和效果要更为优良。

待处理的污水从进水口205流入生物反应池201，产液泵206产生负压将膜分离池202内的水从膜分离器件204的内芯抽出，使生物反应池201与膜分离池202的液位存在高度差。污水在生物反应池201由微生物分解处理后，经过初级过滤网203的过滤，在水位压差的作用下从生物反应池进入膜分离池，经由膜分离器件203分离后，在负压作用下从出水口207排出。

复合式双级膜生物反应器还设有初级过滤器的清洗装置，可以降低生物污泥对初级过滤器的污染。所述清洗装置是气体吹扫装置，或水力冲洗装置，或机械擦洗装置，或振动清洗装置。在膜分离池202内、初级过滤网203的侧面设有气体吹扫装置208。气体吹扫装置208的喷头与初级过滤网203的距离小于3cm。试验表明，当喷头与过滤网的表面相接触时，冲洗效果最佳；当喷头与过滤网的表面相距1cm时，对过滤网表面的冲力下降了20％；当喷头与过滤网的表面相距3cm时，对过滤网表面的冲力下降了50％。因此，喷头要尽量贴近过滤网的表面，优选值为0～1cm。

空气在鼓风机210的作用下，一路由曝气盘209泵入膜生物反应器，另一路由气体吹扫装置208从临近生物反应池的侧向出气，喷向初级过滤网203进行吹扫，然后穿过初级过滤网进入至微生物反应区，为好氧微生物提供氧气，以提高好氧微生物分解污水中污染物的反应速度。

所述膜分离器件的过滤精度在0.01～1微米之间，优选值为孔径0.2～0.5微米的微滤膜、或孔径为0.04～0.1微米的超滤膜。

所述初级过滤器的作用是过滤和截留生物污泥，滤材由金属滤网、尼龙滤网、陶瓷滤芯、微滤膜或无纺布制成，过滤精度通常在3～100微米之间。试验研究表明：1)当初级过滤器的过滤精度小于3微米时，对于膜组件产水量的影响不大，这也表明膜表面污染程度较低，但此时初级过滤器的污染和堵塞较为严重，压差升高较快；2)当初级过滤器的过滤精度大于20微米时，虽然大颗粒污泥絮凝体被阻截，但一些粒径较小的胶体、大分子仍然能通过，这也正是膜组件的主要污染物，因此膜表面仍会逐渐发生污染，但跨膜压差增大的速度也较未安装初级过滤器时减缓。

进一步地，综合考虑初级过滤器的过滤精度与膜分离器件的过滤精度进行研究和优化，结果非常复杂。总体而言，当膜分离器件孔径减小时，初级过滤器的过滤精度也要适当提高，即初级过滤器的孔径也要适当减小，但这也带来初级过滤器的堵塞严重、压差增大。经过大量试验的筛选，对于过滤精度在0.1～1微米之间的膜分离器件，配套的初级过滤器的过滤精度为10～50微米的效果较好；而对于过滤精度在0.01～0.1微米之间的膜分离器件，配套的初级过滤器的过滤精度为3～20微米的效果较好。

进一步的研究表明，应用一种过滤精度在0.05微米的膜分离器件，对于好氧生物反应器，初级过滤器的过滤精度优选值为3～12微米；对于厌氧生物反应器，初级过滤器的过滤精度优选值为10～20微米。

实施例三：

附图3～图6是一种按照本发明提供的技术方案实施的复合式双级膜生物反应器的初级过滤器清洗装置的结构图。

过滤网清扫装置包括清扫刷32、初级过滤网31和支架35。初级过滤网31安装在支架35的中间位置，支架35的两侧带有齿条37，起导轨的作用。清扫刷32安装在初级过滤网31的一侧，清扫刷32的刷头34紧帖初级过滤网31的表面。驱动电机33安装在除尘刷32上，与齿轮36相连，齿轮36与支架35两侧的齿条相配合37。

当清扫刷32对初级过滤网31进行自动清扫时，由驱动电机33驱动齿轮36沿齿条37方向运动，带动清扫刷32往复运动，从而实现清扫过滤网的功能。

本实施例提供了一种可运动的机械擦洗初级过滤网的技术方案的结构原理，在实际应用中要根据具体的结构要求进行设计，如进行防水设计、防淤塞设计，以提高机械和运动部件的可靠性。

实施例四：

按照本发明提供的技术方案实施的复合式双级膜生物反应器，其初级过滤器清洗装置，可以是气体吹扫装置，或水力冲洗装置，或机械擦洗装置，或振动清洗装置。

具体地，一种在初级过滤网的侧面设有可运动的气体吹扫装置或水力冲洗装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置或水力冲洗装置包括喷头、连接软管、导轨和驱动装置，2)连接软管的一端与喷头相通，另一端与鼓风机或增压泵相通；3)驱动装置可以驱动喷头沿导轨运动。

进一步地，将所述机械刷洗装置与前述气体吹扫装置或水力冲洗装置集成为一体，可以更有效地清除初级过滤网表面的堵塞物，减少初级过滤网的污染。

将应用本发明的复合式双级膜生物反应器，与现有技术的膜生物反应器进行对比试验，采用相同的反应器设计和运行条件(产液泵恒压运行)，差异仅在于生物反应池与膜分离池之间是否安装初级过滤网及清扫装置。试验结果如下：

1)如果对膜组件不进行曝气清洗和水反冲洗：30天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了34.6％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了2.9％；90天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了61.9％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了4.3％

2)如果对膜组件进行曝气清洗和水反冲洗：30天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了11.9％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了2.3％；90天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了19.5％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了3.7％。

试验结果表明，本发明提供的复合式双级膜生物反应器在膜分离之前增加初级过滤系统，将较大粒径的污泥絮凝体和颗粒物阻截在生物反应池内，显著降低了膜组件的污染，不仅可以延长膜组件的使用寿命，提高使用过程中的膜通量和产水量，而且可以减少清洗膜组件的曝气和反冲洗所需的能量和净水。

Claims (10)

1.一种复合式双级膜生物反应器，包括生物反应池、膜分离池和初级过滤器，其特征在于：

(1)所述生物反应池内设有能分解污染物的微生物；

(2)所述膜分离池内设有膜分离器件；

(3)污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器的过滤，再进入膜分离池由膜分离器件分离。

2.根据权利要求1所述的复合式双级膜生物反应器，所述生物反应池与膜分离池相邻设置，其特征在于，所述初级过滤器是设于生物反应池与膜分离池之间的初级过滤网。

3.根据权利要求2所述的复合式双级膜生物反应器，所述初级过滤网是双层或多层滤网，其特征在于，在双层滤网之间加有颗粒状、粉末状或块状的填料。

4.根据权利要求1所述的复合式双级膜生物反应器，设有所述初级过滤器的清洗装置，其特征在于，所述清洗装置是气体吹扫装置，或水力冲洗装置，或机械擦洗装置，或振动清洗装置。

5.根据权利要求4所述的复合式双级膜生物反应器，在初级过滤网的侧面设有气体吹扫装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置的喷头与初级过滤网的距离为0～0.5cm；2)所述气体吹扫装置从临近生物反应池的侧向出气。

6.根据权利要求4所述的复合式双级膜生物反应器，在初级过滤网的侧面设有可运动的机械擦洗装置，其特征在于：1)所述机械擦洗装置包括刷头、导轨和驱动装置，2)所述驱动装置可以驱动刷头沿导轨运动，对过滤网表面进行刷洗。

7.根据权利要求1所述的复合式双级膜生物反应器，其特征在于，生物反应池内的污水在水位压差作用下，经过初级过滤器的过滤，再进入膜分离池由膜分离器件分离。

8.根据权利要求1所述的复合式双级膜生物反应器，其特征在于，所述膜分离器件的过滤精度在0.01～1微米之间，所述初级过滤器的过滤精度在3～100微米之间。

9.根据权利要求1所述的一体式双级膜生物反应器，其特征在于，1)当膜分离器件的过滤精度在0.01～0.1微米之间时，初级过滤器的过滤精度在3～20微米之间；2)当膜分离器件的过滤精度在0.1～1微米之间时，初级过滤器的过滤精度在10～50微米之间。

10.根据权利要求1所述的复合式双级膜生物反应器，其特征在于，所述初级过滤器的滤材由金属滤网、尼龙滤网、陶瓷滤芯、微滤膜或无纺布制成。

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