CN103387317A - 一体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，提供一种新型的一体式双级膜生物反应器，包括至少一个生物反应池，生物反应池中设有初级过滤器和膜分离器件，膜分离器件置于所述初级过滤器的内部。初级过滤器在生物反应池与膜分离器件之间构成一个隔离的内池，污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器过滤后才能进入内池，再进入膜分离器件进行分离。本发明提供的一体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。

Description

一体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，特别涉及一种一体式膜生物反应器，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“一种预防分置式MBR平板膜污染的方法”(201210027325.X)提出一种预防分置式MBR平板膜污染的方法，在膜组件箱中增加底部和顶部筛网，筛网之间加入颗粒填料，使其在膜组件中循环搅动。虽然该方案在膜组件外设有筛网，但筛网孔径为2mm，因此并不能阻截污泥絮凝体和颗粒物与膜表面的接触，其目的在于通过颗粒填料的搅动弥补普通曝气对于膜表面剪切力的不足，提高对于膜表面的清洗作用。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术中一体式(也称浸没式、淹没式)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：

一种一体式双级膜生物反应器，包括至少一个生物反应池，其特征在于：(1)所述生物反应池中设有初级过滤器和膜分离器件；(2)所述膜分离器件置于所述初级过滤器的内部；(3)污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器过滤后，再进入膜分离器件进行分离。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，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的壳体，其特征在于，所述壳体的侧面和/或顶面、底面设有初级过滤网。具体地，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的壳体，所述壳体的侧面和顶面封闭、在壳体的底面设有初级过滤网；或者，所述壳体的顶面和底面封闭，在壳体的侧面设有初级过滤网。

优选地，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的筒体，其特征在于：1)所述筒体的顶部开口，且开口位置高于生物反应池的液面高度；2)所述壳体的侧面和/或底面设有初级过滤网。这种结构便于拆卸和更换初级过滤网，而且筒体顶部与外界空气相通，便于空气吹扫。

所述的一体式双级膜生物反应器，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，所述一体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，气体吹扫装置喷头与初级过滤网的距离为0～1.0cm。

优选地，所述一体式双级膜生物反应器设有可运动的气体吹扫装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置包括喷头、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；4)所述初级过滤器的顶部开口，或设有排气管。

优选地，所述一体式双级膜生物反应器，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，对所述初级过滤器的滤网表面进行刷洗，可以更有效地降低生物污泥对初级过滤器的污染。

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。

优选地，所述一体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5～50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5～25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。

本发明提供的一体式双级膜生物反应器的技术方案，通过初级过滤器将一体式生物反应池中的膜组件与大粒径污染物分隔，将富含微生物的活性污泥和大分子截留在初级过滤器之外，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一体式膜生物反应器的原理图。

图2所示为一种一体式双级膜生物反应器的原理图。

图3所示为另一种一体式双级膜生物反应器的原理图。

具体实施方式

实施例一：

一种现有技术的一体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一体式双级膜生物反应器的原理图。

一种一体式双级膜生物反应器，包括生物反应池201，生物反应池201中设有初级过滤器208和膜分离器件202。初级过滤器208是设于膜分离器件202外部的壳体，壳体的侧面和顶面封闭，在壳体的底面设有初级过滤网209。膜分离器件202置于初级过滤器208的内部。初级过滤器在生物反应池与膜分离器件之间构成一个密闭隔离的壳体，生物反应池内的污水必须通过初级过滤网才能进入壳体内部。污水从进水口203进入生物反应池201由微生物分解处理后，经过初级过滤网209过滤后，在产液泵204的负压作用下从出水口205排出。

本实施例中，初级过滤器壳体的侧面和顶面封闭，只在底面设初级过滤网，使污泥不容易在初级过滤网沉积堵塞，而且能改善生物反应器污水的停留时间分布。但根据设计需要，在初级过滤器壳体的侧面和/或顶面、底面都可以设有初级过滤网，也可以将壳体的顶面和底面封闭、在壳体的侧面设有初级过滤网。

一体式双级膜生物反应器还设有初级过滤网的清洗装置，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。

本实施例中，在生物反应池201、初级过滤网209的下侧设有气体吹扫装置307。空气在鼓风机206的作用下，由气体吹扫装置207喷向初级过滤网209进行吹扫，初级过滤器的顶部设有排气管。生物反应池内还设有曝气装置，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。进一步地，所述的一体式双级膜生物反应器可以设置可运动的机械擦洗装置(该机构未在附图2中表示)，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，对所述初级过滤器的滤网表面进行刷洗。

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1～100微米之间。

一体式双级膜生物反应器中的流体动力学规律与外置式、复合式膜生物反应器内完全不同，其污染形成与控制机理的差异也很大。初级过滤器的过滤精度对于一体式双级膜生物反应器的性能影响很大。对于一体式双级膜生物反应器，试验研究表明：1)当初级过滤器的过滤精度小于5微米时，对于膜组件产水量和水质的影响非常有限，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50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。基于试验研究结果，优选地，所述初级过滤器的过滤精度在5～50微米之间。

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，试验周期和工作量很大，其结果也非常复杂。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。而当使用超滤膜作为膜分离器件时，初级过滤器的过滤精度在3～30微米之间变化时，对超滤膜表面污染的影响并不大。

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5～25微米的效果较好。显然，不同类型的污水、前处理工艺和微生物类型对该结论的影响很大，但有意义的是，只要对于初级过滤器的清洗及时有效，这一主要基于流体力学影响的关系就比较合理和有效。而相对传统膜生物反应器中膜组件的清洗来说，对于初级过滤器的清洗甚至更换则要简便的多。

本实施例提出的外壳型初级过滤器，特别适合应用于平板式膜组件、管式膜组件的一体式膜生物反应器。

实施例三：

附图3是另一种一体式双级膜生物反应器的原理图。

一种一体式双级膜生物反应器，包括生物反应池301，生物反应池301中设有初级过滤器308和膜分离器件302。初级过滤器308是设于膜分离器件302外部的简体，筒体的顶部开口，且开口位置高于生物反应池的液面高度。在所述筒体的侧面和底面设有初级过滤网309。膜分离器件302置于初级过滤器308的内部。初级过滤器在生物反应池与膜分离器件之间构成一个隔离的内池，生物反应池内的污水必须通过初级过滤网才能进入筒体内部。污水从进水口303进入生物反应池301由微生物分解处理后，经过初级过滤网309过滤后，在产液泵304的负压作用下从出水口305排出。

一体式双级膜生物反应器还设有初级过滤网的清洗装置，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。本实施例中，在生物反应池301、初级过滤网309的侧方(下侧)设有气体吹扫装置307。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306的作用下，由气体吹扫装置307喷向初级过滤网309进行吹扫。生物反应池内还设有曝气装置，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。为简化工艺，曝气装置与气体吹扫装置与曝气装置可以集成为一体。

进一步地，所述气体吹扫装置可以设有运动机构，包括喷头、连接软管、导轨和驱动装置，连接软管的一端与喷头相通、另一端与鼓风机相通。初级过滤器的顶部开口，或设有排气管。驱动装置驱动喷头沿导轨运动，对初级过滤网进行吹扫清洗，可以更有效地去除过滤网表面的污染物。

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1～100微米之间。优选地，所述初级过滤器的过滤精度在10～50微米之间。

本实施例提出的滤筒型初级过滤器，特别适合应用于中空纤维式、圆盘式膜组件的一体式膜生物反应器，及对现有膜生物反应器的技术改造。

将应用本发明的一体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41.7％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了3.6％；90天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了73.0％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了5.8％

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16.2％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了3.1％；90天后现有技术的膜生物反应器的产水量降低了25.4％，而本实施例的膜生物反应器的产水量只降低了4.9％。

试验结果表明，本发明提供的一体式双级膜生物反应器在膜分离之前增加初级过滤系统，有效地阻截了较大粒径的污泥絮凝体和颗粒物，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)

1.一种一体式双级膜生物反应器，包括至少一个生物反应池，其特征在于：

(1)所述生物反应池中设有初级过滤器和膜分离器件；

(2)所述膜分离器件置于所述初级过滤器的内部；

(3)污水在生物反应池由微生物分解处理后，经过初级过滤器过滤后，再进入膜分离器件进行分离。

2.根据权利要求1所述的一体式双级膜生物反应器，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的壳体，其特征在于，所述壳体的侧面和/或顶面、底面设有初级过滤网。

3.根据权利要求2所述的一体式双级膜生物反应器，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的壳体，其特征在于：所述壳体的侧面和顶面封闭、在壳体的底面设有初级过滤网，或者所述壳体的顶面和底面封闭，在壳体的侧面设有初级过滤网。

4.根据权利要求1所述的一体式双级膜生物反应器，所述初级过滤器是设于所述膜分离器件外部的筒体，其特征在于：1)所述简体的顶部开口，且开口位置高于生物反应池的液面高度；2)所述筒体的侧面和/或底面设有初级过滤网。

5.根据权利要求1所述的一体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。

6.根据权利要求5所述的一体式双级膜生物反应器，设有可运动的气体吹扫装置，其特征在于：1)所述气体吹扫装置装置包括喷头、连接软管、导轨和驱动装置，2)连接软管的一端与喷头相通，另一端与鼓风机相通；3)驱动装置可以驱动喷头沿导轨运动；4)所述初级过滤器的顶部开口，或设有排气管。

7.根据权利要求5所述的一体式双级膜生物反应器，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，对所述初级过滤器的滤网表面进行刷洗。

8.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，所述膜分离器件的过滤精度在0.01～1微米之间，初级过滤器的过滤精度在5～50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5～25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所述的一体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、毡布或无纺布制成。

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