CN103693739A - 一体化气升内环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，整个装置外形呈圆柱体，装置结构分为主反应区、气液分离区、动态膜反应区及回流区四个部分。本装置通过装置底部的空气扩散系统提供动力，实现由生物强化膨润土与活性污泥组成的混合液在装置内部各区域的循环流动，并在此过程中，由于溶解氧浓度的不同，在装置内实现好氧/缺氧/厌氧各分区的动态平衡，分别进行有机物氧化，脱氮除磷等反应，完成进水中污染物质的去除。在混合液的循环过程中，部分混合液在动态膜反应区完成固液分离，而且由于装置内特有的推流为主，完全混合为辅的流体流态，从而达到有效控制膜污染的目的。本发明具有污染物去除效率高、系统运行稳定、占地面积小等优点。

Description

一体化气升内环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置。

背景技术

我国的水资源总量较为可观，但人均水资源占有量非常小，其中居住区用水量巨大。于此同时，居住区内的中水处理及雨水的回收利用近年来越来越普及，其设计和建造工程形成了一个广阔的产业，合理设计并利用雨水与建造中水，对居住区的给水、排水和杂用水进行平衡，预计可以使居住区用水量减10%到40%，排水量减少15%到50%，既可以减少生活污水的污染，增加居住区雨水的调蓄能力及减少居住区的雨水面源污染，也能大大减少居住区的水资源浪费现象，具有非常巨大的经济价值和社会效益，值得大力推广。

动态膜是指由一些大孔径网膜材料与某种固体悬浮物或胶体溶液在一定条件下通过这些网膜材料时所形成的分离层，其中大孔径网膜材料主要起到支撑作用，而实际起到分离污染物或活性污泥作用的则是动态膜中的分离层。分离层具有分离污水中污染物及微生物的作用，一般由涂层材料或污水中的微生物及其代谢产物附着在支持层上形成的，或由两者共同组成。动态膜是分离膜中比较特殊的一种，因其具有渗透通量大且易于清洗的优点受到广泛关注，是一种很有应用前景的新型固液分离技术。

针对我国大部分居住区内的雨水与建筑中水的原水水质情况，提出在处理装置中投加生物强化膨润土作为微生物载体，形成吸附、生物降解和动态膜分离相结合的新型雨水与建筑中水处理工艺，最大限度减少雨水与建筑中水中的污染物质含量。该装置具有广阔的应用前景，尤其适合在城市居住小区的雨水及建筑中水的处理与回用中推广应用。

发明内容

本发明结合了气升内环流反应器与动态膜反应器的技术特点。气升内环流反应器具有气液之间交换好，反应效率高及占地面积小的特点，但同时也存在由于内部紊流流态过于强烈，如果沉淀池与气升内环流反应器合建的话，存在固液分离效果不佳的问题。而动态膜反应器固液分离好，但是也存在动态形成的动态膜容易堵塞，从而膜容易污染，降低固液分离效率的问题。从结合两者反应器的优点，克服彼此的缺点出发，提供一种混合液混合效率高，动态膜表面紊流强烈，动态膜不易堵塞，整个反应区内混合液循环状况好的气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置。

本发明提出的一种气升环流生物强化膨润土动态膜雨水及建筑中水处理装置，所述装置为由装置内壁5和装置外壁6构成的圆柱体结构，所述装置分为主反应区13、气液分离区14、动态膜反应区15及回流区16四个部分，其中：

主反应区13为圆柱体结构，为装置内壁5所包含的内部区域，主反应区13底部分别连接有进水管1和放空管1，进水管1通过三通与放空管2连接；主反应区13内下部设有空气扩散装置3，空气扩散装置3通过管道和气体流量控制阀连接第一鼓风曝气机4；主反应区13顶部与气液分离区14连接，底部与回流区16连接；主反应区13主要起到进水与装置内部混合液混合的作用，及在此区域主要进行有机物降解、硝化和好氧吸磷等好氧反应；

气液分离区14为圆柱体结构，气液分离区14底部分别与主反应区13和动态膜反应区15相连，顶部敞开与大气连通，气液分离界面为自由界面，分离界面以上设有装置超高线12；气液分离区14起到整个装置内混合液的气液分离作用；

动态膜反应区15为中空圆柱体结构，位于装置内壁5与装置外壁6之间的上部区域，所述区域内按圆环状布置有动态膜支撑结构9，在动态膜支撑结构9上面，是由生物强化膨润土及活性污泥共同形成的动态膜，动态膜支撑结构9顶部连接有顶管10，顶管10一端连接有出水管11，用于整个装置的处理后出水，动态膜支撑结构9底部连接有底管8，底管8通过管道和流量控制阀连接第二鼓风曝气机7，用于动态膜的空气反冲洗，流经动态膜表面的混合液由动态膜的过滤作用实现固液分离；动态膜反应区15主要起到混合液泥水分离的作用；

回流区16呈中空圆柱体结构，位于装置内壁5与装置外壁6之间的下部区域，其顶部与动态膜反应区15连接，回流区16底部与主反应区13底部相通；回流区16主要起到混合液回流的作用，及在此区域主要进行反硝化脱氮和厌氧释磷等厌氧/缺氧反应。

雨水或建筑中水进入主反应区13底部，与回流区16回流的混合液混合，经曝气，装置内壁5内部形成的区域、装置内壁5和装置外壁6之间形成的区域两者之间产生密度差，形成混合液在装置内部循环；接着混合液进入气液分离区14，完成气液分离；然后进入动态膜反应区15，完成泥水分离；最后进入回流区16，混合液经回流区16底部直接进入主反应区13底部，实现装置的混合液回流。

本发明中，所述装置中投加生物强化膨润土，生物强化膨润土主要由孔径为0.2-0.5微米的大孔膨润土组成，平均BET比表面积为0.3356m²/g。

本发明中，所述装置中通过投加生物强化膨润土后，装置内的混合液浓度为3000-5000mg/L。

本发明中，所述装置的主反应区13和回流区16的有效容积之比为1:1~3:1。

本发明中，所述动态膜组件的膜污染主要通过装置内的特有的推流为主，完全混合为辅的混合液流态所控制。

与已有装置相比，本发明的有益效果体现在：

1）本装置根据气升环流反应器的气液传质、混合液环流及动态膜反应器的气液分离的特点，创新地采取“混合液搅拌、提升、回流与动态膜表面膜污染控制相结合”的形式，与现有的动态膜反应器中动态膜分离组件中膜污染的控制手法完全不同，主要通过气升环流形成的推流流态为主，完全混合流态为辅的紊流流态来控制膜污染，而且动态膜反应区15设置在气体分离区14之后，本身此区域也是一般气升内环流反应器的搅拌混合强烈的区域，因此既达到了混合液搅拌混合，气液分离效果好，反应效率高的效果，而且由于此区域内的流速梯度及水力剪切作用，有利于动态膜表面的更新，从而控制膜污染；

2）研发了一种同时能适用于雨水及建筑中水处理的一体化反应器，适用于居住小区中的雨水及建筑中水处理与回用。该装置具有一体化的特点，除本装置外无需再设置初次沉淀池与二次沉淀池，占地面积小，运行维护简单，反应效率高；

3）本装置即克服了气升环流反应器由于内部紊流强烈，从而造成固液分离区域需要单独设置的不足，又满足了为了有效控制膜污染，需要动态膜表面流态混合强烈的要求；

4）本装置采取从装置底部进水，从装置的动态膜反应区15出水，可实现局部完全混合、整体推流的流态，从而既保证了混合和传质效果，又提高了反应效率；

5）本装置内部构件少，易于加工制作，运行维护简便，加工和运行成本低；

6）本装置内无机械装置，消除了机械搅拌对混合液的剪切破坏作用，大大地增强了活性污泥絮体的活力，并有利于后续的固液分离。

附图说明

图1 为一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水及中水处理装置的主视图。

图2 为一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水及中水处理装置的俯视图。

图中标号：1为进水管，2为放空管，3为空气扩散装置，4为第一鼓风曝气机，5为装置内壁，6为装置外壁，7为第二鼓风曝气机，8为底管，9为动态膜支撑结构，10为顶管，11为出水管，12为装置超高，13为主反应区，14为气液分离区，15为动态膜反应区，16为回流区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：如图1-图2所示，一体化气升内环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，外形呈圆柱体，包括：主反应区13、气液分离区14、动态膜反应区15及回流区16，其中：

主反应区包括进水管1、放空管12、空气扩散装置3及混合反应区域。主反应区底部分布有进水管1与放空管2，进水管1与放空管2之间由三通连接，进水管1连接流量控制阀，放空管2连接球阀。主反应区13以空气扩散装置3为界，其下部区域为主反应区13与回流区16连通区域，主要起到进水与混合液混合的作用，其上为主反应区13的主体反应区域，主要起到发生好氧反应进行水处理的作用。 空气扩散装置3给本装置提供空气，主要起到为整个装置的供氧、搅拌及产生装置内壁5的内外密度差，从而形成混合液环流的作用；主反应区13顶部与气液分离区14连接，底部与回流区16底部连接；

气液分离区14位于整个装置的上部区域，气液分离区14底部一端与主反应区13连通，一端与动态膜反应区15相连，同时，气液分离区14顶部与大气连通，气液分离区14的自由水面以上有装置超高12，以免装置运行过程中内部的混合液溢出，气液分离区14主要进行装置内混合液的气液分离；

动态膜反应区15主要包括动态膜支撑结构9，其顶部与气液分离区14相连，底部与回流区16连接。动态膜是在装置的运行过程中，由于过滤作用，由生活强化膨润土与活性污泥为主体，在动态膜支撑结构9上面自然形成，动态膜支撑结构9由不锈钢滤网组成；装置内混合液通过动态膜的过滤作用实现泥水分离，过滤后出水通过动态膜支撑结构9顶部的顶管10连接出水管11出水排放，而动态膜支撑结构9底部连接有底管8，底管8一端连接空气进气管及流量控制阀，用于动态膜的空气反冲洗；动态膜在整个装置的运行过程中，循环进行动态膜形成到动态膜反冲洗这一系列过程； 

回流区16顶部连接动态膜反应区15，底部与主反应区13的底部相连，回流区16主要起到混合液回流的作用，同时由于混合液溶解氧在前述区域的消耗，在此区域中溶解氧浓度已经非常低，主要进行缺氧/厌氧水处理反应。

经过本装置处理后的雨水与建筑中水，能够满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》中对水质要求最严格的车辆冲洗水质标准要求。

将上述装置用于建筑小区的雨水与建筑中水处理，设计水量20m ³ /d。

如图1-图2所示，装置中投加生物强化膨润土，生物强化膨润土主要由孔径为0.2-0.5微米的大孔膨润土组成，平均BET比表面积0.3356m²/g。

进水管1管径为80mm，放空管2管径为200mm，出水管11的管径为80mm。

主反应区13的混合液停留时间为5h，气液分离区14与动态膜反应区15的水力停留时间为0.5h，回流区16的水力停留时间为3.5h，对应的有效容积分别为12.5m³、1.25 m³及8.75 m³；气液分离区14的装置高度12为0.5m。

装置中通过投加生物强化膨润土后，装置内的混合液浓度为3000-5000mg/L。

空气扩散装置3及动态膜气反冲洗系统都由第一鼓风曝气机5提供空气；空气扩散装置3为穿孔管曝气，穿孔管为下半部斜45°开孔；动态膜气反冲洗系统为沿动态膜支撑系统9的不锈钢滤网上均匀布置。

装置内强烈的推流与完全混合想结合的流态，可以完全控制动态膜上的膜污染，有利于装置持续稳定的运行。

动态膜过滤后出水随着装置的运行，分为自流出水及出水泵抽吸出水两个阶段。

本装置的具体运行过程如下：

小区雨水或者建筑中水通过雨水调蓄池或者中水调节池后泵入本装置的主反应区13底部，与回流区16回流的混合液立即混合，由于此区域内强烈的紊流作用，进水与回流混合液马上达到完全混合形成新的混合液以下称混合液。混合液经过此区域后，经过空气扩散装置3，空气扩散装置3往本装置内充入空气，由此使被装置内壁5分割的装置内外两个区域形成密度差，从而推动混合液在反应器内形成循环，混合液在装置内呈推流为主，完全混合为辅的流态流动。同时，由于空气扩散装置3的曝气充氧作用，使装置的主反应区13中的溶解氧浓度升高，达到溶解氧平均2mg/L以上的浓度，从而主反应区13成为好氧的状态，混合液在主反应区13内进行有机物降解、氨氮硝化和好氧吸磷等好氧反应。

经过主反应区13后，混合液进入气液分离区14，在此，经过空气扩散装置3充入的空气与混合液进行气液分离，经气液分离后的混合液直接进入动态膜反应区15，动态膜反应区15中有在动态膜支撑结构9上面自然形成的由生物强化膨润土及活性污泥为主体的动态膜，混合液流经动态膜的表面，由于动态膜的过滤作用，部分混合液经过动态膜完成固液分离的过程，经过固液分离后的处理后出水经出水管11排出装置外，同时由于动态膜良好的过滤作用，SS、有机物及氮磷等污染物质也能够得到部分的去除。

由于装置内特有的推流及完全混合相结合的流态，可以使在动态膜支撑结构9表面形成的动态膜达到稳定的状态，而且还能够较好的控制膜污染，使一个动态膜的过滤周期延长，而且由于装置内主流的流态是推流式，也可以避免在完全混合式反应器中，动态膜经常被过强的气流所破坏的问题。

在装置运行过程中，动态膜过滤出水随着动态膜的形成分成两个阶段，在动态膜形成的初期，装置内自由液面与出水管11之间的液位差可以满足动态膜的过滤水头，因此，在本阶段装置出水为自流出水；随着动态膜的逐渐形成、稳定，动态膜的过滤水头逐渐增大，超过装置内自由液面与出水管11之间的液位差，此时装置切换为通过出水泵抽吸出水，此时的出水水头由出水泵与液位差两部分组成；随着装置进一步运行，动态膜达到过滤终点，动态膜已经发生堵塞，此时装置切换为通过空气进行动态膜气反冲洗，反冲洗结束后即可出水，循环运行。

动态膜反应区15中的动态膜膜表面随着反应的进行，会形成厚厚的一层滤饼层，膜堵塞严重，导致出水困难，此时需要进行气反冲洗，方式：关闭泵出水电磁阀与自流出水电磁阀，打开反冲空气阀，同时关闭进水水泵，确保装置中的混合液不至溢出。反冲结束后，打开泵出水电磁阀与自流出水电磁阀，关闭反冲空气阀，打开进水电磁阀。此时动态膜未形成，出水不达标，出水先排入雨水调蓄水池或者建筑中水的调节池，等装置运行一段时间后，动态膜完全形成并稳定，装置正常出水。以上过程均通过微电脑控制电磁阀自动运行。反冲洗采用的是气冲，即利用空气冲洗振动破坏已堵塞的动态膜。整个运行过程中，膜底部的曝气不停止，出水也不停止。反冲洗下来的动态膜滤饼层沉到池底，系统在运行一定时间后，污泥量逐渐增多，根据污泥的增殖量，每天排除多余的剩余污泥。

混合液经过动态膜反应区15后，进入回流区16，在此区域中，由于前述区域溶解氧的消耗，此区域的溶解氧浓度已经非常低，以至于在回流区16的下部接近于零，在整个回流区16中呈现缺氧/厌氧的状态，因此，在此区域中主要进行反硝化脱氮和厌氧释磷等缺氧/厌氧反应，混合液经过回流区16的底部直接进入主反应区13的底部，从而实现装置的混合液回流。

在一个反应周期内，混合液在本装置中经历了无数个好氧、缺氧及厌氧的反应过程，类似于氧化沟的处理原理，因此对雨水与建筑中水中的污染物质去除效果好，同时由于动态膜过滤良好的过滤作用的存在，本装置的处理后出水水质优良。

在将本装置应用于建筑中水处理中，进水为建筑小区的优质杂排水，进水水质为BOD₅为80~100mg/L、SS为80~100mg/L、浊度为5~65，≤1；出水水质为BOD₅≤10mg/L、SS≤3mg/L、浊度≤1，出水完全满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》的标准要求。

Claims (5)

1.一种一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，所述装置为由装置内壁(5)和装置外壁(6)构成的圆柱体结构，所述装置分为主反应区（13）、气液分离区（14）、动态膜反应区（15）及回流区（16）四个部分，其特征在于：

主反应区（13）为圆柱体结构，为装置内壁（5）所包含的内部区域，主反应区（13）底部分别连接有进水管（1）和放空管（1），进水管（1）通过三通与放空管（2）连接；主反应区13内下部设有空气扩散装置（3），空气扩散装置（3）通过管道和气体流量控制阀连接第一鼓风曝气机(4)；

气液分离区（14）为圆柱体结构，气液分离区（14）底部分别与主反应区（13）和动态膜反应区（15）相连，顶部敞开与大气连通，气液分离界面为自由界面，分离界面以上设有装置超高（12）；

动态膜反应区（15）为中空圆柱体结构，位于装置内壁（5）与装置外壁（6）之间的上部区域，所述区域内按圆环状布置有动态膜支撑结构（9），在动态膜支撑结构（9）上面，是由生物强化膨润土及活性污泥共同形成的动态膜，动态膜支撑结构（9）顶部连接有顶管（10），顶管（10）一端连接有出水管（11），用于整个装置的处理后出水，动态膜支撑结构（9）底部连接有底管（8），底管（8）通过管道和流量控制阀连接第二鼓风曝气机(7)，用于动态膜的空气反冲洗，流经动态膜表面的混合液由动态膜的过滤作用实现固液分离；

回流区（16）呈中空圆柱体结构，位于装置内壁（5）与装置外壁（6）之间的下部区域，其顶部与动态膜反应区（15）连接，回流区（16）底部与主反应区（13）底部相通；

雨水或建筑中水进入主反应区(13)底部，与回流区(16)回流的混合液混合，经曝气，装置内壁(5)内部形成的区域、装置内壁(5)和装置外壁(6)之间形成的区域两者之间产生密度差，形成混合液在装置内部循环；接着混合液进入气液分离区(14)，完成气液分离；然后进入动态膜反应区(15)，完成泥水分离；最后进入回流区(16)，混合液经回流区(16)底部直接进入主反应区(13)底部，实现装置的混合液回流。

2.根据权利要求1 所述的一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，其特征在于所述生物强化膨润土主要由孔径为0.2-0.5微米的大孔膨润土组成，平均BET比表面积为0.3356m²/g。

3.根据权利要求1 所述的一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，其特征在于控制装置内主反应区（13）的混合液浓度为3000-5000mg/L。

4.根据权利要求1 所述的一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，其特征在于主反应区（13）和回流区（16）的有效容积之比为1:1~3:1。

5.根据权利要求1 所述的一体化气升环流生物强化膨润土动态膜雨水或建筑中水处理装置，其特征在于动态膜的膜污染主要通过装置内特有的推流为主，完全混合为辅的混合液流态所控制。

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