CN103880263B - 一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法 - Google Patents

一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种动态膜-生物反应器的动态膜形成控制方法，涉及处理剩余污泥的分置浸没式厌氧动态膜-生物反应器的连续动态膜过滤模式。本发明的动态膜控制方法设置沼气循环的间歇操作模式，通过设置沼气循环的关闭与开启时间及沼气循环强度，达到控制动态膜增长与衰减速率的目的。本发明耦合了传统厌氧发酵与新型动态膜分离工艺，既可以在动态膜组件清洗时保证主体反应区的厌氧条件，又方便了传统厌氧发酵罐的升级改造；沼气循环的间歇操作模式可以限制动态膜的增长速率，并减少气体冲刷对动态膜的破坏，既提高了出水水质，又延长了物理清洗周期；与传统沼气循环模式相比，由于大量减少了循环模式开启的时间，达到了节能的效果，相同曝气强度条件下可节省气体循环能耗67-97%。

Description

一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法
技术领域
本项发明涉及一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法，实现厌氧动态膜-生物反应器在处理剩余污泥的过程中膜出水水质和膜污染控制的平衡，属于厌氧动态膜-生物反应器领域在剩余污泥处理方向的应用。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快和环境质量要求的提升，城镇污水处理能力也随之提高。大量污水处理厂的建设运行也伴随着大量剩余污泥的产生。以含水率80%计，按照预测，到2020年全国污泥总产生量将突破年6000万吨。由于我国污水处理厂建设存在严重的“重水轻泥”现象，导致大部分污泥未得到合理安全的处理处置。目前，我国污水处理厂总体上仍停留在污泥的浓缩脱水阶段，污泥在污水处理厂内未实现稳定化处理，存在二次污染的隐患。通过对剩余污泥的厌氧消化处理，不仅可以将污泥中部分有机组分转化为以甲烷为主要成分的沼气，同时还可以消灭致病微生物，限制了臭气的产生，实现了污泥的减量化、无害化和资源化目的。
与传统厌氧消化相比，在污泥的厌氧消化工艺中引入膜分离技术，可收到如下效果：污泥消化产物固液分离，消化液的悬浮颗粒少；将工艺的水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）解耦，运行方式灵活可控；由于HRT与SRT的分离，可实现污泥的同步浓缩消化效果，精简了传统厌氧消化工艺中的污泥浓缩步骤，节省占地。然而，采用微滤/超滤膜组件存在如下缺点：膜组件造价高昂，更换成本大；恒流操作模式下膜组件的瞬时通量通常只能维持在10 L/(m2·h)以下，且出水泵通常为间歇抽吸模式，因而平均通量更低；膜表面需要持续曝气以减缓膜污染，能耗较高。
在此背景下，动态膜技术可解决上述问题。在动态膜技术中，采用大孔廉价基材替代传统膜分离技术中的微滤/超滤膜，利用在大孔基材上形成的泥饼层起到过滤和截留作用。目前，国内专利关于厌氧动态膜的研究主要集中在污水处理领域，如厌氧动态膜生物污水处理工艺（公开号CN101333038）、一种厌氧动态膜反应器废水处理装置（公开号CN102951734A）等，但上述专利中并没有针对动态膜形成控制给予阐述。此外，关于厌氧动态膜-生物反应器在剩余污泥处理领域的专利应用尚未见报道。在剩余污泥的厌氧处理过程中，通常认为污泥的水解步骤是厌氧消化的限速步骤，因而与污水的厌氧处理相比，剩余污泥的厌氧消化过程需要更长的HRT以完成水解等步骤，且SRT的控制与污水的厌氧处理也存在差异。基于发酵底物、操作工况的不同，针对剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法亟待探索。
动态膜的形成可分为三阶段：快速形成、稳定增长和急剧增长（膜污染）阶段。与污水处理体系相比，在污泥厌氧消化体系内，污泥的悬浮固体浓度较高，在动态膜分离过程中，更多的污泥颗粒被膜截留，且污泥大量分泌的胞外聚合物粘附在膜表面，从而导致动态膜形成迅速进入到第三阶段。采用污泥消化产生的沼气循环冲刷膜表面，可以有效控制膜污染，但同时也会破坏动态膜的形成，使其处于动态膜形成的第一阶段，在此阶段内大量的固体颗粒通过大孔径基材，造成出水水质恶化。尤其在厌氧条件下，污泥的粒径通常低于好氧的情况，与好氧条件相比，动态膜的破坏更容易导致固液分离效果不佳。由此可见，如何控制动态膜形成，同时兼顾污染速率和出水水质成为一个难点问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种操作简便的适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法，以提升膜的清洗周期，适用于厌氧动态膜-生物反应器工艺，可在连续膜过滤条件下使用。
本发明提出的一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法，采用厌氧动态膜-生物反应器实现，所述厌氧动态膜-生物反应器采用分置浸没式的布置形式，由主体发酵区和动态膜分离区组成，其中动态膜分离区的有效体积仅为主体发酵区的3%；主体发酵区一侧上部设有进泥管1，一侧下部设有排泥管2，搅拌装置5插入主体发酵区，顶部设有气体计量装置6；动态膜分离区内设有沼气循环系统，动态膜分离区内设有动态膜组件7，所述动态膜组件7通过压力计8和管道连接出水泵9，所述沼气循环系统由隔膜真空泵10、气体流量计11和沼气扩散管12组成，动态膜组件7底部设有沼气扩散管12，动态膜分离区顶部通过隔膜真空泵10、气体流量计11和管道连接沼气扩散管12，所述隔膜真空泵10通过继电器控制；主体发酵区和动态膜分离区底部通过污泥回流泵3连接，主体发酵区和动态膜分离区中上部通过污泥回流管4连接；具体步骤为：剩余污泥由进泥管1进入厌氧动态膜-生物反应器，在主体发酵区经搅拌装置5搅拌混合；主体发酵区的污泥由回流污泥泵3进入动态膜分离区，经动态膜组件7固液分离后由污泥回流管4返回主体发酵区，出水经出水泵9抽吸，跨膜压差由压力计8计量；气体计量装置6显示厌氧动态膜-生物反应器的沼气产量；循环沼气由隔膜真空泵10提供，气体流量计11控制沼气循环强度，循环气经沼气扩散管12分散成气泡冲刷动态膜组件7表面，并在隔膜真空泵10的抽吸下完成循环；在沼气循环系统中，通过时间继电器控制隔膜真空泵10，形成沼气循环的间歇操作模式；
沼气循环的间歇操作模式步骤如下：
（1）在一个沼气循环间歇操作周期内，沼气循环系统按照隔膜真空泵先关闭后开启的时间顺序操作；
（2）在一个沼气循环间歇操作周期内，沼气循环系统内的隔膜真空泵关闭时间10分钟至10小时，开启时间1分钟至3小时；
（3）按动态膜分离区的升流区在水平方向上的投影面积计算沼气循环强度为25-50 m3/(m2·h)，若提高沼气循环强度，可适当降低沼气循环统内的隔膜真空泵的开启时间。
本发明中，所述沼气扩散管为穿孔管，所述动态膜组件为平板动态膜组件，所述动态膜材质可为锦纶筛网、尼龙筛网或不锈钢丝网，所述动态膜孔径为25~48 μm。
本发明中，动态膜分离区的污泥浓度（MLSS）为18-22 g/L。
本发明中，动态膜分离区采用连续膜过滤的方式运行；膜通量为10-20 L/(m2·h)。
本发明的原理是：动态膜的形成按照时间顺序可分为三阶段：快速形成、稳定增长和急剧增长（膜污染）阶段。若动态膜表面没有气体冲刷，在高污泥浓度的条件下，动态膜迅速进入第三阶段，尽管固液分离效果好，但污染速率快，难以长时间维持恒定通量；若对动态膜表面持续气体冲刷，则动态膜难以形成，长时间维持在第一阶段，污染阻力低，但出水水质差。因此，本发明对动态膜表面的气体冲刷采用间歇操作模式，通过调控气体冲刷时间间隔和冲刷强度，使动态膜组件在运行过程中维持在稳定增长阶段，控制动态膜的形成，达到平衡出水水质与污染速率的目的。通过隔膜真空泵，将系统产生的沼气作为冲刷气体，沼气在厌氧动态膜-生物反应器内部循环，无需外加厌氧气体，也不会对系统总产气量产生抑制作用。
本发明具有以下优点：
（1）采用分置浸没式厌氧动态膜-生物反应器的布局，耦合了传统厌氧发酵与新型动态膜分离工艺，既可以在动态膜组件清洗时保证主体反应区的厌氧条件，又方便了传统厌氧发酵罐的升级改造。
（2）沼气循环的间歇操作模式可以限制动态膜的增长速率，并减少气体冲刷对动态膜的破坏，使动态膜的形成维持在稳定增长阶段，兼顾了出水水质和膜污染速率的要求。
（3）沼气处于内部循环状态，不影响系统的总产气量；沼气循环强度属于膜-生物反应器的曝气强度范围内，即沼气循环强度并无增加；由于沼气循环开启时间较短，与传统沼气循环模式相比，相同曝气强度条件下可节省气体循环能耗67-97%。
附图说明
图1为分置浸没式厌氧动态膜-生物反应器工艺示意图；
图中标号：1为进泥管；2为排泥管；3为污泥回流泵；4为污泥回流管；5为搅拌装置；6为气体计量装置；7为动态膜组件；8为压力计；9为出水泵；10为隔膜真空泵；11为气体流量计；12为沼气扩散管。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1
采用图1所示的工艺处理城市污水处理厂剩余污泥。由主体发酵区和动态膜分离区组成，其中后者的有效体积仅为前者的3%。主体发酵区设有进泥管1、排泥管2、搅拌装置5和气体计量装置6；动态膜分离区设有动态膜组件7、压力计8、出水泵9和沼气循环系统，所述沼气循环系统由隔膜真空泵10、气体流量计11和沼气扩散管12组成；两个区域间由污泥回流泵3和污泥回流管4连接。剩余污泥由进泥管1进入反应器系统，在主体发酵区经搅拌装置5搅拌混合；主体发酵区的污泥由回流污泥泵3进入动态膜分离区，经动态膜组件7固液分离后由污泥回流管4返回主体发酵区，出水经出水泵9抽吸，跨膜压差由压力计8计量；气体计量装置6显示系统的沼气产量；循环沼气由隔膜真空泵10提供，气体流量计11控制沼气循环强度，循环气经沼气扩散管12分散成气泡冲刷动态膜组件7表面，并在隔膜真空泵10的抽吸下完成循环。在沼气循环系统中，通过时间继电器控制隔膜真空泵10，形成沼气循环的间歇操作模式。
将图1所示装置用于处理城市污水处理厂剩余污泥。进泥污泥浓度（MLSS）5-8 g/L，动态膜分离区的污泥浓度（MLSS）18-22 g/L。动态膜组件7采用涤纶网组件，孔径为39 μm，膜面积为0.038 m2，膜通量为15 L/(m2·h)，采用连续膜过滤的方式运行。采用发明方法运行，在一个沼气循环周期内，沼气循环关闭时间为20 min，开启时间为1 min，沼气循环强度为25 m3/(m2·h)。出水浊度小于100 NTU，出水MLSS小于80 mg/L（相同沼气循环强度下连续循环的出水浊度大于800 NTU，出水MLSS大于1 g/L），动态膜组件物理清洗周期为3-7天（无沼气循环模式下物理清洗周期小于1天）。
实施例2
采用图1所示的工艺处理城市污水处理厂剩余污泥。进泥污泥浓度（MLSS）5-8 g/L，动态膜分离区的污泥浓度（MLSS）18-22 g/L。动态膜组件7采用涤纶网组件，孔径为39 μm，膜面积为0.038 m2，膜通量为15 L/(m2·h)，采用连续膜过滤的方式运行。采用发明方法运行，在一个沼气循环周期内，沼气循环关闭时间为20 min，开启时间为3 min，沼气循环强度为25 m3/(m2·h)。出水浊度小于150 NTU，出水MLSS小于120 mg/L，动态膜组件物理清洗周期为5-10天。
实施例3
采用图1所示的工艺处理城市污水处理厂剩余污泥。进泥污泥浓度（MLSS）5-8 g/L，动态膜分离区的污泥浓度（MLSS）18-22 g/L。动态膜组件7采用涤纶网组件，孔径为39 μm，膜面积为0.038 m2，膜通量为15 L/(m2·h)，采用连续膜过滤的方式运行。采用发明方法运行，在一个沼气循环周期内，沼气循环关闭时间为20 min，开启时间为1 min，沼气循环强度为50 m3/(m2·h)。出水浊度小于160 NTU，出水MLSS小于140 mg/L，动态膜组件物理清洗周期为7-20天。
实施例4
采用图1所示的工艺处理城市污水处理厂剩余污泥。进泥污泥浓度（MLSS）5-8 g/L，动态膜分离区的污泥浓度（MLSS）18-22 g/L。动态膜组件7采用涤纶网组件，孔径为39 μm，膜面积为0.038 m2，膜通量为15 L/(m2·h)，采用连续膜过滤的方式运行。采用发明方法运行，在一个沼气循环周期内，沼气循环关闭时间为10 h，开启时间为30 min，沼气循环强度为50 m3/(m2·h)。出水浊度小于120 NTU，出水MLSS小于100 mg/L，动态膜组件物理清洗周期为4-7天。

Claims (4)

1.一种适用于剩余污泥厌氧消化的动态膜形成控制方法，其特征在于：采用适用于剩余污泥厌氧消化的厌氧动态膜-生物反应器实现，所述厌氧动态膜-生物反应器采用分置浸没式的布置形式，由主体发酵区和动态膜分离区组成，其中动态膜分离区的有效体积仅为主体发酵区的3%；主体发酵区一侧上部设有进泥管(1)，一侧下部设有排泥管(2)，搅拌装置(5)插入主体发酵区，顶部设有气体计量装置(6)；动态膜分离区内设有沼气循环系统，动态膜分离区内设有动态膜组件(7)，所述动态膜组件(7)通过压力计(8)和管道连接出水泵(9)，所述沼气循环系统由隔膜真空泵(10)、气体流量计(11)和沼气扩散管(12)组成，动态膜组件(7)底部设有沼气扩散管(12)，动态膜分离区顶部通过隔膜真空泵(10)、气体流量计(11)和管道连接沼气扩散管(12)，所述隔膜真空泵(10)通过继电器控制；主体发酵区和动态膜分离区底部通过污泥回流泵(3)连接，主体发酵区和动态膜分离区中上部通过污泥回流管(4)连接；具体步骤为：剩余污泥由进泥管(1)进入生物厌氧动态膜-生物反应器，在主体发酵区经搅拌装置(5)搅拌混合；主体发酵区的污泥由回流污泥泵(3)进入动态膜分离区，经动态膜组件(7)固液分离后由污泥回流管(4)返回主体发酵区，出水经出水泵(9)抽吸，跨膜压差由压力计(8)计量；气体计量装置(6)显示厌氧动态膜-生物反应器的沼气产量；循环沼气由隔膜真空泵(10)提供，气体流量计(11)控制沼气循环强度，循环气经沼气扩散管(12)分散成气泡冲刷动态膜组件(7)表面，并在隔膜真空泵(10)的抽吸下完成循环；在沼气循环系统中，通过时间继电器控制隔膜真空泵(10)，形成沼气循环的间歇操作模式；
沼气循环的间歇操作模式步骤如下：
（1）在一个沼气循环间歇操作周期内，沼气循环系统按照隔膜真空泵先关闭后开启的时间顺序操作；
（2）在一个沼气循环间歇操作周期内，沼气循环系统内的隔膜真空泵关闭时间10分钟至10小时，开启时间1分钟至3小时；
（3）按动态膜分离区的升流区在水平方向上的投影面积计算沼气循环强度为25-50 m3/(m2·h)，若提高沼气循环强度，可适当降低沼气循环系统内的隔膜真空泵的开启时间。
2.根据权利要求1所述的动态膜形成控制方法，其特征在于，动态膜组件(7)为平板动态膜组件，动态膜材质为锦纶筛网、尼龙筛网或不锈钢丝网，动态膜孔径为25~48 μm。
3.根据权利要求1所述的动态膜形成控制方法，其特征在于，动态膜分离区的污泥浓度为18-22 g/L。
4.根据权利要求1所述的动态膜形成控制方法，其特征在于，动态膜分离区采用连续膜过滤的方式运行；膜通量为10-20 L/(m2·h)。
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