CN104355507B - 分置式厌氧膜生物‑膜蒸馏技术组合的污水处理系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分置式厌氧膜生物‑膜蒸馏技术组合的污水处理系统及工艺，污水处理系统包括进水池、厌氧膜生物反应池、膜蒸馏系统、出水池与可编程逻辑主控系统，其中进水池与厌氧膜生物反应池通过第一水管相连，第一水管上设置进水泵，所述厌氧膜生物反应池与膜蒸馏系统通过第二水管相连，第二水管上设置真空压力表和蠕动泵，所述膜蒸馏系统与出水池通过第五水管相连，可编程逻辑主控系统连接控制整个污水处理系统。本发明解决了现有的厌氧膜生物反应池出水中有机物、磷、氮等去除不彻底，无法达到国家排放标准且后续深度处理如反渗透技术等能耗、成本高的问题。

Description

分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统及工艺

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统及工艺。

背景技术

膜生物反应池(Membrane Bioreactor，MBR)是近年来最具发展空间以及应用前景的工艺之一，它是一种将膜分离技术与生物处理技术相结合的高效的污水处理新工艺。按照其是否需氧又分为好氧和厌氧膜生物反应池。厌氧膜生物反应池(Anaerobic MembraneBioreactor，AnMBR)以膜过滤代替了传统活性污泥中的沉淀池，可以实现水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的分离，解决了传统方法中的污泥膨胀问题。目前，厌氧膜生物反应池通常采用微滤膜(MF)，但是该系统操作控制因素相对较为复杂，且单一的厌氧生物处理系统处理后的出水难以达到国家一级排放标准或是回用水标准，如出水中化学需氧量(COD)含量通常为100-300mg/L，且无法有效去除水中的氮和磷等物质，因此多与好氧处理抑或是纳滤(NF)、反渗透(RO)相结合。

近年来，随着膜分离技术的发展，纳滤膜、反渗透膜等技术已逐渐取代传统的离子交换、电渗析除盐技术，成为纯水制造，城市、工业污废水深度回用处理的常用技术。反渗透可以与厌氧膜生物反应池相结合用于污水处理，但反渗透膜技术理论产水率虽有75％，实际只有60％多，同时产出的浓盐水直接排放，不仅浪费大量宝贵水资源，且严重污染环境。而且，现有的浓盐水淡化技术能耗高、专业的基础设施价格昂贵，因此国内外进行了大量的研究以探索新型的经济、高效、节能的浓盐水淡化技术。

膜蒸馏过程的推动力是膜两侧的水蒸气压差，一般是通过膜两侧的温度差来实现。膜蒸馏是基于气液平衡及传热传质原理的热驱动过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，进料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，之后在膜的低温侧冷凝为液态，而非挥发性盐分留在热侧进料液中，从而实现了分离的目的。与反渗透等方法相比，选择采用膜蒸馏与厌氧膜生物反应池相结合的方法不但受高浓度盐水的影响小，而且水的总回收率显著提高。

膜蒸馏技术兼具膜法和蒸馏法的优点。其优点在于：一是膜蒸馏浓缩过程在常压下进行，设备简单，操作方便；二是在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，由于仅有水蒸气能透过疏水膜孔，因此所产生的水质十分纯净；三是盐浓度以及浓差极化对膜蒸馏影响与反渗透相比微不足道，可以处理极高浓度无机盐的水溶液，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态。同时，厌氧膜生物反应池与膜蒸馏处理系统结合，其运行成本低于厌氧膜生物反应池与反渗透组合工艺的成本。目前国内未见有公开的厌氧膜生物反应池与膜蒸馏技术相结合的污水处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统及工艺，具有能耗低，剩余污泥产量少的特点，且可以稳定、高效地去除污水中的有机物、氮、磷以及无机金属离子等。

本发明的技术方案是：

一种分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统，包括进水池、厌氧膜生物反应池、膜蒸馏系统、出水池与可编程逻辑主控系统，其中进水池与厌氧膜生物反应池通过第一水管相连，第一水管上设置进水泵，所述厌氧膜生物反应池与膜蒸馏系统通过第二水管相连，第二水管上设置真空压力表和蠕动泵，所述膜蒸馏系统与出水池通过第五水管相连，可编程逻辑主控系统连接控制整个污水处理系统。

所述的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述厌氧膜生物反应池包括温控仪、液位控制仪、pH仪、氧化还原电位/温度仪、气体收集系统、膜组件、气体流量计、隔膜泵、曝气管、气体导管；温控仪、液位控制仪、pH仪、氧化还原电位/温度仪均接有接触探头且深入到厌氧膜生物反应池液面以下，气体收集系统通过导管与厌氧膜生物反应池的出气口连接，膜组件竖直设置在厌氧膜生物反应池的反应池中，气体导管通过厌氧膜生物反应池的上端出气口将气体导出并与下端曝气管相连，曝气管设置在反应池中膜组件的下部，气体流量计和隔膜泵设置在气体导管上。

所述的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述膜蒸馏系统包括热侧恒温槽、电导率测控仪、热侧流量计、热侧磁力循环泵、热侧进水温度仪、膜蒸馏组件、热侧出水温度仪、第三循环水管，所述热侧恒温槽与膜蒸馏组件的外侧通过第三循环水管相连形成可循环回路；所述电导率测控仪的接触探头且深入到热侧恒温槽液面以下，所述热侧流量计、热侧磁力循环泵、热侧进水温度仪、热侧出水温度仪均设置在第三循环水管上。

所述的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述膜蒸馏系统还可以包括冷侧出水温度仪、冷侧恒温槽、冷侧流量计、冷侧磁力循环泵、冷侧进水温度仪、第四循环水管，所述冷侧恒温槽与膜蒸馏组件的内侧通过第四循环水管相连形成可循环回路；所述冷侧流量计、冷侧磁力循环泵、冷侧进水温度仪、冷侧出水温度仪均设置在第四循环水管上。

以上所述的分置式厌氧膜生物‐膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述膜蒸馏组件为中空纤维膜组件，其膜丝内部中空部分为内侧，膜丝外部膜丝间空隙部分为外侧。

以上所述的分置式厌氧膜生物‐膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述循环回路的连接方式为热侧恒温槽的出口与膜蒸馏组件热侧入口相连接，膜蒸馏组件热侧出口与热侧恒温槽入口相连接。

以上所述的分置式厌氧膜生物‐膜蒸馏技术组合的污水处理系统，所述形成循环回路的方式为冷侧恒温槽的出口与膜蒸馏组件冷侧入口相连接，膜蒸馏组件冷侧出口与冷侧恒温槽入口相连接。

以上所述的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，所述厌氧膜生物反应池在室温下工作，控制温控仪温度为20-30℃，所述气体收集系统中的沼气进行回收，通过小型沼气锅炉，燃烧后产生高压蒸汽用于膜蒸馏系统中热侧恒温槽的加热。

以上所述的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，进行污水处理时膜蒸馏系统通过电导率测控仪进行实时监控，电导率上升到30-45ms/cm时投加药剂，形成磷酸盐沉淀。

以上所述的分置式厌氧膜生物‐膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，进行污水处理时膜蒸馏系统中的热侧恒温槽保持温度在50‐60℃，经加热后泵入到膜蒸馏组件中膜丝或膜面的外侧，热侧磁力循环泵保持热侧循环流速为0.3‐0.8m/s，冷侧恒温槽保持温度在15‐25℃，制冷后的水泵入到膜蒸馏组件中膜丝的内侧，冷侧磁力循环泵保持冷侧循环流速为0.1‐0.3m/s，膜蒸馏组件中的热侧与冷侧的溶液逆流运行。

本发明的与现有技术相比其有益效果是：

1.本发明与单一的厌氧膜生物反应池相比，本工艺可以稳定、高效地处理污水，总磷、总氮、有机物的去除率可以达到99％、98％、98％以上，同时对钙、镁等离子的去除率达到99％以上。处理后的污水可以达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅳ类水标准，其中高锰酸盐指数≤10mg/L，化学需氧量(COD)≤30mg/L，五日生化需氧量(BOD₅)≤6mg/L，氨氮(NH₃-N)≤1.5mg/L，总磷(以P计)≤0.3mg/L，总氮(以N计)≤1.5mg/L。

2.膜蒸馏过程在常压下进行，且与传统蒸馏设备相比，无蒸馏池腐蚀问题，设备简单、占地小且易于操作，造价低。

3.本发明的厌氧膜生物系统不需要供给氧气，故节省了曝气能耗，且运行过程中会产生沼气，从气体收集系统中回收利用的沼气可以通过小型沼气锅炉，燃烧后产生高压蒸汽用于膜蒸馏系统中热侧恒温槽的加热，降低了能耗，同时节省了运行成本。

4.本发明中的厌氧膜生物系统与膜蒸馏系统采用分置式而非浸没式，避免了膜蒸馏中的膜与微生物的接触，故可以避免膜产生生物污染，从而大大延长了膜蒸馏组件的寿命；同时在热侧设置电导率测控仪进行实时监控，避免膜蒸馏组件因沉淀物积聚而形成结垢，进一步延长了膜蒸馏组件的使用寿命。

附图说明

图1是实施例1中分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统的示意图；其中1为进水池，28为第一水管，2为进水泵，11为厌氧膜生物反应池，3为温控仪，4为液位控制仪，5为pH仪，6为氧化还原电位/温度仪，7为气体收集系统，10为膜组件，12为气体流量计，13为隔膜泵，14为曝气管，33为气体导管，29为第二水管，8为真空压力表，9为蠕动泵，34为膜蒸馏系统，15为热侧恒温槽，16为电导率测控仪，17为热侧流量计，18为热侧磁力循环泵，19为热侧进水温度仪，20为膜蒸馏组件，21为热侧出水温度仪，22为冷侧出水温度仪，23为冷侧恒温槽，24为冷侧流量计，25为冷侧磁力循环泵，26为冷侧进水温度仪，27为出水池，30为第三循环水管，31为第四循环水管，32为第五水管，35为可编程逻辑主控系统。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的分置式厌氧膜生物-膜蒸馏技术组合的污水处理系统示意图，包括进水池1、厌氧膜生物反应池11、膜蒸馏系统34、出水池27与可编程逻辑主控系统35，其中进水池1与厌氧膜生物反应池11通过第一水管28相连，第一水管28上设置进水泵2，所述厌氧膜生物反应池11与膜蒸馏系统34通过第二水管29相连，第二水管29上设置真空压力表8和蠕动泵9，所述膜蒸馏系统34与出水池27通过第五水管32相连，可编程逻辑主控系统35连接控制整个污水处理系统。

本实施例中厌氧膜生物反应池11包括温控仪3、液位控制仪4、pH仪5、氧化还原电位/温度仪6、气体收集系统7、膜组件10、气体流量计12、隔膜泵13、曝气管14、气体导管33；温控仪3、液位控制仪4、pH仪5、氧化还原电位/温度仪6均接有接触探头且深入到厌氧膜生物反应池11液面以下，气体收集系统7通过导管与厌氧膜生物反应池11的出气口连接，膜组件10竖直设置在厌氧膜生物反应池11的反应池中，气体导管33通过厌氧膜生物反应池11的上端出气口将气体导出并与下端曝气管14相连，曝气管14设置在反应池中膜组件10的下部，气体流量计12和隔膜泵13设置在气体导管33上。

本实施例中膜蒸馏系统34包括热侧恒温槽15、电导率测控仪16、热侧流量计17、热侧磁力循环泵18、热侧进水温度仪19、膜蒸馏组件20、热侧出水温度仪21、第三循环水管30，所述热侧恒温槽15与膜蒸馏组件20的外侧通过第三循环水管30相连形成可循环回路，具体为热侧恒温槽15的出口与膜蒸馏组件20热侧入口相连接，膜蒸馏组件20热侧出口与热侧恒温槽15入口相连接；所述电导率测控仪16接有接触探头且深入到热侧恒温槽15液面以下，所述热侧流量计17、热侧磁力循环泵18、热侧进水温度仪19、热侧出水温度仪21均设置在第三循环水管30上，其中所述膜蒸馏组件20为中空纤维膜组件，其膜丝内部中空部分为内侧(即出水侧)，膜丝外部膜丝间空隙部分为外侧(即进水侧)。

以上膜蒸馏系统34还包括冷侧出水温度仪22、冷侧恒温槽23、冷侧流量计24、冷侧磁力循环泵25、冷侧进水温度仪26、第四循环水管31，所述冷侧恒温槽23与膜蒸馏组件20的内侧通过第四循环水管31相连形成循环回路，具体为冷侧恒温槽23的出口与膜蒸馏组件20冷侧入口相连接，膜蒸馏组件20冷侧出口与冷侧恒温槽23入口相连接；所述冷侧流量计24、冷侧磁力循环泵25、冷侧进水温度仪26、冷侧出水温度仪22均设置在第四循环水管31上。

以上污水处理系统的工作原理和过程为：进水池1内的污水通过进水泵2进入到厌氧膜生物反应池11中进行生物降解，反应池中产出的气体一部分通过气体收集系统7回收利用，一部分通过气体导管33经曝气管14排出以对膜进行冲洗，污水经膜组件10的截留作用由蠕动泵9抽吸出水，进入到膜蒸馏系统34中的热侧恒温槽15；热侧污水经过热侧恒温槽15加热后泵入到膜蒸馏组件20中膜丝的外侧；同样冷侧水也经过冷侧恒温槽23冷却后泵入到膜蒸馏组件20中膜丝的内侧；热侧和冷侧逆流运行使污水通过膜蒸馏作用得到处理，热侧循环和冷侧循环均是通过磁力泵实现；冷侧的出水通过第五水管32排入到出水池27中；整个处理系统最终与可编程逻辑主控系统35相连，以进行数据采集和系统操控。

本实施例中膜蒸馏组件20中的膜采用疏水性膜，购买美国GE公司的OSMONICS中空纤维膜，材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，孔径0.3微米。

本实施例中整个污水处理系统与可编程逻辑主控系统35相连，通过实时采集数据分析，获取膜通量等状态，实现对整个处理系统进行操控；液位控制仪4用以控制进水泵2的开关；

本实施例中曝气管14的排气孔均匀分布。如此设置，可使气体有效冲刷膜表面，减缓膜污染。

本实施例在进行实际污水处理过程中，厌氧膜生物反应池11在室温下工作，实际操作中控制温控仪3温度在20-30℃，如此设置，模拟了处理生活污水的实际环境；膜组件10中的膜采用平板膜，直接购买美国Membrane-Solutions公司的平板膜，材质为聚四氟乙烯(PTFE)，孔径0.45微米。气体收集系统7采用集气罐，直接购买中国大连海得科技有限公司生产的不锈钢集气瓶(配压力表)，采用二端针形阀，容积为2L，气体收集系统7中的沼气进行回收，通过小型沼气锅炉，燃烧后产生高压蒸汽用于膜蒸馏系统34中热侧恒温槽15的加热。pH仪5控制pH在6.8-7.5之间。如此设置，保证了厌氧生物降解过程的顺利进行。

进行污水处理时膜蒸馏系统34中的热侧恒温槽15保持温度在50-60℃，经加热后泵入到膜蒸馏组件20中膜丝或膜面的外侧，热侧磁力循环泵18保持热侧循环流速为0.3-0.8m/s，如此设置，可以保证膜通量处于最佳状态。冷侧恒温槽23保持温度在15-25℃，制冷后的水泵入到膜蒸馏组件20中膜丝的内侧，冷侧磁力循环泵25保持冷侧循环流速为0.1-0.3m/s，如此设置，既不会带来过多能耗，又可以保证膜通量处于最佳状态。膜蒸馏组件20中的热侧与冷侧的溶液逆流运行。膜蒸馏系统34通过电导率测控仪16进行实时监控，电导率上升到30-45ms/cm时投加药剂，形成磷酸盐沉淀，避免膜蒸馏组件20形成结垢。

对本实施例中的污水处理系统进行了污水处理试验，其中进水池1中的污水水质参数为：化学需氧量浓度为300-500mg/L，总氮为30-50mg/L，总磷为5-10mg/L。如此设置，模拟了典型的生活污水的水质。经整个装置处理后，出水的化学需氧量浓度<10mg/L，总氮浓度<1mg/L，总磷浓度<0.1mg/L，同时钙、镁等离子在出水中几乎检测不到，处理效果好。

Claims (7)

1.分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统，其特征在于，包括进水池（1）、厌氧膜生物反应池（11）、膜蒸馏系统（34）、出水池（27）与可编程逻辑主控系统（35），其中进水池（1）与厌氧膜生物反应池（11）通过第一水管（28）相连，第一水管（28）上设置 进水泵（2），所述厌氧膜生物反应池（11）与膜蒸馏系统（34）通过第二水管（29）相连，第二 水管（29）上设置真空压力表（8）和蠕动泵（9），所述膜蒸馏系统（34）与出水池（27）通过第 五水管（32）相连，可编程逻辑主控系统（35）连接控制整个污水处理系统；所述厌氧膜生物反应池（11）包括温控仪（3）、液位控制仪（4）、pH 仪（5）、氧化还原电位 / 温度仪（6）、气体收集系统（7）、膜组件（10）、气体流量计（12）、隔膜泵（13）、曝气管（14）、气体导管（33）；温控仪（3）、液位控制仪（4）、pH 仪（5）、氧化还原电位 / 温度仪（6）均 接有接触探头且深入到厌氧膜生物反应池（11）液面以下，气体收集系统（7）通过导管与厌 氧膜生物反应池（11）的出气口连接，膜组件（10）竖直设置在厌氧膜生物反应池（11）的反 应池中，气体导管（33）通过厌氧膜生物反应池（11）的上端出气口将气体导出并与下端曝 气管（14）相连，曝气管（14）设置在反应池中膜组件（10）的下部，气体流量计（12）和隔膜 泵（13）设置在气体导管（33）上；

所述膜蒸馏系统（34）包括热侧恒温槽（15）、电导率测控仪（16）、热侧流量计（17）、 热侧磁力循环泵（18）、热侧进水温度仪（19）、膜蒸馏组件（20）、热侧出水温度仪（21）、第三 循环水管（30），所述热侧恒温槽（15）与膜蒸馏组件（20）的外侧通过第三循环水管（30） 相连形成可循环回路 ；所述电导率测控仪（16）的接触探头且深入到热侧恒温槽（15）液面以下，所述热侧流量计（17）、热侧磁力循环泵（18）、热侧进水温度仪（19）、热侧出水温度仪 （21）均设置在第三循环水管（30）上；所述膜蒸馏系统（34）还包括冷侧出水温度仪（22）、冷侧恒温槽（23）、冷侧流量 计（24）、冷侧磁力循环泵（25）、冷侧进水温度仪（26）、第四循环水管（31），所述冷侧恒温槽 （23）与膜蒸馏组件（20）的内侧通过第四循环水管（31）相连形成可循环回路 ；所述冷侧流 量计（24）、冷侧磁力循环泵（25）、冷侧进水温度仪（26）、冷侧出水温度仪（22）均设置在第 四循环水管（31）上。

2.根据权利要求 1所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件（20）为中空纤维膜组件，其膜丝内部中空部分为内侧，膜丝外部膜丝间空隙部分为外侧。

3. 根据权利要求1所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统，其特 征在于，所述循环回路的连接方式为热侧恒温槽（15）的出口与膜蒸馏组件（20）热侧入口 相连接，膜蒸馏组件（20）热侧出口与热侧恒温槽（15）入口相连接。

4.根据权利要求 1 所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统，其特征在于，所述形成循环回路的方式为冷侧恒温槽（23）的出口与膜蒸馏组件（20）冷侧入口相连接，膜蒸馏组件（20）冷侧出口与冷侧恒温槽（23）入口相连接。

5.权利要求 1 所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，其特征在于，所述厌氧膜生物反应池（11）在室温下工作，控制温控仪（3）温度为20-30℃，所述气体收集系统（7）中的沼气进行回收，通过小型沼气锅炉，燃烧后产生高压蒸 汽用于膜蒸馏系统（34）中热侧恒温槽（15）的加热。

6. 权利要求 1所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，其特征在于，进行污水处理时膜蒸馏系统（34）通过电导率测控仪（16）进行实时监控，电导率上升到 30-45ms/cm 时投加药剂，形成磷酸盐沉淀。

7.权利要求 1所述的分置式厌氧膜生物 - 膜蒸馏技术组合的污水处理系统的处理工艺，其特征在于，进行污水处理时膜蒸馏系统（34）中的热侧恒温槽（15）保持温度在 50-60℃，经加热后泵入到膜蒸馏组件（20）中膜丝或膜面的外侧，热侧磁力循环泵（18）保 持热侧循环流速为 0.3-0.8m/s，冷侧恒温槽（23）保持温度在 15-25℃，制冷后的水泵入到 膜蒸馏组件（20）中膜丝的内侧，冷侧磁力循环泵（25）保持冷侧循环流速为 0.1-0.3m/s，膜 蒸馏组件（20）中的热侧与冷侧的溶液逆流运行。