CN104591374A - 一种新的向水中充氧的装置 - Google Patents
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Abstract
一种向水中充氧的装置，利用微孔膜的特性，曝气时增加气水接触面积和接触时间，提高了向水中充氧的氧利用率，节省曝气电能消耗，充氧能力强，可适应单位体积的高氧负荷的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种向水中充氧的装置，特别涉及污水处理过程中为微生物提供溶解氧。
背景技术
好氧生化处理工艺是污水处理的主要工艺过程，微生物种群利用水中的溶解氧降解污水中的有机污染物。工艺曝气设备的氧利用率和污泥浓度的高低影响到污水处理厂占地、工程投资及运行费用。曝气设备产生的气泡大则相同曝气量时相对气液两相接触面积小，气泡在液相停留的相对时间短，大部分氧随气泡逸出水面。近年来污水处理领域致力于设法减小气泡的直径，增加气液接触停留时间和面积，取得一定效果。微孔曝气器相比于其它散流式及大、中气泡的鼓风曝气扩散设备具有溶解氧利用率高、服务面积大、节省鼓风机运行电耗的优点。但随着膜生物反应器等以高浓度絮状活性污泥为主的好氧工艺的发展和以好氧颗粒污泥为主的污水处理新技术的开发，这些工艺技术中反应器中污泥浓度要远远高于普通活性污泥法，氧的需求量也就更大，如果还是从增加曝气量的方法来解决，不仅要增加动力消耗和设备费用，还会产生大量泡沫，影响生化反应系统和固液分离系统的正常运转。近年新开发的生化工艺膜——曝气生物膜反应器MABR 采用一种新颖的供氧方式，气相中的空气或纯氧在透气性致密膜如硅橡胶膜或微孔膜如疏水性聚合膜的管腔内流动，而液相中的废水在管外流动，在膜两侧氧分压差的推动下，管腔内的氧透过膜面或膜壁上的微孔扩散进入管外的液体中，在保持氧分压低于泡点压力的情况下，可实现向生物反应器的无泡供氧。膜曝气生物膜反应器MABR是以生物膜生长到膜组件上使氧直接以分子状态扩散进入生物膜直接对生物膜供氧为目的，追求接近100%的氧利用率和高的生物膜活性。但是为解决反应器内由于流量不均衡和传质能力较差的缺点需要增加动力消耗来提高反应器内的液体流速，实际上节能效果不明显。
发明内容
为了提高水中充氧的氧利用率，节省曝气电能消耗，适应单位体积高的氧负荷，本发明提供一种与目前曝气设备运行原理不同的新发明——一种新的向水中充氧的装置。
实现本发明的技术方案是：在鼓风充氧系统中，由微孔膜充氧组件与压力调节装置组成的充氧装置，通过压力调节装置的压力调节，使作用到具体微孔膜充氧组件的供气压力周期变化，微孔膜充氧组件的工作过程包括：气泡产生及膨胀过程，在曝气时的某个时段气泡在微孔膜的表面产生并不断膨胀，但膨胀的过程使绝大多数的气泡不脱离微孔膜表面逸入水中；气泡维持过程，用供气的压力维持气泡的膨胀状态，该状态下气泡的大小和形状因为外界因素不断改变而变化，供气压力调整过程中气泡最大膨胀程度也使绝大多数的气泡不脱离微孔膜表面逸入水中；气冲洗过程，周期性地在气泡维持过程中增加供气压力，气泡快速膨胀使大部分在微孔膜表面的气泡迅速脱离微孔膜表面进入水中。下面是微孔膜充氧组件工作的原理。气体自微孔膜表面以气泡形式进入液体时有以下特点：只有当气体的压力大于膜孔内的毛细管压力和表面张力之和时，液体才能被压出膜孔，也就是说具有起泡点压力。膜的材质、膜的结构、孔径大小、表面张力、温度都是起泡点压力的影响因素。其中膜的亲水性/憎水性对起泡点压力和生物粘附性都有影响；孔径愈小则压缩空气通过而产生气泡所需的压力愈高。气泡脱离微孔膜组件进入水体过程包括气泡膨胀过程和脱离过程，在一定压力范围内气泡可以一直不脱离膜表面。脱离前气泡具有很大的比表面积。气泡维持过程气泡的大小和形状因为以下因素不断改变：由于供气增压设备固有频率的运行导致供气管道压力的不断变化；好氧池水位变化带来的微孔膜表面的压力变化；由于气流、水流等在膜表面的流动导致的内外压差的变化，这些引起了气泡的膨胀或收缩。供气的压力调整过程应使气泡最大膨胀程度时绝大多数的气泡不脱离微孔膜表面逸入水中，这要求膜组件具有一定的起泡点压力。而气泡维持过程的气泡收缩则可以使气泡很小，甚至可以使气泡缩小到微孔膜表面无明显气泡；气冲洗过程排出低氧浓度的气体的同时实现微孔膜的冲洗。气冲洗过程之后通过压力调节又进入气泡维持过程。
上述过程都伴随气相中的氧传递到水中，水中的二氧化碳等析出到气相中的传质过程。本发明注重微孔膜表面的气泡维持过程，提供大面积的气液接触表面，并且接触表面在不断的更新，更加快了氧在气液两相中的传递，又因为过程中很少或没有气泡逸入液体中并最终排入大气，这样极大的延长了气液接触的时间，有效地提高了氧的利用率，节省了曝气电能消耗。单位面积充氧能力的提高可以通过在立面上增加微孔膜充氧组件的高度或单位体积内微孔膜充氧组件的数量来实现，充氧能力可以适应好氧颗粒污泥等生化工艺单位容积很高氧负荷的需求。在污水处理的好氧曝气过程中应用以上原理可以提高氧的利用率，适应某些生化工艺单位体积氧负荷很高的需要，并节省曝气电能消耗，这就是本发明的核心内容。
上述微孔膜充氧组件的气体用于污水处理曝气过程可以是纯氧气，可以是空气，也可以是氧气和空气同时使用。气体在微孔膜充氧组件内的流动方向可以是水平方向也可以是竖直方向，也可以是其它方向，竖直方向的流动使膜组件结构更简单、微孔膜充氧组件受力更好且反清洗更容易，是较好的选择。微孔膜充氧组件的供气管道可以位于微孔膜充氧组件的上部、下部和其他部位，都在本发明的保护范围。如有尾气管道，则其安装方位可以在微孔膜充氧组件的上部、下部和其他部位，布置最好与供气管道的方向相反，可以稍微提高氧的利用率。
实现上述过程所需的压力控制的方法有很多，其中在微孔膜充氧组件供气管进行压力提前调节的方法和在微孔膜充氧组件后增加一路尾气排放管道，尾气排放管道上串联一个尾气调压装置的方法都比较合理，这两种方法可单独也可同时应用。 在微孔膜充氧组件供气管进行压力调节较好的方法是采用自力式减压阀取阀后压力进行调节，也可以采用压力传感器与调节阀联动进行压力调节，采用风机供气时还可以采用对风机变频调节的方式。在微孔膜充氧组件后的尾气调压装置可以间歇或连续排放尾气，较好的形式有：采用有间歇开关或开度变化作用的机械装置进行调节，采用卸压阀进行调节，采用压力传感器与调节阀联动进行调节，也可以采用限流孔板进行调节。气冲洗过程增加压力的方法可以采用在微孔膜充氧组件供气管上的供气前调压装置旁路并联一个反洗控制阀，反冲洗过程打开此阀，以增加供气压力的方法，也可以采用把气冲洗气源通过空气辅助冲洗管道与微孔膜充氧组件上与供气进口处于位置相对的尾气排放管相连，进行气冲洗的方法，后一种方法在管道配置上更加合理。以上具体调压方式的说明不缩小本发明的保护范围。
在微孔膜充氧组件后串联一个尾气调压装置通过排出部分气体降低微孔膜充氧组件内的压力。尾气调压装置排出低氧浓度的尾气可以直接排入大气，也可以通入底部辅助曝气装置进一步利用低氧浓度尾气中的残余氧气进行充氧，同时也增强了好氧池内的搅拌作用并加强了对微孔膜充氧组件表面的冲刷。
本发明的微孔膜可以采用中空纤维丝状膜、中空纤维帘式膜、平板膜的形式，也可以采用其它形式的膜组件。中空纤维帘式膜和平板膜由于表面较规则，微生物附着后更容易脱附。采用中空纤维丝状膜和中空纤维帘式膜时，单根膜丝的断面积很小，即使少量膜丝断开或破裂也对整体的氧利用率和充氧能力影响不大。
本发明的微孔膜材料可以是亲水性的，也可以是憎水性的，也可以采用憎水性膜外敷硅胶涂层来提高起泡点压力。亲水膜的生物附着性较差，对于膜污染有更好的抗性，但起泡点压力较高。憎水膜起泡点压力较低，可通过减小膜孔的当量直径增加膜的起泡点压力。
作为本发明的进一步改进，采用成膜技术使同样的供气压力下不同深度的相同孔径的微孔在水下可以同时膨胀，而且在气冲洗过程中同时脱离膜表面进入水中。这就要使微孔膜充氧组件上微孔的使起泡点压力在横向上大致相等，起泡点压力在深度方向按照上大下小逐渐变化，两个微孔的起泡点压力差值与这两个孔由水深差值而引起的水压差值基本相等。要达到这样的效果可以通过以下方式的一种或几种实现：一是利用微孔膜成孔技术使微孔膜充氧组件的微孔孔径自上而下逐渐变大，使起泡点压力差值与膜孔所处的水压差值接近；二是利用微孔膜成膜技术使有均匀膜孔径的微孔膜充氧组件的壁厚上厚下薄，以实现起泡点压力的变化；三是通过硅胶等材料做微孔膜的薄膜涂层，且依靠涂层厚度上厚下薄的渐变来实现起泡点压力的变化；四是通过微孔膜内通道阻力的变化来实现起泡点压力的变化。
作为本发明的进一步改进，可以间歇把微孔膜充氧组件作为MBR出水过滤装置，出水时利用池内压力自流或利用MBR出水泵抽吸出水，使曝气和出水间歇轮换运行。
本发明的有益效果是充氧的氧利用率高，节省曝气电能消耗，充氧能力强，可适应高的污泥负荷，方便实现自动冲洗，满足曝气系统稳定运行的需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的工艺原理图。
图2是本发明的第一个实施例的工艺流程图。
图3是本发明的第二个实施例的工艺流程图。
图4是本发明的微孔膜充氧组件的一个实施例。
图5是本发明的微孔膜充氧组件的第二个实施例。
以上附图中：1.好氧池，2.气体过滤器，3.供气前调压装置，4.供气管道，5. 微孔膜充氧组件，6.尾气排放管，7. 尾气调压装置，8. 底部辅助曝气装置，9. 反洗控制阀，10.供气切断阀，11.膜组件排气管道，12. 膜组件排气阀，13. 尾气切断阀，14.空气辅助冲洗管道，15. 风机，16.MBR出水管道，17.MBR出水泵，18.调节阀，19.压力传感器， 20.限流孔板，21.上部集气管，22.中空纤维膜丝，23.下部集气管，24.供气口，25.尾气口，26.中空纤维帘式膜。
具体实施方式
在图1中，来自氧气或空气供应设备的气体经气体过滤器（2）去除气体中细小颗粒物，经供气前调压装置（3）的压力调节经过供气管道（4）进入安装在好氧池（1）内的微孔膜充氧组件（5）进行鼓泡充氧。随着气压的升高，充氧进入气泡产生及膨胀过程，气泡在微孔膜的表面产生后并不断膨胀。其后用供气的压力维持气泡的膨胀状态但大部分气泡不脱离微孔膜的表面为气泡维持过程。气泡维持过程进行一段时间后气体中的氧气含量降低而二氧化碳含量增高，此时增加供气压力，使气泡快速膨胀，使大部分附着在微孔膜表面的气泡脱离微孔膜表面进入水中，快速排出的低氧浓度气体实现了微孔膜的冲洗，之后通过压力调节又进入气泡维持过程。图中的供气前调压装置（3）是采用取阀后压力的减压阀的形式做说明，也可以采用其它结构形式。尾气调压装置（7）采用的是卸压阀的形式做说明，也可以采用其它结构形式。在微孔膜充氧组件（5）前面和后面调节这两种方法可以单独使用，也可联合使用，目的都是使调节后的压力正好使微孔膜充氧组件（5）在鼓泡充氧过程中表面产生气泡并使气泡尺寸维持在一个范围内但大部分气泡不逸入水中。使用尾气调压装置（7）的方式进行调节时，可以使尾气经尾气排放管（6）上的尾气调压装置（7）调节压力后排入底部辅助曝气装置（8），进一步利用低氧浓度尾气的残余氧气并增强好氧池（1）内的混合搅拌作用并起到对微孔膜充氧组件（5）表面的冲刷作用。图中所示的气冲洗过程增加压力的方法是两种：一种是在微孔膜充氧组件（5）的供气管道（4）上的供气前调压装置（3）旁路并联一个反洗控制阀（9），反冲洗过程打开此阀，以增加供气压力进行气冲洗；另一种是把经过气体过滤器（2）过滤的气冲洗气源通过空气辅助冲洗管道（14）与微孔膜充氧组件的尾气排放管（6）相连进行气冲洗，二者选一就行。
图2是用氧气供气、空气作为其气冲洗气源的工艺流程。来自氧气供应设备的氧气经气体过滤器（2）去除气体中细小颗粒物，经供气前调压装置（3）的调节通过供气管道（4）进入安装在好氧池（1）内的微孔膜充氧组件（5）进行鼓泡充氧。气冲洗时空气通过风机（15）、空气辅助冲洗管道（14）与微孔膜充氧组件相连，进行气冲洗。图中的供气前调压装置（3）是采用取阀后压力的减压阀的形式，气体过滤器（2）安装在风机（15）前对空气中的小颗粒进行过滤。其中气冲洗气源也可以与氧气进同一个口，本图只是把氧气、空气的进口分别设置在微孔膜充氧组件（5）的前后端，不缩小发明的保护范围。
图3是用空气供气、空气作为其冲洗气源、微孔膜充氧组件同时作为出水过滤装置的工艺流程。来自风机（15）的空气经风机（15）进口的气体过滤器（2）去除气体中细小颗粒物，经供气前调压装置（3）的压力调节经过供气管道（4）进入安装在好氧池（1）内的微孔膜充氧组件（5）进行鼓泡充氧。经充氧后的尾气氧含量降低，经尾气排放管（6）上的尾气调压装置（7）调节压力后排入底部辅助曝气装置（8）进一步利用低氧浓度的尾气的残余氧气充氧并增强好氧池（1）内的混合搅拌作用并对微孔膜充氧组件（5）表面的冲刷。好氧池（1）出水时先关闭供气切断阀（10），打开膜组件排气管道（11）上的膜组件排气阀（12）排出膜组件内的空气，再把膜组件排气阀（12）和尾气切断阀（13）关闭后通过微孔膜充氧组件（5）的MBR出水管道（16）上的MBR出水泵（17）抽吸出水。出水过程可以打开风机（15），通过与风机相连的底部辅助曝气装置（8）为膜提供表面冲洗所用的空气。图中的供气前调压装置（3）是采用调节阀（18）与其后的压力传感器（19）进行联锁控制的形式，尾气调压装置（7）采用的是限流孔板（20）的形式。气冲洗过程增加压力的方法是通过控制程序使调节阀（18）的开度增大，达到增压的目的。用风机供气时，以上供气压力调节也可以采用对风机变频控制的方法来实现。
图4是微孔膜充氧组件的一种结构形式实例，微孔膜充氧组件的顶部和底部为互相平行且水平放置的上部集气管（21）和下部集气管（23），且位于同一竖直的平面内，上部集气管（21）的底部和下部集气管（23）的顶部各开一合适长度的水平槽，水平槽上下相向，相同长度的中空纤维膜丝（22）的两端开口且用环氧树脂等材料单排或多排整齐地封在上部集气管（21）和下部集气管（23）之间的槽内，槽的内外由于密封而在槽部位互不连通，每根纤维丝的上口与下口正好位于上部集气管（21）和下部集气管（23）内，起到连通上部集气管（21）和下部集气管（23）的作用。上部集气管（21）的一端封闭，另一端通过供气口（24）与供气管道相连，下部集气管的一端封闭，另一端通过尾气口（25）与尾气排放管相连，这两个口的功能可互换。
图5是微孔膜充氧组件的另一种结构形式实例，微孔膜充氧组件（5）的顶部和底部为互相平行且水平放置的上部集气管（21）和下部集气管（23），且位于同一竖直的平面内，上部集气管（21）的底部和下部集气管（23）的顶部各开一合适长度的水平槽，水平槽上下相向，矩形中空纤维帘式膜（26）的两端用环氧树脂等材料规整地封在上部集气管（21）和下部集气管（23）之间的槽内，槽的内外由于密封而在槽部位互不连通，每根膜内孔的上口与下口正好位于上部集气管（21）和下部集气管（23）内，起到连通上部集气管（21）和下部集气管（23）的作用。上部集气管（21）的一端封闭，另一端通过供气口（24）与供气管道相连，下部集气管的一端封闭，另一端通过尾气口（25）与尾气排放管相连，这两个口的功能可互换。
上述实施例仅提供可以实现本发明目的的某一种具体方式，根据本发明的原理采用其它任何形式的变形及组合不脱离本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种向水中充氧的装置，由供气调节单元及充氧组件组成，其特征是：由微孔膜充氧组件（5）与压力调节装置组成的充氧装置，使作用到具体微孔膜充氧组件（5）的供气压力周期变化，使微孔膜充氧组件（5）的工作过程包括：气泡产生及膨胀过程，在曝气时的某个时段气泡在微孔膜的表面产生并不断膨胀，但膨胀的过程使绝大多数的气泡不脱离微孔膜表面逸入水中；气泡维持过程，用供气的压力维持气泡的膨胀状态，该状态下气泡的大小和形状因为外界因素不断改变而变化，供气压力调整过程中气泡最大膨胀程度也使绝大多数的气泡不脱离微孔膜表面逸入水中；气冲洗过程，周期性地在气泡维持过程中增加供气压力，气泡快速膨胀使大部分在微孔膜表面的气泡迅速脱离微孔膜表面进入水中。
2.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的前端有供气前调压装置（3）调节供气压力。
3.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的后端有尾气调压装置（7）调节供气压力。
4.根据权利要求3所述的充氧装置，其特征是尾气调压装置（7）与底部辅助曝气装置（8）相连接。
5.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的膜组件主要结构部件是中空纤维帘式膜。
6.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的膜组件主要结构部件是中空纤维丝状膜。
7.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的膜组件主要结构部件是平板膜。
8.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是富氧气体作为供气气源，空气作为气冲洗的气源。
9.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）作为MBR出水过滤装置。
10.根据权利要求1所述的充氧装置，其特征是微孔膜充氧组件（5）的微孔具有以下特征：起泡点压力在横向上的大致相等，在深度方向按照上大下小逐渐变化，两个微孔的起泡点压力差值与这两个孔由水深差值而引起的水压差值基本相等。
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