CN104743666B - 一种新型低能耗一体化a2/o-mbr反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的一种低能耗一体化A2/O‑MBR反应器，其构型为反应池池体中心对称布置两组导流板，导流板之间所夹区域的垂直截面呈倒置漏斗形状，其中心形成好氧区(包括膜单元区和曝气区)，两侧形成下降区(即厌氧/缺氧区)；该构型可充分利用曝气能量，既提高了对膜表面水力冲刷效果，又能使好氧区及缺氧/厌氧区之间得到充分的水力循环；通过交换流量控制阀调整好氧区和下降区之间水体循环流量，不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用电动三通阀的简易变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上，上述项技术叠加，曝气量可降低至原来的25‑30％。因此该反应器具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点。
Description
技术领域
新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器，涉及一种优化构型的MBR反应器，充分利用曝气能量，既用于对膜表面冲刷又用于厌氧区、缺氧区及耗氧区的水力循环，不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上，上述项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，因此该新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷功能、占地小及低能耗的特点。本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一体化膜生物反应器。
背景技术
膜生物反应器技术是一种将膜分离技术与传统的生物处理单元相组合的污水处理工艺。该工艺采用膜分离替代传统活性污泥工艺中的二沉池进行泥水分离，与传统的活性污泥法相比，具有如占地面积小、出水水质优良，抗冲击负荷能力强，高的容积负荷等优越性；但因其能耗高，膜污染，脱氮除磷效率低、投资较高等缺点严重阻碍了它的推广应用。上述缺点主要是由于反应器结构不合理、能量利用率不高所致。
目前应用较多的MBR主要为一体浸没式MBR与分体式的MBR。一体浸没式MBR是指将带有曝气装置的膜组件直接置于好氧反应池中，为维持MBR正常运行，提高膜面冲刷错流速度延缓膜污染，采用了穿孔曝气管曝气方式。曝气量必须保证膜面最低的错流速度要求和曝气池生化正常反应所需要的氧量，曝气量是传统活性污泥工艺的3倍以上。此种曝气方式的氧气转移效率低，不到17％，并且膜面冲刷的曝气能耗的有效利用率不到30％，因此曝气能耗巨大，而且利用率不高；不仅如此，MBR池内由于曝气量巨大造成反应池内严格好氧，未能形成脱氮除磷必须的厌氧/缺氧及好氧水力循环条件，导致脱氮除磷效率非常低，甚至接近为零。目前还是采用泵回流污泥至前面设置的的厌氧池、缺氧池形成水力循环来提高其脱氮除磷的效果，不仅增加了反应器的占地面积，更加大了MBR对能耗的需求。此类脱氮除磷MBR组合反应器只是在传统的A2/O上增加了膜分离过程，取代了二次沉淀池，仅仅提高了污泥浓度减少了占地面积，使但运行过程中的曝气能耗产生的高运行成本与清洗药剂消耗、高价膜材料、膜组件更换所产生的高投资及高的维护成本，已经抵消了它的优越性，严重阻碍了MBR技术的推广应用。尽管已经在万吨级以上的工程应用实例，但上述问题依然存在，没有得到根本的解决。
分体式MBR是指膜过滤池(或膜组件单元)与生物反应池单独分开布设，它们之间的混合液的交换采用循环泵或H循环管来完成。采用循环泵的气升循环分体式的MBR是指带曝气装置的膜组件置于生物反应池之外，它优势在于成套化与设备化，清洗维护比较方便，但为获得合适的膜面错流速度，必然增大泵功率而增大能耗，且能耗一般都远大于上述一体浸没式MBR。同时此种分体式MBR不涉及脱氮除磷方面，脱氮除磷效果与生物反应池内的效果有关，与膜池无关。
采用H循环管的气升分体式MBR是指膜过滤池与生物反应池用隔墙予以分开，利用气升循环原理，由于膜过滤池与生物反应池曝气量不同形成的密度差异产生推动力，使两池的混合液不断地通过H循环管进行交换。气升循环原理及H循环管的应用可替代泵回流污泥，大大减少了能耗；但生物反应池与膜过滤池分开设置，结构上形不成脱氮除磷所需要的环境条件，脱氮除磷也只能通过前置的厌氧池、缺氧池来解决，能耗问题得到一定程度缓解，但依然没有在很大的程度上予以解决。
本反应器应用气升循环原理与脱氮效率公式，在多级利用曝气能耗的原则指导下，对膜面冲刷水力条件和脱氮除磷环境条件的共同要求的MBR构型进行了设计并予以CFD模拟优化，充分利用生物单元鼓气供氧产生的动力，既用于对膜表面冲刷又用于厌氧区、缺氧区及耗氧区的水力循环，不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上，上述两项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，因此新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷功能、占地小及低能耗的特点。本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一体化膜生物反应器。为解决分散的导致水体严重富营养化的点源问题及现有污水处理厂提标升级改造提供关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器，通过构型优化，不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用简易变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上；上述两项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，使MBR反应器具有高效脱氮除磷能力、低能耗与占地小的特点。
为实现上述目的，本发明提供的新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器主要构成为：
反应池池体、导流板、曝气装置、膜组件、交换流量控制阀组成，其特征在于：反应器中心对称布置两组导流板，导流板之间所夹区域的垂直截面呈上小下大的倒置漏斗形状，其上部竖直区域为膜单元区，膜组件置于膜单元区内；其下部斜面之间的区域为曝气区，导流板外侧与两侧池壁之间的区域为下降区；
膜单元区与曝气区底部宽度比为1：3-6，高度比为1：1.25-2；导流板的底部高于池底40-60cm，与两侧池壁之间有20-50cm的空隙，该空隙为反应器下部曝气区和下降区之间水体交换的唯一通道；膜组件顶部以上20-40cm为反应器运行时的水液位面，每个膜组件顶部以上15cm处两侧导流板上设有DN50mm交换流量控制阀，交换流量控制阀调整反应器上部膜单元区和下降区之间水体交换流量的装置；
每个膜组件正下方有一套曝气装置，相间的两套曝气装置相互连通，从而形成的两个曝气装置供气总管与电动三通阀的两个出口相连，鼓风机出口总管与电动三通阀进口相连，构成了简易变量曝气系统；
每个膜组件中部两侧下降区内有设有一对带有阀门的进水布水管。
所述膜组件的膜片为中空纤维膜和平板膜，其框架外围不封闭，每个膜组件的集水管通过活接和阀门与集水总管相连接，每个膜组件形成独立的水处理操作单元。
所述曝气装置安装于距池底20-50cm处，采用呈“丰”字型的穿孔曝气管或微孔曝气盘或微孔曝气管或它们之间的组合。
所述电动三通阀采用一个L型电动三通阀或两个电动阀，其中：采用L型电动三通阀时，其进口A与鼓风机出口供气总管相连，其两个分流出口B、C分别与两个曝气装置供气总管相连；采用两个电动阀时，鼓风机供气总管通过两个电动阀分别与两个曝气装置供气总管相连；电动三通阀的流向切换时间不超过12秒。
所述的新型低能耗一体化A2/O-MBR，将其构型与其具有的脱氮除磷、曝气能耗多级利用等功能要求统一融合于单个反应器中，对膜单元区、曝气区、下降区、导流板等主要组成元件进行精心设计与布置，利用曝气推动力，曝气区与膜单元区自然形成上升流和好氧区，在膜区外自然形成下降区，水体在上升区与下降区不断得到循环，通过交换流量控制阀调节该循环流量，使下降区形成厌氧、缺氧环境。该构型不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上，上述两项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，使新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点。达到构型与功能的完美结合。
本发明提出了新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器，其原理在于：
本工艺技术原理建立在脱氮效率公式与气升循环原理、变量曝气原理的基础上。
脱氮效率公式为：
η％＝R/(1+R)
由公式可知：脱氮效率与污泥回流比R正相关，R越大，脱氮效率η％越高，当R趋向于无穷大时，脱氮的效率趋向于100％。
气升循环原理在于导流板内外的混合液在曝气量不同引起密度差异自然产生的推动力作用下得到持续不断地循环，在此过程中活性污泥不断循环经历好氧、缺氧、厌氧环境，通过CFD模拟结果表明，R非常大，完全满足高脱氮率对高R的要求。不仅如此，利用气升循环还可替代传统的污泥循环采用泵的动力消耗，从而大大降低能耗。
采用上小下大的漏斗状的导流板可集中曝气能量二次利用于膜面冲刷从而进一步降低能耗，从而构思出上述一体化A2/O-MBR构型。而上升区(膜单元区)与下降区的比例对反应器的处理效果至关重要，因此，对在相同高度及曝气条件下，选取上升区与下降区的宽度比分别为1:1和1:2.5两个构型进行CFD模拟，其结果表明，上升区与下降区的宽度比为1:2.5时MBR的流场分布与DO分布更为合理，因此，确定了一体化A2/O-MBR的反应器的构型。通过对实际生活污水处理实验研究结果表明：其出水水质可城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准A的要求。
其实验研究结果可参考以下文献：
1)赵曙光,姜志琛,徐东耀,樊耀波.新型一体化A2/O-MBR曝气能效研究[J].水处理技术,2014,40(12):79-82
该文章是通过实验证明，该构型的一体化A2/O-MBR可降低曝气量50％以上。
2)赵曙光.一体化A2/O-MBR曝气能效及运行特性研究[D].中国科学院生态环境研究中心,2014.(博士后论文)
该文章是通过实验证明，该构型的一体化A2/O-MBR处理生活污水的出水的TN、TP达到国家污染物排放标准GB18921-2002一级A标准。
变量曝气的原理在于：将MBR系统中的所有的N膜组件分为含1/2N个膜组件的M1组和M2组，采用电动分流阀将鼓风机的供气量分配给M1组、M2组。MBR系统运行过程中，在电动分流阀作用下，将膜组件原来的连续曝气改为变量曝气，曝气总量从原来的NXm3/h降低至1/2NXm3/h，从而达到节约曝气能耗50％以上。
上述两项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，使新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点。达到构型与功能的完美结合。
在实际工程应用中，膜组件位于反应器顶部与膜框架简化设计，便于人工膜安装与清洗的安全操作。
综上所述，具有高效脱氮除磷、低能耗的一体化A2/O-MBR在原理及技术上可在工程上完全可以实现的。
本发明与现有常规MBR技术相比，具有以下优点及突出性效果：
(1)具有脱氮除磷、低能耗的特点。根据构型与功能相关性，将脱氮除磷、曝气能耗多级利用等功能要求统一融合于经优化构型的单个反应器中，对膜组件区、曝气区、下降区、导流板进行精心设计与布置，在上小下大倒置的漏斗状的导流板作用下，充分集中曝气区的鼓气供氧产生的动力，既用于对膜表面冲刷又用于厌氧区、缺氧区及耗氧区的水力循环，该构型不仅可极大提高反应器的脱氮除磷能力，也可以降低曝气量50％以上；同时采用变量曝气技术，使总体曝气量减少50％以上，上述两项技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，使新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点。达到构型与功能的完美结合。
(2)模块化设计大提高了实际工程应用的适用性。每个膜组件可形成独立的水处理操作单元，模块化是指反应器内也可划分若干个可单独操作运行的水处理单元的组合形式，若干个单个水处理单元的组合可处理不同规模的污水量。而水处理单元的处理量与尺寸大小由其内膜组件的过滤面积与尺寸大小来决定。因此模块化设计不仅适应大规模污水处理要求，也能适应小型的污水处理设备的要求。大的水处理单元可直接应用到成千上万吨的污水处理厂，小的可做成成套化污水处理设备，设备的处理能力及外形尺寸也可以选择。因此模块化设计可使一体式A2/O-MBR可极大地适应处理规模与现场实际条件，在大小规模的工程应用中可迅速得到推广。
(3)膜组件置顶、膜组件与曝气装置分开、膜组件外框架的简化设计与水处理单元模块化设计，不仅大大提高操作的简便性，也可大幅度降低劳动强度。膜单元区置于池子上部，膜组件的上下提升高度大大降低，也不需要大量排出反应池内的水量来降低水位来满足提升膜组件的操作要求，操作劳动安全性与强度大大降低。由于膜组件与曝气装置分开设计，可大幅度减少膜组件的重量，提升膜组件框架即可完成膜组件的清洗、拆卸、安装时的提升工作量。由于框架外无传统的封闭的导流板，框架内的膜片可很容易插入或取出，安装与拆卸非常方便，劳动强度大大降低。水处理单元模块化设计，膜组件体外清洗时可分批进行，每次清洗膜组件数量可以根据化学清洗池的大小选择1-2个，不仅可尽量减小化学药剂量，也可保证化学清洗的质量。不仅如此，1-2个膜组件的化学清洗时不影响整个反应器的正常稳定运行，可适应了大规模工程应用的实际要求。
(4)变量曝气实施简便，节能效果显著。增加一个简单设备-电动三通阀，安装及其简单，但该装置可将曝气总量降50％以上；同时，将曝气装置合理分组，鼓风机可连续运行，而变量曝气通过电动三通阀可以完成。
附图说明
图1为新型低能耗一体化A2/O-MBR平面布置图
图2为图1的A-A剖面图
图3为反应器曝气系统图
图4电动三通阀原理图
附图中的符号说明：
1-膜组件2-下降区3-导流板4-曝气装置5-流量交换控制阀6-抽吸泵7-进水泵8-鼓风机9-电动三通阀10-排泥泵11-活接12-集水管阀门13-集水总管
具体实施方式：
下面结合附图2及实施例详细加以说明，以进一步理解本发明。
(1)反应器组装：反应池体完成后，在曝气区距池底20-50cm处安装曝气装置4，每个膜组件1的正下方安装一个曝气装置4，并将相隔的曝气装置4连通后引出两个曝气装置供气总管分别与电动三通阀的B、C出口相连，鼓风机8出口总管与电动三通阀的A进口相连接；将排泥管进口放入曝气区并与排泥泵8相连接。将两块导流板3对称地安装于反应池的中心两侧。将膜组件1装入于膜单元区内，将其集水管通过活接11和集水阀门12与集水总管13相连接，集水总管13与抽吸泵6进水口相连；原水通过进水泵7经进水管道分配，分别进入下降区内每个膜组件对应的带阀门的布水管，调节阀门，可将进水均匀分布下降区内；在每个膜组件1顶部15cm处的两侧导流板上预留DN50套管，流量交换控制阀5与预留的DN50套管密封连接；将电气设备如泵、鼓风机等与自动控制系统连接好。
(2)反应器调试：一体式A2/O-MBR系统安装完毕后，对抽吸泵8、进水泵7、鼓风机8、排泥泵10、电动三通阀9进行单机试运转，查漏补缺合格后，反应器内充入清水，使其液位高出导流板3顶20-50cm之间，可以开始清水调试，对自动控制系统的参数进行调整，包括每个布水管的进水量、曝气量、抽吸泵6抽停时间等，使其符合各系统预定的功能要求。排空清水，启动进水泵7给反应器充污水，使其液位高出导流板顶20-50cm，有条件的地方，可同时投入接种的活性污泥，污泥浓度不低于1g/L。启动鼓风机8通过曝气装置4对污水充氧曝气。将反应器的运行打到自动运行状态，可按满负荷1/4-1/2的小通量调试运行；调整布水管上的阀门使进水均匀分布于下降区内，同时调节流量交换控制阀，控制下降区的DO，使其处于厌氧和缺氧的环境中；当污泥浓度上升到6g/L，可加大至满负荷运行；当污泥浓度超过9-12g/L，可周期性排泥，排泥量按设定的污泥龄进行。
(3)反应器自动长期运行：将反应器的自控系统调至自动运行状态，下述过程可自动完成：启动鼓风机通过曝气装置曝气，反应器在低水位时启动进水泵7进水，在高水位时停止进水泵7停止进水，抽吸泵6周期性间歇运行，抽停时间为4min:1min。
(4)膜化学清洗：膜的化学清洗包括在线化学清洗与体外浸没清洗，这里主要介绍体外浸没清洗。体外浸没清洗分为两种方式，拆膜片清洗方式和整体清洗方式。拆膜片清洗方式操作如下：在化学清洗池内配好的0.3％的次氯酸钠溶液，关闭需要化学清洗的膜组件1的集水管阀门12，并将活接11断开，提出膜组件1，将膜片取出并用清水冲洗干净后，放入化学清洗池内浸泡24小时左右，可完成膜片的体外浸没化学清洗。化学清洗完后的膜片用清水冲洗后装入原框架内组成膜组件1，经提升装置送回原处，连接好集水管上的活接11，打开集水管阀门12，清洗后的膜组件1可重新工作。
整体清洗方式为：关闭需要清洗的膜组件1的集水管阀门12，并将活接11断开，提出并用清水冲洗干净后直接放入化学清洗池内浸泡24小时左右。清洗完的膜组件1再提出并用清水冲洗干净后放回原处，连接好对应的活接11，打开集水管阀门12，清洗后的膜组件1可重新运行。
由于体外浸没清洗操作可分批进行，每批可限定为1-2组膜组件，不影响反应器其它膜组件的运行，可满足工程连续运行要求。
Claims (2)
1.一种低能耗一体化A2/O-MBR反应器，其特征在于：反应器主要由反应池池体、导流板、曝气装置、膜组件、交换流量控制阀组成；反应器中心对称布置两组导流板，导流板之间所夹区域的垂直截面呈上小下大的倒置漏斗形状，其上部竖直区域为膜单元区，膜组件置于膜单元区内；其下部斜面之间的区域为曝气区，导流板外侧与两侧池壁之间的区域为下降区；
膜单元区与曝气区底部宽度比为1：3-6，高度比为1：1.25-2；导流板的底部高于池底40-60cm，与两侧池壁之间有20-50cm的空隙，该空隙为反应器下部曝气区和下降区之间水体交换的唯一通道；膜组件顶部以上20-40cm为反应器运行时的水液位面，每个膜组件顶部以上15cm处两侧导流板上设有DN50mm交换流量控制阀，交换流量控制阀是调整反应器上部膜单元区和下降区之间水体交换流量和调整下降区的DO的装置，可使下降区形成厌氧、缺氧环境；
每个膜组件正下方有一套曝气装置；曝气装置安装于距池底20-50cm处，采用呈“丰”字型的穿孔曝气管或微孔曝气盘或微孔曝气管或它们之间的组合；相间的两套曝气装置相互连通从而形成的两个曝气装置供气总管分别与电动三通阀的两个出口B、C相连，鼓风机出口总管与电动三通阀进口A相连，电动三通阀的流向切换时间不超过12秒；将与排泥泵相连的排泥管进口放入曝气区；
原水通过进水泵经进水管道分配，分别进入下降区内每个膜组件对应的一对带有阀门的布水管，调节阀门，可将进水均匀分布下降区内。
2.按照权利要求1所述的一种低能耗一体化A2/O-MBR反应器，其特征在于：膜组件的膜片为中空纤维膜和平板膜；其框架外围不封闭；每个膜组件的集水管通过活接和阀门与集水总管相连接，每个膜组件为独立的水处理操作单元。
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