CN105174455A - 一种超滤-渗透复合式膜生物反应器及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种超滤-渗透复合式膜生物反应器及其用途，包括缺氧生物反应器、好氧生物反应器、反渗透系统，其特征在于，所述的好氧生物反应器包括浸没的板框式正渗透膜组件和中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件，缺氧生物反应器、中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件、板框式正渗透膜组件、反渗透系统顺序排列，板框式正渗透膜组件含有若干硬板，正渗透膜挂在硬板上，硬板内部有驱动液通道，其用于污水处理。本发明对微量有机污染物的截留效果优异；缓解生物反应器中盐份的积累；可高效地去除生活污水中的COD、总氮和总磷，且生产非饮用水和饮用水两种淡水资源；可长时间持续运行，且效果稳定。

Description

一种超滤-渗透复合式膜生物反应器及其用途

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种超滤‐渗透复合式膜生物反应器及其用途，可用于生活污水中COD、总氮和总磷的去除，多种微量有机污染物的降解，以及非饮用水和饮用水的回用。

背景技术

近些年，气候的变化和人口的增长加剧了淡水供应的压力，迫使人们开始寻找替代水源。再生水作为一种替代水源，通过水回用的方式增加了淡水的供应。从公众和环境健康保护的角度来说，应用水回用技术的难点在于有效地结合生物的、化学的和物理的阻隔处理来充分去除致病菌、营养物和微量有机污染物。

污水处理设施一般使用传统的活性污泥法或膜生物处理器来去除有机碳、营养物(例如氮和磷)和致病菌。微量有机污染物(例如药物、甾体激素和工业化学物)可能对人类和环境构成潜在的风险，但是，上述污水处理设施还没有被专门设计来去除它们。传统的活性污泥法对微量有机污染物的去除效率低且波动大，所以，额外的处理技术(例如纳滤、反渗透、活性炭吸附、高级氧化和臭氧处理)需要串联在活性污泥处理的后面来保证微量有机污染物的有效去除。

高选择性膜分离技术(例如纳滤和反渗透)基于物理原理从产品水中去除微量有机污染，而不是将其转化成未知的产物，所以该技术优于其他处理技术。在小试、中试和实尺试验的研究中，纳滤和反渗透作为水回用技术来处理污水三级出水时，对微量有机污染物的截留率高达85％。这些技术通过半透膜来去除微量有机污染物，其效率主要受污染物的物理化学性质(例如分子量、电荷和亲水性)和膜(例如电荷、亲水性和)的影响。

与纳滤和反渗透相似，正渗透膜技术对微量有机污染物的去除具有优异的效果。特别地，Xie等人(WaterResearch,2012,46,2683‐2692)报导说，由于滞后正扩散现象的存在，使用相同膜材料的条件下，正渗透比反渗透对疏水性微量有机污染物的截留效果更好。滞后正扩散现象由驱动液在膜孔中的反向扩散引起，阻碍了微量有机污染物从进料液到驱动液的转移。反渗透和纳滤的驱动力源于进料液和产品水之间的液压差，而正渗透的驱动力源于低盐度进料液和高盐度驱动液之间的渗透压差。在正渗透过程中，进料液中的水通过正渗透膜扩散进入驱动液中，所以驱动液被稀释且进料液被浓缩。为了回用淡水和保持一定浓度的驱动液，正渗透通常需要耦合一个驱动液恢复技术(例如蒸馏，膜蒸馏或反渗透)。使用正渗透‐膜蒸馏或正渗透‐反渗透复合技术还有一个重要的优点，就是能够去除大部分的溶解性进料成分，包括微量有机污染物。

在一个多重阻隔处理方法中，正渗透的进一步应用就是渗透膜生物反应器。不同于微滤和纳滤膜，正渗透膜在渗透膜生物反应器中从活性污泥里提取水进入浓缩的驱动液里。与传统的膜生物反应器技术相比，渗透膜生物反应器具有较多的优点，例如低膜污染倾向，以及对悬浮性和溶解性污染物具有高截留率。由于正渗透膜的高截留效果和驱动液的反向盐扩散，溶解性物质会在渗透膜生物反应器中积累，这是其一大缺点。它将减小膜生物反应器中的驱动力和生物活性，从而降低系统对水的回用效率和营养物的去除效率。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的主要目的在于提供一种去污效果优异且能长时间稳定运行、生物反应器中盐份的积累较少的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，可用于生活污水中COD、总氮和总磷的去除，多种微量有机污染物的降解，以及非饮用水和饮用水的回用。

本发明的另一个目的在于提供超滤‐渗透复合式膜生物反应器在污水处理中的应用。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：一种超滤‐渗透复合式膜生物反应器，包括缺氧生物反应器、好氧生物反应器、反渗透系统，其特征在于，所述的好氧生物反应器包括浸没的正渗透膜系统和中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件，缺氧生物反应器、中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件、正渗透膜系统、反渗透系统顺序排列，正渗透膜系统含有若干硬板，正渗透膜挂在硬板上，硬板内部设有驱动液通道。

前述的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，正渗透膜系统含有5个硬板，每个硬板两侧均挂有三醋酸纤维素膜，膜的总面积为1.2平方米；正渗透膜的活性层朝向好氧生物反应器中的活性污泥，其多孔支撑层朝向正渗透膜系统的硬板内的驱动液通道；超滤膜组件中膜的总面积为0.44平方米，其标称孔径为0.03微米。

前述的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，正渗透膜系统中的驱动液会随着正渗透进程而被逐渐稀释，进而持续传送至驱动液储槽，再传送到反渗透膜系统；高压泵用来将被稀释的驱动液压入反渗透系统，对反渗透膜施加压力10‐10.5bar，使稀释的驱动液浓缩后再次进入正渗透膜系统内，使膜系统内的驱动液始终为26g/L的NaCl水溶液。

前述的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，一个由计算机控制的蠕动泵抽取从缺氧生物反应器排出的渗透液使其以90mL/min的速度通过超滤膜，持续3min后，进行一个膜反洗过程，速度为180mL/min，持续30s，如此反复循环；从超滤膜排出的渗透液以90mL/min的速度通过正渗透膜，从正渗透膜直接排出的渗透液作为非饮用水，稀释后的驱动液进入驱动液储槽，再进入反渗透系统，得到的渗透液作为饮用水，浓缩后的驱动液再回到正渗透膜系统中。

前述的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，缺氧生物反应器中的污泥通过重力自流方式进入好氧生物反应器中，而好氧生物反应器中的污泥通过泵回流至缺氧生物反应器中，其流速为0.25L/min；一个由计算机控制的蠕动泵以10L/d的速度将剩余活性污泥排出。

前述的超滤‐渗透复合式膜生物反应器，反渗透系统是全自动的，其含有一个可编程控制器和一个数据采集与仪器控制软件；其通过一组三螺旋缠绕薄膜式复合膜来改变液压，从而维持一定浓度的驱动液。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、该超滤‐渗透复合式膜生物反应器含有正渗透膜组件，对微量有机污染物的截留效果优异；

2、其耦合超滤膜组件，克服正渗透技术的缺点，缓解生物反应器中盐份的积累；

3、其利用多重阻隔方法，可高效地去除生活污水中的COD、总氮和总磷，且生产非饮用水和饮用水两种淡水资源；

4、其配有反渗透系统，能够维持一定浓度的驱动液，可长时间持续运行，且效果稳定。

附图说明

表1为生活污水中微量有机污染物的名称、分类、检测限和进水平均浓度表；

图1为超滤‐渗透复合式膜生物反应器的工作流程示意图；

图2a‐图2c为超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中COD、总氮和总磷去除效果图：COD去除效果图(2a)，总氮去除效果图(2b)和总磷去除效果图(2c)；

图3为超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中20种微量有机污染物的去除效果图。

具体实施方式

下面对本发明具体实施方式进行详细说明，但是以下实施例仅是作为例证，并不对本发明构成任何限制。实施例1为本发明的设计例，实施例2为该超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中COD、总氮和总磷的去除实施例，实施例3为该超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中20种微量有机污染物的去除实施例。

实施例1

图1示意了本发明中超滤‐渗透复合式膜生物反应器的工作流程，该复合式膜生物反应器包括一个缺氧生物反应器，一个好氧生物反应器和一个中试规模的反渗透系统。

好氧生物反应器体积为235L，设有一个浸没的板框式正渗透膜组件和一个中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件，其中污水的流动方向为缺氧生物反应器‐超滤膜‐正渗透膜。板框式正渗透膜组件含有5个硬板，每个硬板两侧均挂有三醋酸纤维素膜，正渗透膜组件中膜的总面积为1.2平方米。三醋酸纤维素膜的一面是多孔支撑层，另一面是活性层，多孔支撑层朝向硬板且与硬板连接，活性层朝外。正渗透膜的活性层朝向好氧生物反应器中的活性污泥，其多孔支撑层朝向正渗透膜组件的硬板内的驱动液通道(驱动液穿过硬板内部，驱动液通道也在硬板内)，其中在正渗透膜系统内的驱动液浓度为26g/L的NaCl水溶液。

正渗透膜系统内的随正渗透进程而稀释的驱动液被持续传送至驱动液储槽(正渗透膜组件一侧为进水，另一侧为驱动液，膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力；其中，污水中的水在高渗透压驱动液的驱使下，流向驱动液中，因而驱动液被稀释)，再传送到反渗透膜系统；高压泵用来将被稀释的驱动液压入反渗透系统(对反渗透膜施加压力10‐10.5bar，优选10.3bar，并使用陶氏反渗透膜SW30‐2540)，使其浓缩，维持驱动液浓度不变。

超滤模块中膜的总面积为0.44平方米，其标称孔径为0.03微米。一个由计算机控制的蠕动泵抽取从缺氧生物反应器排出的渗透液使其以90mL/min的速度通过超滤膜，持续3min后，进行一个膜反洗过程，速度为180mL/min，持续30s，如此反复循环。从超滤膜排出的渗透液以90mL/min的速度通过正渗透膜。从正渗透膜直接排出的渗透液作为非饮用水，稀释后的驱动液进入驱动液储槽，再进入反渗透系统，得到的渗透液作为饮用水，浓缩后的驱动液再回到正渗透膜系统中。污物截留在正渗透膜、反渗透膜及超滤膜上。

缺氧生物反应器反应器体积为105L。一个学生住宅区的生活污水经过预筛(2毫米)后，作为其进料液。缺氧生物反应器中的污泥通过重力自流方式进入好氧生物反应器中，而好氧生物反应器中的污泥通过泵回流至缺氧生物反应器中，其流速为0.25L/min。一个由计算机控制的蠕动泵以10L/d的速度将剩余活性污泥排出。

反渗透系统是全自动的，其含有一个可编程控制器和一个数据采集与仪器控制软件。其通过一组三螺旋缠绕薄膜式复合膜来改变液压，从而维持一定浓度的驱动液。

实施例2

该超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中COD、总氮和总磷的去除实施例：分别在反应器的进口和出口进行取样，每个口各取8个重复水样，每隔7天取一次水样，反应器持续运行35天后结束取样。水样需要先经过适当的稀释，以避免钠离子和氯离子的干扰，然后再使用总磷/总氮/COD分析仪进行水质测定。这些营养物浓度的取值均是8个重复水样的平均值。实施例结果表明(图2)，该新型复合式膜生物反应器对生活污水中COD、总氮和总磷的去除率分别超过99％、82％和99％。并且，在持续运行的35天中，其去除效率波动不大，效果稳定。

实施例3

该超滤‐渗透复合式膜生物反应器对生活污水中20种微量有机污染物的去除实施例：同样地，分别在反应器的进口和出口进行取样，每个口各取8个重复水样，每隔7天取一次水样，反应器持续运行35天后结束取样。水样先经过同位素稀释处理，然后固相萃取，最后使用高效液相色谱‐串联质谱法来分析水样中某种微量有机污染物的浓度。本发明中测得的微量有机污染物的名称、各自的分类、分析检测限及进水平均浓度如表1所示。

表1生活污水中微量有机污染物的名称、分类、检测限和进水平均浓度表

这些微量有机污染物浓度的取值均是8个重复水样的平均值。实施例结果表明(图3)，在生活污水里20种微量有机污染物中，该新型复合式膜生物反应器可将其中的15种截留至检测限以下。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超滤-渗透复合式膜生物反应器，包括缺氧生物反应器、好氧生物反应器、反渗透系统，其特征在于，所述的好氧生物反应器包括浸没的正渗透膜系统和中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件，缺氧生物反应器、中空纤维式聚偏二氟乙烯超滤膜组件、正渗透膜系统、反渗透系统顺序排列，正渗透膜系统含有若干硬板，正渗透膜挂在硬板上，硬板内部设有驱动液通道。

2.根据权利要求1所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器，其特征在于，正渗透膜系统含有5个硬板，每个硬板两侧均挂有三醋酸纤维素膜，膜的总面积为1.2平方米；正渗透膜的活性层朝向好氧生物反应器中的活性污泥，其多孔支撑层朝向正渗透膜系统的硬板内的驱动液通道；超滤膜组件中膜的总面积为0.44平方米，其标称孔径为0.03微米。

3.根据权利要求1所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器，其特征在于，正渗透膜系统中的驱动液会随着正渗透进程而被逐渐稀释，进而持续传送至驱动液储槽，再传送到反渗透膜系统；高压泵用来将被稀释的驱动液压入反渗透系统，对反渗透膜施加压力10-10.5bar，使稀释的驱动液浓缩后再次进入正渗透膜系统内，使膜系统内的驱动液始终为26g/L的NaCl水溶液。

4.根据权利要求2所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器，其特征在于，一个由计算机控制的蠕动泵抽取从缺氧生物反应器排出的渗透液使其以90mL/min的速度通过超滤膜，持续3min后，进行一个膜反洗过程，速度为180mL/min，持续30s，如此反复循环；从超滤膜排出的渗透液以90mL/min的速度通过正渗透膜，从正渗透膜直接排出的渗透液作为非饮用水，稀释后的驱动液进入驱动液储槽，再进入反渗透系统，得到的渗透液作为饮用水，浓缩后的驱动液再回到正渗透膜系统中。

5.根据权利要求1所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器，其特征在于，缺氧生物反应器中的污泥通过重力自流方式进入好氧生物反应器中，而好氧生物反应器中的污泥通过泵回流至缺氧生物反应器中，其流速为0.25L/min；一个由计算机控制的蠕动泵以10L/d的速度将剩余活性污泥排出。

6.根据权利要求1所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器，其特征在于，反渗透系统是全自动的，其含有一个可编程控制器和一个数据采集与仪器控制软件；其通过一组三螺旋缠绕薄膜式复合膜来改变液压，从而维持一定浓度的驱动液。

7.权利要求1-6任意一项所述的超滤-渗透复合式膜生物反应器在污水处理中的应用。