CN105366806B - 一种厌氧‑微氧膜生物反应器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种厌氧‑微氧膜生物反应器及其运行方法，属于废水厌氧生物处理技术领域。本发明将升流式厌氧污泥床反应器(UASB)主体部分和两级膜组件相结合，该主体部分包括颗粒污泥厌氧反应区、三相分离器、沉淀区和沼气收集系统；两级膜组件分别为超滤膜组件和纳滤膜组件，在超滤膜组件底部设有曝气系统。被超滤膜组件和纳滤膜组件截留的浓水回流至沉淀区底部后形成微氧环境，在微氧环境下，难降解有机物进一步降解。该反应器在处理制药、煤化工等难降解有机废水时容积负荷可达15kgCOD/(m³·d)左右。本发明解决了现有技术中以UASB为代表的高效厌氧反应器处理难降解废水时，水力停留时间长、效果不理想和传统厌氧膜生物反应器膜污染严重、难降解有机物去除效果不佳的问题。

Description

一种厌氧-微氧膜生物反应器及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种厌氧‐微氧膜生物反应器及其运行方法，属于废水厌氧生物处理技术领域。

背景技术

高浓度难降解有机工业废水产量高、环境危害大，单纯采用好氧生物技术或物化技术处理成本太高。采用厌氧处理技术既能显著降低废水处理成本，又能回收能源。

以升流式厌氧污泥床(UASB)反应器(如图1所示)为代表的高效厌氧反应器克服了传统厌氧反应器负荷低、水力停留时间长(一般有十数天到数十天不等)的缺点，显著缩短了水力停留时间(一般仅为几小时到几天)，提高了有机负荷。但UASB等反应器在处理难降解有机废水时，却需要较长的停留时间，造成了反应器内部的液相升流速度过小，微生物和污染物之间的传质得不到保障，故难降解物质的去除情况不好。因此，这类厌氧反应器处理难降解废水时，通过延长水力停留时间来提高污染物去除效果是有限的。因为延长水力停留时间，造成了反应器容积大、投资和运行费增加的不利情况。

目前，在完全混合式厌氧反应器(CSTR)的基础上增加膜组件开发出了厌氧膜生物反应器(如图2所示)。常规厌氧膜生物反应器一般采用超滤或微滤膜(膜孔径范围为0.04‐0.4μm)，能截留溢出的污泥等固体物质以及胶体，但对溶解性有机物的截留能力不足，在处理难降解有机物时，所需水力停留时间仍然很长。厌氧膜生物反应器在处理有机废水时，由于有机物浓度和絮状污泥浓度高，膜污染往往较为严重，膜组件冲洗和维护费用较高。另外，这种膜反应器采用絮状污泥的生物活性远不如颗粒污泥好，反应速率较低。目前厌氧膜生物反应器主要用于有机物浓度较低的城市污水处理，其COD仅为400mg/L左右。厌氧膜生物反应器通常采用沼气回流来控制膜污染，但沼气本身是易燃气体，使用安全要求高，沼气控制膜污染的成本比用空气要高。

发明内容

为了克服升流式厌氧污泥床(UASB)等高效厌氧反应器和普通厌氧膜生物反应器的不足，本发明提出一种厌氧‐微氧膜生物反应器及其运行方法，使该反应器能够有效控制膜污染，截留难降解有机物，延长其在反应器中的停留时间，实现污染物停留时间大于水力停留时间。

本发明的技术方案如下：

一种厌氧‐微氧膜生物反应器，含有升流式厌氧污泥床反应器主体部分，该主体部分含有颗粒污泥厌氧反应区、三相分离器、沉淀区和沼气收集系统，其特征在于：所述的厌氧‐微氧膜生物反应器还包括外置膜组件，外置膜组件包括超滤膜组件和纳滤膜组件，超滤膜进水口与沉淀区出水口相连；超滤膜出水口通过管路和抽吸泵与纳滤膜进水口相连；纳滤膜出水口设有抽吸泵；纳滤膜回水口和超滤膜回水口分别经过各自的回流泵和回流管与沉淀区底部相连，在超滤膜组件底部设有空气曝气系统；在所述的沉淀区内设置高分子填料，高分子填料采用中心串接悬挂式结构。

优选地，在颗粒污泥厌氧反应区外部设置反应区循环泵和反应区回流管，该回流管与颗粒污泥厌氧反应区的进水管相连。

优选地，所述的超滤膜为中空纤维膜或平板膜，孔径为0.04～0.4μm；所述纳滤膜孔径为1～2nm。

优选地，所述高分子填料为聚酰胺纤维或聚烯烃类。

优选地，空气曝气系统采用间歇式大气泡空气曝气系统。

本发明提供的一种厌氧‐微氧膜生物反应器的运行方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)废水由反应器底部的进水管进入颗粒污泥厌氧反应区，经三相分离器，大部分颗粒污泥分离后沉降，少部分溢流的颗粒污泥被沉淀区的悬挂式填料截留；

2)沉淀区出水先进入超滤膜组件，超滤膜组件底部采用间歇式大气泡空气曝气系统控制膜污染，每平方米膜面积的曝气强度为0.20～0.25m³/h，并控制超滤膜组件出水溶解氧在3～4mg/L，浊度(NTU)小于等于1；

3)超滤膜组件出水进入纳滤膜组件，控制纳滤膜操作压力为3.5～30bar；

4)超滤膜组件和纳滤膜组件被截留的浓水回流至沉淀区底部，形成微氧环境，控制沉淀区氧化还原电位ORP在0mv～100mv。

本发明所述方法中，优选步骤2)中超滤膜每运行7～8分钟后曝气1～2分钟。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：在沉淀区设置中心串接悬挂式高分子填料形成填料区，该填料区的截留作用极大减轻了后续膜组件的污染负荷，且该区域的微氧环境能够驯化出优势菌种进一步降解有机污染物。相对于超滤和微滤膜分离，本膜组件中增设孔径更小的纳滤膜组件，能截留分子量相对较小的溶解性难降解有机物，使得难降解有机物在反应器中的停留时间和水力停留时间相分离，大大提高了难降解有机物的处理效率。处理制药、煤化工废水等高浓度难降解有机废水时，反应器容积负荷可达15kgCOD/(m³·d)左右。该反应器膜污染轻，在处理高浓度有机废水时，膜污染情况与处理城市污水的好氧膜生物反应器接近。系统的安全性好，优于采用沼气控制膜污染的普通厌氧膜生物反应器。

附图说明

图1为现有技术中UASB反应器结构示意图。

图2为现有技中厌氧膜生物反应器结构示意图。

图3为本发明提供的一种厌氧‐微氧膜生物反应器结构示意图。

图中：1－颗粒污泥厌氧反应区；2－沉淀区；3－超滤膜组件；4－纳滤膜组件；5－进水泵；6－进水管；7－颗粒污泥；8‐反应区回流管；9—反应区循环泵；10－三相分离器；11—高分子填料；12－沼气收集系统；13－填料区出水管；14—鼓风机；15－曝气管；16—超滤膜组件出水管；17—超滤膜组件抽吸泵；18－纳滤膜组件抽吸泵；19－纳滤膜组件出水管；20－纳滤膜组件回流泵；21－超滤膜组件回流泵；22‐膜组件回流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施作进一步的说明。

本发明提供的一种厌氧‐微氧膜生物反应器是在UASB等高效厌氧反应器和膜分离技术结合的理念上提出的，其结构如图3所示，该反应器含有升流式厌氧污泥床反应器主体部分，该主体部分含有颗粒污泥厌氧反应区1、三相分离器10、沉淀区2和沼气收集系统12；所述的厌氧‐微氧膜生物反应器还包括外置膜组件，外置膜组件包括超滤膜组件3和纳滤膜组件4。超滤膜为中空纤维膜或平板膜，孔径为0.04～0.4μm；纳滤膜孔径为1～2nm。超滤膜进水口与沉淀区出水口相连，超滤膜出水口通过管道和抽吸泵17与纳滤膜进水口相连；纳滤膜出水口设有抽吸泵18；纳滤膜回水口经纳滤膜组件回流泵20和膜组件回流管22与沉淀区底部相连；超滤膜回水口经超滤膜组件回流泵21和膜组件回流管22与沉淀区底部相连。在所述的沉淀区2内设置聚酰胺纤维或聚烯烃类等高分子填料11，高分子填料采用中心串接悬挂式结构。在所述的超滤膜组件底部设置由鼓风机14和曝气管15组成的空气曝气系统，该空气曝气系统宜采用空气间歇式大气泡空气曝气系统。在所述的颗粒污泥厌氧反应区1外部设置反应区循环泵9和反应区回流管8，该回流管与颗粒污泥厌氧反应区的进水管6相连。

本发明的工作过程如下：废水由反应器底部的进水泵5、进水管6进入颗粒污泥厌氧反应区，流速控制在10～20m/h，废水中的基质与反应器内的厌氧颗粒污泥7充分接触反应，废水中的大部分有机物被转化为沼气，沼气被集气系统12收集。进水遇有冲击负荷时，由反应区循环泵9和反应区回流管8回流稀释进水。大部分颗粒污泥由于三相分离器10作用返回颗粒污泥厌氧反应区下部，少部分颗粒污泥随水流至沉淀区，随后被高分子填料11截留，后续膜组件的污染负荷大大减轻。沉淀区出水由出水管13进入超滤膜组件3，由鼓风机14和曝气管15对超滤膜组件进行间歇式大气泡空气曝气，每平方米膜面积的曝气强度为0.20～0.25m³/h，并控制超滤膜组件出水溶解氧在3～4mgL‐1，浊度(NTU)小于等于1，超滤膜每运行7～8分钟后曝气1～2分钟。经抽吸泵17抽吸后，超滤膜产水由出水管16排至纳滤膜组件4，控制纳滤膜操作压力为3.5～30bar。经抽吸泵18抽吸后，纳滤膜产水由出水管19排出。被超滤膜和纳滤膜截留的高浓度废水分别由超滤膜组件回流泵21和纳滤膜组件回流泵20经膜组件回流管22回流至沉淀区底部，并形成微氧环境，控制填料底部氧化还原电位ORP在0mV～100mV。由于环境条件不同，沉淀区能在微氧环境下驯化出相应的优势菌种，在厌氧条件下降解效果不好的有机污染物将在此区进一步降解。

本发明可使废水中难降解有机物去除率大大提高，膜污染有效减轻，出水水质得以改善，运行稳定性得以增强。该反应器从两个方面来控制膜污染：第一、从膜污染产生的源头来控制。由于膜污染主要来自胶体、游离的微生物或者小的菌胶团以及微生物产生的胞外多聚物等，因此系统不用絮状污泥，采用颗粒污泥以减轻膜污染；在UASB的沉淀区设置高分子填料形成填料区，用生物膜来降低废水中的游离微生物、菌胶团和胞外多聚物的浓度，进一步抑制膜污染的产生源。第二、在超滤膜组件采用高强度的空气曝气来控制膜污染的形成。在超滤膜组件后增设纳滤膜组件(纳滤膜孔径为1‐2nm，能截留分子量大约为150－500道尔顿以上的有机物)，能够截留大部分超滤膜未能截留且未及降解的有机物。该反应器不是单纯的厌氧反应器，而是厌氧+微氧反应器。超滤膜组件采用好氧控制，超滤膜组件和纳滤膜组件被截留的浓水回流至沉淀区底部，能够在该区形成微氧环境。在微氧环境下，部分优势菌种得以驯化，能进一步去除有机污染物。沉淀区脱落的生物膜将滑落回颗粒污泥厌氧反应区。经两级膜组件过滤后，出水排放。

Claims (7)

1.一种厌氧‐微氧膜生物反应器，含有升流式厌氧污泥床反应器主体部分，该主体部分含有颗粒污泥厌氧反应区(1)、三相分离器(10)、沉淀区(2)和沼气收集系统(12)，其特征在于：所述的厌氧‐微氧膜生物反应器还包括外置膜组件，外置膜组件包括超滤膜组件(3)和纳滤膜组件(4)，超滤膜进水口与沉淀区出水口相连；超滤膜出水口通过管路和抽吸泵(17)与纳滤膜进水口相连；纳滤膜出水口设有抽吸泵(18)；纳滤膜回水口和超滤膜回水口分别经过各自的回流泵和回流管与沉淀区底部相连；在超滤膜组件底部设有空气曝气系统；在所述沉淀区(2)内设置高分子填料(11)，高分子填料采用中心串接悬挂式结构。

2.根据权利要求1所述的一种厌氧‐微氧膜生物反应器，其特征在于：在颗粒污泥厌氧反应区(1)外部设置反应区循环泵(9)和反应区回流管(8)，该回流管与颗粒污泥厌氧反应区的进水管(6)相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种厌氧‐微氧膜生物反应器，其特征在于：所述的超滤膜为中空纤维膜或平板膜，孔径为0.04～0.4μm；所述纳滤膜孔径为1～2nm。

4.根据权利要求3所述的一种厌氧‐微氧膜生物反应器，其特征在于：所述高分子填料为聚酰胺纤维或聚烯烃类。

5.根据权利要求1所述的一种厌氧‐微氧膜生物反应器，其特征在于：空气曝气系统采用间歇式大气泡空气曝气系统。

6.一种如权利要求1所述厌氧‐微氧膜生物反应器的运行方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)废水由反应器底部的进水管进入颗粒污泥厌氧反应区，经三相分离器，大部分颗粒污泥分离后沉降，少部分溢流的颗粒污泥被沉淀区的悬挂式填料截留；

2)沉淀区出水先进入超滤膜组件，超滤膜组件底部采用间歇式大气泡空气曝气系统控制膜污染，每平方米膜面积的曝气强度为0.20～0.25m³/h，并控制超滤膜组件出水溶解氧在3～4mg/L，浊度(NTU)小于等于1；

3)超滤膜组件出水进入纳滤膜组件，控制纳滤膜操作压力为3.5～30bar；

4)超滤膜组件和纳滤膜组件被截留的浓水回流至沉淀区底部，形成微氧环境，控制沉淀区氧化还原电位ORP在0mv～100mv。

7.根据权利要求6所述的一种厌氧‐微氧膜生物反应器的运行方法，其特征在于：步骤2)中超滤膜每运行7～8分钟后曝气1～2分钟。