CN109179888A - 一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置及方法，装置包括：装有好氧污泥的主体反应器，在主体反应器的进水口通过进水泵连接储液罐；设于所述主体反应器内底部的曝气装置；设于所述主体反应器内曝气装置上方的且采用死端过滤的膜过滤系统，所述膜过滤系统包括表面涂层为过滤层的微滤膜和分别安装在微滤膜两端的膜组件；通过抽水泵连接微滤膜一端膜组件的清水罐；以及连接至微滤膜另一端膜组件的臭氧发生器；抽水泵管路和臭氧进气管路上均设置阀门。本发明解决膜堵塞问题；同时残留的臭氧分子能够对膜出水进行进一步的氧化，提高其出水品质；同时实现出水的深度处理与缓解膜生物反应器运行过程中的膜堵塞问题。

Description

一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置及工艺
技术领域
本发明属于膜技术与水处理领域，具体设计一种利用臭氧耦合膜生物反应器及工艺。
背景技术
膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术与生物技术相结合的污水处理系统，用膜的高效分离作用取代传统的沉淀与过滤过程，使得活性污泥颗粒与绝大部分微生物保留在生物反应池内，由于MBR具有操作便捷管理方便的优点，大规模应用于城市污水和工业废水处理与回用，然而，膜堵塞问题的存在阻碍MBR的进一步发展与应用。膜污染主要是由微生物及其代谢产物组成的粘泥造成的。膜表面易吸附腐殖质、聚糖脂、微生物新陈代谢产物等大分子物质，极易形成一层生物膜，造成膜的不可逆阻塞，使水通量下降。如何防止膜污染和进行膜清洗，已经成为国内外研究者面临的重要问题。
目前针对膜的在线清洗方法主要包括：在线出水反洗、在线清水反冲以及化学药剂反冲等。在线出水反洗的方式能够在一定程度上控制膜污染，但由于反洗水质的影响，在反冲洗时可能会造成膜内表面的污染，进一步加重膜污染。在线清水反冲能够更有效地控制膜污染，提高膜生物反应器长期运行的稳定性，但对系统的冲击大，且水力清洗对凝胶层的去除作用不大，同时提高处理费用与增加能耗。化学药剂反冲效果最佳，然而易造成二次污染。臭氧氧化法作为高级氧化的一种，以较高的氧化能力与易于应用的特点备受关注，当前臭氧对于膜污染的缓解措施主要包括膜前预处理，即预氧化。臭氧预氧化能改变水中致堵污染物的构成，进而改善膜污染状况然而，臭氧的强氧化性对有机膜具有破坏作用，臭氧-微滤膜的联用受膜材质的限制较大。
公开号CN104230056A提供一种预氧化与膜改性联合作用缓解超滤膜污染的方法。臭氧预处理能够氧化分解水中大分子致堵污染物，联合膜表面新型碳纳米管纤维材料对致堵污染物的吸附截留作用，在增强超滤膜抗污染能力、改善超滤膜出水水质的同时，有效增加了超滤膜的使用周期。本方法操作简单可行，易于实现。该发明的臭氧预处理方法仅针对水中大分子物质，对膜污染的缓解主要由其材料的表面改性，不是严格意义上的臭氧阻垢。
公开号CN106745649A涉及一种膜法水处理技术领域的方法，具体是以臭氧催化氧化用于膜过滤过程中。对膜进料液进行投加TiO2催化臭氧化的预处理，能改变原水中天然有机物的亲疏水性质，达到减轻膜污染的作用，同时有效去除原水中的UV254、TOC及三卤甲烷(THMs)前驱物质，降低了出水的生物稳定性，有利于获得好的水质。然而TiO2粉末的添加有可能造成纳米材料二次污染，随水过膜，造成出水水质变化，SS升高。
公开号CN104841292A涉及膜材料制备技术领域。为了解决现有的陶瓷膜存在陶瓷膜的臭氧催化效能低、不能实现膜过滤与臭氧催化功能的集成，无法有效缓解膜污染等问题。以管式陶瓷膜为载体，通过浸渍法负载单组分或多组分金属氧化物，然后制备锰氧化物浸浆涂膜液，通过逐层浸浆涂膜的方法在膜面制备催化涂层。旨在构建立体多级催化体，同时提升陶瓷膜分离层和支撑层的催化效能，使臭氧催化作用渗透到整个陶瓷膜内部，充分发挥整体的催化作用。然而该催化效果是通过外部臭氧曝气促成的，因此只适用于污水的深度处理，无法应用于活性污泥体系，构成一体化处理。
发明内容
本发明提供一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置及工艺，解决膜堵塞问题；同时残留的臭氧分子能够对膜出水进行进一步的氧化，提高其出水品质；同时实现出水的深度处理与缓解膜生物反应器运行过程中的膜堵塞问题。
一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置，包括：
装有好氧污泥的主体反应器，在主体反应器的进水口通过进水泵连接储液罐；
设于所述主体反应器内底部的曝气装置；
设于所述主体反应器内曝气装置上方的且采用死端过滤的膜过滤系统，所述膜过滤系统包括表面涂层为过滤层的微滤膜和分别安装在微滤膜两端的膜组件；
通过抽水泵连接微滤膜一端膜组件的清水罐；
以及连接至微滤膜另一端膜组件的臭氧发生器；抽水泵管路和臭氧进气管路上均设置阀门。
本发明的膜过滤系统采用死端过滤，膜两端通过膜组件与对应管路密封连接，污水经膜表面过滤后进入微滤膜内部然后由抽水泵抽出，臭氧送微滤膜内然后由膜表面扩散至污水中。
储液罐、进水泵、主体反应器组成好氧处理系统，主体反应器采用玻璃反应器，底部均匀布置曝气装置，由鼓风机向主体反应器内进行曝气；膜反应器、抽水泵及清水罐构成膜过滤系统，抽水管道上设置阀门；臭氧发生器及对应配件构成气体反冲洗系统。
储液罐中的有机废水通过进水进入好氧处理反应区，在好氧污泥的作用下，有机物得到降解与去除；打开抽水泵，在负压作用下，利用膜系统将好氧处理反应区的泥水混合物进行分离，好氧污泥截留在反应区，清水经过过滤层进入膜体，通过导流管导出收集；膜系统运行一段时间后，关闭抽水泵及导流管阀门，同时打开臭氧通道阀门，打开臭氧发生器，迫使臭氧往垂直膜面的方向扩散，对膜表面进行冲刷，膜孔堵塞存在有机污垢，臭氧的冲刷不仅仅是机械去除的过程，也是逐步氧化污染物，将其降解的过程，机械冲刷和臭氧氧化两种作用的协同；运行一段时间后，关闭臭氧发生器，臭氧的残留可以进一步氧化出水中有机物，提高出水水质；抽水泵和臭氧发生器交替工作。
优选地，所述微滤膜为多通道管式膜。
进一步优选地，所述多通道管式膜的断面上，孔道自圆心处向外分布于不同半径的圆周上；
当多通道管式膜的断面孔道分布圈数为2n时，所述微滤膜的连接臭氧进气管路一端的外侧n+1～2n孔道密封，所述微滤膜的连接抽水泵管路一端的内侧1～n孔道密封；
当多通道管式膜断面孔道分布圈数为2n+1时，所述微滤膜的连接臭氧进气管路一端的外侧n+2～2n+1孔道密封，所述微滤膜的连接抽水泵管路一端的内侧1～n+1孔道密封；
n为整数；孔道的密封深度均为0.5～1cm。
微滤膜的进气端从中心孔道进气，出水端从外侧孔道出水。外侧孔道专门用于进出水，中心孔道专门用于进出气，当膜表面微孔作为气体的最终出口时，气体的溢出途径是由中间孔道向外扩散，在扩散的过程中必定经过外侧孔道，能够最大限度地对储水孔道内壁以及膜表面污染物进行冲刷以及氧化，避免污染物的富集导致浓差极化与降低膜使用寿命。
进一步优选地，；所述多通道管式膜为多通道管式无机氧化硅陶瓷膜、多通道管式无机碳化硅陶瓷膜或多通道管式氧化铝陶瓷膜。进一步地，当采用陶瓷膜时，陶瓷膜膜孔径为0.01～10μm。
进一步优选地，所述微滤膜竖向设置，底端连接臭氧进气管路、顶端连接抽水泵管路。
优选地，还包括与所述臭氧发生器连接的时间控制器；臭氧管路上还设有压力表和流量计。控制进气流量和进气时间。
微滤膜为无机膜，优选为管式多通道陶瓷膜，可为无机氧化硅陶瓷膜、无机碳化硅陶瓷膜，无机碳化硅陶瓷膜，优选地，膜为无机碳化硅管式陶瓷膜；无机陶瓷膜膜孔径为0.01～10μm，为避免膜堵塞且提高过滤精度，作为优选，膜孔径为0.1～2μm。
所述膜组件采用空心圆柱状，高度范围为2～3cm，MBR膜组件材质可为有机玻璃、不锈钢、普通陶瓷；为避免碎裂，便于应用，进一步优选为有机玻璃；
臭氧进气管道材质为有机玻璃、不锈钢、普通陶瓷、玻璃，为避免臭氧氧化，进一步优选为有机玻璃。
本发明中膜过滤系统、好氧消化反应系统可一体化呈现，通过时间控制器控制反应进行。由于膜表面污垢主要由有机物组成，可由臭氧氧化成小分子物质，回归至好氧处理系统，进行再处理。
本发明还提供一种利用所述废水处理装置进行废水处理的方法，包括如下步骤：
(1)有机废水通过进水泵进入主体反应器内，主体反应区内曝气，在好氧污泥的作用下，有机物得到降解与去除；
(2)打开抽水泵，在负压作用下，利用膜反应器将主体反应器内的泥水混合物进行分离，好氧污泥截留在主体反应器内，清水经过膜反应器的过滤层进入膜体，通过导流管导出收集；
(3)膜反应器运行一段时间后，打开臭氧通道止水阀，关闭导流管阀门，打开臭氧发生器，使臭氧往垂直膜面的方向扩散，进行反冲；
(4)反冲运行一段时间后，关闭臭氧发生器；
(5)循环步骤(1)～(4)。
以上步骤连续且循环进行，有效提高了出水水质，且避免了MBR膜组件的堵塞，实现连续化不间断出水。
优选地，好氧反应器的水力停留时间为4～8h。
优选地，臭氧进气压力为0.01～0.08Mpa为降低能耗，进一步优选为0.02～0.06Mpa；最优选为0.04Mpa。
根据膜表面污染程度，可调整臭氧气体流量，提高氧化作用，优选地，臭氧气体流量为20～100ml/min，为提高气体的利用效率，进一步优选为50ml/min。
臭氧浓度过高，若扩散到污泥体系中，会导致污泥菌群的群落破坏，对污泥系统造成不可逆性损伤；若臭氧浓度过低，则降低对膜表面污染物的氧化作用，优选地，臭氧浓度(臭氧气体中臭氧的浓度)为10～25mg/L，进一步优选,15～25mg/L；最优选为20mg/L。
为提高膜系统工作效率，并降低膜污染的沉积，优选地，膜系统每运行20～80min，臭氧作用时间10～30s，为降低能耗，增大臭氧与污染物作用时间，进一步优选，膜系统每运行20～50min，臭氧作用时间15～25s；最优选地，膜系统每运行30min，臭氧作用时间20s。
本发明处理原理如下：
储液罐中的有机废水通过进水泵进入好氧处理反应区，在好氧污泥的作用下，有机物得到氧化降解与去除；打开抽水泵，在负压作用下，利用膜系统将好氧处理反应区的泥水混合物进行分离，好氧污泥截留在反应区，清水经过过滤层进入膜体，通过导流管导出收集；膜系统运行一段时间后，关闭抽水泵及导流管阀门，同时打开臭氧通道阀门，打开臭氧发生器，迫使臭氧往垂直膜面的方向扩散；运行一段时间后，关闭臭氧发生器；臭氧的残留可以进一步氧化出水中有机物，提高出水水质。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)臭氧的高级氧化效果，有效防止膜堵塞问题；
(2)臭氧的管道残留能够进一步处理膜出水，进行深度处理，提高出水水质；
(3)实现污水处理系统的一体化，一举两得。
(4)由于臭氧反冲洗后，会残留在膜内，这时进行抽水，可以在一定程度上氧化水中剩余的有机物，进一步提高出水水质。因此臭氧的作用有二：第一就是减轻膜表面的污染物，二就是提高出水水质。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2和图3是本发明膜反应器的多孔道管式剖面图(通道分布层数为2n时)。
图4和图5是本发明膜反应器的多孔道管式剖面图(通道分布层数为2n+1时)。
图中所示附图标记如下：
1-储液罐 2-进水泵 3-抽水泵
4-清水罐 5-鼓风机 6-曝气器
7-微滤膜 8-第一膜组件 9-第二膜组件
10-气体流量计 11-压力表 12-臭氧发生器
13-时间控制器 14-导流管阀门 15-臭氧通道阀门
16-主体玻璃反应器
具体实施方式
如图1所示，一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置，包括好氧处理系统、膜过滤系统和气反冲系统。
好氧处理系统包括储液罐1、进水泵2、主体玻璃反应器16、曝气器6和鼓风机5，储液罐1通过进水泵2连接主体玻璃反应器16，曝气器设于主体玻璃反应器内底部，外接鼓风机5，主体玻璃反应器内装有活性污泥。
膜过滤系统包括微滤膜7、第一膜组件8、第二膜组件9、抽水泵3、清水罐4和导流管阀门14，微滤膜置于主体玻璃反应器内曝气器的上方。
本实施方式中，微滤膜采用管式多通道陶瓷膜，无机陶瓷膜膜孔径为0.01～10μm。多通道管式膜的断面上，孔道自圆心处向外分布于不同半径的圆周上，由内至外分布若干圈，当多通道管式膜的断面上孔道分布圈数为偶数圈2n时，微滤膜连接臭氧进气管路一端的外侧n+1～2n孔道密封，连接抽水泵一端的内侧1～n孔道密封，如图3和图4所示。
当多通道管式膜断面孔道分布圈数为奇数圈2n+1时，微滤膜连接臭氧进气管路一端的外侧n+2～2n+1孔道密封，连接抽水泵一端的内侧1～n+1孔道密封，如图4和图5所示。n为整数；孔道的密封深度均为0.5～1cm。
本实施方式中管式多通道陶瓷膜竖向设置，上端通过第一膜组件8连接导流管，导流管末端连接抽水泵3，导流管上设置导流管阀门14，抽水泵出水口接入清水罐4；管式多通道陶瓷膜下端通过第二膜组件连接气反冲系统，臭氧气体从底部送入且从中间孔道送入，过滤后的水从顶端抽出且从外侧孔道抽出，图2所示的微滤膜采用的是如图4和图5所示的奇数圈孔道。
气反冲系统包括臭氧发生器12、时间控制器13、臭氧管道和臭氧管道上的臭氧通道阀门15、气体流量计10和压力表11，臭氧管道通过第二膜组件9与膜反应器下端相连，臭氧管道上沿进气方向设置压力表11、气体流量计10和臭氧通道阀门15；时间控制器13控制臭氧发生器每次反冲的时间。
本发明工作方式如下：
储液罐1中的有机废水通过进水泵2进入好氧处理反应区，在好氧污泥的作用下，有机物得到氧化降解与去除；打开抽水泵3，在负压作用下，利用膜系统将好氧处理反应区的泥水混合物进行分离，好氧污泥截留在反应区，清水经过过滤层进入膜体，通过导流管导出收集；膜系统运行一段时间后，关闭抽水泵3及导流管阀门14，同时打开臭氧通道阀门15，打开臭氧发生器12，迫使臭氧往垂直膜面的方向扩散；运行一段时间后，关闭臭氧发生器12；臭氧的残留可以进一步氧化出水中有机物，提高出水水质，循环进行。
应用实例1
实施方式与上述相同，膜生物反应器内温度为25℃，pH值为7.0，污泥浓度在4g/L，初始膜通量为30L/m2/h，厌氧膜生物反应器水力停留时间为4h，沼液COD为345mg/L，最终出水COD为25mg/L，膜通量为280L/m2/h。
应用实例2
实施方式与上述相同，厌氧膜生物反应器内温度为35℃，pH值为7.0，污泥浓度在3g/L，初始膜通量为30L/m2/h，厌氧膜生物反应器水力停留时间为6h，沼液COD为320mg/L，最终出水COD为22mg/L，膜通量为290L/m2/h。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种一体式臭氧耦合膜生物反应器的废水处理装置，其特征在于，包括：
装有好氧污泥的主体反应器，在主体反应器的进水口通过进水泵连接储液罐；
设于所述主体反应器内底部的曝气装置；
设于所述主体反应器内曝气装置上方的且采用死端过滤的膜过滤系统，所述膜过滤系统包括表面涂层为过滤层的微滤膜和分别安装在微滤膜两端的膜组件；
通过抽水泵连接微滤膜一端膜组件的清水罐；
以及连接至微滤膜另一端膜组件的臭氧发生器；抽水泵管路和臭氧进气管路上均设置阀门。
2.根据权利要求1所述废水处理装置，其特征在于，所述微滤膜为多通道管式膜。
3.根据权利要求2所述废水处理装置，其特征在于，所述多通道管式膜的断面上，孔道自圆心处向外分布于不同半径的圆周上；
当多通道管式膜的断面孔道分布圈数为2n时，所述微滤膜的连接臭氧进气管路一端的外侧n+1～2n孔道密封，所述微滤膜的连接抽水泵管路一端的内侧1～n孔道密封；
当多通道管式膜断面孔道分布圈数为2n+1时，所述微滤膜的连接臭氧进气管路一端的外侧n+2～2n+1孔道密封，所述微滤膜的连接抽水泵管路一端的内侧1～n+1孔道密封；
n为整数；孔道的密封深度均为0.5～1cm。
4.根据权利要求2所述废水处理装置，其特征在于，所述多通道管式膜为多通道管式无机氧化硅陶瓷膜、多通道管式无机碳化硅陶瓷膜或多通道管式氧化铝陶瓷膜。
5.根据权利要求2所述废水处理装置，其特征在于，所述微滤膜竖向设置，底端连接臭氧进气管路、顶端连接抽水泵管路。
6.根据权利要求1所述废水处理装置，其特征在于，还包括与所述臭氧发生器连接的时间控制器；臭氧管路上还设有压力表和流量计。
7.一种利用如权利要求1～6任一项权利要求所述废水处理装置进行废水处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)有机废水通过进水泵进入主体反应器内，主体反应区内曝气，在好氧污泥的作用下，有机物得到降解与去除；
(2)打开抽水泵，在负压作用下，利用膜反应器将主体反应器内的泥水混合物进行分离，好氧污泥截留在主体反应器内，清水经过膜反应器的过滤层进入膜体，通过导流管导出收集；
(3)膜反应器运行一段时间后，打开臭氧通道止水阀，关闭导流管阀门，打开臭氧发生器，使臭氧往垂直膜面的方向扩散，进行反冲；
(4)反冲运行一段时间后，关闭臭氧发生器；
(5)循环步骤(1)～(4)。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，臭氧进气压力为0.01～0.08Mpa；每次反冲臭氧气体流量为20～100ml/min。
9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，每次膜反应器运行时间为20～80imin；每次反冲时间为10～30s。
10.根据权利要求7所述方法，其特征在于，臭氧浓度为10～25mg/L。
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