CN109650674A - 一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器及污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器及污水处理方法，封头封闭主反应区的上端，封头设有进气管，中空纤维膜的一端封于封头中并与进气管连通，主反应区的下部与防冲击多孔板相连，防冲击多孔板的下部与污泥区相连，污泥区底部设有放空管，主反应区和循环管连接到一起组成上部过渡管和下部过渡管，循环管上端连接有驱动电机，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，循环管的下端设有进水管，循环管的上端一侧设有出水管。本发明运行方便；甲烷传质效果好、利用率高；污泥易附着；可处理含氮废水。

Description

一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器及污水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理设备领域，尤其是涉及一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器及污水处理方法。

背景技术

甲烷是一种重要的化石燃料，是一种不可忽视的温室气体，是自然界中一种丰富的碳氢化合物，同时也可作为微生物生长的底物。近年来，由于工业和农业废水的超标排放，我国地表水体氮素含量不断升高，水体富营养化事件频频发生，严重威胁人畜饮用水安全。厌氧和好氧处理相结合的工艺是目前我国工业和农业废水处理常用的技术。然而此类技术的应用，尤其是在中小型废水处理厂，往往导致厌氧段温室气体甲烷难以有效资源化利用而大量被无序排放、好氧段处理出水C/N低、反硝化深度脱氮处理碳源不足、出水难以达标等一系列环境与经济问题。

反硝化型甲烷厌氧氧化过程的发现为处理含氮废水提供了新方法。反硝化型甲烷厌氧氧化过程可以利用污水厂厌氧过程产生的甲烷作为反硝化过程中的电子供体，既节约反硝化过程中外加碳源的成本，又可减少温室气体的排放。虽然反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO）有诸多优点，但是现有的反硝化型甲烷厌氧氧化过程多采用SBR反应器（序批式间歇活性污泥法）和厌氧MBR反应器（厌氧膜生物反应器），这些反应器在应用中普遍存在甲烷的利用率低、甲烷的传质效果差等问题，采用此类反应器培养富集反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物通常需要200天以上，耗时极长。

反硝化型甲烷厌氧氧化废水处理工艺因甲烷传质效率以及微生物生长速率等其他方面的问题限制，存在以下一些亟待解决的问题：

（1）改善供气方式以避免可燃气体混合存在的安全隐患；

（2）优化反应器设计，以提高甲烷利用速率和传质速率。

发明内容

发明目的

本发明的目的是为解决反硝化型甲烷厌氧氧化过程常用的SBR、厌氧MBR等反应器存在的烷的利用率低，甲烷的传质效果差等问题，以及反硝化型甲烷厌氧氧化功能菌群难以在短时间内驯化、富集和培养的难题，提供一种运行方便；甲烷传质效果好、利用率高；污泥易附着；可处理含氮废水的环流式甲烷基质膜生物膜反应器及污水处理方法。

技术方案

一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：包括主反应区、封头、中空纤维膜、污泥区、上部过渡管、下部过渡管、循环管、驱动电机和轴流式搅拌桨，所述封头封闭主反应区的上端，封头设有进气管，中空纤维膜外表面上附着反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物，中空纤维膜的一端封于封头中并与进气管连通，中空纤维膜主体部分置于主反应区内；主反应区的下部与防冲击多孔板相连，防冲击多孔板的下部与污泥区相连，污泥区底部设有放空管，主反应区侧边上部和循环管的侧边上部分别向外探出部分并连接到一起组成上部过渡管，主反应区侧边下部和循环管的侧边下部分别向外探出部分并连接到一起组成下部过渡管；循环管上端连接有驱动电机，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，导流定轴器固定于循环管的内壁上，轴流式搅拌桨穿过导流定轴器，导流定轴器用于支撑轴流式搅拌桨的下端；循环管的下端设有进水管，循环管的上端一侧设有出水管。

所述轴流式搅拌桨上焊接有相同间距的多组桨叶。

所述循环管内高度位于上部过渡管的上侧设有三角溢流堰，位于上部过渡管的高度和三角溢流堰的高度之间的区域为沉淀区，沉淀区内不设桨叶，出水管与循环管相连所在位置的高度高于三角溢流堰的下端面高度。

所述所述轴流式搅拌桨上端通过万向节与驱动电机的电机轴连接。

所述污泥区内设有漏斗状的污泥泥斗，污泥区的下端为柱形裙座，放空管位于污泥泥斗的底端。

所述驱动电机与循环管通过法兰连接，主反应区与防冲击多孔板通过法兰相连，防冲击多孔板与污泥区通过法兰相连，上部过渡管的中间侧通过法兰连接成一个整体，下部过渡管的中间侧也通过法兰连接成一个整体；各部件连接的法兰处均以O型圈密封；法兰连接所用的螺栓两端皆包有硅胶密封件，所述硅胶密封件内有螺母容纳腔并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。

一种使用如所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器处理污水的方法，其特征在于：方法如下：

污水由进水管输送到循环管，启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的推流作用下，循环管中的污水向上流动，由上部过渡管进入主反应区中；主反应区的污水向下流动，由下部过渡管进入循环管中，整个反应器内污水呈现环流式状态；

甲烷气体在控制操作压力低于泡点的情况下，由进气管通入至中空纤维膜内部，甲烷在膜腔内流动，甲烷在膜两侧分压差的推动下透过膜的微小孔隙，以微观分子态的形式扩散进入到附着在中空纤维膜外表面的生物膜内部，污水中的底物从生物膜的表层贯穿到生物膜的内部；在生物膜中的反硝化型甲烷厌氧氧化功能菌群的代谢作用下，污水中的硝态氮等被去除；

在连续进水的运行过程中，经过主反应区的经过处理的污水进入至循环管中，一部分通过上部过渡管再回流至主反应区中，一部分进入至循环管内部顶端的沉淀区，污水经过沉淀后，上清液从三角溢流堰排出至U型出水管，再排出反应器。

优点及效果

本发明具有的优点和积极效果是：

（1） 能够利用污水处理过程中排放的温室气体甲烷，实现废水的资源化处理；

（2） 附着在纤维膜上的微生物可以直接利用从纤维膜中传递过来的甲烷，从而避免甲烷在水中溶解度低的缺陷

（3） 可满足不同底物浓度、不用进水流速的要求；

（4） 与传统的鼓泡曝气相比：节省能源、气体利用率高；

（5） 避免表面活性剂发泡问题；

（6） 不会将溶于水的气态污染物再吹脱出来；

（7） 可最大限度降低反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物的培养和驯化时间；

（8） 可以实现设备的间歇性运行，降低了能耗，提高了设备的效率；

（9） 针对含氮污水的水质特征，本发明采用了稳定的处理工艺，出水稳定，实现污水的资源化利用；

（10） 工程造价低，运行费用低，并在经济效益，环境效益和社会效益方面均具有贡献意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是防冲击多孔板结构示意图；

图3是导流定轴器结构示意图；

图4是法兰处包有硅胶密封件的螺栓的结构示意图。

附图标记说明：1-进气管；2-封头；3-主反应区；4-中空纤维膜；5-防冲击多孔板；6-污泥区；7-污泥泥斗；8-放空管；9-柱形裙座；10-驱动电机；11-万向节；12-三角溢流堰；13-出水管；14-沉淀区；15-上部过渡管；16-轴流式搅拌桨；17-循环管；18-下部过渡管；19-导流定轴器；20-进水管；21-锥形裙座22-螺栓；23-硅胶密封件；24-螺母容纳腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2和图3所示，一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器，包括主反应区3、封头2、中空纤维膜4、污泥区6、上部过渡管15、下部过渡管18、循环管17、驱动电机10和轴流式搅拌桨16，所述封头2封闭主反应区3的上端，封头2设有进气管1，优选的，中空纤维膜4具有微小孔隙，是插入到封头2的下面然后胶封固定住的，封头2下端与主反应区3上部通过螺纹连接，中空纤维膜4外表面上附着反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物，中空纤维膜4的一端封于封头2中并与进气管1连通，中空纤维膜4主体部分置于主反应区3内；主反应区3是活性功能微生物主要的代谢活动的场所，中空纤维膜4将甲烷以微观分子态的形式扩散进入到生物膜内部，甲烷以及污水中的硝态氮等污染物在此处被微生物利用，发生反硝化型甲烷厌氧氧化过程。主反应区3的下部与防冲击多孔板5通过法兰相连，防冲击多孔板5的下部与污泥区6通过法兰相连，污泥区6底部设有放空管8，污泥区6内设有漏斗状的污泥泥斗7，污泥区6的下端为柱形裙座9，放空管8位于污泥泥斗7的底端。污泥泥斗7用作收集微生物代谢后产生的剩余污泥，并通过放空管8排出剩余污泥；所述柱形裙座9是整个反应器左半部分的底座，用以承受反应器左半部分的全部载荷。主反应区3侧边上部和循环管17的侧边上部分别向外探出部分并法兰连接到一起组成上部过渡管15，主反应区3侧边下部和循环管17的侧边下部分别向外探出部分并法兰连接到一起组成下部过渡管18；循环管17上端法兰连接有驱动电机10，驱动电机10的电机轴通过万向节11连接有轴流式搅拌桨16，轴流式搅拌桨16上焊接有相同间距的多组桨叶，导流定轴器19通过焊接的方式固定于循环管17的内壁上，轴流式搅拌桨16穿过导流定轴器19，导流定轴器19用于支撑轴流式搅拌桨16的下端，导流定轴器19防止轴流式搅拌桨16的下端在转速较大的情况下轴心不稳而摆动，导流定轴器19还具有导流作用。循环管17的下端设有进水管20，循环管下端还设置有锥形裙座21；循环管17的上端一侧设有出水管13，出水管13为U型出水管，U型可以液封。循环管17内高度位于上部过渡管15的上侧设有三角溢流堰12，三角溢流堰12为反应器内液体溢出的结构，具有维持反应器内液面高度及使液体均匀溢出的作用，位于上部过渡管15的高度和三角溢流堰12的高度之间的区域为沉淀区14，沉淀区14内不设桨叶，出水管13与循环管17相连所在位置的高度高于三角溢流堰12的下端面高度。

各部件连接的法兰处均以O型圈密封；如图4所示，法兰连接所用的螺栓22两端皆包有硅胶密封件23，所述硅胶密封件23内有螺母容纳腔24并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。硅胶密封件31的安装方式为：首先在硅胶密封件31粗糙面涂抹硅脂或凡士林，再在螺栓22拧紧之前将螺栓22的栓冒和螺母塞入硅胶密封件31内，因硅胶密封件31是软的，所以塞入简单，不费力，而且适当的壁厚还可以使用可调节的扳手在硅胶密封件31的外部拧紧。最后使用可以调节的扳手在硅胶密封件31的外部将螺母拧紧即可。拧紧后的包有硅胶密封件31的螺栓22只要硅胶密封件31不老化破损，可达到常年的优秀密封保护。

一种使用环流式甲烷基质膜生物膜反应器处理污水的方法，方法如下：

污水由进水管20输送到循环管17，启动驱动电机10，在轴流式搅拌桨16的推流作用下，循环管17中的污水向上流动，由上部过渡管15进入主反应区3中；主反应区3的污水向下流动，由下部过渡管18进入循环管17中，整个反应器内污水呈现环流式状态；

甲烷气体在控制操作压力低于泡点的情况下，由进气管1通入至中空纤维膜4内部，甲烷在膜腔内流动，甲烷在膜两侧分压差的推动下透过膜的微小孔隙，以微观分子态的形式扩散进入到附着在中空纤维膜4外表面的生物膜内部，污水中的底物从生物膜的表层贯穿到生物膜的内部；在生物膜中的反硝化型甲烷厌氧氧化功能菌群的代谢作用下，污水中的硝态氮等被去除；

在连续进水的运行过程中，经过主反应区3的经过处理的污水进入至循环管17中，一部分通过上部过渡管15再回流至主反应区3中，一部分进入至循环管17内部顶端的沉淀14区，污水经过沉淀后，上清液从三角溢流堰12排出至U型出水管13，再排出反应器。

循环管17的作用是将主反应区3中污泥和污水的混合液进行循环，使主反应区3有水力循环，满足足够的水力扰动，能够加强微生物和污水的传质效果。三角溢流堰12用以在沉淀区14沉降后的污水上清液的均匀稳定排放，再由U型出水管13排出；所述U型出水管13的U型底部始终有污水沉积，起到液封的作用，防止氧气由U型出水管13进入至反应器中。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：包括主反应区、封头、中空纤维膜、污泥区、上部过渡管、下部过渡管、循环管、驱动电机和轴流式搅拌桨，所述封头封闭主反应区的上端，封头设有进气管，中空纤维膜外表面上附着反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物，中空纤维膜的一端封于封头中并与进气管连通，中空纤维膜主体部分置于主反应区内；主反应区的下部与防冲击多孔板相连，防冲击多孔板的下部与污泥区相连，污泥区底部设有放空管，主反应区侧边上部和循环管的侧边上部分别向外探出部分并连接到一起组成上部过渡管，主反应区侧边下部和循环管的侧边下部分别向外探出部分并连接到一起组成下部过渡管；循环管上端连接有驱动电机，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，导流定轴器固定于循环管的内壁上，轴流式搅拌桨穿过导流定轴器，导流定轴器用于支撑轴流式搅拌桨的下端；循环管的下端设有进水管，循环管的上端一侧设有出水管。

2.根据权利要求1所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：所述轴流式搅拌桨上焊接有相同间距的多组桨叶。

3.根据权利要求2所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：所述循环管内高度位于上部过渡管的上侧设有三角溢流堰，位于上部过渡管的高度和三角溢流堰的高度之间的区域为沉淀区，沉淀区内不设桨叶，出水管与循环管相连所在位置的高度高于三角溢流堰的下端面高度。

4.根据权利要求1所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：所述所述轴流式搅拌桨上端通过万向节与驱动电机的电机轴连接。

5.根据权利要求1所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：所述污泥区内设有漏斗状的污泥泥斗，污泥区的下端为柱形裙座，放空管位于污泥泥斗的底端。

6.根据权利要求1所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器，其特征在于：所述驱动电机与循环管通过法兰连接，主反应区与防冲击多孔板通过法兰相连，防冲击多孔板与污泥区通过法兰相连，上部过渡管的中间侧通过法兰连接成一个整体，下部过渡管的中间侧也通过法兰连接成一个整体；各部件连接的法兰处均以O型圈密封；法兰连接所用的螺栓两端皆包有硅胶密封件，所述硅胶密封件内有螺母容纳腔并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。

7.一种使用如权利要求1所述的环流式甲烷基质膜生物膜反应器处理污水的方法，其特征在于：方法如下：

污水由进水管输送到循环管，启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的推流作用下，循环管中的污水向上流动，由上部过渡管进入主反应区中；主反应区的污水向下流动，由下部过渡管进入循环管中，整个反应器内污水呈现环流式状态；

甲烷气体在控制操作压力低于泡点的情况下，由进气管通入至中空纤维膜内部，甲烷在膜腔内流动，甲烷在膜两侧分压差的推动下透过膜的微小孔隙，以微观分子态的形式扩散进入到附着在中空纤维膜外表面的生物膜内部，污水中的底物从生物膜的表层贯穿到生物膜的内部；在生物膜中的反硝化型甲烷厌氧氧化功能菌群的代谢作用下，污水中的硝态氮等被去除；

在连续进水的运行过程中，经过主反应区的经过处理的污水进入至循环管中，一部分通过上部过渡管再回流至主反应区中，一部分进入至循环管内部顶端的沉淀区，污水经过沉淀后，上清液从三角溢流堰排出至U型出水管，再排出反应器。