CN110023252A - 生物活性碳处理装置 - Google Patents

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CN110023252A CN201780074427.8A CN201780074427A CN110023252A CN 110023252 A CN110023252 A CN 110023252A CN 201780074427 A CN201780074427 A CN 201780074427A CN 110023252 A CN110023252 A CN 110023252A
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小林秀树
深濑哲朗
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Kurita Water Industries Ltd
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Abstract

在反应槽(3)内使氧透过膜模块(2a)～(2c)设成多级。来自鼓风机(B)的含氧气体是通过配管(8)、(9)、(10)依序流通于氧透过膜模块(2a)～(2c)，从配管(11)排出。原水从多个喷嘴(5)朝反应槽(3)的底部流出，在反应槽(3)内形成活性碳等的生物载体的流动床(F)。处理水从沟槽(6)通过流出口(7)流出。

Description

生物活性碳处理装置
技术领域
本发明涉及将有机性排水进行好氧性生物处理的生物活性碳处理装置。
背景技术
好氧性生物处理方法由于价格便宜所以多用作有机性废水的处理法。在本方法中，需要朝被处理水溶解氧，通常利用散气管进行曝气。
由散气管所产生的曝气的溶解效率较低，为5-20％左右。而且，因为需要以施加于设置散气管的水深的水压以上的压力进行曝气，并且以高压将大量的空气送风，所以鼓风机的电费是问题。通常，好氧性生物处理的电费的2/3以上是用于氧溶解。
深层曝气槽，因为能够减小装置的必要面积，而且氧的溶解效率较高，因此多被用作占地面积小的工场、城市部的生物处理装置。但是，对于水深是5m以上、例如10m左右的生物处理用深层曝气槽而言，在从最底部曝气的情况下，需要高压鼓风机且鼓风机的效率差，具有电力成本变高的缺点。而且，也有使用通用的中压鼓风机从曝气槽的中间部曝气，通过回旋流而将槽整体搅拌、混合的情况。但是，在此方法中与全面曝气相比，氧的溶解效率较低，电力成本变高。
膜曝气生物反应器(MABR)能够进行氧溶解而不产生气泡。在MABR中，因为以比施加于水深的水压更低的压力的空气通气即可，所以鼓风机的必要压力较低，而且，氧的溶解效率较高。
在电子部件制造工程排水的生物活性碳处理装置中，使贫营养细菌附着于活性碳流动床使其增殖，通过预曝气供给氧而进行生物处理。而且，在净水领域、高度处理等中，除了活性碳之外将无烟煤、微细砂粒子用于载体中，将在固定床被预曝气的原水作为对象处理，除此以外，也采用通过将活性碳、无烟煤、微细砂等直接曝气来供给氧的方法。
但是在预曝气中因为溶存氧浓度具有8～8.5mg/L的上限，所以需要此以上的氧的高浓度的原水不能进行处理。虽然也尝试通过将处理水返送将原水稀释，将循环量增加来供给大量的氧，但是需要很大的泵动力，尽管如此仍无显著效果，因此只可适用于原水TOC浓度为10mg/L左右以下的极稀的废液。
在将生物载体直接曝气的方式中能够供给大量的氧。但是，附着的生物通过由曝气所产生的激烈搅乱而剥离，不能保持充分的生物量，因此存在处理变得不稳定、处理效率较低的问题点。因此，处理效率远比预曝气更低，而且需要10倍大的装置。
在日本特开昭64-90093号中公开了在生物活性碳装置中使用多孔性的中空纤维膜作为曝气机构，并且记载了能够将曝气量大幅地减少。但是，此方法因为也以微细的气泡的形式使氧溶解于槽内，所以越深层，鼓风机压力越大，而且，溶解效率也大幅地下降。
在日本特开平11-333481号、日本特开平11-333487号中公开了具备将气体透过膜作为生物的载体使用的生物处理装置及在其后级的好氧性过滤床的装置，但在好氧性过滤床中使用散气用鼓风机散气，散气成本很高。
在日本专利4907992号中公开了在气体分离膜表面形成生物膜并进行水处理的MABR中，使用非多孔性的气体分离膜，但是将气体分离膜作为固定载体使用，在低浓度排水的处理中，与通常的生物活性碳处理相比较，具有处理速度慢的课题。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：日本特开昭64-90093号公报；
专利文献2：日本特开平11-333481号公报；
专利文献3：日本特开平11-333487号公报；
专利文献4：日本专利4907992号公报。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物活性碳处理装置，不会使附着于活性碳的生物剥离，并且供给大量的氧，由此能够以高负荷处理高浓度的有机性排水。
本发明的生物活性碳处理装置在内部形成生物载体的流动床，进行有机性排水的生物处理。该装置具备：反应槽、对该反应槽内的下部供给原水的原水供给机构、设置在该反应槽内的氧透过膜模块、对该氧透过膜模块供给含氧气体的含氧气体供给机构、以及从该反应槽的上部将处理水取出的处理水取出机构，氧透过膜模块具备非多孔性的氧透过膜。
在本发明中，优选的是，氧透过膜使被供给的含氧气体中的氧透过槽内，并且在槽内不会产生气泡。
在本发明的一个方式的生物活性碳处理装置中，前述氧供给机构具备鼓风机，该鼓风机的压力比由前述反应槽的水深所产生的水压更小。
在本发明的一个方式的生物活性碳处理装置中，前述生物载体是活性碳。
发明效果
在本发明中，因为通过在活性碳等的生物载体的流动床设置非多孔性的氧透过膜(氧溶解膜)，使供给氧量变多，所以作为对象的原水的有机性排水浓度没有上限。
在本发明中，因为将生物载体以流动床运转，所以不会受到激烈搅乱。因此，因为能够稳定地保持大量的生物，所以负荷能够较高。
在本发明中，因为使用氧溶解膜，所以与预曝气、直接曝气相比，氧的溶解动力小。
由此可知，依据本发明，能够以高负荷且廉价地处理从低浓度至高浓度为止的有机性排水。
附图说明
图1是实施方式涉及的生物活性碳处理装置的构成图。
图2是实施方式涉及的生物活性碳处理装置的纵剖面图。
图3是实施方式涉及的生物活性碳处理装置的纵剖面图。
图4是实施方式涉及的生物活性碳处理装置的纵剖面图。
图5是实施方式涉及的生物活性碳处理装置的纵剖面图。
图6是氧供给透过膜模块的侧面图、以及氧供给透过膜模块的立体图。
图7是中空纤维膜模块的前视图。
图8是说明中空纤维膜的配列的立体图。
图9是表示中空纤维膜模块中的中空纤维膜的配列的前视图及其侧面图。
图10是中空纤维膜模块的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对于本发明进一步详细说明。
本发明的生物活性碳处理装置，是对于将污水(下水道)、纸浆、化学、食品、汽车制造工程等的有机性排水进行处理而言适宜的好氧性生物处理装置，在反应槽内配置氧透过膜模块。图1(a)是表示本发明的一例的生物活性碳处理装置1A的纵剖面图、图1(b)是其喷嘴的立体图。此生物活性碳处理装置1A具备在反应槽3内被上下多级配置的多个氧透过膜模块2。在此实施方式中，氧透过膜模块2虽被设成3级，但是氧透过膜模块2优选设置为2～8级，特别优选设置为2～4级。
原水通过配管4及多个喷嘴5被供给至反应槽3的底部，并形成活性碳的流动床F。贯通流动床F的处理水从沟槽6越流，从流出口7流出。
氧透过膜模块2因为具备非多孔质的氧透过膜，透过膜的氧溶解在反应槽3内的被处理水中，所以在反应槽3内不会产生气泡。
在图1中，来自鼓风机B的空气等的含氧气体通过配管8被供给至最下级的氧透过膜模块2c的上部，从氧透过膜模块2c的下部流出，通过配管9被供给至从上数第2级的氧透过膜模块2b的上部，从氧透过膜模块2b的下部流出，通过配管10被供给至最上级的氧透过膜模块2a的上部。从氧透过膜模块2b的下部流出的气体通过配管11被排出。
氧透过膜模块2优选在活性碳流动床F的上下方向的大致整个区域存在。而且，从反应槽3的俯视看，氧透过膜模块2优选不偏地配置在反应槽3内的整个区域。
在图1中，虽从多个喷嘴5将原水朝反应槽3内的底部流出，但是如图2，也可以在反应槽3内的底部配置冲孔金属板等透水板12，在该透水板12的上侧形成：粗沙砾等的大径粒子层13、以及其上侧的细沙砾等的小径粒子层14。原水从配管4通过喷嘴16朝透水板12的下侧的接收室15流出，通过透水板12、大径粒子层13及小径粒子层14，在反应槽3内形成活性碳的流动床F。而且，即使没有冲孔金属板等透水板也可以。
对于含氧气体朝氧透过膜模块2的流通形式的其他例，参照图3～图5进行如下说明。
在图3的生物处理装置中，来自鼓风机B的含氧气体通过配管8被供给至最下级的氧透过膜模块2c的上部，从其下部流出，被供给至从下数第2级的氧透过膜模块2b的下部，从其上部流出，接着被供给至最上级的氧透过膜模块2a的下部，从其上部通过配管11排出。
在图4的生物处理装置中，来自鼓风机B的含氧气体通过配管8被供给至最下级的氧透过膜模块2c的下部，从其上部流出，被供给至从下数第2级的氧透过膜模块2b的下部，从其上部流出，接着被供给至最上级的氧透过膜模块2a的下部，从其上部通过配管11排出。
在图5的生物处理装置中，含氧气体并列地流动于各氧透过膜模块2a～2c。即，来自鼓风机B的含氧气体通过配管8被供给至各氧透过膜模块2a、2b、2c的上部，从各自的下部流出，通过配管11排出。
另外，如图1～3，含氧气体被供给至最下级的氧透过膜模块2c的上部，从该氧透过膜模块2c的下部流出，其后，朝上侧的氧透过膜模块2b、2a依序流动，在以此方式构成的生物处理装置中，氧透过膜模块2c内的凝缩水容易脱出。
如图4，在含氧气体在氧透过膜模块2a～2c内朝上方流动的情况下，氧透过膜模块内的凝缩水变得容易蒸发。尤其是，通过将干燥度高的气体作为含氧气体流动，凝缩水变得容易蒸发。
如图1～4，在将含氧气体从最下级的氧透过膜模块2c依序朝上级侧的氧透过膜模块2b、2a流通的生物处理装置中，反应槽3内的被处理水的流动因为是向上流动，所以BOD浓度越高的原水侧的被处理水，越多的氧被供给，因此能够成为与负荷对应的氧供给量。
如图5，在含氧气体并列地流通于各氧透过膜模块2a～2c的情况下，含氧气体的压力损失减少，成为节能。另外，在图5中，对于越下级侧的氧透过膜模块，使含氧气体流通量越多，由此，能够成为与负荷对应的氧供给量。
在图1～5中的任一图中，可以使越是上级侧的氧透过膜模块，膜面积越小，或是使膜的填充密度越低。
另外，在图3～5中，也可以设为如图2所示的具有透水板12、大径粒子层13及小径粒子层14的底部构造。
氧透过膜模块2的氧透过膜可以是中空纤维膜、平膜、螺旋膜中的任意一种，但是优选中空纤维膜。膜的材质能够使用通常用于MABR的硅、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯等，但是优选硅。也可以使用强度高、用无孔聚合物涂覆多孔中空纤维而得到的复合材料膜。
对于中空纤维膜而言，优选内径0.05～4mm、特别是0.2～1mm，优选厚度0.01～0.2mm、特别是0.02～0.1mm。内径比其更小时，通气压力损失变大，内径比其更大时表面积变小，氧的溶解速度会下降。厚度比上述范围更小时，物理的强度变小，变得容易断裂。相反地，厚度比上述范围更大时，氧透过阻力变大，氧溶解效率会下降。
中空纤维膜的长度是0.5～3m左右，特别优选1～2m左右。中空纤维膜太长时，在生物膜大量地附着的情况下，会发生：断裂、或者呈团状凝固使表面积变小、氧溶解效率下降、压力损失变大等的问题。中空纤维膜太短时，成本变高。基于同样的理由，平膜、螺旋膜的长度也优选为0.5～1.5m。
膜的必要面积是能够供给处理所必要的氧量的充分量。例如，在原水是CODcr50mg/L、滞留时间为30分钟的情况下，如果是硅制的100μm厚的中空纤维膜，流动的活性碳部分的单位容积1m3需要240m2以上。
对膜的面积而言，优选单位槽容积为300m2以上、1000m2/m3以下。膜面积大时，氧供给量变多，高负荷成为可能，但是膜成本上升。每单位容积的膜面积过大时，膜会成为团状，效率下降。膜优选朝流动方向设置。例如，在水深10m的槽中，优选将长度2m的膜上下设置4级。
对于氧透过膜模块的构造的一例，参照图6～11进行如下说明。
图6的氧透过膜模块20使用中空纤维膜17作为氧透过膜。在此实施方式中，中空纤维膜17是朝上下方向配列，各中空纤维膜17的上端与上部插头18连接，下端与下部插头19连接。中空纤维膜17的内部分别与上部插头18及下部插头19内连通。各插头18、19是中空管状，与大致水平方向平行地多根配列。另外，在使用平膜、螺旋膜的情况下，也朝上下方向配列。
优选的是，各插头18的一端或两端与歧管18A连结，各插头19的一端或两端与歧管19A连结。在朝氧透过膜模块20的上部供给含氧气体、从氧透过膜模块20的下部排出的情况下，含氧气体从上部插头18通过中空纤维膜17朝下部插头19流动，在这期间氧透过中空纤维膜17溶解在反应槽3内的水中。相反地，在朝氧透过膜模块20的下部供给含氧气体、从上部排出的情况下，含氧气体朝下部插头19供给，通过中空纤维膜17从上部插头18排出。
图7是表示配置于框架22内的氧透过膜模块20的一例的前视图。此框架22具有：分别立设在4角的4条柱22a、被架设在各柱22a的上端彼此之间的上梁22b、被架设在各柱22b的下部彼此之间的下梁22c、以及安装于各柱22a的下端面的底座板22d。氧透过膜模块20通过使氧透过膜模块20的歧管13、14保持于框架22而设置于框架22内。
具备此框架22的氧透过膜模块20容易在反应槽3内上下多级地设置。即，将上侧的氧透过膜模块20的底座板22d载置在下侧的氧透过膜模块20的框架22上，就能够将上侧的氧透过膜模块20配置。
在本发明的一个方式中，将以上下方向配列中空纤维膜而得到的中空纤维膜模块设为高度1～2m左右的高度低的膜模块，将此层叠为2级以上，优选4级以上。
如此地，通过将中空纤维膜的长度缩短，将降低了高度的中空纤维膜模块多级地层叠，从而能够以较低压力将氧溶解。
对于朝中空纤维膜送风的含氧气体的压力而言，从成本方面出发，优选为比中空纤维膜的压力损失略高的程度，例如高5～20％左右的压力。
供给至中空纤维膜的压力可以与水深无关地决定。因为通常的散气装置需要水深以上的压力，所以本发明是反应槽的水深越深越有利。
通过上下方向的模块的配管连接，膜内的凝缩水、从生物槽朝膜内溶解的碳酸气体的影响是不同的。因此，优选设为考虑了压损、凝缩水、碳酸气体的配管连接构造。
在上述实施方式中，如图6、7，将中空纤维膜17设成上下方向，原水(被处理水)沿着中空纤维膜17朝上下方向流动，但是也可以作为至少一部分的氧透过膜模块使用如图8所示的具有水平的X方向的中空纤维膜17b、以及上下方向(Z方向)的中空纤维膜17a的氧透过膜模块。另外，如图9，可以将中空纤维膜17a、17b编织成平纹状。
图10是表示具备这种X、Z方向的中空纤维膜17(17a、17b)的氧透过膜模块的一例的立体图。此氧透过膜模块30具有：朝Z方向延伸的平行的1对插头31，31、朝与其正交的X方向延伸的1对插头32，32、以及中空纤维膜17。X方向的中空纤维膜17架设在插头31，31之间，Z方向的中空纤维膜17架设在插头32，32之间。
通过插头31、32的端部彼此连结，插头31、32成为方形框状。在此氧透过膜模块30的一个方式中，在插头31、32的两端内部设有端塞等闭塞构件(省略图示)，使插头31、32内被遮断。含氧气体被供给至一方的插头31，通过中空纤维膜17，流入另一方的插头31。而且，含氧气体被供给至一方的插头32，通过中空纤维膜17，流入另一方的插头32。
在此氧透过膜模块30的另一方式中，一方的一条插头31及一方的一条插头32连通。而且，另一方的一条插头31及另一方的一条插头32连通。在该一方的插头31、32、以及该另一方的插头31、32的连结部分的内部设有端塞等的闭塞构件(省略图示)，使该一方的插头31、32、以及该另一方的插头31、32内被遮断。含氧气体被供给至该一方的插头31、32，通过中空纤维膜17，流入该另一方的插头31、32。
这些中空纤维膜在图6～图10中虽各为1条，但是也可以是几条～100条左右组成的线束。
在本发明中，也可以在反应槽内的下部设置曝气装置。
接下来，对在本发明中使用的生物载体、含氧气体、其他处理条件的优选例进行说明。
<生物载体>
作为生物载体，适宜的是活性碳。
活性碳的填充量是反应槽的容积的40～60％左右，特别优选50％左右。此填充量越多，生物量越多且活性越高，但是太多的话有可能流出。因此，可以以填充量50％左右且活性碳相膨胀20～50％左右的LV进行通水。通水LV是在0.5mm活性碳条件下为7～15m/hr左右。另外，活性碳以外的凝胶状、多孔质材料、非多孔质材料等也能够以同样的条件使用。也能够使用例如：聚乙烯醇凝胶、聚丙烯酰胺凝胶、聚氨酯发泡体、海藻酸钙凝胶、沸石、塑料等。但是，使用活性碳作为载体时，通过由活性碳的吸附作用及生物分解作用所产生的相互作用，能进行广范围的污浊物质的除去。
活性碳的平均粒径优选是0.2～3mm左右。平均粒径大时，能设为高LV，使循环量增加，因此能实现高负荷。但是，因为表面积变小，所以生物量变少。平均粒径小时，因为能够以低LV流动，所以泵动力变得便宜。而且，因为表面积大，所以附着生物量增加。
最适粒径取决于废水的浓度，如果TOC为50mg/L，则最适粒径优选为0.2～0.4mm左右，如果TOC为10mg/L，则优选为0.6～1.2mm左右。
活性碳的展开率优选为20～50％左右。当展开率比20％更低时，有可能导致孔堵塞、短路。当展开率比50％更高时，有可能流出，并且泵动力成本变高。
在通常的生物活性碳中，活性碳流动床的膨胀率是10～20％左右，在此情况下，活性碳的流动状态不均一地上下左右流动。其结果是，同时设置的膜会被活性碳摩擦，磨损而消耗。为了防止该情况，在本发明中，有必要使活性碳充分地流动，膨胀率优选设成20％以上。因此，活性碳的粒径优选比通常的生物活性碳更小。另外，活性碳也可以是椰壳碳、石碳、木碳等任何活性碳。形状优选为球状碳，也可以是通常的粒状碳、破碎碳。
<含氧气体>
含氧气体只要是空气、富氧空气、纯氧等包含氧的气体即可。通气的气体优选通过过滤器将微细粒子除去。
通气量优选是生物反应所必要的氧量的等量至2倍左右。比其少时，氧不足，在处理水中会残留BOD、氨，比其多时，因为通气量过多且压力损失变高，所以会减损经济性。
通气压力优选比以规定的通气量产生的中空纤维的压力损失略高的程度。
<被处理水的流速>
被处理水的流速是LV10m/hr以上，处理水不循环，以一次处理为优选。
当提高LV时，氧溶解速度与其成正比例地提高。当LV为50m/hr时，氧以10m/hr的2倍溶解。在LV较高的情况下，优选使用粒径大的活性碳，使展开率不要太大。考虑生物量、氧溶解速度的话，最适LV范围是10～30m/hr左右。
<滞留时间>
优选以槽负荷成为1～2kg-TOC/m3/天的方式设定滞留时间。
<鼓风机>
对鼓风机而言，排出风压为水深的水压以下就很充分。但是，需要是配管等的压损以上。通常，配管阻力是1～2kPa左右。
水深5m的情况下，通常使用输出为0.55MPa左右以下的通用鼓风机，在更深的水深中使用高压鼓风机。
在本发明中，在水深5m以上的情况下，也能够使用0.5MPa以下的压力的通用鼓风机，优选使用0.1MPa以下的低压鼓风机。
含氧气体的供给压的条件是：比中空纤维膜的压力损失更高，比水深压力更低，而且膜不会被水压而压溃。因为平膜、螺旋膜的膜的压损与水压相比可以忽视，所以为非常低的压力如5kPa左右以上、水压以下，最好是20kPa以下。
中空纤维膜的情况下，压力损失会依据内径及长度而变化。因为通气的空气量是单位膜1m2为20mL～100mL/天，所以膜长度成为2倍时，空气量为2倍，膜径即使成为2倍，空气量也只是2倍。因此，膜的压力损失与膜长度正比例，与直径成反比例。
对压力损失的值而言，在内径50μm、长度2m的中空纤维的情况下，为3～20kPa左右。
根据本发明人的实验可确认：使通气压力由11～140kPa、通气量由240～460mL/min变化的结果，氧溶解速度几乎不变化。
在本发明中，优选使氧溶解效率为30～100％，特别优选为40～60％。
虽使用特定的方式详细说明了本发明，但是本领域技术人员在不脱离本发明的意图及范围的情况下能进行各式各样的变更。
本申请基于2016年12月1日申请的日本专利申请第2016-234233号，通过引用援引其全部内容。
附图符号说明
1A～1E：生物处理装置；
2，20，30：氧透过膜模块；
17，17a，17b：中空纤维膜；
18，19，31，32：插头；
22：框架。

Claims (3)

1.一种生物处理装置，其是在内部形成生物载体的流动床的有机性排水的生物处理装置，其中，
具备：反应槽；
对该反应槽内的下部供给原水的原水供给机构；
设置在该反应槽内的氧透过膜模块；
对该氧透过膜模块供给含氧气体的含氧气体供给机构；以及
从该反应槽的上部将处理水取出的处理水取出机构，
氧透过膜模块具备非多孔性的氧透过膜。
2.如权利要求1所述的生物处理装置，其中，
所述氧供给机构具备鼓风机，该鼓风机的压力比由所述反应槽的水深产生的水压更小。
3.如权利要求1或2所述的生物处理装置，其中，
所述生物载体是活性碳。
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