CN110395853B - 一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器及其应用，属于污水处理技术领域。本发明方法是针对有机废水，包括以下步骤：原水由进水泵进入厌氧反应区，产生的沼气经过水封后进行收集回用；一部分污水在FO膜的作用下实现分离净化，然后再经过RO膜的处理实现回用；另一部分污水经过MF膜分离净化。本发明将叶片式FO膜组件固定在转轴上，通过进水水流的动力推动其做旋转运动，不仅提高传质效果，而且缓解了FO膜污染，延长了反应器运行时间；通过MF膜使盐度积累得到控制；反应器的占地面积较小，且污水中的有机物以沼气的形式进行回收；整个系统可以实现自动化控制。

Description

一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器及其应用
技术领域
本发明涉及一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器及其应用，属于污水处理技术领域。
背景技术
近年来，随着国民经济的高速发展，生活污水和工业废水的排放量日益增加。以石油、化工、造纸、医药、食品、纺织等为代表的行业排放了大量的工业废水，此类废水具有有机物浓度高、成分复杂、既含有可生物降解的部分，又含有不可降解部分，有些还含有有毒物质。有数据显示，每年工业废水排放量总体上超过200亿吨，如未经处理直接排入水体将使水体遭受污染，对人类健康和生态环境构成严重威胁。因此，高浓度有机废水的处理是当今环境工程和环境科学领域研究的热点。
厌氧生物技术是常用的有机废水处理方法，它可以在降解有机物的同时产生沼气，能有效地将废水处理和能源回收相结合。一般说来，传统厌氧消化的停留时间较长且需要较大的反应容积，而常用的高效厌氧反应器(如EGSB、UASB)又难以解决由于废水较高悬浮物导致的污泥流失问题。与传统的厌氧生物技术相比，厌氧膜生物反应器(AnaerobicMembrane Bioreactor，AnMBR)提高了生物量，从而提升了出水水质和甲烷产率。然而，AnMBR的出水仍未达标，且膜污染严重。为了解决这些问题，正渗透(Forward Osmosis，FO)膜被用来取代传统的微滤膜和超滤膜，产生了新型的厌氧正渗透膜生物反应器(AnaerobicOsmotic Membrane Bioreactor，AnOMBR)。
AnOMBR具有出水水质好、能耗低等优点，此外，与需要额外施加操作压力的膜分离技术相比，FO膜的污染趋势更小，可逆程度更高。将AnOMBR应用到有机废水处理，不仅可以提升出水水质，实现出水直接排放或者回用，而且有望减轻原有AnMBR存在的膜污染问题。虽然AnOMBR中FO膜污染较轻，但是在长期运行过程中的膜污染仍然无法忽视。目前尚未有系统地关于AnOMBR处理高浓度有机废水性能的研究报道。
发明内容
【技术问题】
AnOMBR长期处理有机废水过程中存在的膜污染问题。
【技术方案】
为了解决上述问题，本发明创造性的提出了一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器。本发明的装置采用叶片式的FO膜组件，将其固定在中间转轴上，通过进水水流的动力推动其做旋转运动，利用旋转产生的水力剪切作用缓解FO膜污染，并进一步提高FO膜的运行通量。自旋转式AnOMBR不仅可以提升厌氧生物技术处理有机废水的出水水质，实现废水回用，而且可以通过沼气回收实现能源回收，是一种面向未来的可持续污水处理技术，对今后污水处理技术的发展具有良好的补充，可进一步推动AnOMBR在有机废水处理领域的应用。
本发明的第一个目的是提供一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，所述反应器包括进水池、膜反应装置、汲取液池、反渗透膜处理装置；所述进水池与膜反应装置相连，所述膜反应装置中包括MF膜组件和叶片式FO膜组件；所述叶片式FO膜组件与汲取液池连接形成循环回路，所述汲取液池与反渗透膜处理装置连接形成回路；
所述叶片式FO膜组件包括中空转轴、设置在中空转轴上的多个FO膜单元，所述中空转轴内由一隔板分隔为第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的进口和汲取液池相连，所述第二腔体的出口和汲取液池相连；所述第一腔体的出口与第一FO膜单元的进口相连，所述第二腔体的进口与第二FO膜单元的出口相连；所述第一FO膜单元的出口与第二FO膜单元的进口相连，所述第一FO膜单元与第二FO膜单元通过挡板隔开。
在本发明一种实施方式中，所述FO膜的材质为三醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)膜、水通道蛋白膜、聚醚砜树脂(PES)膜中的任意一种。
在本发明的一种实施方式中，所述第一FO膜单元与第二FO膜单元的个数均优选为4个。
在本发明的一种实施方式中，所述膜反应装置的上部密封，且通过管路与水封装置连接。
在本发明的一种实施方式中，所述叶片式FO膜组件能够利用进水水流的动力推动自身做旋转运动。
在本发明的一种实施方式中，所述进水池与膜反应装置相连的出水口安装有布水器，所述布水器的出水能够推动叶片式FO膜组件旋转。
在本发明的一种实施方式中，所述布水器包括圆环形通道和多个布水管道，所述圆环形通道和进水池的出水口相通，所述多个布水管道均与圆环形通道相通且位于圆环形通道的同一侧，所述多个布水管道的出口排出的多股水流呈成涡旋状。
在本发明的一种实施方式中，所述叶片式FO膜组件与汲取液池相连的管路中沿FO膜流向汲取液的方向的管路上安装有汲取液泵。
在本发明的一种实施方式中，所述汲取液池与RO膜处理装置相连的管路中沿汲取液进入RO膜处理装置的方向的管路上安装有高压泵。
在本发明的一种实施方式中，所述汲取液池中安装有电导率控制仪，所述电导率控制仪的测量端与汲取液池中的汲取液相连，其控制端与高压泵相连，用于控制高压泵的开启或者关闭。
在本发明的一种实施方式中，所述MF膜组件中的MF膜为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等的任意一种。
在本发明的一种实施方式中，所述MF膜的平均孔径为0.2-0.4μm。
在本发明的一种实施方式中，所述MF膜组件为平板膜组件、中空纤维膜组件或管式膜组件中一种。
在本发明的一种实施方式中，所述MF膜组件与抽吸泵相连，用于排出反应器内的溶解性盐，控制反应器内盐度低于10mS/cm，所述抽吸泵位于膜反应装置的外部。
在本发明的一种实施方式中，所述RO膜处理装置中的RO膜为醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)复合膜中的任意一种。
本发明的第二个目的是提供一种有机废水处理方法，所述方法是利用本发明的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器进行污水处理，出水可以直接排放或者回用，同时回收沼气。
在本发明的一种实施方式中，所述方法中，污水通过进水池进入膜反应装置，在厌氧微生物的作用下实现有机物的降解和转化，产生的沼气经水封处理后回收；汲取液池中的汲取液进入叶片式FO膜组件的中空转轴的第一腔体后，再依次进入第一FO膜单元、第二FO膜单元和第二腔体，在汲取液与污泥混合液之间的渗透压差作用下，污泥混合液中的水透过FO膜进入汲取液，稀释后的汲取液由第二腔体回流至汲取液池，稀释后的汲取液再通过反渗透膜处理装置处理后获得回用水，浓缩后的汲取液继续用于FO膜。
在本发明的一种实施方式中，所述污水是食品加工废水、酒精废水、柠檬酸废水等有机废水的一种。
在本发明的一种实施方式中，所述叶片式FO膜组件安装在转轴上，通过进水水流的动力推动其做旋转运动，利用水力剪切作用以缓解膜污染；通过调控MF膜的运行通量来控制膜反应装置中的溶质排放，从而实现盐度的控制。
在本发明的一种实施方式中，所述通过调控MF膜的运行通量，是指控制反应器(膜反应装置内混合物)中的电导率低于10mS/cm。
在本发明的一种实施方式中，MF膜和FO膜浸没在膜反应装置的液面下。
在本发明的一种实施方式中，所述汲取液的初始浓度为0.5-4M的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2等无机盐类溶液中的任意一种，汲取液循环速率为0.4-1.0L/min。
在本发明的一种实施方式中，采用旋转运动的形式来实现FO膜的污染控制。
本发明相对传统的AnMBR具有以下优点：
(1)本发明的装置和污水处理方法中，FO膜浸没在膜反应装置内，借助汲取液实现水的回收；经过FO膜和RO膜的双重过滤后，出水水质比较好，可以作为一种高品质的水用作回用水或者补充地下水资源；MF膜的加入不仅解决了盐度积累的问题，而且提高了FO膜的通量；叶片式FO膜组件安装在转轴上，通过进水水流的动力推动其做旋转运动，不仅提高传质，而且缓解了膜污染，延长运行时间；厌氧过程中产生的沼气可作为能源进行回收。因此，AnOMBR工艺是一种面向未来的可持续污水处理技术，可进一步推动AnOMBR在有机废水处理领域的应用，对今后污水处理技术的发展具有良好的补充。
(2)FO膜采用渗透压差而不是水力压差作为驱动力，膜污染趋势更小，装置运行更加稳定。
(3)采用本发明的方法进行废水处理，原则上，通过MF膜对溶质的提取，可控制反应器内盐度为任何数值。但是，若电导率控制较高，膜污染较严重，则水通量下降较快，不利于反应器的长期稳定运行。通过MF膜将混合液电导率控制在低于10mS/cm，可以维持较好的水通量，而且厌氧反应器可以长期稳定运行。
附图说明
图1为本发明的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明的叶片式FO膜组件的一种实施方式的结构示意图。
图3为本发明的布水器的一种实施方式的结构示意图。
图中，1—进水池，2—进水泵，3—叶片式FO膜组件，4—MF膜组件，5—抽吸泵，6—膜反应装置，7—水封装置，8—电导率控制仪，9—RO膜处理装置，10—高压泵，11—汲取液池，12—汲取液循环泵，13—中空转轴，14—第一腔体，15—挡板，16—第一FO膜单元，17—第二FO膜单元，18—第二腔体，19—第一隔板，20—布水器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述：
实施例1：一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器
图1-3为本发明的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器以及部件的示意图，所述反应器包括进水池1、膜反应装置6、汲取液池11、RO膜处理装置9；进水池1通过进水泵2与膜反应装置6相连，所述膜反应装置6的上部密封，且通过管路与水封装置7连接，膜反应装置6中包括叶片式FO膜组件3和MF膜组件4，其中，所述MF膜组件4与抽吸泵5相连，用于排出反应器内的溶解性盐，控制反应器内盐度在较低的水平，所述抽吸泵5位于膜反应装置6的外部；所述叶片式FO膜组件包括中空转轴13和设置在中空转轴13上的多个FO膜单元，所述中空转轴13内由一隔板19分隔为第一腔体14和第二腔体18，所述第一腔体14的进口和汲取液池11相连，所述第二腔体18的出口通过汲取液循环泵12与汲取液池11相连；所述第一腔体14的出口与第一FO膜单元16的进口相连，所述第二腔体18的进口与第二FO膜单元17的出口相连；所述第一FO膜单元16的出口与第二FO膜单元17的进口相连，所述第一FO膜单元16与第二FO膜单元17通过挡板15隔开；
汲取液池11通过高压泵10和管路与RO膜处理装置9连接形成回路，其中高压泵10位于汲取液从汲取液池11流向RO膜处理装置9的管路上，所述汲取液池11中安装有电导率控制仪8，所述电导率控制仪8的测量端与汲取液池11中的汲取液相连，其控制端与高压泵10相连，用于控制高压泵10的开启或者关闭；所述进水池1与膜反应装置6相连的出水口安装有布水器20，所述布水器20的出水能够推动叶片式FO膜组件3旋转。
可选的，所述FO膜的材质为三醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)膜、水通道蛋白膜、聚醚砜树脂(PES)膜中的任意一种，所述第一FO膜单元16与第二FO膜单元17的个数均优选为4个。
可选地，所述MF膜组件4中的MF膜的材质为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等的任意一种，平均孔径为0.2μm；通过MF膜组件4可控制反应器内的盐度积累。
可选地，所述RO膜处理装置9中的RO膜为醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)复合膜中的任意一种。
可选的，所述布水器20包括圆环形通道和多个布水管道，所述圆环形通道和进水池的出水口相通，所述多个布水管道均与圆环形通道相通且位于圆环形通道的同一侧，所述多个布水管道的出口排出的多股水流呈成涡旋状。
本实施例的装置的运行原理为：污水通过进水池1进入膜反应装置6，在厌氧微生物的作用下实现有机物的降解和转化，产生的沼气经水封处理后回收；同时，汲取液池11的汲取液进入叶片式FO膜组件3中的中空转轴13的第一腔体14后，再依次进入第一FO膜单元16、第二FO膜单元17和第二腔体18中，在汲取液与污泥混合液之间的渗透压差作用下，污泥混合液中的水透过FO膜进入汲取液，稀释后的汲取液由第二腔体18回流至汲取液池11，稀释后的汲取液再通过反渗透膜处理装置9处理后获得回用水，浓缩后的汲取液继续用于FO膜。经过FO膜和RO膜的双重过滤后，出水水质比较好，可以作为一种高品质的水用作回用水或者补充地下水资源。
抽吸泵5用于控制MF膜的运行通量，使得反应器(膜反应装置内混合物)中的电导率低于10mS/cm；叶片式FO膜组件3安装在中空转轴13上，通过控制布水器20的出口方向，使得进水水流的动力能够推动其做旋转运动，不仅提高传质，而且缓解了膜污染，延长运行时间；厌氧过程中产生的沼气可作为能源进行回收。
实施例2：利用本发明的自旋转AnOMBR进行有机废水处理
采用如图1所示结构的自旋转AnOMBR，在中温35℃下运行。
酒精废水的水质指标为：COD：3300±53.23mg/L，TOC：1590±102.50mg/L，NH4 +-N：78.02±6.77mg/L，TP：19.12±2.11mg/L。膜组件用叶片式FO组件和平板式MF膜组件，分别为三醋酸纤维(CTA)材质和聚偏氟乙烯(PVDF)材质，膜面积分别为0.018m2和0.035m2，其中MF膜的平均孔径为0.2μm，叶片式FO膜组件的FO膜单元的个数为4个。
进水泵2将进水从原料液池1打入膜反应装置6，一部分混合液在汲取液的作用下透过叶片式FO膜组件3，实现污水的第一次净化，然后再经过RO膜处理装置9的RO膜的第二次净化获得高品质的再生水。同时，另一部分混合液在抽吸泵5的作用下透过MF膜组件4。AnOMBR自身产生的沼气经过水封7后进行收集。另外通过进水水流的动力推动使FO膜组件做旋转运动以缓解膜污染。AnOMBR处理装置的污泥停留时间为100d，混合液悬浮物浓度为5.36g/L左右，温度为35℃。
本发明的厌氧反应器运行30d，混合液电导率始终维持在2.6-3.51mS/cm，膜组件未进行任何清洗。处理之后RO出水水质为：COD小于5mg/L，NH4 +-N小于5mg/L，TN小于8mg/L，TP检测不出；MF出水水质为：COD：196.27mg/L，TOC：129.38mg/L，NH4 +-N：69.9mg/L，TP：20.44mg/L。甲烷产率为0.9L CH4/g COD。
实施例3：利用本发明的自旋转AnOMBR进行生活污水处理
采用如图1所示结构的自旋转AnOMBR，在室温下运行。
生活污水的水质指标为：COD：364.6±2.96mg/L，TOC：143.97±2.23mg/L，NH4 +-N：28.95±2.34mg/L，TP：2.70±0.34mg/L。膜组件用叶片式FO组件和平板式MF膜组件，分别为三醋酸纤维(CTA)材质和聚偏氟乙烯(PVDF)材质，膜面积分别为0.018m2和0.035m2，其中MF膜的平均孔径为0.2μm，叶片式FO膜组件的FO膜单元的个数为4个。
进水泵2将进水从原料液池1打入膜反应装置6，一部分混合液在汲取液的作用下透过叶片式FO膜组件3，实现污水的第一次净化，然后再经过RO膜处理装置9的RO膜的第二次净化获得高品质的再生水。同时，另一部分混合液在抽吸泵5的作用下透过MF膜组件4。AnOMBR自身产生的沼气经过水封7后进行收集。另外通过进水水流的动力推动使FO膜组件做旋转运动以缓解膜污染。AnOMBR处理装置的污泥停留时间为80d，混合液悬浮物浓度为2g/L左右，温度为25℃。
本发明的厌氧反应器运行100d，混合液电导率始终维持在5-6mS/cm，膜组件未进行任何清洗。处理之后FO出水水质为：TOC：21mg/L，NH4 +-N：22.48mg/L，TP：0-0.32mg/L，MF出水水质为COD：20mg/L，TP：0.1mg/L，NH4 +-N：8.05mg/L，出水水质达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中的水质要求。甲烷产率为0.23-0.27L CH4/g COD。
对照例1
FO膜选用普通的膜组件，其他条件和实施例1一致，运行厌氧反应器，运行时间为14d，膜组件堵塞，FO膜的通量相应地从初始的3.24LMH衰减到第14d的1.82LMH，通量下降速率为0.1LMH/d。
可见，本发明采用自旋转的叶片式FO膜组件能够在汲取污水中的水分的同时，在进水水流的动力推动其做旋转运动，利用水力剪切作用以缓解膜污染，不仅提高了传质速率，而且缓解了膜污染，延长运行时间。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，其特征在于，所述反应器包括进水池、膜反应装置、汲取液池、反渗透膜处理装置；所述进水池与膜反应装置相连，所述膜反应装置中包括MF膜组件和叶片式FO膜组件；所述叶片式FO膜组件与汲取液池连接形成循环回路，所述汲取液池与反渗透膜处理装置连接形成回路；
所述叶片式FO膜组件包括中空转轴、设置在中空转轴上的多个FO膜单元，所述中空转轴竖直设置，FO膜单元竖直设置在中空转轴上，所述中空转轴内由一隔板分隔为第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的进口和汲取液池相连，所述第二腔体的出口和汲取液池相连；所述第一腔体的出口与第一FO膜单元的进口相连，所述第二腔体的进口与第二FO膜单元的出口相连；所述第一FO膜单元的出口与第二FO膜单元的进口相连，所述第一FO膜单元与第二FO膜单元通过挡板隔开；
所述进水池与膜反应装置相连的出水口安装有布水器，所述布水器位于叶片式FO膜组件下方，所述布水器包括圆环形通道和多个布水管道，圆环形通道和进水池的出水口相通，多个布水管道均与圆环形通道相通且位于圆环形通道的同一侧，多个布水管道的出口排出的多股水流呈成涡旋状，所述布水器的出水能够推动叶片式FO膜组件旋转。
2.根据权利要求1所述的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，其特征在于，所述FO膜的材质为三醋酸纤维膜、聚酰胺膜、水通道蛋白膜、聚醚砜树脂膜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，其特征在于，所述第一FO膜单元与第二FO膜单元的个数分别为4个。
4.根据权利要求1所述的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，其特征在于，所述汲取液池中安装有电导率控制仪，所述电导率控制仪的测量端与汲取液池中的汲取液相连。
5.根据权利要求1所述的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器，其特征在于，所述MF膜组件中的MF膜为聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚丙烯的任意一种；所述MF膜组件为平板膜组件、中空纤维膜组件或管式膜组件中一种。
6.一种有机废水处理方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1～5任一所述的一种自旋转式厌氧正渗透膜生物反应器进行污水处理。
7.根据权利要求6所述的一种有机废水处理方法，其特征在于，污水通过进水池进入膜反应装置，在厌氧微生物的作用下实现有机物的降解和转化，产生的沼气经水封处理后回收；汲取液池中的汲取液进入叶片式FO膜组件的中空转轴的第一腔体后，再依次进入第一FO膜单元、第二FO膜单元和第二腔体，在汲取液与污泥混合液之间的渗透压差作用下，污泥混合液中的水透过FO膜进入汲取液，稀释后的汲取液由第二腔体回流至汲取液池，稀释后的汲取液再通过反渗透膜处理装置处理后获得回用水，浓缩后的汲取液继续用于FO膜。
8.根据权利要求7所述的一种有机废水处理方法，其特征在于，所述汲取液的初始浓度为0.5-4M的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2溶液中的任意一种。
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