CN111315691A - 好氧生物处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的好氧生物处理装置(1)包括：反应槽(槽体)(2)；透水板(3)，水平设置于上述反应槽(2)的下部；大径粒子层(4)，形成于上述透水板(3)的上侧；小径粒子层(5)，形成于上述大径粒子层(4)的上侧；氧溶解膜模块(6)，配置于上述小径粒子层(5)的上侧；接收室(7)，形成于上述透水板(3)的下侧；原水散布管(8)，向上述接收室(7)内供给原水；以及在接收室(7)内以进行散气的方式设置的散气管(9)等。从氧溶解膜模块(6)的排气管(28)分支出凝结水排水配管(30)，且设置有阀(31)。

Description

好氧生物处理装置
技术领域
本发明涉及一种有机性排水的好氧生物处理装置。
背景技术
好氧生物处理方法由于廉价，因此多作为有机性废水的处理法使用。本方法中，需要向被处理水中溶解氧，通常是利用散气管进行曝气。
利用散气管进行曝气时溶解效率低，为5～20％左右。此外，需要以散气管所设置的水深处受到的水压以上的压力进行曝气，由于以高压对大量空气进行送风，因此鼓风机的电力费用高。通常，好氧生物处理中的电力费用的三分之二以上被用于氧溶解。
通过在中空纤维膜的外侧附着生物膜并从内侧供给氧从而进行好氧生物处理的膜曝气生物膜反应器(MABR)能够不产生气泡地溶解氧。在MABR中，由于以低于因水深受到的水压的压力将空气通气即可，因此鼓风机的必要压力低，而且氧的溶解效率高。
专利文献1：日本特开2006-87310号公报。
在MABR中，因从反应槽的水蒸气的渗透或通气气体中的水蒸气的凝结，从而在氧溶解膜内部产生凝结水，导致气体流路或中空纤维膜的一部分堵塞，使得通气效率下降。
即，向MABR的中空纤维膜通气的空气量少，通常使用的中空纤维氧溶解膜中，中空纤维内的空气流速极其缓慢，为1mm/sec以下。因此，一部分中空纤维内进入少量的凝结水，就会与其他中空纤维产生大的压力差，阻止气体的流动。如果凝结水大量积存于集管(header tube)，则大量的凝结水进入中空纤维内，使大量的中空纤维无法通气，导致氧溶解效率大幅下降。
在专利文献1中，在上下方向排列许多中空纤维膜，并从下侧通过压缩机(compressor)向各中空纤维膜供给空气。假设在上述专利文献1的MABR中想要通过空气压将凝结水向中空纤维膜外排出的情况下，压缩机需要有反应槽的水压以上的高压力，从而电力消耗量明显变多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种好氧生物处理装置，其能够容易地从氧溶解膜内排出凝结水，从而长期地维持高的氧溶解效率。
本发明的好氧生物处理装置包括：反应槽；氧溶解膜模块，以通气方向为上下方向的方式设置于上述反应槽内；含氧气体供给机构，向上述氧溶解膜模块供给含氧气体；排气配管，将排气从氧溶解膜模块排出至槽外；以及排水配管，将凝结水从氧溶解膜模块向反应槽外排出。
本发明的一实施方式中，设为将凝结水向比氧溶解膜模块的下端更低(使用多个模块时，是比各模块的下端中最低的下端更低)的位置排出，将从氧溶解膜模块排出的凝结水排出至槽外。
本发明的一实施方式中，上述排水配管以铅垂朝下或具有向下的倾斜的方式设置。
本发明的一实施方式中，排水配管的内径为50mm以下，其末端配置于比氧溶解膜模块的上端更高的位置。
本发明的一实施方式中，包括：储槽(tank)，承接从上述排水配管流出的凝结水；以及泵，将上述储槽内的水向上述反应槽送水。
本发明的一实施方式中，上述排水配管设置有阀(valve)。
本发明的一实施方式中，氧溶解膜模块具备非多孔质的氧溶解膜。
本发明的一实施方式中，氧溶解膜为疏水性。
本发明的一实施方式中，在反应槽内填充有流化床载体。
发明效果
本发明的好氧生物处理装置中，在上下方向对氧溶解膜模块通气，并且经由排水配管向反应槽外部排出氧溶解膜模块的凝结水，因此将凝结水从氧溶解膜快速向反应槽外排出。因此，能够将氧溶解膜的氧溶解效率始终维持为高水平。
附图说明
图1是实施方式涉及的生物处理装置的纵截面图。
图2(a)是氧溶解膜单元的侧视图，图2(b)是氧溶解膜单元的立体图。
图3是表示实验结果的曲线图。
图4是另一实施方式涉及的生物处理装置的纵截面图。
图5是图4的氧溶解膜单元的构成图。
图6是又一实施方式涉及的生物处理装置的纵截面图。
图7是图6的氧溶解膜单元的构成图。
具体实施方式
以下，参照附图更详细地说明本发明。
图1是实施方式涉及的好氧生物处理装置1的纵截面图。上述好氧生物处理装置1包括：反应槽(槽体)2；透水板3，由水平设置于上述反应槽2的下部的冲孔板(punchingplate)等多孔板构成；大径粒子层4，形成于上述透水板3的上侧；小径粒子层5，形成于上述大径粒子层4的上侧；流化床F，通过在小径粒子层5的上侧填充粉粒状活性炭等生物附着载体而形成；氧溶解膜模块6，至少一部分设置于展开时的流化床F内；接收室7，形成于上述透水板3的下侧；原水散布管8，向上述接收室7内供给原水；以及在洗涤填充层时供给反洗用气体等的洗涤配管9等。在反应槽2的上部，设置有用于使处理水流出的沟槽(trough)10及流出口11。沟槽10沿着槽内壁形成环状流路。
图1中，通过向反应槽填充流化床载体，利用由载体流动产生的剪切力来抑制生物膜向氧溶解膜表面的附着，使得大部分生物膜附着于流化床载体，氧溶解膜仅用于氧供给的目的。另一方面，虽未图示，但在未向反应槽填充流化床载体时，氧溶解膜作为MABR发挥作用、即氧溶解膜的表面附着生物膜，从氧溶解膜的一次侧溶解、供给的氧被二次侧的生物膜消耗而进行好氧生物处理。
图1中，构成为使用非多孔质(无孔)的氧溶解膜作为氧溶解膜，从槽外通过配管将含氧气体向氧溶解膜的一次侧通气，排气则通过配管向槽外排出。因此，使含氧气体以低压向氧溶解膜通气，使氧作为氧分子通过氧溶解膜的构成原子之间(溶解于膜)，并作为氧分子与被处理水接触。由于使氧直接溶解于水，因此不产生气泡。上述方法使用基于浓度梯度实现的分子扩散的机制，无需像以往那样需要利用散气管等进行散气。
如果使用疏水性材料作为氧溶解膜的材料，则膜中难以浸水，因此优选。但即便是疏水性的膜也无法避免微量的浸水。
图2表示图1的实施方式中的氧溶解膜模块6的一个例子。上述氧溶解膜模块6使用中空纤维膜22作为氧溶解膜。本实施方式中，中空纤维膜22于上下方向排列，各中空纤维膜22的上端与上部集管(header)20相连，下端与下部集管21相连。中空纤维膜22的内部分別与上部集管20及下部集管21内连通。各集管20、21为中空管状。另外，在使用平膜或螺旋式膜的情况下，以通气方向为上下方向的方式排列。
如图2(b)所示，将由一对集管20、21及中空纤维膜22构成的单元平行地排列多个。如图2(a)所示，优选为各上部集管20的上部经由配管连结上部歧管23，各下部集管21的下部经由配管连结下部歧管24。在图1的实施方式的情况下，向氧溶解膜模块6的上部供给含氧气体，并从氧溶解膜模块6的下部排出。空气等含氧气体从上部集管20通过中空纤维膜22而流向下部集管21，在此期间氧透过中空纤维膜22而溶解于反应槽2内的水中。
各集管20、集管21及各歧管23、歧管24也可以具有流水倾斜的方式设置。氧溶解膜模块6也可在上下设置多段。
在图1的实施方式中，为了向上述氧溶解膜模块6供给空气，设置有鼓风机26及空气供给用供气配管27(构成含氧气体供给机构)，且上述供气配管27连接于上部歧管23。下部歧管24连接有排气用中继配管28。中继配管28连接有排出配管29。排出配管29以具有朝下的倾斜(包括铅垂朝下)的方式设置，且延伸设置至反应槽2外。图1中，排出配管29被引出至反应槽2的侧方，但也可以从反应槽2的底部向下方引出。
如图1所示，未溶解于氧溶解膜的含氧气体的剩余部通过排出配管29向槽外排气。配管29的末端配置为位于比氧溶解膜模块6的下端(模块6为多个时，是各模块下端中最低的下端)更低的位置。因此，在排气包含凝结水的情况下，凝结水流出至排出配管29的下方的储槽32。储槽32内的水也可通过泵33及配管34向反应槽2送水。
在上述构成中，排出配管29兼作将排气向槽外排出的排气配管、以及将凝结水向槽外排出的排水配管。在槽内或槽外，排出配管29也可连接将排气向槽外排出的排气配管30。在该情况下，凝结水通过排出配管29被排出。排气配管30的末端也可配置于比氧溶解膜模块的下端更高的位置。为了使凝结水无法积存，优选为排气配管30以不具有朝下的倾斜而仅具有朝上的倾斜或铅垂朝上的方式构成。也可构成为，在排出配管29的比与排气配管30的分支点更下游侧的位置设置阀A(省略图示)，通过打开阀A从而使凝结水流出至储槽32。此外，也可在排气配管30也设置阀C(省略图示)，在通常的通气时关闭阀A、打开阀C，在排出凝结水时，打开阀A、关闭阀C。
阀可为自动阀、也可为手动阀。用于排出凝结水的阀的开放可为连续式也可为间歇式。在间歇式的情况下，在通常运转中，通过以1天一次～30天一次(多则每天一次几秒、少则每月一次几十秒)、优选为1天一次～15天一次将阀打开来进行排水。
以此方式构成的好氧生物处理装置1中，原水通过散布管8而导入接收室7，使其以向上流动的方式通水于透水板3以及大径粒子层4、小径粒子层5从而过滤悬浮固体(SS)，继而在附着有生物膜的粉粒状活性炭的流化床F中，以一次通过式(one-through type)向上流动地通水来进行生物反应，并从上部澄清区域通过沟槽10及流出口11而作为处理水取出。
从供气配管27供给的空气等含氧气体以向下流动的方式通气于氧溶解膜模块6后，从氧溶解模块6的下端位置经由下部集管21、下部歧管24而流出，排出空气从排出配管29(或者，在设置排气配管30时，为从排气配管30)向大气中排出。凝结水通过排出配管29向储槽32流出。
图4、图5表示另一实施方式。本实施方式中，设置有配管27、配管30，以使空气等含氧气体以向上流动的方式向氧溶解膜模块6通气。其他构成与图1相同，相同符号表示相同部分。虽然存在凝结水滞留于下部集管21及下部歧管24的可能性，但由于通过排出配管29定期地排出凝结水，因此能够预防膜的通气因凝结水而受到阻碍。
另外，在排出配管29设置阀A，在排气配管30设置阀C，在通常的通气时，关闭阀A、打开阀C来进行排气，在凝结水排出时打开阀A、关闭阀C来将凝结水与排气一并排出。
图6、图7中表示又一实施方式。设置有兼作排气配管及排水配管的排出配管29。配管29以使其末端位于比氧溶解膜的上端更高的位置、特別是槽内水面上或水面附近(水面±1m左右)的方式配置。其他构成与图1相同，相同符号表示相同部分。
存在于从氧溶解膜的下部集管至下部歧管的凝结水通过线性速度(LV)10～LV20m/s左右的通气来通过排出配管29(该情况下内径为50mm以下)而与排气一并排出至槽外或水面附近。如果排出配管29的末端为水面附近，则水压低，因此对鼓风机的供给压力的影响小。
另外，使用中空纤维膜作为氧溶解膜时，由于通气部的截面积小，因此凝结水的浸入易于阻碍通气且影响大，因此能够将本发明更适合地用于氧溶解膜为中空纤维膜的好氧生物处理装置。
本发明中，通过在活性炭等的生物载体的流化床设置非多孔性的氧溶解膜，由于供给氧量变多，因此作为对象的原水的有机性排水浓度并无上限。
此外，由于以流化床运转来生物载体，因此不会被剧烈搅乱。因此，能够稳定地维持大量的生物，因此能提高负荷。
此外，由于本发明中使用氧溶解膜，因此与预曝气、直接曝气相比，氧的溶解动力小。
依据上述说明，根据本发明，能够高负荷且廉价地处理低浓度至高浓度的有机性排水。
＜生物载体＞
生物载体优选为活性炭。
流化床载体的填充量优选为反应槽的容积的40～60％左右、特別是50％左右。上述填充量越多，则生物量越多且活性越高，但如果过多则有载体流出的可能。因此，优选以流化床膨胀20～50％左右的LV(例如7～15m/小时左右)以向上流动的方式向反应槽通水。另外，作为载体的材料，在同样条件下也能使用活性炭以外的凝胶状物质、多孔质材料、非多孔质材料等。例如，也能使用聚乙烯醇凝胶、聚丙烯酰胺凝胶、聚氨基甲酸酯发泡体、海藻酸钙凝胶、沸石、塑胶等。如果使用活性炭作为载体，则通过基于活性炭的吸附作用与生物分解作用的相互作用，能进行广范围的污染物质的除去。
载体的平均粒径优选为0.2mm～3mm左右。如果平均粒径大则能获得高LV，在使处理水的一部分循环于反应槽的情况下，因循环量增加而能实现高负荷。然而，由于比表面积变小，因此生物量变少。如果平均粒径小，则能以低LV流动，因此泵动力变得廉价。而且由于比表面积大，因此附着生物量增加。
最佳粒径根据废水浓度而決定，如果总有机碳量(TOC)为50mg/L，则最佳粒径优选为0.2～0.4mm左右，如果TOC为10mg/L，则最佳粒径优选为0.6～1.2mm左右。
流化床的展开率优选为20～50％左右。如果展开率低于20％则有堵塞、短路的可能。如果展开率高于50％则有载体流出的可能，而且泵动力成本变高。
在通常的生物活性炭中，活性炭流化床的膨胀率为10～20％左右，但在该情况下，活性炭的流动状态不均匀而上下左右地流动。其结果是，同时设置的膜因活性炭而摩擦、削减从而被消耗。为了防止上述情況，本发明中，需要使活性炭等的流化床载体充分地流动，膨胀率理想的是20％以上。因此，载体的粒径优选为小于通常的生物活性炭的粒径。另外，在活性炭的情况下，并无特别限定，可为椰壳炭、煤、木炭等。形状优选为球状炭，但也可为通常的粒状炭或破碎炭。
＜含氧气体＞
含氧气体为空气、富氧空气、纯氧等含氧的气体即可。理想的是通气的气体通过过滤器而预先除去微细粒子。
通气量理想的是生物反应所需氧量的等量至两倍左右。如果通气量少于上述则因氧不足而处理水中残留生化需氧量(BOD)或氨，如果通气量多于上述则除了通气量不必要地变多以外压力损失也变高，因此有损经济性。
通气压力理想的是比由规定通气量所产生的中空纤维的压力损失略高的程度。
＜被处理水的流速＞
被处理水在反应槽内的流速设为LV10 m/小时以上，能够不循环处理水而单程地(one pass)进行处理。
如果提高LV则成比例地氧溶解速度提高。在LV50 m/小时的条件下，溶解的氧为10m/小时的条件下的两倍。在LV高的情况下，优选使用粒径大的活性炭，使展开率不那么大。根据生物量、氧溶解速度，最适宜的LV范围为7m/小时～20m/小时左右。
＜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＞
鼓风机的喷出风压为由水深产生的水压以下即足够。但是，必须为配管等的压损以上。通常，配管阻力为1kPa～2kPa左右。
在水深为5m的情况下，通常使用输出最大为0.55MPa左右的通用鼓风机，在5m以上的水深时使用高压鼓风机。
本发明中，即便水深为5m以上也能使用压力为0.5MPa以下的通用鼓风机，优选使用压力为0.1MPa以下的低压鼓风机。
含氧气体的供给压的条件为高于中空纤维膜的压力损失、低于水深压力、以及膜不会被水压压坏。与水压相比，平膜、螺旋式膜的膜压损能够忽略，因此为极低的压力(5kPa左右以上)且水压以下，理想的是20kPa以下。
在中空纤维膜的情况下，压力损失根据内径及长度而变化。通气的空气量是每平方米膜为20～100mL/天，因此如果膜长度变成两倍则空气量变成两倍，但即使膜径变成两倍，空气量也仅为两倍。因此，膜的压力损失与膜长度成正比，与直径成反比。
压力损失的值在内径为50μm、长度为2m的中空纤维中为3kPa～20kPa左右。
实施例
针对从中空纤维膜的凝结水排出进行以下实验。
[实施例1]
将内径300μm、外径500μm的非多孔质的硅制中空纤维膜30根的上下分別捆束，设置于直径25mm、长度1m的管柱(透明氯乙烯管)内，并将空气从上部向下部以10mL/分钟进行通气。硅制中空纤维的已捆束的下部向管柱的外侧下部突出。
此外，将合成排水以向上流动的方式通水于管柱以使滞留时间为20分钟，所述合成排水是在纯水中添加100mg/L异丙醇而制备的。通过装置的运转，从向管柱下部突出的中空纤维膜的下端在两周排出约2mL的凝结水。
上述氧溶解膜的氧溶解速度示于图2。氧溶解膜的氧溶解速度经过140天后，稳定为每平方约8g-O/m2/天以上。另外，在70天、120天时氧溶解速度低于8g-O/m2/天，推测原因为：原水的TOC浓度暂时下降，负荷变低而供给负荷自身变低，因此氧向膜的溶解扩散的驱动力下降而导致氧溶解速度下降。
[比较例1]
使用与实施例1相同的试验装置，除了将空气的通气方向设为从下部向上部以外，在相同条件下运转。
氧溶解膜的氧溶解速度如图2所示。如图2所示，运转开始约2周后，氧溶解速度开始下降，经过100天后减少至2g-O/m2/天左右。
[比较例2]
在实施例1中在管柱底部的空气出口配管连接细的管的一端，且将管的另一端配置于反应槽上部，除此以外使用与实施例1相同的试验装置，在相同条件下运转。其结果，氧溶解速度处于3～4g-O/m2/天的范围。
[实施例2]
在比较例2中在上述管的上述另一端安装T字管，并在空气出口配管正下部附加弹簧夹(pinch cock)，每两周松开一次弹簧夹，排出凝结水。其结果，氧溶解速度恢复为9g-O/m2/天。
使用特定的实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域技术人员应清楚能在不脱离本发明的意图及范围的条件下进行各种变更。
本申请基于2018年2月15日提出的日本专利申请2018-025233，且上述申请的全文通过引用而并入本文。
符号说明
1：好氧生物处理装置；
2：反应槽；
6：氧溶解膜模块；
20，21：集管；
22：中空纤维膜；
27：供气配管；
29：排出配管(排水配管)；
30：排气配管；
32：储槽。

Claims (9)

1.一种好氧生物处理装置，其中，
包括：反应槽；
氧溶解膜模块，以通气方向为上下方向的方式设置于所述反应槽内；
含氧气体供给机构，向所述氧溶解膜模块供给含氧气体；
排气配管，从氧溶解膜模块将排气向槽外排出；以及，
排水配管，从氧溶解膜模块将凝结水向反应槽外排出。
2.如权利要求1所述的好氧生物处理装置，其中，
设为将凝结水向比氧溶解膜模块的下端更低的位置排出，并将从氧溶解膜模块排出的凝结水排出至反应槽外，
在使用多个氧溶解膜模块时，设为将凝结水向比各氧溶解膜模块的下端中最低的下端更低的位置排出，将从氧溶解膜模块排出的凝结水排出至槽外。
3.如权利要求1或2所述的好氧生物处理装置，其中，
所述排水配管以铅垂朝下或具有朝下的倾斜的方式设置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的好氧生物处理装置，其中，
包括：储槽，接收从所述排水配管流出的凝结水；以及
泵，将所述储槽内的水向所述反应槽送水。
5.如权利要求1至4中任一项所述的好氧生物处理装置，其中，
所述排水配管设置有阀。
6.如权利要求1所述的好氧生物处理装置，其中，
排水配管的内径为50mm以下，该排水配管的末端配置于比氧溶解膜更高的位置。
7.如权利要求1至6中任一项所述的好氧生物处理装置，其中，
氧溶解膜模块包括非多孔质的氧溶解膜。
8.如权利要求7所述的好氧生物处理装置，其中，
氧溶解膜为疏水性。
9.如权利要求1至8中任一项所述的好氧生物处理装置，其中，
反应槽内填充有流化床载体。
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