CN111422978A - 一种强化中端传质的mabr装置及处理高盐废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化中端传质的MABR装置及处理高盐废水的方法，所述MABR装置包括反应槽和中空纤维膜；所述反应槽内设有至少两块布水板，至少两块所述布水板将反应槽依次分隔成进水区、反应区和出水区；所述反应槽设有进水口、出水口、进气口和出气口；所述中空纤维膜位于反应区内，所述中空纤维膜设有进气端和出气端，所述进气端与进气口连通，所述出气端与出气口连通；所述反应区的中间段设有用于加强传质的搅拌机构。本发明的MABR装置能够减薄中端生物膜附近的层流层的厚度，极大地增加该区域的污染物传质效率，中端生物膜生长较好、活性较高，污染物在生物膜中间段传质较好、降解效率较高。

Description

一种强化中端传质的MABR装置及处理高盐废水的方法
技术领域
本发明涉及高盐废水处理技术领域，更具体地，涉及一种强化中端传质的MABR装置及处理高盐废水的方法。
背景技术
高盐废水是指含盐质量分数不小于1％的废水，其主要来源于海水代用所产废水、工业生产过程中排放废水及其它含盐废水。高盐废水来源广泛，且产生量呈逐年递增趋势。此外，高盐废水具有碳氮及盐浓度高、水质成分复杂、有毒有害污染物种类多等特点，若未经有效处理而直接排放至天然水体，不仅破坏河流生态环境，更危害人类身体健康，因此高盐废水的深度处理对环境及人类健康均具有重要作用。
目前，针对高盐废水的处理多依赖于反渗透、离子交换、高级氧化、蒸发、焚烧等物化处理工艺。虽然已有的物化方法能够对高盐废水的污染物去除产生一定的作用，但仍存在着二次污染严重、运行能耗高、过程复杂、达标困难等缺点。
而生物处理因其高效低成本且操作简单、无二次污染等优点，在实际工程中运用广泛。我国目前常用的污水处理技术以活性污泥法及其衍生工艺为主。虽然其具有工艺灵活简单、自动化操作性强，运营费用低等优点，但受技术本身原理限制，当污水中无机盐离子浓度较高时，悬浮态污泥絮体沉降性显著降低，从而恶化固液分离效果，极大限制了其在高盐废水处理领域的应用。
相比之下，基于生物膜法的污水处理工艺具有更高的耐盐性。膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种新型的生物膜污水处理技术，其本质是利用微孔疏水膜实现无泡曝气和负载生物膜的双重作用。由于氧气和污染物在生物膜两侧形成异向传质，进而催生了生物膜内部微生物空间分层和功能协同合作现象。这种特有结构使MABR具有氧气利用率高、可同步硝化反硝化、污泥产率低等优点，因此，MABR是高盐废水处理的重要技术选项。
中国专利申请201811179027.6公开了一种利用膜曝气生物膜反应器处理高盐度和难降解有机物废水的方法，其采用的MABR装置存在中端生物膜生长差、活性低，污染物在生物膜中间段传质差、降解效率低的问题。可见，现有的MABR装置严重制约了膜曝气生物膜反应器在高盐废水处理领域的应用发展。
因此，需要开发出中端生物膜生长较好、活性较高，污染物在生物膜中间段传质较好、降解效率较高的MABR装置。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的中端生物膜生长差、活性低，污染物在生物膜中间段传质差、降解效率低的缺陷，提供一种强化中端传质的MABR装置，提供的MABR装置能够减薄中端生物膜附近的层流层的厚度，极大地增加该区域的污染物传质效率，中端生物膜生长较好、活性较高，污染物在生物膜中间段传质较好、降解效率较高。
本发明的另一目的在于提供一种处理高盐废水的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种强化中端传质的MABR装置，包括反应槽和中空纤维膜；
所述反应槽内设有至少两块布水板，至少两块所述布水板将反应槽依次分隔成进水区、反应区和出水区；所述反应槽设有进水口、出水口、进气口和出气口，所述进水口与进水区连通，所述出水口与出水区连通；
所述中空纤维膜位于反应区内，所述中空纤维膜设有进气端和出气端，所述进气端与进气口连通，所述出气端与出气口连通；
所述反应区的中间段设有用于加强传质的搅拌机构。
工作原理：高盐废水经进水口进入进水区，在布水板的均流作用下，进水区的废水流入反应区。氧气通过空压机等气源进入进气口，输送至中空纤维膜中，膜表面长有生物膜。当高盐废水因为前端中空纤维膜的阻流作用缓慢流动至中间段中空纤维膜区域时，通过MABR装置中的搅拌机构的搅拌作用和调速功能，减薄中间段中空中空纤维膜表面生物膜附近的层流层的厚度，促进COD、氨氮等污染物从液膜传入生物膜中，极大的增加该区域的污染物传质效率，促进了生物膜对污染物的吸附和吸收，提高了该区域内生物膜厚度和密度，该区域内生物膜生长较好、活性较高，从而实现高盐废水中污染物的高效降解。
优选地，所述搅拌机构包括搅拌轴、设置在搅拌轴上的搅拌扇叶和用于驱动搅拌轴转动的旋转动力部件，所述搅拌轴与反应区内废水流动方向的夹角为80°～90°。
更优选地，所述搅拌轴与反应区内废水流动方向垂直。
优选地，所述旋转动力部件为电动机。此时，所述搅拌机构为电动搅拌机构。
优选地，所述中空纤维膜与反应区内废水流动方向的夹角为80°～90°。
更优选地，所述中空纤维膜与反应区内废水流动方向成近90°角。此时，中空纤维膜为帘式排布。
优选地，所述布水板竖直设置。所述进水区和出水区分别位于反应区两侧。反应槽中的废水沿水平方向依次流经进水区、反应区和出水区。
优选地，所述布水板为圆孔布水板。
优选地，所述进水口包括第一进水口和第二进水口，所述出水口包括第一出水口和第二出水口，所述第一出水口通过输水机构与第二进水口连通，所述第二出水口位于出水区下部。
第一出水口与第二进水口之间形成回流系统，高盐废水在装置中反复循环降解，强化高盐废水在反应区中传质和生物降解过程，提高废水中污染物处理效率。
优选地，所述反应槽内还设有液位监测部件。在处理高盐废水的过程中，通过液位监测部件来实时监测MABR装置的反应槽内的水位，控制液位波动；处理完毕的废水通过第二出水口排出，尾气在出气口释放。
本发明还保护一种处理高盐废水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1.将活性污泥和配制污水混合后加入上述MABR装置的反应槽中，然后进行初次挂膜；
S2.初次挂膜后，排出水和沉降物；再将活性污泥和配制污水混合后加入所述反应槽中，启动上述MABR装置的搅拌机构，强化中端传质，进行强化传质挂膜；
S3.调节进水的盐度，进行盐度驯化；驯化完成后，通入高盐废水进行处理。
配制污水中COD和NH4 +-N浓度为本领域常规的中等浓度的生活污水的浓度。
优选地，步骤S1.中，活性污泥与配制污水的体积比为1∶1～2。更优选地，步骤S1.中，活性污泥与配制污水的体积比为1∶1.5。
优选地，步骤S1.中初次挂膜的操作为：向中空纤维膜曝气，每隔一次水力停留时间添加配置污水，待活性污泥松散地吸附在中空纤维膜的膜丝表面后，将反应槽1的沉降污泥和水全部放出。
优选地，步骤S2.中活性污泥与配置污水的体积比为1∶3～5。更优选地，步骤S2.中活性污泥与配置污水的体积比为1∶4。
优选地，步骤S2.中搅拌机构定速搅拌。
优选地，步骤S2.中搅拌机构定速搅拌的转速为500～2000r/min。
优选地，步骤S2.中强化传质挂膜过程中，每隔一次水力停留时间添加配置污水，最终中空纤维膜表面生成一层厚度均匀的生物膜。
作为一个实施方式，盐度驯化的具体步骤：搅拌机构定速搅拌，进水改为盐含量为5～10g/L的配制污水，经过8～10天的稳定期，将进水的盐度按5g/L的梯度提升，再经过稳定期，循环上述步骤，经过5～6个稳定期的时间，MABR装置中的生物膜已适应30g/L的高盐度环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的MABR装置在中间段中空纤维膜区域设置有搅拌机构，通过MABR装置中的搅拌机构的搅拌作用和调速功能，减薄中间段中空中空纤维膜表面生物膜附近的层流层的厚度，促进COD、氨氮等污染物从液膜传入生物膜中，极大的增加该区域的污染物传质效率，促进了生物膜对污染物的吸附和吸收，提高了该区域内生物膜厚度和密度，该区域内生物膜生长较好、活性较高，从而实现高盐废水中污染物的高效降解。
附图说明
图1为本发明实施例1的强化中端传质的MABR装置的结构示意图。
图2为图1中虚线构成的A范围所示的局部放大的强化传质的原理示意图。
其中，1、反应槽，13、进水区，14、反应区，15、出水区；16、进水口，2、第一进水口，4、第二进水口；17、出水口，3、第一出水口，5、第二出水口；6、进气口，7、出气口；8、中空纤维膜，9、搅拌机构，10、布水板，11、液位监测部件；A、局部放大区域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例中的原料均可通过市售得到；
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本实施例提供一种强化中端传质的MABR装置，如图1所示，该MABR装置包括反应槽1和中空纤维膜8。
反应槽1内设有两块布水板10，两块布水板10将反应槽1依次分隔成进水区13、反应区14和出水区15。反应槽1设有进水口16、出水口17、进气口6和出气口7，进水口16与进水区13连通，出水口17与出水区15连通。
进水口16包括第一进水口2和第二进水口4，出水口17包括第一出水口3和第二出水口5，第一出水口3通过输水机构与第二进水口4连通，第二出水口5位于出水区15下部。第一出水口3与第二进水口4之间形成回流系统，在装置中反复循环降解。
布水板10为圆孔布水板。布水板10竖直设置。进水区13和出水区15分别位于反应区14两侧。反应槽1中的废水沿水平方向依次流经进水区13、反应区14和出水区15。
中空纤维膜8位于反应区14内，中空纤维膜8设有进气端和出气端，进气端与进气口6连通，出气端与出气口7连通。中空纤维膜8与反应区14内废水流动方向成近90°角。
反应区14的中间段设有用于加强传质的搅拌机构9。搅拌机构9包括搅拌轴、设置在搅拌轴上的搅拌扇叶和用于驱动搅拌轴转动的旋转动力部件，搅拌轴与反应区14内废水流动方向垂直。搅拌机构9设置于反应区14底部。
反应槽1内还设有液位监测部件11。在处理高盐废水的过程中，通过液位监测部件11来实时监测MABR装置的反应槽1内的水位，处理完毕的废水通过第二出水口5排出，尾气在出气口7释放。液位监测部件11由本领域常规的液位传感器和控制部件组成。
具体地，本实施例中，反应槽1由透明的有机玻璃制成，为长方体结构。中空纤维膜8帘式排布于反应区14内。中空纤维膜采用PVDF复合膜，该复合膜具有机械强度高、易于挂膜、氧传质阻力低和抗腐蚀的优点。
中空纤维膜的可选参数：膜丝外径为400～750μm，膜丝壁厚为60～175μm。
反应槽和搅拌机构的可选参数：反应槽长1.5～2m，宽0.5～1m，高0.5～1m；搅拌机构采用四叶搅拌扇叶，直径为20～30cm，至少三个搅拌机构等距的安装在中空纤维膜下端，定速搅拌的转速为500～2000r/min范围内的一个值。
工作原理：
高盐废水经进水口进入进水区，在布水板的均流作用下，进水区的废水流入反应区，废水自右向左流动，与中空纤维膜成近90°角。氧气通过空压机等气源进入进气口，输送至中空纤维膜中，膜表面长有生物膜。进气口位于反应槽的左侧，出气口位于右侧，整体上空气自左向右流动。
当高盐废水因为前端中空纤维膜的阻流作用缓慢流动至中间段中空纤维膜区域时，通过MABR装置中的搅拌机构的搅拌作用和调速功能，减薄中间段中空中空纤维膜表面生物膜附近的层流层的厚度，促进COD、氨氮等污染物从液膜传入生物膜中，极大的增加该区域的污染物传质效率，促进了生物膜对污染物的吸附和吸收，提高了该区域内生物膜厚度和密度，该区域内生物膜生长较好、活性较高，从而实现高盐废水中污染物的高效降解。
实施例2
本实施例提供一种处理高盐废水的方法，该方法包括如下步骤：
S1.污泥接种和初次挂膜：将活性污泥和配置污水按1:1.5的体积比搅拌均匀后加入反应槽1中，往中空纤维膜中曝气，每隔24h添加配置污水，待活性污泥松散地吸附在中空纤维膜的膜丝表面后，将反应槽的沉降污泥和水全部放出。配制污水中COD浓度400～600mg/L和氨氮浓度80～120mg/L的生活污水的浓度。
S2.强化传质挂膜：按活性污泥和配置污水1:4的体积比混合后加入反应槽中，启动实施例1的MABR装置的搅拌机构，定速1000r/minw搅拌，强化中端传质，使活性污泥更容易吸附在中间段中空纤维膜表面。每隔24h添加一次配置污水，循环此步骤，经过5天的时间，在中空纤维膜表面观察到一层厚度均匀的黄褐色生物膜，此时挂膜成功。
S3.盐度驯化：挂膜成功后，待MABR装置稳定运行后，开始盐度驯化，保持搅拌机构定速搅拌，进水由改为盐含量为5～10g/L的配制污水，然后经过8～10天的稳定期，将进水污水的盐度按5g/L的梯度提升，再经过稳定期，循环上述步骤，经过5～6个稳定期的时间，反应槽中的生物膜已适应30g/L的高盐度环境，此时驯化完成。驯化完成后，通入高盐废水进行处理。
本实施例处理的高盐废水为某社区集中区垃圾中转站的高盐垃圾渗滤液，在整个运行过程中，保持反应区内的水温为20～30℃。
作为对照，采用对比例1的MABR装置处理同样的高盐垃圾渗滤液，在整个运行过程中，保持反应区内的水温为20～30℃。
实验结果显示：与对比例1相比，实施例1的MABR装置中间段生物膜的膜厚度提高15％以上，反应装置中间段生物膜密度提高20％以上，COD去除率可达到92±2.3％，总氮去除率可达到87±2.8％，磷去除率可达85±1.5％，较无电动搅拌扇叶的装置效率提高10～15％。
实施例3
本实施例提供一种处理高盐废水的方法，本实施例中污泥接种和初次挂膜、强化传质挂膜、盐度驯化的步骤与实施例2相同。
本实施例处理的高盐废水为某高校集中区垃圾中转站的高盐垃圾渗沥液，在整个运行过程中，保持反应区内的水温为15～25℃。
作为对照，采用对比例1的MABR装置处理同样的高盐垃圾渗沥液，在整个运行过程中，保持反应区内的水温为15～25℃。
实验结果显示：与对比例1相比，实施例1的MABR反应装置中间段生物膜的膜厚度提高12％以上，反应装置中间段生物膜密度提高16％以上，COD去除率可达到94±1.4％，总氮去除率可达到88±3.4％，磷去除率可达86±1.7％，较无电动搅拌扇叶的装置效率提高12～16％。
对比例1
本对比例提供一种MABR装置，与实施例1相比，区别在于，本对比例的MABR装置未设置搅拌机构；
其他部件及连接关系与实施例1相同。
S1.污泥接种和初次挂膜：将活性污泥和配置污水按1:1.5的体积比搅拌均匀后加入反应槽1中，往中空纤维膜中曝气，每隔24h添加配置污水，待活性污泥松散地吸附在中空纤维膜的膜丝表面后，将反应槽的沉降污泥和水全部放出。配制污水中COD浓度300～500mg/L和氨氮浓度60～100mg/L的生活污水的浓度。
S2.循环挂膜：按活性污泥和配置污水1:3的体积比混合后加入反应槽中，每隔24h添加一次配置污水，循环此步骤，经过8～10天的时间，在中空纤维膜表面观察到一层厚度均匀的黄褐色生物膜，此时挂膜成功。
S3.盐度驯化：挂膜成功后，待MABR装置稳定运行后，开始盐度驯化，保持搅拌机构定速搅拌，进水由改为盐含量为5～10g/L的配制污水，然后经过8～10天的稳定期，将进水污水的盐度按5g/L的梯度提升，再经过稳定期，循环上述步骤，经过5～6个稳定期的时间，反应槽中的生物膜已适应30g/L的高盐度环境，此时驯化完成。驯化完成后，通入高盐废水进行处理。
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它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强化中端传质的MABR装置，其特征在于，包括反应槽(1)和中空纤维膜(8)；所述反应槽(1)内设有至少两块布水板(10)，至少两块所述布水板(10)将反应槽(1)依次分隔成进水区(13)、反应区(14)和出水区(15)，所述反应槽(1)设有进水口(16)、出水口(17)、进气口(6)和出气口(7)，所述进水口(16)与进水区(13)连通，所述出水口(17)与出水区(15)连通；
所述中空纤维膜(8)位于反应区(14)内，所述中空纤维膜(8)设有进气端和出气端，所述进气端与进气口(6)连通，所述出气端与出气口(7)连通；
所述反应区(14)的中间段设有用于加强传质的搅拌机构(9)。
2.根据权利要求1所述的MABR装置，其特征在于，所述搅拌机构(9)包括搅拌轴、设置在搅拌轴上的搅拌扇叶和用于驱动搅拌轴转动的旋转动力部件，所述搅拌轴与反应区内废水流动方向的夹角为80°～90°。
3.根据权利要求1所述的MABR装置，其特征在于，所述中空纤维膜(8)与反应区(14)内废水流动方向的夹角为80°～90°。
4.根据权利要求1所述的MABR装置，其特征在于，所述布水板(10)竖直设置。
5.根据权利要求4所述的MABR装置，其特征在于，所述布水板(10)为圆孔布水板。
6.根据权利要求1所述的MABR装置，其特征在于，所述进水口(16)包括第一进水口(2)和第二进水口(4)，所述出水口(17)包括第一出水口(3)和第二出水口(5)，所述第一出水口(3)通过输水机构与第二进水口(4)连通，所述第二出水口(5)位于出水区(15)下部。
7.根据权利要求1所述的MABR装置，其特征在于，所述反应槽(1)内还设有液位监测部件(11)。
8.一种权利要求1～7任一项所述MABR装置用于处理高盐废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将活性污泥和配制污水混合后加入反应槽(1)中，然后进行初次挂膜；
S2.初次挂膜后，排出水和沉降物；再将活性污泥和配制污水混合后加入所述反应槽(1)中，启动搅拌机构(9)，强化中端传质，进行强化传质挂膜；
S3.调节进水的盐度，进行盐度驯化；驯化完成后，通入高盐废水进行处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2.中活性污泥与配置污水的体积比为1∶3～5。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2.中搅拌机构(9)定速搅拌。
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