CN111792730A - 一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，在市政污水处理中，采用类死端过滤和基于跨膜压差设定值动态反馈耦合的膜污染控制方法，过程为：厌氧膜生物反应器在类死端过滤条件下运行，即在膜抽吸出水过程中不进行曝气；当压力表检测的跨膜压差达到设定值时，通过PLC控制系统反馈并控制触发膜组件松弛的同时进行曝气，实现动态精准地控制膜污染。本发明通过在膜抽吸过程中不进行曝气，在膜松弛阶段再进行曝气，并基于跨膜压差设定值反馈耦合的动态调控系统，有望有效控制膜污染并进一步降低能耗。

Description

一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法。

背景技术

厌氧膜生物反应器（简称为AnMBR）将厌氧生物反应器和膜分离技术结合，克服了传统厌氧工艺污泥易流失的缺点，具有出水水质稳定、剩余污泥少和可回收甲烷气体作为清洁能源等优点，是一种具有良好前景的市政污水处理技术。然而，膜污染严重导致污水处理过程中能耗和运行成本的增加，成为限制AnMBR广泛应用于市政污水处理的瓶颈性问题。因此，如何低能耗地控制AnMBR的膜污染成为当前的研究热点。

和传统的完全混合式厌氧反应器（CSTR）与膜池组成的AnMBR相比，升流式厌氧污泥床反应器（简称为UASB）与膜池组成的AnMBR能够在污泥床中对大部分颗粒物进行截留和生物降解，膜仅仅和污泥上清液接触，减缓了膜表面滤饼层的形成，为低能耗控制AnMBR膜污染提供了可能。

曝气（回流生物气或氮气）是AnMBR中最常见的膜污染控制方式，约占总能耗的三分之二以上，因此优化曝气运行方式是低能耗控制膜污染的关键。大量的研究采用传统的连续曝气方式，少部分研究采用间歇曝气的方式（例如10s 曝气/10s间歇）。但是，持续曝气和10s曝气/10s间歇的方式，仍然存在能耗和运行成本较高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本申请的目的在于提供一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，旨在进一步降低膜污染控制的能耗，推动基于AnMBR低能耗处理市政污水的广泛应用。本发明通过在UASB与膜池组成的浸没式AnMBR中应用一种类死端过滤方式（即在膜抽吸过程中不进行曝气，在膜松弛阶段再进行曝气），并基于跨膜压差（简称为TMP）设定值反馈耦合的动态调控系统，有望有效控制膜污染并进一步降低能耗。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于采用厌氧膜生物反应器处理市政污水，所述厌氧膜生物反应器包括UASB反应器和内含浸没式膜组件的膜池，膜池底部设有曝气装置，膜组件的出水口通过管路连接有抽吸泵，膜组件的出水口与抽吸泵之间的管路上设有压力表，所述压力表通过PLC控制系统与抽吸泵和曝气装置信号连接；在市政污水处理过程中，采用类死端过滤和基于跨膜压差设定值动态反馈耦合的膜污染控制方法，其过程为：厌氧膜生物反应器在类死端过滤条件下运行，即是在膜抽吸出水过程中不进行曝气；当压力表检测的跨膜压差达到设定值时，通过PLC控制系统反馈控制关闭抽吸泵以触发膜组件发生松弛的同时，开启曝气装置向膜池内进行曝气，实现动态精准地控制膜污染。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于采用类死端过滤和基于跨膜压差设定值动态反馈耦合的膜污染控制方法，对市政污水处理的具体过程为：

S1类死端过滤：市政污水先通过UASB反应器进行厌氧处理，厌氧处理后的水体上清液进入膜池内，在抽吸泵的抽吸作用下，水体通过膜组件进行持续出水，压力表实时监测膜组件的跨膜压差，并且在膜抽吸过程中不进行曝气；

S2反馈调节清洗：当压力表检测的跨膜压差达到设定值时，将压差信号传输给PLC控制系统，通过PLC控制系统反馈并控制抽吸泵关闭并且曝气装置开启，由此触发膜组件发生松弛状态下进行曝气，对膜组件进行物理清洗；

步骤S2对膜组件进行物理清洗一段时间后，即重复上述步骤S1的步骤以再次进行膜抽吸出水，由此上述步骤S1和步骤S2依次交替进行，实现市政污水处理过程中动态精准地控制膜污染。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于膜组件的出水通量为8-15 L m^-2 h ^-1，跨膜压差的设定值在6-10 kPa范围内。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于步骤S2中，触发膜组件发生松弛状态下进行曝气的时间为1-5 min，曝气的单位膜面积曝气量≥2.0m³ m⁻² h⁻¹。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于所述曝气装置包括氮气发生器、电磁阀和设于膜池下端内部的曝气器，所述曝气器设于膜组件的下方，氮气发生器、电磁阀与曝气器依次由管路连接；所述电磁阀通过PLC控制系统与压力表信号连接，当压力表检测的跨膜压差达到设定值时，可通过PLC控制系统反馈并控制电磁阀开启进行曝气。

所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于还包括循环泵，膜池的下部出水口通过循环泵与UASB反应器的颗粒污泥厌氧反应区底部由管路连接，形成膜池与UASB反应器之间的部分循环水流回路。

相对于现有技术，本申请取得的有益效果是：

（1）本发明在UASB与膜池组成的浸没式AnMBR中，采用类死端过滤与基于TMP设定值反馈耦合的动态调控系统运行。在类死端过滤条件下，膜抽吸过程中不进行曝气（即无表面剪切力），降低了小粒径颗粒优先迁移到膜表面的现象，防止形成更加致密的膜污染结垢层，从而降低了膜污染速率。不仅如此，该方法还显著降低了曝气的频率，从而降低了能耗和运行成本。

（2）通过TMP设定值而非传统的时间设定值触发厌氧膜生物反应器进行膜松弛和曝气，将有效控制膜污染程度在允许的范围内，一定程度上减少滤饼层的压缩和不可逆膜污染的形成，并且降低膜污染控制的能耗。

（3）采用PLC控制系统对TMP进行精准的监测和对膜物理清洗的控制，实时反映膜污染情况，动态反馈控制物理清洗（膜松弛和曝气），具有灵敏度高和自动化程度高的特点，提高了污水处理运行的可靠性、经济性、科学性。

其中采用PLC控制系统对膜物理清洗进行控制时，可以是在对膜物理清洗时间达到1-5 min后，PLC控制系统再反馈并控制抽吸泵开启且曝气装置系统关闭，由此实现全自动化控制。

附图说明

图1为本申请厌氧膜生物反应器的结构示意图；

图2为“连续抽吸+连续曝气”、“类死端过滤”、“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的三种运行方式下的膜污染情况对比图；

图3为在膜通量为10 L m^-2 h^-1下，TMP设定值分别为6，8，10，12 kPa时的跨膜压差随时间变化图；

图1中：1-三相分离器，2-沉淀区，3-升流式厌氧污泥反应器，4-进水泵，5-循环泵，6-压力计，7-抽吸泵，8-膜池，9-膜组件，10-电磁阀，11-氮气发生器，12-出气口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

对照图1中，厌氧膜生物反应器包括UASB反应器3和内置有膜组件9的膜池8、进水泵4和循环泵5，膜池8底部设有曝气装置，膜组件9的出水口通过管路连接有抽吸泵7，膜组件9的出水口与抽吸泵7之间的管路上设有压力表6，所述压力表6通过PLC控制系统与抽吸泵7和曝气装置信号连接。

所述曝气装置包括电磁阀10、氮气发生器11、和设于膜池8下端内部的曝气器，所述曝气器设于膜组件9的下方，氮气发生器11、电磁阀10与曝气器依次由管路连接；所述电磁阀10通过PLC控制系统与压力表6信号连接，当压力表6检测的跨膜压差达到设定值时，可通过PLC控制系统反馈并控制电磁阀10开启进行曝气。

UASB反应器3含有颗粒污泥厌氧反应区、三相分离器1和沉淀区2，颗粒污泥厌氧反应区的底部管路连接有进水泵4，沉淀区2出水口与膜池8的上部进水口由管路连接，膜池8的下部出水口通过循环泵5与颗粒污泥厌氧反应区的底部由管路连接，形成膜池8与UASB反应器3之间的部分循环水流回路，防止膜池8内悬浮固体的积累和快速增加，并且使得UASB反应器3中液体的上流速度维持在0.8-0.9 m h^-1，以控制厌氧颗粒污泥膨胀至反应柱总高度的40％左右。

对照图1中，UASB反应器3和膜池8上均设有出气口12。

在对市政污水进行处理时，污水首先由进水泵4通入到UASB反应器3内进行厌氧处理，并在沉淀区2内形成水体上清液；沉淀区2内的水体上清液再进入膜池8内进行进一步处理。

实施例1：

本实施例1的厌氧膜生物反应器如图1所示，其是由6.4升UASB反应器与3.2升膜池组成的浸没式AnMBR。UASB反应器由有机玻璃制成，并在反应器顶部装有用于固体、液体、气体分离的三相分离器，使三相分离器内的悬浮物有效沉降从而将市政污水与污泥分离，将厌氧反应产生的生物气与固液物分离。UASB反应器内接种了来自杭州华润雪花啤酒有限公司的厌氧颗粒污泥，厌氧颗粒污泥呈黑色或黑灰色，厌氧颗粒污泥具有球形或椭圆形外观，表面边界清晰光滑，颗粒大小约0.5-3 mm。浸没式AnMBR的膜池内置的膜是以聚偏二氟乙烯为材质的中空纤维膜，膜面积0.1 m²，孔径为0.04-0.05微米。

本实施例1对市政污水进行处理，处理的平均温度为25±3.7℃。

AnMBR在长达6个月的运行过程中，通入到UASB反应器内的市政污水的COD和MLSS平均浓度分别为344±32mg/L和197±50mg/L。市政污水先通过UASB反应器进行厌氧处理，厌氧处理后的水体上清液进入膜池内进一步处理。膜池中混合液的COD和MLSS平均浓度为133±50mg/L和87±34mg/L。在此污水处理条件下进行短期实验，对比以下三种控制方式的膜污染和能耗：

1、膜池内进行“连续抽吸+连续曝气”；

2、膜池内进行“类死端过滤”，其过滤的循环周期是：9 分钟抽吸出水（不曝气）/1分钟膜松弛清洗（曝气）；

3、“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”，其控制过程为：

S1类死端过滤：在抽吸泵的抽吸作用下，水体通过膜进行持续出水，压力表实时监测膜的TMP，并且在膜抽吸过程中不进行曝气；

S2：当压力表所监测到的TMP到达设定值即10 kPa时，停止抽吸进行膜松弛 1 min并联合曝气1 min，随后重复上述步骤S1的步骤以再次进行膜抽吸出水，由此上述步骤S1和步骤S2依次交替进行。

上述三种控制方式均是在相同的膜通量（即单位膜面积的出水量）J ₂₀=10 L m^-2 h^-1、单位膜面积曝气量（SGD_m）=2.0 m³ m^-2 h^-1下进行。由于第二种“类死端过滤”和第三种“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制方式中，均包括膜松弛阶段过程，所以它们的净膜通量（实际单位膜面积的出水量）分别为J ₂₀=9 L m^-2 h^-1和J ₂₀=9.8 L m^-2 h^-1。

按照上述实验过程，“连续抽吸+连续曝气”、“类死端过滤”、“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的三种控制方式下的跨膜压差（TMP）对比结果如图2所示，三种控制方式下的跨膜压差（TMP）的检测过程分别如以下所示，从而得到如图2中的数据结果：

1、其中第一种“连续抽吸+连续曝气”的运行方式中，其TMP是运行过程中压力表实时检测到的跨膜压差数值；

2、第二种“类死端过滤”的运行方式中，由于其运行的循环周期是“9 min抽吸出水（不曝气）/1 min膜松弛清洗（曝气）”，取每个周期的膜松弛清洗阶段结束后，进行下一周期的抽吸出水阶段的初始运行条件下，压力表检测到的跨膜压差数值作为TMP数据记录。

3、第三种“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制方式中，其运行周期分为“类死端过滤”和“反馈调节清洗”两个阶段，取每个周期的“类死端过滤”阶段结束后，进行下一周期的“反馈调节清洗”阶段的初始运行条件下，压力表检测到的跨膜压差数值作为TMP数据记录。

从图2可以看出：随着运行时间的持续进行，第三种“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制方式中，虽然开始阶段的膜污染较高一些，但是其运行方式相对较为稳定，膜污染的速率较为缓慢，在长时间运行的后期阶段能够显著体现出其控制优势。

按照上述实验过程，在相同的膜通量（即单位膜面积的出水量）J ₂₀=10 L m^-2 h^-1、单位膜面积曝气量（SGD_m）=2.0 m³ m^-2 h^-1下，比较“连续抽吸+连续曝气”、“类死端过滤”、“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的三种运行方式下的曝气能耗情况，结果如表1所示。

表1

根据表1的结果，采用类死端过滤的方式，AnMBR能够达到和采用“连续抽吸+连续曝气”相似的低膜污染速率，但是能耗仅为0.199 kWh m^-3。

进一步地，采用“类死端和基于TMP设定值动态反馈耦合”的运行方式，在保持相似的低膜污染速率的前提下，该动态反馈控制技术的曝气能耗比仅采用类死端过滤方式降低了约45%，仅0.091 kWh m^-3。

因此，本发明提供的一种类死端和基于TMP设定值动态反馈控制系统应用于AnMBR处理市政污水中，不仅可以动态调控有效地控制膜污染，而且极大地降低了能耗，是一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法。

实施例2：

本实施例2的厌氧膜生物反应器与实施例1相同。

本实施例2对市政污水进行处理，处理的平均温度为25±3.7℃。

AnMBR在长达6个月的运行过程中，通入到UASB反应器内的市政污水的COD和MLSS平均浓度分别为344±32mg/L和197±50mg/L。膜池中混合液的COD和MLSS平均浓度为133±50mg/L和87±34mg/L。在此污水处理条件下进行短期实验，控制方式为“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”。

本实施例2的“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制过程重复实施例1，不同之处仅在于：“将TMP设定值替换为6、8、10或12kPa”，其他操作同实施例1。由此，在相同膜通量J ₂₀=10 L m^-2 h^-1、单位膜面积曝气量（SGD_m）=2.0 m³ m^-2 h^-1下，TMP设定值分别为6、8、10、12 kPa时的TMP随时间变化图如图3所示。

结合图3的结果，在膜通量J ₂₀=10 L m^-2 h^-1时，当TMP设定值为6，8，10 kPa时，TMP的变化不大，证明“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制方式可以达到有效控制膜污染的效果。在膜通量J ₂₀=10 L m^-2 h^-1时，当TMP设定值增加至12 kPa时，TMP显著增加，不利于减缓膜污染。在J ₂₀ =10 L m^-2 h^-1时，在TMP设定值较大条件下，由于水中的微粒、胶体或大颗粒在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞而在膜表面形成致密的滤饼层污染和膜孔堵塞污染，在膜松弛1 min并联合曝气1 min期间无法完全去除，因此在后续运行过程中导致较为严重的膜污染。

进一步地，在“类死端过滤与基于TMP反馈控制耦合”的控制方式中，TMP的总体趋势随TMP设定值的增加而增加，并且在所有循环周期的第一个周期TMP突然增加，而在之后的循环周期中保持稳定，维持膜污染程度在允许的范围内。

因此，本发明提供了一种类死端和基于TMP设定值动态反馈控制系统，在膜通量J ₂₀ =10 L m^-2 h^-1、单位膜面积曝气量（SGD_m）=2.0 m³ m^-2 h^-1下，当TMP设定值为6，8，10 kPa时，反馈触发膜松弛联合曝气1 min（SGD_m=2.0 m³ m^-2 h^-1），能够有效地控制厌氧膜生物反应器的膜污染。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (6)

1.一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于采用厌氧膜生物反应器处理市政污水，所述厌氧膜生物反应器包括UASB反应器（3）和内含浸没式膜组件（9）的膜池（8），膜池（8）底部设有曝气装置，膜组件（9）的出水口通过管路连接有抽吸泵（7），膜组件（9）的出水口与抽吸泵（7）之间的管路上设有压力表（6），所述压力表（6）通过PLC控制系统与抽吸泵（7）和曝气装置信号连接；

在市政污水处理过程中，采用类死端过滤和基于跨膜压差设定值动态反馈耦合的膜污染控制方法，其过程为：厌氧膜生物反应器在类死端过滤条件下运行，即是在膜抽吸出水过程中不进行曝气；当压力表（6）检测的跨膜压差达到设定值时，通过PLC控制系统反馈控制关闭抽吸泵（7）以触发膜组件（9）发生松弛的同时，开启曝气装置向膜池（8）内进行曝气，实现动态精准地控制膜污染。

2.如权利要求1所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于采用类死端过滤和基于跨膜压差设定值动态反馈耦合的膜污染控制方法，对市政污水处理的具体过程为：

S1类死端过滤：市政污水先通过UASB反应器（3）进行厌氧处理，厌氧处理后的水体上清液进入膜池（8）内，在抽吸泵（7）的抽吸作用下，水体通过膜组件（9）进行持续出水，压力表（6）实时监测膜组件（9）的跨膜压差，并且在膜抽吸过程中不进行曝气；

S2反馈调节清洗：当压力表（6）检测的跨膜压差达到设定值时，将压差信号传输给PLC控制系统，通过PLC控制系统反馈并控制抽吸泵（7）关闭并且曝气装置开启，由此触发膜组件（9）发生松弛状态下进行曝气，对膜组件（9）进行物理清洗；

步骤S2对膜组件（9）进行物理清洗一段时间后，即重复上述步骤S1的步骤以再次进行膜抽吸出水，由此上述步骤S1和步骤S2依次交替进行，实现市政污水处理过程中动态精准地控制膜污染。

3.如权利要求1所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于膜组件（9）的出水通量为8-15 L m^-2 h ^-1，跨膜压差的设定值在6-10 kPa范围内。

4.如权利要求2所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于步骤S2中，触发膜组件（9）发生松弛状态下进行曝气的时间为1-5 min，曝气的单位膜面积曝气量≥2.0 m³ m⁻² h⁻¹。

5.如权利要求2所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于所述曝气装置包括氮气发生器（11）、电磁阀（10）和设于膜池（8）下端内部的曝气器，所述曝气器设于膜组件（9）的下方，氮气发生器（11）、电磁阀（10）与曝气器依次由管路连接；所述电磁阀（10）通过PLC控制系统与压力表（6）信号连接，当压力表（6）检测的跨膜压差达到设定值时，可通过PLC控制系统反馈并控制电磁阀（10）开启进行曝气。

6.如权利要求5所述的一种低能耗控制厌氧膜生物反应器膜污染的方法，其特征在于还包括循环泵（5），膜池（8）的下部出水口通过循环泵（5）与UASB反应器（3）的颗粒污泥厌氧反应区底部由管路连接，形成膜池（8）与UASB反应器（3）之间的部分循环水流回路。

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