CN111977786B - 双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曝气好氧颗粒污泥‑膜生物反应器耦合装置及其应用，属于污水处理技术领域。本发明装置包括进水管、外筒、内筒、第一曝气组件、上壳体、沉降槽、膜池本体、第二曝气组件、出水管；外筒与内筒之间为下部外反应区，内筒内腔为下部内反应区；第一曝气组件用于向下部内反应区内曝气；上壳体与沉降槽之间为上部升流区，沉降槽与膜生物反应池之间为上部降流区，沉降槽底部为沉淀区，沉降槽底部通过回流管与外筒相连；膜池本体由多孔板组成，膜池本体内设有膜组件；第二曝气组件用于对膜组件表面进行曝气冲刷，出水管的两端分别与膜组件的内腔和清水池相连通。本发明可充分保证好氧颗粒污泥和MBR膜组件的不同曝气强度和曝气量需求。

Description

双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置及其应用，属于污水处理技术领域。

背景技术

伴随着城市化的发展及人口密集程度加剧，生活污水大量排放到自然水体，引起水环境质量恶化，尤其是生活污水中氮磷的超量排放导致水体严重缺氧，导致水生生态环境破坏，也是城市黑臭水体的重要诱因。近年来污水处理技术不断发展，在传统活性污泥法基础上，A2/O、SBR、氧化沟及其改良工艺得到广泛应用。为了适应不断提高的污水处理标准，膜生物反应器(MBR)工艺在膜材料的发展基础上，凭借良好的出水水质、节省占地面积等优势，逐渐成为了污水处理主流工艺之一。

MBR工艺能耗高，容易产生污堵，需要定期更换膜组件，一直是该工艺应用过程中不可避免的问题。一般膜池采用高浓度、低负荷运行方式，配合采用大曝气量冲刷膜丝来减少胞外聚合物(EPS)等物质对膜孔的污堵，也需要高压泵来提供跨膜压差，因此MBR工艺能耗较高的原因在于减少膜孔污堵的曝气冲刷措施以及提供压差的高压泵。在MBR膜污染有研究中，一般会从材料方面开发抗污染性能更好的膜材。随着好氧颗粒污泥工艺的不断成熟，给MBR膜污染控制有研究提供了新的方向。

好氧颗粒污泥工艺被认为是最有前途的废水生物处理技术之一，因其密实的颗粒结构，同时具备去除有机物、脱氮除磷的功能，其表面产生的EPS明显少于絮状污泥，如将MBR膜组件置于好氧颗粒污泥的混合液中，必将大幅减少膜孔的污堵。同时，由于好氧颗粒污泥工艺仍然需要二次沉淀来完成泥水分离，由MBR膜取代二沉池，出水水质更优，二者可优势互补，达到降低膜污染，提高出水水质的目的。

但在好氧颗粒污泥工艺的应用过程中仍然存在培养周期长、长期运行稳定性难以保证等难题，由于MBR工艺需要大曝气量来冲刷膜丝，好氧颗粒污泥在较高的曝气强度下容易破碎，在好氧颗粒污泥与MBR工艺的组合工艺中也存在曝气量需求不一致的问题，因此开发一种新型的好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置及其应用，本发明装置通过巧妙的设计将好氧颗粒污泥与MBR反应器耦合，不仅可以充分利用好氧颗粒污泥高效去除污水中的有机污染物，降低MBR的膜污染，而且还可以使好氧颗粒污泥与膜生物反应区完全分开，互不影响，充分保证好氧颗粒污泥和MBR膜组件的不同曝气强度和曝气量需求，解决了好氧颗粒污泥与MBR工艺组合时的曝气强度需求不一致的问题。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置，包括进水管、下壳体、第一曝气组件、上壳体、沉降槽、膜生物反应池、第二曝气组件、出水管；所述进水管上设有进水泵；所述下壳体包括外筒和套设在外筒内的内筒，外筒顶部开口，外筒底部与进水管相连通，外筒与内筒之间为下部外反应区，内筒顶部和底部均开口，内筒内腔为下部内反应区；所述第一曝气组件用于向下部内反应区内曝气；所述上壳体内设有沉降槽，上壳体与沉降槽之间为上部升流区，所述沉降槽内设有膜生物反应池，沉降槽与膜生物反应池之间为上部降流区，沉降槽底部为沉淀区，沉降槽底部通过回流管与外筒相连通；所述膜生物反应池包括膜池本体，膜池本体由多孔板组成，膜池本体内设有膜组件；所述第二曝气组件用于对膜组件表面进行曝气冲刷，所述出水管的一端与膜组件的内腔相连通，另一端与清水池相连通，出水管上设有出水泵。

作为优选方案，所述第一曝气组件包括曝气头、第一曝气管、第一曝气阀门和第一鼓风机，曝气头位于内筒底部，曝气头通过第一曝气管与第一鼓风机相连，第一曝气管上设有第一曝气阀门。

作为进一步优选方案，所述曝气头的曝气速率根据下部内反应区中的溶解氧浓度进行调整，溶解氧浓度保持在1.2～2.3mg/L。

作为优选方案，所述第二曝气组件包括纳米曝气盘、第二曝气管、第二曝气阀门和第二鼓风机，纳米曝气盘位于膜组件下方，纳米曝气盘通过第二曝气管与第二鼓风机相连，第二曝气管上设有第二曝气阀门。

作为进一步优选方案，所述纳米曝气盘的曝气速率在0.25～0.5m³/h·m²膜面积。

作为优选方案，所述耦合装置还包括自动控制器，进水泵、出水泵、第一鼓风机和第二鼓风机均与自动控制器电连接。

作为优选方案，所述出水泵设置为双向离心泵，所述外筒底部还设有与排泥管相连通的排泥口，排泥管上设有排泥阀门。

作为优选方案，所述沉降槽顶部设有三角堰。

作为优选方案，所述回流管与外筒连接处的高度不超过外筒高度的1/3，上部升流区的截面积是下部内反应区截面积的4倍，下部内反应区的截面积与下部外反应区的截面积相同。

采用上述耦合装置在污水处理上的应用，具体步骤为：开启进水泵、出水泵，污水经进水管进入下部外反应区中，在第一曝气组件的作用下，污水进水进入下部内反应区内上行，当含有颗粒污泥和絮状污泥的污水上行至上部升流区后，过流面积增大，水流流速放缓，颗粒污泥沉降至下部外反应区，气泡聚合成大气泡带动含有絮状污泥的污水继续上升，上升至上部升流区的顶部后，气泡释放，含有絮状污泥的污水溢流进入上部降流区，污水中的大部分絮状污泥沉降至沉淀区内并通过回流管回流降落至下部外反应区中，在下部外反应区底部气提的作用下，下部外反应区与下部内反应区形成循环，分离出大部分絮状污泥的污水穿过膜池本体进入膜生物反应区，在第二曝气组件的曝气作用下，膜组件发生抖动以减少膜污染，在出水泵的作用下，污水透过膜组件中的膜丝完成出水，污水中的污染物及少量絮状污泥被截留在膜丝外，出水流入清水池中。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

(1)本发明装置通过巧妙的设计将好氧颗粒污泥与MBR反应器耦合，不仅可以充分利用好氧颗粒污泥高效去除污水中的有机污染物，降低MBR的膜污染，还可以使好氧颗粒污泥与膜生物反应区完全分开，互不影响，充分保证好氧颗粒污泥和MBR膜组件的不同曝气强度、曝气量需求和各自的运行工艺条件。

(2)本发明装置通过设置第一曝气组件和第二曝气组件进行双曝气，其中，第一曝气组件可以提供好氧颗粒污泥形成和反应所需的氧气及水力剪切力，第二曝气组件可以提供膜冲刷所需的较大的曝气强度，强化膜抖动和冲刷，缓解膜污染，从而可以避免好氧颗粒污泥与膜生物反应器在曝气强度方面的差异。

(3)本发明可以实现下部气提式反应区(下部外反应区和内反应区)的连续运行。

(4)相比现有技术中将好氧颗粒污泥与膜生物反应器串联拼接的组合方式，本发明通过结构上的创新实现了两种处理工艺组合在水力上的连续性，构成了一体化的耦合装置，且更加节省占地。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的顶视图；

图3为沉降槽的侧视图；

附图标记：

10.进水管、20.下壳体、21.外筒、22.排泥口、23.下部外反应区、24.内筒、25.下部内反应区、31.曝气头、32.第一曝气管、33.第一鼓风机、40.上壳体、41.上部升流区、42.沉降槽、43.上部降流区、44.沉淀区、45.膜池本体、46.膜生物反应区、47.膜组件、48.三角堰、51.纳米曝气盘、52.第二曝气管、53.第二鼓风机、60.回流管、70.出水管、80.清水池、90.自动控制器

具体实施方式

结合图1至图3，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1至图3所示，一种双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置，包括进水管10、下壳体20、第一曝气组件、上壳体40、沉降槽42、膜生物反应池、第二曝气组件、出水管70；

所述进水管10上设有进水泵；所述下壳体20包括外筒21和套设在外筒21内的内筒24，外筒21顶部开口，外筒21底部与进水管10相连通，外筒21与内筒24之间为下部外反应区23，内筒24顶部和底部均开口，内筒24内腔为下部内反应区25，其中，下部内反应区25的截面积与下部外反应区23的截面积相同；所述第一曝气组件用于向下部内反应区25内曝气，第一曝气组件包括曝气头31、第一曝气管32、第一曝气阀门和第一鼓风机33，曝气头31位于内筒24底部，曝气头31通过第一曝气管32与第一鼓风机33相连，其中，曝气头31的曝气速率根据下部内反应区25中的溶解氧浓度进行调整，溶解氧浓度保持在1.2～2.3mg/L，第一曝气管32上设有第一曝气阀门；所述上壳体40内设有沉降槽42，上壳体40与沉降槽42之间为上部升流区41，其中，上部升流区41的截面积是下部内反应区25截面积的4倍，所述沉降槽42内设有膜生物反应池，沉降槽42与膜生物反应池之间为上部降流区43，沉降槽顶部设有三角堰48，沉降槽42底部为沉淀区44，其中，沉淀区44为锥形，沉降槽42底部通过回流管60与外筒21相连通，其中，回流管60上设有回流阀(图中未示出)，通过调节回流阀可控制回流量，回流管60与外筒21连接处的高度不超过外筒21高度的1/3；所述膜生物反应池包括膜池本体45，膜池本体45由多孔板组成，其中，膜池本体底部与纳米曝气盘接触的部分没有穿孔，膜池本体45内为膜生物反应区46，膜池本体45内设有膜组件47；所述第二曝气组件用于对膜组件47表面进行曝气冲刷，第二曝气组件包括纳米曝气盘51、第二曝气管52、第二曝气阀门和第二鼓风机53，纳米曝气盘51位于膜组件47下方，纳米曝气盘51通过第二曝气管52与第二鼓风机53相连，其中，纳米曝气盘51的曝气速率在0.25～0.5m³/h·m²膜面积，第二曝气管52上设有第二曝气阀门，所述出水管70的一端与膜组件47的内腔相连通，另一端与清水池80相连通，出水管70上设有出水泵。

其中，为了实现装置的自动化运行，所述进水泵、出水泵、第一鼓风机33和第二鼓风机53均与自动控制器90电连接；为了使装置具有反冲洗功能，所述出水泵设置为双向离心泵，所述外筒21底部还设有与排泥管相连通的排泥口22，排泥管上设有排泥阀门(图中未示出)。

采用上述装置对污水进行处理的过程如下：

在自动控制器90上设置运行周期为T，在周期开始时，开启进水泵、出水泵，关闭排泥阀，污水经进水管10进入下部外反应区23中，开启第一鼓风机33，通过第一曝气阀门调整曝气量，在气提作用下，污水进水进入下部内反应区25内上行，当含有颗粒污泥和絮状污泥的污水上行至上部升流区41后，过流面积增大，水流流速放缓，颗粒污泥沉降至下部外反应区23，气泡聚合成大气泡带动含有絮状污泥的污水继续上升，上升至上部升流区41的顶部后，气泡释放，含有絮状污泥的污水经三角堰48溢流进入上部降流区43，污水中的大部分絮状污泥沉降至沉淀区44内并通过回流管60回流降落至下部外反应区23中，在下部外反应区23底部气提的作用下，下部外反应区23与下部内反应区25形成循环，分离出大部分絮状污泥的污水穿过膜池本体45进入膜生物反应区46，开启第二鼓风机53，在纳米曝气盘51的曝气作用下，膜组件47发生抖动以减少膜污染，在出水泵的作用下，污水透过膜组件47中的膜丝完成出水，污水中的污染物及少量絮状污泥被截留在膜丝外，出水流入清水池80中。

周期结束后，关闭进水泵、第一鼓风机33，打开排泥阀，待膜生物反应区46内的液面降低后，将出水泵切换转动方向，从清水池80中抽清水对膜组件47进行反洗，反洗时通过排泥口进行排泥。

采用上述方法对污水进行处理，其中，原水的COD浓度为200mg/L，氨氮浓度为30mg/L，总氮浓度为40mg/L，总磷浓度为5mg/L，膜生物反应器采用PVDF中空纤维膜，膜面积为2m²。鼓风机一的曝气量初始值为5L/min，根据进水浓度和溶解氧浓度调整，保持溶解氧浓度在2.0mg/L左右。鼓风机二的曝气量为15L/min，为膜组件47提供冲洗风量。装置稳定运行30天后，出水氨氮稳定低于1mg/L，总氮稳定低于10mg/L，总的停留时间在6h。由此可知，在不投加碳源的情况下，采用本发明装置可将污水处理达到准地表IV类(总氮除外)标准。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双曝气好氧颗粒污泥-膜生物反应器耦合装置，其特征在于，包括进水管、下壳体、第一曝气组件、上壳体、沉降槽、膜生物反应池、第二曝气组件、出水管；所述进水管上设有进水泵；所述下壳体包括外筒和套设在外筒内的内筒，外筒顶部开口，外筒底部与进水管相连通，外筒与内筒之间为下部外反应区，内筒顶部和底部均开口，内筒内腔为下部内反应区；所述第一曝气组件用于向下部内反应区内曝气；所述上壳体内设有沉降槽，上壳体与沉降槽之间为上部升流区，所述沉降槽内设有膜生物反应池，沉降槽与膜生物反应池之间为上部降流区，沉降槽底部为沉淀区，沉降槽底部通过回流管与外筒相连通；所述膜生物反应池包括膜池本体，膜池本体由多孔板组成，膜池本体内设有膜组件；所述第二曝气组件用于对膜组件表面进行曝气冲刷，所述出水管的一端与膜组件的内腔相连通，另一端与清水池相连通，出水管上设有出水泵。

2.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述第一曝气组件包括曝气头、第一曝气管、第一曝气阀门和第一鼓风机，曝气头位于内筒底部，曝气头通过第一曝气管与第一鼓风机相连，第一曝气管上设有第一曝气阀门。

3.如权利要求2所述的耦合装置，其特征在于，所述曝气头的曝气速率根据下部内反应区中的溶解氧浓度进行调整，溶解氧浓度保持在1.2～2.3mg/L。

4.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述第二曝气组件包括纳米曝气盘、第二曝气管、第二曝气阀门和第二鼓风机，纳米曝气盘位于膜组件下方，纳米曝气盘通过第二曝气管与第二鼓风机相连，第二曝气管上设有第二曝气阀门。

5.如权利要求4所述的耦合装置，其特征在于，所述纳米曝气盘的曝气速率在0.25～0.5m³/h·m²膜面积。

6.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，还包括自动控制器，进水泵、出水泵、第一鼓风机和第二鼓风机均与自动控制器电连接。

7.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述出水泵设置为双向离心泵，所述外筒底部还设有与排泥管相连通的排泥口，排泥管上设有排泥阀门。

8.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述沉降槽顶部设有三角堰。

9.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述回流管与外筒连接处的高度不超过外筒高度的1/3，所述上部升流区的截面积是下部内反应区截面积的4倍，下部内反应区的截面积与下部外反应区的截面积相同。

10.采用权利要求1所述的耦合装置在污水处理上的应用，其特征在于，具体步骤为：开启进水泵、出水泵，污水经进水管进入下部外反应区中，在第一曝气组件的作用下，污水进水进入下部内反应区内上行，当含有颗粒污泥和絮状污泥的污水上行至上部升流区后，过流面积增大，水流流速放缓，颗粒污泥沉降至下部外反应区，气泡聚合成大气泡带动含有絮状污泥的污水继续上升，上升至上部升流区的顶部后，气泡释放，含有絮状污泥的污水溢流进入上部降流区，污水中的大部分絮状污泥沉降至沉淀区内并通过回流管回流降落至下部外反应区中，在下部外反应区底部气提的作用下，下部外反应区与下部内反应区形成循环，分离出大部分絮状污泥的污水穿过膜池本体进入膜生物反应区，在第二曝气组件的曝气作用下，膜组件发生抖动以减少膜污染，在出水泵的作用下，污水透过膜组件中的膜丝完成出水，污水中的污染物及少量絮状污泥被截留在膜丝外，出水流入清水池中。

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