CN112047459A - 一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统及方法，系统包括污水调节池、膜生物反应器、再生水箱和臭氧水水箱；污水调节池通过第四管道与膜生物反应器连通，膜生物反应器的出水端外接第一管道；第一管道的一端与膜生物反应器相连通，另一端分别与第二管道和第三管道的进水端连通；第二管道的出水端伸入再生水箱的底部并与再生水箱的内部相连通，第二管道上设有第一水泵和第一控制阀；第三管道的出水端与臭氧水水箱的内部相连通，第三管道上设有第二水泵和第二控制阀。本发明设计的污水再生系统，可在有效控制陶瓷膜污染的同时，省下再生水消毒单元，显著降低了污水再生处理的基建成本、运行费用和占地面积。

Description

一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理与再生领域，尤其涉及一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统及方法。
背景技术
随着我国城镇化和工业化进程的加快，水质污染和水资源短缺已经成为社会经济发展的限制性因素。污水再生利用是解决我国水资源危机的重要对策，也是满足国家最资源可持续利用重大需求的有力保障。膜分离技术具有高效性、安全性和稳定性，在污水再生领域倍受关注，但膜污染导致该技术运行能耗增加是限制其推广应用的技术瓶颈。
陶瓷膜具有良好的化学和机械稳定性，在污水和工业废水再生领域已被广泛应用。陶瓷膜可与高级氧化技术耦合，通过原位或在线膜清洗控制膜污染。臭氧是一种极强的氧化剂，将臭氧氧化与陶瓷膜分离技术耦合，可显著降低膜污染、提高膜通量。常规的臭氧清洗方法是通过臭氧气体在膜表面附近形成错流扰动对膜表面的污染物进行冲刷剥离，但是，在该过程中很大一部分臭氧气体被反应器中的污泥或污水消耗，大幅降低了臭氧气体的利用率，对膜孔内部的堵塞物通常难以取得良好的清洗效果。臭氧的强氧化性还会导致反应器中的污泥溶胞甚至死亡，加剧膜污染，严重影响污水再生系统的运行效能。
此外，消毒是污水再生回用必不可少的环节，也是保证再生水水质安全的关键措施。臭氧具有很强的杀菌灭毒作用，不仅能有效杀灭细菌病毒，对于抗药性很强的寄生虫也有很强的灭活作用，已被广泛应用于再生水消毒。但臭氧稳定性差，采用臭氧气体消毒，其投加量通常难以精准控制，通常需构建独立的再生水消毒单元，这无疑会增加污水再生系统的基建和运行费用。
针对膜分离技术在污水再生领域中存在的瓶颈问题，即如何维系MBR污水再生系统较高的膜通量、降低膜污染和运行成本，开发一种高效低成本的污水再生工艺，对于控制水体污染、缓解水资源短缺具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统及方法，力求实现污水再生系统的高效性和稳定性，同时省去单独的再生水消毒单元，降低污水再生处理成本。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统，其包括污水调节池、膜生物反应器、再生水箱和臭氧水水箱；
污水调节池通过第四管道与膜生物反应器连通，用于向膜生物反应器内供水，膜生物反应器的出水端外接第一管道；第一管道的一端与膜生物反应器相连通，另一端分别与第二管道和第三管道的进水端连通，使得第一管道、第二管道和第三管道相互连通；第二管道的出水端伸入所述再生水箱的底部并与再生水箱的内部相连通，第二管道上设有第一水泵和第一控制阀；第三管道的出水端与臭氧水水箱的内部相连通，第三管道上设有第二水泵和第二控制阀。
作为优选，所述膜生物反应器内的膜组件为陶瓷膜组件。
作为优选，所述第一控制阀和第二控制阀均为单向阀；第一控制阀开启时能使流体通过第二管道进入再生水箱，第二控制阀开启时能使流体在第二水泵的作用下从臭氧水水箱抽入第三管道。
作为优选，所述第一管道上设有压力传感器和第二流量计，第四管道上设有第一流量计和进水泵。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述污水再生系统的运行方法，其具体如下：
S1：开启第四管道上的进水泵，将污水调节池内的污水通入膜生物反应器中，并使污水浸没膜生物反应器中的膜组件；以恒定的产水通量运行膜生物反应器，并使污水在膜生物反应器内的水力停留时间为4～6h；
S2：定期开启第二管道上的第一水泵，使经过膜生物反应器处理后得到的再生水依次流经第一管道和第二管道，并进入再生水箱；
S3：定期对膜生物反应器中的膜组件进行反冲洗，具体如下：
关闭第一水泵和进水泵，开启第三管道上的第二水泵；使臭氧水水箱内的臭氧水依次流经第三管道和第一管道，并对膜生物反应器中的膜组件进行反冲洗，直至膜组件的产水通量恢复初始状态，关闭第二水泵，反冲洗结束；
S4：反冲洗结束后，重新开启进水泵和第一水泵进行S1和S2的污水处理过程；
S5：由于反冲洗结束后的第一管道内会残留有臭氧水，此时开启第一水泵时，残留的臭氧水会进入再生水箱，实现对再生水的消毒。
作为优选，所述污水为市政污水，COD浓度为350～400mg/L，氨氮浓度为30～35mg/L，总磷浓度为5～8mg/L。
作为优选，S2中所述膜生物反应器在恒定的产水通量下按照产水9.5min后停止0.5min的模式循环运行。
作为优选，当S3中所述膜组件的跨膜压差上升至0.2～0.35bar时利用臭氧水进行反冲洗，臭氧水水箱内臭氧水的浓度为2.0～5.0mg/L。
作为优选，所述膜生物反应器中还放入生物载体。
作为优选，所述膜生物反应器中的污泥浓度为4～6g/L，溶解氧浓度2～4mg/L。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明的污水再生系统采用臭氧水对陶瓷膜组件进行在线反冲洗，反冲洗过程中臭氧水通过反冲洗管道进入到膜组件并率先与膜孔内污染物的反应，能够大幅提高臭氧利用率，控制膜污染；此外，该系统的再生水单元与臭氧反冲洗单元共用部分管道，臭氧反冲洗结束后，共用管道中残留的臭氧水可通过再生水水泵直接注入再生水水箱，对再生水进行有效消毒，省下再生水消毒单元。本发明设计的污水再生系统，可在有效控制陶瓷膜污染的同时，省下再生水消毒单元，显著降低了污水再生处理的基建成本、运行费用和占地面积。
附图说明
图1为本发明污水再生系统的结构示意图；
图中附图标记为：污水调节池1，进水泵2，第一流量计3，膜组件4，膜生物反应器5，第一管道6，第二管道7，第三管道8，再生水箱9，臭氧水水箱10，第二控制阀11，第二流量计12，第一水泵13，第二水泵14，压力传感器15，第一控制阀16，第四管道17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，本发明提供了一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统，该污水再生系统包括污水调节池1、膜生物反应器5、再生水箱9和臭氧水水箱10，下面对生物膜污水再生系统中各组成部分进行具体说明。
污水调节池1用于盛放待处理的污水，以控制进入膜生物反应器5中的污水流量。污水调节池1通过第四管道17与膜生物反应器5连通，用于向膜生物反应器5内供水。第四管道17上设有第一流量计3和进水泵2，第一流量计3用于监测进入膜生物反应器5中的水流量，进水泵2用于将污水调节池1内的污水输送进入膜生物反应器5中。
膜生物反应器5内的膜组件4采用管式陶瓷膜组件，这是由于陶瓷膜的化学稳定性好，可耐酸、耐碱、耐有机溶剂，耐高温，机械强度高，分离效率高，可反向冲洗，而且陶瓷膜的抗微生物能力强，不与微生物发生作用。膜生物反应器5的膜组件4上端作为膜生物反应器5的出水端，其外接有一管道6。第一管道6上设有压力传感器15和第二流量计12，压力传感器15用于测量膜组件4的跨膜压差，第二流量计12用于测量通过膜组件4的出水流量。第一管道6的一端与膜生物反应器5的膜组件相连通，另一端分别与第二管道7和第三管道8的进水端连通，从而使得第一管道6、第二管道7和第三管道8之间相互连通。
第二管道7的进水端与第一管道6的出水端相连通，第二管道7的出水端伸入再生水箱9的底部并与再生水箱9的内部相连通。第二管道7上设有第一水泵13和第一控制阀16，第一水泵13用于将经过膜生物反应器5处理后的再生水输送入再生水箱9中。第一控制阀16为单向阀，第一控制阀16开启时能使流体通过第二管道7进入再生水箱9。
第三管道8的进水端与第一管道6的出水端相连通，第三管道8的出水端与臭氧水水箱10的内部相连通。第三管道8上设有第二水泵14和第二控制阀11，第二水泵14用于将臭氧水水箱10内的臭氧水输送入膜生物反应器5中，从而对膜生物反应器5内的膜组件4实现反冲洗。第二控制阀11为单向阀，第二控制阀11开启时能使流体在第二水泵14的作用下从臭氧水水箱10抽入第三管道8。
基于上述污水再生系统的运行方法，具体如下：
S1：首先，开启第四管道17上的进水泵2，将污水调节池1内的待处理污水通入膜生物反应器5中，并使污水浸没膜生物反应器5中的膜组件4。之后以恒定的产水通量运行膜生物反应器5，并使污水在膜生物反应器5内的水力停留时间为4～6h。
S2：定期开启第二管道7上的第一水泵13，使经过膜生物反应器5处理后得到的再生水依次流经第一管道6和第二管道7，并进入再生水箱9内实现收集。
S3：根据设定的膜生物反应器5的运行周期以及膜组件4的跨膜压差值，定期对膜生物反应器5中的膜组件4进行反冲洗，反冲洗的具体过程如下：
关闭第一水泵13和进水泵2，开启第三管道8上的第二水泵14。使臭氧水水箱10内用于反冲洗的臭氧水依次流经第三管道8和第一管道6，并对膜生物反应器5中的膜组件4进行在线化学反冲洗。直至膜组件4的产水通量恢复初始状态，关闭第二水泵14，反冲洗结束。
S4：当反冲洗结束后，重新开启进水泵2和第一水泵13，重复进行S1和S2的污水处理过程，利用陶瓷膜组件进行污水再生。
S5：由于反冲洗结束后的第一管道6内会残留有未被利用的臭氧水，此时开启第一水泵13时，残留的臭氧水会进入再生水箱9，从而实现对再生水的消毒。当周期性的对膜组件进行反冲洗的同时，也可定期补充再生水水箱内的臭氧水量，保持对再生水的消毒作用，从而省下了再生水消毒单元，显著降低了污水再生处理的基建成本、运行费用和占地面积。
实施例1
在膜生物反应器5中放入生物载体(载体的型号为K1，规格大小为7mm*9mm，比表面积为500m2/m3)，从而构建了一种移动床-陶瓷膜生物反应器。本实施例利用上述污水再生系统处理实际的市政污水，污水的主要水质指标如下：COD浓度为350～400mg/L，氨氮浓度为30～35mg/L，总磷浓度为5～8mg/L。同时，反应器中的污泥浓度为4～6g/L，水力停留时间为5h，溶解氧浓度为2～4mg/L。膜生物反应器5在恒定的产水通量下按照“产水9.5min，停止0.5min”的模式循环运行，运行数个周期后采用臭氧水进行化学反冲洗。膜生物反应器5的运行周期根据实际情况进行设定，一般当膜组件4的跨膜压差值超出正常范围时就需要对膜生物反应器5的膜组件4进行反冲洗。
反冲洗模式1：
膜生物反应器5按照22～-25LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.2～0.35bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为2.0～5.0mg/L的臭氧水对陶瓷膜组件进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间需要1.0～1.5min左右就可以使得膜生物反应器5的产水通量恢复初始状态。当产水通量恢复后反冲洗结束，污水再生系统重新开始产水阶段。
按照上述处理流程，陶瓷膜生物反应器可长期稳定维持22～25LMH产水通量，且反冲洗用水量≤产水量×15％。系统出水水质可达再生水利用回用于城市杂用水水质标准(GB/T 18920-2002)，其中总氮<5mg/L，氨氮<0.5mg/L，COD<20mg/L。管道中残余臭氧水可对再生水充分消毒，使得再生水中总大肠菌群≤3个/L。
反冲洗模式2：
膜生物反应器5按照22～25LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.35～0.5bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为2.0～5.0mg/L的臭氧水对陶瓷膜组件进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间需>5min才可使得膜生物反应器5的产水通量恢复初始状态。
按照上述处理流程，反冲洗用水量≥产水量×30％。系统出水水质可达再生水利用回用于城市杂用水水质标准(GB/T 18920-2002)，管道中残余臭氧水可充分对再生水进行消毒，使得再生水中总大肠菌群≤3个/L，但再生水的COD浓度略高(20mg/L<COD<40mg/L)，这表明过量的臭氧水在反冲洗过程中进入膜生物反应器，对反应器中的微生物造成了一定的氧化胁迫作用。
反冲洗模式3：
膜生物反应器5按照22～25LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.2～0.35bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为1.0～2.0mg/L的臭氧水对陶瓷膜组件进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间>5min也不能使膜生物反应器5的产水通量完全恢复至初始状态。
反冲洗模式4：
膜生物反应器5按照22～25LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.35～0.50bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为5～7mg/L的臭氧水对陶瓷膜组件进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间为2～3min就可以使得膜生物反应器5的产水通量恢复初始状态。但较高浓度的臭氧水会对反应器中微生物活性产生一定程度的氧化胁迫作用，使得微生物的活性降低，系统出水水质相对较差，出水水质指标如下：COD>45mg/L，总氮>15mg/L，氨氮<0.5mg/L。
实施例2
膜生物反应器5中放入活性污泥。本实施例利用上述污水再生系统处理实际的市政污水，污水的主要水质指标如下：COD浓度为350～400mg/L，氨氮浓度为30～35mg/L，总磷浓度为5～8mg/L。同时，反应器中的污泥浓度为4～5g/L，水力停留时间为5h，溶解氧浓度为2～4mg/L。膜生物反应器5在恒定的产水通量下按照“产水9.5min，停止0.5min”的模式循环运行，运行数个周期后采用臭氧水进行化学反冲洗。膜生物反应器5的运行周期根据实际情况进行设定，一般当膜组件4的跨膜压差值超出正常范围时就需要对膜生物反应器5的膜组件4进行反冲洗。
反冲洗模式1：
膜生物反应器5按照18～-20LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.2～-0.35bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为2.0～5.0mg/L的臭氧水对陶瓷膜组件进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间需要1.5～-3min左右就可以使得膜生物反应器5的产水通量恢复初始状态。当产水通量恢复后反冲洗结束，污水再生系统重新开始产水阶段。
按照上述处理流程，陶瓷膜生物反应器可长期稳定维持18～20LMH产水通量，且反冲洗用水量≤产水量×20％。系统出水水质中，氨氮<0.5mg/L，COD<40mg/L。管道中残的余臭氧水可对再生水充分消毒，使得再生水中总大肠菌群≤3个/L。
反冲洗模式2：
膜生物反应器5按照22～25LMH产水通量运行，当TMP(跨膜压差)上升至0.2～0.35bar时，按照一定流量，采用溶解性臭氧浓度为2.0～5.0mg/L的臭氧水对陶瓷膜进行臭氧反冲洗。在该种情况下，反冲洗时间需>5min才可使得膜生物反应器5的产水通量恢复初始状态。当产水通量恢复后反冲洗结束，污水再生系统重新开始产水阶段。
按照上述处理流程，陶瓷膜生物反应器可长期稳定维持18～20LMH产水通量，但反冲洗用水量≥产水量×30％。且系统出水水质恶化，系统出水水质中，COD>60mg/L，总氮>20mg/L，这说明臭氧水对反应器中活性污泥产生了较强的氧化胁迫作用，使得污泥活性下降。
由此可见，对比实施例1和实施例2的技术方案，采用实施例1中的方法“在膜生物反应器5中放入生物载体构建了一种移动床-陶瓷膜生物反应器”对于减缓污水再生系统的膜污染、减少臭氧水的投加量具有更好的控制效果，且污水再生系统的稳定性、出水水质也更优。采用实施例2中的方法“在膜生物反应器5中放入活性污泥”对污水中总氮的去除效果差，膜污染也相对严重。除此之外，在实施例1中，采用“反冲洗模式1”中的技术方案对于市政污水的处理效果要优于其他反冲洗模式。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于臭氧水同步在线反冲消毒的污水再生系统，其特征在于，包括污水调节池(1)、膜生物反应器(5)、再生水箱(9)和臭氧水水箱(10)；
污水调节池(1)通过第四管道(17)与膜生物反应器(5)连通，用于向膜生物反应器(5)内供水，膜生物反应器(5)的出水端外接第一管道(6)；第一管道(6)的一端与膜生物反应器(5)相连通，另一端分别与第二管道(7)和第三管道(8)的进水端连通，使得第一管道(6)、第二管道(7)和第三管道(8)相互连通；第二管道(7)的出水端伸入所述再生水箱(9)的底部并与再生水箱(9)的内部相连通，第二管道(7)上设有第一水泵(13)和第一控制阀(16)；第三管道(8)的出水端与臭氧水水箱(10)的内部相连通，第三管道(8)上设有第二水泵(14)和第二控制阀(11)。
2.根据权利要求1所述的污水再生系统，其特征在于，所述膜生物反应器(5)内的膜组件(4)为陶瓷膜组件。
3.根据权利要求1所述的污水再生系统，其特征在于，所述第一控制阀(16)和第二控制阀(11)均为单向阀；第一控制阀(16)开启时能使流体通过第二管道(7)进入再生水箱(9)，第二控制阀(11)开启时能使流体在第二水泵(14)的作用下从臭氧水水箱(10)抽入第三管道(8)。
4.根据权利要求1所述的污水再生系统，其特征在于，所述第一管道(6)上设有压力传感器(15)和第二流量计(12)，第四管道(17)上设有第一流量计(3)和进水泵(2)。
5.一种基于根据权利要求1～4任一所述污水再生系统的运行方法，其特征在于，具体如下：
S1：开启第四管道(17)上的进水泵(2)，将污水调节池(1)内的污水通入膜生物反应器(5)中，并使污水浸没膜生物反应器(5)中的膜组件(4)；以恒定的产水通量运行膜生物反应器(5)，并使污水在膜生物反应器(5)内的水力停留时间为4～6h；
S2：定期开启第二管道(7)上的第一水泵(13)，使经过膜生物反应器(5)处理后得到的再生水依次流经第一管道(6)和第二管道(7)，并进入再生水箱(9)；
S3：定期对膜生物反应器(5)中的膜组件(4)进行反冲洗，具体如下：
关闭第一水泵(13)和进水泵(2)，开启第三管道(8)上的第二水泵(14)；使臭氧水水箱(10)内的臭氧水依次流经第三管道(8)和第一管道(6)，并对膜生物反应器(5)中的膜组件(4)进行反冲洗，直至膜组件(4)的产水通量恢复初始状态，关闭第二水泵(14)，反冲洗结束；
S4：反冲洗结束后，重新开启进水泵(2)和第一水泵(13)进行S1和S2的污水处理过程；
S5：由于反冲洗结束后的第一管道(6)内会残留有臭氧水，此时开启第一水泵(13)时，残留的臭氧水会进入再生水箱(9)，实现对再生水的消毒。
6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述污水为市政污水，COD浓度为350～400mg/L，氨氮浓度为30～35mg/L，总磷浓度为5～8mg/L。
7.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，S2中所述膜生物反应器(5)在恒定的产水通量下按照产水9.5min后停止0.5min的模式循环运行。
8.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，当S3中所述膜组件(4)的跨膜压差上升至0.2～0.35bar时利用臭氧水进行反冲洗，臭氧水水箱(10)内臭氧水的浓度为2.0～5.0mg/L。
9.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述膜生物反应器(5)中还放入生物载体。
10.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述膜生物反应器(5)中的污泥浓度为4～6g/L，溶解氧浓度2～4mg/L。
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