CN113651420A - 一种适用高cod废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，包括厌氧反应器，厌氧反应器上部设有集气罩，通过导气管将储气系统、热交换器、风机以及管式曝气装置相连接；进水管经过热交换器进入厌氧反应器；膜反应器内置正渗透膜组件；膜组件通过汲取液管与膜蒸馏反应器相连接，汲取液管上设有温度和盐度传感器和汲取液循环泵，膜蒸馏反应器通过冷凝管与产水箱相连接，下端冷水管上设有冷凝循环泵；同时配套有加药单元。将正渗透膜组件内嵌于厌氧膜反应器，形成渗透过滤模式缓解膜污染。形成的自驱动厌氧膜生物反应器，保障高品质的出水，同时极大降低了运行的能耗；同时能够有效降级气冲过程中，酸性气体对生化反应器内pH的影响。
Description
技术领域
本发明涉及高浓度COD废水处理与再生领域，具体涉及一种厌氧自驱动多种膜反应器的废水的处理装置及工艺。
背景技术
根据最新调研表明，2019年，我国城镇污水排放量约750亿立方米，但再生水利用量不足100亿立方米，利用潜力巨大。传统的高浓度污水处理工艺和后续的再生工艺，存在处理费用高、耗能大、工艺单元冗长、占地大等问题。厌氧膜生物反应器(AnMBR)因其较高的去除效率，较低的运行能耗等优点，近来受到人们关注。但是，运行过程中，依然存在严重的膜污染，以及氮磷去除率低等因素，限制了再生水适用范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有工艺在的技术瓶颈，所提供的一种用于高COD废水处理与再生的一种厌氧生化耦合自驱动膜反应器，以及对应的处理工艺。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，包括厌氧反应器，厌氧反应器上部设有集气罩，通过导气管将储气系统、热交换器、风机以及管式曝气装置相连接；进水管经过热交换器进入厌氧反应器；膜反应器内置正渗透膜组件；膜组件通过汲取液管与膜蒸馏反应器相连接，汲取液管上设有温度和盐度传感器和汲取液循环泵，膜蒸馏反应器通过冷凝管与产水箱相连接，下端冷水管上设有冷凝循环泵；同时配套有加药单元。
进一步，储气系统内设有甲烷气分离-纯化层，材质为碱性介孔分子筛。
进一步，热交换器为燃气型换热器。
进一步，正渗透膜组件包括正渗透膜片、膜片连接管以及膜组件支架。
进一步，正渗透膜形制采用平板膜，膜片间隔为5～20mm，膜表面由耐温超亲水材料构成。
进一步，正渗透膜汲取液管选用耐温、耐腐蚀材料，以热塑方式连接。
进一步，膜蒸馏反应器内的膜蒸馏膜形制采用疏水性中空纤维膜，膜表面采用耐热疏水材料。
进一步，膜蒸馏冷凝测的操作可采用接触式、气隙式、气扫式以及真空膜蒸馏。
进一步，加药单元包括带搅拌储药箱、加碱泵以及TDS调节泵。
一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器处理工艺，包括以下步骤：高COD废水经过热交换器后进入厌氧膜反应器，热交换器采用甲烷气进行加热，在高温条件下进行厌氧反应，过程中产生的甲烷气通过集气罩至储气系统；甲烷气通过风机一部分进入反应器内，通过管式曝气装置进行搅拌和气冲膜表面，另一部分气体进入热交换器用于加热进水；待系统内COD去除率达到98％后，开启汲取液循环泵，同时开启冷凝循环泵；处理后的废水在渗透压的作用进入平板膜内汇集后，汲取液通过汲取液管进入膜蒸馏反应器，蒸气压的驱动下，在中空纤维膜内侧产生高品质水，通过冷凝管进入到产水箱。
进一步，厌氧膜反应器内反应温度控制在45～55℃。
进一步，厌氧膜反应器内pH控制在6.5～8.5。
进一步，膜表面气速控制在400～600L/m2/h。
进一步，正渗透工艺汲取液可选取NaCl或MgCl2溶液，浓度控制0.3～0.6mol/L。
进一步，汲取液流速控制在0.2～0.8m/s。
进一步，正渗透膜通量和膜蒸馏通量控制在6～12L/m2h。
进一步，温度和盐度传感器检测汲取液的温度和盐浓度。
进一步，根据传感器显示温度，调节进入热交换器的甲烷气量。
进一步，根据传感器显示盐度，调节汲取液循环泵和冷凝循环泵。
本发明的增益效果为：
(1)将正渗透膜组件内嵌于厌氧膜反应器，形成渗透过滤模式，结合FO膜超亲水性，同时气体收集-循环系统利用厌氧甲烷气进行气冲，有效缓解膜污染。
(2)膜蒸馏工艺作为产水单元，形成的自驱动厌氧膜生物反应器(AnSDMBR)，保障高品质的出水，同时极大降低了运行的能耗。
(3)厌氧发酵发生的甲烷气产热补充厌氧反应器的温度，不仅维持厌氧高温环境，提升生化反应效率；同时汲取液的高温产生较高蒸气压差，进一步保障MD的膜通量。
(4)甲烷气收集系统中内置有碱性分子筛层，分离、纯化厌氧反应产生的甲烷气，有效降级气冲过程中，酸性气体对生化反应器内pH的影响。
附图说明
图1为本发明的工艺设备示意图
1厌氧反应器，2集气罩，3导气管，4储气系统，5热交换器，6风机，7进水管，8管式曝气装置，9正渗透膜组件，10汲取液管，11温度和盐度传感器，12汲取液循环泵，13膜蒸馏反应器，14冷凝管，15产水箱，16冷凝循环泵，17加药单元。
其中，正渗透膜组件包括，9-1正渗透膜片，9-2膜片连接管，9-3膜组件支架。加药单元包括，17-1搅拌储药箱，17-2加碱泵，17-3TDS调节泵。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，包括厌氧反应器(1)，厌氧反应器(1)的上部设有集气罩(2)，集气罩(2)通过导气管(3)将储气系统(4)和热交换器(5)，以及储气系统(4)、风机(6)和管式曝气装置(8)相连接；热交换器(5)通过进水管(7)进入厌氧反应器(1)；厌氧反应器(1)内置有正渗透膜组件(9)；正渗透膜组件(9)通过汲取液管(10)与膜蒸馏反应器(13)相连接，汲取液管(10)上设有温度和盐度传感器(11)和汲取液循环泵(12)；膜蒸馏反应器(13)通过冷凝管(14)与产水箱(15)相连接，膜蒸馏反应器(13)下端的冷水管上设有冷凝循环泵(16)；同时配套有加药单元(17)，加药单元(17)与汲取液循环泵(12)相连接。
储气系统(4)内设有甲烷气分离-纯化层，材质为碱性介孔分子筛。
热交换器(5)为燃气型换热器。
正渗透膜组件(9)包括正渗透膜片(9-1)、膜片连接管(9-2)以及膜组件支架(9-3)。各个正渗透膜片(9-1)并列布置安装在膜组件支架(9-3)上，各个正渗透膜片(9-1)通过膜片连接管(9-2)连接。
正渗透膜片(9-1)采用平板膜，正渗透膜片间隔为5～20mm，表面由耐温超亲水材料构成。
正渗透膜汲取液管选用耐温、耐腐蚀材料，以热塑方式连接。
膜蒸馏反应器(13)内的膜蒸馏膜形制采用疏水性中空纤维膜(13-1)，疏水性中空纤维膜(13-1)的表面采用耐热疏水材料。
膜蒸馏冷凝测的操作采用接触式、气隙式、气扫式以及真空膜蒸馏。
加药单元(17)包括带搅拌储药箱(17-1)、加碱泵(17-2)以及TDS调节泵(17-3)。带搅拌储药箱(17-1)设置在加碱泵(17-2)以及TDS调节泵(17-3)之间，TDS调节泵(17-3)与汲取液循环泵(12)以及膜蒸馏反应器(13)之间的管路连接。带搅拌储药箱(17-1)与风机(6)以及管式曝气装置(8)之间的管路连接。
一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
高COD废水经过热交换器(5)后进入厌氧膜反应器(1)，热交换器采用甲烷气进行加热，在高温条件下进行厌氧反应，过程中产生的甲烷气通过集气罩(2)至储气系统(4)；甲烷气通过风机(6)一部分进入反应器(1)内，通过管式曝气装置(8)进行搅拌和气冲膜表面(9-1)，另一部分气体进入热交换器(5)用于加热进水；待系统内COD去除率达到90％后，开启汲取液循环泵(12)，同时开启冷凝循环泵(16)；处理后的废水在渗透压的作用进入平板膜(9)内汇集后，汲取液通过汲取液管(10)进入膜蒸馏反应器(13)，蒸气压的驱动下，在中空纤维膜内侧产生高品质水，通过冷凝管(14)进入到产水箱(15)。
厌氧膜反应器内反应温度控制在45～55℃。
厌氧膜反应器内pH控制在6.5～8.5。
膜表面气速控制在400～600L/m2/h。
正渗透工艺汲取液可选取NaCl或MgCl2溶液，浓度控制0.3～0.6mol/L。
汲取液流速控制在0.2～0.8m/s。
正渗透膜通量和膜蒸馏通量控制在6～12L/m2h。
温度和盐度传感器(10)检测汲取液的温度和盐浓度。
根据传感器(10)显示温度，调节进入热交换器(6)的甲烷气量。
根据传感器(10)显示盐度，调节汲取液循环泵(12)和冷凝循环泵(16)。
实施例一
结合图1所示，一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，在厌氧生化反应器(1)的上部设有集气罩(2)，通过导气管(3)将储气系统(4)、热交换器(5)、风机(6)以及管式曝气装置(8)相连接；进水管(7)经过热交换器进入厌氧反应器(1)；膜反应器(1)内置正渗透膜组件(9)；膜组件通过汲取液管(10)与膜蒸馏反应器(13)相连接，汲取液管上设有温度和盐度传感器(11)和汲取液循环泵(12)，膜蒸馏反应器通过冷凝管(14)与产水箱(15)相连接，下端冷水管上设有冷凝循环泵(16)；同时配套有加药单元(17)。
反应器内的正渗透膜为亲水性平板膜，组件膜片间隔为10mm。
正渗透膜汲取液管选用耐温、耐腐蚀的PE管。
膜蒸馏反应器内的膜蒸馏膜采用疏水性中空纤维膜。
膜蒸馏操作可采用直接接触式。
预处理后的啤酒生产废水，经过热交换器(5)预热后进入厌氧反应器(1)，保持反应器的温度控制在45～50℃，pH在7～8；系统启动后，控制HRT在10d左右，在此期间厌氧反应产生的尾气经集气罩(2)收集至储气系统(4)，储气系统内的甲烷气分离-纯化层处理尾气，纯化尾气中的甲烷气体；其中一部分的甲烷气进入热交换器作为维持温度能源；另一部分甲烷气通过风机(6)输入到反应器内，再经管式曝气装置(8)冲洗正渗透膜(9-1)表面，形成气路循环，膜表面气速控制在500L/m2/h。
厌氧反应进行10d后，开启汲取液循环泵(12)，汲取液管和正渗透膜(9-1)内充满汲取液，汲取液流速控制在0.5～0.6m/s，汲取液浓度为0.5mol/LNaCl溶液；随后开启冷凝循环泵，冷凝循环系统水温控制在15～20℃；控制渗透压和温度，FO膜通量和MD膜通量控制在9～12L/m2h。
试验结果显示，进水水质COD浓度在2000～3500mg/L，NH3-N浓度在30～56mg/L，TN浓度在55～80mg/L，TP在5～8mg/L；最终MD处理出水水质COD<10mg/L，NH3-N<1mg/L，TN<5mg/L以及TP<0.2mg/L。
实施例二
结合图1所示，一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，在厌氧生化反应器(1)的上部设有集气罩(2)，通过导气管(3)将储气系统(4)、热交换器(5)、风机(6)以及管式曝气装置(8)相连接；进水管(7)经过热交换器进入厌氧反应器(1)；膜反应器(1)内置正渗透膜组件(9)；膜组件通过汲取液管(10)与膜蒸馏反应器(13)相连接，汲取液管上设有温度和盐度传感器(11)和汲取液循环泵(12)，膜蒸馏反应器通过冷凝管(14)与产水箱(15)相连接，下端冷水管上设有冷凝气扫循环风机(16)；同时配套有加药单元(17)。
反应器内的正渗透膜为亲水性平板膜，组件膜片间隔为15mm。
正渗透膜汲取液管选用耐温、耐腐蚀的PE管。
膜蒸馏反应器内的膜蒸馏膜采用疏水性中空纤维膜。
膜蒸馏操作采用气扫式。
预处理后的畜牧养殖废水，经过热交换器(5)预热后进入厌氧反应器(1)，反应器内温度控制在45～55℃，pH控制在6.5～7.5；系统启动后，控制HRT在20d左右，在此期间厌氧反应产生的尾气经集气罩(2)收集至储气系统(4)，储气系统内的甲烷气分离-纯化层处理尾气，纯化尾气中的甲烷气体；其中一部分的甲烷气进入热交换器作为维持温度能源；另一部分甲烷气通过风机(6)输入到反应器内，再经管式曝气装置(8)冲洗正渗透膜(9-1)表面，形成气路循环，膜表面气速控制在600L/m2/h。
厌氧反应进行20d后，开启汲取液循环泵(12)，汲取液管和正渗透膜(9-1)内充满汲取液，汲取液流速控制在0.5～0.6m/s，汲取液浓度为0.5mol/LNaCl溶液；随后开启冷凝气扫器，低温气量控制在3000～5000L/m2/h，温度控制在10～15℃；控制渗透压和温度，FO膜通量和MD膜通量控制在6～9L/m2h。
试验结果显示，进水水质COD浓度在4500～5500mg/L，NH3-N浓度在400～560mg/L，TN浓度在550～700mg/L，TP在45～60mg/L；最终MD处理出水水质COD<30mg/L，NH3-N<2mg/L，TN<5mg/L以及TP<0.3mg/L。
Claims (10)
1.一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，包括厌氧反应器(1)，厌氧反应器(1)的上部设有集气罩(2)，集气罩(2)通过导气管(3)将储气系统(4)和热交换器(5)，以及储气系统(4)、风机(6)和管式曝气装置(8)相连接；热交换器(5)通过进水管(7)进入厌氧反应器(1)；厌氧反应器(1)内置有正渗透膜组件(9)；正渗透膜组件(9)通过汲取液管(10)与膜蒸馏反应器(13)相连接，汲取液管(10)上设有温度和盐度传感器(11)和汲取液循环泵(12)；膜蒸馏反应器(13)通过冷凝管(14)与产水箱(15)相连接，膜蒸馏反应器(13)下端的冷水管上设有冷凝循环泵(16)；同时配套有加药单元(17)，加药单元(17)与汲取液循环泵(12)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，储气系统(4)内设有甲烷气分离-纯化层，材质为碱性介孔分子筛。
3.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，热交换器(5)为燃气型换热器。
4.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，正渗透膜组件(9)包括正渗透膜片(9-1)、膜片连接管(9-2)以及膜组件支架(9-3)；各个正渗透膜片(9-1)并列布置安装在膜组件支架(9-3)上，各个正渗透膜片(9-1)通过膜片连接管(9-2)连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，正渗透膜片(9-1)采用平板膜，正渗透膜片间隔为5～20mm，表面由耐温超亲水材料构成。
6.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，汲取液管(10)选用耐温、耐腐蚀材料，以热塑方式连接。
7.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，膜蒸馏反应器(13)内的膜蒸馏膜形制采用疏水性中空纤维膜(13-1)，疏水性中空纤维膜(13-1)的表面采用耐热疏水材料。
8.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，膜蒸馏冷凝测的操作采用接触式、气隙式、气扫式以及真空膜蒸馏。
9.根据权利要求1所述的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器，其特征在于，加药单元(17)包括带搅拌储药箱(17-1)、加碱泵(17-2)以及TDS调节泵(17-3)；带搅拌储药箱(17-1)设置在加碱泵(17-2)以及TDS调节泵(17-3)之间，TDS调节泵(17-3)与汲取液循环泵(12)以及膜蒸馏反应器(13)之间的管路连接；带搅拌储药箱(17-1)与风机(6)以及管式曝气装置(8)之间的管路连接。
10.利用权利要求1-9任意所述厌氧自驱动膜反应器进行的一种适用高COD废水处理与再生的厌氧自驱动膜反应器处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
高COD废水经过热交换器(5)后进入厌氧膜反应器(1)，热交换器采用甲烷气进行加热，在高温条件下进行厌氧反应，过程中产生的甲烷气通过集气罩(2)至储气系统(4)；甲烷气通过风机(6)一部分进入反应器(1)内，通过管式曝气装置(8)进行搅拌和气冲膜表面(9-1)，另一部分气体进入热交换器(5)用于加热进水；待系统内COD去除率达到90％后，开启汲取液循环泵(12)，同时开启冷凝循环泵(16)；处理后的废水在渗透压的作用进入平板膜(9)内汇集后，汲取液通过汲取液管(10)进入膜蒸馏反应器(13)，蒸气压的驱动下，在中空纤维膜内侧产生高品质水，通过冷凝管(14)进入到产水箱(15)。
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