CN114133124A - 一种厌氧动态膜生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厌氧动态膜生物反应器，采用分置浸没式设置，包括消化区和动态膜区；消化区设有进泥口，顶部设有第一沼气出口，内部设有搅拌装置，通过污泥泵及污泥管道分别与动态膜区连接；动态膜区包括膜分离区和沉降区；膜分离区设有动态膜组件；动态膜组件与抽吸泵连接，动态膜组件包括膜框架、设于膜框架上的平板膜及设于膜框架下方的沼气扩散管；沼气扩散管上设有交错分布的支管气孔，其方向斜向下设置；动态膜区顶部通过气体循环泵与沼气扩散管连接；沉降区底部与排泥泵连接。该厌氧动态膜生物反应器不仅实现了高污泥浓度下的动态膜正常运行和持续膜出水，使厌氧消化体系内的污泥含固率得到提升，而且有助于提高沼气产率和有机物的降解。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理领域，尤其涉及一种厌氧动态膜生物反应器，主要用于消化污水处理后的剩余污泥。
背景技术
剩余污泥是污水生物处理过程中的副产物；近年来，随着我国城镇化水平的提高，污水处理厂的建设得到了高速发展，随之而来的是污水处理量的增加导致剩余污泥也逐年增多；大量污泥对生态环境来说是极大的威胁，其后续的处理处置已经成为亟待解决的问题；长期以来，我国在污泥处理方面以“减量化、无害化”的处理思路为主，填埋、焚烧的处置方式已然不适用，而厌氧消化处理被认为是具有较高经济适用性的污泥稳定化和资源化技术，并且厌氧消化过程对环境影响较小，厌氧消化处理沿用传统的厌氧消化池，能够将污泥中部分有机组分转化成以甲烷为主的沼气，实现污泥的显著减量化的同时，还能杀灭大部分的病原菌和有害微生物等；由于传统的厌氧消化处理存在一些固有缺陷，污泥中复杂有机物质的水解过程较慢，导致了污泥停留时间较长，污泥停留时间与水力停留时间相等，两者不能独立控制；若采用动态膜分离技术可以很好的解决上述问题，厌氧动态膜生物反应器可以实现对水力停留时间的灵活控制，具有占地面积小和高效固液分离的优势。污泥厌氧消化过程中，污泥含固率的提升使得反应器内单位微生物量能接触消化的有机物量得到提升，产气效率和处理符合也随之升高，同时可显著降低建设所需投资，具有显著的处理效能和经济优势；对于依赖泥饼层过滤的动态膜分离技术而言，提高污泥含固率的过程中不可避免会存在动态膜正常运行的膜区污泥浓度上限，而上限值直接决定了厌氧消化体系的污泥减量化程度；比如申请号201410079360.5公开了一种动态膜-生物反应器的动态膜形成控制方法，涉及处理剩余污泥的分置浸没式厌氧动态膜-生物反应器的连续动态膜过滤模式；该动态膜-生物反应器耦合了传统厌氧发酵与新型动态膜分离工艺，既可以在动态膜组件清洗时保证主体反应区的厌氧条件，又方便了传统厌氧发酵罐的升级改造；虽然该动态膜-生物反应器解决了膜污染问题，但是其对污泥含固率的提升幅度有限，而且厌氧消化的效果也无法进一步提升；
鉴于上述情况，亟待研发一种新型的厌氧动态膜生物反应器，能够克服其在污泥消化应用中污泥固含率极限并能提高厌氧消化效能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种厌氧动态膜生物反应器，通过对动态膜区布局设计，针对膜框架下方的沼气扩散管的气孔以及消化区与动态膜区的管道排布进行优化，不仅实现了高污泥浓度下的动态膜正常运行和持续膜出水，使厌氧消化体系内的污泥含固率得到进一步提升，而且有助于提高沼气产率和有机物的降解；另外通过在动态膜区底部增设了沉降区，可以在动态膜浓缩基础上提高排泥浓度，降低后续污泥处理负担。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供了一种厌氧动态膜生物反应器，采用分置浸没式设置，包括消化区和动态膜区；
所述消化区设有进泥口，顶部设有第一沼气出口，内部设有搅拌装置；所述消化区通过上部设置的污泥泵以及下部设置的污泥管道分别与所述动态膜区连接；
所述动态膜区包括膜分离区以及设于所述膜分离区下部的沉降区，所述动态膜区顶部设有第二沼气出口；所述膜分离区设有动态膜组件；所述动态膜组件与抽吸泵连接，所述动态膜组件包括膜框架、设于所述膜框架上的平板膜以及设于所述膜框架下方的沼气扩散管；所述沼气扩散管上设有交错分布的支管气孔，所述支管气孔方向斜向下设置；所述动态膜区顶部通过气体循环泵与所述沼气扩散管连接，实现动态膜区内的沼气循环；所述沉降区底部与排泥泵连接。
优选地，所述膜分离区与所述沉降区的体积比为(4～6)：(1～3)。
优选地，所述平板膜的孔径为20～75μm。
优选地，所述沼气扩散管为可拆卸式。
优选地，所述支管气孔方向斜向下45°设置，所述支管气孔孔径为0.5～3mm。
优选地，所述污泥管道设于所述沉降区上部。
优选地，所述动态膜区内的沼气循环强度为35～50m3/(m2·h)。
优选地，所述厌氧动态膜生物反应器在处理污泥时，所述消化区的污泥浓度为20～48g/L；所述动态膜区的污泥浓度为25～65g/L。
本发明的厌氧动态膜生物反应器的设计原理如下：动态膜区对厌氧动态膜生物反应器整个体系具有污泥浓缩作用；由于存在持续的膜出水，因此动态膜区稳定运行时的污泥浓度计算(c膜)如下：
其中：c回、c进、c出分别表示动态膜区回流至传统消化区的污泥浓度、传统消化区流入动态膜区的污泥浓度、膜出水浓度；v回、v进、v出分别表示动态膜区回流至传统消化区的污泥体积、传统消化区流入动态膜区的污泥体积、膜出水体积。
由动态膜区的污泥浓度计算公式可知，当出水浓度c出接近零时，c出·v出趋近于零，由于v回小于v进，所以c膜大于c进，即平衡状态下，膜区污泥浓度总是大于传统消化区；通过工艺参数调控，动态膜在上述基础上还可以进一步浓缩污泥；为了维持高浓度体系下的正常运行并强化厌氧消化效果，本发明对动态膜区布局进行了必要的创新性设计：沼气扩散管的气孔布局优化维持了高浓度体系下持续膜出水，气孔左右交错分布可以避免气流相互对撞而导致的冲刷力度抵消，而气孔向下45°的设计使气流能够扩大冲刷范围，动态膜区上部的进泥也保证了高浓度污泥的充分混匀，使动态膜得以稳定运行。同时，在竖直方向的空间布局上因势利导，增设了膜池底部的沉降区，而膜池下部的回流管道布设在沉降区之上以减少对污泥沉降的扰动，进一步提高排泥浓度。
本发明的有益效果为：
1.本发明的厌氧动态膜生物反应器，通过对动态膜区进行布局设计，并与传统污泥消化技术相结合以实现污泥厌氧消化的强化和含固率的提升；
2.本发明的厌氧动态膜生物反应器，通过对动态膜区布局设计，针对膜框架下方的沼气扩散管的气孔以及消化区与动态膜区的管道排布进行优化，不仅实现了高污泥浓度下的动态膜正常运行和持续膜出水，使厌氧消化体系内的污泥含固率得到进一步提升，而且有助于提高沼气产率和有机物的降解；
3.本发明的厌氧动态膜生物反应器，通过在动态膜区底部增设了沉降区，可以在动态膜浓缩基础上提高排泥浓度，降低后续污泥处理负担。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实施例的厌氧动态膜生物反应器的结构示意图；
图2为本实施例的动态膜区的污泥进出示意图；
图3为本实施例的沼气扩散管的支管气孔分布示意图；
图4为本实施例的沼气扩散管的A-A向示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图1所示，本发明所提供的厌氧动态膜生物反应器，采用分置浸没式设置，包括消化区A和动态膜区B；消化区A一侧上部设有进泥口1，另一侧通过上部设置的污泥泵4以及下部设置的污泥管道11分别与动态膜区B连接，顶部设有第一沼气出口3，内部设有搅拌装置2；动态膜区B包括膜分离区B1以及设于膜分离区B1下部的沉降区B2，其中膜分离区B1与沉降区B2的体积比为(4～6)：(1～3)；动态膜区B的顶部设有第二沼气出口7；膜分离区B1内设有动态膜组件，动态膜组件通过管道与抽吸泵8连接，动态膜组件包括膜框架9、设于膜框架9上的平板膜(图中未标出)以及设于膜框架9下方的沼气扩散管10；平板膜的孔径为20～75μm。沼气扩散管10可拆卸式的安装在膜框架9下方；沼气扩散管10上设有左右交错分布的支管气孔(参见图3)，能够避免气流相互对撞而导致冲刷力度的抵消；支管气孔孔径为0.5～3mm，支管气孔的方向斜向下45设置(即与竖直方向的夹角为45°)(参见图4)，使气流能够扩大冲刷范围；动态膜区B顶部通过气体循环泵6与沼气扩散管10连接，实现动态膜区B内的沼气循环，其中沼气循环方式为连续运行或间歇运行，采用中间歇运行的沼气循环关闭时间为5～20min，开启时间为5～10min，通过气体循环泵6连接的继电器或可编程逻辑控制器调节开启关闭周期，沼气循环强度为35～50m3/(m2·h)；沉降区B2底部与排泥泵5连接，其中沉降区B2设于污泥管道11上部，能够减少对污泥沉降的扰动，进一步提高排泥浓度。
上述厌氧动态膜生物反应器在使用时，消化区A的污泥浓度为20～48g/L；动态膜区B的污泥浓度为25～65g/L。
本发明中的厌氧动态膜生物反应器的运行机理：剩余污泥从进泥口1进入厌氧动态膜生物反应器，在消化区A经搅拌装置2搅拌混合并进行厌氧消化，消化后的污泥通过膜分离区B1上部设置的污泥泵4进入膜分离区B1(参见图2)，并进行污泥浓缩，保证了高浓度污泥的充分混匀，使动态膜得以稳定运行；经动态膜组件固液分离后通过下部设置的污泥管道11回流至消化区A(参见图2)，动态膜组件的出水经抽吸泵8抽吸来实现(参见图2)，循环沼气由经沼气扩散管10分散成气泡冲刷动态膜组件表面，并在气体循环泵6的抽吸下完成气体循环，从而实现了高污泥浓度下的动态膜正常运行和持续膜出水；而消化区A以及动态膜区B产生的沼气上升至顶部，分别由第一沼气出口3、第二沼气出口7排出，沉降区B2的污泥通过底部的排泥泵5排出。
实施例1
如图1所示，本实施例中的厌氧动态膜生物反应器处理浓度为23g/L的重力浓缩池污泥，厌氧动态膜生物反应器包括消化区A和动态膜区B，其中动态膜区B的体积占整体处理体积的10％；消化区A一侧上部设有进泥口1，另一侧通过上部设置的污泥泵4以及下部设置的污泥管道11分别与动态膜区B连接，顶部设有第一沼气出口3，内部设有搅拌装置2；动态膜区B分为上部的膜分离区B1和下部的沉降区B2，其中膜分离区B1与沉降区B2的体积比为5：2；动态膜区B的顶部设有第二沼气出口7；膜分离区B1内设有动态膜组件，动态膜组件通过管道与抽吸泵8连接，动态膜组件包括膜框架9、设于膜框架9上的平板膜(图中未标出)以及设于膜框架9下方的沼气扩散管10；平板膜采用涤纶网，其孔径为38μm。沼气扩散管10可拆卸式的安装在膜框架9下方；沼气扩散管10上设有左右交错分布的支管气孔(参见图3)，能够避免气流相互对撞而导致冲刷力度的抵消；支管气孔孔径为1mm，支管气孔的方向斜向下45设置(即与竖直方向的夹角为45°)(参见图4)，使气流能够扩大冲刷范围；动态膜区B顶部通过气体循环泵6与沼气扩散管10连接，实现动态膜区B内的沼气循环，沼气循环强度为35m3/(m2·h)；沉降区B2底部与排泥泵5连接，其中沉降区B2设于污泥管道11上部，能够减少对污泥沉降的扰动，进一步提高排泥浓度。
上述厌氧动态膜生物反应器运行时，重力浓缩池污泥从进泥口进入消化区进行厌氧消化，消化区的污泥通过污泥泵进入膜分离区上部，并进行污泥浓缩，动态膜区的污泥通过下部的污泥管道回流至消化区，沉降区的污泥通过底部排出，产生的沼气从顶部第二沼气口排出。厌氧动态膜生物反应器运行的污泥停留时间为40天，水力停留时间为10天，动态膜区的污泥浓度为49～52g/L，消化区的污泥浓度为40～43g/L，持续稳定运行23天，跨膜压差为0.1～4kPa，污泥挥发性固体的消解率为44.8％，产气率为0.74L/g VS。
实施例2
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：厌氧动态膜生物反应器运行的污泥停留时间为30天，水力停留时间为10天，动态膜区的污泥浓度为40～45g/L，传统消化区的污泥浓度为32～36g/L，持续稳定运行21天，跨膜压差为0.1～4kPa，污泥挥发性固体的消解率为42％，产气率为0.58L/g VS。
本发明的厌氧动态膜生物反应器，通过对动态膜区进行布局设计，并与传统污泥消化技术相结合以实现污泥厌氧消化的强化和含固率的提升；该厌氧动态膜生物反应器，通过对动态膜区布局设计，针对膜框架下方的沼气扩散管的气孔以及消化区与动态膜区的管道排布进行优化，不仅实现了高污泥浓度下的动态膜正常运行和持续膜出水，使厌氧消化体系内的污泥含固率得到进一步提升，而且有助于提高沼气产率和有机物的降解；该厌氧动态膜生物反应器，通过在动态膜区底部增设了沉降区，可以在动态膜浓缩基础上提高排泥浓度，降低后续污泥处理负担。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种厌氧动态膜生物反应器，采用分置浸没式设置，其特征在于，包括消化区和动态膜区；
所述消化区设有进泥口，顶部设有第一沼气出口，内部设有搅拌装置；所述消化区通过上部设置的污泥泵以及下部设置的污泥管道分别与所述动态膜区连接；
所述动态膜区包括膜分离区以及设于所述膜分离区下部的沉降区，所述动态膜区顶部设有第二沼气出口；所述膜分离区设有动态膜组件；所述动态膜组件与抽吸泵连接，所述动态膜组件包括膜框架、设于所述膜框架上的平板膜以及设于所述膜框架下方的沼气扩散管；所述沼气扩散管上设有交错分布的支管气孔，所述支管气孔方向斜向下设置；所述动态膜区顶部通过气体循环泵与所述沼气扩散管连接，实现动态膜区内的沼气循环；所述沉降区底部与排泥泵连接。
2.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述膜分离区与所述沉降区的体积比为(4～6)：(1～3)。
3.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述平板膜的孔径为20～75μm。
4.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述沼气扩散管为可拆卸式。
5.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述支管气孔方向斜向下45°设置，所述支管气孔孔径为0.5～3mm。
6.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述污泥管道设于所述沉降区上部。
7.如权利要求1所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述动态膜区内的沼气循环强度为35～50m3/(m2·h)。
8.如权利要求1～7任一项所述的厌氧动态膜生物反应器，其特征在于，所述厌氧动态膜生物反应器在处理污泥时，所述消化区的污泥浓度为20～48g/L；所述动态膜区的污泥浓度为25～65g/L。
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2020
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