CN114195262A

CN114195262A - 厌氧摆动膜生物反应器

Info

Publication number: CN114195262A
Application number: CN202210023529.XA
Authority: CN
Inventors: 黄霞; 孙铭壮; 朱先征; 刘紫微
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-03-18
Also published as: CN113929209A

Abstract

本发明提供一种厌氧摆动膜生物反应器包括膨胀床，供厌氧微生物和有机物发生反应，所述膨胀床具有污水进口、溢流口和回流口；膜池，具有进水口、出水口和净水出口，所述膨胀床的溢流口通过溢流管路与所述膜池的进水口连通，并且所述膨胀床的回流口通过回流管路与所述膜池的出水口连通，所述回流管路上设置有回流泵、以供污水在所述膨胀床与所述膜池之间循环流通，所述膜池内部设置有用于过滤污染物的膜组件、用于驱使水通过所述膜组件并流出所述膜池的产水装置和能够驱使所述膜组件沿直线往复摆动的驱动装置。如此设置，解决了现有技术中的厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题。

Description

厌氧摆动膜生物反应器

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种厌氧摆动膜生物反应器。

背景技术

厌氧膜生物反应器是一种将高效厌氧生物技术与膜分离技术进行耦合的污水处理工艺，具有出水水质高、占地面积小、能源回收、剩余污泥少等优势，近年来备受关注。

现有技术中的厌氧膜生物反应器，在膜过滤过程中，反应器内的污泥混合液中的污染物逐渐堵塞膜孔，造成膜污染。膜污染增加了滤水阻力，相应地，会降低厌氧膜生物反应器的效率，增加运行和操作成本。

因此，如何解决现有技术中的厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

发明内容

本发明提供一种厌氧摆动膜生物反应器，用以解决现有技术中的厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的缺陷，以降低能耗。

本发明提供一种厌氧摆动膜生物反应器，包括：

膨胀床，供厌氧微生物和污水中的有机物发生反应，所述膨胀床具有污水进口、溢流口和回流口；

膜池，具有进水口、出水口和净水出口，所述膨胀床的溢流口通过溢流管路与所述膜池的进水口连通，并且所述膨胀床的回流口通过回流管路与所述膜池的出水口连通，所述回流管路上设置有回流泵、以供污水在所述膨胀床与所述膜池之间循环流通，所述膜池内部设置有用于过滤污染物的膜组件、用于驱使水通过所述膜组件并流出所述膜池的产水装置和能够驱使所述膜组件沿直线往复摆动的驱动装置。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述驱动装置作用于所述膜组件上。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述膨胀床包括外壳和设置在所述外壳内部的布水器与三相分离器，

所述布水器设置在所述外壳的底部，且所述膨胀床的污水进口和回流口均与所述布水器的进口连通，

所述三相分离器设置在所述外壳的上部、用于将所述外壳内部的气体、液体和固体进行分离，所述溢流口设置在所述外壳的侧壁上且位于所述三相分离器的上方。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述外壳内部设置有吸附载体，所述吸附载体填充于所述布水器和所述三相分离器之间。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述膨胀床和所述膜池上均设置有集气口，所述膨胀床的集气口和所述膜池的集气口通过管路连通，所述膨胀床的集气口和所述膜池的集气口中的一者用于与气体收集系统连接。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述膨胀床的污水进口处设置有进水管路，所述进水管路上设置有进水泵。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述产水装置包括出水管路、设置在所述出水管路上的产水泵和压力传感器，所述出水管路的一端与所述膜组件的出口连接，另一端延伸至所述膜池的外部。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述膜组件包括中空纤维膜和平板膜中的一种。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述中空纤维膜为聚四氟乙烯膜，聚醚砜膜和聚偏氟乙烯膜中的一种。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述平板膜的材质为聚偏氟乙烯膜或氧化铝陶瓷膜。

根据本发明提供的一种厌氧摆动膜生物反应器，所述膜组件的膜孔径符合微滤膜标准。

本发明还提供一种用于厌氧膜生物反应器的膜污染控制方法，在厌氧膜生物反应器运转过程中，通过膜池顶端的驱动装置驱使厌氧膜生物反应器内部的膜组件沿直线往复摆动。

本发明提供的厌氧摆动膜生物反应器，包括相互连通的膨胀床和膜池，将待处理污水通入膨胀床内，污水与膨胀床内的厌氧微生物反应，并通过溢流口进入膜池。膜池内的水在产水装置的作用下，通过膜组件，然后流出膜池。经膜组件滤出的污泥、污染物等随污水在回流泵的作用下经回流管路流至膨胀床内，实现污水的循环流通。膜池内设置的驱动装置能够驱使膜组件沿直线往复摆动，使膜组件与膜组件外部的污水之间相对运动，产生剪切力，在该剪切力的作用下，膜组件外部的污染物不易粘附在膜组件的表面，且已经粘附在膜组件外部的污染物会在剪切力的作用下脱离膜组件表面，从而解决厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的厌氧摆动膜生物反应器的结构示意图；

图2是本发明提供的试验组和对照组的跨膜压差发展情况示意图；

图3是本发明提供的试验组和对照组的系统能耗情况示意图；

图4是本发明提供的膜池的结构示意图；

附图标记：

1：膨胀床； 2：膜池； 3：溢流管路；

4：回流管路； 5：回流泵； 6：膜组件；

7：驱动装置； 8：外壳； 9：布水器；

10：三相分离器； 11：吸附载体； 12：进水管路；

13：进水泵； 14：出水管路； 15：产水泵；

16：压力传感器； 17：电机； 18：曲轴盘；

19：连杆； 20：轨道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图4描述本发明的厌氧摆动膜生物反应器。

如图1所示，本发明实施例提供的厌氧摆动膜生物反应器，包括膨胀床1和膜池2，在膨胀床1内接种有厌氧微生物，用于与污水中的有机物发生反应。

膨胀床1的侧壁上具有污水进口、溢流口和回流口，污水进口和回流口设置在膨胀床1的底端，溢流口设置在膨胀床1的上端。膜池2的侧壁上具有进水口、出水口和净水出口，膨胀床1的溢流口通过溢流管路3与膜池2的进水口连通，并且膨胀床1的回流口通过回流管路4与膜池2的出水口连通，回流管路4上设置有回流泵5。

污水从污水进口进入膨胀床1内，由底端向上端运动，运动过程中，与厌氧微生物接触并反应。当膨胀床1内的液面到达溢流口处，通过溢流口和溢流管路3流至膜池2内。

膜池2的内部设置有膜组件6、产水装置和驱动装置7。膜组件6用于对膜池2内的污水过滤，膜池2内的水在产水装置的作用下，通过膜组件6后流出膜池2。经膜组件6滤出的污泥、污染物等随污水在回流泵5的作用下经回流管路4流至膨胀床1内，实现污水的循环流通。

膜池2内设置的驱动装置7能够驱使膜组件6沿直线往复摆动，使膜组件6与膜组件6外部的污水之间产生相对运动，产生剪切力，在该剪切力的作用下，膜组件6外部的污染物不易粘附在膜组件6的表面，且已经粘附在膜组件6外部的污染物会在剪切力的作用下脱离膜组件6表面，从而解决厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题。避免滤水阻力的增加，从而能够保证厌氧膜生物反应器的效率，降低能耗以及运行、操作成本。

此外，本发明的厌氧摆动膜生物反应器在处理膜污染问题时，没有使用化学试剂，不会对厌氧微生物产生有害物质。实现了高效、低耗、绿色、低成本的污水资源化目标。

本发明实施例中，使驱动装置7直接作用于膜组件6上，具体来说，可以使驱动装置7的执行端直接与膜组件6连接，带动膜组件6沿直线往复摆动。

上述膜组件6可以选用中空纤维膜，也可以选用平板膜。

中空纤维膜为有机膜，具体可以为聚四氟乙烯膜，聚醚砜膜和聚偏氟乙烯膜中的一种。上述有机膜的机械强度高，使用寿命长，并且具有良好的耐腐蚀性。

平板膜可以为有机膜，如聚偏氟乙烯；也可以为无机膜，如氧化铝陶瓷膜。

上述膜组件的膜孔径需符合微滤膜标准，膜孔径具体可选为0.1μm。

参照图4，可以将上述驱动装置7设置成连杆机构的形式，具体来说，上述驱动装置7包括电机17、减速机、曲轴盘18、连杆19和转接件，减速机为单向输出轴机构。电机17和减速机通过键与曲轴盘18连接，曲轴盘18通过自润滑轴承装配连杆19。连杆19的另一端通过轴、自润滑轴承与转接件连接，转接件作为驱动装置7的执行端，与膜组件6连接。减速机带动曲轴盘18旋转，曲轴盘18通过连杆19和转接件带动膜组件6沿直线往复摆动。膜组件6沿直线往复摆动，形成剪切力，产水过程中，作为膜组件6的中空纤维膜丝的外部污染物在剪切力的作用下脱离膜丝表面，达到缓解污染的效果。

此外，可以在膜池2上设置沿水平方向延伸的轨道20，膜组件6通过轨道20与膜池2连接，轨道20为膜组件6沿直线往复摆动的动作导向。

在膜池2的上端设置有开口，用于安装或检修。开口处设置有封盖，封盖以水槽水封的方式与膜池2之间实现密封。

本实施例中，膨胀床1包括外壳8、布水器9和三相分离器10，布水器9和三相分离器10均设置在外壳8的内部。

具体来说，布水器9设置在外壳8的底部，且膨胀床1的污水进口和回流口均与布水器9的进口连通。经污水进口流入的污水和经回流口流回的污水进入布水器9，经布水器9后均匀地分布于外壳8的内部，并不断向上流通。

上述三相分离器10设置在外壳8的上部，布水器9与三相分离器10之间为反应区，在反应区接种有厌氧污泥，厌氧污泥随污水循环流通。厌氧污泥中的厌氧微生物能够与污水内的有机物发生反应，将污水内的有机物去除，并产生甲烷等气体，从而达到净化污水的目的。

上述三相分离器10用于将外壳8内部的气体、液体和固体进行分离，溢流口设置在外壳8的侧壁上且位于三相分离器10的上方。三相分离器10先将气体和液体分离出，固体向下沉降，再将分离出的气体和液体分离，气体聚集在三相分离器10的上方，液体通过溢流口流出膨胀床1。

三相分离器10的设置减少了膨胀床1内的固体向膜池2内的流入，有利于减少膜池2内的污水中的悬浮固体浓度，有利于吸附载体11的充分流化，并提升厌氧摆动膜生物反应器的稳定性。

在外壳8内部设置有吸附载体11，吸附载体11填充于布水器9和三相分离器10之间。具体来说，吸附载体11由碳材料构成，可以但不限于颗粒煤质活性炭、生物炭及半焦中的一种或多种。其中，颗粒煤质活性炭既可以具有间隔的孔隙结构，也可以具有连通的孔隙结构。吸附载体11吸附并带动厌氧微生物运动，孔隙结构的设置，增加了厌氧微生物在吸附载体11上的分布面积，有利于厌氧微生物和有机物的反应，能够提高产甲烷性能和厌氧稳定性。

吸附载体11在外壳8内的填充密度在25％左右，既有利于被三相分离器10分离，又有利于保证其在外壳8内的充分流化，避免吸附载体11进入膜池2。

污水经布水器9流通至布水器9的上方后，与吸附载体11在布水器9的作用下从下向上移动。污水中的有机物在厌氧微生物产酸和产甲烷菌等的作用下降解生成沼气。沼气粘附在吸附载体11的表面，相对密度变小，在水流的作用下进入三相分离器10。粘附有气泡的吸附载体11碰撞到三相分离器10后，与沼气气泡分离，沼气上升并聚集在外壳8的顶部，同时脱离沼气的吸附载体11的相对密度相对增加，在重力的作用下向下沉降，落回反应区。液体通过三相分离器10后经溢流口流出。

本发明实施例中，在膨胀床1和膜池2的上端均设置有集气口，以供产生的沼气排出。膨胀床1的集气口和膜池2的集气口通过管路连通，沼气可以在膨胀床1和膜池2之间流通。膨胀床1的集气口和膜池2的集气口中的一者用于与气体收集系统连接，如此，通过一套气体收集系统即可收集膨胀床1和膜池2内产生的沼气，有利于降低成本。

本实施例中，在膨胀床1的污水进口处设置有进水管路12，进水管路12上设置有进水泵13，通过进水泵13为污水进入膨胀床1提供动力。

上述产水装置包括出水管路14、产水泵15和压力传感器16，出水管路14的一端与膜组件6的出口连接，另一端延伸至膜池2的外部。在产水泵15的作用下，膜池2内的水经膜组件6后，通过出水管路14输出。压力传感器16则用于检测出水管路14内的水压。

将本发明实施例中的膜池2作为试验组，将现有技术中的沼气曝气膜池2作为对照组，膨胀床1的出水同时进入到试验组的膜池2和对照组的膜池内，运行过程采用恒通量模式，通量在16L/(m²h)下间歇运行，如：抽水4分钟，停止1分钟。沼气曝气膜池2采用陶瓷平板膜和聚偏氟乙烯材料的中空纤维构型有机膜，膜孔径为0.1μm，并使用风机循环沼气进行曝气，采用的是高低曝气模式，有效曝气强度为14m³/m²/h(按照膜投影面积计算)。当两组的膜池中膜组件的跨膜压差升至30kPa时停止运行。

通过试验对比，得知，本发明实施例中的污水的有机物去除效果较好，出水COD(化学需氧量)维持在50mg/L以下，去除率稳定在90％左右。

同时，对试验组和对照组的跨膜压差发展情况和能耗分析情况进行了测试。

试验组的跨膜压差发展速率明显低于对照组，如图2所示。虽然对照组中陶瓷膜的跨膜压差发展速率相对较慢，但在314小时后达到了30kPa，相比之下，在314小时时，试验组的跨膜压差只有5.2kPa，明显低于对照组。因此，厌氧摆动膜生物反应器的膜污染控制能力明显优于沼气曝气系统，厌氧摆动膜生物反应器可以明显减缓膜污染的发展。

试验组的能耗低于对照组，如图3所示。对照组的能耗达到了0.42kWh/m³，而试验组的能耗仅为0.32kWh/m³，按照中温的甲烷生产效率计算，反应系统的产能为0.24kWh/m³。若将厌氧膜生物反应器从传统的恒定沼气曝气形式转换为膜沿直线往复摆动的形式，净能耗可以从0.18kWh/m³降低为0.08kWh/m³，这明显降低了污水处理的能耗。因此，本发明的厌氧摆动膜生物反应器，不仅能够有效的控制膜污染，还可以明显地降低系统的能耗水平。

综上所述，试验组和对照组的结果表明，本发明实施例的厌氧摆动膜生物反应器在膜组件沿直线往复摆动过程中产生的剪切力，可以较好地控制膜污染的发展，相较于沼气曝气系统，厌氧摆动膜生物反应器可以用更低的能耗水平实现更好的膜污染控制效果。

利用上述厌氧摆动膜生物反应器进行污水处理的方法如下：

先在膨胀床1的内部接种厌氧微生物，并对厌氧微生物进行驯化。驯化过程中，将膨胀床1内的温度控制在30-35℃，采用实际城市污水对膨胀床1内的接种污泥进行驯化，将水力停留时间从24小时逐步降低到6小时，在驯化过程中监控产气、出水的化学需氧量等指标，直至完成污泥驯化。

污泥驯化完成后，将膨胀床1的污水进口与待处理的污水源连通，使厌氧摆动膜生物反应器运转，进行污水处理。期间，厌氧摆动膜生物反应器的驱动装置7驱使膜组件6沿直线往复摆动。

膜组件6沿直线往复摆动使膜组件6与膜组件6外部的污水之间产生相对运动，产生剪切力，在该剪切力的作用下，膜组件6外部的污染物不易粘附在膜组件6的表面，且已经粘附在膜组件6外部的污染物会在剪切力的作用下脱离膜组件6表面，从而解决了厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题。本发明实施例中的污水处理方法的有益效果的推导过程与上述厌氧摆动膜生物反应器的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。

在污水处理过程中，将厌氧摆动膜生物反应器的温度控制在20℃至35℃范围内，运行通量可以为8L/(m²h)至20L/(m²h)。

另一方面，本发明实施例还提供一种膜污染控制方法，即，在厌氧膜生物反应器运转过程中，通过膜池顶端的驱动装置驱使厌氧膜生物反应器内部的膜组件沿直线往复摆动，使膜组件与膜组件外部的污水之间产生相对运动，产生剪切力，在该剪切力的作用下，膜组件外部的污染物不易粘附在膜组件的表面，且已经粘附在膜组件外部的污染物会在剪切力的作用下脱离膜组件的表面，从而解决了厌氧膜生物反应器在运行过程中存在的污染物堵塞膜孔的问题。本发明实施例中的膜污染控制方法的有益效果的推导过程与上述厌氧摆动膜生物反应器的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述驱动装置作用于所述膜组件上。

3.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述膨胀床包括外壳和设置在所述外壳内部的布水器与三相分离器，

4.根据权利要求3所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述外壳内部设置有吸附载体，所述吸附载体填充于所述布水器和所述三相分离器之间。

5.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述膨胀床和所述膜池上均设置有集气口，所述膨胀床的集气口和所述膜池的集气口通过管路连通，所述膨胀床的集气口和所述膜池的集气口中的一者用于与气体收集系统连接。

6.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述膨胀床的污水进口处设置有进水管路，所述进水管路上设置有进水泵。

7.根据权利要求2所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述产水装置包括出水管路、设置在所述出水管路上的产水泵和压力传感器，所述出水管路的一端与所述膜组件的出口连接，另一端延伸至所述膜池的外部。

8.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述膜组件包括中空纤维膜和平板膜中的一种。

9.根据权利要求8所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述中空纤维膜为聚四氟乙烯膜，聚醚砜膜和聚偏氟乙烯膜中的一种。

10.根据权利要求8所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述平板膜为聚偏氟乙烯膜或氧化铝陶瓷膜。

11.根据权利要求1所述的厌氧摆动膜生物反应器，其特征在于，所述膜组件的膜孔径符合微滤膜标准。

12.一种用于厌氧膜生物反应器的膜污染控制方法，其特征在于，在厌氧膜生物反应器运转过程中，通过膜池顶端的驱动装置驱使厌氧膜生物反应器内部的膜组件沿直线往复摆动。