CN1245337C - 生物污泥减量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的生物污泥减量设备包括一污泥水解槽、一污泥中和槽及一膜离生物反应槽(Membrane Bioreactor，MBR)的组合。本发明的方法先将污泥水解及中和，以产生一适于以膜离生物反应器进一步处理的中间进料。水解的污泥和微生物被强制留在MBR内，借助微生物继续水解污泥及分解有机物，以达到污泥稳定化和减少污泥量的目的。另外，由于MBR是利用薄膜进行固液分离，除可以驯养及累积特殊微生物加强分解水解污泥中不易生物分解物质外，亦可获得良好的处理水水质。

Description

生物污泥减量设备
                          技术领域
本发明是有关一种生物污泥减量的技术；尤其有关一种结合污泥水解及中和，与膜离生物反应槽(Membrane Bioreactor，MBR)的生物污泥减量的技术。
                          背景技术
传统上，废弃生物污泥利用喜气或厌气污泥消化方式，以稳定污泥性质及改善污泥脱水性，进而达到污泥减量效果，但是生物污泥进行污泥消化时，由于污泥均为固形物，借助生物消化过程将固形物转换成生物可利用水溶液，需要相当长时间。故在喜气或厌气污泥消化之前，利用物理或化学水解方式使固形物加速水解，以有效缩短整个污泥水解与分解时间。但是污泥经过水解后，部份固形物可以继续生物水解与分解，但仍有一定比例水解污泥无法继续分解，这些微细水解污泥，由于粒子非常细小且密度与水相近，容易随着处理水从生物处理系统流失，而造成出流水水质恶化。
传统污泥消化系统可以达到稳定污泥性质及改善污泥脱水性的效果，但污泥减量效果有限，通常介于5至10％之间。传统污泥消化系统中的喜气消化的水力停留时间(HRT)约需要20至30天，而厌气消化则需要要30天以上的HRT，才能够达到污泥消化效果，故需要较大反应槽体积，除非采用高温污泥消化系统才能够提高污泥减量效果，但又会增加操作费用，故应用上经常受到限制。
                          发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可以提高污泥减量效果及改善处理水水质的生物污泥减量设备及方法。
本发明的生物污泥减量设备包括一污泥水解槽、一污泥中和槽及一膜离生物反应槽(Membrane Bioreactor，MBR)的组合。本发明的方法先将污泥水解及中和，以产生一适于以该膜离生物反应器进一步处理的中间进料。该中间进料被导入该MBR，由于MBR是利用薄膜进行固液分离，水解的污泥和微生物将被强制留在MBR内，其中借助微生物继续水解污泥及分解有机物，以达到污泥稳定化和减少污泥量的目的。另外也可以驯养及累积特殊微生物加强分解水解污泥中不易生物分解物质。于是，本发明可以提高污泥减量效果及改善处理水水质。
实施方式
本发明提供一种生物污泥减量设备，包含：
一用于将一生物污泥水解的污泥水解槽；
一膜离生物反应器；及
一污泥中和槽，该污泥中和槽用于将该污泥水解槽产生的水解污泥混合物调整成一适合该膜离生物反应器的反应槽进行微生物分解的中间进料，
其中该膜离生物反应器包含一反应槽，该反应槽接收该中间进料；一浸入在该反应槽内的中间进料的过滤模块，其具有一穿透侧及一与该中间进料接触的外侧，而且该中间进料中所含的液体仅能透过该过滤模块与该穿透侧相通；及一负压来源用于使该穿透侧具有一比该中间进料小的液压，于是通过该穿透侧从该反应槽流出一处理过出流水。
较佳的，该膜离生物反应器进一步包含一曝气装置，其用于提供该反应槽内的中间进料一外界气体。该曝气装置可包含一位于该反应槽内的曝气管，及一连接在该曝气管用于将外界气体送往该曝气管的鼓风机。更佳的，本发明的生物污泥减量设备进一步包含一反冲洗管，其连接该鼓风机与该过滤模块的穿透侧，于是一外界气体可被送往该过滤模块的穿透侧并透过该过滤模块进入该反应槽内的中间进料。
较佳的，该过滤模块为管状或匣状，并且由中空纤维或多孔性物质作成。该多孔性物质可为无纺布。
较佳的，该该过滤模块具有大于0.05m3/m2.day的通量。
较佳的，该反应槽内的中间进料含有喜气性(aerobic)、无氧性(anoxic)或厌气性(anaerobic)微生物。在本发明的生物污泥减量设备中，当该微生物为喜气性微生物时，该外界气体为空气或纯氧；当该微生物为无氧性微生物时，该外界气体为氮气或二氧化碳；及当该微生物为厌气性微生物时，该外界气体为氮气、甲烷或沼气。
较佳的，该污泥水解槽被安装有一用于搅拌该生物污泥的搅拌器，及一用于控制该生物污泥的pH值的pH控制器。更佳的，该pH控制器通过将一碱或一酸加入该生物污泥的方式使该生物污泥具有一大于9的pH值或小于3的pH值。最佳的，该污泥中和槽被安装有一用于搅拌该水解过污泥的搅拌器，及一用于控制该水解过污泥的pH值的pH控制器，其中该pH控制器通过将一酸或一碱加入该水解过污泥的方式使该水解过污泥具有一大于3小于9的pH值。
较佳的，该污泥水解槽被安装有一用于搅拌该生物污泥的搅拌器，及一用于加热该生物污泥的加热器。该加热器适于将该生物污泥加热至一介于50～90℃的温度。
较佳的，该污泥中和槽被安装有一用于搅拌该水解过污泥的搅拌器，及一用于降低该水解过污泥的温度的热交换器。
较佳的，该生物污泥来自废水处理生物处理单元，该生物污泥具有VSS/SS比值介于0.5至0.9之间，其中VSS为可挥发污泥浓度(volatile suspendedsolids)，SS为总污泥浓度。
                          附图说明
图1显示依照本发明的一较佳具体实施例所完成的生物污泥减量设备的示意图。
附图标记
1..浓缩污泥              2、8、14..泵             3..污泥水解槽
4、10..化学品            5、11..搅拌器            6、12..pH控制器
7..水解污泥              9..污泥中和槽            13..中和污泥
15..MBR反应槽            16..曝气设备             17..鼓风机
18..空气                 19..气泡                 20..膜管
21..真空泵               22..出流水               23..真空压力计
24..污泥泵               25..废弃污泥             26..定时器
27..反冲洗管
                        具体实施方式
依本发明的一较佳具体实施例所完成的生物污泥减量方法将配合图1说明如下。浓缩污泥1经由进料泵2送入污泥水解槽3中，并添加一定量化学品4在污泥水解槽3中，以搅拌器5使化学品4及浓缩污泥1能够混合均匀，并以pH控制器6控制化学品4的添加量。水解后污泥7以泵8送入污泥中和槽9中，添加化学品10在污泥中和槽9，以搅拌器11将化学品10及水解污泥7混合均匀，并以pH控制器12控制化学品10的添加量而将污泥中和槽9内的混合物控制在约pH＝7。中和后水解污泥13再以泵14送入膜离生物反应器15中，利用反应槽15中微生物对中和后水解污泥13进行生物污泥水解及有机物分解。由安装在反应槽15底部的曝气管16及鼓风机17构成的曝气装置将空气18以气泡19方式提供给反应槽15内的混合物。气泡19除提供微生物生长及分解有机物所需氧气外，亦提供清除附着在过滤膜管20外侧的微生物及水解污泥，以避免形成积垢。再用真空泵21将反应槽15内的处理水经过该过滤膜管20由其中央信道(即穿透侧，未示于图中)抽出。在出流水22的管线上安装真空压力计23以记录操作压力。若需要进行排泥时，将反应槽15中微生物以泵24抽出成为废弃污泥25。为维持反应槽15正常操作以避免积垢形成，影响过滤膜管20操作通量，必须进行定期反冲洗。反冲洗时，真空泵21被切断，以鼓风机17提供一定空气流量的空气通过一反冲洗管27送往该过滤膜管20的中央信道，再穿过该过滤膜管20将附着在过滤膜管20上微生物及水解污泥逆洗进入该反应槽内。一定时器26被使用以控制反冲洗频率及所需时间，维持整个生物污泥减量设备的操作。
实施例1及对照例2及3：
本实施例1使用类似图1的生物污泥减量设备进行实验。对照例2及3使用图1的生物污泥减量设备中在该中和后水解污泥13前的装置，且对照例2及3分别使用一喜气批式活性污泥系统(Sequencing batch reactor，SBR)及厌气SBR反应槽取代图1的MBR15反应槽。
前述MBR、喜气SBR及厌气SBR等三组反应槽，每个槽体材质为压克力制(10cm*10cm)的方形体，有效水深100cm，有效体积为10公升(L)。MBR及喜气SBR反应槽槽体底部安装曝气设备以曝气方式(流量＝4.0L空气/min)使槽体达到好氧控制的目的。厌气SBR反应槽则安装一组搅拌器使水解污泥能够与厌气污泥混合均匀。MBR反应槽的过滤膜管20为无纺布滤材，属于开放型孔洞的网状结构物，平均孔洞直径大小为0.03mm及且具亲水性。该过滤膜管20具有25公分高度，3公分外径及2公分内径，过滤膜管的过滤层厚度为0.1公分，其余厚度为支撑层。
实施例1采用废弃生物污泥来自造纸厂活性污泥系统的废弃污泥，其污泥性质如表1中所示，其中平均总污泥浓度(SS)为13500mg/L，可挥发污泥浓度(VSS)为9600mg/L，其VSS/SS比值为0.72。使用NaOH将上述废弃生物污泥进行水解，pH值控制在12左右。经过2小时水解反应时间后，再利用硝酸将pH值调至中性左右，作为前述MBR、喜气SBR及厌气SBR等三组反应槽的中间进料。
MBR及喜气SBR反应槽操作条件为：污泥浓度SS：2,500mg/L、pH：6～8、DO为2mg/L以上、HRT为20天等环境条件下，进行污泥减量的评估实验。而厌气SBR处理系统，初期植种厌气污泥浓度约6000mg/L，污泥源来自宜兰酒厂UASB废弃污泥，其HRT亦为20天，其它操作条件如表2中所示。
                表1造纸业废弃生物污泥基本性质*
  pH   CODsmg/L   CODtmg/L   SSmg/L   VSSmg/L   VSS/SS   TKNmg/L
  6.8   350   11600   13500   9600   0.72   32
*CODs为溶解性COD；CODt为总COD；TKN为总凯氏氮
                    表2污泥水解减量实验操作条件
 项目   MBR  喜气SBR   厌气SBR
 槽体体积(L)   10  10   10
 污泥浓度(mg/L)   2500  2500   6000
 污泥来源   申请人SBR废弃污泥  申请人SBR废弃污泥   宜兰酒厂UASB废弃污泥
 搅拌方式   曝气  曝气   搅拌器
 溶氧(mg/L)   2.0以上  2.0以上   无
 操作方式   连续  1循环/天(cycle/day)进料：0.5小时曝气：20小时静置：3小时排水：0.5小时   1循环/天(cycle/day)进料：0.5小时反应：20小时静置：3小时排水：0.5小时
 反冲洗   6循环/天(cycle/day)，1分钟/循环，空气  无   无
 第一试程HRT(天)   20  20   20
 第二试程HRT(天)   10  10   10
在进行实验前先将欲导入前述MBR、喜气SBR及厌气SBR等三组反应槽的中间进料置入一烧杯，观察其污泥含量。烧杯中的污泥高度几乎等于烧杯高度。在经过第一试程(HRT为20天)三种程序处理后，出流水再被导入同一个烧杯，观察其污泥含量。发现经三种程序处理后的出流水在烧杯中的污泥层高度依序为厌气SBR、喜气SBR及MBR，其中MBR出流水中几乎没有SS存在，污泥减量效果良好。同样的现象亦在第二试程(HRT为10天)被观察到。表3示出第一试程及第二试程中MBR、喜气SBR及厌气SBR处理效果的结果。在第一试程(HRT为20天)中，MBR、喜气SBR及厌气SBR对SS去除率分别为99.5、75.9及38.6％。当HRT由20天缩短为10天(第二试程)，MBR、喜气SBR及厌气SBR对SS去除率分别为98.9、18.9及5.5％。可见采用MBR处理水解污泥可在与喜气SBR及厌气SBR相同的反应槽体积下处理更高流量的水解污泥并获得非常好污泥减量效果。易言之，在相同流量的水解污泥下，MBR可使用比喜气SBR及厌气SBR较小的反应槽体积。
                表3.各试程污泥减量处理效果的归纳
 进流水  MBR出流水   喜气SBR出流水  厌气SBR出流水
  第一试程SS浓度(mg/L)   10600   50   2550   6500
  SS去除率(％)   99.5   75.9   38.6
  第二试程SS浓度(mg/L)   12700   135   10300   12000
  SS去除率(％)   98.9   18.9   5.5

Claims (17)

1.一种生物污泥减量设备，包含：
一用于将一生物污泥水解的污泥水解槽；
一膜离生物反应器；及
一污泥中和槽，该污泥中和槽用于将该污泥水解槽产生的水解污泥混合物调整成一适合该膜离生物反应器的反应槽进行微生物分解的中间进料，
其中该膜离生物反应器包含一反应槽，该反应槽接收该中间进料；一浸入在该反应槽内的中间进料的过滤模块，其具有一穿透侧及一与该中间进料接触的外侧，而且该中间进料中所含的液体仅能透过该过滤模块与该穿透侧相通；及一负压来源用于使该穿透侧具有一比该中间进料小的液压，于是通过该穿透侧从该反应槽流出一处理过出流水。
2.如权利要求1所述的设备，其中该膜离生物反应器进一步包含一曝气装置，其用于提供该反应槽内的中间进料一外界气体。
3.如权利要求2所述的设备，其中该曝气装置包含一位于该反应槽内的曝气管，及一连接在该曝气管用于将外界气体送往该曝气管的鼓风机。
4.如权利要求3所述的设备，其进一步包含一反冲洗管，其连接该鼓风机与该过滤模块的穿透侧，于是一外界气体可被送往该过滤模块的穿透侧并透过该过滤模块进入该反应槽内的中间进料。
5.如权利要求1所述的设备，其中该过滤模块为管状或匣状，并且由中空纤维或多孔性物质作成。
6.如权利要求5所述的设备，其中该多孔性物质包含无纺布。
7.如权利要求1所述的设备，其中该过滤模块具有大于0.05m3/m2.day的通量。
8.如权利要求1所述的设备，其中该反应槽内的中间进料含有喜气性、无氧性或厌气性微生物。
9.如权利要求8所述的设备，其中当该微生物为喜气性微生物时，该外界气体为空气或纯氧；当该微生物为无氧性微生物时，该外界气体为氮气或二氧化碳；及当该微生物为厌气性微生物时，该外界气体为氮气、甲烷或沼气。
10.如权利要求1所述的设备，其中该污泥水解槽被安装有一用于搅拌该生物污泥的搅拌器，及一用于控制该生物污泥的pH值的pH控制器。
11.如权利要求10所述的设备，其中该pH控制器通过将一碱或一酸加入该生物污泥的方式使该生物污泥具有一大于9的pH值或小于3的pH值。
12.如权利要求1所述的设备，其中该污泥水解槽被安装有一用于搅拌该生物污泥的搅拌器，及一用于加热该生物污泥的加热器。
13.如权利要求12所述的设备，其中该加热器将该生物污泥加热至一介于50～90℃的温度。
14.如权利要求11所述的设备，其中该污泥中和槽被安装有一用于搅拌该水解过污泥的搅拌器，及一用于控制该水解过污泥的pH值的pH控制器。
15.如权利要求14所述的设备，其中该pH控制器通过将一酸或一碱加入该水解过污泥的方式使该水解过污泥具有一大于3小于9的pH值。
16.如权利要求13所述的设备，其中该污泥中和槽被安装有一用于搅拌该水解过污泥的搅拌器，及一用于降低该水解过污泥的温度的热交换器。
17.如权利要求1所述的设备，其中该生物污泥来自废水处理生物处理单元，该生物污泥具有VSS/SS比值介于0.5至0.9之间，其中VSS为可挥发污泥浓度，SS为总污泥浓度。
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