CN1358675A - 分体式膜生物反应器及水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分体式膜生物反应器,包括依次相连的格栅或筛网(2)、调节池(3)、生物反应器(6)、膜滤池(20);其特征在于:膜滤池(20)的底部设置基础或支架(24);使膜滤池(20)与生物反应器(6)的静水位平齐;并且使所述的鼓气管(7)和膜冲洗鼓气管(22)在生物反应器(6)和在膜滤池(20)中的安装深度在水面至2.5米水深范围内的水层中。本发明的膜生物反应器具有运行能耗低的优点。

Description

分体式膜生物反应器及水处理方法
技术领域
本发明属于膜生物反应器技术领域，特别涉及分体式膜生物反应器。
背景技术
一种公知的分体式膜生物反应器是错流式膜生物反应器系统，由生物反应器单元和错流式膜分离器组成，主要存在单位水处理能耗高的技术问题。为了维持稳定的透水率，错流式膜分离器需要较高的膜面流，以产生较大的剪切力或湍流流动来限制滤饼层的厚度。较高的膜面流需要较大的循环水泵提供，泵提供的工作压力通常在100-150kPa，膜分离器的循环水量与透水量之比高达100-600∶1，循环水流速度一般在1-7m/s之间，一般大于2m/s。这样高的工作压力和水流速度产生的剪切力造成错流式膜分离器运行能耗高的问题，处理单位水量处理能耗约为3.0-5.5kW·h/m3，是传统活性污泥法单位水处理能耗约的10-15倍。大量能耗转化为热能，膜分离器内水温升高，有时需要冷却设备。(樊耀波等，环境科学，1995，16(5)：79-81；樊耀波等，环境科学学报，1997，17(1)：68-74；郑祥等，2000，环境污染治理技术与设备，Vol.1：(5)，12-19)。
另一种公知的膜浸没分体式膜生物反应器由生物反应器单元和浸没式膜分离器单元组成，膜分离器单元中冲刷膜组件的鼓气压力一般在30-50kPa，其能耗一般在1-2kWh/m3，仍大大高于普通生化处理方法(Arnold Zilverentant，Water 21，November/December，1999，29～31；HadiHusain，Pierre Cote，WQI March/April，1999，19-22)。
发明内容
本发明的目的在于为了克服公知分体式膜生物反应器运行能耗高的缺点，创造一种膜分离器单元中采用浅水层鼓气进行膜冲洗的，可以有效降低单位水处理能耗，从而降低单位水处理费用的分体式膜生物反应器技术。使膜生物反应器成为一种高效、实用、经济的水处理和废水资源化技术。
本发明的分体式膜生物反应器包括格栅及筛网、调节池、生物反应器、膜滤池、膜分离单元、净化水水箱等。其特征在于：原水1经格栅或筛网2进入调节池3；经泵4提升经上水管5进入生物反应器6；生物反应器内有给活性污泥混合液鼓气充氧和搅拌作用的穿孔管7及导流板8；导流板8的上边缘与鼓气穿孔管7平齐，导流板8下边缘距底部0.4-0.8米，导流板8的作用使生物反应器内的活性污泥在生物反应池6内实现良好回流循环；生物反应器内有液体如活性污泥混液经循环出水管16，经循环泵17(此时，循环阀门18关闭)，或经循环阀门18(当通过膜滤池的鼓气形成的水力循环量满足工艺要求时，循环泵17关闭，从节能角度此方案优先考虑)，经循环上水管19进入膜滤池20，再经膜滤池20的循环回流管23返回生物反应器6；膜滤池20的高度为0.5～3.5米，膜滤池20的池水深度0.2～3.0米；膜滤池20的水位在停止鼓气的条件下同生物反应器6的水位平齐；膜滤池20的水位与生物反应器6的水位平齐的办法是在膜滤池20的底部设置基础或支架24；膜滤池支架或基础的高度由生物反应器6水位与膜滤池20中水深度之差确定；膜滤池20内装有膜分离单元21，膜分离单元由若干个如图2所示的膜组件排列组成，膜分离单元21安装于膜滤池20内池水或污泥混合液的上部，膜组件自水面起向下布设，即图2中膜组件上集水管31刚好淹没在水面之下，下集水管32视膜组件长度浸没入自水面至2.5米水深范围内的水层中；图2中膜丝33两端粘接在上下集水管31、32之间；膜单元21的下部装有进行冲洗膜丝33的膜冲洗鼓气管22；鼓气管7和膜冲洗鼓气管22为穿孔管，其在生物反应器6和在膜滤池20中的安装深度视膜组件下集水管32浸没深度，安装在自水面至2.5米水深范围内的水层中；空气由空气泵9经阀门12，经空气流量计10、空气管11、通入生物反应器6的鼓气管7；鼓气管7除了充氧的作用还有搅动生物池的活性污泥使其保持悬浮的作用；进行冲洗膜丝33的空气由空气泵9、经阀门13、空气流量计14、空气管15通入鼓气管22；鼓气管22除了膜清洗的作用还有给混合液充氧、气力提升混合液，使混合液在生物反应器6和膜滤池20之间形成循环的作用；净化水通过膜组件上方的水位与净化水出水管25在净水箱30出水口处的水位差，经膜组件、阀门27、净化水流量计26自压出流进入净水箱30；当净化水自压出流水流量不能满足要求时，关闭阀门28，开启净化水泵29，使净化水通过抽吸进入净化水箱30。
本发明的工作原理是大大降低分体式膜生物反应器中膜分离器单元上方的水深，即减小鼓气管在冲洗膜组件时所必须克服的静水水头，从而达到有效减小膜冲洗压力达到减小膜冲洗能耗的目的。可将冲刷膜组件的鼓气压力降低至在2.5米水深至水面之间的水头范围内。如当膜组件的长度为0.3米，膜组件自水面向下布设，膜组件的下集水管处在自水面下0.3米水深处，鼓气穿孔管冲洗膜时所要克服的水头为约0.3米；又如，膜组件的长度为0.5米，膜组件自水面向下布设，膜组件的下集水管处在自水面下0.5米水深处，鼓气穿孔管冲洗膜时所要克服的水头为约0.5米。再如，膜组件的长度为1米，膜组件自水面向下布设，膜组件的下集水管处在自水面下1米水深处，鼓气穿孔管冲洗膜时所要克服的水头为约1米。以此类推，膜组件的长度为2米，膜组件自水面向下布设，膜组件的下集水管处在自水面下2米水深处，鼓气穿孔管冲洗膜时所要克服的水头为约2米。本技术限定膜组件长度不超过2.5米。
本发明的分体式膜生物反应器的特点是：1、有一个与生物反应器6分离设置的膜滤池20，膜滤池20内的膜单元在浅水层内通过鼓气进行膜冲洗。公知的膜浸没分体式膜生物反应器1-2kW·h/m3的运行能耗相比，由于本发明在浅水层内鼓气对膜进行冲洗，即使在同样鼓气量条件下进行膜冲洗，因本发明鼓气须克服的压力较小，因而鼓气冲洗膜消耗的能量小。2、对膜的鼓气冲洗采用大中气泡鼓气装置，因此可有效地进行膜冲洗，从而近一步有效地降低分体式膜生物反应器单位产水能耗。3、生物反应器6与膜滤池20的静水位保持一个水平，以利于生物反应器6与膜滤池20的水力循环，并最大可能减小水循环能耗。3、容易实现大规模膜生物反应器水处理系统建设，突破已有膜生物反应器技术水处理应用局限于中小规模的瓶颈。4、可于各种类型的生物反应器组合，容易实现对现有生物处理系统进行技术改造，并且生物反应单元不局限于活性污泥法，可以生物膜法。如：氧化沟反应器、接触氧化法反应器、生物滤池等。5、膜组件易于清洗、更换与维护。
本发明采用膜过滤器在浅水层鼓气冲洗膜的技术方案有效地降低了冲刷膜组件鼓气的压力，使冲刷膜组件的鼓气压力与膜的工作压力(为使膜透水施加在膜两侧的水压力差)实现了有效的分离。在不增加总鼓气能耗的前提下，可提高膜冲洗的鼓气强度，可有效地解决膜浸没分体式膜生物反应器膜的冲洗强度弱、膜的污染较重、膜透水率较低且难以稳定的问题。突破了公知的分体式膜生物反应器单位水处理能耗高，水处理规模多为中小规模，规模不宜过大(如万吨/日或几十万吨/日)的限制，使实现大规模膜生物反应器水处理系统的建设成为可能。膜组件置于浅水层的膜过滤器中给膜的维护和清洗带来方便，可减低膜生物反应器的工程造价。
附图说明
下面结合附图及实施实例对发明的技术方案作进一步的说明。
图1所示为本发明所述分体式膜生物反应器水处理技术工艺流程图。其中：1.原水、2.格栅及筛网、3.调节池、4.上水泵、5.上水管、6.生物反应器、7.生物池鼓气管、8.导流板、9.空气泵10.空气流量计、11.空气管、12.空气阀门、13.空气阀门、14.空气流量计、15空气管、16.循环出水管、17循环泵、18循环阀门、19循环上水管、20膜滤池、21.膜分离单元、22.膜冲洗鼓气管、23循环回流管、24膜滤池支架或基础、25.净化水管、26净化水流量计、27阀门、28阀门、29净化水泵、30净化水水箱。
图2为本发明所述分体式膜生物反应器水处理技术所用膜组件的示意图。其中，31上集水管、32下集水管、33膜丝。
具体实施方式
实施例1
一个规模为24m3/d居住区污水回用工程，分别采用公知错流式分体膜生物反应器技术和本发明在浅水层鼓气膜冲洗的膜生物反应器技术。
公知错流分体式膜生物反应器：膜分离单元膜面流速3.6m/s，处理单位水量的能耗为3.0kW·h/m3。
采用本发明的分体式膜生物反应器技术方案，即在膜滤池中采用浅水层中鼓气进行膜冲洗的分体式膜生物反应器技术。生物反应器水深3米，膜组件长度为1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距离为1m，膜分离单元鼓气水深1米。气水比为40∶1，即总鼓气量为40m3/h，鼓气压力为10kPa。鼓气机效率为0.44，冲刷膜组件能耗为0.30kW·h/m3，供水、循环及曝气能耗0.30kW·h/m3，处理单位水量的能耗为0.6kW·h/m3。
实施例2
一个规模为24m3/d居住区污水回用工程分别采用公知的浸没分体式膜生物反应器技术和本发明的分体式膜生物反应器技术初步的运行能耗分析和比较。
公知的浸没分体式膜生物反应器：生物反应器水深3m，膜组件长度为1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距离为1m。气水比为40∶1，即总鼓气量为40m3/h，处理水量1m3/h，鼓气压力约为30kPa，鼓气效率为0.44，处理单位水量的能耗为0.7kW·h/m3，供水、循环及曝气能耗0.4kW·h/m3，处理单位水量的能耗为1.1kW·h/m3。
采用本发明的分体式膜生物反应器技术方案，即在膜滤池中采用浅水层中鼓气进行膜冲洗的分体式膜生物反应器技术。生物反应器水深3米，膜组件长度为1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距离为1m，膜分离单元鼓气水深1米。气水比为40∶1，即总鼓气量为40m3/h，鼓气压力为10kPa。鼓气机效率为0.44，冲刷膜组件能耗为0.30kW·h/m3，供水、循环及曝气能耗0.30kW·h/m3，处理单位水量的能耗为0.6kW·h/m3。
实施例3
一个规模为24m3/d居住区污水回用工程分别采用公知的浸没分体式膜生物反应器技术和本发明的分体式膜生物反应器技术初步的运行能耗分析和比较。
公知的浸没分体式膜生物反应器：生物反应器水深3m，膜组件长度为1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距离为1m。气水比为40∶1，即总鼓气量为40m3/h，处理水量1m3/h，鼓气压力约为30kPa，鼓气效率为0.44，处理单位水量的能耗为0.7kW·h/m3，供水、循环及曝气能耗0.4kW·h/m3，处理单位水量的能耗为1.1kW·h/m3。
采用本发明的分体式膜生物反应器技术方案，即在膜滤池中采用浅水层中鼓气进行膜冲洗的分体式膜生物反应器技术。生物反应器水深3米，处理水量1m3/h，膜组件长度为0.5m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距离为0.5m，膜分离单元鼓气水深0.5米。气水比为40∶1，即总鼓气量为40m3/h，鼓气压力为5kPa。鼓气机效率为0.44，冲刷膜组件能耗为0.12kW·h/m3，供水、循环及曝气能耗0.30kW·h/m3，处理单位水量的能耗为0.42kW·h/m3。
比较得出：本发明的分体式膜生物反应器技术方案，即在膜滤池中采用浅水层中鼓气进行膜冲洗的分体式膜生物反应器技术，处理单位水量的能耗不仅比错流分体式膜生物反应器3.0-5.5kW·h/m3的能耗低，也低于常规浸没分体式膜生物反应器的运行能耗1-2kW·h/m3。
单位污水处理能耗比公知的浸没分体式膜生物反应器低45％-61％，是错流分体式膜生物反应器3.0-5.5kW·h/m3的1/7-1/13从而可有效减小单位水处理费用，提高该技术在水处理中应用的经济实用性。

Claims (6)

1.一种分体式膜生物反应器，包括依次相连的调节池(3)、生物反应器(6)、和膜滤池(20)；其中，生物反应器(6)内装有鼓气管(7)及导流板8，鼓气管(7)用于通过空气泵(9)，空气管(11)通入空气；生物反应器上还装有循环出水管(16)，用于液体经循环出水管(16)、循环泵17或循环阀门(18)、循环上水管(19)进入膜滤池(20)；膜滤池(20)还通过循环回流管(23)与生物反应器(6)相通；膜滤池(20)内装有膜分离单元(21)，其下部装有进行冲洗膜丝(33)的膜冲洗鼓气管(22)，膜冲洗鼓气管(22)用于通过空气泵(9)、空气管(15)通入空气；膜组件(21)通过净化水出水管(25)与净水箱(30)相通；其特征在于：
膜滤池(20)的底部设置基础或支架(24)；使膜滤池(20)与生物反应器(6)的静水位平齐；并且使所述的鼓气管(7)和膜冲洗鼓气管(22)在生物反应器(6)和在膜滤池(20)中的安装深度在水面至2.5米水深范围内的水层中。
2.按照权利要求1所述的分体式膜生物反应器，其特征在于，在调节池(3)上还装有格栅或筛网(2)；在空气泵(9)和空气管(11)之间还装有阀门(12)和空气流量计(10)；在空气泵(9)和空气管(15)之间还装有阀门(13)和空气流量计(14)；在净化水出水管(25)与净水箱(30)之间还装有阀门(27)、净化水流量计(26)、阀门(28)和净化水泵(29)，使膜组件(21)通过净化水出水管(25)、阀门(27)、净化水流量计(26)、阀门(28)或者净化水泵(29)与净水箱(30)相通。
3.如权利要求1所述的分体式膜生物反应器，其特征在于：所述的膜滤池(20)的高度为0.5～3.5米，膜滤池(20)的池水深度为0.2～3.0米。
4.如权利要求1所述的分体式膜生物反应器，其特征在于：所述的膜分离单元(21)由多个膜组件排列组成；膜分离单元(21)安装于膜滤池(20)内液体的上部自水面至2.5米水深度范围内；膜组件自水面起向下布设，膜组件上集水管(31)刚好淹没在水面之下，下集水管(32)浸没入自水面至2.5米水深范围内的水层中。
5.如权利要求1所述的分体式膜生物反应器，其特征在于：所述的导流板(8)的上边缘与鼓气管(7)平齐，导流板(18)下边缘距底部0.4-0.8米。
6.如权利要求1所述的分体式膜生物反应器，其特征在于，所述的膜组件由上集水管(31)、下集水管(32)和膜丝(33)组成；所述膜丝(33)采用的膜为超滤膜或微滤膜。
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