TW201936519A - 好氧生物處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明的好氧生物處理裝置1包括：反應槽（槽體）2；透水板3，水平設置於上述反應槽2的下部；大徑粒子層4，形成於上述透水板3的上側；小徑粒子層5，形成於上述大徑粒子層4的上側；氧溶解膜模組6，配置於上述小徑粒子層5的上側；接收室7，形成於上述透水板3的下側；原水散佈管8，向上述接收室7內供給原水；及於接收室7內以進行散氣的方式設置的散氣管9等。反應槽2的上部成為水平截面積大的擴寬部2W。

Description

好氧生物處理裝置

本發明是有關於一種有機性排水的好氧生物處理裝置。

由於好氧生物處理方法廉價，故而多作為有機性廢水的處理法使用。本方法中，需要向被處理水中溶解氧，通常是利用散氣管進行曝氣。

利用散氣管進行曝氣時溶解效率低，為5～20%左右。此外，需要以散氣管的設置水深處受到的水壓以上的壓力進行曝氣，由於以高壓對大量空氣進行送風，故而鼓風機的電力費用高。通常，好氧生物處理中的電力費用的三分之二以上被用於氧溶解。

使用中空纖維膜的膜曝氣生物膜反應器（MABR）能夠在不產生氣泡下進行氧溶解。於MABR中，以低於因水深受到的水壓的壓力將空氣通氣即可，故而鼓風機的必需壓力低，且氧的溶解效率高。

[專利文獻1]日本專利特開2006-87310號公報

若為了增加要處理的原水，而增加載體的填充量、或者增大流化床反應槽內的線性速度（Linear Velocity, LV），則載體容易自反應槽流出。

本發明的目的在於提供一種能夠增加載體的填充量或設為高LV的好氧生物處理裝置。
[解決課題的手段]

本發明的好氧生物處理裝置包括：反應槽；氧溶解膜模組，設置於上述反應槽內；含氧氣體供給部，向上述氧溶解膜模組供給含氧氣體；及載體流化床，形成於反應槽內；且上述反應槽的上部成為水平截面積較其下側的水平截面積大的擴寬部。

本發明的一實施方式中，穩定運轉時的通常的LV下的通水時，使載體流化床的上表面位於上述擴寬部。

本發明的一實施方式中，氧溶解膜模組具備非多孔質的氧溶解膜。

本發明的一實施方式中，氧溶解膜為疏水性。
[發明效果]

本發明的好氧生物處理裝置中，反應槽的上部成為水平截面積大的擴寬部，故而即便於增加載體的填充量、或將原水設為高LV通水的情形時，反應槽上部的LV亦小於下部，從而抑制載體的流出。

以下，參照圖式更詳細地說明本發明。

圖1是實施方式涉及的好氧生物處理裝置1的縱截面圖。上述好氧生物處理裝置1包括：水平截面為圓形的反應槽（槽體）2；透水板3，其為水平設置於上述反應槽2的下部的沖孔板等多孔板、或在平板上均等設置多個分散噴嘴的平板；大徑粒子層4，形成於上述透水板3的上側；小徑粒子層5，形成於上述大徑粒子層4的上側；流化床F，藉由向小徑粒子層5的上側填充粉粒狀活性碳等生物附著載體而形成；氧溶解膜模組6，至少一部分配置於流化床F內；接收室7，形成於上述透水板3的下側；原水散佈管8，向上述接收室7內供給原水；以及設置於接收室7內的散氣管9等。自壓縮機（或鼓風機）13向上述散氣管9供給空氣。

藉由泵向原水散佈管8供給原水。另，於高LV通水的情形時，較佳使用高容量泵作為泵。

反應槽2的上部成為水平截面積較其下側的水平截面積大的擴寬部2W。於擴寬部2W的下側設置有越朝下方則水平截面積越小的錐狀部2T。於比錐狀部2T更下側至反應槽2的下部為止成為水平截面積相同的小水平截面積部2S。另，擴寬部2W的水平截面積較佳為較小水平截面積2S的水平截面積大150～300%，特別是175～225%左右。

於擴寬部2W的上部設置有用於使處理水流出的溝槽10及流出口11。溝槽10沿著槽內壁形成環狀流路。

圖1中，藉由向反應槽填充流化床載體，利用載體流動產生的剪力抑制生物膜向氧溶解膜的表面的附著，使得大部分生物膜附著至流化床載體，氧溶解膜僅用於氧供給的目的。

圖1中，構成為使用非多孔質（無孔）的氧溶解膜作為氧溶解膜，自槽外通過配管將含氧氣體向氧溶解膜的一次側通氣，排氣則是通過配管向槽外排出。因此，使含氧氣體以低壓向氧溶解膜通氣，使氧作為氧分子通過氧溶解膜的構成原子之間（溶解於膜），並作為氧分子與被處理水接觸。使氧直接溶解於水，故而不產生氣泡。上述方法使用利用濃度梯度實現分子擴散的機制，無需如習知般需要利用散氣管等進行散氣。此外，若使用疏水性的素材作為氧溶解膜的素材則膜中難以浸水，故而較佳。但即便為疏水性的膜亦會有微量的水蒸氣浸入。

圖2（a）、圖2（b）表示氧溶解膜模組6的一個例子。上述氧溶解膜模組6使用非多孔質的中空纖維膜22作為氧溶解膜。本實施方式中，中空纖維膜22於上下方向排列，各中空纖維膜22的上端與上部集管20相連，下端與下部集管21相連。中空纖維膜22的內部分別與上部集管20及下部集管21內連通。各上部集管20、下部集管21為中空管狀。另，於使用平膜或螺旋式膜的情形時，理想的是亦以通氣方向為上下方向的方式排列。

圖1以水平截面積為圓形的反應槽為例進行了說明，但亦能使用水平截面為方形的反應槽，該情形時的一個例子示於圖3。截面為方形的反應槽中，朝反應區域上方的擴寬部而寬度變大的部分的形狀並非如圓形情形時的倒錐狀，而是如圖3般僅縱橫的橫寬擴張。該形狀的反應槽容易串聯多段化。

如圖2（b）所示，將包括一對上部集管20、下部集管21及中空纖維膜22的單元平行地排列多個。如圖2（a）所示，較佳為各上部集管20的一端或兩端連結於上部歧管23，各下部集管21的一端或兩端連結於下部歧管24。通過供氣配管27向氧溶解膜模組6的上部供給含氧氣體，自氧溶解膜模組6的下部通過排出配管29排出至槽外。空氣等含氧氣體自上部集管20通過中空纖維膜22流向下部集管21，在此期間氧透過中空纖維膜22而溶解於反應槽2內的水。

各上部集管20、下部集管21及各上部歧管23、下部歧管24亦可設為具有流水梯度。氧溶解膜模組6亦可上下配置多段。

為了向氧溶解膜模組6供給空氣，設置有鼓風機26及空氣供給用供氣配管27，上述供氣配管27連接於上部歧管23。於下部歧管24連接有排氣用中繼配管28。中繼配管28連接有排出配管29。排出配管29以具有傾斜朝下的方式設置，且延伸設置至反應槽2外。圖1中排出配管29被引出至反應槽2的側方，但亦可以自反應槽2的底部向下方引出。

如圖1所示，未溶解於氧溶解膜的含氧氣體的剩餘部通過排出配管29向槽外排氣。配管29的末端配置為位於較氧溶解膜模組6的下端（模組6為多個時為各模組下端中最下位的下端）低的位置。因此，於排氣包含凝結水的情形時，凝結水流出至設置於排出配管29的下方的儲槽（tank）32。儲槽32內的水亦可藉由泵33及配管34而向反應槽2送水。

於槽內或槽外，亦可於排出配管29連接將排氣排出至槽外的排氣配管30。於該情形時，凝結水通過排出配管29排出。排氣配管30的末端的排氣部亦可配置於較氧溶解膜模組的下端高的位置。為了使凝結水無法積存，排氣配管30較佳構成為不具有傾斜朝下而僅具有傾斜朝上或鉛垂朝上。此外，亦可構成為於此時的排出配管29的較與排氣配管30的分支點更下游側設置閥（省略圖示），藉由打開閥而將凝結水流出至儲槽32。

閥可為自動閥、亦可為手動閥。用於排出凝結水的閥的開放可為連續式亦可為間歇式。於間歇式的情形時，通常運轉中，藉由1天一次～30天一次（多的話1天一次數秒、少的話1月一次數十秒）、較佳為1天一次～15天一次將閥打開而進行排水。

以此方式構成的好氧生物處理裝置1中，原水通過原水散佈管8被導入接收室7，使透水板3及大徑粒子層4、小徑粒子層5上向流通水而過濾懸浮固體（Suspended Solids, SS），繼而於附著生物膜的粉粒狀活性碳的流化床F，以一過式（one-through type）上向流通水而進行生物反應，並自上部澄清區域通過溝槽10及流出口11而作為處理水取出。穩定運轉時的LV下，流化床F的上表面位於擴寬部2W。

通常的生物處理運轉時，自供氣配管27供給的空氣等含氧氣體於氧溶解膜模組6下向流通氣後，自氧溶解模組6的下端位置通過下部集管21、下部歧管24流出，排出空氣自排出配管29（或設置排氣配管30時自排氣配管30）向大氣中排出。凝結水通過排出配管29向儲槽32流出。

若持續進行生物處理運轉，則載體表面的生物膜逐漸變厚。若上述生物膜過厚，則載體流出、或生物處理效率下降。（氧無法到達生物膜的深部即靠近載體的側，故而不進行好氧生物處理。）此外，載體彼此因成長的生物膜而固著，進而導致載體流出或生物處理效率下降。

因此，定期地、或基於反應槽2內的流動狀況的觀察結果，使壓縮機13運行，自散氣管9流出空氣而對反應槽2內進行曝氣。藉由上述曝氣，藉由水流的剪力將載體表面的多餘污泥剝離。

進行上述空氣曝氣後，較佳為使原水以高於通常處理時的LV的高LV向反應槽2內進行上向流通水。藉此，剝離後存在於反應槽2內的污泥自流出口11流出。此時的排出水作為處理水被排出並於後步驟（凝聚沉澱等）中處理、或者作為洗淨排水另行處理、或者向原水槽送水。如此，能夠抑制載體彼此的固著，防止反應槽2內的偏流或堵塞。

於上述高LV通水時，流化床F的展開率變大，流化床F的界面上升，但由於擴寬部2W的水平截面積大，故而擴寬部2W內的上升流速小於小水平截面積2S，從而抑制載體的流失。將上述高LV運轉進行規定時間後，將LV返回至通常LV，再次開始通常的生物處理運轉。

另，藉由上述曝氣，亦實現反應槽2內被脫羧而下降的pH上升、或載體（活性碳）間蓄積的碳酸被脫羧之類的效果。

本發明中，藉由於活性碳等的生物載體流化床設置非多孔性的氧溶解膜，供給氧量變多，故而作為對象的原水的有機性排水濃度並無上限。

此外，由於生物載體於流化床運轉，故而不會被劇烈攪亂。因此，能夠穩定地維持大量的生物，故而能提高負荷。

此外，本發明由於使用氧溶解膜，故而與預曝氣、直接曝氣相比，氧的溶解動力小。

依據上述說明，藉由上述曝氣，完全不使用或者幾乎不使用中和劑，便能將反應槽2內的pH維持為中性附近，從而能夠高負荷且廉價地穩定處理低濃度至高濃度的有機性排水。

＜生物載體＞
作為生物載體較佳為活性碳。

活性碳等的流化床載體的填充量較佳為反應槽的容積的30～70%左右、特別是40～60%左右。上述填充量越多則生物量越多而活性越高，但若過多則有載體流出的擔憂。因此，較佳為以流化床展開20～50%左右的LV進行通水。通水LV為7～30 m/hr特別是8～15 m/hr左右。另，作為流化床載體，於同樣的條件下亦能使用活性碳以外的凝膠狀物質、多孔質材、非多孔質材等。例如，亦能使用聚乙烯醇凝膠、聚丙烯醯胺凝膠、聚胺基甲酸酯發泡體、海藻酸鈣凝膠、沸石、塑膠等。但，若使用活性碳作為載體，藉由活性碳的吸附作用與生物分解作用的相互作用，而能進行廣範圍的污染物質的除去。

活性碳的平均粒徑較佳為0.2～1.2 mm、特別是0.3～0.6 mm左右。若平均粒徑大則可設為高LV，於使處理水的一部分在反應槽循環的情形時，因循環量增加而可實現高負荷。然而，由於比表面積變小，故而生物量變少。若平均粒徑小則由於比表面積大，故而附著生物量增加，但高LV時載體容易流出。

通常運轉時的活性碳的展開率較佳為20～50%左右。展開率若低於20%，則有堵塞、短路的擔憂。展開率若高於50%，則有載體流出的擔憂，且泵動力成本變高。

於通常的生物活性碳中，活性碳流化床的展開率為10～20%左右，但該情形時，活性碳的流動狀態不均勻而上下左右地流動。其結果，同時設置的膜因活性碳而摩擦、削減而被消耗。為了防止上述情況，本發明中，因活性碳等的流化床載體需要充分地流動，展開率理想的是20%以上，例如20～50%。因此，載體的粒徑較佳為小於通常的生物活性碳的粒徑。另，於活性碳的情形時，並無特別限定，可為椰殼碳、煤、木炭等。形狀較佳為球狀碳，但亦可為通常的粒狀碳或破碎碳。

＜含氧氣體＞
含氧氣體為空氣、富氧空氣、純氧等含氧的氣體即可。理想的是通氣的氣體通過過濾器而預先除去微細粒子。

通氣量理想的是生物反應所需氧量的等量至兩倍左右。若通氣量少則因氧不足而處理水中殘留生化需氧量（BOD）或氨，若通氣量多則除了通氣量不必要地變多以外壓力損失亦變高，故而有損經濟性。

通氣壓力理想的是較規定通氣量所產生的中空纖維的壓力損失略高的程度。

＜被處理水的流速＞
通常運轉時的被處理水在反應槽內的流速為LV7 m/hr以上、總有機碳量（TOC）濃度20 mg/L以下的低濃度排水，亦能不循環處理水而單程地（one pass）進行處理。以一過式進行處理能削減泵動力。但，為了設為高LV，亦可將來自流出口11的處理水的一部分返送至原水散佈管8。

若提高LV則成比例地氧溶解速度提高。於LV高的情形時，較佳使用粒徑大的活性碳，使展開率不那麼大。根據生物量、氧溶解速度，最佳LV範圍為7～30 m/hr、特別是8～15 m/hr左右。

＜滯留時間＞
較佳為以槽負荷0.5～4kg-TOC/m³ /天的方式設定滯留時間。

＜鼓風機＞
鼓風機26的噴出風壓為水深產生的水壓以下即足夠。但，必須為配管等的壓損以上。通常，配管阻力為1 kPa～2 kPa左右。

於水深為5 m的情形時，通常使用輸出最大0.55 MPa左右的通用鼓風機，5 m以上的水深時使用高壓鼓風機。

本發明中，即便水深為5 m以上亦能使用壓力為0.5 MPa以下的通用鼓風機，較佳使用壓力0.1 MPa以下的低壓鼓風機。

含氧氣體的供給壓的條件為高於中空纖維膜的壓力損失、以及膜不會被水壓壓壞。與水壓相比平膜、螺旋式膜的膜壓損可忽略，故而為極低的壓力（5 kPa左右以上）且水深壓力以下，理想的是20 kPa以下。

於中空纖維膜的情形時，壓力損失根據內徑及長度而變化。通氣的空氣量是每平方米膜為50～200 mL/天，故而若膜長度變成兩倍則空氣量變成兩倍，但即使膜徑變成兩倍，空氣量亦僅為兩倍。因此，膜的壓力損失與膜長度成正比，與直徑成反比。

壓力損失的值於內徑50 μm、長度2 m的中空纖維中為3 kPa～20 kPa左右。

上述實施方式中，於氧溶解膜模組6使空氣向下流動，但亦可向上流動。

使用特定的實施方式對本發明進行了詳細說明，但所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭可不脫離本發明的意圖及範圍而進行各種變更。
本案基於2018年2月20日提交申請的日本專利申請2018-028198，且上述申請的全文藉由引用而併入本文。

1‧‧‧好氧生物處理裝置

2‧‧‧反應槽

2S‧‧‧小水平截面積

2T‧‧‧錐狀部

2W‧‧‧擴寬部

3‧‧‧透水板

4‧‧‧大徑粒子層

5‧‧‧小徑粒子層

6‧‧‧氧溶解膜模組

7‧‧‧接收室

8‧‧‧原水散佈管

9‧‧‧散氣管

10‧‧‧溝槽

11‧‧‧流出口

13‧‧‧壓縮機

20‧‧‧上部集管

21‧‧‧下部集管

22‧‧‧中空纖維膜

23‧‧‧上部歧管

24‧‧‧下部歧管

26‧‧‧氧溶解膜模組

27‧‧‧供氣配管

28‧‧‧中繼配管

29‧‧‧排出配管

30‧‧‧排氣配管

32‧‧‧儲槽

33‧‧‧泵

34‧‧‧配管

F‧‧‧流化床

圖1是實施方式涉及的生物處理裝置的縱截面圖。

圖2（a）是氧溶解膜單元的側視圖，圖2（b）是氧溶解膜單元的立體圖。

圖3是表示反應槽的其他例子的立體圖。

Claims (4)

1. 一種好氧生物處理裝置，包括： 反應槽； 氧溶解膜模組，設置於上述反應槽內； 含氧氣體供給部，向上述氧溶解膜模組供給含氧氣體；及 載體流化床，形成於反應槽內；且 上述反應槽的上部成為水平截面積較其下側的水平截面積大的擴寬部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的好氧生物處理裝置，其中穩定運轉時上述載體流化床的上表面位於上述擴寬部。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的好氧生物處理裝置，其中上述氧溶解膜模組包括非多孔質的氧溶解膜。
4. 如申請專利範圍第3項所述的好氧生物處理裝置，其中上述氧溶解膜為疏水性。