TW201936520A - 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；原水流入口3，以使原水向上流動的方式於上述反應槽2的最下端部向上開口；第一間隔壁4及第二間隔壁5，設置於反應槽2內；流化床F，藉由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，配置於第一間隔壁4、4彼此之間；以及設置於第一間隔壁4、4間的下方的原水流入口3及散氣管9等。

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）能夠不產生氣泡地進行氧溶解。於MABR中，由於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

本發明的目的在於提供一種即便原水的有機物濃度高的情形時亦能充分地進行處理的好氧生物處理裝置。

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；載體流化床，形成於反應槽內；及循環部，使載體於上述反應槽內上下循環。

本發明的一實施方式中，上述循環部具有將上述反應槽內區劃為上升區（zone）與下降區的第一間隔壁，於上述上升區及/或下降區配置上述氧溶解膜模組，設置有以原水成為循環流動方向的方式供給原水的原水供給部。

本發明的一實施方式中，上述原水供給部具有原水流入口，該原水流入口設置於上述反應槽的底部，使原水向上流出。

本發明的一實施方式中，上述反應槽的底部為越朝下方則水平截面積越小的傾斜構造部，上述原水流入口設置於上述傾斜構造部的最下部。

本發明的一實施方式中，上述反應槽的上部為水平截面積較其下側的水平截面積大的擴寬部，設置有將上述擴寬部內區劃為第一區與第二區的第二間隔壁，上述第一間隔壁的上端部伸入上述第一區內，且於上述第二區設置有處理水的取出部。

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]

於本發明的好氧生物處理裝置中，由於載體為上下循環，故而能使原水以高線性速度（Linear Velocity, LV）流動，以完全混合狀態處理原水。因此，反應槽內的大致整個區域均存在溶氧（DO），且未分解總有機碳量（TOC）不會局部地高濃度，能夠防止生物膜向氧溶解膜表面的附著。因此，即便為有機物濃度高的原水（例如100 mg/L以上、特別是500 mg/L以上），亦能有效率且穩定地進行處理。

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。該好氧生物處理裝置1包括：反應槽（槽體）2；原水流入口3，以使原水向上流動的方式在上述反應槽2的最下端部向上開口；第一間隔壁4及第二間隔壁5，於反應槽2內在上下方向設置；流化床F，藉由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，配置於第一間隔壁4、4彼此之間；以及設置於第一間隔壁4、4間的下方的散氣管9等。於該散氣管9自壓縮機（或鼓風機）被供給空氣而對槽內進行反洗。反應槽2的底部為越朝下方則水平截面積越小的傾斜構造部2C，於該傾斜構造部2C的最下部設置有上述原水流入口3。

本實施方式中，反應槽2的水平截面為長方形，間隔壁4、間隔壁5分別為於上述長方形的長邊方向（圖1中與圖紙垂直的方向）上延伸的平板。

另，反應槽2的水平截面可為大致正方形、大致圓形等任一種。於水平截面為大致正方形的情形時，間隔壁4、間隔壁5分別可為一對平板，亦可為方筒形。於水平截面為大致圓形的情形時，間隔壁4、間隔壁5亦可為大致圓筒形。

反應槽2的上部為水平截面積較下部的小寬度部2S大的擴寬部2W。擴寬部2W與小寬度部2S之間為越朝上方則水平截面積越大的傾斜部2T。

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

自小寬度部2S遍及擴寬部2W的下部而設置有上述第一間隔壁4。第一間隔壁4的下端位於較傾斜構造部2C上位的位置。第一間隔壁4與小寬度部2S的槽內壁面之間為載體的下降區。第一間隔壁4、4間為載體的上升區，且於上述第一間隔壁4、4間的上升區設置有氧溶解膜模組6。

於擴寬部2W內設置有第二間隔壁5。第二間隔壁5、5間為第一區，第二間隔壁5與擴寬部2W的槽內壁面之間為第二區。第二間隔壁5的下端位於傾斜部2T與擴寬部2W的交界附近。第二間隔壁5、5間的距離大於第一間隔壁4、4間的距離，第一間隔壁4的上端伸入第二間隔壁5、5間的第一區內的下部內。

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。

若使用疏水性素材作為氧溶解膜的素材則膜中難以浸水，故而較佳。但即便是疏水性的膜亦無法避免微量水蒸氣的浸入。

圖1中，自底部供給原水，但亦能將底部設為平面而自槽內壁或槽上部供給原水。無論哪種情形時，為了於槽內產生循環流，均必須於循環流的方向供給原水。為了獲得槽底部與槽內壁的拐角不堆積載體或懸浮固體（Suspended Solids, SS）的構造，較佳於槽內壁與底面的交叉拐角部以向軸心方向而朝下傾斜的方式設置傾斜板。為了不於槽底部中央堆積載體或SS，亦能於槽底部中央具備錐體形狀的向上的整流構件。

圖1中，將槽中央側設為上升區，將槽側壁側設為下降區，但亦能將第一間隔壁作為一塊平板固定而將槽中央左右區劃，將區劃後的一半設為上升區，將另一半設為下降區。於該情形時在槽上部中僅於上升區的上部設置擴寬部及溝槽。另一方面，原理上亦能將槽中央側設為下降區，將槽側壁側設為上升區。

圖1中，為了於槽上部設置擴寬部2W以防止載體流出，而藉由第二間隔壁5區劃出反應區域的第一區及澄清區域的第二區，但並不限定於此。亦能增加槽體高度，於第一間隔壁4的上端與水面的距離變長的位置設置第一間隔壁4，藉此不設置擴寬部2W、第二間隔壁5便能使槽上部作為澄清區域（載體沉澱區域）發揮功能。亦能藉由GSS（氣固液分離構件）區劃出反應區域及澄清區域。

上述任一實施方式的情形時，為了減小循環流的通水阻力，理想的是第一間隔壁的圓筒的水平截面積、槽內壁與第一間隔壁所夾持的部分的水平截面積、第一間隔壁的下端與槽底面的交界面（例如若為圓型反應槽則為圓筒的周壁面、若為方形反應槽且第一間隔壁為一塊平板則為長方形）的面積類似（例如其中一方為另一方的80~120%左右）。

圖2表示中空纖維膜單元的排列，圖3（a）、圖3（b）表示各中空纖維膜單元的上部集管的截面立體圖，圖4表示氧溶解膜模組6的一個例子。該氧溶解膜模組6使用非多孔質的中空纖維膜股線22（將中空纖維膜的單紗併線多根者）作為氧溶解膜。本實施方式中，中空纖維膜股線22於上下方向排列，各中空纖維膜股線22的上端與上部集管20相連，下端與下部集管21相連。中空纖維膜股線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是由灌封（potting）材形成的中空管狀。

如圖2所示，將包含一對上部集管20、下部集管21及中空纖維膜股線22的中空纖維膜單元平行地排列多個。各單元藉由框架（省略圖示）連結而一體化。如圖4般，各上部集管20連結於上側歧管23，各下部集管21連結於下側歧管24。

如圖3（a）、圖3（b）所示，本實施方式中，各上部集管20、下部集管21的與長度方向垂直的截面的外形為長方形狀。於上部集管20在上側設置有空氣流通孔20a，下表面部為厚壁。中空纖維膜股線22的上端部嵌埋於上述厚壁部分，上端面向空氣流通孔20a間開放。下部集管21具有與上部集管20上下對稱的構造，於下側設置有空氣流通孔，且上表面部為厚壁。中空纖維膜股線22的下端部嵌埋於該厚壁部分，下端面向下部集管21的空氣流通孔內開放。

如圖3（a）、圖3（b）所示，於一根上部集管20及下部集管21，將中空纖維膜股線22並排排列兩排而於集管長度方向排列。中空纖維膜股線22的排彼此的間隔a（圖3（b））為流化床載體即活性碳的平均粒徑的數倍以上。此外，中空纖維膜股線22彼此的集管長度方向的間隔b可密接亦可空開間隔。

鄰接的上部集管20、20彼此及下部集管21、21彼此的間隔c並無特別限定。

向氧溶解膜模組6的上部供給含氧氣體，並自氧溶解膜模組6的下部排出。空氣等含氧氣體自上部集管20通過中空纖維膜股線22流向下部集管21，在此期間氧透過中空纖維膜股線22而溶解於反應槽2內的水。

如圖5所示，亦可將多個氧溶解膜模組6排列成一排，各模組的上側歧管23、下側歧管24分別連結於共通的上部連接配管41、下部連接配管42。

本實施方式中，氧溶解膜模組6設置為上下兩段，經由鼓風機26及供氣配管27向上側的氧溶解膜模組6的上部供給空氣，將自上述上側的氧溶解膜模組6的下部流出的空氣藉由連接配管28而供給至下側的氧溶解膜模組6，並自下側的氧溶解膜模組6的下部將排出空氣藉由排氣配管29而排出。空氣等含氧氣體自上部集管20通過中空纖維膜股線22而流向下部集管21，在此期間氧透過中空纖維膜而溶解於反應槽2內的水。

各上部集管20、下部集管21及各上側歧管23、下側歧管24亦可設為具有流水梯度。氧溶解膜模組6可設置一段，亦可設置三段以上。

以此方式構成的好氧生物處理裝置1中，自原水流入口3將原水向上流入反應槽2內，於第一間隔壁4的圓筒內的上升區上升，並於附著生物膜的粉粒狀活性碳的流化床F中，以一過式（one-through type）上向流通水而進行生物反應。活性碳及槽內水於第一間隔壁4的上端繞回。該活性碳於第一間隔壁4與反應槽2的槽內壁面之間的下降區下降並到達反應槽2的底部，在第一間隔壁4的下端繞回，再次於第一間隔壁4的圓筒內的上升區上升。

於第一間隔壁4的上端繞回的生物處理水的一部分於第二間隔壁5的下端繞回，在第二間隔壁5與擴寬部2W之間的第二區上升，在該上升期間活性碳沉澱分離，其後通過溝槽10與流出口11而作為處理水取出。

本實施方式中，藉由增大自原水流入口3的原水供給量，而增大第一間隔壁4、4間的上升流速LV，使流化床F為完全混合狀態。藉此，反應槽2內的大致整體均存在DO，即便是有機物濃度高的原水亦充分地進行處理。

另，藉由高LV通水，流化床F的展開率變大，流化床F的界面上升至第二間隔壁5、5間的第一區為止。由於該第二間隔壁5、5彼此的間隔大於第一間隔壁4、4間的間隔，故而在第二間隔壁5、5彼此之間的上升流速變小，於第二間隔壁5、5間的第一區的上部形成澄清區域。

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，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，自散氣管9流出空氣，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，亦可使原水以高於通常處理時的LV的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。此時的排出水並非處理水，而是作為洗淨排水另作處理、或向原水槽送水。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。另，藉由上述曝氣，亦實現反應槽2內被脫羧而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，故而能夠穩定地維持大量的微生物，從而能夠提高負荷。

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，根據本發明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，但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。若平均粒徑大則可獲得高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。若平均粒徑小則能以低LV流動，故而泵動力廉價。且由於比表面積大，故而附著生物量增加。

＜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。若通氣量少於上述則因氧不足而處理水中殘留生化需氧量（BOD）或氨，若通氣量多於上述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。

＜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，較佳使用壓力為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以上左右）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。

於上述實施方式中，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2018-028196，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

2C‧‧‧傾斜構造部

2S‧‧‧小寬度部

2T‧‧‧傾斜部

2W‧‧‧擴寬部

3‧‧‧原水流入口

4‧‧‧第一間隔壁

5‧‧‧第二間隔壁

6‧‧‧氧溶解膜模組

9‧‧‧散氣管

10‧‧‧溝槽

11‧‧‧流出口

20‧‧‧上部集管

21‧‧‧下部集管

20a‧‧‧空氣流通孔

22‧‧‧中空纖維膜股線

23‧‧‧上側歧管

24‧‧‧下側歧管

26‧‧‧鼓風機

27‧‧‧供氣配管

28‧‧‧連接配管

29‧‧‧排氣配管

41‧‧‧上部連接配管

42‧‧‧下部連接配管

a‧‧‧間隔

b‧‧‧間隔

c‧‧‧間隔

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是表示氧溶解膜模組的中空纖維膜單元的排列的立體圖。

圖3（a）是自下方表示氧溶解膜模組的上部集管的立體圖，圖3（b）是圖3（a）的B-B線截面圖。

圖4是氧溶解膜模組的立體圖。

圖5是氧溶解膜模組的連結體的立體圖。

Claims (7)

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； 載體流化床，形成於反應槽內；及 循環部，使載體於上述反應槽內上下循環。
2. 如申請專利範圍第1項所述的好氧生物處理裝置，其中 上述循環部具有將上述反應槽內區劃為上升區與下降區的第一間隔壁， 於上述上升區及/或下降區配置有上述氧溶解膜模組， 且設置有以原水成為循環流動方向的方式供給原水的原水供給部。
3. 如申請專利範圍第2項所述的好氧生物處理裝置，其中上述原水供給部具有原水流入口，該原水流入口設置於上述反應槽的底部，使原水向上流出。
4. 如申請專利範圍第3項所述的好氧生物處理裝置，其中 上述反應槽的底部為越朝下方則水平截面積越小的傾斜構造部， 上述原水流入口設置於上述傾斜構造部的最下部。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的好氧生物處理裝置，其中 上述反應槽的上部為水平截面積較其下側的水平截面積大的擴寬部， 設置有將上述擴寬部內區劃為第一區與第二區的第二間隔壁， 上述第一間隔壁的上端部伸入上述第一區內， 且於上述第二區設置有處理水的取出部。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的好氧生物處理裝置，其中氧溶解膜模組包括非多孔質的氧溶解膜。
7. 如申請專利範圍第6項所述的好氧生物處理裝置，其中氧溶解膜為疏水性。