申请日2014.12.24
公开(公告)日2015.04.29
IPC分类号C02F3/12
摘要
本发明提供了一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方法。将三相分离器设置在膜生物反应器内，形成了上部膜反应区下部接触氧化区的污水处理装置。污水从反应器底部进入接触氧化区，通过三相分离器狭缝进入膜反应区，在活性污泥的吸附以及膜片的截留共同作用下，实现对污水的处理。采用旋转膜过滤组件，增加旋转剪切力作用以减缓膜片污染，同时保证各膜片清洗强度均匀，减少清洗死角;三相分离器连接有导气管将接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区，用做膜组件的气洗源，节约能耗;设置在线超声波清洗、化学清洗设备，减少膜片清洗过程中的拆装工序。本发明的污水处理装置及方法，处理效率高、膜污染小、出水水质稳定、操作管理方便。
摘要附图
权利要求书
1.一种减缓膜污染的膜生物反应器装置，包括：污水提升泵(1)、 调节池(2)、膜生物反应器(3)、穿孔布水器(4)、曝气器(5)、曝 气气体流量计(6)、曝气风机(7)、放空/排泥阀(8)、填料(9)、 封闭闸阀一(10)、三相分离器(11)、导气管(12)、封闭闸阀二(13)、 超声波振盒(14)、膜组件(15)、超声波发生器(16)、旋转电机(17)、 压力表(18)、抽吸水泵(19)、流产水流量计(20)、产水水箱(21)、 化学清洗剂储罐(22)、反洗水泵(23)、反洗水管道一(24)、反洗 水管道二(25)以及多个连接管路和阀门;其特征在于：膜生物反应 器(3)为中空容器，于膜生物反应器(3)内，下部设有穿孔布水器 (4)，中部设有三相分离器(11)，上部设有膜组件(15);穿孔布水 器(4)的上方设有曝气器(5)，曝气器(5)与三相分离器(11)之 间作为接触氧化区，接触氧化区内装填有填料(9)，膜组件(15)所 在的区域为膜反应区;
污水提升泵(1)的出水口通过蝶阀和流量计与调节池(2)上端 进水口相连通，调节池(2)下端出水口通过管路与膜生物反应器(3) 内的穿孔布水器(4)相连;曝气器(5)通过曝气气体流量计(6) 及启闭蝶阀与曝气风机(7)的出口相连通;
三相分离器(11)顶部设有用以将接触氧化区剩余气量导入上部 膜反应区的导气管(12)，将接触氧化区剩余气用做膜组件(15)的 气洗源;超声波振盒(14)设置在膜生物反应器(3)的内壁与膜组 件(15)之间，超声波振盒(14)通过信号线与膜生物反应器(3) 外部的超声波发生器(16)信号连接;膜组件(15)采用GHK旋转 膜过滤组件立式安装，GHK旋转膜过滤组件由旋转电机(17)及摆 线针轮减速机带动下顺时针转动，GHK旋转膜过滤组件中心总出水 管与转动轴连接，中心总出水管开孔与转动接头连接，转动接头与出 水管连接，出水管通过压力表(18)与抽吸水泵(19)进水口相连接， 抽吸水泵(19)出水口通过流产水流量计(20)与产水水箱(21)进 水口连通;化学清洗剂储罐(22)罐体通过隔膜计量泵与反洗水管道 一(24)相连通，反洗水管道一(24)出口设置在膜组件(15)与导 气管(12)之间的膜生物反应器(3)中部，出口处于膜生物反应器 (3)内;反洗水管道一(24)进口与反洗水泵(23)出水口相连， 反洗水泵(23)进水口与产水水箱(21)出口相连，反洗水泵(23) 的出水口通过反洗水管道二(25)与膜生物反应器(3)内的接触氧 化区相连通;
封闭闸阀一(10)设置在三相分离器(11)与接触氧化区之间， 用于分隔三相分离器(11)与接触氧化区;封闭闸阀二(13)设置在 三相分离器(11)与膜反应区之间，用于分隔三相分离器(11)与膜 反应区，便于膜生物反应器(3)上下部分别清洗;膜生物反应器(3) 底部设有带放空/排泥阀(8)的物料出口。
2.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其特 征在于：所述的穿孔布水器(4)采用一管多孔布水方式，沿反应器 底部设置总布水管，间隔设置配水横管，管上等间距开孔，配水管直 径50～100cm，配水管中心距底部20～25cm，孔径15～25mm;
所述的曝气器(5)采用固定平板微孔曝气器，直径200mm，平 均孔径100～200μm，孔隙率40～50%，氧利用率20～25%，服务面积 0.3～0.75m2/个。
3.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其 特征在于：所述的膜生物反应器(3)底部为倒圆锥台型结构，通过 放空/排泥阀(8)控制污泥停留时间5～30d。
4.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其 特征在于：所述的填料(9)采用尼龙软性纤维填料，纤维素长度 120～160mm，素间距离60～80mm，孔隙率大于70%，理论比表面积 1400～2400m2/m3;
所述的超声波振盒(14)处于三相分离器(11)的上方，采用投 入振板型，同频对振清洗方式，功率密度31W/L，清洗频率40KHz， 清洗时间5min，清洗时间间隔24h。
5.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其 特征在于：于反洗水管道一(24)和反洗水管道二(25)上设有阀门。
6.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其 特征在于：所述的膜组件(15)采用孔径0.1μm聚偏氟乙烯膜，板框 式膜通量10～40L/m2·h，每个组件过滤面积2287m2。
7.根据权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置，其 特征在于：所述的化学清洗剂储罐(22)由酸罐(HCl)、碱罐(NaOH)、 次氯酸钠罐(NaClO)、柠檬酸罐组成，各罐体容积1m3。
8.一种权利要求1所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置处理 污水的方法，其特征在于：所述的方法是按照以下步骤进行的：
一/将待处理的污水经过预处理，由污水提升泵(1)泵入调节池 (2)，调节池(2)设置搅拌器和排泥泵，将待处理的污水进行均质 均量，调节池(2)均质后的待处理污水通过重力自流进入膜生物反 应器(3)下部，通过穿孔管布水器(4)均匀布水，生物接触氧化区 MLSS 6000～10000mg/L;
二/污水在接触氧化区曝气器(5)曝气的作用下，经过接触氧化 区填料(9)层，水质的有机物得到有效去除，有机负荷1.0～2.0kg BOD/m3·d，水力停留时间4～6h，供气量1:5～20;
三/三相分离器(11)将生物接触氧化区的泥/水/气进行分离，活 性污泥被截留在接触氧化区，净化后的污水经过气封与三相分离器 (11)的狭缝进入上部膜反应区，三相分离器(11)顶部连接的导气 管(12)将下部生物接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区;
四/污水进入膜生物反应器(3)上部膜反应区，透过膜片，经由 抽吸水泵(19)的作用，进入到产水水箱(21)，多余的水通过膜生 物反应器(3)的溢流管导入调节池(2)进一步起到抗击冲击负荷的 作用;同时在气泡上升作用、膜组件(15)旋转剪切力的作用，以及 水流冲刷的作用下，实现对膜组件(15)的初步清洗;
五/超声波膜清洗：膜组件(15)间隔24h通过超声波振盒(14) 与超声波发生器(16)的超声作用，进行超声清洗;
六/接触氧化区清洗：关闭封闭闸阀一(10)，接触氧化区填料(9) 间隔2～3d，通过反洗水泵(23)、曝气风机(7)进行一次气/水反洗， 水洗强度4～7L/m2·s，气洗强度15～20L/m2·s;清洗后打开放空/排 泥阀(8)排除污水;
七/化学法膜清洗：关闭封闭闸阀二(13)，间隔2～3个月，通过 化学清洗剂储罐(22)、反洗水泵(23)对膜组件(15)进行化学清 洗。
9.根据权力要求8所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置处理 污水的方法，其特征在于：步骤四所述抽吸水泵(19)的抽吸压力 10～60kpa。
10.根据权利要求8所述的减缓膜污染的膜生物反应器装置处理 污水的方法，其特征在于：步骤六所述的气/水反洗为气洗10min，气 水联合反洗10min，水洗10min。
说明书
一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方法
技术领域：
本发明涉及污水处理领域，具体是一种减缓膜污染的膜生物反 应器装置及污水处理方法。其集合了三相分离、超声波、GHK旋转 膜过滤、在线化学清洗等多项技术。
背景技术：
膜生物反应器(MBR)是一种新型高效的污水处理工艺，得到 世界各国的广泛关注。膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应 器内，实现了水力停留时间和污泥龄的分离，更有效地降解有机物; 并通过膜分离装置代替传统工艺中的二沉池，减少占地面积;解决了 传统活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质 不达标及中水回用率低的问题。新型高效的膜生物反应器已经成为污 水处理及回用的重要发展趋势。
膜污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，增加膜生物反 应器的运行成本，是限制膜生物反应器大范围应用的瓶颈问题。导致 膜污染发生的原因主要有5个：1)膜对溶液中溶质及胶体的吸附;2) 污泥絮体在膜表面的沉积;3)膜表面滤饼层的形成;4)剪切力导致 的污染物的分离扩散;5)长期运行过程中污染物在组成及性质上发 生的变化。其中，膜污染又可以分为可恢复污染和不可恢复污染，可 恢复污染可以通过物理方法(曝气、反洗等)和化学方法(次氯酸钠、 氢氧化钠、无机酸等浸泡清洗)去除。
三相分离器主要用于气-固-液三相分离设备。常见于污水处理 中厌氧生物反应器。气体上升进入分离器顶部沿导气管排出，污泥颗 粒沿斜板自动滑落被截留在下部污泥区，污水进入上部的澄清区而后 出水。
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及 直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、 剥离而达到清洗目的。
旋转膜过滤是德国GHK环境技术有限公司推出的一项新型膜 分离技术。固定在管轴上的膜过滤板在转动电机带动下，在MBR反 应器内旋转，在气泡冲刷、旋转剪切、污水喷射等多重作用下可有效 减缓膜污染，且保证各膜组件受到的清洗强度均匀。但由于其转动设 备长期浸没在水体中，使得工程造价、运营成本幅度提高，日常维护 保养不便。本发明借鉴膜旋转理论，设计出更符合我国污水处理的立 式安装旋转膜过滤组件。
发明内容：
针对传统膜生物反应器膜表面污染严重、曝气清洗能耗高等问 题，本发明提供了一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方 法。本发明利用三相分离器将膜生物反应器分成上下两个部分，下部 为接触氧化区，上部为膜反应区。三相分离器将气-固-液进行分离， 使下部分接触氧化区保持较高的生物量，并将收集的气体用于膜反应 区搅拌和膜面冲刷，降低曝气能耗;膜反应区配置超声波清洗设备， 利用超声波“空化作用”，有效防止膜表面形成凝胶层，降低膜污染; 与此同时，三相分离器把接触氧化区和膜反应区分开，避免超声波对 活性污泥絮体的破坏;旋转膜过滤组件产生的剪切力作用可有效减缓 膜污染速度，同时也可使整个膜组件受到均等清洗强度，减小清洗死 角;为避免膜组件化学清洗需要重复拆装，膜反应区配置在线化学清 洗设备;接触反应区具有气水联合反洗功能。膜组件在旋转剪切、气 泡冲刷、污水升流的三维力场作用下，可最大限度减小膜面浓差极化、 凝胶层、滤饼层等因素引起的膜污染，同时配置在线超声波、化学清 洗设备，可使膜组件尽快恢复通量，便于运行管理。
本发明的减缓膜污染的膜生物反应器装置，包括：污水提升泵、 调节池、膜生物反应器、穿孔布水器、曝气器、曝气气体流量计、曝 气风机、放空/排泥阀、填料、封闭闸阀一、三相分离器、导气管、 封闭闸阀二、超声波振盒、膜组件、超声波发生器、旋转电机、压力 表、抽吸水泵、流产水流量计、产水水箱、化学清洗剂储罐、反洗水 泵、反洗水管道一、反洗水管道二以及多个连接管路和阀门;膜生物 反应器为中空容器，于膜生物反应器内，下部设有穿孔布水器，中部 设有三相分离器，上部设有膜组件;穿孔布水器的上方设有曝气器， 曝气器与三相分离器之间作为接触氧化区，接触氧化区内装填有填 料，膜组件所在的区域为膜反应区;
污水提升泵的出水口通过蝶阀和流量计与调节池上端进水口相 连通，调节池下端出水口通过管路与膜生物反应器内的穿孔布水器相 连;曝气器通过曝气气体流量计及启闭蝶阀与曝气风机的出口相连 通;
三相分离器顶部设有用以将接触氧化区剩余气量导入上部膜反 应区的导气管，将接触氧化区剩余气用做膜组件的气洗源;超声波振 盒设置在膜生物反应器的内壁与膜组件之间，超声波振盒通过信号线 与膜生物反应器外部的超声波发生器信号连接;膜组件采用GHK旋 转膜过滤组件立式安装，GHK旋转膜过滤组件由旋转电机及摆线针 轮减速机带动下顺时针转动，GHK旋转膜过滤组件中心总出水管与 转动轴连接，中心总出水管开孔与转动接头连接，转动接头与出水管 连接，出水管通过压力表与抽吸水泵进水口相连接，抽吸水泵出水口 通过流产水流量计与产水水箱进水口连通;化学清洗剂储罐罐体通过 隔膜计量泵与反洗水管道一相连通，反洗水管道一出口设置在膜组件 与导气管之间的膜生物反应器中部，出口处于膜生物反应器内;反洗 水管道一进口与反洗水泵出水口相连，反洗水泵进水口与产水水箱出 口相连，反洗水泵的出水口通过反洗水管道二与膜生物反应器内的接 触氧化区相连通;
封闭闸阀一设置在三相分离器与接触氧化区之间，用于分隔三相 分离器与接触氧化区;封闭闸阀二设置在三相分离器与膜反应区之 间，用于分隔三相分离器与膜反应区，便于膜生物反应器上下部分别 清洗;膜生物反应器底部设有带放空/排泥阀的物料出口。
所述的穿孔布水器采用一管多孔布水方式，沿反应器底部设置 总布水管，间隔设置配水横管，管上等间距开孔，配水管直径 50～100cm，配水管中心距底部20～25cm，孔径15～25mm。
所述的曝气器采用固定平板微孔曝气器，直径200mm，平均孔 径100～200μm，孔隙率40～50%，氧利用率20～25%，服务面积 0.3～0.75m2/个。
所述的膜生物反应器底部为倒圆锥台型结构，通过放空/排泥 阀控制污泥停留时间5～30d。
所述的填料采用尼龙软性纤维填料，纤维素长度120～160mm， 素间距离60～80mm，孔隙率大于70%，理论比表面积 1400～2400m2/m3。
所述的超声波振盒处于三相分离器的上方，采用投入振板型，同 频对振清洗方式，功率密度31W/L，清洗频率40KHz，清洗时间5min， 清洗时间间隔24h。
于反洗水管道一和反洗水管道二上设有阀门。
所述的膜组件采用孔径0.1μm聚偏氟乙烯膜(PVDF)，板框 式膜通量10～40L/m2·h，每个组件过滤面积2287m2。
所述的化学清洗剂储罐由酸罐(HCl)、碱罐(NaOH)、次氯 酸钠罐(NaClO)、柠檬酸罐组成，各罐体容积1m3。
本发明的一种减缓膜污染的膜生物反应器装置处理污水的方 法，是按照以下步骤进行的：
一/将待处理的污水经过预处理，由污水提升泵泵入调节池， 调节池设置搅拌器和排泥泵，将待处理的污水进行均质均量，调节池 均质后的待处理污水通过重力自流进入膜生物反应器下部，通过穿孔 管布水器均匀布水，生物接触氧化区MLSS 6000～10000mg/L;
二/污水在接触氧化区曝气器曝气的作用下，经过接触氧化区 填料层，水质的有机物得到有效去除，有机负荷1.0～2.0kg BOD/m3·d， 水力停留时间4～6h，供气量1:5～20;
三/三相分离器将生物接触氧化区的泥/水/气进行分离，活性污 泥被截留在接触氧化区，净化后的污水经过气封与三相分离器的狭缝 进入上层膜反应区，三相分离器上端连接的导气管将下部生物接触氧 化区剩余气量导入上部膜反应区;
四/污水进入膜生物反应器上部膜反应区，透过膜片，经由抽 吸水泵的作用，进入到产水水箱，多余的水通过膜生物反应器溢流管 导入调节池进一步起到抗击冲击负荷的作用;同时在气泡上升作用、 膜组件旋转剪切力的作用，以及水流冲刷的作用下，实现对膜组件的 初步清洗。
五/超声波膜清洗：膜组件间隔24h通过超声波振盒与超声波 发生器的超声作用，进行超声清洗;
六/接触氧化区清洗：关闭封闭闸阀一，接触氧化区填料间隔 2～3d，通过反洗水泵、曝气风机进行一次气/水反洗，水洗强度 4～7L/m2·s，气洗强度15～20L/m2·s;清洗后打开放空/排泥阀排除 污水。
七/化学法膜清洗：关闭封闭闸阀二，间隔2～3个月，通过化 学清洗剂储罐、反洗水泵对膜组件进行化学清洗。
步骤四所述抽吸水泵的抽吸压力10～60kpa。
步骤六所述的气/水反洗为气洗10min，气水联合反洗10min， 水洗10min。
本发明装置形成的气-液-固三相各自的运行途径：(1)污水： 待处理的污水进入膜生物反应器的下部接触氧化区，然后通过三相分 离器的缝隙流向上部膜反应区，通过抽吸水泵抽吸和膜组件的过滤作 用实现达标排放;(2)气体：本发明装置内，下部设有曝气装置为膜 生物反应器接触氧化区提供溶解氧，气泡经过三相分离器连接的导气 管导入上部膜反应区，作为膜片气体冲刷的气源;(3)污泥：集中在 接触氧化区，是生物膜脱落形成的，污泥浓度MLSS控制在 6000～10000mg/L，当浓度超过限制时，通过底部排泥阀排除。
本发明的有益效果为：本发明将三相分离器设置在膜生物反应 器内，形成了上部膜反应区下部接触氧化区的污水处理装置。接触氧 化区装填尼龙软性纤维填料，兼有活性污泥法和生物膜法特点，生物 种类丰富生物量大，强化了生化处理效果，同步实现脱氮除磷;三相 分离器实现了气-水-污泥的分离，污泥被截留在接触氧化区，保证接 触氧化区的生化处理效果，同时减缓了膜反应区膜片的污染速度。空 气由下向上，经过接触氧化区被三相分离器阻挡，通过顶部连接的导 气管用以将接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区，气体用做膜组件 的气洗源，节约能耗;膜组件采用GHK旋转膜过滤组件，增加旋转 剪切力作用有利于减缓膜片污染，同时也可保证各膜片清洗强度均 匀，减少清洗死角;设置在线超声波清洗、化学清洗设备，减少膜片 清洗过程中的拆装工序，在尽快恢复膜通量的同时，节约操作时间和 人力物力支出成本。
本发明在保留原膜生物反应器的优点的同时，通过将膜组件与 生化处理系统分开，GHK旋转膜过滤组件，可有效减缓膜污染，降 低膜通量衰减速度，延长膜使用寿命。接触氧化区增加生物填料，强 化处理效果，污水处理质量稳定。超声波的“空化作用”可弥补常规 清洗的不足。在线气水联合反洗、超声波及化学清洗设备减少人力物 力消耗，节省成本，便于运行管理。因此，本发明具有处理效率高、 膜污染小、出水水质稳定、占地面积少、能耗成本低、操作管理方便 等优点。
