申请日2010.03.17
公开(公告)日2010.07.28
IPC分类号C02F3/12; C02F9/02
摘要
一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法，属于环境工程技术领域。其特征是应用无纺布包裹管壁开孔的中空管制作管式过滤组件，并由电动机带动固定于圆盘上的管式过滤组件旋转，在抽吸泵作用下，处理水进入管式过滤组件中空的内部，通过圆盘上径向集水管汇集至总集水管后排出。本发明采用无纺布制作过滤组件，成本低廉;无纺布表面动态膜用于提高过滤精度，而转速根据操作压力的变化而调控，可以有效保持动态膜的适当厚度，保障反应器的持久稳定运行。本发明的效果和益处是采用高氧利用率的微孔曝气器，降低能耗。管式过滤组件可单独拆卸，操作简单方便。
权利要求书
1.一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法，其特征在于：
a)采用孔径3-5微米无纺布作为廉价基材，将其包裹在管壁开孔的中空管上形成管式过滤组件，过滤组件上部密封，下部留有出水口，过滤面积≤3m2;
b)过滤组件垂直安置，相互平行，呈环状均匀排列，利用上不圆盘的插孔和下部圆盘的插槽固定在反应器两个圆盘之间，每个管式过滤组件单独从插槽及插孔中取出，进行无纺布的更换;
c)下部圆盘中央设有总集水管，圆盘内部沿半径方向设有两端分别连接管式过滤组件出水口及总集水管的径向集水管，处理水在抽吸泵作用下进入过滤组件中空的内部，通过径向集水管汇集至总集水管后经出水管排出;
d)下部圆盘中央固定于反应器底部的旋转子上，旋转子通过法兰固定在反应器底部，并与反应器外从动齿轮同轴相连，并在主动齿轮的带动下，旋转子实现转动，主动齿轮由电动机控制转速;
e)反应器运行初始，转速小于10rpm，动态膜形成后，转速提高至10-20rpm，当反应器出水真空表数值升高至10KPa时，转速提高至20-30rpm，并通过时间继电器控制正反转时间，提高活性污泥混合液紊动效果。
2.根据权利要求1所述的一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法，其特征在于：反应器底部安置微孔曝气管。
说明书
旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及膜生物反应器工艺成本降低、膜污染控制实现的方法。
背景技术
我国水资源匮乏，是世界上13个贫水国之一。全国600余座城市中已有400余座缺水，因缺水而减少的工业产值每年超过1200亿元。利用水质和水价较生活饮用水低的中水绿化、洗车、冲洗卫生器具等，可以节约宝贵的水资源，缓和城市水的供需矛盾，还可减轻城市排水系统的负担。膜生物反应器(membranebioreactor，MBR)被认为是最有发展前途的污水处理与回用技术之，其本身可以替代传统污水处理工艺中的活性污泥池、二沉池、滤池三项工艺，出水仅需投加少量消毒剂，避免发生二次污染就可以实现回用，而且污泥产量低、占地面积小、操作方便。但一种工艺的广泛应用不仅取决于自身的技术可行性，还取决于其经济可行性，膜组件价格昂贵和膜污染不易控制是阻碍MBR推广应用的主要问题。在处理规模为240m3/d的污水回用系统中，一体式膜生物反应器中膜组件费用占总投资比例为57.3%，膜的更换费用占运行费用的58%，动力费用占运行费用的21%;为延缓膜污染，膜生物反应器工艺气水比通常在40∶1左右，曝气的能耗占动力费用的96%以上。
山东大学邱宪峰等人构建了内循环动态膜生物反应器以尝试提高反应器错流速度、抑制膜污染。反应器整体结构由外筒和内筒组成，膜组件置于内筒，利用曝气管在内筒外侧进行曝气，向混合液供氧并推动混合液在反应器内形成环流。反应器膜污染情况较常规膜生物反应器有一定改善，但效果不够理想，需定期进行大曝气量反冲洗，平均反冲洗周期为54.8h。同样是为解决膜污染问题，武汉科技学院左丹英等人设计了转盘式平板膜生物反应器。作为膜材料的PVDF膜包覆在旋转盘上下表面，依靠转盘旋转清洗膜表面。但因转盘设置为竖直方向上串联，曝气剪切力无法再作用于膜表面;且上表面污染后不易清洗，反冲洗通量恢复率在30%左右;更使串在中间位置的膜片更换困难。为降低膜组件的价格，清华大学致力于研究在孔径为100μm的筛绢上利用微生物及其代谢产物形成的动态膜进行过滤。结果表明，系统对COD的总去除率基本上大于80%，但是，动态膜表面污染严重，而为避免操作压力过高而进行的下方曝气会使动态膜完全破坏，出水SS平均达到2270mg/l，35min后动态膜才会重新形成，因此需要增加将下方曝气后一段时间内的出水返回处理的装置，在出水水质和系统操作的稳定性方面还存在问题，距实际应用还有差距。另外，传统膜生物反应器为增大剪切力均采用大孔曝气，氧利用率低，能耗增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制膜污染、并降低膜组件成本的污水处理方法，用该方法设计及建造膜生物反应器，不仅能够使其保持膜生物反应器的所有优点，而且能够有效克服桎梏膜生物反应器工艺广泛应用的膜污染不易控制、膜组件成本较高的缺点，并由此降低曝气所需能耗，使膜生物反应器工艺的工程应用实现投资及运行费用大幅度降低，从而促进该工艺的推广和普及。
实现本发明所述应用旋转管式无纺布动态膜生物反应器实现污水处理的技术方案是：
采用孔径3-5微米无纺布作为廉价基材，将其包裹在管壁开孔的中空管上形成管式过滤组件，过滤组件上部密封，下部留有出水口。中空管壁在满足管材强度的要求下使孔隙率最高。过滤组件垂直安置，相互平行，呈环状均匀排列，利用上下圆盘的插孔和下部圆盘的插槽固定在反应器两个圆盘之间。上下圆盘由中心圆柱通过螺纹连接，此结构及固定于圆盘间的管式过滤组件组成独立整体，可单独拆卸;每个管式过滤组件可单独从插槽及插孔中取出，进行无纺布的更换。下部圆盘中央固定于反应器底部的旋转子上。旋转子通过法兰固定在反应器底部，并与反应器外的齿轮同轴相连，该齿轮称为从动齿轮，在主动齿轮的带动下，旋转子实现转动。主动齿轮由电动机控制转速。下部圆盘中央设有总集水管，圆盘内部沿半径方向设有和管式过滤组件对应的径向集水管，径向集水管两端分别连接管式过滤组件出水口及总集水管，总集水管和外部出水管相连接，污水经活性污泥降解和无纺布上由微生物及其代谢物组成的动态膜过滤，在抽吸泵作用下进入过滤组件中空的内部，通过径向集水管汇集至总集水管后经出水管排出。
包覆无纺布的管式过滤组件及无纺布表面由微生物及其代谢物组成的动态膜组成管式膜组件，其稳定状态时通量维持在40-80L/h·m2之间，为保证无纺布表面形成均匀动态膜并便于拆洗更换，过滤面积≤3m2，生物反应器中管式膜组件个数由处理水量除以单个膜组件通量和过滤面积的乘积确定。旋转产生剪切力可以有效延缓膜污染，并保证活性污泥悬浮，对于曝气的剪切力需求降低，因此，本发明中曝气量显著降低，仅需满足反应器中活性污泥混合液溶解氧需求即可。为进一步降低能耗，本发明中反应器底部安置微孔曝气管，取代传统膜生物反应器中大孔曝气器，氧的利用率10%左右;微孔曝气管曝气可有效提高氧的利用效率至30%左右，降低能量消耗。
反应器运行初始，使管式过滤组件缓慢旋转，转速小于10rpm，使无纺布表面形成均匀动态膜，提高过滤精度。动态膜形成后，转速提高至10-20rpm，防止动态膜过厚造成操作压力提高;当反应器出水真空表数值升高至10KPa以上时，进一步提高转速至20-30rpm，并通过时间继电器控制正反转时间，提高活性污泥混合液紊动效果，提高作用于膜面的剪切力，延缓膜污染。
处理生活污水COD浓度在300-500mg/l时，生物反应器内水力停留时间不小于6小时;处理生活污水COD浓度在600-1000mg/l时，生物反应器内水力停留时间不小于8小时。生物反应器容积满足水力停留时间要求的同时，活性污泥混合液的最低液位与膜组件上缘保持一定距离。
本发明的效果和益处是：
1.无纺布价廉易得，约20元/m2的价格远远低于中空纤维膜400元/m2的价格，从而可大幅度降低成本。
2.所设计的旋转管式无纺布动态膜生物反应器，无纺布表面动态膜的形成有利于提高过滤精度，而转速根据操作压力的变化而调控，可以有效保持动态膜的适当厚度，延缓因动态膜过厚而导致操作压力急剧升高，保障旋转管式无纺布动态膜生物反应器的持久稳定运行。
3.旋转产生剪切力可以有效延缓膜污染，并保证活性污泥悬浮，因此，本发明中对于曝气产生剪切力的需求降低，采用氧利用率更高的微孔曝气器，可以显著降低能耗。
4.当反冲洗通量恢复率降低时，管式过滤组件可以方便地从上下圆盘插槽及插孔中取出，更换无纺布，操作简单。
旋转管式无纺布动态膜生物反应器工艺出水水质可满足中水回用要求，可用来洗车、绿化和冲厕，而且成本低廉、抗污染性能强、操作简单。旋转管式无纺布动态膜生物反应器在污水处理和中水回用领域中具有广泛的应用前景，如：无排水管网系统的地区，如度假区、旅游风景区;有中水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业;现有的城市污水处理厂的更新升级等。
