申请日2007.03.23
公开(公告)日2007.09.26
IPC分类号C02F3/12; C02F3/30; C02F3/02; C02F3/10
摘要
一种外置式膜生物反应器系统，它包括曝气池和膜组件;所述曝气池包括污水进料口、混合缺氧段、潜水推进器、分隔墙、好氧段、输送水管和曝气管;所述膜组件包括箱体外壳和分离膜;所述膜组件的箱体外壳侧上方设有污泥回流管，该污泥回流管与曝气池混合缺氧段相通连接;所述膜组件箱体外壳的上部设有滤过液出口;所述外壳的下部设吹扫管进气口和污水进水口，所述吹扫管进气口外接气源，所述污水进水口和曝气池好氧区输送水管相通连接;所述分离膜是中空纤维膜丝。该膜生物反应器系统可以人工移动，不需吊装，不需复杂昂贵的定位系统，制造价格便宜;同时也解决了输送的能耗高、吹扫的能耗高及应用于高污泥浓度时很难供氧等缺陷。
权利要求书
1、一种外置式膜生物反应器系统，它包括曝气池和膜组件;其特征在于：
所述曝气池包括污水进料口、混合缺氧段、潜水推进器、分隔墙、好氧段、 输送水管和曝气器;所述曝气池中设两道分隔墙，该分隔墙将曝气池分为混合 缺氧段和好氧段;所述混合缺氧段和好氧段之间的分隔墙上设潜水推进器，该 潜水推进器将污水从混合缺氧段输送到好氧段;所述好氧段中设有曝气器，该 曝气器外接气源;
所述膜组件包括箱体外壳和分离膜;所述膜组件的箱体外壳侧上方设有污 泥回流管，该污泥回流管与曝气池混合缺氧段相通连接;所述膜组件箱体外壳 的上部设有滤过液出口;所述箱体外壳的下部设吹扫管进气口和污水进水口， 所述吹扫管进气口外接吹扫气源，所述污水进水口和曝气池好氧段末端输送水 管相通连接;所述分离膜是中空纤维膜。
2、根据权利要求1所述的外置式膜生物反应器系统，其特征在于：所述中 空纤维膜是下端封闭的U形外压式孔径为0.4微米以下的中空纤维膜丝，该中空 纤维膜丝在膜组件箱体外壳体内一排排有序地排列。
3、根据权利要求1或2所述的外置式膜生物反应器系统，其特征在于：所 述中空纤维膜丝上端的各排纤维束之间设有倒凹形导流槽，即将中空纤维膜丝 呈一排排状粘接固定，在每排中空纤维膜丝之间做成深度为2～15厘米的倒凹 形导流槽。
4、根据权利要求3所述的外置式膜生物反应器系统，其特征在于：所述中 空纤维膜丝下端的纤维丝的“U”形底部内侧设吹扫管。
5、根据权利要求1所述的外置式膜生物反应器系统，其特征在于：所述膜 组件箱体外壳底部设排污口。
6、根据权利要求1所述的外置式膜生物反应器系统，其特征在于：所述曝 气器是释放0.2毫米直径以下微气泡的雾状曝气器、旋混曝气器或透气性微孔 膜。
7、一种外置式膜反应器系统处理污水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)污水预处理：除去污水中的固态杂物、油脂、对生物有害的重金属及生 物难以降解的或浓度过高的有机污染物，预处理后的水温保持在10℃～40℃ 之间;预处理后的污水送入曝气池混合缺氧段;
2)污水与活性污泥的混合：污水与活性污泥在混合缺氧段11形成混合液; 该混合液通过潜水推进器12输送到好氧段14，同时，曝气器16进行曝气供氧， 污水中的有机污染物降解;
3)混合液输送：由于曝气池中设两道分隔墙，将曝气池分为混合缺氧段和 好氧段，利用混合缺氧段和好氧段之间的分隔墙上设的潜水推进器和吹扫气与 浓缩污泥产生的气水混合体的共同提升作用，在好氧段和混合缺氧段之间分隔 墙两侧产生的0.3米以上的液位差作为向膜组件输送混合液的动力;通过该液 位差产生的重力作用，推动曝气池好氧段中的混合液由好氧段末端输送水管输 送至膜组件，并将经过膜组件分离后的浓缩污泥通过污泥回流管输送回曝气池 混合缺氧段;
4)污水膜分离：将污水在膜组件中进行分离。
8、根据权利要求7所述的外置式膜反应器系统处理污水的方法，其特征在 于，所述污水膜分离的方法是：将好氧段的混合液通过输送水管输送到膜组件 箱体外壳体内;混合液中的水分子穿过中空纤维膜丝的表面进入其中空腔内， 从膜组件箱体外壳的上部滤过液出口流出，得到处理后的滤过液;在混合液进 行膜过滤的同时，通过吹扫管向“U”型中空纤维膜丝之间通入吹扫气;吹扫气 泡上升，不但对中空纤维膜丝进行吹扫，而且对倒凹型导流槽进行冲刷，防止 污泥在中空纤维膜丝与组件连接处堆积堵塞;分离后的浓缩污泥通过污泥回流 管输送至曝气池混合缺氧段循环使用。
9、根据权利要求7所述的外置式膜反应器系统处理污水的方法，其特征在 于：通过曝气器曝气的气源是氧浓度达70～95%的富氧气。
10、根据权利要求7所述的外置式膜反应器系统处理污水的方法，其特征 在于：所说膜组件吹扫管中的吹扫气采用波浪式送风，即两膜组件或两组膜组 件群之间用一只旋转三通阀控制供气;所述旋转三通阀底部设有进气口，左右 两侧设有出气口，阀体内设阀芯，所述阀芯上设有调节孔，该阀芯为带孔半球 面。
说明书
一种用于污水处理的外置式膜生物反应器系统及其处理污水的方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理设备及其处理污水的方法，尤其是涉及一种用于 污水处理的外置式膜生物反应器系统及其处理污水的方法。
背景技术
自20世纪70年代以来，膜生物反应器开始应用于污水处理工程。膜生物 反应器为传统生化和膜过滤找到了结合和发展的契机，在市场上展现了它的强 大生命力，因此，它逐渐在生活污水和工业废水处理领域得到越来越广泛的应 用。
目前，膜生物反应器在市场上的应用主要有两种形式：浸没式膜生物反应 器和外置式膜生物反应器。其基本的工作方式如下：
生活污水或工业污水在进入膜生物反应器系统之前首先需要经过预处理。 对于生活污水来说，主要是先去除原水中的头发、塑料、布条和铁丝等杂物及 砂粒等固形物，而工业污水预处理在考虑去除上述固形物的同时，还要考虑除 去原水中过量的油脂、对生物有害的重金属及生物难以降解的或浓度过高的有 机污染物，同时还要考虑水温能够达到生物的耐受水平。经过预处理后污水便 进入膜生物反应器系统。
膜生物反应器系统一般包括四部分：
1)0.3～1毫米孔隙的保安性预过滤器;
2)生物降解单元;
3)膜分离区;
4)膜清洗设备、曝气设备及水输送设备。
污水经过预处理后，首先流经0.3～1毫米孔隙的保安性预过滤器，以确保 滤除污水中会造成膜丝割伤的大颗粒坚硬物体。然后，污水便进入生物降解单 元。
生物降解单元通常根据污水来水的不同水质，设计成不同的生化工艺，如： 厌氧生化工艺、好氧生化工艺、缺氧—好氧生化工艺、厌氧—缺氧—好氧生化 工艺及上述生化工艺的组合形式，对污水中的污染物进行有效的生物降解。以 污染物为食物来源的微生物，在生物降解单元内形成稳定的有机物降解生物群 ——活性污泥，在人工控制的曝气供氧环境中，将污水中的有机污染物降解， 并最终生成水、二氧化碳和生物细胞。
由污水与活性污泥形成的混合液，经过生物降解后需进行固液分离。在传 统的活性污泥生化工艺中，该固液分离过程是由二沉池通过自然沉降过程完成 的，沉降分离出的活性污泥被循环输送回生物降解单元，部分剩余污泥则被输 送到污泥脱水系统进行干化处理。而膜生物反应器单元是利用0.4微米孔径以 下的，可以阻止微生物和细菌通过，并可让水分子顺利通过的微滤膜或超滤膜， 在膜两侧压差的作用下，将水与活性污泥及其它固体物质进行分离。膜生物反 应器不仅取代了传统生化工艺的二沉池，而且可获得以下几个传统生化工艺无 法比拟的优点：
1、由于膜的孔径微小，只有0.4微米以下，能够高效地进行固液分离，分 离效果远好于传统的沉淀池，出水水质清澈透明(一般出水浊度<0.2NTU)，并 且稳定可靠，可直接回用于工业循环水、杂用水或直接做为反渗透供水。
2、传统活性污泥法的沉淀部分对活性污泥的浓度有所限制，当活性污泥浓 度达到5000～6000毫克/升时，便会因固液分离困难而引起出水水质变差。当进 水突然变化产生冲击负荷时，由于活性污泥絮体密度和生物形态发生变化，亦 会引起大量生物污泥流失，导致出水水质变差，甚至生化系统崩溃。采用膜生 物反应器后，由于膜的高效截留作用，使微生物完全被阻隔在曝气池内，实现 了在膜生物反应器内维持高浓度活性污泥的可能，使池内的活性污泥浓度可达 到8000~15000毫克/升，这种高浓度活性污泥的运行方式，不但耐冲击负荷，避 免活性污泥流失，显著减少了污水处理系统的占地，而且大大提高了对污水中 化学需氧量(COD)、有机污染物和色度的去除率。
3、膜分离使污泥龄增加，由于高浓度活性污泥的表面吸附作用，使污水中 的大分子难降解成分在生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有 机物的降解效率。它还有利于增殖缓慢的硝化细菌及其它细菌的截留、生长和 繁殖，系统硝化效率等各项指标得以提高，反应时间也大大缩短。
目前，在世界水处理领域应用的膜生物反应器有两大类：一类是浸没式膜 生物反应器，另一类是外置式膜生物反应器。
参见附图1，浸没式膜生物反应器是指将中空纤维膜丝或平板状膜制成的膜 组件1’，该膜组件1’直接浸入曝气池2’中，通常采用滤过液由膜丝或膜片外 侧向内侧流动的外压式膜组件，利用泵或虹吸作用完成固液分离过程。
但是，浸没式膜生物反应器系统目前的发展遇到了三大障碍：
1)膜组件浸没在3～5米的曝气池中，需要大量的定位不锈钢架及大型吊 装设备，价格昂贵。
2)由于膜组件是浸泡于活性污泥中，吹扫气的分布不均匀、膜组件中心部 分与边缘四周的密度差引起的水流和气流流态变化、无法实现对单个膜组件的 有效在线清洗，使得膜污染的防治和通量维持问题不能令人满意。
3)随着活性污泥浓度的提高，采用空气曝气向混合液中转移的溶解氧效率 迅速下降，动力消耗增加，活性污泥破碎严重;膜生物反应器应用于高污泥浓 度的优点由于空气曝气供氧能力的局限而难以实现。
参见附图2，外置式膜生物反应器是指将中空纤维膜丝或平板状膜制成的膜 组件1’，与生物降解单元2’(曝气池)分离开。污水在生物降解单元(曝气池) 完成处理过程后，混合液由输送泵送至膜组件进行固液分离，滤过液排出，浓 缩污泥返回生物降解单元(曝气池)。
外置式膜生物反应器系统目前的发展亦遇到了三大障碍：
1)由于膜组件外置，需用泵输送约3～5倍的混合液循环于曝气池和膜组 件之间，用于输送的能耗远超过浸没式膜组件。
2)由于目前市场上的外置式膜组件结构需要大量吹扫气，使用于吹扫的能 耗亦远超过浸没式膜组件。
3)随着活性污泥浓度的提高，采用空气曝气向混合液中转移的溶解氧效率 迅速下降，动力消耗增加，活性污泥破碎严重。膜生物反应器应用于高污泥浓 度的优点由于空气曝气供氧能力的局限而难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种外置式膜生物反应器系统。该膜生物 反应器系统可以人工移动，不需吊装，不需复杂昂贵的定位系统，制造价格便 宜;同时也解决了输送的能耗高、吹扫的能耗高及应用于高污泥浓度时难以供 氧等缺陷。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种用外置式膜反应器系统处理污水 的方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种外置式膜生物反应器系统，它包括曝气池和膜组件;
所述曝气池包括污水进料口、混合缺氧段、潜水推进器、分隔墙、好氧段、 输送水管和曝气器;所述曝气池中设两道分隔墙，该分隔墙将曝气池分为混合 缺氧段和好氧段;所述混合缺氧段和好氧段之间的分隔墙上设潜水推进器，该 潜水推进器将污水从混合缺氧段输送到好氧段;所述好氧段中设有曝气器，该 曝气器外接气源;
所述膜组件包括箱体外壳和分离膜;所述膜组件的箱体外壳侧上方设有污 泥回流管，该污泥回流管与曝气池混合缺氧段相通连接，该污泥回流管将经过 膜组件分离后的浓缩污泥输送回曝气池混合缺氧段;所述膜组件箱体外壳的上 部设有滤过液出口;所述箱体外壳的下部设吹扫管进气口和污水进水口，所述 吹扫管进气口外接吹扫气源，所述污水进水口和曝气池好氧段末端输送水管相 通连接;所述分离膜是中空纤维膜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中空纤维膜是下端封闭的U形外压 式孔径为0.4微米以下的中空纤维膜丝，该中空纤维膜丝在膜组件箱体外壳体内 一排排有序地排列;该中空纤维膜丝底部在水流中自由运动，以避免积泥和膜 丝间的粘连，亦可避免膜丝下端头在吹扫时应力集中的出现。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中空纤维膜丝上端的各排纤维束之 间设有倒凹形导流槽，即将中空纤维膜丝呈一排排状粘接固定，在每排中空纤 维膜丝之间做成深度为2～15厘米的倒凹形导流槽，使混合液不能汇集在中空 纤维膜丝上端根部，并使吹扫气流能有效地清洁膜丝上端的根部。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中空纤维膜丝下端的纤维丝的“U” 形底部内侧设吹扫管;该吹扫管能有效防止中空纤维膜丝下端之间的相互缠绕， 也减低了进水中硬颗粒物伤害膜丝的可能性。
作为上述技术方案的进一步改进，膜组件箱体外壳底部设排污口;该排污 口可排出对中空纤维膜丝极其不利的硬颗粒物沉淀，也可方便地在在线清洗后 从该排污口排净污泥。
为解决上述第二个技术问题，本发明一种用外置式膜反应器系统处理污水 的方法：包括如下步骤：
1)污水预处理：除去污水中的固态杂物、油脂、对生物有害的重金属及生 物难以降解的或浓度过高的有机污染物，预处理后的水温保持在10℃～40℃ 之间;预处理后的污水送入曝气池混合缺氧段;
2)污水与活性污泥的混合：污水与活性污泥在混合缺氧段形成混合液;该 混合液通过潜水推进器输送到好氧段，同时，曝气器进行曝气供氧，污水中的 有机污染物降解;
3)混合液输送：由于曝气池中设两道分隔墙，将曝气池分为混合缺氧段和 好氧段，利用混合缺氧段和好氧段之间的分隔墙上设的潜水推进器和吹扫气与 浓缩污泥产生的气水混合体的共同提升作用，在好氧段和混合缺氧段之间分隔 墙两侧产生的0.3米以上的液位差作为向膜组件输送混合液的动力;通过该液 位差产生的重力作用，推动曝气池好氧段中的混合液由好氧段末端输送水管输 送至膜组件，并将经过膜组件分离后的浓缩污泥通过污泥回流管输送回曝气池 混合缺氧段;
4)污水膜分离：将污水在膜组件中进行分离。
作为上述一种用外置式膜反应器系统处理污水的方法的进一步改进：所述 污水膜分离的方法是：将好氧段的混合液通过输送水管输送到膜组件箱体外壳 体内;混合液中的水分子穿过中空纤维膜丝的表面进入其中空腔内，从膜组件 箱体外壳的上部滤过液出口流出，得到处理后的滤过液;在混合液进行膜过滤 的同时，为防止膜表面污泥的堵塞;通过吹扫管向“U”型中空纤维膜丝之间通 入吹扫气;吹扫气泡上升，不但对中空纤维膜丝进行吹扫，而且对倒凹型导流 槽进行冲刷，防止污泥在中空纤维膜丝与组件连接处堆积堵塞;分离后的浓缩 污泥通过污泥回流管输送至曝气池混合缺氧段循环使用。
作为上述一种用外置式膜反应器系统处理污水的方法的进一步改进：曝气 池曝气的气源是氧浓度达70～95%富氧气;所述曝气器是释放0.2毫米直径以下 微气泡的雾状曝气器、旋混曝气器或透气性微孔膜。
由于富氧(含氧70～95%)生产技术的迅速发展，现在采用的变压吸附空分 制氧技术或真空变压吸附空分制氧技术，现场生产1立方米93%纯度的氧气只需 约0.45千瓦·时的电耗，因此利用此技术生产的氧气以富氧曝气形式用于膜生物 反应器系统中有其特别的优越性。利用富氧形式为膜生物反应器系统提供曝气 是本发明的显著优点之一。
由于采用空气曝气时，氧的分压只有21%，在30℃水温条件下，其在清水 中的饱和溶解氧值只有7.6mg/L，氧的溶解推动力不大，在污水中，特别是在 高污泥浓度的情况下，由于饱和溶解氧值更低，氧就更难溶入水中。为得到需 要的溶解氧量不得不加大曝气量，对于不同的生活污水和工业污水，去除每一 公斤的化学需氧量(COD)，供气量在50～100立方米之间，不仅极耗能，而且 使活性污泥大量破碎，导致泥水分离困难，膜污染加速。
富氧曝气的气源，其氧浓度达70～95%。如果采用变压吸附空分制氧方法制 得的富氧气，氧浓度为90～93%是经济最佳值。
曝气过程中氧的传输速率(即溶解氧浓度的变化率)和氧亏值成正比
dc/dt=KLA/V(Cs-CT)
式中KL——氧传递系数，h-1
Cs——饱和溶解氧浓度，mg/L
CT——实际溶解氧浓度，mg/L，氧亏值为(Cs-CT)
以90%氧纯度计算，根据氧分压和亨利定律可以推出：在相同条件下，90% 富氧与空气相比，在水中的饱和溶解氧值增加约3.3倍，在30℃水温条件下， 其在清水中的饱和溶解氧值可达32.7mg/L。如果实际要求达到溶解氧浓度3 mg/L，则空气曝气时氧亏值(氧饱和浓度和实际达到的溶解氧浓度之差)为4.6 mg/L，而富氧曝气时氧亏值高达29.7mg/L。显然，富氧曝气时溶解氧的增长推 动力是空气曝气时的29.7/4.6≈6.5倍。因此，运用富氧曝气就有效地解决了 膜生物反应器维持高污泥浓度时的供氧问题。根据试运行的结果，该方法氧的 利用率一般达80～90%。以80%计，并考虑一倍的余量，在去除每公斤化学需氧 量(COD)提供1公斤氧的条件下，向水中的富氧曝气量亦只有：
0.8×2×1÷1.33=1.2m3富氧气/kgCOD
由于富氧曝气只相当于空气曝气量的1～2%，所以不会破坏活性污泥絮体， 从而改善了污泥沉淀性状，减轻了胞外聚合物及微细污泥颗粒对膜造成的污染。
气泡的大小对氧转移过程影响很大。气泡过大时，由于气泡上升速度过快 及气泡内氧气与液膜接触不充分，会使氧转移效率下降，导致曝气量增加;气 泡过小时，则因为浮力太小，气泡顶端与水的撞击能力减弱，使与液体接触的 气膜更新受阻，导致气水界面变厚。同时由于微气泡附着在活性污泥表面会引 起气浮效应。在通常5米深的曝气池中，纯氧气泡直径小于0.2毫米便能够较 完全地被水吸收。因此本发明选用雾状曝气器、旋混曝气器或透气性微孔膜进 行曝气，以提供0.05～0.15毫米直径的微气泡。由于用含90%氧的气泡进行曝 气时，当80%的氧被转移后，气泡浮至水面时，气泡中的气体尚含有64%相对比 例的氧，当其在水面破裂形成表面气层时，含氧量远远大于空气，会形成很好 的表面覆氧条件。
以200m3/h，COD=600ppm，NH3-N=30ppm的污水处理系统为例，采用空 气曝气时，约需8000～10000m3/h空气，即大约需要200～220KW·H的电能，而 采用富氧曝气方法只需生产120～240m3/h的氧气，并把它送入水中，加之曝气 池混合能耗，约需80～140KW·H的电能，能耗可节约1/3～1/2。对污水处理系 统而言，电耗占总运行费用的50～80%，富氧曝气的极大优势可充分体现。
作为上述一种用外置式膜反应器系统处理污水的方法的进一步改进：所述 膜组件吹扫管中的吹扫气采用波浪式送风，即在两膜组件或两组膜组件群之间 用一只旋转三通阀控制供气;该旋转三通阀底部设有进气口，左右两侧设有出 气口，阀体内设阀芯，所述阀芯上设有调节孔，该阀芯为带孔半球面。
由于膜单元进出水位差小(约0.3～0.5米)，送风机的设计风压为1.5～2 米。为防止高浓度活性污泥在膜组件中沉积，膜组件工作时需保持吹扫气的连 续供给，考虑到节能，本发明吹扫气采用波浪式供气方式，即在两膜组件或两 组膜组件群之间用一只旋转三通阀控制供气;旋转三通阀由阀底部进气，阀芯 为带孔半球面，由电动或气动方式驱动;当旋转三通阀转动时，阀芯使左右两 侧的出气口气流产生波浪式高低变化，从而使两膜组件的吹扫气量交替变化， 这样可使吹扫能耗大大节省。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明使用外置式膜组件，可以人工移动，不需吊装，不需复杂昂贵的 定位系统，制造价格便宜;
2)本发明的中空纤维膜丝的倒U形设计和倒凹形导流槽解决了污泥堵塞问 题;
3)本发明采用富氧曝气，解决了膜生物反应器维持高污泥浓度的需氧问题;
4)利用混合液在曝气池混合缺氧段和好氧段的液位差，解决了输送的能耗 高的缺陷;
5)本发明吹扫气是波浪式送风吹扫形式解决了吹扫的能耗高的缺陷。
6)本发明的膜组件装置可在整个膜生物反应器系统不停机的情况下，对一 组膜组件或每一个膜组件进行顺序化学清洗和每日的次氯酸钠清洗，从而使得 膜生物反应器系统能有效地清除膜污染，维持膜通量。
