申请日2004.05.13
公开(公告)日2005.01.26
IPC分类号C02F3/02; C02F3/12; C02F3/10
摘要
本发明属于环境工程中污水处理及中水回用技术领域，提供一种膜曝气与膜分离耦合的污水处理装置及方法。其特征是将曝气用疏水膜和分离用亲水膜安置在同一个圆柱状反应器中，形成膜曝气分离反应器，另在回流管道上设置生物反应器，使所处理污水在两反应器之间循环流动，实现无泡曝气、膜分离和生物降解的耦合。本发明的效果和益处是膜曝气可使氧利用效率达到或接近100%，溶解氧充足可提高生物反应器容积负荷，减小占地，降低成本;分离膜可彻底去除悬浮杂质，出水无须消毒，其对活性污泥的截留在保证生物量的同时减少了剩余污泥生成量;回流泵产生的剪切作用可以减轻分离膜的膜污染，同时保证曝气膜表面生物膜厚度不会对氧的传递造成阻碍。
1.一种膜曝气与膜分离耦合的污水处理装置及方法，其特征是：
a)膜曝气分离反应器中，曝气用疏水性中空纤维膜束垂直安置在反应器中 心，纤维上端集中于圆柱状封头中，封头连接到曝气管道，氧气压力要求≤ 1.0bar;
b)膜曝气分离反应器中，分离用亲水性中空纤维膜束围绕曝气膜束呈环形 垂直安置，纤维下端集中于圆环柱状封头中，封头连接到出水管道，分离膜膜 通量为20-50L/h·m2;
c)膜曝气分离反应器外侧循环管路上有生物反应器，生物反应器的容积负 荷为5-10kgCOD/m3·d;
d)氧气从膜曝气分离反应器的上端导入，经曝气膜扩散进入回流污泥，随 回流污泥进入生物反应器;
e)污水和回流污泥从生物反应器上部进入，与活性污泥混合;反应后的混 合液经回流泵作用，从底部送入膜曝气分离反应器。
2.根据权利要求1所述的一种膜曝气与膜分离耦合的污水处理装置及方 法，其特征是：膜曝气分离反应器为圆柱状密闭反应器。
说明书
一种膜曝气与膜分离耦合的污水处理装置及方法
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 一种膜曝气与膜分离耦合的污水处理装置及方法。
背景技术
我国是世界上13个贫水国之一，600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。应用水质和水价较生活饮用水低的中 水来绿化、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，还可减少城市排水系统的负担。膜分离生物反应器(membrane separation bioreactor MSBR)被认为是最有发展前途的污水处理与回用技术之一，其本身 可以替代传统污水处理中的活性污泥池、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，而且剩余污泥产量低， 操作方便。但由于氧透过气液界面时阻力较大，造成氧的利用效率低，曝气时有 80%-90%的氧从混合液中逸出，未被利用;MSBR污泥浓度高，对氧有更大 的需求量，增加曝气量的方法不仅会增加动力消耗和设备费用，还会使气泡进 入膜组件出水管道，影响膜分离系统的正常运转。因此，探求新的供氧方式十 分必要。
膜曝气生物反应器(membrane aeration bioreactor MABR)利用疏水性微孔 膜向微生物供氧。在氧气压力作用下，中空纤维管腔内的氧通过膜壁或者膜壁 上的微孔扩散进入废水，由于膜壁微孔孔径非常小，而运行中保持氧气压力低 于泡点压力，所以液体中无肉眼可见气泡，称为无泡供氧。在无泡供氧中，氧 直接以分子状态扩散进入液体，氧利用效率接近百分之百，同时，单位体积中 空纤维膜组件接触面积较大，更利于氧的扩散。在MABR中，由于供氧速度快 而充足，还可加快生化反应速度，从而提高反应器的污水处理能力，使设备体 积减小，占地面积小，降低成本，但MABR的剩余污泥产量大且出水水质不佳。 MABR处理含碳污水时，由于微生物生长速度快，出水中夹杂大量脱落的生物 体和污水中尚未被去除的悬浮物，Hsieh指出，MABR不适宜处理含碳污水; Hibiy和Hsieh等人的试验中MABR出水水样分析前需用0.22μm膜过滤，来减 少其中的悬浮固体和微生物，Semmens则使MABR出水再经澄清池处理来保证 水质。
膜分离生物反应器和膜曝气生物反应器都是膜生物反应器(MBR)的一种， 均优势明显，但存在的问题也不容回避，事实上桎梏了两种工艺的推广和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种膜曝气与膜分离相耦合的污水处理装置及方法， 其所需装置称为膜曝气分离生物反应器，由膜曝气分离反应器和生物反应器两 部分组成，该种新型污水处理方法综合膜曝气生物反应器和膜分离生物反应器 两种工艺的精华，并弥补了各自的缺陷，从而同时具有出水水质好，氧利用效 率高、占地面积小、剩余污泥产量低等优点。
实现本发明所述膜曝气与膜分离相耦合的污水处理装置及方法的技术方案 是：
将亲水性分离膜和疏水性曝气膜安置在同一个柱状反应器中，称为膜曝气 分离反应器，利用曝气膜作为氧的扩散系统，提高氧的利用效率;利用分离膜 对系统出水进行过滤，保证出水水质优质安全。膜曝气分离反应器由三部分组 装，第一部分：柱状反应器中心垂直安装疏水性中空纤维曝气膜束，每根纤维 顶端集中于圆柱状封头中，封头外部封死，内部中空，连接曝气管道;纤维底 端集中于另一个圆柱状封头中，末梢封闭。第二部分：围绕曝气膜束，呈环状 垂直安装亲水性中空纤维分离膜束，每根纤维底端集中于圆环柱状封头中，封 头外部封死，内部中空，连接出水管道;纤维顶端集中于另一个圆环柱状封头 中，末梢封闭。曝气膜与分离膜安装时均使其能发生微小松动，纤维之间根根 独立，飘动互不干扰，可减轻阻塞。第三部分：圆柱状外壳使反应器整体呈密 闭状态，膜曝气分离反应器外侧设循环管路。此三部分模块化，可方便组装。
膜曝气分离反应器外侧循环管路上设置有生物反应器，反应器中设置搅拌 机，保持活性污泥处于悬浮状态。
氧气从膜曝气分离反应器的上端导入，在曝气膜中空纤维管腔内流动，在 一定压力的作用下，氧气扩散进入回流污泥，从而进入生物反应器，满足微生 物氧化降解有机污染物耗氧需求;污水和回流污泥从生物反应器上部进入，与 其中的活性污泥搅拌混合，通过微生物的新陈代谢作用使污水得以净化;反应 后的混合液经回流泵作用，从膜曝气分离反应器底部送入，进行固液分离，透 过分离膜的清水可排放或回用，浓缩液再作为回流污泥送回生物反应器。
分离膜膜通量在20-50L/h·m2;膜曝气分离反应器中混合液错流流速为2-4 m/s;循环率(过流量/透过量)为25-75;为保证无泡曝气，维持氧气压力≤ 1bar;因氧传质速度快而充足，生物反应器的容积负荷率可提高至 5-10kgCOD/m3·d;紊流液体中中空纤维疏水性曝气膜的氧传质系数在 10gO2/m2·h·bar左右。
本发明的效果和益处是：
1.无泡曝气氧利用率接近百分之百，通过控制供氧量还可使之与需氧量相 匹配，降低能耗;由于供氧速度快而充足，还可提高生物反应器的污水处理能 力，提高负荷，减小占地，降低成本。
2.回流污泥在膜曝气分离反应器中溶解氧浓度高，进入生物反应器，溶解 氧浓度逐渐降低，通过适当控制，可使活性污泥在好氧、缺氧和厌氧环境中循 环往复，显著提高系统脱氮除磷功能。
3.系统中由于存在分离膜，可以彻底去除悬浮杂质，出水无须消毒，而且 系统不受污泥膨胀的影响，并减少剩余污泥生成量。
4.回流泵作用使膜曝气分离反应器中混合液呈紊流状状态，在延缓分离膜 膜污染的同时，可保证曝气膜表面生物膜厚度不会对氧的传递造成阻碍。
本发明可节能降耗、并且操作简单，出水水质稳定、可靠，可广泛应用于 高需氧量废水的处理，如垃圾渗滤液、高氨浓度废水等。
