申请日2018.03.20
公开(公告)日2018.09.07
IPC分类号C02F3/12; C02F3/14; B01D65/02
摘要
一种膜生物反应器及污水处理方法，该膜生物反应器包括依次连通的兼氧生物区、好氧生物区和膜区，兼氧生物区设进水泵和搅拌器;好氧生物区内设与空气曝气泵连接的曝气装置，第一空气气体流量计连在曝气装置和空气曝气泵之间;陶瓷膜组件和抗氧化曝气装置设于膜区内，且抗氧化曝气装置在陶瓷膜组件下方，抗氧化曝气装置分别与空气曝气泵和臭氧发生器连接，第二空气气体流量计连在抗氧化曝气装置和空气曝气泵之间，臭氧气体流量计连在抗氧化曝气装置和臭氧发生器之间;出水泵设于膜区的出水侧，与陶瓷膜组件连接，排泥阀设于膜区的排泥侧，膜区通过回流泵与兼氧生物区连通。本申请深度优化了出水水质，并能高效在线控制陶瓷膜污染并减量剩余污泥。
权利要求书
1.一种膜生物反应器，其特征在于，包括依次连通的兼氧生物区(1)、好氧生物区(2)和膜区(3)，还包括进水泵(4)、搅拌器(5)、空气曝气泵(8)、第一空气气体流量计(9)，曝气装置(10)、陶瓷膜组件(15)、抗氧化曝气装置(12)、臭氧发生器(14)、臭氧气体流量计(13)和第二空气气体流量计(11)、出水泵(19)、排泥阀(20)和回流泵(21);
所述进水泵(4)设在所述兼氧生物区(1)的进水侧，所述搅拌器(5)设在所述兼氧生物区(1)内;
所述曝气装置(10)设在所述好氧生物区(2)内，并与所述空气曝气泵(8)连接，所述第一空气气体流量计(9)连接在所述曝气装置(10)和所述空气曝气泵(8)之间;
所述陶瓷膜组件(15)和所述抗氧化曝气装置(12)设于所述膜区(3)内，且所述抗氧化曝气装置(12)位于所述陶瓷膜组件(15)下方，所述抗氧化曝气装置(12)分别与所述空气曝气泵(8)和所述臭氧发生器(14)连接，所述第二空气气体流量计(11)连接在所述抗氧化曝气装置(12)和所述空气曝气泵(8)之间，所述臭氧气体流量计(13)连接在所述抗氧化曝气装置(12)和所述臭氧发生器(14)之间;
所述出水泵(19)设于所述膜区(3)的出水侧，与所述陶瓷膜组件(15)连接，所述排泥阀(20)设于所述膜区(3)的排泥侧，所述膜区(3)通过所述回流泵(21)与所述兼氧生物区(1)连通，以将部分经过臭氧氧化的污泥回流至所述兼氧生物区(1)。
2.如权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，所述兼氧生物区(1)的一侧的底部与所述好氧生物区(2)的一侧的底部连通，污水通过所述兼氧生物区(1)的一侧的底部流至所述好氧生物区(2);所述好氧生物区(2)的另一侧的顶部通过溢流方式与所述膜区(3)连通，污水通过所述好氧生物区(2)的另一侧的顶部溢流至所述膜区(3);所述陶瓷膜组件(15)的陶瓷膜的平均膜孔径为50-200nm。
3.如权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，还包括连接在所述出水泵(19)与所述陶瓷膜组件(15)之间的继电器(18)，所述出水泵(19)和所述继电器(18)共同控制所述陶瓷膜组件(15)以恒通量抽停运行;在所述兼氧生物区(1)内还设有第一溶解氧检测仪(6)，在所述好氧生物区(2)内还设有第二溶解氧检测仪(7)。
4.如权利要求3所述的膜生物反应器，其特征在于，还包括设于所述膜区(3)内的液位计(16)，连接在所述出水泵(19)与所述陶瓷膜组件(15)之间的压力计(17)，还包括自动控制柜(22)，所述进水泵(4)、搅拌器(5)、空气曝气泵(8)、臭氧发生器(14)、回流泵(21)、排泥阀(20)、第一溶解氧检测仪(6)、第二溶解氧检测仪(7)、第一空气气体流量计(9)、臭氧气体流量计(13)、第二空气气体流量计(11)、压力计(17)、出水泵(19)、液位计(16)均分别与自动控制柜(22)通信连接。
5.一种污水处理方法，采用权利要求1所述的膜生物反应器进行，其特征在于，包括如下步骤：
S1、经过粗细格栅处理后的污水通过进水泵(4)提升从兼氧生物区(1)的上部进入兼氧生物区(1)，在兼氧生物区(1)内，在搅拌器(5)的搅拌所用下污水与兼氧微生物和好养微生物充分接触反应，污水内有机污染物被微生物初步降解去除;
S2、污水在兼氧生物区(1)被充分处理后，进入好氧生物区(2)，在空气曝气搅动下，污水与好氧活性污泥充分接触，污水中的有机污染物被好氧微生物进一步降解去除;
S3、污水在好氧生物区(2)被充分处理后，进入膜区(3)，在膜区内，污水中的残留有机物被膜区内的好氧微生物进一步氧化分解，通过空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气，臭氧曝气氧化去除生物难降解有机污染物，并氧化去除陶瓷膜表面及膜孔内部的有机污染物;
S4、污水在膜区(3)内被处理后，经陶瓷膜组件(15)过滤后经出水泵(19)排出，膜区(3)内经过臭氧氧化的部分污泥经回流泵回流至兼氧生物区(1)作为碳源被再利用，剩余污泥经排泥阀(20)排出。
6.如权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于，污水在兼氧生物区的水力停留时间为3h～10h，污水在好氧生物区的水力停留时间为6h～10h，污水在膜区的水力停留时间为1h～10h，且污水在好氧生物区和膜区的水力停留时间之和是污水在兼氧生物区的水力停留时间的2～5倍。
7.如权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于，步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气是指：臭氧曝气的频率为1～3次/2天，每次臭氧曝气时，臭氧的投加量大于0且≤0.66mg-O3/g-SS，其余时候为空气曝气;优选步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气时，曝气的气水比均控制在6:1～8:1之间。
8.如权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于，所述兼氧生物区的溶解氧浓度控制在大于0且≤0.5mg/L，好氧生物区的溶解氧浓度控制在1.5-2.5mg/L;通过所述出水泵(19)和所述继电器(18)共同控制所述陶瓷膜组件(15)以恒通量抽停运行，运行通量为次临界通量，在15L/m2·h～60L/m2·h之间，抽停比为8～10min:1～2min。
9.如权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于，步骤S4中经过臭氧氧化的部分污泥的回流比为1:2～1:4;优选步骤S1～S4均由自动控制柜(22)实时监控并在线调控。
10.如权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于，所述污水为生活污水、厕所人体粪便尿液废水、印染废水、石油化工废水、煤化工废水和生物医药废水中的至少一种。
说明书
一种膜生物反应器及污水处理方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种膜生物反应器及污水处理方法。
背景技术
随着世界经济水平的不断发展和人口数量的不断增加，水环境污染问题已经引起公众的广泛关注。城市污水处理是中国在城镇化进程过程中不可避免地需要面临的水处理问题。传统的污水生物处理技术，包括A2O工艺、氧化沟工艺和厌氧氨氧化工艺等。然而，近年来随着国家对污水处理排放标准的逐渐提高，传统的生物处理技术已不能实现日益严格的污水排放标准，为此，各种再生水深度处理技术不断涌现，包括臭氧氧化和活性炭吸附等。
近年来，膜分离技术，凭借着泥水分离率高、占地面积小和出水水质好等优势，已经被广泛应用于污水处理领域，尤其是有机超滤膜。为了有效控制膜污染和深度优化出水水质，超滤膜技术联合各种絮凝/氧化等预处理单元或者后接氧化/吸附等深度处理单元的耦合工艺已经被广泛应用于城市污水处理厂的升级改造中。然而，耦合多个预处理或深度处理单元直接延长了污水的处理单元，增加了占地面积和污水厂基建及升级改造成本，同时，膜污染问题会导致膜通量下降、出水水质恶化、膜组件寿命缩短等问题，因此一直制约着膜分离技术在污水处理领域的进一步推广应用。显然，如何在提高出水水质的同时有效地缩减污水处理单元和控制膜污染已经是污水处理中亟待解决的瓶颈问题。
研究表明，在污水处理领域，造成膜污染的主要是大分子有机污染物。臭氧作为一种强氧化剂，可以高效地氧化有机物，尤其是降解去除污水中生物难降解的有机污染物，因此臭氧氧化在有效地控制膜污染的同时还可以提高出水水质。然而，臭氧的强氧化性会在一定程度上损害有机膜组件，因此，臭氧氧化处理与有机膜技术的结合应用中，无论是处理单元集成还是臭氧投加量都受到了极大的限制。
发明内容
为解决传统生物处理技术处理污水水质难达标、处理单元繁琐、污水处理效率低、膜生物反应器中膜污染控制效率低且剩余污泥难处理等技术瓶颈，本发明提出一种膜生物反应器及污水处理方法，精简了处理单元、深度优化了出水水质，且能高效地在线控制陶瓷膜污染并减量剩余污泥。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种膜生物反应器，包括依次连通的兼氧生物区、好氧生物区和膜区，还包括进水泵、搅拌器、空气曝气泵、第一空气气体流量计，曝气装置、陶瓷膜组件、抗氧化曝气装置、臭氧发生器、臭氧气体流量计和第二空气气体流量计、出水泵、排泥阀和回流泵;所述进水泵设在所述兼氧生物区的进水侧，所述搅拌器设在所述兼氧生物区内;所述曝气装置设在所述好氧生物区内，并与所述空气曝气泵连接，所述第一空气气体流量计连接在所述曝气装置和所述空气曝气泵之间;所述陶瓷膜组件和所述抗氧化曝气装置设于所述膜区内，且所述抗氧化曝气装置位于所述陶瓷膜组件下方，所述抗氧化曝气装置分别与所述空气曝气泵和所述臭氧发生器连接，所述第二空气气体流量计连接在所述抗氧化曝气装置和所述空气曝气泵之间，所述臭氧气体流量计连接在所述抗氧化曝气装置和所述臭氧发生器之间;所述出水泵设于所述膜区的出水侧，与所述陶瓷膜组件连接，所述排泥阀(20)设于所述膜区的排泥侧，所述膜区通过所述回流泵与所述兼氧生物区连通，以将部分经过臭氧氧化的污泥回流至所述兼氧生物区。
优选地，所述兼氧生物区的一侧的底部与所述好氧生物区的一侧的底部连通，污水通过所述兼氧生物区的一侧的底部流至所述好氧生物区。
优选地，所述好氧生物区的另一侧的顶部通过溢流方式与所述膜区连通，污水通过所述好氧生物区的另一侧的顶部溢流至所述膜区。
优选地，所述陶瓷膜组件的陶瓷膜的平均膜孔径为50-200nm。
优选地，还包括连接在所述出水泵与所述陶瓷膜组件之间的继电器，所述出水泵和所述继电器共同控制所述陶瓷膜组件以恒通量抽停运行。
优选地，在所述兼氧生物区内还设有第一溶解氧检测仪，在所述好氧生物区内还设有第二溶解氧检测仪。
优选地，还包括设于所述膜区内的液位计，连接在所述出水泵与所述陶瓷膜组件之间的压力计，还包括自动控制柜，所述进水泵、搅拌器、空气曝气泵、臭氧发生器、回流泵、排泥阀、第一溶解氧检测仪、第二溶解氧检测仪、第一空气气体流量计、臭氧气体流量计、第二空气气体流量计、压力计、出水泵、液位计均分别与自动控制柜通信连接。
一种污水处理方法，采用所述的膜生物反应器进行，包括如下步骤：
S1、经过粗细格栅处理后的污水通过进水泵提升从兼氧生物区的上部进入兼氧生物区，在兼氧生物区内，在搅拌器的搅拌所用下污水与兼氧微生物和好养微生物充分接触反应，污水内有机污染物被微生物初步降解去除;
S2、污水在兼氧生物区被充分处理后，进入好氧生物区，在空气曝气搅动下，污水与好氧活性污泥充分接触，污水中的有机污染物被好氧微生物进一步降解去除;
S3、污水在好氧生物区被充分处理后，进入膜区，在膜区内，污水中的残留有机物被膜区内的好氧微生物进一步氧化分解，通过空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气，臭氧曝气氧化去除生物难降解有机污染物，并氧化去除陶瓷膜表面及膜孔内部的有机污染物;
S4、污水在膜区内被处理后，经陶瓷膜组件过滤后经出水泵排出，膜区内经过臭氧氧化的部分污泥经回流泵回流至兼氧生物区作为碳源被再利用，剩余污泥经排泥阀排出。
优选地，污水在兼氧生物区的水力停留时间为3h～10h，污水在好氧生物区的水力停留时间为6h～10h，污水在膜区的水力停留时间为1h～10h，且污水在好氧生物区和膜区的水力停留时间之和是污水在兼氧生物区的水力停留时间的2～5倍。
优选地，步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气是指：臭氧曝气的频率为1～3次/2天，每次臭氧曝气时，臭氧的投加量大于0且≤0.66mg-O3/g-SS，其余时候为空气曝气。
优选地，步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气时，曝气的气水比均控制在6:1-8:1之间。
优选地，所述兼氧生物区的溶解氧浓度控制在大于0且≤0.5mg/L，好氧生物区的溶解氧浓度控制在1.5-2.5mg/L。
优选地，通过所述出水泵和所述继电器共同控制所述陶瓷膜组件以恒通量抽停运行，运行通量为次临界通量，在15L/m2·h～60L/m2·h之间，抽停比为8～10min:1～2min。
优选地，步骤S4中经过臭氧氧化的部分污泥的回流比为1:2～1:4。
优选地，步骤S1～S4均由自动控制柜实时监控并在线调控。
优选地，所述污水为生活污水、厕所人体粪便尿液废水、印染废水、石油化工废水、煤化工废水和生物医药废水中的至少一种。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
1、本发明将生物处理单元与膜处理技术及深度氧化处理技术高度集成，依据陶瓷膜组件的强抗氧化性，直接将臭氧曝气集成于膜组件底部，直接替代了传统工艺中臭氧预氧化处理或者废水深度处理中的臭氧深度氧化处理，极大地缩减了废水处理单元，具有减少占地面积，提高运行效率等优点。
2、陶瓷膜的生物稳定性强、运行通量高、使用寿命长，同时抗氧化曝气装置直接安装在陶瓷膜组件的下方，可以直接进行臭氧曝气，使得臭氧气泡最大程度地接触陶瓷膜表面，甚至在强抽抽吸力作用下，臭氧气泡可以进入陶瓷膜孔内部，从而利用臭氧及陶瓷膜催化臭氧降解产生的强氧化力的羟基自由基高效地氧化去除陶瓷膜表面及膜孔内部的有机污染物，可以高效在线控制陶瓷膜污染。
3、膜区中的低浓度臭氧曝气在高效控制膜污染的同时，分散在污水中的臭氧分子可以进一步氧化降解兼氧生物区和好氧生物区中的生物处理技术难以去除的有机污染物，如新兴污染物(如药物和个人护理品、内分泌干扰物等)，同时深度优化生物除磷，进一步提高出水水质，直接省减了近年来污水厂升级改造中的污水深度处理单元。
4、臭氧氧化也可以减量剩余污泥，缓解膜生物反应器大量排泥、污泥难处理等问题，即部分经过臭氧氧化的污泥可以定期回流至兼氧生物区，可作为微生物碳源被再次利用，达到减量剩余污泥的可持续发展目标。
5、进一步地，本发明还配置了自动控制系统，可以全面监控和调控膜生物反应器的正常运行，可以实现了污水处理的无人值守、自动化运行，达到“智慧水务”新时代的水处理目标。
