專利名稱：一種膜曝氣與膜分離耦合的污水處理裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術領域，涉及污水處理及中水回用技術，特別涉及一種膜曝氣與膜分離耦合的污水處理裝置及方法。
背景技術：
我國是世界上13個貧水國之一，600余座城市中已有400余座缺水，因缺水而減少的工業(yè)產(chǎn)值每年超過1200億元。應用水質和水價較生活飲用水低的中水來綠化、洗車、沖洗衛(wèi)生器具等，可以節(jié)約寶貴的水資源，緩和城市水的供需矛盾，還可減少城市排水系統(tǒng)的負擔。膜分離生物反應器(membrane separationbioreactor MSBR)被認為是最有發(fā)展前途的污水處理與回用技術之一，其本身可以替代傳統(tǒng)污水處理中的活性污泥池、二沉池、濾池三項工藝，出水僅需投加少量消毒劑(避免發(fā)生二次污染)就可以實現(xiàn)回用，而且剩余污泥產(chǎn)量低，操作方便。但由于氧透過氣液界面時阻力較大，造成氧的利用效率低，曝氣時有80％-90％的氧從混合液中逸出，未被利用；MSBR污泥濃度高，對氧有更大的需求量，增加曝氣量的方法不僅會增加動力消耗和設備費用，還會使氣泡進入膜組件出水管道，影響膜分離系統(tǒng)的正常運轉。因此，探求新的供氧方式十分必要。
膜曝氣生物反應器(membrane aeration bioreactor MABR)利用疏水性微孔膜向微生物供氧。在氧氣壓力作用下，中空纖維管腔內的氧通過膜壁或者膜壁上的微孔擴散進入廢水，由于膜壁微孔孔徑非常小，而運行中保持氧氣壓力低于泡點壓力，所以液體中無肉眼可見氣泡，稱為無泡供氧。在無泡供氧中，氧直接以分子狀態(tài)擴散進入液體，氧利用效率接近百分之百，同時，單位體積中空纖維膜組件接觸面積較大，更利于氧的擴散。在MABR中，由于供氧速度快而充足，還可加快生化反應速度，從而提高反應器的污水處理能力，使設備體積減小，占地面積小，降低成本，但MABR的剩余污泥產(chǎn)量大且出水水質不佳。MABR處理含碳污水時，由于微生物生長速度快，出水中夾雜大量脫落的生物體和污水中尚未被去除的懸浮物，Hsieh指出，MABR不適宜處理含碳污水；Hibiy和Hsieh等人的試驗中MABR出水水樣分析前需用0.22μm膜過濾，來減少其中的懸浮固體和微生物，Semmens則使MABR出水再經(jīng)澄清池處理來保證水質。
膜分離生物反應器和膜曝氣生物反應器都是膜生物反應器(MBR)的一種，均優(yōu)勢明顯，但存在的問題也不容回避，事實上桎梏了兩種工藝的推廣和應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種膜曝氣與膜分離相耦合的污水處理裝置及方法，其所需裝置稱為膜曝氣分離生物反應器，由膜曝氣分離反應器和生物反應器兩部分組成，該種新型污水處理方法綜合膜曝氣生物反應器和膜分離生物反應器兩種工藝的精華，并彌補了各自的缺陷，從而同時具有出水水質好，氧利用效率高、占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點。
實現(xiàn)本發(fā)明所述膜曝氣與膜分離相耦合的污水處理裝置及方法的技術方案是將親水性分離膜和疏水性曝氣膜安置在同一個柱狀反應器中，稱為膜曝氣分離反應器，利用曝氣膜作為氧的擴散系統(tǒng)，提高氧的利用效率；利用分離膜對系統(tǒng)出水進行過濾，保證出水水質優(yōu)質安全。膜曝氣分離反應器由三部分組裝，第一部分柱狀反應器中心垂直安裝疏水性中空纖維曝氣膜束，每根纖維頂端集中于圓柱狀封頭中，封頭外部封死，內部中空，連接曝氣管道；纖維底端集中于另一個圓柱狀封頭中，末梢封閉。第二部分圍繞曝氣膜束，呈環(huán)狀垂直安裝親水性中空纖維分離膜束，每根纖維底端集中于圓環(huán)柱狀封頭中，封頭外部封死，內部中空，連接出水管道；纖維頂端集中于另一個圓環(huán)柱狀封頭中，末梢封閉。曝氣膜與分離膜安裝時均使其能發(fā)生微小松動，纖維之間根根獨立，飄動互不干擾，可減輕阻塞。第三部分圓柱狀外殼使反應器整體呈密閉狀態(tài)，膜曝氣分離反應器外側設循環(huán)管路。此三部分模塊化，可方便組裝。
膜曝氣分離反應器外側循環(huán)管路上設置有生物反應器，反應器中設置攪拌機，保持活性污泥處于懸浮狀態(tài)。
氧氣從膜曝氣分離反應器的上端導入，在曝氣膜中空纖維管腔內流動，在一定壓力的作用下，氧氣擴散進入回流污泥，從而進入生物反應器，滿足微生物氧化降解有機污染物耗氧需求；污水和回流污泥從生物反應器上部進入，與其中的活性污泥攪拌混合，通過微生物的新陳代謝作用使污水得以凈化；反應后的混合液經(jīng)回流泵作用，從膜曝氣分離反應器底部送入，進行固液分離，透過分離膜的清水可排放或回用，濃縮液再作為回流污泥送回生物反應器。
分離膜膜通量在20-50L/h·m2；膜曝氣分離反應器中混合液錯流流速為2-4m/s；循環(huán)率(過流量/透過量)為25-75；為保證無泡曝氣，維持氧氣壓力≤1bar；因氧傳質速度快而充足，生物反應器的容積負荷率可提高至5-10kgCOD/m3·d；紊流液體中中空纖維疏水性曝氣膜的氧傳質系數(shù)在10gO2/m2·h·bar左右。
本發(fā)明的效果和益處是1.無泡曝氣氧利用率接近百分之百，通過控制供氧量還可使之與需氧量相匹配，降低能耗；由于供氧速度快而充足，還可提高生物反應器的污水處理能力，提高負荷，減小占地，降低成本。
2.回流污泥在膜曝氣分離反應器中溶解氧濃度高，進入生物反應器，溶解氧濃度逐漸降低，通過適當控制，可使活性污泥在好氧、缺氧和厭氧環(huán)境中循環(huán)往復，顯著提高系統(tǒng)脫氮除磷功能。
3.系統(tǒng)中由于存在分離膜，可以徹底去除懸浮雜質，出水無須消毒，而且系統(tǒng)不受污泥膨脹的影響，并減少剩余污泥生成量。
4.回流泵作用使膜曝氣分離反應器中混合液呈紊流狀狀態(tài)，在延緩分離膜膜污染的同時，可保證曝氣膜表面生物膜厚度不會對氧的傳遞造成阻礙。
本發(fā)明可節(jié)能降耗、并且操作簡單，出水水質穩(wěn)定、可靠，可廣泛應用于高需氧量廢水的處理，如垃圾滲濾液、高氨濃度廢水等。


附圖是膜曝氣分離生物反應器示意圖。
圖中1分離膜；2曝氣膜；3膜曝氣分離反應器；4生物反應器；5攪拌機；6回流泵。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖，詳細說明本發(fā)明具體實施方式
。
實施例處理污水量按10m3/d計，COD濃度為500mg/l。氧氣從膜曝氣分離反應器3的上端導入，經(jīng)曝氣膜2擴散進入回流污泥，隨回流污泥進入生物反應器4；污水和回流污泥從生物反應器4上部進入，利用攪拌機5攪拌，與其中的活性污泥相混合，通過微生物的新陳代謝活動使廢水得以凈化，反應后的混合液經(jīng)回流泵6從膜曝氣分離反應器底部送入，進行固液分離，透過分離膜1的清水可排放或回用，濃縮液再送回生物反應器。
膜曝氣分離反應器尺寸為φ0.1×1.5m，其中疏水性曝氣膜和清水性分離膜均采用直徑1mm、長度1.2m的中空纖維；當分離膜數(shù)量取3000根時，經(jīng)計算，其膜通量為37L/h·m2，在20-50L/h·m2的范圍之內；取曝氣膜氧傳質系數(shù)為10gO2/m2·h·bar，氧氣壓力為1bar，則將進水COD500mg/l降解為出水COD20mg/l，需φ0.01×1.2m的曝氣膜3200根；計算得到曝氣膜與分離膜體積加和占膜曝氣分離反應器體積的49.6％。當錯流流速為2m/s時，膜曝氣分離反應器的循環(huán)率為51.5，在25-75范圍之內。生物反應器容積負荷取5kgCOD/m3·d，則生物反應器有效容積為1m3，取其具體尺寸為1m×1m×1.2m(長、寬、高)，有效水深1m。若處理水量加大，則可設置相同的膜曝氣分離反應器并聯(lián)運行，而生物反應器由容積負荷計算使其容積做相應增大即可。
權利要求
1.一種膜曝氣與膜分離耦合的污水處理裝置及方法，其特征是a)膜曝氣分離反應器中，曝氣用疏水性中空纖維膜束垂直安置在反應器中心，纖維上端集中于圓柱狀封頭中，封頭連接到曝氣管道，氧氣壓力要求≤1.0bar；b)膜曝氣分離反應器中，分離用親水性中空纖維膜束圍繞曝氣膜束呈環(huán)形垂直安置，纖維下端集中于圓環(huán)柱狀封頭中，封頭連接到出水管道，分離膜膜通量為20-50L/h·m2；c)膜曝氣分離反應器外側循環(huán)管路上有生物反應器，生物反應器的容積負荷為5-10kgCOD/m3·d；d)氧氣從膜曝氣分離反應器的上端導入，經(jīng)曝氣膜擴散進入回流污泥，隨回流污泥進入生物反應器；e)污水和回流污泥從生物反應器上部進入，與活性污泥混合；反應后的混合液經(jīng)回流泵作用，從底部送入膜曝氣分離反應器。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種膜曝氣與膜分離耦合的污水處理裝置及方法，其特征是膜曝氣分離反應器為圓柱狀密閉反應器。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境工程中污水處理及中水回用技術領域，提供一種膜曝氣與膜分離耦合的污水處理裝置及方法。其特征是將曝氣用疏水膜和分離用親水膜安置在同一個圓柱狀反應器中，形成膜曝氣分離反應器，另在回流管道上設置生物反應器，使所處理污水在兩反應器之間循環(huán)流動，實現(xiàn)無泡曝氣、膜分離和生物降解的耦合。本發(fā)明的效果和益處是膜曝氣可使氧利用效率達到或接近100％，溶解氧充足可提高生物反應器容積負荷，減小占地，降低成本；分離膜可徹底去除懸浮雜質，出水無須消毒，其對活性污泥的截留在保證生物量的同時減少了剩余污泥生成量；回流泵產(chǎn)生的剪切作用可以減輕分離膜的膜污染，同時保證曝氣膜表面生物膜厚度不會對氧的傳遞造成阻礙。
文檔編號C02F3/12GK1569682SQ20041002055
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權日2004年5月13日
發(fā)明者張捍民, 楊鳳林, 張興文 申請人:大連理工大學