專利名稱：生物膜濾水處理系統(tǒng)及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種創(chuàng)新的生物膜濾水處理系統(tǒng)，由「生物濾床區(qū)」和「薄膜分離區(qū)」所組成。
背景技術(shù)：
膜離生物反應(yīng)器技術(shù)(membrane bioreactor，MBR)通常應(yīng)用于二級(jí)生物處理，以去除COD、懸浮固體(SS)及含氮污染物等。由于具有生物處理與薄膜過濾的特性，其處理水質(zhì)可達(dá)到接近三級(jí)處理的效果，因此也適合做為廢水回用前處理單元。目前發(fā)展較成熟的MBR技術(shù)主要屬固液分離型(solid-liquidseparation type)，其通常利用超過濾(UF)或微過濾(MF)薄膜來分離濃縮生物污泥，以得到良好的出流水水質(zhì)。
由于薄膜模塊的水流通量(flux，單位m3/m2.day)為MBR技術(shù)最重要的控制參數(shù)之一，其與MBR的水力停留時(shí)間(HRT)、體積負(fù)荷、薄膜模塊壓力有關(guān)，并涉及建造和操作成本，而影響通量的因素除處理水質(zhì)和SS性質(zhì)外就是SS濃度。雖然，SS濃度高相對(duì)可以處理的污染物量亦較高，但污泥濃度高亦會(huì)造成MBR通量的降低和操作壓力的增高。
本案申請(qǐng)人于臺(tái)灣公告第593167號(hào)揭示一種于膜離生物反應(yīng)器進(jìn)行的水處理方法，該反應(yīng)器包含一內(nèi)含微生物混合液的槽；于該混合液的復(fù)數(shù)個(gè)多孔性載體；及一浸入于該混合液的過濾模塊，其具有一穿透?jìng)?cè)而且該混合液僅透過該過濾模塊與該穿透?jìng)?cè)呈流體相通。該方法包括將一進(jìn)流水導(dǎo)入該槽中的混合液；將一負(fù)壓來源施用于該穿透?jìng)?cè)，使得該槽中的液體透過該過濾模塊從該穿透?jìng)?cè)流出該槽；及借助對(duì)該混合液曝氣的方式使該復(fù)數(shù)個(gè)多孔性載體與該過濾模塊接觸，于是降低該過濾模塊上的積垢。雖然此專利的技術(shù)可解決部份積垢的問題，但仍然有其局限，因?yàn)樯锾幚淼奈⑸镂勰嗯c過濾模塊同處于一相同反應(yīng)槽內(nèi)，使得同時(shí)維持高懸浮固體含量(微生物污泥高，易于分解污染物)，及薄膜模塊的高水流通量成為兩難。此公告第593167號(hào)的臺(tái)灣專利的發(fā)明內(nèi)容將以參考方式被并入本案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種可克服已知的膜離生物反應(yīng)器不能同時(shí)兼具高懸浮固體含量和維持高水流通量的缺點(diǎn)的新技術(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出利用生物處理和固液分離兩者功能區(qū)分的概念，所完成的生物膜濾水處理系統(tǒng)，包含生物濾床區(qū)(biologicalfiltration bed zone)和薄膜分離區(qū)(membrane separation zone)。生物濾床區(qū)利用多孔性載體(carriers)作為生物介質(zhì)(media)，因其具有廣大表面積可增加廢水中懸浮固體物(SS)攔截之機(jī)會(huì)，并提供作為微生物附著、生長(zhǎng)和增殖的空間，因此能累積大量及特定族群的生物膜微生物，有助于達(dá)到去除各種污染物的目的。由于生物濾床區(qū)是一種污泥固定化生長(zhǎng)的方式，出流水的SS濃度可以達(dá)到很低的程度，大幅減輕后續(xù)薄膜分離區(qū)固液分離的負(fù)荷，所以，薄膜過濾模塊(module)的通量和穩(wěn)定性明顯增加，可產(chǎn)生質(zhì)量良好的澄清處理水。而且，對(duì)薄膜過濾模塊表面污垢(fouling)的有效控制，減少透膜壓力(transmembrane pressure)和能量損耗和反沖洗頻率，進(jìn)而有效延長(zhǎng)薄膜過濾模塊使用壽命，相對(duì)亦可縮短處理槽的水力停留時(shí)間(HRT)并減少薄膜分離區(qū)的體積，有助降低建造和操作維護(hù)的成本。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)·提升處理槽效率；·污泥固液分離簡(jiǎn)單；·功能穩(wěn)定性高，處理水質(zhì)良好；·適用于低濃度廢水，可在高水力負(fù)荷下操作；·降低設(shè)置和操作成本。
實(shí)施方式本發(fā)明揭示一種生物膜濾水處理系統(tǒng)，包含生物濾床區(qū)槽和薄膜分離區(qū)槽，其中該生物濾床區(qū)槽包含一內(nèi)含微生物的混合液及于該混合液中的多個(gè)多孔性載體；及該薄膜分離區(qū)槽包含接收自該生物濾床區(qū)槽的出流水所形成的處理水及一浸入于該處理水液面下的過濾模塊，其具有一穿透?jìng)?cè)而且該處理水僅透過該過濾模塊與該穿透?jìng)?cè)呈流體相通。
較佳的，該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽底部的曝氣設(shè)備。更佳的，該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽內(nèi)及位于該曝氣設(shè)備上方的支撐網(wǎng)，用于防止該多個(gè)多孔性載體靠近該生物濾床區(qū)槽的底部。更佳的，該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽內(nèi)及位于該多個(gè)多孔性載體上方的濾網(wǎng)，用于防止該多個(gè)多孔性載體隨出流水流出該生物濾床區(qū)槽。
較佳的，該薄膜分離區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該薄膜分離區(qū)槽內(nèi)的底部的曝氣設(shè)備。
較佳的，該多孔性載體是由無機(jī)或有機(jī)的多孔性材料制成。
較佳的，該多孔性載體是高分子發(fā)泡體。
較佳的，該過濾模塊包含微過濾膜(microfiltration(MF)membrane)、超過濾膜膜(ultrafiltration(UF)membrane)、陶瓷膜(ceramic membrane)、無紡織布膜、織布膜、多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物或它們的混合。
本發(fā)明亦揭示一種使用本發(fā)明的生物膜濾水處理系統(tǒng)的水處理方法，包含將一進(jìn)流水導(dǎo)入該生物濾床區(qū)槽并于其中滯留一段時(shí)間后，流出該生物濾床區(qū)槽，其中該進(jìn)流水中的至少一部份污染物在滯留于該生物濾床區(qū)槽的一段時(shí)間內(nèi)為微生物所分解；將該生物濾床區(qū)槽的出流水導(dǎo)入該薄膜分離區(qū)槽；及將一負(fù)壓來源施用于該過濾模塊的穿透?jìng)?cè)，使得該薄膜分離區(qū)槽中的處理水透過該過濾模塊從該穿透?jìng)?cè)流出，于是從該薄膜分離區(qū)槽流出的穿透水相較于該進(jìn)流水具有較低含量的污染物。
較佳的，該多孔性載體是以固定床或移動(dòng)床方式操作，其中微生物污泥或懸浮固體物被攔截或附著于多孔性載體上，以進(jìn)行污染物的生物分解反應(yīng)。
較佳的，該生物濾床區(qū)槽是以好氧性(aerobic)、缺氧性(anoxic)或厭氧性(anaerobic)方式操作。
本發(fā)明全文所述的「水處理」泛指飲用水、自來水、城市污水、工業(yè)及其它來源的廢水的處理。
本發(fā)明所揭示的生物膜濾水處理系統(tǒng)，是結(jié)合「生物濾床區(qū)」和「薄膜分離區(qū)」的創(chuàng)新廢水生物處理系統(tǒng)，包括整合式配置和分槽式配置，分別如圖1及圖2所示。
進(jìn)流水利用進(jìn)流水泵3定量打入生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10，透過鼓風(fēng)機(jī)6打入空氣或氧氣7至生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10底部的曝氣設(shè)備(未示于圖中)以提供生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10內(nèi)生物處理系統(tǒng)所需的氧氣。氣體7也可為用于無氧微生物系統(tǒng)的氫氣、氮?dú)饣蚨趸迹蛘邽橛糜趨挌馕⑸锵到y(tǒng)的氮?dú)?、甲烷或沼氣。本發(fā)明在生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10中添加多孔性生物載體11，其可以使用無機(jī)或有機(jī)的多孔性材料制成，例如陶瓷、高分子發(fā)泡體等。該多孔性生物載體11具有廣大表面積可增加廢水中懸浮固體物(SS)攔截的機(jī)會(huì)，并提供作為微生物附著、生長(zhǎng)和增殖的空間，因此能累積大量及特定族群的生物膜微生物，有助于達(dá)到去除各種污染物的目的。該生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10離底部一高度處設(shè)置有一下部濾網(wǎng)12來支持該多孔性生物載體10免于沉淀貼于底部；而離頂部一高度處設(shè)置有一上部濾網(wǎng)13來防止該多孔性生物載體10流出該生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10。
由該生物濾床區(qū)反應(yīng)槽10上方流出的出流水被導(dǎo)入一薄膜分離區(qū)反應(yīng)槽20，其內(nèi)設(shè)置有一薄膜過濾模塊21，透過鼓風(fēng)機(jī)6′打入空氣或氧氣7′至反應(yīng)槽20底部的曝氣設(shè)備22以提供進(jìn)一步生物處理所需的氧氣。氣體7′也可為用于無氧微生物系統(tǒng)的氫氣、氮?dú)饣蚨趸?，或者為用于厭氣微生物系統(tǒng)的氮?dú)?、甲烷或沼氣。穿透?permeate)即出流水9，透過出流水泵8抽出。
本發(fā)明具有提升處理槽效率符合放流水標(biāo)準(zhǔn)、降低二次污染、污泥固液分離簡(jiǎn)單、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合處理在高水力負(fù)荷下操作，以降低設(shè)置和操作成本，完全切合目前業(yè)界的需求?；诒景l(fā)明的生物膜濾水處理系統(tǒng)非常適用于低濃度廢水處理的特性，定位上亦可稱之為一種高級(jí)生物處理技術(shù)。
本發(fā)明技術(shù)與傳統(tǒng)活性污泥處理程序的比較，可以明顯看出處理流程大幅簡(jiǎn)化，如圖3所示。本發(fā)明技術(shù)的處理水質(zhì)良好，與傳統(tǒng)活性污泥處理程序外加砂濾和UF過濾后的水質(zhì)相近，且用地面積僅為傳統(tǒng)活性污泥程序的一半。
本發(fā)明技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上的范圍與對(duì)象包括作為二級(jí)生物處理去除廢水中的COD，使出流水可符合放流水標(biāo)準(zhǔn)，或因水質(zhì)良好可納入回收再利用系統(tǒng)。亦可串接于既有二級(jí)生物處理系統(tǒng)之后，去除廢水中難分解有機(jī)物，降低三級(jí)處理成本。此外尚可應(yīng)用于自來水原水前處理，去除有機(jī)物、氨氮及硝酸氮等，以及表面水與地下水整治，去除水中有機(jī)物、含氮污染物等。
本發(fā)明將借助下實(shí)施例被進(jìn)一步了解，該實(shí)施例僅作為說明之用，而非用于限制本發(fā)明范圍。


圖1顯示本發(fā)明的生物膜濾水處理系統(tǒng)的示意圖，其中「生物濾床區(qū)」和「薄膜分離區(qū)」是整合式配置。
圖2顯示本發(fā)明的生物膜濾水處理系統(tǒng)的示意圖，其中「生物濾床區(qū)」和「薄膜分離區(qū)」是分槽式配置。
圖3顯示本發(fā)明的生物膜濾水處理程序與傳統(tǒng)處理程序的流程方塊圖。
圖4為出流水通量對(duì)時(shí)間的作圖，其中圓點(diǎn)為先前技術(shù)膜離生物反應(yīng)器程序(MBR)，正方形點(diǎn)代表本發(fā)明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
圖5為過膜壓力對(duì)時(shí)間的作圖，其中圓點(diǎn)為先前技術(shù)膜離生物反應(yīng)器程序(MBR)，正方形點(diǎn)代表本發(fā)明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
圖6顯示本發(fā)明的生物膜濾水處理程序的出流水COD及進(jìn)流水COD對(duì)時(shí)間的作圖。
圖7為COD移除率對(duì)時(shí)間的作圖，其中圓點(diǎn)為先前技術(shù)膜離生物反應(yīng)器程序(MBR)，正方形點(diǎn)代表本發(fā)明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
附圖標(biāo)記3..進(jìn)流水泵6，6′..鼓風(fēng)機(jī) 7，7′..空氣8..出流水泵9..出流水10..生物濾床區(qū)反應(yīng)槽 11..多孔性生物載體12..下部濾網(wǎng) 13..上部濾網(wǎng)20..薄膜分離區(qū)反應(yīng)槽 21..薄膜過濾模塊22..曝氣設(shè)備具體實(shí)施方式
實(shí)施例及對(duì)照例實(shí)施例部分，本發(fā)明(BioMF方法)與先前技術(shù)膜離生物反應(yīng)器方法(MBR方法)進(jìn)行功能與效果比較，以下將分為材料、設(shè)備、方法、功能與效果等說明(一)材料、設(shè)備與方法本實(shí)施例主要針對(duì)某化工研究院區(qū)的廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以探討和比較本發(fā)明方法與MBR方法的功能與效果。本實(shí)施例采用的模廠設(shè)備配置方式如圖1，模廠設(shè)備包含進(jìn)流泵、出流泵、流量計(jì)、BioMF反應(yīng)槽、空壓機(jī)、各式桶槽等。其中，長(zhǎng)方形BioMF反應(yīng)槽為壓克力制造，有效體積為24L，其中16L為生物濾床區(qū)而其余8L為薄膜分離區(qū)。
生物濾床區(qū)約70％的體積填充多孔性載體，其為可壓縮的聚胺基甲酸酯(Polyurethane，簡(jiǎn)稱PU)發(fā)泡載體，載體呈扇形，每顆載體直徑為2.2cm，厚度為2cm，體積為4.5cm3，其基本性質(zhì)如下表中所示

薄膜分離區(qū)中配置薄膜過濾模塊，包含一組真空壓力表及管式蠕動(dòng)泵，并搭配一組空氣流量計(jì)，由槽底曝氣頭進(jìn)行曝氣混合和供氧。薄膜過濾模塊采用申請(qǐng)人自行開發(fā)的薄膜濾材，是以聚酯(PET)材料制造，屬于開放型孔洞的網(wǎng)狀濾材，平均孔洞直徑大小為20μm。該薄膜過濾模塊包含一方形匣及固定于該方形匣內(nèi)的兩層平板狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物，其中該兩層平板狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物之間具有2mm的一間距作為過膜水流信道，且該信道內(nèi)設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)物。該方形匣的四周緣被密封僅留一出流水管與該通道相通，且其兩側(cè)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物面積(過濾面積)共約855cm2。
(二)功能與效果本發(fā)明BioMF程序與前案MBR程序的功能與效果比較，分別就薄膜過濾模塊通量(flux)、過膜壓力(TMP，transmembrane pressure)、COD去除能力等予以說明。
1.通量比較實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)，BioMF與MBR程序的薄膜過濾模塊通量變化示于圖4。起動(dòng)初期通量由小逐漸加大，在15天以后BioMF程序的通量可達(dá)約0.4～0.5m3/m2.day，而MBR程序的通量?jī)H能維持在0.2m3/m2.day左右，BioMF的通量明顯優(yōu)于MBR程序。換言之，BioMF的薄膜模塊可以比較小，有助于初設(shè)成本的降低。
2.過膜壓力比較實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)，BioMF與MBR程序的薄膜過濾模塊過膜壓力變化示于圖5。起動(dòng)初期過膜壓力隨著通量改變由小逐漸加大，最大壓力約在20kPa(相當(dāng)于0.2kg/cm2)左右，但同時(shí)段MBR程序的壓力已超過80kPa(相當(dāng)于0.8kg/cm2)，BioMF的過膜壓力明顯比MBR程序低，動(dòng)力成本當(dāng)然亦較低。
3.COD去除能力比較由圖6可以看出BioMF程序在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)、出流水COD的變化，進(jìn)流水COD濃度范圍很大，約在100～600mg/L之間，而出流水COD濃度則相當(dāng)穩(wěn)定維持在15～60mg/L之間。
若比較BioMF與MBR程序在實(shí)驗(yàn)期間COD去除率，由圖7可以看出BioMF程序在實(shí)驗(yàn)期間COD的去除率可超過90％，亦明顯優(yōu)于MBR程序(COD的去除率平均約85％)。
從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)本發(fā)明的生物濾床區(qū)的設(shè)置可以提升已知的膜離生物反應(yīng)器的出流水通量、降低其過膜壓力及提升其COD去除能力。
權(quán)利要求
1.一種生物膜濾水處理系統(tǒng)，包含生物濾床區(qū)槽和薄膜分離區(qū)槽，其中該生物濾床區(qū)槽包含一內(nèi)含微生物的混合液及于該混合液中的多個(gè)多孔性載體；及該薄膜分離區(qū)槽包含接收自該生物濾床區(qū)槽的出流水所形成的處理水及一浸入于該處理水液面下的過濾模塊，其具有一穿透?jìng)?cè)而且該處理水僅透過該過濾模塊與該穿透?jìng)?cè)呈流體相通。
2.如權(quán)利要求1所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽底部的曝氣設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該薄膜分離區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該薄膜分離區(qū)槽內(nèi)的底部的曝氣設(shè)備。
4.如權(quán)利要求2所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽內(nèi)及位于該曝氣設(shè)備上方的支撐網(wǎng)，用于防止該多個(gè)多孔性載體靠近該生物濾床區(qū)槽的底部。
5.如權(quán)利要求2所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該生物濾床區(qū)槽進(jìn)一步包含一設(shè)置于該生物濾床區(qū)槽內(nèi)及位于該多個(gè)多孔性載體上方的濾網(wǎng)，用于防止該多個(gè)多孔性載體隨出流水流出該生物濾床區(qū)槽。
6.如權(quán)利要求1所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該多孔性載體是由無機(jī)或有機(jī)的多孔性材料制成。
7.如權(quán)利要求1所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該多孔性載體是高分子發(fā)泡體。
8.如權(quán)利要求1所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)，其中該過濾模塊包含微過濾膜、超過濾膜膜、陶瓷膜、無紡布膜、織布膜、多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物或它們的混合。
9.一種使用權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的生物膜濾水處理系統(tǒng)的水處理方法，包含將一進(jìn)流水導(dǎo)入該生物濾床區(qū)槽并于其中滯留一段時(shí)間后，流出該生物濾床區(qū)槽，其中該進(jìn)流水中的至少一部份污染物在滯留于該生物濾床區(qū)槽的一段時(shí)間內(nèi)為微生物所分解；將該生物濾床區(qū)槽的出流水導(dǎo)入該薄膜分離區(qū)槽；及將一負(fù)壓來源施用于該過濾模塊的穿透?jìng)?cè)，使得該薄膜分離區(qū)槽中的處理水透過該過濾模塊從該穿透?jìng)?cè)流出，于是從該薄膜分離區(qū)槽流出的穿透水相較于該進(jìn)流水具有較低含量的污染物。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該多孔性載體是以固定床或移動(dòng)床方式操作，其中微生物污泥或懸浮固體物被攔截或附著于多孔性載體上，以進(jìn)行污染物的生物分解反應(yīng)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該生物濾床區(qū)槽是以好氧性、缺氧性或厭氧性方式操作。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種創(chuàng)新的生物膜濾水處理 系統(tǒng)，由「生物濾床區(qū)」和「薄膜分離區(qū)」所組成。生物濾床區(qū)兼具生物 處理和快濾功能，可采用固定床(fixed bed)或移動(dòng)床(moving bed)方式操作，具有高負(fù)荷、高效率、高穩(wěn)定性及操作簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。而薄膜分離區(qū)主要是利用薄膜過濾模塊，以薄膜過濾的方式濾除生物濾床區(qū)出流水中的固態(tài)微粒，進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量良好的澄清處理水。
文檔編號(hào)C02F3/12GK1796305SQ200410102440
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者邵信, 張王冠, 洪仁陽, 彭明鏡, 張敏超, 鄒文源, 陳誼彰 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院