專利名稱：分體式膜生物反應器及水處理方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于膜生物反應器技術(shù)領域，特別涉及分體式膜生物反應器。
另一種公知的膜浸沒分體式膜生物反應器由生物反應器單元和浸沒式膜分離器單元組成，膜分離器單元中沖刷膜組件的鼓氣壓力一般在30-50kPa，其能耗一般在1-2kWh/m3，仍大大高于普通生化處理方法(Arnold Zilverentant，Water 21，November/December，1999，29～31；HadiHusain，Pierre Cote，WQI March/April，1999，19-22)。
本發(fā)明的分體式膜生物反應器包括格柵及篩網(wǎng)、調(diào)節(jié)池、生物反應器、膜濾池、膜分離單元、凈化水水箱等。其特征在于原水1經(jīng)格柵或篩網(wǎng)2進入調(diào)節(jié)池3；經(jīng)泵4提升經(jīng)上水管5進入生物反應器6；生物反應器內(nèi)有給活性污泥混合液鼓氣充氧和攪拌作用的穿孔管7及導流板8；導流板8的上邊緣與鼓氣穿孔管7平齊，導流板8下邊緣距底部0.4-0.8米，導流板8的作用使生物反應器內(nèi)的活性污泥在生物反應池6內(nèi)實現(xiàn)良好回流循環(huán)；生物反應器內(nèi)有液體如活性污泥混液經(jīng)循環(huán)出水管16，經(jīng)循環(huán)泵17(此時，循環(huán)閥門18關(guān)閉)，或經(jīng)循環(huán)閥門18(當通過膜濾池的鼓氣形成的水力循環(huán)量滿足工藝要求時，循環(huán)泵17關(guān)閉，從節(jié)能角度此方案優(yōu)先考慮)，經(jīng)循環(huán)上水管19進入膜濾池20，再經(jīng)膜濾池20的循環(huán)回流管23返回生物反應器6；膜濾池20的高度為0.5～3.5米，膜濾池20的池水深度0.2～3.0米；膜濾池20的水位在停止鼓氣的條件下同生物反應器6的水位平齊；膜濾池20的水位與生物反應器6的水位平齊的辦法是在膜濾池20的底部設置基礎或支架24；膜濾池支架或基礎的高度由生物反應器6水位與膜濾池20中水深度之差確定；膜濾池20內(nèi)裝有膜分離單元21，膜分離單元由若干個如圖2所示的膜組件排列組成，膜分離單元21安裝于膜濾池20內(nèi)池水或污泥混合液的上部，膜組件自水面起向下布設，即圖2中膜組件上集水管31剛好淹沒在水面之下，下集水管32視膜組件長度浸沒入自水面至2.5米水深范圍內(nèi)的水層中；圖2中膜絲33兩端粘接在上下集水管31、32之間；膜單元21的下部裝有進行沖洗膜絲33的膜沖洗鼓氣管22；鼓氣管7和膜沖洗鼓氣管22為穿孔管，其在生物反應器6和在膜濾池20中的安裝深度視膜組件下集水管32浸沒深度，安裝在自水面至2.5米水深范圍內(nèi)的水層中；空氣由空氣泵9經(jīng)閥門12，經(jīng)空氣流量計10、空氣管11、通入生物反應器6的鼓氣管7；鼓氣管7除了充氧的作用還有攪動生物池的活性污泥使其保持懸浮的作用；進行沖洗膜絲33的空氣由空氣泵9、經(jīng)閥門13、空氣流量計14、空氣管15通入鼓氣管22；鼓氣管22除了膜清洗的作用還有給混合液充氧、氣力提升混合液，使混合液在生物反應器6和膜濾池20之間形成循環(huán)的作用；凈化水通過膜組件上方的水位與凈化水出水管25在凈水箱30出水口處的水位差，經(jīng)膜組件、閥門27、凈化水流量計26自壓出流進入凈水箱30；當凈化水自壓出流水流量不能滿足要求時，關(guān)閉閥門28，開啟凈化水泵29，使凈化水通過抽吸進入凈化水箱30。
本發(fā)明的工作原理是大大降低分體式膜生物反應器中膜分離器單元上方的水深，即減小鼓氣管在沖洗膜組件時所必須克服的靜水水頭，從而達到有效減小膜沖洗壓力達到減小膜沖洗能耗的目的?？蓪_刷膜組件的鼓氣壓力降低至在2.5米水深至水面之間的水頭范圍內(nèi)。如當膜組件的長度為0.3米，膜組件自水面向下布設，膜組件的下集水管處在自水面下0.3米水深處，鼓氣穿孔管沖洗膜時所要克服的水頭為約0.3米；又如，膜組件的長度為0.5米，膜組件自水面向下布設，膜組件的下集水管處在自水面下0.5米水深處，鼓氣穿孔管沖洗膜時所要克服的水頭為約0.5米。再如，膜組件的長度為1米，膜組件自水面向下布設，膜組件的下集水管處在自水面下1米水深處，鼓氣穿孔管沖洗膜時所要克服的水頭為約1米。以此類推，膜組件的長度為2米，膜組件自水面向下布設，膜組件的下集水管處在自水面下2米水深處，鼓氣穿孔管沖洗膜時所要克服的水頭為約2米。本技術(shù)限定膜組件長度不超過2.5米。
本發(fā)明的分體式膜生物反應器的特點是1、有一個與生物反應器6分離設置的膜濾池20，膜濾池20內(nèi)的膜單元在淺水層內(nèi)通過鼓氣進行膜沖洗。公知的膜浸沒分體式膜生物反應器1-2kW·h/m3的運行能耗相比，由于本發(fā)明在淺水層內(nèi)鼓氣對膜進行沖洗，即使在同樣鼓氣量條件下進行膜沖洗，因本發(fā)明鼓氣須克服的壓力較小，因而鼓氣沖洗膜消耗的能量小。2、對膜的鼓氣沖洗采用大中氣泡鼓氣裝置，因此可有效地進行膜沖洗，從而近一步有效地降低分體式膜生物反應器單位產(chǎn)水能耗。3、生物反應器6與膜濾池20的靜水位保持一個水平，以利于生物反應器6與膜濾池20的水力循環(huán)，并最大可能減小水循環(huán)能耗。3、容易實現(xiàn)大規(guī)模膜生物反應器水處理系統(tǒng)建設，突破已有膜生物反應器技術(shù)水處理應用局限于中小規(guī)模的瓶頸。4、可于各種類型的生物反應器組合，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有生物處理系統(tǒng)進行技術(shù)改造，并且生物反應單元不局限于活性污泥法，可以生物膜法。如氧化溝反應器、接觸氧化法反應器、生物濾池等。5、膜組件易于清洗、更換與維護。
本發(fā)明采用膜過濾器在淺水層鼓氣沖洗膜的技術(shù)方案有效地降低了沖刷膜組件鼓氣的壓力，使沖刷膜組件的鼓氣壓力與膜的工作壓力(為使膜透水施加在膜兩側(cè)的水壓力差)實現(xiàn)了有效的分離。在不增加總鼓氣能耗的前提下，可提高膜沖洗的鼓氣強度，可有效地解決膜浸沒分體式膜生物反應器膜的沖洗強度弱、膜的污染較重、膜透水率較低且難以穩(wěn)定的問題。突破了公知的分體式膜生物反應器單位水處理能耗高，水處理規(guī)模多為中小規(guī)模，規(guī)模不宜過大(如萬噸/日或幾十萬噸/日)的限制，使實現(xiàn)大規(guī)模膜生物反應器水處理系統(tǒng)的建設成為可能。膜組件置于淺水層的膜過濾器中給膜的維護和清洗帶來方便，可減低膜生物反應器的工程造價。


圖1所示為本發(fā)明所述分體式膜生物反應器水處理技術(shù)工藝流程圖。其中1.原水、2.格柵及篩網(wǎng)、3.調(diào)節(jié)池、4.上水泵、5.上水管、6.生物反應器、7.生物池鼓氣管、8.導流板、9.空氣泵10.空氣流量計、11.空氣管、12.空氣閥門、13.空氣閥門、14.空氣流量計、15空氣管、16.循環(huán)出水管、17循環(huán)泵、18循環(huán)閥門、19循環(huán)上水管、20膜濾池、21.膜分離單元、22.膜沖洗鼓氣管、23循環(huán)回流管、24膜濾池支架或基礎、25.凈化水管、26凈化水流量計、27閥門、28閥門、29凈化水泵、30凈化水水箱。
圖2為本發(fā)明所述分體式膜生物反應器水處理技術(shù)所用膜組件的示意圖。其中，31上集水管、32下集水管、33膜絲。
一個規(guī)模為24m3/d居住區(qū)污水回用工程，分別采用公知錯流式分體膜生物反應器技術(shù)和本發(fā)明在淺水層鼓氣膜沖洗的膜生物反應器技術(shù)。
公知錯流分體式膜生物反應器膜分離單元膜面流速3.6m/s，處理單位水量的能耗為3.0kW·h/m3。
采用本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)方案，即在膜濾池中采用淺水層中鼓氣進行膜沖洗的分體式膜生物反應器技術(shù)。生物反應器水深3米，膜組件長度為1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距離為1m，膜分離單元鼓氣水深1米。氣水比為40∶1，即總鼓氣量為40m3/h，鼓氣壓力為10kPa。鼓氣機效率為0.44，沖刷膜組件能耗為0.30kW·h/m3，供水、循環(huán)及曝氣能耗0.30kW·h/m3，處理單位水量的能耗為0.6kW·h/m3。
實施例2一個規(guī)模為24m3/d居住區(qū)污水回用工程分別采用公知的浸沒分體式膜生物反應器技術(shù)和本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)初步的運行能耗分析和比較。
公知的浸沒分體式膜生物反應器生物反應器水深3m，膜組件長度為1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距離為1m。氣水比為40∶1，即總鼓氣量為40m3/h，處理水量1m3/h，鼓氣壓力約為30kPa，鼓氣效率為0.44，處理單位水量的能耗為0.7kW·h/m3，供水、循環(huán)及曝氣能耗0.4kW·h/m3，處理單位水量的能耗為1.1kW·h/m3。
采用本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)方案，即在膜濾池中采用淺水層中鼓氣進行膜沖洗的分體式膜生物反應器技術(shù)。生物反應器水深3米，膜組件長度為1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距離為1m，膜分離單元鼓氣水深1米。氣水比為40∶1，即總鼓氣量為40m3/h，鼓氣壓力為10kPa。鼓氣機效率為0.44，沖刷膜組件能耗為0.30kW·h/m3，供水、循環(huán)及曝氣能耗0.30kW·h/m3，處理單位水量的能耗為0.6kW·h/m3。
實施例3一個規(guī)模為24m3/d居住區(qū)污水回用工程分別采用公知的浸沒分體式膜生物反應器技術(shù)和本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)初步的運行能耗分析和比較。
公知的浸沒分體式膜生物反應器生物反應器水深3m，膜組件長度為1m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距離為1m。氣水比為40∶1，即總鼓氣量為40m3/h，處理水量1m3/h，鼓氣壓力約為30kPa，鼓氣效率為0.44，處理單位水量的能耗為0.7kW·h/m3，供水、循環(huán)及曝氣能耗0.4kW·h/m3，處理單位水量的能耗為1.1kW·h/m3。
采用本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)方案，即在膜濾池中采用淺水層中鼓氣進行膜沖洗的分體式膜生物反應器技術(shù)。生物反應器水深3米，處理水量1m3/h，膜組件長度為0.5m，即上集水管31上沿至下集水管32下沿的距離為0.5m，膜分離單元鼓氣水深0.5米。氣水比為40∶1，即總鼓氣量為40m3/h，鼓氣壓力為5kPa。鼓氣機效率為0.44，沖刷膜組件能耗為0.12kW·h/m3，供水、循環(huán)及曝氣能耗0.30kW·h/m3，處理單位水量的能耗為0.42kW·h/m3。
比較得出本發(fā)明的分體式膜生物反應器技術(shù)方案，即在膜濾池中采用淺水層中鼓氣進行膜沖洗的分體式膜生物反應器技術(shù)，處理單位水量的能耗不僅比錯流分體式膜生物反應器3.0-5.5kW·h/m3的能耗低，也低于常規(guī)浸沒分體式膜生物反應器的運行能耗1-2kW·h/m3。
單位污水處理能耗比公知的浸沒分體式膜生物反應器低45％-61％，是錯流分體式膜生物反應器3.0-5.5kW·h/m3的1/7-1/13從而可有效減小單位水處理費用，提高該技術(shù)在水處理中應用的經(jīng)濟實用性。
權(quán)利要求
1.一種分體式膜生物反應器，包括依次相連的調(diào)節(jié)池(3)、生物反應器(6)、和膜濾池(20)；其中，生物反應器(6)內(nèi)裝有鼓氣管(7)及導流板8，鼓氣管(7)用于通過空氣泵(9)，空氣管(11)通入空氣；生物反應器上還裝有循環(huán)出水管(16)，用于液體經(jīng)循環(huán)出水管(16)、循環(huán)泵17或循環(huán)閥門(18)、循環(huán)上水管(19)進入膜濾池(20)；膜濾池(20)還通過循環(huán)回流管(23)與生物反應器(6)相通；膜濾池(20)內(nèi)裝有膜分離單元(21)，其下部裝有進行沖洗膜絲(33)的膜沖洗鼓氣管(22)，膜沖洗鼓氣管(22)用于通過空氣泵(9)、空氣管(15)通入空氣；膜組件(21)通過凈化水出水管(25)與凈水箱(30)相通；其特征在于膜濾池(20)的底部設置基礎或支架(24)；使膜濾池(20)與生物反應器(6)的靜水位平齊；并且使所述的鼓氣管(7)和膜沖洗鼓氣管(22)在生物反應器(6)和在膜濾池(20)中的安裝深度在水面至2.5米水深范圍內(nèi)的水層中。
2.按照權(quán)利要求1所述的分體式膜生物反應器，其特征在于，在調(diào)節(jié)池(3)上還裝有格柵或篩網(wǎng)(2)；在空氣泵(9)和空氣管(11)之間還裝有閥門(12)和空氣流量計(10)；在空氣泵(9)和空氣管(15)之間還裝有閥門(13)和空氣流量計(14)；在凈化水出水管(25)與凈水箱(30)之間還裝有閥門(27)、凈化水流量計(26)、閥門(28)和凈化水泵(29)，使膜組件(21)通過凈化水出水管(25)、閥門(27)、凈化水流量計(26)、閥門(28)或者凈化水泵(29)與凈水箱(30)相通。
3.如權(quán)利要求1所述的分體式膜生物反應器，其特征在于所述的膜濾池(20)的高度為0.5～3.5米，膜濾池(20)的池水深度為0.2～3.0米。
4.如權(quán)利要求1所述的分體式膜生物反應器，其特征在于所述的膜分離單元(21)由多個膜組件排列組成；膜分離單元(21)安裝于膜濾池(20)內(nèi)液體的上部自水面至2.5米水深度范圍內(nèi)；膜組件自水面起向下布設，膜組件上集水管(31)剛好淹沒在水面之下，下集水管(32)浸沒入自水面至2.5米水深范圍內(nèi)的水層中。
5.如權(quán)利要求1所述的分體式膜生物反應器，其特征在于所述的導流板(8)的上邊緣與鼓氣管(7)平齊，導流板(18)下邊緣距底部0.4-0.8米。
6.如權(quán)利要求1所述的分體式膜生物反應器，其特征在于，所述的膜組件由上集水管(31)、下集水管(32)和膜絲(33)組成；所述膜絲(33)采用的膜為超濾膜或微濾膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種分體式膜生物反應器,包括依次相連的格柵或篩網(wǎng)(2)、調(diào)節(jié)池(3)、生物反應器(6)、膜濾池(20);其特征在于:膜濾池(20)的底部設置基礎或支架(24);使膜濾池(20)與生物反應器(6)的靜水位平齊;并且使所述的鼓氣管(7)和膜沖洗鼓氣管(22)在生物反應器(6)和在膜濾池(20)中的安裝深度在水面至2.5米水深范圍內(nèi)的水層中。本發(fā)明的膜生物反應器具有運行能耗低的優(yōu)點。
文檔編號C02F9/08GK1358675SQ01123900
公開日2002年7月17日 申請日期2001年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者樊耀波 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心