專利名稱：：間歇式曝氣膜生物反應器及使用該反應器的污水處理方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及用于進行污水處理的環(huán)保設備
技術領域：
，具體涉及一種膜曝氣的膜生物反應器。
背景技術：
：膜生物反應器(MembraneBioreactor，MBR)是將膜分離技術與廢水生物處理技術相結(jié)合的一種新型高效的污水處理與回用技術。利用MBR工藝可以將城市污水按一定要求處理后回用于市政、生活雜用，這樣既滿足人類活動對水資源的需求，節(jié)約了優(yōu)質(zhì)水，又減輕了水體污染，是實現(xiàn)污水資源化、緩解水資源不足的重要途徑。實際應用中以膜技術取代活性污泥法中的二次沉淀池，由于其高效分離作用，達到了原來二次沉淀池無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，從而可以大幅度提高生物反應器中的混合液濃度，使泥齡增長、剩余污泥量減少、出水水質(zhì)提高。新型MBR作為一種高效的廢水處理方法，不僅可以完全去除懸浮固體以改善出水水質(zhì)，而且可以通過膜分離的作用，將二沉池無法截留的游離細菌和大分子有機物完全阻隔在生物池內(nèi)，尤其是那些增殖速度慢的細菌，由于膜的高效截留作用而在曝氣池中得到富集，增加了它們與活性污泥的接觸時間，從而可以提高有機物和氮、磷的去除率。這一技術還在含油和生物難降解等工業(yè)廢水處理等方面取得了很好的效果。膜生物反應器一般由生物反應器與膜組件兩部分組成。按照功能可分為分離式膜生物反應器、曝氣式膜生物反應器和萃取式膜生物反應器。分離式膜生物反應器，即用膜生物反應器取代傳統(tǒng)的二沉池進行固液分離。曝氣式膜生物反應器工藝采用透氣性膜直接供應高純氧，而不在生物膜上形成氣泡，氧傳質(zhì)效率可接近100%，因為在反應器中，氣體的分壓被控制在小于泡點，從而使氧氣不能進入大氣，而被充分利用。曝氣式膜生物反應器適用于處理高需氧量的廢水，以及揮發(fā)性有機物(VOC)的生物降解、聯(lián)合硝化，在單一生物膜上進行反硝化和/或者有機碳氧化。萃取式膜生物反應器工藝所用的膜組件是由硅膠或其他疏水性聚合物制成的，一種方式是廢水流和生物膜被硅橡膠膜隔開，易揮發(fā)的有機污染物可很快通過硅橡膠膜，在生物膜中進行生物降解，而廢水中的無機質(zhì)不能通過硅橡膠膜，因此廢水中的有害離子組分對微生物的降解作用就沒有影響。由于膜污染的廣泛存在，限制了膜生物反應器的應用范圍。為了減輕膜污染或減少清洗頻率，國內(nèi)外的研究者進行了大量的工作。研究表明，膜污染是物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜面上的沉淀與積累或膜孔內(nèi)吸附造成膜孔徑變小或堵塞，使水通透膜的阻力增加，妨礙了膜面上的溶解與擴散，從而導致膜產(chǎn)生通透流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。廣義的膜污染不僅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染(不可逆污染)，而且包括由于可逆的濃差極化導致凝膠層的形成(可逆污染)，二者共同造成運行過程中膜通量的衰竭(李春杰等，錯流膜生物反應器水力清洗特性研究[J]，環(huán)境科學，1999，20(3):57-60)。影響膜污染的因素很多，比如污泥濃度(封莉等，污泥濃度對膜生物反應器運行特性的影響研究[J]，哈爾濱工業(yè)大學學報，2003，35(3):307-310)、膜結(jié)構(gòu)、膜的物理特性、膜一溶質(zhì)一溶劑之間的相互作用(包括靜電作用力、范德華力、溶劑化作用、空間立體作用)。為了預防或減緩膜污染，研究者采取了一系列的措施如低水通量、錯流過濾、間歇操作、曝氣、控制污泥濃度、原料液預處理(pH控制、溶液中鹽濃度、溫度、溶質(zhì)濃度)，控制B0D負荷、操作壓力、液體流速，改善膜表面的流體力學條件，機械方法(振動膜組件或加強攪拌)，附加場的方法(利用電場、超聲波)，加入活性炭等。這些手段的引入，從一定程度上改善了膜污染的狀況，但仍然需要探索防止膜污染的新途徑。張永明等(張永明等，雙功能陶瓷膜生物反應器處理廢水的研究[J]，環(huán)境科學，2002，23(4):67-70)采用雙功能陶瓷膜生物反應器處理模擬廢水進行了研究，研究結(jié)果表明通過抽濾與曝氣的切換，可以有效解決膜易堵塞的問題，同時可以得到較高的廢水處理效率。前已述及，污泥濃度是膜污染的一個重要影響因素，然而，以上的雙功能膜是在較高的污泥濃度下進行抽濾，膜通量降低的速度很快。為了進一步降低膜污染，有必要對雙功能膜反應裝置和廢水處理工藝進行改進，以取得預防和控制膜污染的有效途徑，得到較高的膜通量。
發(fā)明內(nèi)容為提高膜生物反應器的出水水質(zhì)，同時降低膜污染，延長膜的使用壽命，使膜在較高的通量下運行，本發(fā)明提供一種間歇式曝氣膜生物反應器及使用該反應器的污水處理方法。本發(fā)明包括一種間歇式曝氣膜生物反應器，其包括反應池、曝氣頭、攪拌器、微孔管膜組件和流體控制系統(tǒng)；其中該曝氣頭位于反應池底部，通過導管及曝氣調(diào)節(jié)閥與置于反應池外部的氣體壓縮機相連；該攪拌器位于反應池中央；該微孔管膜組件位于反應池中部，其通過并聯(lián)的導管及電磁閥分別與置于反應池外部的氣體壓縮機和自吸泵相連，該電磁閥由時間控制器控制；一水泵通過導管向反應池內(nèi)輸送待處理水；反應池內(nèi)裝有生物活性污泥。本發(fā)明的上述間歇式曝氣膜生物反應器，其中該微孔膜組件可以為聚乙烯微孔燒結(jié)管。本發(fā)明的上述間歇式曝氣膜生物反應器，其中該聚乙烯微孔燒結(jié)管的孔徑范圍可以為4-10iam。另一方面，本發(fā)明提供利用上述間歇式曝氣膜生物反應器處理污水的方法，其包括如下步驟一、進水；二、攪拌12小時；三、同時通過曝氣頭和微孔管膜組件進行曝氣，氣體總量與水的體積比為3040:1;四、靜沉1020分鐘；五、吸出上清液。本發(fā)明的上述污水處理方法，其中該自吸泵可采用間歇式運行，抽吸24分鐘，停止12分鐘。本發(fā)明的有益效果在于，一方面，在反應器曝氣階段，同時利用微孔管膜和曝氣頭進行曝氣，通過微孔管膜的反曝氣可以減輕污染物在膜孔內(nèi)和外表面的沉積；同時，由于曝氣頭曝氣的攪動作用，也可以使污染物脫離膜表面。另一方面，利用微孔管膜材料進行曝氣，可以提高氧的利用效率。再一方面，在反應器的沉降階段，污泥沉降后采用膜對上清液進行分離，此時可以得到較高品質(zhì)的出水，同時由于上清液中的污泥含量小，可以有效提高膜通量，降低分離過程中膜的污染。另外，反應器的間歇式運行過程，進水一曝氣(膜曝氣與池底曝氣頭曝氣同時進行)一靜置一膜出水，能夠交替造成好氧和缺氧環(huán)境，使反應器具有較好的脫氮效果。圖1為本發(fā)明的間歇式曝氣膜生物反應器示意圖。圖2為常規(guī)交替曝氣膜生物反應器示意圖。具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方案對本發(fā)明做進一步描述。圖1所示為本發(fā)明的間歇式曝氣膜生物反應器的一種實施方案，其包括反應池2、至少一個曝氣頭3、攪拌器4、至少一個微孔管膜組件5和流體控制系統(tǒng)；其中曝氣頭3位于反應池2的底部，通過導管及曝氣調(diào)節(jié)閥8與置于反應池外部的氣體壓縮機6相連；攪拌器4位于反應池2的中央；微孔管膜組件5位于反應池2的中部，通過并聯(lián)的導管及電磁閥9、10分別與置于反應池外部的氣體壓縮機6和自吸泵7相連，該電磁閥由時間控制器ll控制；水泵l通過導管向反應池內(nèi)輸送待處理水；反應池2內(nèi)裝有生物活性污泥(圖中未顯示)。本發(fā)明的間歇式曝氣膜生物反應器中使用的微孔膜組件為聚乙烯微孔燒結(jié)管?？讖椒秶鸀?-10tim。另一方面，發(fā)明者進行了間歇式曝氣膜生物反應器處理污水工藝方法的研究，對影響反應器流態(tài)的曝氣量及影響膜污染積累的膜抽吸與停抽時間進行了正交試驗。結(jié)果表明，縮短抽吸時間或延長暫停時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，但過短的抽吸時間和過長的暫停時間和過大的曝氣量不能進一步減輕膜污染，因此應在保證一定產(chǎn)水量的前提下確定適宜的抽、停時間和曝氣量。由此確定以下污水處理方案(如圖1所示)(1)污水由水泵1送至膜生物反應池2，液面高度沒過微孔膜組件5，利用攪拌器4進行攪拌12小時；(2)打開氣體壓縮機6，氣路電磁閥9和曝氣調(diào)節(jié)閥8打開，同時由微孔膜組件5和池底曝氣頭4曝氣，調(diào)節(jié)閥門8和9的開度，保證微孔膜組件5表面有小氣泡冒出；(3)曝氣，氣體總量與水的體積比達到3040:l后，關閉氣體壓縮機6，停止曝氣；(4)混合液靜置1020分鐘，活性污泥沉降；(5)啟動自吸泵7，切換電磁閥10，通過微孔管進行上清液抽吸，抽吸24分鐘，停止12分鐘；上述電器控制采用時間控制器11自動完成。本發(fā)明的間歇式曝氣膜生物反應器及污水處理方法的特點在于，在同一個反應器中在時間上造成交替的缺氧和好氧環(huán)境，這有利于對廢水進行生物脫氮。氮磷是植物和微生物的主要營養(yǎng)性元素，當水體中含N〉0.2mg*L—'，P〉0.02mg，L—'，水體就會營養(yǎng)化。水體營養(yǎng)化后會引起某些藻類的惡性繁殖，一方面某些藻類本身有藻腥味會引起水質(zhì)惡化，另一方面有些藻類所含的蛋白質(zhì)毒素會富集在水產(chǎn)物體內(nèi)，并通過食物鏈影響人體的健康。水體中大量藻類死亡的同時會耗去水中所含的氧，從而引起水體中魚蝦等水產(chǎn)物的大量死亡，致使湖泊退化、淤泥化甚至消亡。根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個過程。硝化過程是氨氮通過亞硝酸鹽向硝酸鹽的自養(yǎng)型轉(zhuǎn)換，是由化能無機營養(yǎng)菌-硝化細菌在好氧條件下完成的；反硝化過程則被認為是在嚴格的厭氧條件下完成的。常規(guī)的廢水生物脫氮反應過程是硝酸型脫氮，即依次按下式進行硝化反應NH.,++1.502=NO2—+2H++H20(1)本發(fā)明污水處理方法的曝氣步驟提供了好氧環(huán)境，污水中的無機營養(yǎng)菌-硝化細菌利用充足的氧氣進行硝化反應；而在隨后的靜沉步驟中沒有氧氣的補充，營養(yǎng)菌-硝化細菌耗盡了水中氧氣，進而由水中有機物與亞硝酸鹽和硝酸鹽進行反硝化反應，生成氮氣，從而有效降低了水中氮的濃度。以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。采用本發(fā)明上述實施方案的反應器進行洗浴污水處理，其中聚乙烯微孔燒結(jié)管的平均孔徑為8um。首先將污水由水泵1送至膜生物反應池2，液面高度沒過微孔膜組件5，反應池2內(nèi)預先裝有獲自北京市北小河污水處理廠二沉池中的活性污泥，系統(tǒng)污泥濃度約為4g/L，進水水質(zhì)指標如表l所示。攪拌1小時。然后打開氣體壓縮機6，氣路電磁閥9和曝氣調(diào)節(jié)閥8打開，同時由微孔膜組件NO'—+0.502=N(T反硝化反應NO:i—+2H(氫供給體-有機物)=N02-+H20NO2—+3H(氫供給體-有機物)=0.5N2+H20+0H(2)(3)(4)實施例15和池底曝氣頭4曝氣，調(diào)節(jié)閥門8和9的開度，保證微孔膜組件5表面有小氣泡冒出，曝氣1.5小時(氣體總量與水的比例為30:1)，關閉氣體壓縮機6，停止曝氣。隨后混合液靜置10分鐘，活性污泥沉降。動蠕動泵7，切換電磁閥10，通過微孔管進行上清液抽吸，排水30min，抽吸2分鐘，停止1分鐘。上述電器控制采用時間控制器ll自動完成。得到處理后的出水。實驗過程中對微孔管膜組件的過濾性能進行監(jiān)測，結(jié)果表明微孔管膜組件的膜比通量在運行初期(12天)基本維持在4050L/(m2kPa)，之后緩慢降低并穩(wěn)定于約20L/(m、kPa)。實施例2采用與實施例1相同的污水及操作步驟，改變操作條件，首先攪拌1.5小時，隨后采用微孔管曝氣100分鐘，然后靜沉0.2小時，最后通過蠕動泵排水30min，蠕動泵采用間歇式運行，抽吸3分鐘、停止1分鐘。得到處理后的出水。實施例3采用與實施例l相同的污水及操作步驟，改變操作條件，首先攪拌2小時，隨后采用微孔管曝氣2小時，然后靜沉0.25小時，最后通過蠕動泵排水30min，蠕動泵采用間歇式運行，抽吸4分鐘、停止2分鐘。得到處理后的出水。比較例1使用一種常規(guī)的曝氣膜生物反應器對實施例1中的污水進行處理，該反應器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括反應池22、兩個微孔管膜組件23和流體控制系統(tǒng)；其中兩個微孔管膜組件23位于反應池22的中部，分別通過導管及電磁閥26、27與置于反應池外部的氣體壓縮機24和自吸泵25相連，該電磁閥由時間控制器28控制；水泵21通過導管向反應池內(nèi)輸送待處理水；反應池22內(nèi)裝有與實施例1中相同的生物活性污泥(圖中未顯示)。污水處理過程中，當一個微孔管膜組件曝氣時，另一個微孔管膜組件進行抽吸，每隔20分鐘，兩個微孔管膜組件交替曝氣和抽吸，實現(xiàn)連續(xù)進水，連續(xù)曝氣和連續(xù)抽吸。上述程序控制采用時間控制器28自動完成。得到處理后的出水。實驗過程中對微孔管膜組件的過濾性能進行監(jiān)測，結(jié)果表明微孔管膜組件的膜比通量在運行初期(10天)基本維持在4555L/(m2kPa),之后緩慢降低并穩(wěn)定于約8L/(m、kPa)。實施例4對上述實施例l一3及比較例1處理后的出水水質(zhì)進行測定，指標如表2所不。表i進水水質(zhì)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(注COD為化學耗氧呈；BOD.-,為生物耗氧呆。)表2出水水質(zhì)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>結(jié)果表明，實施例l一3和比較例1的出水水質(zhì)均優(yōu)于建設部關于生活雜用水的水質(zhì)標準。權利要求1.一種間歇式曝氣膜生物反應器，其特征在于包括反應池、曝氣頭、攪拌器、微孔管膜組件和流體控制系統(tǒng)；其中該曝氣頭位于反應池底部，通過導管及曝氣調(diào)節(jié)閥與置于反應池外部的氣體壓縮機相連；該攪拌器位于反應池中央；該微孔管膜組件位于反應池中部，其通過并聯(lián)的導管及電磁閥分別與置于反應池外部的氣體壓縮機和自吸泵相連，該電磁閥由時間控制器控制；一水泵通過導管向反應池內(nèi)輸送待處理水；反應池內(nèi)裝有生物活性污泥。2.按照權利要求l所述的間歇式曝氣膜生物反應器，其特征在于所述的微孔膜組件為聚乙烯微孔燒結(jié)管。3.按照權利要求2所述的間歇式曝氣膜生物反應器，其特征在于所述的聚乙烯微孔燒結(jié)管的孔徑范圍為4-10ym。4.使用權利要求1所述的間歇式曝氣膜生物反應器的污水處理方法，其特征在于包括如下步驟一、進水；二、攪拌12小時；三、同時通過曝氣頭和微孔管膜組件進行曝氣，氣體總量與水的體積比為3040:1;四、靜沉1020分鐘；五、吸出上清液。5.按照權利要求4所述的污水處理方法，其特征在于所述自吸泵采用間歇式運行，抽吸24分鐘，停止12分鐘。全文摘要本發(fā)明提供一種用于進行污水處理的設備，具體涉及一種間歇式曝氣膜生物反應器，其包括反應池、曝氣頭、微孔管膜組件、攪拌器和流體控制系統(tǒng)；其中該曝氣頭位于反應池底部，通過導管及曝氣調(diào)節(jié)閥與置于反應池外部的氣體壓縮機相連；該攪拌器位于反應池中央；該微孔管膜組件位于反應池中部，其通過并聯(lián)的導管及電磁閥分別與置于反應池外部的氣體壓縮機和自吸泵相連，該電磁閥由時間控制器控制；一水泵通過導管向反應池內(nèi)輸送待處理水；反應池內(nèi)裝有生物活性污泥。本發(fā)明還提供使用該反應器的污水處理方法，其包括如下步驟進水；攪拌1～2小時；同時通過曝氣頭和微孔管膜組件進行曝氣；靜沉10～20分鐘；吸出上清液。文檔編號C02F3/12GK101468850SQ20071030428公開日2009年7月1日申請日期2007年12月26日優(yōu)先權日2007年12月26日發(fā)明者馮旭東,蘋汪,高玉蘭申請人:北京工商大學