专利名称：旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法
技术领域：
本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及膜生物
反应器工艺成本降低、膜污染控制实现的方法。
背景技术：
我国水资源匮乏，是世界上13个贫水国之一。全国600余座城市中已有400余座 缺水，因缺水而减少的工业产值每年超过1200亿元。利用水质和水价较生活饮用水低的中 水绿化、洗车、冲洗卫生器具等，可以节约宝贵的水资源，缓和城市水的供需矛盾，还可减轻 城市排水系统的负担。膜生物反应器(membranebioreactor， MBR)被认为是最有发展前途 的污水处理与回用技术之，其本身可以替代传统污水处理工艺中的活性污泥池、二沉池、滤 池三项工艺，出水仅需投加少量消毒剂，避免发生二次污染就可以实现回用，而且污泥产量 低、占地面积小、操作方便。但一种工艺的广泛应用不仅取决于自身的技术可行性，还取决 于其经济可行性，膜组件价格昂贵和膜污染不易控制是阻碍MBR推广应用的主要问题。在 处理规模为240mVd的污水回用系统中，一体式膜生物反应器中膜组件费用占总投资比例 为57. 3%，膜的更换费用占运行费用的58%，动力费用占运行费用的21% ;为延缓膜污染， 膜生物反应器工艺气水比通常在40 : 1左右，曝气的能耗占动力费用的96%以上。
山东大学邱宪峰等人构建了内循环动态膜生物反应器以尝试提高反应器错流速 度、抑制膜污染。反应器整体结构由外筒和内筒组成，膜组件置于内筒，利用曝气管在内筒 外侧进行曝气，向混合液供氧并推动混合液在反应器内形成环流。反应器膜污染情况较常 规膜生物反应器有一定改善，但效果不够理想，需定期进行大曝气量反冲洗，平均反冲洗周 期为54. 8h。同样是为解决膜污染问题，武汉科技学院左丹英等人设计了转盘式平板膜生物 反应器。作为膜材料的PVDF膜包覆在旋转盘上下表面，依靠转盘旋转清洗膜表面。但因转 盘设置为竖直方向上串联，曝气剪切力无法再作用于膜表面；且上表面污染后不易清洗，反 冲洗通量恢复率在30%左右；更使串在中间位置的膜片更换困难。为降低膜组件的价格， 清华大学致力于研究在孔径为lOOym的筛绢上利用微生物及其代谢产物形成的动态膜进 行过滤。结果表明，系统对COD的总去除率基本上大于80% ，但是，动态膜表面污染严重，而 为避免操作压力过高而进行的下方曝气会使动态膜完全破坏，出水SS平均达到2270mg/l， 35min后动态膜才会重新形成，因此需要增加将下方曝气后一段时间内的出水返回处理的 装置，在出水水质和系统操作的稳定性方面还存在问题，距实际应用还有差距。另外，传统 膜生物反应器为增大剪切力均采用大孔曝气，氧利用率低，能耗增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制膜污染、并降低膜组件成本的污水处理方法，用该 方法设计及建造膜生物反应器，不仅能够使其保持膜生物反应器的所有优点，而且能够有 效克服桎梏膜生物反应器工艺广泛应用的膜污染不易控制、膜组件成本较高的缺点，并由 此降低曝气所需能耗，使膜生物反应器工艺的工程应用实现投资及运行费用大幅度降低，
3从而促进该工艺的推广和普及。 实现本发明所述应用旋转管式无纺布动态膜生物反应器实现污水处理的技术方 案是 采用孔径3-5微米无纺布作为廉价基材，将其包裹在管壁开孔的中空管上形成管 式过滤组件，过滤组件上部密封，下部留有出水口 。中空管壁在满足管材强度的要求下使孔 隙率最高。过滤组件垂直安置，相互平行，呈环状均匀排列，利用上下圆盘的插孔和下部圆 盘的插槽固定在反应器两个圆盘之间。上下圆盘由中心圆柱通过螺纹连接，此结构及固定 于圆盘间的管式过滤组件组成独立整体，可单独拆卸；每个管式过滤组件可单独从插槽及 插孔中取出，进行无纺布的更换。下部圆盘中央固定于反应器底部的旋转子上。旋转子通过 法兰固定在反应器底部，并与反应器外的齿轮同轴相连，该齿轮称为从动齿轮，在主动齿轮 的带动下，旋转子实现转动。主动齿轮由电动机控制转速。下部圆盘中央设有总集水管，圆 盘内部沿半径方向设有和管式过滤组件对应的径向集水管，径向集水管两端分别连接管式 过滤组件出水口及总集水管，总集水管和外部出水管相连接，污水经活性污泥降解和无纺 布上由微生物及其代谢物组成的动态膜过滤，在抽吸泵作用下进入过滤组件中空的内部， 通过径向集水管汇集至总集水管后经出水管排出。 包覆无纺布的管式过滤组件及无纺布表面由微生物及其代谢物组成的动态膜组 成管式膜组件，其稳定状态时通量维持在40-80L/h m2之间，为保证无纺布表面形成均匀 动态膜并便于拆洗更换，过滤面积《3!112，生物反应器中管式膜组件个数由处理水量除以单 个膜组件通量和过滤面积的乘积确定。旋转产生剪切力可以有效延缓膜污染，并保证活性 污泥悬浮，对于曝气的剪切力需求降低，因此，本发明中曝气量显著降低，仅需满足反应器 中活性污泥混合液溶解氧需求即可。为进一步降低能耗，本发明中反应器底部安置微孔曝 气管，取代传统膜生物反应器中大孔曝气器，氧的利用率10%左右；微孔曝气管曝气可有 效提高氧的利用效率至30%左右，降低能量消耗。 反应器运行初始，使管式过滤组件缓慢旋转，转速小于10rpm，使无纺布表面形成 均匀动态膜，提高过滤精度。动态膜形成后，转速提高至10-20rpm，防止动态膜过厚造成操 作压力提高；当反应器出水真空表数值升高至10KPa以上时，进一步提高转速至20-30rpm， 并通过时间继电器控制正反转时间，提高活性污泥混合液紊动效果，提高作用于膜面的剪 切力，延缓膜污染。 处理生活污水COD浓度在300-500mg/l时，生物反应器内水力停留时间不小于6
小时；处理生活污水COD浓度在600-1000mg/l时，生物反应器内水力停留时间不小于8小
时。生物反应器容积满足水力停留时间要求的同时，活性污泥混合液的最低液位与膜组件
上缘保持一定距离。 本发明的效果和益处是 1.无纺布价廉易得，约20元/m2的价格远远低于中空纤维膜400元/m2的价格， 从而可大幅度降低成本。 2.所设计的旋转管式无纺布动态膜生物反应器，无纺布表面动态膜的形成有利于 提高过滤精度，而转速根据操作压力的变化而调控，可以有效保持动态膜的适当厚度，延缓 因动态膜过厚而导致操作压力急剧升高，保障旋转管式无纺布动态膜生物反应器的持久稳 定运行。CN 101786736 A
3.旋转产生剪切力可以有效延缓膜污染，并保证活性污泥悬浮，因此，本发明中对 于曝气产生剪切力的需求降低，采用氧利用率更高的微孔曝气器，可以显著降低能耗。
4.当反冲洗通量恢复率降低时，管式过滤组件可以方便地从上下圆盘插槽及插孔 中取出，更换无纺布，操作简单。 旋转管式无纺布动态膜生物反应器工艺出水水质可满足中水回用要求，可用来洗 车、绿化和冲厕，而且成本低廉、抗污染性能强、操作简单。旋转管式无纺布动态膜生物反应 器在污水处理和中水回用领域中具有广泛的应用前景，如无排水管网系统的地区，如度假 区、旅游风景区；有中水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业；现有的城市污水处理厂 的更新升级等。
附图1是旋转管式无纺布动态膜生物反应器示意图。
图中l鼓风机；2微孔曝气管；3从动齿轮；4旋转子；5径向集水管；6主动齿轮；7 总集水管；8中心圆柱；9电动机；10出水管；11下部圆盘；12管式过滤组件；13上部圆盘； 14时间继电器；15真空表；16生物反应器；17压力表；18抽吸泵。
附图2是旋转管式无纺布动态膜生物反应器下部圆盘剖面图。
图中19径向集水管；20螺纹；21总集水管；22过滤组件插槽。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明具体实施方式
。
实施例 处理生活污水水量按40mVd计，COD浓度为600mg/L。无纺布包裹中空管组成管 式过滤组件12，单个管式膜组件通量维持在80L/h *m2。管式过滤组件过滤面积为1. 3m2，计 算得到需要过滤组件16个，其具体尺寸为有效长度2m，半径0. lm。生物反应器16内水力 停留时间8小时，有效容积为13. 3m 其具体尺寸为径宽2. 5m，有效水深2. 8m，超高0. 5m， 总高3. 3m。 上下圆盘半径相等，设为1. Om，在距圆盘中心O. 8m位置呈环形设置16个插槽及插 孔，每个插槽及插孔半径O. lm，相临插槽圆心距离及最短距离分别为0.31m及0. 11m，16个 管式过滤组件固定在上下圆盘11、13插槽及插孔中。 具体安装方式为先用吊车将下部圆盘11放入生物反应器16并安装于旋转子4 上，然后将中心圆柱8通过螺纹连接于下部圆盘11，最后将上部圆盘13安装于中心圆柱8 上。旋转子4由生物反应器16外的从动齿轮3和主动齿轮6带动，其正反转速及各自旋转 时间由电动机9及时间继电器14分别控制。管式过滤组件12具体安装方式是将管式过 滤组件12从上部圆盘13插孔竖直插入至下部圆盘的插槽11内，并保证过滤组件出水口与 下部圆盘11内部的径向集水管5相连。 启动鼓风机1曝气，为反应器中微生物提供生长代谢必需的氧气。在抽吸泵18作 用下，经活性污泥降解和动态膜过滤的处理水进入管式过滤组件12中空的内部，由下部圆 盘11内部的径向集水管5流向总集水管21排出。
权利要求
一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法，其特征在于a)采用孔径3-5微米无纺布作为廉价基材，将其包裹在管壁开孔的中空管上形成管式过滤组件，过滤组件上部密封，下部留有出水口，过滤面积≤3m2；b)过滤组件垂直安置，相互平行，呈环状均匀排列，利用上不圆盘的插孔和下部圆盘的插槽固定在反应器两个圆盘之间，每个管式过滤组件单独从插槽及插孔中取出，进行无纺布的更换；c)下部圆盘中央设有总集水管，圆盘内部沿半径方向设有两端分别连接管式过滤组件出水口及总集水管的径向集水管，处理水在抽吸泵作用下进入过滤组件中空的内部，通过径向集水管汇集至总集水管后经出水管排出；d)下部圆盘中央固定于反应器底部的旋转子上，旋转子通过法兰固定在反应器底部，并与反应器外从动齿轮同轴相连，并在主动齿轮的带动下，旋转子实现转动，主动齿轮由电动机控制转速；e)反应器运行初始，转速小于10rpm，动态膜形成后，转速提高至10-20rpm，当反应器出水真空表数值升高至10KPa时，转速提高至20-30rpm，并通过时间继电器控制正反转时间，提高活性污泥混合液紊动效果。
2. 根据权利要求1所述的一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法， 其特征在于反应器底部安置微孔曝气管。
全文摘要
一种旋转管式无纺布动态膜生物反应器及其污水处理方法，属于环境工程技术领域。其特征是应用无纺布包裹管壁开孔的中空管制作管式过滤组件，并由电动机带动固定于圆盘上的管式过滤组件旋转，在抽吸泵作用下，处理水进入管式过滤组件中空的内部，通过圆盘上径向集水管汇集至总集水管后排出。本发明采用无纺布制作过滤组件，成本低廉；无纺布表面动态膜用于提高过滤精度，而转速根据操作压力的变化而调控，可以有效保持动态膜的适当厚度，保障反应器的持久稳定运行。本发明的效果和益处是采用高氧利用率的微孔曝气器，降低能耗。管式过滤组件可单独拆卸，操作简单方便。
文档编号C02F9/02GK101786736SQ201010128979
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者孙伟, 孙相彧, 张捍民, 杨凤林, 蒋涛 申请人:大连理工大学