专利名称：包含有机污染物的废水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种包含有机污染物的废水处理系统，是结合厌氧与好氧微生物于薄膜生物处理系统中，利用微生物除去水中有机污染物，并降低系统的设备成本。
背景技术：
薄膜生物处理系统是近几年废水处理技术最热门的技术之一。薄膜生物处理系统主要是以薄膜为分离介质，先使废水与微生物接触进行分解反应后，以真空压力差为驱动力，促使废水通过薄膜进行固液分离，通过薄膜的渗透液即为处理水，而污泥或其它固体物则被截留在薄膜分离槽中，并于适当时机通过排泥方法排出反应系统。薄膜表面再以反冲洗或化学清洗，除去沉积于表面的污物，以延长薄膜寿命。
薄膜过滤为薄膜生物处理技术重点之一，一般而言，微过滤可分为端点过滤(dead-endfiltration)与横流过滤(cross-flowfiltration)两大类。端点过滤类似传统的滤饼式过滤，悬浮液流动方向与薄膜表面垂直，固体物被截留在薄膜表面而形成滤饼层，滤饼厚度随悬浮液过滤量增加而增加，而渗透液流量则随滤饼厚度增加而减少，薄膜表面滤饼必须依赖周期性反冲洗以移除；对于横流过滤，悬浮液流动方向与薄膜表面平行，悬浮液在薄膜表面的横流速率，产生剪力作用，而消除滤饼的形成，当滤饼的累积效应与清除效应达到平衡，滤饼厚度即固定。由于横流过滤必须有一速率分量平行于薄膜表面，因此薄膜本身的移动或空气气泡扰动，均能达到类似效果。薄膜生物处理技术为避免积垢现象的产生，以产生最大渗透通量，常采用横流过滤的方式进行固液分离。
移除薄膜表面上的积垢(fouling)或结垢(scaling)，以延长薄膜使用寿命及降低能量耗损，是薄膜生物处理系统是否经济可行的主要考虑因素。积垢是指在薄膜表面有固体物，如污泥、微细胶体颗粒、有机物等吸附或沉淀在薄膜上，造成薄膜的渗透阻力增加的现象，引起积垢的原因包含物理化学和生物机制及浓度极化现象；结垢是指金属或重金属类物质，在薄膜表面形成氢氧化金属、碳酸金属、磷酸金属等结晶物，例如厌氧反应过程中会使水中碳酸盐浓度增高，若水中包含有Ca、Mg、Fe或其它重金属，则容易在薄膜表面形成碳酸金属结垢导致薄膜阻塞。薄膜积垢或结垢严重时，会造成处理通量的大量减低，因此需要在操作过程中，定期进行去除积垢的动作。
薄膜生物处理系统与传统活性污泥废水程序相比，具有占地面积少、生物污泥可完全截留、系统操作维护容易及污泥停留时间可相当长，以利特殊或难分解污染物的去除，且系统不需沉淀单元，可大幅节省空间，并截留难分解的高分子物质，增加处理效率，适合中小型规模特殊污染物处理。
近几年来由于薄膜制造技术进步，薄膜使用寿命延长，薄膜生物处理系统已从实验室研究规模发展至超过10,000m3/d的生产应用规模。然而，现阶段薄膜生物处理系统主要以好氧薄膜生物处理系统为主，由于薄膜成本高，致使好氧薄膜生物处理系统初设成本居高不下，本发明则结合厌氧与好氧微生物于薄膜生物处理系统中来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种包含有机污染物的废水处理系统，通过将好氧反应槽与薄膜分离槽中的微生物回流至厌氧反应槽中，以减少微生物的流失，同时维持厌氧反应槽中微生物的数量，达到厌氧处理体积效率高、不需设置供氧系统、降低初设成本及节省动力成本的目的。
本发明的另一目的是提供一种除去废水中有机污染物的处理方法，通过结合厌氧及好氧系统的优点来处理废水中的有机污染物，并整合于薄膜分离系统中，提高薄膜分离系统效率并降低成本，达到薄膜生物处理系统进一步推广解决处理都市污水或工业废水的目的。
本发明的目的是这样实现的一种包含有机污染物的废水处理系统，其特征是，它包含有一厌氧反应槽，是通过厌氧生物处理方法除去废水中的有机污染物；一好氧反应槽，设置于前述厌氧反应槽之后，是通过好氧生物处理法，除去前述厌氧反应槽流出水的残余有机污染物；一薄膜分离槽，设置于前述好氧反应槽之后，是分离好氧反应槽流出水的固相及液相。
前述厌氧反应槽与好氧反应槽于初始植种时，是同时植入厌氧污泥，前述好氧反应槽和薄膜分离槽是进一步包含将微生物回流至厌氧反应槽中的装置，以维持厌氧反应槽中微生物的数量。前述厌氧反应槽中是包含厌氧微生物或兼氧微生物，较佳是同时包含甲烷菌与兼氧菌。前述好氧反应槽中是包含兼氧微生物。前述的厌氧反应槽包含将污泥废弃至厌氧反应槽外的装置。
前述的厌氧反应槽与好氧反应槽于初始植种时，可分别植入厌氧污泥与好氧污泥，前述薄膜分离槽是可进一步包含将微生物回流至好氧反应槽中的装置，前述好氧反应槽及薄膜分离槽是进一步包含将多余的好氧废弃污泥排至厌氧反应槽中进行厌氧消化的装置，前述的厌氧反应槽包含污泥废弃至厌氧反应槽外装置。前述好氧反应槽与薄膜分离槽的好氧废弃污泥是可进一步先经一碱污泥水解装置再排至厌氧反应槽。
前述好氧反应槽是进一步通过曝气脱除二氧化碳作用，提高水中的pH值，使水中的金属离子形成碳酸金属结晶颗粒，并通过生物胶凝作用将此碳酸金属结晶颗粒，嵌入好氧微生物的胶羽中，以减少金属结晶物在薄膜分离槽的薄膜上形成结垢的倾向。
前述包含有机污染物的废水处理系统是进一步在厌氧反应槽前设置好氧预处理装置，除去废水中的有毒有机物质以降低此有毒有机物质对厌氧微生物的抑制作用。
前述的厌氧反应槽与好氧反应槽是进一步包含具有脱氮、除磷的微生物。
前述薄膜分离槽的薄膜是进一步包含以气体冲洗薄膜的装置，其中气体包含生物产气(biogas)或空气。薄膜分离槽的薄膜以生物产气进行冲洗，与好氧反应槽相较，可降低水中pH值0.2-1.0单位，以防止结垢产生；或者以空气或空气配合无机酸(例如HCl)进行冲洗，也能达到与使用生物产气冲洗的同样效果。
前述薄膜分离槽的薄膜是连续以生物产气或空气进行冲洗，以去除薄膜上的积垢。
本发明还提供一种除去废水中有机污染物的处理方法，包含下列步骤(a)将包含有机污染物的废水导入厌氧反应槽中，使厌氧反应槽中的厌氧微生物分解废水中的有机污染物；(b)将来自步骤(a)的厌氧反应槽流出水进一步导入好氧反应槽中，使好氧反应槽中的好氧微生物除去废水中残余有机物，并经由气提作用脱除二氧化碳，提高水中的pH值，使金属离子形成碳酸金属颗粒，通过好氧微生物的生物胶凝作用捕捉废水中的金属结晶物；(c)将来自步骤(b)的好氧反应槽流出水导入薄膜分离槽中，分离水中的固态物质，获得除去有机污染物的排放水。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是可进一步在步骤(a)之前增加废水预处理步骤，除去废水中的有毒的有机污染物(如酚类与醛类物质等)，以降低厌氧槽的毒性抑制作用。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是进一步在步骤(a)的厌氧反应槽进行脱氮和/或除磷的程序。前述除去废水中有机污染物的处理方法，是进一步在步骤(a)之前，增加在碱污泥水解装置进行好氧废弃污泥碱水解的步骤，以碱水解好氧废弃污泥，增加好氧废弃污水的水解程度，增加污泥厌氧消化能力。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是可进一步以生物产气冲洗薄膜分离槽的薄膜，或以空气直接或配合无机酸冲洗薄膜，以防止结垢产生。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是进一步将好氧反应槽与薄膜分离槽中的微生物回流至厌氧反应槽中，以减少微生物的流失，同时维持厌氧反应槽中微生物的数量。
由于厌氧处理技术具有体积效率高，不需设置供氧系统，可同时降低初设成本，并节省动力成本，并且产生的污泥远低于好氧系统的优点，本发明即结合厌氧与好氧系统的优点来处理废水中的有机污染物，并整合于薄膜分离系统中，以提高薄膜分离系统效率并降低成本，以利薄膜生物处理系统进一步推广以解决处理都市污水、工业废水等问题。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
图1是本发明的包含有机污染物的废水处理系统示意图。
图2是本发明的除去废水中有机污染物的处理方法流程图。
图3是厌氧反应槽进流水、厌氧反应槽流出水及薄膜分离槽流出水的化学需氧量(COD)浓度与操作天数关系图。
图4是厌氧反应槽的pH值与氧化还原电位值(ORP)与操作日期关系图。
图5是好氧反应槽pH值、氧化还原电位、溶氧量(DO)与操作日期关系图。
图6是厌氧反应槽、好氧反应槽与薄膜分离槽中pH值与操作日期关系图。
具体实施例方式
参阅图1所示，本发明的包含有机污染物的废水处理系统10包含有一厌氧反应槽1是通过厌氧生物处理方法除去废水中的有机污染物；一好氧反应槽2是设置于前述厌氧反应槽1之后，是通过好氧生物处理法，除去前述厌氧反应槽1流出水中的残余有机污染物；一薄膜分离槽3是设置于前述好氧反应槽2之后，分离好氧反应槽流出水的固相及液相。
前述包含有机污染物的废水处理系统10的一实施例，是在前述厌氧反应槽1与好氧反应槽2初始植种时，同时植入厌氧污泥，其中厌氧反应槽1中是包含厌氧微生物或兼氧微生物，较佳是同时包含甲烷菌与兼氧菌；好氧反应槽2中是包含兼氧微生物。在此实施例中，系统中的好氧反应槽2和薄膜分离槽3是进一步包含将微生物回流至厌氧反应槽1中的装置，以维持厌氧反应槽1中维生物的数量。
前述包含有机污染物的废水处理系统10的另一实施例，是于初始植种时，在前述厌氧反应槽1与好氧反应槽2分别植入厌氧污泥与好氧污泥，其中前述薄膜分离槽3并包含将微生物回流至好氧反应槽2中的装置，前述好氧反应槽2及薄膜分离槽3亦包含将多余的好氧废弃污泥排至厌氧反应槽1中进行厌氧消化的装置，其中前述的好氧废弃污泥是进一步先经一碱污泥水解装置5，再排至厌氧反应槽1。前述的厌氧反应槽1包含污泥废弃至厌氧反应槽1之外的装置。
本发明的有机污染废水处理系统10，其中厌氧反应槽1及好氧反应槽2是可进一步包含具有脱氮、除磷功能的微生物，并可视情况，于厌氧反应槽1前进一步设置好氧预处理装置4，除去废水中有毒的有机物质。薄膜分离槽3则可进一步包含以气体冲洗薄膜的装置。
二氧化碳为厌氧生物代谢的主要副产物，会导致系统中碳酸盐浓度增高，若水中包含有Ca、Mg、Fe或其它重金属，容易在薄膜表面形成碳酸金属结垢(scaling)导致薄膜阻塞。本发明的厌氧反应槽1流出水进入好氧反应槽2后，好氧微生物可去除残余有机污染物，并且因曝气后的气提作用，可将水中的pH值提升1-2单位，使原溶于厌气反应槽1流出水的金属离子，在高pH值下，于好氧系统中形成碳酸金属结晶物；该碳酸金属结晶物并通过于好氧微生物的生物胶凝作用(bioflocculation)，而嵌入好氧微生物的胶羽中，降低金属结晶物于薄膜分离槽3的薄膜上形成结垢的可能性。当好氧反应槽2流出水进入薄膜分离槽3时，以生物产气进行冲洗，使用生物产气进行冲洗可降低水中pH值0.2-1.0单位，能进一步防止高pH值系统中碳酸金属结垢的产生；此外，若有需要，亦可以空气进行冲洗，并配合无机酸(例如HCl)以调降薄膜分离槽3的pH值，亦可直接以空气进行冲洗，达到防止结垢产生的目的。
参阅图2所示，本发明的除去废水中有机污染物的处理方法流程图，包含下列步骤(a)首先，将包含有机污染物的废水导入厌氧反应槽中，使厌氧反应槽中的厌氧微生物分解废水中的有机污染物，以产生甲烷与二氧化碳；(b)接着，将来自步骤(a)的厌氧反应槽流出水进一步导入好氧反应槽中，使好氧微生物除去废水中残余有机污染物，并经由气提作用，脱除二氧化碳，并提高水中的pH值，使金属离子形成碳酸金属颗粒，通过好氧微生物的生物胶凝作用，捕捉废水中的金属结晶物；(c)然后，将来自步骤(b)的好氧反应槽流出水导入薄膜分离槽中，分离水中的固态物质，获得除去有机污染物的排放水。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是可进一步在步骤(a)的厌氧反应槽同时进行脱氮或除磷的程序，并可进一步在步骤(a)之前增加废水预处理步骤，以除去废水中的有毒的有机污染物(如酚类与醛类物质等)。
前述除去废水中有机污染物的处理方法，是可进一步在步骤(a)之前增加好氧废弃污泥碱水解步骤，以碱水解好氧废弃污泥，增加好氧废弃污水的水解程度，增加污泥厌氧消化能力。并可进一步将好氧反应槽与薄膜分离槽中的微生物回流至厌氧反应槽中，降低成本。
该处理方法，亦可包含以生物产气冲洗薄膜分离槽的薄膜，或以空气直接或配合无机酸冲洗薄膜，降低薄膜分离槽的pH值，以防止结垢产生。
以下实施例是用于进一步了解本发明的优点，并非用于限制本发明的保护范围。
本实施例的系统是如图1所示的包含厌氧反应槽1、好氧反应槽2及薄膜分离槽3的系统。本实施例采用厌氧槽、好氧槽与薄膜分离槽体积组合而成，其厌氧槽的有效体积为54公升；好氧槽有效体积为16公升，薄膜分离槽有效体积为6公升。本实施例采用食品废UASB槽中的厌氧颗粒化污泥，以果汁机打碎后，当成植种污泥，并同时植入厌氧槽与好氧槽中，在好氧槽中具有分解有机物功能的微生物，可归类为兼氧菌，所用的薄膜为一沉浸式超滤膜(ultrafiltration，UF)，以生物产气(bio-gas)进行曝气。本系统配置三台管式泵，分别用于抽送原水、好氧槽及薄膜分离槽回流污泥与薄膜流出水，本系统的回流比设定为3。
本实施例采用葡萄糖与醋酸钠为人工基质进行试验。系统采连续操作，同时侦测厌氧槽中的pH及ORP值，并侦测好氧槽的DO、pH及ORP值。
经两个月初步功能测试，厌氧反应槽进流水的COD值介于12,000-18,000mg/L之间，进流量为8.6L/day，结果如图3所示。
图3是厌氧反应槽进流水、厌氧反应槽流出水及薄膜分离槽流出水的化学需氧量(COD)浓度与操作日期关系图。厌氧流出水COD浓度介于1,000-2,100mg/L之间，薄膜分离槽流出水，即薄膜透过液(permeate)的COD浓度则介于50-70mg/L之间，此一结果显示本发明的包含有机污染物的废水处理系统运转功能良好，废水中的有机污染物能被系统中的厌氧生物与好氧生物分解，并且在经过两个月的废水处理后，系统对有机污染物的处理能力并未下降。
为确认微生物在厌氧反应槽与好氧反应槽所处的环境条件，针对厌氧反应槽流出水的pH值与ORP(Oxidation reduction potential，氧化还原电位)，好氧槽槽中的pH值、DO(溶氧量)与ORP，薄膜分离槽的pH值进行例行性监测，其结果是如图4-图6所示。
图4是厌氧反应槽的pH值与ORP值监测结果，图5是好氧反应槽pH值、ORP与DO值监测结果，图6是厌氧反应槽、好氧反应槽与薄膜分离槽中pH值的比较。
由图4所显示厌氧槽反应的pH稳定维持在7.3-7.6之间，ORP则维持在-220～-320mV之间，虽然ORP值略有变动，但仍属绝对厌氧环境。
图5显示好氧反应槽中DO控制在2-4mg/L之间，故可满足好氧代谢所需；图5显示好氧反应槽的pH值上升至8.6-8.9，这是因为厌气槽流出水中包含有高浓度的碳酸根，在曝气过程中，因气提作用，使pH值升高，升高的pH值提升系统中金属离子形成结晶的驱动力。图5亦显示好氧反应槽中ORP的变化非常大，虽然水中DO达2-4mg/L，但ORP值则介于-10～-120mV之间，显示曝气槽中仍有旺盛的还原反应在进行，表示在两个月的操作期之后，系统仍具有分解有机污染物的能力。
图6亦显示厌氧反应槽中的pH值较好氧反应槽中的pH值低1-2单位，好氧反应槽中的pH则较薄膜分离槽中的pH值高0.1-1.5单位。
本发明的包含有机物的废水处理系统，在厌氧槽中去除有机物的微生物为甲烷菌与兼氧菌，在好氧槽去除有机物的微生物为兼氧菌，因此好氧槽的微生物可回流回厌氧槽；并且在好氧反应槽中，于除去有机物同时提高水中pH值，通过微生物的生物胶凝作用将金属结晶颗粒嵌入微生物胶羽中，降低其在薄膜表面结垢的倾向，并以生物产气或空气配合无机酸，降低薄膜分离槽中pH值，或直接以空气冲洗薄膜，进一步减少结垢，达到延长薄膜使用寿命的目的。
权利要求
1.一种包含有机污染物的废水处理系统，其特征是它包含有一厌氧反应槽、一好氧反应槽及一薄膜分离槽；该厌氧反应槽是通过厌氧生物处理方法，除去废水中的有机污染物；该好氧反应槽是设置于所述厌氧反应槽之后，是通过好氧生物处理法，除去所述厌氧反应槽流出水残余的有机污染物；该薄膜分离槽设置于所述好氧反应槽之后，分离好氧反应槽流出水的固相及液相。
2.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述厌氧反应槽及好氧反应槽于初始植种，是同时植入厌氧污泥。
3.根据权利要求2所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述好氧反应槽和薄膜分离槽是进一步包含使微生物回流至厌氧槽中的装置。
4.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述厌氧反应槽与好氧反应槽于初始植种时，是分别植入厌氧污泥与好氧污泥。
5.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述厌氧反应槽中是包含厌氧微生物。
6.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述厌氧反应槽中是包含厌氧微生物及兼氧微生物。
7.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述好氧反应槽中是包含兼氧微生物或好氧微生物。
8.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述好氧反应槽是进一步提升水中的pH值1--2单位，并通过好氧微生物的生物胶凝作用，捕捉废水中的金属结晶物。
9.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是它还包括进一步在所述厌氧反应槽之前设置预处理装置，除去有毒的有机物质，以降低厌氧槽的毒性抑制。
10.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是它还包括进一步在厌氧反应槽之前设置碱污泥水解装置，增加好氧废弃污水的水解程度，增加污泥厌氧消化能力。
11.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述的厌氧反应槽和/或好氧反应槽是进一步包含脱氮和/或除磷的装置。
12.根据权利要求1所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述的薄膜分离槽是进一步包含以气体冲洗薄膜的装置。
13.根据权利要求12所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述的冲洗薄膜的气体包含生物产气或空气。
14.根据权利要求13所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述的生物产生气冲洗薄膜装置能降低水中pH值0.2-1.0单位，进一步防止结垢产生。
15.根据权利要求13所述的包含有机污染物的废水处理系统，其特征是所述的空气冲洗薄膜装置是进一步加入无机酸，以调整降低水中pH值。
16.一种除去有机污染物的废水处理方法，其特征是，它包含下列步骤(a)将包含有机污染物的废水导入厌氧反应槽中，使厌氧反应槽中的厌氧微生物分解废水中的有机污染物；(b)将来自步骤(a)的厌氧反应槽流出水进一步导入好氧反应槽中，使好氧反应槽的好氧微生物除去废水中残余有机污染物，并经由气提作用脱除二氧化碳，提高水中的pH值，使水中的金属形成碳酸金属颗粒，并通过好氧微生物的生物胶凝作用捕捉废水中的金属结晶物；(c)将来自步骤(b)的好氧反应槽流出水导入薄膜分离槽中，分离水中的固态物质，获得除去有机污染物的排放水。
17.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括在步骤(a)之前，增加废水预处理步骤，除去废水中有毒的有机物质。
18.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括在步骤(a)之前，增加碱污泥水解步骤，提高废弃污泥的水解程度，增加厌氧污泥消化功能。
19.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括以生物产气冲洗薄膜分离槽的薄膜，延长薄膜的寿命。
20.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括以空气配合无机酸冲洗薄膜分离槽的薄膜，延长薄膜的寿命。
21.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括以空气冲洗薄膜分离槽的薄膜，延长薄膜的寿命。
22.根据权利要求16所述的除去有机污染物的废水处理方法，其特征是它还包括将好氧反应槽及/或薄膜分离槽中的微生物回流至厌氧反应槽中循环使用。
全文摘要
一种包含有机污染物的废水处理系统，它包含一厌氧反应槽、一好氧反应槽及一薄膜分离槽；好氧反应槽是设置于厌氧反应槽之后，薄膜分离槽是设置于前述好氧反应槽之后，该系统是利用生物处理法去除废水中的有机污染物，并以薄膜分离固液两相。具有可有效去除废水中的有机污染物，解决薄膜表面结垢与积垢问题，具有降低成本并提高效率的功效。
文档编号C02F9/02GK1621367SQ20031011570
公开日2005年6月1日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者游惠宋, 彭明镜, 张盛钦, 陈谊彰, 彭淑惠 申请人:财团法人工业技术研究院