专利名称：水解－复合膜生物法处理难降解废水的装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置与方法，属于有机污(废)水处理的技术领域。
背景技术：
对于量大面广的难降解工业废水，采用单一好氧生物法或厌氧生物法难以达标排放，而采用物化方法，运行费用又太高。利用缺氧水解对难降解废水进行预处理，再接好氧生物处理的方法已逐步被认可。缺氧水解预处理具有水力停留时间短，对难降解有机物的转化率高，并可大幅度提高废水的可生化性。经过水解转化的有机物在后续的好氧段实现高效降解。缺氧水解工艺与好氧工艺联合处理难降解废水已为大量研究与实际工程所证实。但在实际应用中仍存在不能保证停留时间，出现短流和沟流，废水与污泥不能充分混合接触，不能保证处理效果等问题。传统生物处理工艺中，二沉池的泥水分离效果欠佳，出水悬浮物浓度偏高，易发生污泥膨胀。为了有效解决这些问题，膜生物技术得到了迅速的发展。本发明将二者进行有机集成和组合，提出了水解-复合膜生物法废水处理方法与装置。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置与方法，将水解与复合膜生物法有机结合，以克服现有工艺中存在的难降解废水可生化性差、不能保证停留时间、易出现短流和沟流、废水与污泥不能充分混合接触、泥水分离效果欠佳等缺点。使用本发明方法，处理后的废水能达标排放和实现资源化利用的要求。
技术方案本发明的水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置包括多格室水解反应器、复合膜生物反应器，其中，多格室水解反应器的出水端通过连接管与复合膜生物反应器的进水口相连接，在复合膜生物反应器内放置膜组件，该膜组件与膜分离出水管相连接；复合膜生物反应器通过第一控制阀、第一回流泵、由回流管定期将复合膜生物反应器的混合液回流至多格室水解反应器的进水管；压缩空气管与复合膜生物反应器内下部的曝气管相连接，在复合膜生物反应器底部集泥区的出口接切换阀的进口端，切换阀的一个出口端接剩余污泥管，切换阀的另一个出口端和多格室水解反应器底部第二控制阀出口分别接第二回流泵的进口端，第二回流泵的出口端接多格室水解反应器中的导流区。
多格室水解反应器由相串联的3～7个水解反应室组成，各水解反应室的上部为开敞式，每一个水解反应室的底部设有排泥放空管，水解反应室的最后一级为沉淀区，在沉淀区的上部设有整流区，整流区与连接管相连通；在水解反应室内设置隔板，将每个水解反应室分成一个导流区和一个反应区，该两区在水解反应室的下部相通，在隔板的下端设置与铅垂线成30～60°的导流板，第一级水解反应室中的导流区与进水管相连接。
所述的复合膜生物反应器包括下部相连通的接触氧化区、膜分离区，集泥区位于膜分离区的下部；接触氧化区内设置悬挂式或悬浮式填料，膜分离区内放置膜组件，接触氧化区、膜分离区的下部装有曝气管，复合膜生物反应器下部底板的坡度i＝1∶100～2∶100。
本发明的水解-复合膜生物法处理难降解废水的方法包括以下步骤1.)缺氧水解待处理的废水通过进水管进入多格室水解反应器中，废水在缺氧条件下进行水解处理，并将反应过程控制在水解阶段；2.)好氧降解/膜分离经多格室水解反应器缺氧水解处理的废水进入复合膜生物反应器的接触氧化区进行好氧生物处理，在接触氧化区中设置悬挂式或悬浮式填料，将活性生物附着在膜生物反应器内的填料上，通过膜生物反应器底部的曝气管进行曝气供氧，废水在该区中进行生物氧化处理；经接触氧化区处理后的废水，进入复合膜生物反应器的膜分离区进一步进行好氧生物处理，通过膜分离区中设置的膜组件进行泥水分离；膜组件将难降解的大分子有机物、活性污泥等截留于反应器内，提高了反应器内的污泥浓度，降低出水中的有机物浓度，完成泥水分离；将复合膜生物反应器中的部分泥水混合液回流至多格室水解反应器中的导流区；将多格室水解反应器与复合膜生物反应器中沉淀污泥的一部分回流至多格室水解反应器的导流区。
在所述的缺氧水解步骤中，调节废水pH值为6.5～9.0，水解温度5～32℃，控制氧化还原电位在-100mV～50mV之间，水力停留时间为6～8h。所述的好氧降解/膜分离步骤中，气水比为20～30∶1，停留时间为8～12小时。
在现有技术中，好氧降解一般是在单独的反应器中进行，废水在好氧降解后，再在二沉池中进行传统的泥水分离，或进行膜分离。本发明将好氧降解和分离组合在一个复合膜生物反应器中进行。本发明的复合膜生物反应器分为接触氧化区(填料区)、膜分离区及污泥区，其中，微生物的生长方式有悬浮生长和附着生长，构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物及后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统。相比于传统的生化处理反应器，复合膜生物反应器中，沿水流方向构成附着好氧型、附着兼氧型、附着厌氧型及悬浮好氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统，提高了反应器的处理能力和稳定性。同时，由于膜分离的存在，使得系统中的微生物在此截留，世代时间较长的硝化与反硝化菌在此停留下来，形成同步硝化与反硝化。因此，接触氧化区的生物相变得更加丰富。对于膜分离区而言，由于接触氧化区的存在，使得一部分微生物固定生长，可以起到减缓膜污染的作用。
在好氧降解/膜分离步骤中，经缺氧水解处理的废水在活性污泥的作用下，进行好氧生物处理，实现高效降解。好氧降解后的废水，采用膜组件进行泥水分离，将难降解的大分子有机物、活性污泥等截留于反应器内，极大地提高了反应器内的污泥浓度，降低了出水中的有机物浓度。
为进一步有效地实施本发明方法，可定期将复合膜生物反应器中的部分泥水混合液回流至缺氧水解段，在缺氧水解步骤同时进行反硝化脱氮；还可将缺氧水解反应器与复合膜生物反应器的沉淀污泥部分回流至缺氧水解段，使缺氧水解反应能始终保持高的污泥浓度，并减少剩余污泥的排放。
所述的导流板，能使布水均匀，确保与污泥的充分混合。由于在水解反应器中将反应控制在水解阶段进行，没有气体产生，而导流板的设置，可以使水流在导流区保持紊流流态，而在反应区保持层流流态。因而在水解反应器中，水流总体上为推流流态，各格室间也为推流，不会出现短流和沟流，从而保证了废水与污泥的接触混合；而且，在各水解反应室中，废水在导流区和反应区中折流前行，保证水解反应有足够的停留时间，难降解废水可充分降解，成为可降解或易降解的中间产物，大幅度提高废水的可生化性。
进一步，可以在各个格室底部设置导流坡面，坡面角度为50～60°。导流坡面的设置，既能起导流作用，又可减小反应器死区容积。
经多格室水解反应器处理的废水，先进入复合膜生物反应器的接触氧化区。在接触氧化区中设置悬挂式或悬浮式填料，将活性生物附着在膜生物反应器内的填料上，反应器底部的曝气管进行曝气供氧，废水在该区中进行生物氧化降解。好氧处理后的废水，进入复合膜生物反应器的膜分离区。通过膜分离区中设置的膜组件进行泥水分离，膜组件能将难降解的大分子有机物、活性污泥等截留于反应器内，提高了反应器内的污泥浓度，降低了出水中的有机物浓度。有效克服了传统生物处理工艺中二沉池的泥水分离效果欠佳、出水悬浮物浓度偏高、易发生污泥膨胀等缺点。反应器底部为集泥区，底面坡度i＝1∶100～2∶100。
所述的复合膜生物反应器，分为生物接触氧化区、膜分离区和集泥区，功能明确，水流分配均匀合理，确保反应器的处理效能。
有益效果根据本发明的废水处理方法及装置，将水解与复合膜生物法进行有机组合和集成，能对难降解废水进行有效处理。
(1)水解与复合膜生物法的组合，废水历经水解与好氧降解过程。难降解有机物进行部分分解，变为可降解或易降解的中间产物，大大提高其可生化性；好氧降解过程则起到高效降解作用。难降解废水经本发明方法处理后，可达标排放和实现资源化的要求。
(2)膜分离步骤可有效进行泥水分离，降低出水中的有机物浓度，并保持反应器内的污泥浓度；泥水分离效率的提高，有利于污泥的循环利用，减少剩余污泥的排放。
(3)多格室水解反应器格室形式与上流式污泥床相似，但反应过程只控制在水解阶段，没有气体产生。故格室流态不同于上流式厌氧污泥床及厌氧折流板反应器，总体为推流流态。各格室间也为推流，从而保证了废水与污泥的接触混合，确保处理效果。
(4)复合膜生物反应器分为生物接触氧化区、膜分离区和集泥区，功能明确，水流分配均匀合理，确保反应器的处理效能。
(5)微生物的生长模式不仅有悬浮生长，也有附着生长，在处理工艺的不同阶段有不同的微生物环境，实现了生物相的多样性。
发明人使用本发明的方法，对印染废水进行水解-复合膜生物法处理试验，结果表明，进水CODcr为600mg/L～1400mg/L、色度为150～400倍的印染废水，经水解-复合膜生物法处理后，出水CODcr在100mg/L以下，色度在10倍以下，均达到了《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)规定的I级标准(CODcr≤100mg/L，色度≤40倍)。该工艺的CODcr去除率为90％左右。其中，多格室水解反应器的CODcr去除率为50％～65％。好氧复合膜生物反应器的CODcr去除率达到80％左右。色度去除率在96％以上。
图1是本发明方法的工艺流程图。
图2是本发明工艺装置示意图。
图3是多格室水解反应器的结构示意图。
图4是复合膜生物反应器的结构示意图。
以上的图中有多格室水解反应器1、导流区1-1、反应区1-2、沉淀区1-3、整流区1-4、导流板1-5、排泥放空管1-6、连接管1-7、水解反应器进水管1-8、水解反应室1-9、隔板1-91；复合膜生物反应器2、接触氧化区2-1、膜分离区2-2，集泥区2-3、填料2-4、膜组件2-5、曝气管2-6、底板2-7、生物反应器进水口2-8，坡度i；膜分离出水管B、控制阀3-1、控制阀3-2、回流泵4-1、回流泵4-2、混合液回流管6、压缩空气管A、切换阀5、剩余污泥管7。
图5是处理印染废水时CODcr的历时变化示意图。
图6是处理印染废水时CODcr去除率的历时变化示意图。
具体实施例方式
本发明的水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置包括多格室水解反应器1、复合膜生物反应器2，其中，多格室水解反应器1的出水端通过连接管1-7与复合膜生物反应器2的进水口2-8相连接，在复合膜生物反应器2内的膜组件上连接有膜分离出水管B，在复合膜生物反应器2中，通过第一控制阀3-1、第一回流泵4-1、混合液回流管6连接至多格室水解反应器1的进水管1-8；压缩空气管A与复合膜生物反应器2内下部的曝气管2-6相连接，复合膜生物反应器2底部集泥区2-3出口接切换阀5的进端，切换阀5的一个出口端接剩余污泥管7，切换阀5的另一个出口端和多格室水解反应器1底部第二控制阀3-2出口分别接第二回流泵4-2的进口端，第二回流泵4-2的出口端接多格室水解反应器1中的导流区1-1。多格室水解反应器1由相串联的3～7个水解反应室1-9组成，各水解反应室1-9的上部为开敞式，每一个水解反应室1-9的底部设有排泥放空管1-6，水解反应室1-9的最后一级为沉淀区1-3，在沉淀区1-3的上部设有整流区1-4，整流区1-4的出口与连接管1-7相连通；在水解反应室1-9内设置隔板1-91，将每个水解反应室1-9分成一个导流区1-1和一个反应区1-2，该两区在水解反应室1-9的下部相通，在隔板1-91的下端设置与铅垂线成30～60°的导流板1-5，第一级水解反应室1-9中的导流区1-1与进水管1-8相连接。所述的复合膜生物反应器2包括下部相连通的接触氧化区2-1、膜分离区2-2，集泥区2-3位于膜分离区2-2的下部；接触氧化区2-1内设置悬挂式或悬浮式填料2-4，膜分离区2-2内放置膜组件2-5，接触氧化区2-1、膜分离区2-2的下部装有曝气管2-6，复合膜生物反应器2下部底板2-7的坡度i＝1∶100～2∶100。
本实施例采用本发明的方法及装置对印染废水进行处理。待处理印染废水进水CODcr为600mg/L～1400mg/L，色度为150～400倍。
工艺流程见图1，包括缺氧水解、好氧降解/膜分离步骤。采用本发明的装置，装置见图2，其中，在水解反应器1中进行缺氧水解步骤，在复合膜生物反应器2中进行好氧降解/膜分离步骤。
将废水的pH值调节为6.5～9.0，由稳压水箱重力流进入多格室水解反应器1进行水解预处理；水温为5～32℃，停留时间6～8h。复合膜生物反应器停留时间为8～12h，进水有机负荷为2.08kgCODcr(m3·d)～3.60kgCODcr/(m3·d)，污泥浓度为3～7g/L，气水比为20～30∶1。
图3为多格室水解反应器1的结构图，试验的水解反应器由相通的5格组成，格间以挡板分隔，每一格底部设排泥放空管，最后一格为沉淀室，其余各室为水解反应室，每个水解反应室分为导流区1-1和生化反应区1-2，生化反应区1-2中装有经培养驯化的活性污泥。废水在各水解反应室中呈推流状态折流前行，在生化反应区1-2中发生水解反应。经水解反应后进入沉淀区1-3作沉淀处理，经整流区1-4重力流进入复合膜生物反应器2。多格室水解反应器底部设α＝45°的导流板1-5，每一格室底部设排泥放空管1-6。
水解预处理后的废水在复合膜生物反应器2中进行生物好氧降解和膜分离。复合膜生物反应器2分为接触氧化区2-1、膜分离区2-2和集泥区2-3三部分，其结构见图4所示。废水先经装有填料2-4的接触氧化区2-1进行降解，经膜分离区2-2中的膜组件2-5进行膜分离。曝气由气泵提供，经气体流量计计量，由膜生物反应器2底部的曝气管2-6进行曝气供氧。污泥经底坡为1∶100的底板2-7进入集泥区2-3。
多格室水解反应器1和复合膜生物反应器2的沉淀污泥由污泥回流泵回流至多格室水解反应器1的池首，有利于污泥消化，使处理工艺具有充分的污泥平衡能力，剩余污泥经剩余污泥管7排出系统。
本方法可同时进行脱氮处理，废水进入多格室水解反应器1，在缺氧条件下，废水中的有机氮在氨化细菌的作用下进行氨化作用生成氨氮；多格室水解反应器1出水进入膜生物反应器2，在硝化细菌的作用下，氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮；复合膜生物反应器2的部分混合液由泵回流到多格室水解反应器1的池首或前段其他格室，在缺氧条件下完成反硝化作用，达到脱氮的目的；此外，将生物附着在膜生物反应器2内的填料2-4上，废水中的氮在生物膜的作用下进行同步硝化和反硝化脱氮，从而达到脱氮的目的。
采用上述方法与装置对印染废水进行处理，运行150天，其结果如下水解-复合膜生物法处理印染废水CODcr的历时变化如图5所示。试验分两阶段，进水CODcr分别为1000mg/L～1400mg/L和600mg/L～800mg/L。两阶段试验中，多格室水解反应器1出水CODcr在300mg/L～700mg/L和200mg/L～400mg/L；复合膜生物反应器2中膜组件2-5的出水CODcr均在100mg/L以下，达到纺织染整行业I级排放标准。复合膜生物反应器2的上清液CODcr比膜出水CODcr高100mg/L～300mg/L，由此可知，膜的截留作用效果显著。
废水CODcr去除率的历时变化如图6所示。可见，水解-复合膜生物法处理工艺运行稳定，去除率一直保持在90％左右。在100天以内，多格室水解反应器1的CODcr去除率为50％左右。随着运行历程的延长，CODcr去除率提高到65％左右。复合膜生物反应器2的CODcr去除率达到80％。
经测定，水解-复合膜生物法处理工艺色度去除率为96％以上，其中，多格水解反应器色度去除率达到90％以上，可见，色度去除主要在多格水解段。
综上，经水解-复合膜生物法处理的印染废水，其出水CODcr均在100mg/L以下，能够稳定达到纺织染整行业I级排放标准，并可部分地进行资源化利用。
权利要求
1.一种水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置，其特征在于该装置包括多格室水解反应器(1)、复合膜生物反应器(2)，其中，多格室水解反应器(1)的出水端通过连接管(1-7)与复合膜生物反应器(2)的进水口(2-8)相连接，在复合膜生物反应器(2)内放置膜组件(2-5)，该膜组件(2-5)与膜分离出水管(B)相连接，复合膜生物反应器(2)通过第一控制阀(3-1)、第一回流泵(4-1)、由混合液回流管(6)连接至多格室水解反应器(1)的进水管(1-8)；压缩空气管(A)与复合膜生物反应器(2)内下部的曝气管(2-6)相连接，在复合膜生物反应器(2)底部集泥区(2-3)的出口接切换阀(5)的进口端，切换阀(5)的一个出口端接剩余污泥管(7)，切换阀(5)的另一个出口端和多格室水解反应器(1)底部第二控制阀(3-2)出口分别接第二回流泵(4-2)的进口端，第二回流泵(4-2)的出口端接多格室水解反应器(1)中的导流区(1-1)。
2.根据权利要求1所述的水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置，其特征在于多格室水解反应器(1)由相串联的3～7个水解反应室(1-9)组成，各水解反应室(1-9)的上部为开敞式，每一个水解反应室(1-9)的底部设有排泥放空管(1-6)，水解反应室(1-9)的最后一级为沉淀区(1-3)，在沉淀区(1-3)的上部设有整流区(1-4)，整流区(1-4)与连接管(1-7)相连通；在水解反应室(1-9)内设置隔板(1-91)，将每个水解反应室(1-9)分成一个导流区(1-1)和一个反应区(1-2)，该两区在水解反应室(1-9)的下部相通，在隔板(1-91)的下端设置与铅垂线成30～60°的导流板(1-5)，第一级水解反应室(1-9)中的导流区(1-1)与进水管(1-8)相连接。
3.根据权利要求1所述的水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置，其特征在于所述的复合膜生物反应器(2)包括下部相连通的接触氧化区(2-1)、膜分离区(2-2)，集泥区(2-3)位于膜分离区(2-2)的下部；接触氧化区(2-1)内设置悬挂式或悬浮式填料(2-4)，膜分离区(2-2)内放置膜组件(2-5)，接触氧化区(2-1)、膜分离区(2-2)的下部装有曝气管(2-6)，复合膜生物反应器(2)下部底板(2-7)的坡度(i)＝1∶100～2∶100。
4.一种如权利要求1所述的水解-复合膜生物法处理难降解废水的装置相应的处理难降解废水的方法，其特征在于该方法包括以下步骤1.)缺氧水解待处理的废水通过进水管(1-8)进入多格室水解反应器(1)中，废水在缺氧条件下进行水解处理，并将反应过程控制在水解阶段；2.)好氧降解/膜分离经多格室水解反应器(1)缺氧水解处理的废水进入复合膜生物反应器(2)的接触氧化区(2-1)进行好氧生物处理，在接触氧化区(2-1)中设置悬挂式或悬浮式填料(2-4)，将活性生物附着在膜生物反应器内的填料上，通过膜生物反应器底部的曝气管(2-6)进行曝气供氧，废水在该区中进行生物氧化处理；经接触氧化区(2-1)处理后的废水，进入复合膜生物反应器(2)的膜分离区(2-2)进一步进行好氧生物处理，通过膜分离区(2-2)中设置的膜组件(2-5)进行泥水分离；膜组件将难降解的大分子有机物、活性污泥等截留于反应器内，提高反应器内的污泥浓度，降低出水中的有机物浓度，完成泥水分离；将复合膜生物反应器(2)中的部分泥水混合液回流至多格室水解反应器(1)中的导流区(1-1)；将多格室水解反应器(1)与复合膜生物反应器(2)中沉淀污泥的一部分回流至多格室水解反应器(1)的导流区(1-1)。
5.根据权利要求4所述的水解-复合膜生物法处理难降解废水的方法，其特征在于在所述的缺氧水解步骤中，调节废水pH值为6.5～9.0，水解温度5～32℃，控制氧化还原电位在-100mV～50mV之间，水力停留时间为6～8h。
6.根据权利要求4所述的水解-复合膜生物法处理难降解废水的方法，其特征在于所述的好氧降解/膜分离步骤中，气水比为20～30∶1，停留时间为8～12小时。
全文摘要
水解－复合膜生物法处理难降解废水的装置与方法涉及一种水解－复合膜生物法处理难降解废水的装置与方法，该装置包括多格室水解反应器(1)、复合膜生物反应器(2)，处理方法为缺氧水解待处理的废水通过进水管(1－8)进入多格室水解反应器(1)中，废水在缺氧条件下进行水解处理，并将反应过程控制在水解阶段；好氧降解/膜分离经多格室水解反应器(1)缺氧水解处理的废水进入复合膜生物反应器(2)的接触氧化区(2－1)进行好氧生物处理，经接触氧化区(2－1)处理后的废水，进入复合膜生物反应器(2)的膜分离区(2－2)进一步进行好氧生物处理，将多格室水解反应器(1)与复合膜生物反应器(2)中沉淀污泥的一部分回流至多格室水解反应器(1)的导流区(1－1)。
文档编号C02F3/10GK101050042SQ20071002227
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者王世和, 吴慧芳 申请人:东南大学