本发明涉及一种机械设备，尤其是涉及一种低耗能自流式膜生物反应器。
背景技术：
目前常规的废水处理工艺根据实际水质需求，大多为A/O-二沉池的生物处理工艺或者为传统A/O-二沉池的改进或变形工艺，也是目前最为成熟的水处理工艺之一。然而在排放要求和回用要求越来越高的今天，A/O-二沉池工艺已经不能满足高的排放标准和回用的要求。在此背景下，MBR膜工艺也得到了日渐广泛的应用，采用MBR膜组件取代传统的二沉池，将膜组件置于好氧池末端或者单独设置的膜池内，通过抽吸泵将产水和活性污泥进行分离，可以获得良好的产水水质。
然而常规的MBR工艺均将MBR膜置于生化池内部，或者在生化池后增加单独的MBR膜池，而生物池和膜池通常都采用水深在4-6m钢筋混凝土结构或更浅的一体化装置，通过抽吸泵从膜组件中将处理后的水和活性污泥进行分离，活性污泥通过污泥回流泵大比例回流来平衡生物池和膜池的污泥浓度。
因此，常规的MBR工艺仍然存在以下问题：
1、通常情况下系统的产水需要通过抽吸泵进行抽吸，需要动力消耗；
2、配置的膜擦洗风机风量需求非常大，用来缓解膜系统的污染，这也是MBR工艺的重要能源消耗来源；
3、为了均衡生物池和膜池的污泥浓度，需要配置大比例的污泥回流；
4、为实现生物脱氮功能，需要设置大比例的混合液回流；
5、常规的池深设计，导致系统的氧转移效率低下；虽然占地面积相对于传统工艺有很大程度减小，但仍然不能改变现有土地日益匮乏的需求。
技术实现要素：
本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种低耗能自流式膜生物反应器。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种低耗能自流式膜生物反应器，包括反应器罐体、导流筒、曝气器、MBR膜组件、进水布水系统、MBR风机、工艺风机、真空抽吸系统、恒流自动调节系统和污泥内循环系统；其中导流筒设置在反应器罐体内的下部，曝气器设置在导流筒内的中部，MBR膜组件设置在反应器罐体内的上部，进水布水系统将经过预处理的污水通过进水泵和布水器从导流筒的下部均匀送入导流筒，MBR风机通过布风管将空气从MBR膜组件的下方均匀送入MBR膜组件，工艺风机通过送风管将空气送入曝气器，真空抽吸系统和恒流自动调节系统分别通过管道与MBR膜组件的产水管道相连，污泥内循环系统通过循环泵和集水器将反应器罐体底部的污泥抽送到曝气器与工艺风机提供的气体进行充分混合。
在导流筒上部通过曝气形成好氧功能区域，在导流筒底部形成缺氧功能区域，整个反应器成为缺氧/好氧交替的具有脱氮功能的反应器。
所述MBR膜组件采用过滤精度为0.01μm-1μm的膜元件，实现活性污泥和滤液的高效分离，确保出水浊度小于1NTU，悬浮物小于5mg/L。
所述真空抽吸系统采用压力水或空压机或真空文丘里管将产水管道抽成真空，产水透过MBR膜进入产水管道，待产水管道充满后，利用产水管道与恒流自动调节系统之间的位差产生虹吸效果，实现连续产水。
所述恒流自动调节系统通过流量调节阀与流量计的联动控制实现流量的控制。
下面对各工艺部分和功能进行详细介绍：
反应器罐体：该部分为整个生化反应器的核心和外壳，所有待处理的污水都在反应器内部进行高效的生物降解，承载了污水处理的场所和内部构建的安装位置，本反应器罐体高度是常规生化池的2-3倍池深，根据工艺需要，至少包含两个区域，下部是生物反应器区域，上部是膜分离区域，这两个功能区域从高度空间上进行布置，所以占地面积非常小。
导流筒：设置在罐体内的中部，其目的是为了将进水和回流水按设定的方向进行流动，在导流筒内部向上流动，在导流筒外部向下流动，因此不会出现短流现象。
曝气器：本曝气器为射流曝气，设置在罐体内的中部，其主要功能是将空气与回流污泥进行混合之后，向系统内输入空气补充溶解氧，同时将回流水与进水进行均匀混合，可以高效传质和实现不堵塞，便于维护。
MBR膜组件：设置在反应器罐体内的上部，反应器和MBR膜组件承载了COD、BOD、NH3-N等有机物的去除功能，同时截流SS，将活性污泥法工艺与MBR膜组件进行有机组合，实现出水水质优于传统生化工艺。
MBR膜组件结构为管式、平板式、中空纤维帘式或柱式，组件形式根据实际情况设置，组件大小根据实际情况进行定制和组合。
MBR膜组件采用过滤精度为0.01μm-1μm的膜元件，实现活性污泥和上清液的高效分离，确保出水浊度小于1NTU，悬浮物小于5mg/L。膜元件所采用的材料为聚丙烯、聚醚砜、聚砜、芳香性聚砜、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酮、聚醚酮、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰氨中的一种或几种的混合物。
进水布水系统：包含进水泵和布水器，其目的是为了保证进水能够均匀的输送到反应器内部，布水器设置在反应器罐体内导流筒的下部，通过水泵将经过预处理的进水送入导流筒内部向上流动。
工艺风机：其主要功能是提供生化降解的溶解氧，通过风机将溶解氧送入反应器内部，与污水进行充分接触混合，提供生化反应所必须的溶解氧，实现有机物的充分降解。另一方面从工艺风机输送的风量都会通过布风管进入MBR膜的底部，对膜进行擦洗，可以进行二次利用，这样就可以充分降低膜擦洗所需要风量带来的能耗。
MBR膜风机：其主要功能是提供膜组件的擦洗风量，延缓膜组件的污染，使其能够维持良好的过滤功能，维持较高的产水通量。通常情况下的MBR膜风机根据膜厂家提供需求配置，风量需求非常大，运行能耗非常高，而本系统内的MBR所需风量可以大大低于一般的MBR膜风机，因为本系统可以二次利用工艺风机的曝气量来实现膜擦洗，节省膜风机的能耗。
真空抽吸系统：利用文丘里管的原理，首先采用压力水将产水管道抽成真空，则产水就会透过MBR膜进入产水管，待产水管道充满后就可以实现虹吸的效果，MBR膜就可以实现连续产水，这种设计充分利用水力学的原理无需采用压缩空气进行真空抽吸。当然真空系统也可以采用空压机和真空文丘里管，来将产水管道抽成真空，来启动产水的目的。真空系统根据现场实际情况确定具体采用哪一种。
恒流自动调节系统：在产水管路上安装气动(电动)流量调节阀和流量计，设定好额定工作流量，通过PLC使气动(电动)流量调节阀受流量计的联动控制，当产水流量大于设定流量时，将气动(电动)流量调节阀关小，当产水流量计读数小于设定流量时，PLC会自动将气动(电动)流量调节阀开大，即可实现流量恒定和自动调节功能。
污泥内循环系统：通过集水器(环形集水管)进行收集，通过循环泵将污泥抽送到曝气器与工艺风机提供的气体进行充分混合。混合液从导流筒内部进行循环。通常情况下，需要2-4倍循环流量才能平衡膜池和生物池的污泥浓度；而为了实现脱氮的功能，需要2-4倍硝化液的回流，因此需要两级大比例回流。本反应器将集水器设置在反应器底部，可同时实现污泥浓度的平衡和脱氮的双重功能。
系统启动的流程为：启动工艺风机，工艺风机通过送风管将空气送入导流筒内部的无堵塞曝气器；启动MBR风机，MBR风机通过布风管将空气从MBR膜组件的下方均匀送入MBR膜组件，充分对膜进行擦洗用以延缓膜的污染；进水布水系统将经过预处理的污水通过布水器从导流筒的下部均匀送入导流筒内；真空抽吸系统和恒流自动调节系统分别通过管道与MBR膜组件的产水管道相连，产水时启动真空抽吸系统，排出产水管路里的空气，然后通过重力实现虹吸自流产水，在产水管道上通过流量计与调节阀的联动控制，实现恒流产水；启动污泥内循环系统，通过循环泵将底部的混合液和工艺风机提供的溶解氧输送到曝气系统，进行污泥循环并进行曝气混合，实现有效传质，因此本系统的抗冲击负荷能力强。
相对于现有MBR系统和传统的二沉池生物系统，本发明有如下优点：
该反应器的将生化系统与MBR系统在空间上进行了有机组合，将生化工艺的曝气进行二次利用，大大降低了膜擦洗所需的能源消耗；MBR膜置于该反应器的顶部进行泥水分离，充分利用液位差和重力虹吸的原理，实现无动力产水，并获得良好的产水水质；通过水力真空抽吸系统或负压真空抽吸系统，将产水管路形成负压，即可启动产水；通过优化的曝气系统进行高效的水力混合，本反应器的结构可实现好氧区域高效的氧传递效率，且该种曝气器不容易堵塞，便于维护；将集水器设置在反应器底部，可在反应器底部实现缺氧的功能区域，使整个反应器成为具备缺氧/好氧交替的具有脱氮功能的系统；通过流量计和调节阀的联动控制，在产水启动之后实现恒流产水；传统MBR工艺需要脱氮要求是需要两级回流，一级为平衡膜池污泥浓度的回流，另一级为实现反硝化的混合液回流，而本系统只需一级回流即可实现MBR工艺所需大比例的污泥回流和反硝化所需的混合液回流。相对于MBR工艺，本反应器将4-6m池深的结构做成罐体，高度通常为常规生化池的2-3倍，大大节省了系统的占地面积。因此本系统真正有效实现了低风量需求、高效氧传递效率、集缺氧/好氧为一体、无动力产水、无额外动力进行回流、占地面积小的高品质产水等有机结合的高效生化系统工艺。
详细介绍如下：
1、减小膜系统的曝气量：
本反应器的工艺风机的曝气设置在导流筒的中部，MBR膜的曝气设置在膜组件底部，工艺风机的曝气气量在上升过程中可对膜系统进行二次冲刷，因此对于膜而言只需补充膜擦洗所需要的风量和工艺曝气量之差，再考虑一定余量即可，因此可大大降低由于膜擦洗而需要的能源消耗，实现低耗能的目的。
2、无动力产水：
将MBR膜组件置于该反应器的顶部，充分利用高度差和重力虹吸的原理即可以实现MBR膜的产水，无需使用常规MBR工艺的抽吸泵来实现产水，节省了能源消耗。
3、恒流产水：
本系统由气动(电动)调节阀门和流量计组成，在首次通过真空系统启动排出产水管路的空气，产水顺利从膜元件流出之后，通过流量计和气动(电动)调节阀的联动控制实现恒流产水的目的。
4、高氧传递效率：
本生物反应器池深较常规的生化反应池要高很多，是常规生化反应池深度的2-3倍，而溶氧效率与池深有紧密关系，所以相对于传统的生化系统可以实现高效的氧溶解传递效率。
5、生物脱氮功能：
将回流集水管设置在反应器底部(低于导流筒下部)，当回流泵开启之后，则经过曝气之后的混合液通过导流筒的外部向下流动，溶解氧逐步降低，到反应器底部从导流筒底部进入导流筒内部向上流动，消化液在下降过程中与原水进行充分接触形成好氧/缺氧交替，充分实现脱氮功能，因此本反应器为可以具备缺氧/好氧功能为一体的反应器。
6、无需额外污泥回流：
通常为实现脱氮功能，MBR系统需要配置两个回流系统：一个为MBR的污泥回流(为平衡生物池和膜池的污泥浓度，通常需要3-4倍回流量)，另外一个为实现脱氮功能(根据脱氮需求，通常也需要2-4倍回流)，均需要进行大比例的混合液回流；而本系统的生物反应区通过污泥内循环系统实现抗冲击负荷和脱氮功能能力，无需另外配置MBR系统所需的大比例污泥回流，既可以实现污泥浓度的均衡的同时实现脱氮功能。
7、MBR膜分离系统：
好氧MBR膜组件采用高精度的膜元件，所有的产水都通过膜进行分离，可以确保出水浊度小于1NTU，甚至小于0.2NTU，悬浮物小于5mg/L。可根据实际情况设置成各种形式，其组件大小也可根据实际情况进行定制和组合。
8、组合工艺：
本发明将生物流化床工艺与MBR膜工艺的有机结合，真正有效实现了高效氧传递效率、集合缺氧/好氧为一体、无动力产水、无额外动力污泥回流的高产水水质等有机结合的高效生化系统，在污水处理领域是一个低能耗的革命性的处理工艺。
附图说明
图1是本发明的基本结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明低耗能自流式膜生物反应器，包括反应器罐体1、导流筒2、曝气器3、MBR膜组件4、进水布水系统5、MBR风机6、工艺风机7、真空抽吸系统8、恒流自动调节系统9和污泥内循环系统10；导流筒设置在反应器罐体内的下部，曝气器设置在导流筒内的中部，MBR膜组件设置在反应器罐体内的上部，进水布水系统将经过预处理的污水通过进水泵和布水器从导流筒的下部均匀送入导流筒，MBR风机通过布风管将空气从MBR膜组件的下方均匀送入MBR膜组件，工艺风机通过送风管将空气送入曝气器，真空抽吸系统和恒流自动调节系统分别通过管道与MBR膜组件的出水管路相连，污泥内循环系统通过循环泵将反应器罐体底部的污泥抽送到曝气器与工艺风机提供的气体进行充分混合。
本发明中的MBR膜组件采用高精度的膜元件，实现活性污泥和上清液的高效分离，确保出水浊度小于1NTU，通常情况下可以小于0.2NTU，悬浮物小于5mg/L。
本发明中的MBR膜组件结构为管式、平板式、中空纤维帘式或柱式，组件形式根据实际情况设置，组件大小根据实际情况进行定制和组合。
本发明的主要工作过程如下：
系统经过预处理的污水通过进水布水系统5进入反应器罐体1；
进入反应器罐体底部的污水通过布水器从导流筒2内部向上流动；
污水在向上流动过程中与曝气器3接触，将工艺风机7提供的溶解氧与污泥内循环系统10提供的溶解氧传递到污水里面，形成好氧区域，实现大部分有机物的降解；
污水从导流筒2出来后有两个去向，一个去向是通过位于罐体顶部的MBR膜组件4，产水通过MBR膜进行泥水分离；另一个去向是通过导流筒2的外部向下流动，通过位于下部的污泥内循环的集水管进行收集，再通过污泥内循环系统在反应器内部进行循环。MBR风机6通过管道与膜组件底部的曝气管相连，通过空气进行擦洗缓解膜的污染。
产水透过MBR膜元件，产水时将真空抽吸系统8启动，排出产水管路里的空气，然后通过重力虹吸自流产水，在产水管路上通过(恒流自动调节系统9)流量计与调节阀的联动控制，实现恒流产水的目的。
通过本发明可以实现：
1)无动力低耗能产水模式，系统在第一次启动前开启真空抽吸系统，之后可以通过重力进行式连续式过滤，并通过恒流自动调节系统进行控制，该系统在运行过程中无需任何额外的产水动力消耗；
2)MBR工艺中耗能最大的是膜擦洗所需要的风机能耗，而在本工艺中有效将好氧工艺所使用的曝气风量充分用于膜的冲刷上，MBR风机只需要按照膜的额定风量与好氧风量之差再增加一定安全余量即可，大大降低风机的能源消耗；
3)系统的污泥内循环系统一方面可以有效提高抗冲击负荷能力和实现脱氮功能，另一方面可以实现MBR系统均衡膜池和生物池的污泥浓度所需的大比例污泥回流，无需额外增加回流的动力成本。
4)将回流集水管设置在反应器底部，可在反应器底部实现缺氧功能区域，来实现生物脱氮功能，使整个反应器成为可以具备缺氧/好氧功能为一体的反应器。
5)充分利用了MBR膜工艺的高污泥浓度优势，同时反应器是常规生物池的2-3倍高度，可以最大程度减小系统的占地面积，改变目前土地资源匮乏的局面，对企业新建项目和改造提供非常有效的技术支撑。
6)由于所有产水都通过了MBR膜进行过滤分离，系统的产水水质得到有效保证，确保浊度低于1NTU，通常情况下低于0.2NTU，悬浮物低于5mg/L，对于常规的印染废水在好氧工艺进水水质为600-800mg/L时，其产水COD可稳定低于80mg/L。