一种膜生物反应器的制作方法

本实用新型属于污水处理领域，具体涉及一种膜生物反应器。

背景技术：

随着世界经济水平的不断发展和人口数量的不断增加，水环境污染问题已经引起公众的广泛关注。城市污水处理是中国在城镇化进程过程中不可避免地需要面临的水处理问题。传统的污水生物处理技术，包括A²O工艺、氧化沟工艺和厌氧氨氧化工艺等。然而，近年来随着国家对污水处理排放标准的逐渐提高，传统的生物处理技术已不能实现日益严格的污水排放标准，为此，各种再生水深度处理技术不断涌现，包括臭氧氧化和活性炭吸附等。

近年来，膜分离技术，凭借着泥水分离率高、占地面积小和出水水质好等优势，已经被广泛应用于污水处理领域，尤其是有机超滤膜。为了有效控制膜污染和深度优化出水水质，超滤膜技术联合各种絮凝/氧化等预处理单元或者后接氧化/吸附等深度处理单元的耦合工艺已经被广泛应用于城市污水处理厂的升级改造中。然而，耦合多个预处理或深度处理单元直接延长了污水的处理单元，增加了占地面积和污水厂基建及升级改造成本，同时，膜污染问题会导致膜通量下降、出水水质恶化、膜组件寿命缩短等问题，因此一直制约着膜分离技术在污水处理领域的进一步推广应用。显然，如何在提高出水水质的同时有效地缩减污水处理单元和控制膜污染已经是污水处理中亟待解决的瓶颈问题。

研究表明，在污水处理领域，造成膜污染的主要是大分子有机污染物。臭氧作为一种强氧化剂，可以高效地氧化有机物，尤其是降解去除污水中生物难降解的有机污染物，因此臭氧氧化在有效地控制膜污染的同时还可以提高出水水质。然而，臭氧的强氧化性会在一定程度上损害有机膜组件，因此，臭氧氧化处理与有机膜技术的结合应用中，无论是处理单元集成还是臭氧投加量都受到了极大的限制。

技术实现要素：

为解决传统生物处理技术处理污水水质难达标、处理单元繁琐、污水处理效率低、膜生物反应器中膜污染控制效率低且剩余污泥难处理等技术瓶颈，本实用新型提出一种膜生物反应器及污水处理方法，精简了处理单元、深度优化了出水水质，且能高效地在线控制陶瓷膜污染并减量剩余污泥。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种膜生物反应器，包括依次连通的兼氧生物区、好氧生物区和膜区，还包括进水泵、搅拌器、空气曝气泵、第一空气气体流量计，曝气装置、陶瓷膜组件、抗氧化曝气装置、臭氧发生器、臭氧气体流量计和第二空气气体流量计、出水泵、排泥阀和回流泵；所述进水泵设在所述兼氧生物区的进水侧，所述搅拌器设在所述兼氧生物区内；所述曝气装置设在所述好氧生物区内，并与所述空气曝气泵连接，所述第一空气气体流量计连接在所述曝气装置和所述空气曝气泵之间；所述陶瓷膜组件和所述抗氧化曝气装置设于所述膜区内，且所述抗氧化曝气装置位于所述陶瓷膜组件下方，所述抗氧化曝气装置分别与所述空气曝气泵和所述臭氧发生器连接，所述第二空气气体流量计连接在所述抗氧化曝气装置和所述空气曝气泵之间，所述臭氧气体流量计连接在所述抗氧化曝气装置和所述臭氧发生器之间；所述出水泵设于所述膜区的出水侧，与所述陶瓷膜组件连接，所述排泥阀(20)设于所述膜区的排泥侧，所述膜区通过所述回流泵与所述兼氧生物区连通，以将部分经过臭氧氧化的污泥回流至所述兼氧生物区。

优选地，所述兼氧生物区的一侧的底部与所述好氧生物区的一侧的底部连通，污水通过所述兼氧生物区的一侧的底部流至所述好氧生物区。

优选地，所述好氧生物区的另一侧的顶部通过溢流方式与所述膜区连通，污水通过所述好氧生物区的另一侧的顶部溢流至所述膜区。

优选地，还包括连接在所述出水泵与所述陶瓷膜组件之间的继电器，所述出水泵和所述继电器共同控制所述陶瓷膜组件以恒通量抽停运行。

优选地，在所述兼氧生物区内还设有第一溶解氧检测仪。

优选地，在所述好氧生物区内还设有第二溶解氧检测仪。

优选地，还包括设于所述膜区内的液位计，连接在所述出水泵与所述陶瓷膜组件之间的压力计，还包括自动控制柜，所述进水泵、搅拌器、空气曝气泵、臭氧发生器、回流泵、排泥阀、第一溶解氧检测仪、第二溶解氧检测仪、第一空气气体流量计、臭氧气体流量计、第二空气气体流量计、压力计、出水泵、液位计均分别与自动控制柜通信连接。

优选地，所述陶瓷膜组件的陶瓷膜的平均膜孔径为50-200nm。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：

1、本实用新型将生物处理单元与膜处理技术及深度氧化处理技术高度集成，依据陶瓷膜组件的强抗氧化性，直接将臭氧曝气集成于膜组件底部，直接替代了传统工艺中臭氧预氧化处理或者废水深度处理中的臭氧深度氧化处理，极大地缩减了废水处理单元，具有减少占地面积，提高运行效率等优点。

2、陶瓷膜的生物稳定性强、运行通量高、使用寿命长，同时抗氧化曝气装置直接安装在陶瓷膜组件的下方，可以直接进行臭氧曝气，使得臭氧气泡最大程度地接触陶瓷膜表面，甚至在强抽抽吸力作用下，臭氧气泡可以进入陶瓷膜孔内部，从而利用臭氧及陶瓷膜催化臭氧降解产生的强氧化力的羟基自由基高效地氧化去除陶瓷膜表面及膜孔内部的有机污染物，可以高效在线控制陶瓷膜污染。

3、膜区中的低浓度臭氧曝气在高效控制膜污染的同时，分散在污水中的臭氧分子可以进一步氧化降解兼氧生物区和好氧生物区中的生物处理技术难以去除的有机污染物，如新兴污染物(如药物和个人护理品、内分泌干扰物等)，同时深度优化生物除磷，进一步提高出水水质，直接省减了近年来污水厂升级改造中的污水深度处理单元。

4、臭氧氧化也可以减量剩余污泥，缓解膜生物反应器大量排泥、污泥难处理等问题，即部分经过臭氧氧化的污泥可以定期回流至兼氧生物区，可作为微生物碳源被再次利用，达到减量剩余污泥的可持续发展目标。

5、进一步地，本实用新型还配置了自动控制系统，可以全面监控和调控膜生物反应器的正常运行，可以实现了污水处理的无人值守、自动化运行，达到“智慧水务”新时代的水处理目标。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式中的膜生物反应器的实例示意图；

图2是本实用新型具体实施方式中进行对比实验时的陶瓷膜的净跨膜压差随运行时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。

在具体实施方式中，如图1所示，一种膜生物反应器，包括依次连通的兼氧生物区1、好氧生物区2和膜区3，还包括进水泵4)、搅拌器5、空气曝气泵8、第一空气气体流量计9，曝气装置10、陶瓷膜组件15、抗氧化曝气装置12、臭氧发生器14、臭氧气体流量计13和第二空气气体流量计11、出水泵19、排泥阀20和回流泵21；其中，进水泵4设在所述兼氧生物区1的进水侧，搅拌器5设在所述兼氧生物区1内；曝气装置10设在所述好氧生物区2内，并与空气曝气泵8连接，所述第一空气气体流量计9连接在曝气装置10和空气曝气泵8之间；陶瓷膜组件15和抗氧化曝气装置12设于膜区3内，且抗氧化曝气装置12位于所述陶瓷膜组件15下方，抗氧化曝气装置12分别与空气曝气泵8和臭氧发生器14连接，第二空气气体流量计11连接在抗氧化曝气装置12和空气曝气泵8之间，臭氧气体流量计13连接在抗氧化曝气装置12和臭氧发生器14之间；出水泵19设于膜区3的出水侧，与陶瓷膜组件15连接，排泥阀20设于膜区3的排泥侧，膜区3通过回流泵21与兼氧生物区1连通，以将部分经过臭氧氧化的污泥回流至兼氧生物区1。

具体地，本申请中，空气曝气和臭氧曝气在优化条件下进行切换并循环，空气曝气时，抗氧化曝气装置12接通空气曝气泵8，并通过第二空气气体流量计11控制曝气量，空气气泡直接冲刷陶瓷膜表面。臭氧曝气时，抗氧化曝气装置12接通臭氧发生器14，并通过臭氧气体流量计13控制进行低浓度臭氧原位曝气，臭氧气泡冲刷陶瓷膜表面并直接氧化有机膜污染物质，同时深度优化水质，整个膜生物反应器无臭氧预处理区或臭氧深度处理区。

利用上述具体实施方式中的膜生物反应器进行污水处理的方法包括如下步骤：

S1、经过粗细格栅处理后的污水通过进水泵4提升从兼氧生物区1的上部进入兼氧生物区1，在兼氧生物区1内，在搅拌器5的搅拌所用下污水与兼氧微生物和好养微生物充分接触反应，污水内有机污染物被微生物初步降解去除；

S2、污水在兼氧生物区1被充分处理后，进入好氧生物区2，在空气曝气搅动下，污水与好氧活性污泥充分接触，污水中的有机污染物被好氧微生物进一步降解去除；

S3、污水在好氧生物区2被充分处理后，进入膜区3，在膜区内，污水中的残留有机物被膜区内的好氧微生物进一步氧化分解，通过空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气，臭氧曝气氧化去除生物难降解有机污染物，并氧化去除陶瓷膜表面及膜孔内部的有机污染物；

S4、污水在膜区3内被处理后，经陶瓷膜组件15过滤后经出水泵19排出，膜区3内经过臭氧氧化的部分污泥经回流泵回流至兼氧生物区1作为碳源被再利用，剩余污泥经排泥阀20排出。

在其他实施方式中，可以选择以下中的至少一者进行优化：

兼氧生物区1的一侧的底部与好氧生物区2的一侧的底部连通，在步骤S1中，污水通过兼氧生物区1的一侧的底部流至好氧生物区2。

好氧生物区2的另一侧的顶部通过溢流方式与膜区3连通，在步骤S3中，污水通过好氧生物区2的另一侧的顶部溢流至膜区3。

膜生物反应器还包括连接在出水泵19与陶瓷膜组件15之间的继电器18，出水泵19和继电器18共同控制陶瓷膜组件15以恒通量抽停运行。在膜区进行空气曝气与臭氧曝气交替持续循环过程中，陶瓷膜组件以抽停模式持续恒通量运行，彼此不受任何干扰。优选的是，陶瓷膜组件的运行通量为次临界通量，在15L/m²·h～60L/m²·h之间，抽停比为8～10min:1～2min。

在兼氧生物区1内还设有第一溶解氧检测仪6，在好氧生物区2内还设有第二溶解氧检测仪7。优选的是，兼氧生物区的溶解氧浓度控制在大于0且≤0.5mg/L，好氧生物区的溶解氧浓度控制在1.5-2.5mg/L。

所述陶瓷膜组件15的陶瓷膜的平均膜孔径为50-200nm。

膜生物反应器还包括设于膜区3内的液位计16，连接在出水泵19与陶瓷膜组件15之间的压力计17，还包括自动控制柜22，其中，进水泵4、搅拌器5、空气曝气泵8、臭氧发生器14、回流泵21、排泥阀20、第一溶解氧检测仪6、第二溶解氧检测仪7、第一空气气体流量计9、臭氧气体流量计13、第二空气气体流量计11、压力计17、出水泵19、液位计16均分别与自动控制柜22通信连接，以实现污水处理的无人值守、自动化运行。

其中，压力计17在线监测陶瓷膜运行的操作压力，并控制净跨膜压差△TMP(△TMP＝实际跨膜压差-膜自身阻力压差)在30kPa以下为宜，当△TMP超过设定阈值(如约30kPa)，需及时进行陶瓷膜清洗。膜区的液位可以由液位计16控制在设计液位±2cm以内。第一溶解氧检测仪6、第二溶解氧检测仪7、液位计16及压力计17的在线监测的数据均可以由数据线实时传输至自动控制柜22，自动控制柜22可以实时分析膜生物反应器的运行数据，并参比膜生物反应器的设计参数对进水泵4、搅拌器5、空气曝气泵8、臭氧发生器14、回流泵21、排泥阀20、第一空气气体流量计9、臭氧气体流量计13、第二空气气体流量计11及出水泵19等仪器在线实时调控(如图1中的虚线箭头方向所示)，可以实现膜生物反应器的自动化无人值守运行。

在污水处理方法中，优选以下工艺参数之一或任意组合：污水在兼氧生物区的水力停留时间为3h～10h，污水在好氧生物区的水力停留时间为6h～10h，污水在膜区的水力停留时间为1h～10h，且污水在好氧生物区和膜区的水力停留时间之和是污水在兼氧生物区的水力停留时间的2～5倍。步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气时，曝气的气水比均控制在6:1-8:1之间，两者的气水比可以相同，也可以不相同(在下方进行对比试验时的实验组中，两者曝气时的气水比选择为相同)。步骤S3中，空气曝气和臭氧曝气切换持续曝气是指：臭氧曝气的频率为1～3次/2天，每次臭氧曝气时，臭氧的投加量大于0且≤0.66mg-O3/g-SS，其余时候为空气曝气。步骤S4中经过臭氧氧化的部分污泥的回流比为1:2～1:4。

本实用新型的膜生物反应器可以用于生活污水处理、厕所人体粪便尿液废水处理、印染废水处理、石油化工废水处理、煤化工废水处理和生物医药废水处理等。

以下，通过对比实验，对本申请进行进一步阐述。

将膜生物反应器应用于生活污水处理中，长期平行运行两组同体积的膜生物反应器，其中一组设置为对照，对照组运行过程中膜区无臭氧曝气；另一组为实验组，采用以上实施方式中的膜生物反应器。实验组与对照组的运行条件均为：陶瓷膜的平均膜孔径为100nm；污水在兼氧生物区的水力停留时间为3h，污水在好氧生物区的水力停留时间为6h，污水在膜区的水力停留时间为1h；膜区空气曝气时，曝气的气水比均控制在7:1之间；兼氧生物区的溶解氧浓度控制在0.3mg/L，好氧生物区的溶解氧浓度控制在2.0mg/L；膜区内的臭氧氧化的部分污泥的回流比为1:3；陶瓷膜运行通量为次临界通量15L/m²·h，陶瓷膜采用抽9min停1min的恒通量抽停模式进行死端过滤。除此之外，实验组在运行过程中在膜区还进行间歇性臭氧原位曝气，臭氧投加频率为1次/2天，臭氧投加量为0.66mg-O3/g-SS，臭氧曝气时，曝气的气水比也控制在7:1。多次试验结果表明，实验组的膜生物反应器能够同步实现出水水质深度优化、膜污染高效控制及污泥减量排放等目标。具体试验效果如下表1所示：

表1两组膜生物反应器出水水质结果

由表1中的出水水质结果可知，本申请的膜生物反应器可进一步提高出水水质，深度优化生物除磷效果最为显著。

同时，实验过程中，对比了对照组和实验组的陶瓷膜的净跨膜压差随运行时间的变化曲线图，如图2所示，其中，曲线C1为对照组的，曲线C2为实验组的，从图2可知，在相同试验条件下，相较于对照组的膜生物反应器，本申请的膜生物反应器中的陶瓷膜污染速率极为缓慢。在对照组中，参见曲线C1的实线箭头所指位置，需在第16天、第20天进行水冲洗，在没有臭氧曝气条件下，对照组的陶瓷膜在运行第22天膜污染加剧，需进行第一次化学清洗，在第41天时，膜污染二次加剧，需进行第二次化学清洗。而在臭氧原位氧化控制下，参见曲线C2的实线箭头所指位置，实验组(即本申请)的膜生物反应器中的陶瓷膜稳定运行48天后才需进行第一次化学清洗。具体来说，运行第17天时，对照组的△TMP增至28.4kPa，而本申请的膜生物反应器的△TMP增至2.8kPa，膜污染增长速率在臭氧原位氧化控制下降低10倍以上。

两组膜生物反应器稳定运行45d后，对照组平均污泥浓度为7.8g/L，而本申请的膜生物反应器的污泥浓度为7.3g/L，明显地，臭氧原位氧化有效地减量了剩余污泥。

综上，本实用新型确有深度优化出水水质、高效在线控制陶瓷膜污染、减量化剩余污泥、精简污水处理单元、缩减占地面积等优点，在污水处理行业值得推广和应用，尤其适用于生活污水处理、厕所人体粪便尿液废水处理、印染废水处理、石油化工废水处理、煤化工废水处理和生物医药废水处理等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。