利用铁基水处理材料协同调控的膜生物反应器装置的制作方法

本发明属于中水回用技术领域，具体涉及一种利用水处理材料协同调控的膜生物反应器装置。

背景技术：

随着工业发展全球面临的环境形势非常严峻，其中废水中难降解有机物引发的环境问题尤为突出。难降解废水易引发水体污染、导致生态环境恶化、威害人类健康以及阻碍相关工业发展等问题，日益受到社会各界和各级环保部门关注。难降解废水通常是由制药、印染、化工、石油等行业排出，具有生物难降解、环境危害持久、处理工艺复杂、投资运行成本高等特点。根据污染物去除机制，难降解废水处理可分为物理、化学与生化处理工艺。活性污泥法作为废水处理应用最广泛、研究最深入的一种工艺，与近年来快速发展的新型水处理工艺相比，其局限性日益凸显。因此，开发高效、低耗、运行可靠的难降解废水处理工艺迫在眉睫。

以膜生物反应器技术为代表的新工艺，已成为难降解废水处理领域极具竞争力的选择。然而进水中难降解有机污染物引发的生物膜污染，严重影响了膜生物反应器工艺的稳定性与经济性，寻求高效减缓膜污染的控制措施是该工艺进一步推广应用的关键，也一直是国际该领域亟待解决的重大难题。基于混凝剂对生物絮凝的促进作用，向膜生物反应器内投加混凝剂以调控污泥混合液可滤性，成为减缓膜污染十分有前景的研究方向。混凝剂对膜污染减缓机制包括：(1)混凝剂提供的正电荷强化了污泥混合液中有机大分子和污泥絮体的电中和，延缓了膜污染速率；(2)通过混凝作用强化去除了上清液中有机物，此部分有机物的去除有助于提高污泥混合液的可滤性，同时减少了污泥混合液中细小颗粒的数量；(3)混凝剂与污泥絮体负电官能团相互作用，增大了污泥颗粒粒径。进水中难降解有机物引发的生物膜污染过程十分复杂，如果仅依靠混凝剂的强化生物絮凝作用效果有限，因而如何构建具有协同效应的膜污染调控体系，是目前亟需解决的问题。

为此，本发明基于铁基水处理材料具有生物相容性好、表面活性强、环境友好等优点，结合难降解废水特性，提出了高铁酸盐预氧化，结合生物聚合铁强化生物絮凝协同调控机制，构建铁基水处理材料协同调控的膜生物反应器的装置，以期以较低的成本，取得长效减缓膜污染的目的。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种利用铁基水处理材料协同调控的膜生物反应器系统装置，耦合了高级氧化与生物絮凝技术。

为实现此目的，本发明采用铁基水处理材料协同调控的膜生物反应器装置。装置的部件包括反应器、超滤膜组件、出水泵、出水箱、曝气泵、穿孔曝气管、液位触头、液位计、时间继电器、进水泵、原水箱、高铁酸盐溶液及高铁酸盐溶液箱、高铁酸盐加药泵、预氧化反应器、机械搅拌器、生物聚合铁加药泵、生物聚合铁溶液以及生物聚合铁溶液箱。

装置由膜生物反应器系统和铁基水处理材料调控系统两部分构成，其中：膜生物反应器系统由反应器、超滤膜组件、出水泵、出水箱、曝气泵、穿孔曝气管、液位触头、液位计、时间继电器、进水泵、以及原水箱组成；铁基水处理材料调控系统由高铁酸盐溶液箱、高铁酸盐加药泵、预氧化反应器、机械搅拌器、生物聚合铁加药泵、以及生物聚合铁溶液箱组成。

所采取的技术方案是：在反应器内浸没式设置超滤膜组件，经超滤膜组件处理后的水通过出水泵进入出水箱。出水泵接有时间继电器，时间继电器控制出水泵的运行或停歇。在反应器底部设有穿孔曝气管，穿孔曝气管与曝气泵相连，在反应器上部设有液位触头，液位触头与液位计相接，液位计控制进水泵的开启与停歇。原水箱与进水泵连接。高铁酸盐溶液箱与高铁酸盐加药泵相连，加入的药剂通过该加药泵进入预氧化反应器，由预氧化反应器内装有的机械搅拌器提供搅拌动力。在反应器下部设有生物聚合铁加药泵，生物聚合铁加药泵接至生物聚合铁溶液箱。

与目前水处理技术相比，本发明降解废水的原理主要是，将高铁酸盐溶液定量加入预氧化反应器中，在搅拌动力条件下与废水中的污染物反应后进入反应器，同时定量的生物聚合铁经加药泵连续投加至反应器内。

具体为：原水中难降解有机物首先经过预氧化过程，污染物与高铁酸盐发生高级氧化反应，污染物被降解或矿化，同时六价铁被还原为三价铁，与污染物继续发生混凝反应；原水经预氧化后降低了对活性污泥的冲击，难降解有机物经高级氧化及混凝作用降低其膜污染潜势；残留的高铁酸盐进入活性污泥系统，一方面强化生物絮凝行为，一方面降低了污泥产率；投加的生物聚合铁具有高的生物相容性，可进一步强化污染物的生物絮凝行为，增加其在反应器内的停留时间；在高级氧化、生物絮凝、生化作用及膜截留共同作用下，难降解有机物得以去除。

本发明的特点以及产生的有益效果是，将高级氧化与生物絮凝技术联合在一起，可以有效缓解难降解有机物引发的生物膜污染问题。有益效果体现在：(1)铁基水处理材料生物相容性高，显著降低了难降解废水膜污染潜势，高效减缓膜污染；(2)残留的高价铁有效减小了污泥产率，降低了污泥处置费用；(3)联合处理技术显著提高了出水水质。

附图说明

图1为本发明系统的原理及各部件连接示意图。图中的实线表示设备连接管路；虚线表示电线或控制信号线路。

图2为本发明实施例膜污染速率及污泥产率变化效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例对本发明结构组成做进一步的说明。

利用铁基水处理材料协同调控的膜生物反应器装置由膜生物反应器系统和铁基水处理材料调控系统两部分构成，其中：膜生物反应器系统由反应器、超滤膜组件、出水泵、出水箱、曝气泵、穿孔曝气管、液位触头、液位计、时间继电器、进水泵、以及原水箱组成；铁基水处理材料调控系统由高铁酸盐溶液箱、高铁酸盐加药泵、预氧化反应器、机械搅拌器、生物聚合铁加药泵、以及生物聚合铁溶液箱组成。

其各部件具体组成的结构，对于膜生物反应器系统：在反应器1内浸没式设置超滤膜组件2，经超滤膜组件处理后的水通过出水泵3进入出水箱4。出水泵接有时间继电器9，时间继电器控制出水泵的运行或停歇。在反应器底部设有穿孔曝气管6，穿孔曝气管与曝气泵5相连，在反应器上部设有液位触头7，液位触头与液位计8相接，液位计控制进水泵10的开启与停歇，原水箱11与进水泵连接。

铁基水处理材料调控系统：高铁酸盐溶液箱12与高铁酸盐加药泵13相连，加入的药剂通过该加药泵进入预氧化反应器14，由预氧化反应器内装有的机械搅拌器15提供搅拌动力。在反应器下部设有生物聚合铁加药泵16，生物聚合铁加药泵接至生物聚合铁溶液箱17。

为最大程度的利用高铁酸盐，在预氧化反应器与反应器之间设有旁路管道，其作用是预氧化反应器中残留的高铁酸盐可进一步强化反应器内生物絮凝，并降低污泥产率。

高铁酸盐溶液有效浓度为0.2mol/l，投加量为0.01-0.03mmol/l，预氧化反应时间为30min，搅拌强度为60r/min。

生物聚合铁溶液中全铁含量85-97g/l，投加量以全铁含量计为0.04-0.06mmol/l。

以下结合附图2对本发明实施例进行说明。

实施例1：装置中超滤膜组件膜材质为聚偏氟乙烯，膜的截留能力为5kda，膜通量10l/m²h，膜工作与停歇时间分别为12min与3min；高铁酸钾投加量为0.01mmol/l。膜生物反应器装置运行条件：水力停留时间为12h、污泥停留时间为30d、气水比20:1、生物聚合铁溶液全铁含量85g/l，投加量为0.04mmol/l。

原水为化工废水，原水化学需氧量(cod)为5720～6524mg/l，生化需氧量(bod5)为472～563mg/l。由附图2可见，本发明装置与对照反应器相比，膜污染速率降低83％，活性污泥产率降低42％。该装置出水完全满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)二级排放标准。

实施例2：装置中超滤膜组件膜材质为聚偏氟乙烯，膜的截留能力为5kda，膜通量8.6l/m²h，膜工作与停歇时间分别为12min与3min；高铁酸钾投加量为0.02mmol/l。膜生物反应器装置运行条件：水力停留时间为14h、污泥停留时间为30d、气水比20:1、生物聚合铁溶液全铁含量93g/l，投加量为0.05mmol/l。

原水为制药废水，cod为7540～7985mg/l，bod5为366～428mg/l。由附图2可见，本发明装置与对照反应器相比，膜污染速率降低87％，活性污泥产率降低43％。该装置出水完全满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)二级排放标准。

实施例3：装置中超滤膜组件膜材质为聚偏氟乙烯，膜的截留能力为5kda，膜通量7.5l/m²h，膜工作与停歇时间分别为12min与3min；高铁酸钾投加量为0.03mmol/l。膜生物反应器装置运行条件：水力停留时间为16h、污泥停留时间为30d、气水比20:1、生物聚合铁溶液全铁含量97g/l，投加量为0.06mmol/l。

原水为含阴离子表面活性剂废水，cod为11870～14470mg/l，bod5为675～869mg/l。由附图2可见，本发明装置与对照反应器相比，膜污染速率降低93％，活性污泥产率降低49％。该装置出水完全满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)二级排放标准。