一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方法

摘要

本发明提供了一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方法。将三相分离器设置在膜生物反应器内，形成了上部膜反应区下部接触氧化区的污水处理装置。污水从反应器底部进入接触氧化区，通过三相分离器狭缝进入膜反应区，在活性污泥的吸附以及膜片的截留共同作用下，实现对污水的处理。采用旋转膜过滤组件，增加旋转剪切力作用以减缓膜片污染，同时保证各膜片清洗强度均匀，减少清洗死角；三相分离器连接有导气管将接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区，用做膜组件的气洗源，节约能耗；设置在线超声波清洗、化学清洗设备，减少膜片清洗过程中的拆装工序。本发明的污水处理装置及方法，处理效率高、膜污染小、出水水质稳定、操作管理方便。

说明书

技术领域：

本发明涉及污水处理领域，具体是一种减缓膜污染的膜生物反 应器装置及污水处理方法。其集合了三相分离、超声波、GHK旋转 膜过滤、在线化学清洗等多项技术。

背景技术：

膜生物反应器(MBR)是一种新型高效的污水处理工艺，得到 世界各国的广泛关注。膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应 器内，实现了水力停留时间和污泥龄的分离，更有效地降解有机物； 并通过膜分离装置代替传统工艺中的二沉池，减少占地面积；解决了 传统活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质 不达标及中水回用率低的问题。新型高效的膜生物反应器已经成为污 水处理及回用的重要发展趋势。

膜污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，增加膜生物反 应器的运行成本，是限制膜生物反应器大范围应用的瓶颈问题。导致 膜污染发生的原因主要有5个：1)膜对溶液中溶质及胶体的吸附；2) 污泥絮体在膜表面的沉积；3)膜表面滤饼层的形成；4)剪切力导致 的污染物的分离扩散；5)长期运行过程中污染物在组成及性质上发 生的变化。其中，膜污染又可以分为可恢复污染和不可恢复污染，可 恢复污染可以通过物理方法(曝气、反洗等)和化学方法(次氯酸钠、 氢氧化钠、无机酸等浸泡清洗)去除。

三相分离器主要用于气-固-液三相分离设备。常见于污水处理 中厌氧生物反应器。气体上升进入分离器顶部沿导气管排出，污泥颗 粒沿斜板自动滑落被截留在下部污泥区，污水进入上部的澄清区而后 出水。

超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及 直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、 剥离而达到清洗目的。

旋转膜过滤是德国GHK环境技术有限公司推出的一项新型膜 分离技术。固定在管轴上的膜过滤板在转动电机带动下，在MBR反 应器内旋转，在气泡冲刷、旋转剪切、污水喷射等多重作用下可有效 减缓膜污染，且保证各膜组件受到的清洗强度均匀。但由于其转动设 备长期浸没在水体中，使得工程造价、运营成本幅度提高，日常维护 保养不便。本发明借鉴膜旋转理论，设计出更符合我国污水处理的立 式安装旋转膜过滤组件。

发明内容：

针对传统膜生物反应器膜表面污染严重、曝气清洗能耗高等问 题，本发明提供了一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方 法。本发明利用三相分离器将膜生物反应器分成上下两个部分，下部 为接触氧化区，上部为膜反应区。三相分离器将气-固-液进行分离， 使下部分接触氧化区保持较高的生物量，并将收集的气体用于膜反应 区搅拌和膜面冲刷，降低曝气能耗；膜反应区配置超声波清洗设备， 利用超声波“空化作用”，有效防止膜表面形成凝胶层，降低膜污染； 与此同时，三相分离器把接触氧化区和膜反应区分开，避免超声波对 活性污泥絮体的破坏；旋转膜过滤组件产生的剪切力作用可有效减缓 膜污染速度，同时也可使整个膜组件受到均等清洗强度，减小清洗死 角；为避免膜组件化学清洗需要重复拆装，膜反应区配置在线化学清 洗设备；接触反应区具有气水联合反洗功能。膜组件在旋转剪切、气 泡冲刷、污水升流的三维力场作用下，可最大限度减小膜面浓差极化、 凝胶层、滤饼层等因素引起的膜污染，同时配置在线超声波、化学清 洗设备，可使膜组件尽快恢复通量，便于运行管理。

本发明的减缓膜污染的膜生物反应器装置，包括：污水提升泵、 调节池、膜生物反应器、穿孔布水器、曝气器、曝气气体流量计、曝 气风机、放空/排泥阀、填料、封闭闸阀一、三相分离器、导气管、 封闭闸阀二、超声波振盒、膜组件、超声波发生器、旋转电机、压力 表、抽吸水泵、流产水流量计、产水水箱、化学清洗剂储罐、反洗水 泵、反洗水管道一、反洗水管道二以及多个连接管路和阀门；膜生物 反应器为中空容器，于膜生物反应器内，下部设有穿孔布水器，中部 设有三相分离器，上部设有膜组件；穿孔布水器的上方设有曝气器， 曝气器与三相分离器之间作为接触氧化区，接触氧化区内装填有填 料，膜组件所在的区域为膜反应区；

污水提升泵的出水口通过蝶阀和流量计与调节池上端进水口相 连通，调节池下端出水口通过管路与膜生物反应器内的穿孔布水器相 连；曝气器通过曝气气体流量计及启闭蝶阀与曝气风机的出口相连 通；

三相分离器顶部设有用以将接触氧化区剩余气量导入上部膜反 应区的导气管，将接触氧化区剩余气用做膜组件的气洗源；超声波振 盒设置在膜生物反应器的内壁与膜组件之间，超声波振盒通过信号线 与膜生物反应器外部的超声波发生器信号连接；膜组件采用GHK旋 转膜过滤组件立式安装，GHK旋转膜过滤组件由旋转电机及摆线针 轮减速机带动下顺时针转动，GHK旋转膜过滤组件中心总出水管与 转动轴连接，中心总出水管开孔与转动接头连接，转动接头与出水管 连接，出水管通过压力表与抽吸水泵进水口相连接，抽吸水泵出水口 通过流产水流量计与产水水箱进水口连通；化学清洗剂储罐罐体通过 隔膜计量泵与反洗水管道一相连通，反洗水管道一出口设置在膜组件 与导气管之间的膜生物反应器中部，出口处于膜生物反应器内；反洗 水管道一进口与反洗水泵出水口相连，反洗水泵进水口与产水水箱出 口相连，反洗水泵的出水口通过反洗水管道二与膜生物反应器内的接 触氧化区相连通；

封闭闸阀一设置在三相分离器与接触氧化区之间，用于分隔三相 分离器与接触氧化区；封闭闸阀二设置在三相分离器与膜反应区之 间，用于分隔三相分离器与膜反应区，便于膜生物反应器上下部分别 清洗；膜生物反应器底部设有带放空/排泥阀的物料出口。

所述的穿孔布水器采用一管多孔布水方式，沿反应器底部设置 总布水管，间隔设置配水横管，管上等间距开孔，配水管直径 50～100cm，配水管中心距底部20～25cm，孔径15～25mm。

所述的曝气器采用固定平板微孔曝气器，直径200mm，平均孔 径100～200μm，孔隙率40～50％，氧利用率20～25％，服务面积 0.3～0.75m²/个。

所述的膜生物反应器底部为倒圆锥台型结构，通过放空/排泥 阀控制污泥停留时间5～30d。

所述的填料采用尼龙软性纤维填料，纤维素长度120～160mm， 素间距离60～80mm，孔隙率大于70％，理论比表面积 1400～2400m²/m³。

所述的超声波振盒处于三相分离器的上方，采用投入振板型，同 频对振清洗方式，功率密度31W/L，清洗频率40KHz，清洗时间5min， 清洗时间间隔24h。

于反洗水管道一和反洗水管道二上设有阀门。

所述的膜组件采用孔径0.1μm聚偏氟乙烯膜(PVDF)，板框 式膜通量10～40L/m²·h，每个组件过滤面积2287m²。

所述的化学清洗剂储罐由酸罐(HCl)、碱罐(NaOH)、次氯 酸钠罐(NaClO)、柠檬酸罐组成，各罐体容积1m³。

本发明的一种减缓膜污染的膜生物反应器装置处理污水的方 法，是按照以下步骤进行的：

一/将待处理的污水经过预处理，由污水提升泵泵入调节池， 调节池设置搅拌器和排泥泵，将待处理的污水进行均质均量，调节池 均质后的待处理污水通过重力自流进入膜生物反应器下部，通过穿孔 管布水器均匀布水，生物接触氧化区MLSS 6000～10000mg/L；

二/污水在接触氧化区曝气器曝气的作用下，经过接触氧化区 填料层，水质的有机物得到有效去除，有机负荷1.0～2.0kg BOD/m³·d， 水力停留时间4～6h，供气量1:5～20；

三/三相分离器将生物接触氧化区的泥/水/气进行分离，活性污 泥被截留在接触氧化区，净化后的污水经过气封与三相分离器的狭缝 进入上层膜反应区，三相分离器上端连接的导气管将下部生物接触氧 化区剩余气量导入上部膜反应区；

四/污水进入膜生物反应器上部膜反应区，透过膜片，经由抽 吸水泵的作用，进入到产水水箱，多余的水通过膜生物反应器溢流管 导入调节池进一步起到抗击冲击负荷的作用；同时在气泡上升作用、 膜组件旋转剪切力的作用，以及水流冲刷的作用下，实现对膜组件的 初步清洗。

五/超声波膜清洗：膜组件间隔24h通过超声波振盒与超声波 发生器的超声作用，进行超声清洗；

六/接触氧化区清洗：关闭封闭闸阀一，接触氧化区填料间隔 2～3d，通过反洗水泵、曝气风机进行一次气/水反洗，水洗强度 4～7L/m²·s，气洗强度15～20L/m²·s；清洗后打开放空/排泥阀排除 污水。

七/化学法膜清洗：关闭封闭闸阀二，间隔2～3个月，通过化 学清洗剂储罐、反洗水泵对膜组件进行化学清洗。

步骤四所述抽吸水泵的抽吸压力10～60kpa。

步骤六所述的气/水反洗为气洗10min，气水联合反洗10min， 水洗10min。

本发明装置形成的气-液-固三相各自的运行途径：(1)污水： 待处理的污水进入膜生物反应器的下部接触氧化区，然后通过三相分 离器的缝隙流向上部膜反应区，通过抽吸水泵抽吸和膜组件的过滤作 用实现达标排放；(2)气体：本发明装置内，下部设有曝气装置为膜 生物反应器接触氧化区提供溶解氧，气泡经过三相分离器连接的导气 管导入上部膜反应区，作为膜片气体冲刷的气源；(3)污泥：集中在 接触氧化区，是生物膜脱落形成的，污泥浓度MLSS控制在 6000～10000mg/L，当浓度超过限制时，通过底部排泥阀排除。

本发明的有益效果为：本发明将三相分离器设置在膜生物反应 器内，形成了上部膜反应区下部接触氧化区的污水处理装置。接触氧 化区装填尼龙软性纤维填料，兼有活性污泥法和生物膜法特点，生物 种类丰富生物量大，强化了生化处理效果，同步实现脱氮除磷；三相 分离器实现了气-水-污泥的分离，污泥被截留在接触氧化区，保证接 触氧化区的生化处理效果，同时减缓了膜反应区膜片的污染速度。空 气由下向上，经过接触氧化区被三相分离器阻挡，通过顶部连接的导 气管用以将接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区，气体用做膜组件 的气洗源，节约能耗；膜组件采用GHK旋转膜过滤组件，增加旋转 剪切力作用有利于减缓膜片污染，同时也可保证各膜片清洗强度均 匀，减少清洗死角；设置在线超声波清洗、化学清洗设备，减少膜片 清洗过程中的拆装工序，在尽快恢复膜通量的同时，节约操作时间和 人力物力支出成本。

本发明在保留原膜生物反应器的优点的同时，通过将膜组件与 生化处理系统分开，GHK旋转膜过滤组件，可有效减缓膜污染，降 低膜通量衰减速度，延长膜使用寿命。接触氧化区增加生物填料，强 化处理效果，污水处理质量稳定。超声波的“空化作用”可弥补常规 清洗的不足。在线气水联合反洗、超声波及化学清洗设备减少人力物 力消耗，节省成本，便于运行管理。因此，本发明具有处理效率高、 膜污染小、出水水质稳定、占地面积少、能耗成本低、操作管理方便 等优点。

附图说明：

图1为本发明的减缓膜污染的膜生物反应器装置的结构图，其 中：(1)污水提升泵、(2)调节池、(3)膜生物反应器、(4)穿孔布 水器、(5)曝气器、(6)曝气气体流量计、(7)曝气风机、(8)放空 /排泥阀、(9)填料、(10)封闭闸阀一、(11)三相分离器、(12)导 气管、(13)封闭闸阀二、(14)超声波振盒、(15)膜组件、(16)超 声波发生器、(17)旋转电机、(18)压力表、(19)抽吸水泵、(20) 流产水流量计、(21)产水水箱、(22)化学清洗剂储罐、(23)反洗 水泵、(24)反洗水管道一、(25)反洗水管道二。

具体实施方式：

以下实施例用来解释本发明，但本发明不限于实施例，还包括 各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的减缓膜污染的膜生物反应器装 置，它包括包括：污水提升泵1、调节池2、膜生物反应器3、穿孔 布水器4、曝气器5、曝气气体流量计6、曝气风机7、放空/排泥阀8、 填料9、封闭闸阀一10、三相分离器11、导气管12、封闭闸阀二13、 超声波振盒14、膜组件15、超声波发生器16、旋转电机17、压力表 18、抽吸水泵19、流产水流量计20、产水水箱21、化学清洗剂储罐 22、反洗水泵23、反洗水管道一24、反洗水管道二25以及多个连接 管路和阀门；膜生物反应器3为中空容器，于膜生物反应器3内，下 部设有穿孔布水器4，中部设有三相分离器11，上部设有膜组件15； 穿孔布水器4的上方设有曝气器5，曝气器5与三相分离器11之间 作为接触氧化区，接触氧化区内装填有填料9，膜组件15所在的区 域为膜反应区；

污水提升泵1的出水口通过蝶阀和流量计与调节池2上端进水口 相连通，调节池2下端出水口通过管路与膜生物反应器3内的穿孔布 水器4相连；曝气器5通过曝气气体流量计6及启闭蝶阀与曝气风机 7的出口相连通；

三相分离器11顶部设有用以将接触氧化区剩余气量导入上部膜 反应区的导气管12，将接触氧化区剩余气用做膜组件15的气洗源； 超声波振盒14设置在膜生物反应器3的内壁与膜组件15之间，超声 波振盒14通过信号线与膜生物反应器3外部的超声波发生器16信号 连接；膜组件15采用GHK旋转膜过滤组件立式安装，GHK旋转膜 过滤组件由旋转电机17及摆线针轮减速机带动下顺时针转动，GHK 旋转膜过滤组件中心总出水管与转动轴连接，中心总出水管开孔与转 动接头连接，转动接头与出水管连接，出水管通过压力表18与抽吸 水泵19进水口相连接，抽吸水泵19出水口通过流产水流量计20与 产水水箱21进水口连通；化学清洗剂储罐22罐体通过隔膜计量泵与 反洗水管道一24相连通，反洗水管道一24出口设置在膜组件15与 导气管12之间的膜生物反应器3中部，出口处于膜生物反应器3内； 反洗水管道一24进口与反洗水泵23出水口相连，反洗水泵23进水 口与产水水箱21出口相连，反洗水泵23的出水口通过反洗水管道二 25与膜生物反应器3内的接触氧化区相连通；

封闭闸阀一10设置在三相分离器11与接触氧化区之间，用于分 隔三相分离器11与接触氧化区；封闭闸阀二13设置在三相分离器11 与膜反应区之间，用于分隔三相分离器11与膜反应区，便于膜生物 反应器3上下部分别清洗；膜生物反应器3底部设有带放空/排泥阀8 的物料出口。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所 述的穿孔布水器4采用一管多孔布水方式，沿膜生物反应器底部设置 总布水管，间隔设置配水横管，管上等间距开孔，配水管直径 50～100cm，配水管中心距底部20～25cm，孔径15～25mm。

所述的曝气器5采用固定平板微孔曝气器，直径200mm，平均 孔径100～200μm，孔隙率40～50％，氧利用率20～25％，服务面积 0.3～0.75m²/个。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的 是：膜生物反应器3底部为倒圆锥台型结构，通过放空/排泥阀8控 制污泥停留时间5～30d。其他与具体实施方式一至二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同 的是：所述的填料9采用尼龙软性纤维填料，纤维素长度120～160mm， 素间距离60～80mm，孔隙率70～95％，理论比表面积1400～2400m²/m³。

所述的超声波振盒14处于三相分离器11的上方，采用投入振板 型，同频对振清洗方式，功率密度31W/L，清洗频率40KHz，清洗 时间5min，清洗时间间隔24h。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同 的是：于反洗水管道一24和反洗水管道二25上设有阀门。其他与具 体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同 的是：所述的膜组件15采用孔径0.1μm聚偏氟乙烯膜(PVDF)，板 框式膜通量10～40L/m².h，每个组件过滤面积2287m²。其他与具体实 施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式一至六之一不同的 是：所述的化学清洗剂储罐22由酸罐(HCl)、碱罐(NaOH)、次氯 酸钠罐(NaClO)、柠檬酸罐组成，各罐体容积1m³。其他与具体实施 方式一至六之一相同。

本实施方式的有益效果为：本实施方式的装置形成的气-液-固 三相各自的运行途径：(1)污水：待处理的污水进入膜生物反应器的 下部接触氧化区，然后通过三相分离器的缝隙流向上部膜反应区，通 过抽吸水泵抽吸和膜组件的过滤作用实现达标排放；(2)气体：本发 明装置下部设有曝气装置为膜生物反应器接触氧化区提供溶解氧，气 泡经过三相分离器的导气管导入上部膜反应区，作为膜片气体冲刷的 气源；(3)污泥：集中在接触氧化区，是生物膜脱落形成的，污泥浓 度MLSS控制在6000～10000mg/L，当浓度超过限制时，通过底部排 泥阀排除。

具体实施方式八：本实施方案一种减缓膜污染的膜生物反应器 装置处理污水的方法是按照以下步骤进行：

一/将待处理的污水经过预处理，由污水提升泵1泵入调节池 2，调节池2设置搅拌器和排泥泵，将待处理的污水进行均质均量， 调节池2均质后的待处理污水通过重力自流进入膜生物反应器3下 部，通过穿孔管布水器4均匀布水，生物接触氧化区MLSS 6000～10000mg/L；

二/污水在接触氧化区曝气器5曝气的作用下，经过接触氧化 区填料9层，水质的有机物得到有效去除，有机负荷 1.0～2.0kgBOD/m³·d，水力停留时间4～6h，供气量1:5～20；

三/三相分离器11将生物接触氧化区的泥/水/气进行分离，活 性污泥被截留在接触氧化区，净化后的污水经过气封与三相分离器 11的狭缝进入上层膜反应区，三相分离器11顶部连接的导气管将下 部生物接触氧化区剩余气量导入上部膜反应区；

四/污水进入膜生物反应器3上部膜反应区，透过膜片，经由 抽吸水泵19的作用，进入到产水水箱21，多余的水通过膜生物反应 器3的溢流管导入调节池2进一步起到抗击冲击负荷的作用；同时在 气泡上升作用、膜组件15旋转剪切力的作用，以及水流冲刷的作用 下，实现对膜组件15的初步清洗；

五/超声波膜清洗：膜组件15间隔24h通过超声振盒14、超 声波发生器16进行超声清洗；

六/接触氧化区清洗：关闭封闭闸阀一10，接触氧化区填料9 间隔2～3d，通过反洗水泵23、曝气风机7进行一次气/水反洗(气洗 10min，气水联合反洗10min，水洗10min)，水洗强度6L/m²·s，气 洗强度20L/m²·s。清洗后打开放空/排泥阀8排除污水；

七/化学法膜清洗：关闭封闭闸阀二13，间隔2～3个月，通过 化学清洗剂储罐22、反洗水泵23对膜组件15进行化学清洗。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所 述的步骤一中的调节池2出水口设置在水面以下0.5m，距池底大于 2m的地方。预处理需经过细滤器过滤，孔径0.5mm。其他与具体实 施实施八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八至九不同的是： 所述的步骤四所述抽吸水泵19的抽吸压力10～60kpa。其他与步骤具 体实施方式八至九相同。

通过以下试验验证本发明效果：

本试验的一种减缓膜污染的膜生物反应器装置处理污水的方 法，是按照以下步骤进行：

一/按照图1所示，安装本发明所述的膜生物反应器装置。接 种污泥为6000mg/L。

二/将待处理的污水经过预处理去除粒径5mm以上杂质颗粒， 由污水提升泵1泵入调节池2，进行均质均量后，待处理污水通过重 力自流进入膜生物反应器3下部，通过穿孔管布水器4均匀布水。开 启启闭蝶阀与曝气风机7，通过压力表、接触氧化区曝气气体流量计 6，控制气量，气水比控制在1:10。

三/待处理的污水在曝气的作用下，经过接触氧化区填料9层， 水质得到净化。有机负荷控制为1.0kgBOD/m³·d，水力停留时间6h； 供气量1:10；

四/三相分离器11将膜生物反应器装置分成上下两个部分。步 骤二中的污水由下向上，经过接触氧化区填料9层净化后通过三相分 离器11的缝隙进入上部膜反应区。曝气风机7提供的多余气量通过 三相分离器11的导气管12进入上部膜反应区。活性污泥沿三相分离 器11斜板自动滑落，截止在接触氧化区。

五/经接触氧化区净化后的污水进入上部膜反应区，膜组件15 转速17r/min。经由抽吸水泵19抽吸，污水透过膜片，汇入中心总出 水管，膜通量35L/m²·h，通过转动接头进入到产水水箱21，多余的 水通过一体化膜生物反应器溢流管进入调节池2进一步起到抗击冲 击负荷的作用。通过压力表18、流产水流量计20控制膜组件的运行 和反洗切换。抽吸压力控制限值为60kpa。

六/膜组件15运行间隔24h通过超声振盒14、超声波发生器 16进行超声清洗；清洗频率40KHz，清洗时间5min。

七/膜生物反应器间隔3d，通过反洗水泵23、曝气风机7进行 反洗。关闭接触氧化区封闭闸阀一10，气洗10min，气水联合反洗 10min，水洗10min，水洗强度6L/m²·s，气洗强度20L/m²·s。清洗 后打开放空/排泥阀8排除污水。

八/膜组件15运行间隔3个月，通过化学清洗剂储罐22、反 洗水泵23对膜组件15进行化学清洗。反洗用时42min(一次碱洗 2min，一次酸洗10min，二次碱洗10min，次氯酸钠杀菌10min，二 次柠檬酸洗10min)完成一个膜生物反应器一体化污水处理装置的污 水处理运行周期。

本试验采用的膜组件15，孔径0.1μm，聚偏氟乙烯膜(PVDF) 材质；本次试验的穿孔布水器4，配水管直径50cm，配水管中心距 底部20cm，孔径2cm；曝气器5采用固定平板微孔曝气器，直径 200mm，平均孔径150μm，孔隙率40％，氧利用率20％，服务面积 0.5m²/个；填料9为尼龙软性纤维填料，长度150mm，素间距离70mm， 孔隙率80％，理论比表面积2000m²/m³。

本实验进出水水质结果如表1所示。

表1

由表1可知，本试验的膜生物反应器装置除污效果良好。在保 留原膜生物反应器的优点的同时，可有效减缓污染速度和膜通量衰减 速率，提高膜组件运行时长，减小反洗频率，有效降低能耗，节约运 行成本。