一种新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程控制系统

摘要

本发明提供的新型低能耗MBR污水成套装备及远程控制系统主要由新型低能耗MBR污水成套装备和远程控制系统两部分组成，污水进入MBR污水成套装备后依次经过细格栅、稳定池、调节池、提升泵、全自动清洗过滤器、一体化A2/O-MBR反应池、抽吸泵、紫外消毒器、中水池；一体化A2/O-MBR池的新构型不仅可获得较高的脱氮除磷效率，也可降低50％以上曝气量；采用电动三通阀的简易变量曝气方法，又使总体曝气量减少50％以上；新构型与变量曝气方法相结合，该MBR污水成套装备的曝气量为原来的25-30％，具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点；采用远程控制系统，利用Internet网络异地数据处理功能，可将几十、甚至上百个MBR成套装备集中管理，现场成套装备可无人值守，解决了后期维护问题。

说明书

技术领域

新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程控制系统，涉及一种优化构型和变量曝气方法的低能能耗MBR污水处理装备方法及远程控制系统方法，该新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程控制系统具有低能耗、高效脱氮除磷功能、占地小及运行管理维护方便的特点。本发明属于污水处理技术领域，特别涉及MBR污水处理成套装备技术。

背景技术

常规MBR(Membrane Bioractor，膜生物反应器)是一种将膜分离技术与传统生物处理单元相组合的污水处理工艺。该工艺采用膜分离替代传统活性污泥工艺中的二沉池进行泥水分离，与传统的活性污泥法相比，具有如占地面积小、出水水质优良，抗冲击负荷能力强，高的容积负荷等优越性。但由于膜材料价格高导致工程投资大；膜材料结构不合理导致膜寿命低；MBR反应器设计缺陷导致其能耗高。上述三大缺陷使常规MBR运行费用和水处理成本升高，严重阻碍了常规MBR的推广应用。不仅如此，我国城镇和农村污水处理站属于污染点源，其分布广，单体处理规模小，面临水质不稳定或不达标及能耗和人力、维护成本高等问题。大中型污水处理设施也存在智能化程度低、管理人员多、管理成本高等问题。新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程控制系统因具有如下特点：能耗低，占地小，出水水质稳定达标，采用可无人值守的远程控制系统，可解决上述污染点源治理问题，迅速得到推广应用。

为维持常规MBR的正常运行，采用了持续曝气方法来维持膜面高的冲刷错流速度来延缓膜污染。持续曝气量应为保证膜面最低的错流速度要求曝气量和曝气池生化正常反应所需要的曝气量的最高值，而前者是后者的3倍以上，即常规MBR为传统活性污泥工艺的所需曝气量3倍以上。

常规MBR大多采用穿孔管曝气，该曝气方式的氧气转移效率低，不到17％，并且膜面冲刷的曝气能耗的有效利用率不到30％，因此曝气能耗巨大，但利用率不高；不仅如此，MBR池内由于曝气量巨大造成反应池内严格好氧，未能形成脱氮除磷必须的厌氧/缺氧及好氧水力循环条件，导致脱氮除磷效率非常低，接近为零。目前具有脱氮除磷功能的常规MBR工艺还是采用泵回流污泥至前置的厌氧池、缺氧池形成水力循环来提高其脱氮除磷的效果，不仅增加了占地面积，更加大了常规MBR对能耗的需求。具有脱氮除磷的常规MBR只是在传统的A2/O上增加了膜分离过程，取代了二次沉淀池，虽然提高了污泥浓度减少了占地面积，但运行过程中的曝气能耗产生的高运行成本与清洗药剂消耗、高价膜材料、膜组件更换所产生的高投资及高的维护成本，已经抵消了它的优越性，严重阻碍了常规的MBR技术的推广应用。尽管已经在万吨级以上的工程应用实例，但上述问题依然存在，没有得到根本解决。

随国家城镇化、美丽中国、美丽乡村、智慧城市的加速推进，分布广泛的污染点源必须 逐步得到治理。小型污水处理站将遍地开花，MBR成套装备技术因占地小、出水水质稳定优良，可在其中大显身手。根据国家战略部署和资金安排，小型污水处理站的投资建设问题比较容易解决，但后期维护管理是更为根本性和突出性问题。

针对常规MBR能耗高、脱氮除磷工艺复杂、小型污水处理装备后期维护管理困难等问题，发明了本新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程监控系统，该装备在常规MBR工艺的基础上，为降低能耗、提高脱氮除磷能力、易于后期维护管理方面，进行了四大创新(1)先进的成套装备工艺创新。该工艺在多年来治理点源污水的MBR小型工程经验总结基础上进行了创新，将传统的脱氮除磷的厌氧池、缺氧池、好氧池，合并为一体化A2./O-MBR池，三池合一池，并取消污泥回流，其工艺流程简单实用，适应性强。(2)MBR反应器结构创新。采用导流板将MBR池分隔成好氧区、缺氧/厌氧区，在好氧区和缺氧/厌氧区之间设有交换流量大小可控制的通道，构成一体化A2./O-MBR池构型。在曝气作用下，污泥在好氧区、缺氧/厌氧不断循环交流，循环经历好氧、缺氧/厌氧环境，形成脱氮除磷的水力条件，获得高效的脱氮除磷能力。不仅如此，实验发现，该反应池在曝气量降低50％时，膜组件区上升流速基本不变，即可在低曝气量下运行，因此该结构可使其曝气量降低50％；(3)采用创新的简易变量曝气方法。采用变量曝气替代持续曝气，总体曝气量可降低50％以上。反应器结构创新技术和创新的变量曝气技术叠加，曝气量可降低至原来的25-30％，与传统的活性污泥法相当。因此该新型低能耗MBR污水处理成套装备具有高效脱氮除磷功能、占地小及低能耗的特点。(4)创新的远程控制系统。远程控制系统可将几十、甚至上百个MBR污水处理成套装备集中管理。每个MBR污水处理成套装备的数据及现场画面通过Internet网络技术直接上传至远程控制管理中心，中心对数据进行分析与处理，及时发出参数指令，调整运行状态，并根据需要调度专业人员至现场维护，使系统内每个MBR污水处理成套装备运行和维护专业化，监控实时化，大大降低了维护人员数量和维护成本，解决了分散的众多污水处理厂(站)运行管理问题。本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一体化膜生物反应器。为解决分散的导致水体严重富营养化的点源问题及现有污水处理厂提标升级改造提供关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型低能耗MBR污水成套装备及远程控制系统，包括简化工艺流程，优化的MBR反应器构型，采用简易变量曝气技术和配备远程控制系统等创新技术集成为一体的成套装备。曝气量可降低至常规MBR的25-30％，与传统活性污泥法的能耗相当，同时具有高效脱氮除磷能力、占地小、无人值守的特点。

为实现上述目的，本发明提供的新型低能耗MBR污水成套装备及远程控制系统主要由新型低能耗MBR污水成套装备和远程控制系统两部分组成，其中：

新型低能耗MBR污水成套装备的工艺流程为：细格栅——稳定池——调节池——提升泵——全自动清洗过滤器——一体化A2/O-MBR反应池——抽吸泵——紫外消毒器——中水池；

污水在稳定池、调节池、一体化A2/O-MBR反应池可用玻璃刚或防腐碳钢或钢砼制成，停 留时间分别为2-3h、4-6h、6-10h；池体；稳定池内设有弹性填料；调节池内设高、低两个液位，一体化A2/O-MBR池内设高、中、低三个液位。

一体化A2/O-MBR反应池的构型为两块导流板将MBR反应池分隔为两部分，中部为导流板之间所夹呈上小下大的倒漏斗状为上升区，两侧导流板与池壁所夹区域为下降区；膜组件安装于上升区上部竖直区域内构成膜组件区，上升区下部斜面与池底围成的区域构成曝气区，曝气装置安装于高于池底10cm处；膜组件区与池体的宽度比为1：3-6，高度比为1：2-2.5；膜组件顶以上5-10cm处的导流板上的若干个交换流量控制阀、导流板底部与池壁的20-50cm间隙分别为曝气时上升区与下降区之间污泥交换的上、下通道；

每个膜组件正下方有一套曝气装置，相间的两套曝气装置相互连通，从而形成的两个曝气装置供气总管Q1、Q2分别与L型电动三通阀的两个出口B、C相连；鼓风机出口总管与L型电动三通阀进口A相连，构成了简易变量曝气系统；

每套MBR水处理成套装备均采用PLC控制其自动运行，PLC通过其RS485接口与触摸屏进行数据交换，触摸屏上可显示和修改其数据；每套MBR水处理成套装备配备1台可拍摄现场视频画面的红外摄像头和1个工业级从站通讯模块；

远程控制系统构架为由1个主站通过Internet网络与若干个从站连接而成；主站由1台计算机、1个现场视频画面显示器、1个工业级主站通讯模块、1个带硬盘的摄像视频录像机组成，其中的计算机主机、摄像视频录像机通过工业级主站通讯模块与Internet网络相连；每套MBR污水处理装备为1个从站，其中的PLC扩展通讯模块和红外摄像头通过工业级从站通讯模块与Internet网络相连；每个从站有唯一的网络地址，主站计算机通过Internet网络协议及从站的网络地址对从站的数据进行显示、存储、交换、修改和切换，从而实现对从站的远程控制；主站的现场视频画面显示器可显示和切换从站的现场视频画面，并将数据储存在摄像视频录像机的硬盘内。

所述的数据包括设备运行状态和参数、现场视频画面；

所述细格栅和全自动清洗过滤器的过滤孔径为1-2mm；

所述全自动清洗过滤器为污水中的杂质沉积在过滤器内不锈钢滤网上，进出水口就会产生压差，当压差达到设定值时，通过压力开关信号，启动电动机带动刷子旋转，对滤网进行清洗，同时打开排污阀排污，排污完毕后关闭排污阀，循环往复完成上述过程的装置。

所述的每个膜组件包含若干个膜片，其框架外围不封闭，膜片为中空纤维膜或平板膜；每个膜组件的集水管通过活接和阀门与集水总管相连接，集水总管与抽吸泵进水管相连；每个膜组件为独立的水处理操作单元。

所述的曝气装置呈“丰”字型的穿孔曝气管或微孔曝气盘或微孔曝气管或它们之间的组合。

所述的L型电动三通阀的流向切换时间不超过12秒。

所述液位信号可采用浮球开关或超声波液位计、投入式液位计获得。

所述抽吸泵采用周期性间歇运行，抽、停时间为4min:1min。

本发明提出了新型低能耗MBR污水处理成套装备及远程控制系统，包括如下原理：脱氮效率公式与气升循环原理、反应器结构技术原理、变量曝气原理、远程控制原理。

脱氮效率公式为：

η％＝R/(1+R)

由公式可知：脱氮效率与污泥回流比R正相关，R越大，脱氮效率η％越高，当R趋向于无穷大时，脱氮的效率趋向于100％。

气升循环原理在于：导流板内外的混合液在曝气量不同引起密度差异自然产生的推动力作用下得到持续不断地循环，在此过程中活性污泥不断循环经历好氧、缺氧、厌氧环境，通过CFD模拟结果表明，R非常大，完全满足高脱氮率对高R的要求。不仅如此，利用气升循环还可替代传统的污泥循环采用泵的动力消耗，从而大大降低能耗。

反应器结构技术原理：采用新构型的一体化A2/O-MBR反应器，在曝气作用下，导流板之间自然形成上升区，处于好氧状态，两侧的导流板与池壁之间自然形成下降区，通过调节上部交换流量控制阀16控制下降区DO浓度，可使下降区可形成厌氧/缺氧状态，在气升循环作用下，活性污泥通过污泥交换的上、下通道不断经历好氧、缺氧、厌氧状态，形成脱氮除磷的水力循环状态，因此该反应池具有脱氮除磷功能，脱氮除磷效率高低与控制的交换流量和上升区与下降区的分配比例有关。

实验结果表明：一体化A2/O-MBR反应池的脱氮效率可达85％以上，除磷效率为80％以上，出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准(参见文献：姜志琛,赵曙光,樊耀波,徐东耀.新型一体化膜生物反应器处理矿区污水的中试研究[J].水处理技术,2015,41(2)67-70)；不仅如此，该结构在曝气量降低50％以上时，膜组件区上升流速基本不变，即该结构可降低50％曝气量(参见文献：赵曙光,姜志琛,徐东耀,樊耀波.新型一体化A2/O-MBR曝气能效研究[J].水处理技术,2014,40(12):79-82)。

变量曝气原理在于：将MBR系统中的所有的N膜组件分为含1/2N个膜组件的M1组和M2组，采用电动分流阀将鼓风机的供气量分配给M1组、M2组。MBR系统运行过程中，在电动分流阀作用下，将膜组件原来的连续曝气改为变量曝气，曝气总量从原来的NXm³/h降低至1/2NXm³/h，从而达到节约曝气能耗50％以上。电动分流阀的切换时间不超过12秒，为最佳的切换时间，此时的脱氮效率最高。

结构技术和变量曝气方法相结合，不仅使曝气量可降低至原来的25-30％，也使新型低能耗一体化A2/O-MBR反应器具有高效脱氮除磷、占地小及低能耗的特点。达到构型与功能的完美结合。

在实际工程应用中，膜组件位于反应器顶部与膜框架简化设计，便于人工膜安装与清洗的安全操作。

远程控制原理在于：通过Internet网络异地数据传输、交换、修改功能，可将几十、甚至上百个MBR成套装备集中管理。每个MBR污水处理成套装备的数据及现场画面直接上传至远程控制管理中心，中心对数据进行分析与处理，及时发出参数指令，调整运行状态，并根 据需要调度专业人员至现场维护，使系统内污水处理厂(站)运行和维护专业化，监控实时化，大大降低了维护人员数量和维护成本，解决了分散的众多污水处理厂(站)运行管理问题。

综上所述，新型低能耗MBR成套装备及远程控制系统在原理及技术上可在工程上完全可以实现的。

本发明与现有常规MBR成套装备技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)能耗低

能耗仅为常规MBR技术(1-1.2kWh/m³)的25-30％，达到了该技术能耗的国际先进水平(0.3-0.5kWh/m³)；

(2)占地小，出水水质优良

比传统活性污泥法减少工程占地面积50％以上，比常规MBR工程节省占地面积10-15％；出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准；

(3)操作简单方便 

膜清洗频率低(半年1次在线清洗)，劳动强度低。操作简单方便；自动化程度高，可远程控制管理，实现无人值守；大型工程可实现自动在线清洗；

(4)涡流冲刷

经精心设计，CFD(计算流体力学)模拟云图显示，反应器内膜表面由原来的流体向上直线冲刷变为直线和涡流共同冲刷，大幅提高了膜面冲刷效果；

(5)适应性强

单元化、模块化、标准化设计使其更适应大、中、小各型污水处理工程和改造第一、二代污水处理厂(站)，便于在大、中、小城镇和农村迅速推广；采用远程控制，可将几十、甚至上百个MBR成套装备集中管理。使系统内污水处理厂(站)运行和维护专业化，监控实时化，不仅MBR成套装备无人值守，也大大降低了维护人员数量和维护成本，解决了分散的众多污水处理厂(站)运行管理问题。

(6)工程造价低，运行费用低

总之，该成套技术具备了低能耗、高脱氮除磷效率、出水水质优良、占地小、操作方便、抗冲击负荷能力强的特点。膜组件单元化、模块化、标准化设计使其更适应各种污水处理规模，使设备生产周期与工程周期大大缩短。

附图说明

图1为低能耗MBR污水处理成套装备工艺流程图

图2为远程控制系统网络构架图

附图中的符号说明：

1-稳定池2-调节池3-一体化A2/O-MBR池4-中水池5-细格栅6-全自动清洗过滤器7-鼓风机8-L型电动三通阀9-膜组件10-抽吸泵11-紫外消毒器12-提升泵13-污泥泵14-曝气装置15-导流板16-交换流量控制阀17-出水流量计18-气体流量计19-活结 20-从站PLC控制模块及扩展的通讯模块21-从站的红外摄像头22-工业级从站通讯模块23-工业级主站通讯模块24-主站计算机25-主站摄像视频录像机26-主站现场视频画面显示器

具体实施方式：

下面结合附图1-2加以说明，以进一步理解本发明。

(1)MBR污水处理成套装备组装：可采用玻璃钢或防腐碳钢或钢砼制作稳定池1、调节池2、一体化A2/O-MBR池3、中水池4，其尺寸大小按停留时间及装备的处理量确定。在稳定池1安装弹性填料，细格栅5按装在稳定池1前的进水渠内或稳定池1内，调节池2内安装的提升泵12出口管道与全自动清洗过滤器6的进口相连，全自动清洗过滤器6的出水均匀布入一体化A2/O-MBR池3内。

导流板15把一体化A2/O-MBR池3分隔成上升区和下降区，导流板底部与池壁留有20-50cm空隙，膜组件9放入膜组件区内，在每个膜组件9顶部5-10cm处的两侧导流板上安装流量交换控制阀16，将膜组件9的集水管通过活接19和阀门与集水总管相连接，集水总管与抽吸泵10进水管相连；每个膜组件9为独立的水处理操作单元；抽吸泵10出水经过消毒器11后进入中水池4；一体化A2/O-MBR池3内安装的污泥泵13将污泥排入污泥池或稳定池。

每个膜组件9的正下方的曝气区内距池底10cm处安装一套曝气装置14，并将相隔的曝气装置14连通后引出两个曝气装置供气总管Q1、Q2分别与L型电动三通阀8的B、C出口相连，鼓风机7出口总管与L型电动三通阀8的A进口相连接；将电气设备如泵、鼓风机等与PLC自动控制系统连接好。

开通从站的Internet网络，用网线将从站的红外摄像头21、PLC控制模块及扩展的通讯模块20与工业级从站通讯模块22进口相连结，工业级从站通讯模块22出口通过网线与Internet网络相连。

开通主站的Internet网络，用网线将主站内计算机24主机和摄像视频录像机25通过工业级主站通讯模块23与Internet网络相连结，主站现场视频画面显示器26与摄像视频录像机25相连结。

安装和制作一系列必须的软件接口和驱动软件，通过从站PLC的网站地址和网站协议，主站通过Internet网络与从站建立数据联系。

(2)新型低能耗MBR污水处理成套装备与远程控制系统调试：MBR污水处理成套装备安装完毕后，对全自动清洗过滤器6、鼓风机7、L型电动三通阀8、抽吸泵10、-紫外消毒器11、提升泵12、污泥泵13进行单机试运转，查漏补缺合格后，进行设备联动清水调试，各池充入清水至指定液位后，根据调节池、一体化A2/O-MBR池3的浮球动作信号，各个设备应按设计要求完成规定动作，否则找出问题的原因，加以改正，直到系统设备完全按设计要求完成规定动作为止。清水调试结束。

在一体化A2/O-MBR池3内投入接种污泥，可以开始污水调试。先将控制状态打到自动 运行，可按满负荷1/4-1/2的小通量调试运行；调整布水管上的阀门使进水均匀分布于下降区内，同时调节流量交换控制阀16，控制下降区的DO，使其处于厌氧和缺氧的环境中；当污泥浓度上升到6g/L，可加大至满负荷运行；当污泥浓度超过9-12g/L，可周期性排泥，排泥量按设定的污泥龄进行。

主站和从站数据联系通过Internet网络调试来完成，主站内可显示和修改从站数据，不断从现场获得的情况进行反馈，调整至预定的功能为止。

反应器自动长期运行：将反应器的自控系统调至自动运行状态，下述过程可自动完成：调节池2设高、低两个液位，高液位时系统自动启动运行，低液位时，系统停止运行；一体化A2/O-MBR池3设高、中、低三个液位，中液位时，开启调节池提升泵向一体化A2/O-MBR池补水，至高液位时，停止提升泵补水，低液位时，系统停止运行，并报警。

系统启动过程如下：调节池处于高液位，启动鼓风机通过曝气装置曝气一段时间后，抽吸泵10启动抽水，一体化A2/O-MBR池3降至中水位时启动提升泵12对其进行补水，在高水位时停止提升泵12补水，其补水与停水为往复循环过程。当调节池低水位时，整个系统停止运行；当调节池高液位时，系统重新恢复运行，先开启鼓风机，其他设备按预定程序运行。抽吸泵10周期性间歇运行，抽停时间为4min:1min。

在主站内可随时获得从站的数据，并根据实际情况修改从站的数据，改变运行参数，同时对从站异常情况及时分析和报警，主站根据需要安排专业人员去现场维修服务。现场视频画面可以随时调阅，对现场服务进行监督。

(3)膜化学清洗：膜的化学清洗包括在线化学清洗与体外浸没清洗，这里主要介绍体外浸没清洗。体外浸没清洗分为两种方式，拆膜片清洗方式和整体清洗方式。拆膜片清洗方式操作如下：在化学清洗池内配好的0.3％的次氯酸钠溶液，关闭需要化学清洗的膜组件8的集水管阀门，并将活接19断开，提出膜组件8，将膜片取出并用清水冲洗干净后，放入化学清洗池内浸泡24小时左右，可完成膜片的体外浸没化学清洗。化学清洗完后的膜片用清水冲洗后装入原框架内组成膜组件8，经提升装置送回原处，连接好集水管上的活接19，打开集水管阀门，清洗后的膜组件8可重新工作。

整体清洗方式为：关闭需要清洗的膜组件8的集水管阀门，并将活接19断开，提出并用清水冲洗干净后直接放入化学清洗池内浸泡24小时左右。清洗完的膜组件1再提出并用清水冲洗干净后放回原处，连接好对应的活接19，打开集水管阀门，清洗后的膜组件8可重新运行。

由于体外浸没清洗操作可分批进行，每批可限定为1-2组膜组件，不影响反应器其它膜组件的运行，可满足工程连续运行要求。