申请日2016.07.15
公开(公告)日2016.10.12
IPC分类号C02F9/14; C02F101/30; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种耦合正渗透膜与微滤膜的厌氧污水处理方法，属于污水处理技术领域。本发明方法是针对城镇污水，包括以下步骤：原水由进水泵进入厌氧反应区，产生的沼气经过水封后进行收集回用;一部分污水在正渗透膜的作用下实现分离净化，然后再经过反渗透膜的处理实现回用;另一部分污水经过MF膜分离净化，再经过沉淀池回收磷酸盐，最后经过活性炭吸附柱实现出水达标排放或回用。本方法将正渗透膜和微滤膜技术与厌氧消化技术耦合形成污水处理工艺，保证了出水稳定达到再生水回用要求，且占地面积较小;污水中的有机物以沼气的形式进行回收;污水中的磷酸盐进行回收;正渗透的盐度积累得到了缓解，膜污染得到了有效控制;整个系统可以实现自动化控制。
权利要求书
1.一种耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述厌氧反应器主要包括膜反应装置、汲取液池、反渗透膜处理装置、沉淀池、吸附装置;所述膜反应装置包括微滤膜组件和正渗透膜组件;所述微滤膜组件通过管路与沉淀池连接，沉淀池通过管路与吸附装置连接;所述正渗透膜组件通过管路与汲取液池连接，汲取液池与反渗透膜处理装置连接。
2.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述膜反应装置内的下部安装有曝气管，沼气循环泵一端与曝气管连接，另一端延伸至膜反应装置的上部。
3.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述正渗透膜组件与汲取液池通过汲取液循环泵和管路构成循环。
4.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述汲取液池与反渗透膜处理装置通过高压泵和管路构成循环。
5.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述吸附装置为活性炭吸附柱。
6.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述膜反应装置的上部通过管路与水封装置连接。
7.根据权利要求1所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器，其特征在于，所述正渗透膜组件中的正渗透膜的材质为三醋酸纤维膜、聚酰胺膜、聚醚砜树脂中的任意一种。
8.一种厌氧污水处理方法，其特征在于，所述方法是利用权利要求1～7任一所述的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法中，污水进入厌氧反应器的膜反应装置后，在厌氧微生物的作用下实现有机物的降解和转化，产生的沼气能够通过沼气循环泵在膜反应装置内进行循环，最终经水封处理后回收;在汲取液与污泥混合液之间的渗透压差作用下，水透过正渗透膜，再通过反渗透膜获得回用水，浓缩后的汲取液继续用于正渗透膜进行水的提取;通过调控微滤膜的运行通量来控制膜反应装置中的溶质排放，从而实现盐度的控制;微滤膜出水首先在碱性环境下以磷酸盐沉淀的形式实现对磷的回收，然后通过吸附装置吸附剩余的氨氮。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调控微滤膜的运行通量，是指控制反应器中的电导率为5-6mS/cm。
说明书
一种耦合正渗透膜与微滤膜的厌氧污水处理方法
技术领域
本发明涉及了一种耦合正渗透膜与微滤膜的厌氧污水处理方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
污水的大量排放，既浪费了资源，又增加了水体环境负荷。随着世界水资源和能源的日益短缺，由于蕴含了丰富的水资源以及大量C、N、P等资源，污水已经被看作一种水源和资源。在此背景下，以污水回用和能源回收为目的的污水处理工艺已经受到越来越多的重视。厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor，AnMBR)正是这样的一种工艺，在处理污水过程中可以回收甲烷，而且微滤或超滤膜分离技术的引入大大提高了厌氧出水的效果。然而，AnMBR还存在着出水水质不能直接回用和膜污染较重等问题。
此外，也有学者提出了厌氧正渗透膜生物反应器(anaerobic forward osmosis membranebioreactor，AnFOMBR)。与AnMBR相比，由于正渗透(forward osmosis，FO)膜的高效截留能力以及高抗污染能力，AnFOMBR具有出水水质好，能耗低和膜污染趋势小等优势。然而，由于FO膜对溶质的截留以及反向盐渗透，AnFOMBR还存在着高盐度的问题。比如，有新加坡学者在研究AnFOMBR时发现：在22天内，反应器内盐度从初始1.0mS/cm增加到20.5mS/cm，水通量从9.5LMH下降到3.5LMH，甲烷平均产量仅占理论产气量的58%。盐度的累积，极大限制了反应器的进一步应用。目前，还未有关于AnFOMBR中高盐度解决方法的报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明创造性的提出了一种耦合正渗透膜和微滤膜的新型厌氧反应器(MFO-AnMBR)和厌氧污水处理工艺。本发明的反应器采用微滤(microfiltration，MF)膜来缓解盐度的积累，并进一步提高FO膜的通量。MFO-AnMBR在污水处理过程中，可以回收沼气;FO膜的出水水质比较好，可以作为一种高品质的水质用来回用或者补充地下水资源;MF出水在进行城市杂用水回用的同时，可以进行磷的回收。因此，MFO-AnMBR工艺不仅可以实现污水回用，而且可以实现资源和能源回收，是一种面向未来的可持续污水处理技术，对今后污水处理技术的发展具有良好的补充。
本发明的第一个目的是提供了一种耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器(MFO-AnMBR)。
所述厌氧反应器主要包括膜反应装置、汲取液池、反渗透(reverse osmosis，RO)膜处理装置、沉淀池、吸附装置;所述膜反应装置包括MF膜组件和FO膜组件;所述MF膜组件通过管路与沉淀池连接，沉淀池通过管路与吸附装置连接;所述FO膜组件通过管路与汲取液池连接，汲取液池与RO膜处理装置连接。
在一种实施方式中，所述膜反应装置内的下部安装有曝气管，沼气循环泵一端与曝气管连接，另一端延伸至膜反应装置的上部。
在一种实施方式中，所述膜反应装置的上部通过管路与水封装置连接。
在一种实施方式中，所述沉淀池与pH控制器相连。
在一种实施方式中，所述pH控制器与NaOH溶液池相连。
在一种实施方式中，所述沉淀池的中上部通过管路和水泵与吸附装置相连。
在一种实施方式中，所述吸附装置为活性炭吸附柱。
在一种实施方式中，所述FO膜组件与汲取液池通过汲取液循环泵和管路构成循环。
在一种实施方式中，所述汲取液池与RO膜处理装置通过高压泵和管路构成循环。
在一种实施方式中，所述FO膜组件中的FO膜的材质为三醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)膜、聚醚砜树脂(PES)中的任意一种。
在一种实施方式中，所述MF膜组件中的MF膜为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等的任意一种。
在一种实施方式中，所述MF膜的孔径为0.1-1微米。
在一种实施方式中，所述MF膜组件为平板膜组件、中空纤维膜组件或管式膜组件中一种
在一种实施方式中，所述RO膜处理装置中的RO膜为醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)复合膜中的任意一种。
本发明的第二个目的是提供一种厌氧污水处理方法，所述方法是利用本发明的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器进行污水处理。
所述方法中，污水进入厌氧反应器的膜反应装置后，在厌氧微生物的作用下实现有机物的降解和转化，产生的沼气能够通过沼气循环泵在膜反应装置内进行循环，最终经水封处理后回收;在汲取液与污泥混合液之间的渗透压差作用下，水透过FO膜，再通过RO膜获得回用水，浓缩后的汲取液继续用于FO膜进行水的提取;通过调控MF膜的运行通量来控制膜反应装置中的溶质的排放，从而实现盐度的控制;MF膜出水首先在碱性环境下以磷酸盐沉淀的形式实现对磷的回收，然后通过吸附装置吸附剩余的氨氮。
在一种实施方式中，所述通过调控MF膜的运行通量，是指控制反应器(膜反应装置内混合物)中的电导率为5-6mS/cm。
在一种实施方式中，所述汲取液的初始浓度为0.5MNaCl，汲取液循环速率为0.4L/min。
在一种实施方式中，所述方法中沼气循环速率为2L/min。采用沼气循环的形式来实现控制FO膜和MF膜的污染控制和厌氧污泥的有效混合。
在一种实施方式中，所述碱性环境是指在pH 10～12。
在一种实施方式中，所述碱性环境是指通过pH控制器控制pH 11.0左右。
在一种实施方式中，所述吸附装置中添加有活性炭，活性炭用量为50g/L，停留时间为12h。
在一种实施方式中，微滤(MF)膜为聚偏氟乙烯(PVDF)材质。
本发明的反应器和污水处理方法，经过FO膜和RO膜的双重过滤后，出水水质比较好，可以作为一种高品质的水质用作应急饮用水或者补充地下水资源;MF膜的加入不仅解决了盐度积累的问题，而且提高了FO膜的通量;MF出水COD小于50mg/L，而氨氮无法满足城市杂用水回用标准，通过在碱性环境下以磷酸盐沉淀的形式实现对磷的回收，然后通过活性炭吸附剩余的氨氮，从而既保证了MF出水达到城市杂用水回用标准，又实现了对磷的资源化回收;厌氧过程中产生的沼气可以进行回收。因此，MFO-AnMBR工艺不仅可以实现污水达到或优于《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中的水质要求回用于生产，而且可以实现沼气和磷的回收，是一种面向未来的可持续污水处理技术，对今后污水处理技术的发展具有良好的补充。
本发明相对传统的厌氧膜生物反应器具有以下优点：
(1)传统AnFOMBR厌氧反应器，由于FO膜对进水溶质的截留和反向盐渗透，反应器中的盐度会发生积累，影响装置的运行。本发明将FO膜和MF膜耦合使用，可通过改变MF膜的水通量来控制反应器内的溶质的排放，从而实现盐度的控制;本发明的污水处理分为两部分，FO膜的出水经过RO工艺处理，可以达到饮用水的要求，而MF膜的出水可以达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中的水质要求，回用于生产。
(2)FO膜采用渗透压差而不是水力压差作为驱动力，膜污染趋势更小，装置运行更加稳定。
(3)在实现甲烷回收利用的同时可以实现磷的回收。
(4)采用本发明的方法进行污水处理，原则上，通过MF膜对溶质的提取，可控制反应器内盐度为任何数值。但是，若电导率控制较高，膜污染较严重，则水通量下降较快，不利于反应器的长期稳定运行;若电导率控制较低，则影响磷酸盐的富集及回收效率。通过MF膜将混合液电导率控制在5-6mS/cm既可以维持较好的水通量又可以回收较多的磷酸盐，而且厌氧反应器可以长期稳定运行。
附图说明
图1为本发明耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器(MFO-AnMBR)的结构示意图;图中，1进水池，2进水泵，3曝气管，4 MF膜组件，5沼气循环泵，6 FO膜组件，7汲取液循环泵，8汲取液池，9高压泵，10 RO膜处理装置，11抽吸泵，12 NaOH溶液池，13pH控制器，14沉淀池，15水泵，16吸附装置，17水封装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述：
实施例1：耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器
图1为本发明的耦合正渗透膜和微滤膜的厌氧反应器(MFO-AnMBR)的结构示意图。
所述厌氧反应器主要包括膜反应装置、汲取液池8、RO膜处理装置10、沉淀池14、吸附装置16;所述膜反应装置包括MF膜组件4、FO膜组件6;所述MF膜组件4通过管路与沉淀池14连接，沉淀池14通过管路与吸附装置16连接;所述FO膜组件6通过管路与汲取液池8连接，汲取液池8与RO膜处理装置10连接。
所述膜反应装置底部安装有曝气管3，沼气循环泵5一端与曝气管3连接，另一端延伸至膜反应装置的上部。产生的沼气能够通过沼气循环泵5在膜反应装置内进行循环，采用沼气循环的形式来实现控制FO膜和MF膜污染的控制和厌氧污泥的有效混合。
所述膜反应装置的上部通过管路与水封装置17连接。所述沉淀池14与pH控制器13相连。所述pH控制器13与NaOH溶液池12相连。
所述沉淀池的中上部通过管路和水泵15与吸附装置16相连。
可选地，所述吸附装置16为活性炭吸附柱。对氨氮进行吸附，达到城市杂用水回用标准。
此外，所述FO膜组件6与汲取液池8通过汲取液循环泵7和管路构成循环。浓缩后的汲取液继续用于FO膜进行水的提取。通过以渗透压为驱动力，实现FO膜的截留。
可选地，所述汲取液池8与RO膜处理装置10通过高压泵9和管路构成循环。经FO膜和RO膜处理的水，可达到高品质出水要求。
可选地，所述FO膜组件6中的FO膜的材质为三醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)膜、聚醚砜树脂(PES)中的任意一种。
可选地，所述MF膜组件4中的MF膜为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等的任意一种;通过MF膜组件可控制反应器内的盐度累积。
可选地，所述RO膜处理装置中的RO膜为醋酸纤维(CTA)膜、聚酰胺(TFC)复合膜中的任意一种。
实施例2：利用本发明的MFO-AnMBR进行污水处理
采用如图1所示结构的耦合正渗透膜和微滤膜的新型厌氧反应器(MFO-AnMBR)，在室温下运行。
通入经过人工配制的模拟城镇污水，其水质指标为：TOC：143.97±2.23mg/L，NH4-N：28.95±2.34mg/L，TN：30.71±2.18mg/L，TP：2.70±0.34mg/L。膜组件用FO和MF平板膜组件，分别为三醋酸纤维(CTA)材质和聚偏氟乙烯(PVDF)材质，膜面积均为0.025m2，其中MF的平均孔径为0.2μm。进水泵2将进水从进水池1打入MFO-AnMBR，在沼气循环泵5的作用下迅速混合。一部分混合液在汲取液8的作用下透过FO膜组件6，实现污水的第一次净化，然后再经过RO膜处理装置10的RO膜的第二次净化获得高品质的再生水。同时，另一部分混合液在抽吸泵11的作用下透过MF膜组件4，然后进入沉淀池14在碱性环境下形成磷酸盐沉淀，最后通过水泵15进入活性炭吸附柱16获得满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)要求的再生水。MFO-AnMBR采用自身产生沼气的循环实现混合液搅拌和膜污染控制，多余的沼气经过水封17后进行收集。MFO-AnMBR处理装置的污泥停留时间为80d，混合液悬浮物浓度为2.0g/L左右，曝气循环速率为2L/min，温度为25℃。
本发明的厌氧反应器运行100d，混合液电导率始终维持在5-6mS/cm，膜组件未进行任何清洗。处理之后FO出水水质为：TOC：21mg/L，NH4-N：22.48mg/L，TN：23.92mg/L，TP：0-0.32mg/L，MF出水水质为COD：20mg/L，TP：0.1mg/l，NH4-N：8.05mg/L，出水水质达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中的水质要求。甲烷产率为0.23-0.27L CH4g-1COD。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。