申请日2017.12.07
公开(公告)日2018.03.23
IPC分类号C02F9/14; B01D53/02
摘要
一种污水处理系统和方法，所述系统包括预处理单元、水解膜生物反应器、好氧膜生物反应器、消毒单元、气体净化单元和曝气单元，所述方法为将经预处理单元过滤和均量均质调节后的污水依次输送至水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器内进行处理，将水解膜生物反应器内生成的气体接入好氧膜生物反应器内，并视运行周期调节污泥在水解酸化反应器和好氧反应器之间的循环，对好氧膜生物反应器的出水进行消毒后排出，对好氧膜生物反应器排放的气体经吸附处理后排出。本发明的系统和方法可以高效去除污水中的有机污染物和氨氮，并且排放气体量小、剩余污泥产率极低，适用于空间狭小且综合排放要求高的密闭空间。
权利要求书
1.一种污水处理系统，包括预处理单元、水解膜生物反应器、好氧膜生物反应器、消毒单元、气体净化单元和曝气单元，其特征在于，所述预处理单元、水解膜生物反应器、好氧膜生物反应器、消毒单元和气体净化单元均为密闭结构，其中：
预处理单元，用于对待处理的污水进行初级过滤和均量均质调节，处理后的污水输入到所述水解膜生物反应器;
水解膜生物反应器，用于对输入的污水进行水解处理，并将处理过的污水输入到所述好氧膜生物反应器，所述水解膜生物反应器的顶部设置有接入好氧膜生物反应器液位以下的排气管路，所述水解膜生物反应器的底部设置有用于将污泥输入到好氧膜生物反应器的污泥管路;
好氧膜生物反应器，用于对输入的污水进行好氧处理，并将处理过的污水输入到所述消毒单元，所述好氧膜生物反应器的顶部设置连接气体净化单元的排气管路，所述好氧膜生物反应器的底部设置有用于将污泥输入到水解膜生物反应器的污泥管路;
消毒单元，用于对所述好氧膜生物反应器的出水消毒后排出;
气体净化单元，用于对所述好氧膜生物反应器输出的气体吸附净化后排出;
曝气单元，分别连接所述水解膜生物反应器和所述好氧膜生物反应器，分别向所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器独立地提供曝气。
2.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述水解膜生物反应器为分体式膜生物反应器，包括通过循环泵连接的水解膜生物反应器主体和外置的管式膜组件，所述管式膜组件的出水口包括产水口和循环口，所述产水口连接到所述好氧膜生物反应器，所述循环口连接到所述水解膜生物反应器主体;
优选地，所述水解膜生物反应器主体内投加悬浮型生物填料，装填容积占反应器工作容积的20～70%;
优选地，所述悬浮型生物填料为以高分子塑料为基材的改性生物悬浮填料，直径10～25mm，相对密度0.97～1.03g/cm3。
3.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述好氧膜生物反应器为一体式膜生物反应器，包括好氧膜生物反应器主体和在所述好氧膜生物反应器内设置的平板膜组件，所述平板膜组件的出水口连接到所述紫外消毒单元;
优选地，所述好氧膜生物反应器主体内投加悬浮型生物填料，装填容积占反应器工作容积的20～70%;
优选地，所述悬浮型生物填料为以高分子塑料为基材的改性生物悬浮填料，直径10～25mm，相对密度0.97～1.03g/cm3。
4.根据权利要求3所述的污水处理系统，其特征在于，所述曝气单元包括膜区曝气风机，所述膜区曝气风机的进风口通过管道接入所述好氧膜生物反应器的排气管路，所述膜区曝气风机的出风口通过管道连接到所述好氧膜生物反应器内平板膜组件下方。
5.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述曝气单元包括进风为新鲜空气的鼓风机，所述鼓风机通过管道分别连接所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器，所述管道上设置用于控制曝气量的控制阀，以分别向所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器独立地提供曝气。
6.根据权利要求5所述的污水处理系统，其特征在于，所述污水处理系统还包括监测单元和控制单元，所述监测单元包括设置于所述水解膜生物反应器内的在线氧化还原电位传感器和好氧膜生物反应器内的在线溶解氧传感器，所述控制单元连接到所述监测单元、所述鼓风机和用于控制曝气量的控制阀，用于依据所述在线氧化还原电位传感器或所述在线溶解氧传感器的监测信号对所述鼓风机和所述控制阀的开闭进行连锁控制、或者直接对所述鼓风机和所述控制阀的开闭进行时序控制。
7.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述污水处理系统还包括碱液储箱，所述碱液储箱的出液管路通过加碱泵连接到所述好氧膜生物反应器;
优选地，所述污水处理系统还包括监测单元和控制单元，所述监测单元包括设置于所述好氧膜生物反应器内的在线pH传感器，所述控制单元连接到所述监测单元和所述加碱泵，用于根据所述在线pH传感器的监测信号控制所述加碱泵的开闭;
优选地，所述预处理单元包括初级过滤器和均质均量调节水箱，所述初级过滤器的出水管路连接所述均质均量调节水箱，所述均质均量调节水箱的出水管路连接到所述水解膜生物反应器;
进一步优选地，所述初级过滤器为纤维过滤器以去除污水中的纤维类物质;所述均质调节水箱的容积具有对污水16-24h的调节时间范围。
8.一种使用如权利要求1至7中任意一项所述的污水处理系统的污水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在预处理单元内对污水进行初级过滤和均量均质调节的预处理;
(2)将预处理后的污水输送至水解膜生物反应器进行充分水解以分解污水中的大分子物质;
(3)将水解后的污水输送至好氧膜生物反应器内进行好氧生物处理，并将所述水解膜生物反应器内产生的少量气体通入好氧膜生物反应器内，以及视运行周期调节污泥在水解酸化反应器和好氧反应器之间的循环;
(4)将经好氧生物处理后的污水输送至消毒单元进行紫外消毒后排出，将所述好氧膜生物反应器排出的气体通入气体净化单元进行吸附净化后排出，将所述好氧膜生物反应器内的活性污泥定期排出。
9.根据权利要求8所述的污水处理方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，所述水解膜生物反应器包括通过循环泵连接的水解膜生物反应器主体和外置的管式膜组件，所述管式膜组件的运行膜通量为20～40L/(m2·h)，管式膜组件内液体流速2.5～5m/s，在所述水解膜生物反应器主体内的水力停留时间为12～20h，控制所述水解膜生物反应器主体内的氧化还原电位为-350～-500mV，污泥浓度为10～20g/L;利用经管式膜组件的循环口循环的混合液对所述水解膜生物反应器主体内的污水进行水力均质搅拌;
作为优选，所述步骤(3)中，所述好氧膜生物反应器包括好氧膜生物反应器主体和在所述好氧膜生物反应器主体内设置的平板膜组件，所述平板膜组件的运行膜通量为8～12L/(m2·h)，控制在所述好氧膜生物反应器主体内的水力停留时间为14～24h，控制所述好氧膜生物反应器主体内污水的溶解氧浓度为2～3mg/L，pH值为6.50～7.00，污泥浓度为8～12g/L;进一步优选地，通过投加碳酸氢钾溶液调节所述好氧膜生物反应器主体内污水的pH值。
10.根据权利要求8所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在好氧生物处理过程中，将好氧膜生物反应器内排出的部分气体回流至好氧膜生物反应器内以冲刷膜组件和减少排气量。
说明书
密闭空间污水处理系统与方法
技术领域
本发明属于污水处理与资源化技术领域，特别涉及一种密闭空间污水处理系统与方法。
背景技术
有人活动的密闭空间，如相对封闭的舰船舱、与外界隔离的载人航天密闭系统等由于其自身的特殊性，通常需要对空间内产生的污水进行就地处理且进行再利用，并且对污水处理过程中副产物的排放以及各种物质的消耗也有严格限制。
目前中长期载人航天活动均采用物化技术来实现废水的处理和再生利用，如将包括尿液分离、化学预处理、常压膜蒸馏和吸附/催化(浓缩液)等单元的尿液水回收系统(System for water reclamation from urine，SWR-U)应用于和平号空间站，共回收了6000kg水，实现了80%的水回收率;再如美国在国际空间站上采用蒸汽压缩蒸馏装置对尿液进行处理，蒸馏液进入废水处理系统(由旋转气体分离器、颗粒物过滤器、多介质过滤床以及催化氧化反应器等)中与其它废水合并进行处理，合格出水作为乘员饮用水和电解制氧用水，截止2016年3月27日，共产出约26090kg净水。
综上所述，目前应用于空间站的污水处理工艺都是物理化学方法，对尿液废水和卫生废水分开处理，在其处理过程中需要硫酸、三氧化铬等强氧化性危险化学品。此外，目前的物化方法综合水回收率较低，对废水进行净化的同时会产生浓缩液等副产物。与物化方法相比，污水生物处理技术具有能耗低、消耗物少、不产生浓缩液等优点。近年来，生物与物化技术相结合的膜生物反应器技术已大规模应用于市政污水和工业废水。膜生物反应器具有的占地面积小、硝化效率高、出水水质好等突出优点，非常适合于密闭空间污水处理与回用，但对于密闭空间的特殊性以及其污水特点，在功能单元设置、排放气体和剩余污泥综合控制等方面尚需要进一步的改进和优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种密闭空间污水处理系统与方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少一种。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供一种污水处理系统，包括预处理单元、水解膜生物反应器、好氧膜生物反应器、消毒单元、气体净化单元和曝气单元，所述预处理单元、水解膜生物反应器、好氧膜生物反应器、消毒单元和气体净化单元均为密闭结构，其中：
预处理单元，用于对待处理的污水进行初级过滤和均量均质调节，处理后的污水输入到所述水解膜生物反应器;
水解膜生物反应器，用于对输入的污水进行水解处理，并将处理过的污水输入到所述好氧膜生物反应器，所述水解膜生物反应器的顶部设置有接入好氧膜生物反应器液位以下的排气管路，所述水解膜生物反应器的底部设置有用于将污泥输入到好氧膜生物反应器的污泥管路;
好氧膜生物反应器，用于对输入的污水进行好氧处理，并将处理过的污水输入到所述消毒单元，所述好氧膜生物反应器的顶部设置连接气体净化单元的排气管路，所述好氧膜生物反应器的底部设置有用于将污泥输入到水解膜生物反应器的污泥管路;
消毒单元，用于对所述好氧膜生物反应器的出水消毒后排出;
气体净化单元，用于对所述好氧膜生物反应器输出的气体吸附净化后排出;
曝气单元，分别连接所述水解膜生物反应器和所述好氧膜生物反应器，分别向所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器独立地提供曝气。
优选地，所述水解膜生物反应器为分体式膜生物反应器，包括通过循环泵连接的水解膜生物反应器主体和外置的管式膜组件，所述管式膜组件的出水口包括产水口和循环口，所述产水口连接到所述好氧膜生物反应器，所述循环口连接到所述水解膜生物反应器主体。
优选地，所述分离式膜生物反应器主体内投加悬浮型生物填料，装填容积占反应器工作容积的20～70%。
优选地，所述好氧膜生物反应器为一体式膜生物反应器，包括好氧膜生物反应器主体和在所述好氧膜生物反应器内设置的平板膜组件，所述平板膜组件的出水口连接到所述紫外消毒单元。
优选地，所述好氧膜生物反应器主体内投加悬浮型生物填料，装填容积占反应器工作容积的20～70%。
优选地，所述悬浮型生物填料为以高分子塑料为基材的改性生物悬浮填料，直径10～25mm，相对密度0.97～1.03g/cm3。
优选地，所述曝气单元包括进风为新鲜空气的鼓风机，所述鼓风机通过管道分别连接所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器，所述管道上设置用于控制曝气量的控制阀，以分别向所述水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器提供微量曝气和足量曝气;
所述曝气单元还包括膜区曝气风机，所述膜区曝气风机的进风口通过管道接入所述好氧膜生物反应器的排气管路，所述膜区曝气风机的出风口通过管道连接到所述好氧膜生物反应器内平板膜组件下方。
优选地，所述污水处理系统还包括监测单元和控制单元，所述监测单元包括设置于所述水解膜生物反应器内的在线氧化还原电位(ORP)传感器和好氧膜生物反应器内的在线溶解氧传感器，所述控制单元连接到所述监测单元、所述鼓风机和用于控制曝气量的控制阀，用于根据所述在线氧化还原电位传感器或所述在线溶解氧传感器的监测信号控制所述鼓风机和所述控制阀的开闭、或者直接对所述鼓风机和所述控制阀的开闭进行时序控制。
优选地，所述污水处理系统还包括碱液储箱，所述碱液储箱的出液管路通过加碱泵连接到所述好氧膜生物反应器。
优选地，所述污水处理系统还包括监测单元和控制单元，所述监测单元包括设置于所述好氧膜生物反应器内的在线pH传感器，所述控制单元连接到所述监测单元和所述加碱泵，用于根据所述在线pH传感器的监测信号控制所述加碱泵的开闭。
优选地，所述监测单元还包括设置于所述污水处理系统内的多个液位传感器、压力传感器和流量监测传感器。
优选地，所述预处理单元包括初级过滤器和均质均量调节水箱，所述初级过滤器的出水管路连接所述均质均量调节水箱，所述均质均量调节水箱的出水管路连接到所述水解膜生物反应器。
优选地，所述初级过滤器为纤维过滤器以去除污水中的纤维类物质;所述均质调节水箱的容积具有对污水16-24h的调节时间范围。
作为本发明的另一方面，提供一种使用如上所述的污水处理系统的污水处理方法，包括以下步骤：
(1)在预处理单元内对污水进行初级过滤和均量均质调节的预处理;
(2)将预处理后的污水输送至水解膜生物反应器进行充分水解以分解污水中的大分子物质;
(3)将水解后的污水输送至好氧膜生物反应器内进行好氧生物处理，并将所述水解膜生物反应器内产生的少量气体通入好氧膜生物反应器内，以及视运行周期调节污泥在水解膜生物反应器和好氧膜生物反应器之间的循环;
(4)将经好氧生物处理后的污水输送至消毒单元进行紫外消毒后排出，将所述好氧膜生物反应器内排出的气体通入气体净化单元进行吸附净化后排出，将所述好氧膜生物反应器内的活性污泥定期排出。
优选地，所述步骤(2)中，所述水解膜生物反应器包括通过循环泵连接的水解膜生物反应器主体和外置的管式膜组件，所述管式膜组件的运行膜通量为20～40L/(m2·h)，管式膜内液体流速2.5～5m/s，在所述水解膜生物反应器主体内的水力停留时间为12～20h，控制所述水解膜生物反应器主体内的氧化还原电位为-350～-500mV，污泥浓度为10～20g/L。
优选地，利用经管式膜组件的循环口循环的混合液对所述水解膜生物反应器主体内的污水以进行水力均质搅拌。
优选地，所述步骤(3)中，所述好氧膜生物反应器包括好氧膜生物反应器主体和在所述好氧膜生物反应器主体内设置的平板膜组件，所述平板膜运行膜通量为8～12L/(m2·h)，控制在所述好氧膜生物反应器主体内的水力停留时间为14～24h，控制所述好氧膜生物反应器主体内污水的溶解氧浓度为2～3mg/L，pH值为6.50～7.00，污泥浓度为8～12g/L。
优选地，通过投加碳酸氢钾溶液调节所述好氧膜生物反应器主体内污水的pH值。
优选地，所述步骤(3)中，在好氧生物处理过程中，将好氧膜生物反应器内排出的部分气体回流至好氧膜反应器内，以冲刷膜组件和减少排气量。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)通过向水解膜生物反应器提供微量曝气，有利于维持反应器内的水解酸化环境，将常规水解酸化过程中难以分解的物质进行有效分解，并进一步高效地在好氧膜生物反应器中将有机物和氨氮去除。
(2)将水解膜生物反应器的排气管路接入好氧膜生物反应器内液面以下，并进一步地，将好氧膜生物反应器内的气体循环通入好氧膜生物反应器的液面以下，结合适宜的工艺参数设置如水力停留时间、溶解氧等和气体吸附装置的净化作用，使得本发明的污水处理系统向外排放的气体量小，并避免了对密闭空间内的空气造成污染。
(3)水解膜生物反应器不排泥，避免了排泥造成的气味散逸问题。
(4)通过设置较长的污泥龄并视运行周期调节污泥在水解酸化反应器和好氧反应器之间的循环，本发明的污水处理系统和方法产生的剩余污泥极为有限。
(5)本发明的污水处理系统和方法可以稳定可靠地处理密闭空间污水，可作为空间狭小且综合排放要求高的密闭空间，如密闭的舰船舱、载人航天密闭系统等污水处理及资源化的技术，具有广泛的应用前景。