CN111333205A - 一种污水生物处理的曝气方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水生物处理的曝气方法与装置，通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气这两种方式交替进行或同时进行，或通过中空纤维膜曝气与通过生物处理池底部射流曝气这两种方式交替进行或同时进行；实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，包括生物处理池、鼓风机、中空纤维膜曝气器、曝气孔曝气器和曝气调节控制器；中空纤维膜曝气器和曝气孔曝气器置于生物处理池内，其气体入口均与鼓风机侧相连接；曝气孔曝气器的入口管道上设置有阀门，其开启与开度大小由曝气调节控制器控制。本发明既提高了氧气利用率，减少曝气的空气用量，又能实现污水与微生物的良好混合，达到良好的污水处理的同时降低了运行成本和设备投资。

Description

一种污水生物处理的曝气方法与装置

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种污水生物处理的曝气方法与装置。

背景技术

中空纤维膜是以聚砜、二甲基乙酰胺等为原料加工而成的中空内腔纤维丝，是具有选择性渗透特性和自支撑作用的膜。使用中空纤维膜曝气在很多方面优于其他工艺，如运行中无噪音，操作简单，尤其是氧利用率高。中空纤维膜能实现高效率供氧，其原因在于它能实现无泡曝气。无泡曝气也叫无泡供氧，是将外加空气或纯氧连续通入中空纤维膜的管腔中，水在管外流动，保持气压低于泡点(即在曝气过程中产生肉眼可见的气泡时的最低压强)，在膜两侧的氧分压的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进管外的水体中的供气方式。氧气在膜内被高度分散，因此氧的利用率很高。

而采用传统的曝气孔曝气等方法的污水处理厂的很大成本用于曝气。这是因为传统的曝气孔曝气方法的氧气利用率很低。但是传统的曝气方法除了具有提供氧气的功能之外，还具有对生物处理池内水体进行搅拌，使微生物与污水能够很好地混合接触的功能。如何在保证生物处理池内供氧充分和搅拌充分的前提下降低曝气成本一直是科研人员希望解决的一个技术难题。本发明对供氧和搅拌之间的要求与差距进行了深入研究，期待既利用传统曝气孔的搅拌优势，又能减少空气的用量，从而用更高效的充气与搅拌的耦合，达到搅拌和充氧的目的，为污水处理提供一种新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本高效供氧且具有搅拌功能的曝气方法与装置。通过中空纤维膜曝气和曝气孔曝气等的联用，实现低成本高效供氧同时对生物处理池内水体具有搅拌作用。

本发明的技术采用如下方案实现：

一种污水生物处理的曝气方法，向生物处理池的供氧是通过如下方法实现：

通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气这两种方式交替进行或同时进行，

或通过中空纤维膜曝气与通过生物处理池底部射流曝气这两种方式交替进行或同时进行，

或上述所述方法的组合。

进一步的说，所述方法，在所述两种曝气方式交替进行的情况下，通过中空纤维膜曝气时间长于其他方法的运行时间。

进一步的说，所述方法，在所述中空纤维膜曝气与曝气孔曝气两种曝气方式同时进行的情况下，通过曝气孔曝气的气量是单纯曝气孔曝气所用气量的1/3以下，如果是中空纤维膜曝气与射流曝气两种曝气方式同时进行的情况下，通过射流曝气的气量是单纯射流曝气所用气量的1/3以下。

进一步的说，所述方法，在所述中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流曝气方式交替进行的情况下，通过曝气孔曝气或射流曝气均是在生物处理池不同位置间交替进行的。

进一步的说，所述方法，中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流曝气方式交替进行的情况下，在微生物污泥和污水的泥水混合物的表层，出现明显的上清液层后，5分钟之内启动曝气孔曝气、或射流曝气，并且运行时间控制在45秒钟之内。

进一步的说，所述方法，所述中空纤维膜为对氧气具有增浓作用的增氧膜。

进一步的说，实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，至少由生物处理池、鼓风机、中空纤维膜曝气器、曝气孔曝气器和曝气调节控制器组成；中空纤维膜曝气器和曝气孔曝气器置于生物处理池内，其气体入口均与鼓风机侧相连接；曝气孔曝气器的入口管道上设置有阀门，其开启与开度大小由曝气调节控制器控制。

进一步的说，实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，至少由生物处理池、鼓风机、中空纤维膜曝气器、射流曝气器和曝气调节控制器组成；中空纤维膜曝气器和射流曝气器置于生物处理池内，其气体入口均与鼓风机侧相连接；射流曝气器的入口管道上设置有阀门，其开启与开度大小由曝气调节控制器控制。

进一步的说，实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，所述中空纤维膜曝气器为底端固定在配气管上的中空纤维丝，并从配气管向中空纤维膜内供应空气，流经中空纤维丝内从中空纤维膜侧壁的微细孔进入水中，中空纤维丝底端以外部分均可自由摆动，中空纤维丝中空通道顶端口径缩小或顶端通道口完全密封。

进一步的说，实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，所述中空纤维膜曝气器的中空纤维丝用疏水材料制成。

进一步的说，实现所述污水生物处理的曝气方法的装置，所述曝气孔曝气器采用曝气盘的情况下，单个曝气孔曝气器的曝气直径小于80mm,相邻曝气孔曝气器边沿间距大于600mm，曝气孔曝气器采用管式曝气器的情况下，管直径小于40mm，相邻管式曝气器边沿间距大于2000mm。

具体说明如下：

依靠微生物的生化能力处理污水的过程中，需要给微生物提供氧气，并使微生物与污水能够充分接触。传统的曝气方式多采用曝气孔曝气或射流曝气，曝气孔曝气是压缩空气通过曝气头(或称曝气盘)上所开的小孔，或圆管上开孔的穿孔曝气管上所开的小孔，以气泡方式进入污水中，并向上流动，从而对污水溶解氧气并形成泥水混合液的搅动和混合；射流曝气是利用污水的流体动力通过射流曝气器将空气吸入(从大气中吸入空气或吸入压缩空气)形成气液混合流导入曝气池,以增加液体中氧含量和起到搅拌混合作用。这些方法既能提供氧气，也能通过气泡的上升作用，实现污水的搅拌，达到微生物与污水的良好的接触和接触面更新，成为了污水好氧处理的主流方法。但是传统的曝气方式会产生大量空气泡，空气泡中的氧气一部分会溶解在水中，大部分会随气泡上升逃逸到大气中，导致氧利用率很低，造成曝气成本高的问题。而中空纤维膜能实现无泡曝气，在中空纤维膜两侧的氧分压的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进管外的水体中，即无泡曝气克服了逃逸损失的缺点，能提高氧气的利用率。

通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气等方式交替或/和同时进行，可由中空纤维膜曝气实现氧利用率的提高，通过曝气孔曝气实现微生物与污水的混合，达到处理效果与节能的同时实现。中空纤维膜的无泡曝气能在不产生肉眼可见的气泡的情况下，直接把氧气溶解到水中，所以具有能耗低、曝气效率高和氧利用率高的优点。但无泡曝气往往不能形成水流的移动，容易造成微生物污泥的沉降，不利于微生物集合体的污泥和颗粒污染物的上浮及水体内的传质过程发生，影响污水处理效果。而传统的曝气孔曝气或射流产生的气泡有助于污泥与污染物的上浮和水体内的传质过程发生。大气泡上升时能形成紊流并剧烈地翻动水面，从而加强了气泡液面层的更新和从大气中吸氧的过程。气泡上升时能形成的紊流也使微生物与溶解氧和污水中的污染物三者之间的接触更频繁，促进了微生物利用溶解氧和分解污水中的污染物的效率提高。

中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流方式交替进行的方式下，以中空纤维膜曝气为主，中空纤维膜曝气时间长于曝气孔曝气时间。通常，曝气孔曝气或射流曝气要在污泥沉降发生(微生物污泥和污水的泥水混合物的表层，出现明显的上清液层)后，5分钟之内启动曝气孔曝气或射流曝气，曝气孔曝气或射流曝气控制在45秒之内。这样污泥中的微生物既能高效率地利用氧气对周围的污染物进行分解，又不会出现污染物分解完毕而无污染物可分解的低效率情况，还可避免需要微生物分解的污染物足够，却频繁曝气孔曝气的情况。曝气孔曝气的气量大，搅拌和混合能力很强，所以，只要有15秒钟以上的曝气搅拌就能使其混合，控制在45秒钟之内作为工程应用中的安装不均匀等因素在内都可以保障充分的搅拌和混合。

中空纤维膜和曝气孔曝气或射流两种曝气方式还可以同时进行，在两种曝气方式同时进行的情况下，通过曝气孔曝气的气量是单纯曝气孔曝气所用气量的1/3以下，如果是中空纤维膜曝气与射流曝气两种曝气方式同时进行的情况下，通过射流曝气的气量是单纯射流曝气所用气量的1/3以下，只要保障能起到搅拌混合作用即可。两种曝气方式同时进行的情况下，曝气孔曝气或射流曝气是在生物处理池不同位置间交替进行的。这样，可以减少瞬间的曝气流量，降低鼓风机产能规模，减少设备投资和运行成本。

一般情况下，中空纤维膜上下方向设置，可以是下端固定，上端自由，也可以是上下端都固定；也可以水平或倾斜设置中空纤维膜。中空纤维膜上下方向设置，下端固定上端自由的方式成本低，施工简单为优选方式。

使用传统曝气孔曝气或射流曝气的开启及流量大小的控制，由曝气调节控制器控制调节实现。

在实际工程中，由于曝气孔曝气或射流曝气主要是作为搅拌混合手段使用，所以，与传统的曝气孔曝气或射流曝气相比，本发明的曝气孔或射流器的安装密度要低很多。虽然，中空纤维膜曝气设备会增加设备投资，但曝气孔及射流器的安装量减少，加之鼓风机设备投资的减少，总体而言，设备投资也会降低。

综上所述，在中空纤维膜曝气与传统曝气孔曝气或射流曝气联合使用方面，可存在多种耦合方式：如可以设置总风机向中空纤维膜管路和曝气孔管路同步供气，也可以使用各自的风机向各自管路供气；可以设置不同管路的曝气时间不同，可以设置曝气孔或射流器在池内不同位置交替曝气等。这些耦合方式的原则是中空纤维膜曝气联用传统曝气孔曝气或射流曝气两者同时进行时，要以中空纤维膜曝气为主；两者交替进行时，要压缩曝气孔的曝气时间。最终要达到氧气溶解效率高，污泥混合效果好，气体用量少，节约气体，节省能耗的目的。

中空纤维膜采用对氧气具有增浓作用的增氧膜，能够进一步提高溶氧效果。

本发明的有益效果是通过中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流曝气的时间上的交替进行，或在生物处理池不同位置的交替进行的方式，既提高了氧气利用率，减少曝气的空气用量，又能实现污水与微生物的良好混合，达到良好的污水处理的同时降低了运行成本和设备投资，实现低成本的污水处理。

附图说明

图1：中空纤维膜与曝气孔联用曝气池主视示意图；

图2：中空纤维膜与曝气孔联用曝气池俯视示意图；

图3：曝气孔曝气在生物处理池不同位置交替进行的示意图；

图4：射流曝气在生物处理池不同位置交替进行的示意图；

图5：顶端渐缩式中空纤维膜示意图；

图6：顶端封闭式中空纤维膜示意图；

图例：1-鼓风机，2-曝气管网，3-生物处理池，4-中空纤维膜，5-中空纤维膜曝气调节控制器，6-曝气孔曝气调节控制器，7-曝气孔，8-曝气孔曝气支管控制阀，9-曝气孔曝气鼓风机，10-中空纤维膜曝气鼓风机，7-1-射流曝气器，11-射流器曝气控制阀，12-射流泵，14-射流泵进水，15-射流泵出水，16-中空纤维膜管网支管，17-中空纤维膜接口，18-中空纤维膜丝，19-渐缩式顶端，20-无泡空气，21-封闭式顶端。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

本实施例为生物法处理污水中通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气这两种方式交替进行的实施例，工艺流程如图1和图2所示。中空纤维膜与曝气孔联用曝气工艺为鼓风机1产生的压缩空气通过曝气管网2送到生物处理池3中，通过中空纤维膜曝气调节控制器5，经过中空纤维膜管网支管16进入中空纤维膜4，由此以无泡空气20进入污水中，将氧气溶解如污水中，为微生物供氧。同时，由鼓风机1产生的压缩空气通过曝气孔曝气调节控制器6进入曝气孔7充入污水，形成大气泡向水面升起，向污水溶解氧气的同时带动污水和微生物形成的活性污泥形成翻滚水流，实现生物处理池3中的泥水搅拌和混合。曝气管网平铺在生物处理池底部，中空纤维膜4和曝气孔7分别设置在生物处理池3内部的管网支管上。中空纤维膜4由下向上自由摆动，如图5所示，中空纤维丝18底端通过中空纤维膜接口17与中空纤维膜管网支管16连接，其另一端设有渐缩式顶端19。曝气孔7设置在池体底部。中空纤维膜管网与曝气孔管网间隔布置，其气体入口均与鼓风机侧相连接。

开始曝气时，先开启中空纤维膜曝气调节控制器5，同时曝气孔曝气调节控制器6处于关闭状态，鼓风机2通过中空纤维膜4向池内提供微生物所需的氧气。供氧一段时间后，关闭中空纤维膜曝气调节控制器5，同时开启曝气孔曝气调节控制器6。鼓风机2通过曝气孔7向池内提供气泡。通过曝气孔曝气时间一般在30秒之内，使泥水混合物产生搅拌混合即可。其余时间则为通过中空纤维膜曝气时间。

通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气这两种方式的交替进行，池内的中空纤维膜曝气管能为生物处理池提供充足的高浓度氧气。池底部的曝气孔能释放出足量气泡，给池内水体提供充足的搅拌。曝气孔与中空纤维膜在池内交替布置，能使池内的氧气分布均匀，同时使池内水体得到均匀的搅拌。总用气量能够以传统的曝气孔曝气用量的30％，达到供氧和搅拌混合的目的，实现了高效低成本曝气。

实施例2:

本实施例是通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气方式同时进行，通过曝气孔曝气是在生物处理池不同位置间交替进行的曝气工艺，如图3所示。包括曝气孔曝气鼓风机9和中空纤维膜曝气鼓风机10，中空纤维膜曝气鼓风机10鼓出的压缩空气通过中空纤维膜4进入生物处理池内，向污水中溶解氧气；曝气孔曝气鼓风机9鼓出的压缩空气向曝气孔管网供气，曝气孔管网包括多个支管，布置在生物处理池内的曝气孔7分区域由各个支管分别供气，在每个支管进气端分别设置曝气孔曝气支管控制阀8，实现各支管独立控制，曝气孔管网的每一条支管的曝气孔曝气支管控制阀8交替开闭，形成曝气孔曝气在生物处理池不同位置间交替进行的供气，以少量的气体流量实现生物处理池内的泥水搅拌和混合。同一位置的曝气孔曝气时间为20秒。

池内的中空纤维膜曝气能提供适宜的氧气浓度，曝气孔曝气在池内的不同位置能提供适宜的搅拌，从而实现高效低成本曝气。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是中空纤维膜管网与曝气孔管网各自连接了一个鼓风机，中空纤维膜曝气用的鼓风机鼓出的压缩空气压力比曝气孔曝气用鼓风机的压缩空气压力大约0.1MPa。开始曝气时，中空纤维膜管网与曝气孔管网的阀门同时开启，通过曝气孔曝气的气量是单纯曝气孔曝气所用气量的1/5～1/3。

池内的中空纤维膜曝气管能为生物处理池提供充足的高浓度氧气。同时池底部的曝气孔能释放出一定的气泡，给池内水体提供充足的搅拌，用于曝气孔曝气的空气量得以大幅减少。从而实现了高效低成本曝气。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是中空纤维膜采用了对氧气具有增浓作用的增氧膜。在鼓风机供给的空气量相同时，使用增氧膜使进入污水的气相中氧气的浓度达到30％，达到更高的氧气溶解和利用率。因此在需氧量一定时，使用了增氧膜的系统需要的空气量更少，从而进一步降低了曝气的运行成本。

实施例5：

本实施例与实施例2基本相同，所不同的是用射流曝气器7-1代替曝气孔，并配置了射流用射流泵12，射流吸入的空气为自然空气，系统如图4所示，射流泵12从生物处理池吸入泥水混合物作为射流泵进水14，经射流泵12吸入空气并增压后作为射流泵出水15压出后经过射流器曝气控制阀12交替送往射流曝气器7-1进入生物处理池的污水混合液中。管网的每一条支管的控制阀交替开闭，形成射流曝气在生物处理池不同位置间交替进行的供气，以少量的气体流量实现生物处理池内的泥水搅拌和混合。同一位置的曝气孔曝气时间为25秒。

中空纤维膜曝气能为生物处理池提供充足的高浓度氧气，射流曝气器能喷射空气，扰动水体，为水体提供充足搅拌。射流曝气器在池内交替布置，能使池内的氧气分布均匀，同时使池内水体得到均匀的搅拌。从而实现了高效低成本曝气。

实施例6：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是用射流曝气器代替曝气孔，其他系统都相同，只是配置了射流用水泵，射流吸入的空气也采用压缩空气，减少了水流动力消耗。将压缩空气通入生物处理池内的射流曝气器，再由射流曝气器喷射而出，能提高生物处理池内水体的紊流程度，加速生物处理池内的传质过程。

开始曝气时，先启动中空纤维膜曝气。在微生物污泥和污水的泥水混合物的表层，出现明显的上清液层后，5分钟之内启动射流曝气，并且运行时间控制在45秒钟之内。

实施例7：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是用带有封闭式顶端的中空纤维膜丝代替了带有渐缩式顶端的中空纤维膜丝。如图6所示，压缩空气经过中空纤维膜管网支管16进入中空纤维膜4，由此以无泡空气20进入污水中，将氧气溶解如污水中，为微生物供氧。中空纤维丝18底端通过中空纤维膜接口17与中空纤维膜管网支管16连接，其另一端设有封闭式顶端21。

Claims (9)

1.一种污水生物处理的曝气方法，其特征在于：向生物处理池的供氧是通过如下方法实现：

通过中空纤维膜曝气与通过曝气孔曝气这两种方式交替进行或同时进行；

或通过中空纤维膜曝气与通过生物处理池底部射流曝气这两种方式交替进行或同时进行；

或上述所述方法的组合。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：在所述两种曝气方式交替进行的情况下，通过中空纤维膜曝气时间长于其他方法的运行时间。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：在所述中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流曝气方式交替进行的情况下，通过曝气孔曝气或射流曝气均是在生物处理池不同位置间交替进行的。

4.如权利要求1或3所述方法，其特征在于：中空纤维膜曝气与曝气孔曝气或射流曝气方式交替进行的情况下，在微生物污泥和污水的泥水混合物的表层，出现明显的上清液层后，5分钟之内启动曝气孔曝气、或射流曝气，并且运行时间控制在45秒钟之内。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于：在所述中空纤维膜曝气与曝气孔曝气两种曝气方式同时进行的情况下，通过曝气孔曝气的气量是单纯曝气孔曝气所用气量的1/3以下；如果是中空纤维膜曝气与射流曝气两种曝气方式同时进行的情况下，通过射流曝气的气量是单纯射流曝气所用气量的1/3以下。

6.实现权利要求1所述污水生物处理的曝气方法的装置，其特征在于：至少由生物处理池、鼓风机、中空纤维膜曝气器、曝气孔曝气器和曝气调节控制器组成；中空纤维膜曝气器和曝气孔曝气器置于生物处理池内，其气体入口均与鼓风机侧相连接；曝气孔曝气器的入口管道上设置有阀门，其开启与开度大小由曝气调节控制器控制；

中空纤维膜曝气器为底端固定在配气管上的中空纤维丝，并从配气管向中空纤维膜内供应空气，流经中空纤维丝内从中空纤维膜侧壁的微细孔进入水中，中空纤维丝底端以外部分均可自由摆动，中空纤维丝中空通道顶端口径缩小或顶端通道口完全密封。

7.实现权利要求1所述污水生物处理的曝气方法的装置，其特征在于：至少由生物处理池、鼓风机、中空纤维膜曝气器、射流曝气器和曝气调节控制器组成；中空纤维膜曝气器和射流曝气器置于生物处理池内，其气体入口均与鼓风机侧相连接；射流曝气器的入口管道上设置有阀门，其开启与开度大小由曝气调节控制器控制；

中空纤维膜曝气器为底端固定在配气管上的中空纤维丝，并从配气管向中空纤维膜内供应空气，流经中空纤维丝内从中空纤维膜侧壁的微细孔进入水中，中空纤维丝底端以外部分均可自由摆动，中空纤维丝中空通道顶端口径缩小或顶端通道口完全密封。

8.如权利要求6或7所述装置，其特征在于：所述中空纤维膜曝气器的中空纤维丝用疏水材料制成。

9.如权利要求6所述装置，其特征在于：所述曝气孔曝气器采用曝气盘的情况下，单个曝气孔曝气器的曝气直径小于80mm，相邻曝气孔曝气器边沿间距大于600mm，曝气孔曝气器采用管式曝气器的情况下，管直径小于40mm，相邻管式曝气器边沿间距大于2000mm。

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