TWI856004B

TWI856004B - 好氧生物處理裝置

Info

Publication number: TWI856004B
Application number: TW108103927A
Authority: TW
Inventors: 深瀬哲朗; 小林秀樹
Original assignee: 日商栗田工業股份有限公司
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2024-09-21
Also published as: JP2019136690A; CN111315691A; WO2019159667A1; US11459252B2; KR20200119229A; TW201934499A; US20210061688A1; JP6702344B2

Abstract

本發明的好氧生物處理裝置1包括：反應槽(槽體)2；透水板3，水平設置於上述反應槽2的下部；大徑粒子層4，形成於上述透水板3的上側；小徑粒子層5，形成於上述大徑粒子層4的上側；氧溶解膜模組6，配置於上述小徑粒子層5的上側；接收室7，形成於上述透水板3的下側；原水散佈管8，向上述接收室7內供給原水；以及於接收室7內以進行散氣的方式設置的散氣管9等。好氧生物處理裝置包括自氧溶解膜模組6的排氣配管30及排水配管29。

Description

好氧生物處理裝置

本發明是有關於一種有機性排水的好氧生物處理裝置。

由於好氧生物處理方法廉價，故而多作為有機性廢水的處理法使用。本方法中，需要向被處理水中溶解氧，通常是利用散氣管進行曝氣。

利用散氣管進行曝氣時溶解效率低，為5~20%左右。此外，需要以散氣管的設置水深處受到的水壓以上的壓力進行曝氣，由於以高壓對大量空氣進行送風，故而鼓風機的電力費用高。通常，好氧生物處理中的電力費用的三分之二以上被用於氧溶解。

藉由於中空纖維膜的外側附著生物膜而自內側供給氧從而進行好氧生物處理的膜曝氣生物膜反應器(MABR)能夠不產生氣泡地溶解氧。於MABR中，由於以低於因水深受到的水壓的壓力將空氣通氣即可，故而鼓風機的必需壓力低，且氧的溶解效率高。

[專利文獻1]日本專利特開2006-87310號公報

於MABR中，因自反應槽的水蒸氣的滲透或通氣氣體中的水蒸氣的凝結，而於氧溶解膜內部產生凝結水，導致氣體流路或中空纖維膜的一部分堵塞，使得通氣效率下降。

即，向MABR的中空纖維膜通氣的空氣量少，通常使用的中空纖維氧溶解膜中，中空纖維內的空氣流速極其緩慢而為1mm/sec以下。因此，一部分中空纖維內進入少量的凝結水，便會與其他中空纖維產生大的壓力差，阻止氣體的流動。若凝結水大量滯留於集管(header tube)，則大量的凝結水進入中空纖維內，大量的中空纖維無法通氣，導致氧溶解效率大幅下降。

於專利文獻1中，是在上下方向排列多個中空纖維膜，並自下側藉由壓縮機(compressor)向各中空纖維膜供給空氣。假設上述專利文獻1的MABR中欲藉由空氣壓將凝結水向中空纖維膜外排出的情形時，壓縮機需要有反應槽的水壓以上的高壓力，從而電力消耗量明顯變多。

本發明的目的在於提供一種好氧生物處理裝置，能夠容易地自氧溶解膜內排出凝結水，從而長期間維持高的氧溶解效率。

本發明的好氧生物處理裝置包括：反應槽；氧溶解膜模組，以通氣方向為上下方向的方式設置於上述反應槽內；含氧氣體供給部，向上述氧溶解膜模組供給含氧氣體；排氣配管，將排氣自氧溶解膜模組排出至反應槽外；及排水配管，自氧溶解膜模組將凝結水向反應槽外排出。

本發明的一實施方式中，設為將凝結水向較氧溶解膜模組的下端低(使用多個模組時為較各模組的下端中最下位的下端低)的位置排出，將自氧溶解膜模組排出的凝結水排出至反應槽外。

本發明的一實施方式中，上述排水配管以具有鉛垂朝下或傾斜朝下的方式設置。

本發明的一實施方式中，排水配管的內徑為50mm以下，其末端配置於較氧溶解膜模組的上端高的位置。

本發明的一實施方式中，包括：儲槽(tank)，承接自上述排水配管流出的凝結水；及泵，將上述儲槽內的水向上述反應槽送水。

本發明的一實施方式中，於上述排水配管設置有閥(valve)。

本發明的一實施方式中，氧溶解膜模組具備非多孔質的氧溶解膜。

本發明的一實施方式中，氧溶解膜為疏水性。

本發明的一實施方式中，於反應槽內填充有流化床載體。

本發明的好氧生物處理裝置中，於上下方向向氧溶解膜模組通氣，且經由排水配管向反應槽外部排出氧溶解膜模組的凝結水，故而將凝結水自氧溶解膜快速向反應槽外排出。因此，能夠將氧溶解膜的氧溶解效率維持得始終高。

1:好氧生物處理裝置

2:反應槽

3:透水板

4:大徑粒子層

5:小徑粒子層

6:氧溶解膜模組

7:接收室

8:原水散佈管

9:洗淨配管

10:溝槽

11:流出口

20:上部集管

21:下部集管

22:中空纖維膜

23:上部歧管

24:下部歧管

26:鼓風機

27:供氣配管

28:中繼配管

29:排出配管(排水配管)

30:排氣配管

32:儲槽

33:泵

34:配管

F:流化床

圖1是實施方式涉及的生物處理裝置的縱截面圖。

圖2(a)是氧溶解膜單元的側視圖，圖2(b)是氧溶解膜單元的立體圖。

圖3是表示實驗結果的曲線圖。

圖4是另一實施方式涉及的生物處理裝置的縱截面圖。

圖5是圖4的氧溶解膜單元的構成圖。

圖6是又一實施方式涉及的生物處理裝置的縱截面圖。

圖7是圖6的氧溶解膜單元的構成圖。

以下，參照圖式更詳細地說明本發明。

圖1是實施方式涉及的好氧生物處理裝置1的縱截面圖。上述好氧生物處理裝置1包括：反應槽(槽體)2；透水板3，包含水平設置於上述反應槽2的下部的沖孔板(punching plate)等多孔板；大徑粒子層4，形成於上述透水板3的上側；小徑粒子層5，形成於上述大徑粒子層4的上側；流化床F，藉由向小徑粒子層5的上側填充粉粒狀活性碳等生物附著載體而形成；氧溶解膜模組6，至少一部分設置於展開時的流化床F內；接收室7，形成於上述透水板3的下側；原水散佈管8，向上述接收室7內供給原水；以及洗淨填充層時供給反洗用氣體等的洗淨配管9等。於反應槽2的上部，設置有用於使處理水流出的溝槽(trough)10及流出口11。溝槽10沿著槽內壁形成環狀流路。

圖1中，藉由向反應槽填充流化床載體，利用載體流動產生的剪力抑制生物膜向氧溶解膜的表面的附著，使得大部分生物膜附著至流化床載體，氧溶解膜僅用於氧供給的目的。另一方面，雖未圖示，但未向反應槽填充流化床載體時，氧溶解膜作為MABR發揮作用、即氧溶解膜的表面附著生物膜，自氧溶解膜的一次側溶解‧供給的氧被二次側的生物膜消耗而進行好氧生物處理。

圖1中，構成為使用非多孔質(無孔)的氧溶解膜作為氧溶解膜，自槽外通過配管將含氧氣體向氧溶解膜的一次側通氣，排氣則是通過配管向槽外排出。因此，使含氧氣體以低壓向氧溶解膜通氣，使氧作為氧分子通過氧溶解膜的構成原子之間(溶解於膜)，並作為氧分子與被處理水接觸。使氧直接溶解於水，故而不產生氣泡。上述方法使用利用濃度梯度實現分子擴散的機制，無需如習知般需要利用散氣管等進行散氣。

若使用疏水性素材作為氧溶解膜的素材則膜中難以浸水，故而較佳。但即便是疏水性的膜亦無法避免微量的浸水。

圖2表示圖1的實施方式中的氧溶解膜模組6的一個例子。上述氧溶解膜模組6使用中空纖維膜22作為氧溶解膜。本實施方式中，中空纖維膜22於上下方向排列，各中空纖維膜22的上端與上部集管(header)20相連，下端與下部集管21相連。中空纖維膜22的內部分別與上部集管20及下部集管21內連通。各上部集管20、下部集管21為中空管狀。另，於使用平膜或螺旋式膜的情形時，以通氣方向為上下方向的方式排列。

如圖2(b)所示，將包括一對上部集管20、下部集管21及中空纖維膜22的單元平行地排列多個。如圖2(a)所示，較佳為各上部集管20的上部經由配管連結上部歧管23，各下部集管21的下部經由配管連結下部歧管24。於圖1的實施方式的情形時，向氧溶解膜模組6的上部供給含氧氣體，並自氧溶解膜模組6的下部排出。空氣等含氧氣體自上部集管20通過中空纖維膜22而流向下部集管21，在此期間氧透過中空纖維膜22而溶解於反應槽2內的水。

各上部集管20、下部集管21及各上部歧管23、下部歧管24亦可以具有流水梯度的方式設置。氧溶解膜模組6亦可於上下設置多段。

於圖1的實施方式中，為了向上述氧溶解膜模組6供給空氣，設置有鼓風機26及空氣供給用供氣配管27(構成含氧氣體供給部)，且上述供氣配管27連接於上部歧管23。於下部歧管24連接有排氣用中繼配管28。於中繼配管28連接有排出配管29。排出配管29以具有下傾斜(包括鉛垂朝下)的方式設置，且延伸設置至反應槽2外。圖1中排出配管29被引出至反應槽2的側方，但亦可以自反應槽2的底部向下方引出。

如圖1所示，未溶解於氧溶解膜的含氧氣體的剩餘部通過排出配管29向槽外排氣。配管29的末端配置為位於較氧溶解膜模組6的下端(模組6為多個時為各模組下端中最下位的下端)低的位置。因此，於排氣包含凝結水的情形時，凝結水流出至排出配管29的下方的儲槽32。儲槽32內的水亦可藉由泵33及配管34而向反應槽2送水。

於上述構成中，排出配管29兼作將排氣向槽外排出的排氣配管、及將凝結水向槽外排出的排水配管。於槽內或槽外，排出配管29上亦可連接將排氣向槽外排出的排氣配管30。於該情形時，凝結水通過排出配管29被排出。排氣配管30的末端亦可配置於較氧溶解膜模組的下端高的位置。為了使凝結水無法積存，較佳為排氣配管30不具有傾斜朝下而僅具有上傾斜或鉛垂朝上。亦可構成為，於排出配管29的較與排氣配管30的分支點更下游側設置閥A(省略圖示)，藉由打開閥A而凝結水流出至儲槽32。此外，亦可於排氣配管30亦設置閥C(省略圖示)，通常的通氣時關閉閥A，打開閥C，排出凝結水時，打開閥A，關閉閥C。

閥可為自動閥、亦可為手動閥。用於排出凝結水的閥的開放可為連續式亦可為間歇式。於間歇式的情形時，通常運轉中，藉由1天一次~30天一次(多的話1天一次數秒、少的話1月一次數十秒)、較佳為1天一次~15天一次將閥打開而進行排水。

以此方式構成的好氧生物處理裝置1中，原水通過原水散佈管8被導入接收室7，使透水板3及大徑粒子層4、小徑粒子層5上向流通水而過濾懸浮固體(SS)，繼而於附著生物膜的粉粒狀活性碳的流化床F，以一過式(one-through type)上向流通水而進行生物反應，並自上部澄清區域通過溝槽10及流出口11而作為處理水取出。

自供氣配管27供給的空氣等含氧氣體於氧溶解膜模組6下向流通氣後，自氧溶解模組6的下端位置經由下部集管21、下部歧管24而流出，排出空氣自排出配管29(或設置排氣配管30時自排氣配管30)向大氣中排出。凝結水通過排出配管29向儲槽32流出。

圖4、圖5表示另一實施方式。本實施方式中，以使空氣等含氧氣體向氧溶解膜模組6上向流通氣的方式設置配管27、配管30。其他構成與圖1相同，相同符號表示相同部分。雖然存在凝結水滯留於下部集管21及下部歧管24的可能性，但由於通過排出配管29定期地排出凝結水，故而可預防膜的通氣因凝結水而受到阻礙。

另，於排出配管29設置閥A，於排氣配管30設置閥C，通常通氣時關閉閥A、打開閥C而進行排氣，於凝結水排出時打開閥A、關閉閥C而將凝結水與排氣一併排出。

圖6、圖7中表示又一實施方式。設置兼作排氣配管及排水配管的排出配管29。配管29以其末端位於較氧溶解膜模組6的上端高的位置、特別是槽內水面上或水面附近(水面±1m左右)的方式配置。其他構成與圖1相同，相同符號表示相同部分。

存在於氧溶解膜的下部集管至下部歧管的凝結水藉由線性速度(LV)10~LV20m/s左右的通氣而通過排出配管29(該情形時內徑為50mm以下)而與排氣一併排出至槽外或水面附近。若排出配管29的末端為水面附近，則水壓低，故而對鼓風機的供給壓力的影響小。

另，使用中空纖維膜作為氧溶解膜時由於通氣部的截面積小，故而易於因凝結水浸入而阻礙通氣的影響大，因此能夠將本發明更適合地用於氧溶解膜為中空纖維膜的好氧生物處理裝置。

本發明中，藉由於活性碳等的生物載體流化床設置非多孔性的氧溶解膜，由於供給氧量變多，故而作為對象的原水的有機性排水濃度並無上限。

此外，由於生物載體於流化床運轉，故而不會被劇烈攪亂。因此，能夠穩定地維持大量的生物，故而能提高負荷。

此外，由於本發明中使用氧溶解膜，故而與預曝氣、直接曝氣相比，氧的溶解動力小。

依據上述說明，根據本發明能夠高負荷且廉價地處理低濃度至高濃度的有機性排水。

<生物載體>

生物載體較佳為活性碳。

流化床載體的填充量較佳為反應槽的容積的40~60%左右、特別是50%左右。上述填充量越多則生物量越多而活性越高，但若過多則有載體流出的擔憂。因此，較佳為以流化床膨脹20~50%左右的LV(例如7~15m/hr左右)向反應槽上向流通水。另，作為載體的素材，於同樣條件下亦能使用活性碳以外的凝膠狀物質、多孔質材、非多孔質材等。例如，亦能使用聚乙烯醇凝膠、聚丙烯醯胺凝膠、聚胺基甲酸酯發泡體、海藻酸鈣凝膠、沸石、塑膠等。若使用活性碳作為載體，藉由活性碳的吸附作用與生物分解作用的相互作用，而能進行廣範圍的污染物質的除去。

載體的平均粒徑較佳為0.2mm~3mm左右。若平均粒徑大則可獲得高LV，於使處理水的一部分在反應槽循環的情形時，因循環量增加而可實現高負荷。然而，由於比表面積變小，故而生物量變少。若平均粒徑小則能以低LV流動，故而泵動力廉價。且由於比表面積大，故而附著生物量增加。

最佳粒徑根據廢水濃度而決定，若為總有機碳量(TOC)：50mg/L則最佳粒徑較佳為0.2~0.4mm左右，若為TOC：10mg/L則最佳粒徑較佳為0.6~1.2mm左右。

流化床的展開率較佳為20~50%左右。若展開率低於20%則有堵塞、短路的擔憂。若展開率高於50%則有載體流出的擔憂，且泵動力成本變高。

於通常的生物活性碳中，活性碳流化床的膨脹率為10~20%左右，但該情形時，活性碳的流動狀態不均勻而上下左右地流動。其結果，同時設置的膜因活性碳而摩擦、削減而被消耗。為了防止上述情況，本發明中，因活性碳等的流化床載體需要充分地流動，膨脹率理想的是20%以上。因此，載體的粒徑較佳為小於通常的生物活性碳的粒徑。另，於活性碳的情形時，並無特別限定，可為椰殼碳、煤、木炭等。形狀較佳為球狀碳，但亦可為通常的粒狀碳或破碎碳。

<含氧氣體>

含氧氣體為空氣、富氧空氣、純氧等含氧的氣體即可。理想的是通氣的氣體通過過濾器而預先除去微細粒子。

通氣量理想的是生物反應所需氧量的等量至兩倍左右。若通氣量少於上述則因氧不足而處理水中殘留生化需氧量(BOD)或氨，若通氣量多於上述則除了通氣量不必要地變多以外壓力損失亦變高，故而有損經濟性。

通氣壓力理想的是較規定通氣量所產生的中空纖維的壓力損失略高的程度。

<被處理水的流速>

被處理水於反應槽內的流速設為LV10m/hr以上，可不循環處理水而單程地(one pass)進行處理。

若提高LV則成比例地氧溶解速度提高。於LV50m/hr時溶解10m/hr時的兩倍的氧。於LV高的情形時，較佳使用粒徑大的活性碳，使展開率不那麼大。根據生物量、氧溶解速度，最佳LV範圍為7m/hr~20m/hr左右。

<滯留時間>

較佳為以槽負荷1~2kg-TOC/m³/天的方式設定滯留時間。

<鼓風機>

鼓風機的噴出風壓為水深產生的水壓以下即足夠。但，必須為配管等的壓損以上。通常，配管阻力為1kPa~2kPa左右。

於水深為5m的情形時，通常使用輸出最大0.55MPa左右的通用鼓風機，5m以上的水深時使用高壓鼓風機。

本發明中，即便水深為5m以上亦能使用壓力為0.5MPa以下的通用鼓風機，較佳使用壓力為0.1MPa以下的低壓鼓風機。

含氧氣體的供給壓的條件為高於中空纖維膜的壓力損失、低於水深壓力、以及膜不會被水壓壓壞。與水壓相比平膜、螺旋式膜的膜壓損可忽略，故而為極低的壓力(5kPa左右以上)且水壓以下，理想的是20kPa以下。

於中空纖維膜的情形時，壓力損失根據內徑及長度而變化。通氣的空氣量是每平方米膜為20~100mL/天，故而若膜長度變成兩倍則空氣量變成兩倍，但即使膜徑變成兩倍，空氣量亦僅為兩倍。因此，膜的壓力損失與膜長度成正比，與直徑成反比。

壓力損失的值於內徑50μm、長度2m的中空纖維中為3kPa~20kPa左右。

[實施例]

針對自中空纖維膜的凝結水排出進行以下實驗。

[實施例1]

將內徑300μm、外徑500μm的非多孔質的矽製中空纖維膜30根的上下分別捆束，設置於直徑25mm、長度1m的管柱(透明氯乙烯管)內，並將空氣自上部向下部以10mL/min通氣。矽製中空纖維的捆束下部向管柱的外側下部突出。

此外，以純水中添加100mg/L異丙醇製備的合成排水的滯留時間為20分鐘的方式向管柱上向流通水。藉由裝置的運轉，自向管柱下部突出的中空纖維膜的下端兩週排出約2mL的凝結水。

上述氧溶解膜的氧溶解速度示於圖3。氧溶解膜的氧溶解速度經過140天後，穩定為每平方約8g-O/m²/天以上。另，於70天、120天時氧溶解速度低於8g-O/m²/天，推測原因為：原水的TOC濃度暫時下降，負荷變低而供給負荷自身變低，因此氧向膜的溶解擴散的驅動力下降而導致氧溶解速度下降。

[比較例1]

使用與實施例1相同的試驗裝置，除了將空氣的通氣方向設為自下部向上部以外，於相同條件下運轉。

氧溶解膜的氧溶解速度如圖3所示。如圖3所示，運轉開始約2週後、特別是約40天後，氧溶解速度開始下降，經過100天後減少至2g-O/m²/天左右。

[比較例2]

於實施例1中在管柱底部的空氣出口配管連接細的管的一端，且將管的另一端配置於反應槽上部，除此以外使用與實施例1相同的試驗裝置，於相同條件下運轉。其結果，氧溶解速度處於3~4g-O/m²/天的範圍。

[實施例2]

於比較例2中在上述管的上述另一端安裝T字管，並於空氣出口配管正下部附加彈簧夾(pinch cock)，每兩週鬆開一次彈簧夾，排出凝結水。其結果，氧溶解速度恢復為9g-O/m²/天。

使用特定的實施方式對本發明進行了詳細說明，但所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭可不脫離本發明的意圖及範圍而進行各種變更。

本案基於2018年2月15日提出申請的日本專利申請2018-025233，且上述申請的全文藉由引用而併入本文。