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小型生活污水处理及回用反应器的设计 王仲耀 程永清 孙伟民 西北工业大学理学院应用化学系, 西安 710072 摘要 根据家庭生活污水的水质情况及膜生物反应器设计应用技术规程设计并制作出一个小型的膜生物反应器。 该 膜生物反应器由三部分组成 水解酸化区、反应区、清水区 。生活污水首先进入水解酸化区经水解酸化初步处理后进 入反应区, 在反应区内采用管式膜曝气来去除水中污染物, 处理后的水经清水泵抽吸至清水区后便可回用于冲厕及其 他生活杂用水。 关键词 污水回用; 膜生物反应器; 环境保护 DESIGN OF SMALL SCALE REACTOR FOR THE DISPOSAL AND REUSE OF HOUSEHOLD WASTEWATER Wang Zhongyao Cheng Yongqing Sun Weimin Department of Applied Chemistry, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi an 710072, China Abstract According to the quality of household wastewater and technical regulations for design and use of MBR, a MBR is designed and fabricated. This MBR includes three parts hydrolization and acidification zone, MBR reaction zone, clear water zone. Firstly, the wastewater enters into the hydrolyzation and acidification zone, after initial treatment, then enters into MBR reaction zone.In the MBR reaction zone, pollutants are removed by anaerobic tubular membrane process.The treated waste water which can toilets and serve other uses is pumped into clear water zone. Keywords wastewater reuse; membrane bioreactor MBR ;environmental protection 随着工业的迅猛发展和人类物质生活水平的提 高,水环境污染日益严重 ,在处理污水过程中大多数 采用集中式污水处理系统 。该系统是通过庞大的排 水系统将污水输送到集中式污水处理厂进行处理。 虽然这种运作方式在保护环境改善人们生活中起了 重要作用 ,但是该系统的许多概念与可持续卫生系统 发生抵触。大量的清洁水被浪费于污物的输送。此 外,许多下水道系统无法应付大量雨水 ,在暴雨期间, 大量未处理的污水随着下水道溢流而排入环境中。 在污染扩散方面该系统明显缺乏可持续性。 运用分散式污水处理系统可以克服集中式污水 处理系统的许多缺点 。这种系统强调防止水的污染, 而将家庭排出的高浓度和低浓度污水分别收集、 分别 处理 ,同时强调就近处理 ,运用低成本、可持续的处理 系统就近回收和利用可用的副产品。分散式污水处 理系统因为不需要复杂的供能源和供水系统 ,所以受 外界的影响小, 且具有简单、 耐用的特点 [ 1] 。 膜分离技术因其操作方便 、 设备紧凑 、 过程安全、 分离效果好 ,所以该技术迅速发展成为实用化的高新 技术 。在污水处理方面, 膜分离与生物工艺有机结合 形成的膜生物反应器 MBR 技术具有一些常规污水 处理工艺无法比拟的优势, 特别是运行能耗低、占地 更为紧凑的一体式膜生物反应器 [ 2-3] 。 1 设计部分 1. 1 反应器设计 [ 4 -6] 反应器包括水解酸化区、膜生物反应区和清 水区 。 水解酸化区 HRT 2 h, 反应区有效容积 V Q HRT 25 L h2 h 50 L, 宽 b 0. 5 m, 有效水深 h 0. 5 m,长 L10. 2 m 。 膜生物反应区 膜生物反应区的容积可参照活性 污泥法,结合反应器的污泥负荷或容积负荷参数来计 算确定。其中的参数参照见表 1。 25 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 表 1 膜生物反应器的设计负荷 项目 污泥负荷 FW kg kg- 1 d- 1 MLSS g L- 1 容积负荷 FV kg m3d- 1 处理效率 进水 ρ B OD5 mgL- 1 城镇污水回用0. 2～ 0. 42. 0～ 8. 00. 4～ 0. 995～ 98100～ 500 杂排水中水处理0. 1～ 0. 21. 0～ 4. 00. 2～ 0. 590～ 9550～ 150 综合生活污水回用0. 1～ 0. 22. 0～ 8. 00. 4～ 0. 995～ 98100～ 500 高浓度有机废水处理0. 2～ 0. 54. 0～180. 5～ 2. 098～ 99500～ 5 000 池容按容积负荷计算见式 1 V QSo XFw 1 式中 V 反应器的有效容积,m 3 ; Q 反应器的处理水流量 ,m 3 d ; So 反应器进水 BOD5,g L ; Fw 反应器的 BOD5污泥负荷,kg kg d ; X 反应器内混合液悬浮固体的平均浓度, g L 。 某家庭日排生活污水 600 L d,BOD5为200mg L, 用上述公式计算 ,取 X 8 g L , Fw 0. 1kg kg d ,可 得 V 0. 15 m 3 因此, 取反应器的长 0. 6 m, 宽 0. 5 m , 有效高度 0. 5 m 。 反应器容积负荷 FV见式 2 FV QSo V 2 式中 FV 反应器内 BOD 容积负荷 ,kg m 3 d 。 代入数据可得 FV0. 78 kg m 3d 。 所得 FV值介于 0. 4～ 0. 9, 故以上所取参数符合 标准 。 清水区 清水区用于储存膜过滤处理后的出水, 进水量与水解酸化区相当, 为了加工方便 ,清水区容 积等同于水解酸化区 。 反应器主体尺寸 反应器主体采用有机玻璃板, 厚度有 8,10 mm 两种规格 , 反应器底板及外壁厚 10 mm ,内部隔板厚 8 mm , 考虑到板材的厚度故取反应 器外部尺寸长宽高1. 036 m 0. 528 m 0. 6 m。 1. 2 膜组件的选择 目前在膜工艺中主要有 6 种各具优缺点的膜组 件形式,对比见表 2。 本设计主要针对小型生活污水的处理和回用 ,此 处以家庭生活污水为例来设计生物膜反应器 ,因此在 选用膜组件时应充分考虑家庭处理及回用水的特点。 膜组件应选择容易进行机械清洗, 便于用户定期灵活 自行对膜组件进行清洗维护, 不需要专业人员前来清 洗。此外, 膜组件应具有较大的机械强度 ,可以抵抗 水力冲击。而且膜组件应具较好的抗冲击负荷,可以 很好的抵抗污水负荷的冲击。 表 2 六种膜组件的对比 构型面积 m2价格湍流度优点缺点 褶裥式卡式膜800低非常差结构好、设计 紧凑 容易污染、无法 清洗 板框式膜400高一般可以拆卸清 洗 设计不紧凑 螺旋卷式膜800低差能耗低不易清洗 管式膜20非常高非常好容易机械清 洗、可耐受高 TSS 污水 价格较高 毛细管式膜600低低介于管式和中空纤维式之间 中空纤维式5 000非常低非常好可以反冲洗、 设计紧凑、可 耐受高浓度 胶体 对压力冲击敏感 经综合考虑 ,此次设计选用管式膜组件 ,并采用 水泵抽吸负压出水 。该管式膜内径 15 mm , 外径 30 mm ,膜孔径 5 μ m ,管长 23 cm,4 根为 1 组, 共 2组 。 1. 3 反应器曝气设计及泵的选择 反应器的生物好氧反应所需的曝气量可根据活 性污泥法按式 3 计算 O aQLrbVX 3 式中 O 日平均需氧量,kg d ; Q 设计处理水流量 ,m 3 d ; Lr 去除的 BOD5浓度 ,kg m 3 ; V 反应器的有效容积,m 3 ; a 氧化每千克 BOD5的需氧量, kg kg , 取 0. 42～ 1. 0; b 污泥自身氧化的需氧率,1 d, 取 0. 11～ 0. 188 ; X 反应器内混合液悬浮固体的平均浓度, kg m 3 。 取 a 0. 5 kg kg , b 0. 15 d - 1 , 反应器处理效率 为98, 则 Lr0. 2 980. 196 kg m 3 , 已知 Q 0. 6 m 3 d, V 0. 15 m3 , X 8 kg m 3 。 代入式 3 可得 O 0. 238 8 kg d 。 选择型号为 ACO-003的空气泵,该空气泵的流量 Q 60 L min ,功率 N 35 W, 气压 P 0. 03 MPa。 根据水解酸化区计算, 选择污泥泵的型号为 WQD6- 16 -0. 75,该污泥泵流量 Q 6 m 3 h , 扬程 H 26 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 16 m , 功率 N 0. 75 kW 。清水区中安置清水泵的型 号为25ZDB45- 0. 55,该清水泵流量 Q 2. 8m 3 h, 扬程 H 45 m 3 ,功率 N 0. 55 kW。 1. 4 膜污染控制方法 管式膜内部鼓风曝气 ,产生的大气泡造成膜纤维 的振动,以达到机械清洗的目的。 每6 个月进行一次离线化学清洗。即将污染的 膜取出 ,浸入装有次氯酸钠溶液的 0. 2～ 0. 5 清 洗池中浸泡2～ 3 h。 2 制作 1 在有机玻璃板材上量取一块长 1. 036 m , 宽 0. 528 m 的面积作为反应器底 ; 量取两块长 1. 036 m, 宽0. 6 m 的面积作为反应器的两个长边框 ; 量取两块 长0. 6 m ,宽 0. 528 m 的面积作为反应器的短边框 ; 量 取两块长 0. 6 m, 宽 0. 508 m 的面积作为反应器内水 解酸化区以及清水区同反应池的隔板; 量取一块长 0. 6 m ,宽 0. 6 m 的面积作为两个反应区的隔板。 2 使用石材切割机对已经划好线的有机玻璃板 材进行切割。切割时要注意收集被切割下来的碎屑, 便于下一步的顺利进行。 3 将切割好的有机玻璃板材按照设计摆放好。 利用丙酮溶解上一步中收集的有机玻璃碎屑。将溶 液涂抹于各个板材的结合处, 并保持大约 30 min 直 到丙酮挥发完毕 ,这样一个牢固的反应器主体框架制 作完成。 接着将曝气设备、水泵、膜组件装入反应器主体 框架中 ,便可得到一个完整的膜生物反应器 , 如图 1 所示 。出水可回用于家庭非饮用水 ,例如冲厕 、 浇花。 3 结论与展望 根据设计标准, 设计了膜生物反应器的主体框 架,并对膜材料及膜组件进行分析讨论 , 选择合适的 膜材料及膜组件 , 并根据设计结果加工制作反应 图 1 制作完成的膜生物反应器 器。该反应器可用于家庭污水处理和回用,有效缓解 城市污水处理压力 。还可以通过改变进水的水质水 量来试验各种膜组件, 寻求膜组件在不同水质、水量 下的最优设计, 为膜组件的开发研究提供条件 。 参考文献 [ 1] Piet Lens, Griet Zeeman, Gatze Lettinga. 分散 式污水 处理和利 用 概念、系统和实施[ M] . 北京 化学工业出版社, 2004. 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[ 6] 王琳, 元新艳, 李世峰. 生活小区污水处理膜生物反应器设计 [ J] . 环境工程, 2006, 24 3 79 -80. 作者通信处 王仲耀 710129 西安市长安区东大街道办东祥路西 北工业大学长安校区 98 号信箱 E -mail wangzhongyao2006sina . com 2008- 11-14 收稿 新书出版信息 工业除尘设备 设计、制作、安装与管理 , 主编姜凤有, 152万字。 本书共分两篇 第一篇重点介绍工业除尘设备设计总 则和机械式除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器、静电除尘器、除尘器壳体结构设计与输灰设施的设备设计; 第二篇分别介绍设备制 作、设备安装、设备验收、设备运行和技术经济, 并按工作需要附录有工业气体特性、工业粉尘特性和排放标准等技术资料。 该书 每册售价 170元 含邮资 , 若需购此书的单位和个人, 请与环境工程编辑部联系。 1 银行汇款 开户银行 中国工商银行北京北太平庄支行 户 名 中冶建筑研究总院有限公司 帐 号 0200010019200071570 请注明“购书” 2 邮局汇款 北京海淀区西土城路 33 号环境工程编辑部 100088 3 联系电话 010 82227638; 传真 010 82227806 27 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期