（2023年蘇州市環(huán)境科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、入選2023度年全國副省級城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)優(yōu)秀環(huán)保產(chǎn)品/裝備指導(dǎo)目錄）
領(lǐng)域類別:水污染治理
申報(bào)單位:蘇州思源環(huán)保工程有限公司
產(chǎn)品/裝備名稱:沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器
產(chǎn)品/裝備簡介
本項(xiàng)目主體為沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器（Methane Cycle Anaerobic Membrane Bio-reactor，MCAnMBR），它是一種處理高負(fù)荷，能源消耗低，投資低，能夠回收能源，產(chǎn)生剩余污泥較少的新型處理工藝。它將膜技術(shù)與厭氧工藝相結(jié)合，利用膜的高效截留能力使厭氧反應(yīng)器保留大量的生物量，從而提高反應(yīng)器的處理效能，而高M(jìn)LSS下往往存在著泥水混合不充分和膜污染嚴(yán)重等問題，為了解決這些問題，我司研發(fā)了一套沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器（methane cycle anaerobic membrane bioreactor，MCAnMBR），利用沼氣循環(huán)裝置將厭氧消化產(chǎn)生的沼氣循環(huán)至分置式AnMBR的底部，通過氣流在膜分離器中形成的沖刷作用和錯(cuò)流速度減緩膜污染，其次，沼氣在厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)生的升流作用大大加強(qiáng)了混合和傳質(zhì)效能。
產(chǎn)品/裝備特點(diǎn)與主要技術(shù)指標(biāo): 沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器（Methane Cycle Anaerobic Membrane Bio-reactor，MCAnMBR）的特點(diǎn)是結(jié)合了傳統(tǒng)厭氧生物處理工藝和膜分離技術(shù)，具有許多其他單獨(dú)的生物處理技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。比如：
1、采用完全混合厭氧反應(yīng)器+分置式中空纖維微濾膜組件的組合形式，微濾膜組件采用負(fù)壓出水；
2、厭氧反應(yīng)器采用沼氣攪拌進(jìn)行完全混合，曝氣產(chǎn)生的大氣泡將厭氧過程產(chǎn)生的微細(xì)氣泡驅(qū)趕、聚并，使其非常容易與泥水進(jìn)行分離，從而降低了厭氧反應(yīng)器對氣液固三相分離的要求。
3、一般的厭氧反應(yīng)裝置為了維持系統(tǒng)內(nèi)高的活性微生物量，通常希望污泥具有良好的凝聚沉降性能，故其發(fā)展方向是污泥顆粒化。但本實(shí)用新型是采用混合液回流和沼氣攪拌使污泥充分分散，這樣可以加快傳質(zhì)過程，有利于反應(yīng)時(shí)間的縮短或負(fù)荷的提高。
4、分置式膜組件中同樣采用了沼氣曝氣，以形成較高的錯(cuò)流速度，減緩膜污染的產(chǎn)生，有利于延長膜的使用周期。
5、厭氧反應(yīng)器的啟動往往是較為困難的。為了保證系統(tǒng)能夠快速啟動，在沼氣循環(huán)管路上增設(shè)了補(bǔ)氣閥門，便于在啟動初期未產(chǎn)氣階段向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充循環(huán)氣體，確保啟動的順利進(jìn)行。
厭氧和膜工藝結(jié)合是近年來廢水處理工藝發(fā)展的新趨勢。因?yàn)楣桃悍蛛x是高效厭氧生物反應(yīng)器賴以存在的基礎(chǔ)，而采用膜生物處理工藝可顯著改善系統(tǒng)的固液分離效果。這種組合形式最大限度的發(fā)揮了兩種工藝的優(yōu)勢。將厭氧工藝與膜技術(shù)結(jié)合是一種理想方法——厭氧工藝可產(chǎn)生能量在一定程度上能滿足處理工藝對溫度的需求，產(chǎn)生的污泥量少；膜分離技術(shù)能夠使厭氧反應(yīng)中世代時(shí)間較長的甲烷菌存活下來，從而能有效降解有機(jī)廢水中的污染物、提高處理效率。如何有效保持反應(yīng)器中性能優(yōu)良的厭氧活性污泥，使污泥與進(jìn)水基質(zhì)充分混合接觸，最大限度的利用微生物的處理能力，是發(fā)展厭氧反應(yīng)器的方向。
本項(xiàng)目是在好氧膜生物反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的厭氧膜生物反應(yīng)器，采用膜過濾工藝可顯著改善系統(tǒng)的固液分離效果，不需要采用三相分離裝置，同時(shí)利用厭氧產(chǎn)氣進(jìn)行氣循環(huán)攪拌可以增加厭氧污泥與污水的混合效果，從而節(jié)約投資、節(jié)省占地面積、提高出水處理效果，有效填補(bǔ)單個(gè)工藝在使用中的不足之處。
我司研發(fā)的沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器（methane cycle anaerobic membrane bioreactor，MCAnMBR）主要包括膜分離器，厭氧反應(yīng)器和沼氣風(fēng)機(jī)，沼氣風(fēng)機(jī)通過氣管與厭氧反應(yīng)器和膜分離器相接通進(jìn)行循環(huán)攪拌；在膜分離器內(nèi)設(shè)有中空纖維膜，進(jìn)行泥水氣三相分離。實(shí)驗(yàn)裝置中厭氧反應(yīng)器和膜分離器的主體材料為Q235鋼板，厚度為6mm，厭氧反應(yīng)器尺寸為Φ700×2700mm，膜分離器尺寸為600×600×1200mm，整個(gè)反應(yīng)器有效容積為1000L，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，無保溫措施。膜組件采用2簾天津膜天膜的FP-T0008型中空纖維簾式膜組件，材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），膜面積為1m2/簾。
其運(yùn)行流程為：進(jìn)水桶中的廢水經(jīng)過進(jìn)水泵的抽吸作用與膜分離器的泥水混合液一同打入?yún)捬醴磻?yīng)器的底部，并通過厭氧反應(yīng)器底部安裝的布水管路均勻布水，當(dāng)厭氧反應(yīng)器的液位高于1.8m時(shí)，泥水混合液就通過回流管進(jìn)入膜分離器的頂部，膜分離器中安裝有中空纖維簾式膜組件，其通過膜出水泵的負(fù)壓間歇出水方式，使泥水分離，出水最終進(jìn)入出水桶中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出水的運(yùn)行方式。此反應(yīng)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之處是采用沼氣風(fēng)機(jī)內(nèi)循環(huán)裝置，在厭氧反應(yīng)器和膜分離器的底部都裝有布?xì)夤苈罚託怙L(fēng)機(jī)將反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣抽吸出然后分成兩條氣路，一條進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器使得泥水徹底混合，另一條則進(jìn)入膜分離器，利用氣流產(chǎn)生的剪切作用獲得更高的錯(cuò)流速度以此減緩膜污染。
沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器采用完全混合密閉反應(yīng)器形式，采用混合液回流+沼氣循環(huán)作為泥水混合的動力，確保厭氧反應(yīng)器內(nèi)泥水充分混合接觸。沼氣曝氣產(chǎn)生的大氣泡促使厭氧微生物產(chǎn)生的沼氣氣泡被驅(qū)趕、聚并，便于與泥水分離；泥水混合液自流進(jìn)入微濾膜組件中，膜組件內(nèi)采用沼氣循環(huán)曝氣以形成較高的錯(cuò)流速度，減緩膜污染的產(chǎn)生，促進(jìn)泥水分離。膜組件采用負(fù)壓出水方式，膜組件內(nèi)的混合液用提升泵提升回流至厭氧反應(yīng)器中。厭氧反應(yīng)器及膜組件均為密閉反應(yīng)器，可以很好地保持厭氧環(huán)境；膜的良好固液分離性能為維持厭氧反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度創(chuàng)造了條件；混合液回流+沼氣曝氣形成的紊流條件，一方面保證了泥水的良好的混合，另一方面又對污泥進(jìn)行剪切，使其細(xì)分散，增大了污泥的比表面積，加快了傳質(zhì)速率，為提高負(fù)荷、縮短停留時(shí)間奠定了基礎(chǔ)。
如圖所示，原水進(jìn)入膜分離器內(nèi)與處理的廢水混合，混合液一起進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器內(nèi)，厭氧反應(yīng)器內(nèi)完全密封，保持嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，沼氣風(fēng)機(jī)將反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣加壓后分為兩個(gè)循環(huán)回路，分別進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器和膜分離器中進(jìn)行沼氣攪拌。厭氧反應(yīng)器內(nèi)由于沼氣攪拌的作用，使厭氧污泥與廢水充分混合，厭氧微生物在適宜的環(huán)境條件下對原水中的底物進(jìn)行降解，產(chǎn)生的二氧化碳、氫、甲烷、硫化氫等形成微細(xì)氣泡，在紊流作用下相互碰撞、聚并成大氣泡，有利于與泥水的分離，分離的氣態(tài)組分進(jìn)入反應(yīng)器頂端北收集成為沼氣攪拌的氣源，多余的沼氣經(jīng)水封后外排。分離氣體后的泥水混合液自流進(jìn)入膜分離器內(nèi)，膜分離器內(nèi)設(shè)置有中空纖維膜組件，在泵的抽吸作用下，混合液中的水經(jīng)中空纖維膜過濾后成為最終處理出水。膜分離器中同樣采用沼氣攪拌，主要目的是在膜組件表面形成較高的錯(cuò)流速度，阻礙污泥附著層的形成，從而減緩膜污染的產(chǎn)生，循環(huán)的沼氣同樣被收集作為沼氣循環(huán)的氣源。膜分離器中的混合液返回厭氧反應(yīng)器中，以維持厭氧反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度。由于采用了厭氧反應(yīng)器與膜組件有機(jī)結(jié)合的方式，本裝置處理高鹽廢水中有機(jī)物的能力較為突出。
本項(xiàng)目符合的國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：
1、 膜分離法污水處理工程技術(shù)規(guī)范 HJ-579-2010
2、 膜生物法污水處理工程技術(shù)規(guī)范 HJ 2010-2011
3、 升流式厭氧污泥床反應(yīng)器污水處理工程技術(shù)規(guī)范 HJ 2013-2012
4、 水污染治理工程技術(shù)導(dǎo)則 HJ 2015-2012
5、 完全混合式厭氧反應(yīng)池廢水處理工程技術(shù)規(guī)范 HJ 2024-2012
6、 厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器廢水處理工程技術(shù)規(guī)范 HJ 2023-2012
產(chǎn)品/裝備水平評價(jià):高鹽度有機(jī)廢水是指含有機(jī)物和至少3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的總?cè)芙庑怨腆w物(TDS)的廢水。目前我國高鹽廢水產(chǎn)生量占廢水總量的5%，且每年仍以2%的速率增長。這些高鹽、高有機(jī)廢水，若不進(jìn)行有效地處理，將給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。因此，探索一種經(jīng)濟(jì)有效的高鹽度有機(jī)廢水處理技術(shù)已成為當(dāng)前廢水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
本裝置主要關(guān)鍵技術(shù)和控制難點(diǎn)：
（1）厭氧反應(yīng)器的快速啟動技術(shù)
由于整個(gè)系統(tǒng)均為密閉系統(tǒng)，而混合措施又采用沼氣攪拌為主的措施，因此，在反應(yīng)器啟動階段由于沒有沼氣產(chǎn)生而導(dǎo)致攪拌內(nèi)有氣源。通過在沼氣管路上設(shè)置補(bǔ)氣閥門間歇向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)氣以維持泥水混合。補(bǔ)氣的氣源、補(bǔ)氣方式及時(shí)間長短均可能對厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生影響。
（2）厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥細(xì)分散的混合攪拌技術(shù)
采用沼氣攪拌+水力循環(huán)以期實(shí)現(xiàn)泥水完全混合，使污泥更為分散以提高傳質(zhì)效率，進(jìn)而提高整個(gè)反應(yīng)器的負(fù)荷。因此反應(yīng)器內(nèi)的混合效果及控制技術(shù)也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
（3）厭氧反應(yīng)器的膜污染控制與清洗
由于厭氧反應(yīng)器保持了極高的污泥濃度，而高的污泥濃度是造成膜組件污染的最主要因素，如何通過控制運(yùn)行條件來有效的控制膜污染并通過有效的清洗方法與周期來恢復(fù)膜通量這是要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
我司研發(fā)的沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器（methane cycle anaerobic membrane bioreactor，MCAnMBR），MCAnMBR不僅具有傳統(tǒng)AnMBR的優(yōu)點(diǎn)，而且具有容積負(fù)荷高、有機(jī)物去除能力強(qiáng)、出水水質(zhì)好和剩余污泥產(chǎn)量低等特點(diǎn)，由于MBR工藝具有生物量大的特點(diǎn)，因此有更強(qiáng)的鹽耐受力，其獨(dú)具有的沼氣循環(huán)裝置大大增強(qiáng)了高M(jìn)LSS下反應(yīng)器的混合和傳質(zhì)效能，并能有效地緩解膜污染，解決了高鹽水處理領(lǐng)域的一些技術(shù)難點(diǎn)，在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用廣泛，市場前景廣闊。
目前國內(nèi)污水處理領(lǐng)域中開展的厭氧膜生物反應(yīng)器研究主要有三種形式：
一是UASB、EGSB+膜組件的一體式厭氧膜生物反應(yīng)器，沿用了UASB、EGSB的污泥顆粒化技術(shù)，利用顆粒污泥提高固液分離效率、維持反應(yīng)器內(nèi)高濃度的生物量，增加固液氣三相分離的有效性，而膜組件出水為進(jìn)一步提高固液分離效率、維持高濃度厭氧污泥創(chuàng)造了條件。但是，由于顆粒污泥或污泥床中污泥的團(tuán)聚性能較好，這對傳質(zhì)過程帶來了不利影響，可能使得污水處理需要較長的停留時(shí)間、反應(yīng)速率較低。
二是采用沼氣攪拌的一體式厭氧膜生物反應(yīng)器，這一類反應(yīng)器采用沼氣進(jìn)行攪拌的完全混合厭氧反應(yīng)器形式，將膜組件設(shè)置在厭氧反應(yīng)器中，雖然擁有良好的混合接觸條件，污泥分散程度得以提高，但由于膜組件設(shè)置在厭氧反應(yīng)器內(nèi)，使其清洗變得困難或使得清洗時(shí)破壞了厭氧反應(yīng)器的厭氧條件。
三是借用現(xiàn)有分置式好氧膜生物反應(yīng)器的形式，采用厭氧反應(yīng)器+正壓膜組件出水的形式，厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式仍以UASB、EGSB、AF等為主。
我司發(fā)明的沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器將膜分離技術(shù)和厭氧生物處理技術(shù)相結(jié)合，具有許多其他單獨(dú)的生物處理技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。（1）出水水質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定，能夠高效的進(jìn)行固液分離，對SS和濁度的去除率幾乎100%，且不受污泥膨脹等因素的影響，能夠大幅度削減有機(jī)物，從而使處理出水成為低有機(jī)物、高氨氮廢水。（2）實(shí)現(xiàn)了HRT和SRT的完全分離，使運(yùn)行控制更加的靈活穩(wěn)定。（3）采用沼氣攪拌與混合液回流相結(jié)合，在厭氧反應(yīng)器內(nèi)形成良好的混合條件和較高的紊流程度，使污泥充分分散，有利于傳質(zhì)速率的提高，從而可以加快處理進(jìn)程；（4）由于沼氣曝氣形成的紊動可使厭氧所產(chǎn)生氣體相互聚并，可提高厭氧反應(yīng)器中泥水與氣的分離效率，而膜組件又可對泥水進(jìn)行良好的分離，這就使系統(tǒng)的三相分離問題得到解決。
專利授予及獲獎(jiǎng)
厭氧膜生物反應(yīng)器 專利號：ZL201320754428.6
蘇州環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、蘇州市環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會、2023年度
應(yīng)用領(lǐng)域
1、 針對有機(jī)廢水的處理負(fù)荷達(dá)到10kgCOD/m3.d以上， COD去除效率達(dá)到95%以上；對易生物降解高濃度有機(jī)廢水，出水COD濃度控制在500mg/L以下。
2、對高鹽高濃度廢水具有可行性，當(dāng)氯離子濃度達(dá)到12g/L時(shí)，COD去除效率能夠達(dá)到83%左右；對硫酸根的去除效率達(dá)到了75%以上，對COD的去除效率達(dá)到99%，并很好地解決了硫酸根對厭氧菌的抑制毒害作用。
3、通過沼氣攪拌+水力循環(huán)使混合液達(dá)到非常好的混合效果和氣水分離效果。
4、通過對水流速度，污泥濃度，工作壓力，膜清洗曝氣量，水力清洗，化學(xué)清洗周期以及用量的控制使膜組件在最優(yōu)的出水效果下更加長久穩(wěn)定的運(yùn)行。
5、通過調(diào)整運(yùn)行控制條件并接種大量的厭氧消化污泥，來縮短反應(yīng)器的啟動時(shí)間。
6、利用沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器處理高鹽廢水尚未見報(bào)道，此裝置的發(fā)明研究為高鹽廢水的處理和沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用提供了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。
應(yīng)用業(yè)績
嘉興創(chuàng)新環(huán)保科技有限公司廢液、廢氣綜合處理工程 2018年投產(chǎn)
蘇州君蘭環(huán)保工程-蘇州眾和公司厭氧MBR膜系統(tǒng)項(xiàng)目 2015年投產(chǎn)
連云港先達(dá)化工有限公司建設(shè)工程設(shè)計(jì)及技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目 2017年投產(chǎn)
蘇州思上環(huán)保科技有限公司-中科榮信（蘇州）生物科技有限公司污水處理工程 2018年投產(chǎn)
杭州鴻光浪花豆業(yè)食品有限公司-污水處理厭氧系統(tǒng)二期工程 2020年投產(chǎn)
沭陽正中新材料有限公司-污水站擴(kuò)建及現(xiàn)有設(shè)施檢修工程 2022年投產(chǎn)
