專利名稱：生物膜濾水處理系統及其處理方法
技術領域：
本發明涉及一種創新的生物膜濾水處理系統，由「生物濾床區」和「薄膜分離區」所組成。
背景技術：
膜離生物反應器技術(membrane bioreactor，MBR)通常應用于二級生物處理，以去除COD、懸浮固體(SS)及含氮污染物等。由于具有生物處理與薄膜過濾的特性，其處理水質可達到接近三級處理的效果，因此也適合做為廢水回用前處理單元。目前發展較成熟的MBR技術主要屬固液分離型(solid-liquidseparation type)，其通常利用超過濾(UF)或微過濾(MF)薄膜來分離濃縮生物污泥，以得到良好的出流水水質。
由于薄膜模塊的水流通量(flux，單位m3/m2.day)為MBR技術最重要的控制參數之一，其與MBR的水力停留時間(HRT)、體積負荷、薄膜模塊壓力有關，并涉及建造和操作成本，而影響通量的因素除處理水質和SS性質外就是SS濃度。雖然，SS濃度高相對可以處理的污染物量亦較高，但污泥濃度高亦會造成MBR通量的降低和操作壓力的增高。
本案申請人于臺灣公告第593167號揭示一種于膜離生物反應器進行的水處理方法，該反應器包含一內含微生物混合液的槽；于該混合液的復數個多孔性載體；及一浸入于該混合液的過濾模塊，其具有一穿透側而且該混合液僅透過該過濾模塊與該穿透側呈流體相通。該方法包括將一進流水導入該槽中的混合液；將一負壓來源施用于該穿透側，使得該槽中的液體透過該過濾模塊從該穿透側流出該槽；及借助對該混合液曝氣的方式使該復數個多孔性載體與該過濾模塊接觸，于是降低該過濾模塊上的積垢。雖然此專利的技術可解決部份積垢的問題，但仍然有其局限，因為生物處理的微生物污泥與過濾模塊同處于一相同反應槽內，使得同時維持高懸浮固體含量(微生物污泥高，易于分解污染物)，及薄膜模塊的高水流通量成為兩難。此公告第593167號的臺灣專利的發明內容將以參考方式被并入本案。
發明內容
本發明的主要目的在于提供一種可克服已知的膜離生物反應器不能同時兼具高懸浮固體含量和維持高水流通量的缺點的新技術。
為了實現上述發明目的，本發明提出利用生物處理和固液分離兩者功能區分的概念，所完成的生物膜濾水處理系統，包含生物濾床區(biologicalfiltration bed zone)和薄膜分離區(membrane separation zone)。生物濾床區利用多孔性載體(carriers)作為生物介質(media)，因其具有廣大表面積可增加廢水中懸浮固體物(SS)攔截之機會，并提供作為微生物附著、生長和增殖的空間，因此能累積大量及特定族群的生物膜微生物，有助于達到去除各種污染物的目的。由于生物濾床區是一種污泥固定化生長的方式，出流水的SS濃度可以達到很低的程度，大幅減輕后續薄膜分離區固液分離的負荷，所以，薄膜過濾模塊(module)的通量和穩定性明顯增加，可產生質量良好的澄清處理水。而且，對薄膜過濾模塊表面污垢(fouling)的有效控制，減少透膜壓力(transmembrane pressure)和能量損耗和反沖洗頻率，進而有效延長薄膜過濾模塊使用壽命，相對亦可縮短處理槽的水力停留時間(HRT)并減少薄膜分離區的體積，有助降低建造和操作維護的成本。
本發明具有下列優點·提升處理槽效率；·污泥固液分離簡單；·功能穩定性高，處理水質良好；·適用于低濃度廢水，可在高水力負荷下操作；·降低設置和操作成本。
實施方式本發明揭示一種生物膜濾水處理系統，包含生物濾床區槽和薄膜分離區槽，其中該生物濾床區槽包含一內含微生物的混合液及于該混合液中的多個多孔性載體；及該薄膜分離區槽包含接收自該生物濾床區槽的出流水所形成的處理水及一浸入于該處理水液面下的過濾模塊，其具有一穿透側而且該處理水僅透過該過濾模塊與該穿透側呈流體相通。
較佳的，該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽底部的曝氣設備。更佳的，該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽內及位于該曝氣設備上方的支撐網，用于防止該多個多孔性載體靠近該生物濾床區槽的底部。更佳的，該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽內及位于該多個多孔性載體上方的濾網，用于防止該多個多孔性載體隨出流水流出該生物濾床區槽。
較佳的，該薄膜分離區槽進一步包含一設置于該薄膜分離區槽內的底部的曝氣設備。
較佳的，該多孔性載體是由無機或有機的多孔性材料制成。
較佳的，該多孔性載體是高分子發泡體。
較佳的，該過濾模塊包含微過濾膜(microfiltration(MF)membrane)、超過濾膜膜(ultrafiltration(UF)membrane)、陶瓷膜(ceramic membrane)、無紡織布膜、織布膜、多孔的網狀結構物或它們的混合。
本發明亦揭示一種使用本發明的生物膜濾水處理系統的水處理方法，包含將一進流水導入該生物濾床區槽并于其中滯留一段時間后，流出該生物濾床區槽，其中該進流水中的至少一部份污染物在滯留于該生物濾床區槽的一段時間內為微生物所分解；將該生物濾床區槽的出流水導入該薄膜分離區槽；及將一負壓來源施用于該過濾模塊的穿透側，使得該薄膜分離區槽中的處理水透過該過濾模塊從該穿透側流出，于是從該薄膜分離區槽流出的穿透水相較于該進流水具有較低含量的污染物。
較佳的，該多孔性載體是以固定床或移動床方式操作，其中微生物污泥或懸浮固體物被攔截或附著于多孔性載體上，以進行污染物的生物分解反應。
較佳的，該生物濾床區槽是以好氧性(aerobic)、缺氧性(anoxic)或厭氧性(anaerobic)方式操作。
本發明全文所述的「水處理」泛指飲用水、自來水、城市污水、工業及其它來源的廢水的處理。
本發明所揭示的生物膜濾水處理系統，是結合「生物濾床區」和「薄膜分離區」的創新廢水生物處理系統，包括整合式配置和分槽式配置，分別如圖1及圖2所示。
進流水利用進流水泵3定量打入生物濾床區反應槽10，透過鼓風機6打入空氣或氧氣7至生物濾床區反應槽10底部的曝氣設備(未示于圖中)以提供生物濾床區反應槽10內生物處理系統所需的氧氣。氣體7也可為用于無氧微生物系統的氫氣、氮氣或二氧化碳，或者為用于厭氣微生物系統的氮氣、甲烷或沼氣。本發明在生物濾床區反應槽10中添加多孔性生物載體11，其可以使用無機或有機的多孔性材料制成，例如陶瓷、高分子發泡體等。該多孔性生物載體11具有廣大表面積可增加廢水中懸浮固體物(SS)攔截的機會，并提供作為微生物附著、生長和增殖的空間，因此能累積大量及特定族群的生物膜微生物，有助于達到去除各種污染物的目的。該生物濾床區反應槽10離底部一高度處設置有一下部濾網12來支持該多孔性生物載體10免于沉淀貼于底部；而離頂部一高度處設置有一上部濾網13來防止該多孔性生物載體10流出該生物濾床區反應槽10。
由該生物濾床區反應槽10上方流出的出流水被導入一薄膜分離區反應槽20，其內設置有一薄膜過濾模塊21，透過鼓風機6′打入空氣或氧氣7′至反應槽20底部的曝氣設備22以提供進一步生物處理所需的氧氣。氣體7′也可為用于無氧微生物系統的氫氣、氮氣或二氧化碳，或者為用于厭氣微生物系統的氮氣、甲烷或沼氣。穿透液(permeate)即出流水9，透過出流水泵8抽出。
本發明具有提升處理槽效率符合放流水標準、降低二次污染、污泥固液分離簡單、高穩定性等優點，尤其適合處理在高水力負荷下操作，以降低設置和操作成本，完全切合目前業界的需求。基于本發明的生物膜濾水處理系統非常適用于低濃度廢水處理的特性，定位上亦可稱之為一種高級生物處理技術。
本發明技術與傳統活性污泥處理程序的比較，可以明顯看出處理流程大幅簡化，如圖3所示。本發明技術的處理水質良好，與傳統活性污泥處理程序外加砂濾和UF過濾后的水質相近，且用地面積僅為傳統活性污泥程序的一半。
本發明技術在實際應用上的范圍與對象包括作為二級生物處理去除廢水中的COD，使出流水可符合放流水標準，或因水質良好可納入回收再利用系統。亦可串接于既有二級生物處理系統之后，去除廢水中難分解有機物，降低三級處理成本。此外尚可應用于自來水原水前處理，去除有機物、氨氮及硝酸氮等，以及表面水與地下水整治，去除水中有機物、含氮污染物等。
本發明將借助下實施例被進一步了解，該實施例僅作為說明之用，而非用于限制本發明范圍。
圖1顯示本發明的生物膜濾水處理系統的示意圖，其中「生物濾床區」和「薄膜分離區」是整合式配置。
圖2顯示本發明的生物膜濾水處理系統的示意圖，其中「生物濾床區」和「薄膜分離區」是分槽式配置。
圖3顯示本發明的生物膜濾水處理程序與傳統處理程序的流程方塊圖。
圖4為出流水通量對時間的作圖，其中圓點為先前技術膜離生物反應器程序(MBR)，正方形點代表本發明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
圖5為過膜壓力對時間的作圖，其中圓點為先前技術膜離生物反應器程序(MBR)，正方形點代表本發明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
圖6顯示本發明的生物膜濾水處理程序的出流水COD及進流水COD對時間的作圖。
圖7為COD移除率對時間的作圖，其中圓點為先前技術膜離生物反應器程序(MBR)，正方形點代表本發明的生物膜濾水處理程序(BioMF)。
附圖標記3..進流水泵6，6′..鼓風機 7，7′..空氣8..出流水泵9..出流水10..生物濾床區反應槽 11..多孔性生物載體12..下部濾網 13..上部濾網20..薄膜分離區反應槽 21..薄膜過濾模塊22..曝氣設備具體實施方式
實施例及對照例實施例部分，本發明(BioMF方法)與先前技術膜離生物反應器方法(MBR方法)進行功能與效果比較，以下將分為材料、設備、方法、功能與效果等說明(一)材料、設備與方法本實施例主要針對某化工研究院區的廢水進行實驗測試，以探討和比較本發明方法與MBR方法的功能與效果。本實施例采用的模廠設備配置方式如圖1，模廠設備包含進流泵、出流泵、流量計、BioMF反應槽、空壓機、各式桶槽等。其中，長方形BioMF反應槽為壓克力制造，有效體積為24L，其中16L為生物濾床區而其余8L為薄膜分離區。
生物濾床區約70％的體積填充多孔性載體，其為可壓縮的聚胺基甲酸酯(Polyurethane，簡稱PU)發泡載體，載體呈扇形，每顆載體直徑為2.2cm，厚度為2cm，體積為4.5cm3，其基本性質如下表中所示
薄膜分離區中配置薄膜過濾模塊，包含一組真空壓力表及管式蠕動泵，并搭配一組空氣流量計，由槽底曝氣頭進行曝氣混合和供氧。薄膜過濾模塊采用申請人自行開發的薄膜濾材，是以聚酯(PET)材料制造，屬于開放型孔洞的網狀濾材，平均孔洞直徑大小為20μm。該薄膜過濾模塊包含一方形匣及固定于該方形匣內的兩層平板狀的網狀結構物，其中該兩層平板狀網狀結構物之間具有2mm的一間距作為過膜水流信道，且該信道內設有支撐結構物。該方形匣的四周緣被密封僅留一出流水管與該通道相通，且其兩側的網狀結構物面積(過濾面積)共約855cm2。
(二)功能與效果本發明BioMF程序與前案MBR程序的功能與效果比較，分別就薄膜過濾模塊通量(flux)、過膜壓力(TMP，transmembrane pressure)、COD去除能力等予以說明。
1.通量比較實驗期間內，BioMF與MBR程序的薄膜過濾模塊通量變化示于圖4。起動初期通量由小逐漸加大，在15天以后BioMF程序的通量可達約0.4～0.5m3/m2.day，而MBR程序的通量僅能維持在0.2m3/m2.day左右，BioMF的通量明顯優于MBR程序。換言之，BioMF的薄膜模塊可以比較小，有助于初設成本的降低。
2.過膜壓力比較實驗期間內，BioMF與MBR程序的薄膜過濾模塊過膜壓力變化示于圖5。起動初期過膜壓力隨著通量改變由小逐漸加大，最大壓力約在20kPa(相當于0.2kg/cm2)左右，但同時段MBR程序的壓力已超過80kPa(相當于0.8kg/cm2)，BioMF的過膜壓力明顯比MBR程序低，動力成本當然亦較低。
3.COD去除能力比較由圖6可以看出BioMF程序在實驗期間進、出流水COD的變化，進流水COD濃度范圍很大，約在100～600mg/L之間，而出流水COD濃度則相當穩定維持在15～60mg/L之間。
若比較BioMF與MBR程序在實驗期間COD去除率，由圖7可以看出BioMF程序在實驗期間COD的去除率可超過90％，亦明顯優于MBR程序(COD的去除率平均約85％)。
從以上實驗結果證實本發明的生物濾床區的設置可以提升已知的膜離生物反應器的出流水通量、降低其過膜壓力及提升其COD去除能力。
權利要求
1.一種生物膜濾水處理系統，包含生物濾床區槽和薄膜分離區槽，其中該生物濾床區槽包含一內含微生物的混合液及于該混合液中的多個多孔性載體；及該薄膜分離區槽包含接收自該生物濾床區槽的出流水所形成的處理水及一浸入于該處理水液面下的過濾模塊，其具有一穿透側而且該處理水僅透過該過濾模塊與該穿透側呈流體相通。
2.如權利要求1所述的生物膜濾水處理系統，其中該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽底部的曝氣設備。
3.如權利要求1所述的生物膜濾水處理系統，其中該薄膜分離區槽進一步包含一設置于該薄膜分離區槽內的底部的曝氣設備。
4.如權利要求2所述的生物膜濾水處理系統，其中該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽內及位于該曝氣設備上方的支撐網，用于防止該多個多孔性載體靠近該生物濾床區槽的底部。
5.如權利要求2所述的生物膜濾水處理系統，其中該生物濾床區槽進一步包含一設置于該生物濾床區槽內及位于該多個多孔性載體上方的濾網，用于防止該多個多孔性載體隨出流水流出該生物濾床區槽。
6.如權利要求1所述的生物膜濾水處理系統，其中該多孔性載體是由無機或有機的多孔性材料制成。
7.如權利要求1所述的生物膜濾水處理系統，其中該多孔性載體是高分子發泡體。
8.如權利要求1所述的生物膜濾水處理系統，其中該過濾模塊包含微過濾膜、超過濾膜膜、陶瓷膜、無紡布膜、織布膜、多孔的網狀結構物或它們的混合。
9.一種使用權利要求1至8中任一項所述的生物膜濾水處理系統的水處理方法，包含將一進流水導入該生物濾床區槽并于其中滯留一段時間后，流出該生物濾床區槽，其中該進流水中的至少一部份污染物在滯留于該生物濾床區槽的一段時間內為微生物所分解；將該生物濾床區槽的出流水導入該薄膜分離區槽；及將一負壓來源施用于該過濾模塊的穿透側，使得該薄膜分離區槽中的處理水透過該過濾模塊從該穿透側流出，于是從該薄膜分離區槽流出的穿透水相較于該進流水具有較低含量的污染物。
10.如權利要求9所述的方法，其中該多孔性載體是以固定床或移動床方式操作，其中微生物污泥或懸浮固體物被攔截或附著于多孔性載體上，以進行污染物的生物分解反應。
11.如權利要求9所述的方法，其中該生物濾床區槽是以好氧性、缺氧性或厭氧性方式操作。
全文摘要
本發明揭示一種創新的生物膜濾水處理 系統，由「生物濾床區」和「薄膜分離區」所組成。生物濾床區兼具生物 處理和快濾功能，可采用固定床(fixed bed)或移動床(moving bed)方式操作，具有高負荷、高效率、高穩定性及操作簡易等特點。而薄膜分離區主要是利用薄膜過濾模塊，以薄膜過濾的方式濾除生物濾床區出流水中的固態微粒，進而產生質量良好的澄清處理水。
文檔編號C02F3/12GK1796305SQ200410102440
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月24日 優先權日2004年12月24日
發明者邵信, 張王冠, 洪仁陽, 彭明鏡, 張敏超, 鄒文源, 陳誼彰 申請人:財團法人工業技術研究院