CN101012082A - 一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器，属于环境工程中污水处理及中水回用技术领域。其特征是以工业滤布作为多孔底膜，利用聚乙烯醇与戊二醛乳化交联所获得的微球作为预涂剂，使微球沉积到多孔底膜外表面及孔道壁上，形成聚乙烯醇纳米微球动态膜；膜组件固定于框架上，置于生物反应器中，在抽吸泵作用下出水。聚乙烯醇和多孔底膜价格低廉，乳化技术成熟；而微球粒径呈纳米级别、单分散性好，具有大量羟基，呈现强烈的电负性，使所形成动态膜具有良好的稳定性和亲水性，对活性污泥具有静电排斥作用，能有效延缓膜污染；从而解决膜生物反应中膜污染严重、膜组件更换频繁、膜组件价格昂贵等问题，促进膜生物反应器的广泛应用。

Description

一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及膜生物反应器工艺成本降低、膜污染延缓实现的方法。

背景技术

我国是世界上13个贫水国之一，600余座城市中已有400余座缺水，因缺水而减少的工业产值每年超过1200亿元。应用水质和水价较生活饮用水低的中水来绿化、洗车、冲洗卫生器具等，可以节约宝贵的水资源，缓和城市水的供需矛盾，还可减少城市排水系统的负担。膜生物反应器(membrane bioreactorMBR)被认为是最有发展前途的污水处理与回用技术之一，其本身可以替代传统污水处理中的活性污泥池、二沉池、滤池三项工艺，出水仅需投加少量消毒剂(避免发生二次污染)就可以实现回用，而且污泥产量低，占地面积小，操作方便。但一种工艺的广泛应用不仅取决于自身的技术可行性，还取决于其经济可行性，膜组件价格昂贵和膜污染不易控制是阻碍MBR推广应用的主要问题。处理规模为240m³/d的污水回用系统中，一体式膜生物反应器的进口膜组件费用占总投资比例为57.3％，膜的更换费用占运行费用的58％，动力费用占运行费用的21％；为延缓膜污染，膜生物反应器工艺气水比通常在40∶1左右，曝气的能耗占动力费用的96％以上。

为降低膜组件的价格，清华大学致力于研究在孔径为100μm的筛绢上利用微生物及其代谢产物形成的动态膜进行过滤。结果表明，系统对COD的总去除率基本上大于80％，但是，动态膜表面污染严重，而为避免操作压力过高而进行的下方曝气会使动态膜完全破坏，出水SS平均达到2270mg/l，35min后动态膜才会重新形成，因此需要增加将下方曝气后一段时间内的出水返回处理的装置，在出水水质和系统操作的稳定性方面还存在问题，距实际应用还有差距。大连理工大学试验将粉末活性炭作为预涂剂在膜表面形成动态膜来防止污染物质对基膜的不可逆污染，但由于粉末活性炭所形成预涂层不稳定，涂层部分脱落会造成基膜局部污染；另外粉末活性炭本身的疏水性和对污染物质的吸附作用，造成污染物质在动态膜外部形成滤饼层；因此该技术虽可延缓膜污染的发生，可效果仍不甚理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低膜组件成本并延缓膜污染发生的方法，用该方法设计及建造膜生物反应器，将使其在保持原有优势的基础上，能够充分有效地延缓膜污染的发生、最大程度降低膜组件成本，并由此降低曝气所需能耗，使膜生物反应器工艺的工程应用做到投资及运行费用大幅度降低，适合于我国国情。

实现本发明所述使聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器的技术方案是：

将溶有戊二醛的乙醚加入到以聚乙烯醇水溶液为水相、正庚烷为油相的乳液中作为交联剂，将微量浓盐酸作为催化剂，经过乳化聚合、醇洗、水洗、烘干制备交联聚乙烯醇微球。

采用工业滤布包裹刚性方框，并用钢化玻璃固定压片和螺钉固定，形成过滤膜元件，膜元件上部留有出水口；为避免出水时抽吸力造成表面凹陷及方框变形，框件内置横梁支撑。膜元件通量维持在15～20L/h·m²之间，为保证预涂层均匀和便于拆洗，过滤面积≤4m²，生物反应器中膜元件个数由处理水量除以单个膜元件通量和过滤面积的乘积确定。

搅拌器与膜元件置于盛装清水的预涂池中，并使抽吸泵连接膜元件出水口；在预涂池中投加交联聚乙烯醇微球溶液，开启搅拌器混合均匀；利用抽吸泵使膜元件出水循环回流入预涂池，在剪切力和由抽吸引起的法向作用力的合力作用下，交联聚乙烯醇微球逐渐附着于过滤膜元件表面，并形成均匀的预涂动态膜，预涂过程需时7-9h，预涂剂浓度5-7g/m²(单位膜元件的过滤面积预涂的PVA微球的质量)。预涂池为中清水淹没过滤组件即可，没有水力停留时间的限制。

膜元件侧面铸有刚性导轨，预涂后膜元件垂直插入膜组件框架，元件间隔适当距离以产生最优的水力循环条件，膜组件框架根据膜元件个数设计尺寸。框架通过吊车转移到生物反应器中，由悬吊铁片固定在生物反应器的滑道上，并使活性污泥混合液淹没框架。膜组件设有集水管道，集水管通过法兰与反应器池壁上的出水管道相连，膜元件的出水通过虹吸集中于集水管道；污水经活性污泥降解和预涂动态膜过滤，在抽吸泵作用下由集水管道排出。膜组件底部的微孔曝气管通过法兰连接外部空气管道；通过鼓风机提供微生物所需氧气和剪切力，延缓污染物质在预涂动态膜组件表面累积。处理生活污水COD浓度在300～500mg/L时，生物反应器内水力停留时间不小于8小时；处理生活污水COD浓度在600～1000mg/L时，生物反应器内水力停留时间不小于10小时。生物反应器容积满足水力停留时间要求同时，活性污泥混合液的最低液位与膜组件上缘保持一定距离。

膜元件污染后可单独拆下，刷洗后，置于预涂池预涂，即可重新放入生物反应器中进行过滤。

本发明的效果和益处是：很多研究已经证明活性污泥混合液中细胞自溶产生的EPS是膜污染的本质影响因素，而蛋白质和多糖是EPS的主要组成。使用聚乙烯醇纳米微球对基膜表面和孔道内部的物理改性，微滤膜被亲水性修饰，对疏水性蛋白质有很好的抗吸附作用；聚乙烯醇纳米微球强烈的电负性对污泥絮体产生一定程度的静电排斥作用，阻止污泥颗粒的沉降作用；即聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器从根本上减轻了膜污染问题。聚乙烯醇纳米微球吸附在基膜表面，清洗时易于从基膜表面脱离，连同所吸附的污染物质及微生物代谢产物一同洗脱，可使通量得到更有效的恢复，不需消耗化学试剂；工业滤布价廉易得，10～15元/m²的价格与中空纤维膜400元/m²的价格相去甚远，从而可大幅度降低成本。

应用聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器处理生活污水，出水水质可满足中水回用要求，可用来洗车、绿化和冲厕，而且成本低廉、操作简单，在污水处理和中水回用领域中具有广泛的应用前景，如：无排水管网系统的地区，如度假区、旅游风景区；有中水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业；现有的城市污水处理厂的更新升级等。

附图说明

附图1是聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器膜元件示意图。

图中：1滤布，2钢化玻璃固定压片，3固定钢化玻璃的螺钉，4膜元件出水口，5膜元件导轨。

附图2是聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器膜组件示意图。

图中：6膜元件，7框架，8悬吊铁片，9集水管，10微孔曝气管。

附图3是聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器预涂池示意图。

图中：11搅拌器，12预涂池，13预涂抽吸泵。

附图4是聚乙烯醇纳米微球动态膜生物反应器示意图。

图中：14膜组件，15生物反应池，16滑道，17出水抽吸泵，18鼓风机。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细说明本发明具体实施方式。

实施例

在室温下，向塑料容器中准确称量定量司盘80，加入一定体积的正庚烷，搅拌使司盘80溶解；加入一定浓度的PVA水溶液，使油水相体积比为3∶2；在一定转速下用胶体磨乳化10min，换用低速水浴磁力搅拌；室温下向乳化液中加入萃取戊二醛的乙醚溶液及1mL浓盐酸，搅拌数分钟后，升温水浴，使乳化液在50℃条件下持续搅拌3h。交联后离心分离，并用异丙醇、无水乙醇和去离子水超声清洗数次；在55℃的鼓风烘箱中干燥即得分散性良好的交联聚乙烯醇微球。

处理生活污水水量按30m³/d计，COD浓度为400mg/L。膜元件6通量维持在35L/h·m²，过滤面积为3m²，单面面积为1.5m²，具体尺寸为：高1500mm，长1000mm，则计算得到需要膜元件11个。取单一膜元件置于预涂池12中，池中盛装清水，并投加预涂剂溶液，预涂剂采用交联聚乙烯醇微球粉末，预涂剂要提前通过超声等方式充分分散，以达到比较好的预涂效果。预涂剂浓度按6g/m²计，则每个过滤膜元件需要预涂剂18g。开启搅拌器11使预涂剂混合均匀，抽吸泵13抽吸出水，出水循环回到预涂池。循环8小时，在过滤组件表面形成均匀的预涂动态膜。

11个预涂后膜元件平行安装于框架7上，框架由悬吊铁片8固定在生物反应池15的滑道16上，膜组件集水管9与反应器池壁上预留的出水管通过法兰连接，生物反应池中活性污泥混合液淹没框架7一定高度，即生物反应池水位不低于最低水位。膜组件底部的微孔曝气管10与空气管道连接，启动鼓风机18曝气，产生剪切力，在延缓膜污染的同时，为反应器中微生物提供生长代谢必需的氧气。在抽吸泵17作用下，经活性污泥降解和预涂动态膜过滤的处理水进入预涂动态膜元件中空的内部，从集水管排出。膜元件6污染后可单独拆下，刷洗后，置于预涂池12预涂，即可重新放入生物反应池15中进行过滤。生物反应池15内水力停留时间8小时，有效容积为10m³，生物反应池具体尺寸为：长2.0m，宽2.0m，有效水深2.5m，超高0.5m，总高为3.0m。

Claims (3)

1.一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器，其特征在于：

a)利用聚乙烯醇与戊二醛进行乳化交联后获得的纳米颗粒作为预涂剂；

b)用滤布(1)包裹刚性方框，并用钢化玻璃固定压片(2)和螺钉(3)固定，形成过滤膜元件(6)，单一膜元件过滤面积≤4m²；

c)搅拌器(11)与膜元件(6)置于盛装清水的预涂池(12)中，并使抽吸泵(13)连接膜元件出水口(4)；在预涂池中投加交联聚乙烯醇微球溶液，开启搅拌器(11)混合均匀；利用抽吸泵(13)使膜元件出水循环回流入预涂池(12)，在剪切力和由抽吸引起的法向作用力的合力作用下，膜元件表面形成预涂动态膜；预涂过程为7-9h，预涂剂浓度5-7g/m²；

d)膜元件侧面铸有刚性导轨(5)，垂直插入膜组件框架(7)，框架由悬吊铁片(8)固定在生物反应池(15)的滑道(16)上，并使活性污泥混合液淹没框架；膜组件(14)设有集水管道(9)，膜元件的出水通过虹吸集中于集水管道；污水经活性污泥降解和预涂动态膜过滤，在抽吸泵(17)作用下由集水管道排出；鼓风机(18)通过膜组件下方微孔曝气管(10)提供氧气和剪切力。

2.根据权利要求1所述的一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器，其特征为：预涂动态膜组件污染后，膜元件可单独拆下，刷洗后，置于预涂池预涂，重新放入生物反应池中进行过滤。

3.根据权利要求1所述的一种利用聚乙烯醇纳米微球动态膜作为过滤介质的生物反应器，其特征为：在生物反应池中设置滑道。

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