CN101028949A - 铸砂膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铸砂膜生物反应器，主要由生物反应池、膜滤池、铸砂膜组件、n形循环管、抽吸泵，气泵等组成，其主要特征在于：膜生物反应器采用的膜组件为一种铸砂膜组件；膜生物反应器为一种生物反应池和膜滤池由一隔墙分隔的分体式膜生物反应器，由n形循环管实现无阀、无泵水力循环。该膜生物反应器克服了公知的膜生物反应器中采用的有机膜寿命较短，换膜带来的费用较大、运行费用较高等问题，使膜生物反应器水处理和废水资源化技术更加高效、经济，利于大规模普及应用。

Description

铸砂膜生物反应器

技术领域

本发明属于膜生物反应器技术领域，特别涉及一种铸砂膜生物反应器。

背景技术

膜生物反应器由生物反应池单元和膜分离单元组成，其特点是：处理水质好、处理水适宜回用；占地面积小，环境适应性高；自动化程度高，容易运行管理。其应用的规模不断发展，万吨级和几十万吨级的市政污水处理工程已经出现，其应用数量也越来越大，数以千级的膜生物反应器工程在世界许多国家和地区得到应用。

公知的膜生物反应器有一体和分体两种，其膜单元的形式有浸没式和外置错流式，膜单元采用的膜材料分为有机膜和无机膜。

公知的膜生物反应器大多采用的是有机膜。有机膜强度差，使用寿命短，是当今阻碍膜生物反应器大规模和普及应用的一个重要限制性因素和重大技术难题。有机膜大多为石油化工材料或塑料制成的膜。有机膜存在膜强度不高，膜组件会发生破裂，特别是中空纤维膜容易出现膜丝断裂。目前市售有机膜的寿命据各生产厂商的技术参数，最短为1-3年，最长6-10年(高大林。颇尔各种膜技术的比较。清华大学：膜法水处理技术研讨会，2005：228；Thepurification company(Norit).X-low recycling of wastewater，Tsing Huauniversity，China：international symposium on membrane technologies forwater and wastewater treatment，2005：195；郑祥等。膜生物反应器的技术经济分析。给水排水，28(3)，2002：105-108)。有的膜丝甚至在安装使用后，几个月内就出现膜丝断裂现象。一旦出现膜的断裂，处理水质将变差。因此，膜的强度差，成为影响膜生物反应器稳定和可靠性的重大技术问题。当膜损坏的量和程度影响到系统的处理效果，就需要更换膜组件，这不仅要使污水处理系统停止运行，而且换膜的工程量和一次性费用都很大，特别是对于较大规模的膜生物反应器工程，换膜产生的问题就更为复杂，产生的不利影响范围更大。由于有机膜主要以石油化工产品为原料，每次膜更换等于在消耗大量宝贵不可再生石油资源，这在石油资源日益短缺的条件下问题将日显严重。不仅如此，换掉的废旧膜组件又成为难以处理的有机工业废弃物，给环境造成二次污染和新的负担。即使有机膜材料不是意外的损坏，这种有机膜生物反应器正常地、周期地膜更换产生的经济和环境问题也将是巨大的，随着膜生物反应器应用的发展，特别是在大规模市政污水处理工程中应用的发展，这一问题将更显突出和严重。因此，采用有机膜的膜生物反应器，膜的强度差严重限制着该技术的大规模和普及性应用。

公知的无机膜主要有金属膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜、分子筛膜等。无机膜具有有机聚合物分离膜无法比拟的优点：化学稳定性好，耐酸碱、耐有机溶剂；机械强度大，寿命长；可以反冲洗；抗微生物的能力强，不与微生物发生作用；耐高温；孔径分布窄分离效率高。

但目前商品化的无机膜主要是陶瓷膜。陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，其发展可分为三个阶段。即：用于铀的同位素分离的核工业时期，于20世纪80年代建成了膜面积达400万平方米的陶瓷膜富集²⁵⁶UF₆工厂；以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离时期及以膜催化反应为核心的全面发展时期。无机陶瓷膜的主要制备技术包括：采用固态粒子烧结法制备载体及微滤膜，采用溶胶-凝胶法制备超滤膜；采用分相法制备玻璃膜；采用专门技术(如化学气相沉积、无电镀等)制备微孔膜或致密膜。目前已商品化的多孔陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道三种。平板膜主要用于小规模的工业生产和实验室研究。规模应用的陶瓷膜，通常采用多通道构形，即在一个圆截面上分布着多个通道，一般通道数为7、19和37。由于陶瓷膜的技工工艺复杂、加工难度大，价格昂贵，因此，无机陶瓷膜分离技术主要在高附加值的工业项目中应用。如奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业，食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域，成为苛刻条件下精密过滤分离的重要新技术。

在环境工程中的应用，除了陶瓷膜的造价高，运行费用也较高。所以，其见有报道的应用主要是油水分离、对某些化工原料回收，如钛白粉的回收、在石化废水处理中去除沉淀的重金属、在乳胶废水中去除回收乳胶等。陶瓷膜在膜生物反应器中的应用仍局限在实验室研究阶段，如邢传宏进行的管式陶瓷膜生物反应器研究；张永明进行的双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究；膜科学技术研究所的气升式陶瓷膜生物反应器研究等。陶瓷膜在环境工程中应用受到限制的主要原因是处理成本过高。虽然无机膜的造价高，到2004年，世界分离膜的市场销售额将超过100亿美元，无机膜的市场占有率仅占12％。(《中国化工报》2002.9.10文/刑卫红；时钧，袁权，高从堦等。膜科学技术手册[M]。北京：化学工业出版社，2001：114-116；邢传红。超滤膜生物反应器处理生活污水及其水力学研究。环境科学，1997，18(5)：19～21；张永明等。双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究。

http：//www.chinafa.net/web/class/46 4.html，2006，2，15；膜科学技术研究所。气升式陶瓷膜生物反应器的研究。

http：//mst.njut.edu.cn/chinese/mst/peiyang.html，2006，2，15；郑祥等。膜生物反应器的技术经济分析。给水排水，28(3)，2002：105-108)。

陶瓷膜在环境工程中应用处理成本过高除了造价高的原因外，是其运行能耗及运行费用也较高。其运行能耗高的原因是在陶瓷膜过滤时，在生物单元和膜单元之间需要较大的循环流量，需要功率较高的循环水泵所致。

发明内容

本发明提出一种铸砂膜生物反应器，其特点在于采用的膜是一用天然砂质材料制成的平板膜。

本发明的目的在于解决和克服公知膜生物反应器采用有机膜寿命较短和采用无机陶瓷膜造价及运行能耗高和运行费用高的问题。使得膜生物反应器的膜材料充分利用天然廉价和环境友好的材料，大大延长膜生物反应器的寿命，突破公知有机膜生物反应器使用寿命最长5-10年的限制，使膜生物反应器成为一种更加实用，宜于普及和大规模应用的水处理、污水处理和污水再生回用技术。

本发明的铸砂膜生物反应器主要包括生物反应池(2)、膜滤池(3)、铸砂膜组件(9)、n形循环管(8)、抽吸泵(10)，气泵(13)，见附图1。其特征在于：膜滤池〔2〕由隔墙(11)从生物反应池(2)中分割而成，隔墙(11)顶部淹没在生物反应池(2)或膜滤池(3)池水液面至10-35cm深度处，隔墙(11)底部开孔；在膜滤池和生物反应池之间的隔墙(11)上安有n形循环管(8)；n形循环管(8)主体安装在生物反应池(2)一侧，n形循环管(8)的底部弯管密闭安装在隔墙(11)底部的开孔之内，n形循环管(8)底部弯管开口于膜滤池〔2〕中，n形循环管(8)顶部管口与膜生物反应器最高液面平齐；在膜滤池(3)内安装有竖直排列的铸砂膜组件(9)；在生物反应池内装有生物鼓气管(5)、在膜滤池内，在铸砂膜组件(9)的下方装有膜鼓气管(7)；生物鼓气管(5)通过生物鼓气流量计(4)与气泵(13)连接，膜鼓气管(7)通过膜鼓气流量计(6)与气泵(13)连接；在鼓气的作用下，膜滤池(3)底部的混合液上升冲刷铸砂膜组件(9)后，跃过隔墙(11)顶部回流至生物反应池(2)，形成生物反应池(2)和膜滤池(3)之间的水力循环；净化水利用抽吸泵(10)经过铸砂膜组件(9)过滤通过净化水流量计(12)后送出。

如图2所示的铸砂膜组件(9)其特征在于：由前后对称的，由覆膜砂质材料制成的两块铸砂膜板(14)、铸砂膜组件边框(15)、组件吊环(16)，出水口(17)组成；在前后对称的两块铸砂膜板(14)中间有中空夹层；两块铸砂膜板(14)之间装有若干支撑块(18)，以加强铸砂膜板(14)的强度；铸砂膜组件(9)安装在膜滤池(3)。铸砂膜组件(9)在膜滤池(3)中安装，其特征在于自水面起向下布设，即铸砂膜组件(9)的上框边缘刚好淹没在隔墙(11)水面之下0至25cm水层中，膜组件的下边缘视膜组件长度浸没入自水面至3.5米水深范围内的水层中。

n形循环管(8)，其特征在于：有两根竖管在上部由一个弯头和一个三通经一根横短管连接，在下部由一个弯头和横短管连接；n形循环管(8)上无阀门；本技术限定n形循环管(8)竖管的长度为1-5米(见附图1)。

生物鼓气管(5)其特征在于：为穿孔管或微孔曝气元件，其水下安装深度同膜鼓气管(7)的水下安装深度相同。

膜鼓气管(7)其特征在于：部设在铸砂膜组件(9)下水层内；膜鼓气管(7)为穿孔管。

膜滤池(3)其特征在于：在停止鼓气的条件下，其静水位同生物反应池(2)的静水位平齐。

本发明的工作原理是：

1)由于膜鼓气管(7)的鼓气作用提升了膜滤池(3)的水位或降低了膜滤池(3)混合液的比重，n形循环管(8)中的水流由于没有气泡或只有较少的气泡而比重较大，因此，n形循环管(8)中较重的水流会自生物反应池(2)下部的混合液先上向流经n形循环管(8)的上部横向短管后再下向流入膜滤池(3)，膜滤池(3)的水流又会因气泡的提升自水面流回生物反应池(2)，从而形成气升水力循环；

2)通过破坏水的表面张力，突破传统透水砖依靠颗粒粗大、缝隙渗水的局限、独特的渗透原理，制成易透水铸砂膜组件(9)；

本发明铸砂膜生物反应器的特点：

1、铸砂式膜组件由覆膜砂质材料制成，具有高透水率，高强度，长寿命、耐酸碱、可在线清洗；

2、n形循环管无需阀门和阀门井，减低了设备和材料的消耗，减少了建设费用，工程投资省；水力循环无需循环泵，循环能耗较低，不会损伤生物反应池的微生物，循环管不容易堵塞，循环水量大安全性高；

3、系统易维护，进行膜的化学清洗时，只需将膜滤池排空，膜滤池与生物反应池中混合液将实现分离。膜的化学清洗不影响生物反应池的运行条件和状态。

4、应用范围广，可与各种类型的生物反应池组合，不局限于活性污泥法，可以为生物膜法，如：氧化沟反应池、接触氧化法反应池、生物滤池等；

5、利于实现大规模膜生物反应器水处理系统和成套设备的建设。

附图说明

图1为本发明所述铸砂膜生物反应器水处理技术工艺流程示意图。其中：1-原水、2-生物反应池、3-膜滤池、4-生物鼓气流量计、5-生物鼓气管、6-膜鼓气流量计、7-膜鼓气管、8-n形循环管、9-铸砂膜组件、10-抽吸泵、11-隔墙、12-净化水流量计、13-气泵、

图2为本发明所述铸砂膜组件的示意图。其中：14-铸砂膜板、15-铸砂膜组件边框、16-组件吊环，17-出水口，18-支撑块(18)。

具体实施方式

经预处理过的污水(1)进入生物反应池(2)，生物反应池(2)内有活性污泥混合液。空气由空气泵(13)经生物鼓气流量计(4)通入生物反应池(2)的生物鼓气管(5)，对活性污泥混合液鼓气，使其混合均匀和部分充氧后，进入经循环管(8)进入膜滤池(3)。同时，进行铸砂膜(9)冲洗的空气由气泵(13)经膜鼓气流量计(6)、膜鼓气管(7)接入膜滤池(3)，膜鼓气管(7)，鼓气除了起到对膜清洗的作用外主要有给混合液充氧、气力提升混合液，使混合液在生物反应池(2)和膜滤池(3)之间形成循环的作用。净化水通过铸砂膜组件)(9)通过抽吸泵(10)的抽吸作用，经净化水流量计(12)出水回用或排放。

Claims (6)

1.一种铸砂膜生物反应器，主要包括生物反应池(2)、膜滤池(3)、铸砂膜组件(9)、n形循环管(8)、抽吸泵(10)，气泵(13)等，其特征在于：膜滤池〔3〕由隔墙(11)从生物反应池(2)中分割而成，隔墙(11)顶部淹没在生物反应池(2)或膜滤池(3)池水液面至10-35cm深度处，隔墙(11)底部开孔；在膜滤池(3)和生物反应池(2)之间的隔墙(11)上安有n形循环管(8)；n形循环管(8)主体安装在生物反应池(2)一侧，n形循环管(8)的底部弯管密闭安装在隔墙(11)底部的开孔之内，n形循环管(8)底部弯管开口于膜滤池(3)中，n形循环管(8)顶部管口与膜生物反应器最高液面平齐；在膜滤池(3)内安装有竖直排列的铸砂膜组件(9)；在生物反应池(2)内装有生物鼓气管(5)、在膜滤池(3)内，在铸砂膜组件(9)的下方装有膜鼓气管(7)；生物鼓气管(5)通过生物鼓气流量计(4)与气泵(13)连接，膜鼓气管(7)通过膜鼓气流量计(6)与气泵(13)连接；在鼓气的作用下，膜滤池(3)底部的混合液上升冲刷铸砂膜组件(9)后，跃过隔墙(11)顶部回流至生物反应池(2)，形成生物反应池(2)和膜滤池(3)之间的水力循环；净化水利用抽吸泵(10)经过铸砂膜组件(9)过滤通过净化水流量计(12)后送出。

2.如权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于：所述的循环n形循环管(8)，有两根竖管，在竖管上部由一个弯头和一个三通经一根横短管连接，在下部由一个弯头和横短管连接；n形循环管(8)上无阀门。

3.如权利要求1所述的膜生物反应器，所述的铸砂膜组件(9)其特征在于：由前后对称的，由覆膜砂质材料制成的两块铸砂膜板(14)、铸砂膜组件边框(15)、组件吊环(16)，出水口(17)组成；在前后对称的两块铸砂膜板(14)中间有中空夹层；两块铸砂膜板(14)之间装有若干支撑块(18)。

4.如权利要求1所述的膜生物反应器，所述的铸砂膜组件(9)的上框边缘刚好淹没在隔墙(11)水面之下0至25cm水层中，膜组件的下边缘视膜组件长度浸没入自水面至3.5米水深范围内的水层中。

5.如权利要求1所述的膜生物反应器，所述的生物鼓气管(5)，和膜鼓气管(7)其特征在于：为穿孔管或微孔曝气元件，安装深度生物鼓气管(5)同膜鼓气管(7)的水下安装深度相同。

6.如权利要求1所述的膜生物反应器，所述的膜滤池(3)和生物反应池(2)其特征在于：在停止鼓气的条件下，膜滤池(3)和生物反应池(2)静水位平齐。

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