CN101293701A - 一种增强膜生物反应器中曝气抗污染作用的梯型平板膜组件 - Google Patents

Abstract

一种增强膜生物反应器中曝气抗污染作用的梯型平板膜组件，属于环境工程中污水处理及中水回用技术领域。其特征是设置平板膜的两侧膜面倾斜一定角度，形成剖面为梯形的平板膜组件，梯型平板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。平板膜组件的梯形剖面设置能够促进气泡与倾斜平板发生多次碰撞，气泡和尾流漩涡在膜面产生更大的瞬时剪切力，在提高曝气冲刷效率的同时能够有效减缓膜污染速率，从而增强系统稳定性、延长膜的使用寿命、减少化学清洗剂的使用量，大幅度降低膜生物反应器工艺的运行成本，促进膜生物反应器的广泛应用。

Description

一种增强膜生物反应器中曝气抗污染作用的梯型平板膜组件

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，特别涉及应用梯型平板膜组件过滤活性污泥混合液的污水处理方法。

背景技术

目前，我国大部分污水处理厂采用传统活性污泥工艺和生物膜工艺。传统污水处理工艺存在的主要缺点是：占地面积大、出水水质差、污泥膨胀、产生大量剩余污泥以及能耗高等。为了克服传统污水处理工艺所存在的难题，近年来各种新型、改良的高效污水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)技术在废水处理中的应用引起了国内外的广泛关注。该工艺与传统污水处理工艺相比，具有出水水质好、设备占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低、便于自动化控制等优点。该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域显示出其优势，并在实际工程中得到了广泛应用。但膜污染会影响工艺稳定运行，决定膜的更换频率，桎梏膜生物反应器的更广泛推广应用。处理规模为240m³/d的污水回用系统中，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。有效的膜污染防治技术可以增加膜通量、降低能耗、增强系统稳定性、延长膜的使用寿命、降低运行成本，因此，膜污染控制技术的研究十分必要。

平板膜组件是目前应用较为广泛的膜组件形式之一，日本久保田(KUBOTAENV Co)公司即是以微滤平板膜为主要产品。众多研究者认为在平板膜单元下方曝气所产生气泡在平板膜流道中所产生剪切力是不变的，对于平板膜来说增加曝气量是提高膜面剪切力的唯一途径，因此，研究者大部分的精力只是集中在经济曝气量的大小上，却忽略了曝气主要产物气泡在SMBR中运动所产生的流体力学效果，曝气作用在平板膜生物反应器中减缓膜污染的潜力没有被完全开发，更未对平板膜的外型设计提出新的构想。

事实上，不同尺寸的气泡在上升过程中会发生聚合，弹性碰撞，和碰撞后分离几种运动形态，气泡在平板膜间的运动不仅仅是产生剪切流，也有可能跟膜面发生碰撞、结合等作用，这都有利于减缓膜面污染物质堆积，降低过膜压力。如果平板倾斜则会使合力产生一个分量平衡平板的引力，会导致气泡与平板间的滑行运动和长弹跳运动发生转变，合力产生的分量将会促使气泡加快与平板碰撞的频率，缩短碰撞间的距离，从而更有利于气泡对平板膜的冲刷作用。

Tsao和Koch等对直径为0.5mm～0.7mm的气泡与平板之间的作用进行了观测，研究发现气泡与水平平板能连续发生几次碰撞，在碰撞的过程中气泡的动能，表面能以及势能之间发生能量交换。对气泡与倾斜平板之间作用的研究发现平板倾斜角θ的临界值是55°，当θ＞55°时，气泡能够以一个固定的弹跳幅度连续和平板发生碰撞；当θ＜55°时，气泡将会沿着平板滑行；他们认为在碰撞中最初的动能和表面能有95％快速转化为表面形变，在回弹过程中有接近59％的能量损耗，但是由于浮力的存在，能够促使气泡在平板表面运行。

因此，过小的倾斜角度θ不能让气泡产生多次尾流冲撞，过大的倾斜角度θ一方面会让气泡冲撞的动能损失严重，无法保持到较大的剪切速度，另一方面在保持一定的产水量的条件下，需增加膜组件的面积，会使膜生物反应器容积增大，不利于SMBR发挥高容积负荷的优势。因此膜面倾斜角度的设计成为梯型平板膜组件设计所需要解决的主要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用梯型平板膜组件过滤活性污泥混合液的污水处理方法，其所需装置称为梯型平板膜-生物反应器。该种新型污水处理方法能够提高曝气冲刷效率，节省曝气能耗；延缓膜污染速率，有效降低工艺运行成本。

实现本发明所述应用梯型平板膜组件过滤活性污泥混合液的污水处理方法的技术方案是：

首先根据曝气管道形成气泡大小以及曝气管道距离膜组件底部的水平距离，改造矩形的传统竖直型平板膜组件结构，使两侧膜面向曝气装置方向倾斜，形成剖面为梯形的平板膜组件。为在保证气泡切向速度不发生变化的基础上，使气泡和倾斜膜面发生最大限度的弹性碰撞，需针对不同气泡大小和曝气管道距离膜组件底部的水平距离对膜面倾斜角度进行设计。根据最大弹性碰撞角度计算程序的运行结果，得到：随水平距离增加，气泡水平方向加速时间增长，碰撞前速度加快，即最佳角度随曝气管道距离膜面水平位置的增加而不断减小；在同一曝气位置时，最佳角度随着气泡的增大而减小，因为气泡越大其尾流作用越强，碰撞速度越大；当气泡在1.5～3mm之间时，气泡的上升速度差异较小，最佳角度的差异不大。

得到不同曝气条件下最优膜面倾斜角度，具体如表1所示。

表1不同曝气条件下的梯型膜组件设计方案

膜组件通量维持在15～20L/h·m²之间，为避免膜组件竖直高度过大引起占用空间的增加，膜组件过滤面积0.1～4m²，高度0.1～1m，生物反应器中膜组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。膜组件固定在框架上，框架置于生物反应器中，并使活性污泥混合液淹没框架。框架上部横跨一根总集水管，梯型平板膜组件垂直平行设置，组件间隔适当距离，出水管与总集水管连接，污水经活性污泥降解和预涂动态膜过滤，在抽吸泵作用下进入膜组件中空的内部，由总集水管排出。生物反应器底部在每两个膜组件之间安置曝气管道，在曝气管道两侧进行穿孔曝气或在管道两侧安装曝气装置(气泡分散器)，曝气产生剪切力，延缓污染物质在梯型平板膜组件表面累积。生物反应器中设置滑道，便于框架的提取。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6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8小时。生物反应器容积满足水力停留时间要求同时，活性污泥混合液必须淹没预涂动态膜组件框架。

本发明的效果和益处是：梯型平板膜组件能够有效提高曝气冲刷效率，大大降低反应器曝气量，节省曝气能耗。同时适宜倾斜角度的梯型平板膜组件能够在两方面起到延缓膜污染的作用：一方面气泡能与倾斜平板发生多次碰撞，其本身和尾流漩涡都能在膜面产生较大的瞬时剪切力，来冲击膜面可能存在的滤饼层，另一方面两个梯型平板膜组件之间的空间为收缩型结构，逐渐减小的过流面积，能增加过流速度，从而增加膜面水流剪切速率。膜污染速率的有效延缓，可以增强系统稳定性、延长膜的使用寿命、减少化学清洗剂的使用量，从而大幅度降低膜生物反应器工艺的运行成本。

梯型平板膜组件可广泛用于现有膜生物反应器工艺的升级改造，以及生活污水、工业废水等回用处理工艺设计，应用前景广阔。

附图说明

附图1是梯型平板膜生物反应器处理污水装置示意图。

附图2是膜组件框架内梯型平板膜设计安装示意图。

图中：1鼓风机；2曝气装置及其管道；3梯型平板膜组件；4框架；5生物反应器；6真空表；7压力表；8抽吸泵。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例

处理生活污水水量按30m³/d计，COD浓度为400mg/L。梯型平板膜组件3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：底部宽a＝15mm，顶部宽b＝40mm，膜面高l＝1000mm，膜面宽1500mm，倾斜角度θ＝2.5°，则计算得到需要膜组件11个。11个膜组件3平行安装于框架4中，顶部间距d＝20mm，梯型平板膜组件的出水管与框架上方总集水管连接，框架沿滑道放入生物反应器5，生物反应器中活性污泥混合液淹没框架4。每两个膜组件中间设置穿孔曝气管道(或气泡分散装置)2，曝气位置低于框架底部40mm，，距组件3水平方向距离D＝5mm，启动鼓风机1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8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组件中空的内部，从总集水管排出。生物反应池5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2.5m，有效水深2.0m，超高0.5m，总高为3.0m。

Claims (1)

1.一种增强膜生物反应器中曝气抗污染作用的梯型平板膜组件，其特征在于：

a)设置平板膜的两侧膜面向曝气装置方向倾斜，形成剖面为梯形的平板膜组件，单一过滤组件过滤面积0.1～4m²，高度0.1～1m；

b)生物反应器底部在平行放置的每两个膜组件之间安置曝气管道及气泡分散装置；

c)梯形平板膜组件按垂直方向平行设置，固定在框架上，框架置于生物反应器中，并使活性污泥混合液淹没框架；梯形平板膜组件出水管与框架上方总集水管连接，污水经活性污泥降解和膜截留后，在抽吸泵作用下由总集水管排出。

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