CN101314501B - 中空纤维膜生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空纤维膜生物反应器，所述生物反应器包括一外壳，该外壳的两端分别设有进气口和出气口，内部则设有一段封闭区域；该封闭区域内设有多根并列的中空纤维膜，并通过所述中空纤维膜连通所述封闭区域的两侧；所述中空纤维膜的外壁附有活性生物膜，且所述封闭区域设有进液口和出液口，并通有维持活性生物膜所需的营养液。本发明还公开了使用所述生物反应器去除有机物废气的处理方法以及该生物反应器的应用。本发明的生物反应器采用模组块设计，使用方便；挥发性有机物(VOCs)气体和液体(循环活性生物液)不直接接触，可以分别控制流量，可见本发明采用中空纤维膜生物反应器处理挥发性有机污染物有着明显的优势。

Description

中空纤维膜生物反应器
技术领域
本发明涉及环保领域，具体地，涉及一种中空纤维膜生物反应器，使用所述生物反应器去除有机物废气的处理方法以及该生物反应器的应用。
背景技术
目前常用或已有实际应用的处理含挥发性有机物(Volatile organic compounds，VOCs)废气的方法包括燃烧法、吸附法、冷凝法、生物法等，其他正在研究开发的方法有光催化氧化和等离子体法等。
生物净化技术的实质是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，维持其生命活动，并将有机物分解为二氧化碳、水、无机盐和生物质等无害或少污染的物质。生物净化技术具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显其经济性。
传统的生物法处理废气主要分为三种：生物过滤器、生物滴滤器和生物洗涤器。生物过滤器主要是把堆肥、土壤等填料填充在塔内，利用生长在其中的微生物将流经塔内的废气物质降解掉。生物滴滤器将比表面积比较大的填料堆积在填料塔内，在塔内循环活性污泥液体挂膜，驯化若干时间后达到比较稳定的处理效果，在此期间有循环液体从上至下喷淋，带走代谢产物和补充其他营养物质。生物洗涤器是在洗涤塔内喷淋吸收液，与气体接触传质，大部分气体溶解在吸收液中，再对吸收液进行液相的污染物降解处理。
综上所述，传统的生物法已得到工业化应用，但也有不可回避的缺点。传统生物法占地面积巨大，而且生物滴滤器和生物过滤器由于液相和气相直接接触，会造成压降大、不稳定，易堵塞等缺点。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有生物法处理废气的缺陷，从而提供一种中空纤维膜生物反应器。
本发明的第二个目的在于提供一种利用所述的中空纤维膜生物反应器去除挥发性有机物废气的生物处理方法。
本发明的第三个目的在于提供一种所述的中空纤维膜生物反应器用于去除挥发性有机物废气的应用。
本发明的中空纤维膜生物反应器，生物反应器包括一外壳，该外壳的两端分别设有进气口和出气口，内部则设有一段封闭区域；该封闭区域内设有多根并列的中空纤维膜，并通过所述中空纤维膜连通所述封闭区域的两侧；所述中空纤维膜的外壁附有活性生物膜，且所述封闭区域设有进液口和出液口，并通有维持活性生物膜所需的营养液。
根据本发明的中空纤维膜生物反应器，所述外壳的两侧分别设有上盖和下盖，所述出气口和进气口分别设于所述上盖和下盖上。
根据本发明的中空纤维膜生物反应器，所述封闭区域以穿设有中空纤维膜的平板封闭，且以环氧树脂固定。
根据本发明的中空纤维膜生物反应器，所述外壳为圆柱筒形。
根据本发明挥发性有机物废气的处理方法，是使用所述的中空纤维膜生物反应器降解进入反应器的挥发性有机物废气。
根据本发明，所述的中空纤维膜生物反应器用于去除挥发性有机物废气的应用，所述挥发性有机物包括苯系物、酮类、酯类、烷类等。
本发明的有益效果是：
1、挥发性有机物(VOCs)气体和液体(循环活性生物液)不直接接触，可以分别控制流量，不会有泡沫出现；
2、不容易发生堵塞，压降小；
3、对低溶解性的VOCs更加有利；
4、模组块设计，使用方便；
5、气体不与微生物直接接触，出气中不会有悬浮态或附着在颗粒上的微生物，尤其适用于室内空气环境；
6、反应器小型化，便捷化，有利于提高生物法相对于其他处理废气方法的优势。
附图说明
图1是本发明的中空纤维膜生物反应器的立体示意图。
图2是本发明的中空纤维膜生物反应器内部中空纤维膜的立体示意图。
图3是本发明的中空纤维膜生物反应器的示意图。
图4是本年发明的中空纤维膜生物反应器处理有机物废气的局部放大示意图。
图5是苯系物有机物废气的处理率曲线图。
图6是酮类有机物废气的处理率曲线图。
图7是脂类有机物废气的处理率曲线图。
图8是烷类有机物废气的处理率曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
本发明所述的中空纤维膜为常规纤维膜，可从市场购买。
本发明的活性污泥可从常规活性污泥处理装置获得，通过驯化后使用。
本发明中，活性生物液体是指活性污泥沉淀片刻后的上层液体，这种液体既保留了较多的菌种，又不会堵塞管路。
本发明中，活性生物膜是指活性生物液体在中空纤维膜间循环流动，能够降解VOC分子的菌种会附着在中空纤维膜的表面，形成的褐色斑点即为活性生物膜。
实施例1、中空纤维膜生物反应器及其应用
如图1-4所示，本发明的中空纤维膜生物反应器包括一圆柱筒形的外壳9，所述外壳两端连有下盖5和上盖6，下盖5和上盖6上分别设有进气口7和出气口8；外壳9内设有一段封闭区域，该封闭区域内设多根并列的中空纤维膜1，中空纤维膜1两端各穿设于平板14、14’并以环氧树脂固定，通过所述中空纤维膜1连通所述封闭区域的两侧；所述中空纤维膜1的膜壁11外附有活性生物膜2；所述封闭区域设有进液口3和出液口4，供维持活性生物膜所需的营养液进出。
所述中空纤维膜为微孔疏水的聚砜、聚丙烯或聚乙烯材料，可以根据需要采用不同的规格，本实施例中，中空纤维膜的规格为：内径1mm，外径1.2mm。所述外壳内的中空纤维膜的数量可以根据所需处理的挥发性有机物作适当的调整，优选的，中空纤维膜的数量为50-200根。所述平板14、14’的直径与所述生物反应器外壳9的内径一致，即所述平板14、14’恰可卡设于外壳9内部。
本发明的中空纤维膜生物反应器的制作，首先将一定数量的中空纤维膜1两端各穿设于一设有对应数量通孔的平板14、14’上，然后两端浸入事先准备好的环氧树脂中，环氧树脂起固化密封的作用，24-36h即可固化完全，最后将两端的环氧树脂各裁去1-2厘米，将两端固化的中空纤维膜1连平板14、14’一起放入外壳9内部，即形成所述封闭区域，最后用固定件，例如螺丝，将上盖6、下盖5与外壳9固定连接。
本发明中，附在中空纤维膜1的膜壁11外的活性生物膜2是经过培养和驯化而形成的，具体如下：从进液口3通入活性生物液体12，使其在中空纤维膜1间循环流动，经过一周～一个月的驯化，在此过程中，VOC的处理效率从小到大，直至达到稳定状态，此时中空纤维膜1的膜壁11表面会出现褐色斑点，即为活性生物膜2。运行达到稳定状态后即可开始稳定高效的降解处理。
如图3、4所示，使用本发明的中空纤维膜生物反应器去除挥发性有机物时，挥发性有机物(VOCs)废气13从生物反应器下盖5的进气口7进入外壳9内部，然后进入中空纤维膜1的膜腔10，在沿膜腔10流动时，由于中空纤维膜1的膜壁11上有很多微孔，对物质有选择性透过性能，于是VOCs分子通过膜壁11传质至外层的活性生物膜2，在垂直于活性生物膜2传质时，被生物降解掉，纵向穿越活性生物膜2后的VOCs到达悬浮的活性生物液体12，在液体中继续进行生化降解，从而达到净化VOCs的目的。
本发明的中空纤维膜生物反应器在使用一段时间后需要反冲洗和运行维护。在反应器运行一段时间后，会出现处理效果突然不佳等状况，此时需要进行活性生物膜2的表面更新。用较大量的活性生物液体12冲刷中空纤维膜1外壁，这样会有部分生物膜2脱落，然后继续进行正常的处理。每隔单位时间，向活性生物循环液中投加定量的氮磷营养液，以使微生物正常生长。
实施例2、气态有机污染物的分析
采用气相色谱法对挥发性有机物中的苯，甲苯，邻、间、对二甲苯，丙酮，乙酸乙酯、正己烷、丁酮，氯代甲烷，氯乙烯，氯苯等气体进行测定，在各时间点取样，根据不同挥发性有机物浓度，及在降解过程中产生的物质的浓度计算处理率，根据计算结果绘制曲线图，结果见图5-8。
其中处理率计算公式为：(Cin-Cout)/Cout*100％
2.1、苯系物
柱子：长4米内径4毫米不锈钢柱，以2.3％DNP和2.3％有机皂土涂于60/80目201红色裁体上为柱填料。
检测：氢焰检测器
柱温：70℃
载气：N2为30毫升/分
峰序：①苯，②甲苯，③乙基苯，④对-二甲苯，⑤间-二甲苯，⑥邻-二甲苯。
2.2、酮类
柱子：长1米内径3毫米不锈钢柱，以80/100目AmberliteXAD-2树脂为柱填料。
检测：氢焰检测器
柱温：150℃
载气：N2为30毫升/分
峰序：①丙酮，②丁酮，③戊酮-2。
2.3、酯类
柱子：长3米内径2毫米不锈钢柱，以2.3％DNP和2.3％有机皂土涂于60/80目201红色裁体上为柱填料。
检测：氢焰检测器
柱温：90℃
载气：N2为40毫升/分
峰序：①乙酸乙酯，②乙酸丁酯。
2.4、烷类
柱子：长4米内径4毫米不锈钢柱，以2.3％DNP和2.3％有机皂土涂于60/80目201红色裁体上为柱填料。
检测：氢焰检测器
柱温：60℃
载气：N2为30毫升/分
由图5-8的结果可知，经过中空纤维膜生物反应器处理后，各有机物气体污染物的处理率得到明显的提高，处理10-25天后，处理率从10％上升到90％，可见中空纤维膜生物反应器处理有机物气体污染物有明显的优势。
实施例3、占地面积比较
传统的处理废气的生物法中以生物滴滤器的适用性最广。以甲苯为例，生物滴滤器对甲苯的平均去除能力为40g/(m3·h)，这代表1m3的填料1小时内可以降解40g的甲苯污染物。
本发明使用中空纤维膜生物反应器对甲苯的去除能力为0.2g/(m2·h)，这样1小时处理40g甲苯需要大约40000根1m长的中空纤维膜，中空纤维膜内径1mm，外径1.2mm，按照1cm29根中空纤维膜的密度，那么在1小时内降解40g甲苯需要膜和循环液的体积为0.44m3，小于传统的生物滴滤器1m3的填料体积，减小了56％的体积。
这是由于中空纤维膜内外径小，根数多，这样挂在中空纤维膜外层的生物膜的表面积巨大，提高了单位体积的降解能力。
综上所述，本发明的生物反应器采用模组块设计，使用方便；挥发性有机物(VOCs)气体和液体(循环活性生物液)不直接接触，可以分别控制流量，不会有泡沫出现；不容易发生堵塞，压降小；气体不与微生物直接接触，出气中不会有悬浮态或附着在颗粒上的微生物，尤其适用于室内空气环境，可见本发明采用中空纤维膜生物反应器处理挥发性有机污染物有着明显的优势。

Claims (8)

1.一种中空纤维膜生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括一外壳，该外壳的两端分别设有进气口和出气口，内部则设有一段封闭区域；该封闭区域内设有多根并列的中空纤维膜，并通过所述中空纤维膜连通所述封闭区域的两侧；所述中空纤维膜的外壁附有活性生物膜，且所述封闭区域设有进液口和出液口，并通有维持活性生物膜所需的营养液。
2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述外壳的两侧分别设有上盖和下盖，所述出气口和进气口分别设于所述上盖和下盖上。
3.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述封闭区域以穿设有中空纤维膜的平板封闭，且以环氧树脂固定。
4.如权利要求1-3中任一项所述的生物反应器，其特征在于，所述外壳为圆柱筒形。
5.一种挥发性有机物废气的处理方法，其特征在于，使用权利要求1-3中任一项所述的中空纤维膜生物反应器降解进入反应器的挥发性有机物废气。
6.如权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述有机物废气包括挥发性苯系物、酮类、酯类、以及烷类。
7.如权利要求1-3中任一项所述的中空纤维膜生物反应器的应用，其特征在于，用于去除挥发性有机物废气。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述有机物废气包括挥发性苯系物、酮类、酯类、以及烷类。
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