CN101481174B - 可连续在线更新动态膜的v形槽式微网组件及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件及应用方法：包括支撑动态膜的多孔滤体，其特征在于所述多孔滤体是由多层不同孔径的微网叠加并固定成形为由多个同心环状V形槽依次连接形成的扁圆柱形微网网体，其外设套壳，底部密封连接底网；微网网体与底网之间形成若干封闭内放陶粒球的网室；微网网体中心设有内设隔板的空心轴管，隔板上部空心轴管连接旋转驱动机构、水源及带液体喷头的反冲洗水管；隔板下部空心轴管连接气源及设于网体下方的喷气管，应用时在混合液中加入5‰～1％的环境矿物材料。本发明的有益效果是：造价低，体积小，通量高，出水水质好，出水率高，优化简化动力和控制系统，实现低能耗，低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种污、废水处理领域膜生物反应器工艺用膜组件，尤其涉及一种具有以环境矿物、微生物菌胶团与微细滤网(行业统称微网)协同作用达到微滤固液分离效果的可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件及应用方法。
背景技术
膜生物反应器(Membrane Bio Reactor，简称MBR)的研究开发只有近30年的历史，真正的规模应用不到20年。它是将污、废水生物处理技术和膜分离技术相结合的一种新型水处理装置。膜生物反应器工艺所具有的高质量的固液分离效果和高浓度、长泥龄活性污泥对有机物较高的去除效果，使其成为一种出水水质好、占地面积小、剩余污泥量低、易于实现自动化的优化合成水处理工艺。在水处理领域，尤其在污、废水资源化工程方面得到较为广泛的应用。然而，在MBR工艺推广过程中存在着如下缺点与障碍：(1)MBR采用专用的膜孔径在1微米以下微滤或超滤膜组件截留污泥，出水量低，难以满足大规模应用的要求；(2)传统的膜组件造价高，且运行的控制过程相对复杂，使得基建投资较高；(3)膜组件容易出现因浓差极化、污染、老化使其通量下降并产生堵塞，导致使用寿命低；尤其使用中为使过滤水通过膜组件，需要设置高压抽吸水泵和与之相关的控制部件，同时要进行反冲洗等维护，因此运行能耗、费用较高，限制了膜组件较大规模的应用和推广。
近年，MBR领域开始出现对动态膜分离技术的研究，其特点是以普通孔状材料通常是指孔径在400目以上如不锈钢丝网、尼龙丝网、化纤丝网、无纺布等微细滤网(行业统称微网)代替传统的微滤或超滤膜制作微网组件，使用时，微网组件置于生物反应器混合液中，在污水处理的循环过程中，随着生化反应及过滤过程的进行，微生物菌胶团沉淀附着在微网上形成周期性生长脱落的生物质层也称为动态膜。该膜的形成改进了作为支撑体的微网介质的过滤性能，动态膜具有活性、柔性和吸附性，其分离质量的高低和通量的大小决定于膜的活性、密度、厚度以及通过压力。在一定的控制条件下，动态膜可达到和上述固体型传统MBR工艺用膜组件相同的微滤分离效果，但其对流体的跨膜压力要求却远远低于传统的MBR膜组件，且膜组件材料易得、价格低廉，可显著降低工程成本，因此易于大规模应用和推广。然而目前该技术仍不成熟，尚处于研发阶段。现有动态膜微网组件一般为平面形，类似于传统平板形MBR膜组件，并延用传统膜组件MBR工艺的错流过滤来控制动态膜厚度和降低膜污染以及延用停机间断反冲洗方式来保证膜通量。错流是利用紊流剪切和冲刷作用来抑制污染物质在膜表面的附集，这对于MBR膜组件降低污染非常有效，但对以利用污染物质进行固液分离的活性和柔性的动态膜来说却会产生不利影响：紊流使质地柔软，与滤网附着力弱，尤其要经历生成、成长、成熟、衰弱、死亡的新陈代谢过程，本身就会出现非周期性脱落的生物质层更易使其脱离微网，造成悬浮物质无规律泄漏；错流除体现表面剪切冲刷作用外，同时存在对膜面的法向振动作用，这种法向振动使膜层生长不可能均匀，膜面中心部位因振幅过高而难以形成有效凝胶层，因此，错流方式运行的动态膜对较大分子量的溶解性有机物截流效果很差；错流剪切冲刷和法向振动作用也极易使动态膜层出现“漏洞”，使出水浊度无规律波动并难以控制在较高水平，细菌总数超标；尤其在使用过程中因膜层增厚，附着污物过多，通量下降进行反冲洗时需要足够大流量的水或气混水，使反冲洗设备容量大，资源耗费、能耗高，间断使用，设备闲置率高；反冲洗后，因动态膜再生成期间会产生大量未经过滤的干扰水，使出水率难以提高。这些不利影响造成现有动态膜技术处于出水水质不够稳定、膜面积难以放大、出水率较低、尚不能实现大规模应用的技术性瓶颈，限制了动态膜技术的工程性利用。
综上所述，如何克服上述问题，实现采用低成本的动态膜分离技术既能达到传统MBR膜组件出水水质，并提高通量及出水率，又能达到减少能耗，降低成本的目的，成为业界关注问题。
发明内容
本发明的主要目的在于：(1)针对上述问题，提供一种造价低、体积小、出水水质好，通量高、出水率高并优化简化动力和控制系统，实现低能耗，低成本的可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件；(2)提供一种采用前述微网组件进行污、废水过滤的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，包括支撑动态膜的多孔滤体，其特征在于所述多孔滤体是由多层孔径为300～500目的不同孔径微网叠加并依骨架固定成形为由多个同心环状V形槽依次连接形成的扁圆柱形微网网体；其外侧环周包覆套壳，其底部密封连接孔径为50～100目的底网；微网网体的V形槽与底网之间形成的若干环形封闭网室由骨架上设置的多个径向分隔孔板分隔成若干分段封闭网室，各分段封闭网室对应的底网上放置2～3层能在上推力作用下跳动的陶粒球；置于混合液中的的微网网体，其上部开放，为清水区，清水通过设置在套壳上部的出水堰排出；底网下部为混合液进水面；所述微网网体中心设有带动其转动的内设隔板、两端封闭的空心轴管，隔板上部的空心轴管连接旋转驱动机构和水源并与在微网网体上方沿微网网体端面直径设置的反冲洗水管密封连接，反冲洗水管下面连接多个与各V形槽对应设置的液体喷头；隔板下部轴管连接气源，并与在微网网体下方沿微网网体端面直径设置的喷气管密封连接，喷气管上面对应所述底网设置若干出气孔，所述反冲洗水管与喷气管位于同一竖直平面。
所述水源为清水区；所述气源取自曝气器输气管或附设的空气泵，所述旋转驱动机构包括设置于收水堰上方的电机、减速机、密封旋转活接头，电机通过减速机连接旋转活接头的活动端，旋转活接头固定端通过水泵出水管连接高压水泵，高压水泵通过水泵进水管连接清水区，旋转活接头活动端密封连接所述空心轴管并通过空心轴管带动反冲洗水管与喷气管同步旋转，水泵出水管上设有调节阀。
所述的多个液体喷头形状与V形槽形状吻合，并分别插入各V形槽内，其贴靠V形槽槽面的两侧开有出水孔。
所述陶粒球是直径为4～10mm的圆形陶粒球。
一种采用上述可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件进行污、废水过滤的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1).含有环境矿物材料和微生物菌胶团的动态膜的形成
首先在现有含微生物菌胶团的待处理污水混合液中按重量百分比加入5‰～1％粒径为100目～400目的一种或多种环境矿物材料，然后将所述微网组件水平放置于生物反应器好氧区或曝气生化池上端水中，在曝气气压和水压共同作用下，混合液连续由微网组件的下部进入，贯通于微网组件，从上部流出，随液流循环，环境矿物材料和微生物菌胶团附着在微网网体上形成具有活性、柔性和吸附特性的动态膜层；
(2).过滤生成清水
在曝气气压和水压共同作用下，混合液通过动态膜过滤，悬浮物质和微细胶体颗粒被拦截吸附在所述微网网体进水面，净化后的清水经收水堰从出水口流出；
(3).在线气、水清洗并更新动态膜
经过一段时间的过滤，动态膜活性降低，膜层增厚，过滤液通量下降，开启电机、水泵出水管上的调节阀及曝气器输气管调节阀，通过减速机、密封旋转活接头使空心轴管带动反冲洗水管与喷气管以45-120min/pr的转速同步缓慢旋转，此时，一方面清水区的清水通过高压水泵、空心轴管压入反冲洗水管并通过液体喷头贴靠微网出水面冲洗微网；另一方面，气体由曝气器输气管压入喷气管并通过出气孔向微网网体底部的分段封闭网室喷气，使其中的陶粒球在上升推力作用下不规则跳动，剪切、摩擦微网的进水面，在气、水同步作用下，使微网动态膜及附着污物脱落；环境矿物材料可及时填补微网空隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网，由于位于同一竖直平面的反冲洗水管与喷气管以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。
所述环境矿物材料是硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒、蛭石及活性炭粉。
本发明的有益效果是：
(1)采用V形槽式微网组件，可提供出一种变紊流为层流即稳定升流的死端过滤方式，在V形槽、封闭底网、陶粒球、分隔孔板以及收水堰的共同作用下，创造了适于动态膜生成、代谢的良好稳定的水力环境，它可有效避免紊流振动造成动态膜层生成不均匀、易脱落和产生“漏洞”问题，以此为稳定和提高出水水质提供了基础性保证；(2)采用V形槽式微网组件，提高了单位体积下的膜过滤面积，提高通量并减小装置体积，尤其与传统MBR膜组件相比，微网价格低，显著降低制造成本；(3)采用设于同一竖直平面内的缓慢转动的反冲洗液体喷头与气体喷气管实现对微网动态膜的连续在线反冲洗及剪切剥离，由于速度缓慢且瞬间仅对沿管线区域的微网上的局部动态膜进行冲刷，因此给新动态膜的生长以足够延续时间，尤其采用气体喷管与陶粒球结合，通过封闭网内陶粒球的不规则跳动达到充分剪切、摩擦微网的进水面，使膜充分脱落，这种水、气协同作用达到旧膜去除与新膜生长良性交替循环，有效控制膜厚，既保证通量，又不出现漏洞，防止大粒悬浮污物穿过滤网保证出水水质良好，出水率高；(4)混合液中加入环境矿物材料，当微网上的动态膜层被瞬时冲开后，环境矿物材料在水压作用下及时填补微网孔隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网，使干扰降低到最小水平；此外环境矿物材料作为微网填充层，比生物体直接包裹在微网上更容易剥离，有利于对微网组件的保护，使其不出现深度污染，因此降低反冲洗的能耗；(5)与传统加一定压力及足够大流量的水或气混水的间断反冲洗方式相比，本发明使用动态膜的透过水作为反冲洗水，因用量极低，具有非常高的有效透水率；与现有膜生物反应器工艺中采用错流冲洗模式的高气水比相比，本发明的在线清洗方法，对供气量的要求不超过正常硝化所需要的供气量，设备容量也远低于传统的膜生物反应器工艺，显著节约资源及装机成本，降低能耗，而且使反冲洗水设备利用率为100％。这种连续在线清洗方法，有效解决了现存有效透水率过低和反冲洗设备闲置率过高的问题。本发明作为单独的固液分离组件，可以安装在任何形式的好氧生化池内，可以满足大规模应用的要求。
附图说明
图1是本发明的主视剖面结构示意图；
图2是本发明的局部俯视图。
以下结合附图和实施例对本发明详细说明。
具体实施方式、
图1-图2示出一种可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，包括支撑动态膜的多孔滤体，其特征在于所述多孔滤体是由多层孔径为300～500目的不同孔径微网叠加并依骨架固定成形为由多个同心环状V形槽依次连接形成的扁圆柱形微网网体29，其外侧环周包覆套壳30，其底部密封连接孔径为50～100目的底网27；微网网体的V形槽与底网27之间形成的若干环形封闭网室由骨架上设置的多个径向分隔孔板31、32、33分隔成若干个分段封闭网室，各分段封闭网室对应的底网上放置2-3层市售直径为4～10mm的圆形陶粒球23，本例中设置了2层；陶粒球23能在上推力作用下在封闭网内跳动。在实际制作中，上述骨架主要由压条17、龙骨18、多个分隔孔板31、32、33构成，本例中采用由下至上分别为300目、400目、500目三层微网叠加依骨架成形为V形槽状扁圆柱形微网网体29，骨架固定在支架35上，微网支撑在龙骨及分隔孔板上，V形槽上下折弯顶沿通过压条17压在龙骨18上并用紧固螺栓16固定。
置于混合液中的的微网网体29，其上部开放，为清水区，清水通过设置在套壳30上部的出水堰11排出；底网27下部为混合液进水面；上述微网网体29中心设有带动其转动的内设隔板、两端封闭的空心轴管9，空心轴管9以滑动配合固定在封闭腔室型轴套40中，轴套40与微网网体29固定连接，隔板10上部的空心轴管连接旋转驱动机构和水源并与在微网网体29上方沿微网网体29端面直径设置的反冲洗水管14密封连接，反冲洗水管14下面连接多个与各V形槽对应设置的液体喷头15；液体喷头15的形状与V形槽形状吻合，并分别插入各V形槽内，其贴靠V形槽槽面的两侧开有出水孔19。隔板10下部轴管连接气源，并与在微网网体29下方沿微网网体端面直径设置的喷气管25密封连接，喷气管25上面对应所述底网27设置若干出气孔26，上述反冲洗水管14与喷气管25位于同一竖直平面。本实施例中，反冲洗水管14通过端部设置的滚轮13可平稳沿套壳30内壁设置的环周上凸缘28旋转；喷气管25通过端部设置的滚轮21可平稳沿套壳30内壁设置的环周下凸缘22旋转。
上述水源为清水区；本例中上述气源取自曝气器输气管20，也可采用附设的空气泵。在实际制作中，出水堰11中心部位设置了支座2，上述旋转驱动机构包括市售的电机8、减速机7及密封旋转活接头6，均位于收水堰11上方固定在支座2上。电机8通过减速机7连接旋转活接头6，旋转活接头6的固定端通过水泵出水管4连接高压水泵3，高压水泵3通过水泵进水管1连接清水区，水泵出水管4上设有水量调节阀5用于控制反冲洗水量的大小。上述封闭腔室型轴套40的底部连通曝气器输气管20，并通过空心轴管9上设于隔板10下方的孔41进入空心轴管，再由空心轴管9的孔42连通喷气管25；旋转活接头6的活动端密封连接上述空心轴管9，并通过空心轴管带动反冲洗水管14与喷气管25同步旋转。工作时，上述位于同一竖直平面设置的反冲洗水管14与喷气管25处于连续缓慢旋转状态，因此可使微网网体29的进水面及出水面的动态膜及附着污物均在同一径向切面区域得到充分清除。
下面为一种采用上述可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件进行污、废水过滤的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)含有环境矿物材料和微生物菌胶团的动态膜的形成
首先在现有含微生物菌胶团的待处理污、废水混合液中按重量百分比加入5‰～1％粒径为100目～400目的一种或多种环境矿物材料，所述环境矿物材料为硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒、蛭石及活性炭粉，本例中采用了粒径280目的硅藻土、粒径200目的沸石及粒径300目的海泡石；然后将所述微网组件水平放置于生物反应器好氧区或曝气生化池上端水中，动态膜的通过压力要求很低，只需适当调整微网组件在混合液中的浸入深度即可实现。在曝气气压和水压共同作用下，混合液连续由微网组件的下部进入，贯通于微网组件，从上部流出，随液流循环，环境矿物材料和微生物菌胶团附着在微网网体29上形成具有活性、柔性和吸附特性的动态膜层；动态膜的形成将微网的一般过滤性能水平提升到微滤水平。
(2).过滤生成清水
在曝气气压和水压作用下，混合液通过动态膜过滤，悬浮物质和微细胶体颗粒被拦截吸附在所述微网网体29进水面，净化后的清水经收水堰11从出水口12流出；
(3).在线气、水清洗并更新动态膜
经过一段时间的过滤，动态膜活性降低，膜层增厚，过滤液通量下降，开启电机8及高压水泵3出水管4上的调节阀5及曝气器输气管调节阀(未示出)，通过减速机7、密封旋转活接头6使空心轴管9带动反冲洗水管14与喷气管25同步缓慢旋转，通过控制旋转驱动机构的速度和气、水喷头的流量、压力来控制和调整对动态膜的清洗和扰动，以此控制动态膜层的生成状态，达到保证通量和固液分离效果的目的。反冲洗水管14与喷气管25的旋转速度控制在45min～120min/pr。这时，一方面清水区的清水通过高压水泵3、隔板10上部的空心轴管9压入反冲洗水管14，并通过液体喷头15贴靠微网出水面冲洗微网；另一方面，气体由曝气器输气管10依次通过轴套40的封闭腔室、空心轴管9压入喷气管25，由出气孔26向微网网体29底部的分段封闭网室喷气，使其中的圆形陶粒球23在上升推力作用下不规则跳动，剪切、摩擦微网的进水面，在气、水同步作用下，使微网动态膜及附着污物脱落；环境矿物材料的置入在有利于生化过程的同时，当微网上的动态膜层被瞬时冲开后，它们在水压力的作用下可及时填补微网孔隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网，使干扰降低到最小水平，同时作为微网填充层，比生物体直接包裹在微网上更容易剥离，有利于对微网组件的保护，使其不出现深度污染，因此也降低了反冲洗及气体喷刷的能耗；由于位于同一竖直平面的反冲洗水管与喷气管以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。
以下为为本发明的应用效果：
在瀑气池(或氧化沟)HRT＝4.5h，MILLSS＝9000mg/L，气水比＝10；膜组件反冲洗周期＝90min，膜组件浸入深度＝0.8m，微网面积＝7m2的条件下，
进水指标(原水平均值)：COD＝390mg/L、BOD＝165mg/L、SS＝210mg/L、氨氮＝27mg/L、总氮＝87mg/L、总磷＝4mg/L；
出水指标(透过水平均值)：COD＝33mg/L、BOD＝6mg/L、氨氮＝3.6mg/L、总氮＝9mg/L、总磷＝1mg/L，SS未检出、浊度＝4N、粪大肠菌群≤200个/L。
上述出水指标优于或等于传统的MBR膜组件，其中COD、氨氮、总氮指标优于传统的MBR膜组件。连续运行120天，未发现出水量下降情况，而采用传统MBR膜组件在气水比＝20条件下，出水量下降7％，本发明的微网组件运行能耗只相当于传统膜组件的65％，微网组件的造价只相当于传统膜组件的30％。
总之，本发明的每个技术环节均体现保证出水质量、节约能源和提高运行效率的原则，有效解决传统膜组件出水量低，造价高，使用寿命低，容易出现因浓差极化、污染、老化导致的通量下降和堵塞，以及运行的控制过程复杂，维护需要较高技术条件的缺陷，并克服了现有利用动态膜的微网组件出水水质不够稳定、膜面积难以放大、出水率较低、能耗高，尚不能达到大规模应用水平的缺陷，进一步满足污、废水资源化大规模应用的技术、经济要求，使得利用动态膜的微网组件这项优秀的组合技术能够得到更为广泛的应用。
Claims (6)
1.一种可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，包括支撑动态膜的多孔滤体，其特征在于所述多孔滤体是由多层孔径为300～500目的不同孔径微网叠加并依骨架固定成形为由多个同心环状V形槽依次连接形成的扁圆柱形微网网体；其外侧环周包覆套壳，其底部密封连接孔径为50～100目的底网；微网网体的V形槽与底网之间形成的若干环形封闭网室由骨架上设置的多个径向分隔孔板分隔成若干分段封闭网室，各分段封闭网室对应的底网上放置2～3层能在上推力作用下跳动的陶粒球；置于混合液中的微网网体，其上部开放，为清水区，清水通过设置在套壳上部的出水堰排出；底网下部为混合液进水面；所述微网网体中心设有带动其转动的内设隔板、两端封闭的空心轴管，隔板上部的空心轴管连接旋转驱动机构和水源并与在微网网体上方沿微网网体端面直径设置的反冲洗水管密封连接，反冲洗水管下面连接多个与各V形槽对应设置的液体喷头；隔板下部空心轴管连接气源，并与在微网网体下方沿微网网体端面直径设置的喷气管密封连接，喷气管上面对应所述底网设置若干出气孔，所述反冲洗水管与喷气管位于同一竖直平面。
2.根据权利要求1所述的一种可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，其特征在于所述水源为清水区；所述气源取自曝气器输气管或附设的空气泵，所述旋转驱动机构包括设置于收水堰上方的电机、减速机、密封旋转活接头，电机通过减速机连接密封旋转活接头的活动端，密封旋转活接头固定端通过水泵出水管连接高压水泵，高压水泵通过水泵进水管连接清水区，密封旋转活接头活动端密封连接所述空心轴管并通过空心轴管带动反冲洗水管与喷气管同步旋转，水泵出水管上设有调节阀。
3.根据权利要求1或2所述的可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，其特征在于所述的多个液体喷头形状与V形槽形状吻合，并分别插入各V形槽内，其贴靠V形槽槽面的两侧开有出水孔。
4.根据权利要求1或2所述的可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件，其特征在于所述陶粒球是直径为4～10mm的圆形陶粒球。
5.一种采用如权利要求2所述的可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件进行污、废水过滤的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1).含有环境矿物材料和微生物菌胶团的动态膜的形成
首先在现有含微生物菌胶团的待处理污水混合液中按重量百分比加入5‰～1％粒径为100目～400目的一种或多种环境矿物材料，然后将所述微网组件水平放置于生物反应器好氧区或曝气生化池上端水中，在曝气气压和水压共同作用下，混合液连续由微网组件的下部进入，贯通于微网组件，从上部流出，随液流循环，环境矿物材料和微生物菌胶团附着在微网网体上形成具有活性、柔性和吸附特性的动态膜层；
(2).过滤生成清水
在曝气气压和水压共同作用下，混合液通过动态膜过滤，悬浮物质和微细胶体颗粒被拦截吸附在所述微网网体进水面，净化后的清水经收水堰从出水口流出；；
(3).在线气、水清洗并更新动态膜
经过一段时间的过滤，动态膜活性降低，膜层增厚，过滤液通量下降，开启电机、水泵出水管上的调节阀及曝气器输气管调节阀，通过减速机、密封旋转活接头使空心轴管带动反冲洗水管与喷气管以45-120min/pr的转速同步缓慢旋转，此时，一方面清水区的清水通过高压水泵、空心轴管压入反冲洗水管并通过液体喷头贴靠微网出水面冲洗微网；另一方面，气体由曝气器输气管压入喷气管并通过出气孔向微网网体底部的分段封闭网室喷气，使其中的陶粒球在上升推力作用下不规则跳动，剪切、摩擦微网的进水面，在气、水同步作用下，使微网动态膜及附着污物脱落；环境矿物材料可及时填补微网空隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网，由于位于同一竖直平面的反冲洗水管与喷气管以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。
6.根据权利要求5所述的采用可连续在线更新动态膜的V形槽式微网组件进行污、废水过滤的方法，其特征在于所述环境矿物材料是硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒、蛭石及活性炭粉。
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