CN101514049B - 旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置及其方法。装置包括旋转式无泡膜式充氧组件、供排气系统、供排水系统和电机与电气控制系统。方法是将原水通入活性污泥曝气池，旋转式无泡膜式充氧组件在曝气池中以几转～几十转/分钟的速度旋转，充氧过程采取间歇充排气的方式，控制供气压力在纤维膜泡点以下，氧气在浓差和压差的驱动下，在膜表面迅速溶解并扩散到污泥水中，使其溶解氧浓度保持在1～2.5mg/L，旋转式充氧组件同时起到了混合和搅拌活性污泥的作用。本发明与常规曝气方法相比，具有氧传递速率高、充氧效果好、气量小、低能耗、膜污染小、更换和维修方便等特点，特别适合污水处理技术中活性污泥曝气池的升级和改造。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，尤其涉及一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置及其方法。
背景技术
随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化问题。当今世界80个国家，约20多亿人口面临淡水资源危机，其中26个国家的3亿多人正生活在缺水状态中。而我国的缺水形势尤为严峻，根据2005年《中国环境状况公报》显示，我国水资源总量为2.8万亿立方米，居世界第6位，但人均水资源量为2238.6立方米，仅为世界人均占有量的四分之一，已被联合国列为13个水资源贫乏的国家之一。而且，在全部水资源中，可供城市工业与生活用的水资源不到一半，水污染严重。在全国600多座建制市中，有近400座城市缺水，其中缺水严重的城市达130多个。缺水每年给城市工业产值造成的损失在1200亿元以上。水资源短缺和水环境污染已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。
水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求开发适合时代发展的污水资源再利用技术，以缓解水资源的短缺。目前常用的污水处理技术主要有“混凝沉降”、“气浮”和“生化处理”等，这些方法虽然成本不高，但往往存在处理效率低、能耗高等缺点。因此，近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中尤以膜分离技术，特别是膜-生物反应器、无泡膜式充氧技术在污水处理中的应用格外引人注目。
以活性污泥法为代表的污水生物处理技术在生活污水以及工业废水处理中得到了广泛的应用。其核心处理单元是活性污泥曝气池(好氧氧化反应池)，它是通过曝气来强化氧气溶解到污泥混合液中，供好氧微生物用于降解污水中的有机物。传统的曝气技术存在氧气利用效率低、能耗高、污染空气等问题，而采用中空纤维膜进行无泡充氧具有以下众多优点：(1)由于充氧过程不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入水体，几乎百分之百地被吸收，在使用纯氧的情况下，氧利用率可高达100％。(2)有效避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进入大气而对环境造成的污染，可用于含挥发性有毒有机物废水处理系统，同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。(3)充氧过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，气体压力不受容器内混合状态的影响，可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应。因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。(4)中空纤维膜的比表面积可高达5018m2/m3，为氧的传递提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。(5)动力消耗小。假设工业废水和生活污水的总处理率分别为70％和90％，则每天的处理量分别为0.39亿吨和0.48亿吨。当采用无泡膜式充氧装置进行充氧时，由于它的动力消耗小，如果以每吨废水处理可节约0.1度电进行计算时，每天可为国家节约用电870万度。由此可见，高效节能无泡膜式充氧装置的研发成功，将具有巨大的市场应用前景，并能产生明显的经济和社会效益。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统曝气技术中存在的氧气利用率低、能耗高、污染空气等缺陷，提供一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置及其方法。
旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置包括旋转式无泡膜式充氧组件、供排气系统、供排水系统、电机与电气控制系统；供排气系统包括空压机、减压阀、储气罐、节流阀、进气控制阀、旋转接头、排气控制阀，空压机依次与减压阀、储气罐、节流阀、进气控制阀、旋转接头、传动齿轮、活性污泥曝气池相连接，旋转接头与排气控制阀相连接，传动齿轮与调速电动机相连接；供排水系统包括原水箱、节流阀、污水泵、分流阀、流量控制阀、流量计、活性污泥曝气池、曝气池出水阀、二沉池、二沉池出水阀、污泥回流阀，原水箱依次与节流阀、污水泵、流量控制阀、流量计、活性污泥曝气池、曝气池出水阀、二沉池、二沉池出水阀相连接，二沉池经污泥回流阀与活性污泥曝气池相连接，污水泵与流量控制阀连接处设有分流阀；活性污泥曝气池内设有旋转式无泡膜式充氧组件，旋转式无泡膜式充氧组件具有中空转动轴，在中空转动轴上下分别固定上转盘式框架和下转盘式框架，两转盘式框架之间固定有2个或多个中空纤维膜器件，转盘式框架与中空纤维膜器件通过活接或插入式密封结构相连接，中空转动轴穿过固定装置与传动齿轮相连接，中空纤维膜器件上集气管与中空转动轴通过软管相连接，中空纤维膜器件的下集气管密封。
所述的中空纤维膜器件采用中空纤维微孔膜，中空纤维微孔膜是陶瓷膜、金属膜或高分子膜，中空纤维微孔膜的膜孔径0.01～0.5μm，孔隙率为40～90％，泡点0.01～1Mpa，高分子膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。
中空纤维膜器件是平面帘式中空纤维膜器件或束状中空纤维膜器件。
平面帘式中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈平行帘状固定有中空纤维膜微孔膜，在中空纤维膜微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维膜微孔膜两端用环氧树脂封端。
束状中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈束状固定有中空纤维膜微孔膜，在中空纤维膜微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维膜微孔膜两端用环氧树脂封端。
旋转式无泡膜式充氧组件为一个或多个，旋转式无泡膜式充氧组件为横向排列或纵向排列，旋转式无泡膜式充氧组件为单层或多层，旋转式无泡膜式充氧组件以串联或者并联的方式进行充氧。
旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧的方法是：将原水通入活性污泥曝气池，旋转式无泡膜式充氧组件固定在活性污泥曝气池中并以几转～几十转/分钟的速度旋转，充氧过程中采取间歇充排气的方式，控制供气压力在中空纤维膜泡点以下，氧气在浓差和压差的驱动下，在中空纤维膜表面迅速溶解并扩散到污泥水中，使活性污泥曝气池中水的溶解氧浓度保持在1～2.5mg/L，旋转式无泡膜式充氧组件同时起到了混合和搅拌活性污泥的作用。
所述的间歇充排气的方式由供排气系统和电气控制系统控制；充气时，进气控制阀开启，排气控制阀关闭，气体通过旋转接头向旋转式无泡膜式充氧组件供气，进行无泡供氧；排气时，进气控制阀关闭，排气控制阀开启，旋转式无泡膜式充氧组件中的气体通过旋转接头向外排气；充排气时间和转换由电气控制系统进行控制，设定当旋转式无泡膜式充氧组件中的氧含量下降10～90％时，停止充气，开始排气，排气时间为1s～60s，再开始充气，该过程循环进行；间歇排气可使空气中的氮气迅速排走，避免了氮气在气相和膜微孔中聚集，减小膜的传质阻力。
供气压力为0.01Mpa～1Mpa，污水在活性污泥曝气池的水力停留时间为4～10小时，之后流入二沉池，经二沉池沉淀，出水即可达到排放要求。
平面帘式中空纤维膜器件或束状中空纤维膜器件，在充氧过程中，气相和液相的相对运动状态是横向流运行方式。
本发明的效果和益处主要有以下几个方面：
1.本发明采用中空纤维微孔膜在低于膜泡点的压力下进行无泡充氧，氧是以分子的形式扩散进入水中，此外，由于旋转式无泡膜式充氧组件在活性污泥曝气池中以几转～几百转/分钟的转速旋转，中空纤维微孔膜与水相相对运动的线速度较先前的技术有很大的增加，而且由于离心力的存在，充氧水较容易向外围扩散，氧利用率大大提高，可达100％。
2.由于中空纤维微孔膜在充氧过程中不参与分离作用，而且由于中空纤维膜与水是横向流的运行方式，膜外表面的水力剪切力大大增加，不但提高了传质速度，而且降低了膜污染的可能性，膜的使用寿命大大增加，运行稳定，运行成本更低。
3.由于旋转式无泡膜式充氧组件在活性污泥曝气池中旋转，同时也起到了混合和搅拌活性污泥的作用，不需要另外加装搅拌装置，而且水处理量大，设备费用和能耗进一步降低。
4.本发明为避免水蒸气附着在中空纤维微孔膜内壁而增大传质阻力，在气体排出端设置排气控制阀，间歇排气能使空气中的氮气迅速排走，避免了氮气在气相和膜微孔中聚集，减小膜的传质阻力，氧传质效率进一步增加。
5.本发明可采取多个旋转式无泡膜式充氧组件串联或者并联的方式进行充氧，并且旋转式无泡膜式充氧组件上的转盘式框架与中空纤维膜组件通过活接或插入式密封结构相连接，膜组件更换和维修方便，而且成本能进一步降低。
本发明与常规的曝气技术方法相比，具有氧传递速率高、充氧效果好、气量小、低能耗、膜污染小、性能稳定、更换和维修方便等显著特点。旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧方法可广泛应用于环保、养殖、食品等领域，具有强大的生命力和广阔的发展前景。
附图说明
图1是本发明的旋转平面帘式无泡膜式充氧组件结构示意图；
图2是本发明的旋转束状无泡膜式充氧组件结构示意图；
图3是旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置示意图；
图中：软管1、上转盘式框架2、中空转动轴3、中空纤维膜器件4、下转盘式框架5、原水箱6、节流阀7、污水泵8、分流阀9、流量控制阀10、流量计11、活性污泥曝气池12、旋转式无泡膜式充氧组件13、曝气池出水阀14、二沉池15、二沉池出水阀16、污泥回流阀17、空压机18、减压阀19、储气罐20、节流阀21、进气控制阀22、旋转接头23、排气控制阀24、传动齿轮25、固定装置26、调速电动机27。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1、2所示中空纤维膜器件4是平面帘式中空纤维膜器件或束状中空纤维膜器件。所述的平面帘式中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈平行帘状固定有中空纤维膜微孔膜，在中空纤维膜微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维膜微孔膜两端用环氧树脂封端。束状中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈束状固定有中空纤维膜微孔膜，在中空纤维膜微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维膜微孔膜两端用环氧树脂封端。
如图3所示，旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置包括旋转式无泡膜式充氧组件13、供排气系统、供排水系统、电机与电气控制系统；供排气系统包括空压机18、减压阀19、储气罐20、节流阀21、进气控制阀22、旋转接头23、排气控制阀24，空压机18依次与减压阀19、储气罐20、节流阀21、进气控制阀22、旋转接头23、传动齿轮25、活性污泥曝气池12相连接，旋转接头23与排气控制阀24相连接，传动齿轮25与调速电动机27相连接；供排水系统包括原水箱6、节流阀7、污水泵8、分流阀9、流量控制阀10、流量计11、活性污泥曝气池12、曝气池出水阀14、二沉池15、二沉池出水阀16、污泥回流阀17，原水箱6依次与节流阀7、污水泵8、流量控制阀10、流量计11、活性污泥曝气池12、曝气池出水阀14、二沉池15、二沉池出水阀16相连接，二沉池15经污泥回流阀17与活性污泥曝气池12相连接，污水泵8与流量控制阀10连接处设有分流阀9；活性污泥曝气池12内设有旋转式无泡膜式充氧组件13，旋转式无泡膜式充氧组件13具有中空转动轴3，在中空转动轴上下分别固定上转盘式框架2和下转盘式框架5，两转盘式框架之间固定有2个或多个中空纤维膜器件4，转盘式框架与中空纤维膜器件4通过活接或插入式密封结构相连接，中空转动轴3穿过固定装置26与传动齿轮25相连接，中空纤维膜器件4上集气管与中空转动轴3通过软管1相连接，中空纤维膜器件4的下集气管密封。
所述的中空纤维膜器件4采用中空纤维微孔膜，中空纤维微孔膜是陶瓷膜、金属膜或高分子膜，中空纤维微孔膜的膜孔径0.01～0.5μm，孔隙率为40～90％，泡点0.01～1Mpa，高分子膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。
所述的旋转式无泡膜式充氧组件13为一个或多个，旋转式无泡膜式充氧组件13为横向排列或纵向排列，旋转式无泡膜式充氧组件13为单层或多层，旋转式无泡膜式充氧组件13以串联或者并联的方式进行充氧。
所述的电机与电气控制系统中的控制箱控制进气控制阀22、排气控制阀24、流量控制阀10、曝气池出水阀14、二沉池出水阀16和调速电动机27。
旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧的方法是将原水通入活性污泥曝气池12，旋转式无泡膜式充氧组件13固定在活性污泥曝气池12中并以几转～几十转/分钟的速度旋转，充氧过程中采取间歇充排气的方式，控制供气压力在中空纤维膜泡点以下，氧气在浓差和压差的驱动下，在中空纤维膜表面迅速溶解并扩散到污泥水中，使活性污泥曝气池12中水的溶解氧浓度保持在1～2.5mg/L，旋转式无泡膜式充氧组件13同时起到了混合和搅拌活性污泥的作用。
所述的间歇充排气的方式由供排气系统和电气控制系统控制；充气时，进气控制阀22开启，排气控制阀24关闭，气体通过旋转接头23向旋转式无泡膜式充氧组件13供气，进行无泡供氧；排气时，进气控制阀22关闭，排气控制阀24开启，旋转式无泡膜式充氧组件13中的气体通过旋转接头23向外排气；充排气时间和转换由电气控制系统进行控制，设定当旋转式无泡膜式充氧组件13中的氧含量下降10～90％时，停止充气，开始排气，排气时间为1s～60s，再开始充气，该过程循环进行；间歇排气可使空气中的氮气迅速排走，避免了氮气在气相和膜微孔中聚集，减小膜的传质阻力。
供气压力为0.01Mpa～1Mpa，污水在活性污泥曝气池12的水力停留时间为4～10小时，之后流入二沉池15，经二沉池15沉淀，出水即可达到排放要求。二沉池15中的污泥可通过污泥回流阀17回流到活性污泥曝气池12中。平面帘式中空纤维膜器件或束状中空纤维膜器件，在充氧过程中，气相和液相的相对运动状态是横向流运行方式。
本发明的工作原理：将加压空气连续通入中空纤维微孔膜的管腔中，水在管外流动，保持气体压力低于泡点(即在充氧的过程中产生肉眼可见的气泡时的最小气体压力)，在膜两侧氧分压差的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进人管外水体中。由于旋转式无泡膜式充氧组件在活性污泥曝气池中以几转～几十转/分钟的转速旋转，中空纤维微孔膜与水相相对运动的线速度较先前的技术有很大的增加，而且由于离心力的存在，充氧水较容易向外围扩散，氧利用率大大提高。由于中空纤维微孔膜在充氧过程中不参与分离作用，而且由于中空纤维膜与水是横向流的运行方式，膜外表面的水力剪切力大大增加，不但提高了传质速度，而且降低了膜污染的可能性，膜的使用寿命大大增加，运行稳定，运行成本更低。
依照上述一种旋转式无泡膜式充氧的方法，下面以具体实施例详细说明本发明。所有实施例的实施工艺步骤均与前述实施步骤相同，表中参数为各实施条件和得到的膜结构与性能。需要注意的是，所述实施例不构成对本发明的限制，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
实施例1
旋转式无泡膜式充氧组件13中采用3个平面帘式中空纤维膜器件，请参照图1，中空纤维膜材料为聚丙烯，外径为450μm，壁厚40～50μm，膜孔径为0.1～0.2μm；孔隙率为40～50％，泡点大于0.5Mpa，气通量大于0.05cm3/cm2·s·cmHg，平面帘式中空纤维膜组件尺寸为45×15cm，膜丝有效长度为40cm，膜有效面积为3m2，间歇排气每隔1min排气5s，转速20转/min，活性污泥曝气池有效容积70L，试验用水为脱氧水，溶解氧浓度接近零，供气为空气，试验条件和结果如下：
实施例2
旋转式无泡膜式充氧组件13中采用3个束状中空纤维膜器件，请参照图2，中空纤维膜材料为聚丙烯，外径为450μm，壁厚40～50μm，膜孔径为0.1～0.2μm；孔隙率为40～50％，泡点大于0.5Mpa，气通量大于0.05cm3/cm2·s·cmHg，膜丝有效长度为40cm，膜有效面积为3m2，间歇排气每隔1min排气5s，转速20转/min，活性污泥曝气池有效容积70L，试验用水为脱氧水，溶解氧浓度接近零，供气为空气，试验条件和结果如下：
Claims (8)
1.一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置，其特征在于，包括旋转式无泡膜式充氧组件(13)、供排气系统、供排水系统和电机与电气控制系统；供排气系统包括空压机(18)、减压阀(19)、储气罐(20)、节流阀(21)、进气控制阀(22)、旋转接头(23)、排气控制阀(24)，空压机(18)依次与减压阀(19)、储气罐(20)、节流阀(21)、进气控制阀(22)、旋转接头(23)、传动齿轮(25)、活性污泥曝气池(12)相连接，旋转接头(23)与排气控制阀(24)相连接，传动齿轮(25)与调速电动机(27)相连接；供排水系统包括原水箱(6)、节流阀(7)、污水泵(8)、分流阀(9)、流量控制阀(10)、流量计(11)、活性污泥曝气池(12)、曝气池出水阀(14)、二沉池(15)、二沉池出水阀(16)、污泥回流阀(17)，原水箱(6)依次与节流阀(7)、污水泵(8)、流量控制阀(10)、流量计(11)、活性污泥曝气池(12)、曝气池出水阀(14)、二沉池(15)、二沉池出水阀(16)相连接，二沉池(15)经污泥回流阀(17)与活性污泥曝气池(12)相连接，污水泵(8)与流量控制阀(10)连接处设有分流阀(9)；活性污泥曝气池(12)内设有旋转式无泡膜式充氧组件(13)，旋转式无泡膜式充氧组件(13)具有中空转动轴(3)，在中空转动轴上下分别固定上转盘式框架(2)和下转盘式框架(5)，两转盘式框架之间固定有多个中空纤维膜器件(4)，转盘式框架与中空纤维膜器件(4)通过活接或插入式密封结构相连接，中空转动轴(3)穿过固定装置(26)与传动齿轮(25)相连接，中空纤维膜器件(4)上集气管与中空转动轴(3)通过软管(1)相连接，中空纤维膜器件(4)的下集气管密封；所述的中空纤维膜器件(4)采用中空纤维微孔膜，中空纤维微孔膜是陶瓷膜、金属膜或高分子膜，中空纤维微孔膜的膜孔径为0.01～0.5μm，孔隙率为40～90％，泡点为0.01～1MPa，高分子膜的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置，其特征在于，所述的中空纤维膜器件(4)是平面帘式中空纤维膜器件或束状中空纤维膜器件。
3.根据权利要求2所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置，其特征在于，所述的平面帘式中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈平行帘状固定有中空纤维微孔膜，在中空纤维微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维微孔膜两端用环氧树脂封端。
4.根据权利要求2所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置，其特征在于，所述的束状中空纤维膜器件具有上、下两段集气管，两集气管之间呈束状固定有中空纤维微孔膜，在中空纤维微孔膜上进行一道或多道编织，外侧罩有保护网，中空纤维微孔膜两端用环氧树脂封端。
5.根据权利要求1所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧装置，其特征在于，所述的旋转式无泡膜式充氧组件(13)为一个或多个，旋转式无泡膜式充氧组件(13)为横向排列或纵向排列，旋转式无泡膜式充氧组件(13)为单层或多层，旋转式无泡膜式充氧组件(13)以串联或者并联的方式进行充氧。
6.一种使用如权利要求1所述装置的旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧的方法，其特征在于，将原水通入活性污泥曝气池(12)，旋转式无泡膜式充氧组件(13)固定在活性污泥曝气池(12)中并以几转～几十转/分钟的速度旋转，充氧过程中采取间歇充排气的方式，控制供气压力在中空纤维膜泡点以下，氧气在浓差和压差的驱动下，在中空纤维膜表面迅速溶解并扩散到污泥水中，使活性污泥曝气池(12)中水的溶解氧浓度保持在1～2.5mg/L，旋转式无泡膜式充氧组件(13)同时起到了混合和搅拌活性污泥的作用。
7.根据权利要求6所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧的方法，其特征在于，所述的间歇充排气的方式由供排气系统和电气控制系统控制；充气时，进气控制阀(22)开启，排气控制阀(24)关闭，气体通过旋转接头(23)向旋转式无泡膜式充氧组件(13)供气，进行无泡供氧；排气时，进气控制阀(22)关闭，排气控制阀(24)开启，旋转式无泡膜式充氧组件(13)中的气体通过旋转接头(23)向外排气；充排气时间和转换由电气控制系统进行控制，设定当旋转式无泡膜式充氧组件(13)中的氧含量下降10～90％时，停止充气，开始排气，排气时间为1s～60s，再开始充气，该过程循环进行；间歇排气可使空气中的氮气迅速排走，避免了氮气在气相和膜微孔中聚集，减小膜的传质阻力。
8.根据权利要求6所述的一种旋转式中空纤维微孔膜无泡充氧的方法，其特征在于所述的供气压力为0.01MPa～1MPa，污水在活性污泥曝气池(12)的水力停留时间为4～10小时，之后流入二沉池(15)，经二沉池(15)沉淀，出水即可达到排放要求。
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