CN101554545B - 连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件及其应用方法，包括由刚性四方围框和封装在围框两端面上的微网体形成的箱体，其特征是微网体由多层不同孔径微网叠加形成；箱体内设反冲洗撑板，反冲洗送水管及多根定位收水管；定位收水管平行于左右围板固定在上下围板之间，反冲洗撑板为横跨微网体以滑动配合套在定位收水管上的空腔板体，其前后端面是将微网体撑起的带喷水狭缝的弧面；反冲洗送水管与反冲洗撑板垂直密封连接并连接驱动机构；使用时在待处理污废水中按重量比加入5‰～1％粒径在200目以下的一种或多种环境矿物材料。本发明优点是：膜生成面积大，出水水质好且稳定，出水率高，成本低并优化简化动力和控制系统。
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，尤其涉及一种连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件及其应用方法。
背景技术
膜生物反应器(Membrane Bio Reactor，简称MBR)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。MBR具有的较高质量的固液分离效果和对有机物较高的去除效果，出水水质好、占地面积小、剩余污泥量低、自动化程度高，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，MBR在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；(2)膜组件造价高；(3)膜组件容易出现因浓差极化导致的污染、老化，使其通量下降并产生堵塞，使用寿命低；(4)需要设置高压抽吸水泵、大容量反冲洗设备和与之相关的控制部件，运行能耗和费用较高。上述缺点与障碍限制了MBR工艺大规模的推广和应用。
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200目以上如不锈钢丝网、尼龙、涤纶等化纤丝网、无纺布等微细滤网(行业统称微网)制作微网组件来代替传统的微滤或超滤膜组件，构成一种新型的微网动态膜生物反应器，简称DMBR(Micro-screenDynamic Membrane Bio Reactor)。微网组件主要由完成微滤的箱体及反冲洗机构构成，箱体是由不透水板材制作的方形围框及固定封装在围框两端面的微网体构成的扁立方体形的空腔箱体，微网体采用单层微网形成。微网虽有过滤性能，但只能作为粗滤隔离一些粒径较大固体物质，在动态膜微滤系统中则只作为动态膜的支撑载体。上述箱体内部的空腔，是盛放过滤水的容器，箱体外部的水只能通过微网体进入空腔。微网组件在使用时，置于生物反应器混合液中，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体上形成周期性生长脱落的生物质层即动态膜，也称为凝胶层、次生膜或动态膜。该膜的形成改进了作为支撑载体的微网体的过滤性能。动态膜具有活性、柔性和吸附性特征，在一定的控制条件下，可达到和传统MBR所用固体膜组件相同的微滤分离效果。待处理的污、废水混合液通过微网动态膜过滤后进入微网体的空腔内经出水管排出。由于微网动态膜生物反应器在固液分离过程中，动态膜作为基础分离介质是在生化反应过程中自生的，混合液源源不断为其提供成膜材料，因此不存在材料和制作成本消耗，尤其跨膜压力远远低于传统的MBR固体膜组件，而动态膜的深度污染又完全可以通过简单的反冲洗来控制和解决，没有必要定期更换膜组件，加之制作组件的材料易得且价格低廉，建设和运行成本远低于传统的MBR，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。
现有的微网动态膜技术基本是依靠错流过滤来控制动态膜厚度以降低膜污染和依靠间断反冲洗来更新动态膜保证膜通量的，这对传统MBR固体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(以污抑污或以污治污)的活性和柔性的动态膜来说却会产生一些不利影响，错流在对动态膜表面剪切冲刷的同时存在对支撑载体即微网表面不规则的法向振动作用，这种不规则振动的频带很宽，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，现有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”，使出水浊度和细菌总数波动并难以控制在传统MBR的水平；由于微网面积与过滤通量是成正比关系，而错流对支撑载体表面不规则振动的幅度由围框向膜面中心逐渐增高且不规则，膜面越大，“漏洞”出现的几率也就越高，水质也就越难保证，因此就造成微网的表面积和动态膜的生成面积难以放大，较小的组件膜面积和处理水量限制了该技术的大规模水处理应用；在使用过程中，因膜层增厚、附着污物过多，通量下降到必须进行反冲洗时，由于间断反冲洗需要足够大量的水或气混水，使得反冲洗设备容量大，资源耗费和能耗高，设备闲置率也高；反冲洗后，因动态膜再生成期间会产生大量未经膜滤的干扰水，使得出水率难以提高。这些技术性瓶颈，使得动态膜技术难以实现工程性利用。
综上所述，如何使动态膜分离技术真正成为一种低成本的水处理实用技术，成为业界关注问题。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对上述问题，提供一种造价低，体积小，膜生成面积大，出水水质好且稳定，通量高且稳定，出水率高并优化简化动力和控制系统，实现低能耗、低成本运行的连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件及其应用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件，包括由刚性不透水的上、下、左、右围板围制的四方形围框和固定封装在围框两端面上的微网体形成的空腔扁立方体型箱体，其特征在于所述微网体是由2-3层孔径为200～500目的不同孔径的微网叠加形成；在所述箱体内设置反冲洗撑板，带动反冲洗撑板移动的1根或多根反冲洗送水管及多根开有若干过水孔的定位收水管；所述多根定位收水管平行于所述左、右围板并行固定在所述上、下围板之间，各定位收水管从上围板伸出连至出水管；反冲洗撑板为横跨微网体网面以其板面平行于箱体的上、下围板滑动配合套装在所述定位收水管上且可在上、下围板间往复移动的密封空腔板体，其前、后端面设置成挤贴微网体将微网体撑起的带喷水狭缝的弧面；所述反冲洗送水管垂直于反冲洗撑板板面，其下端与反冲洗撑板固定连接并密封连通反冲洗撑板的空腔、其上端伸出箱体外与驱动机构连接，反冲洗送水管与上围板以滑动配合密封连接。
一种采用上述连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件进行污、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％粒径在200目以下的一种或多种环境矿物材料，然后将所述微网组件箱体垂直浸入并放置于生物反应器曝气生化池水中，在水压作用下，混合液连续通过微网体进入所述箱体空腔内并通过所述定位收水管排出空腔汇入所述出水管；随着液流进入和排出箱体，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进水面，净化后的清水从所述出水管流出；
(3).在线清洗并更新动态膜
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，开启向反冲洗送水管输送的清水，通过调整驱动机构使反冲洗送水管以1-5m/H的速度上下缓慢移动，此时，反冲洗水通过反冲洗撑板的出水狭缝贴靠微网体出水面冲洗微网体，使附着在微网体上的动态膜及附着污物脱落；随着反冲洗撑板的移开，环境矿物材料可及时填补微网体的空隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网体，由于反冲洗撑板以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜并分布降低网面振动，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。
在上述步骤(1)中所述的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)采用连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件，组件内设置的反冲洗撑板周期性移动支撑和顶起微网，实际是提供出一种平均分布因紊流水力环境的存在而产生的不规则振动转向相对规则振动和消减振幅和频率的方法，它是将微网振动中在振幅、频率有效降低的前提下，再按照一个固定的周期分配给微网上的每一个过滤点位。这种方法在保留了目前采用的错流过滤有利因素的前提下有效消解了紊流对微网法向振动的不利影响，创造了适于动态膜均匀、稳定生成和代谢的良好的“床”环境，解决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)采用本发明，可大幅度提高组件的微网面积，将组件做大。由此提高整个DMBR系统的的处理水通量，发挥出微网组件价格低的优势；(3)采用的反冲洗撑板连续线形反冲洗方式，由于速度缓慢且瞬间仅对沿撑板区域的微网上的局部动态膜进行冲刷，因此给新生动态膜的生长以足够的时间，达到旧膜去除与新膜生长良性交替循环，有效控制膜厚，保证恒定的较高的出水通量；(4)混合液中加入环境矿物材料，当微网体上的动态膜层被瞬时冲开后，环境矿物材料在水压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体，使干扰水透过量降低到最小水平；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体上更容易剥离，有利于对微网组件的保护，使其不出现深度污染，降低反冲洗设备的能耗；(5)与传统加压及提供足够大流量的水或气混水的间断反冲洗方式相比，本发明使用的反冲洗水用量极低，使系统具有非常高的有效透水率；这种在线清洗方法，设备容量远低于传统的膜生物反应器设备容量，显著降低装机成本和运行能耗，反冲洗设备利用率为100％。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是连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件的主视结构示意图(去除前部微网体)；
图2是图1中箱体部分的俯视图；
图3是图1中的A-A剖面视图；
图4是图1中箱体部分的立体图；
图5是连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件的应用示意图。
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4示出一种连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件，包括由刚性不透水的上、下、左、右围板围制的四方形围框51和固定封装在围框两端面上的微网体41、42形成的空腔扁立方体型箱体5，其特征在于所述微网体41、42是由2-3层孔径为200～500目的不同孔径的微网叠加形成；微网材料可采用不锈钢丝网、尼龙、涤纶等化纤丝网及无纺布等，本例中采用了由外至里分别为250目、360目和480目的三层微网叠加构成微网体，微网材料采用了化纤丝网；在上述箱体5内设置反冲洗撑板6，带动反冲洗撑板移动的1根或多根反冲洗送水管2及多根开有若干过水孔的定位收水管3，实际制作中根据箱体5的横向宽度大小确定使用反冲洗送水管的数量，对宽型箱体，为带动宽型反冲洗撑板，须设置多根反冲洗送水管，本例中设置了1根反冲洗送水管2，4根定位收水管3，上述4根定位收水管3平行于箱体5的左、右围板并行固定在上述上、下围板之间，各定位收水管3从上围板伸出通过引水管31连至出水管32，进而汇总至出水总管33；上述反冲洗撑板6为横跨微网体41、42的网面以其板面平行于箱体5的上、下围板滑动配合套装在上述定位收水管4上，且可在上、下围板间往复移动的密封空腔板体，反冲洗撑板6的前、后端面设置成分别挤贴微网体41、42将微网体撑起的带喷水狭缝61、62的弧面；上述反冲洗送水管2垂直于反冲洗撑板6的板面，其下端与反冲洗撑板6固定连接并密封接通反冲洗撑板的空腔、其上端伸出箱体外与驱动机构1连接并通过软管22连至供水管23，反冲洗送水管2通过密封圈21与上围板以滑动配合密封连接。本实施例中，微网组件7的驱动机构1采用了蜗轮、蜗杆传动机构，主要由电机11、减速机12、蜗轮13、蜗杆14组成，电机11通过减速机12带动蜗轮13转动，蜗轮13带动蜗杆做垂直运动，因蜗杆通过法兰15活动连接反冲洗送水管2顶端，从而带动反冲洗送水管2做垂直运动，当控制电机换向转动时，蜗杆做上下往复运动，从而带动反冲洗送水管2做上下往复运动，进而由反冲洗送水管2带动与其固定连接的反冲洗撑板6做上下往复运动。蜗轮13通过连接于减速机12与轴架17之间的传动轴16支撑。
上述定位收水管3的作用是：(1)均衡微网组件的腔内收水，降低收水死角区域或收水短路区域不均衡流量对动态膜层造成的生长不均匀或破损。(2)定位反冲洗撑板。(3)避免因反冲洗撑板上下移动产生水压，将空腔内清水通过微网体压出腔外。(4)将空腔内清水通过出水管排出。反冲洗撑板6由于套装在定位收水管上，可实现沿定位收水管定向稳定移动。反冲洗撑板内部为密封空腔，空腔内的反冲洗水只能通过前后水平狭缝喷出撑板并形成线形水帘透过微网体喷出。由于工作中，反冲洗撑板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。由于支撑并顶起微网体的反冲洗撑板连续缓慢作用于微网网面，将紊流作用与网面的振动往复、平均地在网面进行分配，实际上起到通过反冲洗撑板扫描式移过网面进行减振并使微网振幅和频率变化均布的作用。这种呈线形的喷出反冲洗水与挤贴微网体将微网体撑起的周期性移动的联动方式构成了扫描减振并连续线形反冲洗的综合效果，以此保证动态膜在整个微网体上附着时接受的是相同周期的被降低幅度和频率的振动环境，即相同过程的“着床”、“孕育”、“生长”的固定“床”环境，使得整个网面生成膜层质地均匀，厚度一致，无不规则变化，从而保证动态膜过滤性能一致和稳定，保证出水水质及高出水率。
图5是连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件的应用示意图。如图所示，采用了本发明提供的6个微网组件，在生物反应器的罐体30的曝气生化池中设置了6个箱体5及相应的驱动机构1，本例中，6组蜗轮、蜗杆传动机构共用了一组电机及减速机设备。以下结合图1～图5对本发明提供出的一种采用上述连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件进行污、废水过滤的方法进行说明，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％粒径在200目以下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150目的海泡石、粒径200目的凹凸棒及粒径100目的活性炭粉；然后将上述微网组件箱体垂直浸入并放置于生物反应器的设有曝气盘10的曝气生化池中，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，本例中微网组件浸入深度＝0.8m。在水压作用下，混合液连续通过上述微网体41、42进入上述箱体5的空腔内并通过定位收水管3排出空腔汇入出水管32；随着液流进入和排出箱体5，环境矿物材料和微生物菌胶团附着在微网网体41、42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41、42进水面，净化后的清水通过定位收水管3、经引水管31，连至出水管32，并汇总至出水总管33流出罐体30，图5中箭头9示出净化后的清水流向；
(3).在线清洗并更新动态膜
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，开启清水阀门，通过供水管23，软管22向反冲洗送水管2输送清水，图5中箭头8示出反冲洗水流向；反冲洗水通过反冲洗送水管2进入与其密封连接的反冲洗撑板6的空腔内，此时，通过调整驱动机构1的电机11、减速机12的转速及转向，使移动反冲洗送水管2以1-5m/H速度上下缓慢移动，图1、3、4、5中转轴16，蜗杆14及反冲洗送水管2外侧的箭头分别示出了它们的往复运转方向。此时，反冲洗水通过反冲洗撑板6的前、后出水狭缝61、62分别贴靠前、后微网体41、42出水面冲洗微网体，从狭缝喷出的水形成线形水帘并透过微网体喷出使附着在微网体上的动态膜及附着污物脱落；当反冲洗撑板6移开冲洗的网面后，环境矿物材料可及时填补该部分微网体空隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网体，由于反冲洗撑板以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜并分布降低网面振动，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。由于支撑并顶起微网体的反冲洗撑板连续缓慢作用于微网体网面，将紊流作用与网面的振动平均、往复地在网面上进行分配，实际上起到通过反冲洗撑板扫描式移过网面进行减振并使微网振幅和频率变化均布的作用。这时附着于微网上的新生动态膜将是一层厚度一致、密实程度一致的凝胶层。如此周而复始，保证着滤过水质和通量的稳定。
以下为本实施例在不同条件下的应用效果：
(1)图5的MBR反应器：在HRT＝4H，MLSS＝15000mg/L，气水比＝12，微网组件反冲洗周期＝120min，微网组件浸入深度＝0.8m，微网面积＝20m2的条件下连续运行120天，出水SS未检出、浊度≤2N、粪大肠菌群≤200个/L。
(2)氧化沟：在HRT＝4.5H，MLSS＝9000mg/L，气水比＝10；微网组件反冲洗周期＝90min，微网组件浸入深度＝0.8m，微网面积＝7m2的条件下连续运行120天，出水SS未检出、浊度≤2N、粪大肠菌群≤200个/L。
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，以及运行控制复杂，维护技术条件高的缺陷，并克服现有动态膜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 (3)
1.一种连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件，包括由刚性不透水的上、下、左、右围板围制的四方形围框和固定封装在围框两端面上的微网体形成的空腔扁立方体型箱体，其特征在于所述微网体是由2-3层孔径为200～500目的不同孔径的微网叠加形成；在所述箱体内设置反冲洗撑板，带动反冲洗撑板移动的1根或多根反冲洗送水管及多根开有若干过水孔的定位收水管；所述多根定位收水管平行于所述左、右围板并行固定在所述上、下围板之间，各定位收水管从上围板伸出连至出水管；反冲洗撑板为横跨微网体网面以其板面平行于箱体的上、下围板滑动配合套装在所述定位收水管上且可在上、下围板间往复移动的密封空腔板体，其前、后端面设置成挤贴微网体将微网体撑起的带喷水狭缝的弧面；所述反冲洗送水管垂直于反冲洗撑板板面，其下端与反冲洗撑板固定连接并密封连通反冲洗撑板的空腔、其上端伸出箱体外与驱动机构连接，反冲洗送水管与上围板以滑动配合密封连接。
2.一种采如权利要求1所述的连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件进行污、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％粒径在200目以下的一种或多种环境矿物材料，然后将所述微网组件箱体垂直浸入并放置于生物反应器曝气生化池水中，在水压作用下，混合液连续通过微网体进入所述箱体空腔内并通过所述定位收水管排出空腔汇入所述出水管；随着液流进入和排出箱体，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进水面，净化后的清水从所述出水管流出；
(3).在线清洗并更新动态膜
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，开启向反冲洗送水管输送的清水，通过调整驱动机构使反冲洗送水管以1-5m/H的速度上下缓慢移动，此时，反冲洗水通过反冲洗撑板的出水狭缝贴靠微网体出水面冲洗微网体，使附着在微网体上的动态膜及附着污物脱落；随着反冲洗撑板的移开，环境矿物材料可及时填补微网体的空隙，抑制悬浮物质和微细胶体颗粒穿过微网体，由于反冲洗撑板以线形区域连续缓慢扫描冲刷动态膜并分布降低网面振动，使动态膜代谢、脱落、生长交错进行，实现在线更新。
3.根据权利要求2所述的采用连续移动线形反冲洗并分布减振的微网组件进行污、废水过滤的方法，其特征在于在步骤(1)中所述的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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