CN102249405A - 砂基板式膜-生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种砂基板式膜-生物反应器主要由生物反应池、膜滤池、生物鼓气流量计、生物鼓气管、膜鼓气流量计、膜鼓气管、n形循环管、砂基板式膜组件、抽吸泵、隔墙、净化水流量计、气泵、砂基板式膜元件和膜支架组成。本发明在公知的透水砖技术基础上，通过覆涂有机膜材料得到一种长寿命的膜元件-砂基板式膜元件，将该种膜元件组成砂基板式膜组件，并使用这种砂基板式膜组件构成一种砂基板式膜-生物反应器。本发明解决和克服了公知膜生物反应器采用有机膜寿命较短和采用无机陶瓷膜造价及运行能耗高和运行费用高的问题。使膜生物反应器成为一种更加实用，宜于普及和大规模应用的水处理、污水处理和污水再生回用技术。

Description

砂基板式膜-生物反应器

技术领域

本发明属于膜生物反应器技术领域，特别涉及一种砂基板式膜-生物反应器。

背景技术

膜生物反应器由生物反应池单元和膜分离单元组成，其特点是：处理水质好、处理水适宜回用；占地面积小，环境适应性高；自动化程度高，容易运行管理。其应用的规模不断发展，万吨级和几十万吨级的市政污水处理工程已经出现，其应用数量也越来越大，数以千级的膜生物反应器工程在世界许多国家和地区得到应用。

公知的膜生物反应器有一体和分体两种，其膜单元的形式有浸没式和外置错流式，膜单元采用的膜材料分为有机膜和无机膜。

公知的膜生物反应器大多采用的是有机膜。有机膜强度差，使用寿命短，是当今阻碍膜生物反应器大规模和普及应用的一个重要限制性因素和重大技术难题。有机膜大多为石油化工材料或塑料制成的膜。有机膜存在膜强度不高，膜组件会发生破裂，特别是中空纤维膜容易出现膜丝断裂。目前市售有机膜的寿命据各生产厂商的技术参数，最短为1-3年，最长6-10年。(高大林。颇尔各种膜技术的比较。清华大学：膜法水处理技术研讨会，2005：228；The purification company(Norit).X-low recycling ofwastewater，Tsing Hua university，China：international symposium onmembrane technologies for water and wastewater treatment，2005：195；郑祥等。膜生物反应器的技术经济分析。给水排水，28(3)，2002：105-108)

膜的断裂，使处理水质变差，达到一定程度时，必须进行膜更换。膜的换膜工程量和一次性费用很大，工程停运，对于大规模的膜生物反应器工程，换膜产生的问题就更为严重。由于有机膜主要以石油化工产品为原料，每次膜更换等于在消耗大量宝贵不可再生石油资源，这在石油资源日益短缺的条件下问题将日显严重。不仅如此，换掉的废旧膜组件又成为难以处理的有机工业废弃物，给环境造成二次污染和新的负担。即使有机膜材料不是意外的损坏，这种有机膜生物反应器正常地、周期地膜更换产生的经济和环境问题也将是巨大的，随着膜生物反应器在大规模市政污水处理工程中应用的发展，这一问题将更显突出和严重。

公知的无机膜主要有金属膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜、分子筛膜等。无机膜具有有机聚合物分离膜无法比拟的优点：化学稳定性好，耐酸碱、耐有机溶剂；机械强度大，寿命长；可以反冲洗；抗微生物的能力强，不与微生物发生作用；耐高温；孔径分布窄分离效率高。

但目前商品化的无机膜主要是陶瓷膜。但是陶瓷膜制造工艺复杂、加工难度大，价格昂贵，因此，陶瓷膜分离技术主要在高附加值的工业项目中应用。如奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业，食品工业、生物工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域，成为苛刻条件下精密过滤分离的重要新技术。陶瓷膜在环境工程中的应用，存在造价高，运行费用较高的问题。所以，在环境工程中应用主要是油水分离、对某些化工原料回收等。陶瓷膜在膜生物反应器中的应用仍局限在实验室研究阶段。陶瓷膜在环境工程中应用受到限制的主要原因是处理成本过高、运行能耗及运行费用高等。(《中国化工报》2002.9.10文/刑卫红；时钧，袁权，高从堦等。膜科学技术手册[M]。北京：化学工业出版社，2001：114-116；邢传红。超滤膜生物反应器处理生活污水及其水力学研究。环境科学，1997，18(5)：19～21；张永明等。双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究。http://www.chinafa.net/web/class/46 4.html，2006，2，15；膜科学技术研究所。气升式陶瓷膜生物反应器的研究。http://mst.niut.edu.cn/chinese/mst/peiyang.html，2006，2，15；郑祥等。膜生物反应器的技术经济分析。给水排水，28(3)，2002：105-108)

由分析可知，采用常规有机膜生物反应器，由于常规有机膜的强度差，更换周期短，存在着影响处理水质和水处理系统长期、稳定运行、膜更换频繁、造成较大资源浪费和新的污染，严重影响着膜生物反应器技术的规模化应用和产业化的发展等问题。现有无机膜虽然强度较高，却又因为其造价和水处理成本高限制了其在环境工程和膜生物反应器中的广泛应用。

中国专利申请号200610008198.3公开了一种用两块铸砂膜板组成的铸砂膜组件。但该专利申请文件所描述的铸砂膜组件结构，当水压稍大时，极容易损坏该铸砂膜组件，因此不能应用于大规模污水处理工程上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种砂基板式膜-生物反应器，以期能解决和克服公知膜生物反应器采用有机膜寿命较短和采用无机陶瓷膜造价及运行能耗高和运行费用高的问题。

为实现上述目的，本发明提供的砂基板式膜-生物反应器，主要构成为：

由隔墙相隔形成的膜滤池与生物反应池，隔墙顶部淹没在生物反应池或膜滤池的池水液面；

隔墙底部开设有通孔；

膜滤池和生物反应池之间的隔墙上安有n形循环管，该n形循环管主体安装在生物反应池一侧，n形循环管的底部弯管密闭安装在隔墙底部的开孔内，n形循环管底部弯头开口于膜滤池中，n形循环管顶部管口与膜生物反应器最高液面平齐；

膜滤池内安装有竖直排列的砂基板式膜组件；

生物反应池内装有生物鼓气管；

砂基板式膜组件的下方装有膜鼓气管；

生物鼓气管通过生物鼓气流量计与气泵连接；

膜鼓气管通过膜鼓气流量计与气泵连接；

砂基板式膜组件通过出水管与抽吸泵和流量计连接；

砂基板式膜组件由砂基板式膜元件、膜支架、集水管、连接管和出水管组成；其中：

砂基板式膜元件为挤压铸塑成型，中间设有多根中空导流管；

砂基板式膜元件具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部内部均设有相互连通的中空导流总管；在第一端部或第二端部的一侧安装有水嘴；

砂基板式膜元件外表面涂覆有一层有机多孔膜材料。

所述的砂基板式膜-生物反应器，其中隔墙顶部淹没在生物反应池或膜滤池的池水液面至10-35cm深度处。

所述的砂基板式膜-生物反应器，其中n形循环管竖管的长度为1-5米。

所述的砂基板式膜-生物反应器，其中生物鼓气管和膜鼓气管为穿孔管或微孔曝气元件，其水下安装深度相同。

所述的砂基板式膜-生物反应器，其中膜滤池在停止鼓气的条件下，其静水位同生物反应池的静水位平齐。

所述的砂基板式膜-生物反应器，其中有机多孔膜材料为聚偏氟乙烯材料。

本发明在公知的透水砖技术的基础上，通过覆涂有机膜材料得到一种长寿命的膜元件-砂基板式膜元件，将该种膜元件组成砂基板式膜组件，并使用这种砂基板式膜组件构成一种砂基板式膜-生物反应器。

本发明具有如下优点：

1)砂基板式膜元件是在膜基材上覆涂亲水性聚偏氟乙烯(PVDF)有机膜材料；由于覆涂得有机膜材料不承担基材所要承担的支撑作用，所以膜层薄，既节省有机膜材料，又减小透水阻力。

2)同时由于制成的砂基板式膜元件为板式膜，在工作时砂基板式膜元件处在固定和静止状态，并且采用支架进行了固定，经受的交变应力较小，不易因疲劳强度问题产生疲劳破坏。而公知的外压式有机中空纤维膜在抖动状态下工作，有机膜材料难以避免因疲劳强度不足而在较短运行时间内产生疲劳破坏。由于以上原因，砂基板式膜元件具有高透水率，高强度，长寿命的特点。

3)由于n形循环管可以完全放置在生物池内不占膜池空间利于减小膜池空间，从而减小膜清洗时耗水和耗化学清洗剂量；n形循环管无需阀门和阀门井，减低了设备和材料消耗，减少了建设费用，工程投资省；水力循环无需循环泵，减少了设备费用；循环无需额外电能，运行能耗较低；无循环泵，不存在因叶轮运转损伤膜生物反应器微生物问题；循环管仅为一根通透管，不容易堵塞，循环水量大、安全性高。

附图说明

图1是本发明的砂基板式膜-生物反应器的示意图。

图2是本发明的砂基板式膜组件及砂基板式膜元件的示意图。

图3(a)是图2中砂基板式膜元件的示意图。

图3(b)是图3(a)的俯视图。

图3(c)是图3(a)的侧视图。

附图中主要组件标号说明：

1原水，2生物反应池，3膜滤池，4生物鼓气流量计，5生物鼓气管，6膜鼓气流量计，7膜鼓气管，8n形循环管，9砂基板式膜组件，10抽吸泵，11隔墙，12净化水流量计，13气泵，14砂基板式膜元件，15膜支架，16集水管，17连接管，18出水管，19中空导流管，20第一端部，21第二端部，22、23中空导流总管，24水嘴，25亲水性聚偏氟乙烯(PVDF)有机膜材料。

具体实施方式

本发明的砂基膜生物反应器，其主要包括有：

生物反应池2、膜滤池3、生物鼓气流量计4、生物鼓气管5、膜鼓气流量计6、膜鼓气管7、n形循环管8、砂基板式膜组件9、抽吸泵10、隔墙11、净化水流量计12、气泵13、砂基板式膜元件14、膜支架15(参见图1)。

具体构成是：膜滤池3与生物反应池2由隔墙11相隔，隔墙11顶部淹没在生物反应池2或膜滤池3池水液面至10-35cm深度处，隔墙11底部开孔；在膜滤池和生物反应池之间的隔墙11上安有n形循环管8；n形循环管8主体安装在生物反应池2一侧，n形循环管8的底部弯管密闭安装在隔墙11底部的开孔之内，n形循环管8底部弯头开口于膜滤池2中，n形循环管8顶部管口与膜生物反应器最高液面平齐；在膜滤池3内安装有竖直排列的砂基板式膜组件9；在生物反应池内装有生物鼓气管5，膜滤池内，在砂基板式膜组件9的下方装有膜鼓气管7；生物鼓气管5通过生物鼓气流量计4与气泵13连接，膜鼓气管7通过膜鼓气流量计6与气泵13连接；在鼓气的作用下，膜滤池3底部的混合液向上升冲刷砂基板式膜组件9后，跃过隔墙11顶部回流至生物反应池2，形成生物反应池2和膜滤池3之间的水力循环；净化水经过砂基板式膜组件9过滤，经过出水管18由抽吸泵10抽吸，经净化水流量计12计量后送出。

如图2、图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，砂基板式膜组件9主要由砂基板式膜元件14、膜支架15、集水管16、多根连接管17和出水管18组成。

砂基板式膜元件14无需烧结，而是通过挤压铸塑成型，其形状为中间有多根中空导流管19；砂基板式膜元件14有第一端部20和第二端部21；第一端部20内部有一根第一中空导流管22，第一端部20上安装有水嘴24与第一中空导流管22连通；第二端部21内部有一根第二中空导流管23；砂基板式膜元件14是在砂基板的外表面采用公知技术涂覆有一层以PVDF为材料的有机多孔膜材料25。

本发明的砂基板是购自北京仁创科技集团有限公司，根据该公司的产品介绍，该砂基板式膜的基材是沙漠中的风积砂，为天然砂质材料。通过改变水表面张力改善透水砖透水性能，采用高频微振挤压成型，免烧结，可塑性强。该公司的网址为：

http://www.rechsand.com/Product.asp？type_ep＝4&typeid＝15

砂基板式膜组件9的构成是：膜连接管17将每一块砂基板式膜元件14与集水管16和出水管18连接；砂基膜组件9在膜滤池3中安装时，自水面起向下布设，即砂基膜组件9的上框边缘刚好淹没在隔墙11水面之下0至25cm水层中，膜组件的下边缘视膜组件长度浸没入自水面至3.5米水深范围内的水层中。

n形循环管的构成是：两根竖管在上部由一个三通和一个弯头经一根横短管连接，在下部由一个弯头和横短管连接，开口于膜滤池3底部；n形循环管8上无阀门；本发明优选的n形循环管8竖管的长度为1-5米(参见图1)。

生物鼓气管5和膜鼓气管7为穿孔管或微孔曝气元件，其水下安装深度相同。

膜滤池3在停止鼓气的条件下，其静水位同生物反应池2的静水位平齐。

本发明的砂基板式膜-生物反应器在实际使用时，经预处理过的污水1进入生物反应池2，生物反应池2内有活性污泥混合液。空气由空气泵13经生物鼓气流量计4通入生物反应池2的生物鼓气管5，对活性污泥混合液鼓气，使其混合均匀和充氧后，进入经n形循环管8进入膜滤池3；同时，对砂基板式膜组件9进行冲洗的空气，由气泵13经膜鼓气流量计6、膜鼓气管7接入膜滤池3；膜鼓气管7鼓气除了起到对膜清洗的作用外，主要有给混合液充氧、气提混合液由膜池顶部回到生物反应池2，再由n形循环管8底部弯头返回膜滤池3形成两池的水力循环。净化水通过砂基板式膜组件9通过抽吸泵10的抽吸作用，经净化水流量计12出水回用或排放。

举一实施例以说明本发明的效果。

处理用水为居民区的生活污水，水质指标为COD：66.7-265.3mg/L，BOD5：42-82mg/L，NH4+-N 37.3-84.5mg/L，处理水量为200L/h。系统运行4个月，水处理效率一直较高，且出水水质稳定，出水COD、BOD5和NH4+-N的平均值分别为22.70mg/L、3.52mg/L和4.28mg/L，出水水质与《城市污水再生利用-城市杂用水水质标准》(GB/T 18920-2002)主要项目比较，可以看出系统处理生活污水的中试结果完全达到该标准要求，且系统运行稳定可靠。

本发明解决和克服了公知膜生物反应器采用有机膜寿命较短和采用无机陶瓷膜造价及运行能耗高和运行费用高的问题。使得膜生物反应器的膜材料充分利用天然廉价和环境友好的材料，大大延长膜生物反应器的寿命，突破公知有机膜生物反应器使用寿命最长5-10年的瓶颈限制，使膜生物反应器成为一种更加实用，宜于普及和大规模应用的水处理、污水处理和污水再生回用技术。

Claims (6)

1.一种砂基板式膜-生物反应器，主要构成为：

由隔墙相隔形成的膜滤池与生物反应池，隔墙顶部淹没在生物反应池或膜滤池的池水液面；

隔墙底部开设有通孔；

膜滤池和生物反应池之间的隔墙上安有n形循环管，该n形循环管主体安装在生物反应池一侧，n形循环管的底部弯管密闭安装在隔墙底部的开孔内，n形循环管底部弯头开口于膜滤池中，n形循环管顶部管口与膜生物反应器最高液面平齐；

膜滤池内安装有竖直排列的砂基板式膜组件；

生物反应池内装有生物鼓气管；

砂基板式膜组件的下方装有膜鼓气管；

生物鼓气管通过生物鼓气流量计与气泵连接；

膜鼓气管通过膜鼓气流量计与气泵连接；

砂基板式膜组件通过出水管与抽吸泵和流量计连接；

砂基板式膜组件由至少一个砂基板式膜元件、膜支架、集水管、连接管和出水管组成；其中：

砂基板式膜元件为挤压铸塑成型，中间设有多根中空导流管；

砂基板式膜元件具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部内部均设有相互连通的中空导流总管；在第一端部或第二端部的一侧安装有水嘴；

砂基板式膜元件外表面涂覆有一层有机多孔膜材料。

2.如权利要求1所述的砂基板式膜-生物反应器，其中，隔墙顶部淹没在生物反应池或膜滤池的池水液面至10-35cm深度处。

3.如权利要求1所述的砂基板式膜-生物反应器，其中，n形循环管竖管的长度为1-5米。

4.如权利要求1所述的砂基板式膜-生物反应器，其中，生物鼓气管和膜鼓气管为穿孔管或微孔曝气元件，其水下安装深度相同。

5.如权利要求1所述的砂基板式膜-生物反应器，其中，膜滤池在停止鼓气的条件下，其静水位同生物反应池的静水位平齐。

6.如权利要求1所述的砂基板式膜-生物反应器，其中，有机多孔膜材料为聚偏氟乙烯材料。

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