CN102259971B - 高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器 - Google Patents

Abstract

高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器，涉及膜-生物反应器污水处理技术，适用于对可生化处理的微污染水、生活污水及工业废水进行净化处理。本发明由膜-生物反应池（1）、拉链式柔性膜组件（2）、链条、V型刮刀（3）、齿轮辊轴（4）和设置在膜-生物反应器内的微孔曝气管组成，拉链式柔性膜组件（2）通过拉链与链条结合设置在齿轮辊轴（4）上。清洗时，通过清洗水箱注入或排空水而将获得的势能变为清洗的驱动力，带动拉链式柔性膜组件（2）围绕齿轮辊轴上下折转，经过V型刮刀（3）将膜面污染物刮除，分离出膜-生物反应器（1）外。本发明具有通量高，曝气量小，能耗低，占地面积少，运行费用低，能有效控制膜污染控制优点。

Description

高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器

技术领域

高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器，涉及膜-生物反应器污水处理技术，适用于对可生化处理的微污染水、生活污水及工业废水进行净化处理。

背景技术

浸没式膜-生物反应器（Submerged Membrane Bioreactor，简称SMBR）将膜组件直接置于活性污泥生物反应器，用负压抽吸或重力水头使透过液通过膜面实现固液分离，在膜组件下方曝气冲刷膜组件防止污泥粘附到膜面形成泥饼层，并在一定程度上抑制凝胶层污染的发展。浸没式膜-生物反应器具有出水浊度低（小于1 NTU）、处理水质好、结构紧凑、占地面积小、剩余污泥排放少等优点，使其在污水处理领域竞争力日趋提高。

目前，限制浸没式膜-生物反应器进一步工程应用的主要原因在于膜污染和较高的能耗。浸没式膜-生物反应器在长期运行过程中的膜污染可分为两个阶段，第一阶段是污泥中的胶体及大分子物质在堵塞膜孔、在膜表面吸附和沉积，这时膜污染发展缓慢，抽吸压力上升平稳，通量基本不衰减；第二阶段由于膜面沉积的胶体及大分子物质改变了膜面性质，使得颗粒物质和污泥絮体更容易粘附于膜面，膜污染加剧，抽吸压力迅速上升，通量明显衰减，此时需要对膜组件进行清洗以恢复通量。

膜污染的宏观表现形式可分为凝胶层污染和泥饼层污染。泥饼层污染是由污泥絮体在膜面大量沉积并在膜的抽吸作用下不断压实而形成的，合理的膜-生物反应器设计和曝气水力冲刷可以控制或避免泥饼层的形成。凝胶层污染主要是由于活性污泥体系中小颗粒物质包括胞外聚合物 (EPS)、微生物溶解性产物 (SMP)、糖类和蛋白质等一些有机物质的污染，而这些污染是不可避免的。

在实际运行中，为了控制膜污染浸没式膜-生物反应器所采用的曝气量远高于生化反应所需曝气量，气水比数倍于常规活性污泥法，其吨水电耗在0.7元/吨以上，远大于常规活性污泥法的电耗，使浸没式膜-生物反应器的运行成本大幅提高，在经济性上较难被接受。另外，为了延长膜组件的稳定运行周期，膜组件采用次临界通量运行，造成了膜面积不必要的浪费，增加了投资费用，扩大了占地面积，弱化了浸没式膜-生物反应器的经济性优势。高电耗和不必要的膜组件投资限制了浸没式膜-生物反应器的大规模应用。

因此，如何降低浸没式膜-生物反应器的运行电耗、降低膜组件投资以及提高膜面积的有效利用，对于其发展前景具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜组件投资省、组装方便、操作通量高、运行能耗低、可全自动在线清洗的高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器。

本发明由设置在膜-生物反应器内的拉链式柔性膜组件、链条、齿轮辊轴、V型刮刀及微孔曝气管和设置在膜-生物反应器外的两个清洗水箱组成，通过分别对两个清洗水箱存水或排水，以改变两个清洗水箱位置而获得的势能转变为动能驱动运行拉链式柔性膜组件，实现膜组件的在线自清洗。其中拉链式柔性膜组件垂向安装在膜-生物反应器内，不使用传统平板膜中的导流板及框架结构，膜腔内部由填充层和导流网组成，膜的四边密封，上下两端由硬质塑料条保持膜片的展开并安装出水管，膜片的左右两侧设置半侧拉链，与固定在链条上的半侧拉链咬合后将柔性膜组件固定在链条上。链条设置在齿轮辊轴上，在线清洗时拉链式柔性膜组件随着链条围绕齿轮辊轴上下折转运动。膜组件重量轻、成本低、安装方便。对于不同的处理对象和用途，如生活污水、工业废水、垃圾渗滤液和浓缩污泥，膜组件运行通量均达到或高于膜组件的临界通量。

微孔曝气管配置于柔性膜组件正下方，曝气充氧并对柔性膜组件冲刷，曝气的气量仅是维持正常生化反应所需的气量，由于微孔曝气管氧利用率高于穿孔管，气水比在10:1左右，根据处理水质的不同，气水比可以进行适当调整。由此，曝气电耗大幅下降，与传统浸没式膜-生物反应器相比，吨水电耗降低一半以上。

由于本发明采用高通量及小气量微孔曝气，膜污染相比传统浸没式膜-生物反应器可能会加重，为了有效控制膜面污染，使得膜组件能够长期稳定运行，为此，本发明采用在线物理清洗。固定柔性膜组件的链条通过齿轮辊轴折叠以提高装填密度，链条的两端分别与清洗水箱连接，膜出水在电磁阀和继电器的控制下轮流注入两个清洗水箱，利用出水重力拉动链条及拉链式柔性膜组件在齿轮辊轴的导向下上下运动，运动过程中膜组件穿过V型刮刀。当膜片上行穿过V型刮刀时，刮刀向两边翻起，让膜片通过刮刀；当膜片下行穿过V型刮刀时，刮刀在摩擦阻力的作用下紧贴膜面将膜面污染物刮落至V型槽内，收集后排出反应器。

本发明具有以下优点：

（1）具有高通量低能耗的优点，膜组件运行通量高，膜面积利用充分，减少膜面积和占地面积。采用微孔曝气管，氧利用率高，曝气量低，吨水电耗降低一半以上。

（2）柔性膜组件重量轻，成本低，制作方便，且通过拉链于链条连接，便于安装和更换。且柔性膜组件在曝气时随水流轻微摆动，使膜面污染物松动或脱落。

（3）V型刮刀与柔性膜组件贴合紧密，膜面污染物清除彻底，对膜表皮损伤小。V型刮刀刮出的膜面污染污收集后排出反应器，防止其在反应器内累积加重膜污染。

（4）利用膜组件的出水作为动力实现在线物理自清洗，能耗极低，结构简单，操作方便，易于维护，可全自动清洗。

附图说明

附图是本发明实施例示意图，其中：

图1  本发明在线自清洗柔性膜-生物反应器示意图；

图2  本发明中膜组件清洗过程示意图；

图3  本发明中膜组件清洗过程示意图；

图4  本发明拉链式膜组件结构示意图；

图5  本发明V型刮刀结构示意图；

图6  V型刮刀运行原理示意图；

图7  V型刮刀运行原理示意图。

图中：膜-生物反应器1，拉链式柔性膜组件2，V型刮刀3，齿轮辊轴4，膜抽吸泵5，第一电磁阀6，滑轮7，第一清洗水箱8，排水活门9，第二清洗水箱11，第二电磁阀12，第三电磁阀13，微孔曝气管路10，调节螺母及转轴14，V型刮刀卡槽15，刮刀片16。

具体实施方式

拉链式柔性膜组件2固定设置于膜-生物反应器1中，微孔曝气管路10设置在膜-生物反应器1内底部，微孔曝气管沿膜面方向设置。

拉链式柔性膜组件2由两侧的拉链固定于链条上，链条将整个膜组件连接后依次围绕齿轮辊轴4折转设置。链条两端分别经过滑轮7后与第一清洗水箱8和第二清洗水箱11连接。

图2、3所示，对拉链式柔性膜组件2的清洗方法。膜-生物反应器1正常运行时，第一电磁阀6和第二电磁阀12关闭，第三电磁阀13开启，膜抽吸泵5将出水从拉链式柔性膜组件2抽出通过管路排出。当拉链式柔性膜组件2需要清洗时，第二电磁阀12和第三电磁阀13关闭，第一电磁阀6开启，膜出水注入第一清洗水箱8，当水量超过膜组件重量和摩擦阻力后，第一清洗水箱8下坠拉动链条。拉链式柔性膜组件2随着链条上下运行，其中膜片b、d、f、h上行穿过V型刮刀3，膜片a、c、e、g下行至齿轮辊轴4处。此时第一清洗水箱8坠至底部，第一电磁阀6关闭，排水活门9打开，将水排放空。然后开启第二电磁阀12向第二清洗水箱11注水，重复上述注水过程，拉链式柔性膜组件2逆向运行，膜片a、c、e、g上行穿过V型刮刀3，膜片b、d、f、h下行经过V型刮刀3至齿轮辊轴4处，膜面污染物被刮除。如此轮流开启第一电磁阀6与第二电磁阀12，向第一清洗水箱8或第二清洗水箱11注水或排空，膜组件上的各膜片均上下经过V型刮刀3数次后，膜面污染物清除干净。清洗结束后，第二电磁阀12和第一电磁阀6关闭，第三电磁阀13开启，膜-生物反应器1回复正常运行。

图4所示拉链式柔性膜组件2结构，膜片内部由两层导流网夹着填充层构成，膜则依附于两片导流网，膜片四周密封，上下两端用塑料条展开固定并安装出水管，膜片的两侧再通过拉链与两条链条结合。拉链式柔性膜组件2不同于常规的平板膜元件，膜、导流网及填充层都为柔性材质，内部不设置硬质衬板，可以完全弯曲，因此整个膜片都可随着链条折转。

图5所示V型刮刀3结构，两个V型刮刀3固定设置于拉链式柔性膜组件2两侧，由调节螺母及转轴14固定于V型刮刀卡槽15上。调节螺母及转轴14可根据污染情况、膜性质，调节两个V型刮刀3对膜面的夹紧程度。在V型刮刀3上置有刮刀片16，刮刀片16

根据处理不同的污染物与膜污染程度采用海绵或塑料或橡胶或毛刷。

图6、7所示V型刮刀3清除膜面污染物的原理。拉链式柔性膜组件2上行经过V型刮刀3时，膜面的摩擦力带动V型刮刀3绕调节螺母及转轴14向外翻转，刮刀片16放松，拉链式柔性膜组件2下行经过V型刮3时，膜面的摩擦力带动V型刮刀3绕调节螺母及转轴14向内，刮刀片16夹紧膜面，膜面污染物被刮除，沿刮刀壁滑入V型刮刀3底部。由于V型刮刀3都悬于液面之上，所以刮除的膜污染物不会再进入膜-生物反应器1内，以此达到对膜污染的控制。V型刮刀3内存积的膜污染物需定期去除。

[实例1]

在处理城市生活污水的中使用本发明。污泥浓度8g/L，膜通量50L/m²·h，高于该情况下膜组件的临界通量，采用微孔曝气管，气水比8:1，每天自动清洗2次，V型刮刀刮刀片采用海绵制成。稳定运行45天，吨水电耗0.39元，吨水总处理费用0.48元。

[实例2]

在处理超市餐饮废水的中使用本发明。污泥浓度15g/L，膜通量40L/m²·h，高于该情况下膜组件的临界通量，采用微孔曝气管，气水比20:1，每天自动清洗6次，V型刮刀刮刀片采用毛刷制成。稳定运行23天，吨水电耗0.60元，吨水总处理费用0.90元。

[实例3]

在处理某农村污水的中使用本发明。污泥浓度8g/L，膜通量40L/m²·h，高于该情况下膜组件的临界通量，采用微孔曝气管，气水比10:1，每天自动清洗1次，V型刮刀刮刀片采用橡胶制成。稳定运行62天，吨水电耗0.45元，吨水总处理费用0.60元。

[实例4]

在处理某垃圾渗滤液的中使用本发明。污泥浓度20g/L，膜通量40L/m²·h，达到该情况下膜组件的临界通量，采用微孔曝气管，气水比10:1，每天自动清洗1次，V型刮刀刮刀片采用塑料制成。稳定运行30天，吨水电耗0.60元，吨水总处理费用0.60元。

[实例5]

在污泥浓缩中使用本发明。污泥浓度60g/L，膜通量20L/m²·h，达到该情况下膜组件的临界通量，采用微孔曝气管，气水比10:1，每天自动清洗12次，V型刮刀刮刀片采用塑料制成。稳定运行25天，吨水电耗0.45元，吨水总处理费用0.60元。

Claims (8)

1.高通量低能耗在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：在膜-生物反应器（1）内设置拉链式柔性膜组件（2）、V型刮刀（3）、链条、齿轮辊轴（4）和微孔曝气管（10）；膜抽吸泵（5）、第一电磁阀（6）、第二电磁阀（12）、第三电磁阀（13）通过管路分别连通，并通过与膜抽吸泵（5）连接的管路与膜-生物反应器（1）连通；拉链式柔性膜组件（2）内部由两层导流网夹着填充层构成，导流网外侧为膜；膜片四周密封，两端由塑料条展开和固定并装有出水管，膜片两侧安装半侧拉链齿，通过其与固定在链条上另半侧拉链齿咬合后将拉链式柔性膜组件（2）固定在两条链条上；链条设置在齿轮辊轴（4）上；链条两端分别通过滑轮（7）与设在膜-生物反应器（1）外的第一清洗水箱（8）和第二清洗水箱（11）连接，第一清洗水箱（8）和第二清洗水箱（11）底部设有排水活门（9）；V型刮刀（3）固定于拉链式柔性膜组件（2）两侧并悬于液面上部固定设置；通过注入或排出第一清洗水箱（8）与第二清洗水箱（11）中的水，以改变第一清洗水箱（8）或第二清洗水箱（11）位置获得的势能转变为动能，驱动拉链式柔性膜组件（2）在线自清洗。

2.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：拉链式柔性膜组件（2）运行通量达到或高于相应情况下的临界通量。

3.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，特征在于：微孔曝气管（10）的气水比为10:1。

4.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：拉链式柔性膜组件（2）由柔性材质的膜、导流网及填充层制成，内部不设置硬质衬板。

5.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：通过曝气冲刷和V型刮刀（3）对膜面污染物进行物理刮除来控制膜面污染物。

6.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：刮刀片（16）为海绵或塑料或橡胶或毛刷，刮刀片（16）刮除的膜污染物收集在V型刮刀（3）槽内后排出。

7.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：采用关闭第三电磁阀（13），轮流开启第一电磁阀（6）与第二电磁阀（12），轮流向第一清洗水箱（8）或第二清洗水箱（11）内注入膜组件出水，利用膜组件出水自重带动柔性膜组件（2）经过V型刮刀（3）上下运行。

8.根据权利要求1所述的在线自清洗柔性膜-生物反应器，其特征在于：注入第一清洗水箱（8）和第二清洗水箱（11）中的水为拉链式柔性膜组件（2）出水。

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