CN102288525B - 动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，包括过滤池（ 1 ）、滤液收集装置（ 3 ）和检测滤液收集装置变化的检测装置（ 4 ），所述过滤池（ 1 ）近底部安装有粗网滤膜（ 2 ），所述粗网滤膜（ 2 ）将过滤池（ 1 ）分成处于粗网滤膜（ 2 ）上端的污泥悬浮液区（ 11 ）和处于粗网滤膜（ 2 ）下端的滤液区（ 12 ）；所述滤液区滤液收集入滤液收集装置（ 3 ），其特征在于所述过滤池（ 1 ）外侧还设置有进行污泥培养的曝气池（ 5 ），所述曝气池（ 5 ）内污泥悬浮液连续输送入过滤池（ 1 ）的污泥悬浮液区（ 11 ）中。该装置对动态膜生物反应器（ DMBR ）中的粗网滤膜过滤和污染性能进行定量研究，具有操作简单、运行方便并且成本低等诸多优点。

Description

动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种针对粗网滤膜的过滤阻力测试方法及装置，用于定量检测和评估动态膜生物反应器(DMBR)中粗网滤膜的过滤和污染特性，属于废水生物处理技术领域。

背景技术

膜生物反应器(MBR)已被广泛用于各类废水的处理，具有处理效果高、出水水质好、占地面积小等优点。然而，目前的微滤和超滤膜的价格普遍较高，并且由于不可避免存在膜污染，需要定期进行清洗和更换，从而增加了运行费用，在一定程度上限制了其大规模应用。近几年来，基于粗网材料应用的DMBR技术得到了迅速发展。DMBR区别于常规MBR之处主要在于采用较大孔径并且廉价的粗网材料(如钢丝网、尼龙、纱绢、无纺布等，孔径范围为10～200μm)和应用重力自流的低压过滤方式。这不仅大大节约了初期投资和运行成本，而且无需安装压力控制单元，从而简化了工艺。

DMBR的过滤原理是：液体在水头差驱动下通过粗网材料，而污泥被粗网材料截留下来并在其表面逐渐形成一层泥饼层，粗网材料与附着在其表面的生物膜泥饼层一起构成双层结构的粗网滤膜。由于泥饼层具有比粗网材料更细的内部孔隙结构，因此粗网滤膜的形成使更细小的物质也可以被有效截留，从而取得较好的过滤效果。另外，由于形成泥饼层的厚度和致密程度往往随着过滤时间的延长发生动态变化，因此这种粗网滤膜也被称为动态膜。DMBR的过滤作用主要是通过泥饼层实现，而粗网材料本身主要是作为泥饼层的支撑介质。尽管如此，不同粗网材料、工艺条件和污泥性质都会导致形成泥饼层厚度和形态结构的差异，从而影响粗网滤膜的过滤阻力。而污染阻力达到一定程度以后，跨膜压差(TMP)会迅速升高或膜通量快速减少，从而出现膜污染。可见，过滤阻力是衡量粗网滤膜过滤和抗污染性能的一个重要指标。

如图1所示，为传统气压型滤膜过滤阻力测试装置(气压型过滤装置)的结构示意图，常用于传统的微滤或超滤膜(孔径＜10μm)的过滤阻力的测试。该装置通过压力单元(通常为氮气罐9和气压计8)将滤膜14两端的TMP控制在一定水平；利用安装在过滤池1内部的搅拌器13进行高速搅拌，使污泥悬浮并尽量避免污泥直接在膜表面沉积；液体在恒TMP下流过滤膜进入收集容器3，而固体颗粒被截留下来；收集容器放置在带有数据在线采集功能的电子天平41上，随滤液体积的变化其重量也发生相应变化；电子天平与电脑连接，将采集的数据实时传输给电脑42并进行数据处理(将质量换算为体积)和记录。通过检测某一时刻t的膜通量，即单位时间通过单位面积滤膜的液体的体积，就可以根据Darcy方程计算出在t时刻膜的过滤阻力R_t：

$R_t=\frac{\mathrm{TMP}}{{\mathrm{\ηJ}}_t}$

其中，η为悬浮液粘度；J_t为t时刻的膜通量。跨膜压差TMP(Trans-Membrane Pressure Drop)是膜设备运行参数，被定义为驱动水透过膜所需的压力，为进水压力和过滤压力的差值。孔径较小的膜所需的跨膜压差也较大，在水温较低、通量较高以及发生污染时，跨膜压差也较高。

以上是针对传统MBR中采用的微滤或超滤膜的过滤阻力测试方法及其装置。由于DMBR中粗网滤膜的过滤方式和污染特性都显著不同于传统膜材料，常规的气压型过滤装置不能用于粗网滤膜过滤阻力的测试。而目前尚无专门针对粗网滤膜的过滤阻力测试方法及装置，本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，解决了现有技术中DMBR中粗网滤膜的过滤阻力难以测试的问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，包括过滤池、滤液收集装置和检测滤液收集装置变化的检测装置，所述过滤池近底部安装有粗网滤膜，所述粗网滤膜将过滤池分成处于粗网滤膜上端的污泥悬浮液区和处于粗网滤膜下端的滤液区；所述滤液区滤液收集入滤液收集装置，其特征在于所述过滤池外侧还设置有进行污泥培养的曝气池，所述曝气池内污泥悬浮液连续输送入过滤池的污泥悬浮液区中。

优选的，所述曝气池内设置微孔曝气头，所述微孔曝气头设置在曝气池底部，且通过气体输送管路与气泵连接；所述气泵经气体输送管路向曝气池内输送气体进行曝气培养。

优选的，所述曝气池与过滤池间设置蠕动泵，曝气池内污泥悬浮液经蠕动泵泵入过滤池的污泥悬浮液区。

优选的，所述过滤池为开口容器，所述过滤池的污泥悬浮液区内设置搅拌器。

优选的，所述过滤池的污泥悬浮液区外侧固定高度设置溢流装置，所述溢流装置通过液体输送管路与曝气池连接；当污泥悬浮液区液面高出固定高度时，污泥悬浮液区内污泥悬浮液流入溢流装置，经液体输送管路流入曝气池。

优选的，所述滤液收集装置与过滤池间设置高度可调节的滤液中转装置，所述滤液中转装置与过滤池的滤液区连通，并通过液体输送管路流入滤液收集装置。

优选的，所述滤液中转装置为可升降的溢流槽，当滤液中转装置内滤液高于溢流槽口水平时，滤液中转装置内滤液经液体输送管路流入滤液收集装置。

优选的，所述检测装置包括设置在滤液收集装置下端支撑滤液收集装置的电子天平，所述电子天平与计算机连接将滤液变化传输给计算机。

本发明还提供了一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)构建权利要求1所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置；

(2)在曝气池中加入污泥悬浮液，并进行曝气培养控制污泥悬浮液粘度；通过蠕动泵将污泥悬浮液泵入过滤池内开始进行测试，通过检测装置监测TMP值、过滤阻力。

本发明针对DMBR中粗网滤膜的过滤特点，对传统微滤/超滤膜过滤装置进行了一系列改进，能有效应用于粗网滤膜过滤阻力的测试和污染特性的研究和测试。本发明提供了一种测试粗网滤膜过滤阻力的方法及其装置，为DMBR工艺条件的优化和新型滤网材料的研发提供一种有效的定量检测与研究技术。

针对粗网滤膜采用水头压差驱动的低压过滤方式，以及稳态泥饼层形成所需时间较长等特点，本发明进行新的粗网滤膜过滤阻力测试方法以及测试装置的原理在于：在传统的过滤装置中，往往经过约0.5-1小时即可达到过滤阻力的平衡状态，而粗网滤膜的泥饼层形成并达到过滤平衡状态往往需要1个小时以上。由于污泥性质会显著影响粗网滤膜的过滤性能，因此为了保证在较长测试期间内污泥性质维持恒定并且保持较高的污泥活性，在过滤池前面设置一个曝气池，内设微孔曝气头，通过气泵持续供气；污泥在曝气池内培养，并通过蠕动泵连续泵入过滤池中，而过滤后收集容器内的液体也定期返回到曝气池内，以确保曝气池内污泥浓度和水质状态基本维持不变。

本发明装置与传统的气压型过滤装置采用专用的气压单元提供过滤驱动力相比，本方法中无需设置任何气压单元，因此显著降低了能耗并简化了工艺设备。本发明采用水头压差驱动的低压过滤方式。在过滤池上部一侧的固定位置设置一个溢流装置，使污泥混合液不断流回曝气池，从而使过滤池的液面高度保持不变。在过滤池的另一侧设置一个可移动式的滤液中转装置，与过滤池底部的滤液区连通，并且滤液中转装置也通过溢流的方式将液位控制在一定的高度。由于在粗网滤膜的两端存在液位差，因此驱动液体不断通过粗网滤膜进入滤液中转装置，进而通过溢流排入滤液收集容器。通过调整滤液中转装置的高度，可以改变粗网滤膜两端液体的液位差，从而达到调整TMP的目的。滤液收集容器下方的电子天平连续记录滤液质量的变化，并实时传输到电脑中进行数据分析和保存。

传统过滤装置中一般采用较高的搅拌速率以避免污泥在膜表面沉积，而本装置中搅拌器的作用是使污泥保持悬浮状态，因此需要的搅拌速率较低，从而进一步节约了能耗。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明提出的针对DMBR中粗网滤膜的过滤阻力测试方法及装置具有操作简单、运行方便并且成本低等诸多优点。通过该测试方法能对DMBR中的粗网滤膜过滤和污染性能进行定量研究，有利于DMBR工艺的优化和新型过滤材料的开发。此外，本发明的测试方法及装置对于常规膜材料的低压过滤操作工艺和膜污染特性研究也具有一定的参考价值。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有技术中气压型滤膜过滤阻力测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置的结构示意图。

其中：1为过滤池；2为粗网滤膜；3为滤液收集装置；4为检测装置；5为曝气池；6为溢流装置；7为滤液中转装置；8为气压计；9为氮气罐，11为污泥悬浮液区；12为滤液区；13为搅拌器；14为滤膜；41为电子天平；42为计算机；51为微孔曝气头；52为气泵；53为蠕动泵；71为溢流槽口。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图2所示，该动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，包括过滤池1、滤液收集装置3和检测滤液收集装置变化的检测装置4，所述过滤池1近底部安装有粗网滤膜2，所述粗网滤膜2将过滤池1分成处于粗网滤膜2上端的污泥悬浮液区11和处于粗网滤膜2下端的滤液区12；所述滤液区滤液收集入滤液收集装置3，所述过滤池1外侧还设置有进行污泥培养的曝气池5，所述曝气池5内污泥悬浮液连续输送入过滤池1的污泥悬浮液区11中。

曝气池5内设置微孔曝气头51，所述微孔曝气头51设置在曝气池5底部，且通过气体输送管路与气泵52连接；所述气泵52经气体输送管路向曝气池5内输送气体进行曝气培养。所述曝气池5与过滤池间设置蠕动泵53，曝气池5内污泥悬浮液经蠕动泵53泵入过滤池的污泥悬浮液区11。

过滤池为开口容器，所述过滤池的污泥悬浮液区11内设置搅拌器13。所述过滤池的污泥悬浮液区11外侧固定高度设置溢流装置6，所述溢流装置6通过液体输送管路与曝气池5连接；当污泥悬浮液区11液面高出固定高度时，污泥悬浮液区11内污泥悬浮液流入溢流装置6，经液体输送管路流入曝气池5。

滤液收集装置3与过滤池1间设置高度可调节的滤液中转装置7，所述滤液中转装置7与过滤池1的滤液区12连通，并通过液体输送管路流入滤液收集装置3。所述滤液中转装置7为可升降的溢流槽，当滤液中转装置7内滤液高于溢流槽口71水平时，滤液中转装置7内滤液经液体输送管路流入滤液收集装置3。

检测装置4包括设置在滤液收集装置3下端支撑滤液收集装置3的电子天平41，所述电子天平41与计算机42连接将滤液变化传输给计算机。

进行过滤阻力测试时，先构建权利要求1所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置；然后在曝气池中加入污泥悬浮液，并进行曝气培养控制污泥悬浮液粘度；通过蠕动泵将污泥悬浮液泵入过滤池内开始进行测试，通过检测装置监测TMP值、过滤阻力。

本实施例中粗网滤膜过滤阻力测试装置的过滤池为圆柱状有机玻璃筒，分为上筒(污泥悬浮液区)和下筒(滤液区)两个部分，中间由粗网滤膜隔开。简体总高度250mm，其中上筒和下筒高度分别为200mm和50mm，上、下筒内径分别为100mm和120mm，污泥悬浮液区有效容积为1.0L。搅拌器13采用额定功率为50W的机械搅拌器进行搅拌，搅拌转速控制在150rpm。曝气池5为内径100mm、高度200mm的圆柱状有机玻璃筒，有效容积为2L；滤液收集装置采用1000mL的烧杯。电子天平41带有在线数据采集功能，能够将采集数据实时传输到电脑；计算机42内通过安装的数据处理软件将采集到的数据根据滤液密度换算为体积，并经过Darcy公式计算得到过滤阻力。

应用例1200目尼龙网材料粗网滤膜过滤阻力的测试

采用200目的尼龙网材料构建粗网滤膜，测试用的污泥取自一个长期运行的实验室规模DMBR，污泥浓度MLSS＝4g/L，SVI＝102mL/g。测试过程中采用乙酸钠模拟废水，COD约为500mg/L。污泥悬浮液粘度为0.0025Pa·s。采用以上的测试方法进行测试，测试的TMP控制在20mm水头。经测试和计算，发现初始时由于泥饼层尚未形成，粗网滤膜的过滤阻力极低，而随着测试的进行和泥饼层的形成，过滤阻力迅速增加，在60min后达到约2.0×10⁹m^-1，此后过滤阻力的增加开始变缓，说明滤膜的过膜驱动力与流体搅拌作用下的剪切提升力逐渐达到一种平衡状态，尼龙网滤膜开始稳定的发挥过滤作用。

应用例2250目钢丝网粗网滤膜过滤阻力的测试

采用实施例所述测试方法和装置以及同样的运行条件，对250目钢丝网滤膜的过滤阻力进行测试。结果表明，钢丝网表面能更快的形成泥饼层，在约40min后膜通量和过滤阻力都基本达到稳定状态。另外，钢丝网滤膜在平衡状态的过滤阻力约为8.0×10⁹m^-1，显著高于尼龙网滤膜在平衡状态下的过滤阻力，说明250目钢丝网滤膜比200目尼龙网滤膜更容易发生膜污染。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，包括过滤池（1）、滤液收集装置（3）和检测滤液收集装置变化的检测装置（4），所述过滤池（1）近底部安装有粗网滤膜（2），所述粗网滤膜（2）将过滤池（1）分成处于粗网滤膜（2）上端的污泥悬浮液区（11）和处于粗网滤膜（2）下端的滤液区（12）；所述滤液区滤液收集入滤液收集装置（3），其特征在于所述过滤池（1）外侧还设置有进行污泥培养的曝气池（5），所述曝气池（5）内污泥悬浮液连续输送入过滤池（1）的污泥悬浮液区（11）中；所述过滤池（1）为开口容器，所述过滤池的污泥悬浮液区（11）内设置搅拌器（13），所述过滤池的污泥悬浮液区（11）外侧固定高度设置溢流装置（6），所述溢流装置（6）通过液体输送管路与曝气池（5）连接；当污泥悬浮液区（11）液面高出固定高度时，污泥悬浮液区（11）内污泥悬浮液流入溢流装置（6），经液体输送管路流入曝气池（5）；所述滤液收集装置（3）与过滤池（1）间设置高度可调节的滤液中转装置（7），所述滤液中转装置（7）与过滤池（1）的滤液区（12）连通，并通过液体输送管路流入滤液收集装置（3）；所述滤液中转装置（7）为可升降的溢流槽，当滤液中转装置（7）内滤液高于溢流槽口（71）水平时，滤液中转装置（7）内滤液经液体输送管路流入滤液收集装置（3）。

2.根据权利要求1所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，其特征在于所述曝气池（5）内设置微孔曝气头（51），所述微孔曝气头（51）设置在曝气池（5）底部，且通过气体输送管路与气泵（52）连接；所述气泵（52）经气体输送管路向曝气池（5）内输送气体进行曝气培养。

3.根据权利要求2所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，其特征在于所述曝气池（5）与过滤池间设置蠕动泵（53），曝气池（5）内污泥悬浮液经蠕动泵（53）泵入过滤池的污泥悬浮液区（11）。

4.根据权利要求1所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置，其特征在于所述检测装置（4）包括设置在滤液收集装置（3）下端支撑滤液收集装置（3）的电子天平（41），所述电子天平（41）与计算机（42）连接将滤液变化传输给计算机。

5.一种动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）构建权利要求1所述的动态膜生物反应器粗网滤膜过滤阻力测试装置；

（2）在曝气池中加入污泥悬浮液，并进行曝气培养控制污泥悬浮液粘度；通过蠕动泵将污泥悬浮液泵入过滤池内开始进行测试，通过检测装置监测TMP值、膜通量而测定相应粗网滤膜的过滤阻力。

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