CN102786188B - 以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器 - Google Patents

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以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，涉及一种正渗透膜生物反应器。本发明是要解决现有正渗透膜生物反应器使用无机盐作为驱动液，盐溶液反渗至生物反应器对微生物具有抑制作用，进而降低污水的处理效果的问题。生物反应器包括储液罐、进水泵、第一进水阀门、曝气管、生物反应池、排泥阀、正渗透膜、驱动液池、第二进水阀门、第三进水阀门、第一贮液罐、第二贮液罐、第一电磁场、第二电磁场、第一排水阀门、第二排水阀门、第一回流阀门、第二回流阀门和泵，储液罐通过进水泵和第一进水阀门与生物反应池相通，生物反应池上设有曝气管和排泥阀，生物反应池和驱动液池之间连接有正渗透膜，驱动液池中装有驱动液。本发明用于污水处理领域。

Description

以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器
技术领域
本发明涉及一种正渗透膜生物反应器。
背景技术
随着人口的剧增，用水需求量增加，与此同时经济的快速发展使得污染问题日趋严重，从而造成可用淡水资源越来越贫乏。因此，将污水回用是一个比较好的选择，可在很大程度上缓解淡水的缺乏。膜生物反应器(MBR)集生物反应器的生物处理和膜的分离作用于一体，实现了水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的完全分离，具有占地面积小，运行管理简单，出水水质好，可以直接进行回用等优点。此外，国家十二五规划提出减少污泥的排放量，MBR作为典型的代谢平衡工艺，在污泥减量方面效果显著，污泥排放量极少甚至达到零排放。MBR同时具有微生物降解和膜的截留作用，被视为20世纪末发展起来“最佳可行技术”，但严重的膜污染现象和高运行费用限制了膜生物反应器的推广应用。
现有正渗透膜生物反应器使用氯化钠、氯化镁等无机盐作为驱动液，随着时间的增长，盐溶液反渗至生物反应器，生物反应器中盐类物质的浓度会逐渐增高。高浓度的盐类物质不仅降低了驱动力，而且对微生物具有强烈的抑制作用。在试验中发现，当利用2mol/L的NaCl作为驱动液时，反应器运行一周后生物反应器中的Na+和Cl-浓度均可达到20g/L左右，极大程度的降低了驱动力，并且严重超过了微生物对盐类的承受范围，尤其是对Cl-的承受范围，此时微生物发生解体，破裂死亡，严重降低污水的处理效果。
另外，现有正渗透膜生物反应器需要对驱动液进行反渗透以回收，反渗透易发生膜污染且能耗较高。
发明内容
本发明是要解决现有正渗透膜生物反应器使用无机盐作为驱动液，盐溶液反渗至生物反应器对微生物具有抑制作用，进而降低污水的处理效果的问题，提供以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器。
本发明以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器包括储液罐、进水泵、第一进水阀门、曝气管、生物反应池、排泥阀、正渗透膜、驱动液池、第二进水阀门、第三进水阀门、第一贮液罐、第二贮液罐、第一电磁场、第二电磁场、第一排水阀门、第二排水阀门、第一回流阀门、第二回流阀门和泵，储液罐通过进水泵和第一进水阀门与生物反应池相通，生物反应池的底部设有曝气管，生物反应池的中部设有排泥阀，生物反应池和驱动液池之间连接有正渗透膜，驱动液池分别通过第二进水阀门和第三进水阀门与第一贮液罐和第二贮液罐连通，第一贮液罐底部设有第一电磁场，第二贮液罐底部设有第二电磁场，第一贮液罐上设有第一排水阀门和第一回流阀门，第二贮液罐上设有第二排水阀门和第二回流阀门，第一回流阀门和第二回流阀门通过泵与驱动液池连通，其中所述驱动液池中装有驱动液，所述驱动液为0.5～4mol/L的Fe3O4-SiO2外包裹有葡聚糖的磁性纳米颗粒的悬浊液。
本发明膜生物反应器的工作原理和过程为：在生物反应池里面对污水进行生化处理，经过生化处理后的污水透过正渗透膜到达驱动液池，依靠正渗透膜的截留作用和驱动液的驱动力，处理后的污水和污泥进行分离，进入驱动液池中的处理水通过两个支管排出系统，两支管分别设有阀门(阀门间歇开启，以保证膜生物反应器持续工作)，并连接贮液罐，在贮液罐底部分别设有电磁场，在开启电磁场的情况下，磁性纳米颗粒靠向贮液罐器壁，使得磁性纳米颗粒和水分离，打开排水阀门，从而将水排出；排水至一定液位时关闭电磁场和排水阀门，打开回流阀门，在泵的抽吸作用下将磁性纳米颗粒回流至驱动液池中，进而使得驱动液浓度在一个很小的范围内波动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与传统的超滤膜或微滤膜MBR相比，本发明所述的正渗透膜生物反应器膜污染小只是在浓度差的作用下污水通过正渗透膜而进入驱动液，而传统的MBR是在机械抽力的作用下使得污水排出系统，因此其较传统MBR具有较小的压力差，膜污染较小，且膜污染层也仅需通过简单的水清洗便可去除，膜通量恢复程度达到90％以上。
(2)与现有的技术相比，本发明所述的正渗透膜生物反应器能耗低，传统的超滤膜或微滤膜MBR利用的是靠机械抽力将水从反应器中排水，能耗极高；而现有的利用高浓度盐类作为驱动液的正渗透膜生物反应器则需要对驱动液进行反渗透，能耗也较高，而本发明则不需要这些复杂的操作，不但能耗低，且操作简单。
(3)本发明使用磁性纳米颗粒作为驱动液，正渗透膜完全截留磁性纳米颗粒，即磁性纳米颗粒无法越过正渗透膜活性层，避免了盐溶液反渗至生物反应器内对微生物的抑制作用，从而保证了生物反应器中微生物的活性，使得污水处理效果稳定，从而保证了出水水质。且由于解除了盐类的反渗问题，膜可以采用两种放置方式——活性层面向驱动液或者反应液。
(4)本发明所述的正渗透膜生物反应器的污水处理效果好，出水可以回用。由于生物反应器中的环境利于微生物生长，包括一些时代时间较长的硝化细菌也能繁殖，加之膜的截留作用很强，因此处理后的水水质高，可以直接回用。
(5)本发明所述的正渗透膜生物反应器利用外加磁场实现亲水磁性纳米驱动液的循环利用，避免了利用反渗透膜回收驱动液存在的膜污染问题，同时可以实现磁性纳米驱动液的高效回收，其回收效率达到80％以上。
(6)生物反应池采用双曝气系统，正渗透膜面附近设置大孔曝气，对膜面形成较强的冲刷作用，有效的减缓了膜污染。
附图说明
图1为本发明以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器包括储液罐1、进水泵2、第一进水阀门3、曝气管4、生物反应池5、排泥阀6、正渗透膜7、驱动液池8、第二进水阀门9、第三进水阀门10、第一贮液罐11、第二贮液罐12、第一电磁场13、第二电磁场14、第一排水阀门15、第二排水阀门16、第一回流阀门17、第二回流阀门18和泵19，储液罐1通过进水泵2和第一进水阀门3与生物反应池5相通，生物反应池5的底部设有曝气管4，生物反应池5的中部设有排泥阀6，生物反应池5和驱动液池8之间连接有正渗透膜7，驱动液池8分别通过第二进水阀门9和第三进水阀门10与第一贮液罐11和第二贮液罐12连通，第一贮液罐11底部设有第一电磁场13，第二贮液罐12底部设有第二电磁场14，第一贮液罐11上设有第一排水阀门15和第一回流阀门17，第二贮液罐12上设有第二排水阀门16和第二回流阀门18，第一回流阀门17和第二回流阀门18通过泵19与驱动液池8连通，其中所述驱动液池8中装有驱动液，所述驱动液为0.5～4mol/L的Fe3O4-SiO2外包裹有葡聚糖的磁性纳米颗粒的悬浊液。
试验表明，本实施方式正渗透膜生物反应器运行稳定，出水水质的COD在0～10mg/L，NH4 +-N、SS、PO4 3-P均未检出，出水水质优良，符合国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质(GB/T 18920-2002)》要求。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式进入生物反应池5的污水的水质参数是：化学需氧量(COD)为100～700mg/L，氨氮浓度(NH4 +-N)为10～50mg/L，悬浮固体浓度(SS)为20～100mg/L，磷酸盐浓度(PO4 3-P)为1～10mg/L。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述曝气管4外接曝气系统。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述正渗透膜7的放置方式为活性层面向驱动液池8或活性层面向生物反应池5。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述正渗透膜7前方还设置有曝气管，正渗透膜7前方曝气管的曝气量与生物反应池5底部曝气管的曝气量比值为3～5∶1。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器的工作环境为温度控制在18～25℃，溶解氧2～4mg/L，pH6.5～8.0。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1.以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，其特征在于所述正渗透膜生物反应器包括储液罐（1）、进水泵（2）、第一进水阀门（3）、曝气管（4）、生物反应池（5）、排泥阀（6）、正渗透膜（7）、驱动液池（8）、第二进水阀门（9）、第三进水阀门（10）、第一贮液罐（11）、第二贮液罐（12）、第一电磁场（13）、第二电磁场（14）、第一排水阀门（15）、第二排水阀门（16）、第一回流阀门（17）、第二回流阀门（18）和泵（19），储液罐（1）通过进水泵（2）和第一进水阀门（3）与生物反应池（5）相通，生物反应池（5）的底部设有曝气管（4），生物反应池（5）的中部设有排泥阀（6），生物反应池（5）和驱动液池（8）之间连接有正渗透膜（7），驱动液池（8）分别通过第二进水阀门（9）和第三进水阀门（10）与第一贮液罐（11）和第二贮液罐（12）连通，第一贮液罐（11）底部设有第一电磁场（13），第二贮液罐（12）底部设有第二电磁场（14），第一贮液罐（11）上设有第一排水阀门（15）和第一回流阀门（17），第二贮液罐（12）上设有第二排水阀门（16）和第二回流阀门（18），第一回流阀门（17）和第二回流阀门（18）通过泵（19）与驱动液池（8）连通，其中所述驱动液池（8）中装有驱动液，所述驱动液为0.5～4mol/L的Fe3O4-SiO2外包裹有葡聚糖的磁性纳米颗粒的悬浊液。
2.根据权利要求1所述的以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，其特征在于进入生物反应池（5）的污水的水质参数是：化学需氧量为100～700mg/L，氨氮浓度为10～50mg/L，悬浮固体浓度为20～100mg/L，磷酸盐浓度为1～10mg/L。
3.根据权利要求1所述的以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，其特征在于所述曝气管（4）外接曝气系统。
4.根据权利要求1所述的以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，其特征在于所述正渗透膜（7）的放置方式为活性层面向驱动液池（8）或活性层面向生物反应池（5）。
5.根据权利要求1所述的以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器，其特征在于以磁性纳米颗粒作为驱动液的正渗透膜生物反应器的工作环境为温度控制在18～25℃，溶解氧2～4mg/L，pH6.5～8.0。
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