CN102942250A - 一种新型高效膜生物反应器膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膜分离技术领域，具体地说是一种新型高效膜生物反应器膜组件，包括上端盖（6）、膜组件外壳（5）、下端盖（3）、软性浇注材料（9）及中空纤维膜丝（10），所述若干根中空纤维膜丝（10）的上端通过软性浇注材料（9）密封粘合在膜组件外壳（5）内部上端口，所述中空纤维膜丝（10）的下端自由垂落在膜组件外壳（5）的内部，形成悬垂式结构，所述中空纤维膜丝（10）的底端设有封堵头（11）；本发明具有以下优点：悬垂式膜丝设计，不易污堵，更易清洗，易维护；正压操作，膜通量大，处理水量大，占地小；外压式膜丝更耐污染；适宜更高活性污泥浓度，处理效率更高；运行能耗低；使用寿命长；价格低廉，投资省。

Description

一种新型高效膜生物反应器膜组件

[技术领域]

本发明涉及膜分离技术领域，具体地说是一种新型高效膜生物反应器膜组件。

[背景技术]

膜分离技术是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术，在最近20年的时间里取得了工业领域的迅速发展。近年来，随着国家环保政策的推行，与水处理相关的市场需求急速增长，膜技术的市场需求更是以每年近30%的速度递增，由此基于膜技术的膜生物反应器(MBR)市场不断扩大。然而，在大型膜生物反应器应用中，经常遇到膜污染、通量小、效率低、占地大、能耗高等难题，阻碍了膜技术在我国“十二五”期间的加快推广及应用。

膜生物反应器（MBR）是现代膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它主要由生物反应器和膜组件构成，利用膜分离设备将活性污泥和大分子有机物质有效截留，替代二沉池，节约了工程占地面积，具有处理效果好，运行成本低等优点。根据膜组件的设置位置，现有MBR分为内置式（也称为一体式、浸没式）和外置式两种。

内置式MBR是指将膜组件放置于生物反应池中，通过负压抽吸或虹吸得到过滤液，膜表面的污染由曝气产生的紊流来延缓。内置式MBR多采用外压式中空纤维膜或平板膜，由于是负压抽空操作模式，因此水透量很低；同时由于膜组件浸没于生化池，膜丝始终受气泡冲刷，因此断丝率较高继而导致产水水质变差。同时，内置式中空纤维MBR系统存在气液分布不均，中空纤维易被污泥粘连，清洗操作繁琐，难以就地清洗，中空纤维膜组件修补维护困难，中空纤维膜易被异物损坏等问题，从而造成膜的使用寿命降低。另外，为保持生物反应池内一定的溶解氧浓度及防止膜丝污堵，需不断给生物反应池曝气，因而能耗较高。目前应用的内置式膜生物反应器单位水量的处理能耗约1.0~2.4kwh/m3（顾平等，2000，中国给水排水Vol.16(3)，5-8；Tatsuki Ueda and Kenji Hata1999，water research，33，2888-2892）。

外置式MBR是指将膜组件与生物反应池分置，由水泵将混合液送至膜组件，过滤液作为出水，浓缩液循环回生物反应池，膜表面的污染由于循环混合液在膜表面的剪切作用而被大大延缓。现有外置式MBR采用内压式管式膜，采用正压操作模式，因此水透量可以较高；但为延缓膜丝内壁的污染，必须保持进水高流速和大回流比，因而能耗很高（一般是内置式MBR的4~6倍），同时由于管式膜组件的装填密度较低，因此膜组件的有效分离面积不大。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足，设计一种悬垂式外压中空纤维膜组件，从而提供一种高效新型的外置式膜生物反应器，并通过设定膜组件壳体的高径比、膜丝的长径比、膜组件的装填密度、优化膜丝的封装工艺、创新性设计组件底部三相分布器来合理优化气、水、污泥的运动轨迹和流态，膜组件流道设计更合理，料液分布更均匀，内部无死角，膜过滤性能更加稳定，同时采用正压操作，使膜组件在高通量状态下运行，结合定时气水反冲洗的清洗方式，显著提高膜组件在外置膜生物反应器中的应用能力，并提高污染后的恢复性能。本发明可在采用较低能耗的情况下，维持较高的膜通量，同时有效延缓膜污染，实现外置式膜生物反应器系统膜组件的长期稳定运行。

为实现上述目的设计一种新型高效膜生物反应器膜组件，包括上端盖6、膜组件外壳5、下端盖3、软性浇注材料9及中空纤维膜丝10，所述上端盖6上设有产水口7、循环回流口8，所述上端盖6密封连接膜组件外壳5的上端，所述下端盖3上设有进水口1，所述下端盖3密封连接膜组件外壳5的下端，所述若干根中空纤维膜丝10的上端通过软性浇注材料9密封粘合在膜组件外壳5内部上端口，所述中空纤维膜丝10的下端自由垂落在膜组件外壳5的内部，形成悬垂式结构，所述中空纤维膜丝10的底端设有封堵头11。

所述中空纤维膜丝10的支撑层21为海绵状结构，所述中空纤维膜丝10的外表面上设有膜分离孔。

所述下端盖3上设有进气口2，所述下端盖3的内部设有一使进水口1进入的泥水预分离以及进气口2进入的气体均匀分布的三相分布器4。

所述中空纤维膜丝10采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚砜或聚丙烯材料制成。

所述膜分离孔的内径为0.001-2um。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）悬垂式膜丝设计，不易污堵，更易清洗，易维护；

（2）正压操作，膜通量大，处理水量大，占地小；

（3）外压式膜丝更耐污染；

（4）适宜更高活性污泥浓度，处理效率更高；

（5）运行能耗低；

（6）使用寿命长；

（7）价格低廉，投资省。

[附图说明]

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的中空纤维膜丝的横截面结构放大图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如图1所示，本发明包括进水口1、进气口2、下端盖3、三相分布器4、膜组件外壳5、上端盖6、产水口7、循环回流口8、软性浇注材料9、中空纤维膜丝10、封堵头11、抱箍12、121。所述进水口1与下端盖3是一体结构，三相分布器4与下端盖3粘合为一体，污泥混合液经进水口1进入下端盖3内的空间，并经三相分布器4可以对泥水预分离。空气经进气口2进入膜组件，经三相分布器4后，气体在膜组件内部分布将更加合理，提高空气利用率。中空纤维膜丝10的底端采用封堵头11进行封堵，并通过软性浇注材料9与膜组件外壳5进行粘合，中空纤维膜丝10的内腔与上端盖6贯通形成产水收集腔。产水口7与上端盖6是一体结构，循环回流口8插入上端盖6及软性浇注材料9的中心并密封。所述上端盖6通过抱箍12与膜组件外壳5对接密封，下端盖3通过抱箍121与膜组件外壳5进行对接密封。

本发明的工作原理：污泥混合液经进水口1进入膜组件，经过下端盖3内的三相分布器4后，混合液进入膜组件内部，经中空纤维膜丝10外壁上的膜孔过滤后，过滤后的产水进入中空纤维膜丝10的内腔，并汇集于上端盖6后，从产水口7流出，剩余泥水混合液则从循环回流口8回流至前段污泥生化反应池。

本发明的创新在于：

1、膜丝特殊改性。采用创新改性技术对有机中空纤维膜丝进行处理，将中空纤维膜丝的支撑层21制成海绵状结构，增强其强度和韧性，使其可以适用于高活性污泥浓度流体环境下保持稳定性能，膜材料可以是聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚砜（PS）、聚丙烯（PP）等。并且，膜分离孔径可以是纳滤级别、超滤级别，也可以是微滤级别，典型孔径分布涵盖0.001-2um。

2、膜丝特殊封堵工艺。采用特殊工艺将单根膜丝或成束膜丝的一端进行封堵，可以是采用粘性胶水粘合、热挤压，也可以是超声波焊接工艺。

3、悬垂式膜丝分布。膜丝下端不设任何膜丝固定元件，而使膜丝在膜组件内部自由垂落，形成悬垂式结构，可以保证被截留的污泥被排出膜组件内部时流道更加通畅，不易污堵。

4、创新性底部泥水预分离及气体分布器设计。膜组件底部端盖独特设计一套三相分布器，可以使活性污泥混合液的泥水预分离，延缓膜组件污泥污堵，且更有利于空气分布，提高空气利用率，节约曝气能耗。

5、独特的软性浇注材料。选取特殊软性且能与有机膜丝进行有效粘结的浇注材料，有效加强膜丝根部的保护，可以确保膜组件在气水混合冲击的条件下运行时，不会出现膜丝根部断裂等现象。

6、革新的浇注工艺。利用革新性的封装工艺将有机膜丝、软性浇注材料、膜组件外壳有效的封装成一体，成为膜组件，确保浇注部分既能满足膜丝根部软性的要求，又可以耐压、不漏水。

7、膜组件的装填密度在100-1200m2/m3。

8、膜组件壳体的高径比在4-20之间。

以下列举几个实例来说明本发明的效果：

实施例1：台湾某绿藻水净化处理，处理量为0.5吨/时，原水含有大量绿藻，在未经任何预过滤的条件下，直接经本发明的膜组件过滤，过滤后的产水澄清透亮，且膜组件运行压力仅为0.01MPa，采用过滤30分钟，气水反洗1分钟的工艺可有效维持膜系统运行稳定，该系统运行三个月，运行稳定。

实施例2：上海某垃圾收集车站洗车水的处理，处理量为1吨/时，原水化学需氧量COD在680至1700波动，经过本发明的膜组件处理后，产水COD仅为30至55，采用过滤15分钟，气水反洗40秒，定期反洗投加次氯酸钠杀菌的工艺，可有效控制膜系统运行稳定，运行压力仅为0.03MPa，该系统运行一个月，运行稳定。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型高效膜生物反应器膜组件，包括上端盖（6）、膜组件外壳（5）、下端盖（3）、软性浇注材料（9）及中空纤维膜丝（10），所述上端盖（6）上设有产水口（7）、循环回流口（8），所述上端盖（6）密封连接膜组件外壳（5）的上端，所述下端盖（3）上设有进水口（1），所述下端盖（3）密封连接膜组件外壳（5）的下端，其特征在于：所述若干根中空纤维膜丝（10）的上端通过软性浇注材料（9）密封粘合在膜组件外壳（5）内部上端口，所述中空纤维膜丝（10）的下端自由垂落在膜组件外壳（5）的内部，形成悬垂式结构，所述中空纤维膜丝（10）的底端设有封堵头（11）。

2.如权利要求1所述的新型高效膜生物反应器膜组件，其特征在于：所述中空纤维膜丝（10）的支撑层（21）为海绵状结构，所述中空纤维膜丝（10）的外表面上设有膜分离孔。

3.如权利要求1或2所述的新型高效膜生物反应器膜组件，其特征在于：所述下端盖（3）上设有进气口（2），所述下端盖（3）的内部设有一使进水口（1）进入的泥水预分离以及进气口（2）进入的气体均匀分布的三相分布器（4）。

4.如权利要求1所述的悬垂式外压中空纤维膜组件，其特征在于：所述中空纤维膜丝（10）采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚砜或聚丙烯材料制成。

5.如权利要求2所述的新型高效膜生物反应器膜组件，其特征在于：所述膜分离孔的内径为0.001-2um。

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