CN103214082A

CN103214082A - 低能耗涡旋流膜生物反应器

Info

Publication number: CN103214082A
Application number: CN2013101258228A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 艾文竞; 胡晓雪
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: CN103214082B

Abstract

本发明低能耗涡旋流膜生物反应器，涉及水、废水或污水的物理处理和生物处理，由循环水箱、蠕动往复型循环水泵、膜组件、膜支架、生物反应器、控制阀、连通管、过滤网、压力表和出水口组成。本发明低能耗涡旋流膜生物反应器运行过程中有两个特点：一是水流在膜组件内形成低雷诺数下的涡旋流状态，克服了传统膜生物反应器所要求的水流在膜组件内高雷诺数下高流速带来的高能耗缺点；二是无需人工曝气，而是让微生物直接与空气相接触，克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量带来的高能耗缺点，既提高了微生物对氧的利用速率，又大大降低了运行费用。

Description

低能耗涡旋流膜生物反应器

技术领域

本发明的技术方案涉及水、废水或污水的物理过滤和生物处理，具体地说是低能耗涡旋流膜生物反应器。

背景技术

现有膜生物反应器(简称为MBR)技术是活性污泥法和膜分离技术相结合的一种污水处理新工艺，其反应器主要由生物处理反应器和膜组件构成。膜生物反应器技术具有占地面积小、去除效率高和出水水质好的优点。近年来，随着膜技术的发展，MBR越来越广泛地应用于污水处理中。

传统的MBR工艺为缓减膜污染，常采用较大的曝气量，以加强膜组件表面的水力冲刷，这虽然能在一定程度上缓减膜污染，同时使混合液具有较高的溶解氧，但导致该技术运行能耗高，从而制约了该技术的进一步推广应用。

201010514341公开了一种低能耗免曝气膜生物反应器，运行过程中无需人工曝气，而是让微生物直接与空气相接触，克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量带来的高能耗和膜寿命短的缺点，该发明采用陶瓷膜管，不但膜造价较高，而且依靠膜管内高雷诺数下的高错流流速的湍流流态减缓膜污染，势必造成运行能耗较高。CN200610014449公开了一种低能耗膜生物反应器，由生物处理系统和自动控制系统两部分构成，生物处理系统由中空纤维膜组件、穿孔曝气管、进、出水泵、曝气泵和压力表组成；自控系统由液位计、时间继电器、A/D-D/A-I/O转换装置、PC机和变频器组成，该发明通过分配不同阶段的气水比，减小曝气能耗，稳定膜通量，避免持续较大的曝气强度对污泥混合液可滤性造成的负面影响。CN200620043204公开了带有膜清洗装置的膜生物反应器，主要是一个带有膜清洗装置的膜生物反应器，包括有膜组件、超声波换能器、曝气系统、反冲水洗系统、液位控制器和电路控制系统，主要是通过曝气系统维持生物反应器较高的溶解氧浓度，反冲水洗系统控制膜污染，系统运行能耗相对较高。

上述现有技术的主要问题是，膜污染依然是影响膜生物反应器长期稳定运行的关键因素，高错流流速、高曝气量、气-水联合反冲洗等技术均会造成膜生物反应器运行能耗的增高。因此，目前许多企事业单位所应用的现有膜生物反应器技术的污水处理回用设施均处于半停滞状态，给膜生物反应器的实际运行效果带来了一系列严重的负面影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种低能耗涡旋流膜生物反应器，将生物膜法与膜分离技术相结合，并通过膜组件的结构设计以及循环水泵的脉冲扰动，促使膜管内水流形成一种较低雷诺数下的涡旋波流动形式，达到在层流状态下强化传质效果的目的，提高膜表面的对流传输，抑制浓差极化，缓解膜污染，克服了传统管式膜内水流的高雷诺数湍流模式，从而降低系统运行能耗。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：低能耗涡旋流膜生物反应器，由循环水箱、循环水泵、膜组件、膜支架、生物反应器、出水口、控制阀、压力表、连通管和滤网组成，循环水箱通过给水管与循环水泵连接，循环水泵又通过给水管与膜组件相连接，在循环水泵和膜组件之间的管路上安装压力表和控制阀，压力表安装于膜组件之前，控制阀安装于连接循环水泵与压力表之间给水管上的任意位置，膜组件被固定于膜支架上，膜支架固定于生物反应器中，循环水箱与膜组件之间有回水管连通，出水口设置于生物反应器一侧距底部30mm之上，100目的不锈钢滤网固定于距膜组件底部20cm的位置，生物反应器、循环水箱和循环水泵被固定于设定的建筑基座上。所述膜组件是由膜管通过连通管连接构成，膜管是在PVC螺旋状支撑结构外侧包裹聚丙烯无纺布加工而成，螺旋状支撑结构PVC材料直径1.5mm，螺旋节距3mm，螺旋管内径15mm，螺旋管长度1000mm。聚丙烯无纺布的膜孔径为4.0μm。

上述低能耗涡旋流膜生物反应器，其中所述膜管内涡旋流的形成方法，通过蠕动往复型循环泵转速调节脉冲频率，控制阀调节膜管内液流速度。当蠕动泵转速为75rpm，脉冲频率Ω为1.25Hz不变条件下，通过阀门调节流量，使管内流速由小逐渐增大，当膜管内液流速度达在0.05～0.12m/s范围时，通过PIV(particle image velocimetry)系统测试，膜管内水流形成了稳定的涡旋波流。

上述膜组件中聚丙烯无纺布膜外侧管壁生物膜的挂膜方法是：生活污水通过蠕动往复泵自循环水箱泵入膜组件，使膜管内水流流速维持在0.05～0.12m/s的涡旋流状态，压力表读数维持在0.01～0.03MPa，污水中微生物菌种及污水中营养物质渗透过无纺布膜，并附着与膜管壁外侧，经过20天左右的培养，膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，即生物膜的挂膜成功。

上述低能耗涡旋流膜生物反应器，所述膜组件由1～3组无纺布膜组件构成，每组含有20根无纺布膜管，每一根无纺布膜管的处理水量为40L/h，膜组件中的每一根无纺布膜管都通过接头并联接在连通管上。

上述低能耗涡旋流膜生物反应器，其中，所述循环水箱和生物反应器均为普通材质的水箱；循环水泵为蠕动往复型水泵，型号：BT300-2J；控制阀为普通手动球阀；连通管、给水管和出水管均为钢管或PVC管；滤网为100目不锈钢材质微孔网；膜管支架根据膜管组件的规格尺寸确定；聚丙烯无纺布膜材料是公知的，聚丙烯无纺布膜管可以委托生产厂家按照要求加工制造得到；接头采用一般公知的通用水暖器件。上述所有元器件和材料均可商购得到。

上述低能耗涡旋流膜生物反应器，其中所述部件之间的连接方法和固定方法都是本技术领域中一般采用的方法。

本发明的有益效果是：

I.本发明低能耗涡旋流膜生物反应器的工作原理

本发明低能耗涡旋流膜生物反应器将生物膜法与膜过滤技术相结合，以PVC材质制作管式螺旋状支撑结构(类似弹簧)，其外裹聚丙烯无纺布作为过滤介质，形成管式膜。膜管外侧生长生物膜，生物膜直接与空气接触，无需人工曝气；膜管内污水在蠕动往复型循环水泵一定频率的脉冲扰动和膜管内螺旋状支撑结构的作用下，膜管内水流形成一种较低雷诺数下的涡旋波流动形式。涡旋波流动形式是一种特殊的边界层分离现象，可以减小边界层厚度，提高膜表面的对流传输，达到在层流状态下强化传质效果的目的，抑制浓差极化，缓解膜污染，由此克服了传统管式膜内水流的高湍流模式，从而降低系统运行能耗。

II.本发明低能耗涡旋流膜生物反应器的优点

(1)本发明的低能耗涡旋流膜生物反应器将生物膜法与膜过滤技术相结合，保留了已有膜生物反应器膜过滤性能的优点，出水水质好；通过膜组件结构设计和循环水泵的脉冲扰动，实现了膜管内水流能够在较低雷诺数下的涡旋波流动形式，强化了传质效果，减缓了膜污染，从而使运行能耗大大降低，运行费用仅仅是循环水泵将污水从循环水箱泵入膜组件的花费；

(2)本发明的低能耗涡旋流膜生物反应器是生物膜法与膜过滤技术的有机结合，其中膜组件的膜管外侧管壁生长生物膜，生物膜直接与空气接触，无需人工曝气，并且生物膜不同厚度生长有不同相态的微生物群落，即好氧菌、厌氧菌及兼性菌，使该反应器技术兼具去碳、脱氮和除磷的技术要求；

(3)本发明的低能耗涡旋流膜生物反应器的膜管组件采用PVC材料制成的螺旋状支撑结构，以聚丙烯无纺布作为过滤介质，降低了膜材料成本，延长了膜的使用寿命。

基于上述理由，本发明技术与现有技术相比的优点是：本发明技术克服了传统膜生物反应器所要求的高曝气量、高雷诺数下的高错流流速带来的高能耗的缺点，现有的膜生物反应器技术是活性污泥法与膜过滤技术的结合，而本发明低能耗涡旋流膜生物反应器则是膜过滤技术与生物膜技术的有机结合，并且通过膜组件的结构设计和循环水泵的脉冲扰动，实现了膜管内水流在较低雷诺数下的涡旋波流动形式，强化了传质效果，减缓了膜污染，较大程度降低了该技术的运行费用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明低能耗涡旋流膜生物反应器的结构示意图。

图中，1.循环水箱，2.连通管，3.生物反应器，4.膜组件，5.过滤网，6.出水管，7.压力表，8.控制阀，9.循环水泵，10.膜支架。

具体实施方式

图1表明本发明低能耗涡旋流膜生物反应器是由循环水箱1、连通管2、生物反应器3、膜组件4、过滤网5、出水管6、压力表7、控制阀8、循环水泵9和膜支架10组成，循环水箱1通过给水管与循环水泵9连接，循环水泵9又通过给水管与膜组件4相连接，压力表7和控制阀8装于连接循环水箱1与膜组件4之间的给水管上，压力表安装于膜组件之前，控制阀8安装于连接循环水泵9与压力表7之间给水管上的任意位置上，膜组件4被固定于膜支架10上，膜支架10固定于生物反应器3上，循环水箱1与膜组件4之间有回水管连通，出水管6设置于生物反应器3一侧距该水箱底部30mm之上，滤网5固定于距膜组件4底部30cm位置，循环水箱1、生物反应器3和循环水泵9被固定于设定的建筑基座上。本图中“——”表示管路。

实施例1

20根膜孔径为4.0μm的无纺布膜管两端分别通过连通管连接形成1组膜管组件，3组膜管组件通过连通管连接形成膜组件，安装于膜支架上，膜支架置于生物反应器中，膜组件一端与给水管相连，另一端与回水管连接，并按图1所示分别安装压力表、控制阀和循环水泵。将生活污水注入循环水箱，生活污水通过蠕动往复泵泵入膜组件，调节循环水泵的转速，形成一定频率的脉冲扰动，使膜管内水流流速维持在0.05～0.12m/s范围内的涡旋流状态，压力表读数维持在0.01～0.03MPa，污水中微生物菌种及污水中营养物质渗透过无纺布膜，并附着与膜管壁外侧，经过20天左右的培养，膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，出水水质明显好转，系统出水COD小于30mg/L，氨氮小于1mg/L，认为生物膜挂膜成功。

本实施例的低能耗涡旋流膜生物反应器的总处理水量为2400L/h，净化后出水的COD小于30mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例2

本实施例的低能耗涡旋流膜生物反应器的构成除所用膜组件由2组无纺布膜管组成，每组含有20根膜孔径为4.0μm的无纺布膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗涡旋流膜生物反应器的总处理水量为1600L/h，净化后出水的COD小于30mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

实施例3

本实施例的低能耗涡旋流膜生物反应器的构成除所用膜管组件由1组无纺布膜管组成，每组含有20根膜孔径为4.0μm的无纺布膜管之外，其他同实施例1。

本实施例的低能耗涡旋流膜生物反应器的总处理水量为800L/h，净化后出水的COD小于30mg/L，NH₃-N的含量小于1mg/L。

Claims

1.低能耗涡旋流膜生物反应器，其特征在于：由循环水箱、循环水泵、膜组件、膜支架、生物反应器、控制阀、连通管、过滤网、出水口组成，循环水箱通过给水管与循环水泵连接，循环水泵又通过给水管与膜组件相连接，膜组件通过支架置于生物反应器中，在循环水泵和膜组件之间的管路上安装压力表和控制阀，压力表安装于膜组件之前，控制阀安装于连接循环水泵与压力表之间给水管上的任意位置上，膜组件被固定于膜支架上，膜支架固定于生物反应器中，循环水箱与膜组件之间有回水管连通，出水口设置于生物反应器一侧距底部30mm之上，100目的不锈钢滤网固定于距膜组件底部20cm的位置，生物反应器、循环水箱和循环水泵被固定于设定的建筑基座上。

2.根据权利要求1所述低能耗涡旋流膜生物反应器，其特征在于：膜组件是由膜管通过连通管连接构成，膜管是在PVC螺旋状支撑结构外侧包裹聚丙烯无纺布加工而成，螺旋状支撑结构PVC材料直径1.5mm，螺旋节距3mm，螺旋管内径15mm，螺旋管长度1000mm。聚丙烯无纺布的膜孔径为4.0μm。

3.根据权利要求1所述低能耗涡旋流膜生物反应器，其特征在于：膜管内涡旋流的形成方法，调节蠕动往复型循环泵转速控制脉冲频率，用控制阀调节膜管内液流速度。当蠕动泵转速为75rpm，脉冲频率Ω为1.25Hz不变条件下，通过控制阀调节流量，使管内流速由小逐渐增大，当膜管内液流速度达到0.05～0.12m/s，通过PIV(particle imagevelocimetry)系统测试，膜管内水流形成了稳定的涡旋波流。

4.根据权利要求1所述低能耗涡旋流膜生物反应器，其特征在于：所述膜组件中聚丙烯无纺布膜外侧管壁生物膜的挂膜方法是：生活污水通过蠕动往复泵自循环水箱泵入膜组件，使膜管内水流流速维持在0.05～0.12m/s的涡旋流状态，压力表读数维持在0.01～0.03MPa，污水中微生物菌种及污水中营养物质渗透过无纺布膜，并附着与膜管壁外侧，经过20天左右的培养，膜管外侧管壁产生一层薄薄的黄褐色生物膜，即生物膜的挂膜成功。

5.根据权利要求1所述低能耗涡旋流膜生物反应器，其特征在于：所述膜组件由1～3组无纺布膜管组件构成，每组含有20根无纺布膜管，每一根无纺布膜管的处理水量为40L/h，膜组件中的每一根无纺布膜管都通过接头并联接在连通管上。