CN103771588B - 以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器，由卧式长方体反应器箱体（5），进水口（2）、回流进水口（1）、溢流出水口（9）、回流出水口（8）、排泥口（7）、箱盖上的6个有内螺纹的接口（11）和6个提供H₂、CO₂的膜组件组成，每两个膜组件为一组，每组膜组件之间以及膜组件与进水口（2）之间依次设有第三导流板（6），第二导流板（4）和第一导流板（3），第一导流板（3）的底端与反应器箱体内底壁固结，一侧留有通道，其余两块导流板的底部均留有通道，两侧对称与箱体前、后侧壁交错固结，形成对称的通道。本发明处理效果好、运行和维护方便、成本低廉、易于大规模工程化处理地下水中氧化态污染物。

Description

以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器

技术领域

本发明涉及—种以二氧化碳为碳源的水平流回流式氢基质生物膜反应器，具体是采用二氧化碳为无机碳源，利用氢自养菌生物膜对贫碳源受氧化态污染物质污染的污水进行净化处理的水平流回流式氢基质生物膜反应器，属于环境工程和市政工程污水处理技术领域。

背景技术

在我国的不少地区，地下水被氧化态物质污染的程度是相当严重的。这些氧化态物质主要包括离子化合物(如硝酸盐、硫酸盐、溴酸盐等)，氧化态重金属(Cr(VI))和挥发性有机物质(如氯仿、对硝基氯苯等)。

氢基质生物膜技术是一种自养生物还原方法，具有清洁、无残留、利用率高、成本低廉、无须后续生物稳定性处理等优点，适用于有机碳源缺乏的地下水处理。该技术采用氢气作为电子供体，PVDF中空纤维膜作为生物膜载体。氢气从PVDF中空纤维膜内部通过无泡扩散方式扩散到膜外，被膜表面的微生物利用；同时，氧化性物质被还原而达到净化水质目的，如硝酸盐被彻底还原为无毒的氮气，溴酸盐被还原成低毒的溴离子。

氢基质生物膜反应器在我国的使用目前停留在实验室研究较多，如申请号200810202126.1和申请号201210525050.2的中国专利申请。其中，后者是前者的改进装置。申请号为201210525050.2的装置反应器筒体内设有内部通H₂的膜组件和内部通CO₂的膜组件，其中H₂作为初始能源和无机氢供体，CO₂作为碳源，利用膜曝气方法通入CO₂气体，CO₂溶于水后产生的H₂CO₃，可还原氧化性污染物，中和过程中产生的OH-生成HCO₃ ^-，HCO₃ ^-可作为氢自养还原菌生长必需的无机碳源被其利用，通过调节CO₂分压，调节反应器内溶液pH值，在氢自养还原菌适宜生长的范围内，并有效控制Ca²⁺、Mg²⁺离子的沉淀。该反应器采用回流式搅拌，通过高速回流使反应器内溶液混合均匀，当生物膜过厚时，可通过高速反冲洗进行洗膜。通过长期的运行实践，上述专利中的氢基质生物膜反应器运行稳定，处理效果良好，但存在以下4个问题：

1，由于上述反应器均采用竖向流进水方式，即反应器形状为立式反应器，在垂直方向上深度较大。随着氢气和二氧化碳通过膜孔扩散到介质中，膜丝内气体压力沿程降低较快，到一定高度时气体压力小于周围水压，出现水渗入膜丝的情况，该处以下膜表面得不到气体供应，影响反应器的正常运行。

2，上述专利未考虑脱落的生物膜收集及排出，在实际运行过程中，随着微生物的生长周期，脱落的生物膜慢慢积累，如果得不到有效排出，会减小反应器的有效体积，同时恶化出水水质。

3，上述专利中反应器内液体的完全混合状态由较高的回流比实现，一般需要达到150以上，需要消耗大量能源，在实际工程中不可能实现，限制了其在实际工程应用中的推广。

4，上述专利中膜组件与反应器箱体连接，离线清洗或者更换膜组件需要拆卸反应器，工作量较大，并且容易破坏反应器的缺氧环境，影响反应器的连续稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供—种利用二氧化碳为碳源的水平流回流式氢基质生物膜反应器。该反应器处理效果好，气体利用率高，拆卸更换膜组件简单易行，可进行工程放大化。

为达上述目的，本发明的反应器箱体形状采用卧式长方体，使反应器内的流态为水平流方式，有效减小了反应器的高度，避免出现膜丝内部气体压力小于周围水压的情况，同时降低了建设成本。此外反应器内设导流板，保证污水与膜丝充分接触，并且增加水平流速，冲刷膜表面，控制生物膜的厚度，有效控制微生物量，随着沿程溶解氧浓度的降低，实现同化性硝酸盐去除和反硝化作用的阶段发生，保证硝酸盐的去除效果。本发明中的碳源CO₂和能源及无机氢供体H₂依次间隔通入膜组件，通过无泡膜曝气，提高CO₂和H₂的利用效率。CO₂溶于水后产生的H₂CO₃可中和还原过程中产生的OH^-生成HCO₃ ^-，HCO₃ ^-可作为氢自养还原菌生长必需的无机碳源被其利用。通过调节CO₂分压可调节反应器内溶液pH值在氢自养还原菌适宜生长的范围内，并有效控制Ca²⁺、Mg²⁺离子的沉淀。该反应器的PVDF中空纤维膜组件采用U型结构，在不增加高度的基础上，增加了微生物的附着面积，并且使膜丝表面都可以与污水接触。膜组件通过螺纹固定在反应器箱盖上，离线清洗和更换极为方便。反应器内流态为水平推流，不需要高回流比保证完全混合状态，为了控制进水负荷，反应器采用回流出水的方式，回流比控制在3-5。

本发明的技术方案如下：

包括反应器箱体，反应器箱体左端的进水口、回流进水口，右端的溢流出水口和回流出水口，顶端的箱盖，箱盖上开设的备用排气孔；通过法兰螺丝将反应器箱盖和反应器箱体紧密连接成一体，保证反应器内为密闭环境；其结构要点是：

反应器箱体的形状为卧式长方体，顶端的箱盖上设有6个有内螺纹的接口，有内螺纹的接口与6个提供H₂、CO₂的膜组件螺接，下部设置污泥斗，污泥斗的底部有排泥口；6个膜组件按每两个膜组件为一组共三组，沿水平方向排列于反应器箱体内，其中，膜组件甲和膜组件己为右端组，膜组件乙和膜组件戊为中间组，膜组件丙和膜组件丁为左端组；右端、中间两组膜组件之间设有第二导流板，中间、左端两组膜组件之间设有第三导流板，在左端组和进水口之间设有第一导流板；第一导流板和反应器箱体的底壁及箱体的后侧壁固结，和前侧壁之间留有通道；第二导流板与箱体前侧壁固结，和后侧壁之间留有通道；第三导流板与箱体后侧壁固结，和前壁面之间留有通道，第二导流板和第三导流板下部与箱体底壁之间均留有通道；

上述每个膜组件由有外螺纹的接头、PVC套筒、以及二者之间的支撑垫圈和200±10根PVDF中空纤维膜丝组成，PVDF中空纤维膜为市售U型PVDF中空纤维膜丝，外径1.3mm，内径0.7mm，膜孔径0.02μm，PVDF中空纤维膜丝的两端分别套入PVC套筒，用环氧树脂胶粘结成一束，每根PVDF中空纤维膜丝两端开口不密封，PVC套筒和垫有支撑垫圈的有外螺纹的接头之间通过环氧树脂胶粘在一起，即完成膜组件的组装；将组装好的膜组件装入反应器箱体内，通过转动有外螺纹的接头，即与有内螺纹的接口螺接成一体。

上述排泥口设置在第三导流板与反应器右端之间。

上述膜组件乙，膜组件丁，膜组件己通二氧化碳气体，膜组件甲，膜组件丙，膜组件戊通氢气。

与现有技术比较本发明具有如下效果和优点

1.由于本发明反应器采用卧式水平流方式，反应器的深度降低，膜丝长度也减小，氢气和二氧化碳可以有效传质到膜丝各个位置，避免了膜丝内部气压沿程下降，导致膜丝外部水压高于膜丝内部气压，污水渗入膜丝，影响反应器的正常运行，因此具有气体利用率高，污染物去除效率高的优点。

2.本发明反应器底部设置污泥收集斗和排泥口，脱落生物膜经过收集后通过排泥口排除，避免脱落的生物膜占用反应器的有效体积，恶化出水水质，从而保证反应器的稳定连续运行。

3.本发明反应器主体内部设置导流板，有利于污水和膜丝表面微生物充分接触，有利于污染物的充分降解。同时增大膜丝表面的水流速度，可以控制生物膜的厚度，避免生物膜过厚引起的气体传质问题。

4.本发明中的膜组件通过接头的外螺纹与反应器上盖接口的内螺纹密封连接，密封性好，并且拆卸方便，无需将反应器拆开，降低了膜组件受损的风险，便于膜组件的离线清洗和更换，同时不影响反应器的内部稳定，有利于反应器的运行和维护。

5.本发明反应器采用出水回流到进水的方式，可以有效缓解进水的冲击负荷，使污染物混合更均匀，回流比为300％-500％，低于申请号201210525050.2专利中的50-150倍，降低了运行过程中的能源消耗，为反应器进行扩大工程化设计提供了可能。

6.本发明中采用的膜组件中的膜丝采用U型形式，两端粘结在套筒内，呈环状排列，膜丝分布均匀，疏密适中，膜丝比表面积大，结构简单，易于大规模工程化应用。

附图说明

图1为本发明的反应器的剖视图

图2为本发明的反应器的俯视图

图3为本发明的反应器箱体的俯视图

图4为本发明的膜组件结构示意图

图5为本发明的工艺流程图

图中：

1—回流进水口；2—进水口；3—第一导流板；4—第二导流板；5—反应器箱体；6—第三导流板；7—排泥口；8—回流出水口；9—溢流出水口；10—法兰螺丝；11—有内螺纹的接口；12—膜组件甲，13—膜组件乙，14—膜组件丙；15—膜组件丁；16—膜组件戊；17—膜组件己；18—备用排气孔；19—带外螺纹的接头；20—支撑垫圈；21—PVC套筒；22—PVDF中空纤维膜膜丝。

具体实施方式

首先进行反应器箱体的制作，如图1-4，反应器箱体5为卧式长方体，底部的污泥斗的形状为倾斜的斗形，污泥斗端部安装排泥口7，由有机玻璃材料制成并通过焊接工艺连为—个整体。随后在反应器箱体5的设定位置打孔，并焊接短管，分别是左端侧壁上的回流进水口1，左端后侧壁上的进水口2，右端后侧壁上自上而下的溢流出水口9和回流出水口8。然后在反应器箱体内部焊接有机玻璃的导流板共3块，分别是第一导流板3，第二导流板4和第三导流板6。3块导流板的位置是与6个膜组件位置相关，位于反应器箱体5内的6个膜组件的顶端固结在反应器箱盖上，2个一组，共3组：其中，膜组件甲12和膜组件己17为右端组，膜组件乙13和膜组件戊16为中间组，膜组件丙14和膜组件丁15为左端组；右端、中间两组膜组件之间设有第二导流板4，中间、左端两组膜组件之间设有第三导流板6，在左端组和进水口之间设有第一导流板3；第一导流板3和反应器箱体5的底壁及箱体的后侧壁固结，和前侧壁之间留有通道；第二导流板4与箱体前侧壁固结，和后侧壁之间留有通道；第三导流板6与箱体后侧壁固结，和前壁面之间留有通道，第二导流板4和第三导流板6底部与箱体底壁之间均留有通道。

接着进行膜组件的组装。膜组件由有外螺纹的接头19、PVC套筒21、及二者之间的支撑垫圈20和PVDF中空膜膜丝22组成。PVDF中空膜膜丝22采用市售的U型PVDF中空纤维膜丝，外径为1.3mm，内径0.7mm，膜孔孔径0.02μm。每个膜组件有200±10根PVDF中空膜膜丝22，PVD F中空膜膜丝22的两段分别套入PVC套筒21，用环氧树脂胶粘结成一束，保证PVDF中空膜膜丝22与PVC套筒21粘结牢固且无缝隙，同时每根PVDF中空膜膜丝两端端口不密封，这样，氢气或二氧化碳进入膜丝内，通过膜丝表面的膜孔扩散到膜外，然后通过环氧树脂胶将PVC套筒21和垫有支撑垫圈20的带外螺纹的接头19粘在一起，同样保证PVC套筒21和带外螺纹的接头19的密封性。

最后进行反应器的组装，组装时首先将密封垫圈安装在反应器箱体5的法兰环上，将留有一个备用排气孔18的反应器箱盖盖上，用法兰螺丝10旋紧固定。然后在膜组件的带外螺纹的接头19的外螺纹处缠绕生料带，将组装好的膜组件通过反应器箱盖上的有内螺纹的接口5竖直插入反应器箱体5内，旋紧带外螺纹的接头19顶部的六角螺母。

将连通二氧化碳气体的管道与膜组件乙13，膜组件丁15，膜组件己17连接，将膜组件甲12，膜组件丙14，膜组件戊16与通氢气的管道连接。

工作原理和效果

本发明装置运行时，将组装完成后的反应器按照图5所示方法把进水泵一端与污染水连接，另外一端与反应器进水口2连接。将回流泵一端与反应器回流进水口1连接，另外一端与反应器回流出水口8连接。将含有硝酸盐等氧化态污染物的污染水由进水泵提供动力，进入反应器，污染水在第一导流板3、第二导流板4、第三导流板6的引导作用下呈S型流经6个膜组件表面，污染水中的污染物沿程被微生物同化利用或者降解，同时回流进水口1、回流出水口8由回流管连通，与进水口2在水平面上垂直，中间经回流泵提供动力，使得反应器内形成回流。H₂和CO₂分别以—定压力通过气体管路进入PVDF中空膜膜丝22内部，再通过膜丝表面的膜孔以无泡扩散方式扩散至膜丝外部。CO₂溶于水中形成H₂CO₃，并中和氧化性污染物还原过程中产生的OH^-，形成HCO₃ ^-；氢气则作为初始能源和无机氢供体被附着在膜丝表面的生物膜利用。氢气经膜孔扩散后，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的污染物质由生物膜外部向内部扩散，逆向扩散可提高气体和底物的利用速率。微生物利用HCO₃ ^-作为无机碳源，以氧化态污染物为底物，利用氢气提供的电子将氧化性污染物还原成低毒或无毒的形态，还原产物或形成沉淀被生物膜吸附，或回到水体中。净化后的水由顶部的溢流出水口9溢流而出，微生物生长代谢脱落的生物膜在水流和重力的作用下集中在污泥斗出口处，一定时间打开排泥口7的快开开关，将脱落的生物膜排出反应器。

生物膜生长过厚时，氢气传质将受到一定阻碍从而导致去除效果下降，同时，污染水中一些无机盐离子在生物膜表面或者膜孔处结垢。当上述情况发生时，可对反应器进行洗膜，旋转膜组件的带内螺纹的接头19，将膜组件从带内螺纹的接口11中取出，用堵头立即密封反应器。根据生物膜厚度，用曝气或者超声等方式对膜组件进行物理清洗，当发生膜孔堵塞时，可以进行酸洗，碱洗。本发明在受氧化态物质污染的地下水源处理中有着广泛的应用前景，如应用于含高硝酸盐的地下水，矿区地下水(重金属污染)、干洗行业废水(含氯仿类污染物)污染的地下水，离子交换废液等。

Claims (4)

1.一种以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器，包括反应器箱体(5)，反应器箱体(5)左端的进水口(2)、回流进水口(1)，右端的溢流出水口(9)和回流出水口(8)，上部的箱盖，箱盖上开设的备用排气孔(18)；通过法兰螺丝(10)将反应器的箱盖和反应器箱体(5)固结成一体，其特征是：反应器箱体(5)的形状为卧式长方体，顶端的箱盖上设有6个有内螺纹的接口(11)，有内螺纹的接口(11)与6个提供H₂、CO₂的膜组件螺接，下部设置污泥斗，污泥斗的底部有排泥口(7)；6个膜组件按每两个膜组件为一组共三组，沿水平方向排列于反应器箱体内，其中，膜组件甲(12)和膜组件己(17)为右端组，膜组件乙(13)和膜组件戊(16)为中间组，膜组件丙(14)和膜组件丁(15)为左端组；右端、中间两组膜组件之间设有第二导流板(4)，中间、左端两组膜组件之间设有第三导流板(6)，在左端组和进水口(2)之间设有第一导流板(3)；第一导流板(3)和反应器箱体的底壁及箱体的后侧壁固结，和前侧壁之间留有通道；第二导流板(4)与箱体前侧壁固结，和后侧壁之间留有通道；第三导流板(6)与箱体后侧壁固结，和前壁面之间留有通道，第二导流板(4)和第三导流板(6)下部与箱体底壁之间均留有通道；

上述每个膜组件由有外螺纹的接头(19)、PVC套筒(21)、以及二者之间的支撑垫圈(20)和200根PVDF中空纤维膜丝(22)组成，PVDF中空纤维膜(22)为市售U型PVDF中空纤维膜丝，外径1.3mm，内径0.7mm，膜孔径0.02μm，PVDF中空纤维膜丝(22)的两端分别套入PVC套筒(21)，用环氧树脂胶粘结成一束，每根PVDF中空纤维膜丝(22)两端开口不密封，PVC套筒(21)和垫有支撑垫圈(20)的有外螺纹的接头(19)之间通过环氧树脂胶粘在一起即完成膜组件的组装；将组装好的膜组件装入反应器箱体(5)内，通过转动有外螺纹的接头(19)，即与有内螺纹的接口(11)螺接成一体。

2.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器，其特征是：排泥口(7)设置在第三导流板(6)与反应器右端之间。

3.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器，其特征是：膜组件乙，膜组件丁，膜组件己通二氧化碳气体，膜组件甲，膜组件丙，膜组件戊通氢气。

4.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为碳源的回流式水平流氢基质生物膜反应器，其特征是：所述的回流进水口(1)与进水口(2)是在同一水平面上形成垂直关系。