CN104176818A - 超滤膜曝气板及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超滤膜曝气板及其方法。曝气板底部设有基座，基座顶部开槽后，分别于左侧、中央与右侧充填始端胶、主体胶和末端胶，铺设超滤膜后凝固为一体。主体胶顶端低于基座顶端，将超滤膜圆周的75%淹没并密封。始端胶顶端与基座顶端齐平，将超滤膜起始端固定。超滤膜起始端开口于始端胶内的布气腔，布气腔通过进气管与气体供应装置相连。末端胶顶端与基座顶端齐平，将超滤膜末端固定并密封。本发明可将空气切割为10~100nm的超微气泡，强化其与液相主体的接触，提高气液传质速率，提高气体的有效利用率。大幅度削减生物处理系统实际供气量的同时，还能避免高气速带来的强烈冲击，提高系统运行稳定性和操作灵活性，具有良好的经济和环境效益。

Description

超滤膜曝气板及其方法
技术领域
本发明涉及一种曝气装置，尤其涉及一种超滤膜曝气板及其方法。
背景技术
曝气扩散是污水生物处理系统的核心技术之一，其实质就是促进氧气自气相至液相的传质。氧气自气相转移至液相，需借助流体流动形成气液接触界面来完成。曝气器是承担曝气扩散功能的关键设备，其作用即是促进氧气的传质。目前常用气相流体主动运动型曝气器，它是籍由气泡的上升运动，产生立体连续的气液接触面，进而完成将氧气自气相转移至液相的过程的。
按照传质理论，气相液相的接触面积越大，产生有效碰撞的几率就越大，传质效率就越高。因此，气体被分割成小泡的数量越多，则形成的“泡表膜”面积愈多，传质效率也就越高。按照孔隙扩散原则，多大的孔产生多大孔径的细泡。因此，从某种程度上将，曝气器孔径的大小直接决定了曝气扩散的效率。而目前常用的曝气器，其孔径均较大，如固定微孔曝气器孔径约为50μm，软膜微孔曝气器≈100μm，其效率偏低不难理解。
超滤是一种以筛分为分离原理，以压力为推动力的膜分离过程，过滤精度在0.005~0.01μm范围内，可有效去除水中的微粒、胶体、细菌、热源及高分子有机物质，早已在在污废水处理领域广泛应用。在众多超滤膜材料中，以中空纤维素膜的应用最为广泛，也最为成熟。但中空纤维素膜在水处理的应用，主要是利用管壁上的大量微孔（孔径0.01μm~0.1μm）去除水体中污染物。如能将这种膜材料应用于曝气扩散领域，便可解决传统曝气器孔径过大，传质速率低的问题。
将中空纤维素膜应用于曝气扩散领域，具有良好的前景。首先，中空纤维素膜生产与加工技术成熟，容易获得性能优良但价格低廉的中空纤维素膜。其次，利用中空纤维素膜的纳米级膜孔径，将气泡切割为10 nm~100 nm的超微气泡，可有效增加“泡表膜”面积，促进氧气与水相的有效接触，提高氧气传质速率和氧气利用率，削减生物处理系统实际供气量，降低与此相关的设备投资于运行费用。此外，大幅度削减供气量，还可以避免大气量对活性污泥的冲刷作用，提高系统运行的稳定性与操作的灵活性，具有良好的经济和环境效益。
发明内容
本发明目的是克服现有曝气装置的缺陷，提供一种超滤膜曝气板及其方法。
一种超滤膜曝气板底部设有基座，基座顶部设有开槽，分别在开槽左侧、中央与右侧充填始端胶、主体胶和末端胶，开槽内铺设有管式超滤膜，主体胶顶端低于基座顶端，主体胶将超滤膜圆周的75%淹没并密封，始端胶顶端与基座顶端齐平，始端胶将超滤膜起始端固定，超滤膜起始端开口于始端胶内的布气腔，布气腔通过进气管与气体供应装置相连，末端胶顶端与基座顶端齐平，末端胶将超滤膜末端固定并密封。
所述的曝气板为长方体状装置，其长度与高度之比为4:1~8:1，其宽度与高度之比为10:1~15:1，但其高度不得小于10 mm，开槽为长方体状，开槽的长度、宽度、高度与曝气板高度之比为（2~4）:（8~12）:（0.5~0.8）:1，但开槽的高度不得小于5 mm。
所述的始端胶、主体胶和末端胶三者的长度与长方体状开槽长度之比依次为1:1、1:1和1:1；始端胶、主体胶和末端胶三者的宽度之比为1:（10~15）:1，但始端胶和末端胶的宽度均不小于10 mm；始端胶、主体胶和末端胶三者的厚度与长方体状开槽高度之比依次为1:1、2:1和1:1，但主体胶的厚度不小于2.5 mm。
所述的超滤膜的单体外径0.4~2.0 mm，内径0.3~1.4 mm，膜孔大小10~100 nm，超滤膜的起始端和末尾端分别伸入始端胶和末端胶中，中央部分嵌入主体胶内，超滤膜单体排列间距为其外径的2~3倍，最外侧的超滤膜单体距离开槽外缘的距离为1.5~2.0 mm。
所述的超滤膜起始端横断面完全浸没于始端胶内，末端横断面完全浸没于末端胶内，中央横断面圆周的75%浸没与主体胶内，其余25%暴露于主体胶之外，超滤膜起始端伸入始端胶内的距离为始端胶宽度的50%~75%，超滤膜末尾端伸入末端胶内的距离为末端胶宽度的50%~75%。
所述的始端胶设置长方体状布气腔，以连接超滤膜起始端和进气管，其长度、宽度、高度与曝气板高度之比依次为（2~3）:1、1:（4~5）和1:（3~4），但其尺寸应满足容纳所有超滤膜单体末端的要求，以完成其布气功能。
所述的进气管穿过基座与布气腔相连，进气管外径为布气腔高度的2/3~3/4，进气管伸出基座外壁的长度为其外径的5~10倍。
所述的始端胶、主体胶、末端胶、超滤膜、布气腔和进气管各结构耐压强度及其联接处的耐受强度均大于1.5 MPa。
所述的超滤膜曝气板的操作方法是：气体自进气管进入布气腔，通过超滤膜的起始端进入超滤膜内腔，在内外压差的作用下，气体穿过暴露于主体胶之外的超滤膜的1/4圆周上的超微膜孔，并被切割为孔径10~100nm的超微气泡，进而进入水相主体，超微气泡表面的气体分子与水分子团接触后，与水分子团结合转化为溶解态，未能与水分子团有效接触，或处于内部无法与水分子团接触的气体，则随气体溢出水相主体。
与现有曝气装置相比，本发明具有明显的优势：1）中空纤维素膜在水超滤处理领域得到了广泛应用，其生产加工工艺成熟，容易获得且价格低廉，将其用于曝气装置，具有很强的经济性。2）可将气体切割为10~100 nm的超微气泡，强化其与液相主体的接触，提高气液传质速率，提高气体的有效利用率，从而大幅度削减实际供气量，降低由此带来的设备投资费用和操作运行费用。3）削减生物处理系统实际供气量的同时，也避免了大气量对活性污泥的强烈冲刷作用，提高了系统运行的稳定性和操作的灵活性，具有良好的经济和环境效益。
附图说明
图1是超滤膜曝气板结构俯视图-主视图；
图2是超滤膜曝气板结构剖视图；
图3是超滤膜曝气板的超滤膜布设示意图。
图中：基座1、始端胶2、主体胶3、末端胶4、超滤膜5、布气腔6、进气管7。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种超滤膜曝气板底部设有基座1，基座1顶部开槽后，分别于左侧、中央与右侧充填始端胶2、主体胶3和末端胶4，铺设超滤膜5后凝固为一体。主体胶3顶端低于基座1顶端，将超滤膜5圆周的75%淹没并密封。始端胶2顶端与基座1顶端齐平，将超滤膜5起始端固定。超滤膜5起始端开口于始端胶2内的布气腔6，布气腔6通过进气管7与气体供应装置相连。末端胶4顶端与基座1顶端齐平，将超滤膜5末端固定并密封。
所述的一种超滤膜曝气板为长方体状装置，其长度与高度之比为4:1~8:1，其宽度与高度之比为10:1~15:1，但其高度不得小于10 mm。曝气板顶部中央开设长方体状槽，槽的长度、宽度、高度与曝气板高度之比为（2~4）:（8~12）:（0.5~0.8）:1，但槽的高度不得小于5 mm。始端胶2、主体胶3和末端胶4三者的长度与长方体状槽长度之比依次为1:1、1:1和1:1；始端胶2、主体胶3和末端胶4三者的宽度之比为1:（10~15）:1，但始端胶2和末端胶4的宽度均不小于10 mm；始端胶2、主体胶3和末端胶4三者的厚度与长方体状槽高度之比依次为1:1、2:1和1:1，但主体胶3的厚度不小于2.5 mm。
超滤膜5的单体外径0.4~2.0 mm，内径0.3~1.4 mm，膜孔大小10~100 nm。起始端和末尾端分别深入始端胶2和末端胶4中，中央部分嵌入主体胶3内。超滤膜5单体排列间距为其外径的2~3倍，最外侧超滤膜5单体距离槽外缘的距离为1.5~2.0 mm。超滤膜5起始端横断面完全浸没于始端胶2内，末端横断面完全浸没于末端胶4内，中央横断面圆周的75%浸没与主体胶3内，其余25%暴露于主体胶3之外。超滤膜5起始端伸入始端胶2内的距离为始端胶2宽度的50%~75%，超滤膜5末尾端伸入末端胶4内的距离为末端胶2宽度的50%~75%。
始端胶2设置长方体状布气腔6，以连接超滤膜5起始端和进气管7，其长度、宽度、高度与曝气板高度之比依次为（2~3）:1、1:（4~5）和1:（3~4），但其尺寸应满足容纳所有超滤膜单体末端的要求，以完成其布气功能。进气管7穿过基座1与布气腔6相连，进气管7外径为布气腔6高度的2/3~3/4，进气管7伸出基座1外壁的长度为其外径的5~10倍。始端胶2、主体胶3、末端胶4、超滤膜5、布气腔6和进气管7各结构耐压强度及其联接处的耐受强度均大于1.5 MPa。
一种超滤膜曝气板的工作过程如下：气体（氧气、空气或甲烷等）自进气管7进入布气腔6，通过超滤膜5的起始端进入其内腔。在内外压差的作用下，气体穿过暴露于主体胶3之外的超滤膜5的1/4圆周上的超微孔，并被切割为孔径10~100nm的超微气泡，进而进入水相主体。超微气泡表面的气体分子与水分子团接触后，与水分子团结合转化为溶解态，未能与水分子团有效接触，或处于内部无法与水分子团接触的气体，则随气体溢出水相主体。
本发明中超滤膜5有效工作的关键，在于超滤膜的正确排布和整个装置的良好密封。超滤膜5的起始端和末尾端横断面分别完全淹没于始端胶2和末端胶4内，并被其固定和良好密封；超滤膜5的中央部分横断面圆周的75%淹没于主体胶3之内，其余25%暴露于主体胶3之外，并被其固定和良好密封。此外，必须保证整个装置的密封性，使气体只能通过超滤膜5暴露于主体胶3外的1/4圆周上的超细孔扩散至液相，而不能有其它途径。

Claims (9)

1. 一种超滤膜曝气板，其特征在于：曝气板底部设有基座（1），基座（1）顶部设有开槽，分别在开槽左侧、中央与右侧充填始端胶（2）、主体胶（3）和末端胶（4），开槽内铺设有管式超滤膜（5），主体胶（3）顶端低于基座（1）顶端，主体胶（3）将超滤膜（5）圆周的75%淹没并密封，始端胶（2）顶端与基座（1）顶端齐平，始端胶（2）将超滤膜（5）起始端固定，超滤膜（5）起始端开口于始端胶（2）内的布气腔（6），布气腔（6）通过进气管（7）与气体供应装置相连，末端胶（4）顶端与基座（1）顶端齐平，末端胶（4）将超滤膜（5）末端固定并密封。
2.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的曝气板为长方体状装置，其长度与高度之比为4:1~8:1，其宽度与高度之比为10:1~15:1，但其高度不得小于10 mm，开槽为长方体状，开槽的长度、宽度、高度与曝气板高度之比为（2~4）:（8~12）:（0.5~0.8）:1，但开槽的高度不得小于5 mm。
3.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的始端胶（2）、主体胶（3）和末端胶（4）三者的长度与长方体状开槽长度之比依次为1:1、1:1和1:1；始端胶（2）、主体胶（3）和末端胶（4）三者的宽度之比为1:（10~15）:1，但始端胶（2）和末端胶（4）的宽度均不小于10 mm；始端胶（2）、主体胶（3）和末端胶（4）三者的厚度与长方体状开槽高度之比依次为1:1、2:1和1:1，但主体胶（3）的厚度不小于2.5 mm。
4.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的超滤膜（5）的单体外径0.4~2.0 mm，内径0.3~1.4mm，膜孔大小10~100 nm，超滤膜（5）的起始端和末尾端分别伸入始端胶（2）和末端胶（4）中，中央部分嵌入主体胶（3）内，超滤膜（5）单体排列间距为其外径的2~3倍，最外侧的超滤膜（5）单体距离开槽外缘的距离为1.5~2.0 mm。
5.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的超滤膜（5）起始端横断面完全浸没于始端胶（2）内，末端横断面完全浸没于末端胶（4）内，中央横断面圆周的75%浸没与主体胶（3）内，其余25%暴露于主体胶（3）之外，超滤膜（5）起始端伸入始端胶（2）内的距离为始端胶（2）宽度的50%~75%，超滤膜（5）末尾端伸入末端胶（4）内的距离为末端胶（2）宽度的50%~75%。
6.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的始端胶（2）设置长方体状布气腔（6），以连接超滤膜（5）起始端和进气管（7），其长度、宽度、高度与曝气板高度之比依次为（2~3）:1、1:（4~5）和1:（3~4），但其尺寸应满足容纳所有超滤膜单体末端的要求，以完成其布气功能。
7.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的进气管（7）穿过基座（1）与布气腔（6）相连，进气管（7）外径为布气腔（6）高度的2/3~3/4，进气管（7）伸出基座（1）外壁的长度为其外径的5~10倍。
8.根据权利1所述的一种超滤膜曝气板，其特征在于：所述的始端胶（2）、主体胶（3）、末端胶（4）、超滤膜（5）、布气腔（6）和进气管（7）各结构耐压强度及其联接处的耐受强度均大于1.5 MPa。
9.一种实施如权利1所述的超滤膜曝气板的操作方法，其特征在于：气体自进气管（7）进入布气腔（6），通过超滤膜（5）的起始端进入超滤膜（5）内腔，在内外压差的作用下，气体穿过暴露于主体胶（3）之外的超滤膜（5）的1/4圆周上的超微膜孔，并被切割为孔径10~100nm的超微气泡，进而进入水相主体，超微气泡表面的气体分子与水分子团接触后，与水分子团结合转化为溶解态，未能与水分子团有效接触，或处于内部无法与水分子团接触的气体，则随气体溢出水相主体。
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