CN104876327A - 一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件，属于环境工程技术领域。该折板膜组件包括中空的折板形有机玻璃框架和过滤膜，过滤膜覆盖于折板形有机玻璃框架两侧构成折板膜组件，折板膜组件至少含有2个波形，折板形有机玻璃框架侧表面设有多条与框架中空内部相连的集水廊道，上端设有环形出水口。应用于膜生物反应器工艺中，能够提高近膜面流体的错流速率，增强近膜面流体的湍流扰动效应，有利于减少颗粒物在膜面的沉积，有效减缓膜污染。本发明的效果和益处是能够在不增加能耗的条件下提高膜组件的抗污染性能，延长膜组件的使用寿命，降低膜组件的清洗频率，大幅降低膜生物反应器工艺的运行成本，促进膜生物反应器的广泛应用。

Description

一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及膜生物反应器工艺成本降低、膜污染延缓实现的方法。
背景技术
随着人口的增加和社会经济的发展，水资源短缺和水污染问题已成为人类21世纪所面临的最紧迫的环境问题。在刚刚过去的20世纪，以活性污泥和生物膜为代表的传统污水处理工艺在污水处理领域显现出巨大优势。然而，传统污水处理工艺具有占地面积大、剩余污泥量大以及能耗高等缺点，而且出水水质难以符合日趋提高的污、废水排放标准。目前，各种新型、改良的高效污水处理工艺不断涌现，特别是将膜分离技术和生物工艺相结合的膜生物反应器(Membrane Bio-reactor,MBR)技术已经引起了国内外的广泛关注。
膜生物反应器是将生物降解和膜过滤分离有机结合的污水处理装置，不仅无需二沉池，而且相比于传统污水处理工艺，还具有出水水质好、设备占地面积小、剩余污泥产量低、便于自动化控制等优点。目前，该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域显示出独特优势，并在实际工程中得到了广泛应用。
但在工程应用中，高能耗和膜污染问题是限制膜生物反应器进一步发展的主要瓶颈。对于浸没式膜生物反应器污水处理工艺，为控制膜污染而产生的曝气能耗是造成该工艺高能耗的根本原因，曝气能耗通常占整个运行能耗的80％以上。有效的膜污染防治技术可以增加膜通量、延长膜的使用寿命、降低能耗和运行成本，因此，膜污染控制技术的研究十分必要。
在膜组件销售市场上，平板膜组件因其具有操作压力小、易清洗、易更换等优点而备受商家青睐。然而，平板膜组件较弱的抗膜污染性能易影响膜生物反应器污水处理系统的稳定性，会增加膜生物反应器污水处理工艺的运行成本。因此，近年来有关浸没式膜生物反应器中平板膜组件的膜污染控制技术不断见诸于报端。这些膜污染控制技术主要包括：膜材料改进、优化操作条件和改善膜面流体力学条件等。其中，改善膜面流体力学条件是一种非常有效的膜污染控制技术，已经引起了众多学者的关注。李波等人设计出一种梯形平板膜组件，通过提高膜面曝气冲刷效率来减缓膜污染。Liu等根据海带螺旋生长的原理，在平板膜组件基础上设计出一种新型螺旋膜组件，该种螺旋膜组件能够提高膜通量，减轻膜污染。但显而易见，与传统平板膜组件相比，上诉新型膜组件势必会占据较大空间，导致膜组件装填密度降低。因此，设计一种既能减缓膜污染又不降低膜组件装填密度的新型膜组件是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型折板膜组件的设计方案及其应用于过滤活性污泥混合液的污水处理方法，其所需装置称为折板膜生物反应器。该种新型折板膜组件具有良好的流体力学性能，能够提高膜面错流速率，增加膜面附近的湍流扰动作用，延缓膜污染，降低工艺运行成本。
为实现上诉发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件包括中空的折板形有机玻璃框架和过滤膜，过滤膜覆盖于折板形有机玻璃框架两侧构成折板膜组件，折板膜组件至少含有2个波形，所述的波形的斜面与竖直方向的倾角θ不大于20°，最优为15°；折板形有机玻璃框架侧表面设有多条与框架中空内部相连的集水廊道，上端设有环形出水口。
根据实际情况要求，生物反应器可以设置多个折板膜组件，各折板膜组件间的距离为15-45mm，分别考察了膜组件正下方曝气和侧下方曝气时折板膜组件的恒压膜过滤性能，最优各折板膜组件间的距离为30mm。
膜组件竖直倾角θ的优化：竖直倾角θ过大会使膜组件占据较大空间，降低膜组件的装填密度，因此，本发明对竖直倾角θ为不大于20°的五种折板膜组件进行了优化。恒压膜过滤试验结果表明：在相同操作条件下，相对于传统平板膜组件，折板膜组件的稳定通量提升幅度为17.7％～57.7％，且竖直倾角为15°的折板膜组件能获得57.7％的最高稳定通量提升幅度。同时，粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术的流场测试结果也表明：与平板膜相比，折板膜面附近存在更高的液相错流速率和更强的湍流扰动效应，且竖直倾角为15°的折板膜面附近存在最优的流体力学条件。膜间距及曝气位置的优化：膜间距不仅会影响曝气对膜面的冲刷效率还会影响膜组件的装填密度。因此，本发明在15-45mm的膜间距下，分别考察了膜组件正下方曝气和侧下方曝气时折板膜组件的恒压膜过滤性能。结果表明：在30mm的最优膜间距下，折板膜组件在两种曝气位置下的稳定通量均能达到最大值，且膜组件正下方曝气的稳定通量要比侧下方曝气高28％。
折板膜组件在MBR中的应用：生物反应器中折板膜组件个数由日处理污水量与单个膜元件通量和过滤面积乘积的比值确定。折板膜组件垂直平行固定在膜框架上，膜框架经滑道放入生物反应器中，通过膜框架底部的支架固定在生物反应器中，并使活性污泥混合液淹没膜框架。生物反应器底部在平行放置的每个膜组件正下方均安装曝气装置及曝气管道，曝气产生的气液两相流冲刷膜面，减少污染物质在膜面的沉积。所有折板膜组件上方的出水管均与膜框架上方的集水总管连接，污水经活性污泥降解和膜过滤后，在抽吸泵的抽吸作用下由总集水管排出。处理生活污水COD浓度在400mg/l以上时，生物反应器内水力停留时间不小于8小时。生物反应器容积满足水力停留时间要求的同时，膜框架必须被活性污泥混合液淹没。折板膜生物反应器的实际运行效果：将新设计的折板膜组件应用于过滤活性污泥混合液，与平板膜组件相比，折板膜组件的过膜压力(TMP)上升速率约为平板膜组件的0.4倍，对COD和NH3-N的去除效率分别高于90％和80％，出水COD和NH3-N浓度符合城市污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)的A标准。
本发明的效果和益处是通过将传统平板膜组件的构型改进为折板形，可以提高膜面附近流体的错流速率，增强膜面附近流体的湍流效应和扰动作用，有利于膜面沉积颗粒向溶液主体扩散，从而降低浓差极化、减轻膜污染。膜污染速率的降低，可以增强系统的稳定性、延长膜的使用寿命、减少膜的化学清洗频率，从而大大降低膜生物反应器工艺的运行成本。
新型折板膜组件可广泛用于现有膜生物反应器工艺的升级改造，以及生活污水、工业废水等回用水处理工艺设计，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是折板膜生物反应器处理污水装置示意图。
图2是膜框架中折板膜组件设计安装示意图。
图中：1鼓风机；2曝气装置及其管道；3折板膜组件；4膜框架；5生物反应器；6真空表；7抽吸泵；8止回阀；9压力表。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
处理生活污水量按10.8m3/d计，COD浓度为400mg/L。折板膜组件3通量维持在25L/(h·m2)，有效过滤面积为3m2，单面面积为1.5m2，单个折板膜组件含有2个完整波形，具体尺寸为：厚a＝15mm，膜面高1500mm，膜面宽1000mm，竖直倾角θ＝15°，每个完整波形的波高h＝100mm，则计算得到共需6个上诉折板膜组件。6个折板膜组件3平行安装在膜框架4中，膜组件之间的水平距离d＝30mm，折板膜组件3上端的出水管与膜框架4上方的集水总管连接，膜框架4沿滑道放入生物反应器5，生物反应器中活性污泥混合液淹没膜框架4。在每个膜组件正下方设置曝气装置及曝气管道2，与膜框架底部的垂直距离b＝20mm，启动鼓风机1曝气，气液两相流冲刷膜面，在减缓膜污染的同时，为生物反应器中微生物的生长代谢提供必需的氧气。在抽吸泵7作用下，经活性污泥降解和微滤膜过滤的渗透水进入折板膜组件中空的内部，从集水总管排出。生物反应池5内水力停留时间为8小时，有效容积为4m2，具体尺寸为：长2m，宽1m，有效水深2m，超高0.5m，总高为2.5m。真空表6用来显示过膜压力(TMP)的数值，当TMP高于45kPa时取出膜组件进行物理和化学清洗。出水管路上安装的止回阀8用来防止管路中蓄积的水发生倒流而损坏抽吸泵7，压力表9用来显示出水管路中水压的大小。

Claims (4)

1.一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件，其特征在于，该折板膜组件包括中空的折板形有机玻璃框架和过滤膜，过滤膜覆盖于折板形有机玻璃框架两侧构成折板膜组件，折板膜组件至少含有2个波形，波高不高于0.1m，所述的波形的斜面与竖直方向的倾角θ不大于20°；折板形有机玻璃框架侧表面设有多条与框架中空内部相连的集水廊道，上端设有环形出水口；生物反应器底部在平行排列的每个折板膜组件正下方安装曝气装置。
2.根据权利要求1所述的折板膜组件，其特征在于，所述的波形的斜面与竖直方向的倾角θ为15°。
3.根据权利要求1或2所述的折板膜组件，其特征在于，生物反应器设置多个折板膜组件，各折板膜组件间的距离为15-45mm。
4.根据权利要求3所述的折板膜组件，其特征在于，所述的折板膜组件在膜间距为30mm时具有最强的抗污染性能。
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