CN105906040A - 三维往复运动的mbr膜组器及含有所述膜组器的mbr系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维往复运动的MBR膜组器，所述膜组器包括膜组器支架42和与之相连的膜丝41，膜组器支架42的顶部设有支架吊装点13，其中，所述膜组器还包括三维往复运动驱动装置，所述驱动装置相连的气缸9和活塞杆10，所述驱动装置的一端与建筑物固定连接，另一端与膜组器支架42的上部相连接。本发明通过使膜组器在水中进行三维往复运动，带动膜丝在水中进行三维往复运动，使膜丝具备良好的自净功能，而且能够进一步克服膜池内污泥浓度不均、污泥浓度上低下高的缺陷。

Description

三维往复运动的MBR膜组器及含有所述膜组器的MBR系统

【技术领域】

本发明涉及MBR膜组器，特别是一种能够往复运动的MBR膜组器，以及含有所述膜组器的MBR系统。

【背景技术】

膜生物反应器MBR是一种高效的污水处理设备，通过将设有大量中空纤维超滤膜的膜组器浸没在膜池中实现污水过滤。膜池中的高浓度污水与中空纤维膜接触，在负压抽吸下，清水透过膜丝表面的极小微孔进入中空纤维膜内的空腔，污泥被阻隔在膜丝表面外，从而实现泥水分离。在运行过程中，膜丝外表面吸附的污泥层不断加厚而形成过流阻力，因此影响超滤膜的渗透量。现有技术主要通过曝气使膜池中的膜丝摇摆，使污泥从其表面脱落。由于采用曝气手段，该方法的主要缺点是能耗较高。

作为改进，现有技术中有采用超声波振动膜丝的方法去除膜污染，或采用电磁振动膜组器的方法去除膜污染，或采用膜组器上下振动的方式去除膜污染。但这些方案都未取得满意的效果，或存在各自的缺陷。

美国专利申请US2014097132公开了一种MBR系统，其将膜组器安装在轨道上，通过电机驱动偏心轮，然后通过连杆与膜组器连接，使膜组器能够在轨道上往复运动。膜丝在膜组器的带动下在膜池中往复运动，通过膜丝运动而控制膜污染。然而，其缺点是明显的：处于MBR膜组器外边缘或中心区域的膜丝不能清洗干净，膜组器中部分部位的膜丝有死角，自净能力不足，影响膜丝的过水流量。其次，该系统的钢轮长期在铁轨上进行快速往复运动，轨道与轮子磨损严重，且摩擦阻力大。此外，水池中不均匀水流对膜组器的冲击力，传递到钢轮上，导致钢轮在轨道上偏斜，加快磨损，严重时甚至导致翻车。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种结构简单、易于调节和安装、能够实现三维往复运动的MBR膜组器，以及具有所述膜组器的MBR系统。

本发明提供一种三维往复运动的MBR膜组器，所述膜组器包括膜组器支架42和与之相连的膜丝41，膜组器支架42的顶部设有支架吊装点13，其中，所述膜组器还包括三维往复运动驱动装置，所述驱动装置相连的气缸9和活塞杆10，所述驱动装置的一端与建筑物固定连接，另一端与膜组器支架42的上部相连接。

根据一种优选的实施方式，在垂直面上，活塞杆10的轴与水平面之间存在夹角α。特别优选地，夹角α的范围是0°-45°。

优选地，在水平面上，所述驱动装置与膜组器支架42的连接点沿着活塞杆10的轴的延长线与支架吊装点13之间存在偏心距m。特别优选地，m的范围是5-10cm。

根据一种特别优选的实施方式，支架吊装点13位于膜组器支架42的重心。

更优选地，在活塞杆10远离气缸9的一端还设有活动套筒11，所述驱动装置通过活动套筒11与膜组器支架42连接。

在本发明中，气缸9通过机械连接方式与膜池固定连接。

本发明还提供一种三维往复运动的MBR系统，所述MBR系统包括膜池1、设置在膜池1中的上述的膜组器，所述膜组器通过机械连接方式吊装，所述膜池1具有进水管2和产水总管3，产水总管3通过与之相连的抽吸支管43连接到膜组器的膜丝。

以下将更详细地说明本发明的技术方案。

本发明提供一种三维往复运动的MBR膜组器，其原理是借助一组往复运动装置，通过选择受力点，使得膜组器能够被动地进行三维往复运动。所述膜组器包括膜组器支架42和与之相连的膜丝41，膜组器支架42的顶部设有支架吊装点13。所述膜组器还包括三维往复运动驱动装置，所述驱动装置相连的气缸9和活塞杆10，所述驱动装置的一端与建筑物固定连接，另一端与膜组器支架42的上部相连接。

支架吊装点13优选地位于膜组器支架42的重心。例如，对于常规的矩形、正方形或其他正多边形支架，支架吊装点位于其顶面的中心；对于圆形支架，吊装点位于其顶面的圆形。

吊装点的设计使得膜组器支架42能够借助吊杆7或链吊装在上梁5或其他顶部结构以下，使得膜组器支架42要受到外力作用时能够摆动。

为了实现三维往复运动，即使得膜组器不仅仅呈直线往复运动，在垂直面上，活塞杆10的轴与水平面之间存在夹角α，如图3所示。而在水平面上，所述驱动装置与膜组器支架42的连接点沿着活塞杆10的轴的延长线与支架吊装点13之间存在偏心距m，如图2所示。

在本发明中，为了便于描述，对于包括气缸9和活塞杆10的驱动装置，其与膜组器支架42连接的一端定义为近端，另一端定义为远端。

该驱动装置的远端与建筑物固定连接，例如通过机械连接的方式(例如通过铰链)与膜池的壁固定连接，或借助支架或其他机械连接机构连接到固定物(例如上梁5)。优选地，为了便于安装，驱动装置的远端是气缸9的端部，此时，活塞杆10作为驱动装置的近端与膜组器支架42连接。还可以在活塞杆10和膜组器支架42之间设置活动套筒11，以延长活塞杆10的长度，或调节活塞杆10与支架42之间的距离。

本发明还提供一种三维往复运动的MBR系统，所述MBR系统包括膜池1和膜组器，其中，膜池1具有进水管2和产水总管3，产水总管3通过与之相连的抽吸支管43连接到膜组器的膜丝。膜组器可以是一组或多组，通过从上梁吊装的方式设置在膜池1中，并将三维往复运动驱动装置的远端与膜池1的壁固定连接，使其近端与膜组器的支架连接，通过活塞杆与气缸的动作驱动膜组器进行三维往复运动。

进行三维往复运动时，通过电源控制，气缸9被注入压缩空气，推动活塞杆10向外运动，从而推动膜组器4向前运动。通过气缸9和活塞杆10的配合实现往复运动。膜组器的摆动轨迹如图5所示。

在水平面上，由于活塞杆10与支架吊装点13之间存在偏心距e，因此膜组器4能够同时进行的直线摆动与绕支架吊装点13的水平旋转运动(扭动)的复合运动。当气缸9推动活塞杆10向外运动时，活塞杆10推动膜组器向前运动并绕膜组器重心顺时针转动。当活塞杆10在气缸9的作用下拉动膜组器向后运动时，膜组器绕其重心作逆时针转动，实现扭动。

在垂直立面上，由于活塞杆与水平面之间存在倾角α，所以膜组器同时进行直线摆动和绕下吊点13的立面垂直旋转运动。

综合上述，膜组器存在前后的往复摆动，水平往复扭动，以及立面圆弧(摇动)运动，即三维往复运动。

本领域技术人员可以通过调节气缸9进气阀门的开度，改变气缸9进气的流量，从而改变活塞杆的运动速度，即改变膜组器往复运动的频率。

还通过调整活塞杆近端连接件在膜组器的上下安装位置以调节膜组器水平位移距离，即调节活塞杆的轴线与水平面之间的倾角α。水平位移距离s与倾角α的关系为：

s＝L×cosα

其中L为活塞的行程

倾角越大，膜组器水平位移距离s越短，而膜组器垂直位移h越大。垂直位移距离h与倾角a的关系为：

H＝L×sinα

活塞杆倾角α越小，膜组器水平往复运动距离越大，膜组器的垂直位移h，即绕膜组器下吊点的旋转摇动幅度越小。S与h之间成反比关系。

当倾角α＝0时，通过驱动系统的驱动膜组器仍然能够进行往复运动，只是没有垂直位移，因此膜组器的自净效果将下降。

由于活塞杆10与支架吊装点13之间存在偏心距e。通过调整偏心距e可以调整膜组器扭转幅度的大小。偏心距越大，膜组器扭转的幅度越大，同时膜组器水平距离s越小。偏心距越小。膜组器扭动幅度越小。膜组器的扭动幅度与水平位移成反比关系。

通过使膜组器在水中进行三维往复运动，带动膜丝在水中进行三维往复运动。膜丝受到惯性、膜组器的力及水流冲击力的等多种力的共同作用，运动方向与运动速度不断变化。通过膜丝位置的无规则变化使膜丝之间产生相互碰撞冲击，膜表面相互摩擦，使膜丝表面的污泥脱附下来。

与现有技术常用的曝气手段相比，曝气能够促使膜丝抖动，本发明的三维往复运动的膜组器能够极大程度地增加膜丝间的碰撞机率。通过膜丝的水平往复扭动促进膜丝左右表面之间的冲击，膜丝的立面往复旋转运动促进膜丝上下相对运动摩擦。因此，本发明的三维往复运动膜组器的膜丝具有更优越的抗污染性能，在有利于在膜丝上脱落的污泥沉降或扩散到膜组器的同时，还能够有效防止污泥重复吸附到膜丝表面上。

与常规的MBR膜组器比较，本发明的三维运动膜组器不需要外部挡板，从而减少水流阻力，利于污泥向外部扩散。

另一方，由于重力的作用，现有技术的其他MBR系统的膜池的污泥浓度的分布是下部污泥浓度高而上部浓度低，因此常规MBR的膜丝在其底部受到的污染程度比上部严重。本发明膜丝在膜组器的带动下，能够绕其重心往复摆动，下部膜丝的水平位移距离较长，而上部膜丝的水平位移距离较短。因此下部膜丝的运动速度大，力作用大，受到的冲击与摩擦力也大，所以下部膜丝自净能力优于上部膜丝，以此克服膜池内污泥浓度不均、污泥浓度上低下高的缺陷。

本领域技术人员可通过调整气缸9进气阀门的开度以调节膜组器的运动频率。根据试验结果，当膜组器的运动频率为0.5-1HZ，膜组器的运动行程为10cm时膜丝清洗效果较好。或者，也可以根据各地水质与膜组器的尺寸调整运行频率。

为了进一步节约能耗，本发明的膜组器可以采用低频率运行或脉冲式运行，例如每10-20分钟控制器自动开大气缸的进气节流阀，进行一次的高频率运行。运行历时10秒钟左右。这种脉冲方式运行方式能够进一步降低能耗。

本发明的三维往复运动膜生物反应器MBR通过运动替代曝气，有效降低了膜池的含氧量。因此，本发明的MBR系统的膜池相当于消氧池，膜池中溶解氧很低，膜池底部的污泥可以直接回流到污水处理厂前部的厌氧池，简化了MBR系统的运行，也不会干扰厌氧池中厌氧细菌的生态系统。所以，本发明的系统能够简化MBR工艺系统的流程，减少各池体之间的回流量，实现进一步节能。

【附图说明】

图1为本发明的MBR系统的结构示意图；

图2为本发明的MBR膜组器的俯视结构示意图；

图3为本发明的MBR膜组器在垂直面的运动状态示意图；

图4为本发明的MBR膜组器在垂直面的运动状态示意图；

图5为本发明的MBR膜组器在垂直面的运动轨迹示意图；

图6为本发明的MBR膜组器在水平面的运动状态示意图；

图7为本发明的MBR膜组器在水平面的运动状态示意图；

图8为本发明的MBR膜组器在水平面的运动轨迹示意图；

其中：1、膜池；2、进水管；3、产水总管；4、膜组器；5上梁、；6、吊点；7、吊杆；8、铰链；9、气缸；10、活塞杆；11、套筒；12、电控阀；13、下吊点；

41、膜丝；42、膜组器支架；43、抽吸支管。

【具体实施方式】

通过下述实施例非限制性地说明本发明的技术方案。本发明的保护范围应当由权利要求书确定，所有等同的技术方案都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示的三维往复运动的MBR系统，包括膜池1、膜组器和连接结构。

膜池1具有常规设置的进水管2和产水总管3，产水总管3通过抽吸支管43连接到膜组器的膜丝。在膜池壁的水面以上部分通过铰链8连接一套驱动装置，包括气缸9、活塞杆10和套筒11，并设置三位五通电控阀12用于控制气缸9的活动。

膜组器包括膜组器支架42和固定在支架上的膜丝41，它们通过常规方式组装在一起。其中，套筒11也通过铰链与膜组器支架42的上部连接。

膜组器支架42在其顶面中心设有支架吊装点13。当膜组器处于静止状态时，通过吊杆连接吊装点后，膜组器应当呈基本水平的状态。

连接机构包括位于膜池上方的上梁5，以及用于连接上梁5的吊点6与吊装点13之间的吊杆7。连接妥当后，膜组器在受到外力作用时应当能够摆动。

为了实现三维往复运动，如图2所示，活塞杆10、套筒11的轴线方向与膜组器支架42的连接点沿着活塞杆10的轴的延长线与支架吊装点13之间存在偏心距m＝8cm。在垂直面上，活塞杆10的轴与水平面之间存在夹角α＝25°，如图3所示。

运行时，通过电源和电控阀的控制，气缸9被注入压缩空气，推动活塞杆10向外运动，从而推动膜组器4向前运动。通过气缸9和活塞杆10的配合实现往复运动。膜组器的摆动轨迹如图5所示。

在水平面上，由于活塞杆10与支架吊装点13之间存在偏心距e，因此膜组器4能够同时进行的直线摆动与绕支架吊装点13的水平旋转运动(扭动)的复合运动。当气缸9推动活塞杆10向外运动时，活塞杆10推动膜组器向前运动并绕膜组器重心顺时针转动。当活塞杆10在气缸9的作用下拉动膜组器向后运动时，膜组器绕其重心作逆时针转动，实现扭动。

在垂直立面上，由于活塞杆与水平面之间存在倾角α，所以膜组器同时进行直线摆动和绕下吊点13的立面垂直旋转运动。

综合上述，膜组器存在前后的往复摆动，水平往复扭动，以及立面圆弧(摇动)运动，即三维往复运动。

在本实施例中，往复运动采用脉冲式运行。以10min为周期，每个周期中有10s为高频率(1Hz)往复运动，其余时间为低频率往复运动(0.5Hz)。活塞杆的移动距离为10cm。

通过使膜组器在水中进行三维往复运动，带动膜丝在水中进行三维往复运动。膜丝受到惯性、膜组器的力及水流冲击力的等多种力的共同作用，运动方向与运动速度不断变化。通过膜丝位置的无规则变化使膜丝之间产生相互碰撞冲击，膜表面相互摩擦，使膜丝表面的污泥脱附下来。

与常规的MBR膜组器比较，本发明的三维运动膜组器不需要外部挡板，从而减少水流阻力，利于污泥向外部扩散。

另一方，由于重力的作用，现有技术的其他MBR系统的膜池的污泥浓度的分布是下部污泥浓度高而上部浓度低，因此常规MBR的膜丝在其底部受到的污染程度比上部严重。本发明膜丝在膜组器的带动下，能够绕其重心往复摆动，下部膜丝的水平位移距离较长，而上部膜丝的水平位移距离较短。因此下部膜丝的运动速度大，力作用大，受到的冲击与摩擦力也大，所以下部膜丝自净能力优于上部膜丝，以此克服膜池内污泥浓度不均、污泥浓度上低下高的缺陷。

本发明的三维往复运动膜生物反应器MBR通过运动替代曝气，有效降低了膜池的含氧量。因此，本发明的MBR系统的膜池相当于消氧池，膜池中溶解氧很低，膜池底部的污泥可以直接回流到污水处理厂前部的厌氧池，简化了MBR系统的运行，也不会干扰厌氧池中厌氧细菌的生态系统。所以，本发明的系统能够简化MBR工艺系统的流程，减少各池体之间的回流量，实现进一步节能。

Claims (9)

1.三维往复运动的MBR膜组器，所述膜组器包括膜组器支架(42)和与之相连的膜丝(41)，膜组器支架(42)的顶部设有支架吊装点(13)，其特征在于所述膜组器还包括三维往复运动驱动装置，所述驱动装置相连的气缸(9)和活塞杆(10)，所述驱动装置的一端与建筑物固定连接，另一端与膜组器支架(42)的上部相连接。

2.根据权利要求1所述的MBR膜组器，其特征在于在垂直面上，活塞杆(10)的轴与水平面之间存在夹角α。

3.根据权利要求2所述的MBR膜组器，其特征在于夹角α的范围是0°-45°。

4.根据权利要求1所述的MBR膜组器，其特征在于在水平面上，所述驱动装置与膜组器支架(42)的连接点沿着活塞杆(10)的轴的延长线与支架吊装点(13)之间存在偏心距m。

5.根据权利要求4所述的MBR膜组器，其特征在于m的范围是5-10cm。

6.根据权利要求1所述的MBR膜组器，其特征在于支架吊装点(13)位于膜组器支架(42)的重心。

7.根据权利要求1所述的MBR膜组器，其特征在于在活塞杆(10)远离气缸(9)的一端还设有活动套筒(11)，所述驱动装置通过活动套筒(11)与膜组器支架(42)连接。

8.根据权利要求1所述的MBR膜组器，其特征在于气缸(9)通过机械连接方式与膜池固定连接。

9.三维往复运动的MBR系统，其特征在于所述MBR系统包括膜池(1)、设置在膜池(1)中的根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的膜组器，所述膜组器通过机械连接方式吊装，所述膜池(1)具有进水管(2)和产水总管(3)，产水总管(3)通过与之相连的抽吸支管(43)连接到膜组器的膜丝。