CN105923751A - 一种陶瓷膜及安装该陶瓷膜的曝气膜生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷膜及安装该陶瓷膜的曝气膜生物反应器，该陶瓷膜包括陶瓷膜支撑体和附着在陶瓷膜支撑体上的分离层，其中：陶瓷膜支撑体的制备包括：按质量百分比计，将42％的陶瓷膜支撑体粉体、2％的造孔剂、1％的粘结剂及55％的烧结助剂混合搅拌均匀，在温度960℃下烧结8h即得陶瓷膜支撑体；将形成分离层的制膜液涂覆在陶瓷膜支撑体内表面上至表面均匀为止，干燥的涂有形成分离层的制膜液的陶瓷膜于800℃下烧结即得附着有分离层的陶瓷膜支撑体；反应器兼有膜生物反应器、曝气膜生物反应器、生物膜反应器的功能。其运行方式灵活、节约能源，水处理效果佳；既具备膜生物反应器的功能，又具有生物接触氧化工艺进行多功能的运行。

Description

一种陶瓷膜及安装该陶瓷膜的曝气膜生物反应器
技术领域
本发明属于环境保护领域，具体涉及一种陶瓷膜及安装该陶瓷膜的曝气膜生物反应器。
背景技术
膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)由膜分离技术和生物反应技术相结合的水处理工艺。该工艺具有占地少、处理效率高等优点，因此近年来发展势头迅猛。MBR主要由膜组件和生物反应器两部分组成，生物反应器可使污染物得到降解，膜组件可以起到过滤的作用，进一步净化水质。
膜曝气生物反应器(membrane aerated bioreactor,MABR)技术是针对现有的膜生物反应器存在的不足而开发研究的一种新工艺，该工艺具有曝气量少、硝化与反硝化一体化、污泥发生量小以及运行管理方便等特点，是传统工艺处理高需氧量的废水时的一个引人注目的替代工艺，受到了世界各国水处理工作者的关注。如傅雷鸣(曝气膜生物反应器处理模拟生活污水研，究南京理工大学，硕士论文，2007)，刘强(膜曝气生物反应器(MABR)处理生活污水的研究，大连理工大学，硕士论文，2006)等均进行了相关研究，但是膜曝气生物反应器也有很大的缺点，就是膜表面生物膜难以有效控制，容易跌落。膜材料上附着的生物厚度是系统连续运行的关键，微生物的生长，胞外聚合物质的产生以及非生物物质在生物膜内的滞留使生物膜脱落产生污泥，此时会出现处理效果下降等后果。陶瓷膜技术则是一个较好的解决办法。李福建等(曝气方式对陶瓷膜分离过程的影响，化学工程，2011,39(9)：88-92)，朱飞燕等(硅藻土固定细胞-陶瓷膜微泡曝气-搅拌釜式反应器生物脱硫的研究，计算机与应用化学，2013,30(5)：483-486)均进行了相关研究，但是他们主要是运用陶瓷膜进行分离技术，或者仅仅实现曝气作用。
而将陶瓷膜用于高效挂膜，以及将高效菌群应用于曝气膜生物反应器中却未有报道。同时将该工艺通过改变运行状态使其形成生物接触氧化工艺则未见报道。
发明内容
针对现有技术中存在的膜表面生物膜难以有效控制，容易跌落，且膜易损坏的问题，本发明给出了一种陶瓷膜及安装该陶瓷膜的曝气膜生物反应器，该陶瓷膜能高效附着微生物，实现附着性强，不易跌落，采用陶瓷膜，不易损坏，同时易于生物附着。实现了既有处理效率高的曝气膜生物反应器的功能，又具有传统型膜生物反应器和生物接触氧化工艺的多功能运行，可以针对污水的进水水质进行变换处理。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种陶瓷膜，该陶瓷膜包括陶瓷膜支撑体和附着在陶瓷膜支撑体上的分离层，其中：
陶瓷膜支撑体的制备包括：按质量百分比计，将42％的陶瓷膜支撑体粉体、2％的造孔剂、1％的粘结剂及55％的烧结助剂混合搅拌均匀，在温度960℃下烧结8h即得陶瓷膜支撑体；
形成分离层的制膜液：按质量百分比计，形成分离层的制膜液包括纳米SiO2为10％、纳米ZrO2为10％、聚乙烯醇为15％、甘油为10％、酞酸二丁酯为2％、草酸为3％、乙酸二甘醇为3％和水为47％；
将形成分离层的制膜液涂覆在陶瓷膜支撑体内表面上至表面均匀为止，干燥的涂有形成分离层的制膜液的陶瓷膜于800℃下烧结即得附着有分离层的陶瓷膜支撑体。
具体的，所述的陶瓷膜的厚度为50～60μm。
更具体的，所述的陶瓷膜支撑体粉体为纳米银，纳米银的粒径为15～20nm；所述的造孔剂为活性污泥，所述的粘结剂为聚乙烯醇，所述的烧结助剂为高岭土。
还具体的，所述的形成分离层的制膜液的制备包括：将纳米SiO2、纳米ZrO2和水混合后在20～25℃,陈化3h，再加入聚乙烯醇、甘油、酞酸二丁酯、草酸和乙酸二甘醇作为添加剂得到制膜液，纳米SiO2的粒径为10～20nm，纳米ZrO2的粒径为20～40nm。
一种曝气膜生物反应器，该生物反应器中安装有所述的陶瓷膜。
具体的，该反应器包括：配水区、处理区和集水区，所述的配水区进行污水的收集，处理区将来自配水区的污水进行净化处理，集水区收集处理区净化后污水的收集；处理区内安装有陶瓷膜组件。
进一步的，所述的陶瓷膜组件包括陶瓷膜支架及陶瓷膜，陶瓷膜支架为中央管体，陶瓷膜以中央管体为圆心发散联通设置，陶瓷膜的形状为弧形。
还有，所述的陶瓷膜组件的底端连通陶瓷膜出水管，陶瓷膜出水管伸入集水区；陶瓷膜组件还与陶瓷膜曝气通气管连通。
另外，在所述的陶瓷膜组件的下方还设置曝气管，曝气管为穿孔曝气管，曝气管材料为PVC或有机玻璃，曝气管的管径为1～2cm，曝气管上曝气孔的孔径为0.2～0.3cm，曝气管上曝气孔的孔间隔为0.3～0.5cm。
使陶瓷膜组件在高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)中曝气，使菌群充分附着在膜组件外部，形成生物膜。高效脱氮菌群，采用课题组自行培养的好氧反硝化菌种，Pseudomonas sp.。
与现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明的陶瓷膜通过制备方法和其上分离层的制备，改变了原有陶瓷膜的制备工艺，得到的新型陶瓷膜微生物的挂膜速度快，而且清洗方便，抗酸碱，抗腐蚀性强，不易损坏；采用自制陶瓷膜作为反应器的膜组件，其膜基材为纳米银，具有良好的抗菌性能，因此，膜内壁不会产生微生物的滋生，从而减少膜污染；
(2)采用用高效菌群应用于曝气膜生物反应器，不仅污水脱氮处理效率高，而且生物膜附着后不易脱落；用途较多，实现膜曝气与生物接触氧化工艺以及传统型膜生物反应器污水处理工艺的相互转变；可根据进水的水质情况进行多种方式处理，即可实现多功能、多工艺运行。例如：当进水含高氨氮时，可采用膜曝气生物反应器工艺方式对污水进行处理；当处理生活污水，出水水质要求回用时，可采用膜生物反应器工艺方式处理污水；不需要回用时，可采用生物接触氧化反应器工艺方式处理污水。
附图说明
图1是本发明的安装有陶瓷膜的曝气膜生物反应器的结构示意图；
图中标号分别表示：1-配水区、11-进水管、12-流量计、13-进水泵、2-处理区、21-曝气管、211-曝气管电动阀、22-陶瓷膜组件、23-陶瓷膜曝气通气管、231-陶瓷膜曝气电动阀、24-陶瓷膜出水管、241-第二出水阀、242-出水泵、3-集水区、31-出水管、311-第一出水阀、4-风机；
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例一：
结合图1，本实施例的曝气膜生物反应器包括配水区1、处理区2和集水区3，配水区1进行污水的收集，处理区2将来自配水区1的污水进行净化处理，集水区3收集处理区2净化后污水的收集，其中：
配水区1中设有进水泵13、进水管11和流量计12，进水泵13设置在配水区1的底部，进水管11的一端连接配水区1内的进水泵5，进水管11的另一端伸入处理区2，进水管11上设置流量计12；
处理区2内设有曝气管21、陶瓷膜组件22、陶瓷膜曝气通气管23和陶瓷膜出水管24，曝气管21设置在处理区2内的底部，曝气管21上设置曝气管电动阀211，曝气管21还与风机4连通，曝气管21为PVC或PPR材质，曝气管21为穿孔曝气管，曝气管21材料为PVC或有机玻璃，曝气管21的管径为1～2cm，曝气管21上曝气孔的孔径为0.2～0.3cm，曝气管21上曝气孔的孔间隔为0.3～0.5cm；陶瓷膜组件22包括陶瓷膜支架及陶瓷膜，陶瓷膜支架为中央管体，陶瓷膜以中央管体为圆心发散联通设置，陶瓷膜的形状为弧形，从外形上看，陶瓷膜组件22的形状类似于雨伞的伞柄与伞骨架之间的关系，只不过是每个伞柄上并列设置多个伞骨架，这样结构的陶瓷膜组件22不仅接触面积大，且容易附着生物膜，对于水处理效果更好；陶瓷膜组件22的底端连通陶瓷膜出水管24，陶瓷膜出水管24伸入集水区3，陶瓷膜出水管24上设置第二出水阀241和出水泵242，用于控制水处理工艺过程；陶瓷膜组件22还与陶瓷膜曝气通气管23连通，陶瓷膜曝气通气管23上设置陶瓷膜曝气电动阀231，且与风机4连通，用于控制是否进行陶瓷膜组件曝气；
集水区3为收集处理后干净水的容器，集水区3设置出水管31，出水管31连通处理区2和集水区3将处理区2的处理水引流到集水区3内，出水管31上设置第一出水阀311。
陶瓷膜包括陶瓷膜支撑体和附着在陶瓷膜支撑体上的分离层，具体做法如下：
1、陶瓷膜支撑体的制备：
按质量百分比计，将陶瓷膜支撑体粉体42％、造孔剂2％、粘结剂1％及烧结助剂55％混合搅拌均匀，在温度960℃下，烧结时间8h，自然降温得支撑体。其中陶瓷膜支撑体粉体为纳米银(粒径15～20nm)，造孔剂为活性污泥烘干物(取自城市污水厂曝气池,只要是取自污水处理厂中的活性污泥都能起到造孔剂的作用，本实施例的活性污泥取自西安市第三污水处理厂的氧化沟)，粘结剂为聚乙烯醇，烧结助剂为高岭土。
2、形成分离层的制膜液的制备：
把质量比1:1的纳米SiO2(粒径10～20nm)和纳米ZrO2(粒径20～40nm)水混合后在20～25℃的环境下陈化3h，再加入一定比例的聚乙烯醇、甘油、酞酸二丁酯、草酸、乙酸二甘醇作为添加剂得到制膜液；按质量百分比计，制膜液中各物料的组分分别为纳米SiO2 10％，ZrO2 10％，聚乙烯醇15％、甘油10％、酞酸二丁酯2％、草酸3％、乙酸二甘醇3％和水47％。
将制膜液5次涂覆在陶瓷膜支撑体内表面上，至表面均匀为止，放置干燥，最后把干透后的陶瓷膜放入烧结炉中于800℃下烧结，即得厚度为50～60μm陶瓷膜。
在陶瓷膜上附着微生物的具体方法为：
将反应器中充满高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)菌液(含菌量质量比为5％)，曝气方式为陶瓷膜曝气，进水为自配生活污水，进水负荷为7.6gCOD/(m2·d)，水质情况见表1：
表1废水水质情况表
经过3天的挂膜，可见生物膜有1.5mm的厚度，大面积附着在陶瓷膜上。
而采用普通疏水性曝气膜如PP，PE等在高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)中需要同样条件下曝气运行5天才能达到陶瓷膜组件的挂膜效果，证明本发明的陶瓷膜更加利于微生物的挂膜，且挂膜后不易脱落。
本实施例的生物反应器的水处理过程包括：
(1)进水为高氨氮污水时本反应器以高效脱氮菌群膜曝气生物反应器工艺方式运行，具体方式为：
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2，此时处理区2内的曝气方式为陶瓷膜曝气；陶瓷膜曝气电动阀231开启，曝气管电动阀211关闭。此前膜组件在高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)中曝气，使菌群充分附着在膜组件外部，形成曝气生物膜。
这样，生物膜在曝气的条件下，对进水中的有机物进行降解，一方面生物膜不断地更新，另一方面使废水污染物质得到去除；同时由于曝气的方式以及高效脱氮菌群的作用，可以最大限度的进行硝化作用反硝化作用去除氨氮，出水经出水管自流出水进入集水区3，而达到用户的要求。
(2)当处理生活污水时，而出水水质不要求回用时本反应器以生物接触氧化工艺方式运行，具体方式为：
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2；此时曝气方式为下部曝气管穿孔曝气，陶瓷膜曝气电动阀231关闭，曝气管电动阀211开启；此时陶瓷膜组件22作为生物接触氧化工艺的填料，填料上的生物膜在曝气管21曝气的条件下，一方面对进水中的有机物进行降解，另一方面生物膜不断地更新，使废水污染物质得到去除，出水经出水管31自流出水进入集水区3，而达到用户的要求。
(3)当处理生活污水时，而出水水质要求回用时本反应器以膜生物反应器工艺方式运行，具体方式为：
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2，此时处理区2内的曝气方式为曝气管21的下部穿孔曝气，陶瓷膜曝气电动阀231关闭，曝气管电动阀211开启；反应器中的活性污泥对进水中的有机物进行降解去除，此时的陶瓷膜组件22进一步使水中污染物质截留；出水经陶瓷膜组件22过滤后进入陶瓷膜组件22内部，同时通过内部的纳米银基材对出水进行消毒，出水泵242启动，经由陶瓷膜出水管24出水进入集水区3，此时集水区3可作为回用水收集池，即中水池，而达到用户的要求。
实施例2：
采用实施例1中的反应器进行生活污水的处理，过程如下：
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2；此时曝气方式为下部曝气管穿孔曝气，陶瓷膜曝气电动阀231关闭，曝气管电动阀211开启；此时陶瓷膜组件22作为生物接触氧化工艺的填料，填料上的生物膜在曝气管21曝气的条件下，一方面对进水中的有机物进行降解，另一方面生物膜不断地更新，使废水污染物质得到去除，出水经出水管31自流出水进入集水区3。
生活污水的主要污染物指标COD＝300mg/L，BOD5＝200mg/L，NH3-N＝40mg/L，TN＝50mg/L。
由于陶瓷膜组件22表面为多孔陶瓷，非常容易挂膜，附着的生物膜起到了去除污染物的作用。处理后出水COD＝50mg/L，BOD5＝10mg/L，NH3-N＝5mg/L，TN＝20mg/L。出水水质可达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)的二级标准。
实施例3：
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2，此时处理区2内的曝气方式为曝气管的下部穿孔曝气，陶瓷膜曝气电动阀231关闭，曝气管电动阀211开启；反应器中的活性污泥对进水中的有机物进行降解去除，此时的陶瓷膜组件22进一步使水中污染物质截留；出水经陶瓷膜组件22过滤后进入陶瓷膜组件22内部，同时通过内部的纳米银基材对出水进行消毒，出水泵242启动，经由陶瓷膜出水管24出水进入集水区3，此时集水区3可作为回用水收集池，即中水池，膜生物反应器中的污泥浓度保持在10g/L。
将上述所得膜生物反应器工艺处理生活污水，生活污水的主要污染物指标COD＝300mg/L，BOD5＝200mg/L，NH3-N＝40mg/L，TN＝50mg/L，SS＝200mg/L。处理后出水COD＝10mg/L，BOD5＝5mg/L，NH3-N≈0mg/L，TN＝15mg/，SS＝2mg/L。
出水水质可达到能够达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用景观用水水质标准》(GB/T18921-2002)的要求。由于膜过滤及纳米银的消毒杀菌作用，可使其中出水细菌总数为0。达到中水回用。
实施例4：
首先使膜组件在高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)中曝气10天，使菌群充分附着在膜组件外部，形成生物膜。
经过配水区1的废水经进水泵13和进水管11进入处理区2，此时处理区2内的曝气方式为膜曝气；陶瓷膜曝气电动阀231开启，曝气管电动阀211关闭。此前膜组件在高效脱氮菌群(Pseudomonas sp.)中曝气10天，使菌群充分附着在膜组件外部，形成曝气膜。生物膜在曝气的条件下，对进水中的有机物进行降解，一方面生物膜不断地更新，另一方面使废水污染物质得到去除；同时由于曝气的方式以及高效脱氮菌群的作用，可以最大限度的进行硝化作用反硝化作用去除氨氮，出水经出水管31自流出水进入集水区3；
将上述所得高效菌群曝气膜生物反应器处理高氨氮废水。在进水CODCr，NH3-N，SS，TN分别为：300mg/L，80mg/L，50mg/L，100mg/L时，工艺处理后出水水质分别为：50mg/L以下，8mg/L以下，0.5mg/L以下，20mg/L以下。出水水质可达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)的一级B标准。

Claims (9)

1.一种陶瓷膜，其特征在于，该陶瓷膜包括陶瓷膜支撑体和附着在陶瓷膜支撑体上的分离层，其中：
陶瓷膜支撑体的制备包括：按质量百分比计，将42％的陶瓷膜支撑体粉体、2％的造孔剂、1％的粘结剂及55％的烧结助剂混合搅拌均匀，在温度960℃下烧结8h即得陶瓷膜支撑体；
形成分离层的制膜液：按质量百分比计，形成分离层的制膜液包括纳米SiO2为10％、纳米ZrO2为10％、聚乙烯醇为15％、甘油为10％、酞酸二丁酯为2％、草酸为3％、乙酸二甘醇为3％和水为47％；
将形成分离层的制膜液涂覆在陶瓷膜支撑体内表面上至表面均匀为止，干燥的涂有形成分离层的制膜液的陶瓷膜于800℃下烧结即得附着有分离层的陶瓷膜支撑体。
2.如权利要求1所述的陶瓷膜，其特征在于，所述的陶瓷膜的厚度为50～60μm。
3.如权利要求1或2所述的陶瓷膜，其特征在于，所述的陶瓷膜支撑体粉体为纳米银，纳米银的粒径为15～20nm；所述的造孔剂为活性污泥，所述的粘结剂为聚乙烯醇，所述的烧结助剂为高岭土。
4.如权利要求1或2所述的陶瓷膜，其特征在于，所述的形成分离层的制膜液的制备包括：将纳米SiO2、纳米ZrO2和水混合后在20～25℃陈化3h，再加入聚乙烯醇、甘油、酞酸二丁酯、草酸和乙酸二甘醇作为添加剂得到制膜液，纳米SiO2的粒径为10～20nm，纳米ZrO2的粒径为20～40nm。
5.一种曝气膜生物反应器，其特征在于，该生物反应器中安装有权利要求1、2、3或4所述的陶瓷膜。
6.如权利要求5所述的曝气膜生物反应器，其特征在于，该反应器包括：配水区(1)、处理区(2)和集水区(3)，所述的配水区(1)进行污水的收集，处理区(2)将来自配水区(1)的污水进行净化处理，集水区(3)收集处理区净化后污水的收集；处理区(2)内安装有陶瓷膜组件(22)。
7.如权利要求6所述的曝气膜生物反应器，其特征在于，所述的陶瓷膜组件(22)包括陶瓷膜支架及陶瓷膜，陶瓷膜支架为中央管体，陶瓷膜以中央管体为圆心发散联通设置，陶瓷膜的形状为弧形。
8.如权利要求6或7所述的曝气膜生物反应器，其特征在于，所述的陶瓷膜组件(22)的底端连通陶瓷膜出水管(24)，陶瓷膜出水管(24)伸入集水区(3)；陶瓷膜组件(22)还与陶瓷膜曝气通气管(23)连通。
9.如权利要求6或7所述的曝气膜生物反应器，其特征在于，在所述的陶瓷膜组件(22)的下方还设置曝气管(21)，曝气管(21)为穿孔曝气管，曝气管(21)材料为PVC或有机玻璃，曝气管(21)的管径为1～2cm，曝气管(21)上曝气孔的孔径为0.2～0.3cm，曝气管(21)上曝气孔的孔间隔为0.3～0.5cm。
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