CN106925128B - 一种膜生物反应器及其卷式膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷式膜组件，包括筒状的膜壳及膜壳内的膜元件，膜元件包括分离膜、流道间隔体和中心管，流道间隔体为片状结构且横截面形状为波浪形，流道间隔体的波浪形表面形成多个沟槽，沟槽由所述中心管的一端延伸至另一端，膜壳两端设有封头，位于中心管封闭端的封头连接有曝气盘。使用时，卷式膜组件竖直放置，鼓风机鼓入的空气经曝气盘后形成均匀气泡，气泡与料液混合进入流道间隔体与分离膜表面之间形成的多个上下贯通的通道，气泡受浮力上升擦洗膜表面污染物，避免膜表面浓差极化。该流道间隔体纳污能力强，对料液前处理要求低，可允许更高的活性污泥浓度，因此，该卷式膜组件适用于MBR。本发明还公开了一种膜生物反应器。

Description

一种膜生物反应器及其卷式膜组件

技术领域

本发明涉及水处理设备技术领域，尤其涉及一种膜生物反应器及其卷式膜组件。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)技术，是一种新型高效的污水处理工艺，它用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，大大提高了系统固液分离的能力。MBR技术是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离组件将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池。因此，活性污泥浓度可以大大提高，水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应和降解。因此，膜生物反应器工艺通过膜的分离技术大大强化了生物反应器的功能。

工业上MBR常用的膜组件形式有五种：板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式和毛细管式。前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。圆管式膜直径大于10mm；毛细管式膜直径0.5～10.0mm；中空纤维式膜直径小于0.5mm。大中型再生水处理MBR工程一般采用浸没式板框式组件或浸没式中空纤维膜组件。板框式缺点是：占地大、装填密度低、成本高、能耗高。中空纤维膜组件缺点是：活性污泥浓度低、前处理要求高、易断丝、化学稳定性差。卷式膜由于其装填密度高，因此，过滤效率优于板框膜，机械强度大，性能优于中空式的。然而，现在使用的卷式膜组件的结构难以直接转化为MBR使用。

现有的卷式膜组件由膜元件、壳体、内连接件、端板等组成。其中，膜元件结构如图1所示，由分离膜02、膜支撑体03、流道间隔体01、带孔的中心管04等构成。相邻两张矩形的分离膜02背面叠放在一起，且两张分离膜02之间叠放膜支撑体03，三者叠放后的三条边通过胶密封粘接成膜袋，另一条边两端则与中心管04粘接固定；透过分离膜02的液体可以通过膜支撑体03流入中心管04内，膜袋与膜袋之间由流道间隔体01相隔，多个膜袋叠放，且相邻膜袋之间放置流道间隔体01，再将其绕中心管04的轴线卷绕形成卷式结构的膜元件。其中，中心管04是用于收集经过分离膜02过滤的液体的带多排孔的不锈钢或塑料管；流道间隔体01是将供给侧料液导向分离膜02表面的具有一定厚度的物体；膜支撑体03是用于支撑分离膜02同时将透过分离膜02流体导向中心管04的物体。

卷式膜元件的工作原理：给料液从膜元件一侧端进入流道间隔体01，图1中右侧的箭头代表给料液流向，沿着平行于中心管04轴线的方向流动，被分离膜02截留的浓缩液从膜元件另一端流出，图1中左侧下方的箭头代表浓缩液的流向，透过分离膜02的透过液进入膜袋，经膜支撑体03进入中心管04，最后从中心管04流出，图1中左侧上方的箭头代表透过液的流向。

现有的流道间隔体01流道一般采用菱形或矩形的交叉网格流道，如图2所示，用在MBR的缺点是网格的夹角处容易藏污纳垢，有利于细菌生长；大气泡通过网格后被破坏成小气泡，无法实现有效的擦洗膜片的作用。

现有的膜壳材质多为不锈钢或者玻璃钢，不锈钢成本高，重量大，设备投资高。玻璃钢在安装膜壳与设备连接时，膜壳连接口与管路连接偏心造成破裂。膜壳就是装载膜元件的压力容器，有进出水口和产水口。

现有的卷式膜组件用的分离膜是高分子材料平铺在无纺布上的结构，分离膜只能承受正压(液体由高分子侧向无纺布侧施加压力)，即只允许流道间隔体侧压力大于膜支撑体侧压力，而不能承受背压，背压就是指膜支撑体侧压力大于流道间隔体侧压力，背压作用容易使分离膜发生鼓包、破裂。

可见，现有的卷式膜元件采用网格状流道间隔体，分离膜不可以承受背压，无法有效地及时擦洗分离膜表面的高分子污染物。因此，现有的卷式膜组件一般用于料液分离，没有使用在MBR系统中。

因此，如何提供一种适用于MBR且便于清洗膜表面污染物的卷式膜组件，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种卷式膜组件，该卷式膜组件可以便于清洗膜表面污染物。本发明的第二个目的是提供一种包括上述卷式膜组件的膜生物反应器。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种卷式膜组件，包括膜元件以及用于容纳所述膜元件的筒状的膜壳，所述膜元件包括分离膜、流道间隔体和中心管，所述流道间隔体为片状结构且横截面形状为波浪形，所述流道间隔体的波浪形表面形成多个沟槽，所述沟槽由所述中心管的一端延伸至另一端，所述膜壳两端均连接有用于固定所述膜元件的封头，位于所述中心管的封闭端的所述封头连接有曝气盘。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述沟槽的延伸方向与所述中心管的轴线平行布置。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述流道间隔体的横截面高度为2～5mm。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述流道间隔体为波浪形塑料片。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述分离膜包括无纺布和渗透到所述无纺布中的高分子铸膜液，所述无纺布包括两层粗纤维层以及填充于两层所述粗纤维层之间的极细纤维层，其中一层所述粗纤维层渗透有所述高分子铸膜液，且所述高分子铸膜液还渗透进入到所述极细纤维层内，所述极细纤维层内的纤维平均直径为1～5μm，所述粗纤维层内的纤维平均直径为10～20μm。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述极细纤维层内的纤维平均直径为2～3μm，所述粗纤维层内的纤维平均直径为15μm。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述封头设有用于抵接于所述膜元件端部的支撑筋条。

优选地，在上述卷式膜组件中，所述膜壳和所述封头均为塑料件。

本发明提供的卷式膜组件，包括膜元件以及用于容纳膜元件的膜壳，膜元件包括分离膜、流道间隔体和中心管，流道间隔体为片状结构且横截面形状为波浪形，流道间隔体的波浪形表面形成多个沟槽，沟槽由中心管的一端延伸至另一端，膜壳两端均连接有用于固定膜元件的封头，位于中心管的封闭端的封头连接有曝气盘。使用时，将卷式膜组件竖直放置，料液由进液口流入膜组件中，鼓风机鼓入的空气经曝气盘后形成均匀气泡，气泡与料液混合进入流道间隔体与分离膜表面之间形成的多个上下贯通的通道，料液中的气泡受浮力上升，擦洗分离膜表面的污染物，避免分离膜表面浓差极化。该流道间隔体纳污能力强，气泡和大颗粒物质很容易在通道内流动，对料液前处理要求低，可以允许更高的活性污泥浓度，因此，本方案提供的卷式膜组件适用于MBR。

本发明还提供了一种膜生物反应器，包括如上任一项所述的卷式膜组件。该膜生物反应器产生的有益效果的推导过程与上述卷式膜组件带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的膜元件结构示意图；

图2为现有的膜元件中的流道间隔体的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中的卷式膜组件外部结构示意图；

图4为本发明具体实施例中的卷式膜组件纵向剖视图；

图5为本发明具体实施例中的卷式膜组件爆炸结构示意图；

图6为本发明具体实施例中的流道间隔体结构示意图；

图7为本发明具体实施例中的流道间隔体横截面结构示意图；

图8为本发明具体实施例中的分离膜横截面放大结构示意图；

图9为本发明具体实施例中的封头结构示意图；

图10为本发明具体实施例中的封头结构俯视图；

图11为图10中的B-B向剖视图；

图12为本发明具体实施例中的卷式膜组件工作原理图。

图1和图2中：

01-流道间隔体、02-分离膜、03-膜支撑体、04-中心管；

图3至图12中：

1-膜元件、2-膜壳、3-封头、4-曝气盘、5-下端盖、6-上端盖、7-连接器、8-紧固螺母、9-进气口、11-中心管、12-分离膜、13-流道间隔体、121-粗纤维层、122-极细纤维层、123-高分子铸膜液、124-粗纤维、125-极细纤维、131-沟槽、31-进出水口、32-支撑筋条、33-膜壳接口、34-密封螺纹、101-原液、102-浓缩液、103-抽吸泵、104-透过膜液体、105-透过膜液体罐、106-反洗泵、107-鼓风机、108-污泥。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图3至图11，在一种具体实施例方案中，本发明提供了以下技术方案。

一种卷式膜组件，包括膜元件1以及用于容纳膜元件1的筒状的膜壳2，膜元件1包括分离膜12、流道间隔体13和中心管11，流道间隔体13为片状结构且横截面形状为波浪形，流道间隔体13的波浪形表面形成多个沟槽131，沟槽131由中心管11的一端延伸至另一端，膜壳2两端均连接有用于固定膜元件1的封头3，位于中心管11的封闭端的封头3连接有曝气盘4。

使用时，将卷式膜组件竖直放置，料液由进液口流入膜组件中，鼓风机鼓入的空气经曝气盘4后形成均匀气泡，气泡与料液混合进入流道间隔体13与分离膜12表面之间则形成的多个上下贯通的通道，料液中的气泡受浮力上升，擦洗分离膜12表面的污染物，避免分离膜12表面浓差极化，即避免分离膜12表面的污染层越来越厚。该流道间隔体13纳污能力强，气泡和大颗粒物质很容易在通道内流动，对料液前处理要求低，可以允许更高的活性污泥浓度，因此，本方案提供的卷式膜组件适用于MBR。

如图5所示，本方案提供的卷式膜组件具体包括：膜元件1、膜壳2、封头3、曝气盘4、下端盖5、上端盖6、连接器7和紧固螺母8。其中，膜元件1包括分离膜12、膜支撑体、流道间隔体13和带孔的中心管11。本方案中膜元件1的整体组装方式与现有技术类似，两张分离膜12背面叠放在一起且两者之间叠放膜支撑体形成膜袋，膜袋的三边胶接，另一边与中心管11粘接，多个膜袋叠放，且相邻膜袋之间放置流道间隔体13，再将其沿中心管11的轴线卷绕形成卷式结构的膜元件1。

如图6和图7所示，本方案中的流道间隔体13结构不同于传统的交叉网格结构，而是横截面为波浪形的片状结构。本方案的流道间隔体13优选塑料材质制作，即为波浪形塑料片，当然，本领域技术人员还可以选用其他复合材料或金属材料制作。具体的，流道间隔体13通过定型工艺制作而成波浪形的塑料薄片，其塑料材质可选择PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂)或PS(聚苯乙烯)等。

需要说明的是，该流道间隔体13的波浪形结构可以有多种形式，即波浪的波峰或波谷可以为不同形状，例如S形波浪、锯齿形波浪、折线形波浪或其他形状的波浪等。优选地，本方案中的流道间隔体13的横截面为S形波浪，沟槽131则为截面为圆弧形的槽，如图7所示，可以通过定型工艺制作而成，图7中的箭头表示液体流动方向。

上述S形波浪的波峰或波谷为圆弧形，图7中的RA表示圆弧的半径，其范围可选为1mm～4mm，优选为2mm～3mm。图7中的B表示流道间隔体13展开平放后的横截面整体高度，B的范围可选为2mm～10mm，优选为2mm～5mm。图7中的C表示流道间隔体13的塑料片厚度，C的范围可选为0.1mm～1mm，优选为0.2mm～0.6mm。当然，本领域技术人员还可以根据膜元件具体的尺寸和需求等将RA、B和C设计为其他的不同尺寸。

需要说明的是，沟槽131的延伸方向由中心管11的一端延伸至端，使用时，膜元件1竖直放置，沟槽131与分离膜12形成上下贯通的通道。沟槽131可以与中心管11的轴线平行布置，也可以不平行，比如，沟槽131的延伸方向在中心管11的轴对称面上的投影与中心管11的轴线呈一锐角设置。为了进一步便于污泥能够在沟槽131内流动，优选地，本方案中的沟槽131的延伸方向与中心管11的轴线平行布置，如此，在使用时，沟槽131与分离膜12表面就可以形成竖直方向的上下贯通的通道。

本方案中的曝气盘4可选用硅胶或三元乙丙胶等材质制作而成，优选三元乙丙胶。使用时，气体由下端盖5的进气口9进入曝气盘4中，通过曝气盘4的小孔鼓出，形成均匀的气泡，气泡受浮力作用，进入膜元件1的流道间隔体13，从而擦洗分离膜12表面。上述曝气盘4还可以选用膜片式微孔曝气器或陶瓷刚玉曝气器等。

请参照图8，本发明还对分离膜12的结构进行了改进，本方案中的分离膜12采用的是可以背压(耐受0.4MPa反向压力)的特制微孔膜片，其孔径为0.04～0.4μm，该分离膜12能够耐受反冲洗的压力。具体的，该分离膜12包括无纺布和渗透到无纺布中的高分子铸膜液123，即该分离膜12为渗透有高分子铸膜液123的无纺布。该无纺布是一种特殊结构的无纺布，具体包括两层粗纤维层121以及填充于两层粗纤维层121之间的极细纤维层122，即在纺粘无纺布纤维间隙填充入极细纤维特殊聚酯无纺布，其中一层粗纤维层121渗透有高分子铸膜液123，且高分子铸膜液123还渗透进入到极细纤维层122内。

制膜过程中，使用渗透等方式把高分子铸膜液123(高分子材料+溶剂+添加剂)穿过表面的粗纤维层121导至无纺布中间的极细纤维层122中，粗纤维层121中的粗纤维124采用加强长纤维，与高分子铸膜液123相交融。成膜后的粗纤维124在高分子材料中起到加强筋作用，即使在无纺布侧(透过液侧)有0.4MPa的压强，也不会造成高分子材料与粗纤维124的分离，从而形成了耐受反向压力0.4MPa的分离膜12。极细纤维层122内的纤维(即极细纤维125)的平均直径为1～5μm，优选2～3μm；粗纤维层121中纤维(即粗纤维124)的平均直径为10～20μm，优选15μm。

需要说明的是，上述分离膜12中的高分子铸膜液123渗透进入极细纤维层122的深度可以通过控制渗透工艺的时间和其他参数等来调整，本领域技术人员可以根据膜元件1的具体处理能力和反冲洗的压强等因素来重新设计渗透深度，从而使该分离膜12可以承受不同的反向压力。

上述高分子铸膜液123为本领域制作分离膜时常用的铸膜液材料，其中，高分子材料可以选用PVDF(聚偏氟乙烯)、PAN(聚丙烯腈)、PVC(聚氯乙烯)等，由于PVDF材质耐氧化性更好，做出的孔比较均匀，因此，本方案中优选PVDF。

中心管11为一端开放，另一端封闭的管，在与分离膜12接触的部分区域侧壁开设有透过液收集孔，收集孔可以均匀分布成2～4排，本方案优选4排孔。

膜壳2用于容纳膜元件1，为筒状结构，本方案中的膜壳2可以选用国标的塑料圆管，采用标准化产品可以进一步降低成本。其材质可以选用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等，优选PVC。采用塑料材质制作膜壳2不仅可以减轻卷式膜组件的整体重量，而且还可以进一步降低成本。

膜壳2两端均连接有用于固定膜元件1的封头3。封头3可采用模具一体成型的塑料件，其结构如图9至图11所示，其一端为膜壳接口33，膜壳接口33可与膜壳2通过胶水密封连接，另一端设有用于与端盖密封连接的密封螺纹34。封头3的侧面向外凸出一个进出水口31，接口标准可为拷贝林卡箍接口。优选地，封头3内还设有用于抵接于膜元件1端部的支撑筋条32，可以起到固定膜元件1，防止膜元件1受水流冲击而形变的功能，如图10所示，本具体实施例方案中的封头3设置了三条径向布置的支撑筋条32。与膜壳2类似，封头3的材质也可以选择PP、PE、PVC等塑料材质，本方案优选PVC。

本方案提供的卷式膜组件的组装方式如下：将膜元件1置于膜壳2中，膜元件1两端与封头3的支撑筋条32相抵接。通过胶水将两个封头3固定于膜壳2两端，下端盖5通过螺纹连接将曝气盘4固定在下端的封头3内，气体可以从下端盖5的进气口9鼓入，从曝气盘4鼓出。膜元件1的中心管11的开放端与连接器7通过O型圈实现密封连接，连接器7另一端穿过上端盖6的中心孔，上端盖6通过螺纹连接于上端的封头3上，由紧固螺母8将连接器7固定在上端盖6的中心孔中，实现中心管11内的透过液与外面导通。

请参照图12，本方案提供的卷式膜组件的工作原理如下：

原液101由进液口(即下端的封头3的进出水口31)流入膜元件1中，鼓风机107鼓入的空气经曝气盘4后形成均匀气泡，气泡与原液101混合进入膜元件1的波浪形流道间隔体13中，比膜孔小的物质(即透过膜液体104，如水)透过分离膜12并流经膜支撑体进入中心管11，然后，透过膜液体104被抽吸泵103吸出。比膜孔大的物质形成浓缩液102由出液口(即上端的封头3的进出水口31)导出。在过滤过程中，分离膜12表面的大分子和颗粒物的浓度逐渐上升，停留在膜孔处形成堵塞，此时，原液101中的气泡由于受到浮力的作用做垂直于渗透方向的上升运动，像刷子一样在擦洗膜表面，实现膜表面清洁。通过工艺设计，在透过膜液体104的出口处和透过膜液体罐105之间增加反洗泵106(反洗泵106的压力小于0.4MPa)，间歇开启反洗泵106可以用透过膜液体104将分离膜12膜孔内的污染物逆向冲出，实现膜孔内的清洁。污泥108的排放至关重要，污泥108受到重力作用，大颗粒物质的污泥108会沉积在底部，通过工艺设计自动阀门控制，可实现污泥108的频繁快速排放，从而清除膜元件1中的固体，从而降低原液101的固体分浓度，减少膜的污染。

本发明方案具有以下有益效果：

1、波浪形流道间隔体13纳污能力强，气泡和大颗粒物质能够很容易在通道内流动，对原液前处理要求低，可以允许更高的活性污泥浓度；

2、在卷式膜组件中引入曝气装置，使过滤过程中一直有气泡擦洗分离膜12表面，起到表面清洁作用；

3、分离膜12采用可以背压的特制微孔膜片，耐受反冲洗，从而可以方便地反冲洗膜孔内的污染物；

4、通过空气擦洗分离膜12表面、反冲洗分离膜12以及频繁排放污泥，可以保证分离膜12不容易堵塞，抗污染能力强，出水水质水量稳定；

5、膜壳2和封头3等部件选用塑料材质，成本低廉，一体化设计，可降低安装维护的难度。

本发明还提供了一种膜生物反应器，包括如上任一项所述的卷式膜组件。该膜生物反应器产生的有益效果的推导过程与上述卷式膜组件带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种卷式膜组件，其特征在于，包括膜元件(1)以及用于容纳所述膜元件(1)的筒状的膜壳(2)，所述膜元件(1)包括分离膜(12)、流道间隔体(13)和中心管(11)，所述流道间隔体(13)为片状结构且横截面形状为波浪形，所述流道间隔体(13)的波浪形表面形成多个沟槽(131)，所述沟槽(131)由所述中心管(11)的一端延伸至另一端，所述膜壳(2)两端均连接有用于固定所述膜元件(1)的封头(3)，位于所述中心管(11)的封闭端的所述封头(3)连接有曝气盘(4)；

所述分离膜(12)包括无纺布和渗透到所述无纺布中的高分子铸膜液(123)，所述无纺布包括两层粗纤维层(121)以及填充于两层所述粗纤维层(121)之间的极细纤维层(122)，其中一层所述粗纤维层(121)渗透有所述高分子铸膜液(123)，且所述高分子铸膜液(123)还渗透进入到所述极细纤维层(122)内，所述极细纤维层(122)内的纤维平均直径为1～5μm，所述粗纤维层(121)内的纤维平均直径为10～20μm。

2.根据权利要求1所述的卷式膜组件，其特征在于，所述沟槽(131)的延伸方向与所述中心管(11)的轴线平行布置。

3.根据权利要求2所述的卷式膜组件，其特征在于，所述流道间隔体(13)的横截面高度为2～5mm。

4.根据权利要求2所述的卷式膜组件，其特征在于，所述流道间隔体(13)为波浪形塑料片。

5.根据权利要求1所述的卷式膜组件，其特征在于，所述极细纤维层(122)内的纤维平均直径为2～3μm，所述粗纤维层(121)内的纤维平均直径为15μm。

6.根据权利要求1所述的卷式膜组件，其特征在于，所述封头(3)设有用于抵接于所述膜元件(1)端部的支撑筋条(32)。

7.根据权利要求6所述的卷式膜组件，其特征在于，所述膜壳(2)和所述封头(3)均为塑料件。

8.一种膜生物反应器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的卷式膜组件。