CN107162177A - 透气膜、膜片、反应器及污水过滤工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种透气膜、膜片、反应器及污水过滤工艺，属于污水处理技术领域，该透气膜包括膜本体；膜本体的表面编织或者涂覆有生物亲和性材料，以利于微生物快速附着和生长。该膜片包括上封头、下封头以及设置在所述上封头和下封头之间的支撑杆和多个上述的透气膜；该反应器包括容器、进水管和排水管；还包括设置在所述容器中的震动装置、供气装置、支撑框架以及上述的膜片；该工艺包括微生物挂膜工序、膜过滤工序和反应器清洗工序，采用该工艺能够节约占地和能耗，延长反应器的运行周期，减少了MABR过程的清洗频率；采用机械运动结合膜外曝气的形式，合理控制生物膜减量，保证MABR过程正常运行。

Description

透气膜、膜片、反应器及污水过滤工艺

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种透气膜、膜片、反应器及污水过滤工艺。

背景技术

膜曝气生物膜反应器(Membrane Aerated Biofilm Reactor–MABR)是将膜曝气技术和生物处理技术有机相结合的一种新型、高效的污水处理技术，是膜生物反应器的一种。其技术基本原理为：微生物膜附着在透气膜表面，从透气膜表面直接获得氧；污水在透气膜周围流动时，水体中的污染物在浓差驱动和微生物吸附等作用下进入生物膜内，经过生物代谢和增殖被微生物利用，使水体中的污染物同化为微生物菌体固定在生物膜上或分解成无机代谢产物，从而实现对水体的净化。

MABR过程中采用的膜为：透气性致密膜或微孔膜，膜材料本身同时起到供氧和生物膜载体的作用。MABR技术特点有：(1)无泡曝气；(2)附着在膜材料上的生物膜具有内层好氧、中间兼氧和外层厌氧的微生物群落结构，同时进行硝化和反硝化作用，对污染物进行吸附和分解，实现水体高效净化；(3)通过控制膜曝气强度，对生物膜功能层实现人工筛选和驯化。

膜曝气生物膜反应器(MABR)运行过程中存在的问题如下：

在运行过程初期，要使生物膜附着在膜表面并不断生长，但是在这个过程中，生物膜的附着和生长往往需要较长的时间，甚至如果材料的生物亲和性或者表面结构不利于微生物附着生长，那么在生物反应器挂膜和启动阶段将会耗费大量的时间，使MABR过程不能正常运行；

在运行过程中，附着在透气膜表面的生物膜随着生命活动不断的新陈代谢，老化细胞和分泌物不断的从生物膜内脱落进入产水中，导致产水浊度较高，达不到排放要求。需要在后处理阶段加入二沉池，或者是在后续阶段加入膜池进行膜过滤，保证产水水质；

在MABR运行过程中，流速是影响过程去除效果的重要因素。在同样的停留时间下，污水中有机物质和氨氮的去除率随流速的增大而增大。流速过慢不但会使生物膜反应器处理效果不佳，同时会导致生物膜较快生长，反应器运行周期缩短，清洗减厚生物膜频率增加；而流速加快虽然改善了流体流动条件，提升了生化处理效率，但会导致生物膜脱落和损失；同时增大流速，在同样的停留时间下，就要增大池容，增大占地面积，使建设成本和运行能耗同时增大。

由于生物膜不断的生长，在运行过程后期，会导致生物膜过厚而不能达到理想的去除效果，这个时候需要将过厚的生物膜去除；一般常采用膜外曝气的方法去除生物膜，但这个方法很可能会导致生物膜去除过多，而要重新生长和启动生物膜则需要较长时间，影响MABR过程正常运行。

现有技术的缺点：运行初期生物膜挂膜和反应器启动时间较长；运行过程水质不稳定；污水流体力学条件影响运行效果和成本；运行周期较短，在每一个运行周期后期需要去除过厚的生物膜，而如果生物膜去除较多，则影响生物膜反应器的正常运行。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种透气膜，该透气膜能够增大微生物与膜本体接触面积，缩短挂膜及启动时间。

本发明的目的之二在于提供一种膜片，该膜片能够进行通、排气为透气膜进行供气，进而实现为微生物供氧。

本发明的目的之三在于提供一种反应器，该反应器能够使膜片在水中摆动的形式，与污水产生合理的相对运动，改善生物膜表面的流体力学条件，使MABR过程即使在较低的运行流速下也可以达到较好的生化处理效果。

本发明的目的之四在于提供一种污水过滤工艺，能够利用膜片机械运动的方式，改善反应器内的流体流动条件，保证MABR的运行效果，同时延长反应器的运行周期，减少了MABR过程的清洗频率；采用机械运动结合膜外曝气的形式，合理控制生物膜减量，保证MABR过程正常运行。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种透气膜，包括膜本体；所述膜本体的表面编织或者涂覆有生物亲和性材料，以利于微生物快速附着和生长。

进一步的，所述生物亲和性材料制成纤维状，并且呈网状结构编织在所述膜本体的表面。

进一步的，所述生物亲和性的材料包括但不限于多巴胺类或海藻酸钠。

一种膜片，包括上封头、下封头以及设置在所述上封头和下封头之间的支撑杆和多个权利要求1-3任一项所述的透气膜；

所述上封头和下封头内设有空腔，且所述上封头设有与所述空腔连通的排气口；

其中一个所述支撑杆内部设有用以连通下封头内空腔的通道；

所述透气膜的两端口分别连通上封头和下封头内的空腔。

一种反应器，包括容器、进水管和排水管；还包括设置在所述容器中的震动装置、供气装置、支撑框架以及权利要求4所述的膜片；

所述支撑框架上间隔设置多个所述膜片；

所述震动装置与所述支撑框架连接，用以提供震动力；

所述供气装置通过主供气管道以及与所述主供气管道连通的多个分支供气管道与多个膜片上的内部具有通道的支撑杆连通；

各个所述膜片中上封头上的排气口分别连通排气管道。

进一步的，至少一个膜片上的分支供气管道与排气管道之间连通有抽水管道，所述抽水管道连通有抽取装置。

进一步的，还包括曝气装置，所述曝气装置设置在所述膜片底部，所述曝气装置与所述供气装置通过管道连通。

进一步的，多个所述分支供气管道上分别设置供气阀门；

多个所述排气管道上分别设置排气阀门；

所述抽水管道上设置抽水阀门；

所述供气装置与所述曝气装置连通的管道上设置曝气阀门。

进一步的，所述震动装置包括电机和曲柄连杆机构，曲柄连杆机构输入端与所述电机连接，输出端与所述支撑框架连接，所述电机驱动曲柄连杆机构带动所述支撑框架往复运动。

一种污水过滤工艺，包括如下步骤：

步骤1，微生物挂膜工序

通过进水管向容器内通水至预设液位，通过供气装置向各个膜片中供气，同时利用膜片的排气管道适当排气，控制膜片中透气膜内部压力达预设值，以使膜片作为供氧和微生物载体，运行膜生物反应器的作用；

步骤2，膜过滤工序

启动震动装置使支撑框架以一定频率和幅度震动，其中一部分膜片正常曝气运行膜生物反应器的作用；

另一部分膜片停止排气，增大该部分膜片供气量使其以超泡点压力运行一定时间以吹扫膜片上的生物膜；然后停止供气，开启抽取装置对该部分膜片进行抽滤，在抽滤到一定水位结束抽滤，调整该部分膜片运行膜生物反应器的作用，继续进行下一个运行周期。

步骤3，反应器清洗工序

各个膜片停止排气，控制对各个膜片的供气压力使膜片以泡点运行，向容器内通入清洗水，同时利用曝气装置进行曝气，调节震动装置加大支撑框架的震动频率和幅度，对生物膜进行减量清洗，开启排水管排液。

结合以上技术方案，本发明提供的透气膜，采用一种新的膜材料形式，即在透气膜中膜本体的表面编织或者涂覆一种具有生物亲和性的材料(多巴胺类、海藻酸钠等)，有利于微生物快速附着和生长，使反应器快速启动、挂膜运行。

本发明提供的膜片，能够通过支撑杆和下封头为透气膜进行供气，进而实现为微生物供氧，利用上封头的排气口不仅实现排气功能，还能够利用该排气口进行液体抽取，使膜片外部液体通过透气膜由排气口排出，实现膜过滤功能。

本发明提供的反应器，采用新型的透气膜，缩短MABR挂膜和启动时间，使反应器快速启动；保证产水水质的同时，不增加后处理单元或不另外增加后处理工艺，将污水生化处理和膜分离技术在一个反应器中同时或先后运行，同时节约占地和能耗；MABR采用机械运动的新型运行方式，改善反应器内的流体流动条件，保证MABR的运行效果，同时延长反应器的运行周期，减少了MABR过程的清洗频率；采用机械运动结合膜外曝气的形式，合理控制生物膜减量，保证MABR过程正常运行。

本发明采用污水处理工艺；能够利用膜片机械运动的方式，改善反应器内的流体流动条件，保证MABR的运行效果，同时延长反应器的运行周期，减少了MABR过程的清洗频率；采用机械运动结合膜外曝气的形式，合理控制生物膜减量，保证MABR过程正常运行。

同时，将MABR技术和膜超滤技术有机结合，直接采用超滤-透气膜进行MABR过程，在生化阶段膜起到生物载体和供气的作用，在污水生化处理进行的同时或者处理后进行膜过滤，有效的保证了出水水质，同时大大减少了成本、减小了占地面积，即一膜两用，节约了占地和能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的透气膜的结构示意图；

图2为本发明提供的透气膜的挂膜状态示意图；

图3为现有技术中透气膜的结构示意图；

图4为现有技术中透气膜的挂膜状态示意图；

图5为本发明提供的膜片的结构示意图；

图6为本发明提供的反应器的结构示意图。

图标：

100-透气膜；101-膜本体；102-生物亲和性材料；200-膜片；201-上封头；202-下封头；203-支撑杆；204-空腔；205-排气口；300-反应器；301-容器；302-进水管；303-排水管；304-震动装置；305-供气装置；306-支撑框架；307-主供气管道；308-分支供气管道；309-排气管道；310-电机；311-曲柄；312-连杆；313-抽水管道；314-抽取装置；400-曝气装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

请参见图1和图2所示；

本发明提供的透气膜100，包括膜本体101；所述膜本体101的表面编织或者涂覆有生物亲和性材料102，以利于微生物快速附着和生长。

本发明的优选实施方案中，膜本体101采用管状结构。

本发明的优选实施方案中，该生物亲和性材料102制成纤维状，并且呈网状结构编织在管状的膜本体101的表面。

上述的生物亲和性的材料包括但不限于多巴胺类或海藻酸钠。

请参照图3和图4；传统的MABR中，直接将透气膜100放入污泥池中或在膜反应池中加入足量的污泥，然后在膜内腔曝气的情况下，提供微生物有利的生存环境，使微生物逐渐从污泥中转移并附着在透气膜100表面，直至附着的生物量足够多。但是在很多应用场合，挂膜阶段不能提供或没有条件提供足够的挂膜污泥，或者是透气膜100表面粗糙度不够，致使污泥不能充分与透气膜100接触，则微生物附着周期长，生物反应器300启动时间较长；甚至在运行过程中，生物膜也会由于正常的新陈代谢脱落，那么重新生长也要经过较长时间，影响过程正常运行。

请参照图1和图2；本发明中，在膜本体101表面(即外壁)编织或者涂覆一种或几种生物亲和性的材料(如多巴胺类、海藻酸钠类等)，优选将上述生物亲和性的材料纤维呈网状编织在膜本体101的表面，当采用一定性质的污泥对上述结构的透气膜100进行挂膜时，污泥能够很好的堆积在网孔中，微生物充分与膜本体101及亲和性材料接触，增大了生物反应器300面积，同时大大缩短了挂膜时间，使生物反应器300能够很快启动及运行。

请参照图5；本发明提供的一种膜片200，包括上封头201、下封头202以及设置在所述上封头201和下封头202之间的支撑杆203和多个上述的透气膜100；

上封头201和下封头202内设有空腔204，且所述上封头201设有与所述空腔204连通的排气口205；

其中一个所述支撑杆203内部设有用以连通下封头202内空腔204的通道；

透气膜100的两端口分别连通上封头201和下封头202内的空腔204。

本发明的优选实施方案中，上封头201还设置有用于容纳具有通道的支撑杆203的安装孔，该安装孔不与上封头201内的空腔204连通，在实际装配时，将支撑杆203上端穿入该安装孔内，同时，支撑杆203下端插入下封头202的空腔204中，以实现支撑杆203与上封头201和下封头202的连接。

本发明的优选实施方案中，支撑杆203设有两根，两根支撑杆203分别设置在上封头201和下封头202两端位置，其中一根为上述的具有通道的支撑杆203，另一根为实体支撑杆203，并且该实体支撑杆203不与下封头202的空腔204连通，仅起到支撑作用。

在应用时，气体从一侧具有通道的支撑杆203流向下封头202的空腔204内，然后由空腔204进入管状的各根透气膜100的膜本体101，大量气体透过透气膜100进入处理液一侧为微生物供氧，利用上封头201的排气口205将空腔204内的气体流出。

本发明提供的膜片200，能够通过支撑杆203和下封头202为透气膜100进行供气，进而实现为微生物供氧，利用上封头201的排气口205不仅实现排气功能，还能够利用该排气口205进行液体抽取，使膜片200外部液体通过透气膜100由排气口205排出，实现膜过滤功能。

请参照图6；本发明提供的反应器300，包括容器301、进水管302和排水管303；进水管302用于对容器301内进行供液，排水管303用于对容器301进行排液。

该反应器300还包括设置在容器301中的震动装置304、供气装置305、支撑框架306以及上述的膜片200；

支撑框架306通过支架活动安装在容器301的内壁上，在支撑框架306上间隔设置多个膜片200；优选地，各个膜片200依次等间隔进行布置。

震动装置304与支撑框架306连接，用以提供震动力；

供气装置305通过主供气管道307以及与该主供气管道307连通的多个分支供气管道308与多个膜片200上的内部具有通道的支撑杆203连通，用以向透气膜100进行供气。

各个膜片200中上封头201上的排气口205分别连通排气管道309。

本发明的优选实施方案中，震动装置304包括电机310和曲柄311连杆312机构，曲柄311连杆312机构输入端与所述电机310连接，输出端与支撑框架306连接，电机310驱动曲柄311连杆312机构带动支撑框架306往复运动。

该曲柄311连杆312机构包括曲柄311和连杆312，电机310驱动曲柄311转动，连杆312与曲柄311连接，曲柄311的转动带动连杆312往复运动，连杆312的往复运动带动支撑框架306往复运动。

该电机310优选采用变频电机310，通过变频器控制该变频电机310，实现支撑框架306带动膜片200的运动频率的可调节性。连杆312在曲柄311上的固定位置与曲柄311轴心的距离可以调节。频率与振幅的结合实现了装置运行速度的可调节。

本发明的优选实施方案中，至少一个膜片200上的分支供气管道308与排气管道309之间连通有抽水管道313，并且该抽水管道313连通有抽取装置314。利用该抽取装置314，可以通过抽水管道313、透气膜100对容器301中的净化水进行抽滤。并且，该抽水管道313分别与分支供气管道308与排气管道309连通，一部分过滤水可以通过透气膜100进入支撑杆203内部通道及分支供气管道308；另一部分过滤水可以通过透气膜100进入上端头，由上端头的相应的排气管道309。上述的布局方式可以使膜片200中透气膜100提供充分抽吸过滤功能。

本发明的优选实施方案中，还包括曝气装置400，曝气装置400设置在膜片200底部(即支撑框架306底部)，曝气装置400与供气装置305通过管道连通。

本发明的优选实施方案中，多个所述分支供气管道308上分别设置供气阀门；

多个所述排气管道309上分别设置排气阀门；

所述抽水管道313上设置抽水阀门；

所述供气装置305与所述曝气装置400连通的管道上设置曝气阀门。

本发明提供的反应器300，采用新型的透气膜100，缩短MABR挂膜和启动时间，使反应器300快速启动；保证产水水质的同时，不增加后处理单元或不另外增加后处理工艺，将污水生化处理和膜分离技术在一个反应器300中同时或先后运行，同时节约占地和能耗；MABR采用机械运动的新型运行方式，改善反应器300内的流体流动条件，保证MABR的运行效果，同时延长反应器300的运行周期，减少了MABR过程的清洗频率；采用机械运动结合膜外曝气的形式，合理控制生物膜减量，保证MABR过程正常运行。

本发明还提供了一种污水过滤工艺，该工艺具体是针对上述的反应器300进行污水处理的工艺。该工艺包括如下步骤：

步骤1，微生物挂膜工序

通过进水管302向容器301内通水至预设液位，打开各个供气阀门，通过供气装置305向各个膜片200中供气，同时利用膜片200的排气管道309适当排气，控制膜片200中透气膜100内部压力达预设值，以使膜片200作为供氧和微生物载体，运行膜生物反应器300的作用。通过透气膜100外表面附着生长的微生物进行生化反应起到污水去除营养及净化作用。

在步骤1中需要说明的是，未提及的组成部分视为关闭状态，即，震动装置304、各个抽水阀门、曝气阀门、排水管303均处于关闭状态。

步骤2，膜过滤工序

启动震动装置304使支撑框架306以一定频率和幅度震动，改善流体流动状况，其中一部分膜片200(图示中的三个膜片200)正常曝气运行膜生物反应器300的作用；

另一部分膜片200(图示中的带有抽水管道313的一个膜片200)停止排气(即关闭该膜片200的排气阀门)，增大该部分膜片200供气量使其以超泡点压力运行一定时间以吹扫膜片200上的生物膜；然后停止供气，开启抽取装置314对该部分膜片200进行抽滤，在抽滤到一定水位结束抽滤，调整该部分膜片200运行膜生物反应器300的作用(即，开启相应的排气阀门和供气阀门)，继续进行下一个运行周期。

该步骤中需要说明的是，反应器300中其中一部分膜片200(图示中的三个膜片200)作用为供氧和微生物载体；另一部分膜片200(图示中的带有抽水管道313的一个膜片200)为膜过滤分离作用。

步骤3，反应器300清洗工序

当生物膜增厚到一定程度时，各个膜片200停止排气，控制对各个膜片200的供气压力使膜片200以泡点运行，向容器301内通入清洗水，同时利用曝气装置400进行曝气，调节震动装置304加大支撑框架306的震动频率和幅度，对生物膜进行减量清洗，开启排水管303排液。

本发明采用的反应器以及污水处理过程中去除生物膜工艺，具有的优点有：

1.采用一种新的膜材料形式，即在透气膜100中膜本体101的表面编织或者涂覆一种具有生物亲和性的材料(多巴胺类、海藻酸钠等)，有利于微生物快速附着和生长，使反应器300快速启动、挂膜运行。

2.将MABR(Membrane aerated biofilm reactor)技术和膜超滤(Membraneultrafiltration)技术有机结合，直接采用超滤-透气膜100进行MABR过程，在生化阶段膜起到生物载体和供气的作用，在污水生化处理进行的同时或者处理后进行膜过滤，有效的保证了出水水质，同时大大减少了成本、减小了占地面积，即一膜两用。

3.利用震动装置304带动支撑框架306及膜片200在水中摆动的形式，使膜片200与污水产生合理的相对运动，改善生物膜表面的流体力学条件，使MABR过程即使在较低的运行流速下也可以达到较好的生化处理效果，同时不会增大池容和占地面积，使MABR过程连续正常运行。

4.合理增大摆动频率和幅度，同时少量曝气，减量去除膜表面附着的生物膜，避免生物膜去除过多，保证MABR过程正常运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种透气膜，包括膜本体；其特征在于，所述膜本体的表面编织或者涂覆有生物亲和性材料，以利于微生物快速附着和生长。

2.根据权利要求1所述的透气膜，其特征在于，所述生物亲和性材料制成纤维状，并且呈网状结构编织在所述膜本体的表面。

3.根据权利要求1或2所述的透气膜，其特征在于，所述生物亲和性的材料包括但不限于多巴胺类或海藻酸钠。

4.一种膜片，其特征在于，包括上封头、下封头以及设置在所述上封头和下封头之间的支撑杆和多个权利要求1-3任一项所述的透气膜；

所述上封头和下封头内设有空腔，且所述上封头设有与所述空腔连通的排气口；

其中一个所述支撑杆内部设有用以连通下封头内空腔的通道；

所述透气膜的两端口分别连通上封头和下封头内的空腔。

5.一种反应器，包括容器、进水管和排水管；其特征在于，还包括设置在所述容器中的震动装置、供气装置、支撑框架以及权利要求4所述的膜片；

所述支撑框架上间隔设置多个所述膜片；

所述震动装置与所述支撑框架连接，用以提供震动力；

所述供气装置通过主供气管道以及与所述主供气管道连通的多个分支供气管道与多个膜片上的内部具有通道的支撑杆连通；

各个所述膜片中上封头上的排气口分别连通排气管道。

6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，至少一个膜片上的分支供气管道与排气管道之间连通有抽水管道，所述抽水管道连通有抽取装置。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，还包括曝气装置，所述曝气装置设置在所述膜片底部，所述曝气装置与所述供气装置通过管道连通。

8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，多个所述分支供气管道上分别设置供气阀门；

多个所述排气管道上分别设置排气阀门；

所述抽水管道上设置抽水阀门；

所述供气装置与所述曝气装置连通的管道上设置曝气阀门。

9.根据权利要求5-8任一项所述的反应器，其特征在于，所述震动装置包括电机和曲柄连杆机构，曲柄连杆机构输入端与所述电机连接，输出端与所述支撑框架连接，所述电机驱动曲柄连杆机构带动所述支撑框架往复运动。

10.一种污水过滤工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，微生物挂膜工序

通过进水管向容器内通水至预设液位，通过供气装置向各个膜片中供气，同时利用膜片的排气管道适当排气，控制膜片中透气膜内部压力达预设值，以使膜片作为供氧和微生物载体，运行膜生物反应器的作用；

步骤2，膜过滤工序

启动震动装置使支撑框架以一定频率和幅度震动，其中一部分膜片正常曝气运行膜生物反应器的作用；

另一部分膜片停止排气，增大该部分膜片供气量使其以超泡点压力运行一定时间以吹扫膜片上的生物膜；然后停止供气，开启抽取装置对该部分膜片进行抽滤，在抽滤到一定水位结束抽滤，调整该部分膜片运行膜生物反应器的作用，继续进行下一个运行周期；

步骤3，反应器清洗工序

各个膜片停止排气，控制对各个膜片的供气压力使膜片以泡点运行，向容器内通入清洗水，同时利用曝气装置进行曝气，调节震动装置加大支撑框架的震动频率和幅度，对生物膜进行减量清洗，开启排水管排液。