CN111072137B - 用于污水处理的膜生物膜反应器装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于污水处理的膜生物膜反应器装置及其方法，属于污水处理设备领域。该装置包括：反应器壳体；内部膜组件，该内部膜组件包括多根中空纤维膜，所述内部膜组件还包括辐条，用于中空纤维膜的固定，所述内部膜组件还具有通气机构，该通气机构具有第一通气管和第二通气管，每根通气管具有至少一个通气口用于气体的通入或吹出，其中，多根中空纤维膜的第一端口密封于第一通气管中，第二端口密封于第二通气管中，且保证通气管中的气体能从多根中空纤维膜的端口进入腔内；pH自动调节机构，该调节机构具有pH电极和控制电路以及加药装置；以及用于在装置中曝气的机构。

Description

用于污水处理的膜生物膜反应器装置及其方法

技术领域

本发明属于污水处理设备领域，具体涉及一种用于污水处理的膜生物膜反应器装置及其方法。

背景技术

随着我国对污、废水的管控标准日益提高以及社会对更低的基建、运作成本的水处理方法的需求的升温，生物膜工艺正在经历快速的升级和发展。生物膜工艺的优势在于功能微生物以生物膜的形式留在反应体系中而不随着出水流出体系，从而能够维持较高的生物质浓度，进而获得较高的容积反应速率，在各类污、废水处理中有着广泛的运用。

膜生物膜反应器(MBfR)法是基于生物膜工艺的一种新颖的水处理方法。该反应器利用中空纤维膜为生物膜提供生长表面。同时将气体通入中空纤维膜的腔内，气体从中空纤维膜的膜壁扩散到腔外，从而直接接触附着在纤维膜壁上的生物膜，为微生物生长所利用。此处通入的气体可以是作为电子供体的还原性气体，包括但不限于氢气、甲烷、一氧化碳等；也可以是氧化性气体，例如空气，氧气等。通过膜壁扩散的气体不会形成气泡，从而保证了极高的气体利用效率，同时还避免了将水中的挥发性污染物吹脱进入大气的风险。

膜生物膜反应器相对于传统的生物膜技术有如下优势：

(1)与传统的生物滤池相比，膜生物膜反应器省去了大量的基建费用，同时占地面积小，节约了处理用地。

(2)在利用膜生物反应器投加某些还原性气体，如氢气，甲烷等气体时，可以不必再投加外部有机碳源，如乙酸，乙醇等，就可以实现氧化性污染物的去除。

(3)能够通过压力调节阀自由调整通入中空纤维膜膜内的气体压力，从而根据需要改变进入反应器的气体的通量，实现对不同污染负荷污水的针对处理。

(4)膜生物膜反应器的气体扩散出中空纤维膜的膜壁之后能够直接进入生物膜，从而能够较少受到生物膜外的水力条件的影响。

(5)无泡曝气提供了极高的底物利用效率，由此可以实现资源的节约。

(6)由于气体底物和溶解性底物分别从生物膜的内侧和外侧扩散进入，故两种底物浓度都较高的生物活性部分存在生物膜内部某处，这有助于微生物菌落的分层，实现更丰富的净化能力。

(7)由于气体底物从生物膜的内部向外扩散，有助于某些生长周期长的功能微生物优先存在于中空纤维膜-生物膜界面上，并且受到外层生物膜的保护，不易流失。

提高膜生物膜反应器(MBfR)的效率的关键在于提高反应器内的中空纤维膜丝的填充密度，但是过高的填充密度又会导致生物污染，影响出水水质及污染物的去除效率。同时，在膜生物膜反应器(MBfR)在工作过程往往伴随着pH值的变化和生物膜厚度的变化。维持pH值和生物膜厚度在合适的范围内对反应器的去除效果也是极其重要的。因此，对膜生物膜反应器的设计需要实现对中空纤维膜填充密度及排布的合理控制，以及对反应器内高效降解环境的维持。

但是，目前的膜生物膜反应器大多停留在实验室阶段，处理能力和处理效果均无法达到工程实践的水平，例如申请号200810202126.1的中国专利申请。该专利受到反应器大小的限制，膜丝根数有限从而无法获得很高的处理能力。同时膜丝过长，氢气在传输过程中受到沿程阻力影响而扩散不均，从而导致生物膜在中空纤维膜上不均匀生长，污染物去除效果不佳。膜组件与反应器壳体连接，离线清洗或者更换膜组件需要拆卸反应器，工作量较大，影响反应器连续稳定运行。

发明内容

本发明专利的目的在于充分考虑上述膜生物膜反应器(MBfR)的设计关键，并至少克服一项上述所提到的问题而提供一种新型的膜生物膜反应器。

为实现以上目的，本发明专利采取以下的技术方案。下文描述的实施方式是示例性和阐释性的，而非对本发明的范围进行限制。

一方面，本发明提供了一种用于污水处理的膜组件，所述膜组件包括中空纤维膜列、辐条和通气机构；所述中空纤维膜列由若干中空纤维膜并行排列而成，中空纤维膜列的中部位置贴合于至少一条辐条的侧面上进行辅助固定；每条所述中空纤维膜的膜丝两端分别设有第一端口和第二端口；所述通气机构包括第一通气管和第二通气管，两根通气管均具有至少一个进气口，且所述中空纤维膜的第一端口密封于第一通气管中，第二端口密封于第二通气管中；两根通气管中至少设有一个可控开闭的排气口；所述第一通气管和第二通气管用于对中空纤维膜两端同时进气。

作为上述第一方面的优选，每一组中空纤维膜列优选固定于两条平行且间隔的辐条上。

作为上述第一方面的优选，所述辐条的两个相对的侧面上，分别固定有一组中空纤维膜列。

作为上述第一方面的优选，所述的第一通气管和第二通气管均包括管体和连接槽，连接槽固定于管体的底部且其槽腔与管体的内腔连通，所述中空纤维膜列中的中空纤维膜端部伸入连接槽并通过灌封胶固定在连接槽内，且中空纤维膜的端部连通所述管体的内腔。

作为上述第一方面的优选，所述中空纤维膜由选自聚酯、三乙酸纤维素、聚乙烯和聚氨酯复合材料，聚丙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯的材料制成。

作为上述第一方面的优选，所述中空纤维膜结构是复合膜(compositemembrane)，或者是多孔膜(porous membrane)，又或者是致密膜(dense membrane)。进一步的，所述中空纤维膜的外径为0.015～5.5mm，膜壁厚为0.005～1.5mm，膜孔径为0～0.55μm。以上所述范围均包括端点值。

第二方面，本发明提供了一种用于污水处理的膜生物膜反应器(MBfR)装置，该装置包括反应器壳体，所述反应器壳体具有至少一个进水口，以及至少一个出水口；所述反应器壳体的内腔中设有1组或多组如上述第一方面任一方案所述的膜组件；所述第一通气管和第二通气管的通气口连通外部气源，所述外部气源用于向两根通气管中同时通入气体，使中空纤维膜两端同时进气。

作为上述第二方面的优选，所述反应器壳体中具有多组膜组件，各中空纤维膜列的排列面平行且保持间隔。进一步的，多组膜组件共用同一通气机构。

作为上述第二方面的优选，所述反应器壳体上具有至少两个通过循环管路相连的循环口，用于反应器壳体内部液体的内循环。进一步的，两个循环口分别位于两个不同的侧面，且具有显著的高度差。

作为上述第二方面的优选，所述反应器壳体的侧面底部或底面设有至少一个排泥口。进一步的，排泥口的结构为铜质水管弯头，在接头处接上塑胶软管，平时以止水夹密封。

作为上述第二方面的优选，反应器壳体为长方体，且宽度显著小于长度和高度。这有利于提高反应器内纤维膜的填充密度，并且能优化水力条件。

作为上述第二方面的优选，还包含pH自动调节机构，所述pH自动调节机构包括pH电极、控制装置以及加药装置，所述pH电极置于所述反应器壳体内腔，用于检测反应器中废水的pH；所述pH电极、加药装置均与控制装置相连并构成反馈控制，用于根据pH电极的检测数据控制向反应器内加入的药剂的量。

进一步的，所述的加药装置包括CO₂气源、pH调节膜组件和气路，所述pH调节膜组件置于反应器壳体内腔的液面以下，pH调节膜组件中的中空纤维膜一端封闭，另一端通过气路连通CO₂气源，且所述气路上设有由控制装置控制开闭的电磁阀。

更进一步的，CO₂气源采用CO₂气瓶，其中CO₂气瓶处于常开的状态，利用控制电路控制电磁阀的通断来调控CO₂气体通入浸入反应器内部的pH调节中空纤维膜，从而对反应器内部的pH进行调节，同时向反应器内提供了无机碳源。

作为上述第二方面的优选，还包含曝气机构，所述曝气机构具有至少一根穿孔管、曝气管路和曝气气源；所述曝气气源通过曝气管路连接穿孔管，所述穿孔管布置于反应器壳体的内腔底部，且位于所述的膜组件下方，使曝气上升时经过所述中空纤维膜列。

作为上述第二方面的优选，所述反应器壳体中，中空纤维膜的数量为20～50000根。

作为上述第二方面的优选，所述污水处理的膜生物膜反应器装置有多组，可通过串联或并联方式运行。

第三方面，本发明提供了一种如上述第一方面任一方案所述膜组件的制造方法，其步骤如下：

S1：在矩形板的正反两面分别放置一组辐条，每组辐条有一条或间隔且平行排列的多条；将连续的中空纤维膜丝以绕圈的形式紧密缠绕在矩形板上，且每一圈中空纤维膜在矩形板上的排列方向均垂直于辐条；利用防水粘胶将多圈中空纤维膜与辐条接触的部分固定在辐条上，再将多圈中空纤维膜从矩形板与辐条平行的两侧边缘平整切开，使矩形板每侧的一组辐条表面固定有一组中空纤维膜列；

S2：向一个底部密封的连接槽中注入灌封胶，将中空纤维膜列的所有第一端口密封后浸入到连接槽内部的灌封胶中，待灌封胶凝固后使用切割设备切掉连接槽的底面以及靠近底面的一层灌封胶，使中空纤维膜列7的所有第一端口露出；将连接槽和管体密封组装并保持连通，形成用于向中空纤维膜列中所有膜丝的第一端口进行鼓气的第一通气管；再以同样的方式，组装形成用于向中空纤维膜列7中所有膜丝的第二端口进行鼓气的第二通气管。

作为上述第三方面的优选，取下矩形板每侧的一组辐条，再将其贴有一组中空纤维膜列的一侧面向矩形板固定，再次将连续的中空纤维膜丝以绕圈的形式缠绕在矩形板上，通过同样的方式在辐条的另一侧固定另一组中空纤维膜列。

第四方面，本发明提供了一种利用如上述第二方面任一方案所述膜生物膜反应器装置的废水硝酸盐处理方法，其步骤如下：

将待处理废水泵入反应器并使水流在反应器内形成回流；将外部气源产生的H₂通过同时通入第一通气管和第二通气管中，使H₂同时从中空纤维膜的膜丝两端进入中空腔内，再通过膜丝的壁以无泡扩散方式扩散至膜丝外部；氢气扩散出膜壁之后进入生物膜，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的硝酸盐由生物膜外部向内部扩散，生物膜内部形成氢气和硝酸盐富集的生物活性区，在此区域内的微生物利用氢气快速降解硝酸盐，降解时微生物利用HCO₃ ^-作为无机碳源，以硝酸盐为底物，利用氢气提供的电子将硝酸盐还原成N₂；

在运行过程中，通过pH电极实时检测反应器中废水的pH，当因硝酸盐的还原作用导致废水pH升高至pH>9时，通过控制装置使加药装置启动，向反应器内通入的CO₂，直至pH值降至7时停止CO₂的通入；

在运行过程中，间隔性地打开所述排气口，保持外部气的H₂通入，将中空纤维膜腔内的惰性气体吹出，保证腔内H₂纯度；同时，间隔性地通过曝气装置对所述膜组件中的中空纤维膜列进行曝气扰动，通过水力剪切控制中空纤维膜表面的生物膜厚度；多余的生物膜以沉淀的形式聚集在反应器壳体的底部，定时通过排泥口排出。

与现有的膜生物膜反应器(MBfR)相比，本发明专利的主要优点如下：

(1)本发明的膜组件采用两端供气的方式，并设置了用于中空纤维膜腔内惰性气体排出的吹出口，在反应器运行过程中能保证中空纤维膜腔内的气体受沿程阻力的影响较小，且具有较高的纯度。

(2)本发明提供了一种新颖的中空纤维膜排布方式，可以通过调整缠绕密度来调整一层辐条上中空纤维膜的数量；也可以通过辐条的层数来调整整个反应器中空纤维膜的数量，从而使反应器具有合适的中空纤维膜装填密度。

(3)本发明提供了一种获得较优水力条件的方法，通过显著减少反应器壳体的宽度，并在两个侧面安装循环口的方式使反应器内部液体能够充分混匀。通过减少单根辐条的厚度可以避免反应器壳体宽度的减少带来的中空纤维膜装填密度减少的问题。

(4)本发明设置了pH自动调节机构，能够自动进行pH的调节，以维持反应器在适宜的pH条件下运行。

(5)本发明设置了底部曝气机构，能够通过产生气泡的方式提高生物膜受到的剪切力，从而控制生物膜的厚度。

(6)本发明反应器壳体与内部膜组件可以互相分离，膜组件的离线清洗，维护以及膜组件的更换十分方便。

(7)本发明为模块化设计且结构简单，占地较小。反应器规模可根据生产规模调节，并可以任意串联并联，易于大规模工程化应用。

附图说明

图1为本发明装置的主视图。

图2为本发明装置的左视图。

图3显示了使用隔板缠绕法时中空纤维膜与辐条的固定方式。

图4显示了本发明装置的示例性氢基质膜生物膜反应器的系统。

图5显示了本发明装置的示例性氢基质膜生物膜反应器系统的运行效果。

图中附图标记为：反应器壳体1、进水口2、出水口3、循环水进口4、循环水出口5、排泥口6、中空纤维膜列7、压力调节阀8、辐条9、支架10、第一通气管11、第二通气管12、进气口13、出气口14、pH电极15、pH调节中空纤维膜16、穿孔管17、方槽18和圆管19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利的内容做进一步详细说明。应注意的是，本发明专利不限于以下实施例子，还可以有许多变形，凡是本领域的普通技术人员能从本发明专利公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明专利的保护范围。

本发明中，提供了一种用于污水处理的膜组件，该膜组件包括中空纤维膜列、辐条和通气机构。其中中空纤维膜列由若干中空纤维膜并行排列而成，中空纤维膜列的中部位置贴合于一条或者多条辐条(优选设置两条辐条，且两条辐条平行且间隔设置)的侧面上进行辅助固定。每条中空纤维膜的膜丝两端分别设有第一端口和第二端口；通气机构包括第一通气管和第二通气管，两根通气管均具有至少一个进气口，且中空纤维膜的第一端口密封于第一通气管中，第二端口密封于第二通气管中；两根通气管中至少设有一个可控开闭的排气口。第一通气管和第二通气管用于对中空纤维膜两端同时进气。

中空纤维膜可以由聚酯、三乙酸纤维素、聚乙烯和聚氨酯复合材料，聚丙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯的材料制成。中空纤维膜结构是复合膜(compositemembrane)或者是多孔膜(porous membrane)，又或者是致密膜(dense membrane)。中空纤维膜的外径为0.015～5.5mm，膜壁厚为0.005～1.5mm，若存在膜孔，膜孔径不能过大，一般为0～0.55μm。

该膜组件的一个应用场景是安装于膜生物膜反应器(MBfR)中，下面通过一个实施例来说明其具体实现方式。

在一实施例中提供的膜生物膜反应器(参见图1，图2)，包括长方体反应器壳体1，该反应器壳体的宽度显著小于高度和长度，用以获得更高的纤维膜填充密度以及更好的水力条件，其一侧面底部具有一个进水口2，在相对侧面的顶部具有一个出水口3，循环水进口4在靠近进水口2的同侧面上方，循环水出口5在靠近出水口的同侧面下方，排泥口6在反应器壳体底面靠近出水口2的一侧。排泥口的结构为铜质水管弯头，在接头处接上塑胶软管，平时以止水夹密封。反应器壳体1中设有内部膜系统，该内部膜系统包括六个中空纤维膜列7、一个压力调节阀8、六根辐条9、两根支架10、一根第一通气管11和一根第二通气管12。其中，中空纤维膜列7的中间部分被固定在了两根互相平行的辐条9上，辐条9的正反两面均固定有中空纤维膜列7，因此六根辐条9两两为一组，以水平的三层形式固定在竖直放置的两根支架10上。每一组辐条的两个侧面分别具有一组中空纤维膜列7。中空纤维膜列由一系列的中空纤维膜并行排列而成，且相互之间紧密靠近，以提高布置密度。每根纤维膜具有界定内腔的膜壁以及膜外表面，其内腔的两端分别为第一端口和第二端口。中空纤维膜列7中的所有中空纤维膜的第一端口密封于第一通气管11中，且保证通气管中的气体能从第一端口进入腔内，所有中空纤维膜的第二端口密封于第二通气管12中，且保证通气管中的气体能从多根中空纤维膜的端口进入腔内。第一通气管11有一个进气口13和一个出气口14，出气口14以卡接金属棒的形式密封，在需要时可以拧下卡接金属棒。当然，出气口14也可以用其他的阀门形式控制开闭。第二通气管12只有一个进气口13，另一端密封，第二通气管12在反应器运行的过程中沉于水下。第一通气管和第二通气管的通气口连通外部气源，外部气源用于向两根通气管中同时通入气体，使中空纤维膜两端同时进气。气源种类选自氢气、甲烷、一氧化碳、空气、氧气中的一种或某几种的混合气体。

在本实施例中，第一通气管和第二通气管作为中空纤维膜的通气机构，能够从两端分别向中空纤维膜内腔进行通气，在反应器运行过程中能保证中空纤维膜腔内的气体受沿程阻力的影响较小。而出气口14能在打开和密封的状态间随意切换，用于排出中空纤维膜腔内惰性气体，使得内部器具具有较高的纯度。反应器内部的膜组件有多组时，其中空纤维膜列7可以分别设置通气机构，但考虑到控制的方便性，本实施例中共用同一个通气机构。为了保证所有的中空纤维膜列7均能够同步进行进气，本实施例对第一通气管和第二通气管采用了相同的改进结构，该结构包括管体和连接槽。连接槽是一个与管体基本等长的梯形槽体，连接槽固定于管体的底部且其槽腔与管体的内腔连通，中空纤维膜列中的中空纤维膜端部伸入连接槽，而连接槽内通过注入灌封胶将中空纤维膜列固定在连接槽内。但需要注意的是，灌封胶不能堵塞中空纤维膜的进气位置，中空纤维膜的两侧进气端部需要保证能够连通管体的内腔。

本实施例中的膜生物膜反应器(MBfR)还可以包括pH自动调节机构，该调节机构具有pH电极15和控制电路以及加药装置，其中，加药装置由CO₂气瓶、电磁阀、pH调节中空纤维膜16和管路组成。该调节机构工作的原理是：浸泡于反应器内部的pH电极15用于实时监控反应器内部的pH值。分别设定控制电路的高报吸合和高报断开所对应的pH值。当反应器内部的pH值上升到高报吸合对应的pH值时，控制电路控制电磁阀吸合，CO₂从常开的CO₂气瓶内通过电磁阀进入pH调节中空纤维膜16中，pH调节中空纤维膜16由多根第二端口封闭，第一端口密封在通气管中的中空纤维膜组成，CO₂通过pH调节中空纤维膜的渗透作用进入反应器内，使反应器内部的pH值下降。当pH值下降到控制电路的高报断开所对应的pH值时，控制电路控制电磁阀断开，CO₂停止进入pH调节中空纤维膜16中，从而维持反应器内部的pH值在控制电路的高报吸合和高报断开所对应的pH值之间。

本实施例中的膜生物膜反应器(MBfR)还可以包括曝气机构，该曝气机构具有一根穿孔管17，该穿孔管17平行于第二通气管12且固定在第二通气管12上，穿孔管17的位置应当位于膜组件下方。穿孔管17通过管路与N₂气瓶连接。在需要进行曝气调节的时候，N₂以一定压力进入穿孔管17，形成大量气泡从反应器底部向上移动，气泡在移动的过程中会与中空纤维膜列7上附着的生物膜进行碰撞，摩擦，从而提供剪切力使多余的生物膜脱落，防止生物膜过厚影响传质效率。曝气气源可以采用N₂或CO₂气体。

上述中空纤维膜列7所使用的中空纤维膜是由聚丙烯制成的无孔致密膜(densemembrane)。

本发明中，带有辐条的膜组件可以通过调整缠绕密度来调整一层辐条上中空纤维膜的数量，也可以通过辐条的层数来调整整个反应器中空纤维膜的数量，从而使反应器具有合适的中空纤维膜装填密度。

上述中空纤维膜列7和辐条9的固定方法可以采用隔板缠绕法，下面具体描述其实现方式。

在实际操作中，上述隔板缠绕法的具体操作方法为(参见图3)，将四根辐条分别固定于一块矩形薄板的正反两面，每一面的两根辐条以合适的间隔平行排列。将一根极长的连续中空纤维膜丝以合适的间距通过绕圈的方式缠绕在薄板上的同时，缠绕时保证每一圈中空纤维膜在薄板上的排列方向垂直于辐条长边的方向，中空纤维膜也在辐条的表面上排列。使用玻璃胶(也可以是其他防水粘胶)将多圈中空纤维膜与辐条接触的部分固定在辐条上，将多圈中空纤维膜从薄板与辐条平行的两侧边缘平整切开，使矩形板每侧的一组辐条表面固定有一组中空纤维膜列，取下两侧的辐条后，即得到两组膜组件初步结构，膜组件初步结构中辐条表面紧密排且固定有一组中空纤维膜列。

但此时，每组膜组件初步结构仅有一侧固定了中空纤维膜列，为了提高辐条的利用率，增加反应器内中空纤维膜密度，可以进一步在辐条的另一侧也设置中空纤维膜列。因此，可以取下矩形板每侧的一组辐条，再将其贴有一组中空纤维膜列的一侧面向矩形板固定，再次将连续的中空纤维膜丝以绕圈的形式缠绕在矩形板上，通过玻璃胶固定和边缘裁切后，以与前述同样的方式在辐条的另一侧固定另一组中空纤维膜列。

在膜组件实际组装时，首先以隔板缠绕法制作好膜组件初步结构，本实施例中将六片中空纤维膜列7分别固定在3组辐条9的正反两面。然后，将第一通气管11的方槽18和圆管19拆开，向带有底托的方槽18内部注入灌封胶，将制作好的六片中空纤维膜列7的所有第一端口密封后浸入到方槽18内部的灌封胶里，待灌封胶凝固后使用切割设备切掉方槽18的底面以及一定厚度的灌封胶，使中空纤维膜列7的所有第一端口露出。将方槽18和圆管19组装起来得到成型的膜组件，使用胶水密封方槽18和圆管19之间的间隙，这样从圆管19的进气口13进入的气体就能够通入中空纤维膜列7的腔内。同样地，将中空纤维膜列7的所有第二端口密封于第二通气管12中，使从第二通气管的进气口13通入的气体能进入到中空纤维膜列7的腔内。将穿孔管17平行固定在第二通气管12的方槽18内，之后将六根辐条9固定在两根支架10上，连接好气路后将内部膜组件放入反应器壳体1内，注水，最后将pH探头15和pH调节中空纤维膜16以及其他的必要组件浸入反应器中。

为了减少中空纤维膜列7的切割量，在灌封中空纤维膜列7时，尽量使其端部伸入方槽18底端，因此在切割灌封胶时仅需要切掉靠近方槽18底端的一层灌封胶。

下面以氢基质膜生物膜反应器(MBfR)去除硝酸盐污染物为例，介绍反应器的运行过程(参见图4)。

本实施例装置运行时，由氢气发生器产生的H₂通过压力调节阀以合适的压力进入气体管路，第一通气管和第二通气管并联连接，H₂同时从两根通气管进入中空纤维膜膜丝腔内，再通过膜丝的壁以无泡扩散方式扩散至膜丝外部；另一方面，通过蠕动泵以相同流速连续将待处理水泵入反应器，回流进水口、回流出水口之间用蠕动管连接，中间经回流泵提供动力，使水流在反应器壳体内形成回流，选择合适的回流泵流速使水流呈完全混合流。氢气扩散出膜壁之后进入生物膜，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的硝酸盐由生物膜外部向内部扩散，生物膜内部形成氢气和硝酸盐浓度都很高的生物活性区，在此区域内的微生物利用氢气快速降解硝酸盐。在运行过程中以合适的时间间隔打开吹气口，将中空纤维膜腔内的惰性气体吹出，保证腔内H₂纯度。pH自动控制机构的加药装置采用CO₂气瓶供气，pH调节中空纤维膜通气的方式调节反应器壳体中的pH，由于硝酸盐在还原过程中pH会升高，故设置高报吸合的pH值为9，高报断开的pH值为7，以维持反应器壳体中的pH值在7到9之间，此外进入反应体系中的CO₂也会为微生物提供无机碳源。同时，曝气装置以合适的时间间隔从底部向反应器壳体内通入N₂气泡，以增加剪切力的方式控制生物膜的厚度。多余的生物膜以沉淀的形式聚集在反应器壳体的底部，以合适的时间间隔通过排泥口排出。在上述膜生物膜反应器(MBfR)中，微生物利用HCO₃ ^-作为无机碳源，以硝酸盐为底物，利用氢气提供的电子将硝酸盐还原成N₂，最终离开水体。而氢气则被氧化成无毒的H₂O分子。净化后的污水由出水口溢流离开反应体系。

根据上述实施例对于某一废水进行处理时，运行的装置特征及稳态运行参数列于表格中(参见表1、表2)。运行结果(参见图5)显示，本实施例能够在较短的水力停留时间内完成硝酸盐的深度脱除，稳态出水的硝酸盐平均浓度达到了2.63mgN/L，且无亚硝酸盐积累。单个实施例的处理水量达到了72L/day。

表1反应器的装置特征参数

表2反应器的稳态运行参数

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于污水处理的膜组件，其特征在于，所述膜组件包括中空纤维膜列、辐条和通气机构；所述中空纤维膜列由若干中空纤维膜并行排列而成，中空纤维膜列的中部位置贴合于至少一条辐条的侧面上进行辅助固定；每条所述中空纤维膜的膜丝两端分别设有第一端口和第二端口；所述通气机构包括第一通气管和第二通气管，两根通气管均具有至少一个进气口，且所述中空纤维膜的第一端口密封于第一通气管中，第二端口密封于第二通气管中；两根通气管中至少设有一个可控开闭的排气口；所述第一通气管和第二通气管用于对中空纤维膜两端同时进气；每一组中空纤维膜列固定于两条平行且间隔的辐条上；

所述膜组件的制造方法如下：

S1：在矩形板的正反两面分别放置一组辐条，每组辐条有一条或间隔且平行排列的多条；将连续的中空纤维膜丝以绕圈的形式紧密缠绕在矩形板上，且每一圈中空纤维膜在矩形板上的排列方向均垂直于辐条；利用防水粘胶将多圈中空纤维膜与辐条接触的部分固定在辐条上，再将多圈中空纤维膜从矩形板与辐条平行的两侧边缘平整切开，使矩形板每侧的一组辐条表面固定有一组中空纤维膜列；

S2：向一个底部密封的连接槽中注入灌封胶，将中空纤维膜列的所有第一端口密封后浸入到连接槽内部的灌封胶中，待灌封胶凝固后使用切割设备切掉连接槽的底面以及靠近底面的一层灌封胶，使中空纤维膜列的所有第一端口露出；将连接槽和管体密封组装并保持连通，形成用于向中空纤维膜列中所有膜丝的第一端口进行鼓气的第一通气管；再以同样的方式，组装形成用于向中空纤维膜列中所有膜丝的第二端口进行鼓气的第二通气管。

2.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于，取下矩形板每侧的一组辐条，再将其贴有一组中空纤维膜列的一侧面向矩形板固定，再次将连续的中空纤维膜丝以绕圈的形式缠绕在矩形板上，通过同样的方式在辐条的另一侧固定另一组中空纤维膜列。

3.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于，所述辐条的两个相对的侧面上，分别固定有一组中空纤维膜列。

4.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于，所述的第一通气管和第二通气管均包括管体和连接槽，连接槽固定于管体的底部且其槽腔与管体的内腔连通，所述中空纤维膜列中的中空纤维膜端部伸入连接槽并通过灌封胶固定在连接槽内，且中空纤维膜的端部连通所述管体的内腔。

5.一种用于污水处理的膜生物膜反应器装置，该装置包括反应器壳体，所述反应器壳体具有至少一个进水口，以及至少一个出水口；其特征在于，所述反应器壳体的内腔中设有1组或多组如权利要求1~4任一所述的膜组件；所述第一通气管和第二通气管的通气口连通外部气源，所述外部气源用于向两根通气管中同时通入气体，使中空纤维膜两端同时进气。

6.根据权利要求5所述的膜生物膜反应器装置，其特征在于，所述反应器壳体中具有多组膜组件，各中空纤维膜列的排列面平行且保持间隔；多组膜组件共用同一通气机构。

7.根据权利要求5所述的膜生物膜反应器装置，其特征在于，所述反应器壳体上具有至少两个通过循环管路相连的循环口，用于反应器壳体内部液体的内循环；所述反应器壳体的侧面底部或底面设有至少一个排泥口。

8.根据权利要求5所述的膜生物膜反应器装置，其特征在于，还包含pH自动调节机构，所述pH自动调节机构包括pH电极、控制装置以及加药装置，所述pH电极置于所述反应器壳体内腔，用于检测反应器中废水的pH；所述pH电极、加药装置均与控制装置相连并构成反馈控制，用于根据pH电极的检测数据控制向反应器内加入的药剂的量；所述的加药装置包括CO₂气源、pH调节膜组件和气路，所述pH调节膜组件置于反应器壳体内腔的液面以下，pH调节膜组件中的中空纤维膜一端封闭，另一端通过气路连通CO₂气源，且所述气路上设有由控制装置控制开闭的电磁阀。

9.根据权利要求5所述的膜生物膜反应器装置，其特征在于，还包含曝气机构，所述曝气机构具有至少一根穿孔管、曝气管路和曝气气源；所述曝气气源通过曝气管路连接穿孔管，所述穿孔管布置于反应器壳体的内腔底部，且位于所述的膜组件下方，使曝气上升时经过所述中空纤维膜列。

10.一种利用如权利要求5~9任一所述膜生物膜反应器装置的废水硝酸盐处理方法，其特征在于，步骤如下：

将待处理废水泵入反应器并使水流在反应器内形成回流；将外部气源产生的H₂通过同时通入第一通气管和第二通气管中，使H₂同时从中空纤维膜的膜丝两端进入中空腔内，再通过膜丝的壁以无泡扩散方式扩散至膜丝外部；氢气扩散出膜壁之后进入生物膜，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的硝酸盐由生物膜外部向内部扩散，生物膜内部形成氢气和硝酸盐富集的生物活性区，在此区域内的微生物利用氢气快速降解硝酸盐，降解时微生物利用HCO₃ ^-作为无机碳源，以硝酸盐为底物，利用氢气提供的电子将硝酸盐还原成N₂；

在运行过程中，通过pH电极实时检测反应器中废水的pH，当因硝酸盐的还原作用导致废水pH升高至pH>9时，通过控制装置使加药装置启动，向反应器内通入的CO₂，直至pH值降至7时停止CO₂的通入；

在运行过程中，间隔性地打开所述排气口，保持外部气的H₂通入，将中空纤维膜腔内的惰性气体吹出，保证腔内H₂纯度；同时，间隔性地通过曝气装置对所述膜组件中的中空纤维膜列进行曝气扰动，通过水力剪切控制中空纤维膜表面的生物膜厚度；多余的生物膜以沉淀的形式聚集在反应器壳体的底部，定时通过排泥口排出。