CN112320924A - 用于生物反应器的膜结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于生物反应器的可卷曲片状膜结构，包括：密封膜层，其由两个相邻设置的透气、防水片状膜构成，所述片状膜在其各自的边缘处或附近相互密封地连接在一起，所述膜层包括顶端和底端，在所述顶端和底端之间有两个面向外部的片状膜表面，其中，在所述膜层的顶端和底端之间形成有一个或多个内部空气通道；支撑层，其可操作地连接至两个片状膜表面中的一个，所述支撑层包括多个细长弹性肋，所述多个细长弹性肋相对于所述片状膜表面在支撑层的顶端和底端之间以格子构造布置，以便在支撑层的顶端和底端之间构成一个或多个流体可渗透通道，其中，所述片状膜表面被配置为在使用中将生物膜保持在水中。

Description

用于生物反应器的膜结构
技术领域
本发明涉及片状膜结构，更具体地，涉及用于支撑生物膜以处理生物反应器中的废水的可卷曲的膜结构模块。
背景技术
传统的废水处理厂采用活性污泥工艺，该工艺基于有机材料的生物氧化。这种系统需要大量使用曝气器和大型处理槽，导致成本较高。其他生物氧化工艺利用生物膜在固体介质或膜上的生长，其中透气膜将处理槽划分为液体室和气体室，生物膜生长在膜的液体侧。在这样的工艺中，通过透气膜向生物膜提供氧气。现有的基于膜的废水处理厂的缺点包括：当多个生物膜间隔太远，生物膜的高生长密度或低操作效率会导致生物淤积。
申请人已经确定，提供一种操作效率更高的用于生物反应器的片状膜结构模块将是有利的。在其优选实施例中，本发明试图至少部分地缓解上述问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于生物反应器的可卷曲的片状膜结构，包括：密封膜层，其由两个相邻设置的透气、防水片状膜构成，所述片状膜在其各自的边缘处或附近相互密封地连接在一起，所述膜层包括顶端和底端，在所述顶端和底端之间有两个面向外部的片状膜表面，其中，在所述膜层的顶端和底端之间形成有一个或多个内部空气通道；支撑层，其可操作地连接至两个片状膜表面中的一个，所述支撑层包括多个细长弹性肋，所述多个细长弹性肋相对于所述片状膜表面在支撑层的顶端和底端之间以格子构造布置，以便在支撑层的顶端和底端之间构成一个或多个流体可渗透通道，其中，所述片状膜表面被配置为在使用中将生物膜保持在水中。
优选地，所述密封膜层包括多个弹性支撑壁，所述多个弹性支撑壁在所述密封膜层内部的相邻膜之间延伸以将气流通道保持在所述空气通道内。
优选地，所述多个弹性支撑壁形成波纹，所述波纹在所述空气通道内形成单独的气流通道。
优选地，所述片状膜表面预先浸渍有生物膜材料。
优选地，所述片状膜表面配置有纤维结构，以增加用于生物膜生长的可用表面积。优选地，纤维结构由聚丙烯不织布的热粘合层形成。
优选地，所述支撑层与所述密封膜层的片状膜表面热连接或粘合连接。
优选地，所述多个细长弹性肋相对于所述片状膜表面呈对角格子构造布置。
优选地，所述多个细长弹性肋布置在至少两个连续层中。可选地，弹性肋布置在三个连续层中。
优选地，所述细长弹性肋中的每个被配制为4毫米至约10毫米厚度。
优选地，当从所述支撑层的顶端或底端观察时，所述支撑层的横向宽度约为6毫米。
优选地，相邻的两层透气、防水片状膜通过超声波或粘合剂密封连接。
优选地，所述片状膜由膨体聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯材料制成。
优选地，多个细长弹性肋由聚丙烯或聚乙烯材料制成。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理废水的生物反应器，包括上述用于容纳废水的槽和所述的片状膜结构的卷。
优选地，所述片状膜结构在槽中呈卷状柱布置，使得基本上所述膜结构的每个支撑层至少部分地与每个相对侧的任何相邻密封膜层接触。
优选地，所述片状膜结构在槽中呈卷状柱布置，使得基本上膜结构的每个密封膜层至少部分地与每个相对侧的任何相邻支撑层接触。
根据本发明的另一方面，提供了一种在生物反应器中处理废水的方法，包括以下步骤：(a)提供生物反应器槽，并在其中提供如上所述的片状膜结构的卷，其中，所述片状膜结构呈卷状柱布置，所述卷的每个片状层至少部分地与其相邻的片状层接触。(b)使废水流入生物反应器槽，其中，废水流过片状膜结构的支撑层的流体可渗透通道；并且(c)使含氧气体流入生物反应器槽，其中，气体流过密封膜层的内部空气通道。
附图说明
现在将参考附图并仅通过非限制性示例描述本发明，其中：
图1是根据本发明的一个优选实施例的一种长度不确定的、可卷曲的片状膜结构的示意性剖视图。
图2是根据本发明的替代实施例的一种可卷曲的片状膜结构的示意性剖视图；
图3是图1的可卷曲片状膜的相邻布置的两个部分在使用中的示意性剖视图。
图4是图2的可卷曲片状膜的相邻布置的两个部分在使用中的示意性剖视图。
图5是图1的可卷曲片状膜的相邻布置的三个部分在使用中的示意性剖视图。
图6是图2的可卷曲片状膜的相邻布置的三个部分在使用中的示意性剖视图。
图7是根据本发明的优选实施方式的生物反应器槽和片状膜结构的卷的示意性透视图。
图8是当片状膜结构的卷被安装在如图7所示的生物反应器槽内时的特写示意图；以及
图9是显示根据本发明优选实施方案的片状膜结构的卷的截面的照片。
应当理解，提供的示意图仅出于说明目的，并且未按比例绘制。
具体实施方式
本发明的优选实施例涉及一种片状膜结构、一种生物反应器和一种在生物反应器中处理废水的方法。参照图1所示的片状膜结构10的截面图，片状膜结构10包括密封膜层20和相邻的支撑层30的组合。片状膜结构10被称为“结构”，因为其是使用两个单独的层构成的，它还被称为“可卷曲的”，因为膜结构10具有足够的柔韧性，允许将膜结构10卷成圆柱状，其中，膜结构10的多个部分以分层形式折叠在相邻的膜结构10上。膜结构10的双层结构有利于为气体和液体流动提供单独的通道，这将在下面详细讨论。应当理解，可以根据任何合适的长度和/或宽度来制造可卷曲的片状膜结构10，其长度在示意图中被示出为不确定。
密封膜层20包括两个片状膜22、24，所述片状膜22、24在它们各自的边缘处或附近彼此相邻地对准并密封地连接。具体地，片状膜22、24通过任何合适的方式密封地连接，片状膜22、24的平板状表面相互面对，其非限制性示例包括热结合、化学粘合和机械紧固，使得密封的片状膜22、24之间的空腔基本上被密封以防止任何液体摄入。片状膜22、24的构造使得每个膜都具有气体渗透和液体不渗透的特性(在某些结构中，还有防水的特性)。片状膜22、24可以由合适的材料制成，包括膨体聚四氟乙烯或聚丙烯材料。
在使用中，膜层20垂直布置，也就是说，膜层20的横向宽度是垂直方向的，并且膜层20的长度围绕垂直轴滚动以形成卷状柱(a rolled column)。在该结构中，膜层20的顶端基本上位于或靠近卷状柱的顶侧，并且膜层20的底端基本上位于或靠近卷状柱的底侧。因此，可以说，膜层20包括顶端和底端，所述的顶端和底端之间有片状膜22、24的面向外部的片状膜表面。由片状膜22、24构成的密封腔允许气体通过膜22、24自由进入空腔，并且通过膜22、24离开空腔，从而形成气体流动的空气通道。应当理解，气体可以通过透气膜22、24在膜层20的顶端和底端之间以及在空腔与它的外部环境之间自由移动。
在一个实施例中，在密封膜层20上进一步设置有结构元件26，使片状膜22、24分开，从而防止膜22、24向内塌陷而导致空气通道内的气流通道关闭。可在密封膜层20的内部设置弹性支撑壁，以便在腔内在相邻的片状膜22、24之间延伸，以保持一致的气流通道。在一些结构中，结构元件26以波纹形式提供，在使用过程中，所述波纹形式限定了密封膜层20的基本上离散的气流通道28。结构元件26可以由任何合适的弹性材料制成，包括聚丙烯或聚乙烯材料。
在优选的实施方案中，片状膜22、24的外表面配置有纤维结构，以增加生物膜25生长所需的可用表面积。在一种配置中，聚丙烯不织布纤维的薄层热结合到片状膜22、24的一个或两个外表面。膜22、24的粗糙的纤维结构表面使得生物膜25和有机物质在邻近流体可渗透通道时可以连接到膜22、24，这将在下面详细描述。
支撑层30被配置为格子结构，具有开口38，所述开口38形成穿过所述格子结构的通道，以便于流体流入和流出格子结构。本发明上下文中使用的术语“流体”用于表示液体流体，其非限制性示例包括水、废水、化学处理溶液和污泥。参照图1，支撑层30与两个面向外部的片状膜表面27中的一个相邻。在优选实施例中，支撑层30包括多个细长弹性肋36，所述细长弹性肋36相对于片状膜表面27呈格子结构32布置。在一种结构中，细长弹性肋36和/或格子结构32使用任何合适的连接方法(例如热结合、化学粘合和机械紧固)可操作地连接到片状膜表面27。在优选实施例中，每个细长弹性肋被配制为4毫米至10毫米的厚度，但是根据给定生物反应器工厂设计的尺寸结构，其他厚度尺寸也可能是合适的。在一种结构中，细长弹性肋36是由聚丙烯或聚乙烯材料制成，但是也可以使用其他合适的材料制成。
支撑层30的尺寸可以与片状膜22、24的尺寸匹配，这样，密封膜层20和支撑层30的组合形成一个统一的片状膜结构，该结构可以呈卷状式。具体地，支撑层30的横向宽度基本对应于密封膜层20的横向宽度，并且支撑层30的纵向长度与密封膜层20的纵向长度基本相同。此外，当连接到密封膜层20并且其纵向长度定向为水平布置时，支撑层30具有顶端和底端，所述顶端和底端之间构成了各自结构32。支撑层30的顶端与密封膜层20的相应顶端相邻，支撑层的底端与密封膜层20的相应底端相邻。可以说，支撑层30的顶端和底端之间的流体可渗透通道是由整个格子结构32的开口形成的凹槽和空腔构成的。应当理解，流体可以在支撑层20的顶端和底端之间自由流动，也可以在格子结构32的空腔和开口及其外部环境之间自由流动。
在一个实施例中，支撑层30包括由格子结构32形成的规则图案的开口38和孔。细长弹性肋36可以形成具有纵向侧肋34和桥接肋36的格子结构32。参考图2，支撑层30包括纵向侧肋34的相邻层，纵向侧肋34的相邻层由在支撑层间延伸的横向桥接肋36连接。在一种结构中，桥接肋36植根于沿着侧肋34定位的相应的凹槽中。支撑层30的细长弹性肋34、36可以通过任何合适的方式连接在一起，包括热结合、化学粘合和机械紧固。
面对支撑层30的膜表面27适于容纳生物膜25，以便于生物氧化以及废水和类似液体的加工和处理。如前所述，从穿过密封膜层20的气流穿过膜表面27向附着在膜表面27上和/或在膜表面27上生长的生物膜25提供氧气，生物膜25同时暴露于通过支撑层30的流体。这样的布置有利于生物膜在膜表面27上生长。应当理解，支撑层30及其弹性肋36用作间隔构件，以防止附着在膜表面27上或生长在膜表面27上的生物膜25上的相邻膜层塌陷，并且容纳在支撑层30的顶端和底端之间穿过流体可渗透通道38的足够的流体流量，优选地，不会引起流体可渗透通道38的堵塞或阻塞。在优选实施例中，当从顶端观察时，支撑层30的横向宽度大致为6毫米。应当理解，在其他实施例中，根据特定的工厂设计或要求，支撑层30可以为不同的尺寸。
现在参考图3和图4，其示出了根据优选实施例和替代实施例的膜结构10的相邻层。如图3所示，类似的第二膜结构10B位于第一膜结构10A的下方，第一膜结构10A的支撑层30至少部分地与相邻的、第二膜结构10B的密封膜层20接触或邻接。有效地，第一膜结构10A的支撑层30在第一膜结构10A的密封膜层20和第二膜结构10B的密封膜层20之间提供间隔结构，以防止相邻布置的密封膜层20相互塌陷，并在它们之间提供足够的流体可渗透通道。当以垂直卷状形式使用时，相邻的膜结构10A、10B优选如上所述分层布置。
上面参照图3和图4所述的分层布置也类似地应用并显示在图5和图6中，其中，当膜结构10呈卷状，并且相邻的膜结构层重叠时，三个膜结构层一般相邻布置。在这种布置中，膜结构层至少部分地接合其邻近的类似的膜结构层，并且这种形式的膜结构10在密封膜层20和支撑层30之间交替，也就是说，空气通道和流体渗透通道交替地设置在根据本发明的膜结构的呈卷状布置的截面层上或层状布置的截面层上。类似地，图9示出了当以卷的形式布置时，片状膜结构10在其交替层中的照片。应当理解，面向支撑层30并因此暴露于流体可渗透通道的膜表面27是放置生物膜25的理想选择。在优选实施例中，与支撑层30相邻的密封膜层20的每个膜表面27被配置用于保持生物膜25。
生物膜25可以通过一些载体引入到膜结构10中，非限制性示例包括：来自处理液(例如废水和污泥)中已经存在的物质的生物氧化物质的自然增殖；用适当的生物膜物质预浸渍膜表面27。生物膜物质的细节是本领域众所周知的，在此将不再详细描述。
根据本发明的优选实施例，生物反应器50包括生物反应器槽52，其中，片状膜结构10以垂直定向的卷状形式布置在所述生物反应器槽52内，如图7和8所示。图8提供了卷状膜结构10的顶端部分(即图7中A所示区域)的特写视图。在一个实施例中，生物反应器槽52设有圆柱形芯54，所述圆柱形芯54为可卷曲的片状膜结构10形成开口56和附接点。在使用中，穿过片状膜结构10的密封膜层20向槽52中提供氧气，废水流过由片状膜结构10的支撑层30构成的流体可渗透通道。有利地，在这种密封膜层20和支撑层30的交替布置中，优化了生物膜25生长的表面积，从而优化了生物膜25的密度，同时减少了生物淤积的发生。因此，当处理废水时，体现本发明的膜结构10的生物反应器50将可能提供提高的生物处理效率。
在该实施例的描述和附图中，使用与第一实施例相同的附图标记来表示和指代对应的特征。
虽然本发明的各种实施例已在上面进行了描述，但是应当理解，它们仅以示例的方式而非限制的方式呈现。对于相关领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种更改。因此，本发明不应受到任何上述示例性实施例的限制。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，“包括”一词以及例如“含括”和“包含”之类的变体将被理解为暗示包括指定整数或步骤，或一组整数或步骤，但并不意味着排除任何其他整数或步骤，或一组整数或步骤。

Claims (19)

1.用于生物反应器的可卷曲的片状膜结构，包括：
密封膜层，其由两个相邻设置的透气、防水片状膜构成，所述片状膜在其各自的边缘处或附近相互密封地连接在一起，所述膜层包括顶端和底端，在所述顶端和底端之间有两个面向外部的片状膜表面，其中，在所述膜层的顶端和底端之间形成有一个或多个内部空气通道；以及
支撑层，其可操作地连接至两个片状膜表面中的一个，所述支撑层包括多个细长弹性肋，所述多个弹性肋相对于所述片状膜表面在所述支撑层的顶端和底端之间以格子构造布置，以便在支撑层的顶端和底端之间构成一个或多个流体可渗透通道，
其中，所述片状膜表面被配置为在使用中将生物膜保持在水中。
2.根据权利要求1所述的片状膜结构，其中，所述密封膜层包括多个弹性支撑壁，所述弹性支撑壁在所述密封膜层内部的相邻膜之间延伸以将气流通道保持在所述空气通道内。
3.根据权利要求2所述的片状膜结构，其中，所述多个弹性支撑壁形成波纹，所述波纹在所述空气通道内形成单独的气流通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中所述片状膜表面预先浸渍有生物膜材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述片状膜表面配置有纤维结构，以增加用于生物膜生长的可用表面积。
6.根据权利要求5所述的片状膜结构，其中，所述纤维结构由聚丙烯不织布的热粘合层形成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述支撑层与所述密封膜层的片状膜表面热连接或粘合连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述多个细长弹性肋相对于所述片状膜表面呈对角格子构造布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述多个细长弹性肋布置在至少两个连续层中。
10.根据权利要求9所述的片状膜结构，其中，所述多个细长弹性肋布置在三个连续层中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述细长弹性肋中的每个被配制为4毫米至约10毫米厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，当从所述支撑层的顶端或底端观察时，所述支撑层的横向宽度约为6毫米。
13.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，
相邻的两层透气、防水片状膜通过超声波或粘合剂密封连接。
14.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述片状膜由膨体聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯材料制成。
15.根据前述权利要求中任一项所述的片状膜结构，其中，所述多个细长弹性肋由聚丙烯或聚乙烯材料制成。
16.一种用于处理废水的生物反应器，其包括用于容纳废水的槽和根据权利要求1-15任一项所述的片状膜结构的卷。
17.根据权利要求16所述的生物反应器，其特征在于，所述片状膜结构在槽中呈卷状柱布置，使得基本上所述膜结构的每个支撑层至少部分地与每个相对侧的任何相邻密封膜层接触。
18.根据权利要求16或17所述的生物反应器，其中，所述片状膜结构在槽中呈卷状柱布置，使得基本上所述膜结构的每个密封膜层至少部分地与每个相对侧的任何相邻支撑层接触。
19.一种在生物反应器中处理废水的方法，包括以下步骤：
(a)提供生物反应器槽，并在其中提供根据权利要求1至15中任一项所述的片状膜结构的卷，其中，所述片状膜结构呈卷状柱布置，所述卷的每个片状层至少部分地其相邻的片状层接触；
(b)使废水流入生物反应器槽，其中，废水流过所述片状膜结构的支撑层的流体可渗透通道；并且
(c)使含氧气体流入生物反应器槽，其中，气体流过密封膜层的内部空气通道。
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