CN112358049B - 以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器及其处理废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及膜生物反应器技术领域，具体涉及一种以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器及其处理废水的方法。所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，包括反应器本体和真空发生器；反应器本体包括辅助格网、二氧化碳气体分离膜、波浪形隔层和封边卡具，波浪形隔层两侧分别设置一层二氧化碳气体分离膜和一层辅助格网，辅助格网、二氧化碳气体分离膜、波浪形隔层四周安装封边卡具；封边卡具上设置有出气孔，出气孔位于两层二氧化碳气体分离膜之间，与真空发生器相连。本发明的膜生物反应器降低了生物膜层的二氧化碳含量，使生物膜中的好氧层厚度显著增加，有机物分解能力大幅增长，整个废水处理系统结构更紧凑，运行成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及膜生物反应器技术领域，具体涉及一种以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器及其处理废水的方法。
背景技术
废水处理系统中，生物膜法是好氧生物处理的常用方法。通常是在滤料表面培养好氧微生物和兼性微生物层，随着附着厚度的逐渐增加，底层的氧含量逐渐减少，好氧生物受到抑制，由厌氧微生物和兼性微生物在底层形成厌氧层这种分层的生物膜结构，其中厌氧层厚度可达到3mm左右，好氧层厚度可达到2mm。有机物的降解主要在好氧层内进行，降解产物水随水流排走，产出的二氧化碳氧和厌氧层主要产物二氧化硫，氨，甲烷等气态产物则从水层溢出进入大气。由于降解主要在好氧层内进行，所以好氧层越厚反应越充分，降解量越大，有机物的分解速率就越快。但是生物膜厚度越大，水中的氧越难接触到内层，且分解的二氧化碳饱含量高，底层氧含量越少，使得生物膜内环境有利于厌氧细菌的繁殖生存，厌氧层厚度增加，厌氧产物同样随之增多。厌氧产物的不断逸出，在通过好氧层的过程中，会破坏好氧层的生态平衡并且减弱了生物膜在滤料上的附着力，导致生物膜老化从滤料上脱落，丧失了降解功能，生物膜就必须重新开始附着培养，这就大大降低了生物膜的工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，通过中空和微负压条件，使分解产物反向排出，降低生物膜层的二氧化碳含量，增加氧气含量，使生物膜中的好氧层厚度显著增加，厌氧层缩减，分解能力大幅增长，并且生物膜层寿命大大延长，使整个废水处理系统结构更紧凑，运行成本更低；本发明还提供其处理废水的方法。
本发明所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，包括反应器本体和真空发生器；反应器本体包括辅助格网、二氧化碳气体分离膜、波浪形隔层和封边卡具，所述波浪形隔层两侧分别设置一层二氧化碳气体分离膜和一层辅助格网，所述辅助格网、二氧化碳气体分离膜、波浪形隔层四周安装封边卡具；所述封边卡具上设置有出气孔，出气孔位于两层二氧化碳气体分离膜之间，与真空发生器相连。
真空发生器与曝气风机相连，并连接有混合气出气管。
辅助格网为34mil塑料格网。该格网为水处理膜领域常用的进水流道塑料格网，其作用是增加微生物附着面积和附着力，编织的格网的菱形内水流冲击小，且其自身的流道特性不会产生湍流，有利于微生物的附着，不被流动水层冲掉。
波浪形隔层的高度为50mil；材质为PET工程塑料。
二氧化碳气体分离膜，是一种具有特定透过性的高分子材料，具有选择性的将二氧化碳从膜体透过，而其他气体分子和水分子被截留在分离膜外侧。采用市售二氧化碳气体分离膜，主要生产厂家有美国Air Products公司，法国Air Liquide公司，日本UBE公司，中恒新材料科技有限公司。
本发明的膜生物反应器适用于生活污水、高有机废水，常见工业废水等废水的处理。
本发明所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器处理废水的方法，步骤如下：
采用二氧化碳气体分离膜作为膜生物反应器的基材滤料，将两层二氧化碳气体分离膜做成封闭式膜袋，膜袋中加波浪形隔层骨架，膜袋内部通过出气孔与真空发生器连接，在二氧化碳气体分离膜表面安装辅助格网，并用封边卡具固定密封；
在处理废水时，用曝气风机产生的气流作为真空发生器的驱动力，使膜袋内形成微负压(-4～-5kPa)，好氧层生物降解产生的二氧化碳透过二氧化碳气体分离膜从出气孔排出，使膜生物反应器表面的生物膜层一直处于好氧环境，抑制厌氧层的产生，增加好氧层的厚度，对废水中的有机物进行降解。
采用本发明的膜生物反应器处理废水时，在膜表面培养成熟的生物膜层平均总厚度可达到6mm以上。根据表面取样后微生物种群测定，厌氧微生物仅在膜表面不大于1mm的厚度范围内大量繁殖，即厌氧层厚度小于1mm，好氧层厚度达到近5mm，是常规生物膜好氧层厚度的2倍。虽然由于膜厚度增加是有机物与微生物不能完全成倍数接触降解，但根据试验结果分解速率依然能够达到传统方式的1.5倍左右。分解速率的成倍增长，可以使原处理系统的整体处理量大幅增加，而新建系统时，可以大幅缩小反应池的建筑面积。由于真空发生器使用曝气风机作为驱动，曝气风机是废水处理中的必要配置，所以不需要单独增加动力装置，不产生额外费用，不增加运行成本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明针对目前常规生物膜法中好氧层厚度小、分解效率低和生物层易脱落的问题，设计了以二氧化碳气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，通过中空和微负压条件，使分解产物反向排出，降低生物膜层的二氧化碳含量，增加氧气含量，并且增加表面附着辅助网，使生物膜中的好氧层厚度显著增加，厌氧层缩减，分解能力大幅增长，并且生物膜层寿命大大延长，使整个废水处理系统结构更紧凑，运行成本更低。
附图说明
图1是本发明以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器的截面结构示意图；
图2是本发明以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器的平面结构示意图；
图3是生物膜中氧气含量与厌氧活细菌数量关系图；
图4是对比例1普通生物滤池滤料上的生物膜结构示意图；
图5是本发明的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器的生物膜结构示意图；
图中，1、封边卡具；2、辅助格网；3、二氧化碳气体分离膜；4、波浪形隔层；5、反应器本体；6、出气孔；7、曝气风机；8、真空发生器；9、混合气出气管；10、滤料；11、厌氧层；12、好氧层、13、流动水层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1-2所示，本发明的一种以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，包括反应器本体5和真空发生器8；反应器本体5包括辅助格网2、二氧化碳气体分离膜3、波浪形隔层4和封边卡具1，所述波浪形隔层4两侧分别设置一层二氧化碳气体分离膜3和一层辅助格网2，所述辅助格网2、二氧化碳气体分离膜3、波浪形隔层4四周安装封边卡具1；所述封边卡具1上设置有出气孔6，出气孔6位于两层二氧化碳气体分离膜3之间，与真空发生器8相连。真空发生器8与曝气风机7相连，并连接有混合气出气管9。辅助格网2为34mil塑料格网。波浪形隔层4的高度为50mil，材质为PET工程塑料。二氧化碳气体分离膜3生产厂家为中恒新材料科技有限公司，是一种具有特定透过性的高分子材料，具有选择性的将二氧化碳从膜体透过，而其他气体分子和水分子被截留在分离膜外侧。
将上述以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器用于废水处理时，方法如下：
采用二氧化碳气体分离膜3作为膜生物反应器的基材滤料，将两层二氧化碳气体分离膜3做成封闭式膜袋，膜袋中加波浪形隔层4骨架，膜袋内部通过出气孔6与真空发生器8连接，在二氧化碳气体分离膜3表面安装辅助格网2，并用封边卡具1固定密封；
如图5所示，在处理废水时，用曝气风机7产生的气流作为真空发生器8的驱动力，使膜袋内形成微负压-4～-5kPa，好氧层12生物降解产生的二氧化碳透过二氧化碳气体分离膜3从出气孔6排出，使膜生物反应器表面的生物膜层一直处于好氧环境，抑制厌氧层11的产生，增加好氧层12的厚度，对废水中的有机物进行降解。
对比例1
普通生物滤池：为砖石构筑的矩形水池，在水池底部用碎石、卵石或炉渣等滤料，铺成厚度为1.5～2米的滤床，生物膜生长在这些滤料上。
如图3-4所示，在普通生物滤池处理废水的过程中，随着滤料10表面微生物附着厚度的逐渐增加，底层的氧含量逐渐减少，好氧微生物受到抑制，由厌氧微生物和兼性微生物在底层形成厌氧层11这种分层的生物膜结构，其中厌氧层11厚度大于好氧层12厚度，有机物的降解主要在好氧层12内进行，降解产物水随水流排走，产出的二氧化碳和厌氧层主要产物二氧化硫，氨，甲烷等气态产物则从流动水层13溢出进入大气。
对比例2
常规生物转盘：由固定在一根轴上的许多间距很小的圆盘组成，圆盘有一半浸没在废水池内，在电机带动下圆盘在水槽内缓慢转动，生物膜生长附着在圆盘表面。
将实施例1的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器、对比例1的普通生物滤池、对比例2的生物转盘这三套系统用于模拟废水处理。处理环境为用反渗透二级产水统一配比成BOD含量为1000mg/L的有机废水，并在其中投入同种菌落样块。在实验周期内，按规定时间同时测量三套系统内的BOD含量。并在实验结束时对三套装置的生物膜好氧层厚度进行多点测量。三套系统运行不同时间的BOD含量数据如表1所示。三套系统运行结束后，对生物膜好氧层厚度进行多点测量，测量结果如表2所示。
表1实施例1和对比例1-2的系统运行不同时间的BOD含量
表2实施例1和对比例1-2系统运行结束后生物膜好氧层厚度测量结果
| 点位1 | 点位2 | 点位3 | 点位4 | 点位5 | 点位6 | 点位7 | |
| 对比例1 | 1.5 | 2.1 | 2.0 | 1.9 | 1.8 | 2.1 | 2.0 |
| 对比例2 | 1.6 | 2.0 | 2.1 | 2.3 | 2.1 | 2.2 | 2.1 |
| 实施例1 | 3.2 | 4.8 | 5.1 | 4.9 | 5.0 | 4.9 | 3.6 |
从表1可以看出，当在生物膜未稳定成型之前，三套系统的分解速率相当。在经过一定时间培养后，各自生物膜成型，本发明的新型膜生物反应器的分解速率明显高于其他两套系统，达到1.5倍左右。从表2可以看出，本发明的新型膜生物反应器的好氧生物膜层厚度达到其他两种传统方法的2倍以上，是反应速率提高的根本原因。
此外，通过长期观察记录，在生物转盘上的生物膜在生长完成3-4天后，初始生物膜层开始逐渐脱落，新的生物膜层开始生长；本发明生物膜在10-12天后初始生物膜层开始脱落，新的生物膜层开始生长。可以看出，本发明的生物膜层在滤料上的附着力更强，更有利于生物反应的稳定发生，缩短生物膜的重新培养生成时间，分解效率更高。
Claims (4)
1.一种以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，其特征在于：包括反应器本体(5)和真空发生器(8)；反应器本体(5)包括辅助格网(2)、二氧化碳气体分离膜(3)、波浪形隔层(4)和封边卡具(1)，所述波浪形隔层(4)两侧分别设置一层二氧化碳气体分离膜(3)和一层辅助格网(2)，所述辅助格网(2)、二氧化碳气体分离膜(3)、波浪形隔层(4)四周安装封边卡具(1)；所述封边卡具(1)上设置有出气孔(6)，出气孔(6)位于两层二氧化碳气体分离膜(3)之间，与真空发生器(8)相连；
所述以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器处理废水的方法，如下：
采用二氧化碳气体分离膜(3)作为膜生物反应器的基材滤料，将两层二氧化碳气体分离膜(3)做成封闭式膜袋，膜袋中加波浪形隔层(4)骨架，膜袋内部通过出气孔(6)与真空发生器(8)连接，在二氧化碳气体分离膜(3)表面安装辅助格网(2)，并用封边卡具(1)固定密封；
在处理废水时，用曝气风机(7)产生的气流作为真空发生器(8)的驱动力，使膜袋内形成微负压，好氧层(12)生物降解产生的二氧化碳透过二氧化碳气体分离膜(3)从出气孔(6)排出，使膜生物反应器表面的生物膜层一直处于好氧环境，抑制厌氧层(11)的产生，增加好氧层(12)的厚度，对废水中的有机物进行降解；
两层二氧化碳气体分离膜(3)形成的封闭式膜袋内的微负压为-4～-5kPa。
2.根据权利要求1所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，其特征在于：真空发生器(8)与曝气风机(7)相连，并连接有混合气出气管(9)。
3.根据权利要求1所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，其特征在于：辅助格网(2)为34mil塑料格网。
4.根据权利要求1所述的以特种气体分离膜为基材滤料的膜生物反应器，其特征在于：波浪形隔层(4)的高度为50mil；材质为PET工程塑料。
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- 2020-11-10 CN CN202011246031.7A patent/CN112358049B/zh active Active
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