CN116768353A - 一种景观式复合自曝气生物膜反应器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种景观式复合自曝气生物膜反应器及其制作方法，反应器，包括曝气机、多组曝气生物膜组件、曝气支管、浮岛板，所述曝气机通过曝气主管连接曝气支管；曝气生物膜组件包括多根中空的膜丝和管式膜组件上固定件、管式膜组件下固定件，膜丝上部固定于管式膜组件上固定件上并连通，膜丝下部固定于管式膜组件下固定件上并连通；本发明的中空纤维膜丝以极高的氧利用效率向水体无泡供氧，快速提高水体溶解氧含量，并提升本地微生物数量及其降解有机污染物的速率，在结合水生植物脱氮除磷的作用，可在景观式复合自曝气生物膜反应器内部及周边形成健康稳定的微生态系统，使得反应器在快速去除水体有机污染物的同时，长效提升水体自净能力。
Description
技术领域
本发明涉及污染治理技术领域，更具体地说是一种景观式复合自曝气生物膜反应器及其制作方法。
背景技术
在人口密集、工业化程度较高城市建成区，河湖水体往往同时承担着防洪、排涝、区域气候微调、提供景观、娱乐生态等多重功能。然而，水体及周边资源的过度开发，导致了大量耗氧污染物进入城市水体，导致水体富营养化、藻类爆发、水体黑臭等一系列水环境问题，甚至破坏水生生态系统的平衡和稳定。可见，选择适宜的技术对城市河湖水体进行复氧，提高水中溶解氧浓度，保证水体的好氧环境，是修复受损水生态系统、恢复水体自净能力的前提和基础。
然而，现有水体曝气复氧技术往往存在能耗大、氧利用效率低、易堵塞、在浅水河流中使用时易将底泥搅起等弊端。此外，单纯曝气复氧功能单一，若想真正达到减少或最终消除水环境污染，改善城市河道水质，还须营造适宜水体中好氧微生物生长和繁殖的条件，并投加大量具有净化能力的微生物菌剂。而将高效微生物直接投加到水体中，又存在菌种易流失、菌体密度降低、环境条件差、易被本地微生物淘汰等不足，使得投加微生物制剂仅能在短期内取得良好的效果，成本较高、不够经济。
针对上述问题，膜曝气生物膜技术应运而生。该技术将中空纤维膜材料敷设于河湖中，将膜丝同时用作曝气装置与生物膜附着生长载体。一方面，空气以溶解扩散的形式或者极其微小的气泡形式进入水体，因此可以获得很高的氧利用率。另一方面，由于膜丝具有较大的比表面积，且液相中不存在气泡扰动等外部作用，有益微生物可在膜丝表面形成快速稳定、结构致密的生物膜，达到快速去除水中耗氧污染物的目的。这些优势使得膜曝气生物膜技术在河道湖库水体污染治理与水生态修复等领域已展现出良好的技术应用优势。
然而，膜曝气生物膜技术目前还存在一定不足，主要体现在：
(1)由于膜曝气生物膜技术产生的氧气气泡较小，对水体扰动低，在应用于缓流水体治理时，易导致溶解氧分布不均匀，无法起到水体全面补氧复氧的作用。
(2)水体中细小颗粒物、生物膜代谢引发的胞外聚合物释放等易沉积在膜丝表面或内部，导致较为严重的膜污染，进而影响该技术的补氧能力，增加能耗。
(3)由于膜周边溶解氧含量较高，难以形成厌氧环境，因此该技术对硝态氮的去除效能有限，无法达到较高的总氮去除效率。
(4)由于该技术采用的膜丝一般为疏水性质的中空纤维微孔膜或硅橡胶致密膜，亲水性较差，加上其紧密的大分子链结构，不利于微生物附着，导致挂膜周期长、生物膜易脱落。
发明内容
可见，研发一种具有持续稳定的亲水性能、抗污染能力强的膜曝气生物膜制作工艺，并基于该技术研发一种可整体提升水体中的氧气含量、并具有较为彻底脱氮功能的新型膜曝气生物膜装置，将进一步拓展膜曝气生物膜技术在城市河湖生态修复中的应用，为城市污染河流水污染控制提供经济、节能、高效、同时又符合生态环保要求的工艺方法，对我国改善城市河湖生态环境、恢复城市河湖生态系统功能具有一定的参考、示范和推广意义。
本发明技术方案如下：
一种景观式复合自曝气生物膜反应器，包括曝气机、多组曝气生物膜组件、曝气支管、浮岛板，所述曝气机通过曝气主管连接曝气支管；曝气生物膜组件包括多根中空的膜丝和管式膜组件上固定件、管式膜组件下固定件，膜丝上部固定于管式膜组件上固定件上并连通，膜丝下部固定于管式膜组件下固定件上并连通；所述曝气支管上部分连通有多个管式膜组件上固定件，下部分连通有多个管式膜组件下固定件；所述曝气支管固定安装于浮岛板底部。所述膜丝侧面有多孔结构。
所述浮岛板上安装有多个种植盆，所述种植盆内种植有浮岛植物。
所述曝气主管上安装有压力表。
所述曝气支管与曝气主管间安装有压力调节阀，所述曝气支管末端安装有泄压阀。
所述在曝气支管后部分末端须加装压力平衡装置和止回阀，压力平衡装置用以保证压力平衡装置后的气路与水压一致，止回阀用以阻止冷凝水倒流。
一种景观式复合自曝气生物膜反应器制作方法，包括以下步骤：
(1)底膜预处理
底膜可选择市售聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚四氟乙烯等材质的中空纤维膜丝，分别用丙酮或无水乙醇等有机溶剂，以及去离子水洗涤20-60min，去除膜丝上残留的污染物后，室温下干燥24h；
(2)等离子体表面活化
将干燥后的底膜放入等离子体处理装置的真空室内，保持膜丝与射频电极距离在5-20cm；
在室温条件下，通过真空泵调节真空室的压力在2-40Pa；通入氩气、氧气、氢气或二氧化碳中的一种，调节针阀控制上述气体流量在10-300cm3/min，稳定后启动射频功率源，对底膜进行等离子体预处理，处理功率为10-50W，处理时间为10-210s；
(3)接枝聚合
配置浓度为10-50g/L聚乙二醇/乙醇溶液或5％-70％丙烯酸水溶液，或10-100g/L的二者的缩合物溶液，将等离子体表面活化后的膜丝浸泡10-300min；
(4)等离子体改性
浸泡后的膜丝在室温下充分干燥后，重新转移至离子体处理装置的真空室内；选择步骤(1)相同控制条件和气体种类，继续对对膜丝进行等离子体处理，处理时间为60-720s；
(5)清洗膜丝
分别用甲醇、乙醇、次氯酸钠和蒸馏水中的一种或几种对膜丝进行超声清洗。将清洗后的膜丝浸泡在37℃恒温的磷酸盐缓冲液内24h后，将膜丝取出，室温下晾干，获得超亲水改性膜丝；
(6)装配曝气生物膜组件
将若干改性后的超亲水的膜丝两端用膜组件封头封堵，并固定在管式膜组件固定件上，并在曝气生物膜组件两端分别预留进气口及尾气排放口，为避免气流产生短流，进气口及尾气排放口分别位于膜组件两端的左右两侧。
(7)装配自曝气生物膜系统
将曝气生物膜组件进气口并联，与曝气支管相接，并在曝气主管上加装压力调节阀，用以控制进气压力小于所制备的改性中空纤维膜丝的泡点压力，曝气主管一端封堵，另一端与曝气机连接；类似的，将多片膜组件的尾气排放口与曝气支管后部分相接，用于排放曝气生物膜组件氧气扩散过程中产生的冷凝水及未被完全利用的空气；
(8)构建景观式复合自曝气生物膜反应器
将浮岛板在陆上拼合成所需形状后，将组合好的自曝气生物膜系统固定于浮岛板下方，并在种植孔内装入植物，移到需要净化的水域内并对浮岛板加以固定。
本发明的技术效果和优点：
(1)本发明所制备的中空纤维膜丝以极高的氧利用效率向水体无泡供氧，快速提高水体溶解氧含量，并提升本地微生物数量及其降解有机污染物的速率，膜丝超亲水的特性则使得微生物在膜表面快速富集，进而形成高效稳定的生物膜系统，在结合水生植物脱氮除磷的作用，可在景观式复合自曝气生物膜反应器内部及周边形成健康稳定的微生态系统，使得反应器在快速去除水体有机污染物的同时，长效提升水体自净能力。本发明所提供的改性方法增加了膜丝表面粗糙程度，可显著促进膜丝表面生物膜的附着能力。
(2)本发明所提供的改性方法可有效增加膜丝的比表面积，从而增加生物膜上微生物的附着密度，提高污染物降解效能，耐高负荷冲击能力更强。
(3)说明本发明所提供的改性方法可有效降低膜丝的膜孔径，因而可显著增加膜临界通量及抗污染能力。
(4)本发明所提供的改性方法可有效增强膜丝的机械性能，即使在、在天然水体较为复杂的水流冲击条件下，膜丝也能具有较长的使用寿命。
(5)本发明所提供的改性方法可显著增强膜丝的亲水性，一方面使得微生物更容易附着在膜丝表面，挂膜速度更快；另一方面有助于保持膜丝对生物膜的强吸附作用，膜丝上所形成生物膜更加稳定，从而可有效防止表面附着的微生物膜因水流或泥沙冲击而脱落。
(6)本发明中的超亲水中空纤维膜可有效降低结垢和污堵的发生，膜污染程度显著减轻。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图。
具体实施方式
下面将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。
实施列1
一种景观式复合自曝气生物膜反应器，包括曝气机1、多组曝气生物膜组件2、曝气支管3、浮岛板4，所述曝气机1通过曝气主管5连接曝气支管3；曝气生物膜组件包括多根中空的膜丝21和管式膜组件上固定件22、管式膜组件下固定件23，膜丝上部固定于管式膜组件上固定件上并连通，膜丝下部固定于管式膜组件下固定件上并连通；所述曝气支管上部分连通有多个管式膜组件上固定件，下部分连通有多个管式膜组件下固定件；所述曝气支管通过安装座7固定安装于浮岛板底部。
优选的，所述浮岛板4上安装有多个种植盆41，所述种植盆内种植有浮岛植物42。
优选的，所述曝气主管5上安装有压力表8。
优选的，所述曝气支管与曝气主管间安装有压力调节阀9，所述曝气支管末端安装有泄压阀6。
优选的，所述在曝气支管后部分末端须加装压力平衡装置和止回阀，压力平衡装置用以保证压力平衡装置后的气路与水压一致，止回阀用以阻止冷凝水倒流。
实施例2：
选取内径为200μm的市售聚丙烯膜用乙醇和去离子水清洗掉膜丝上残留的污染物并干燥，将膜丝放入等离子体处理装置的真空室内，保持膜丝与射频电极距离为10cm，通过真空泵调节真空室的压力小于5Pa，通入300cm3/min的氢气，稳定后启动射频功率源，调整处理功率为15W，对底膜进行等离子体预处理90s。随后将膜丝转入20g/L聚乙二醇/乙醇溶液中浸泡3min，在室温下充分干燥后，重新转移至离子体处理装置的真空室内。选择相同控制条件和气体种类，再次对膜丝进行等离子体处理，处理时间为300s。依次用甲醇、次氯酸钠和去离子水中对改性膜丝进行超声清洗。将清洗后的膜丝浸泡在37℃恒温的磷酸盐缓冲液内24h后，室温下晾干，获得超亲水改性膜丝。
经计算，本实施例所得到的超亲水改性膜丝接枝率可达到6.22％以上，从而使
(1)膜丝表面粗糙程度从14.29nm增加到了26.52nm，说明本发明所提供的改性方法可显著促进细胞在膜丝表面的附着和生长。
(2)界面面积比从8.28％增加到了10.85％，说明本发明所提供的改性方法可有效增加膜表面微生物的附着密度，提高污染物降解效能，耐高负荷冲击能力更强。
(3)膜孔径从100nm降低到73nm，说明本发明所提供的改性方法可显著增加膜临界通量及抗污染能力。
(4)拉伸强度提升了9.65％，断裂伸长率增加了14.37％，说明本发明所提供的改性方法可有效增强膜丝的机械性能，即使在、在天然水体较为复杂的水流冲击条件下，膜丝也能具有较长的使用寿命。
(5)改性前后水接触角则从110°降低到了72°，说明本发明所提供的改性方法可显著增强膜丝的亲水性，一方面使得微生物更容易附着在膜丝表面，挂膜速度更快；另一方面有助于保持膜丝对生物膜的强吸附作用，膜丝上所形成生物膜更加稳定，从而可有效防止表面附着的微生物膜因水流或泥沙冲击而脱落。
(6)本发明的改性方法可在膜上形成大量亲水性基团，这些基团与水分子形成氢键在膜表面形成含水层，从而减弱污染物与膜表面之间的疏水作用。可见，本发明中的超亲水中空纤维膜可有效降低结垢和污堵的发生，膜污染程度显著减轻。
(7)连续恒压曝气实验结果显示，本发明的改性方法尽管降低了膜孔径，但未对膜丝的透氧量产生显著影响，改性前后膜丝的氧传递性能分别为2534.4和2430.2g/(m2·d)。
实施例3：
本实施例的基本内容同实施例2，不同之处在于选取的底膜为内径200μm的市售PVDF底膜，通入的气体改为氧气，第一次氧气离子体预处理时间调整为30s，聚乙二醇/乙醇溶液浓度调整为25g/L，第二次氧气离子体预处理时间调整为150s。
经计算，本实施例所得到的超亲水改性膜丝接枝率可达到9.41％以上，从而使
(1)膜丝表面粗糙程度从64.25nm增加到了111.05nm，说明本发明所提供的改性方法可显著促进细胞在膜丝表面的附着和生长。
(2)界面面积比从6.02％增加到了12.91％，说明本发明所提供的改性方法可有效增加膜表面微生物的附着密度，提高污染物降解效能，耐高负荷冲击能力更强。
(3)膜孔径从73.8nm降低到56.5nm，说明本发明所提供的改性方法可显著增加膜临界通量及抗污染能力。
(4)改性后拉伸强度从2.45MPa降低到2.28MPa，降幅仅为6.94％，说明因O2等离子体处理导致的强度损失较低，该方法增强了膜丝的综合性能的同时，也有效保持了PVDF膜丝的机械性能。
(5)改性前后水接触角则从130°降低到了63°，说明本发明所提供的改性方法可显著增强膜丝的亲水性，一方面使得微生物更容易附着在膜丝表面，挂膜速度更快；另一方面有助于保持膜丝对生物膜的强吸附作用，膜丝上所形成生物膜更加稳定，从而可有效防止表面附着的微生物膜因水流或泥沙冲击而脱落。
(6)本发明的改性方法可在膜上形成大量亲水性基团，这些基团与水分子形成氢键在膜表面形成含水层，从而减弱污染物与膜表面之间的疏水作用。可见，本发明中的超亲水中空纤维膜可有效降低结垢和污堵的发生，膜污染程度显著减轻。
(7)连续恒压曝气实验结果显示，因O2等离子体处理导致了PVDF表面部分损伤，膜丝的透氧量有一定提高，改性前后膜丝的氧传递性能分别为1303.6和1375.5g/(m2·d)。
实施例4
将实施例2或3所制成的膜丝组装成曝气生物膜组件，固定在生态浮床下方，将多组膜组件的进气口用钢制的曝气支管连接后，接入同为钢管的主曝气管上，曝气主管一端封堵，另一端与置于岸基的曝气机连接。将生态浮床放入拟净化水体中，加以固定。开启曝气机，本发明所制备的中空纤维膜以极高的氧利用效率向水体扩散供氧，快速提高水体溶解氧含量，膜丝超亲水的特性则使得微生物在膜表面快速富集，进而形成高效稳定的生物膜系统，与生态浮床内种植的水生植物共同作用，可在景观式复合自曝气生物膜反应器内部及周边形成健康稳定的微生态系统，快速去除水体有机污染物的同时，长效提升水体自净能力。
实施列5
曝气生物膜组件
将若干改性后的超亲水的膜丝21两端用膜组件封头封堵，并固定在管式膜组件固定件上，膜丝侧面的多孔与管式膜组件固定件连通，并在曝气生物膜组件两端分别预留进气口a及尾气排放口b，为避免气流产生短流，进气口及尾气排放口分别位于曝气生物膜组件两端的左右两侧。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种景观式复合自曝气生物膜反应器，其特征在于：包括曝气机、多组曝气生物膜组件、曝气支管、浮岛板，所述曝气机通过曝气主管连接曝气支管；曝气生物膜组件包括多根中空的膜丝和管式膜组件上固定件、管式膜组件下固定件，膜丝上部固定于管式膜组件上固定件上并连通，膜丝下部固定于管式膜组件下固定件上并连通；所述曝气支管上部分连通有多个管式膜组件上固定件，下部分连通有多个管式膜组件下固定件；所述曝气支管固定安装于浮岛板底部；所述膜丝侧面有多孔结构。
2.根据权利要求1所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器，其特征在于：所述浮岛板上安装有多个种植盆，所述种植盆内种植有浮岛植物。
3.根据权利要求1所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器，其特征在于：所述曝气主管上安装有压力表。
4.根据权利要求1所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器，其特征在于：所述曝气支管与曝气主管间安装有压力调节阀，所述曝气支管末端安装有泄压阀。
5.根据权利要求1所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器，其特征在于：曝气支管后部分末端须加装压力平衡装置和止回阀，压力平衡装置用以保证压力平衡装置后的气路与水压一致，止回阀用以阻止冷凝水倒流。
6.一种景观式复合自曝气生物膜反应器制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)底膜预处理
底膜可选择市售聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚四氟乙烯等材质的中空纤维膜丝，分别用丙酮或无水乙醇等有机溶剂，以及去离子水洗涤20-60min，去除膜丝上残留的污染物后，室温下干燥24h；
(2)等离子体表面活化
将干燥后的底膜放入等离子体处理装置的真空室内，保持膜丝与射频电极距离在5-20cm；
在室温条件下，通过真空泵调节真空室的压力在2-40Pa；通入氩气、氧气、氢气或二氧化碳中的一种，调节针阀控制上述气体流量在10-300cm3/min，稳定后启动射频功率源，对底膜进行等离子体预处理，处理功率为10-50W，处理时间为10-210s；
(3)接枝聚合
配置浓度为10-50g/L聚乙二醇/乙醇溶液或5％-70％丙烯酸水溶液，或10-100g/L的二者的缩合物溶液，将等离子体表面活化后的膜丝浸泡10-300min；
(4)等离子体改性
浸泡后的膜丝在室温下充分干燥后，重新转移至离子体处理装置的真空室内；选择步骤(1)相同控制条件和气体种类，继续对对膜丝进行等离子体处理，处理时间为60-720s；
(5)清洗膜丝
分别用甲醇、乙醇、次氯酸钠和蒸馏水中的一种或几种对膜丝进行超声清洗。将清洗后的膜丝浸泡在37℃恒温的磷酸盐缓冲液内24h后，将膜丝取出，室温下晾干，获得超亲水改性膜丝；
(6)装配曝气生物膜组件
将若干改性后的超亲水的膜丝两端用膜组件封头封堵，并固定在管式膜组件固定件上，并在曝气生物膜组件两端分别预留进气口及尾气排放口，为避免气流产生短流，进气口及尾气排放口分别位于曝气生物膜组件两端的左右两侧。
(7)装配自曝气生物膜系统
将曝气生物膜组件进气口并联，与曝气支管上部分相接，并在曝气主管上加装压力调节阀，用以控制进气压力小于所制备的改性中空纤维膜丝的泡点压力，曝气主管一端封堵，另一端与曝气机连接；类似的，将多片曝气生物膜组件的尾气排放口与曝气支管下部分相接，用于排放曝气生物膜组件氧气扩散过程中产生的冷凝水及未被完全利用的空气；
(8)构建景观式复合自曝气生物膜反应器
将浮岛板在陆上拼合成所需形状后，将组合好的自曝气生物膜系统固定于浮岛板下方，并在种植孔内装入植物，移到需要净化的水域内并对浮岛板加以固定。
7.根据权利要求6所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器制作方法，其特征在于：选取内径为200μm的市售聚丙烯膜用乙醇和去离子水清洗掉膜丝上残留的污染物并干燥，将膜丝放入等离子体处理装置的真空室内，保持膜丝与射频电极距离为10cm，通过真空泵调节真空室的压力小于5Pa，通入300cm3/min的氢气，稳定后启动射频功率源，调整处理功率为15W，对底膜进行等离子体预处理90s；随后将膜丝转入20g/L聚乙二醇/乙醇溶液中浸泡3min，在室温下充分干燥后，重新转移至离子体处理装置的真空室内。选择相同控制条件和气体种类，再次对膜丝进行等离子体处理，处理时间为300s。依次用甲醇、次氯酸钠和去离子水中对改性膜丝进行超声清洗。将清洗后的膜丝浸泡在37℃恒温的磷酸盐缓冲液内24h后，室温下晾干，获得超亲水改性膜丝；经计算，本法所得到的超亲水改性膜丝接枝率可达到6.22％以上。
8.根据权利要求6所述的一种景观式复合自曝气生物膜反应器制作方法，其特征在于：选取内径200μm的市售PVDF底膜，用乙醇和去离子水清洗掉膜丝上残留的污染物并干燥，将膜丝放入等离子体处理装置的真空室内，保持膜丝与射频电极距离为10cm，通过真空泵调节真空室的压力小于5Pa，通入300cm3/min的氧气，稳定后启动射频功率源，调整处理功率为15W，对底膜进行等离子体预处理30s；随后将膜丝转入25g/L聚乙二醇/乙醇溶液中浸泡3min，在室温下充分干燥后，重新转移至离子体处理装置的真空室内。选择相同控制条件和气体种类，再次对膜丝进行等离子体处理，处理时间为150s。依次用甲醇、次氯酸钠和去离子水中对改性膜丝进行超声清洗。将清洗后的膜丝浸泡在37℃恒温的磷酸盐缓冲液内24h后，室温下晾干，获得超亲水改性膜丝；经计算，本法所得到的超亲水改性膜丝接枝率可达到9.41％以上。
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