CN1363526A - 应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法及装置,涉及生物化工领域中的固液分离技术。本发明以普通多孔材料为基材加工成过滤组件,将其放入具有连续的进水、生物反应和出水的生物反应器中并使之淹没,使反应器液面高于其出水口,形成水位差。在具有膜面错流的情况下,随着过滤的进行,微生物代谢产物以及细菌本身等会在基材表面通过吸附、粘附、沉积等形成生物质层,这层生物质层具备类似于固定膜的过滤能力,故称为动态膜过滤。本发明可以选择孔径较大的普通材料为基材,较之于一般人工合成的微孔滤膜便宜很多,因此可以降低成本。另外,合理控制运行条件可以使动态膜过滤的阻力很小,同时可以达到较好的固液分离效果,出水中的悬浮固体浓度接近于零。
Description
技术领域
本发明属于生物化工领域中的固液分离技术，特别涉及对生物反应器的混合液进行过滤的方法和装置。
背景技术
悬浮生长式的生物反应器在污水处理、发酵、生物化工等领域都有广泛的应用，这些生物反应器通常必须与一定的固液分离操作相结合。通过一定的固液分离操作对参加反应的混合液进行固液分离，一方面使以微生物为主的固体物质截留在反应器内，保持反应器内有足够的微生物浓度；另一方面获得比较澄清的出水，使出水中不含或含很少固体悬浮物。传统上与生物反应器相结合的固液分离方法以重力沉降为主，受多种因素影响，往往难以获得良好的分离效果。对此，目前最主要的革新是采用膜过滤方法进行所需的固液分离操作。由于所用的各种膜材料的筛分孔径通常小于1微米，因此生物混合液通过膜的过滤后滤液中几乎不含固体颗粒物。鉴于此，膜过滤的方法在诸如污水处理、发酵、生物化工等领域已经得到应用，并有广阔的应用前景。国内外应用膜材料对生物反应器混合液进行过滤的专利文献很多，如“抽吸内置式膜生物反应器(专利号97228698.5)”，该专利应用的膜为一种有机材料的中空纤维膜。日本专利“Filtration membrane module for effluent treatment involvingbiological processing e.g.solid-liquid separation of bio-reaction liquid，has fluidflow space between cross directional grooves and housing internal surface”(专利号JP2001162140-A)公开的是一种针对生物反应混合液进行过滤的膜组件。目前，用于上述过滤目的的膜均为人工合成的微滤膜或超滤膜，这些滤膜的特点是通过特殊的加工工艺在滤膜表面形成很细小的孔，孔的直径一般在1微米以下，可以让被过滤物料选择性地通过，大于膜孔径的颗粒被截留在膜的上游侧，水和小于孔径的颗粒则通过膜孔进入膜的下游侧成为滤液。由于膜孔径很小，所以固液分离的效果较好，可以使滤液中几乎没有固体颗粒存在。根据不同的分类方式可以将现有的滤膜分为有机材料膜和无机材料膜，或者中空纤维膜、平板膜、管式膜等等。在这类膜材料中，具有高效筛分能力的膜层是预先加工好的，在投入过滤操作之前就具备所需的选择透过能力，此种膜可简称为固定膜。由于各种固定膜需要通过特殊的成膜工艺加工制造，导致固定膜的制造成本比较高，从而限制了膜分离工艺的广泛应用，特别是在附加产值不高的领域，如污水处理中的应用。应用固定膜过滤的缺点还有：一是固定膜的过滤阻力较大，一般需要通过机械方式进行加压过滤或抽吸过滤；二是通常需要通过化学的清洗方法才能去除膜污染，清洗过程复杂且不能完全恢复膜的通透性。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法及装置，所用过滤材料可使用普通的过滤材料，并且可以在很小的水位差下进行过滤，实现自流出水；膜污染控制也比较容易，从而降低过滤环节投资和运行的成本。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，该分法包括如下步骤：
(A)选用具有一定筛分孔径的多孔材料为基材，加工成以该材料为过滤面并具有一定过滤面积及出水口的动态膜过滤组件；
(B)将上述动态膜过滤组件放入具有连续的进水、生物反应和出水的生物反应器之中，并使之完全淹没。将过滤组件的出水口与反应器的出水口相连通，使反应器内的液面高于反应器的出水口，形成的水位差在20cm以下；
(C)通过一定方式在生物反应器中产生具有一定速度的膜面错流，在水位差的驱动下，混合液选择性透过过滤面，由动态膜过滤组件的出水口再经反应器的出水口流出反应器，将初期滤液返回生物反应器或弃去；
(D)随着过滤的不断进行，微生物代谢产物和微生物等在动态膜基材表面逐渐形成生物质层，当出水中悬浮固体浓度逐步降低并接近为零时，即可进行正常的过滤出水；
(E)当出现动态膜污染时，利用加大膜面错流速度的方式清除膜面污染；
(F)在清除膜面污染后，重复上述步骤(C)和(D)。
采用如权利要求1所述方法的一种动态膜过滤装置，包括带有进水口和出水口的生物反应器，其特征在于在生物反应器内的液面下设有至少一个动态膜过滤组件单元，该动态膜过滤组件单元包括由多孔过滤基材形成的过滤面、密封空腔及出水口，所述动态膜过滤组件单元的出水口与生物反应器的出水口相连通。
本发明提出了应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，其原理在于：生物反应的混合液进行反应的主体是细菌等微生物，这些微生物在代谢过程中会产生各种有机产物，其中包括一些大分子的有机物质；当混合液透过具有一定孔径的多孔材料，如筛网时，这些有机的代谢产物以及细菌本身会在材料的表面通过吸附、粘附、沉积等形成生物质层；在一定的条件下形成的这层生物质层具备类似于固定膜的过滤能力；由于这一具有类似于滤膜过滤能力的生物质层并不是基材固有的，而是在使用过程中动态地形成的，因此本专利称为动态膜。基于上述原理，本发明可以选择孔径较大的多孔材料作为基材加工过滤装置。当进行过滤的时候，基材上即逐步形成可以截留远小于1微米的固体颗粒，使后来的滤液中几乎不含固体颗粒，从而达到较为理想的固液分离效果。由于市场上有很多普通的多孔材料适合做动态膜的基材，较之于应用特殊工艺加工的微孔滤膜材料便宜很多，因此可以降低过滤装置的成本。另外，合理控制运行条件可以使动态膜的过滤阻力很小，且基材本身因有较大的孔径，过滤阻力也很小，使得应用动态膜过滤的总阻力可以很小。
应用本发明对生物反应器的混合液进行过滤，可以达到以下效果：一是构成动态膜过滤组件过滤面的材料可以是普通的网材，与固定膜材料相比价格低廉，因此可以降低过滤环节的投资成本。二是与固定膜过滤相比，过滤阻力非常小，因此可以在数毫米～数厘米的液位差下进行过滤，并且稳定运行时动态膜的通量可以不低于一般固定膜的通量范围。清除动态膜污染的方法简单，并且通透性恢复完全。三是可以达到较好的固液分离效果，出水中的悬浮固体浓度接近于零。另外本发明对混合液上清液中的溶解性大分子物质也有一定的去除作用。
附图说明
图1为本发明的动态膜过滤组件单元的结构示意图。
图2为图1的A向局部剖视图。
图3为本发明采用的一种动态膜过滤组件装置结构示意图。
图4为采用多个过滤组件单元组成的动态膜过滤组件示意图。
具体实施方式
本发明所使用的动态膜基材1可以是金属网、尼龙网、无纺布等多孔材料。选用较大孔径的动态膜基材可以提高过滤时的通量但过滤精度稍差，若选用较小孔径的动态膜基材可以提高过滤精度，但过滤的通量稍低。其筛分孔径一般为0.1～0.5毫米为宜。将动态膜基材1与框架2一起加工成动态膜过滤组件单元7，动态膜过滤组件单元包括由基材形成的有一定过滤面积的过滤面、由基材与框架形成的密封空腔4以及连接空腔内外的出水口3。密封腔可以是方形、圆形或其他形状。其过滤面积应按照生物反应器的水力负荷及过滤通量进行计算，动态膜过滤组件的最大过滤通量一般为50L/m2h。根据需要，可以将多个动态膜过滤组件单元集成为动态膜过滤组件(如图4所示)，相邻动态膜过滤组件单元的过滤面之间的最小距离应大于1厘米。
本发明的动态膜过滤方法适合在有膜面错流的连续过滤作业中使用，过滤时的膜面错流速度为0.05～0.1m/s。进行过滤时，将所需面积的动态膜过滤组件装置放置在有连续进水和出水口的生物反应器3之中，生物反应器内装有进行生物反应的混合液，混合液完全淹没过滤组件，并要求反应器内的液面高于反应器的出水口形成水位差H，在生物反应器液面与反应器出口形成的水位差的作用下自流出水。该水位差一般在20cm以下，最好在5cm以下。连接过滤组件的出水口6与反应器的出水口5。在水位差的驱动下，混合液选择性透过过滤面进入密封空腔再经由动态膜过滤组件的出水口流出密封空腔，由反应器的出水口流出反应器。随着过滤进程，微生物代谢产物和微生物等在动态膜基材表面逐渐形成生物质层，同时出水中的悬浮固体物浓度逐步降低，当出水中悬浮固体浓度接近为零时，即可认为动态膜已经形成，将开始过滤到动态膜形成的这段时间称为动态膜形成过程。将动态膜形成过程中的滤液返回生物反应器3中或弃去，即可进行正常的过滤出水。
长时间连续运行的动态膜可能会产生膜面污染现象，当出现膜面污染时H有明显上升，当H增加到5～20厘米时，最好控制在5～10厘米范围，须采取措施清除膜面污染。清除膜面污染的措施一般采用高于正常过滤时的膜面错流速度来进行，即膜面错流的速度为0.2～0.4m/s；清除膜面污染的时间为10秒～10分钟为宜。在清除膜面污染后，再重复前面的有关操作步骤。
实施例1：应用本发明的动态膜过滤方法对处理城市污水的活性污泥法的混合液进行过滤。在本实施例中，生物反应器的主要运行参数：混合液悬浮污泥浓度为7000～8000mg/L，水力停留时间3.5小时，污泥停留时间43～47天，反应器内溶解氧的浓度为2～3mg/L。生物反应器的进水为城市污水，主要的水质指标：COD浓度为200mg/L～400mg/L，NH3-N的浓度为40～60mg/L。过滤时生物反应器连续进水，并在反应器内通过曝气的方法产生平行于动态膜过滤面的低速膜面错流I，I的速度为0.02m/s。
选取0.1毫米筛分孔径的绢网作为动态膜基材与框架材料一起加工成动态膜组件，如图1和图2所示。图中1为0.1毫米的绢网构成的过滤面，2为辅助材料构成的框架，3为动态膜过滤组件的出水口，4为封闭空腔。将图1所说的动态膜过滤组件7按图3所示放置在活性污泥法生物反应器的液面以下。本实施例中选用了动态膜过滤组件包含多个单元，单元中的动态膜过滤组件按过滤面互相平行的方式布置在反应器的液面以下，见图4。动态膜过滤组件的出水口3与生物反应器的出水口6相连接。在进行过滤时，生物反应器内的液面与反应器的出水口之间保持水位差H，如图3所示。在水位差H的驱动下，生物混合液透过动态膜过滤组件的过滤面形成滤液进入动态膜组件的空腔4，再通过出水口3流出反应器的出水口6。当用新的动态膜过滤组件，或用过滤面经过清洗的动态膜过滤组件进行过滤时，将开始过滤后半小时内的出水返回生物反应器。实际运行的效果：出水的悬浮固体浓度小于5mg/L，动态膜对混合液上清液中溶解性大分子物质也有去除作用，以COD计，平均去除率为28.74％。在本实施例中，设定当H大于5cm后即通过曝气产生高速膜面错流II，II的速度为0.2m/s，持续3分钟时间对动态膜面进行清洗。当动态膜通量设定为15L/m2h时，正常运行中H＝3～5毫米，两次清洗间的时间间隔平均为5天。当膜通量设定为50L/m2h时，正常运行中H＝2.5～3.5cm，两次清洗的时间间隔平均为20小时。
实施例2：采用0.5毫米的尼龙网加工的动态膜过滤组件，应用本发明的动态膜过滤方法对处理城市污水的活性污泥法的混合液进行过滤。生物反应器的运行参数以及进水的水质与实施例一相同。实施方法与实施例一相同。实施效果：出水的悬浮固体浓度小于10mg/L，对溶解性大分子的去除效果以化学耗氧量COD计，平均为10.78％。在本实施例中，设定当H大于100mm后即通过曝气产生高速膜面错流，错流的速度为0.2m/s，持续1分钟时间对动态膜面进行清洗。当动态膜通量设定为25L/m2h时，正常运行中H＝3～5毫米，两次清洗间的时间间隔平均为3天。当膜通量设定为50L/m2h时，正常运行中H＝2.0～3.5cm，两次清洗的时间间隔平均为35小时。
Claims (6)
1、一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(A)选用具有一定筛分孔径的多孔材料为基材，加工成以该材料为过滤面并具有一定过滤面积及出水口的动态膜过滤组件；
(B)将上述动态膜过滤组件放入具有连续的进水、生物反应和出水的生物反应器之中，并使之完全淹没将过滤组件的出水口与反应器的出水口相连通，使反应器内的液面高于该出水口，形成的水位差在20cm以下；
(C)通过一定方式在生物反应器中产生膜面错流，在水位差的驱动下，混合液选择性透过过滤面，由动态膜过滤组件的出水口再经反应器的出水口流出反应器，将初期滤液返回生物反应器或弃去；
(D)随着过滤的不断进行，微生物代谢产物和微生物等在动态膜基材表面逐渐形成生物质层，当出水中悬浮固体浓度逐步降低并接近为零时，即可进行正常的过滤出水；
(E)当出现动态膜污染时，利用加大膜面错流速度的方式清除膜面污染；
(F)在清除膜面污染后，重复上述步骤(C)和(D)。
2、按照权利要求1所述的一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，其特征在于在生物反应器液面与反应器出口形成的水位差的作用下自流出水。
3、按照权利要求1或2所述的一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，其特征在于正常过滤时的膜面错流速度为0.05～0.1m/s，清除膜面污染时的膜面错流速度为0.2～0.4m/s。
4、按照权利要求1所述的一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法，其特征在于可选用0.1～0.5毫米筛分孔径的金属网、尼龙网、涤纶网或无纺布作为过滤基材。
5、采用如权利要求1所述方法的一种动态膜过滤装置，包括带有进水口和出水口的生物反应器，其特征在于在生物反应器内的液面下设有至少一个动态膜过滤组件单元，该动态膜过滤组件单元包括由多孔过滤基材形成的过滤面、密封空腔及出水口，所述动态膜过滤组件单元的出水口与生物反应器的出水口相连通。
6、按照权利要求5所述的一种动态膜过滤装置，其特征在于相邻动态膜过滤组件单元的过滤面之间的最小距离应大于1厘米。
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