CN207694610U - 一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置 - Google Patents
一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置，包括组件框体、平板膜组件及过滤反洗装置，组件框体为用于固定平板膜片组件和曝气机构的刚性构体，平板膜组件包括间隔设置的平板膜、与平板膜片形成一体的上堵头与下堵头，平板膜片上设置有能对膜片表面进行清洗的毛刷辊，毛刷辊两端设置在承托架头上，承托架可在组件框体上的平板膜片间作升降运动，平板膜片表面上设置有催化二氧化钛分离层，毛刷辊上方设有紫外线发生装置。本实用新型解决了模组件内架设紫外灯且可作自由自动及光催化氧化降解膜反应器大型工业化设计的难题，同时解决了平板膜组件运行中容易污堵并清洗困难、清洗效率低等问题，对膜内部和表面进行彻底清除，有效提高了平板膜生物反应器可靠性使用效率大大减少了反冲洗次数，节省反冲洗的时间，大大提高工作效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及污水处理成套设备，具体涉及定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置。
背景技术
陶瓷平板膜生物反应器作为一种新型高效污水处理技术，已成为生活污水、含油废水、工业废水和极端环境废水（屠宰和养殖废水等）处理中不可或缺的处理技术。
众所周知，废水中的有机物是引起水体富营养化和环境污染的重要物质，造成水中藻类及其他微生物大量繁殖，使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，生态系崩溃，每年我国海域发生赤潮高达几十次，有机物是污染的重要原因之一；平板陶瓷膜已成为污水处理装置核心部件，实际运用中取得了良好效果。但系统过滤运行中因为有机物和无机物吸附在膜片表面，特别是养殖废水中含磷氮高，细菌及微生物及其容易繁殖生长，且代谢物容易与金属离子相互作用在膜表面形成一层凝胶层，或细菌会在陶瓷膜表面着床并牢固粘附在膜表面上形成覆膜层，导致膜片通道堵塞通量下降甚至导致系统崩溃。过滤10~30分钟就需要进行反洗1~3分钟，且反洗水量和压力都要加大到2倍，造成设备工作效率只有60%~70%左右，设备运行费用提高，投资成本增加；并且时间长了细菌容易繁殖，进一步造成污堵，需要用药洗，进一步减少了过滤时间并降低了总过滤效率，同时成本大幅增加，污泥量大幅增长。且所有酸碱盐类和氧化剂及酶洗涤剂类均会生成其它盐类物质，部分与细菌胶体基团在膜表面形成凝胶团并带入金属离子，造成二次堆积污染，并会改变PH值，衍生出另外的环境污染问题。
实用新型内容
为了解决现有技术中平板陶瓷膜组件在应用过程中容易污堵且频繁清洗，并造成系统运行效率低下，运行费用高的问题，市场上出现了机械刷洗膜片的装置，但它只能清除无机颗粒物质，对有机物产生的软体胶体物质无法清除，另外也有使用纳米二氧化钛投入膜池并加入紫外线产生羟基自由基的试验，但因为纳米二氧化钛颗粒非常细小，容易造成膜孔堵塞并容易流失。纳米二氧化钛膜和紫外光及其他氧化剂联动耦合协同的工业大型反应器设计一直是一个大难题，且没有应用案例。
本实用新型提供了一种能在水处理过滤中随机对平板陶瓷膜片表面进行定向清洗，不需进行频繁的用空气与水及药反冲洗，就可确保平板陶瓷膜片过滤效果的定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理方法及装置。
所述定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理方法是：先在平板膜片表面上涂覆有颗粒大小为10-300nm的锐钛矿纳米催化型二氧化钛非对称分离膜，然后将平板膜片组装成水处理平板陶瓷膜组件，在平板膜片之间设置有能随机对平板膜片表面进行擦洗的旋转毛刷辊，在平板膜片之间安装有紫外线发生装置，并在反冲洗时的介质中加入臭氧和双氧水，所述纳米催化型二氧化钛非对称分离膜为纳米二氧化钛膜或掺杂二氧化钛膜及可产生光催化作用的膜，并经过高温烧制和载体牢固结合。
本实用新型所述一种能在水处理过滤中随机对平板膜片进行定向清洗，不需进行频繁的用空气与水及药反冲洗，就可确保平板膜片的过滤效果的中空平板陶瓷膜组件系统装置；为防止有机物和无机物吸附在平板陶瓷膜片表面，或细菌会在陶瓷膜表面着床并牢固粘附在膜表面上形成覆膜层，导致膜片通道堵塞通量下降的问题，如在平板陶瓷膜上使用纳米催化型二氧化钛非对称分离膜，并在膜片之间安装紫外光灯管，当在紫外光的激发下，纳米二氧化钛吸收足够高的光能后，将产生电子空穴对，在有水和氧的介质中，氧和水分子与光生电子或空穴结合产生化学性质极为活跃的超氧离子自由基（.O2-）和羟基自由基（.OH），和（H2O2）等。这样利用其强氧化能力对污水中的有机物降解并对膜片周围产生的细菌及膜表面细菌和凝胶层等难分解物质进行杀灭分解进而将各种有机物氧化为CO2和H2O等无机小分子，协同表面机械刷在膜片表面进行摩擦清洁残渣和及其他污堵的辅助装置达到彻底清洁膜片的效果。
本实用新型清除污染物后能有效保持较高膜通量，在一定周期内不需要频繁对平板膜片进行水反洗，延长了工作时间提高了设备总过滤效率。并在反洗时在介质中加入臭氧和H2O2, 便于臭氧和H2O2从内部反向对膜孔内进行分解有机物和细菌体，并且溢出膜表面的臭氧和H2O2，在紫外线的作用下也能产生羟基自由基进一步提高臭氧的利用率，以彻底清除由细菌体和有机物造成的膜内部污染。
本实用新型解决了纳米二氧化钛膜和紫外光线及其他氧化剂联动耦合协同的工业大型反应器设计大难题，且没有应用案例。
本实用新型要解决的技术问题所采取的技术方案是：所述一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置包括组件框体、平板膜组件及过滤反洗装置，所述组件框体为用于固定平板膜片组件和曝气机构的刚性构体，所述平板膜组件包括间隔设置的平板膜、与平板膜片形成一体的上堵头与下堵头，所述平板膜片上设置有能对膜片表面进行清洗的毛刷辊，所述毛刷辊两端设置在承托架头上，所述承托架可在组件框体上的平板膜片间作升降运动，所述平板膜片表面上设置有催化二氧化钛分离层，所述毛刷辊上方设有紫外线发生装置。
所述承托架在组件框体上升降运动方式包括齿轮传动、链条传动、气缸传动、液压传动和螺杆传动等，其中优选螺杆传动。
所述为提高二氧化钛膜的催化作用，在返现水或压缩空气冲洗中辅助使用臭氧进行反洗清洗以提高整个系统杀菌的处理效率。
本实用新型装置原理：在平板膜片表面涂覆均匀的纳米二氧化钛膜和或掺杂的二氧化钛膜及其它可产生光催化作用的膜。紫外线发生装置产生紫外线并激发二氧化钛进行光催化作用，使平板膜片表层周围产生羟基自由基、过氧化氢、氢氧根离子等；对膜片表面污堵的有机物和细菌进行定向分解清除，再通过设置在组件上的框架带动毛刷辊在平板膜片表面作往复的机械摩擦，对平板膜片表面刷洗。
二氧化钛膜由均匀一致的纳米颗粒构成，其颗粒大小可在10-300nm颗粒之间调整，且存在大量的微孔，其孔径大小为纳米级，也可进行调整.因此这种膜材料呈多孔性结构，将其涂附在平板陶瓷膜载体上，形成非对称结构的二氧化钛膜层，其强度高非常适合用毛刷辊在表面进行机械摩擦清洗；由于反向清洗是使用清水或洁净压缩空气，便于系统进行反洗时在介质中添加臭氧从内部反向进行分解有机物和细菌体，并溢出膜表面的臭氧在紫外线的作用下能产生羟基自由基等进一步提高臭氧的利用率和对膜孔表面有机难降解物的降解，以彻底清除由细菌体和有机物造成的膜内部污染。
本发明解决了模组件内架设紫外灯且可作自由自动的难题，及光催化氧化降解膜反应器大型工业化设计的难题，同时解决了平板膜组件运行中容易污堵并清洗困难、清洗效率低等问题，对膜内部和表面进行彻底清除，有效提高了平板膜生物反应器可靠性使用效率,提高了出水通量,大大减少了反冲洗次数，节省反冲洗的时间,增加了工作时间，大大提高工作效率。
本实用新型与现有技术相比具有以下特点：
1、本实用新型采用光催化产生稳定的强氧化的羟基自由基、过氧化氢、氢氧根离子、臭氧的协同效应，能定向对膜表面微生物细菌及有机物进行杀灭分解和快速降解，从源头上防止了膜片表面的污堵，并用辅助刷辅助进行清洁，能有效减少膜污染，大大降低的反洗次数和频率。大大提高设备的有效工作时间并大幅增加的单位时间的水通量，水通量在同等条件下增加30%以上。
2、可随机及时定向分解膜表面有机物、油污、细菌等污染物，保持膜面整洁干净，提高过滤效果和过滤效率.
3、不需频繁停机进行反冲洗，减少了反冲洗次数，增加了工作时间和提高工作效率.
4、在反向清洗用介质清水或压缩空气中添加臭氧较稳定，容易实现工业化，可辅助增强二氧化钛膜层内部污堵物质分解，并且溢出膜表面的臭氧在紫外线的作用下能产生羟基自由基进一步提高臭氧的利用率。更重要的是臭氧溢出膜表面时，由于压力释放，臭氧气体在膜表面迅速膨大，炸开同时在臭氧及羟基自由基等的协同作用下，膜片表面和膜孔靠膜面部分有物被迅速分解。
5、解决了平板膜组件运行中清洗困难、清洗效率低等问题，有效提高了平板膜生物反器的使用寿命和可靠性,提高了出水通量。
6、本实用新型传动装置和动力装置不需要置于水中，不需要采用耐腐蚀材料及防水处理。
附图说明
图1是本实用新型的主视结构示意图，
图2是本实用新型左视图结构示意图，
图3是图2的A-A局部剖视结构示意图，
图4是本实用新型的立体结构示意图。
在图中，1、升降机构 2、涡轮丝杆 3、齿轮转换器 4、涡轮减速器 5、电机 6、传动杆Ⅰ 7、传动杆Ⅱ 8、支撑架 9、毛刷辊 10、平板膜片 11、平板膜组件 12、承托架 13、上位置感应器 14、下位置感应器 15、导轨 16、轴承 17、紫外线发生装置 18、排水管 19、空压机 20、气反冲洗阀 21、过滤阀 22、变频水泵 23、清水池 24、气反冲洗管。
具体实施方式
在图1、图2、图3和图4中，所述定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置包括组件框体、平板膜组件11和过滤反洗装置，所述组件框体为用于固定平板膜组件和曝气机构的刚性构体，所述平板膜组件包括间隔设置的平板膜片10（包括有机和无机的陶瓷等平板膜片）、与平板膜片形成一体的上堵头与下堵头，组件框体上部设置支撑架8，所述支撑架安装在平板膜组件11上方，所述支撑架上设有升降机构1，升降机构分别配有涡轮丝杆2，所述升降机构转动带动涡轮丝杆2上下运中间设有齿轮转换器3，所述两台齿轮转换器之间设有电机5和涡轮减速器4，平板膜组件11两侧设有承托架12，所述涡轮丝杆底部法兰头和承托架12固定连接。动作传动：电机5通过涡轮减速器4将扭矩动力转换角度后分配到齿轮转换器3上，齿轮转换器通过传动杆Ⅱ7与涡轮丝杆相连，通过传动杆Ⅰ6与涡轮减速器相连，在分配到升降机构1上，最后使涡轮丝杆2上，使四条涡轮丝杆同步上下运动，带动承托架上下运动。视平板膜片的高度在组件框体上设置有上位置感应器13和下位置感应器14，上位置感应器和下位置感应器与承托架接触可控制承托架移动距离。所述每块平板膜片10之间均设有毛刷辊9，毛刷辊上方设有紫外线发生装置17，所述毛刷辊两端固定在承托架12上，所述毛刷尺寸大于隐蔽平板膜片缝隙尺寸，承托架12上下运动带动毛刷对平板膜片10进行固定，并固定涡轮丝杆一端；所述紫外线灯管外尺寸小于膜片缝隙尺寸，平板膜组件垂直放置时,随丝杆螺母一起上下运动分解和杀灭有机物和细菌并刷洗平板膜片; 平板膜组件水平卧式放置时,随丝杆螺母一起左右运动刷洗平板膜片;所述毛刷支架型材切面形状可以是角钢、方钢、槽钢、铝型材等金属材料或其它硬质材料组成。其分解有机物和杀菌及刷洗效率比传统压缩空气或清水反冲高30-90%,效果更明显，清洗后通量持续时间更长久,出水通量提高了50%-100%。并不需要停止工作就可进行清洗，增加了有效工作时间。刷洗频率可根据实际进行调整。所述毛刷采用材料有尼龙等各种有机材料、不锈钢丝、磨料丝等硬质毛或猪榮、羊毛等软毛。所述毛刷辊中心为2-3条不锈钢金属丝缠绕而成。以上毛刷辊采用软性材料固定毛刷，这样可以固定毛刷两头。本装置也可采用中心杆为硬材料的，比如金属和硬质塑料等做成的棒或条的形状，这样的硬刷可以只固定单侧。所述上位置感应器和下位置感应器为机械式、电子式或磁感应式等。所述紫外线灯管形可以是圆形、椭圆形、方形、长方形、扁平形等各种形状，外罩采用石英玻璃等透过率高的透明载体，并可适当增加金属保护罩以增加强度，避免玻璃破损情况。所述紫外线灯采用并联形式安装在膜片中间位置，并安装找毛刷内侧。所述紫外线灯采用直流或交流电源，接头采用防水设计。
承托架上间隔设置有用软毛或硬毛制成的长条形的毛刷辊9,利用毛刷在规则的平板膜片10表面上进行机械往复运动,对平板膜片表面进行刷洗.所述组件框体四周设有导轨15,在承托架12上设有轴承16,轴承可在导轨上运动,横梁上设置有螺母，所述组件框体中心固定设有1条丝杆,在组件顶部设有电机,电机带动丝杆进行旋转,使设在丝杆上的螺母带动承托架上下往复运动,对平板膜片两侧面进行实时清洗。及时去除了平板膜片表面污染物质。所述毛刷辊截面形状有圆形、椭圆形、腰型、方形、长方形等，所述毛刷中心为2-3条不锈钢金属丝缠绕而成。
本实用新型所述能定向自修复平板陶瓷膜组件水处理分为系统过滤和在线反洗阶段。过滤阶段排出的水经与平板膜组件相连的排水管18进入清水池23中，在线反冲洗，变频水泵22将清水池中的水经过滤阀21、空压机19、气反冲洗阀20和与平板膜组件相连的气反冲洗管24进行反冲洗，膜片表面的纳米TiO2膜或掺杂二氧化钛膜及可产生光催化作用的膜，在紫外线发生装置产生紫外线对二氧化钛进行光催化作用，使膜片表层周围产生羟基自由基、过氧化氢、氢氧根离子；杂化二氧化钛膜和其他可产生光催化作用的膜能进一步提高光催化的作用和角度。对周围的有机物进行分解并杀灭细菌体等膜片附着物。再利用毛刷和平板膜片表面的运动摩擦清除吸附在膜表面的细菌体等污染物,及时清除污染物能有效防止污染物在平板膜表面形成的污染物，本阶段时时在产生杀菌物质，能有效避免膜表面有机物和有机物污染；在线反洗阶段：反向清洗是使用清水或洁净压缩空气中加入臭氧，便于臭氧从内部反向进行分解有机物和细菌体，并溢出膜表面的臭氧在紫外线的作用下能产生羟基自由基进一步调高臭氧的利用率，以彻底清除由细菌体和有机物造成的膜内部污染。
所述毛刷尺寸大于隐蔽平板膜片缝隙尺寸，承托架12上下运动带动毛刷辊对平板膜片10进行固定，并固定涡轮丝杆一端。平板膜组件垂直放置时,随丝杆螺母一起上下运动刷洗平板膜片; 平板膜组件水平卧式放置时,随丝杆螺母一起左右运动刷洗平板膜片;所述支撑架型材切面形状可以是角钢、方钢、槽钢、铝型材等金属材料或其它硬质材料组成，其刷洗效率比传统压缩空气或清水反冲高30-90%,效果更明显，清洗后通量持续时间更长久,出水通量提高了10%-100%。并不需要停止过滤就可进行清洗，增加了有效工作时间。刷洗频率可根据实际进行调整。本装置可完全替代传统的水反冲和气反冲清洗装置。所述毛刷辊采用材料有尼龙等各种有机材料、不锈钢丝、磨料丝等硬质毛或猪榮、羊毛等软毛。所述毛刷辊用为2-3条不锈钢金属丝缠绕而成。所述毛刷辊一头带闭环圈，与清洗毛刷支架相连时只需在中心连接钢丝穿入闭环圈内就行；另一头带螺栓，与支架固定时只需安装螺母固定，并可调节毛刷松紧度确保毛刷张力绷紧。所述毛刷辊固定在方形支架上对应平板膜片中心位置依次安装；以上毛刷辊中心杆采用软性材料固定毛刷辊，这样可以固定毛刷辊两头。本装置也可采用中心杆为硬材料的，比如金属和硬质塑料等做成的棒或条的形状，这样的硬刷可以只固定单侧。所述上位置感应器和下位置感应器为机械式、电子式或磁感应式等。
所述组件框体四周设有导轨15,在承托架12上设有轴承16,轴承可在导轨上运动,横梁上设置有螺母，所述组件框体中心固定设有1条丝杆,在组件顶部设有电机,电机带动丝杆进行旋转,使设在丝杆上的螺母带动承托架上下往复运动,对平板膜片两侧面进行实时清洗。
所述紫外线灯或其他紫外线发生器产生紫外线，并对膜片表面的二氧化钛进行光催化作用产生强氧化的羟基自由基、过氧化氢、氢氧根表面上的难降解的有机物进行定向高效分解，从而降低COD等指标，达到净化水质的作用；更主要是利用羟基自由基、过氧化氢、氢氧根离子、臭氧的协同强氧化作用对膜表面和周围的细菌进行定向杀灭和分解，可有效避免或极大减少细菌及微生物代谢物金属离子相互作用在膜表面形成一层凝胶层或细菌在陶瓷膜表面着床并牢固粘附在膜表面上形成覆膜层，有效防止因为细菌体和有机物在膜片通道堵塞而造成的通量下降问题。能使膜片长久保持较大通量，从而达到膜的自行修复。
当紫外线照射到二氧化钛晶体时，半导体微粒吸收光，产生电子-空穴对，在半导体与溶液界面之间的空间电荷层的电场作用下，光生电子和空穴有效地分离并迁移到TiO2微粒表面的不同位置，光生空穴有很强的得电子能力，可夺取吸附于半导体膜表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质活化而被氧化，而电子受体则可以通过二氧化钛微粒表面的电子而被还原,水溶液中的光催化氧化还原反应就在二氧化钛微粒表面进行,吸附于二氧化钛微粒表面的水分被光生空穴氧化后,生成氧化能力和反应活性极强的氢氧自由基;另外光生电子还原水中的溶解氧,通过反应生成氧化氢自由基和过氧化氢,过氧化氢生成氢氧自由基.氢氧自由基是水中存在的氧化剂总反应活性最强的而且对作用物无选择性,对细胞的作用表现为对其DNA复制和细胞膜的代谢带来有害的影响, H2O2也有很强的杀菌作用.综合上述,产生的杀菌效果是无毒性和杀灭作用,并能够持续发挥效果。
紫外线灯管和平板膜之间的距离不能超过4厘米，否则分解膜表面上的有机物的效果急速下降。
在线反洗时在反向清洗的清水或洁净压缩空气中加入臭氧，便于臭氧从内部反向进行分解有机物和细菌体，并且溢出膜表面的臭氧在紫外线的作用下能产生羟基自由基进一步提高臭氧的利用率和分解有机物的能力和效率，以彻底清除由细菌体和有机物造成的膜内部污染。
当污染有机物在纳米二氧化钛膜表面形成一层厚膜时，遮挡了紫外光的入射，进而屏蔽了紫外光，最终破坏了二氧化钛膜和紫外光的相互作用时，机械刷可以强制刷除大部分中等平板陶瓷膜表面的有机物及无机物，露出二氧化钛膜表面，从而使二氧化钛膜和紫外光产生相互作用，进而产生羟基自由基、过氧化氢、氢氧根离子等并迅速分解有机污染物，达到定向清洗修复膜表面的功能。
Claims (4)
1.一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置，其特征是：它包括组件框体、平板膜组件（11）及过滤反洗装置，所述过滤反洗装置包括变频水泵（22），与清水池相连的过滤阀（21）、空压机（19）、气反冲洗阀（20）和与平板膜组件相连的气反冲洗管（24），所述组件框体为用于固定平板膜片组件和曝气机构的刚性构体，所述平板膜组件包括间隔设置的平板膜片（10）、与平板膜片形成一体的上堵头与下堵头，所述平板膜片上设置有能对膜片表面进行清洗的毛刷辊（9），所述毛刷辊两端设置在承托架（12）上，所述承托架可在组件框体上的平板膜片间作升降运动，所述平板膜片表面上设置有催化二氧化钛分离膜，所述毛刷辊上方设有紫外线发生装置（17）。
2.根据权利要求1所述的一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置，其特征是：所述紫外线发生装置为紫外线灯管，所述紫外线灯管外形为圆形、椭圆形、方形、长方形、扁平形。
3.根据权利要求1所述的一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置，其特征是：所述承托架（12）四个角上固定设置有升降机构（1），升降机构上段与固定在组件框体中的支撑架上的螺母相啮合，支撑架的电机通过涡轮减速器带动齿轮转向器将扭矩力传给升降机带动由四条涡轮丝杆组成了一个平台与承托架同步上下运动，通过设置在承托架上的毛刷与平板膜片表面作往复的机械摩擦，所述组件框体上分别设置有上位置感应器（13）和下位置感应器（14）。
4.根据权利要求2所述的一种定向自修复平板陶瓷膜组件的水处理装置，其特征是：紫外线灯管和平板膜片之间的距离不超过4厘米。
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