專利名稱：砂基板式膜-生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膜生物反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
膜生物反應(yīng)器由生物反應(yīng)池單元和膜分離單元組成，其特點(diǎn)是處理水質(zhì)好、處理水適宜回用；占地面積小，環(huán)境適應(yīng)性高；自動(dòng)化程度高，容易運(yùn)行管理。其應(yīng)用的規(guī)模不斷發(fā)展，萬噸級和幾十萬噸級的市政污水處理工程已經(jīng)出現(xiàn)，其應(yīng)用數(shù)量也越來越大，數(shù)以千級的膜生物反應(yīng)器工程在世界許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用。公知的膜生物反應(yīng)器有一體和分體兩種，其膜單元的形式有浸沒式和外置錯(cuò)流式，膜單元采用的膜材料分為有機(jī)膜和無機(jī)膜。公知的膜生物反應(yīng)器大多采用的是有機(jī)膜。有機(jī)膜強(qiáng)度差，使用壽命短，是當(dāng)今阻礙膜生物反應(yīng)器大規(guī)模和普及應(yīng)用的一個(gè)重要限制性因素和重大技術(shù)難題。有機(jī)膜大多為石油化工材料或塑料制成的膜。有機(jī)膜存在膜強(qiáng)度不高，膜組件會發(fā)生破裂，特別是中空纖維膜容易出現(xiàn)膜絲斷裂。目前市售有機(jī)膜的壽命據(jù)各生產(chǎn)廠商的技術(shù)參數(shù)，最短為1-3 年，最長6-10年。(高大林。頗爾各種膜技術(shù)的比較。清華大學(xué)膜法水處理技術(shù)研討會， 2005 228 ；The purification company (Norit). X-Iow recycling ofwastewater, Tsing Hua university, China international symposium onmembrane technologies for water and wastewater treatment，2005 :195 ；鄭祥等。膜生物反應(yīng)器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。給水排 7jC,28 (3) ,2002 :105-108)膜的斷裂，使處理水質(zhì)變差，達(dá)到一定程度時(shí)，必須進(jìn)行膜更換。膜的換膜工程量和一次性費(fèi)用很大，工程停運(yùn)，對于大規(guī)模的膜生物反應(yīng)器工程，換膜產(chǎn)生的問題就更為嚴(yán)重。由于有機(jī)膜主要以石油化工產(chǎn)品為原料，每次膜更換等于在消耗大量寶貴不可再生石油資源，這在石油資源日益短缺的條件下問題將日顯嚴(yán)重。不僅如此，換掉的廢舊膜組件又成為難以處理的有機(jī)工業(yè)廢棄物，給環(huán)境造成二次污染和新的負(fù)擔(dān)。即使有機(jī)膜材料不是意外的損壞，這種有機(jī)膜生物反應(yīng)器正常地、周期地膜更換產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題也將是巨大的，隨著膜生物反應(yīng)器在大規(guī)模市政污水處理工程中應(yīng)用的發(fā)展，這一問題將更顯突出和嚴(yán)重。公知的無機(jī)膜主要有金屬膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜、分子篩膜等。無機(jī)膜具有有機(jī)聚合物分離膜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐有機(jī)溶劑；機(jī)械強(qiáng)度大，壽命長；可以反沖洗；抗微生物的能力強(qiáng)，不與微生物發(fā)生作用；耐高溫；孔徑分布窄分離效率高。但目前商品化的無機(jī)膜主要是陶瓷膜。但是陶瓷膜制造工藝復(fù)雜、加工難度大，價(jià)格昂貴，因此，陶瓷膜分離技術(shù)主要在高附加值的工業(yè)項(xiàng)目中應(yīng)用。如奶業(yè)和飲料(葡萄酒、啤酒、蘋果酒)業(yè)，食品工業(yè)、生物工程、化學(xué)工業(yè)、石油化工、冶金工業(yè)等領(lǐng)域，成為苛刻條件下精密過濾分離的重要新技術(shù)。陶瓷膜在環(huán)境工程中的應(yīng)用，存在造價(jià)高，運(yùn)行費(fèi)用較高的問題。所以，在環(huán)境工程中應(yīng)用主要是油水分離、對某些化工原料回收等。陶瓷膜在膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用仍局限在實(shí)驗(yàn)室研究階段。陶瓷膜在環(huán)境工程中應(yīng)用受到限制的主要原因是處理成本過高、運(yùn)行能耗及運(yùn)行費(fèi)用高等。(《中國化工報(bào)》2002. 9.10文/刑衛(wèi)紅；時(shí)鈞，袁權(quán)，高從堦等。膜科學(xué)技術(shù)手冊[M]。北京化學(xué)工業(yè)出版社，2001 :114-116; 邢傳紅。超濾膜生物反應(yīng)器處理生活污水及其水力學(xué)研究。環(huán)境科學(xué)，1997，18 (5) :19 21;張永明等。雙功能陶瓷膜生物反應(yīng)器處理廢水的研究。http://www. chinafa. net/ web/class/46 4. html, 2006, 2,15 ；膜科學(xué)技術(shù)研究所。氣升式陶瓷膜生物反應(yīng)器的研究。 http://mst. niut. edu. cn/chinese/mst/peiyang. html, 2006，2，15 ；鄭祥等。膜生物反應(yīng)器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。給水排水，28 (3)，2002 =105-108)由分析可知，采用常規(guī)有機(jī)膜生物反應(yīng)器，由于常規(guī)有機(jī)膜的強(qiáng)度差，更換周期短，存在著影響處理水質(zhì)和水處理系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運(yùn)行、膜更換頻繁、造成較大資源浪費(fèi)和新的污染，嚴(yán)重影響著膜生物反應(yīng)器技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展等問題。現(xiàn)有無機(jī)膜雖然強(qiáng)度較高，卻又因?yàn)槠湓靸r(jià)和水處理成本高限制了其在環(huán)境工程和膜生物反應(yīng)器中的廣泛應(yīng)用。中國專利申請?zhí)?00610008198. 3公開了一種用兩塊鑄砂膜板組成的鑄砂膜組件。但該專利申請文件所描述的鑄砂膜組件結(jié)構(gòu)，當(dāng)水壓稍大時(shí)，極容易損壞該鑄砂膜組件，因此不能應(yīng)用于大規(guī)模污水處理工程上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器，以期能解決和克服公知膜生物反應(yīng)器采用有機(jī)膜壽命較短和采用無機(jī)陶瓷膜造價(jià)及運(yùn)行能耗高和運(yùn)行費(fèi)用高的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，主要構(gòu)成為由隔墻相隔形成的膜濾池與生物反應(yīng)池，隔墻頂部淹沒在生物反應(yīng)池或膜濾池的池水液面；隔墻底部開設(shè)有通孔；膜濾池和生物反應(yīng)池之間的隔墻上安有η形循環(huán)管，該η形循環(huán)管主體安裝在生物反應(yīng)池一側(cè)，η形循環(huán)管的底部彎管密閉安裝在隔墻底部的開孔內(nèi)，η形循環(huán)管底部彎頭開口于膜濾池中，η形循環(huán)管頂部管口與膜生物反應(yīng)器最高液面平齊；膜濾池內(nèi)安裝有豎直排列的砂基板式膜組件；生物反應(yīng)池內(nèi)裝有生物鼓氣管；砂基板式膜組件的下方裝有膜鼓氣管；生物鼓氣管通過生物鼓氣流量計(jì)與氣泵連接；膜鼓氣管通過膜鼓氣流量計(jì)與氣泵連接；砂基板式膜組件通過出水管與抽吸泵和流量計(jì)連接；砂基板式膜組件由砂基板式膜元件、膜支架、集水管、連接管和出水管組成；其中砂基板式膜元件為擠壓鑄塑成型，中間設(shè)有多根中空導(dǎo)流管；砂基板式膜元件具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部內(nèi)部均設(shè)有相互連通的中空導(dǎo)流總管；在第一端部或第二端部的一側(cè)安裝有水嘴；
砂基板式膜元件外表面涂覆有一層有機(jī)多孔膜材料。所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中隔墻頂部淹沒在生物反應(yīng)池或膜濾池的池水液面至10_35cm深度處。所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中η形循環(huán)管豎管的長度為1-5米。所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中生物鼓氣管和膜鼓氣管為穿孔管或微孔曝氣元件，其水下安裝深度相同。所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中膜濾池在停止鼓氣的條件下，其靜水位同生物反應(yīng)池的靜水位平齊。所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中有機(jī)多孔膜材料為聚偏氟乙烯材料。本發(fā)明在公知的透水磚技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過覆涂有機(jī)膜材料得到一種長壽命的膜元件-砂基板式膜元件，將該種膜元件組成砂基板式膜組件，并使用這種砂基板式膜組件構(gòu)成一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)砂基板式膜元件是在膜基材上覆涂親水性聚偏氟乙烯(PVDF)有機(jī)膜材料；由于覆涂得有機(jī)膜材料不承擔(dān)基材所要承擔(dān)的支撐作用，所以膜層薄，既節(jié)省有機(jī)膜材料，又減小透水阻力。2)同時(shí)由于制成的砂基板式膜元件為板式膜，在工作時(shí)砂基板式膜元件處在固定和靜止?fàn)顟B(tài)，并且采用支架進(jìn)行了固定，經(jīng)受的交變應(yīng)力較小，不易因疲勞強(qiáng)度問題產(chǎn)生疲勞破壞。而公知的外壓式有機(jī)中空纖維膜在抖動(dòng)狀態(tài)下工作，有機(jī)膜材料難以避免因疲勞強(qiáng)度不足而在較短運(yùn)行時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生疲勞破壞。由于以上原因，砂基板式膜元件具有高透水率，高強(qiáng)度，長壽命的特點(diǎn)。3)由于η形循環(huán)管可以完全放置在生物池內(nèi)不占膜池空間利于減小膜池空間，從而減小膜清洗時(shí)耗水和耗化學(xué)清洗劑量；η形循環(huán)管無需閥門和閥門井，減低了設(shè)備和材料消耗，減少了建設(shè)費(fèi)用，工程投資??；水力循環(huán)無需循環(huán)泵，減少了設(shè)備費(fèi)用；循環(huán)無需額外電能，運(yùn)行能耗較低；無循環(huán)泵，不存在因葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)損傷膜生物反應(yīng)器微生物問題；循環(huán)管僅為一根通透管，不容易堵塞，循環(huán)水量大、安全性高。


圖1是本發(fā)明的砂基板式膜-生物反應(yīng)器的示意圖。圖2是本發(fā)明的砂基板式膜組件及砂基板式膜元件的示意圖。圖3(a)是圖2中砂基板式膜元件的示意圖。圖3(b)是圖3(a)的俯視圖。圖3 (c)是圖3(a)的側(cè)視圖。附圖中主要組件標(biāo)號說明1原水，2生物反應(yīng)池，3膜濾池，4生物鼓氣流量計(jì)，5生物鼓氣管，6膜鼓氣流量計(jì)，7膜鼓氣管，8η形循環(huán)管，9砂基板式膜組件，10抽吸泵，11隔墻，12凈化水流量計(jì)，13氣泵，14砂基板式膜元件，15膜支架，16集水管，17連接管，18出水管，19中空導(dǎo)流管，20第一端部，21第二端部，22,23中空導(dǎo)流總管，24水嘴，25親水性聚偏氟乙烯(PVDF)有機(jī)膜材料。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的砂基膜生物反應(yīng)器，其主要包括有生物反應(yīng)池2、膜濾池3、生物鼓氣流量計(jì)4、生物鼓氣管5、膜鼓氣流量計(jì)6、膜鼓氣管7、η形循環(huán)管8、砂基板式膜組件9、抽吸泵10、隔墻11、凈化水流量計(jì)12、氣泵13、砂基板式膜元件14、膜支架15 (參見圖1)。具體構(gòu)成是膜濾池3與生物反應(yīng)池2由隔墻11相隔，隔墻11頂部淹沒在生物反應(yīng)池2或膜濾池3池水液面至10-35cm深度處，隔墻11底部開孔；在膜濾池和生物反應(yīng)池之間的隔墻11上安有η形循環(huán)管8 ；η形循環(huán)管8主體安裝在生物反應(yīng)池2 —側(cè)，η形循環(huán)管8的底部彎管密閉安裝在隔墻11底部的開孔之內(nèi)，η形循環(huán)管8底部彎頭開口于膜濾池 2中，η形循環(huán)管8頂部管口與膜生物反應(yīng)器最高液面平齊；在膜濾池3內(nèi)安裝有豎直排列的砂基板式膜組件9 ；在生物反應(yīng)池內(nèi)裝有生物鼓氣管5，膜濾池內(nèi)，在砂基板式膜組件9的下方裝有膜鼓氣管7 ；生物鼓氣管5通過生物鼓氣流量計(jì)4與氣泵13連接，膜鼓氣管7通過膜鼓氣流量計(jì)6與氣泵13連接；在鼓氣的作用下，膜濾池3底部的混合液向上升沖刷砂基板式膜組件9后，躍過隔墻11頂部回流至生物反應(yīng)池2，形成生物反應(yīng)池2和膜濾池3之間的水力循環(huán)；凈化水經(jīng)過砂基板式膜組件9過濾，經(jīng)過出水管18由抽吸泵10抽吸，經(jīng)凈化水流量計(jì)12計(jì)量后送出。如圖2、圖3 (a)、圖3(b)和圖3(c)所示，砂基板式膜組件9主要由砂基板式膜元件14、膜支架15、集水管16、多根連接管17和出水管18組成。砂基板式膜元件14無需燒結(jié)，而是通過擠壓鑄塑成型，其形狀為中間有多根中空導(dǎo)流管19 ；砂基板式膜元件14有第一端部20和第二端部21 ；第一端部20內(nèi)部有一根第一中空導(dǎo)流管22，第一端部20上安裝有水嘴M與第一中空導(dǎo)流管22連通；第二端部21內(nèi)部有一根第二中空導(dǎo)流管23 ；砂基板式膜元件14是在砂基板的外表面采用公知技術(shù)涂覆有一層以PVDF為材料的有機(jī)多孔膜材料25。本發(fā)明的砂基板是購自北京仁創(chuàng)科技集團(tuán)有限公司，根據(jù)該公司的產(chǎn)品介紹，該砂基板式膜的基材是沙漠中的風(fēng)積砂，為天然砂質(zhì)材料。通過改變水表面張力改善透水磚透水性能，采用高頻微振擠壓成型，免燒結(jié)，可塑性強(qiáng)。該公司的網(wǎng)址為http://www. rechsand. com/Product, asp ？ type ep = 4&typeid = 15砂基板式膜組件9的構(gòu)成是膜連接管17將每一塊砂基板式膜元件14與集水管 16和出水管18連接；砂基膜組件9在膜濾池3中安裝時(shí)，自水面起向下布設(shè)，即砂基膜組件9的上框邊緣剛好淹沒在隔墻11水面之下0至25cm水層中，膜組件的下邊緣視膜組件長度浸沒入自水面至3. 5米水深范圍內(nèi)的水層中。η形循環(huán)管的構(gòu)成是兩根豎管在上部由一個(gè)三通和一個(gè)彎頭經(jīng)一根橫短管連接，在下部由一個(gè)彎頭和橫短管連接，開口于膜濾池3底部；η形循環(huán)管8上無閥門；本發(fā)明優(yōu)選的η形循環(huán)管8豎管的長度為1-5米(參見圖1)。生物鼓氣管5和膜鼓氣管7為穿孔管或微孔曝氣元件，其水下安裝深度相同。膜濾池3在停止鼓氣的條件下，其靜水位同生物反應(yīng)池2的靜水位平齊。本發(fā)明的砂基板式膜-生物反應(yīng)器在實(shí)際使用時(shí)，經(jīng)預(yù)處理過的污水1進(jìn)入生物反應(yīng)池2，生物反應(yīng)池2內(nèi)有活性污泥混合液?？諝庥煽諝獗?3經(jīng)生物鼓氣流量計(jì)4通入生物反應(yīng)池2的生物鼓氣管5，對活性污泥混合液鼓氣，使其混合均勻和充氧后，進(jìn)入經(jīng)η形循環(huán)管8進(jìn)入膜濾池3 ；同時(shí)，對砂基板式膜組件9進(jìn)行沖洗的空氣，由氣泵13經(jīng)膜鼓氣流量計(jì)6、膜鼓氣管7接入膜濾池3 ；膜鼓氣管7鼓氣除了起到對膜清洗的作用外，主要有給混合液充氧、氣提混合液由膜池頂部回到生物反應(yīng)池2，再由η形循環(huán)管8底部彎頭返回膜濾池3形成兩池的水力循環(huán)。凈化水通過砂基板式膜組件9通過抽吸泵10的抽吸作用，經(jīng)凈化水流量計(jì)12出水回用或排放。舉一實(shí)施例以說明本發(fā)明的效果。處理用水為居民區(qū)的生活污水，水質(zhì)指標(biāo)為COD 66. 7-265. 3mg/L, B0D5 42-82mg/L, NH4+-N 37. 3-84. 5mg/L,處理水量為200L/h。系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)月，水處理效率一直較高，且出水水質(zhì)穩(wěn)定，出水COD、B0D5和NH4+-N的平均值分別為22. 70mg/L、3. 52mg/L 和4. 28mg/L,出水水質(zhì)與《城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920-2002) 主要項(xiàng)目比較，可以看出系統(tǒng)處理生活污水的中試結(jié)果完全達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)要求，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本發(fā)明解決和克服了公知膜生物反應(yīng)器采用有機(jī)膜壽命較短和采用無機(jī)陶瓷膜造價(jià)及運(yùn)行能耗高和運(yùn)行費(fèi)用高的問題。使得膜生物反應(yīng)器的膜材料充分利用天然廉價(jià)和環(huán)境友好的材料，大大延長膜生物反應(yīng)器的壽命，突破公知有機(jī)膜生物反應(yīng)器使用壽命最長5-10年的瓶頸限制，使膜生物反應(yīng)器成為一種更加實(shí)用，宜于普及和大規(guī)模應(yīng)用的水處理、污水處理和污水再生回用技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器，主要構(gòu)成為由隔墻相隔形成的膜濾池與生物反應(yīng)池，隔墻頂部淹沒在生物反應(yīng)池或膜濾池的池水液面；隔墻底部開設(shè)有通孔；膜濾池和生物反應(yīng)池之間的隔墻上安有η形循環(huán)管，該η形循環(huán)管主體安裝在生物反應(yīng)池一側(cè)，η形循環(huán)管的底部彎管密閉安裝在隔墻底部的開孔內(nèi)，η形循環(huán)管底部彎頭開口于膜濾池中，η形循環(huán)管頂部管口與膜生物反應(yīng)器最高液面平齊； 膜濾池內(nèi)安裝有豎直排列的砂基板式膜組件； 生物反應(yīng)池內(nèi)裝有生物鼓氣管； 砂基板式膜組件的下方裝有膜鼓氣管； 生物鼓氣管通過生物鼓氣流量計(jì)與氣泵連接； 膜鼓氣管通過膜鼓氣流量計(jì)與氣泵連接； 砂基板式膜組件通過出水管與抽吸泵和流量計(jì)連接；砂基板式膜組件由至少一個(gè)砂基板式膜元件、膜支架、集水管、連接管和出水管組成； 其中砂基板式膜元件為擠壓鑄塑成型，中間設(shè)有多根中空導(dǎo)流管； 砂基板式膜元件具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部內(nèi)部均設(shè)有相互連通的中空導(dǎo)流總管；在第一端部或第二端部的一側(cè)安裝有水嘴； 砂基板式膜元件外表面涂覆有一層有機(jī)多孔膜材料。
2.如權(quán)利要求1所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中，隔墻頂部淹沒在生物反應(yīng)池或膜濾池的池水液面至10-35cm深度處。
3.如權(quán)利要求1所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中，η形循環(huán)管豎管的長度為1-5米。
4.如權(quán)利要求1所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中，生物鼓氣管和膜鼓氣管為穿孔管或微孔曝氣元件，其水下安裝深度相同。
5.如權(quán)利要求1所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中，膜濾池在停止鼓氣的條件下， 其靜水位同生物反應(yīng)池的靜水位平齊。
6.如權(quán)利要求1所述的砂基板式膜-生物反應(yīng)器，其中，有機(jī)多孔膜材料為聚偏氟乙烯材料。
全文摘要
一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器主要由生物反應(yīng)池、膜濾池、生物鼓氣流量計(jì)、生物鼓氣管、膜鼓氣流量計(jì)、膜鼓氣管、n形循環(huán)管、砂基板式膜組件、抽吸泵、隔墻、凈化水流量計(jì)、氣泵、砂基板式膜元件和膜支架組成。本發(fā)明在公知的透水磚技術(shù)基礎(chǔ)上，通過覆涂有機(jī)膜材料得到一種長壽命的膜元件-砂基板式膜元件，將該種膜元件組成砂基板式膜組件，并使用這種砂基板式膜組件構(gòu)成一種砂基板式膜-生物反應(yīng)器。本發(fā)明解決和克服了公知膜生物反應(yīng)器采用有機(jī)膜壽命較短和采用無機(jī)陶瓷膜造價(jià)及運(yùn)行能耗高和運(yùn)行費(fèi)用高的問題。使膜生物反應(yīng)器成為一種更加實(shí)用，宜于普及和大規(guī)模應(yīng)用的水處理、污水處理和污水再生回用技術(shù)。
文檔編號C02F3/10GK102249405SQ20101018343
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者徐云, 徐國良, 樊耀波, 秦升益 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心