CN105036296B - 一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器。微通道湍流促进器以一定的间距和排列方式放置在浸没式平板膜生物反应器中，通过曝气器产生的气体和其携带的液体组成混合流体，在膜与微通道湍流促进器之间的通道中上升，来产生节涌流；微通道湍流促进器增加膜表面的湍流程度，在膜表面进一步产生剪切力，降低边界层厚度，缓减浓差极化。污水通过微通道湍流促进器时，污泥颗粒由吸附、架桥等作用在微通道内被截留，不易造成膜孔堵塞；微通道湍流促进器上所布大量的微孔可使悬浮液颗粒在膜表面沉积后，形成抗压缩性更好、孔隙率更高的滤饼层，促进沉积在膜表面滤饼层的脱落，降低滤饼层的积累速度，改善膜通量且相应地缓减膜污染。

Description

一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器

技术领域

本发明涉及一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器。

背景技术

膜生物反应器是一种新型、高效的污水处理技术，鉴于其具有传统处理工艺所无法比拟的诸多优点(如：出水水质好、污泥浓度高、可承受的有机负荷高、占地少、污泥产量低、易于实现自动控制、操作管理方便等)，近年来备受学者和水处理从业人员的大力推崇和关注。尤其是浸没式膜生物反应器，它的结构更加紧凑、操作压力更小、能耗更低，是现在膜生物反应器研究和应用的焦点。与管式膜、卷式膜、帘式膜和束式膜相比，平板膜由于其通量高、抗污染能力强和水力学条件易于控制的优点，在国外的膜生物反应器领域中得到了较好的研究和应用，而我国的平板膜生物反应器的研究还处于起步阶段。

此外，和其它膜工艺一样，膜污染和浓差极化依然是制约膜生物反应器应用范围和程度的主要因素。特别是浸没式膜生物反应器是在内环气升式生物反应器基础上改进的一种高效的生物处理与膜处理相结合的反应器，但其有明显的缺陷，如膜污染严重、水通量下降快、需定期清洗等，严重影响了浸没式膜生物反应器在工程中的推广与普及，也制约了其处理能力的进一步提高。所以开发一种减缓浸没式膜生物反应器膜污染的技术是非常重要的。

赵宗艾等人采用管式陶瓷膜中附加湍流促进器的不稳定流态方式对酵母液进行微滤，来探索不稳定流动的影响规律，以求改善陶瓷膜的污染问题。实验用的湍流促进器有3种：螺旋式、缠绕式、变截面式。在附加湍流促进器强化陶瓷膜微滤过程的实验中，试验和比较了不同主体流速和膜滤压差等工艺条件下的膜滤速率及能耗，研究表明，流体不稳定流动可以促进膜面与主流体的对流传质和减少膜面的沉积污染，特别在低主体流速和高滤压差下，可以减少能耗并提高过滤速度。Yeh等人通过缠绕螺旋线组件和不锈钢杆插件改善管式超滤膜的性能，结果表明其可提高流体速度，减小浓差极化阻力，改善超滤膜的通量。Xu等人在附加湍流促进器的陶瓷膜生物反应器在市政污水回用的应用研究中最早提出用不同形状(圆柱式、螺旋式和缠绕式)、材料为不锈钢的湍流促进器来改善膜生物反应器的膜通量，通过分析实验室规模的陶瓷膜生物反应器运行30天的数据，表明加入湍流促进器可以改善渗透通量，其中间距为10mm，直径为1.6mm的缠绕式湍流促进器效果最好；在同样的运行条件下，相对于不加湍流促进器，加入湍流促进器通量从70增加到175L/h·m²，实验结果表明加入缠绕式湍流促进器可以增大渗透通量，出水质量没有下降。Ahmad等人探讨螺旋折流板在微滤过程中对渗透通量的影响以及对螺旋折流板几何形状的变化进行了研究。发现螺旋折流板会增加流体速度和壁面剪切力，产生二次流动或流体的不稳定流动状态，减缓和抑制膜污染，从而增加渗透通量。等人对静态湍流促进器在脱酯牛奶的错流过滤中的应用研究发现静态混合器可引起径向混合和二次流，除此之外，左和右交替的螺旋结构会产生涡流，增加膜表面的剪切速率，降低浓差极化和滤饼层厚度，减缓膜污染，从而显著提高渗透通量。陈日志等人在湍流促进器对液固一体式膜反应器中膜过滤性能影响的研究的实验中设计了3种外置式(推进式、螺旋式和圆柱式)湍流促进器进行膜过滤强化实验，考察了湍流促进器的构型、旋转速度等因素对膜通量的影响。结果表明推进式湍流促进器效果最明显，且随着湍流促进器旋转速度的增加，膜通量也相应增加，即使在较高的悬浮液质量浓度下，所设计的外置式湍流促进器也不会使膜管的某些部位形成流动死区和滞留区，同样会提高膜通量。镇祥华等人在附加湍流器强化油田采出水超滤过程的研究以及使用湍流促进器来提高超滤过中的通量，设计了4种不同结构形式(圆柱式、变截面圆柱式、缠绕式和螺旋式)的湍流器并进行膜过滤强化试验，考察了湍流器的构型、螺距等对膜通量及单位产水能耗的影响。Wu等人在湍流促进器强化陶瓷膜生物反应器的微混效率的研究中得出微混效率随着雷诺数和渗透速率的增加而增加，特别是湍流促进器的加入，可起到扰流作用，明显提高微混效率。不同的湍流促进器对微混效率的提高的顺序依次为静态混合器、螺旋式的湍流促进器、圆柱式的湍流促进器。

综上所述，湍流促进器结构形式很多，如静态混合器、档板以及圆柱式、变截面式、螺旋式、缠绕式等，可促进膜表面被截留物质向主体溶液流动，减轻浓差极化，强化过滤过程。其结构简单、方法简便和良好的促湍效果，因而越来越受到人们的重视。但由于湍流促进器的存在，会减少有效的膜面积，并且会造成轴向压降急剧增大，从而增大了额外的能耗，为了克服此缺点，在此引入“微通道”湍流促进器。污水通过微通道，污泥颗粒由吸附、架桥等作用在微通道内被截留，这对污水的处理非常有利，且又与湍流促进器结合一起，起到强化湍流状态的作用，从而减缓膜污染和浓差极化，还可有效地节省能耗。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可以减缓膜污染、浓差极化的浸没式平板膜膜生物反应器。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器，包括生物反应槽、平板膜组件、微通道湍流促进器、曝气器、气体流量计、蠕动泵、清水槽、PLC控制系统。其中微通道湍流促进器交叉配置于平板膜表面，其即可起到扰流的作用，减轻浓差极化，又因其表面的波纹突起可减轻膜孔堵塞，故降低膜污染。

所述平板膜组件与所述的抽吸管路相连接，通过被PLC控制器控制的蠕动泵与电磁阀来交替的控制出水与停抽时间，来实现浸没式膜生物反应器自动化连续运行。

由于本发明采用了以上的技术方案，其优点在于：微通道湍流促进器的存在，可以起到扰流的作用，也就是增加膜表面的湍流强度，从而在膜表面进一步产生剪切力，这有助于强化循环混合液对膜表面的冲刷作用，降低边界层厚度，缓减浓差极化，抑制悬浮液颗粒在膜表面的沉积。微通道湍流促进器的加入，还可在膜表面形成旋涡，湍流强度的增加都有利于提高已沉积悬浮液颗粒的逆扩散，促进沉积在膜表面滤饼层的脱落，从而降低滤饼层的积累速度，改善膜通量且相应地缓减膜污染。微通道湍流促进器上所布的微孔和微通道可以使悬浮液颗粒在膜表面沉积后，形成抗压缩性更好、孔隙率更高的滤饼层。由于微通道湍流促进器的厚度为3mm，孔为0.3μm，且又与膜表面直接接触，孔内易形成厌氧环境，更有利于有机物的去除。微通道湍流促进器表面有波纹状的突起，即为不光滑的表面，悬浮液微通道湍流促进器很易吸附悬浮液中的颗粒，使得微通道内的悬浮液颗粒浓度增加，且在波纹突起附近本身也会产生小旋涡，当颗粒尺寸接近于小旋涡的尺寸时，由于不受壁面的限制，其运动可视为各向同性，很易发生絮凝现象，从而导致颗粒粒径增大，从而被微滤膜截留。微通道湍流促进器上的微通道会局部引起速度的变化，即当主体流体进入微通道时，会造成速度增大，产生速度梯度，而速度梯度的存在会引起液体中粒子的相对运动，从而造成粒子的相互碰撞，使得线性高分子化合物在微粒间“架桥”联接而引起微粒同向絮凝，使颗粒粒径增大，产生推挤堆积，导致许多微粒无法进入膜孔或卡在孔中，产生截留且还不易造成膜孔堵塞。总之，附加有微孔的微通道湍流促进器的膜生物反应器可有效控制溶解性有机物和小颗粒物在膜表面的沉积，阻碍滤饼层的形成，从而减缓膜污染，提高膜通量。

附图说明：

附图1：为本发明的示意图

附图2：微通道湍流促进器的结构示意图

附图3：微通道湍流促进器与平板膜组件的配置图

具体实施方式：

参见图1，一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器，包括生物反应槽、设置在生物反应槽中的平板膜组件和微通道湍流促进器，微通道湍流促进器交叉放置于平板膜表面，设置在平板膜组件与微通道湍流促进器下方的曝气器，曝气器采用分布有多个小孔的曝气管，该曝气管产生的气泡在平板膜组件与微通道湍流促进器组成的间隙中上升，同时带动污水在平板膜组件与微通道湍流促进器组成的间隙中上升流动，此时的气泡处于节涌流状态，膜表面清洗所需的错流由空气搅动产生，曝气器设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生错流剪切力，可以减少膜污染，同时可以减薄膜表面的层流边界层区域，降低膜表面的浓差极化现象。与此同时，在本设计中加入的新发明微通道湍流促进器可以大大减小膜表面的边界层厚度并且可以消除浓差极化现象。它的工作原理为微通道湍流促进器使流体在较低流速下产生大幅度的湍动，来使节涌流在板式膜表面的边界层产生周期性的非稳定流动，减小边界层的厚度，从而降低浓度边界层的厚度，加强涡旋强度，来减缓膜的污染和浓差极化，从而降低或防止膜污染。

综上，微通道湍流促进器应用于膜生物反应器中，使曝气器产生的气泡和上升流动的污水处在节涌流状态，并且尽最大可能产生湍动使污水中被降解产生的胞外聚合物不能在膜表面积聚、附着，并且大大降低浓差极化现象，从而降低或去除膜污染，提高出水水质，可以实现膜生物反应器持续高效的运行。

Claims (1)

1.一种附加微通道湍流促进器的浸没式平板膜生物反应器，其特征在于：由污水泵、高位水箱、电动调节阀、液位控制器、平板膜组件、微通道湍流促进器、生物反应槽、曝气装置、气体流量计、蠕动泵、清水槽、控制系统PLC组成，通过管路把各个部分组装连接形成一套实验室运行的膜生物反应器，来实现对膜污染机理与膜污染防治的探究，同时实现膜生物反应器流动形态的创新与优化；通过上水泵定期把一定量的污水输送到高位水箱，经过细格栅过滤出 粗大杂物后的污水流入高位水槽，高位水槽中的污水通过静压头流入反应槽中，生物反应槽中的污水通过液位控制器进行检测后，把信号传给PLC控制器，经PLC控制器对信号对比后来调节电动调节阀的开关从而来控制反应槽中的液位，实现恒压超滤；污水在生物反应槽中随在膜组件下方的曝气器产生的气泡在平板膜组件与微通道湍流促进器间的狭小通道中循环流动；污水与氧充分接触并且在生物反应槽中充分降解后由蠕动泵通过平板膜组件两侧的跨膜压差抽出后，输送到清水槽中且出水可以达到中水回用的标准；

在平板膜组件与微通道湍流促进器下面设置有曝气装置；所述的曝气装置为两根PVC管，在管子下方两侧斜向下45°开有直径2mm的曝气孔，每两个曝气孔间距为10mm，通过气体流量计来控制曝气量的大小；

在平板膜组件间设置有微通道湍流促进器，平板膜与平板膜之间的间距为9mm；所设计的微通道湍流促进器交叉放置于平板膜表面，以每隔64mm间隔放置；且微通道湍流促进器的长同平板膜的长度，厚度为3mm，宽为6mm，微通道为1mm；

所述微通道湍流促进器为波纹形状且布有大量微孔，其孔径为0.3mm；微通道湍流促进器的制作材料是有机玻璃。