CN105621821A - 一种一体化mbr膜生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于水处理技术领域，涉及一体化MBR膜生物反应装置。本发明包括格栅除渣室、隔油室、水量平衡室、厌氧处理室、缺氧处理室、膜生物反应室、清水池，隔油室内设有隔油挡板，并填充有PP纤维球填料，厌氧处理室和缺氧处理室中均填充有弹性填料，膜生物反应室内设有帘式中空纤维膜以及帘式中空纤维膜表面的微生物膜；其中，所述弹性填料由开孔发泡材料制成。本发明高效、结构紧凑、占地面积小、去污能力强，其中的弹性材料强度高、韧性好、挂膜速度快、挂膜量高、使用寿命长。

Description

一种一体化MBR膜生物反应装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一体化MBR膜生物反应装置。

背景技术

生物膜法技术是人们模仿土壤自净过程创造出来的，很早就被用于废水处理。目前，生物膜法依然是废水生化处理技术研究的热点之一。而水处理填料是生物膜技术的核心之一，它的性能对废水处理工艺过程的效率、能耗、稳定性以及可靠性均有直接关系。现有的弹性材料一般由中心件及固定在其上的弹性纤维或丝条构成，由于该类填料是立体放射状，其纤维或丝条之间内密外疏，显得蓬乱，故布水布气不均匀。传质效果差，挂膜后仍有厌氧结团现象产生。

在实际应用中，由于目前市场上应用的填料主要是以粘土烧结成的陶粒和以聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚脂(PES)、聚氯乙烯(PVC)等塑料为材料的弹性填料。而一般的弹性填料由于其表面亲水性较差，在挂膜速度、挂膜量以及膜的紧密度上往往存在不足。使材料的表面带有亲水基团，是提高材料表面亲水性的常用方法，将亲水基团带入材料表面的常用方法有：(1)在弹性材料表面涂抹亲水涂料，该方法因涂料易溶于水中而脱落，故难以实际应用；(2)在材料表面接枝带有亲水基团的高聚物单体，可采用高能辐照的方法，在填料的表面产生活性自由基，自由基再与水溶性单体进行引发聚合，从而使材料表面接枝上水溶性基团，但因为填料的性状一般比较复杂，除填料的外表面，还有填料的内表面，而高能辐射难以均匀辐照填料的内外表面，导致填料内外表面亲水性产生差异，从而也影响其使用效果；(3)在常用塑料材料中混入水溶性亲水高分子材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种高效、结构紧凑、占地面积小、去污能力强的一体化MBR膜生物反应装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种一体化MBR膜生物反应装置，包括格栅除渣室、隔油室、水量平衡室、厌氧处理室、缺氧处理室、膜生物反应室、清水池，所述隔油室内设有隔油挡板，并填充有PP纤维球填料，所述厌氧处理室和缺氧处理室中均填充有弹性填料，所述膜生物反应室内设有帘式中空纤维膜以及帘式中空纤维膜表面的微生物膜；

其中，所述弹性填料由开孔发泡材料制成，开孔发泡材料包括以下质量份数的组分：

PA6粉末30-45份，

热塑性聚氨酯粉末34-50份，

改性树脂15-30份，

改性剂10-15份，

碳纳米管8-12份，

介孔碳酸钙15-23份，

发泡剂8-20份，

开孔剂2-10份。

本发明中的一体化MBR膜生物反应装置可对污水中的油脂、杂物和水等进行分离并加以处理达标，其中，格栅除渣室可首先对污水中的悬浮物进行分离；隔油室中的隔油挡板，并填充有PP纤维球填料可对污水中的浮油和小颗粒油滴进行分离和吸附；水量平衡室对水位进行控制，对进水起到调节水质和水量的作用；厌氧处理室、缺氧处理室均填充有弹性填料，通过厌、缺氧环境下的水解、酸化和甲烷化作用使污水中的有机物(包括油脂、蛋白质、淀粉等物质)得以处理；膜生物反应室内设置有帘式中空纤维膜以及帘式中空纤维膜表面的，对污水中的杂质进行进一步生化处理。

由于厌氧微生物在弹性填料上的附着性差，加之水流的冲击，吸附在弹性填料表面的微生物很容易脱落下来，从而降低弹性填料表面的生物吸附量，因此本发明采用开孔发泡材料制备厌氧处理室、缺氧处理室中的弹性填料。该弹性填料内部具有联通的细小开孔结构，有利于厌氧微生物在其表面和内部定殖，即使填料表面的微生物因为外力原因损失，填料内部的微生物也能很快繁殖并补充到外部，大大提高厌氧处理室、缺氧处理室的使用稳定性和使用寿命。该弹性填料主料采用PA6和热塑性聚氨酯制成，并辅以改性树脂、改性剂及其他辅料，制得的弹性填料韧性好、强度高、耐摩擦、耐腐蚀，使用性能好，能够在污水中长期使用。并且该弹性填料不改变原水酸碱度，对附着的微生物细胞无毒，传质性能好，性质稳定、不易被生物降解。

碳纳米管因其独特的结构表现出密度小，强度、刚度、韧性优异的特点，并且具有较强的抗化学腐蚀性和较好的散热性能，介孔碳酸钙具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性、化学稳定性、热稳定性、较高强度等特点。本发明中将碳纳米管和介孔碳酸钙配合添加到弹性填料中，可以显著改善弹性填料的力学性能，提高其导热性、耐磨性、强度和韧性，防止在挂膜过程中局部过热导致微生物活性降低，延长其使用寿命。同时，碳纳米管和介孔碳酸钙还可以作为理想的异相成核剂，在弹性填料发泡过程中，碳纳米管和介孔碳酸钙表面的成核能垒低于均相成核能垒，能瞬间形成大量的成核点，大大提高了弹性填料在发泡过程中的成核率，提高弹性填料的泡孔密度。而介孔碳酸钙中的孔道结构会与树脂材料形成“气穴”结构，从而降低成核能垒，提高异相成核效率。碳纳米管和介孔碳酸钙的添加有助于弹性填料泡孔密度的增大和泡孔尺寸的减小，从而增加弹性填料的拉伸性能和强度。

作为优选，所述弹性填料为整体形状呈波浪状或折线状的网片式弹性填料，网片式网片式弹性填料上设有网孔。

弹性填料整体形状设计为波浪状或折线状的加大了网片式弹性填料的表面积，增加了弹性填料与污水的接触面积，并且有利于微生物着床。弹性填料上的网孔有利于水流通过和气泡的切割。

作为优选，所述弹性填料表面设有尖刺型突出。

尖刺型突出方便刺破污水中的气泡，有利于污水与弹性填料上的微生物接触，加快污水中的有机物分解速度。

作为优选，所述改性树脂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或几种。

厌氧生化反应过程中微生物生成量低，且附着性差，不易在普通弹性材料上挂膜，因此本发明在弹性填料中添加自身带有较多亲水性基团的上述改性树脂，能有效增加弹性填料表面的亲水性能，使厌氧微生物较易地附着在弹性填料表面，从而增加厌氧微生物在弹性填料上的挂膜量，提高厌氧生化反应容器的负荷。上述改性树脂单独使用时往往存在强度不够、不耐腐蚀等问题，本发明将上述改性树脂与PA6、聚氨酯配合使用，制成的复合弹性填料力学性能优良，并且有利于吸附不同种类的微生物，丰富微生物种类，提高弹性填料生物膜处理污水有机物的能力。

作为优选，所述改性剂为羧甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖中的一种或多种。

上述改性剂具有较强的亲水性，对不同厌氧微生物的吸附能力强，并且均为纯天然物质，无毒无害，与改性树脂配合使用，能有效增加微生物的种类和微生物在弹性填料上的吸附量。

作为优选，所述的发泡剂为质量比为2:(5-7):(3-6)的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

选用的发泡剂中，碳酸氢钠为吸热型发泡剂，偶氮二甲酰胺为放热型性发泡剂，吸热型的发泡剂不易分散，易造成制品内部泡孔的大小不均匀，放热型的发泡剂分解时放出大量的热，易造成树脂体系过热、树脂胶液粘度下降，对气泡生长不利。本发明将吸热性发泡剂和放热性发泡剂结合起来，控制了吸热与放热的平衡，同时添加稀土使复合发泡剂分解移向高温，避免复合发泡剂提前分解，使得树脂体系粘度变化波动小，发泡过程稳定，易于控制，生成的泡孔分布均匀，泡孔结构规整。本发明根据发泡剂反应的温度，选取了上述两种发泡时间不一致的发泡剂进行复合使用，使泡孔在弹性填料制备过程中均匀生长，得到泡孔均匀一直的弹性填料。将复合发泡剂中各组分的使用比例控制在上述范围内，可以控制不同温度条件下发泡量的程度，最终得到泡孔均匀一致细密、力学性能优良的弹性填料。

作为优选，所述开孔剂为聚丁二烯、甲基聚硅氧烷、聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物中的一种或几种。

开孔剂可以降低泡沫的表面张力，促使泡孔破裂，提高弹性填料的开孔率，有利于微生物在弹性填料内部定植。

作为优选，所述弹性填料的制备方法如下：

S1、将30-45份PA6粉末和34-50份热塑性聚氨酯粉末浸泡在3-8％w/w双氧水中，同时超声波处理3-6h，然后洗净，干燥；

S2、将8-12份碳纳米管、15-23份介孔碳酸钙分别在超声波中处理30-90min；

S3、将15-30份改性树脂、10-15份改性剂、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒，

S4、将8-20份发泡剂、2-10份开孔剂、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入注塑机中制成弹性填料成品。

在双氧水中超声波改性处理后，PA6和热塑性聚氨酯上的氨基、羟基等亲水性官能团数量得到增加，使用改性处理后的PA6和热塑性聚氨酯制备弹性填料，有效增加弹性填料的亲水性能，增加微生物在弹性填料上的吸附。同时，使用超声波处理碳纳米管、介孔碳酸钙减少了二者内部的灰分含量，疏通了二者表面和内部孔隙，有利于二者在弹性材料制备过程中充分发挥作用。

作为优选，弹性填料制备方法的步骤S1和步骤S2中所述超声波处理的功率均为300-500w。

本发明中的弹性填料在具体使用时可根据需要组合成不同的排列形式，可将弹性填料按顺序固定在细绳或细棒上，或将弹性填料组装成蜂窝形等形状。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可将废水中的油脂、杂物和水分离并加以处理达标，具有高效、结构紧凑、占地面积小、节能且安装维护便捷的优点，可广泛适用于各类生活污水(如淋浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水等)和冷却水。其中，厌氧和缺氧处理室中的弹性填料采用形状采用波浪状或折线状以增加其与污水的接触面积，增加污水处理量，并在表面设置尖刺型突出，方便刺破污水中泡沫，提高污水处理效果。在弹性填料中添加了亲水性强的改性树脂和改性剂，增加弹性填料的亲水性，并采用双氧水对弹性填料的主材料进行改性，进一步增加弹性填料的亲水性，弹性材料采用具有开孔结构的发泡材料制成，使得微生物在弹性填料的表面和内部均能生长定植，提高弹性填料使用的稳定性，增加整个反应装置运行的稳定性。弹性材料中还添加有碳纳米管和介孔碳酸钙，有效增加弹性材料的力学性能和泡孔结构的质量。

附图说明

图1为本发明中一体化MBR膜生物反应装置的结构示意图。

图2为本发明中弹性填料的一种结构的示意图，其中(a)为正面图，(b)为侧面图。

图3为本发明中弹性填料的另一种结构的示意图，其中(a)为正面图，(b)为侧面图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

下面通过具体实施例对本发明中的作进一步解释。

如图1-3所示，本发明中的一体化MBR膜生物反应装置，包括格栅除渣室1、隔油室2、水量平衡室3、厌氧处理室4、缺氧处理室5、膜生物反应室6、清水池7，隔油室2内设有隔油挡板8和PP纤维球填料9，厌氧处理室4和缺氧处理室5中均填充有弹性填料10，膜生物反应室6内设有帘式中空纤维膜11以及帘式中空纤维膜表面的微生物膜；

其中，弹性填料为整体形状呈波浪状或折线状的网片式弹性填料，网片式网片式弹性填料上设有网孔12，弹性填料表面设有尖刺型突出13。

下面通过实施例1-5对弹性填料作进一步解释，实施例6-10为弹性填料在一体化MBR膜生物反应装置中的应用实例。

实施例1

弹性填料的制备步骤如下：

S1、将30份PA6粉末和50份热塑性聚氨酯粉末浸泡在3％w/w双氧水中，同时采用300w的超声波处理3h，然后洗净，干燥；

S2、将8份碳纳米管、23份介孔碳酸钙分别在300w的超声波中处理30min；

S3、将15份聚乙烯醇、15份羧甲基纤维素、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将8份发泡剂、2份开孔剂聚丁二烯、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入到注塑机中制成弹性填料成品，其中发泡剂为质量比2:7:6的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

实施例2

S1、将35份PA6粉末和45份热塑性聚氨酯粉末浸泡在4％w/w双氧水中，同时采用350w的超声波处理4h，然后洗净，干燥；

S2、将9份碳纳米管、21份介孔碳酸钙分别在320w的超声波中处理50min；

S3、将18份聚丙烯酰胺、13份海藻酸钠、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将10份发泡剂、4份开孔剂甲基聚硅氧烷、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入到注塑机中制成弹性填料成品，其中发泡剂为质量比为2:5:6的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

实施例3

S1、将38份PA6粉末和43份热塑性聚氨酯粉末浸泡在5％w/w双氧水中，同时采用380w的超声波处理4.5h，然后洗净，干燥；

S2、将10份碳纳米管、20份介孔碳酸钙分别在350w的超声波中处理60min；

S3、将20份聚丙烯酸、12份壳聚糖、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将20份发泡剂、10份开孔剂聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入注塑机中制成弹性填料成品，其中发泡剂为质量比为2:5:3的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

实施例4

S1、将40份PA6粉末和40份热塑性聚氨酯粉末浸泡在6％w/w双氧水中，同时采用450w的超声波处理5h，然后洗净，干燥备用；

S2、将11份碳纳米管、18份介孔碳酸钙分别在400w的超声波中处理80min；

S3、将25份聚乙烯醇、11份海藻酸钠、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将14份发泡剂、和6份开孔剂聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入注塑机中制成弹性填料成品，其中发泡剂为质量比为2:6:4的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

实施例5

S1、将45份PA6粉末和34份热塑性聚氨酯粉末浸泡在8％w/w双氧水中，同时采用500w的超声波处理6h，然后洗净，干燥备用；

S2、将12份碳纳米管、15份介孔碳酸钙分别在500w的超声波中处理90min；

S3、将30份聚丙烯酰胺、10份壳聚糖、步骤S1中制备好的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中制备好的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将17份发泡剂、8份开孔剂聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物、步骤S3中制备的母胶颗粒混合并投入注塑机中制成弹性填料成品，其中发泡剂为质量比为2:7:5的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

实施例6-10

分别将实施例1-5中制成的弹性材料填充到一体化MBR膜生物反应装置的厌氧处理室和缺氧处理室中，挂膜成功后对CODcr浓度为6000mg/L的污水进行处理24h，然后检测除污效果，废水中CODcr的去除率分别为76％、80％、87％、90％、83％。

对比例1

市售的普通弹性填料。

对比例2

将对比例1中的市售普通弹性填料填充到一体化MBR膜生物反应装置的厌氧处理室和缺氧处理室中，挂膜成功后对CODcr浓度为6000mg/L的污水进行处理24h，然后检测除污效果，废水中CODcr的去除率为62％。

将本发明实施例1-5中的弹性填料的性质与对比例1的弹性填料进行比较，比较结果如表1所示。

实施例1-5中弹性填料与市售普通弹性填料性质的比较

综上所述，本发明中的一体化MBR膜生物反应装置能够有效去除污水中的各种杂质，厌氧、缺氧处理室和膜生物反应室内的生物弹性填料和帘式中空纤维膜可分别投加缺氧和好氧高效菌群，有效提高有机物去除效率，相较于传统的活性污泥处理，增加高效菌群的除磷脱氮功能，减少了活性污泥的浓度，由活性污泥处理工艺转变为生物泥膜共生处理工艺，从而使得MBR反应器的膜元件不易被活性污泥堵塞。其中弹性填料采用亲水性能好、挂膜快、力学性能优良、使用寿命高的材料制成，增加了高效厌氧、缺氧菌群与水中有机物的接触面积，提高了处理效率，使设备的体积更小，占地面积更省。将本发明中弹性材料进行挂膜处理，可以观察到，在试验系统中运行2-4天内即可观察到较明显的挂膜现象，而采用普通的市售弹性材料，则需要6天，说明本发明中的弹性材料亲水性能改变后，微生物较易附着，更易进行挂膜。将上述弹性材料应用于本发明中的一体化MBR膜生物反应装置的厌氧处理室和缺氧处理室中，CODcr去除率在75％以上，而采用普通的弹性材料应用于同样的一体化MBR膜生物反应装置的厌氧处理室和缺氧处理室中，CODcr去除率只有62％，可见本发明中的弹性材料除污效果明显优于普通弹性材料。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种一体化MBR膜生物反应装置，包括格栅除渣室、隔油室、水量平衡室、厌氧处理室、缺氧处理室、膜生物反应室、清水池，其特征在于，所述隔油室内设有隔油挡板，并填充有PP纤维球填料，所述厌氧处理室和缺氧处理室中均填充有弹性填料，所述膜生物反应室内设有帘式中空纤维膜以及帘式中空纤维膜表面的微生物膜；

其中，所述弹性填料由开孔发泡材料制成，开孔发泡材料包括以下质量份数的组分：

PA6粉末30-45份，

热塑性聚氨酯粉末34-50份，

改性树脂15-30份，

改性剂10-15份，

碳纳米管8-12份，

介孔碳酸钙15-23份，

发泡剂8-20份，

开孔剂2-10份。

2.根据权利要求1所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述弹性填料为整体形状呈波浪状或折线状的网片式弹性填料，弹性填料上设有网孔。

3.根据权利要求2所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述弹性填料表面设有尖刺型突出。

4.根据权利要求1所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述改性树脂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述改性剂为羧甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述的发泡剂为质量比为2:(5-7):(3-6)的稀土、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺的复合粉体。

7.根据权利要求1所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述开孔剂为聚丁二烯、甲基聚硅氧烷、聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物中的一种或几种。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，所述弹性填料的制备方法如下：

S1、将30-45份PA6粉末和34-50份热塑性聚氨酯粉末浸泡在3-8％w/w双氧水双氧水中，同时超声波处理3-6h，然后洗净、干燥；

S2、将8-12份碳纳米管、15-23份介孔碳酸钙分别在超声波中处理30-90min；

S3、将15-30份改性树脂、10-15份改性剂、步骤S1中处理得到的PA6粉末和热塑性聚氨酯粉末、步骤S2中处理得到的碳纳米管和介孔碳酸钙混匀，投入到注塑机中制成母胶颗粒；

S4、将8-20份发泡剂、2-10份开孔剂与步骤S3中制得的母胶颗粒混合并投入到注塑机中制成弹性填料成品。

9.根据权利要求8所述的一种一体化MBR膜生物反应装置，其特征在于，弹性填料制备方法的步骤S1和步骤S2中所述超声波处理的功率均为300-500W。