專利名稱：鑄砂膜生物反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于膜生物反應器技術領域，特別涉及一種鑄砂膜生物反應器。
背景技術：
膜生物反應器由生物反應池單元和膜分離單元組成，其特點是處理水質(zhì)好、處理水適宜回用；占地面積小，環(huán)境適應性高；自動化程度高，容易運行管理。其應用的規(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)，其應用數(shù)量也越來越大，數(shù)以千級的膜生物反應器工程在世界許多國家和地區(qū)得到應用。
公知的膜生物反應器有一體和分體兩種，其膜單元的形式有浸沒式和外置錯流式，膜單元采用的膜材料分為有機膜和無機膜。
公知的膜生物反應器大多采用的是有機膜。有機膜強度差，使用壽命短，是當今阻礙膜生物反應器大規(guī)模和普及應用的一個重要限制性因素和重大技術難題。有機膜大多為石油化工材料或塑料制成的膜。有機膜存在膜強度不高，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。目前市售有機膜的壽命據(jù)各生產(chǎn)廠商的技術參數(shù)，最短為1-3年，最長6-10年(高大林。頗爾各種膜技術的比較。清華大學膜法水處理技術研討會，2005228；Thepurification company(Norit).X-low recycling of wastewater，Tsing Huauniversity，Chinainternational symposium on membrane technologies forwater and wastewater treatment，2005195；鄭祥等。膜生物反應器的技術經(jīng)濟分析。給水排水，28(3)，2002105-108)。有的膜絲甚至在安裝使用后，幾個月內(nèi)就出現(xiàn)膜絲斷裂現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)膜的斷裂，處理水質(zhì)將變差。因此，膜的強度差，成為影響膜生物反應器穩(wěn)定和可靠性的重大技術問題。當膜損壞的量和程度影響到系統(tǒng)的處理效果，就需要更換膜組件，這不僅要使污水處理系統(tǒng)停止運行，而且換膜的工程量和一次性費用都很大，特別是對于較大規(guī)模的膜生物反應器工程，換膜產(chǎn)生的問題就更為復雜，產(chǎn)生的不利影響范圍更大。由于有機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重。不僅如此，換掉的廢舊膜組件又成為難以處理的有機工業(yè)廢棄物，給環(huán)境造成二次污染和新的負擔。即使有機膜材料不是意外的損壞，這種有機膜生物反應器正常地、周期地膜更換產(chǎn)生的經(jīng)濟和環(huán)境問題也將是巨大的，隨著膜生物反應器應用的發(fā)展，特別是在大規(guī)模市政污水處理工程中應用的發(fā)展，這一問題將更顯突出和嚴重。因此，采用有機膜的膜生物反應器，膜的強度差嚴重限制著該技術的大規(guī)模和普及性應用。
公知的無機膜主要有金屬膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜、分子篩膜等。無機膜具有有機聚合物分離膜無法比擬的優(yōu)點化學穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐有機溶劑；機械強度大，壽命長；可以反沖洗；抗微生物的能力強，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膜主要是陶瓷膜。陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發(fā)展可分為三個階段。即用于鈾的同位素分離的核工業(yè)時期，于20世紀80年代建成了膜面積達400萬平方米的陶瓷膜富集256UF6工廠；以無機微濾膜和超濾膜為主的液體分離時期及以膜催化反應為核心的全面發(fā)展時期。無機陶瓷膜的主要制備技術包括采用固態(tài)粒子燒結法制備載體及微濾膜，采用溶膠-凝膠法制備超濾膜；采用分相法制備玻璃膜；采用專門技術(如化學氣相沉積、無電鍍等)制備微孔膜或致密膜。目前已商品化的多孔陶瓷膜的構形主要有平板、管式和多通道三種。平板膜主要用于小規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和實驗室研究。規(guī)模應用的陶瓷膜，通常采用多通道構形，即在一個圓截面上分布著多個通道，一般通道數(shù)為7、19和37。由于陶瓷膜的技工工藝復雜、加工難度大，價格昂貴，因此，無機陶瓷膜分離技術主要在高附加值的工業(yè)項目中應用。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、環(huán)境工程、化學工業(yè)、石油化工、冶金工業(yè)等領域，成為苛刻條件下精密過濾分離的重要新技術。
在環(huán)境工程中的應用，除了陶瓷膜的造價高，運行費用也較高。所以，其見有報道的應用主要是油水分離、對某些化工原料回收，如鈦白粉的回收、在石化廢水處理中去除沉淀的重金屬、在乳膠廢水中去除回收乳膠等。陶瓷膜在膜生物反應器中的應用仍局限在實驗室研究階段，如邢傳宏進行的管式陶瓷膜生物反應器研究；張永明進行的雙功能陶瓷膜生物反應器處理廢水的研究；膜科學技術研究所的氣升式陶瓷膜生物反應器研究等。陶瓷膜在環(huán)境工程中應用受到限制的主要原因是處理成本過高。雖然無機膜的造價高，到2004年，世界分離膜的市場銷售額將超過100億美元，無機膜的市場占有率僅占12％。(《中國化工報》2002.9.10文/刑衛(wèi)紅；時鈞，袁權，高從堦等。膜科學技術手冊[M]。北京化學工業(yè)出版社，2001114-116；邢傳紅。超濾膜生物反應器處理生活污水及其水力學研究。環(huán)境科學，1997，18(5)19～21；張永明等。雙功能陶瓷膜生物反應器處理廢水的研究。
http//www.chinafa.net/web/class/46 4.html，2006，2，15；膜科學技術研究所。氣升式陶瓷膜生物反應器的研究。
http//mst.njut.edu.cn/chinese/mst/peiyang.html，2006，2，15；鄭祥等。膜生物反應器的技術經(jīng)濟分析。給水排水，28(3)，2002105-108)。
陶瓷膜在環(huán)境工程中應用處理成本過高除了造價高的原因外，是其運行能耗及運行費用也較高。其運行能耗高的原因是在陶瓷膜過濾時，在生物單元和膜單元之間需要較大的循環(huán)流量，需要功率較高的循環(huán)水泵所致。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種鑄砂膜生物反應器，其特點在于采用的膜是一用天然砂質(zhì)材料制成的平板膜。
本發(fā)明的目的在于解決和克服公知膜生物反應器采用有機膜壽命較短和采用無機陶瓷膜造價及運行能耗高和運行費用高的問題。使得膜生物反應器的膜材料充分利用天然廉價和環(huán)境友好的材料，大大延長膜生物反應器的壽命，突破公知有機膜生物反應器使用壽命最長5-10年的限制，使膜生物反應器成為一種更加實用，宜于普及和大規(guī)模應用的水處理、污水處理和污水再生回用技術。
本發(fā)明的鑄砂膜生物反應器主要包括生物反應池(2)、膜濾池(3)、鑄砂膜組件(9)、n形循環(huán)管(8)、抽吸泵(10)，氣泵(13)，見附圖1。其特征在于膜濾池〔2〕由隔墻(11)從生物反應池(2)中分割而成，隔墻(11)頂部淹沒在生物反應池(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池之間的隔墻(11)上安有n形循環(huán)管(8)；n形循環(huán)管(8)主體安裝在生物反應池(2)一側，n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)，n形循環(huán)管(8)底部彎管開口于膜濾池〔2〕中，n形循環(huán)管(8)頂部管口與膜生物反應器最高液面平齊；在膜濾池(3)內(nèi)安裝有豎直排列的鑄砂膜組件(9)；在生物反應池內(nèi)裝有生物鼓氣管(5)、在膜濾池內(nèi)，在鑄砂膜組件(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(4)與氣泵(13)連接，膜鼓氣管(7)通過膜鼓氣流量計(6)與氣泵(13)連接；在鼓氣的作用下，膜濾池(3)底部的混合液上升沖刷鑄砂膜組件(9)后，躍過隔墻(11)頂部回流至生物反應池(2)，形成生物反應池(2)和膜濾池(3)之間的水力循環(huán)；凈化水利用抽吸泵(10)經(jīng)過鑄砂膜組件(9)過濾通過凈化水流量計(12)后送出。
如圖2所示的鑄砂膜組件(9)其特征在于由前后對稱的，由覆膜砂質(zhì)材料制成的兩塊鑄砂膜板(14)、鑄砂膜組件邊框(15)、組件吊環(huán)(16)，出水口(17)組成；在前后對稱的兩塊鑄砂膜板(14)中間有中空夾層；兩塊鑄砂膜板(14)之間裝有若干支撐塊(18)，以加強鑄砂膜板(14)的強度；鑄砂膜組件(9)安裝在膜濾池(3)。鑄砂膜組件(9)在膜濾池(3)中安裝，其特征在于自水面起向下布設，即鑄砂膜組件(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。
n形循環(huán)管(8)，其特征在于有兩根豎管在上部由一個彎頭和一個三通經(jīng)一根橫短管連接，在下部由一個彎頭和橫短管連接；n形循環(huán)管(8)上無閥門；本技術限定n形循環(huán)管(8)豎管的長度為1-5米(見附圖1)。
生物鼓氣管(5)其特征在于為穿孔管或微孔曝氣元件，其水下安裝深度同膜鼓氣管(7)的水下安裝深度相同。
膜鼓氣管(7)其特征在于部設在鑄砂膜組件(9)下水層內(nèi)；膜鼓氣管(7)為穿孔管。
膜濾池(3)其特征在于在停止鼓氣的條件下，其靜水位同生物反應池(2)的靜水位平齊。
本發(fā)明的工作原理是1)由于膜鼓氣管(7)的鼓氣作用提升了膜濾池(3)的水位或降低了膜濾池(3)混合液的比重，n形循環(huán)管(8)中的水流由于沒有氣泡或只有較少的氣泡而比重較大，因此，n形循環(huán)管(8)中較重的水流會自生物反應池(2)下部的混合液先上向流經(jīng)n形循環(huán)管(8)的上部橫向短管后再下向流入膜濾池(3)，膜濾池(3)的水流又會因氣泡的提升自水面流回生物反應池(2)，從而形成氣升水力循環(huán)；2)通過破壞水的表面張力，突破傳統(tǒng)透水磚依靠顆粒粗大、縫隙滲水的局限、獨特的滲透原理，制成易透水鑄砂膜組件(9)；本發(fā)明鑄砂膜生物反應器的特點1、鑄砂式膜組件由覆膜砂質(zhì)材料制成，具有高透水率，高強度，長壽命、耐酸堿、可在線清洗；2、n形循環(huán)管無需閥門和閥門井，減低了設備和材料的消耗，減少了建設費用，工程投資?。凰ρh(huán)無需循環(huán)泵，循環(huán)能耗較低，不會損傷生物反應池的微生物，循環(huán)管不容易堵塞，循環(huán)水量大安全性高；
3、系統(tǒng)易維護，進行膜的化學清洗時，只需將膜濾池排空，膜濾池與生物反應池中混合液將實現(xiàn)分離。膜的化學清洗不影響生物反應池的運行條件和狀態(tài)。
4、應用范圍廣，可與各種類型的生物反應池組合，不局限于活性污泥法，可以為生物膜法，如氧化溝反應池、接觸氧化法反應池、生物濾池等；5、利于實現(xiàn)大規(guī)模膜生物反應器水處理系統(tǒng)和成套設備的建設。


圖1為本發(fā)明所述鑄砂膜生物反應器水處理技術工藝流程示意圖。其中1-原水、2-生物反應池、3-膜濾池、4-生物鼓氣流量計、5-生物鼓氣管、6-膜鼓氣流量計、7-膜鼓氣管、8-n形循環(huán)管、9-鑄砂膜組件、10-抽吸泵、11-隔墻、12-凈化水流量計、13-氣泵、圖2為本發(fā)明所述鑄砂膜組件的示意圖。其中14-鑄砂膜板、15-鑄砂膜組件邊框、16-組件吊環(huán)，17-出水口，18-支撐塊(18)。
具體實施例方式
經(jīng)預處理過的污水(1)進入生物反應池(2)，生物反應池(2)內(nèi)有活性污泥混合液?？諝庥煽諝獗?13)經(jīng)生物鼓氣流量計(4)通入生物反應池(2)的生物鼓氣管(5)，對活性污泥混合液鼓氣，使其混合均勻和部分充氧后，進入經(jīng)循環(huán)管(8)進入膜濾池(3)。同時，進行鑄砂膜(9)沖洗的空氣由氣泵(13)經(jīng)膜鼓氣流量計(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、氣力提升混合液，使混合液在生物反應池(2)和膜濾池(3)之間形成循環(huán)的作用。凈化水通過鑄砂膜組件)(9)通過抽吸泵(10)的抽吸作用，經(jīng)凈化水流量計(12)出水回用或排放。
權利要求
1.一種鑄砂膜生物反應器，主要包括生物反應池(2)、膜濾池(3)、鑄砂膜組件(9)、n形循環(huán)管(8)、抽吸泵(10)，氣泵(13)等，其特征在于膜濾池〔3〕由隔墻(11)從生物反應池(2)中分割而成，隔墻(11)頂部淹沒在生物反應池(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(3)和生物反應池(2)之間的隔墻(11)上安有n形循環(huán)管(8)；n形循環(huán)管(8)主體安裝在生物反應池(2)一側，n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)，n形循環(huán)管(8)底部彎管開口于膜濾池(3)中，n形循環(huán)管(8)頂部管口與膜生物反應器最高液面平齊；在膜濾池(3)內(nèi)安裝有豎直排列的鑄砂膜組件(9)；在生物反應池(2)內(nèi)裝有生物鼓氣管(5)、在膜濾池(3)內(nèi)，在鑄砂膜組件(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(4)與氣泵(13)連接，膜鼓氣管(7)通過膜鼓氣流量計(6)與氣泵(13)連接；在鼓氣的作用下，膜濾池(3)底部的混合液上升沖刷鑄砂膜組件(9)后，躍過隔墻(11)頂部回流至生物反應池(2)，形成生物反應池(2)和膜濾池(3)之間的水力循環(huán)；凈化水利用抽吸泵(10)經(jīng)過鑄砂膜組件(9)過濾通過凈化水流量計(12)后送出。
2.如權利要求1所述的膜生物反應器，其特征在于所述的循環(huán)n形循環(huán)管(8)，有兩根豎管，在豎管上部由一個彎頭和一個三通經(jīng)一根橫短管連接，在下部由一個彎頭和橫短管連接；n形循環(huán)管(8)上無閥門。
3.如權利要求1所述的膜生物反應器，所述的鑄砂膜組件(9)其特征在于由前后對稱的，由覆膜砂質(zhì)材料制成的兩塊鑄砂膜板(14)、鑄砂膜組件邊框(15)、組件吊環(huán)(16)，出水口(17)組成；在前后對稱的兩塊鑄砂膜板(14)中間有中空夾層；兩塊鑄砂膜板(14)之間裝有若干支撐塊(18)。
4.如權利要求1所述的膜生物反應器，所述的鑄砂膜組件(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。
5.如權利要求1所述的膜生物反應器，所述的生物鼓氣管(5)，和膜鼓氣管(7)其特征在于為穿孔管或微孔曝氣元件，安裝深度生物鼓氣管(5)同膜鼓氣管(7)的水下安裝深度相同。
6.如權利要求1所述的膜生物反應器，所述的膜濾池(3)和生物反應池(2)其特征在于在停止鼓氣的條件下，膜濾池(3)和生物反應池(2)靜水位平齊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鑄砂膜生物反應器，主要由生物反應池、膜濾池、鑄砂膜組件、n形循環(huán)管、抽吸泵，氣泵等組成，其主要特征在于膜生物反應器采用的膜組件為一種鑄砂膜組件；膜生物反應器為一種生物反應池和膜濾池由一隔墻分隔的分體式膜生物反應器，由n形循環(huán)管實現(xiàn)無閥、無泵水力循環(huán)。該膜生物反應器克服了公知的膜生物反應器中采用的有機膜壽命較短，換膜帶來的費用較大、運行費用較高等問題，使膜生物反應器水處理和廢水資源化技術更加高效、經(jīng)濟，利于大規(guī)模普及應用。
文檔編號C02F3/10GK101028949SQ200610008198
公開日2007年9月5日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權日2006年2月27日
發(fā)明者樊耀波, 徐云, 秦升益 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心