專利名稱：動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種針對粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力測試方法及裝置，用于定量檢測和評估動態(tài)膜生物反應器(DMBR)中粗網(wǎng)濾膜的過濾和污染特性，屬于廢水生物處理技術領域。
背景技術：
膜生物反應器(MBR)已被廣泛用于各類廢水的處理，具有處理效果高、出水水質好、占地面積小等優(yōu)點。然而，目前的微濾和超濾膜的價格普遍較高，并且由于不可避免存在膜污染，需要定期進行清洗和更換，從而增加了運行費用，在一定程度上限制了其大規(guī)模應用。近幾年來，基于粗網(wǎng)材料應用的DMBR技術得到了迅速發(fā)展。DMBR區(qū)別于常規(guī)MBR之處主要在于采用較大孔徑并且廉價的粗網(wǎng)材料(如鋼絲網(wǎng)、尼龍、紗絹、無紡布等，孔徑范圍為10 200 μ m)和應用重力自流的低壓過濾方式。這不僅大大節(jié)約了初期投資和運行成本，而且無需安裝壓力控制單元，從而簡化了工藝。DMBR的過濾原理是液體在水頭差驅動下通過粗網(wǎng)材料，而污泥被粗網(wǎng)材料截留下來并在其表面逐漸形成一層泥餅層，粗網(wǎng)材料與附著在其表面的生物膜泥餅層一起構成雙層結構的粗網(wǎng)濾膜。由于泥餅層具有比粗網(wǎng)材料更細的內(nèi)部孔隙結構，因此粗網(wǎng)濾膜的形成使更細小的物質也可以被有效截留，從而取得較好的過濾效果。另外，由于形成泥餅層的厚度和致密程度往往隨著過濾時間的延長發(fā)生動態(tài)變化，因此這種粗網(wǎng)濾膜也被稱為動態(tài)膜。DMBR的過濾作用主要是通過泥餅層實現(xiàn)，而粗網(wǎng)材料本身主要是作為泥餅層的支撐介質。盡管如此，不同粗網(wǎng)材料、工藝條件和污泥性質都會導致形成泥餅層厚度和形態(tài)結構的差異，從而影響粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力。而污染阻力達到一定程度以后，跨膜壓差(TMP)會迅速升高或膜通量快速減少，從而出現(xiàn)膜污染?？梢姡^濾阻力是衡量粗網(wǎng)濾膜過濾和抗污染性能的一個重要指標。如圖1所示，為傳統(tǒng)氣壓型濾膜過濾阻力測試裝置(氣壓型過濾裝置)的結構示意圖，常用于傳統(tǒng)的微濾或超濾膜(孔徑< IOym)的過濾阻力的測試。該裝置通過壓力單元(通常為氮氣罐9和氣壓計8)將濾膜14兩端的TMP控制在一定水平；利用安裝在過濾池 1內(nèi)部的攪拌器13進行高速攪拌，使污泥懸浮并盡量避免污泥直接在膜表面沉積；液體在恒TMP下流過濾膜進入收集容器3，而固體顆粒被截留下來；收集容器放置在帶有數(shù)據(jù)在線采集功能的電子天平41上，隨濾液體積的變化其重量也發(fā)生相應變化；電子天平與電腦連接，將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給電腦42并進行數(shù)據(jù)處理(將質量換算為體積)和記錄。通過檢測某一時刻t的膜通量，即單位時間通過單位面積濾膜的液體的體積，就可以根據(jù)Darcy 方程計算出在t時刻膜的過濾阻力Rt
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rjJt其中，11為懸浮液粘度Jt為t時刻的膜通量。跨膜壓差TMP(Trans-Membrane Pressure Drop)是膜設備運行參數(shù)，被定義為驅動水透過膜所需的壓力，為進水壓力和過濾壓力的差值。孔徑較小的膜所需的跨膜壓差也較大，在水溫較低、通量較高以及發(fā)生污染時，跨膜壓差也較高。以上是針對傳統(tǒng)MBR中采用的微濾或超濾膜的過濾阻力測試方法及其裝置。由于 DMBR中粗網(wǎng)濾膜的過濾方式和污染特性都顯著不同于傳統(tǒng)膜材料，常規(guī)的氣壓型過濾裝置不能用于粗網(wǎng)濾膜過濾阻力的測試。而目前尚無專門針對粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力測試方法及裝置，本發(fā)明因此而來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，解決了現(xiàn)有技術中DMBR中粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力難以測試的問題。為了解決現(xiàn)有技術中的這些問題，本發(fā)明提供的技術方案是一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，包括過濾池、濾液收集裝置和檢測濾液收集裝置變化的檢測裝置，所述過濾池近底部安裝有粗網(wǎng)濾膜，所述粗網(wǎng)濾膜將過濾池分成處于粗網(wǎng)濾膜上端的污泥懸浮液區(qū)和處于粗網(wǎng)濾膜下端的濾液區(qū)；所述濾液區(qū)濾液收集入濾液收集裝置，其特征在于所述過濾池外側還設置有進行污泥培養(yǎng)的曝氣池，所述曝氣池內(nèi)污泥懸浮液連續(xù)輸送入過濾池的污泥懸浮液區(qū)中。優(yōu)選的，所述曝氣池內(nèi)設置微孔曝氣頭，所述微孔曝氣頭設置在曝氣池底部，且通過氣體輸送管路與氣泵連接；所述氣泵經(jīng)氣體輸送管路向曝氣池內(nèi)輸送氣體進行曝氣培養(yǎng)。優(yōu)選的，所述曝氣池與過濾池間設置蠕動泵，曝氣池內(nèi)污泥懸浮液經(jīng)蠕動泵泵入過濾池的污泥懸浮液區(qū)。優(yōu)選的，所述過濾池為開口容器，所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)內(nèi)設置攪拌器。優(yōu)選的，所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)外側固定高度設置溢流裝置，所述溢流裝置通過液體輸送管路與曝氣池連接；當污泥懸浮液區(qū)液面高出固定高度時，污泥懸浮液區(qū)內(nèi)污泥懸浮液流入溢流裝置，經(jīng)液體輸送管路流入曝氣池。優(yōu)選的，所述濾液收集裝置與過濾池間設置高度可調(diào)節(jié)的濾液中轉裝置，所述濾液中轉裝置與過濾池的濾液區(qū)連通，并通過液體輸送管路流入濾液收集裝置。優(yōu)選的，所述濾液中轉裝置為可升降的溢流槽，當濾液中轉裝置內(nèi)濾液高于溢流槽口水平時，濾液中轉裝置內(nèi)濾液經(jīng)液體輸送管路流入濾液收集裝置。優(yōu)選的，所述檢測裝置包括設置在濾液收集裝置下端支撐濾液收集裝置的電子天平，所述電子天平與計算機連接將濾液變化傳輸給計算機。本發(fā)明還提供了一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)構建權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置；(2)在曝氣池中加入污泥懸浮液，并進行曝氣培養(yǎng)控制污泥懸浮液粘度；通過蠕動泵將污泥懸浮液泵入過濾池內(nèi)開始進行測試，通過檢測裝置監(jiān)測TMP值、過濾阻力。
本發(fā)明針對DMBR中粗網(wǎng)濾膜的過濾特點，對傳統(tǒng)微濾/超濾膜過濾裝置進行了一 系列改進，能有效應用于粗網(wǎng)濾膜過濾阻力的測試和污染特性的研究和測試。本發(fā)明提供了一種測試粗網(wǎng)濾膜過濾阻力的方法及其裝置，為DMBR工藝條件的優(yōu)化和新型濾網(wǎng)材料的研發(fā)提供一種有效 的定量檢測與研究技術。針對粗網(wǎng)濾膜采用水頭壓差驅動的低壓過濾方式，以及穩(wěn)態(tài)泥餅層形成所需時間較長等特點，本發(fā)明進行新的粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試方法以及測試裝置的原理在于在傳統(tǒng)的過濾裝置中，往往經(jīng)過約0. 5-1小時即可達到過濾阻力的平衡狀態(tài)，而粗網(wǎng)濾膜的泥餅層形成并達到過濾平衡狀態(tài)往往需要1個小時以上。由于污泥性質會顯著影響粗網(wǎng)濾膜的過濾性能，因此為了保證在較長測試期間內(nèi)污泥性質維持恒定并且保持較高的污泥活性，在過濾池前面設置一個曝氣池，內(nèi)設微孔曝氣頭，通過氣泵持續(xù)供氣；污泥在曝氣池內(nèi)培養(yǎng)，并通過蠕動泵連續(xù)泵入過濾池中，而過濾后收集容器內(nèi)的液體也定期返回到曝氣池內(nèi)，以確保曝氣池內(nèi)污泥濃度和水質狀態(tài)基本維持不變。本發(fā)明裝置與傳統(tǒng)的氣壓型過濾裝置采用專用的氣壓單元提供過濾驅動力相比， 本方法中無需設置任何氣壓單元，因此顯著降低了能耗并簡化了工藝設備。本發(fā)明采用水頭壓差驅動的低壓過濾方式。在過濾池上部一側的固定位置設置一個溢流裝置，使污泥混合液不斷流回曝氣池，從而使過濾池的液面高度保持不變。在過濾池的另一側設置一個可移動式的濾液中轉裝置，與過濾池底部的濾液區(qū)連通，并且濾液中轉裝置也通過溢流的方式將液位控制在一定的高度。由于在粗網(wǎng)濾膜的兩端存在液位差，因此驅動液體不斷通過粗網(wǎng)濾膜進入濾液中轉裝置，進而通過溢流排入濾液收集容器。通過調(diào)整濾液中轉裝置的高度，可以改變粗網(wǎng)濾膜兩端液體的液位差，從而達到調(diào)整TMP的目的。濾液收集容器下方的電子天平連續(xù)記錄濾液質量的變化，并實時傳輸?shù)诫娔X中進行數(shù)據(jù)分析和保存。傳統(tǒng)過濾裝置中一般采用較高的攪拌速率以避免污泥在膜表面沉積，而本裝置中攪拌器的作用是使污泥保持懸浮狀態(tài)，因此需要的攪拌速率較低，從而進一步節(jié)約了能耗。相對于現(xiàn)有技術中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提出的針對DMBR中粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力測試方法及裝置具有操作簡單、 運行方便并且成本低等諸多優(yōu)點。通過該測試方法能對DMBR中的粗網(wǎng)濾膜過濾和污染性能進行定量研究，有利于DMBR工藝的優(yōu)化和新型過濾材料的開發(fā)。此外，本發(fā)明的測試方法及裝置對于常規(guī)膜材料的低壓過濾操作工藝和膜污染特性研究也具有一定的參考價值。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖1為現(xiàn)有技術中氣壓型濾膜過濾阻力測試裝置的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置的結構示意圖。其中1為過濾池；2為粗網(wǎng)濾膜；3為濾液收集裝置；4為檢測裝置；5為曝氣池； 6為溢流裝置；7為濾液中轉裝置；8為氣壓計；9為氮氣罐，11為污泥懸浮液區(qū)；12為濾液區(qū)；13為攪拌器；14為濾膜；41為電子天平；42為計算機；51為微孔曝氣頭；52為氣泵；53 為蠕動泵；71為溢流槽口。
具體實施例方式以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進一步調(diào)整，未注明的實 施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。實施例如圖2所示，該動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，包括過濾池1、濾液收集裝置3和檢測濾液收集裝置變化的檢測裝置4，所述過濾池1近底部安裝有粗網(wǎng)濾膜 2，所述粗網(wǎng)濾膜2將過濾池1分成處于粗網(wǎng)濾膜2上端的污泥懸浮液區(qū)11和處于粗網(wǎng)濾膜2下端的濾液區(qū)12 ；所述濾液區(qū)濾液收集入濾液收集裝置3，所述過濾池1外側還設置有進行污泥培養(yǎng)的曝氣池5，所述曝氣池5內(nèi)污泥懸浮液連續(xù)輸送入過濾池1的污泥懸浮液區(qū) 11中。曝氣池5內(nèi)設置微孔曝氣頭51，所述微孔曝氣頭51設置在曝氣池5底部，且通過氣體輸送管路與氣泵52連接；所述氣泵52經(jīng)氣體輸送管路向曝氣池5內(nèi)輸送氣體進行曝氣培養(yǎng)。所述曝氣池5與過濾池間設置蠕動泵53，曝氣池5內(nèi)污泥懸浮液經(jīng)蠕動泵53泵入過濾池的污泥懸浮液區(qū)11。過濾池為開口容器，所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)11內(nèi)設置攪拌器13。所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)11外側固定高度設置溢流裝置6，所述溢流裝置6通過液體輸送管路與曝氣池5連接；當污泥懸浮液區(qū)11液面高出固定高度時，污泥懸浮液區(qū)11內(nèi)污泥懸浮液流入溢流裝置6，經(jīng)液體輸送管路流入曝氣池5。濾液收集裝置3與過濾池1間設置高度可調(diào)節(jié)的濾液中轉裝置7，所述濾液中轉裝置7與過濾池1的濾液區(qū)12連通，并通過液體輸送管路流入濾液收集裝置3。所述濾液中轉裝置7為可升降的溢流槽，當濾液中轉裝置7內(nèi)濾液高于溢流槽口 71水平時，濾液中轉裝置7內(nèi)濾液經(jīng)液體輸送管路流入濾液收集裝置3。檢測裝置4包括設置在濾液收集裝置3下端支撐濾液收集裝置3的電子天平41， 所述電子天平41與計算機42連接將濾液變化傳輸給計算機。進行過濾阻力測試時，先構建權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置；然后在曝氣池中加入污泥懸浮液，并進行曝氣培養(yǎng)控制污泥懸浮液粘度； 通過蠕動泵將污泥懸浮液泵入過濾池內(nèi)開始進行測試，通過檢測裝置監(jiān)測TMP值、過濾阻力。本實施例中粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置的過濾池為圓柱狀有機玻璃筒，分為上筒 (污泥懸浮液區(qū))和下筒(濾液區(qū))兩個部分，中間由粗網(wǎng)濾膜隔開。簡體總高度250mm， 其中上筒和下筒高度分別為200mm和50mm，上、下筒內(nèi)徑分別為IOOmm和120mm，污泥懸浮液區(qū)有效容積為1.0L。攪拌器13采用額定功率為50W的機械攪拌器進行攪拌，攪拌轉速控制在150rpm。曝氣池5為內(nèi)徑100mm、高度200mm的圓柱狀有機玻璃筒，有效容積為2L ；濾液收集裝置采用IOOOmL的燒杯。電子天平41帶有在線數(shù)據(jù)采集功能，能夠將采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)诫娔X；計算機42內(nèi)通過安裝的數(shù)據(jù)處理軟件將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)濾液密度換算為體積，并經(jīng)過Darcy公式計算得到過濾阻力。應用例1200目尼龍網(wǎng)材料粗網(wǎng)濾膜過濾阻力的測試采用200目的尼龍網(wǎng)材料構建粗網(wǎng)濾膜，測試用的污泥取自一個長期運行的實驗室規(guī)模DMBR，污泥濃度MLSS = 4g/L，SVI = 102mL/g。測試過程中采用乙酸鈉模擬廢水， COD約為500mg/L。污泥懸浮液粘度為0. 0025Pa · s。采用以上的測試方法進行測試，測試的TMP控制在20mm水頭。經(jīng)測試和計算，發(fā)現(xiàn)初始時由于泥餅層尚未形成，粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力極低，而隨著測試的進行 和泥餅層的形成，過濾阻力迅速增加，在60min后達到約 2. OX IO9HT1,此后過濾阻力的增加開始變緩，說明濾膜的過膜驅動力與流體攪拌作用下的剪切提升力逐漸達到一種平衡狀態(tài)，尼龍網(wǎng)濾膜開始穩(wěn)定的發(fā)揮過濾作用。應用例2250目鋼絲網(wǎng)粗網(wǎng)濾膜過濾阻力的測試采用實施例所述測試方法和裝置以及同樣的運行條件，對250目鋼絲網(wǎng)濾膜的過濾阻力進行測試。結果表明，鋼絲網(wǎng)表面能更快的形成泥餅層，在約40min后膜通量和過濾阻力都基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。另外，鋼絲網(wǎng)濾膜在平衡狀態(tài)的過濾阻力約為8. OX IO9HT1,顯著高于尼龍網(wǎng)濾膜在平衡狀態(tài)下的過濾阻力，說明250目鋼絲網(wǎng)濾膜比200目尼龍網(wǎng)濾膜更容易發(fā)生膜污染。上述實例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，包括過濾池(1)、濾液收集裝置(3)和檢測濾液收集裝置變化的檢測裝置(4)，所述過濾池(1)近底部安裝有粗網(wǎng)濾膜 (2)，所述粗網(wǎng)濾膜(2)將過濾池(1)分成處于粗網(wǎng)濾膜(2)上端的污泥懸浮液區(qū)(11)和處于粗網(wǎng)濾膜(2)下端的濾液區(qū)(12)；所述濾液區(qū)濾液收集入濾液收集裝置(3)，其特征在于所述過濾池(1)外側還設置有進行污泥培養(yǎng)的曝氣池(5)，所述曝氣池(5)內(nèi)污泥懸浮液連續(xù)輸送入過濾池(1)的污泥懸浮液區(qū)(11)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述曝氣池(5)內(nèi)設置微孔曝氣頭(51)，所述微孔曝氣頭(51)設置在曝氣池(5)底部，且通過氣體輸送管路與氣泵(52 )連接；所述氣泵(52 )經(jīng)氣體輸送管路向曝氣池(5 )內(nèi)輸送氣體進行曝氣培養(yǎng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述曝氣池(5)與過濾池間設置蠕動泵(53)，曝氣池(5)內(nèi)污泥懸浮液經(jīng)蠕動泵(53)泵入過濾池的污泥懸浮液區(qū)(11)。
4.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述過濾池為開口容器，所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)(11)內(nèi)設置攪拌器(13)。
5.根據(jù)權利要求4所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述過濾池的污泥懸浮液區(qū)(11)外側固定高度設置溢流裝置(6)，所述溢流裝置(6)通過液體輸送管路與曝氣池(5)連接；當污泥懸浮液區(qū)(11)液面高出固定高度時，污泥懸浮液區(qū)(11)內(nèi)污泥懸浮液流入溢流裝置(6 )，經(jīng)液體輸送管路流入曝氣池(5 )。
6.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述濾液收集裝置(3)與過濾池(1)間設置高度可調(diào)節(jié)的濾液中轉裝置(7)，所述濾液中轉裝置(7)與過濾池(1)的濾液區(qū)(12)連通，并通過液體輸送管路流入濾液收集裝置(3)。
7.根據(jù)權利要求6所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述濾液中轉裝置(7)為可升降的溢流槽，當濾液中轉裝置(7)內(nèi)濾液高于溢流槽口(71) 水平時，濾液中轉裝置(7 )內(nèi)濾液經(jīng)液體輸送管路流入濾液收集裝置(3 )。
8.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，其特征在于所述檢測裝置(4)包括設置在濾液收集裝置(3)下端支撐濾液收集裝置(3)的電子天平 (41)，所述電子天平(41)與計算機(42 )連接將濾液變化傳輸給計算機。
9.一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)構建權利要求1所述的動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置；(2)在曝氣池中加入污泥懸浮液，并進行曝氣培養(yǎng)控制污泥懸浮液粘度；通過蠕動泵將污泥懸浮液泵入過濾池內(nèi)開始進行測試，通過檢測裝置監(jiān)測TMP值、膜通量而測定相應粗網(wǎng)濾膜的過濾阻力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動態(tài)膜生物反應器粗網(wǎng)濾膜過濾阻力測試裝置，包括過濾池(1)、濾液收集裝置(3)和檢測濾液收集裝置變化的檢測裝置(4)，所述過濾池(1)近底部安裝有粗網(wǎng)濾膜(2)，所述粗網(wǎng)濾膜(2)將過濾池(1)分成處于粗網(wǎng)濾膜(2)上端的污泥懸浮液區(qū)(11)和處于粗網(wǎng)濾膜(2)下端的濾液區(qū)(12)；所述濾液區(qū)濾液收集入濾液收集裝置(3)，其特征在于所述過濾池(1)外側還設置有進行污泥培養(yǎng)的曝氣池(5)，所述曝氣池(5)內(nèi)污泥懸浮液連續(xù)輸送入過濾池(1)的污泥懸浮液區(qū)(11)中。該裝置對動態(tài)膜生物反應器(DMBR)中的粗網(wǎng)濾膜過濾和污染性能進行定量研究，具有操作簡單、運行方便并且成本低等諸多優(yōu)點。
文檔編號G01N15/08GK102288525SQ20111011741
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權日2011年5月9日
發(fā)明者俞漢青, 李文衛(wèi), 王允坤 申請人:中國科學技術大學蘇州研究院