专利名称：一体式交错流中空纤维膜生物反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物反应器，尤其涉及一体式交错流中空纤维膜生物反应器。
背景技术：
随着水资源紧缺形势的不断恶化以及膜科学技术的飞速发展，废水的回用已成为 工业废水和生活废水处理的最终目的。同时废水的回用可减少污染物排放甚至实现零排 放，这对水资源的节约和环境的保护具有极其重要的作用，也是随着我国可持续性生产国 策更为严格推行，企业生存的必要条件。膜生物反应器的应用受到越来越广泛地关注，但其存在的关键问题，从表面上来 看，集中在膜组件本身容易污染方面。这一问题在现有的大量研究过程中，已经有相当的研 究结果，且这些研究的结果在实践过程中已经发挥了越发重要的作用，并形成相当数量的 专利产品。现有的关于延缓膜污染的技术主要分为如下两个方面(1)从膜组件本身特性 入手，主要包括材料的选择、制造工艺的改进以及各种物理和化学手段的介入(预膜)；(2) 运行过程中设法通过外力延缓膜表面污染物的沉积，主要分为水力条件(交错流的剪切作 用)和外加机械设备形成作用于膜表面的剪切清扫作用。实际上，一体式中空纤维膜生物 反应器处理污水过程中，还存在更为深层次的问题。这一类型的膜生物反应装置，均采用真 空泵在膜组件表面两侧造成压差，并利用膜组件的分离作用截流污染物，而将水吸入制成 相应水质的出水回用或排放。但是，根据流体力学原理可知，泵或风机等流体机械设备，通常其吸入端作用的范 围非常有限，在不采用进行流动控制技术时，要加强吸入的作用，只能通过加大本的扬程或 真空度来实现，这样直接造成运行动力消耗的提升；同时膜组件本身是局部阻力较高的组 件，为了保持水的通量达到一定的要求，作用压差要达到相应的标准。对于传统的结合流动 控制技术的一体式中空纤维膜生物反应器而言，真空泵在膜组件两侧形成的吸力作用本身 有限，而由于流动的连续性，会使周围流体产生附加运动，这会造成动力的消耗和吸力作用 的进一步衰减。随着实际处理过程的展开，尤其是在污水处理过程中，由于颗粒污泥和胶团 类杂质的大量存在，会在膜表面形成污染，进一步加大膜组件的局部流通阻力，造成吸入作 用的进一步恶化，如此造成吸入作用不断减弱和污染不断增加的恶性循环。当然在交错流的剪切作用下，膜污染的速度可以得到相当的缓解，但对于恶性循 环的特性并未有任何本质的改善。同时传统的交错流曝气方式由于未对相应的剪切流动进 行合理组织，这一部分曝气的能量(射流端，作用范围大)还被用于驱动周围流场的高速流 动，与生物反应器的原有曝气装置功能重复，造成浪费的同时，并未有针对性的强化剪切作 用，这正是需要采用流动控制技术降低一体式中空纤维膜生物反应器运行能耗的又一主要 原因。废水处理的运行过程中，生物反应器的流体环境中存在大量的颗粒污泥、大分子 溶质和胶团类物质，这些污染物的分离只能通过膜来实现，或者说废水中所有的污染负荷 全都加载在膜组件表面，而传统的一体式交错流中空纤维膜组件从设计到应用，对这一问题都没有引起足够的重视，认为只要在合适的交错流条件下，膜组件的污染是可以控制的。 实际上高的剪切作用首先是对应的运行能耗高，其次过强的剪切作用，并不利于膜的使用 寿命，这两个问题对交错流的曝气量提出了苛刻的要求，或者说交错流曝气量必须适当，而 这一适当的程度则需要依据所处理的废水水质和流量的变化，对人为经验具有较高的依赖 性，那么通过合理的流动控制技术，对这些污染负荷进行预处理，降低膜的分离负荷，应该 是提高膜组件使用寿命的、更为有效的途径。
发明内容本实用新型针对现有技术中存在的未对膜组件周围流动进行有效控制；由于真空 泵在膜组件两侧形成的吸力作用及其作用范围本身有限，同时由于其物理特性，膜组件具 有较高的局部，以及流动的连续性使周围流体产生附加运动，如附图5所示，从而造成动力 的消耗和吸力作用的进一步衰减；曝气气体的流动相应分散不能集中用于交错流的剪切作 用，导致运行动力消耗无端增加的同时，使剪切作用的减弱；膜组件吸入端未进行污泥进行 预处理，由于颗粒污泥和胶团类杂质的大量存在，使膜表面形成污染，进一步加大膜组件的 局部流通阻力，造成吸入作用的进一步恶化，从而造成吸入作用不断减弱和污染不断增加 的恶性循环的不足，提供了一种对膜组件周围流动进行有效控制，改善膜组件吸入特性，强 化交错流动的剪切作用，并对污泥进行预处理，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水 动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染的一体式交错流 中空纤维膜生物反应器。为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件和曝气头，曝气头设于膜组件 正下方，膜组件和曝气头外部套设有流动诱导装置，流动诱导装置与膜组件和曝气头之间 形成上下贯通的流动诱导通道，曝气头与交错流曝气泵相连的管路上连接有气体流量计。增加流动诱导装置，即为膜表面吸入端增加流动的诱导段，以达到强化吸入作用。 流动诱导装置在诱导流场作用的同时，由于对流场附加惯性力的降低，可以进一步降低吸 入制水过程的动力消耗。曝气头也设置在流动诱导装置内，将曝气所诱发的剪切流动集中 在流动诱导装置作用的局部范围内，达到直接强化剪切作用的目的，起作用直接针对膜组 件本身，减少了对周围流体的诱导运动，在强化剪切作用的同时，可以降低曝气所需的运行 动力，或者说流动诱导装置的存在会使交错流的剪切作用集中明确地作用于膜组件本身。 这两个设计的结合将从根本改善吸入消耗和剪切消耗在运行过程中的耦合恶性循环，达到 提高运行效率和延长膜组件寿命的双重作用。对于未添加流动流动诱导装置和添加后相应0. 45微米聚丙烯中空纤维膜组件连 续运行时，在基本相同污水环境条件(污泥浓度和污水性质)下，通量和压降随时间演变的 过程分别如附图7、8所示，从图中可以看出，同样的通量条件，采用诱导装置后，真空泵运 行的压力为未采用该装置之前的30、0%。同时连续运行过程中，未加设流动诱导装置前， 连续运行过程中，由于污染物的快速沉积，膜通量从初始值快速下降至稳定运行的取值。而 添加该装置后，相应膜组件的通量在连续运行过程中几乎没有改变，这表明通过本实用新 型所进行的基于流体力学原理的流动组织技术，在有效降低膜组件运行能耗的同时，由于 强化强化剪切作用的特点，直接起到延缓膜表面污染的显著作用。[0012]作为优选，流动诱导装置下端设有整流板，整流板上设有过滤孔。为了进一步降低 污泥对膜表面的污染作用，在流动诱导装置吸入端部分设计污泥预处理部件，即整流板以 减少污泥与膜组件的直接接触，进一步提高膜组件的使用寿命。由于流动方向的改变，整流 板可起到初步过滤污泥的作用。作为优选，整流板上的过滤孔呈环状分布。更有利于污泥的预处理。作为优选，膜组件下端距流动诱导装置下端的垂直距离为20-50厘米。该深度可 有效的实现诱导，从而改善膜组件吸入特性，强化交错流动的剪切作用，进一步延缓膜的污 染，从而达到膜组件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面 的污染。作为优选，流动诱导装置下端开口直径为20-100厘米。该宽度可有效的实现诱 导，从而改善膜组件吸入特性，强化交错流动的剪切作用，进一步延缓膜的污染，从而达到 膜组件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。基于本实用新型多采用流体力学原理的装置可采用的形式很多，与膜组件本身的 几何以及安装特性相关，都列入本实用新型的保护范畴。作为优选，流动诱导装置为圆柱形。适合用于圆柱形的膜组件，从而改善膜组件吸 入特性，强化交错流动的剪切作用，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水动力消耗、 交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。作为优选，流动诱导装置为圆台形，流动诱导装置下端开口大于流动诱导装置上 端开口。流动诱导装置下端为喇叭口，也可强化吸入，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组 件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。作为优选，流动诱导装置为棱柱形。适合用于棱柱形的膜组件，从而改善膜组件吸 入特性，强化交错流动的剪切作用，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水动力消耗、 交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。作为优选，膜组件上端通过出水管路与真空泵相连，出水管路上连接有膜出水流量计。按照本实用新型的技术方案，对膜组件进行良好控制，改善膜组件吸入特性，强化 交错流动的剪切作用，并对污泥进行预处理，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水动 力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。废水处理的运行过程中，生物反应器的流体环境中存在大量的颗粒污泥、大分子 溶质和胶团类物质，这些污染物的分离只能通过膜来实现，或者说废水中所有的污染负荷 全都加载在膜材料表面，而传统的一体式交错流中空纤维膜组件从设计到应用，对这一问 题都没有引起足够的重视，认为只要在合适的交错流条件下，膜组件的污染是可以控制的。 实际上高的剪切作用首先是对应的运行能耗高，其次过强的剪切作用，并不利于膜的使用 寿命，这两个问题对交错流的曝气量提出了苛刻的要求，或者说交错流曝气量必须适当，而 这一适当的程度则需要依据所处理的废水水质和流量的变化，对人为经验具有较高的依赖 性，那么通过合理的流动控制技术，对这些污染负荷进行预处理，降低膜的分离负荷，应该 是提高膜材料使用寿命的、更为有效的途径。本实用新型研究结合流体力学的知识，引进流动控制技术，在改善吸入特性的同 时强化交错流动的剪切作用，并通过适当的手段对污泥进行预处理，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的 污染，该方法可与现有的所有研究结果有机结合，达到对膜组件的良好控制。
图1为本实用新型实施例1的结构示意图。图2为图1中整流板的结构示意图。图3为本实用新型实施例2的结构示意图。图4为本实用新型实施例3的结构示意图。图5未添加流动诱导装置的一体式交错流膜生物反应器气水流动示意图。图6添加流动诱导装置后的一体式交错流膜生物反应器气水流动示意图。图7未添加流动诱导装置的0. 45微米交错流聚丙烯膜组件压降、通量随时间演过 过程。图8添加流动诱导装置后的0. 45微米交错流聚丙烯膜组件压降、通量随时间演过 过程。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述实施例1一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件1和曝气头4，曝气头4设于膜 组件1正下方，膜组件1和曝气头4外部套设有流动诱导装置2，流动诱导装置2与膜组件 1和曝气头4之间形成上下贯通的流动诱导通道3，曝气头4与交错流曝气泵7相连的管路 71上连接有气体流量计6。流动诱导装置2为圆柱形。流动诱导装置2下端设有整流板5， 整流板5上设有过滤孔51。整流板5上的过滤孔51呈环状分布。膜组件下端11距流动诱 导装置下端21的垂直距离为40厘米。流动诱导装置下端21开口直径为60厘米。膜组件 与真空泵10相连的出水管路9上连接有膜出水流量计8。附图5、6分别示意添加流动诱导装置前后膜组件周围气水流动情况。添加前，即 未对膜组件周围流动进行有效控制；由于真空泵在膜组件两侧形成的吸力作用及其作用范 围本身有限，同时由于其物理特性，膜组件具有较高的局部，以及流动的连续性使周围流体 产生附加运动，从而造成动力的消耗和吸力作用的进一步衰减；曝气气体的流动相应分散 不能集中用于交错流的剪切作用，导致运行动力消耗无端增加的同时，使剪切作用的减弱； 膜组件吸入端未进行污泥进行预处理，由于颗粒污泥和胶团类杂质的大量存在，使膜表面 形成污染，进一步加大膜组件的局部流通阻力，造成吸入作用的进一步恶化，从而造成吸入 作用不断减弱和污染不断增加的恶性循环。添加后，即对膜组件周围流动进行有效控制， 改善膜组件吸入特性，强化交错流动的剪切作用，并对污泥进行预处理，进一步延缓膜的污 染，从而达到膜组件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面 的污染。对于未添加流动流动诱导装置和添加后相应0. 45微米聚丙烯中空纤维膜组件连 续运行时，在基本相同污水环境条件(污泥浓度和污水性质)下，通量和压降随时间演变的 过程分别如附图7、8所示，从图中可以看出，同样的通量条件，采用诱导装置后，真空泵运行的压力为未采用该装置之前的30、0%。同时连续运行过程中，未加设流动诱导装置前， 连续运行过程中，由于污染物的快速沉积，膜通量从初始值快速下降至稳定运行的取值。而 添加该装置后，相应膜组件的通量在连续运行过程中几乎没有改变，这表明通过本实用新 型所进行的基于流体力学原理的流动组织技术，在有效降低膜组件运行能耗的同时，由于 强化剪切作用的特点，直接起到延缓膜表面污染的显著作用。实施例2一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件1和曝气头4，曝气头4设于膜 组件1正下方，膜组件1和曝气头4外部套设有流动诱导装置2，流动诱导装置2与膜组件 1和曝气头4之间形成上下贯通的流动诱导通道3，曝气头4与交错流曝气泵7相连的管路 71上连接有气体流量计6。流动诱导装置2为圆台形，流动诱导装置下端21开口大于流动 诱导装置上端22开口。流动诱导装置2下端设有整流板5，整流板5上设有过滤孔51。整 流板5上的过滤孔51呈环状分布。膜组件下端11距流动诱导装置下端21的垂直距离为 50厘米。流动诱导装置下端21开口直径为100厘米。膜组件与真空泵10相连的出水管路 9上连接有膜出水流量计8。实施例3一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件1和曝气头4，曝气头4设于膜 组件1正下方，膜组件1和曝气头4外部套设有流动诱导装置2，流动诱导装置2与膜组件 1和曝气头4之间形成上下贯通的流动诱导通道3，曝气头4与交错流曝气泵7相连的管路 71上连接有气体流量计6。流动诱导装置2为棱柱形。流动诱导装置2下端设有整流板5， 整流板5上设有过滤孔51。整流板5上的过滤孔51呈环状分布。膜组件下端11距流动诱 导装置下端21的垂直距离为30厘米。流动诱导装置下端21开口直径为70厘米。膜组件 与真空泵10相连的出水管路9上连接有膜出水流量计8。总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所 作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。
权利要求一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件(1)和曝气头(4)，其特征在于曝气头(4)设于膜组件(1)正下方，膜组件(1)和曝气头(4)外部套设有流动诱导装置(2)，流动诱导装置(2)与膜组件(1)和曝气头(4)之间形成上下贯通的流动诱导通道(3)，曝气头(4)与交错流曝气泵(7)相连的管路(71)上连接有气体流量计(6)。
2.根据权利要求1所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于流动诱导 装置下端(21)设有整流板(5)，整流板(5)上设有过滤孔(51)。
3.根据权利要求2所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于整流板(5) 上的过滤孔(51)呈环状分布。
4.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于 膜组件下端(11)距流动诱导装置下端(21)的垂直距离为2050厘米。
5.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于 流动诱导装置下端(21)开口直径为20-100厘米。
6.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于 流动诱导装置(2)为圆柱形。
7.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于流 动诱导装置(2)为圆台形，流动诱导装置下端(21)开口大于流动诱导装置上端(22)开口。
8.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于 流动诱导装置(2)为棱柱形。
9.根据权利要求1或2或3所述一体式交错流中空纤维膜生物反应器，其特征在于 膜组件上端(12)通过出水管路(9)与真空泵(10)相连，出水管路(9)上连接有膜出水流 量计⑶。
专利摘要本实用新型涉及生物反应器，公开了一体式交错流中空纤维膜生物反应器，包括膜组件和曝气头，曝气头设于膜组件正下方，膜组件和曝气头外部套设有流动诱导装置，流动诱导装置与膜组件和曝气头之间形成上下贯通的流动诱导通道，曝气头与交错流曝气泵相连的管路上连接有气体流量计。流动诱导装置下端设有整流板，整流板上设有过滤孔。按照本实用新型的技术方案，对膜组件进行良好控制，改善膜组件吸入特性，强化交错流动的剪切作用，并对污泥进行预处理，进一步延缓膜的污染，从而达到膜组件制水动力消耗、交错剪切动力消耗的大幅度降低，从根本上延缓膜表面的污染。
文档编号C02F3/00GK201605180SQ20092031637
公开日2010年10月13日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者朱文芳, 王小华 申请人:王小华;朱文芳