无泡曝气与微孔曝气相结合的混合式氢基质生物膜反应器的制作方法

本实用新型属于环境工程和市政工程污水处理的技术领域，涉及一种无泡曝气与微孔曝气相结合的混合式氢基质生物膜反应器。

背景技术：

在我国的不少地区，地下水被氧化态物质污染的程度是相当严重的。这些氧化态物质主要包括离子化合物(如硝酸盐、硫酸盐、溴酸盐等)，氧化态重金属(Cr(Ⅵ))和挥发性有机物质(如氯仿、对硝基氯苯等)。

在污水处理、水资源再利用领域，MBR又称膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor)，是一种由活性污泥法与结合的新型水处理技术。膜的种类繁多，按分离机理进行分类，有反应膜、离子交换膜、渗透膜等；按膜的性质分类，有天然膜(物膜)和合成膜(有机膜和无机膜)；按膜的结构型式分类，有平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。

氢基质生物膜技术是一种自养生物还原方法，具有清洁、无残留、利用率高、成本低廉、无须后续生物稳定性处理等优点，适用于有机碳源缺乏的地下水处理。该技术采用氢气作为电子供体，中空纤维膜作为生物膜载体。氢气从中空纤维膜内部通过无泡扩散方式扩散到膜外，被膜表面的微生物利用；同时，氧化性物质被还原而达到净化水质目的，如硝酸盐被彻底还原为无毒的氮气，溴酸盐被还原成低毒的溴离子。

氢基质生物膜反应器在我国的使用目前停留在实验室研究较多，如申请号200810202126.1和申请号201210525050.2的中国专利申请。其中，后者是前者的改进装置。申请号200810202126.1的专利，筒体内底有水下搅拌器，下部有与内壁固结的固定支架装置，内部有通过纤维膜密封胶将两端的中空纤维膜和膜组件端头套筒固结并密封的可拆卸中空纤维膜组件，膜组件端头套筒通过内螺纹紧固套筒分别与底端的膜组件支架和顶端与法兰盖固结的膜组件固定件连接，法兰盖上有氢气管接头。氢气可经由膜组件端头套筒进入中空纤维膜内部并以无泡扩散的方式扩散到膜丝外表面。通过长期的运行实践，上述专利中的氢基质生物膜反应器运行稳定，处理效果良好，但存在以下4个问题：1)上述专利PVDF中空纤维超滤膜膜长及膜丝根数受到反应器大小的限制，膜丝根数有限，中空纤维膜组件顶端通氢气：膜丝过长，氢气在传输过程中受到沿程阻力影响扩散不均，导致膜丝表面生物膜顶端较厚，底端较薄，氢气利用效率低；膜丝过短，氧化态污染物去除效果不佳；2)上述专利未考虑脱落的生物膜收集及排出,在实际运行过程中，随着微生物的生长周期，脱落的生物膜慢慢积累，如果得不到有效排出，会减小反应器的有效体积，同时恶化出水水质；3)MBfR处理对象主要是地下水等贫碳源、低负荷废水中氧化态污染物，具有较强的局限性，且处理效果相比摇瓶实验略差，对于稍高污染物负荷的废水处理效果不佳，根本原因在于：第一，由于膜丝长度及根数的限制，附着生长的生物膜数量有限；第二，由于H₂传递效率的限制，附着生长的生物膜厚度有限，污泥浓度较低；第三，受到顶端自流出水及膜法H₂100％利用率的限制，反应器内部不会长久存在悬浮态微生物，仅靠PVDF中空纤维膜上微生物处理氧化态污染物，污泥浓度偏低；4)上述专利中膜组件与反应器箱体连接，离线清洗或者更换膜组件需要拆卸反应器，工作量较大，并且容易破坏反应器的缺氧环境，影响反应器的连续稳定运行。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种处理效果好，气体利用高，拆卸更换膜组件简单易行，污染物去除负荷高，可进行工程放大化的无泡曝气与微孔曝气相结合的混合式氢基质生物膜反应器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无泡曝气与微孔曝气相结合的混合式氢基质生物膜反应器，该装置包括底部支架、设置在底部支架上的反应器筒体、沿反应器筒体的轴向平行设置在反应器筒体内部的1#膜组件及2#膜组件、设置在反应器筒体顶部的反应器顶盖、垂直挂设在反应器顶盖上的液位控制器以及设置在反应器筒体内部的压力传感器，所述的反应器筒体的下端一侧设有进水口、氢气进气口及微孔针头，另一侧设有回流水出口及排泥口。

所述的1#膜组件的轴向长度大于2#膜组件的轴向长度，并沿轴向贯穿整个反应器筒体的内腔，所述的1#膜组件中通氢气，进行无泡曝气，所述的2#膜组件则抽滤取反应器筒体内上端液面作为出水，

所述的1#膜组件包括呈U字型设置的一号PVDF中空纤维膜丝、套设在一号PVDF中空纤维膜丝两端的一号套筒以及与一号套筒相连接的一号接头；

所述的2#膜组件包括呈U字型设置的二号PVDF中空纤维膜丝、套设在二号PVDF中空纤维膜丝两端的二号套筒以及与二号套筒相连接的二号接头。

所述的一号PVDF中空纤维膜丝及二号PVDF中空纤维膜丝的外径为1.0-3.0mm，内径为0.5-1.5mm，膜孔径为0.01-0.4μm。

所述的一号PVDF中空纤维膜丝共设有55-75根，所述的二号PVDF中空纤维膜丝共设有20-40根。

所述的1#膜组件的一号接头通过软管依次与一号三通管、一号双通管与外界的氢气源相连通。

所述的2#膜组件的二号接头通过软管依次与二号三通管、二号双通管与外界的抽水泵相连通。

所述的反应器顶盖上设有备用排气口，所述的反应器顶盖与反应器筒体之间设有硅胶垫。

所述的反应器筒体为圆柱形反应器筒体，该圆柱形反应器筒体的材质为有机玻璃。

本实用新型装置在受氧化性物质污染的地下水源处理中有着广泛的应用前景，如应用于含高硝酸盐的地下水、矿区地下水重金属污染、干洗行业废水含氯仿类污染物污染的地下水、含高氧化态污染物实际废水等。

本实用新型设计思路是在反应器筒体内部投加两束PVDF中空纤维超滤膜，一束进行无泡曝氢气，另一束模拟MBR工艺出水，利用氢生物膜态及悬浮态氢自养菌对贫碳源受氧化态污染物质污染的污水进行净化处理。

本实用新型的反应器筒体的形状为圆柱形，将装置的高度降低、内径增大，有效容积不变。反应器筒体底部可连续进水，内部投加两束PVDF中空纤维超滤膜，膜组件通过三通及螺纹固定在反应器顶盖上，离线清洗和更换极为方便：一号PVDF中空纤维超滤膜中利用膜曝气的方法连续通入H₂气体，H₂扩散方式为无泡扩散，安全且100％高效利用；该膜组件采用U型结构，在不增加高度的基础上，增加了微生物的附着面积，并且使膜丝表面都可以与污水接触；二号PVDF中空纤维超滤膜结合MBR工艺利用蠕动泵连续抽滤出水，改进了自流出水使反应器密闭，内部存在悬浮态氢自养菌。底端固定伸入微孔注射器针头间歇微孔曝氢气，介于鼓泡曝气与无泡曝气之间，为反应器内部氢自养菌悬浮生长提供充足的电子。由于H₂以微小气泡形式扩散，出于安全性考虑，反应器密封性良好，设有液位控制器，有效控制反应器内部的液位。反应器筒体内部还设置压力传感器，用以控制反应器内部氢气分压，保证氢气供应量，指示反应器安全；设置排气口目的在于定期使用真空泵抽真空，后重新通入一定分压氢气，保证氢气纯度，比如硫酸盐经过氢自养菌还原产生H₂S气体。反应器采用磁力搅拌及回流扰动，通过高速回流使反应器内溶液混合均匀。

在实际组装时，可通过法兰螺丝将反应器顶盖和反应器筒体紧密连接成一体，保证反应器内为严格密闭环境。反应器筒体下端设置微孔进气口，注射器针头伸入反应器筒体内部，严格密闭，压力传感器控制底部氢气间歇曝气，反应器壁厚均为10mm，承压性能良好，保证安全。

本实用新型装置运行时，H₂以一定压力通过气体管路：一方面，进入1#膜组件中空纤维膜膜丝内部，再通过通过膜丝表面的微孔以无泡扩散方式扩散至膜丝外部；另一方面通过底部微孔曝气进入反应器内部水体，通过蠕动泵，以相同流速连续进水，连续抽滤出水，液位控制器以防出现故障液位较高，顶空：液体容积比例1：3。压力传感器控制反应器内部压力，每天通过排气口利用真空泵抽真空，后重新通入氢气，保证纯度。回流进水口与回流出水口之间用蠕动管连接，中间经回流泵提供动力，使得筒体内形成回流，使筒体内的水流呈完全混合流。氢气经膜孔扩散后，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的污染物质由生物膜外部向内部扩散，逆向扩散导可提高气体和底物的利用速率。同时水体中悬浮态自养菌的存在进一步提高污染物去除率。微生物利用HCO₃^-作为无机碳源，以氧化性污染物为底物，利用氢气提供的电子将氧化性污染物还原成低毒或无毒的形态，还原产物或形成沉淀被生物膜吸附，或回到水体中。净化后的水由顶部的MBR工艺抽滤出水。

本实用新型结合MBR工艺的膜法出水避免传统MBfR工艺的微生物自流流失，增大污泥浓度从而提高去除效果；膜法曝气促进气体在水相中溶解，提高气体利用率，底部微孔曝气保证反应器内部氢气供应；回流系统及磁力搅拌使反应器内部出于完全混合状态，有利于污染物的去除；上下两端通气避免了沿程阻力带来的气体扩散不均匀和利用率低的不足膜的清洗无需拆卸膜组件即可完成。本实用新型结构合理，处理效果好，可有效处理地下水及部分工业废水中氧化性污染物。

本实用新型装置考虑到脱落的生物膜收集及排出，在实际运行过程中，随着微生物的生长周期，脱落的生物膜慢慢积累，增设排泥口有效排出脱落生物膜。

与现有技术相比，本实用新型结合MBR工艺的膜法出水避免传统MBfR工艺的微生物自流流失，增大污泥浓度，从而提高去除效果；膜法曝气促进气体在水相中溶解，提高气体利用率，底部微孔曝气保证反应器内部氢气供应；回流系统及磁力搅拌使反应器内部出于完全混合状态，有利于污染物的去除；上下两端通气避免了沿程阻力带来的气体扩散不均匀和利用率低的不足膜的清洗无需拆卸膜组件即可完成。本实用新型结构合理，处理效果好，可有效处理地下水及部分工业废水中氧化性污染物。具有以下特点：

1)由于本实用新型反应器为保证混合均匀及仪表安放位置控制，反应器的深度降低，内径增大，有效容积不变，膜丝长度也减小，氢气可以有效传质到膜丝各个位置，避免了膜丝内部气压沿程下降，导致膜丝外部水压高于膜丝内部气压，污水渗入膜丝，影响反应器的正常运行，因此具有气体利用率高，污染物去除效率高的优点；

2)本实用新型反应器内部中空纤维膜组件均采用U型结构，在不增加高度的基础上：增加了微生物的附着面积，并且使膜丝表面都可以与污水接触；增加量抽滤出水膜丝面积，减缓膜污染速度；膜丝分布均匀，疏密适中，膜丝比表面积大,结构简单，易于大规模工程化应用；

3)本实用新型氢基质生物膜反应器结合MBR工艺，将原有自流出水改进为MBR抽滤出水，保证反应器内部存在悬浮态氢自养菌，不因自流出水流失，增大污泥利用率及污泥浓度，进而提高污染物去除效率，同时将MBfR与MBR相结合具有创新性；

4)本实用新型氢基质生物膜反应器底部增设间歇微孔曝气，保证反应器内部悬浮态氢自养菌氢气供给充足，增大了污泥浓度，提高氧化态还原速度及去除效率；

5)本实用新型反应器顶盖设有液位控制器，有效控制反应器内液位，保证顶空氢气充足，为悬浮态氢自养菌提供电子，且辅助控制反应器内部压力；

6)本实用新型反应器顶盖设置压力传感器，壁厚10mm，有效控制反应器内氢气压力与合理范围内，且可直观反映反应器内氢气变化情况，保证反应器安全，方便研究；

7)本实用新型反应器底部设置排泥口，一方面方面对污泥取样研究，另一方面，脱落生物膜经过收集后通过排泥口排除，避免脱落的生物膜占用反应器的有效体积，恶化出水水质，从而保证反应器的稳定连续运行。

附图说明

图1为本实用新型装置的主剖面结构示意图；

图2为本实用新型装置的左视剖面结构示意图；

图3为本实用新型装置的工艺流程图；

图中标记说明：

1—底部支架、2—反应器筒体、3—1#膜组件、31—一号PVDF中空纤维膜丝、32—一号三通管、33—一号双通管、4—2#膜组件、41—二号PVDF中空纤维膜丝、42—二号三通管、43—二号双通管、5—反应器顶盖、6—进水口、7—氢气进气口、8—微孔针头、9—回流水出口、10—排泥口、11—液位控制器、12—压力传感器、13—回流进水口、14—备用排气口、15—硅胶垫、16—抽水泵、17—反应器主体、18—磁力搅拌器、19—进水泵、20—回流泵、21—污水池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，一种无泡曝气与微孔曝气相结合的混合式氢基质生物膜反应器，该装置包括底部支架1、设置在底部支架1上的反应器筒体2、沿反应器筒体2的轴向平行设置在反应器筒体2内部的1#膜组件3及2#膜组件4、设置在反应器筒体2顶部的反应器顶盖5，1#膜组件3的轴向长度大于2#膜组件4的轴向长度，并沿轴向贯穿整个反应器筒体2的内腔，1#膜组件3中通氢气，进行无泡曝气，2#膜组件4则抽滤取反应器筒体2内上端液面作为出水，反应器筒体2的下端一侧设有进水口6、氢气进气口7及微孔针头8，另一侧设有回流水出口9及排泥口10。反应器筒体2中还设有液位控制器11以及压力传感器12，反应器筒体2的上端还设有回流进水口13。

其中，1#膜组件3包括呈U字型设置的一号PVDF中空纤维膜丝31、套设在一号PVDF中空纤维膜丝31两端的一号套筒以及与一号套筒相连接的一号接头；2#膜组件4包括呈U字型设置的二号PVDF中空纤维膜丝41、套设在二号PVDF中空纤维膜丝41两端的二号套筒以及与二号套筒相连接的二号接头。1#膜组件3的一号接头通过软管依次与一号三通管32、一号双通管33与外界的氢气源相连通。2#膜组件4的二号接头通过软管依次与二号三通管42、二号双通管43与外界的抽水泵16相连通。

反应器顶盖5上设有备用排气口14，反应器顶盖5与反应器筒体2之间设有硅胶垫15。反应器筒体2为圆柱形反应器筒体，该圆柱形反应器筒体的材质为有机玻璃。

本实施例装置中，一号PVDF中空纤维膜丝31及二号PVDF中空纤维膜丝41采用市售的外径1.3mm，内径0.7mm，膜孔径0.02μm。一号PVDF中空纤维膜丝31共设有65根，二号PVDF中空纤维膜丝41共设有30根，总有效膜面积为2000cm²。

本实施例装置用于处理地下水及工业废水中的氧化性污染物。

在实际组装时，应首先制作反应器筒体2、反应器顶盖5、底部支架1，均由有机玻璃材料制成并通过焊接工艺连为一个整体，随后于反应器筒体2的相应位置打孔，并焊接短管，底端开设进水口6、氢气进气口7、回流水出口9，于反应器筒体2的顶端开设回流进水口13，上端开设5个法兰口。然后在反应器顶盖5开设备用排气口14，并安装开关，固定一号双通管33、二号双通管43，最后安装液位控制器11、压力传感器12，微孔针头8固定。

然后依次进行1#和2#膜组件的组装，1#膜组件3内部通H₂，由氢气管内螺纹套筒、氢气防漏垫圈、外螺纹套筒组成，有65根膜丝，长度300mm。然后用环氧树脂胶填充1#膜组件3膜丝的两端与相对应膜组件外螺纹套筒之间的空隙，保证膜丝与套筒粘结牢固且无缝隙，同时每根中空纤维膜膜丝两端开口不密封，保证氢气可进入中空纤维膜膜丝内部，再由表面的膜孔扩散到膜外。在膜组件外螺纹套筒底部铺设氢气防漏垫圈，氢气管内螺纹套筒通过螺纹与之固定在一起形成一个完整的膜组件。2#膜组件4抽滤出水，有30根膜丝，长度160mm。其材质、规格与组装方式与1#膜组件3相同。

最后进行反应器的组装，组装时首先把反应器筒体2与反应器顶盖5固定在一起，中间通过硅胶垫15密封，并用固定螺栓固定。反应器组装完成后按照图3所示的工艺流程图，将污水池21、进水泵19、回流泵20、磁力搅拌器18、反应器主体17(即本实施例装置)、进水管、回流管、放空管、出水管、氢气管连接完整。

本实施例装置运行时，H₂以一定压力通过气体管路：一方面，进入1#膜组件3中空纤维膜膜丝内部，再通过通过膜丝表面的微孔以无泡扩散方式扩散至膜丝外部；另一方面通过底部微孔曝气进入反应器内部水体。通过蠕动泵，以相同流速连续进水，连续抽滤出水，液位控制器11以防出现故障液位较高，顶空：液体容积比例1：3。压力传感器12控制反应器内部压力，每天通过备用排气口14利用真空泵抽真空，后重新通入氢气，保证纯度。回流进水口13、回流出水口9之间用蠕动管连接，中间经回流泵20提供动力，使得反应器筒体2内形成回流，使反应器筒体2内的水流呈完全混合流。氢气经膜孔扩散后，再由从生物膜的内部向外部扩散，同时水中的污染物质由生物膜外部向内部扩散，逆向扩散导可提高气体和底物的利用速率。同时，水体中悬浮态自养菌的存在进一步提高污染物去除率。微生物利用HCO₃^-作为无机碳源，以氧化性污染物为底物，利用氢气提供的电子将氧化性污染物还原成低毒或无毒的形态，还原产物或形成沉淀被生物膜吸附，或回到水体中。净化后的水由顶部的MBR工艺抽滤出水。

采用本实施例装置处理含有硝酸盐的地下水，处理水量2.88L/d，硝酸盐浓度10-20mgN/L。膜组件H₂供气压力为0.04MPa，底部H₂间歇曝气0.08MPa，隔一天真空泵通过顶端排气口抽真空。驯化期接种城市污水处理厂缺氧池活性污泥，接种量约为50mL(MLSS＝3000mg/L)。接种污泥用灭菌注射器从放空管打入反应器，将含有接种污泥的污水在反应器中循环3d，使中空纤维膜表面形成初步生物膜。然后进行40d的硝酸盐驯化启动阶段。平均水力停留时间30.17h。运行10d后，出水硝酸盐浓度稳定为零，pH值控制在7-7.5内。

实施例2

本实施例中，一号PVDF中空纤维膜丝31及二号PVDF中空纤维膜丝41采用市售的外径1.0mm，内径0.5mm，膜孔径0.01μm。一号PVDF中空纤维膜丝31共设有75根，二号PVDF中空纤维膜丝41共设有40根，总有效膜面积为2000cm²。其余结构特点与实施例1相同。

采用本实施例装置处理含有硝酸盐、硫酸盐的模拟废水，验证废水可行性，处理水量2.88L/d，硝酸盐浓度30mgN/L，硫酸盐浓度为1400mg/L。膜组件H₂供气压力为0.06MPa，底部H₂间歇曝气0.08MPa，隔一天真空泵通过顶端排气口抽真空。向驯化完成反应器直接连续进水，平均水力停留时间30.17h。运行10d后，出水硝酸盐浓度稳定为零，硫酸盐浓度1200-1300mg/L，pH值控制在7-7.5内，证明该废水可行。

使用原MBfR(有效容积，膜丝根数相同，不同在于无间歇曝气，自流出水，即无悬浮态氢自养菌)处理相同废水，硝氮去除稳定在3mg/L，本实施例出水硝酸盐浓度稳定为零，因此，本实施例装置优于原有氢基质生物膜反应器。

实施例3

本实施例中，一号PVDF中空纤维膜丝31及二号PVDF中空纤维膜丝41采用市售的外径3.0mm，内径1.5mm，膜孔径0.4μm。一号PVDF中空纤维膜丝31共设有55根，二号PVDF中空纤维膜丝41共设有20根，总有效膜面积为2000cm²。其余结构特点与实施例1相同。

采用本实施例装置处理含有硝酸盐、硫酸盐的实际工业废水(印染废水)，处理水量5.76L/d，硝酸盐浓度30mgN/L，硫酸盐浓度为1400mg/L，COD 130mg/L。膜组件H₂供气压力为0.06MPa，底部H₂间歇曝气0.08MPa，隔一天真空泵通过顶端排气口抽真空。向驯化完成反应器直接连续进水，平均水力停留时间选择30.17h、10.21h、6.03h。运行60d后，出水硝酸盐浓度均稳定为零，硫酸盐浓度1200-1300mg/L，pH值控制在7-7.5内，证明处理实际废水废水可行。

使用原MBfR(有效容积，膜丝根数相同，不同在于无间歇曝气，自流出水，即无悬浮态氢自养菌)处理相同废水，平均水力停留时间30.17h，硝氮去除稳定在6-7mg/L，水力停留时间越小，去除效果越差。本实施例装置出水硝酸盐浓度均稳定为零，因此，本实施例装置明显优于原有氢基质生物膜反应器，可用于实际废水中氧化性污染物有效去除。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。