本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种延缓膜生物反应器中膜污染的方法和磁-膜耦合反应装置。
背景技术：
膜生物反应器(mbr，membranebioreactor)由于其产水水质好、处理效率高等诸多优点，已在废水处理和回用领域得到了广泛的应用。但是，由膜污染导致的膜通量降低、运行成本增加等问题，严重限制了膜生物反应器的推广应用，至今仍是膜生物反应器研究与应用中极具挑战性的难题。
膜污染的影响因素比较复杂，主要包括三个方面：膜材料与组件结构、操作条件和污泥混合液性质。因此，膜污染的控制也主要从这三方面展开。针对这几方面的膜污染调控的研究，国内外学者已经做了很多相关的研究。但是，改进膜材料或组件周期较长，而且对水质差异、水力条件改变等适应性较差；优化操作条件等存在见效慢、不易控制等缺点；改善污泥混合液特性是通过直接外加载体或药剂，该方法较灵活、方便、有效，越来越得到人们的重视。投加载体包括填料和吸附剂，投加填料可以改善水力条件，强化膜面冲刷减缓膜污染，但填料也会将污泥絮体打碎，粒径减小，加剧膜污染；吸附剂(如活性炭)既可用作微生物载体，形成密实、抗剪切的絮体，又可以吸附膜污染物质，降低膜污染，但这种方法存在吸附剂分离和再生难的问题；投加药剂主要是投加混凝剂，投加混凝剂，可以增大污泥絮体粒径，降低溶解性微生物产物(smp，solublemicrobialproduct)，胞外聚合物(eps，extracellularpolymericsubstances)的含量，减缓膜污染。但是，混凝剂的投加也可能会降低微生物的活性，从而影响污染物的去除效果，同时也会产生大量难处理的化学污泥。
因此，提供一种方法改善膜生物反应器系统中的污泥混合液特性，从而延缓膜污染，同时又能确保系统运行的稳定性实属必要。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种延缓膜生物反应器中膜污染的方法和磁-膜耦合反应装置，用于解决现有技术中膜生物反应器污水处理过程中膜组件污染速度快，污染导致膜通量降低、运行成本增加以及环境污染等问题。
为了实现上述目的及其相关目的，本发明提供一种磁-膜耦合反应装置，所述磁-膜耦合反应装置至少包括：
进水槽，膜生物反应器，曝气系统，出水槽，加药系统，磁回收系统及反洗系统；
所述进水槽用于储存待处理废水；
所述膜生物反应器通过进水泵与所述进水槽连接，用于对所述待处理废水进行净化处理，所述膜生物反应器包括膜组件以及磁性材料，所述膜组件用对所述待处理废水净化处理过程中的污泥混合液进行固液分离；
所述曝气系统设置于所述膜生物反应器内，并与曝气泵连接，用于对所述膜生物反应器中的所述污泥混合液进行曝气操作以及对所述膜组件进行冲刷操作；
所述出水槽通过抽吸泵与所述膜生物反应器中的膜组件连接，用于存储所述膜组件在所述污泥混合液固液分离过程中的产水；
所述加药系统与所述膜生物反应器连接，用于向所述膜生物反应器中投加反应所需的物质；所述反洗系统通过反洗泵与所述膜生物反应器连接，用于对所述膜生物反应器中的膜组件进行在线反洗；
所述磁回收系统与所述膜生物反应器连接，用于分离磁性污泥中的磁性材料并进行活化处理。
可选的，所述磁-膜耦合反应装置包括液位计，所述液位计用于控制所述膜生物反应器内恒定的反应体积。
可选的，所述磁性材料的粒径为微米级或纳米级。
可选的，所述曝气系统包括穿孔曝气系统，微孔曝气系统，循环射流曝气系统或微纳米气泡曝气系统，优选地，选择循环射流曝气系统或微纳米气泡曝气系统。
可选的，所述磁回收系统与所述加药系统连接，用于将所述活化处理的磁性材料通过所述加药系统投加到所述膜生物反应器中。
可选的，所述磁回收系统可以为转鼓磁分离系统，高梯度磁分离系统或者超导磁分离系统。
可选的，所述磁-膜耦合反应装置还包括与所述进水泵、所述曝气泵、所述抽吸泵及所述反洗泵连接的自动控制装置，用于控制所述进水泵、所述曝气泵、所述抽吸泵及所述反洗泵的工作状态。
可选的，所述膜组件和抽吸泵之间设置有压力表或压力传感器，用于监测所述磁-膜耦合反应装置中的压力变化。
为了实现上述目的及其相关目的，本发明还提供一种延缓膜生物反应器中膜污染的方法，至少包括以下步骤：
1)提供磁-膜耦合反应装置，于所述磁-膜耦合反应装置中注入活性污泥；
2)于所述活性污泥中投加预设量的磁性材料，所述磁性材料为微米磁粉、纳米磁粉、微米磁性复合吸附材料、纳米磁性复合吸附材料、微米磁性复合混凝剂或纳米磁性复合混凝剂的一种或几种的混合物；
3)于所述磁-膜耦合反应装置中设置必要的曝气装置；
4)于所述磁-膜耦合反应装置中放置膜组件，并按照所述膜组件运行通量调整与所述膜组件连接的抽吸泵的运行参数；
5)调整所述磁-膜耦合反应装置中的ph值，使其维持在预设ph值；
6)连续运行加入所述磁性材料的所述磁-膜耦合反应装置，将所述活性污泥驯化为磁性污泥，同时实现对废水中的污染物进行去除以及污泥减量化效果。
可选的，步骤2)中所述微米磁粉及所述纳米磁粉的浓度设定为0.01-5g/l，优选为0.05-1.0g/l。
可选的，步骤2)中所述微米复合吸附材料及所述纳米磁性复合吸附材料的浓度设定为0.1-5.0g/l，优选为0.5-1.5g/l。
可选的，步骤2)中所述微米磁性复合混凝剂及所述纳米磁性复合混凝剂的浓度设定为0.01-1.0g/l，优选为0.1-0.2g/l。
可选的，所述磁性材料的成分包括四氧化三铁，四氧化三铁复合物，γ-三氧化二铁或γ-三氧化二铁复合物。
可选的，步骤3)中所述的曝气系统包括穿孔曝气系统，微孔曝气系统，循环射流曝气系统或微纳米气泡曝气系统。
可选的，步骤5)所述预设ph值为6.0-9.0，优选为7.5-8.3。
可选的，步骤6)中当所述膜组件污染严重时对所述膜组件进行在线反洗，以减缓所述膜组件的污染。
可选的，步骤6)之后对所述的磁性污泥中的磁性材料回收并进行活化处理，以重复利用所述磁性材料。
如上所述，本发明具有以下有益效果：
1.利用所投加的微米磁粉，纳米磁粉，微米磁性复合吸附材料，纳米磁性复合吸附材料，微米磁性复合混凝剂，纳米磁性复合混凝剂等磁性材料具有较大比表面积的特性，吸附污泥混合液中易引起膜污染的蛋白质、多糖、腐殖酸等物质，显著减缓膜污染。
2.利用所投加的微米磁粉，纳米磁粉，微米磁性复合吸附材料，纳米磁性复合吸附材料，微米磁性复合混凝剂，纳米磁性复合混凝剂的生物絮凝特性，使污泥絮体结构更加密实，粒径更大，有利于膜污染的控制，同时增加了磁-膜耦合反应装置内有效生物量，使磁-膜耦合反应装置污染物去除效果和抗冲击负荷能力增强。
3.利用所投加的微米磁粉，纳米磁粉，微米磁性复合吸附材料，纳米磁性复合吸附材料，微米磁性复合混凝剂，纳米磁性复合混凝剂的磁生物效应，增强了膜生物反应器系统中微生物的活性和生物降解能力，更快速有效地将膜生物反应器内废水中的大分子物质转化为小分子物质，从而有效地延缓大分子引起的膜污染，同时实现废水中污染物的去除和污泥减量化效果。
4、本发明中所投加的微米磁粉，纳米磁粉，微米磁性复合吸附材料，纳米磁性复合吸附材料，微米磁性复合混凝剂，纳米磁性复合混凝剂的磁核可以通过磁分离系统从污泥中分离、活化再循环利用，同时分离磁种后的污泥脱水性能更好，也避免了投加传统混凝剂时产生大量难处理的化学污泥，极大的降低运行成本。
附图说明
图1显示为本发明的磁-膜耦合反应装置示意图。
图2显示为本发明的延缓膜生物反应器中膜污染的方法流程示意图。
元件标号说明
1进水槽
2膜生物反应器
3曝气系统
4出水槽
5加药系统
6磁回收系统
7反洗系统
8进水泵
9膜组件
10液位计
11磁性材料
12曝气泵
13抽吸泵
14反洗泵
15自动控制系统
16压力表
s1-s6步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1和图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种磁-膜耦合反应装置，该磁-膜耦合反应装置至少包括：进水槽1，膜生物反应器2，曝气系统3，出水槽4，加药系统5，磁回收系统6及反洗系统7。
如图1所示，所述进水槽1通过进水泵8与所述膜生物反应器2连接，所述进水槽1用于储存待处理废水。
如图1所示，所述膜生物反应器2包括反应器及设置于所述反应器内部的膜组件9、液位计10、磁性材料11，用于对所述待处理废水进行净化处理。
具体地，所述膜组件9用对待处理废水净化处理过程中的污泥混合液进行固液分离，所述膜组件9中膜的材料包括但不限于聚偏氟乙烯膜(pvdf，polyvinylidenefluoride)、聚乙烯(pe，polyethylene)、聚丙烯(pp，polypropylene)、聚氯乙烯(pvc，polyvinylchloride)或聚醚砜(pes，polyethersulfone)的微滤膜或超滤膜，可根据所述待处理废水性质和实际情况选择膜材料，不以本实施例为限；所述液位计10用于控制所述膜生物反应器2内恒定的反应体积；所述磁性材料11用于改善所述污泥混合液的特性，所述磁性材料11的粒径为微米级或纳米级。
如图1所示，所述曝气系统3设置于所述膜生物反应器2内，并与曝气泵12连接，通过所述曝气系统3加快空气中的氧气转移到所述污泥混合液的速度，进而提高所述污泥混合液中氧气的含量，氧化、分解所述污泥混合液的污染物，同时，所述曝气系统3可冲刷所述膜组件9的膜表面，有效减缓所述膜的污染，所述曝气系统3包括但不限于穿孔曝气系统，微孔曝气系统，循环射流曝气系统或微纳米气泡曝气系统，不以本实施例为限。
如图1所示，所述出水槽4通过抽吸泵13与所述膜生物反应器2中的膜组件9连接，用于存储所述膜组件9对所述污泥混合液进行固液分离过程中的产水。
如图1所示，所述加药系统5与所述膜生物反应器2连接，用于向所述膜生物反应器2中投加或补加反应所需的物质。
如图1所示，所述反洗系统7通过反洗泵14与所述膜生物反应器2连接，用于对所述膜生物反应器2中的膜组件9进行在线反洗，所述在线反洗系统7使用的清洗液包括但不限于出水槽4中的液体，次氯酸钠或稀酸溶液，可根据膜污染物的性质选用具体的清洗液，不以本实施例所列举为限。
如图1所示，所述磁回收系统6与所述膜生物反应器2连接，用于分离磁性污泥中的磁性材料11并进行活化处理，所述磁回收系统6包括但不限于转鼓磁分离系统，高梯度磁分离系统或者超导磁分离系统，可根据实验条件选用磁分离系统，不以本实施例为限；另外，所述磁回收系统6还与所述加药系统5连接，用于将所述活化处理的磁性材料11通过所述加药系统5投加到所述膜生物反应器2中。
如图1所述，所述磁-膜耦合反应装置还包括与所述进水泵8、所述曝气泵12、所述抽吸泵及所述反洗泵14连接的自动控制装置15，用于控制所述进水泵8、所述曝气泵12、所述抽吸泵13及所述反洗泵14的工作状态。
如图1所述，所述磁-膜耦合反应装置还包括压力表16，所述压力表16连接于所述膜生物反应器2与所述出水槽4及所述反洗系统7之间，用于监测所述磁-膜耦合反应装置中的压力变化。
如图2所述，本发明还提供一种延缓膜生物反应器中膜污染的方法，在本实施例中，所述延缓膜生物反应器中膜污染的方法基于所述磁-膜耦合反应装置实现，至少包括以下步骤：
如图2中的s1所示，进行步骤1)，提供一磁-膜耦合反应装置，于所述磁-膜耦合反应装置中的膜生物反应器内注入活性污泥。
如图2中的s2所示，进行步骤2)，于所述活性污泥中投加预设量的磁性材料11，所述磁性材料11为微米磁粉、纳米磁粉、微米磁性复合吸附材料、纳米磁性复合吸附材料、微米磁性复合混凝剂或纳米磁性复合混凝剂的一种或几种的混合物；具体的，在本实施例中，所述微米磁性复合混凝剂和所述纳米磁性复合混凝剂具有絮凝剂的作用；所述微米磁粉及所述纳米磁粉的浓度设定为0.01-5.0g/l，优选为0.05-1.0g/l；所述微米复合吸附材料及所述纳米磁性复合吸附材料的浓度设定为0.1-5.0g/l，优选为0.5-1.5g/l；所述微米磁性复合混凝剂及所述纳米磁性复合混凝剂的浓度设定为0.01-1.0g/l，优选为0.1-0.2g/l；所述磁性材料11的成分至少包括四氧化三铁，四氧化三铁复合物，γ-三氧化二铁或γ-三氧化二铁复合物，不以本实施例为限。
如图2中的s3所示，进行步骤3)，于所述膜生物反应器2中设置曝气系统，并加装空气流量计计量曝气量，所述的曝气方式包括但不限于穿孔曝气，微孔曝气，循环射流曝气或微纳米气泡曝气，不以本实施例所列举为限。
如图2中的s4所示，进行步骤4)，于所述膜生物反应器2中放置膜组件9，并按照所述膜组件9运行通量调整与所述膜组件9连接的抽吸泵13的运行参数。
如图2中的s5所示，进行步骤5)，调整所述膜生物反应器2中温度使其维持在20-30℃，优选为22-28℃，并使其ph值维持在6.0-9.0，优选为7.5-8.3，以有利于污泥中微生物生长，提高污泥处理效率。
如图2中的s6所示，进行步骤6)，连续运行加入所述磁性材料11的所述磁-膜耦合反应装置，将所述活性污泥驯化为磁性污泥，同时实现对废水中的污染物进行去除以及污泥减量化效果。
需要指出的是，步骤6)中，当所述膜组件9污染严重时，通过在线反洗系统7对所述膜组件9进行在线反洗，以减缓所述膜组件9的污染，所述在线反洗系统7使用的清洗液包括但不限于出水槽4中的液体，次氯酸钠或稀酸溶液，可根据膜污染物的性质选用具体的清洗液，不以本实施例为限。
需要指出的是，步骤6)之后通过磁回收系统6对所述磁性污泥中的所述磁性材料11回收并进行活化处理，以重复利用所述磁性材料11，所述磁回收系统6包括但不限于转鼓磁分离系统，高梯度磁分离系统或者超导磁分离系统，可根据实验条件选用磁分离系统，不以本实施例为限。
还需要说明的是，为了进一步说明本发明的延缓膜生物反应器中膜污染的有益效果，提供如下实施例，以对本发明的技术方案进一步阐述。
实施例二
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒径5-10微米的四氧化三铁磁粉，添加浓度为0.75g/l，采用穿孔曝气方式，曝气强度0.4m3/h，未设置在线清洗系统，采用转鼓分离磁回收系统，连续运行29天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差22kpa，投加微米四氧化三铁磁粉的系统跨膜压差仅10kpa，磁粉回收率为95％。
实施例三
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒径20-40纳米的四氧化三铁磁粉，添加浓度为75mg/l，采用穿孔曝气方式，曝气强度0.4m3/h，未设置在线清洗系统，采用转鼓分离磁回收系统，连续运行29天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差22kpa，投加纳米四氧化三铁磁粉的系统跨膜压差仅13kpa，磁粉回收率为92％。
实施例四
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒径100-200纳米的四氧化三铁磁性复合吸附材料，添加浓度为0.75g/l，采用循环射流曝气方式，曝气强度0.2m3/h，设置在线清洗系统，采用高梯度磁回收系统，连续运行39天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差37kpa，投加纳米四氧化三铁磁性复合吸附材料的系统跨膜压差仅12kpa，磁粉回收率为99.2％。
实施例五
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒20-40微米的四氧化三铁磁性复合吸附材料，添加浓度为0.75g/l，采用循环射流曝气方式，曝气强度0.2m3/h，设置在线清洗系统，采用高梯度磁回收系统，连续运行39天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差37kpa，投加微米四氧化三铁磁性复合吸附材料的系统跨膜压差仅18kpa，磁粉回收率为99.6％。
实施例六
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒20-40微米的四氧化三铁磁性复合混凝剂，添加浓度为150mg/l，采用微孔曝气方式，曝气强度0.2m3/h，设置在线清洗系统，采用超导磁回收系统，连续运行39天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差37kpa，投加微米四氧化三铁磁性复合混凝剂的系统跨膜压差仅10kpa，磁粉回收率为99.8％。
实施例七
磁-膜耦合反应装置中，投加的磁性材料11为平均粒100-200纳米的四氧化三铁磁性复合混凝剂，添加浓度150mg/l，采用微孔曝气方式，曝气强度0.2m3/h，设置在线清洗系统，采用超导磁回收系统，连续运行39天后，相比于未投加磁性材料11的对照组跨膜压差37kpa，投加纳米四氧化三铁磁性复合混凝剂的系统跨膜压差仅12kpa，磁粉回收率为99.6％。
通过上述方案，本发明利用微米或者纳米磁性材料的吸附特性，生物絮凝功能特性及磁生物效应，配合本发明的磁-膜耦合反应装置能有效延缓膜生物反应器在污水处理过程中膜污染速率。
综上所述，本发明提供一种延缓膜生物反应器中膜污染的方法和磁-膜耦合反应装置，基于所述磁-膜耦合反应装置，利用投加的纳米磁性材料与微米磁性材料具有较大比表面积的特性，吸附污泥混合液中易引起膜污染的蛋白质、多糖、腐殖酸等物质，显著减缓膜污染；利用投加的纳米磁性材料与微米磁性材料的生物絮凝特性，使污泥絮体结构更加密实，粒径更大，有效控制膜污染；利用投加的纳米磁性材料与微米磁性材料的磁生物效应，增强膜生物反应器系统中微生物的活性和生物降解能力，更快速有效地将膜生物反应器系统中的大分子物质转化为小分子物质，从而有效地延缓大分子引起的膜污染，同时实现废水中污染物的高效去除和污泥减量化效果。另外，本发明提供的方法环保无毒，磁性材料中的磁核可以通过磁分离器系统从污泥中分离、活化再循环利用，同时分离磁种后的污泥成分脱水性能更好，也避免了投加传统混凝剂时产生大量难处理的化学污泥，极大的降低运行成本。所以，本发明有效的克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。