一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的制作方法

本发明涉及平板膜生物反应器技术领域，特别是涉及一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置。

背景技术：

膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。在膜过滤过程中，不可避免地会产生膜污染，膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。对于膜污染，应当说，一旦料液与膜接触，膜污染即开始。膜污染常发生在三种场合，即浓差极化、大溶质的吸附和吸附层的聚合。

膜生物反应器是膜分离技术和生物技术的有机结合。用超滤或微滤膜分离技术取代传统的活性污泥法的二沉池和常规过滤单元，使水力停留时间和泥龄完全分离。其高效的固液分离能力使出水水质良好，悬浮物和浊度接近于零，并可截留大肠杆菌等生物性污染物，处理后出水可直接回用，出水水质要明显优于传统污水处理工艺，是一种高效、经济的污水资源化技术。

膜污染将直接导致膜通量的下降、跨膜压的升高、清洗频率的增加和使用寿命的降低，造成运行成本、能耗的大幅增加，这是限制平板膜生物反应器进一步发展和大规模应用的瓶颈问题。

因此，如何改变现有技术中，工业用大尺度平板膜生物反应器内多片膜的膜污染现象，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，以解决上述现有技术存在的问题，使工业用大尺度平板膜生物反应器的膜污染现象得到有效解决。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，包括水箱和曝气单元，所述曝气单元包括曝气管和空气泵，所述空气泵与所述曝气管相连，所述曝气管和平板膜生物反应器位于所述水箱中，所述曝气管设置于平板膜生物反应器的下部，所述曝气管上开设曝气孔，所述曝气孔面向平板膜生物反应器开设。

优选地，所述曝气单元还包括缓冲罐，所述缓冲罐与所述曝气管相连，所述缓冲罐位于所述空气泵和所述曝气管之间。

优选地，所述曝气单元还包括转子流量计，所述转子流量计设置于所述空气泵和所述缓冲罐之间。

优选地，所述曝气单元还包括电磁阀，所述电磁阀连接所述缓冲罐和所述曝气管。

优选地，应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置还包括摄像机，所述摄像机的摄像头朝向平板膜生物反应器设置，所述摄像机还与分析仪器相连。

优选地，所述曝气管包括曝气干管和曝气软管，所述曝气干管通过曝气软管与所述缓冲罐相连，所述曝气孔开设于所述曝气干管上。

优选地，所述曝气单元还包括滑动组件，所述滑动组件与所述曝气干管相连，所述滑动组件能够带着所述曝气干管来回滑动，所述曝气干管的滑动方向与平板膜生物反应器的膜片间缝隙的方向相垂直。

优选地，所述滑动组件包括滑轨和滚轮，所述滑轨和所述滚轮滚动连接，所述滚轮与所述曝气干管转动连接，所述滑轨固定于所述水箱的内壁上。

优选地，所述滚轮通过连接件与所述曝气干管相连，所述曝气干管与所述连接件插接连接，所述滚轮与所述连接件转动连接。

优选地，所述曝气孔的直径为3-10mm，相邻所述曝气孔之间的间距为4-40mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，包括水箱和曝气单元，曝气单元包括曝气管，曝气管和平板膜生物反应器位于水箱中，曝气管设置于平板膜生物反应器的下部，曝气管上开设曝气孔，曝气孔面向平板膜生物反应器开设。曝气单元工作时，由曝气管上的曝气孔产生小气泡，小气泡瞬间聚并，成为大气泡后，上升至平板膜生物反应器的膜片底部，大气泡上升受阻，被膜片分解成可进入膜片间缝隙的气泡，继续上升，被分解的气泡形成活塞流气泡，对同一缝隙两侧的膜片的膜表面产生强烈剪应力作用，进而得以有效减缓膜污染，提高膜组件效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的整体结构示意图；

图2为本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的水箱、平板膜生物反应器和曝气管的结构示意图；

图3为本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的曝气管的俯视方向示意图；

图4为本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的滑动组件的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中气泡汇聚发展的模拟示意图；

图6为本发明具体实施方式中摄像机记录下的气泡汇聚发展的图片；

图7为本发明具体实施方式中气泡被分解的示意图；

图8为本发明具体实施方式中气泡形成活塞流的模拟示意图；

图9为本发明具体实施方式中摄像机记录下的气泡形成活塞流的图片；

图10为本发明具体实施方式中膜片间隙内活塞流气泡及其产生的剪应力分布图；

图11为本发明具体实施方式中膜片间隙内活塞流气泡产生的剪应力折线图；

其中，1为水箱，2为曝气单元，201为曝气管，201a为曝气干管，201b为曝气软管，202为曝气孔，203为空气泵，204为缓冲罐，205为转子流量计，206为电磁阀，3为平板膜生物反应器，4为摄像机，5为分析仪器，6为滑动组件，601为滑轨，602为滚轮，603为连接件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，以解决上述现有技术存在的问题，使工业用大尺度平板膜生物反应器的膜污染现象得到有效解决。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-11，本发明提供一种应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，包括水箱1和曝气单元2，曝气单元包括曝气管201，曝气管201和平板膜生物反应器3位于水箱1中，曝气管201设置于平板膜生物反应器3的下部，曝气管201上开设曝气孔202，曝气孔202面向平板膜生物反应器3开设。

曝气单元2工作时，由曝气管201上的曝气孔202产生小气泡，小气泡瞬间聚并，成为大气泡后，上升至平板膜生物反应器3的膜片底部，大气泡上升受阻，被膜片分解成可进入膜片间缝隙的气泡，继续上升，被分解的气泡形成活塞流气泡，对同一缝隙两侧的膜片的膜表面产生强烈剪应力作用，进而有效减缓膜污染，提高膜组件效率。与此同时，在气泡上升过程中也会给相邻的膜表面带来扰动，减缓膜污染情况。

其中，曝气单元2还包括相连的空气泵203和缓冲罐204，缓冲罐204与曝气管201相连，缓冲罐204位于空气泵203和曝气管202之间。缓冲罐204为进入曝气管201的气体提供了缓冲空间，为曝气管201提供更稳定的气体来源，使系统工作更加平稳、可靠。

曝气单元2还包括转子流量计205，转子流量计205设置于空气泵203和缓冲罐204之间，利用转子流量计205，可以更加便捷地监测进入曝气管201中的气体流量和流速，方便工作人员控制和进行调整。通过流体力学计算，可精确调控曝气对每片膜带来的湍流程度及剪应力，进而，精确可控活塞流曝气的分布均匀性及高效性。

另外，曝气单元2还包括电磁阀206，电磁阀206连接缓冲罐204和曝气管201，以达到精确控制的目的。通过电磁阀206，辅以时间控制器，可以实现间歇性曝气。

具体地，应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置还包括摄像机4，摄像机4的摄像头朝向平板膜生物反应器3设置，摄像机4还与分析仪器5相连。由摄像机4监测气泡的产生和发展，并由与之相连的分析仪器5对图像信息进行汇总分析。

更具体地，曝气管201包括曝气干管201a和曝气软管201b，曝气干管201a通过曝气软管201b与缓冲罐204相连，曝气孔202开设于曝气干管201a上。当设置多根曝气干管201a时，每一根曝气干管201a均通过其各自的曝气软管201b与缓冲罐204相连，即多根曝气干管201a是并联的关系，避免出现多根曝气干管201a供气不均匀的情况，保证每一根曝气干管201a的供气质量。

进一步地，曝气单元2还包括滑动组件6，滑动组件6与曝气干管201a相连，滑动组件6能够带着曝气干管201a来回滑动，曝气干管201a的滑动方向与平板膜生物反应器3的膜片间缝隙的方向相垂直。通过滑动组件6可以方便地调整曝气管201的位置，以精确控制曝气管可有效曝气的膜片间隙数目，增强活塞流曝气效果，更加有效地解决膜污染问题；对于不同膜片间隙的平板膜生物反应器，使用滑动组件6调整相邻曝气管201之间的间隙，以提高曝气效率，保证曝气均匀性和稳定性，滑动组件6提高了装置整体的适用性。

其中，滑动组件6包括滑轨601和滚轮602，滚轮602活动地设置于滑轨601上，滚轮602能够沿着滑轨601来回滚动，滚轮602与曝气干管201a转动连接，滑轨601固定于水箱1的内壁上。曝气干管201a的两端各连接一个滚轮602，滑轨601设置于水箱1相对的两内侧壁上。当设置多根曝气干管201a时，单独的曝气干管201a由曝气软管201b与缓冲罐204相连，当移动某一根曝气干管201a时，不会“牵连”影响其他的曝气干管201a。

更进一步地，滚轮602通过连接件603与曝气干管201a相连，方便拆装，曝气干管201a与连接件603插接连接，连接方便快捷，滚轮602与连接件603转动连接，连接件603内设置轴承位，加装轴承，轴承一端设置挡肩，轴承另一端加装轴承挡圈，使滚轮转动更顺畅。

需要强调的是，曝气孔202的直径为3-10mm，相邻曝气孔202之间的间距为4-40mm。

下面用具体的实施例来解释应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置的工作过程。

水箱1尺寸为510×7×1200mm，曝气管2位于水箱1的底部，曝气管2上方的平板膜生物反应器3的膜片数量为15，摄像机4置于水箱前方，用于拍摄记录气泡生成及发展的过程。同时采用数值模拟方法对气泡发展及其所产生的剪应力进行测试，并与实验结果相验证、相反馈的进行综合分析。数值模拟的结果如图5-10所示，由摄像机4拍摄到先由曝气孔生成单个气泡，单个气泡瞬时聚并成一个气泡，随气泡上升过程不断长大，直至与曝气管2分开，并继续上升及长大。聚并后的气泡上升至膜片底部后，被膜片分解，在膜之间的通道内形成活塞流气泡。活塞流气泡上升过程中给膜表面带来扰动，并产生强烈的剪应力，由图11(图11中横坐标为膜片构成的通道数，纵坐标为剪应力)可见，在所有14片膜表面平均剪应力可达到1.5pa(力的单位是n，请核实)以上，可有效控制膜污染。通过能耗计算，显示出以100片膜的膜组件为例，曝气总量为362l/min-905l/min，，与传统的1000l/min相比较，通过此新型曝气方法可大大降低能耗，最多可节省64％的能耗成本，为工业用水处理提供创新型技术。

本发明的应用于平板平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，包括水箱和曝气单元，曝气单元包括曝气管，曝气管和平板膜生物反应器位于水箱中，曝气管设置于平板膜生物反应器的下部，曝气管上开设曝气孔，曝气孔面向平板膜生物反应器开设。由曝气管上的曝气孔产生小气泡，小气泡瞬间聚并，成为大气泡后，上升至平板膜生物反应器的膜片底部，大气泡上升受阻，被膜片分解成可进入膜片间缝隙的气泡，继续上升，被分解的气泡形成活塞流气泡，对同一缝隙两侧的膜片的膜表面产生强烈剪应力作用，本发明的应用于平板膜生物反应器的活塞流曝气装置，在平板膜生物反应器的每一个膜片间缝隙中都实现了活塞流曝气，可控、高效环节膜污染情况。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。