專利名稱：一種高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法、應用的制作方法
技術領域：
本發明一種高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法、應用涉及的是一種用于固液分離的高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法和高通量柔性仿生動態膜組件在污水處理生化裝置中的應用，屬于環境、生物及化工領域。
背景技術：
廢水處理生化系統從微生物的生長模式分為懸浮生長和固定生長，對于懸浮生長模式的生化系統往往涉及到固液分離，傳統方法是利用二沉池的重力沉降作用。膜生物反應器(MBR)是目前生化系統研究的熱點，因其具有良好的微生物過濾效果、出水水質高、操作方便、減少占地面積等優勢而逐漸工程化應用。MBR中的膜組件根據制備材料分為有機膜和無機膜，根據膜結構有中空纖維膜、平板膜、卷式膜、管式膜等。國內外已經對膜的制備進行了長期大量的研究工作，相繼涌現各式樣的膜組件，并構造一體式MBR和分置式MBR。一體式MBR靠自吸在膜內外兩側形成負壓而達到固液分離效果，出水懸浮固形物含量很低。然而膜的制備價格偏高，膜在使用過程中很容易受到微生物及代謝分泌物的污染，需定期化學清洗，增加了運行成本，并且減縮短膜的使用壽命，這些因素大大限制了MBR的大規模推廣應用。
動態膜(Dynamic Membrane)是用于研究解決MBR上述問題的一個重要選擇，部分學者對其用于廢水處理領域的固液分離進行了研究，Kiso(Wat Res，2000，34(17)4143-4150)等采用一定孔徑的篩網制作膜組件用于活性污泥中，依靠水位差在篩網表面形成生物動態膜提高出水水質。張捍民(環境科學學報，2005，25(2)249-253)等采用孔徑56μm的工業濾布制作膜組件，以PAC預涂，組成預涂動態膜-生物反應器。黃霞(發明專利公開號CN1363526A)等采用普通多孔材料等基材構成過濾組件，通過過濾組件在反應器中的水位壓差進行固液分離。雖然動態膜的研究取得了一定的進步，但是制作的動態膜組件在生化反應器中處于固定狀態，僅僅靠曝氣單方面提供膜面錯流剪切力，膜污染問題并未解決。
發明內容
本發明目的是基于上述MBR大規模推廣應用的限制因素而設計提供一種高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法、應用。膜組件中簾片以多孔材料網或濾布為基材，由若干種多孔材料網或濾布的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面。將膜組件以簾式結構布排浸沒于生化反應器中，通過水泵形成膜內負壓，在膜表面形成一層均勻致密生物質膜，該層生物質膜從宏觀結構上看類似仿微生物細胞膜，具有很強的過濾作用，可以實現生化反應器固液分離。曝氣提供膜面錯流剪切力，同時本發明的膜組件結構中有柔性導流網格和軟性集水管而具有柔性結構，可以產生柔性抖動，有效的控制膜表面生物膜的厚度，使得生物膜始終處于動態平衡過程，上述形成的反應器稱為柔性仿生動態膜生物反應器。柔性抖動可以破碎氣泡，提高曝氣利用率，降低能耗。
一種高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法、應用是采取以下方案實現一種高通量柔性仿生動態膜組件結構包括膜組件、閥門、活接、膜架、固定卡；膜組件結構包括若干種多孔材料構成的簾片、導流腔、集水管，簾片以多孔材料網或濾布為基材，由若干種多孔材料網或濾布的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面，簾片具有一定的長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔；集水管上開有槽，視簾片寬度和厚度確定槽的長度和寬度，槽完全鑿通管壁，將設有柔性導流腔的簾片的兩個開口端分別插入兩根集水管的槽中，通過密封膠將集水管槽邊與簾片接觸處密封，集水管的一端堵封，另一端通過配套的活接和閥門連接到總出水管；膜架上焊有固定卡，集水管分別固定于固定卡上。
膠原蛋白來源于動物下腳料等。膜組件中集水管采用硬管或軟管。簾片采用篩網、濾布、尼龍網中的一種或多種組合。
膜架上焊有固定卡，膜組件的集水管分別固定于固定卡上，膜組件呈垂直簾式，提高了單位生化反應器體積的膜組件裝填量。每片膜間隔50-100mm，并且膜組件下100-200mm處布設曝氣結構，提供膜面錯流剪切力，同時使膜組件產生柔性抖動，有效的控制膜表面生物膜的厚度，使得生物膜始終處于動態平衡過程。柔性抖動可以破碎氣泡，提高曝氣利用率，降低能耗。
膜組件總出水管與水泵連接，通過水泵形成負壓，促使生物質膜的形成，宏觀結構類似仿微生物細胞膜。生化反應器中添加0.1～1.0％粉末活性炭，既作為微生物掛膜載體，也作為保護膜的材料。
一種高通量柔性仿生動態膜組件的制作方法，其特征在于(1)膜組件的制作膜組件結構包括簾片、導流腔、集水管，簾片選用不同規格的多孔材料網或濾布為基材，加工成一定長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，然后在膠原蛋白液中浸泡，添加0.5～3.0％鉻-醛改性劑，反應溫度為30～40℃，反應時間為2～6小時，取出晾干，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔，在集水管上開槽一條，視簾片寬度和厚度確定槽的長度和寬度，槽完全鑿通管壁，然后將設有柔性導流腔的簾片的兩個開口端分別插入兩根集水管的槽中，插入深度為集水管的半徑，通過密封膠將集水管槽邊與簾片接觸處密封，制作成膜組件；(2)在膜架上附設固定卡，上下兩層，同層固定卡的間距50-100mm，上下固定卡間距略小于膜組件長度10-20mm，將上述膜組件按照垂直方向固定于固定卡上，保證膜組件能有一定的彎曲度，而相鄰的兩片膜組件又不互相接觸，膜組件的集水管的一端堵封，另一端通過閥門和活接，連接到總出水管，制成高通量柔性仿生動態膜組件。
一種高通量柔性仿生動態膜組件在污水處理生化裝置中的應用將若干組高通量柔性仿生動態膜組件固定在膜架上，放入生化反應器中，總出水管與水泵連接，生化反應器中添加0.1～1.0％粉末活性炭，作為微生物掛膜載體和保護膜的材料；在膜架下設有曝氣結構，距離膜組件下端100-200mm，通過水泵形成負壓，促使生物質膜在簾片表面的形成，同時曝氣結構提供膜面錯流剪切力，并使得膜組件產生柔性抖動，破壞簾片表面的生物質膜，最終使得生物質膜的形成與脫落達到平衡狀態，始終處于動態平衡，構成了柔性仿生動態膜生物反應器。
本發明以市場普通多孔材料(篩網、濾布、尼龍網等)為基材，來源廣泛，價格低廉，經過若干種多孔材料的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面。將膜組件以簾式結構布排浸沒于生化反應器中，通過水泵形成膜內負壓，在膠原蛋白膜表面形成一層均勻致密生物質膜，宏觀結構類似仿微生物細胞膜，具有很強的過濾作用，可以實現生化反應器固液分離；曝氣提供膜面錯流剪切力，同時本發明的膜組件結構中有柔性導流網格和軟性集水管而具有柔性結構，可以產生柔性抖動，有效的控制膜表面生物膜的厚度，上述過程柔性仿生動態膜。柔性抖動可以破碎氣泡，提高曝氣利用率，降低能耗。本發明膜組件加工簡單，造價低廉，無需膜清洗，降低了固定投資和運行成本，具有廣闊的市場應用前景。
本發明一種高通量柔性仿生動態膜組件非常適用于污水生化處理中的活性污泥固液分離。傳統的固液分離利用二沉池的重力自沉作用，二沉池的設計增加了占地面積和固定投資，并且污泥需回流，也增加了操作費用。同時二沉池的出水中懸浮固形物的含量往往較高，不利于出水的直接排放。膜生物反應器(MBR)具有良好的固液分離效果，出水水質高，但無論是無機膜還是有機膜都存在成本高、易污染、清洗頻繁、膜壽命短、固定投資高等缺點。本發明高通量柔性仿生動態膜組件較之目前的膜生物反應器具有明顯的優點，(1)材料來源豐富，價格低廉；(2)膜組件制備加工簡單方便；(3)膜通量高，為普通中空纖維膜的3～10倍；(4)膜運行穩定，不易堵塞，無需膜清洗；(5)膜組件表面生物質膜處于動態平衡狀態，構成柔性仿生動態膜生物反應器。膜組件制作成本低，操作方便，通量大，不易膜污染，使用時間長。
以下將結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1是一種高通量柔性仿生動態膜組件的膜組件結構主視圖。
圖2是一種高通量柔性仿生動態膜組件的膜組件結構左視圖。
圖3是一種高通量柔性仿生動態膜組件的膜組件組裝主視圖。
圖4是一種高通量柔性仿生動態膜組件的膜組件組裝俯視圖。
圖5是一種高通量柔性仿生動態膜組件在污水處理生化裝置中的應用狀態示意圖。
具體實施例方式
參照附圖1～4，高通量柔性仿生動態膜組件結構包括膜組件8、閥門4、活接5、膜架6、固定卡7；膜組件8結構包括若干種多孔材料構成的簾片1、導流腔2、集水管3，簾片1以多孔材料網或濾布為基材，由若干種多孔材料網或濾布的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面，簾片1具有一定的長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔2；集水管3上開槽一條，視簾片寬度和厚度確定槽的長度和寬度，槽完全鑿通管壁，將設有柔性導流腔2的簾片1的兩個開口端分別插入兩根集水管3的槽中，通過密封膠將集水管3槽邊與簾片1接觸處密封，集水管3的一端堵封，另一端通過配套的活接5和閥門4連接到總出水管；膜架6上焊有固定卡7，集水管3分別固定于固定卡7上。
簾片1以市場普通多孔材料(篩網、濾布、尼龍網等)為基材，若干種多孔材料的組合裝配而成。簾片1采用篩網、濾布、尼龍網中的一種或多種組合。
如附圖1，2所示，膜組件結構包括簾片1、導流腔2、集水管3。簾片1選用不同規格的多孔材料網或濾布為基材，加工成一定長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，然后在膠原蛋白液中浸泡，添加0.5～3.0％鉻-醛改性劑，反應溫度為30～40℃，反應時間2～6小時，取出晾干。簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔2。然后將兩個開口端分別插入兩根集水管3(可以是硬管，也可以是軟管)的槽中，插入深度為集水管3的半徑，通過密封膠將集水管3槽邊與簾片1接觸處密封。
如附圖3，4所示，膜架6上附設固定卡7，上下兩層，同層固定卡7的間距50-100mm，上下固定卡7間距略小于膜組件8長度10-20mm。將膜組件8按照垂直方向固定于固定卡7上，保證膜組件8能有一定的彎曲度，而相鄰的兩片膜組件8又不互相接觸。膜組件8的集水管3的一端堵封，另一端通過閥門4和活接5，連接到總出水管9。
如附圖5所示，膜組件8固定完成后，放入生化反應器12中，總出水管9與水泵10連接，生化反應器12中添加0.1～1.0％粉末活性炭，，作為微生物掛膜載體和保護膜的材料。在膜架6下設有曝氣結構11，距離膜組件8下端100-200mm。通過水泵10形成負壓，促使生物質膜在簾片1表面的形成，同時曝氣結構11提供膜面錯流剪切力，并使得膜組件8產生柔性抖動，破壞簾片1表面的生物質膜，最終使得生物質膜的形成與脫落達到平衡狀態，始終處于動態平衡，構成了柔性仿生動態膜生物反應器。柔性抖動可以破碎氣泡，提高曝氣利用率，降低能耗。
實施例1選用200目和300目的尼龍絲網作為基材，制作1000×500mm規格膜組件，在膠原蛋白液中浸泡，添加0.5％鉻-醛改性劑，反應溫度30℃，反應時間2小時，集水管為20mmPVC管。將本發明膜組件用于生活污水的處理，生化反應器運行參數如下進水COD150～380mg/L，水力停留時間(HRT)6h，活性污泥濃度6.0～8.0g/L，粉末活性炭投加量0.1％，氣水比20～30∶1，溶解氧濃度(DO)2.0～4.0mg/L，反應溫度22～30℃，日處理量5噸。控制膜通量30L/m2·h，連續出水，膜壓力保持穩定在-0.02MPa。通過膜組件的出水水質如下COD＜20mg/L，SS為零，無色無味。本發明膜組件已經穩定運行180天，無需膜清洗。
實施例2選用100目篩網和200目尼龍網作為基材，制作800×400mm規格膜組件，在膠原蛋白液中浸泡，添加1.5％鉻-醛改性劑，反應溫度40℃，反應時間4小時，集水管為20mmPVC管。將本發明膜組件用于印染廢水的處理，生化反應器運行參數如下進水為水解酸化廢水，COD900～1500mg/L，色度約50倍，水力停留時間(HRT)15h，活性污泥濃度6.5～8.0g/L，粉末活性炭投加量0.6％，日處理量2.5噸。控制膜通量20L/m2·h，膜壓力保持穩定在-0.02MPa。通過膜組件的出水水質如下COD＜100mg/L，SS為零，色度3倍。本發明膜組件已經穩定運行160天，無需膜清洗，膜通量和膜壓力都沒變化，生物質膜厚度約1mm。
實施例3選用80目尼龍網和濾布作為基材，制作1100×600mm規格膜組件，在膠原蛋白液中浸泡，添加3.0％鉻-醛改性劑，反應溫度35℃，反應時間6小時，集水管為20mm橡膠軟管。將本發明膜組件用于對苯二甲酸(PTA)廢水的處理，生化反應器運行參數如下對苯二甲酸(PTA)生產廢水，主要含有對苯二甲酸、乙酸、乙酸甲酯等，進水COD4000±1000mg/L，TA1400±100mg/L，水力停留時間(HRT)30h，TA降解菌株濃度2.0～4.0g/L，粉末活性炭投加量1.0％，日處理量1.6噸。控制膜通量18L/m2·h，連續出水，膜壓力保持穩定在-0.02～-0.03MPa。通過膜組件的出水水質如下COD＜100mg/L，SS為零。本發明膜組件已經穩定運行205天，無需膜清洗，生物質膜厚度約0.7mm。
權利要求
1.一種高通量柔性仿生動態膜組件，其特征在于結構包括膜組件、閥門、活接、膜架、固定卡；膜組件結構包括若干種多孔材料構成的簾片、導流腔、集水管，簾片以多孔材料網或濾布為基材，由若干種多孔材料網或濾布的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面，簾片具有長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔；集水管上開有槽，將設有柔性導流腔的簾片的兩個開口端分別插入兩根集水管的槽中，通過密封膠將集水管槽邊與簾片接觸處密封，集水管的一端堵封，另一端通過配套的活接和閥門連接到總出水管；膜架上焊有固定卡，集水管分別固定于固定卡上。
2.根據權利要求1所述的一種高通量柔性仿生動態膜組件，其特征在于膜組件總出水管與水泵連接。
3.根據權利要求1所述的一種高通量柔性仿生動態膜組件，其特征在于膜組件呈垂直簾式。
4.根據權利要求1所述的一種高通量柔性仿生動態膜組件，其特征在于膜組件中集水管采用硬管或軟管。
5.一種高通量柔性仿生動態膜組件，其特征在于簾片采用篩網、濾布、尼龍網中的一種或多種組合。
6.一種高通量柔性仿生動態膜組件的制作方法，其特征在于(1)膜組件的制作膜組件結構包括簾片、導流腔、集水管，簾片選用不同規格的多孔材料網或濾布為基材，加工成一定長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，然后在膠原蛋白液中浸泡，添加0.5～3.0％鉻-醛改性劑，反應溫度為30～40℃，反應時間為2～6小時，取出晾干，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔，在集水管上開槽一條，視簾片寬度和厚度確定槽的長度和寬度，槽完全鑿通管壁，然后將設有柔性導流腔的簾片的兩個開口端分別插入兩根集水管的槽中，插入深度為集水管的半徑，通過密封膠將集水管槽邊與簾片接觸處密封，制作成膜組件；(2)在膜架上附設固定卡，上下兩層，同層固定卡的間距50-100mm，上下固定卡間距略小于膜組件長度10-20mm，將上述膜組件按照垂直方向固定于固定卡上，保證膜組件能有彎曲度，而相鄰的兩片膜組件又不互相接觸，膜組件的集水管的一端堵封，另一端通過閥門和活接，連接到總出水管，制成高通量柔性仿生動態膜組件。
7.權利要求1或6所述的一種高通量柔性仿生動態膜組件在污水處理生化裝置中的應用將若干組高通量柔性仿生動態膜組件固定在膜架上，放入生化反應器中，總出水管與水泵連接，生化反應器中添加0.1～1.0％粉末活性炭，作為微生物掛膜載體和保護膜的材料；在膜架下設有曝氣結構，距離膜組件下端100-200mm，通過水泵形成負壓，促使生物質膜在簾片表面的形成，同時曝氣結構提供膜面錯流剪切力，并使得膜組件產生柔性抖動，破壞簾片表面的生物質膜，最終使得生物質膜的形成與脫落達到平衡狀態，始終處于動態平衡，構成了柔性仿生動態膜生物反應器。
全文摘要
本發明一種高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法、應用涉及的是一種用于固液分離的高通量柔性仿生動態膜組件及其制作方法和在污水處理生化裝置中的應用。結構包括膜組件、閥門、活接、膜架、固定卡；膜組件結構包括若干種多孔材料網或濾布構成的簾片、導流腔、集水管，簾片由若干種多孔材料網或濾布的組合裝配而成，并以膠原蛋白修飾膜組件表面，簾片具有長寬尺寸的腔，其中長度方向兩邊粘合或縫合，寬度方向兩邊開口，簾片腔中設有柔性導流網格，構成柔性導流腔；將設有柔性導流腔的簾片的兩個開口端分別插入兩根集水管的槽中，集水管的一端堵封，另一端通過配套的活接和閥門連接到總出水管；膜架上焊有固定卡，集水管分別固定于固定卡上。
文檔編號C02F3/02GK1807279SQ200610038348
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月17日 優先權日2006年2月17日
發明者沈樹寶, 陳英文, 祝社民 申請人:南京工業大學