专利名称：太阳能膜生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能利用和污水净化处理，具体的是一种太阳能膜生物反应器。
背景技术：
在我国水资源日益匮乏的情况下，污水资源化已经成为解决城镇用水短缺的主要途径，也是减轻水环境污染的主要手段。膜生物反应器作为污水净化再用的先进技术方法之一，已经得到水处理行业专家、教授的普遍认同和青睐，这种先进技术方法将传统的水处理技术和现代的水处理技术溶合在一起，形成了独特的技术优势，它不仅对污水进行生物降解，而且进行膜反渗透处理，最大程度地降低了环境污染，提高了净水水质，为我国污水资源化战略决策的实施提供了一定的技术支持。然而由于该技术方法能耗较大，运行成本较高，始终不能进行全面推广和应用。为了解决能耗较大、运行成本较高的问题，国内外水处理行业的专家、教授做了大量的工作，例如进行低压膜的研制，提高污水溶氧率等，这些技术措施虽然也受到了一些效果，但由于始终不能摆脱传统的依赖电机带动鼓风机进行曝气和电机带动水泵进行加压的基本运行模式，并不能大幅度降低能耗、降低运行成本。太阳能作为廉价环保能源，为膜生物反应器提供了理想的动力资源，如何利用太阳能直接进行生物曝气和膜渗透加压，目前国内外尚无应用研究和实例。利用太阳能进行光伏转换，使电机运行而驱动鼓风机和水泵工作，诸如这方面的应用研究实例国内外均有报道，但这种运行模式存在效率较低，生产成本较高的缺点，同样其实用性并不强。
发明内容
本发明的目的是针对目前膜生物反应器能耗高、运行成本较高的问题，利用太阳能直接进行热动转换，在不用电动机、不用鼓风机、不用水泵的情况下，完成膜生物反应器的溶氧曝气和膜反渗透加压工序的工作过程。具体的讲是提供一种太阳能膜生物反应器。该反应器可使运行成本大幅降低。
本发明是这样实现的在一个装置内，通过设置太阳能集热储热系统、热机能量转换系统、空气捕获器、生物反应室和膜污净分离系统，使该装置不仅具有太阳能集热储热功能、热机转换功能，而且具有生物曝气降解功能、膜污净分离功能，以达到利用太阳能直接对污水进行生物降解和膜污净分离净化回用的目的。
太阳能集热储热系统主要有由太阳能集热器和加热水箱组成，其作用是获取太阳能并储存待用。热机能量转换系统主要是由AB工质发生器、AB气动室、AB工质自动降温器和AB活塞所组成，其作用就是将太阳能集热储热系统中的热能转化成机械能，并使这种机械能以AB活塞的往复运动形式存在。空气捕获器主要有吸气管、射流器和容积变化室等部件所组成，其作用就是将大量空气溶解在部分污水中，并进行高浓度气水混合。生物发应室主要是由生物立体弹性填料和气水喷射器等部件所组成，其作用就是将空气捕获器里的高浓度气水混合液，通过气水喷射器向生物立体弹性填料喷射，对污水及生物团进行高效熔氧曝气，以便对污水中的有机物进行生物降解。膜污净分离系统主要有中空纤维膜组件、压力变化室等部件组成，其作用是实现净水和污物的彻底分离。
该发明具有一定的新颖性，具体体现在在申请日以前没有同样的发明或者实用新型，在国内外出版物上公开发表过，在国内外公开使用过或者以其它方式为公众所知，也没有同样的发明或实用新型由他人向专利局提出过申请并且记载在申请日以后公布的专利申请文件中。
该发明也具有一定的创造性，具体体现在在申请日以前，国内外膜生物反应器技术始终不能摆脱传统的依赖电机带动鼓风机进行曝气和电机带动水泵进行水压推动的基本运行模式，其能耗和运行成本居高不下。该发明利用太阳能直接进行热机转换，在不用电动机、不用鼓风机、不用水泵的情况下，完成膜生物反应器的溶氧曝气和膜污净分离工序的工作过程。具体的讲是提供了一种太阳能膜生物反应器，从根本上改变了传统的运行模式。和目前国内外膜生物反应器技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
该发明也具有一定的实用性，具体体现在该发明能够制造或者使用，并且能够产生以下积极有益的效果(1)、本发明通过热机转换系统，将太阳能直接转换成机械能，由机械能直接进行生物曝气和膜污净分离，中间不需要光伏转换，不需要电机、不需要鼓风机、水泵等设备，该发明不仅从整套设备结构，工艺工作程序等方面进行了简化创新，而且从根本上改变了传统的膜生物反应器的基本工艺运行模式。
(2)、本发明设备结构简单、附属设备少、技术工艺先进，可使其生产成本和运行成本大幅度下降。
(3)、本发明由于采用了空气捕获器，利用太阳能直接进行生物曝气，不用鼓风机，并在曝气前已进行高浓度的气液混合，这样可使该发明不仅噪音较小，而且也具有溶氧效率较高的特点。
(4)、本发明由于在压力变化室有加压和反加压的工作过程，可使膜在工作中进行自动清洗，以避免膜污染和赌塞。
(5)本发明可用于对污水处理及净化回用的各种工程项目中。
图1是本发明一实施例的俯视结构图。
图2是图1中热机能量转换系统、生物反应室和膜污净分离系统部件正视结构图。
图3是图1中太阳能集热储热系统部件结构图。
图4是图1中射流器的结构图。
图中，1、太阳能集热器 2、太阳能集热器出水管 3、太阳能集热器回水管 4、加热水箱 5、A工质发生器 6、B工质发生器 7、阀门8、软管 9、进出气管 10、壳体 11、A活塞 12、B活塞 13、AB活塞连杆 14、隔板 15、A气动室 16、B气动室 17、A工质自动降温器 18、B工质自动降温器 19、工质自动降温器进出水孔 20、工质自动降温器进出水槽 21、容积变化室 22、射流器 23、进气管 24、污水进水单向阀 25、污水进出管 26、喷射器 27、生物反应室外壳 28、生物立体弹性填料 29、生物反应室 30、压力变化室进水管 31、压力变化室单向进水阀 32、压力变化室 33、圆环 34、中空纤维膜束 35、螺钉 36、喷射器喷射孔 37、生物反应室上盖 38、环氧树脂封头 39、压力变化室上盖 40、压力变化室污水出水单向阀41、环氧树脂管间密封带 42、圆形盒 43、压力变化室净水出水单向阀 44、加热水箱上盖 45、太阳能集热器支架 46、射流器喷咀 47、射流器吸入室 48、射流器吸入管 49、射流器气液混合室 50、射流器增压室 51、射流器气液排出管。
具体实施例方式
在图1中，太阳能集热器(1)采用真空式太阳能集热器，其作用就是获取太阳能。太阳能集热器(2)出水管是由钢管制作，其作用是将高温水输送到加热水箱(4)。太阳能集热器回水管(3)是由钢管制作，其作用是将加热水箱(4)里的低温水送回太阳能集热器(1)里进行加温。加热水箱(4)是由钢板焊接而成，为内外两层，隔层内填充保温材料，以达到水箱保温的目的。
太阳能集热器(1)和加热水箱(4)等部件组成太阳能集热储热系统，该系统作用就是获取太阳能，并储存待用。
A工质发生器(5)和B工质发生器(6)均是由钢板焊接而成，为密闭容器，放置在加热水箱(4)里，AB工质发生器里存放着低沸点工质(可采用氟利昂或烷类或者氟水)，AB工质发生器的作用就是为工质提供工作室，工质在高温时气化，冷凝形成液体。阀门(7)为标准件，它的作用就是通过打开或关闭控制工质的流动，以达到控制太阳能膜生物发生器的目的。软管(8)是塑料软管，它的作用是在AB工质发生器在进行上下沉浮运动时随其上下运动。进出气管(9)是钢管制作，其作用是使AB工质发生器里的工质送出或回流。壳体(10)是由铸钢铸造而成，它的作用就是和其他部件一起构造AB活塞运动缸体、AB气动室、容积变化室和压力变化室等。A活塞(11)和B活塞(12)均是由钢板切割加工而成，通过AB活塞连杆(13)连接固定在一起，AB活塞连杆(13)由圆钢加工制作，两端和AB活塞焊接在一起，AB活塞的作用是通过和其它部件一起，一方面将热能转化成机械能，另一方面是为容积变化室和压力变化室提供工作动力。隔板(14)是由钢板加工而成，它和壳体(10)焊接在一起，其作用是和AB活塞一起，构造成AB气动室。A气动室(15)和B气动室(16)均是由隔板(14)、壳体(10)和AB活塞等部件组合而成，其作用均是通过工质的进入和排出，推动AB活塞做往复运动。A工质自动降温器(17)和B工质自动降温器(18)分别设置在AB活塞的内侧，是一个密封式容器，其作用是通过进出其内的水，将AB气动室里的工质多余热量带走，以保证工质的正常工作。工质自动降温器进出水孔(19)是在AB活塞一侧面打的孔洞，它的作用就是为AB工质自动降温器输送冷却水和回流高温水。工质自动降温器进出水槽(20)设在壳体(10)的一侧面，也是在AB活塞缸体一侧面的两端部位，是在壳体(10)铸造时预留的矩形小水槽，它的作用就是通过和工质自动降温器进出水孔(19)有序接通和断开，将降温冷却水引入AB工质自动降温器，并将高温水从AB工质自动降温器里引出。
热机能量转换系统主要有AB工质发生器、AB气动室、AB工质自动降温器和AB活塞等部件组成，它的作用就是将太阳能集热储热系统中的热能转化成机械能，并以AB活塞的往复运动形式存在。该系统其工作原理是，当设置在加热水箱(4)里的B工质发生器(6)里的工质被加热后，工质气化，气化工质沿进出气管(9)不断进入B气动室(16)，由于B气动室(16)气压不断增加，使AB活塞不断向B活塞方向移动，随着AB活塞不断向B活塞的方向移动，A气动室(15)里的工质会不断向A工质发生器里回流，当AB活塞向B活塞(12)方向移动一定行程到达端点后，由于B工质发生器(6)里的工质质量大幅减少，而使该发生器重量大幅减轻，进而使该发生器在加热水箱(4)里上浮，并停止加热，这时B活塞(12)正好到达B工质降温器进出水槽(20)的位置，该进出水槽和B工质自动降温器进出水孔(19)相连通，而这时压力变化室(32)里的水压，由于AB活塞向B活塞(12)方向移动而升高，该高压水会迅速进入B自动工质降温器(18)，而这时B气动室(16)里的工质温度也已达到了最高，其能量也已转换完毕，需要迅速降温冷却，为工质向B工质发生器(6)回流进行必要的准备工作。B气动室(16)里的工质热量迅速传递到B自动工质降温器(18)，其内水温升高，与此同时，A气动室里的工质也全部回流到了A工质发生器(5)里，这样，A工质发生器(5)由于重量大幅增加而使该发生器下沉而加热，其内的工质加热而气化并不断进入A气动室(15)，由于A气动室(15)气压增加而使AB活塞向A活塞(11)方向移动，这时的压力变化室(32)会迅速形成负压，在该负压作用下，B自动工质降温器(18)里的高温水被吸入该室，而这时的B气动室(16)里的工质也开始向B工质发生器(6)里回流，当回流完毕，A工质发生器(5)里的工质也已全部流入到A气动室(15)时，AB活塞向A活塞(11)方向的移动也到了端点，这时A工质发生器(5)在加热水箱(4)里上浮，停止工质加热，而B工质发生器(6)在加热水箱(4)里下沉，开始对工质加热，加热后的工质迅速流向B气动室(16)，AB活塞这时又开始向B活塞(12)方向移动，同上过程，容积变化室(21)里的水进入和排出A自动工质降温器，并对A气动室(15)里的工质进行降温冷却，这样周而复始的运行，一方面自动有序地完成对工质的降温冷却，另一方面也完成了热能向机械能的转化过程，使机械能以AB活塞进行往复运动的形式存在。
容积变化室(21)是由壳体(10)、A活塞和喷射器(26)部件所组成，它的作用就是将A活塞(11)往复运动的机械能转化成该容积变化室里的压能。射流器(22)其结构参见图4，把它焊接固定在喷射器(26)的外壳上，它的主要部分放置在容积变化室(21)，其出水管放置在喷射器(26)里，该射流器(22)的作用是在容积变化室为有压状态时，通过进气管(23)将大量空气吸入并和水混合，送入到喷射器(26)。进气管(23)是由钢管制作而成，和射流器(22)吸入管焊接在一起，它的作用是输入空气。污水进入单向阀(24)是标准件，它通过丝扣和进水管(25)连接在一起，它的作用就是将待处理的污水输入容积变化室(21)，但不能回流。污水进水管(25)是由钢管制成的，它的作用是将待处理污水引入容积变化室(21)。
空气捕获器由进气管(23)、射流器(22)和容积变化室(21)等部件所组成，它的作用就是将大量空气吸入溶解在部分污水中，并进行高浓度气水混合。空气捕获器的工作原理是当AB活塞在向B活塞(12)方向运动时，容积变化室(21)容积增大，其内气压不断的减小，并形成真空，这时空气通过进气管(23)和射流器(22)的吸入管(48)(见图4)进入容积变化室(21)，污水通过污水进水单向阀(24)和进水管(25)进入容积变化室(21)，当气水充满容积变化室(21)时，AB活塞开始向A活塞(11)方向移动，这时容积变化室(21)容积减小，其内气压不断增大，这时容积变化室(21)内的气水混合液通过射流器(22)向喷射器(26)里进行输送，在此同时，在射流器(22)的作用下，空气通过进气管(23)再次不断进入射流器(22)，并进一步进行气水混合，使空气含量进一步提高。AB活塞的往复运动使空气捕获器不断重复以上的工作过程，使大量空气溶解在部分污水中，并将这种高浓度气水混合液不断地输送到喷射器(26)。
喷射器(26)是由钢板制作而成，为圆柱形密封容器，它和容积变化室(21)焊接在一起，其作用是增加压能，并通过在喷射器上的在一个圆周线上均布的喷射孔(36)(见图2)，以高速向外喷射气水混合液。生物反应室外壳(27)是由钢板制作而成，为圆柱形容器，它和壳体(10)焊接在一起，其作用是构造生物反应室。生物立体弹性填料(28)是由许多纤维线团用尼龙绳串结而成，悬挂在生物反应室上盖(37)(见图2)，生物立体弹性填料(28)的作用就是为众多生物团提供载体。
生物反应室(29)是由生物反应室外壳(27)、喷射器(26)、生物立体弹性填料(28)及污水所组成，它的作用是让污水在此进行高效生物曝气，降解污水中的有机物。其工作原理是当喷射器(26)通过在一个圆周线上均布的喷射孔(36)(见图2)，将高浓度气水混合液向外喷射后，气水高速水流一方面在生物反应室(29)内进行扰动搅拌，使沉在底部的污泥不断上浮，另一方面将空气充分在污水中溶解，以使污水中的浮游生物团和生物立体弹性填料中的生物团在好氧状态下，不断对污水中的有机物进行降解。降解后的污水随后进入膜污净分离系统进行进一步净化处理。
压力变化室进水管(30)是由钢管制作而成，它的作用是将生物反应室中生物降解后的污水输送到压力变化室(32)。压力变化室单向进水阀(31)是标准件，它的作用是水只能进到压力变化室(32)不能回流。压力变化室(32)由壳体(10)和B活塞(12)组成，其作用是通过AB活塞往复运动，使该室水压进行有序变化。圆环(33)是由钢板制作而成的，用环氧树脂和环氧树脂封头(38)(见图2)粘合在一起，通过螺钉(35)将圆环(33)和壳体(10)连接固定在一起，圆环(33)的作用就是固定多根中空纤维膜束(34)。中空纤维膜束(34)是由多根中空纤维膜管组成，一端用环氧树脂密封，形成环氧树脂封头(38)，该封头用圆环(33)进行固定，中空纤维膜束(34)另一端是开口的，用环氧树脂固定在圆形盒(42)(见图2)里，中空纤维膜束(34)的作用是在水压作用下对污水进行污净分离。螺钉(35)是标准件，其作用是连接固定部件。
膜污净分离系统由中空纤维膜组件和压力变化室(32)所组成，其作用是实现净水和污物的彻底分离。膜污净分离系统的工作原理是当通过生物降解后的污水进入压力变化室(32)后，AB活塞向B活塞(12)方向移动，压力变化室(32)里压力增加，在水压力的推动下，该室内的污水通过中空纤维膜组件进行反渗透，净水通过压力变化室净水出水单向阀(43)(见图2)输出待用，污水通过压力变化室污水出水单向阀(40)(见图2)流出。当AB活塞向A活塞(11)方向移动时，压力变化室(32)里的压力减小，形成真空，这时生物反应室(29)里经过生物降解的污水通过压力变化室进水管(30)吸入到压力变化室(32)，与此同时，在压力变化室(32)负压的作用下，在中空纤维膜组件里的少量存储净水进行有限的正渗透，这种有限的正渗透对膜污染和堵塞起着有效的冲洗作用。这样循环往复即可实现膜污净分离系统的净化分离。
在图2中，喷射器喷射孔(36)是在喷射器(26)下部壳体的一圆周上均匀开设的喇叭形小矩形孔，其作用是将喷射器(26)里的高压气水高速喷射到生物反应器(29)。生物反应室上盖(37)由钢板制作而成，其作用就是打开该盖对生物反应室里的部件进行检修。环氧树脂封头(38)是用环氧树脂将多根中空纤维膜束的一端粘合在一起，并密封所有的中空纤维膜束的端头。压力变化室上盖(39)是由钢板制作而成，通过螺钉(35)和壳体(10)连接固定在一起，其作用是通过打开该盖对其内部件进行检修。压力变化室污水出水单向阀(40)是标准件，其作用是让污水流出，不能回流。环氧树脂管密封带(41)是用环氧树脂将多根中空纤维膜束进行管间粘合密封而形成的管间密封带，以保证圆形盒(42)里的出水是经过中空纤维膜束进行反渗透的净水。圆形盒(42)是由钢板切割焊接而成的，它的一端是开口的，另一端是密封的圆形盒，它的开口一端放置多根中空纤维膜管端头，并用环氧树脂进行密封固定，使多根中空纤维管端头和圆形盒成一体，圆形盒(42)的密封端底面中心连接一出水管，通过中空纤维膜反渗透流出的净水在此汇集并经出水管流出压力变化室(32)，圆形盒(42)通过螺钉(35)和壳体(10)连接固定在一起，圆形盒(42)的作用一方面是将多根中空纤维膜束一端固定密封在一起，收集净水，另一方面是将中空纤维膜组件连接固定在壳体(10)上。压力变化室净水出水单向阀(43)是标准件，其作用是将净水输出，不能回流。
在图3中，射流器(22)结构见图4，它的增压室(50)(见图4)和AB工质发生器的进出气管端头焊接在一起，该射流器的作用是将液体工质随气化工质一起输入AB气动室。加热水箱上盖(44)是由钢板制作，放置在水箱上，其作用是悬挂生物立体弹性填料，打开该盖可检修水箱。太阳能集热器支架(45)由角钢制作，其作用是支撑固定太阳能集热器(1)。
在图4中，射流器喷咀(46)、射流器吸入室(47)、射流器吸入管(48)、射流器混合室(49)、射流器增压室(50)和出水管(51)均是由钢管制作而成，射流器喷咀(46)、射流器吸入管(48)和射流器混合室(49)均焊接在射流器吸入室(48)上，射流器增压室(50)焊接在射流器混合室(49)上，出水管(50)焊接在射流器增压室(50)上。射流器的工作原理是当射流器喷咀(46)以高速喷射水流或气流时，射流器吸入室(47)里的空气被高速气流或水流夹带走，而使射流器吸入室(47)里形成真空，由于真空的作用，射流器吸入管(48)将气体或水吸入到射流器吸入室(47)，吸入到射流器吸入室(47)的气体或水流会随高速水流或气流进入射流器混合室(49)进行混合，混合后的气液进入射流器增压室(50)后，由于水流断面增大而使流速减小，压力增加，高压气液通过出水管(51)流出射流器，这样周而复始的运行，射流器即可完成通过射流器吸入管(48)将大量的气体或液体不断吸入并和射流器喷咀(46)里的有压气流或液流进行充分混合的工作过程。
权利要求
1.一种利用太阳能进行污水净化处理的太阳能膜生物反应器，其特征在于在太阳能膜生物反应器装置内，设置有太阳能集热储热系统、热机能量转化系统、空气捕获器、生物反应器和膜污净分离系统。
2.根据权利要求1所述太阳能膜生物反应器，其特征在于太阳能集热储热系统是由太阳能集热器和加热水箱所组成，二者通过水管相连接。
3.根据权利要求1所述太阳能生物反应器，其特征在于热机能量转换系统是由AB工质发生器、AB气动室、AB工质自动降温器和AB活塞所组成，AB工质发生器放置在加热水箱里，并通过气管和AB气动室相连接，AB工质自动降温器设置在AB气动室里，AB气动室和AB活塞动态相连接，也就是说，AB活塞作为组成AB气动室的一部分，AB气动室容积随AB活塞的运动而变化。
4.根据权利要求1所述太阳能膜生物反应器，其特征在于空气捕获器由吸气管、射流器和容积变化室所组成，吸气管直接和射流器相连接，射流器放置在容积变化室。
5.根据权利要求1所述太阳能膜生物反应器，其特征在于生物反应器是由生物立体弹性填料和气水喷射器所组成，气水喷射器设置在生物立体弹性填料的底部。
6.根据权利要求1所述太阳能膜生物反应器，其特征在于膜污净分离系统由中空纤维膜组件和压力变化室所组成，中空纤维膜组件设置在压力变化器里。
全文摘要
本发明是提供一种太阳能膜生物反应器，它利用太阳能直接进行热机转换，在不用电动机、不用鼓风机、不用水泵的情况下，完成膜生物反应器的溶氧曝气和膜反渗透加压工序的工作过程。该反应器可使运行成本大幅降低。该发明可用于对污水处理及净化回用的各种工程项目中。
文档编号C02F3/10GK1765766SQ200510098870
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者路金喜, 路新利, 杜贵荣, 董淑惠, 陈建起 申请人:河北农业大学