一种膜生物反应器及其在处理污水中的应用

1.本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种基于柔性载体的膜生物反应器及其在处理污水中的应用。


背景技术：

2.近年来，对于污废水处理设备系统的研制开发，主要呈现从大规模集中式转向中小型分散式，较适合我国水处理需求。膜生物反应器作为一种新型、高效的污水处理设备，已应广泛用于化工、印染等化工废水和市政生活污水的处理。它结合了传统活性污泥法和生物法技术特点，对水处理效果更佳，对水质保证更稳定。对于膜生物反应器中，设备的挂膜效果是直接影响反应器水质处理效果的直接因素。挂膜量越大，处理效果越好；反之，则越低。
3.柔性载体是污水处理中广泛应用的填料之一，选择合适的柔性载体并将其应用于膜生物反应器的设计，可有效提高膜生物反应器的微生物挂膜量。对于膜生物反应器中的设计，大多选用不同类型(如球形、陶粒等)的填料，或者选用其它直线型(细绳状、螺旋式、辩带式、生态基等柔性载体)，直接垂直悬挂于反应器中。从而提高水质处理效果。其主要目的均是为了提高微生物挂膜量。但这些技术方法，有占地空间大、且挂膜效果仍然不够高等局限性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存在的柔性载体刮膜量低的问题，而提供一种基于柔性载体的膜生物反应器。
5.本发明的另一方面，提供所述膜生物反应器在处理污水中的应用。
6.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
7.一种膜生物反应器，包括内部形成流动腔体且顶部敞口的外壳和设置于所述流动腔体内的挂膜结构，其中：
8.所述外壳的底部设有与所述流动腔体相连通的进水口，所述外壳的顶部设有与所述流动腔体相连通的出水口；
9.所述挂膜结构包括垂直设置于所述流动腔体内的弹性螺旋结构和沿所述弹性螺旋结构的长度方向螺旋缠绕的柔性载体，所述弹性螺旋结构的底部固定于所述外壳内底部，所述弹性螺旋结构的顶部通过固定绳固定于所述外壳顶部。
10.为了便于弹性螺旋结构底部的定位，所述外壳内底部固定有定位夹，所述弹性螺旋结构的底部由定位夹夹住。更进一步的，所述定位夹通过玻璃胶粘合于所述外壳内底。
11.为了便于弹性螺旋结构顶部的定位，所述外壳的顶部固定有支架，所述固定绳的顶部固定于所述支架上。
12.为了防止在固定弹性螺旋结构时，对其施加的拉力过大将弹性螺旋结构拉断，所述弹性螺旋结构的顶部和顶部通过连接绳固定在一起。更进一步的连接绳可选用尼龙绳。
13.为了优化微生物的挂膜量，弹性螺旋结构的螺旋单体的环直径与外壳的外径比为(8-10)：(20-30)，上下相邻两个螺旋单体之间的铅垂距离与螺旋单体的环直径的比为(7.5-10)：(8-10)。
14.为了优化所述反应器的处理效果，所述柔性载体的填充率为40-60％，更优选为50％。将弹性螺旋结构作为一个圆柱体，计算该圆柱体的体积与流动腔的体积之比，得到柔性载体的填充率。
15.作为优选的，所述进水口设置于所述外壳侧壁的最底部，所述出水口到所述外壳底部之间的距离为外壳高度的80-90％。
16.本发明的另一方面，还包括所述膜生物反应器在污水处理中的应用，将污水从进水口通入，经过流动腔体后，由出水口排出，依次循环，在通入污水的时候同时加入处理污水的微生物。
17.在上述技术方案中，所述膜生物反应器对污水中的氨氮的去除率为44.02-51.70％，对污水中的总氮的去除率为45.89-26.65％，对污水中的总磷的去除率为28.95-40.04％，对污水中的cod
cr
的去除率为71.56-83.03％。
18.在上述技术方案中，所述膜生物反应器中柔性载体的脂磷吸附量为77-185nmolp/g。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1.本发明通过技术改进，将柔性载体缠绕在固定设置的弹性螺旋结构上，提高其生物挂膜效果，并与水处理技术工艺和方法理论相结合，对于加速我国污水处理技术的推广应用，提高水处理技术含量具有重要意义。
21.2.本发明充分利用膜生物反应器中弹性螺旋结构，该结构对下进上出方向的水体流动产生一定的扰动，增加水中污染物与柔性载体的接触时间，促进柔性载体上的微生物挂膜量的提高，便于生物膜对水中污染物的去除。
22.3.柔性载体上的生物膜不仅能够降解污水中有机污染物，而且载体上形成了生物膜的好氧与厌氧层，可以有效的对污水进行脱氮除磷。
附图说明
23.图1为实施例1膜生物反应器的结构示意图。
24.图2是对比例1膜生物反应器的结构示意图。
25.图中：
26.1—支架，2—固定绳，3—出水口，4—水面，5—柔性载体，6—弹性螺旋结构，7—连接绳，8—外壳，9-定位夹，10—进水口，d1—弹性螺旋结构的直径，d2—上下相邻的两个螺旋单体结构间距。
具体实施方式
27.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.以下实施例中的柔性载体购买于购买于江苏金派斯环保科技有限公司，型号为
29.实施例1
30.一种膜生物反应器，包括内部形成流动腔体的外壳8和设置于所述流动腔体内的挂膜结构，其中：
31.所述外壳的底部设有与所述流动腔体相连通的进水口10，所述外壳的顶部设有与所述流动腔体相连通的出水口3；
32.所述挂膜结构包括垂直设置于所述流动腔体内的弹性螺旋结构6和沿所述弹性螺旋结构的长度方向螺旋缠绕的柔性载体5，所述弹性螺旋结构的底部固定于所述外壳内底部，所述弹性螺旋结构的顶部通过固定绳固定于所述外壳顶部。
33.外壳为圆柱形的内部形成流动腔的有机玻璃结构，外壳直径为250mm(含壁厚)，壁厚5mm，高700mm，柔性载体采用直径为的弹性纤维丝，所述弹性螺旋结构采用硬质塑料，所述弹性螺旋结构的直径d1为100mm，上下相邻的两个螺旋单体结构间距d2为75-100mm。柔性载体的长度为1200mm，柔性载体的填充率为50％。
34.进水口和出水口的直径为10mm，进水口和出水口分别开设在所述外壳的左侧和右侧，进水口开设在距离外壳底部600mm高的位置。
35.为了便于弹性螺旋结构的定位，所述外壳内底部固定有定位夹9，所述弹性螺旋结构的底部由定位夹夹住。更进一步的，所述定位夹通过玻璃胶粘合于所述外壳内底。所述外壳的顶部固定有支架1，所述弹性螺旋结构的顶部通过固定绳2的顶部固定于所述支架1上。所述弹性螺旋结构的顶部和底部通过连接绳7连接在一起。
36.对比例1
37.一种膜生物反应器，包括内部形成流动腔体的外壳8和设置于所述流动腔体内的柔性载体5，其中：
38.所述外壳的底部设有与所述流动腔体相连通的进水口10，所述外壳的顶部设有与所述流动腔体相连通的出水口3；
39.所述柔性载体5的底部固定于所述外壳内底部，所述柔性载体5的顶部通过固定绳固定于所述外壳顶部。
40.外壳为圆柱形的内部形成流动腔的有机玻璃结构，外壳直径为250mm(含壁厚)，壁厚5mm，高700mm，柔性载体采用直径为的弹性纤维丝，取两段等长600mm的柔性载体，柔性载体的填充率为50％。
41.进水口和出水口的直径为10mm，进水口和出水口分别开设在所述外壳的左侧和右侧，进水口开设在距离外壳底部600mm高的位置。
42.实施例2
43.本实施例利用实施例1的膜生物反应器(记作螺旋形膜反应器)和对比例1的膜生物反应器(记作常规膜生物反应器)设备处理污水。
44.污水进入反应器后，柔性载体完全浸没于水中，载体上将形成生物膜，生物膜吸附、吸收降解污水中污染物，达到净化水质的效果。具体说明如下：
45.对膜生物反应器进行模拟不同污染程度(低浓度和高浓度)的污水净化实验研究。分别配制低浓度和高浓度的污水，加入反应器中，第一天通入的污水中除了表1所述的污水，还接种了天津大学青年湖的湖水，湖水与模拟污水的体积比为1：9，然后后续实验时，继续通入如表1所述的污水，水质配制成分见表1。
46.表1两种浓度配制水成分及浓度(mg/l)
[0047][0048]
本实施例中，利用六个膜生物反应器进行平行实验，每个实验均先通入低浓度污水进行试验，出水趋于稳定后继续运行7-10天(共计一个月左右)，结束低浓度实验，接着再向每个膜生物反应器通过高浓度污水进行平行实验。六组实验利用同一桶内的污水进行实验。
[0049]
低浓度和高浓度两种污染程度下，对两种膜生物反应器的出水(氨氮、总氮、总磷和cod
cr
)和脂磷(生物量)进监测，分析反应器对污染物的去除效果。当出水口水质稳定后，测定反应器中柔性载体的脂磷含量，用于挂膜效果的评价分析。
[0050]
经过低浓度和高浓度两种污染程度的模拟净化实验，所得两种反应器对污染物的去除效率结果见表2。表2为六组实验得到的平均结果，由结果分析可知，在低浓度阶段，对氨氮、总氮、总磷和cod
cr
去除率，螺旋形膜生物反应器较常规膜生物反应器分别高出：6.80％、7.42％、6.51％和8.92％；在高浓度阶段分别高出10.04％、7.03％、6.61％和9.51％。
[0051]
低浓度和高浓度两个阶段的实验中，对水体污染物的去除率，螺旋形膜生物反应器均显著高于常规膜生物反应器。说明螺旋形膜生物反应器对水质的净化效果优于常规膜生物反应器。
[0052]
表2两种膜生物反应器在两阶段中对水体中各污染物的去除率(％)
[0053][0054]
r
螺旋形-r
常规
：螺旋形膜生物反应器组的相应指标去除率—常规膜生物反应器组相应指标去除率。
[0055]
低浓度和高浓度两种污染程度下，对两种反应器中脂磷进行测定(见表3)。表3为六组实验得到的平均结果，结果显示，以单位质量柔性载体的脂磷含量计：
[0056]
同浓度阶段条件，无论低浓度阶段还是高浓度阶段，螺旋形膜生物反应器脂磷含量高均显著高于常规膜生物反应器。在低浓度和高浓度阶段下，螺旋形膜生物反应器较常规膜生物反应器脂磷含量，分别高出61.59％和64.76％。
[0057]
对于同种反应器在不同浓度条件下，水体污染物浓度升高，挂膜量也显著提高，且
螺旋形膜生物反应器提高幅度较大。由高浓度与低浓度对比，常规膜生物反应器和螺旋形膜生物反应器的脂磷含量，分别提高了127.60％和132.07％。
[0058]
微生物的挂膜效果，是直接影响装置对水体污染物去除的核心要点，相同条件下，挂膜量越大，对相应指标的去除率越高。
[0059]
由脂磷含量分析结果，亦说明螺旋膜生物反应器挂膜效果更好，对水质净化效果优于常规膜生物反应器。
[0060]
表3不同浓度水质下脂磷(生物量)测定
[0061][0062]
注：1nmol p约相当于大肠杆菌(e.coli)大小的细胞108个。
[0063]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。