以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器的製造方法

2023-08-10 14:58:56 3

以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器，由臥式長方體反應器箱體（5），進水口（2）、回流進水口（1）、溢流出水口（9）、回流出水口（8）、排泥口（7）、箱蓋上的6個有內螺紋的接口（11）和6個提供H2、CO2的膜組件組成，每兩個膜組件為一組，每組膜組件之間以及膜組件與進水口（2）之間依次設有第三導流板（6），第二導流板（4）和第一導流板（3），第一導流板（3）的底端與反應器箱體內底壁固結，一側留有通道，其餘兩塊導流板的底部均留有通道，兩側對稱與箱體前、後側壁交錯固結，形成對稱的通道。本發明處理效果好、運行和維護方便、成本低廉、易於大規模工程化處理地下水中氧化態汙染物。
【專利說明】以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種以二氧化碳為碳源的水平流回流式氫基質生物膜反應器，具體是採用二氧化碳為無機碳源，利用氫自養菌生物膜對貧碳源受氧化態汙染物質汙染的汙水進行淨化處理的水平流回流式氫基質生物膜反應器，屬於環境工程和市政工程汙水處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在我國的不少地區，地下水被氧化態物質汙染的程度是相當嚴重的。這些氧化態物質主要包括離子化合物(如硝酸鹽、硫酸鹽、溴酸鹽等)，氧化態重金屬(Cr (VI))和揮發性有機物質(如氯仿、對硝基氯苯等)。
[0003]氫基質生物膜技術是一種自養生物還原方法，具有清潔、無殘留、利用率高、成本低廉、無須後續生物穩定性處理等優點，適用於有機碳源缺乏的地下水處理。該技術採用氫氣作為電子供體，PVDF中空纖維膜作為生物膜載體。氫氣從PVDF中空纖維膜內部通過無泡擴散方式擴散到膜外，被膜表面的微生物利用；同時，氧化性物質被還原而達到淨化水質目的，如硝酸鹽被徹底還原為無毒的氮氣，溴酸鹽被還原成低毒的溴離子。
[0004]氫基質生物膜反應器在我國的使用目前停留在實驗室研究較多，如申請號200810202126.1和申請號201210525050.2的中國專利申請。其中，後者是前者的改進裝置。申請號為201210525050.2的裝置反應器筒體內設有內部通H2的膜組件和內部通CO2的膜組件，其中H2作為初始能源和無機氫供體，CO2作為碳源，利用膜曝氣方法通入CO2氣體，CO2溶於水後產生的H2CO3，可還原氧化性汙染物，中和過程中產生的OF生成HCOpHCCV可作為氫自養還原菌生長必需的無機碳源被其利用，通過調節CO2分壓，調節反應器內溶液pH值，在氫自養還原菌適宜生長的範圍內，並有效控制Ca2+、Mg2+離子的沉澱。該反應器採用回流式攪拌，通過高速回流使反應器內溶液混`合均勻，當生物膜過厚時,可通過高速反衝洗進行洗膜。通過長期的運行實踐，上述專利中的氫基質生物膜反應器運行穩定，處理效果良好，但存在以下4個問題:
[0005]1，由於上述反應器均採用豎向流進水方式，即反應器形狀為立式反應器，在垂直方向上深度較大。隨著氫氣和二氧化碳通過膜孔擴散到介質中，膜絲內氣體壓力沿程降低較快，到一定高度時氣體壓力小於周圍水壓，出現水滲入膜絲的情況，該處以下膜表面得不到氣體供應，影響反應器的正常運行。
[0006]2，上述專利未考慮脫落的生物膜收集及排出，在實際運行過程中，隨著微生物的生長周期，脫落的生物膜慢慢積累，如果得不到有效排出，會減小反應器的有效體積，同時惡化出水水質。
[0007]3，上述專利中反應器內液體的完全混合狀態由較高的回流比實現，一般需要達到150以上，需要消耗大量能源，在實際工程中不可能實現，限制了其在實際工程應用中的推廣。
[0008]4，上述專利中膜組件與反應器箱體連接，離線清洗或者更換膜組件需要拆卸反應器，工作量較大，並且容易破壞反應器的缺氧環境，影響反應器的連續穩定運行。

【發明內容】

[0009]本發明的目的是提供一種利用二氧化碳為碳源的水平流回流式氫基質生物膜反應器。該反應器處理效果好，氣體利用率高，拆卸更換膜組件簡單易行，可進行工程放大化。
[0010]為達上述目的，本發明的反應器箱體形狀採用臥式長方體，使反應器內的流態為水平流方式，有效減小了反應器的高度，避免出現膜絲內部氣體壓力小於周圍水壓的情況，同時降低了建設成本。此外反應器內設導流板，保證汙水與膜絲充分接觸，並且增加水平流速，衝刷膜表面，控制生物膜的厚度，有效控制微生物量，隨著沿程溶解氧濃度的降低，實現同化性硝酸鹽去除和反硝化作用的階段發生，保證硝酸鹽的去除效果。本發明中的碳源CO2和能源及無機氫供體H2依次間隔通入膜組件，通過無泡膜曝氣，提高CO2和H2的利用效率。CO2溶於水後產生的H2CO3可中和還原過程中產生的0H_生成HC03_，HC03_可作為氫自養還原菌生長必需的無機碳源被其利用。通過調節CO2分壓可調節反應器內溶液pH值在氫自養還原菌適宜生長的範圍內，並有效控制Ca2+、Mg2+離子的沉澱。該反應器的PVDF中空纖維膜組件採用U型結構，在不增加高度的基礎上，增加了微生物的附著面積，並且使膜絲表面都可以與汙水接觸。膜組件通過螺紋固定在反應器箱蓋上，離線清洗和更換極為方便。反應器內流態為水平推流，不需要高回流比保證完全混合狀態，為了控制進水負荷，反應器採用回流出水的方式，回流比控制在3-5。
[0011]本發明的技術方案如下:
[0012]包括反應器箱體，反應器箱體左端的進水口、回流進水口，右端的溢流出水口和回流出水口，頂端的箱蓋，箱蓋上開設的備用排氣孔；通過法蘭螺絲將反應器箱蓋和反應器箱體緊密連接成一體，保證反應器內為密閉環境；其結構要點是:`[0013]反應器箱體的形狀為臥式長方體，頂端的箱蓋上設有6個有內螺紋的接口，有內螺紋的接口與6個提供H2、CO2的膜組件螺接，下部設置汙泥鬥，汙泥鬥的底部有排泥口 ；6個膜組件按每兩個膜組件為一組共三組，沿水平方向排列於反應器箱體內，其中，膜組件甲和膜組件己為右端組，膜組件乙和膜組件戊為中間組，膜組件丙和膜組件丁為左端組；右端、中間兩組膜組件之間設有第二導流板，中間、左端兩組膜組件之間設有第三導流板，在左端組和進水口之間設有第一導流板；第一導流板和反應器箱體的底壁及箱體的後側壁固結，和前側壁之間留有通道；第二導流板與箱體前側壁固結，和後側壁之間留有通道；第三導流板與箱體後側壁固結，和前壁面之間留有通道，第二導流板和第三導流板下部與箱體底壁之間均留有通道；
[0014]上述每個膜組件由有外螺紋的接頭、PVC套筒、以及二者之間的支撐墊圈和200±10根PVDF中空纖維膜絲組成，PVDF中空纖維膜為市售U型PVDF中空纖維膜絲，外徑
1.3mm,內徑0.7mm，膜孔徑0.02 μ m, PVDF中空纖維膜絲的兩端分別套入PVC套筒，用環氧樹脂膠粘結成一束，每根PVDF中空纖維膜絲兩端開口不密封，PVC套筒和墊有支撐墊圈的有外螺紋的接頭之間通過環氧樹脂膠粘在一起，即完成膜組件的組裝；將組裝好的膜組件裝入反應器箱體內，通過轉動有外螺紋的接頭，即與有內螺紋的接口螺接成一體。
[0015]上述排泥口設置在第三導流板與反應器右端之間。
[0016]上述膜組件乙，膜組件丁，膜組件己通二氧化碳氣體，膜組件甲，膜組件丙，膜組件戍通氫氣。
[0017]與現有技術比較本發明具有如下效果和優點
[0018]1.由於本發明反應器採用臥式水平流方式，反應器的深度降低，膜絲長度也減小，氫氣和二氧化碳可以有效傳質到膜絲各個位置，避免了膜絲內部氣壓沿程下降，導致膜絲外部水壓高於膜絲內部氣壓，汙水滲入膜絲，影響反應器的正常運行，因此具有氣體利用率高，汙染物去除效率高的優點。
[0019]2.本發明反應器底部設置汙泥收集鬥和排泥口，脫落生物膜經過收集後通過排泥口排除，避免脫落的生物膜佔用反應器的有效體積，惡化出水水質，從而保證反應器的穩定連續運行。
[0020]3.本發明反應器主體內部設置導流板，有利於汙水和膜絲表面微生物充分接觸，有利於汙染物的充分降解。同時增大膜絲表面的水流速度，可以控制生物膜的厚度，避免生物膜過厚引起的氣體傳質問題。
[0021]4.本發明中的膜組件通過接頭的外螺紋與反應器上蓋接口的內螺紋密封連接，密封性好，並且拆卸方便，無需將反應器拆開，降低了膜組件受損的風險，便於膜組件的離線清洗和更換，同時不影響反應器的內部穩定，有利於反應器的運行和維護。
[0022]5.本發明反應器採用出水回流到進水的方式，可以有效緩解進水的衝擊負荷，使汙染物混合更均勻，回流比為300%-500%，低於申請號201210525050.2專利中的50-150倍，降低了運行過程中的能源消耗，為反應器進行擴大工程化設計提供了可能。
[0023]6.本發明中採用的膜組件中的膜絲採用U型形式，兩端粘結在套筒內，呈環狀排列，膜絲分布均勻，疏密適中，膜絲比表面積大，結構簡單，易於大規模工程化應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的反應器的剖視圖
[0025]圖2為本發明的反應器的俯視圖
[0026]圖3為本發明的反應器箱體的俯視圖
[0027]圖4為本發明的膜組件結構示意圖
[0028]圖5為本發明的工藝流程圖
[0029]圖中:
[0030]1一回流進水口 ；2—進水口 ；3—第一導流板；4一第二導流板；5—反應器箱體；6一第二導流板；7—排泥口 ；8—回流出水口 ；9一溢流出水口 ；10—法蘭螺絲；11 一有內螺紋的接口 ；12—膜組件甲，13—膜組件乙，14一膜組件丙；15—膜組件丁 ；16—膜組件戊；17—膜組件己；18—備用排氣孔；19一帶外螺紋的接頭；20—支撐墊圈；21—PVC套筒；22—PVDF中空纖維膜膜絲。
【具體實施方式】
[0031]首先進行反應器箱體的製作，如圖1-4，反應器箱體5為臥式長方體，底部的汙泥鬥的形狀為傾斜的鬥形，汙泥鬥端部安裝排泥口 7，由有機玻璃材料製成並通過焊接工藝連為一個整體。隨後在反應器箱體5的設定位置打孔，並焊接短管，分別是左端側壁上的回流進水口 1，左端後側壁上的進水口 2，右端後側壁上自上而下的溢流出水口 9和回流出水口8。然後在反應器箱體內部焊接有機玻璃的導流板共3塊，分別是第一導流板3，第二導流板4和第三導流板6。3塊導流板的位置是與6個膜組件位置相關，位於反應器箱體5內的6個膜組件的頂端固結在反應器箱蓋上，2個一組，共3組:其中，膜組件甲12和膜組件己17為右端組，膜組件乙13和膜組件戊16為中間組，膜組件丙14和膜組件丁 15為左端組；右端、中間兩組膜組件之間設有第二導流板4，中間、左端兩組膜組件之間設有第三導流板6，在左端組和進水口之間設有第一導流板3 ;第一導流板3和反應器箱體5的底壁及箱體的後側壁固結，和前側壁之間留有通道；第二導流板4與箱體前側壁固結，和後側壁之間留有通道；第三導流板6與箱體後側壁固結，和前壁面之間留有通道，第二導流板4和第三導流板6底部與箱體底壁之間均留有通道。
[0032]接著進行膜組件的組裝。膜組件由有外螺紋的接頭19、PVC套筒21、及二者之間的支撐墊圈20和PVDF中空膜膜絲22組成。PVDF中空膜膜絲22採用市售的U型PVDF中空纖維膜絲，外徑為1.3mm,內徑0.7mm,膜孔孔徑0.02 μ m。每個膜組件有200± 10根PVDF中空膜膜絲22，PVD F中空膜膜絲22的兩段分別套入PVC套筒21，用環氧樹脂膠粘結成一束，保證PVDF中空膜膜絲22與PVC套筒21粘結牢固且無縫隙，同時每根PVDF中空膜膜絲兩端埠不密封，這樣，氫氣或二氧化碳進入膜絲內，通過膜絲表面的膜孔擴散到膜外，然後通過環氧樹脂膠將PVC套筒21和墊有支撐墊圈20的帶外螺紋的接頭19粘在一起，同樣保證PVC套筒21和帶外螺紋的接頭19的密封性。
[0033]最後進行反應器的組裝，組裝時首先將密封墊圈安裝在反應器箱體5的法蘭環上，將留有一個備用排氣孔I8的反應器箱蓋蓋上，用法蘭螺絲10旋緊固定。然後在膜組件的帶外螺紋的接頭19的外螺紋處纏 繞生料帶，將組裝好的膜組件通過反應器箱蓋上的有內螺紋的接口 5豎直插入反應器箱體5內，旋緊帶外螺紋的接頭19頂部的六角螺母。
[0034]將連通二氧化碳氣體的管道與膜組件乙13，膜組件丁 15，膜組件己17連接，將膜組件甲12，膜組件丙14，膜組件戊16與通氫氣的管道連接。
[0035]工作原理和效果
[0036]本發明裝置運行時，將組裝完成後的反應器按照圖5所示方法把進水泵一端與汙染水連接，另外一端與反應器進水口2連接。將回流泵一端與反應器回流進水口 I連接，另外一端與反應器回流出水口 8連接。將含有硝酸鹽等氧化態汙染物的汙染水由進水泵提供動力，進入反應器，汙染水在第一導流板3、第二導流板4、第三導流板6的引導作用下呈S型流經6個膜組件表面，汙染水中的汙染物沿程被微生物同化利用或者降解，同時回流進水口 1、回流出水口 8由回流管連通,與進水口 2在水平面上垂直，中間經回流泵提供動力，使得反應器內形成回流。H2和CO2分別以一定壓力通過氣體管路進入PVDF中空膜膜絲22內部，再通過膜絲表面的膜孔以無泡擴散方式擴散至膜絲外部。CO2溶於水中形成H2CO3,並中和氧化性汙染物還原過程中產生的0H_，形成HC03_ ;氫氣則作為初始能源和無機氫供體被附著在膜絲表面的生物膜利用。氫氣經膜孔擴散後，再由從生物膜的內部向外部擴散，同時水中的汙染物質由生物膜外部向內部擴散，逆向擴散可提高氣體和底物的利用速率。微生物利用HCO3-作為無機碳源，以氧化態汙染物為底物，利用氫氣提供的電子將氧化性汙染物還原成低毒或無毒的形態，還原產物或形成沉澱被生物膜吸附，或回到水體中。淨化後的水由頂部的溢流出水口 9溢流而出，微生物生長代謝脫落的生物膜在水流和重力的作用下集中在汙泥鬥出口處，一定時間打開排泥口 7的快開開關，將脫落的生物膜排出反應器。[0037]生物膜生長過厚時，氫氣傳質將受到一定阻礙從而導致去除效果下降，同時，汙染水中一些無機鹽離子在生物膜表面或者膜孔處結垢。當上述情況發生時，可對反應器進行洗膜，旋轉膜組件的帶內螺紋的接頭19，將膜組件從帶內螺紋的接口 11中取出，用堵頭立即密封反應器。根據生物膜厚度，用曝氣或者超聲等方式對膜組件進行物理清洗，當發生膜孔堵塞時，可以進行酸洗，鹼洗。本發明在受氧化態物質汙染的地下水源處理中有著廣泛的應用前景，如應用於含高硝酸鹽的地下水，礦區地下水(重金屬汙染)、乾洗行業廢水(含氯仿類汙染物)汙染的地下水，`離子交換廢液等。
【權利要求】
1.一種以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器，包括反應器箱體(5),反應器箱體(5)左端的進水口(2)、回流進水口( I)，右端的溢流出水口(9)和回流出水口(8)，上部的箱蓋，箱蓋上開設的備用排氣孔(18);通過法蘭螺絲(10)將反應器的箱蓋和反應器箱體(5)固結成一體，其特徵是:反應器箱體(5)的形狀為臥式長方體，頂端的箱蓋上設有6個有內螺紋的接口( 11 )，有內螺紋的接口( 11)與6個提供H2、CO2的膜組件螺接，下部設置汙泥鬥，汙泥鬥的底部有排泥口(7);6個膜組件按每兩個膜組件為一組共三組，沿水平方向排列於反應器箱體內，其中，膜組件甲(12)和膜組件己(17)為右端組，膜組件乙(13)和膜組件戊(16)為中間組，膜組件丙(14)和膜組件丁(15)為左端組；右端、中間兩組膜組件之間設有第二導流板(4)，中間、左端兩組膜組件之間設有第三導流板(6)，在左端組和進水口(2)之間設有第一導流板(3);第一導流板(3)和反應器箱體的底壁及箱體的後側壁固結，和前側壁之間留有通道；第二導流板(4)與箱體前側壁固結，和後側壁之間留有通道；第三導流板(6)與箱體後側壁固結，和前壁面之間留有通道，第二導流板(4)和第三導流板(6)下部與箱體底壁之間均留有通道； 上述每個膜組件由有外螺紋的接頭(19)、PVC套筒(21)、以及二者之間的支撐墊圈(20)和200 ±10根PVDF中空纖維膜絲(22)組成，PVDF中空纖維膜(22)為市售U型PVDF中空纖維膜絲，外徑1.3mm,內徑0.7mm，膜孔徑0.02 μ m，PVDF中空纖維膜絲(22)的兩端分別套入PVC套筒(21)，用環氧樹脂膠粘結成一束，每根PVDF中空纖維膜絲(22)兩端開口不密封，PVC套筒(21)和墊有支撐墊圈(20)的有外螺紋的接頭(19)之間通過環氧樹脂膠粘在一起即完成膜組件的組裝；將組裝好的膜組件裝入反應器箱體(5)內，通過轉動有外螺紋的接頭(19 )，即與有內螺紋的接口( 11)螺接成一體。
2.根據權利要求1所述的一種以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器，其特徵是:排泥口(7)設置在第三導流板(6)與反應器右端之間。`
3.根據權利要求1所述的一種以二氧化碳為碳源的回流式水平流氫基質生物膜反應器，其特徵是:膜組件乙，膜組件丁，膜組件己通二氧化碳氣體，膜組件甲，膜組件丙，膜組件戍通氫氣。
【文檔編號】C02F3/34GK103771588SQ201310698439
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】夏四清, 王晨輝, 徐曉茵, 汪作煒 申請人:同濟大學