用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器及方法

摘要

本发明公开了一种用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器及方法，属于水处理技术领域。该装置包括漂浮装置、太阳能曝气系统和膜曝气生物膜反应器系统；太阳能曝气系统固定于漂浮装置上部并位于水面上方，膜曝气生物膜反应器系统固定于漂浮装置下部并位于水面下方，包括上气体分配室、下气体分配室和若干膜组件；膜组件的两端分别与上气体分配室和下气体分配室连通且连接处密封；空气泵用于向下气体分配室中提供氧气；上气体分配室设有能定期开启排除废气的排气口。本发明中膜组件更换方便，氧气利用率高，建造成本低，可同步硝化反硝化，且无需铺设供电线路，应用场景广泛。

说明书

技术领域

本发明属于水处理设备领域，具体涉及一种用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器及方法。

背景技术

目前对于河道、湖泊等自然水体的修复，包括引水稀释、底泥疏浚等物理修复手段，但该过程工程量大，成本高昂，且一定程度破坏了原有的水生态系统，不可持续；而投加铁盐除磷、投加杀藻剂抑制藻类繁殖等化学手段，虽然见效快，但药剂投加量大，易沉积于水体底部，造成二次污染；目前应用较多的原位曝气、生物浮岛等生物修复手段，由于原位修复、绿色环保的特点，受到广泛关注。尤其是曝气充氧法，通过创造有氧环境，使好氧菌大量繁殖，以此来降解水体中的氨氮和有机污染物，不仅环境友好，还能够逐渐恢复污染水体的自净能力。但传统的自然跌水曝气和机械曝气，氧气利用效率低，能耗相对较高。

膜曝气生物膜反应器(MABR)法是基于生物膜工艺的一种新颖的水处理方法。该方法采用中空纤维膜作为生物膜的生长表面，同时将空气/氧气通入中空纤维膜的膜腔，氧气在压力的驱动下从中空纤维膜的膜壁扩散到腔外，从而直接供给给附着在膜壁上的生物膜，为微生物生长和降解污染物所利用。通过膜壁扩散的气体以无泡的形式，保证了将近100％的气体利用效率，同时还避免了将水中的挥发性污染物吹脱进入大气的风险。且由于气体底物和溶解性污染物相向扩散进入生物膜，这有助于微生物菌落分层结构的形成，靠近纤维膜侧，氧气浓度高，形成好氧区；而靠近自然水体侧，溶解氧浓度低，形成缺氧乃至厌氧区。这就使得去除COD和氨氮的同时，也能够实现氧化态污染物的去除，实现更丰富的净化能力。更重要的是，在低供气压力(一般50-100kPa)下，便可达到各污染负荷下的处理需求，能耗极低。

但是，目前的膜曝气生物膜反应器大多应用于实验研究以及小规模、分散式的生活污水处理，很少有用于自然水体的修复。一方面受地理位置因素的限制，铺设供电线路相当麻烦，且难以管理。例如申请号201820105825.3的中国专利申请，该专利不仅受到供电问题的限制，而且膜丝直接铺设于河道中，没有相关保护措施，很容易受到鱼类的撕咬以及砂石的打磨造成膜破损；同时膜组件更换也不便利。另一方面，受装置复杂性的限制。例如申请号201610638642.3的中国专利申请，装置反应区的划分过于复杂，且水体需要经水泵提升后进行异位处理，中间还包括回流系统，处理能耗较高，且运行维护不便。

发明内容

本发明的目的在于充分考虑实际自然水体治理的需求，并至少克服一项上述所提到的问题而提供一种新型的用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器，其特征在于，包括漂浮装置、太阳能曝气系统和膜曝气生物膜反应器系统；

所述太阳能曝气系统固定于漂浮装置上部并位于水面上方，包括太阳能板、储电装置和空气泵；所述太阳能板通过储电装置与空气泵连接，太阳能板产生的电能由储电装置储存并为空气泵提供动力；

所述膜曝气生物膜反应器系统固定于漂浮装置下部并位于水面下方，包括上气体分配室、下气体分配室和若干膜组件；上气体分配室和下气体分配室均为内部中空的密封结构，两者之间的距离可调节；膜组件的两端分别与上气体分配室和下气体分配室连通且连接处密封；所述空气泵通过设有气体流量计的供气软管与下气体分配室连通，用于向下气体分配室中提供氧气；所述上气体分配室设有能定期开启排除废气的排气口；在所有膜组件的外周设有保护网，用于保护膜组件免受水中生物或杂质破坏；膜曝气生物膜反应器系统的底部设有用于固定在水中随处位置的抛锚系统。

作为优选，所述漂浮装置为浮板，储电装置为蓄电池，保护网为金属网或尼龙编织网。

作为优选，所述上气体分配室和下气体分配室均为圆柱形结构，材质为UPVC、ABS或PMMA；在上气体分配室和下气体分配室的外周均设有用于固定保护网的固定装置。

作为优选，每个所述膜组件均为由400～500根中空纤维膜丝组成的膜束。

作为优选，所述排气口外接设有时间继电器的电磁阀，通过时间继电器控制电磁阀定期开闭，以定期开启排气口排除废气。

作为优选，所述上气体分配室设有压力监测口，压力监测口与在线压力监测系统连接的气体压力传感器，用于实时监测上气体分配室中的压力情况。

作为优选，所述抛锚系统包括可调节绳索和锚体；在下气体分配室的中心开设有竖向贯通但不影响气密性的中心孔道；可调节绳索的一端固定于上气体分配室底部，另一端穿过中心孔道并在端部连接有锚体；位于下气体分配室底部的可调节绳索上设有固定件，通过固定件能改变可调节绳索位于上气体分配室和下气体分配室之间的长度，进而改变上气体分配室和下气体分配室之间的距离。

作为优选，所述上气体分配室的底部和下气体分配室的顶部均开设有若干带内螺纹的膜组件连接孔，膜组件的两端通过灌封胶和塑钢土密封固定于带有外螺纹的宝塔头中，通过宝塔头与膜组件连接孔之间的螺纹连接使膜组件固定于上气体分配室和下气体分配室之间。

进一步的，所述宝塔头的材质为PTFE、ABS或UPVC，宝塔头与膜组件连接孔之间通过填充生料带以确保气密性。

第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述太阳能动力膜曝气生物膜反应器的自然水体修复方法，其具体如下：

根据待修复自然水体的特征，将若干太阳能动力膜曝气生物膜反应器分布置于自然水体中，调整上气体分配室和下气体分配室所处深度；通过抛锚系统将反应器整体固定，使其在水面摆动的幅度不超过15°；开启空气泵，使曝气压力小于膜组件的泡点压力；利用自然水体的原有微生物对膜组件的表面进行挂膜；待挂膜完成后，由于空气泵提供的氧气由膜组件内部向膜表面生物膜扩散，污染物则由水体向膜组件表面生物膜内部扩散，氧气和污染物逆向扩散，使膜组件上形成了独特的生物膜分层结构；靠近膜组件的氧气浓度高，形成好氧区，利于硝化菌的生长；而随着远离膜组件，溶解氧浓度降低，形成缺氧乃至厌氧区，有助于反硝化菌的生长；在氧气从膜组件内侧向外逐步扩散的过程中，水体中的氨氮、COD、硝态氮和亚硝态氮被同步脱除，水体得到净化；

在运行过程中，通过定期开启上气体分配室的排气口，将膜曝气生物膜反应器系统内部的废气排出，以保证氧气的浓度，提高氧气传质效率；

通过上气体分配室设置的在线压力监测系统实时监测膜曝气生物膜反应器系统的压力变化；若压力低于预设值，则需要对反应器进行检修；若压力超过预设值，则需要对膜组件进行清洗更换，以去除过厚的生物膜，确保反应器的工作效能。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明采用MABR技术耦合太阳能曝气装置，为一体化设备，智慧运行，无需人为过多干预，基本不存在运行成本，且省去了电路铺设费用，建造安装成本等相对较低。

(2)本发明各膜组件相互独立，且通过螺纹与气体分配室连接，更换方便；单个膜组件组装过程简单，无需专业设备，造价低，可单一替换，经济优势突出。

(3)本发明膜组件的数量和长度均可以灵活调节，以适应不同的水深和水质要求。

(4)本发明设置了压力实时监测系统，能够在手机/电脑端实时监测供气压力变化，及时发现装置运行故障，方便管理与检修，大大提高装置的实用性。

(5)本发明设置了定期排气系统，能够保证供气中氧的比例，提高氧传质效率，从而使该装置能够持续高效率运转。

(6)本发明采用保护网将所有膜组件保护起来，有效避免了外部因素造成的膜破损，大大提高了膜组件的使用寿命。

(7)本发明采用自然挂膜，不会对原有生态系统造成影响，且安装布设十分简单便捷，无需专业人员操作，普适性强。

附图说明

图1为本发明反应器的结构示意图；

图2为本发明反应器的一种膜曝气生物膜反应器系统主视图；

图3为图2中膜曝气生物膜反应器系统的俯视图；

图4为膜组件的一种组装方式；

图5为实施例中反应器的运行效果图；

图中附图标记为：太阳能板1、储电装置2、气体流量计3、空气泵4、漂浮装置5、电磁阀6、时间继电器7、供气软管8、排气口9、中心孔道10、膜组件11、保护网12、上气体分配室131、下气体分配室132、可调节绳索14、锚体15、进气口16、宝塔头17、膜组件连接孔18、压力监测口19、连接件20、气体压力传感器21、在线压力监测系统22、固定螺丝孔23、塑钢土24和灌封胶25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明的一种用于水体修复的太阳能动力膜曝气生物膜反应器，该太阳能动力膜曝气生物膜反应器主要包括太阳能曝气系统、膜曝气生物膜反应器系统、定期排气系统、压力实时监测系统、浮力系统以及抛锚系统。下面将对各系统的组成及连接方式进行具体说明。

浮力系统主要指的是漂浮装置5，用于为整体反应器提供浮力，漂浮装置5可以采用浮板。浮板5优选聚乙烯板，其不仅具有较好的耐热、耐寒性，同时具有较大的强度和韧性。

太阳能曝气系统固定于漂浮装置5上部，并整体位于水面上方，包括若干块太阳能板1、用于保证连续供电的至少一块储电装置2和至少一台小功率空气泵4。太阳能板1与储电装置2连接，将太阳能转变的电能储存于储电装置2中，储电装置2与空气泵4连接，将储存的电能提供给空气泵4当做动力。储电装置2可以采用蓄电池。太阳能板和蓄电池数量可根据不同地理位置阴雨天数量不同进行灵活调节。

如图2和3所示，膜曝气生物膜反应器系统固定于漂浮装置5下部，并整体位于水面下方，包括上气体分配室131、下气体分配室132和若干膜组件11。上气体分配室131和下气体分配室132均为内部中空的密封结构，两者之间的距离可调节。上气体分配室131的顶部通过连接件20与漂浮装置5底部连接，连接方式可以采用螺纹连接，具体如下：在漂浮装置5底部开设有多个具有内螺纹的固定螺丝孔23，连接件20的一端与上气体分配室131的顶部固定连接，另一端设有外螺纹并与固定螺丝孔23螺纹连接，通过调整连接件，能够改变上气体分配室131在水体中的深度位置。膜组件11的一端与上气体分配室131连通且连接处密封，另一端与下气体分配室132连通且连接处密封。下气体分配室132上设有进气口16，空气泵4通过设有气体流量计3的供气软管8与下气体分配室132的进气口16连通，用于向下气体分配室132中提供氧气，由于上气体分配室131、膜组件11和下气体分配室132三者连通，有空气泵4提供的具有一定压力的气体会顺次充满膜组件11和上气体分配室131。在所有膜组件11的外周设有保护网12，将所有膜组件封闭其中，用于保护膜组件11免受水中生物或杂质破坏，保护网12可以采用金属网或尼龙编织网。

上气体分配室131和下气体分配室132均为圆柱形结构，材质为UPVC、ABS或PMMA。在上气体分配室131和下气体分配室132的外周均设有用于固定保护网12的固定装置。每个膜组件11均为由400～500根中空纤维膜丝组成的膜束。

如图4所示，为了保证膜组件11连通的气密性，可以采用以下结构：上气体分配室131的底部和下气体分配室132的顶部均开设有若干带内螺纹的膜组件连接孔18，膜组件11的两端通过灌封胶25和塑钢土24密封固定于带有外螺纹的宝塔头17中，通过宝塔头17与膜组件连接孔18之间的螺纹连接使膜组件11固定于上气体分配室131和下气体分配室132之间。宝塔头17的材质为PTFE、ABS或UPVC，宝塔头17与膜组件连接孔18之间通过填充生料带以确保气密性。该膜曝气生物膜反应器系统具有多个可根据实际需要增减的膜组件，各膜组件之间相互独立，且通过螺纹与气体分配室连接，更换方便。在制作时的具体工艺可以参考如下过程：

S1：取一束中空纤维膜丝，数量控制在400～500根，两端暂时用扎带扎起，防止膜丝变得杂乱，将该束膜一端穿过两端贯通且具有外螺纹的宝塔头，膜丝端口露出宝塔头长度约1～2cm，采用塑钢土将膜丝与宝塔头内壁间的缝隙基本填充完全，以避免倾注灌封胶时，液态胶水流出；

S2：待塑钢土变硬，将宝塔头露出膜丝端朝下，往其中注入灌封胶，使胶水充分填充膜丝间的空隙，确保膜组件的气密性良好，使气体完全进入模腔中向外扩散；可以采用壁纸刀将露出宝塔头部分膜丝切除，确保每根中空纤维膜端口完全裸露。

由于在膜组件11的反应过程中会消耗氧气产生废气，如N

压力实时监测系统主要包括气体压力传感器21及云端数据传输机构，即在上气体分配室131设有压力监测口19，压力监测口19与在线压力监测系统22(云端数据传输机构)连接的气体压力传感器21，用于实时监测上气体分配室131中的压力情况。云端数据传输机构可以采用手机或者电脑端等显示装置实时观测压力情况。

膜曝气生物膜反应器系统的底部设有用于固定在水中随处位置的抛锚系统。抛锚系统包括可调节绳索14和锚体15。在下气体分配室132的中心开设有竖向贯通但不影响气密性的中心孔道10，孔道直径可以采用40mm。可调节绳索14的一端固定于上气体分配室131底部，另一端穿过中心孔道10并在端部连接有锚体15。锚体15置于水体底泥中，以固定整个装置相对水面的位置。位于下气体分配室132底部的可调节绳索14上设有固定件，通过固定件能改变可调节绳索14位于上气体分配室131和下气体分配室132之间的长度，进而改变上气体分配室131和下气体分配室132之间的距离。在实际应用时，为了节约制作成本、简化装置结构，可以采用将绳索打结的方式代替固定件，来调节上气体分配室131和下气体分配室132之间的距离。

利用上述太阳能动力膜曝气生物膜反应器的自然水体修复方法，具体如下：

根据待修复自然水体的面积、水质参数等特征，参照实验数据，确定布设装置的最佳数量。根据水深，调整好装置的高度以及膜组件处于水中的深度。将装置按照设定密度投放于水体中，并调整抛锚系统中绳索长度，使得装置在水面摆动的幅度不超过15°。开启空气泵，并调整气体流量计，使得曝气压力小于中空纤维膜的泡点压力，一般控制在50～100kPa，采用该种方式是为了使氧气能够从膜组件中缓慢渗出，从而增加了氧气的利用效率。利用自然水体的原有微生物对膜组件11的表面进行挂膜。待挂膜完成后，由于空气泵4提供的氧气由膜组件11内部向膜表面生物膜扩散，污染物由水体向膜组件11表面生物膜内部扩散，氧气和污染物逆向扩散，使膜组件11上形成了独特的生物膜分层结构。靠近膜组件11的氧气浓度高，形成好氧区，利于硝化菌的生长。而随着远离膜组件11，溶解氧浓度降低，形成缺氧乃至厌氧区，有助于反硝化菌的生长。在氧气从膜组件11内侧向外逐步扩散的过程中，水体中的氨氮、COD、硝态氮和亚硝态氮被同步脱除，水体得到净化。

在运行过程中，通过定期开启上气体分配室131的排气口9，将膜曝气生物膜反应器系统内部的废气排出，以保证氧气的浓度，提高氧气传质效率。

通过上气体分配室131设置的在线压力监测系统22实时监测膜曝气生物膜反应器系统的压力变化，以便于及时发现问题：若压力低于预设值，则需要对反应器进行检修，比如检查供气系统及各膜组件，及时更换破损的膜组件。若压力超过预设值，则需要对膜组件11进行清洗更换，以去除过厚的生物膜，确保反应器的工作效能。

实施例

参照某自然水体的水质特征，以模拟配水为处理对象，采用上述太阳能动力膜曝气生物膜反应装置，进行水质净化。本实施例装置参数如下：考虑一周中的阴雨天气为2天，选取2块功率为300W的单晶太阳能板，配备两块12V150AH铅酸蓄电池，接300w逆电器为额定电压220V功率80W的空气泵持续供给电能。所采用的压力实时监测系统为市售的4G版大气压力传感器，电能同样由蓄电池供给。装置中共计12个膜组件，每个膜组件的中空纤维膜丝均采用PP微孔膜，有效膜面积共计7.18m

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。