一种均匀集水节能高效型双层膜组器的制作方法

本发明涉及水处理设备，具体涉及一种均匀集水节能高效型双层膜组器。

背景技术：

1、随着我国经济的快速发展，水资源消耗量巨大，所以在水环境治理方面国家也给予了高度重视，使得我国城市污水处理厂建设也取得了巨大进展。目前中国已经成为全球污水处理厂规模最大的国家，城镇污水处理率接近100％。其中膜法水处理技术尤其是mbr技术，由于其占地面积小，出水水质好，生物安全性高等优势，目前已经成为我国重点推广的污水处理先进技术之一。

2、膜生物反应器(membrane bio-reactor，mbr)技术是由膜分离单元系统和生物处理单元系统相结合的新型水处理技术。膜生物反应器主要由生化反应池、膜池和控制系统三部分组成，其中膜池的核心关键部件即膜组器。一般情况下，将mbr膜组器直接浸没于膜生物反应器的膜池内，通过在膜组器、管路系统和泵的相对密闭空间内形成负压系统，在抽吸作用下，产水透过膜层进入膜内部通道，汇集并于组器出口流出进入管路系统，最终在泵的作用下进入产水系统。而在产水透过膜层的同时，活性污泥颗粒和绝大多数微生物、污染物等被微滤或超滤膜层截留在膜层的表面和混合液中，所以在mbr膜池内污泥浓度会相对较高。

3、在mbr膜池中，产水透过膜流出，污泥、微生物和污染物被截留在膜表面，为了维持微滤或超滤膜的继续稳定运行，需要通过其他手段来控制膜表面污染层的累积，如通过曝气吹扫膜表面即能达到较好的控制膜污染的效果，但同时通量越高，吹扫强度和气量需求越大，则能耗越高。

4、mbr膜技术除了能耗高的问题外，膜污染及运行维护问题也非常关键。在mbr膜组器中，膜污染与膜材料本身特性、膜组器结构、膜系统运行参数等密切相关。在mbr运行过程中，曝气吹扫仅能将膜表面的物理污染控制在一定程度，但膜表面的有机污染会缓慢积累，甚至会影响曝气吹扫对物理污染的效果，所以mbr在运行过程中，每隔一段时间，就要进行化学清洗和运行维护。

5、膜生物反应器技术的发展目前已经趋于标准化、大型化，但该技术本身仍然存在着一些问题，如相比于传统生化工艺，mbr工艺能耗要高30％左右。另外膜法水处理技术的另一个痛点是运行维护复杂，膜组器抗污染能力差等，这些仍是制约mbr技术发展的问题。

6、通过对市场上销售的产品及相关文献资料记载的查阅，现有mbr膜组器大部分是单层组器的形式。中国专利cn2-985299y公布了一种大型膜生物反应器组器，主要为克服一体式膜生物反应器单元组器规模较小设计，属于常规单层组器。中国专利cn202924824u同样公布了一种一体化mbr膜组器，目的是减轻膜组器的重量，降低制造成本，属于常规单层组器。中国专利cn209493371u公布了一种一体式大型mbr膜组器，属于常规单层组器。中国专利cn213387964u公布了一种新型具有集水功能膜组件的膜组器，目的是提高膜组件的安装和拆卸效率，降低维护成本。中国发明专利cn112250170b公布了一种脉冲曝气器和包括该脉冲曝气器的膜组器，脉冲曝气器位于单层组器的底部。中国发明专利cn109758920b公布了一种层流式中空纤维过滤膜组器，属于单层组器型式，主要目的是提高组器气洗效率，使运行更稳定。

7、目前市场中大部分组器产品以单层组器在销售和应用，主要原因是：双层组器虽然具有节能的优势，但双层组器结构更复杂，管路和高度等原因造成在双层组器中集水非常不均匀，上层膜元件由于天然的距离总产水口近而集水量大，而下层集水量小，那么在组器水力分布自然平衡的条件下，上层膜元件的负荷就高，就更容易污染；而从曝气上来说，下层膜元件距离组器底部曝气器近，则吹扫、气洗、冲刷的效率更高，则下层膜元件综合抗污染性能更高，反而是产水负荷更高的上层膜污染控制效率更低；所以在双层组器中，存在着两个非常严重的不平衡，即产水不平衡和曝气不平衡，使得实际的处理效果不理想，这也导致了市场中虽然也有一些双层组器产品在应用和销售，但始终无法占据主导。

8、因此，应当提出更为合理的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题。

技术实现思路

1、至少为克服其中一种上述内容提到的缺陷，本发明提出一种均匀集水节能高效型双层膜组器，通过设置双层的膜元件结构，增加水处理的面积，通过在集水结构内设置阻力结构可在一定程度上平衡上下两层膜元件的产水负荷；同时设置双层的曝气结构，下层组器采用连续曝气结构，实现膜元件间隙的垂直上升气泡流气体混合流流态，流速快冲刷效果好；而在上下层组器中间部分进行气体的混合和重布，这样做的目的：一是能有效防止由于下层组器污堵导致的上层组器气体分布不均问题，另一方面是设计气体脉冲加速器，在保证流体流动通道的同时，将部分气体进行能量回收和脉冲加速，形成气泡流和弹状流的搅拌混合流，提高上层组器的曝气冲刷效果，从而可极大的提高水处理的效率，也保障膜组器的使用寿命。

2、为了实现上述目的，本发明公开的膜组器可采用如下技术方案：

3、一种均匀集水节能高效型双层膜组器，包括：

4、框架结构，用以形成膜组器的整体，包括层叠连接的上层膜组器和下层膜组器；框架结构上形成集水总管和若干集水支管，集水总管上设置有产水口，集水支管连通至集水总管；

5、若干膜元件，连接至框架结构，且膜元件通过集水通道与集水支管连通，集水通道处设置有第一阻力均化件，和/或集水支管处设置有第二阻力均化件，经膜元件处理后的水经过集水通道被输送至集水支管，并汇集至集水总管；

6、曝气组件，包括设置于框架结构的进气管路，进气管路延伸至下层膜组器的底部并连通底部曝气槽；曝气组件还包括设置于上层膜组器与下层膜组器之间的气体脉冲加速器，当底部曝气槽的气泡流经过下层膜元件间隙流入上下层膜组器中间部分后，气泡先进行聚并和分散、混合和重布，然后一部分气体流入上层膜元件间隙，另一部分气体进入气体脉冲加速器中，进行能量回收和加速，然后以脉冲形式加速曝气流出。

7、上述公开的双层膜组器，通过两层膜组器同时工作进行水处理，能够增加水处理的面积和处理效率，其中集水总管与抽水泵连接并在集水总管内形成负压，使曝气池内的污水流向膜元件并经过处理后进入集水支管，最终汇集到集水总管并运输；在该过程中进气管路连通气源并向曝气槽输气，持续对膜元件进行曝气处理以清理附着的杂质，而底部曝气槽和组器中部的气体脉冲加速器则对气体进行连续曝气以及气体能量回收和加速，提高对上下两层膜元件的清洁效果；在该过程中，底部曝气槽向下层组器进行曝气，形成流速较快的气泡流形式，对下层膜元件进行高效冲刷；同时在组器中间部分进行气体的混合和重布、能量回收和脉冲加速，最后形成混合流流态对上层膜元件进行冲刷。

8、进一步的，集水总管的阻力结构用以平衡水平位置上不同集水支管的水力负荷，具体可通过多种方式实现，其并不被唯一限定，此处进行优化采用阻力结构并提出如下一种可行的选择：集水总管内设置有阻力结构，集水总管设置阻力结构的位置与集水支管对应，阻力结构包括阻力板，阻力板与集水总管的管壁连接并在集水总管的流体通过面形成遮挡以减小流通面积。采用如此方案时，通过在集水总管处设置阻力板，可降低集水总管内的水流通量，进而降低集水速率，在此过程中，集水总管上的阻力结构使若干集水支管的水负荷保持平衡，距离阻力结构近的集水支管与集水总管之间的连通阻力更大，反之则更小，因此能够避免靠近产水口的集水支管的流通负荷大，而远离产水口的集水支管流通负荷小。此外，集水总管中设置阻力结构的大小与支管距离总管的距离对应，距离总管越近，阻力结构越大，流体流通面积越小；距离总管越远，阻力结构越小，流体流通面积越大。通过在集水总管处设置阻力板，可平衡均化集水总管水平方向上各集水支管的集水量，防止离产水口越近的集水支管产水量越大。然后通过在不同高度的集水支管上设置不同大小的阻力结构，可降低相应高度集水支管内的水流通量，进而降低集水速率，使上层膜组器的水力负荷同步降低，当整体水力负荷降低至一定的水平时，上层膜组器与下层膜组器受到污染的程度差距基本接近。

9、进一步的，集水总管的设置方式并不被唯一限定，其设置的位置不同，对上层膜组器和下层膜组器造成的水力负荷不同，所需的曝气清洁也不同，其设置位置并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的集水总管设置于上层膜组器的顶部，集水支管从集水总管向下延伸至下层膜组器；集水支管通过阻力均化件连通膜元件。采用如此方案时，集水总管可与框架结构整合成整体结构，即通过集水总管作为框架结构的一部分用以进行连接固定形成完整的框架总体结构，集水总管内部形成水流通过的通道，便于简化整体结构。

10、进一步的，集水支管用以将从膜元件收集到的水输送至集水总管，由于设置了上下两层膜组器，因此需要对集水支管的配合结构进行优化，此处提出其中一种可行的选择：多根集水支管通过集水架连接并固定连通，所述的阻力均化件设置于集水支管处并与集水架连通。采用如此方案时，集水架可设置为盒状结构，其内部设置连通的通道用以连接集水支管，例如可用以连通上下两层膜组器的对应集水支管。

11、进一步的，在通过集水支管运输水流时，也需要保障上层膜组器与下层膜组器的水力负载，进行调整从而保持相对的负载平衡，调整水力负载的方式多种多样，其并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的阻力均化件包括圆筒状的主体，主体内形成有阻力遮挡结构并用以限制主体的流通面积。采用如此方案时，阻力均化件件可使下层膜组器通往上层膜组器的水流更为均匀稳定，减少局部水力负载过大的情况，同时也限制了上层膜组器的进水速度，避免了上层膜组器水力负载过大的情况。采用如此方案时，根据阻力遮挡结构的不同遮挡面积，可对集水支管的流通面积进行调整，从而调整集水支管的水流输送负荷，因此可根据实际的水力负荷需求，对集水支管内的阻力遮挡结构面积进行调整，从而改变集水支管从下往上的水力负载。

12、进一步的，本发明中所采用的膜元件结构可被构造为多种形式，其结构并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的膜元件包括上膜壳与下膜壳，上膜壳与下膜壳之间设置若干过滤膜丝且过滤膜丝内形成过水通道，过滤膜丝将上膜壳与下膜壳连通，上膜壳与下膜壳分别还设置有定位连接件并通过定位连接件与集水支管连通；集水通道位于定位连接件内并用以将进入过水通道的水引导至集水支管内。采用如此方案时，可在竖直方向设置过滤膜丝，曝气池内的水经过滤后进入过滤膜丝内的过水通道并被导向集水支管。

13、进一步的，本发明通过曝气管路提供气体，并在膜组器的底部进行布气和曝气，从而对过滤膜丝进行清洗，曝气管路的结构并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的进气管路包括设置于框架结构上的进气管道，进气管道沿框架结构延伸连通至下层膜组器的底部，下层膜组器的底部设置有布气管，布气管连接若干底部曝气槽并通过曝气槽向下层膜组器和上层膜组器曝气。采用如此方案时，布气管延伸穿过所有下层膜组器，且曝气槽沿布气管均匀间隔布置且形成行列结构，当进气管向布气管内送入气体后，气体进入所有的曝气槽并向上曝气，通过曝气对膜元件进行清洗。

14、进一步的，底部曝气槽的结构可被构造为多种形式，其并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的底部曝气槽包括中空的槽体，槽体朝向上方和侧方形成若干曝气孔，当气体进入到底部曝气槽后进行积聚，并通过曝气孔朝向槽体的上方和侧方发散输送。

15、优选的，组器底部曝气槽用以向整个组器曝气，而组器中部气体脉冲加速器则用以收集气体并进行脉冲加速然后曝气，并对膜元件进行冲刷，在一些方案中：所述的底部曝气槽为梯形结构，两侧设置上下两排曝气孔，用以进行不同气量的曝气，同时采用梯形结构，底部完全打开，彻底解决了曝气槽的积泥风险。组器中部在气体混合、重布后，采用气体脉冲加速器对部分可能撞击膜盒的气体进行收集和能量回收，并以脉冲形式加速曝气而出，在不遮挡气体混合液流道的情况下最大程度的提高曝气效率。

16、进一步的，为了提高曝气的效果，上层膜组器和下层膜组器的清理需求，在中部设置了气体脉冲加速器以进行气体重布调整，用以增强气体后段冲刷的效果，从而提高对上层膜组器清理，具体的，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的气体脉冲加速器包括脉冲主体，脉冲主体中空并形成若干向下开口的气体收集腔，气体收集腔内设置有脉冲通道并用以引导气体以脉冲的形式向外排放。

17、再进一步，在本发明中，气体脉冲加速器的实现方式并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的脉冲通道为u形结构，用以引导气体从脉冲通道的进气端进入并向下积攒，达到设定量后穿过脉冲通道的最低处并释放；脉冲主体上设置有出气孔并与脉冲通道的出气端对应配合，释放的气体从出气孔排出并进行曝气冲刷。

18、本发明中，在上层膜组器和下层膜组器中间的气体混合区域及上层膜组器下方设置的气体脉冲加速器，具有能量回收和气体脉冲加速的作用，当气液混合流流出下层膜组器膜元件间隙时，气泡进行聚并和分散、混合和重布，然后垂直正对上层膜元件间隙的气体则继续向上带动液体流动，而垂直正对膜元件外壳的气体如果没有其他结构设置，则会直接撞击膜元件下膜盒，导致流速减小、能量损失、效率降低，所以此时在上层膜元件下方设置气体脉冲加速器，对气体进行收集，并以脉冲形式曝气，起到能量回收和气体加速的作用。

19、另外之所以在上下两层膜组器中部设置气体混合区进行气体混合和重布，是因为：

20、(1)对于中空纤维膜元件来说，膜丝中间都是有间隙的，气体虽然在下层膜元件间隙间流动对膜丝进行冲刷，但在这个过程中，气泡会切割膜丝发生分散和聚并，所以气体从下层膜元件底部流入从下层膜元件顶部流出这个过程中，气泡在膜元件分散会产生较大的不均匀，如果没有中间混合区，则无法保证双层组器中上层膜元件间隙的曝气均匀性；

21、(2)对于mbr过程来说，有可能遇到一些极端情况，甚至正常产生情况下，当化学污染发生到一定程度，也会加剧物理污染的发生，这时就会在某个/某几个流道间隙发生污堵，而一旦下层膜元件某个/某几个元件间隙发生污堵，对于双层组器来说，如果没有组器中部混合重布区，则相对应的上层膜元件间隙由于没有气液混合流动，也必定会发生污堵，最终污染越来越严重。而加入组器中间部分的气体混合和重布区，则有效避免了这个问题，同时还可以设置如气体脉冲加速器装置，更高效的对曝气气体进行利用。

22、与现有技术相比，本发明公开技术方案的部分有益效果包括：

23、本发明通过改进了膜组器的结构，不仅实现了双层膜组器进行水处理以加大水处理的面积，还对上下层膜组器的水力负荷进行平衡，同时对上下层曝气结构的冲刷性能进行平衡，在保障水处理性能的同时，降低了整个膜组器的能耗，且有效延长使用寿命。