CN101643270A

CN101643270A - 覆膜铸砂板式膜组件

Info

Publication number: CN101643270A
Application number: CN200810117705A
Authority: CN
Inventors: 樊耀波; 徐国良; 徐云; 秦升益; 袁栋栋; 杨文静; 吴光夏
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-10

Abstract

本发明提供一种覆膜铸砂板式膜组件，主要由覆膜铸砂板式膜、膜支架、集水管、膜鼓气管等组成；覆膜铸砂板式膜主要特征在于：其是在铸砂元件表面覆着一层有机材料，该有机材料为聚偏氟乙烯(PVDF)溶液，或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和聚醚砜(PES)的混合溶液。覆膜铸砂板式膜组件主要特征在于：每层安装有若干覆膜铸砂板式膜，其分为两组，相对插入膜支架的卡槽内构成，覆膜铸砂板式膜组件可为2～8层，高度为1～4米。出水口朝向膜支架外侧，通过连接软管连接于集水管。该膜组件克服了公知的膜生物反应器中采用的有机膜寿命较短，换膜带来的费用较大、运行费用较高等问题，使膜生物反应器水处理和废水资源化技术更加高效、经济。

Description

覆膜铸砂板式膜组件

技术领域

本发明属于膜生物反应器技术领域，特别涉及一种覆膜铸砂板式膜组件。

背景技术

膜生物反应器由生物反应池单元和膜分离单元组成，其特点是：处理水质好、处理水适宜回用；占地面积小，环境适应性高；自动化程度高，容易运行管理。其应用的规模不断发展，万吨级和几十万吨级的市政污水处理工程已经出现，其应用数量也越来越大，数以千级的膜生物反应器工程在世界许多国家和地区得到应用。

膜单元采用的膜材料分为有机膜和无机膜。公知的膜生物反应器大多采用的是有机膜。有机膜强度差，使用寿命短，是当今阻碍膜生物反应器大规模和普及应用的一个重要限制性因素和重大技术难题。有机膜大多为石油化工材料或塑料制成的膜。有机膜存在膜强度不高，膜组件会发生破裂，特别是中空纤维膜容易出现膜丝断裂。目前市售有机膜的寿命据各生产厂商的技术参数，最短为1-3年，最长6-10年(高大林.颇尔各种膜技术的比较.清华大学：膜法水处理技术研讨会，2005：228；The purification company(Norit).X-lowrecycling of wastewater，Tsing Hua university，China：internationalsymposium on membrane technologies for water and wastewater treatment，2005：195；郑祥等.膜生物反应器的技术经济分析.给水排水，28(3)，2002：105-108)。有的膜丝甚至在安装使用后，几个月内就出现膜丝断裂现象。一旦出现膜的断裂，处理水质将变差。因此，膜的强度差，成为影响膜生物反应器稳定和可靠性的重大技术问题。当膜损坏的量和程度影响到系统的处理效果，就需要更换膜组件，这不仅要使污水处理系统停止运行，而且换膜的工程量和一次性费用都很大，特别是对于较大规模的膜生物反应器工程，换膜产生的问题就更为复杂，产生的不利影响范围更大。由于有机膜主要以石油化工产品为原料，每次膜更换等于在消耗大量宝贵不可再生的石油资源，这在石油资源日益短缺的条件下问题将日显严重。不仅如此，换掉的废旧膜组件又成为难以处理的有机工业废弃物，给环境造成二次污染和新的负担。即使有机膜材料不是意外的损坏，这种有机膜生物反应器正常的、周期的膜更换产生的经济和环境问题也将是巨大的，随着膜生物反应器应用的发展，特别是在大规模市政污水处理工程中应用的发展，这一问题将更显突出和严重。因此，采用有机膜的膜生物反应器，膜的强度差严重限制着该技术的大规模和普及性应用。

公知的无机膜主要有金属膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜、分子筛膜等。无机膜具有有机聚合物分离膜无法比拟的优点：化学稳定性好，耐酸碱、耐有机溶剂；机械强度大，寿命长；可以反冲洗；抗微生物的能力强，不与微生物发生作用；耐高温；孔径分布窄、分离效率高。

但目前商品化的无机膜主要是陶瓷膜。陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，其发展可分为三个阶段。即：用于铀的同位素分离的核工业时期，于20世纪80年代建成了膜面积达400万平方米的陶瓷膜富集²⁵⁶UF₆工厂；以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离时期及以膜催化反应为核心的全面发展时期。无机陶瓷膜的主要制备技术包括：采用固态粒子烧结法制备载体及微滤膜，采用溶胶-凝胶法制备超滤膜；采用分相法制备玻璃膜；采用专门技术(如化学气相沉积、无电镀等)制备微孔膜或致密膜。目前已商品化的陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道三种。平板膜主要用于小规模的工业生产和实验室研究。规模应用的陶瓷膜，通常采用多通道构形，即在一个圆截面上分布着多个通道，一般通道数为7、19和37。由于陶瓷膜的技工工艺复杂、加工难度大，价格昂贵，每平米造价4000-10000元人民币，因此，无机陶瓷膜分离技术主要在高附加值的工业项目中应用，如奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业、食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域，成为苛刻条件下精密过滤分离的重要新技术。

在环境工程中的应用，除了陶瓷膜的造价高，运行费用也较高，所以，其见有报道的应用主要是油水分离、对某些化工原料回收，如钛白粉的回收、在石化废水处理中去除沉淀的重金属、在乳胶废水中去除回收乳胶等。陶瓷膜在膜生物反应器中的应用仍局限在实验室研究阶段，如邢传宏进行的管式陶瓷膜生物反应器研究；张永明进行的双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究；膜科学技术研究所的气升式陶瓷膜生物反应器研究等。陶瓷膜在环境工程中应用受到限制的主要原因是处理成本过高。无机膜的造价高，到2004年，世界分离膜的市场销售额超过100亿美元，无机膜的市场占有率仅占12％。(《中国化工报》2002.9.10文/刑卫红；时钧，袁权，高从增等.膜科学技术手册[M].北京：化学工业出版社，2001：114-116；邢传红.超滤膜生物反应器处理生活污水及其水力学研究.环境科学，1997，18(5)：19～21；张永明等.双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究.http://www.chinafa.net/web/class/464.html，2006，2，15；膜科学技术研究所.气升式陶瓷膜生物反应器的研究.http://mst.njut.edu.cn/chinese/mst/peiyang.html，2006，2，15；郑祥等.膜生物反应器的技术经济分析.给水排水，28(3)，2002：105-108)。

陶瓷膜在环境工程中应用处理成本过高除了造价高的原因外，其运行能耗及运行费用也较高。其运行能耗高的原因是在陶瓷膜过滤时，在生物单元和膜单元之间需要较大的循环流量，需要功率较高的循环水泵。

发明内容

为解决有机膜强度差，使用寿命短和无机膜造价高、运行能耗高的问题，本发明提出一种覆膜铸砂板式膜组件，采用的膜是一种覆膜铸砂板式膜，如图1所示，其特点在于：

(1)覆膜铸砂板式膜(1)是在铸砂元件表面覆着一层有机膜材料，该有机膜材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和聚醚砜(PES)的混合膜溶液，其中聚偏氟乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮和聚醚砜的质量浓度分别为1％～10％，使用的有机溶剂为二甲基乙酰胺(DMAC)。铸砂元件整体铸造而成，内部具有空腔，空腔内设有支撑点(2)以加强铸砂元件的强度。出水经有机材料、砂板后进入覆膜铸砂板式膜(1)内的空腔，经出水口(3)流出；

(2)覆膜铸砂板式膜(1)由过滤层和衬层组成，过滤层为有机材料，孔径小，孔径范围约为0.1～30μm，衬层为铸砂元件，孔径范围约为50～200μm，因而能够有效地减轻不可逆的膜污染；

(3)与目前应用的4000-10000元/m²昂贵的传统陶瓷膜相比，覆膜铸砂板式膜价格便宜，约为100～300元/m²，且不采用错流过滤方式，因而能耗低；

(4)具有高透水率，高强度，长寿命、耐酸碱等特点。

本发明的目的在于解决和克服公知膜生物反应器采用有机膜寿命较短和采用传统无机陶瓷膜造价及运行能耗和费用高的问题，使得膜生物反应器的膜材料充分利用天然廉价和环境友好的材料，大大延长膜生物反应器的寿命，突破公知有机膜生物反应器使用寿命最长5-10年的限制，使膜生物反应器成为一种更加实用，宜于普及和大规模应用的水处理、污水处理和污水再生回用技术。

如图2所示的大型覆膜铸砂板式膜组件其特征在于：每层安装有10-40个覆膜铸砂板式膜(1)，以10-20个为一组，相对插入大型膜支架(2-8)的卡槽(2-11)内构成，大型覆膜铸砂板式膜组件可为2～8层，高度为1～4米。出水口(3)朝向大型膜支架(2-8)外侧，通过连接软管(2-4)连接于集水支管(2-5)，各集水支管(2-5)连接于集水干管(2-6)，集水管由管架(2-12)支撑。大型膜支架(2-8)主要由横梁(2-9)、承重立管(2-10)、卡槽(2-11)、吊环(2-13)组成，下方安装有膜鼓气管(2-7)。

如图2所示的大型覆膜铸砂板式膜组件适用于规模较小的水处理工程，可于工程现场组装完成后，整体吊装，模块化程度高。

如图3所示的小型覆膜铸砂板式膜组件其特征在于：每层安装有8个覆膜铸砂板式膜(1)，以4个为一组，相对插入小型膜支架(3-8)的卡槽(3-11)内构成，小型覆膜铸砂板式膜组件可为2～8层，高度为1～4米。出水口(3)朝向小型膜支架(3-8)外侧，通过连接软管(3-4)连接于集水支管(3-5)，各集水支管(3-5)连接于集水干管(3-6)，集水管由管架(3-12)支撑。小型膜支架(3-8)主要由横梁(3-9)、承重立管(3-10)、卡槽(3-11)、吊环(3-13)组成，下方安装有膜鼓气管(3-7)。

如图3所示的小型覆膜铸砂板式膜组件适用于规模较大的水处理工程，可于工程现场组装完成后，分别将多组小型覆膜铸砂板式膜组件吊装，再将各小型覆膜铸砂板式膜组件并联运行，对安装机械承载负荷要求低。若个别单元出现问题，可将单个小型覆膜铸砂板式膜组件吊出，对其进行维修或更换，不影响系统运行，利于实现大规模膜生物反应器水处理系统和成套设备的建设。

如图4所示的覆膜铸砂板式膜(1)，其出水口(3)通过连接软管(4-4)连接于集水支管(4-5)的接口(4-14)，连接处采用捆扎带(4-15)捆紧。

附图说明

图1为本发明所述覆膜铸砂板式膜示意图。其中：1-覆膜铸砂板式膜、2-支撑点、3-出水口；

图2为本发明所述大型覆膜铸砂板式膜组件的示意图。其中：1-覆膜铸砂板式膜、3-出水口、2-4-连接软管、2-5-集水支管、2-6-集水干管、2-7-膜鼓气管、2-8-大型膜支架、2-9-横梁、2-10-承重立管、2-11-卡槽、2-12-管架、2-13-吊环；

图3为本发明所述小型覆膜铸砂板式膜组件的示意图。其中：1-覆膜铸砂板式膜、3-出水口、3-4-连接软管、3-5-集水支管、3-6-集水干管、3-7-膜鼓气管、3-8-小型膜支架、3-9-横梁、3-10-承重立管、3-11-卡槽、3-12-管架、3-13-吊环；

图4为本发明所述覆膜铸砂板式膜与集水支管连接的局部示意图。其中：1-覆膜铸砂板式膜、3-出水口、4-4-连接软管、4-5-集水支管、4-14接口、4-15-捆扎带。

Claims

1、一种覆膜铸砂板式膜(1)，其特征在于：覆膜铸砂板式膜是在铸砂板式元件表面覆着一层有机膜材料，该有机材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)或聚醚砜(PES)。涂覆时，将有机膜材料与有机溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)配制成分别含有机膜材料聚偏氟乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮或聚醚砜质量浓度为1％～10％的膜液后进行涂覆；铸砂元件整体铸造而成，内部具有空腔，空腔内设有支撑点(2)以加强铸砂元件的强度；出水经有机材料、砂板后进入覆膜铸砂板式膜(1)内的空腔，经出水口(3)流出。

2、以如权利要求1所述的覆膜铸砂板式膜(1)组装制成大型覆膜铸砂板式膜组件，其特征在于：每层安装有10-40个覆膜铸砂板式膜(1)，以10-20个为一组，相对插入大型膜支架(2-8)的卡槽(2-11)内构成，大型覆膜铸砂板式膜组件可为2～8层，高度为1～4米。出水口(3)朝向大型膜支架(2-8)外侧，通过连接软管(2-4)连接于集水支管(2-5)，各集水支管(2-5)连接于集水干管(2-6)，集水管由管架(2-12)支撑。大型膜支架(2-8)主要由横梁(2-9)、承重立管(2-10)、卡槽(2-11)、吊环(2-13)组成，下方安装有膜鼓气管(2-7)。

3、以如权利要求1所述的覆膜铸砂板式膜(1)组装制成的小型覆膜铸砂板式膜组件其特征在于：每层安装有8个覆膜铸砂板式膜(1)，以4个为一组，相对插入小型膜支架(3-8)的卡槽(3-11)内构成，小型覆膜铸砂板式膜组件可为2～8层，高度为1～4米。出水口(3)朝向小型膜支架(3-8)外侧，通过连接软管(3-4)连接于集水支管(3-5)，各集水支管(3-5)连接于集水干管(3-6)，集水管由管架(3-12)支撑。小型膜支架(3-8)主要由横梁(3-9)、承重立管(3-10)、卡槽(3-11)、吊环(3-13)组成，下方安装有膜鼓气管(3-7)。