CN103908904A - 平板式膜过滤元件及其制造方法、平板式膜过滤组件以及膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板式膜过滤元件及其制造方法、平板式膜过滤组件及膜生物反应器。平板式膜过滤元件包括：膜支撑件，膜支撑件成平板状，膜支撑件表面具有蛇形流道，流道两端开口于所述膜支撑件的一侧；无纺布膜位于所述膜支撑件的上、下表面，通过四周与膜支撑件相粘合而将膜支撑件上的所述流道覆盖在所述无纺布膜之下；出水管与流道的两端的开口相连通。本发明的平板式膜过滤元件强度高，使用时间耐久、易于制作并且过滤效率高。

Description

平板式膜过滤元件及其制造方法、平板式膜过滤组件以及膜生物反应器

技术领域

本发明涉及一种膜过滤元件，尤其是涉及一种污水净化用的平板式膜过滤元件及其制造方法，以及包含该膜过滤元件的平板式膜过滤组件和膜生物反应器。

背景技术

目前污水净化领域广泛采用生化处理工艺，通过微生物的生化反应，将污水中的污染物质去除。膜生物反应器作为一种新兴的水处理技术，可以结合生物处理和膜分离过程对污水进行处理。如图1所示，现有技术的净化系统1一般由进水部分11、反应部分12和出水部分13构成，在反应部分12通常设置有无纺布膜反应槽14，无纺布膜反应槽14中具有曝气装置15以及膜组件16，膜组件16呈圆筒状，表面具有无纺布薄膜，污水由进水口17进入无纺布膜反应槽14经膜组件16过滤，由出水管18排出到出水部分13。

此类净化系统的缺点在于膜组件16的表面强度低，圆筒形表面导致膜元件的表面膜丝易断裂，造成出水质量下降的问题，以及膜组件16体积较大，所以在无纺布膜反应槽14中的放置密度不高，降低了水处理的效率。

另外，现有技术中也有一部分将膜组件16的结构制作成平板状，如图2所示，该平板状膜组件16的平板状结构的中部为中空，以容纳过滤后的污水，中空部分连接出水管，由于平板状膜组件16采取中空结构，因此限制了平板状膜组件16表面积不能设置太大，当平板状膜组件的表面积太大时，平板状膜组件16的膜元件无法在其中空部得到良好支撑，因此在过滤元件的中心容易发生膜组件16的过滤元件表面变形的缺陷，如果为了提高平板状膜组件16的机械强度，则不得不将过平板状膜组件16的面积减小，由此大大限制了过滤组件的有效尺寸，造成出水效率低下的缺陷。

发明内容

本发明的一个目的是要解决现有的平板式膜过滤元件强度低和过滤效率低的技术问题，提供一种改进的平板式膜过滤元件，将平板式膜过滤元件模块化，可以根据反应槽的实际大小而设置模块化平板式膜过滤元件的个数，从而满足不同程度水处理的要求。

本发明的另一个目的是提供一种上述平板式膜过滤元件的制造方法。

本发明的再一个目的是提供一种包含上述平板式膜过滤元件的平板式膜过滤组件。

本发明的又一个目的是提供一种包含上述平板式膜过滤组件的膜生物反应器。

本发明提供一种平板式膜过滤元件，包括：膜支撑件，膜支撑件成平板状，膜支撑件表面具有流道，流道开口于所述膜支撑件的侧边；无纺布膜位于所述膜支撑件的表面上，其具有化学改性涂层，其边缘与膜支撑件相结合而将膜支撑件上的所述流道覆盖在所述无纺布膜之下；出水管与流道的开口相连通。

根据上构思，所述的化学改性涂层为丙烯酸及其衍生物层。

根据上构思，膜支撑件的表面被所述无纺布膜所覆盖的区域内具有突起结构。

根据上构思，无纺布膜厚度介于0.01至5mm之间，平均孔径介于0.05至500um之间。

根据上构思，流道位于所述膜支撑件的上、下表面。

根据上构思，无纺布膜和膜支撑件由化学或物理方式连接在一起共同作用，为无纺布膜提供必要的机械强度。

根据上构思，平板式膜过滤元件还具有支撑网，支撑网设置于膜支撑件与无纺布膜之间。

根据上构思，无纺布膜具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层、层叠于基材层上的无纺布过滤层以及形成在无纺布过滤层上的所述化学改性涂层。

根据上构思，所述化学改性涂层通过接枝聚合方法形成于所述无纺布过滤层的表面。

根据上构思，所述化学改性涂层通过植入改性杂化纤维的方法形成于所述无纺布过滤层的表面。

根据上构思，所述无纺布过滤层的平均孔径为0.05um~500um所述基材层的平均孔径大于所述无纺布过滤层的平均孔径。

根据上构思，所述基材层和所述无纺布过滤层均由高分子材料制成。

本发明还提供一种平板式膜过滤组件，其由多个上述构思所述的平板式膜过滤元件堆栈形成，平板式膜过滤元件平行设置，之间保留一定距离。

本发明还提供一种膜生物反应器，包括：进水部分，反应部分和出水部分，其中所述的反应部分平板式膜过滤组件。

本发明还提供一种平板式膜过滤元件的制造方法，包括如下步骤：

提供膜支撑件、无纺布膜；

将所述膜支撑件制成平板状，并在所述膜支撑件的表面设置流道，使所述流道开口于所述膜支撑件的侧边；

将所述无纺布膜设于所述膜支撑件的表面上，并在所述膜支撑件的表面设置化学改性涂层，使所述无纺布膜的边缘与所述膜支撑件相接合而将所述膜支撑件上的所述流道覆盖在所述无纺布膜之下。

根据上构思，所述无纺布膜具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层、层叠于所述基材层上的无纺布过滤层以及形成在所述无纺布过滤层上的所述化学改性涂层。所述化学改性涂层通过接枝聚合方法形成于所述无纺布过滤层的表面。

根据上构思，所述无纺布膜具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层、层叠于所述基材层上的无纺布过滤层以及形成在所述无纺布过滤层上的所述化学改性涂层。所述的化学改性涂层通过植入改性杂化纤维的方法形成于所述无纺布过滤层的表面。

本发明的有益效果在于：

1、提供了一种高强度的、过滤效率高的平板式膜过滤元件，由于采用平板式设计，无纺布膜表面张力减小，有效的降低了无纺布膜因张力而造成膜丝断裂的缺陷；

2、本发明采用的平板式设计，在膜支撑件上开设蛇形流道，提高了膜元件的机械强度，提升了膜元件的过滤面积，大大提高了膜元件的过滤效率；

3、本发明中还提出了在膜元件的支撑件表面形成突起结构或增加支撑网结构，在为无纺布膜提供良好支撑的同时，还在无纺布膜与支撑件之间形成一容纳空间，以利于过滤水的收集和排出；

4、本发明提出了一种将过滤元件模块化的技术方案，在生产过程中，可根据实际设备空间大小而决定所需的过滤元件的个数，从而实现更为经济、有效的过滤组件。

附图说明

图1为现有技术的生化系统结构示意图；

图2为现有技术的生化系统另一结构的示意图；

图3为本发明的平板式膜过滤元件结构示意图；

图4为本发明的平板式膜过滤元件的分解结构示意图；

图5为本发明的平板式膜过滤元件另一实施方式的分解结构示意图；

图6为本发明的平板式膜过滤元件又一实施方式的无纺布膜的层叠结构示意图；

图7为本发明的平板式膜过滤组件的主视图；

图8为本发明的平板式膜过滤组件的侧视图；

图9为本发明的膜生物反应器结构示意图；

图10为本发明的膜生物反应器另一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图3和图4，对本发明的平板式膜过滤元件的结构进行说明。

本发明提供一种平板式膜过滤元件2，该平板式膜过滤元件2具有膜支撑件21以及无纺布膜22。其中的膜支撑件21成平板状，膜支撑件21的表面具有蛇形分布的流道24，流道24开口位于膜支撑件21的侧边，且与出水管25相连通。无纺布膜22分别位于膜支撑件21的表面，无纺布膜22通过四周的边缘与膜支撑件21相粘合而将膜支撑件21上的蛇形分布的流道24覆盖在无纺布膜22之下。膜支撑件21的表面被无纺布膜22所覆盖的区域内具有突起结构23，该突起结构用于防止在废水过滤过程中防止无纺布膜因水的压力而紧贴膜支撑件21的表面从而造成无纺布膜22与膜支撑件21之间的粘连，导致空间缩小、降低废水过滤效率的缺陷。需要说明的是，图4所示的膜支撑件21上的虚线部分表示流道24在此处可能存在多个弯曲的流道结构，并不限于图式的结构。

以上示例仅为说明本发明的平板式膜过滤元件2的结构，并非用于限制本发明，本发明的膜支撑件21上的流道24更可以是分布在膜支撑件21的上、下两个表面上，流道24的开口可以是一端开口或者在流道24的两端皆开口。流道24的开口可以位于膜支撑件21的一侧侧边，也可以位于膜支撑件的不同侧侧边上。位于不同表面的流道24在其开口处分别具有出水管25与开口相连通，也可以是不同表面的流道24的开口汇聚在一起，共用一个出水管25。同时该流道24的蛇形可以为图示中的形状，也可以为U形、方形或其他折形形状，更可以是包括网状构造，其技术方案包括本领域技术人员所能想到的一切具有中间支撑结构的平板上设置沟槽的形式。本发明的无纺布膜22可以采用多种高分子材料制成，如聚烯、聚酯、聚胺、丙纶、腈纶等材料，其厚度介于0.01至5mm之间，平均孔径为介于0.05至500um之间。无纺布膜22可以通过静电纺丝等多种技术制成，以使其平均孔径得到较好控制。

本发明的膜支撑件21具有大于相应的无纺布膜22的平均孔径的平均孔径，其与无纺布膜22之间由化学或者物理方式连接在一起，共同作用，为其上的无纺布膜22提供必要的机械强度。

结合图3、4以及图5对本发明的另一实施方式进行说明，作为本发明的另一实施方式，该平板式膜过滤元件2还具有支撑网26，该支撑网26设置在膜支撑件21与无纺布膜22之间的区域，所述支撑网26为树脂材料构成，具有网状结构，该支撑网26的作用与膜支撑件21表面的突起结构23作用相同，但是其明显优于只单纯在膜支撑件21表面设置突起结构的技术效果，支撑网26在膜支撑件21以及无纺布膜22之间将无纺布膜平整的支撑，在膜支撑件21和无纺布膜22之间保留充足的空间，增加了废水过滤过程中无纺布膜22的过滤面积，提高了废水过滤的效率。尤其是当膜支撑件21表面的突起结构与支撑网26同时使用时，效果更佳。

作为本发明的又一实施方式，参见图6，本发明的平板式膜过滤元件2的无纺布膜22具有层叠结构，该层叠结构包括最内层的基材层221、层叠于基材层221上的无纺布过滤层222以及形成在无纺布过滤层222上的化学改性涂层223。其中的无纺布过滤层222可以采用多种高分子材料制成，如聚烯、聚酯、聚胺、丙纶、腈纶等材料，其厚度介于0.01至5mm之间，平均孔径为介于0.05至500um之间。基材层221可以采用具有比无纺布过滤层222更大的平均孔径的无纺布膜材料的，化学改性涂层223可通过接枝聚合的方式或者植入改性杂化纤维的方式形成于无纺布过滤层222的位于背离基材层221一侧的表面，化学改性涂层223采用的材料为丙烯酸及其衍生物，例如甲基丙烯酸，乙烯丙烯酸，丙烯酸酯类或者丙烯酰胺及其衍生物。化学改性涂层223能够提高无纺布膜22的亲水性以及表面光洁度，增加平板式膜过滤元件2的表面负电荷等效果，以提高平板式膜过滤元件2的废水过滤效率。图6所示仅为膜支撑件21一侧的无纺布膜22的层叠结构形式，其另一侧与图示形式相同，呈对称结构，关于过滤元件2的其他结构均与前述实施例中的结构相同，在此予以说明。

本发明还提供一种平板式膜过滤元件的制造方法，包括如下步骤：

提供膜支撑件21、无纺布膜22；

将膜支撑件21制成平板状，并在膜支撑件21的表面设置流道24，使流道24开口于膜支撑件21的侧边；

将无纺布膜22设于膜支撑件21的表面上，并在膜支撑件21的表面设置化学改性涂层223，使无纺布膜22的边缘与膜支撑件21相接合而将膜支撑件21上的流道24覆盖在无纺布膜22之下。

优选地，化学改性涂层223通过接枝聚合方法或者植入改性杂化纤维的方法形成于无纺布过滤层222的表面。

如图7、图8所示，本发明还提供一种平板式膜过滤组件3，平板式膜过滤组件3由多个平板式膜过滤元件2组成，多个平板式膜过滤元件2平行设置，平板式膜过滤组件3具有框架31，多个平板式膜过滤元件2以相互堆栈且以相邻平板式膜过滤元件2之间保留一定距离的形式安装在框架31上，从而形成平板式膜过滤组件3。平板式膜过滤组件3上具有出水管路，用于和每一个平板式膜过滤组件2的出水管25相接，统一收集过滤后的污水。

本发明还提供一种膜生物反应器4，以下结合图9和图10进行说明。所述膜生物反应器4具有进水部分41，反应部分42以及出水部分43。其中的进水部分41具有水泵411以及液位继电器412。水泵411用于将进水部分41的待处理污水泵入反应部分42中，液位继电器412用于监测进水部分的液面位置。反应部分42中设置有生物反应槽421、曝气装置422、布水板423、真空检测器425和本发明前述文中提及的平板式膜过滤组件3。反应部分42由所述布水板423分隔为好氧段A和厌氧段B，污水由反应部分42的进水口424进入反应槽421，由厌氧段B进入好氧段A，经曝气装置422曝气形成交错流动，并与反应部分42内的活性泥污充分混匀，微生物大量繁殖，其代谢产物连同固体颗粒很快在平板式膜过滤组件3表面形成一层生物凝胶层以组成生物膜，污水通过平板式膜过滤组件3时，颗粒状的悬浮物被平板式膜过滤组件3过滤，有机物被表面生物膜逐层吸附降解，污水得到逐级净化进入平板式膜过滤组件3的平板式膜过滤元件2内部的膜支撑件21与无纺布膜22之间具有由膜支撑件21表面突起23支撑所构成的空间，继而在膜支撑件21的表面的蛇形分布的流道24内汇集，在反应部分42反应液面和出水部分43之间的高度差的驱动下，自动从出水管25流出。真空检测器425用于检测出水管的压力。

在本发明的其他实施方式中，该平板式膜过滤元件2还具有支撑网26，由此在膜支撑件21与无纺布膜22之间构成较上一实施方式更为宽敞的空间，从而更加有利于过滤后的污水的收集。

在本发明的另一实施方式中，该平板式膜过滤元件2的无纺布膜22的表面具有化学改性涂层223，此实施例中的平板式膜过滤元件2的化学改性涂层223能够提高无纺布膜22的亲水性以及表面光洁度，增加平板式膜过滤元件2的表面负电荷等效果，从而获得更为高效的废水过滤效果。

本发明的膜生物反应器4的反应部分42的平板式膜过滤组件3可以置于生物反应槽421内构成浸没式膜生物反应器；也可以将平板式膜过滤组件3置于生物反应槽421外的槽中，槽中具有来自反应槽的污水，组成分布式膜生物反应器4，如图10所示。其他设施与浸没式膜生物反应器结构及原理相同，在此不再赘述。

本发明的膜生物反应器4可根据实际情况需要，在出水部分43中设置负压泵（图上未示出）和时间继电器431，以通过出水管25主动抽取平板式膜过滤元件2内的净化水，并且在平板式膜过滤元件2内形成负压，以提高污水的过滤效率。时间继电器431用于控制负压泵的运行时间。

本实验案例采用浸没式的平板式无纺布膜生物反应器，来处理洗浴废水，水质分析详见表一。平板式膜过滤元件2的无纺布膜22采用聚乙烯材质，无纺布膜22表面无纺布膜孔径为30um，总厚度为2mm，孔隙率为52.2%。

反应部分操作条件为：污泥浓度4000mg/L,初始通量：15L/m2h

表一：洗浴废水水质分析

经过一个月的运行，处理后的水质能稳定地降至中国国家标准-城市污水再生利用城市杂用水标准（GB/T18920-2002）。通量有一定下降，但经过物理反冲洗后可恢复至接近初始通量，无明显积垢现象发生。

以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，本发明的所有范围应以下述的范围为准，凡符合于本发明权利要求保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或调整皆可涵盖在以下本发明的权利要求保护范围。

Claims (17)

1.一种平板式膜过滤元件，包括：膜支撑件（21）、无纺布膜（22）和出水管（25），其特征在于：

所述膜支撑件（21）成平板状，所述膜支撑件（21）的表面具有流道（24），所述流道（24）开口于所述膜支撑件（21）的侧边；

所述无纺布膜（22）位于所述膜支撑件（21）的表面上，其具有化学改性涂层（223），其边缘与所述膜支撑件（21）相接合而将所述膜支撑件（21）上的所述流道（24）覆盖在所述无纺布膜（22）之下；

所述出水管（25）与所述流道（24）的开口相连通。

2.如权利要求1所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述的化学改性涂层（223）为丙烯酸及其衍生物层。

3.如权利要求1所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述膜支撑件（21）的表面被所述无纺布膜（22）所覆盖的区域内具有突起结构（23）。

4.如权利要求1所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述的无纺布膜（22）厚度介于0.01至5mm之间，平均孔径介于0.05至500um之间。

5.如权利要求1所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述的流道（24）分别位于所述膜支撑件（21）的上、下表面。

6.如权利要求1所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述无纺布膜（22）和所述膜支撑件（21）由化学或物理方式连接在一起共同作用，为无纺布膜提供必要的机械强度。

7.如权利要求1-6中任一项所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述平板式膜过滤元件（2）还具有支撑网（26），所述支撑网（26）设置于所述膜支撑件（21）与所述无纺布膜（22）之间。

8.如权利要求1-6中任一项所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述无纺布膜（22）具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层（221）、层叠于所述基材层（221）上的无纺布过滤层（222）以及形成在所述无纺布过滤层（222）上的所述化学改性涂层（223）。

9.如权利要求8所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述化学改性涂层（223）通过接枝聚合方法形成于所述无纺布过滤层（222）表面。

10.如权利要求8所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述化学改性涂层（223）通过植入改性杂化纤维的方法形成于所述无纺布过滤层（222）的表面。

11.如权利要求8所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述无纺布过滤层（222）的平均孔径为0.05um~500um，所述基材层（221）的平均孔径大于所述无纺布过滤层（222）的平均孔径。

12.如权利要求8所述的平板式膜过滤元件，其特征在于：所述基材层（221）和所述无纺布过滤层（222）均由高分子材料制成。

13.一种平板式膜过滤组件，其特征在于：包括多个如权利要求1-10中任一项所述的平板式膜过滤元件（2），所述的平板式膜过滤元件（2）堆栈安装在一支架内，所述的平板式膜过滤元件（2）平行设置，相邻所述的平板式膜过滤元件（2）之间保留一定距离。

14.一种膜生物反应器，包括：进水部分（41）、反应部分（42）和出水部分（43），其特征在于：所述的反应部分（42）具有权利要求11所述的平板式膜过滤组件。

15.一种如权利要求1所述的平板式膜过滤元件的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

提供膜支撑件（21）、无纺布膜（22）；

将所述膜支撑件（21）制成平板状，并在所述膜支撑件（21）的表面设置流道（24），使所述流道（24）开口于所述膜支撑件（21）的侧边；

将所述无纺布膜（22）设于所述膜支撑件（21）的表面上，并在所述膜支撑件（21）的表面设置化学改性涂层（223），使所述无纺布膜（22）的边缘与所述膜支撑件（21）相接合而将所述膜支撑件（21）上的所述流道（24）覆盖在所述无纺布膜（22）之下。

16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于：所述无纺布膜（22）具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层（221）、层叠于所述基材层（221）上的无纺布过滤层（222）以及形成在所述无纺布过滤层（222）上的所述化学改性涂层（223），所述化学改性涂层（223）通过接枝聚合方法形成于所述无纺布过滤层（222）的表面。

17.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：所述无纺布膜（22）具有层叠结构，该层叠结构包括：基材层（221）、层叠于所述基材层（221）上的无纺布过滤层（222）以及形成在所述无纺布过滤层（222）上的所述化学改性涂层（223），所述的化学改性涂层（223）通过植入改性杂化纤维的方法形成于所述无纺布过滤层（222）的表面。