CN104289114A - 一种导电滤膜及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电滤膜及其应用。在平板膜制作的基础上，内嵌不锈钢丝网制成导电膜，构成导电滤膜。通过导电滤膜直接作为负极，采用石墨、不锈钢等导电抗腐蚀材料作为正极，利用恒电位仪等设施外加电源使得导电滤膜带有负电。利用静电斥力阻碍混合液中带负电的污染物在膜表面沉积；同时，本发明中，导电滤膜直接作为负极，在电化学作用下，负极附近（膜附近）将有一定量的H₂O₂产生，其较强的氧化能力能氧化去除一定量膜面污染物从而提高抗污染能力。常规滤膜材质决定了其实际应用性，导电滤膜直接作为电极使用提高了电化学系统和MBR系统的融合性，增强电场作用效果。

Description

一种导电滤膜及其应用

技术领域

本发明涉及一种导电滤膜及其应用，属于城市污水处理领域。

背景技术

膜生物反应器（Membrane Bioreactor, 以下简称MBR）是一种新型高效的污水处理技术。是将膜分离组件直接浸没于反应器内，通过泵抽吸出水。由于膜的高效分离性能，使其与传统活性污泥污水处理工艺相比，具有占地面积小、容积负荷高、出水水质好等优点，被认为是具有发展前景的污水处理与回用技术之一。然而，MBR在实际推广应用过程中受到膜污染、能耗等技术问题的制约。

膜生物反应器中的膜污染使得在一定的通量条件下，跨膜驱动压力增加，增加了MBR运行能耗；并且，膜污染问题导致膜运行过程中清洗频率较高，不仅影响膜材质稳定性和膜的使用寿命，而且还降低水处理效率。因此，膜污染问题是限制膜生物反应器广泛推广的技术障碍。

膜生物反应器中的膜污染是指混合液中的污泥絮体、胶体粒子或溶解性有机物或无机盐类，由于与膜之间存在的物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜面上的沉积与积累，或由于膜孔内吸附造成膜孔径变小或堵塞，使得水通过膜的阻力增加，过滤性能下降，从而导致膜通量与分离特性的降低现象。

针对膜污染的实质，控制膜污染即控制混合液中污泥絮体、胶体粒子等污染物在膜表面沉积积累。长期以来，膜污染问题一直是膜生物反应器领域的研究热点，其主要控制方法的研究主要围绕4个方面展开：膜自身材质及过滤性能开发研究、反应器运行条件的优化、混合液性质调控以及膜清洗。在膜材质一定的条件下，其余3个方法即为膜污染控制的主要手段。反应器运行条件优化包括曝气量和膜通量调节等、混合液性质调控主要靠外加药剂实现、膜清洗包括物理清洗和化学清洗。

然而，针对曝气调控，为了降低污染物在膜表面沉积，除了供微生物生长和搅拌作用的曝气外，还需要提供在膜面能形成一定强度剪切力的额外曝气，这无疑将增加MBR运行费用；低通量运行能有效延长膜污染速率，但降低污水处理效率；外加药剂即外加混凝剂等，将增加处理成本和污泥产生量；物理清洗很难取得彻底清洗效果，化学清洗将影响膜材质的稳定性，同时可能产生二次污染。

近年来，为了控制混合液中污染物在膜表面的吸附，除了改善膜材质性能和控制运行条件外，一项新的技术受到许多学者关注，即电化学辅助技术。混合液体系中，活性污泥絮体、胶体粒子等都带负电荷，电化学辅助技术即通过外加电场，通过电场斥力减少带电污染物在膜表面吸附沉积，从而降低膜污染速率，延长膜过滤运行周期。

盛国平等人研究表明，采用不锈钢丝网作为导电动态膜组件，通过微生物燃料电池产生电压能有效控制膜污染。田禹等人发明了一种利用微生物产电减缓膜污染的MBR一体化装置（专利公开号为CN 102633360A）。柳丽芬等人发明了一种利用弱电场提高膜的抗污染性能和通量的方法（专利公开号为CN 101941759A）。然而，在上述研究和发明中，学者们采用的均为不锈钢丝网动态膜、导电有机高分子材料制作的导电膜等均不是污水处理中的常用的超滤膜和微滤膜，并未在实际污水处理工程中得到应用；在膜组件附近外加电场时，其未能使膜组件直接作为电极，不能很好耦合电化学系统和MBR系统，降低电场作用效果。另外，更重要的是，对于上述专利采用的动态膜而言，其本身就具有通量高、污染速率低等优点，采用电化学方法进一步控制动态膜的污染的意义大打折扣。

本发明在常规平板微滤膜和超滤膜制作基础上，内嵌不锈钢丝网制备导电膜。同时，导电膜直接作为负极，采用石墨、不锈钢等导电抗腐蚀材料作为正极，利用恒电位仪等设施外加电源使得导电膜带有负电。利用静电斥力阻碍混合液中带负电的污染物在膜表面沉积，从而降低膜污染，减少膜清洗频率，增加膜使用寿命。常规微滤和超滤膜材质决定了其实际应用性，导电膜直接作为电极使用提高了电化学系统和MBR系统的融合性，增强电场作用效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电滤膜及其应用，本发明利用外加电场对膜生物反应器进行高效原位抗污染控制。在常规平板微滤和超滤膜制作基础上，内嵌不锈钢丝网制成导电膜并直接作为负极。利用外加电场所形成的电场力作用下有效控制膜污染。

本发明提出的导电滤膜，在常规微滤膜、超滤膜等滤膜制作基础上，内嵌不锈钢丝网而制得。由无纺布、不锈钢丝网和铸膜液组成，其中：无纺布作为支撑层，所述不锈钢丝网作为导电层置于无纺布上，所述导电层上刮涂铸膜液，导电层通过铸膜液粘合固定于无纺布上，构成导电滤膜，视铸膜液的不同，所述导电滤膜为导电微滤或导电超滤膜。 

本发明中，所述不锈钢丝网的孔径为50~400目，厚度小于等于1 mm。

本发明中，所述铸膜液为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）或聚四氟乙烯（PTFE）等典型材质铸膜液中任一种。

本发明提出的导电滤膜用于膜生物反应器，所述导电滤膜放置于膜生物反应器内，导电滤膜作为负极，导电滤膜两侧放置正极，采用恒电位仪作为电源使得导电滤膜带负电，导电滤膜直接作为负极，在电化学作用下，负极附近将有一定量的H₂O₂产生，H₂O₂较强的氧化能力能氧化去除膜面污染物，提高抗污染能力。

本发明中，所述正极为石墨材质（石墨毡、石墨布、石墨刷、石墨棒等），不锈钢材质（不锈钢丝网、不锈钢棒、不锈钢板等）或钛材质（钛线，钛网等）等抗腐蚀导电材质中任一种。

本发明中涉及膜生物反应器即为一般膜生物反应器加电化学系统。即包括一般膜生物反应器中的进水系统、出水系统、曝气系统、液位控制系统、主体生化反应区以及电化学系统。其中关键部分为电化学系统，其包括导电膜负极，石墨材质、无锈钢材质或钛材质等抗腐蚀性导电材质正极，铜质、铝质等导线，电源提供系统（可为直流稳压电源、恒电位仪以及各类型电池等）。施加电场电压为小于等于5 V/cm。

本发明通过导电滤膜直接作为负极，采用石墨、不锈钢等导电抗腐蚀材料作为正极，利用恒电位仪等设施外加电源使得导电滤膜带有负电。利用静电斥力阻碍混合液中带负电的污染物在膜表面沉积，从而降低膜污染，减少膜清洗频率，增加膜使用寿命。常规滤膜材质的使用决定了其实际应用性，导电滤膜直接作为电极使用提高了电化学系统和MBR系统的融合性，增强电场作用效果。同时，本发明中，导电膜直接作为负极，在电化学作用下，负极附近（膜附近）将有一定量的H₂O₂产生，其较强的氧化能力能氧化去除一定量膜面污染物从而提高抗污染能力。

本发明的优点为：本发明在常规微滤膜、超滤膜等滤膜的制作基础上，内嵌不锈钢丝网制成导电膜，并直接用作电化学系统中负极电极。克服以往研究和发明中膜实际应用性能较差以及不能很好耦合电化学系统和MBR系统的缺点。同时，导电膜制作简单，可在常规微滤膜、超滤膜等滤膜的制作基础上进行改良；膜生物反应器中电化学系统操作维护简单，并未增加额外操作维护难度；电源提供系统形势多样，增加了体系应用性；外加电压较低，功率消耗较低，故可能造成的能源消耗较小。

附图说明

图1是导电膜生物反应器示意图。

图2是导电滤膜构型图。

图3是导电滤膜在电场下抗污染原理图。

图中：1为MBR进水系统，2为MBR液位控制系统，3为MBR曝气系统，4为导电滤膜，5为正极，6为MBR出水系统，7为电源供应系统，8为导线，9为无纺布，10为不锈钢丝网，11为铸膜液（膜层）。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

导电滤膜4采用不锈钢丝网10置于无纺布9上，再刮涂PVDF等铸膜液11制备（如图2所示）。

膜生物反应器即为一般膜生物反应器加电化学系统。即包括一般膜生物反应器中的MBR进水系统1、MBR出水系统6、MBR曝气系统3、MBR液位控制系统2、电源供应系统7、主体生化反应区以及电化学系统。

MBR进水系统1为蠕动泵进水，MBR液位控制系统2为设有溢流管的进水槽，MBR曝气系统3采用穿孔曝气，MBR出水系统6采用蠕动泵抽吸出水。采用人工配水，跨膜压力采用水银压力计或压力表进行测量。导电滤膜4与外电路连接时，采用剥皮铜线与膜面接触，用导电胶粘合，裸露部分采用环氧树脂涂覆，避免其与混合液直接接触。正极5采用石墨布，均匀放于导电滤膜4两侧（如图1所示），并采用同样方法与外电路相连，采用恒电位仪作为电压供应设备。采取两套反应器，一套外加电压，一套不加电压作为对照，其余参数均一样（如图1所示）。

污水由进水泵抽吸进入进水槽，再由进水槽进入反应器，由出水泵抽吸出水。外加2 V/cm电压，导电膜以25 L/(m³·h)通量运行，跨膜压力达到30 kPa时视为运行终点。不加电压反应器清洗周期为18天，而外加电压的反应器清洗周期为39天。

实施例2：

利用实施例1中系统处理实际生活污水，外加电压为1 V/cm电压，导电膜以20 L/(m³·h)通量运行，跨膜压力达到30 kPa时视为运行终点。不加电压反应器清洗周期为15天，而外加电压的反应器清洗周期为28天。

实施例3：

利用实施例1中所述导电膜，用于A/O-MBR系统中处理高盐度钢铁冷轧废水，外加电压为2 V/cm电压，导电膜以15 L/(m³·h)通量运行，跨膜压力达到30 kPa时视为运行终点。不加电压反应器清洗周期为23天，而外加电压的反应器清洗周期为41天。

Claims (5)

1.一种导电滤膜，其特征在于在常规微滤膜、超滤膜等滤膜制作基础上，内嵌不锈钢丝网而制得，由无纺布、不锈钢丝网和铸膜液组成，其中：无纺布作为支撑层，所述不锈钢丝网作为导电层置于无纺布上，所述导电层上刮涂铸膜液，导电层通过铸膜液粘合固定于无纺布上，构成导电滤膜，视铸膜液的不同，所述导电滤膜为导电微滤或导电超滤膜。

2.根据权利要求1所述的导电滤膜，其特征在于所述不锈钢丝网的孔径为50~400目，厚度小于等于1 mm。

3.根据权利要求1所述的导电滤膜，其特征在于所述铸膜液为聚偏氟乙烯、聚醚砜或聚四氟乙烯中任一种。

4.一种如权利要求1所述的导电滤膜应用于膜生物反应器，其特征在于所述导电滤膜放置于膜生物反应器内，导电滤膜作为负极，导电滤膜两侧放置正极，采用恒电位仪作为电源使得导电滤膜带负电，导电滤膜直接作为负极，在电场力作用下，有效阻碍带负电荷的污染物质于膜表面沉积；同时在电化学作用下，负极附近将有一定量的H₂O₂产生，H₂O₂较强的氧化能力能氧化去除膜面污染物，提高抗污染能力。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述正极为石墨材质，不锈钢材质或钛材质等中任一种。