CN1162352C - 使用无纺布过滤的膜生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关一种浸入式膜生物反应器(submerged membranebioreactor)，尤其有关一种配置于其中的无纺布膜过滤模块。该反应器包含一内含微生物混合液的槽；及一浸入于该混合液的过滤模块，其具有一穿透侧而且该混合液仅透过该过滤模块与该穿透侧呈流体相通。该过滤模块包含一多孔性支撑材，其具有一形成该穿透侧的第一表面及相对于该第一表面的第二表面；及一覆盖于该第二表面的无纺布膜，该无纺布膜具有一介于0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙。

Description

使用无纺布过滤的膜生物反应器
                       技术领域
本发明是有关一种浸入式膜生物反应器(submerged membranebioreactor)，尤其有关一种配置于其中的无纺布膜过滤模块。
                       背景技术
在使用活性污泥法处理废水时，使用超滤(ultrafiltration，MF)或微滤(microfiltration，MF)单元取代沉淀槽砂滤槽等的固液分离型膜生物处理技术构想，始于1969年。与传统的活性污泥法比较，固液分离型膜生物处理技术有许多技术上的优点，例如污泥停留时间长、可处理浓度变化高的废水、不需沉淀单元(节省空间)等。截至目前为止，全世界至少有500座以上固液分离型膜生物处理实厂运转中，其使用薄膜材料大多为微多孔性(孔径大小0.1～10μm范围)的高分子材料或无机陶瓷材料。  典型的例子，例如美国专利5204001，其揭示一种用于金属加工工厂废水处理的膜生物反应器系统；及WO0037369专利申请案，其揭示一种用于含氮水处理的膜生物反应器。
美国专利5772831揭示了一种用于废水处理的浸入式板框型过滤膜，包含一板形无纺布支撑物及形成于该板形无纺布支撑物的一表面上的有机过滤膜。该有机过滤膜为超滤膜或精密过滤膜(precisionfiltration film)。
虽然目前有多种型式的薄膜应用于固液分离型膜生物处理技术，但目前这些薄膜的膜材都使用UF和MF膜的膜孔大小范围，因此该技术仍有一些使用限制，例如对进流水水质要求较高、初设成本仍比传统活性污泥技术高及能量消耗较高等，因此若能针对其缺点加以改良，将能促使该技术更能广为使用。
                       发明内容
本发明的一主要目的在于提供一种使用无纺布过滤膜的膜生物反应器，其具有比现有固液分离型膜生物反应器较低的透膜压(transmembrane pressure)，积垢(fouling)趋势小及省能源等优点。
为实现上述发明目的依本发明内容而完成的一种膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)，包含：
一内含混合液的槽；
一浸入于该混合液的过滤模块，其具有一穿透侧而且该混合液仅透过该过滤模块与该穿透侧呈流体相通；
一负压来源用于使该穿透侧具有一比混合液小的液压；
其特征在于该过滤模块包含：
一多孔性支撑材，其具有一第一表面及相对于该第一表面的第二表面，该多孔性支撑材具有大小为大于300μm的孔隙；及
一覆盖于该第二表面的无纺布膜，该无纺布膜具有一介于0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙；
其中该无纺布膜与该混合液接触，而该多孔性支撑材的第一表面形成该穿透侧。
较佳的，该多孔性支撑材的第一表面与第二表面之间的最短距离介于3-10mm之间。
较佳的，本发明的反应器进一步包含一附加的无纺布膜覆盖于该无纺布膜上，该附加的无纺布膜具有0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙。
较佳的，该多孔性支撑材是由无纺布或其它多孔性材料所构成。
较佳的，该无纺布膜是由选自聚丙烯、聚乙烯、聚醯胺、聚酯、聚氟碳、聚丙烯腈、聚胺基甲酸乙酯所组成的族群的高分子材料所制成。
较佳的，其中该无纺布膜被施予一亲水性单体的活化接枝(activated grafting)的表面处理。
较佳的，该过滤模块对水具有介于1011-1012m-1的总过滤阻力。
本发明的详细说明：
本发明揭示了一种使用无纺布过滤膜的膜生物反应器，其可用于处理生活废水、工业废水、畜牧废水；水中或废水中脱氮处理；及水回收处理。
本发明揭示了一种使用无纺布过滤膜的膜生物反应器，包含一浸入于反应器中的微生物混合液的过滤模块，其由一适当厚度及多孔性无纺布膜包覆于一多孔性支撑材例如一中空管状不织布滤心所组成。该无纺布膜的厚度及膜孔大小，可依所需操作通量及其它需要决定之。无纺布膜与支撑材间的接触可为树脂热融接触、接触剂接触或其它适用的接触方式，两者的接触面积必须提供足够强度以进行逆洗操作。较佳的，该无纺布膜与支撑材两者的接触部份是在它们的边缘区域，较不影响处理水穿过该过滤模块的通量。为获得最佳操作通量，外层无纺布膜的孔隙大小应小于100μm，超过此孔隙大小，过滤效果不佳，积垢现象易产生；无纺布膜的厚度则应保持在2mm以下，于逆洗操作时，积垢较易清除。
高分子无纺布常用为过滤空气的纤维滤材，以除去空气污染固体粒子。此种纤维滤材的孔隙一般可在1μm～50μm，对于小至0.1μm的空气微粒都能够过滤。无纺布纤维滤材具有大的纤维孔隙却可除去微小粒子，显然地，其过滤机制不单只是一般微多孔性薄膜的筛(sieve)分离机制而已。无纺布特殊纤维排列结构，使得进入孔隙内的小粒子，也会被拦截捕捉而具高过滤效能。无纺布滤材也常用做过滤洁净自来水的滤心材料。此类滤心材料利用上述原理捕捉水中各种大小粒子而达到“更清洁”水的目的。于使用一段时间后，滤材孔隙逐渐被填满，通量大幅减少时，此滤材即被抛弃，此滤材的孔隙大小通常约在50μm～100μm之间。
现有固液分离型膜生物处理技术中分离固体物的膜材，都使用UF和MF膜孔大小范围的膜材，而没有使用上述无纺布滤材，推测原因，可能是直接使用上述滤水无纺布滤材，疏水性强且膜孔太大，高浓度生物污泥容易进入薄膜孔隙中造成堵塞，而使通过膜的水通量大幅降低而失去效用，造成使用寿命太短，而不适合直接使用于膜生物处理技术中。因此欲将无纺布滤材应用为固液分离型膜生物器中分离的膜材，必须使用经过适当亲水性处理与适当孔隙大小的无纺布膜，配合使用支撑材，即可大幅改善其性能，并比现有微多孔薄膜具有更佳的性质。
适合使用于本发明的亲水性无纺布膜，是在无纺布膜上涂以亲水性高分子物涂层，或以接枝聚合法(grafting polymerization)于无纺布膜上接枝聚合亲水性单体，如丙烯酸及其衍生物或其它可聚合的亲水性单体而制备而成。
依照本发明的一较佳具体实施例而完成的过滤模块，被示于图1，其是由一适当厚度及多孔的亲水性无纺布膜10包覆于中空管状的支撑材20的外表面(第二表面)上而组成。该无纺布膜10与被处理水接触。该支撑材20具有一中心孔30(第一表面，也是穿透侧)，并且一泵(未示于图中)被用来使该中心孔30具有一吸力，于是被处理水透过该无纺布膜10及支撑材20，而于该中心孔30获得一渗透液(permeate)。该支撑材20具有较大的孔隙，以利于处理水的通过，其可为无纺布滤材或其它多孔性滤材，其孔隙大小应大于300μm。为维持支撑材强度，该支撑材20的厚度应在3-10mm范围内。如前所述，无纺布过滤机制与一般MF或UF多孔膜的过滤机制不同，除了筛阻机制外，尚包括一般无纺布滤材的惯性撞击(inertial impaction)机制，直接截获(direct interception)机制，布朗扩散(Browniandiffusion)机制，可过滤分离的粒子大小相当宽广。因此本发明使用孔隙较大的无纺布膜作为膜生物反应器的过滤模块，可于较低的操作压力下操作，并可获得较大渗透液(permeate)通量，可节省能量及降低积垢趋势。由于外层无纺布膜10成本低，因此当通量过低时，可径行更换新无纺布膜的部份，重新恢复较大滤液通量。
本发明进一步包含一附加的无纺布膜覆盖于该无纺布膜上，该附加的无纺布膜具有0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙。
一使用有本发明的过滤模块的浸入式膜生物反应器系统被示于图2。进流水1从进流水槽2，利用进流水泵浦3定量打入膜生物反应器4内。本发明的过滤模块5装置于反应器4内，膜生物反应器4底部可透过曝气机6打入空气7以提供膜生物处理系统所需的氧气。渗透液(permeate)即出流水9，可透过出流水泵浦8抽出。重要的过程控制装置还包括：进流水流量计13，压力计11和出流水流量计12等。
本发明将借助以下实施例被进一步了解，该实施例仅作为说明之用，而非用于限制本发明范围。
                        附图说明
图1显示依照本发明的一较佳具体实施例所完成的过滤模块的示意图。
图2显示一使用有本发明的过滤模块的浸入式膜生物反应器系统的示意图。
附图标记
1.进流水           2.进流水槽              3.进流水泵浦
4.膜生物反应器     5.过滤模块              6.曝气机
7.空气             8.出流水泵浦            9.出流水
10.无纺布膜        11.压力计               12.出流水流量计
13.进流水流量计    20.支撑材               30.中心孔
                     具体实施方式
实施例1：
本实施例使用类似图2的浸入式膜生物反应器系统进行实验。本实施例是以柠檬酸钠为主要成份的人工调配废水为处理对象，并另外添加尿素、磷酸及氯化铁等微量成份，提供微生物足够的养分，人工合成基质成份如表1。过滤模块所使用的无纺布膜为聚丙烯无纺布，厚度为0.3mm，表面积为0.1m2，平均孔隙大小为39μm。该聚丙烯无纺布经过丙烯酸单体的电浆活化接枝(activated grafting)的表面处理，而具有亲水性。过滤模块所使用的中空管状的支撑材为聚丙烯无纺布，厚度6mm，中心孔直径为20mm。
膜生物反应槽操作条件控制为：污泥浓度(volatile suspendedsolids，VSS)10,000mg/L、pH：6～8、溶解氧(dissolved oxygen，DO)2mg/L以上、体积负荷为1.0kg COD/m3.d等环境条件下。进流水COD浓度范围于300mg/L至1,000mg/L间变动，处理水COD浓度可降至50mg/L，SS则接近侦测极限值。试验期间120天。本试验显示，本发明与传统微孔薄膜比较，虽具有较大孔隙大小，但仍可达到相当良好的处理水水质。所测得的总过滤阻力约介于1011到1012m-1，因此仅需提供较低的驱动力(能量消耗)，即可达到与使用微孔薄膜的膜生物反应器相同的渗透通量。
                  表1
柠檬酸钠(COD) 1,000～5,000mg/L
营养源 2～6ml/50L废水
                                              营养源(COD 6,000mg/L添加2ml/L)
Urea 160.5g/L
KH2HPO4(K2HPO4) 70g/L(84g)
FeCl3.6H2O 36g/L
实施例2：
本实施例与实施例1使用相同的膜生物反应器系统进行实验。本实施例是以卫生用品制造废水处理为对象，废水含有界面活性剂、防腐剂与香料等成分，属较难生物分解的废水。过滤模块的无纺布膜的表面积为0.3m2，平均孔隙大小为39μm。膜生物反应槽操作条件控制为：污泥浓度(volatile suspended solids，VSS)5,000mg/L、pH：6～8、溶解氧(dissolved oxygen，DO)2mg/L以上、体积负荷为0.5-1.0kg COD/m3.d等环境条件下。进流水COD浓度范围于400mg/L至1,600mg/L间变动，处理水COD浓度可降至70mg/L至200mg/L之间，SS则接近侦测极限值。结果显示本发明的过滤模块与传统微孔薄膜比较，虽具有较大孔隙大小，但仍可达到相当良好的处理水水质。于20天操作期间，过滤模块的比通量介于0.025-0.04(m3/m2-d-kPa)，并无明显的积垢问题。

Claims (7)

1.一种膜生物反应器，包含：
一内含混合液的槽；
一浸入于该混合液的过滤模块，其具有一穿透侧而且该混合液仅透过该过滤模块与该穿透侧呈流体相通；
一负压来源用于使该穿透侧具有一比混合液小的液压；
其特征是该过滤模块包含：
一多孔性支撑材，其具有一第一表面及相对于该第一表面的第二表面，该多孔性支撑材具有大小为大于300μm的孔隙；及
一覆盖于该第二表面的无纺布膜，该无纺布膜具有一介于0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙；
其中该无纺布膜与该混合液接触，而该多孔性支撑材的第一表面形成该穿透侧。
2.如权利要求1所述的反应器，其中该多孔性支撑材的第一表面与第二表面之间的最短距离介于3-10mm之间。
3.如权利要求1所述的反应器，其进一步包含一附加的无纺布膜覆盖于该无纺布膜上，该附加的无纺布膜具有0.1-2mm之间的厚度及介于0.2-100μm之间的孔隙。
4.如权利要求1所述的反应器，其中该多孔性支撑材是由无纺布或其它多孔性材料所构成。
5.如权利要求1所述的反应器，其中该无纺布膜是由选自聚丙烯、聚乙烯、聚醯胺、聚酯、聚氟碳、聚丙烯腈或聚胺基甲酸乙酯所组成的族群的高分子材料所制成。
6.如权利要求5所述的反应器，其中该无纺布膜被施予一亲水性单体的活化接枝的表面处理。
7.如权利要求1所述的反应器，其中该过滤模块对水具有介于1011-1012m-1的总过滤阻力。
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