专利名称：一种用于水处理的带电膜装置及其使用方法
一种用于水处理的带电膜装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及用于水处理的带电膜装置。更具体地，本发明涉及一种具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置及其使用方法，以及采用所述装置应用在浸没式膜分离技术中。
背景技术：
膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor, MBR)是将膜分离技术与生物降解原理相结合而开发出的一种新型污水处理工艺，它利用膜分离装置将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质有效截留，替代传统工艺中的二沉池，具有对污染物去除效率高、出水水质好、稳定操作、管理方便、占地面积少等显著优势，应用前景十分广阔。但是在膜的应用过程中膜污染是不可避免的。MBR技术研究与应用表明，膜污染问题缩短膜的使用寿命，导致泵 的抽吸压力增大和曝气量的增加从而造成工艺运行能耗较高，是制约MBR稳定运行与推广应用的限制因素和瓶颈问题。关于膜污染的机理研究及控制手段，国内外均已提出了一些专利技术，但由于膜技术运行环境的复杂性和恶劣性，以及膜污染机理至今尚不完全清楚，控制方法与技术依然有限，得不到行之有效的解决方法。CN 201010259595. 4提出一种利用弱电场提高膜的抗污染性能和通量的方法，它是利用同性排斥原理，在膜面附近施加弱负电场增加对这些污染物的排斥作用，将膜污染物推离膜表面，因此具有延缓滤饼层形成，增加膜抗污染性能，提高通量、延长过滤运行周期的效果。该项专利技术具有能耗低、无需施加高强度电场等优点，但应用过程中没有絮凝齐U，仅靠电场力来达到抗污染的作用，而污染物的电量较低，电场力较弱，加之膜技术在应用过程中常常有曝气搅拌液体，静电力容易受到波动，这样使得抗污染效果不稳定。US 2010/0051542 Al提出一种污水处理系统和方法，该项专利技术是将浸没式膜组件放入筒状电极圈的内部阴极中，阳极可以产生铁絮凝剂，浸没式膜组件在生化降解、电絮凝和膜过滤的作用下起到抗污染作用，该项专利技术能够起到出水水质好、抵抗膜污染的作用，但该项技术在应用过程中存在的问题是使用大面积的筒状电极圈提供电场，使其在膜组器中占用了很大的空间位置，在实际应用过程中会给拆卸膜组件带来很大的不便，很难工业化。由上述专利技术可以看出，提高膜的抗污染性能和通量最有效的方法是静电场力和絮凝剂共同作用于膜应用环境中，且具有工业应用的可行性，对此本发明提出一种用于水处理的带电膜装置，该带电膜装置是具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置。
发明内容[要解决的技术问题]本发明的目的是提供一种用于水处理的带电膜装置，该带电膜装置是一种具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置。
本发明的另一目的是所述用于水处理的带电膜装置应用于浸没式膜分离技术中的使用方法。本发明的另一目的是所述的用于水处理的带电膜装置在应用过程中得到的阳极溶出物在水处理中作为絮凝剂和/或净水剂的用途。本发明的带电膜装置不但能够起到控制膜污染的作用，还能够自发产生铁、铝等絮凝剂，达到净化出水的作用，有利于膜分离技术的广泛应用。[技术方案]本发明是通过下述技术方案实现的。本发明涉及一种用于水处理的带电膜装置。该用于水处理的带电膜装置包括电源I、MBR膜池2、膜组器3和由带外支撑层的中空纤维膜5粘接而成的膜组件4 ;其中，位于MBR膜池2内的膜组器3是上下开通四周封闭的槽型膜组器，膜组件4位于膜组器3内；所述带外支撑层的中空纤维膜5是由中空纤维膜丝7与其外表面包覆的网状多孔结构管状外支撑层6组成的，该管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝通过编织而成的；所述电源I的阳极与膜组器3的槽壁相接，其阴极与中空纤维膜5相接。根据本发明的一种优选实施方式，膜组器3的槽壁的材质是铁板、铝板或是二者组成的合金板，上述板材的表面没有经过防腐处理，或者允许经过适当防腐处理。根据本发明的另一种优选实施方式，所述管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝编织而成的，其呈网状多孔结构，包覆在中空纤维膜丝7的表面。根据本发明的另一种优选实施方式，所述管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝按照以下比例通过编织机编织而成，导电金属丝在管状外支撑层6中的重量比例为0. 5-99. 5wt%，余量为纤维长丝；纤维长丝和导电金属丝在编织时为同一股编织丝或为不同股编织丝。根据本发明的另一种优选实施方式，所述管状外支撑层6的纤维长丝为棉、麻、毛、蚕丝、丙纶、涤纶、绵纶、腈纶、粘胶纤维、醋酸纤维、玻璃纤维、金属纤维中的一种或多种纤维长丝。根据本发明的另一种优选实施方式，所述管状外支撑层6的导电金属丝是铁、铝、不锈钢、钛、钼、钯、钌、铱金属丝中的一种或多种导电金属丝。根据本发明的另一种优选实施方式，所述的管状外支撑层6是通过高速编织机编织或是通过钩针机编织而成的。根据本发明的另一种优选实施方式，所述的电源I为直流电源，该直流电源是由交流电转换为直流电的稳压直流电源，或是由太阳能、风能、水能、化学能或其它能源转换而成的蓄电池直流电源；该电源I在所述阳极与阴极之间施加电场，所述管状外支撑层6的平均电流密度为0. 5 50mA/cm2。根据本发明的另一种优选实施方式，所述装置应用于浸没式膜分离技术中，当电源I接通后，膜组器3带正电，带外支撑层的中空纤维膜5带负电，中空纤维膜丝7处于管 状外支撑层6负极屏蔽之中，带负电的污染物在静电排斥力和电极溶出物的絮凝作用下很难污染膜表面，从而控制膜污染。根据本发明的另一种优选实施方式，所述的用于水处理的带电膜装置在应用过程中得到的阳极溶出物在水处理中作为絮凝剂和/或净水剂的用途，可达到净化水质的目的。本发明的原理是，在中空纤维膜丝7的外表面附有一层网状多孔结构的管状外支撑层6，该支撑层是由纤维长丝和导电金属丝通过编织机编织而成的，该支撑层既可增强中空纤维膜丝7的拉伸性能又可带上电荷；将所述膜丝按照现有MBR技术粘为膜组件4，膜组件4处于上下开通四周封闭的槽型膜组器3中，膜组器3的四周槽壁是由铁板或铝板组成的。在直流电源电流的作用下，中空纤维膜丝7的管状外支撑层6带负电，膜组器3的四周槽壁带正电，MBR膜池2中的主要污染物一般是带负电的，这样在膜分离运行的过程中，污染物由于静电排斥力远离中空纤维膜丝7的表面，从而起到控制膜污染的作用，而由铁板和铝板组成的膜组器槽壁由于带正电而缓缓溶出成为铁、铝离子，成为絮凝剂，进一步起到控制膜污染的作用。可以通过控制电流阀调节铁铝离子的溶出速率、调节膜组器槽壁(铁板和铝板)的厚度，进而可使槽壁的溶出腐蚀速率处于膜组器使用寿命限度之内。特别地，本发明巧妙地将中空纤维膜丝、管状外支撑增强层、电化学 、电絮凝等技术应用于一体，其结果是将增强膜丝拉伸性能、静电力控制膜污染、絮凝法控制膜污染等功效集于一起的目的。为了实现上述目的，本发明提供一种用于水处理的带电膜装置，该带电膜装置是具有抗污染功效的带电膜装置，其特征在于该装置包括电源I、MBR膜池2、位于MBR膜池2内的膜组器3和由带外支撑层的中空纤维膜5粘接而成的膜组件4 ;其中，所述膜组器3是上下开通四周封闭的槽型膜组器，膜组件4位于膜组器3内；所述带外支撑层的中空纤维膜5是在中空纤维膜丝7的外表面包覆有一层网状多孔结构的管状外支撑层6而成，该管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝通过编织而成；所述电源I的阳极与膜组器3的槽壁相接，其阴极与中空纤维膜5相接。其中，管状外支撑层6呈网状多孔结构，包覆在中空纤维膜丝的表面。该支撑层既可增强中空纤维膜丝的拉伸性能又可导电。在本发明中，所用电源I可以是直流电源，其中包括恒流直流电源和脉冲直流电源，也可以是交流电源，优选地，采用脉冲直流电源。所述直流电源可以是由交流电转换为直流电的稳压直流电源，也可以是由太阳能、风能、水能、化学能或其它能源转换而成的蓄电池直流电源。更优选地，在阳极与阴极之间施加电场，使所述管状外支撑层的平均电流密度为
0.5^50mA/cm2。在本发明中，所述网状多孔结构的管状外支撑层6应当理解为一种既能包裹、固定住中空纤维膜丝，增强其抗拉伸强度，又能使液体无阻碍地流动且结实耐用的网状材料。它是由纤维长丝和导电金属丝按照一定比例通过高速编织机编织而成，其中导电金属丝在管状外支撑层中的重量比例为0. 5-99. 5%，余量为纤维长丝。纤维长丝和导电金属丝在编织时可以为同一股编织丝也可以为不同股编织丝。在本发明中，管状外支撑层6中的纤维长丝可以是棉、麻、毛、蚕丝等天然纤维长丝，也可以是一些化学纤维，如丙纶、涤纶、绵纶、腈纶等合成纤维长丝，还可以是粘胶纤维、醋酸纤维等再生性纤维长丝等，还可以是玻璃纤维、金属纤维等无机纤维类。管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝通过高速编织机编织而成的，高速编织机的锭数为2 32锭，双节距为2 50mm。
另一种的优选技术方案是，管状外支撑层6是由纤维长丝和导电金属丝通过钩针机编织而成的，管状外支撑层的针织密度为广30针目，钩针机的针数为广40针。所述的导电金属丝可以由各种直径合适的金属丝叠置而成的，例如由选自铁、铝、不锈钢、钛、钼、钯、钌、铱等惰性金属丝中的一种或多种金属丝混合而成的复合丝。导电金属丝的数量越多，负极电极面积越大，电场力越均匀、越强。在本发明中，中空纤维膜丝7的种类不受限制，可以是聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等材料制成的中空纤维膜，也可以是超滤膜或者微滤膜。在本发明中，所述膜组件4中，与膜组件长度相比，中空纤维膜5的长度富余量不能大于15cm，优选地，应视中空纤维膜丝在抖动过程中不能接触膜组器为佳，其目的是防止二者造成短路。在本发明中，所述膜组器3槽壁的材质应该是铁板或铝板或铝铁合金板材，可以为表面经过少量防腐处理的，也可以是没有经过任何的防腐处理的。表面防腐将会降低阳极溶出物(絮凝剂)的溶出速度，本领域技术人员在具体实施时，如要获得较低的溶出速度，可以可选地对板材进行适当防腐处理。另外，槽壁铁板和铝板的厚度应视应用过程中絮凝剂的需求量而定，选定的原则为膜组器使用寿命内絮凝剂需求总量占槽壁总重量的l/l(Tl/3。本发明的装置应用于浸没式膜分离技术中，当电源接通后，膜组器5带正电，带外支撑层的中空纤维膜5带负电，中空纤维膜丝7处于管状外支撑层负极屏蔽之中，带负电的污染物在静电排斥力和电极溶出物的絮凝作用下很难污染膜表面，从而达到控制膜污染的作用。本发明还涉及采用本发明具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置所得到的阳极溶出物在水处理中可以作为絮凝剂和/或净水剂的用途。同上，在此不再赘述。[有益效果]与相关MBR膜污染控制技术相比，采用所述的带电膜装置及其应用于浸没式膜分离技术中，具有以下优点I、耐污染性强。通过静电排斥力和絮凝法双重功效达到控制膜污染的作用，且二者的作用强度均可通过控制电流大小来调控其强弱。2、强度高。纤维长丝和导电金属丝复合编织成的管状外支撑层能够增强中空纤维膜丝的拉伸性能，提高其运行时的耐受能力，避免中空纤维膜丝在运行中出现的断丝或脱皮现象。3、无需添加絮凝剂。所述带电膜装置能够自身产生铁或铝离子作为絮凝剂，净化水质，所产絮凝剂能够即时产生即时使用，避免了化学加药中药剂久置易失效的贮存问题。4、实用性强。所述的带电膜装置可广泛应用于浸没式膜分离技术中，中空纤维膜丝的网格状外支撑层和膜组器作为电极，电极面积较大，便于操作应用，实用性强；无需额外添加设备，可控性高。
图I是本发明的具有抗污染功效的带电膜装置的结构示意图；图2是带电膜的横截面结构示意其中，I、电源；2、MBR膜池；3、膜组器；4、膜组件；5、带外支撑层的中空纤维膜；6、
管状多孔外支撑层；7、中空纤维膜。图3是带外支撑层的中空纤维膜在三种带电情况下的运行情况；图4是带电膜装置的槽式膜组器为不同材质时的运行情况。
具体实施方式下述实施例结合附图非限制性地说明本发明。在本发明中，铁试剂的铁元素总含量或溶液中的磷酸根浓度的测定方法是按照国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会编著，《水与废水监测分析方法》(第四版，增 补版)，中国环境科学出版社出版(2002年)中规定的测定方法进行分析测定的。实施例I如图3所示，一种具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置主要由电源I、MBR膜池2、膜组器3、膜组件4部分组成。本实施例采用0-35V的直流电源，恒流电流密度为10A/m2，膜组器的壁为厚度5mm的铁板，管状外支撑层是由丙纶长丝和纯铜丝通过钩编而成的，其中纯铜丝在管状外支撑层中的重量比例为2%，余量为丙纶长丝。钩编层的针织密度为20针目，钩针机的针数为10针。应用于微滤膜中，即MBR工艺中，膜池的运行条件为污泥浓度为7000mg/L，曝气量为90m3/m2*h，膜组件的面积为5m2，出水通量为25L/m2*h。分别采用在外支撑层膜上未施加电流、施加正电、施加负电等三种情况下，观察膜组件的运行情况。对比实验结果可以发现在中空纤维膜丝的管状外支撑层上带上负电能够明显减轻膜组件运行中的污染情况，三种情况下膜组件表面污染情况为带负电的膜组件 > 不带电膜组件 > 带正电膜组件。可见，所述的具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置应用于MBR中，能够显著起到抗污染的作用。实施例2如图4所示，一种具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置主要由电源I、MBR膜池2、膜组器3、膜组件4部分组成。本实施例采用0-35V的直流电源，恒流电流密度为5A/m2，管状外支撑层是由涤纶长丝和铜丝的通过高速编织机编织而成的，其中纯铜丝在管状外支撑层中的重量比例为2%，余量为涤纶长丝。高速编织机的锭数为8锭，双节距为25mm。应用于微滤膜中，即MBR工艺中，膜池的运行条件为污泥浓度为7000mg/L，曝气量为90m3/m2*h，膜组件的面积为5m2，出水通量为25L/m2*h。膜组器分别采用铁板和不锈钢板，壁厚均为5_，分别采用在外支撑层膜上施加负电，在不同膜组器槽壁情况下，观察膜组件的运行情况和进出水的水质情况。对比实验结果可以发现两种情况下膜组件表面污染情况为铁板膜组器的运行情况明显好于不锈钢膜组器。同时，测定进水和出水的水质指标分析结果示于表I。表I :进水和出水水质分析结果
水质指标进水浓度(mg/L) 出水浓度(mg/L) 去除率(%)~
化学需氧量 90 3187679.40
权利要求
1.一种用于水处理的带电膜装置，其特征在于该装置包括电源(1)、MBR膜池(2)、膜组器(3)和由带外支撑层的中空纤维膜(5)粘接而成的膜组件(4);其中，位于MBR膜池(2)内的膜组器(3)是上下开通四周封闭的槽型膜组器，膜组件(4)位于膜组器(3)内；所述带外支撑层的中空纤维膜(5)是由中空纤维膜丝(7)与其外表面包覆的网状多孔结构管状外支撑层(6)组成的，该管状外支撑层(6)是由纤维长丝和导电金属丝通过编织而成的；所述电源(I)的阳极与膜组器(3)的槽壁相接，其阴极与中空纤维膜(5)相接。
2.根据权利要求I所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于膜组器(3)的槽壁的材质是鉄板、铝板或是二者组成的合金板，上述板材的表面没有经过防腐处理。
3.根据权利要求2所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述管状外支撑层(6)是由纤维长丝和导电金属丝编织而成的，其呈网状多孔结构，包覆在中空纤维膜丝(7)的外表面。
4.根据权利要求3所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述管状外支撑层(6)是由纤维长丝和导电金属丝按照以下比例通过编织机编织而成的，导电金属丝在管状外支撑层(6)中的重量比例为O. 5-99. 5wt%，余量为纤维长丝；纤维长丝和导电金属丝在编织时为同一股编织丝或为不同股编织丝。
5.根据权利要求3或4所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述管状外支撑层(6)的纤维长丝为棉、麻、毛、蚕丝、丙纶、涤纶、绵纶、腈纶、丙纶、粘胶纤维、醋酸纤维、玻璃纤维、金属纤维中的一种或多种纤维长丝。
6.根据权利要求3或4所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述的管状外支撑层(6)的导电金属丝为铁、铝、不锈钢、钛、钼、钯、钌、铱金属丝中的一种或多种导电金属丝。
7.根据权利要求I所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述的管状外支撑层(6)是通过高速编织机编织或是通过钩针机编织而成的。
8.根据权利要求I所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述的电源(I)为直流电源，该直流电源是由交流电转换为直流电的稳压直流电源，或是由太阳能、风能、水能、化学能或其它能源转换而成的蓄电池直流电源；该电源(I)在所述阳极与阴极之间施加电场，所述管状外支撑层(6)的平均电流密度为O. 5 50mA/cm2。
9.根据权利要求I所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于所述装置应用于浸没式膜分离技术中，当电源(I)接通后，膜组器(3)带正电，带外支撑层的中空纤维膜(5)带负电，中空纤维膜丝(7)处于管状外支撑层(6)负极屏蔽之中，带负电的污染物在静电排斥力和电极溶出物的絮凝作用下很难污染膜表面，从而控制膜污染。
10.根据权利要求I所述的用于水处理的带电膜装置，其特征在于该带电膜装置在应用过程中得到的阳极溶出物在水处理中作为絮凝剂和/或净水剂的用途。
全文摘要
本发明涉及一种用于水处理的带电膜装置，该装置包括电源、膜组器和膜组件；其中，膜组器是上下开通四周封闭的槽型膜组器，膜组件位于膜组器内；所述中空纤维膜是在中空纤维膜丝的外表面包覆有一层网状多孔结构的管状外支撑层而成。当将装置应用于浸没式膜分离技术中时，在电源电流的作用下，中空纤维膜丝处于管状外支撑层负极屏蔽之中，带负电的污染物在静电排斥力和电极溶出絮凝剂的絮凝作用下很难污染中空纤维膜，从而达到控制膜污染的目的。使用本发明的具有抗污染功效和自产生絮凝剂的带电膜装置能够有效控制膜污染，具有耐污染性强、膜丝强度高、无需添加絮凝剂、净化水质和实用性强等优点。
文档编号C02F3/12GK102674542SQ201210174719
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者吴强, 宋冠军, 尹峥嵘, 李天玉, 郭莎莎, 陈亦力 申请人:北京碧水源膜科技有限公司