一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法
阅读说明：本技术 一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法 (Double-layer polypropylene non-woven fabric membrane component and membrane pollution control method thereof ) 是由 李晓惠 许艳广 于 2021-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法,以聚丙烯无纺布作为过滤介质,形成基于双层聚丙烯无纺布的板框式膜组件,应用该双层聚丙烯无纺布膜组件于膜生物反应器,膜出水水质稳定,运行初期出水悬浮物含量低于10mg/L,当膜污染导致跨膜压力增加至20～25Kpa时,可通过物理清洗的方法恢复膜通量,有效控制膜污染。系统操作压力低,膜污染控制方法简单、环境残留小,具备节能环保的特征。(The invention provides a double-layer polypropylene non-woven fabric membrane component and a membrane pollution control method thereof, wherein a polypropylene non-woven fabric is used as a filter medium to form a plate-frame type membrane component based on the double-layer polypropylene non-woven fabric, the double-layer polypropylene non-woven fabric membrane component is applied to a membrane bioreactor, the quality of membrane effluent water is stable, the content of suspended matters in the effluent water at the initial operation stage is lower than 10mg/L, when transmembrane pressure is increased to 20-25 Kpa due to membrane pollution, the membrane flux can be recovered by a physical cleaning method, and the membrane pollution is effectively controlled. The system has low operation pressure, simple membrane pollution control method and little environmental residue, and has the characteristics of energy conservation and environmental protection.)
技术领域
本发明属于环境工程水污染控制技术领域，具体涉及的是膜生物反应器膜组件工艺成本降低及膜污染运行控制方法。
背景技术
膜生物反应器是一种高效的水处理工艺，具有占地面积小、出水水质好、污泥浓度高等优点，在城市污水处理等领域受到了广泛的关注。目前实际应用中的膜生物反应器多数采用聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜组件，膜的价格相对高昂，更重要的是，由于膜污染问题的存在，需要对膜进行定期的物理及化学清洗，这提高了污水厂的运行费用及管理难度，化学清洗药剂也会导致二次环境污染，另外，频繁的化学清洗会降低膜的使用寿命，更换新膜将进一步增加运行成本。上述问题大大制约了膜生物反应器工艺的推广和应用，因此，寻找膜污染控制方式简单易行的新型廉价膜组件是进一步推广膜生物反应器应用的关键。
使用无纺布作为膜生物反应器工艺的膜材料，既能发挥其过滤性能好、强度高的优点，又能大幅降低膜材料价格，因此无纺布膜生物反应器在污水处理领域具备极大的应用潜力。
以无纺布为滤膜制成膜组件并将其应用于膜生物反应器，目前的研究主要处于实验室研究阶段。无纺布本身孔径较大，在运行初期，对于混合液悬浮物的截留能力较差，实验室研究的主要思路是在无纺布表面预先形成一层动态膜，依靠动态膜的过滤作用实现对混合液悬浮物的截留。但是，对动态膜的形成与脱落的控制也提高了水厂的运行管理难度，且当动态膜脱落后，短期内，出水悬浮物含量可能会升高。因此，开发出对混合液悬浮物截留效果好、膜污染控制管理方便、环境残留小、造价低、易于规模化推广应用的基于无纺布滤膜的膜组件，对推广膜生物反应器工艺在城市污水处理及其它废水处理领域的应用具有重要的实际意义。
发明内容
聚丙烯无纺布具有透水透气、抗老化、成本低、重量轻等特点，目前广泛用于农业育种育苗、医用口罩制备等领域。另外，该产品也具有比表面积大、表面粗糙、微生物易于附着等特点，也可作为水处理领域的生物膜载体。采用双层聚丙烯无纺布作为膜生物反应器的过滤介质，依靠无纺布滤膜对大颗粒絮体的机械筛分截留作用和对小颗粒絮体的接触吸附截留作用，可实现对活性污泥混合液的良好分离，膜污染控制方法简单，易于实现规模化。
其技术方案为：
一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法，采用由第一层聚丙烯无纺布(1)和第二层聚丙烯无纺布(2)构成的双层聚丙烯无纺布作为膜组件的滤膜，膜组件的具体组装方式为：两组双层聚丙烯无纺布分别包覆在多孔支撑框架(3)两侧，两个起固定作用的板框(4)分别覆盖在两组双层聚丙烯无纺布上，多孔支撑框架(3)及两个起固定作用的板框(4)上设有预留孔(5)，用不锈钢材质的螺杆及螺母经由预留孔(5)将多孔支撑框架(3)、双层聚丙烯无纺布(1,2)及两个起固定作用的板框(4)压紧固定，形成基于双层聚丙烯无纺布滤膜的板框式膜组件。
进一步的，所述的双层聚丙烯无纺布膜组件应用于膜生物反应器。
进一步的，所述的聚丙烯无纺布的面密度为15～35g/m2，优选的，所述的聚丙烯无纺布的面密度为25～35g/m2。
进一步的，所述的双层聚丙烯无纺布膜组件的膜通量可控制在10～120L/(m2·h)范围内，优选的，所述的双层聚丙烯无纺布膜组件的膜通量应控制在10～60L/(m2·h)范围内。
进一步的，所述的一种双层聚丙烯无纺布膜组件的膜污染控制方法，当膜污染导致跨膜压力增加至20～25Kpa时，将膜组件从生物反应池取出，进行物理清洗，物理清洗方法为，首先用刮板刮去膜表面滤饼层，再用清水冲洗膜表面。
进一步的，所述的一种双层聚丙烯无纺布膜组件的膜污染控制方法，当长期运行导致第二层聚丙烯无纺布(2)表面累积了滤饼层，物理清洗无法有效恢复膜通量，致使膜工作周期低于10天，需进行化学清洗，化学清洗方法为：将双层聚丙烯无纺布滤膜从膜组件上拆下并置于清水中，投加少量碱性洗涤剂，进行机械搓洗，再用清水漂洗掉残余洗涤剂。
进一步的，所述的双层聚丙烯无纺布膜组件应用于好氧膜生物反应器时，膜出水水质稳定，运行初期出水悬浮物含量低于10mg/L，运行过程无需预处理期，其好氧生物反应池曝气量的确定、曝气头类型的选择及位置的安装只需考虑好氧生物处理的溶解氧水平要求，无需考虑膜面气泡扰动。
在显微镜下观察，本发明所用的聚丙烯无纺布内部为交织的空间网状不规则纤维结构(图2)，在好氧膜生物反应器中长期运行后，第一层聚丙烯无纺布表面由于机械筛滤作用形成了明显的污泥滤饼层(图3)，第二层聚丙烯无纺布的内部纤维结构上由于接触吸附作用附着了少量污泥絮体(图4)。
本发明中，采用来源广、造价低的双层聚丙烯无纺布作为膜生物反应器的过滤介质，双层聚丙烯无纺布的设置解决了一般使用大孔非织物作为过滤介质的膜生物反应器存在的初期出水悬浮物含量高的问题，系统操作压力低，膜污染控制方法简单、环境残留小，具备节能环保的特征。
附图说明
图1为本发明专利膜组件组装示意图。
图1中：1第一层聚丙烯无纺布，2第二层聚丙烯无纺布，3多孔支撑框架，4板框，5预留孔。
图2为未经使用的聚丙烯无纺布放大10倍的显微镜照片。
图3为在膜生物反应器中运行3周期后第一层聚丙烯无纺布放大10倍的显微镜照片。
图4为在膜生物反应器中运行3周期后第二层聚丙烯无纺布放大10倍的显微镜照片。
图5为不同膜通量下双层聚丙烯无纺布膜组件的膜出水悬浮物(SS)含量及跨膜压力。
图6为双层聚丙烯无纺布膜组件处理模拟生活污水过程中跨膜压力随时间的变化情况。
具体实施方式
实施例1不同膜通量下双层聚丙烯无纺布膜组件的膜出水悬浮物(SS)含量及跨膜压力
一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法，采用由第一层聚丙烯无纺布(1)和第二层聚丙烯无纺布(2)构成的双层聚丙烯无纺布作为膜组件的滤膜，膜组件的具体组装方式为：两组双层聚丙烯无纺布分别包覆在多孔支撑框架(3)两侧，两个起固定作用的板框(4)分别覆盖在两组双层聚丙烯无纺布上，多孔支撑框架(3)及两个起固定作用的板框(4)上设有预留孔(5)，用不锈钢材质的螺杆及螺母经由预留孔(5)将多孔支撑框架(3)、双层聚丙烯无纺布(1,2)及两个起固定作用的板框(4)压紧固定，形成基于双层聚丙烯无纺布滤膜的板框式膜组件。
所述的聚丙烯无纺布的面密度为25g/m2。
将基于双层聚丙烯无纺布过滤介质的板框式膜组件置于好氧反应池中，好氧反应池的混合液容积为4.5L，混合液悬浮固体含量为3976mg/L，双层聚丙烯无纺布滤膜的有效过滤面积为164cm2，采用微孔曝气盘曝气，曝气量为0.2L/min，使用蠕动泵抽吸膜出水并控制膜通量分别为10.12、20.06、40.12、60.00、79.68、99.75、134.06、168.75、199.88L/(m2·h)，每个膜通量条件下的运行时间为30分钟，测量上述不同膜通量下膜组件的跨膜压力及膜出水的悬浮物含量，其结果如图5所示。
运行结果表明，不同膜通量下的膜出水悬浮物含量(SS)均小于8mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准对悬浮物最高排放浓度限值(10mg/L)的要求；当膜通量从10L/(m2·h)增加至200L/(m2·h)，跨膜压力仅从0.1KPa增加至0.27Kpa，表明运行初期双层聚丙烯无纺布滤膜的膜阻力很小，且随膜通量变化不大。
实施例2基于双层聚丙烯无纺布膜组件的好氧膜生物反应器处理模拟生活污水
一种双层聚丙烯无纺布膜组件及其膜污染控制方法，采用由第一层聚丙烯无纺布(1)和第二层聚丙烯无纺布(2)构成的双层聚丙烯无纺布作为膜组件的滤膜，膜组件的具体组装方式为：两组双层聚丙烯无纺布分别包覆在多孔支撑框架(3)两侧，两个起固定作用的板框(4)分别覆盖在两组双层聚丙烯无纺布上，多孔支撑框架(3)及两个起固定作用的板框(4)上设有预留孔(5)，用不锈钢材质的螺杆及螺母经由预留孔(5)将多孔支撑框架(3)、双层聚丙烯无纺布(1,2)及两个起固定作用的板框(4)压紧固定，形成基于双层聚丙烯无纺布滤膜的板框式膜组件。
所述的聚丙烯无纺布的面密度为35g/m2。
将基于双层聚丙烯无纺布过滤介质的板框式膜组件置于好氧反应池中，好氧反应池的混合液容积为4.5L，双层聚丙烯无纺布滤膜的有效过滤面积为164cm2，混合液悬浮固体含量为1809～4427mg/L，采用微孔曝气盘曝气，曝气量为0.16～0.24L/min，通过调节曝气量控制混合液溶解氧浓度为2～3mg/L，原水为模拟生活污水，其主要水质指标如下：COD320～450mg/L，NH3-N 20～30mg/L，TP 1.8～3.6mg/L，采用恒通量过滤模式，使用蠕动泵抽吸膜出水并控制膜通量为20L/(m2·h)，运行54天，记录运行过程中跨膜压力随时间的变化情况，其结果如图6所示。
如图6所示，双层聚丙烯无纺布膜组件在54天的运行时间内共运行了3个周期。第一周期共运行19天，在前17天内，跨膜压力由0.5Kpa缓慢增加至20.5Kpa，但在随后的2天内，跨膜压力由20.5Kpa迅速增加至65.6KPa；第一周期结束后，将膜组件从好氧生物反应池取出，进行物理清洗，物理清洗方法为，首先用刮板刮去膜表面滤饼层，再用清水冲洗膜表面，物理清洗后膜组件再次投入第二周期的运行；第二周期共运行17天，在前15天内，跨膜压力由2.5Kpa缓慢增加至22Kpa，在随后的2天内，跨膜压力由22Kpa迅速增加至66.2KPa；第二周期结束后，将膜组件从好氧生物反应池取出，进行物理清洗，物理清洗方法为，首先用刮板刮去膜表面滤饼层，再用清水冲洗膜表面，物理清洗后膜组件再次投入第三周期的运行；第三周期共运行18天，在前15天内，跨膜压力由2.6Kpa缓慢增加至23Kpa，在随后的3天内，跨膜压力由23Kpa迅速增加至67.1KPa；第三周期结束后，将膜组件从好氧生物反应池取出，然后将双层聚丙烯无纺布从膜组件上拆下，用显微镜分别对第一层聚丙烯无纺布及第二层聚丙烯无纺布进行镜检，结果表明，在好氧膜生物反应器中长期运行后，第一层聚丙烯无纺布表面由于机械筛滤作用形成了明显的污泥滤饼层(图3)，第二层聚丙烯无纺布的内部纤维结构上由于接触吸附作用附着了少量污泥絮体(图4)。
双层聚丙烯无纺布膜组件处理模拟生活污水的3周期运行结果表明，当膜污染导致跨膜压力增加至20～25Kpa时，如继续运行，跨膜压力将进入急剧增长期，说明当双层聚丙烯无纺布膜组件的跨膜压力增加至20～25Kpa时，需进行物理清洗。由3周期的运行结果可以看出，双层聚丙烯无纺布膜组件在好氧膜生物反应器中的工作周期约为15天。
第一次物理清洗后，跨膜压力恢复至2.5KPa，第二次物理清洗后，跨膜压力恢复至2.6Kpa，且每个周期的运行时长并没有随周期呈现明显的降低趋势，表明简单的物理清洗即可有效恢复双层聚丙烯无纺布膜的膜通量。
当长期运行导致第二层聚丙烯无纺布(2)表面累积了滤饼层，物理清洗无法有效恢复双层聚丙烯无纺布滤膜的膜通量，致使膜工作周期低于10天，需进行化学清洗，化学清洗方法为，将双层聚丙烯无纺布滤膜从膜组件上拆下并置于清水中，投加少量碱性洗涤剂，进行机械搓洗，再用清水漂洗掉残余洗涤剂。
在好氧膜生物反应器的运行过程中，双层聚丙烯无纺布膜组件出水水质稳定，每个周期的运行初期出水悬浮物含量均低于10mg/L，运行过程无需预处理期。
双层聚丙烯无纺布膜组件应用于好氧膜生物反应器时，其好氧生物反应池曝气量的确定、曝气头类型的选择及位置的安装只需考虑好氧生物处理的溶解氧水平要求，无需考虑膜面气泡扰动。
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