砂基过滤膜板和砂基过滤元件

摘要

砂基过滤膜板，该砂基过滤膜板为多层结构，其中，所述多层结构包括至少一层透水性支撑体层和过滤层，所述透水性支撑体层和过滤层紧密贴合；所述透水性支撑体层和过滤层分别为由含有硅砂的多孔材料形成的微孔结构，其中，所述透水性支撑体层的微孔直径大于过滤层的微孔直径。还提供了一种砂基过滤元件，该砂基过滤元件包括顶部、底部、侧壁以及由顶部、底部和侧壁形成的空腔，所述顶部、底部和侧壁为本发明提供的砂基过滤膜板。本发明提供的砂基过滤膜板以及砂基过滤元件的结构简单、可靠，并可用于污水处理系统中，以实现长时间的、稳定的处理污水，不但能够使污水的排放达到国家污水排放标准，且污水的处理效率较高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种砂基过滤膜板和包括该过滤膜板的砂基过滤元件。

背景技术

膜生物反应器一般由生物反应池单元和膜分离单元组成，它具有处理水 质好、处理水适宜回用等特点，且所述膜生物反应器的占地面积小，环境适 应性高、自动化程度高，容易运行管理。因此，数以千计的膜生物反应器工 程在世界许多国家和地区得到应用。

膜单元采用的膜材料分为有机膜和无机膜。

通常的膜生物反应器是通过在布或纤维管外涂覆有机过滤膜材料制成， 有机过滤膜大多为石油化工材料或塑料制成，其载体布或纤维管等强度差， 因此，此种有机膜生物反应器的强度差，膜组件会发生破裂，特别是中空纤 维膜容易出现膜丝断裂，有的膜丝甚至在安装使用后，几个月内就出现膜丝 断裂现象。一旦出现膜的断裂，处理水质将变差。当膜损坏的量和程度影响 到系统的处理效果，就需要更换膜组件，这不仅要使污水处理系统停止运行， 而且换膜的工程量和一次性费用都很大，特别是对于较大规模的膜生物反应 器工程，换膜产生的问题就更为复杂，产生的不利影响范围更大。因此，采 用有机膜的膜生物反应器，膜的强度差，使用寿命短已经成为当今阻碍膜生 物反应器大规模和普及应用的一个重要限制性因素和重大技术难题。

公知的无机膜主要有金属膜、合金膜、陶瓷膜、玻璃膜、沸石膜以及分 子筛膜等。无机膜具有化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、耐有机溶剂、机械 强度大、寿命长、可以反冲洗、抗微生物的能力强等优点，目前商品化的无 机膜主要是陶瓷膜，其主要有平板、管式和多通道三种。但是无机陶瓷膜的 技工工艺复杂、加工难度大，价格昂贵，除此之外，在无机陶瓷膜过滤时， 在生物单元和膜单元之间需要较大的循环流量，需要功率较高的循环水泵， 因此，无机陶瓷膜的运行费用也较高。因此，陶瓷膜在膜生物反应器中的应 用仍局限在实验室研究阶段。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的用于膜生物反应器的过滤膜的上述缺 陷，提供一种结构简单、可靠的，能用于长时间稳定的处理污水、污水处理 效率较高的砂基过滤膜板以及砂基过滤元件。

本发明提供了一种砂基过滤膜板，该砂基过滤膜板为多层结构，其中， 所述多层结构包括至少一层透水性支撑体层和过滤层，所述透水性支撑体层 和过滤层紧密贴合；所述透水性支撑体层和过滤层分别为由含有硅砂的多孔 材料形成的微孔结构，其中，所述透水性支撑体层的微孔直径大于过滤层的 微孔直径。

本发明还提供了一种砂基过滤元件，该砂基过滤元件包括顶部、底部、 侧壁以及由顶部、底部和侧壁形成的空腔，所述顶部、底部和侧壁为砂基过 滤膜板，其中，所述砂基过滤膜板为本发明提供的砂基过滤膜板。

本发明提供的砂基过滤膜板以及砂基过滤元件的结构简单、可靠，并可 用于污水处理系统中，以实现长时间的、稳定的处理污水，不但能够使污水 的排放达到国家污水排放标准，且污水的处理效率较高。

附图说明

图1为本发明提供的砂基过滤膜板的示意图；

图2为本发明提供的砂基过滤膜板的示意图；

图3为本发明提供的砂基过滤元件的立体图；

图4为本发明提供的砂基过滤元件的剖视图；

图5为本发明提供的砂基过滤元件的剖视图。

具体实施方式

按照本发明，如图1所示，所述砂基过滤膜板为多层结构，其中，所述 多层结构包括至少一层透水性支撑体层1和过滤层2，所述透水性支撑体层 1和过滤层2紧密贴合；所述透水性支撑体层1和过滤层2分别为由含有硅 砂的多孔材料形成的微孔结构，其中，所述透水性支撑体层1的微孔直径大 于过滤层2的微孔直径。

按照本发明，优选情况下，为了达到更佳的过滤效果，所述过滤层的微 孔直径为0.05-0.5微米，优选为0.05-0.2微米；孔隙率为20-30％，优选为 20-25％；所述透水性支撑体层的微孔直径为10-200微米，优选为50-100微 米；孔隙率为25-35％，优选为25-30％。其中，所述过滤层以及透水性支撑 体层的微孔直径可以通过电子显微镜测得，所述过滤层以及透水性支撑体层 的孔隙率可以通过压汞法测得。

按照本发明，所述透水性支撑体层主要用于对所述砂基过滤膜板起到支 撑的作用，因此，其厚度只要满足支撑体的需要即可，例如，所述透水性支 撑体层的总厚度一般可以为10-50mm。所述过滤层主要起到过滤的作用，其 厚度也可以根据实际需要而定，一般情况下，所述过滤层的厚度可以为 0.1-2mm。

按照本发明，优选情况下，为了进一步优化过滤效果，同时使所述砂基 过滤膜板的结构更稳固，在满足过滤要求的前提下，实现提高通量的要求， 所述透水性支撑体层为可以多层，且从远离过滤层的透水性支撑体层到贴合 过滤层的透水性支撑体层的微孔直径逐渐减小。

出于效果和成本的综合考虑，更优选情况下，如图2所示，所述透水性 支撑体层为两层，且远离过滤层的透水性支撑体层2的微孔直径大于贴合过 滤层的透水性支撑体层3的微孔直径。所述远离过滤层的透水性支撑体层2 的厚度可以为8-35mm，该透水性支撑体层2的微孔直径可以为大于100微 米至小于或等于200微米，优选为大于50微米至小于或等于100微米；所 述贴合过滤层的透水性支撑体层3的厚度可以为5-15mm，该透水性支撑体 层的微孔直径可以为10-100微米，优选为10-50微米。

按照本发明，通常情况下，所述过滤层和透水性支撑体层的微孔直径的 大小一方面与形成各层的多孔材料中的硅砂颗粒的大小有关，另一方面与各 层的形成方式有关。

按照本发明，用于形成所述透水性支撑体层的硅砂的颗粒直径的大小可 以根据对过滤的需要以及对支撑体层的强度的需要来选择，而且，为了满足 所述透水性支撑体层的多孔材料的微孔直径大于过滤层的微孔直径，因此， 所述透水性支撑体层中硅砂的颗粒直径大于过滤层中硅砂的颗粒直径；优选 情况下，所述透水性支撑体层中硅砂的颗粒直径为75-1000微米，优选为 150-830微米。

由于所述过滤层位于透水性支撑体层的表面，即主要起到过滤膜的作 用，而且，为了更好的达到过滤效果，并且满足所述透水性支撑体层的微孔 直径大于过滤层的微孔直径，所述过滤层中硅砂的颗粒直径小于透水性支撑 体层中硅砂的颗粒直径；优选情况下，所述过滤层中硅砂的颗粒直径为23-75 微米，优选为38-48微米。在所述过滤层中，硅砂的圆球度越好，越能够保 证硅砂直径的孔隙较小、且均匀，从而进一步提高过滤层的过滤效果。因此， 所述过滤层中的硅砂的圆球度可以为0.5-0.95，优选为0.7-0.95。其中，“圆 球度”指颗粒棱角的相对锐度或曲率的量度，也可以指颗粒接近球形的程度； 圆球度的测定方法为本领域技术人员所公知，例如，可采用图版法进行测定。 为了达到本发明所要求的圆球度要求，可以采用对硅砂进行球磨等本领域技 术人员所公知的控制方法来满足硅砂圆球度的需要。

按照本发明，为了满足本发明的上述优选的实施方式，即，使远离过滤 层的透水性支撑体层的微孔直径大于贴合过滤层的透水性支撑体层的微孔 直径，可以使远离过滤层的透水性支撑体层中硅砂的颗粒直径大于贴合过滤 层的透水性支撑体层中硅砂的直径。例如，所述远离过滤层的透水性支撑体 层中硅砂的颗粒直径可以为380-1000微米，优选为380-830微米；所述贴合 过滤层的透水性支撑体层中硅砂的直径可以为75至小于380微米，优选为 150微米至小于380微米。

所述透水性支撑体层和过滤层分别为由含有硅砂的多孔材料形成的微 孔结构，所述多孔材料是通过将含有硅砂和粘结剂的混合物经固化剂固化而 形成的；其中，粘结剂的量只要保证能够使硅砂粘结到一起并成型，同时保 证形成的各层的微孔直径的大小和各层的厚度即可；所述固化剂的量只有保 证能够使粘结剂固化并使其与硅砂能够更好的粘合即可；通常情况下，在过 滤层中，以100重量份硅砂为基准，粘结剂的量可以为2-8重量份，固化剂 的量可以为0.2-4重量份；在透水性支撑体层中，以100重量份原砂为基准， 粘结剂的总量可以为3-15重量份，固化剂的总量可以为0.03-8重量份。优 选情况下，当所述透水性支撑体层为两层时，在远离过滤层的透水性支撑体 层中，以100重量份硅砂为基准，粘结剂的量可以为3-10重量份，固化剂 的量可以为0.3-5重量份；在贴合过滤层的透水性支撑体层中，以100重量 份硅砂为基准，粘结剂的量可以为4-15重量份，固化剂的量可以为0.03-8 重量份。

在本发明中，所述粘结剂的种类没有特别的限定，例如，所述粘结剂可 以选自环氧树脂、聚偏氟乙烯树脂、水玻璃、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚胺 脂树脂和硅酸盐水泥中的一种或多种；优选情况下，所述粘结剂为酚醛树脂 和/或环氧树脂。所述酚醛树脂和环氧树脂可以在常规的酚醛树脂和环氧树脂 中适当地选择。具体地，所述酚醛树脂可以为酸催化酚醛树脂和/或碱催化酚 醛树脂，优选为酸催化酚醛树脂，且所述酸催化酚醛树脂的重均分子量可以 为300-12000，优选为500-5000。所述环氧树脂优选为双酚A型环氧树脂， 所述环氧树脂的环氧值可以为0.3-0.55mol/100g，其重均分子量可以为 500-10000，优选为800-5000。

用于本发明的固化剂的种类没有特别的限定，例如，可以选自胺型固化 剂、酸酐型固化剂、聚磷酸铝、氟硅酸钠和乌洛托品中的一种或多种；优选 情况下，所述固化剂为胺型固化剂和/或酸酐型固化剂。所述胺型固化剂可以 为乙二胺、三甲基六亚甲基二胺、六亚甲基四胺、二乙基三胺、羟甲基乙二 胺、羟乙基乙二胺、二羟乙基乙二胺、羟乙基二乙烯三胺、二羟乙基乙二胺、 羟乙基二乙烯三胺、二羟乙基二乙烯三胺、羟乙基己二胺、一氰乙基乙二胺、 二氰乙基乙二胺、二氰乙基己二胺、双氰胺、环己二胺、孟烷二胺、胺乙基 呱嗪、异佛尔酮二胺和二氨基环己烷中的至少一种；所述酸酐型固化剂例可 以为甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢苯酐、丁二酸酐和己二酸酐中的至少 一种。在更优选的实施方式中，当所述粘结剂为酚醛树脂时，所述固化剂最 优选为六亚甲基四胺；当所述粘结剂为环氧树脂时，所述固化剂最优选为上 述胺型固化剂。

按照本发明，所述硅砂可以为各种可以用于形成透水性支撑体层和过滤 层的硅砂，例如，可以选自风积沙、人造砂、再生砂、河沙和海砂和山砂中 的一种或多种。

更优选情况下，为了进一步提高得到的砂基过滤膜板的机械强度，所述 硅砂优选为表面包覆有覆膜粘结剂的覆膜硅砂。所述覆膜硅砂的制备方法可 以按照本领域公知的方法得到，例如，可以参考CN1083752A的覆膜砂制备 工艺所用的方法。所述覆膜硅砂的颗粒大小只要分别满足过滤层和透水性支 撑体层的多孔材料中的孔直径要求即可。

按照本发明，将过滤层和透水性支撑体层紧密贴合的方法可以为本领域 公知的各种方法，只要保证能够使过滤层和透水性支撑体层紧密贴合，又能 够满足过滤层的过滤要求即可。优选情况下，可以在固化条件下，将层叠的 用于形成过滤层的含有硅砂、粘结剂和固化剂的混合物层以及用于形成透水 性支撑体层的含有硅砂、粘结剂和固化剂的混合物层同时进行固化成型。其 中，所述混合物层的厚度只要分别能够满足得到的过滤层以及透水性支撑体 层的厚度要求即可，例如，用于形成过滤层的含有硅砂、粘结剂和固化剂的 混合物层的厚度(通常铺设厚度为0.2-3mm)只要使得到的过滤层的厚度为 0.1-2mm即可；用于形成透水性支撑体层的含有硅砂、粘结剂和固化剂的混 合物层的厚度(通常铺设厚度为15-60mm)只要使得到的透水性支撑体层在 总厚度为10-50mm即可。

按照本发明，所述成型和固化的方法可以采用常规的各种成型和固化方 法，其条件为本领域技术人员所公知，例如，可以采用压制成型的方法，压 制成型的条件包括压力可以为0.5-5兆帕，温度可以为20-100℃，时间可以 为10-60秒；固化的条件可以包括固化的温度为20-150℃，固化的时间可以 为1-24小时，固化的湿度可以为5-35％。

此外，按照另外一种实施方式，将过滤层和透水性支撑体层紧密贴合的 方法还可以为在多层结构的过滤层和透水性支撑体层之间形成粘结剂层，所 述粘结剂层使过滤层和透水性支撑体层紧密贴合；所述粘结剂层的厚度只要 能够保证使过滤层和透水性支撑体层紧密贴合并能够同时满足过滤层和透 水性支撑体层的过滤和通量要求即可，优选情况下，所述粘结剂层的厚度可 以为5-30微米。优选情况下，当所述透水性支撑体层为多层时，在相邻的 两层透水性支撑体层之间也可以形成粘结剂层，以使多层透水性支撑体层之 间紧密贴合，该粘结剂层的厚度可以为5-30微米。

所述形成粘结剂层的方法可以包括将粘结剂进行涂覆、喷涂或滚涂的方 法。所述形成粘结剂层的粘结剂可以为各种常规的粘结剂，例如，上述所说 的粘结剂为环氧树脂、聚偏氟乙烯树脂、水玻璃、酚醛树脂、丙烯酸树脂、 聚胺脂树脂和硅酸盐水泥中的一种或多种。

按照本发明，所述砂基过滤元件包括顶部、底部、侧壁以及由顶部、底 部和侧壁形成的空腔，所述顶部、底部和侧壁为砂基过滤膜板，其中，所述 砂基过滤膜板为本发明提供的砂基过滤膜板。

本发明对所述砂基过滤元件的形状没有特别要求，可以为各种形状，例 如，长方体或正方体结构，如图3所示。按照本发明，所述空腔可以为各种 能够满足过滤需要的形状，通常为柱状结构，例如，长方体、正方体或圆柱 体(如图4所示)或波浪形结构，优选情况下，该波浪型结构的相对面上的 波谷位置与波峰位置对应相接，以间隔出该多个空腔，并构成该多个空腔之 间的间隔，如图5所示，并且通过该波浪型结构的相对面上的波谷位置与波 峰位置的对应相接可以加强该过滤元件的强度。

另外需要说明的是，上述仅为本发明过滤元件结构的几种实施态样，本 发明过滤元件并不限于上述结构，除了可以为上述结构外，还可以为其它的 任意结构，如球体，椭球体等，以适应应用中的不同外观需求。

按照本发明，为了适应不同的污水处理量，所述砂基过滤元件还可以包 括至少一个隔板，将所述空腔分隔成多个独立地小空腔，且沿该砂基过滤膜 板平行排列。所述隔板用以加强该过滤元件的强度，并且，多个小空腔之间 的隔板的存在，有效提高了过滤元件的强度。所述隔板可以为由各种骨料， 如玻璃微珠、陶瓷微珠以及陶粒等形成的可透水的模板，优选为本发明提供 的砂基过滤膜板。

按照本发明，所述砂基过滤元件可以一次成型，也可以先单独制备用于 形成空腔的顶部、底部和侧壁，以及选择性包括的隔板的多层结构，然后将 顶部、底部和侧壁和选择性包括的隔板固定以形成所述空腔结构。

按照本发明，优选情况下，如图3所示，为了便于有效地将经过本发明 所述砂基过滤元件过滤后的水从该元件中排出，所述砂基过滤元件还包括至 少一个出水口4，所述出水口4与空腔连通。进一步说，所述出水口的个数 可以为一个，也可以为多个，优选情况下，当所述空腔被隔板分隔成多个独 立的小空腔时，所述出水口的个数也优选相应为多个，且每个出水口对应一 个独立的小空腔，以便于过滤后的水的排出。或者也可以于该多个空腔之间 的隔板上形成孔洞(图中未示)，通过孔洞将该多个小空腔彼此连通。

下面将通过具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。

在下述制备实施例中，用电子显微镜测定得到的过滤层以及透水性支撑 体层的微孔直径；并采用压汞法测定得到的过滤层以及透水性支撑体层的 孔隙率。按照GB11894-1989(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)测定水 中的总氮含量。采用浊度仪(WGZ-200浊度仪)对水的浊度进行检测。

制备实施例1

本实施例用于说明本发明提供的砂基过滤膜板的制备。

将100重量份硅砂(颗粒直径为600微米)、3重量份粘结剂环氧树脂(牌 号E-44)和0.6重量份改性胺固化剂(牌号T31)混合，得到第一混合物， 并铺设在模具中，得到第一混合物层(用于形成透水性支撑体层)，铺设厚 度为15mm；

将100重量份硅砂(颗粒直径为45微米，硅砂圆球度为0.5)、3重量份 粘结剂含羟基的丙烯酸树脂(牌号4400)和1重量份HDI缩二脲固化剂(牌 号Desmodur N75)混合，得到第二混合物，并将该第二混合物铺设在上述 第一混合物层上，得到第二混合物层(用于形成过滤层)，铺设厚度为2mm；

在25℃、5兆帕压力下将上述两层混合物层压制30秒，使之成型，并 在80℃、20-40％湿度下固化8小时，得到砂基过滤膜板A1，其中，过滤层 的厚度为1mm，孔直径为0.05-0.3微米，孔隙率为25％；透水性支撑体层的 厚度为10mm，孔直径为50-150微米，孔隙率为28％。

制备实施例2

本实施例用于说明本发明提供的砂基过滤膜板的制备。

将100重量份硅砂(颗粒直径为450微米)、8重量份粘结剂环氧树脂(牌 号E-51)和5重量份酸酐固化剂(甲基四氢邻苯二甲酸酐)(代号缩写 MTHPA，牌号SYG-8401)混合，得到第一混合物，并铺设在模具中，得到 第一混合物层(用于形成远离过滤层的透水性支撑体层)，铺设厚度为25mm；

将100重量份硅砂(颗粒直径为180微米)、5重量份粘结剂环氧树脂(牌 号E-44)和1.8重量份脂环胺固化剂(代号缩写DAMHM)混合，得到第三 混合物，并先将该第三混合物铺设在上述第一混合物层(用于形成远离过滤 层的透水性支撑体层)上，得到第三混合物层(用于与过滤层贴合的透水性 支持体层)，铺设厚度为8mm；

将100重量份硅砂(颗粒直径为35微米，硅砂圆球度为0.8)、4重量份 粘结剂环氧树脂(牌号CYD-144)和1.5重量份三甲基六亚甲基二胺固化剂 (牌号TMD)混合，得到第二混合物，并将该第二混合物铺设在上述第三 混合物层上，得到第二混合物层(用于形成过滤层)，铺设厚度为1mm；

在25℃、2兆帕压力下将上述三层混合物层压制50秒，使之成型，并 在80℃、20-40％湿度下固化12小时，得到砂基过滤膜板A2，其中，过滤 层的厚度为0.5mm，孔直径为0.05-0.1微米，孔隙率为22％；贴合过滤层的 透水性支撑体层的厚度为5mm，孔直径为20-60微米，孔隙率为27％远离过 滤层的透水性支撑体层的厚度为20mm，孔直径为65-100微米，孔隙率为 32％。

制备实施例3

本实施例用于说明本发明提供的砂基过滤膜板的制备。

按照实施例1的方法先分别将第一混合物层和第二混合物层成型并固 化，得到透水性支撑体层和过滤层，并在透水性支撑体层的一侧表面涂覆环 氧树脂(牌号E-44)粘结剂和DAMHM固化剂(粘结剂和固化剂重量比为 2.8∶1)，得到厚度为10微米的粘结剂层，然后将过滤层粘附到该粘结剂层的 表面，并在80℃、20-40％湿度下固化5小时，得到砂基过滤膜板A3。

制备实施例4

本实施例用于说明本发明提供的砂基过滤膜板的制备。

按照实施例1的方法制备第一混合物层和第二混合物层，不同的是，所 用的硅砂为按照CN1083752A方法制备的覆膜硅砂。

实施例1-4

本实施例用于说明砂基过滤元件的制备以及过滤性能测试。

将制备实施例1至制备实施例4得到的砂基过滤膜板分别粘合成(或者 在模具中一次成型)如图4所示的具有空腔的长方体结构的过滤元件，且每 个圆柱形空腔之间具有隔板，所述隔板为分别由实施例1和实施例4的砂基 过滤膜板形成。并在该长方体结构的过滤元件的侧壁上开设两个出水口，该 出水口与空腔连通。

将所述砂基过滤元件置于曝气生物滤池反应器中(反应器的有效体积为 30L)，并向所述反应器中通入污水(COD浓度为1200-1500mg/L，NH₃-N 浓度为250-300mg/L，浊度为15-30NTU)，在闷曝条件下(即，反应器不进 水也不出水，曝气量为25L/h)保持3小时，然后通过所述砂基过滤元件的 出水口抽水，使污水经过所述过滤元件后被抽出而得到经过过滤的水，出水 COD分别为50-200mg/L、40-150mg/L、50-220mg/L、50-160mg/L；出水氨 氮(NH₃-N)浓度分别为5-30mg/L、1-20mg/L、5-35mg/L、1-25mg/L，浊度 分别为5-15NTU、5-10NTU、5-15NTU、5-10NTU。