JHGT 201605 Vol23 No4(209-212) Journal of the Hwa Gang Textile 華岡紡織期刊 第二十三卷 第四期 ISSN 1025-9678 httpwwwjhgtorgtwmanuscriptpdfjhgt-234(209-212)(2016-05)pdf

209

三維機織布膜過濾材料在生活污水處理中的應用 Application of three dimensional woven fabric filters in a membrane bioreactor

趙芳 1 陳紅 1 翁昉昉 1 薛罡 2 蔣秋冉 1 邱夷平 1

Fang Zhao Fangfang Weng Gang Xue Qiuran Jiang Yiping Qiu

東華大學紡織學院 1 東華大學環境科學與工程學院 2

College of Textiles Donghua University1 College of Environmental Science and Engineering Donghua University2

jjdhueducn ypqiudhueducn

摘要

通過三維機織布膜和尼龍濾布組件在相同操作條件下的對比實驗 研究三維布膜材料在膜生

物反應器裏的運行過濾特性 結果顯示三維機織布膜在 0015MPa的操作壓强下的清水通量爲

87times104 Lm2 h在濁度實驗中也優於其他試樣 三維濾布的特殊結構有利於濾液中的小顆粒

更容易被攔截同時更利於液體通過

關鍵詞三維機織布 膜生物反應器 生活污水 通量 濁度

Abstract

This study is to investigate the wastewater treatment efficiency using 3D orthogonal woven fabrics as

filtration media in Membrane Bioreactors (MBR) technology in comparison with four high density 2D

filter fabrics The results demonstrated that the water flux of 3D woven fabric was maintained at

87times104 Lm2 h which is the highest among all fabrics with the trans-membrane pressure at 0015MPa

The final turbidity of 3D woven fabric was even better than the best performed 2D fabric This is

attributed to the unique multi-layered porous structure of the 3D fabrics which could facilitate better

retention of pollutant particles and benefit for filtrate flow

Keywords3D Woven Fabric Membrane Bioreactors Domestic Wastewater Flux Turbidity

Journal of the Hwa Gang Textile 201605 Vol23 No4

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引言

膜生物反應器(MBR)是一種近年來發展起來的

高效廢水處理工藝能够有效地進行固液分離運行

控制靈活穩定 工藝設備集中[1]但是運行和建設中

仍然面臨造價和投資高的問題膜組件造價過高膜

污染造成通量下降膜組件的使用壽命較短[2]針對

MBR 膜本身造價高的缺點開發高通量低成本的新

型膜材料是近幾年來主要的研究方向

三維正交機織布膜 是由一層經紗一層緯紗的

堆疊起來 再由 Z 方向上的捆綁紗直上直下的在各

層經緯紗中交織形成正交織物三維正交組織過濾

介質具有的立體空間結構不僅能提高過濾效率還

可以提高載體相的流動速度加快過濾過程紗線系

統構成的孔徑通道具有多向性加强分散效應使欲

分離的粒子懸浮相由更多的機會與紗線內部接觸

碰撞達到被充分截留的效果Z 紗與經緯紗交織形

成封閉的的區域爲半閉合孔多層結構能够有效阻

擋顆粒這種介質孔不同於非織造布[3]具有很强的

幾何規則性和織造的可控性同時可以減小孔道對

流體的阻力通量也會相應提高

本文採用三維正交機織布膜作爲 MBR 中的過

濾介質通過三維布膜組件和商用高密單絲濾布在

相同操作條件下進行對比實驗 研究三維布膜的過

濾特性

材料與方法

實驗裝置

實驗裝置如圖 1 所示反應器主體由有機亞克

力板加工而成反應器長寬高分別爲 25 25 80

cm 有效容積爲 5L原水通過進水泵流入反應器

經過反應器的生化反應和布膜組件的過濾作用在

組件的一端由出水泵抽吸出水通過設定進水量保

持生物反應器內液位恒定曝氣量控制爲 100 Lh 左

右溶解氧濃度維持在 2 ~ 4 mgL提供溶解氧一起

到沖刷布膜表面減輕表面污染的作用動態膜組件

是由 PVC 管組件支撑板過濾膜 (分別爲三維機

織濾布和高密單絲濾布) 自製而成的膜的有效面積

爲 196 cm2 反應器內溫度設定爲( 25plusmn3 )

實驗水質及分析方法

生物反應器內活性污泥取自上海市松江污水處

理廠的二沉池的回流污泥實驗用水參考配製與具

體水質參考其中ρ(C)ρ(N)ρ(P)=100∶5∶1培養1週

後污泥性能達到穩定 活性污泥濃度爲 4 ~ 5 gL 左

右日常分析測定項目包括進出水和污泥上清液的

COD污泥濃度和出水濁度等測定方法參考標準方

法[4]

短期運行時間爲 1 小時清水通量和污水通量

分別在 0015 MPa 和 0085 MPa 的壓强下對 5 塊

布膜進行測試

過濾布膜材料結構分析

三維顯微鏡(KH-7700 HIROX Japan)和掃描電

子顯微鏡(JSM-5600LV JEOL Japan)用於表徵布膜表

面結構及污染前後的微觀結構

圖 1 實驗裝置示意圖

本試驗孔徑大小採用泡點法測定測試儀器爲

CFP-1100-Al 型毛細管流動孔徑測定儀(PMI)儀器

測量範圍爲 0013 -500 μm浸濕試樣的液體采用

Silwickreg試劑三維機織濾布爲櫻牌全自動劍杆小樣

機(TNY101A-12) 織造而成作爲對比樣的高密尼龍

單絲濾布由上海琳峰網布廠提供

實驗結果與討論

過濾布膜的結構參數與孔徑大小

三維過濾布膜由 Z 紗（捆綁紗）將三層經紗和

四層緯紗交疊在一起尼龍單絲（polyamide 66）作

爲三維濾布的 Z 紗和經紗尼龍空氣變形紗作爲緯

紗織造參數和織物結構參數見表 1相對於四種經

緯密不同的高密尼龍單絲濾布圖 2 中能看出三維

機織濾布的孔深以及更大的孔洞

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圖 2 濾布表面形態(a)R1(b)R2(c)R3(d)R4(e)三維

濾布

表 1 過濾織物的結構參數 濾布種類 經紗

(Z 紗)

密度

(根10cm)

緯紗

密度

(根10cm)

紗綫

細度

（D）

平方米克重

（g m-2）

最大

孔徑

(μm)

R1 1745 1636 20 629 37

R2 1850 1820 20 712 21

R3 2140 1895 20 729 18

R4 1400 1230 20 499 42

三維

過濾布

2346 200 50

(經紗)

45

(緯紗)

2159 80

膜的過濾特性

三維布膜和二維膜清水通量和 1 小時的污水通

量測試的比較結果如圖 3 所示在同等壓强 0015 MPa

的條件下三維布膜的清水通量達到了 87times104 Lm2

h遠高於其他尼龍布膜這是由於其較大的孔徑决

定的在污水通量測試中統一跨膜壓差爲0085 MPa

所有的濾布都可以在較短的時間內形成表面濾餅層

同時膜通量均達到穩定平衡 達到平衡時三維濾布

的出水通量也大於其他四塊膜的通量三維布膜的

出水通量爲 632 Lm2 h其他四塊布膜的通量大小的

變化與其孔徑大小的變化相關由圖 4 可以看出運

行初期的濾布的濁度的比較 所有濾布的出水濁度

都低於 5 NTU三維濾布的出水濁度爲最低爲 20

說明表面的濾餅層的形成對濾布的出水濁度有很好

的貢獻在短時間內出水濁度可以很快下降到一定

值[5]保證良好的過濾效果

圖 3 1 小時內的 5 中試樣清水通量和污水通量測

試(跨膜壓差 0015 MPa 0085 MPa)

圖 4 1 小時內的濁度測試

結論

三維機織布膜主要以表面形成的濾餅層爲過濾

介質有效截留濾液顆粒而 Z 方向的紗線導流作

用使得膜的通量高於尼龍單絲濾布特殊的立體結

構的多孔道使得膜污染以濾餅層形成的可逆污染爲

主物理清洗後即可較高比例地恢復通量是較理想

的新型膜生物反應器過濾介質的選擇之一

參考文獻

1 A Dhouib N Hdiji I Hassaiumlri S Sayadi Process

Biochem 40 2715 (2005)

2 NSA Mutamim ZZ Noor MAA Hassan G

Olsson Desalination 305 1 (2012)

3 RD Pike JJ Lassig PW Shipp Jr BJ Williams

Google Patents (2001)

4 Standard Methods for the Examination of Water

and Wastewater 20th ed America Public

Health Association American Water Works

Journal of the Hwa Gang Textile 201605 Vol23 No4

212

Association Water Environment Federation

Washington DC USA(1999)

5 孫豐凱 張 建 張成祿 等 三維濾布自生動

態膜生物反應器運行特徵[J] 環境工程

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圖 2 濾布表面形態(a)R1(b)R2(c)R3(d)R4(e)三維

濾布

表 1 過濾織物的結構參數 濾布種類 經紗

(Z 紗)

密度

(根10cm)

緯紗

密度

(根10cm)

紗綫

細度

（D）

平方米克重

（g m-2）

最大

孔徑

(μm)

R1 1745 1636 20 629 37

R2 1850 1820 20 712 21

R3 2140 1895 20 729 18

R4 1400 1230 20 499 42

三維

過濾布

2346 200 50

(經紗)

45

(緯紗)

2159 80

膜的過濾特性

三維布膜和二維膜清水通量和 1 小時的污水通

量測試的比較結果如圖 3 所示在同等壓强 0015 MPa

的條件下三維布膜的清水通量達到了 87times104 Lm2

h遠高於其他尼龍布膜這是由於其較大的孔徑决

定的在污水通量測試中統一跨膜壓差爲0085 MPa

所有的濾布都可以在較短的時間內形成表面濾餅層

同時膜通量均達到穩定平衡 達到平衡時三維濾布

的出水通量也大於其他四塊膜的通量三維布膜的

出水通量爲 632 Lm2 h其他四塊布膜的通量大小的

變化與其孔徑大小的變化相關由圖 4 可以看出運

行初期的濾布的濁度的比較 所有濾布的出水濁度

都低於 5 NTU三維濾布的出水濁度爲最低爲 20

說明表面的濾餅層的形成對濾布的出水濁度有很好

的貢獻在短時間內出水濁度可以很快下降到一定

值[5]保證良好的過濾效果

圖 3 1 小時內的 5 中試樣清水通量和污水通量測

試(跨膜壓差 0015 MPa 0085 MPa)

圖 4 1 小時內的濁度測試

結論

三維機織布膜主要以表面形成的濾餅層爲過濾

介質有效截留濾液顆粒而 Z 方向的紗線導流作

用使得膜的通量高於尼龍單絲濾布特殊的立體結

構的多孔道使得膜污染以濾餅層形成的可逆污染爲

主物理清洗後即可較高比例地恢復通量是較理想

的新型膜生物反應器過濾介質的選擇之一

參考文獻

1 A Dhouib N Hdiji I Hassaiumlri S Sayadi Process

Biochem 40 2715 (2005)

2 NSA Mutamim ZZ Noor MAA Hassan G

Olsson Desalination 305 1 (2012)

3 RD Pike JJ Lassig PW Shipp Jr BJ Williams

Google Patents (2001)

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Washington DC USA(1999)

5 孫豐凱 張 建 張成祿 等 三維濾布自生動

態膜生物反應器運行特徵[J] 環境工程

27(6) 35-37(2009)

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5 孫豐凱 張 建 張成祿 等 三維濾布自生動

態膜生物反應器運行特徵[J] 環境工程

27(6) 35-37(2009)