CN100382900C - 超声波在线检测与清洗膜组件一体机 - Google Patents

Abstract

本发明将超声波检测技术与超声波清洗有机结合起来，构成超声波在线检测与清洗膜组件一体机。主要由超声波金属板与变功率超声波发生器组成超声波清洗系统，用两块不同频率的超声波金属板组成一个混响式声场，该声场的超声波金属板间距可调。膜污染程度的检测由超声波检测系统完成，高频传感器输出信号经PLC将其转换为电子信号输入至变功率超声波发生器，据此改变超声波发生器的输出功率。本发明利用了超声波的低频清洗技术与实时超声监测技术，可根据膜组件尺寸，调整混响场场强。在实际应用于MBR工艺膜组件中，显示了其强大的清洗效果。经过40天运行实验，膜通量保持在90%以上，有效延缓了膜组件化学清洗周期。

Description

超声波在线检测与清洗膜组件一体机

技术领域

本发明属于污水处理技术，具体涉及到在线膜组件的膜污染检测及清洗技术。

背景技术

膜分离技术应用于污水处理与中水回用是目前人们研究的热点之一，该技术具有分离过程不发生相变、污染物去除效率高、出水水质好等特点，具有良好的发展前景。该工艺虽有传统工艺所无法比拟的优点，但也存在较难克服的问题。其中如何稳定膜通量、防止膜污染是国内外研究者面临的主要问题。超声波(ultrasound)在分离科学中的应用是一个相对较新的研究领域，有研究表明，超声波辐射可用于膜分离过程扩散速度的提高，有效地提高多孔介质中流体的流速，并可作为膜过滤操作的强化手段以提高渗透通量。从微观规模看，与空化效应作用相伴随的物理效应，同样产生液体的微混合，靠近膜丝表面的空化气泡的剧烈破碎易导致液体微喷射的形成，喷射速度可高达1000m/s，微喷射可破坏膜丝表面已形成的凝胶层，凝胶层破碎后，分散于料液中。此种效应与高压喷射的效应相类似，通过破坏沉积层阻力，提高膜通量，强化对膜丝表面的清洗。膜污染主要体现在膜通量的下降，活性污泥细微颗粒在膜表面的沉积是膜通量迅速下降的主要原因。由于膜丝表面的污染，使膜分离性能下降，浓缩的极限浓度低，膜的清洗困难，从而导致膜寿命缩短，膜分离功效降低。为解决这一问题，国内外进行了大量的研究。但一些方法在实际运行过程中都存在一定的局限性，如成本高，不能在线操作等等。超声波在工业清洗中的广泛应用使科研人员将研究重点转向超声波与膜分离相结合这一新方向。

超声波用于膜组件在线清洗，将超声波检测技术与超声波清洗有机结合起来，设计中将膜污染的检测信号经PLC处理后输入功率超声发生器，改变输出功率，以改变超声强化效果，此种设计既节约能耗，又可最大程度的减小超声波的负作用。本发明的提出可以提高超声波检测与清洗的自控水平、优化一体机结构、实现在线检测与清洗膜组件，降低运行成本，实现能源利用最大化。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现在线膜组件的膜污染检测及清洗设备，以获得稳定的膜通量，延长膜组件化学清洗周期。

本发明通过以下技术方案予以实现：超声波在线检测与清洗膜组件一体机，主要由超声波金属板，变功率超声波发生器、膜组件、高频传感器、超声波发生器、A/D、D/A、I/O转换自控系统等组成。由超声波金属板及变功率超声波发生器组成超声波清洗系统。由不同频率的第一超声波金属板和第二超声波金属板采用平行方式构成一个混响式声场，混响式声场采用变间距NAP反应器设计，即该声场的超声波金属板的间距可调。第一超声波金属板和第二超声波金属板与膜组件的间距为3～7cm，此设计提高了一体机控制的灵活性。膜组件膜面部分与超声波金属板也平行设置。混响式声场的功率超声由变功率超声波发生器生成。高频传感器与超声波发生器构成超声波检测系统，由高频传感器传出的高频信号经A/D、D/A、I/O转换系统生成的信号来调整变功率超声波发生器的输入功率。为了避免超声波对膜组件上下连接处的损伤，两块超声波金属板边缘部分涂声阻抗材质。膜组件采用负压出水方式，膜污染程度的检测由高频传感器与超声波发生器组成的超声波检测系统来完成，超声波检测系统是采用超声时间控制反射技术(UTDR)。依靠超声监测技术，可以对膜组件分离过程的膜丝形变、浓差极化、污染和清洗过程提供在线可量测的信息。本系统利用超声波这一特性，对膜污染程度进行实时检测。高频传感器测定的膜污染层厚度结果经自控系统(PLC)转换为电子信号输入至变功率超声波发生器，据此改变超声波发生器的输出功率，以改善超声清洗膜丝的效果。该自控设置既可节约能耗，又可减少超声波对膜组件的负作用。

本发明的有益效果在于：首先超声波可破坏边界层，减轻浓差极化现象，因而可大大强化错流超滤过程，降低膜污染，提高膜通量。第二，应用实时超声监测技术(UTDR)可监控膜污染程度，经PLC转换后可减小对膜组件的负面作用，节约能耗。本发明利用了超声波的低频清洗技术与实时超声监测技术(UTDR)，可根据膜组件尺寸，调整混响场场强。在实际应用于MBR工艺膜组件中，显示了其强大的清洗效果。

附图说明

附图1为本发明的结构原理示意图。其中：1-超声波金属板，2-变功率超声波发生器，3-膜组件，4-高频传感器，5-超声波发生器，6-A/D、D/A、I/O转换PLC自控系统，7-不锈钢外壳。

附图2为膜组件膜过滤阻力随运行时间的变化比较图。

附图3为膜组件膜面SEM扫描电镜图。其中：(a)-新膜，(b)-该机运行40天后的膜，(c)-未用该机运行40天后的膜。

实施具体方式

以下结合附图通过实施例对本发明做进一步的说明。超声波金属板采用防化学腐蚀的材质制成，第一超声波金属板1-1和第二超声波金属板1-2边缘部分涂声阻抗材质。首先根据不同的膜组件的尺寸，调整第一超声波金属板1-1和第二超声波金属板1-2的距离，以保证混响场场强。对本实施例的膜组件而言(材质为PVDF，有效过滤面积1.0m²)其控制条件为：第一超声波金属板1-1和第二超声波金属板间距调为5cm，超声波金属板长、宽分别为40cm和20cm，辐照面积为0.08m²，声强变化范围为0.05-30W/cm²，超声频率1-1与1-2分别为16kHz及20kHz。超声波发生器5超声频率为10MHz，与高频传感器4相连。应用PLC的网络通讯接口，可实现对本发明的远程管理。通过横跨膜阻力(TMP)实验(结果如附图2)及SEM电镜扫描图(结果如附图3)比较：经过40天运行后，应用该一体机膜组件膜阻力由最初的1.36×10¹²m^-1上升到1.65×10¹³m^-1，膜通量保持在90％以上，大大延缓了膜组件化学清洗周期。而未应用该技术的膜组件的膜阻力由最初的1.38×10¹²m^-1上升到3.15×10¹³m^-1，膜通量下降了30％以上。对二者膜丝表面进行SEM扫描电镜照片进行比较可以看出，经超声波清洗后膜面污染物基本被清除干净，清洗效果很好，膜表面未见损伤。

Claims (2)

1.超声波在线检测与清洗膜组件一体机，由超声波金属板(1)，变功率超声波发生器(2)、膜组件(3)、高频传感器(4)、超声波发生器(5)、A/D、D/A、I/O转换自控系统(6)组成，其特征是由超声波金属板(1)及变功率超声波发生器(2)组成超声波清洗系统，由不同频率的第一超声波金属板(1-1)和第二超声波金属板(1-2)采用平行方式构成一个混响式声场，混响式声场的功率超声由变功率超声波发生器(2)生成，第一超声波金属板(1-2)和第二超声波金属板(1-2)与膜组件(3)的间距为3～7cm，高频传感器(4)与超声波发生器(5)构成超声波检测系统，由高频传感器(4)传出的高频信号经A/D、D/A、I/O转换系统(6)生成的信号来调整变功率超声波发生器(2)的输入功率。

2.按照权利要求1所述的超声波在线检测与清洗膜组件一体机，其特征是所述由不同频率的第一超声波金属板(1-1)和第二超声波金属板(1-2)构成的混响式声场，该声场的第一超声波金属板(1-1)与第二超声波金属板(1-2)的间距可调。

Images