CN101678283A - 使用气升泵的膜清洗 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个多孔膜(6)的膜组件(5)，气升泵装置(11)与该组件(5)成流体连通以提供两相气/液流，从而在使用中，两相气/液流移过膜(6)的表面从而从膜表面去除污垢材料。该气升泵装置(11)包括：浸入液体介质(15)预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室(12)，其中，该腔室(12)具有与该膜组件(5)成流体连通的上部(10)和与液体介质(15)成流体连通的下部(13)；在预定位置与该腔室(12)成流体连通的气体源(14)，用于使气体以预定速度流入该腔室(12)中以产生两相气/液混合物并且产生进入该膜组件(5)的混合物流。该腔室(12)的尺寸、该腔室(12)的浸入深度、气体的流速和气体流进入该腔室(12)的位置被选择成优化该两相气/液混合物进入该组件(5)的流速。

Description

使用气升泵的膜清洗
技术领域
[0001]本发明涉及膜过滤系统，更具体地涉及，通过气体和液体的混合物对用在这些系统中的膜进行有效地清洗的设备及相关方法。
背景技术
[0002]用于废水处理的膜的重要性正在迅速提高。现在众所周知，膜处理法可以用作对污水的有效三级处理并且提供品质好的流出物。然而，资本和营运成本过高。随着浸没式膜处理法的出现，其中，膜组件浸入大型进料池中并且通过作用在膜的滤液侧的吸力或通过重力作用来收集滤液，那么在一个阶段中结合了生物和物理过程的膜生物反应器一定会更紧凑、高效和经济。由于它们的通用性，膜生物反应器的大小从家用(如化粪池系统)到社区和大规模的污水处理。
[0003]膜过滤方法的成功在很大程度上取决于采用有效和高效的膜清洗方法。常用的物理清洗方法包括使用液体渗透或气体或两者相结合的反洗(反冲洗、反冲)，使用液体中的气泡形式的气体进行膜表面洗刷或冲刷。典型地，在气体冲刷系统，通常通过鼓风机把气体注入液体系统中，膜组件浸没到该液体系统中以形成气泡。如此产生的气泡然后向上行进以洗刷膜表面从而去除形成在膜表面的污垢物质。所产生的剪切力在很大程度上取决于气泡初始速度、气泡尺寸和作用在气泡上的合力。
[0004]对于含有高浓度悬浮固体的进料水的膜过滤，例如在膜生物反应器中，除了高效的气体冲刷清洗方法以外，膜表面更新对于最小化固体浓度极化也是至关重要的。
[0005]这种方法中的流体输送受到气升机构的有效性的限制。为了提高洗刷效果，必须提供更多气体。但是，这种方法消耗大量的能源。此外，在高浓度固体的环境中，在过滤期间膜表面附近的固体浓度极化变得显著，其中，干净滤液穿过膜并且留下更高固体含量的滞留物，形成增大的膜阻力。通过利用两相流清洗膜，已经解决了这些问题中的一些。
[0006]带有气体冲刷的膜过滤系统通常依赖于“气升效应”来获得膜表面更新和膜系统的清洗。为了获得高上升流速，含有膜的池必须分为上升区和下降区。这要求膜组件得分隔开以为“气升效应”提供足够的下降区进行操作。膜池中的膜/组件的包装密度因此受到限制并且需要较大占地面积来获得有效的“气升效应”。
[0007]其它气体冲刷系统使用不同的方法，其采用喷射器把液体流输入膜组件的纤维束中。这种方法在不需要下降区的情况下获得膜表面的主动更新。因此，膜组件可以紧密布置从而节省膜池的空间和体积。这种系统具有的劣势是，每个组件需要喷射器和用于迫使液体经过喷射器的耗能泵送系统。
发明内容
[0008]本发明的一个目的是克服或改善现有技术的这些缺点中的至少一个，或提供一种有用的替代方案。
[0009]根据一个方面，本发明提供一种使用其中混有气泡的液体介质清洗膜表面的方法，包括的步骤是，沿着所述膜表面提供两相气/液混合物流从而从膜表面去除污垢材料，其中，提供所述两相气/液混合物的步骤包括：
提供浸入所述液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
使气体在所述腔室中的预定位置以预定速度流入所述腔室以形成气升泵从而产生所述两相气/液混合物并且产生沿着所述膜表面的所述混合物的流；
选择所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置，从而优化两相气/液混合物沿着所述膜表面的流速。
[0010]可选地，可以通过鼓风机或类似装置向所述液体介质中提供气泡的其它来源。所用的气体可包括空气、氧气、氯气、臭氧、氮气、甲烷或适合于特定应用的任何其它气体。空气对洗刷和/或曝气来说是最经济的。氯气通过在膜表面的化学反应可用于洗刷、消毒和提高清洗效率。臭氧的使用，除了与上述氯气类似的作用之外，还具有其它作用，例如氧化DBP前体以及把不可生物降解的NOM’s转换成可生物降解的溶解性有机碳。在一些应用中，例如在不希望有氧或氧化剂的厌氧生物环境或非生物环境中，可以使用氮气，特别是在带有捕获和重复利用氮气的能力的进料池是封闭的情况下。
[0011]根据第二个方面，本发明提供一种包括多个多孔膜的膜组件，气升泵装置与所述组件成流体连通以提供两相气/液流，从而在使用中，所述两相气/液流移过所述膜的表面以从膜表面去除污垢材料，所述气升泵装置包括：
浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
在所述腔室中的预定位置与所述腔室成流体连通的气体源，用于使气体以预定速度流入所述腔室以产生所述两相气/液混合物并且产生进入所述膜组件的所述混合物的流；
其中，所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置被选择成优化两相气/液混合物进入所述组件的流速。
[0012]在本发明的一种形式中，气升泵装置连接到一组或多个膜组件。优选地，所述腔室包括管子。优选地，所述两相气/液流还用来降低膜的固体浓度极化。优选地，这个优化包括最大化进料液体流速。气体流可以是基本连续的或间歇性的以产生基本连续或间歇的两相气/液流。
[0013]优选地，这些膜包括多孔中空纤维，这些纤维的每一端固定在集管中，下集管具有形成在其中的一个或多个孔，两相气/液流通过这些孔引入。这些孔可以是圆形的、椭圆形的或以槽的形式。这些纤维通常一端封闭，通常是下端，而在它们的另一端开口，通常是上端，以便去除滤液，但是，在一些布置中，这些纤维可以两端都开口，从而可以从一端或两端去除滤液。这些纤维的封闭端可以封装在端套中或是保持不封装。优选地，这些纤维布置成圆柱形排列或成束。可选地，该组件可以具有环绕它的外壳或掩蔽物。应当意识到，所描述的清洗方法同样适用于其它形式的膜，例如平坦膜或板状膜。
[0014]作为进一步的优选，这些膜包括多孔中空纤维，这些纤维的每一端固定在集管中从而形成子组件。一组子组件被组装形成一个组件或盒子。在这些子组件之间，保留一个或多个间隙从而允许两相气/液混合物进入子组件的通道或分配。
[0015]根据一种优选形式，本发明提供一种从以阵列安装并纵向延伸以形成膜组件的多个多孔中空纤维膜的表面去除污垢材料的方法，该方法包括的步骤是提供经过所述膜表面的均匀分布的两相气/液流，其中，提供所述两相气/液混合物流的步骤包括：
提供浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
使气体在所述腔室中的预定位置以预定速度流入所述腔室以产生所述两相气/液混合物并且产生经过所述膜表面的所述混合物流；
选择所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度(浸没度)、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置，从而优化两相气/液混合物经过所述膜表面的流速。
[0016]根据第三个方面，本发明提供包括多个多孔中空纤维膜的膜组件，这些纤维膜的每一端固定在集管中，一个集管具有形成在其中的一个或多个开口，两相气/液流通过这些开口引入以清洗所述中空纤维膜的表面，气升泵装置与所述组件成流体连通以提供所述两相气/液流，所述气升泵装置包括：
浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件的开口成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
在所述腔室中的预定位置与所述腔室成流体连通的气体源，用于使气体以预定速度流入所述腔室中以产生所述两相气/液混合物并且产生进入所述膜组件的所述混合物的流；
其中，所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置被选择成优化两相气/液混合物进入所述组件的流速。
[0017]优选地，所述膜彼此紧邻布置并且安装成防止它们之间的过度运动。
[0018]优选地，该组件可封装在基本上固体或液体/气体不可渗透的管子中并且连接到气升泵装置从而把两相气/液流保留在组件中。
附图说明
[0019]现在通过参照附图仅举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
[0020]图1示出本发明的一个实施例的简化示意正视图；
[0021]图2示出本发明的另一实施例类似于图1的视图，其使用多组膜组件；
[0022]图3示出图2实施例，用于一排膜组件中；
[0023]图4示出本发明的一个实施例的简化示意剖视图，用于提供本发明的操作特性的例子；
[0024]图5示出对于泵腔室中的不同气体喷射点的平均液体流速与标准化气体流速对比的曲线图；
[0025]图6示出对于不同的泵直径的平均液体流速与标准化气体流速对比的曲线图；以及
[0026]图7示出对于传统气体冲刷结构和本发明实施例的结构的平均液体流速与标准化气体流速的对比。
具体实施方式
[0027]参照附图的图1，该实施例包括膜组件5，其具有安装在下端套7中并从下端套7伸出的多个可渗透中空纤维膜束6。在该实施例中，这些束被分隔开从而在这些束6之间形成间隙8。应当意识到，在组件5内可以使用任何想要的膜布置。多个开口9设在下端套7中，从而允许流体从安置在下端套7下方的分配腔10流动通过所述开口。
[0028]气升泵装置11设在分配腔10的下方并且与其成流体连通。气升泵装置11包括泵腔室12，通常为管子或导管，在其下端13开口并且具有沿着其长度方向位于中途的气体入口14。
[0029]在使用时，组件5浸入液体进料15中并且以等同于泵腔室12的浸入深度的压力向气体入口14应用增压气体源。增压气体在泵腔室12内的进料液体15中产生气泡，这些气泡上升通过腔室从而产生两相气/液流并且使泵腔室12内的液体向上转移。这两相气/液进料液体混合物向上流过泵腔室12，然后流过分配腔10并流入膜组件5的底部。
[0030]在该实施例中，通常用于膜冲刷的气体也用于操作气升泵并把气/液混合物推进膜组件中。借助于该实施例所示的气升泵布置，可以同时得到膜清洗和膜表面更新。在膜过滤周期期间，借助于这种有效的表面更新，固体浓度极化被最小化。
[0031]借助于特定构造的膜组件或组件组装，存在优化气升泵构造，其以一定数量的气体供给提升最多液体。液体的这种提升效应不受膜组件在池中的包装密度的限制，克服了现有膜系统的缺点之一。特定组件构造中所提升的气/液混合物的体积还取决于组件(多个组件)的长度，流量随着组件(多个组件)的长度的增加而增大。因此，通过组件(多个组件)和膜池尺寸的高效设计可以进一步改善提升的最大量液体。
[0032]高效气升泵的设计取决于多个因素，例如特定膜构造、组件浸没度、泵的尺寸、所供给的气体流速以及气体进入点的位置。
[0033]图2示出类似于图1实施例的布置，其中，气升泵装置11和分配腔10附接到分开的组件16的组装件，并且向每个组件16供给两相气/液流。
[0034]图3再次说明了在图2实施例中所示类型的组件16安置在池17中的布置，其中，组件16紧密包装，而不会影响膜清洗和表面更新。
例子
[0035]当膜处于过滤模式时，膜附近的悬浮固体浓度高于本体相。进入膜组件的进料液体流量必须是去除的滤液流的数倍，即QL＝nQ。在膜生物反应器中，通常n＞3，典型地为5-6，从而避免在膜表面上极高的悬浮固体浓度。因此，优选地，以较高液体进料流速QL操作过滤系统，但是较高进料流速需要较高能耗。通过采用上述实施例所示气升泵布置，可能通过优化气升泵的参数在固定气体流速下获得高液体流速。
[0036]图5示出对于气升泵测试的实验配置。带有中空纤维(38m2膜面积)的膜过滤组件5浸入水中。从组件5的底部到水顶面18的水深为2240mm。在组件5的下面，气升导管12通过转接器或分配腔10连接到组件5。导管12的长度和直径直接与在一定气体(本例为空气)流速下所提升的液体流速有关。
[0037]进行的第一次测试被操作成比较液体流速下组件5的不同浸入深度的效果。4”气升导管12经由转接器10连接到组件5。压缩空气喷入气升泵11的气体入口14并且用质量流量计(未示出)测量空气流速。由空气提升的液体流速用位于气体入口14下方的转轮流量计(未示出)测量。测试两种不同空气喷射点：空气入口到包含转接器的组件底部之间的距离L被设成120和210mm。图5的曲线图说明了在各种标准化空气流速下气升泵装置11提供的液体流速。很清楚，越长的气升导管，也就是越深的浸入度，获得越高的液体流速。
[0038]尽管由于越高的浸入度，越长的气升导管有利于越高的液体流速，但是它受到在其中安放膜的池的深度的限制。对于某种膜组件，越深的池意味着越大的液体体积并且在化学清洗期间会需要越大体积的化学清洗液。为了把气升泵应用于膜组件，气升导管的长度通常在100到1000mm之间，更通常地是从100到500mm。
[0039]对于某种膜系统，可以在实践中调整或优化的气升泵的参数是气升导管的直径。在与上述相同的构造和操作条件下，为所提升的液体流速比较不同的气升泵导管直径。导管长度L固定在210mm。图6示出3”、4”和6”直径导管尺寸的液体流速。在空气流速≤8Nm3/hr时，4”直径气升导管提供最高的液体流速。
[0040]为了比较使用气升泵的性能与传统气升效果，图4中的带有气升泵的组件构造改为传统气升构造，使用安放在膜组件5下方的空气扩散器。空气扩散器的浸入度保持与气升泵装置11相同。图7的曲线图示出使用两种不同构造所提供的液体流速的比较。曲线示出，在空气流速≤10Nm3/hr时，4”直径气升泵提供比传统构造高得多的液体流速。
[0041]应当认识到，在不背离本发明的精神或范围的情况下，本发明的更多实施例和范例都是行得通的。

Claims (21)

1.一种使用其中混有气泡的液体介质清洗膜表面的方法，包括的步骤是，沿着所述膜表面提供两相气/液混合物流以从所述膜表面去除污垢材料，其中，提供所述两相气/液混合物的步骤包括：
提供浸入所述液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
使气体在所述腔室中的预定位置以预定速度流入所述腔室以形成气升泵从而产生所述两相气/液混合物并且产生沿着所述膜表面的所述混合物流；
选择所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置，以优化该两相气/液混合物沿着所述膜表面的流速。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述液体介质中提供附加气泡源。
3.如权利要求1所述的方法，其中，气体流是基本连续的以提供所述两相气/液混合物的基本连续流。
4.如权利要求1所述的方法，其中，气体流是间歇性的以提供所述两相气/液混合物的间歇流。
5.一种包括多个多孔膜的膜组件，气升泵装置与所述组件成流体连通以提供两相气/液流，从而在使用中，所述两相气/液流移过所述膜的表面以从所述膜表面去除污垢材料，所述气升泵装置包括：
浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
在所述腔室中的预定位置与所述腔室成流体连通的气体源，用于使气体以预定速度流入所述腔室以产生所述两相气/液混合物并且产生进入所述膜组件的所述混合物的流；
其中，所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置被选择成优化该两相气/液混合物进入所述组件的流速。
6.如权利要求5所述的膜组件，其中，所述气升泵装置联接到一组或多个膜组件。
7.如权利要求5所述的膜组件，其中，气体流是基本连续的以提供所述两相气/液混合物的基本连续流。
8.如权利要求5所述的膜组件，其中，气体流是间歇性的以提供所述两相气/液混合物的间歇流。
9.如权利要求5所述的膜组件，其中，所述腔室包括管子。
10.如权利要求5所述的膜组件，其中，所述优化包括最大化进料液体流速。
11.如权利要求5所述的膜组件，其中，所述膜包括多孔中空纤维，这些纤维的每一端固定在集管中，下集管具有形成在其中的一个或多个孔，两相气/液流通过这些孔引入。
12.如权利要求5所述的膜组件，其中，所述膜包括多孔中空纤维，这些纤维的每一端固定在集管中从而形成子组件。
13.如权利要求12所述的膜组件，其中，多个子组件被组装形成一个组件或盒子。
14.如权利要求13所述的膜组件，其中，在所述子组件之间设有一个或多个间隙从而允许两相气/液混合物进入所述子组件的通道或分配。
15.一种从以阵列安装并纵向延伸以形成膜组件的多个多孔中空纤维膜的表面去除污垢材料的方法，该方法包括的步骤是提供经过所述膜表面的均匀分布的两相气/液流，其中，提供所述两相气/液混合物流的步骤包括：
提供浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
使气体在所述腔室中的预定位置以预定速度流入所述腔室以产生所述两相气/液混合物并且产生经过所述膜表面的所述混合物的流；
选择所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度(浸没度)、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置，从而优化两相气/液混合物经过所述膜表面的流速。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述气体流是基本连续的以提供所述两相气/液混合物的基本连续流。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述气体流是间歇性的以提供所述两相气/液混合物的间歇流。
18.一种包括多个多孔中空纤维膜的膜组件，这些纤维膜的每一端固定在集管中，一个集管具有形成在其中的一个或多个开口，两相气/液流通过所述开口引入以清洗所述中空纤维膜的表面，气升泵装置与所述组件成流体连通以提供所述两相气/液流，所述气升泵装置包括：
浸入液体介质预定深度的具有预定尺寸的竖直布置的腔室，其中，所述腔室具有与所述膜组件的开口成流体连通的上部和与所述液体介质成流体连通的下部，
在所述腔室中的预定位置与所述腔室成流体连通的气体源，用于使气体以预定速度流入所述腔室以产生所述两相气/液混合物并且产生进入所述膜组件的所述混合物的流；
其中，所述腔室的尺寸、所述腔室的浸入深度、气体的流速和气体流进入所述腔室的位置被选择成优化所述两相气/液混合物进入所述组件的流速。
19.如权利要求18所述的膜组件，其中，所述组件至少部分地被基本上固体或液体/气体不可渗透的管子环绕并且连接到所述气升泵装置从而把两相气/液流保留在所述组件中。
20.如权利要求18或19所述的膜组件，其中，所述气体流是基本连续的以提供所述两相气/液混合物的基本连续流。
21.如权利要求18或19所述的膜组件，其中，所述气体流是间歇性的以提供所述两相气/液混合物的间歇流。
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