CN102423638B - 一种平板扰流式动态膜分离设备及膜分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板扰流式动态膜分离设备，包括上盖板和下盖板，所述上盖板两端分别设置进液口和浓液口，上盖板开设有曲折型凹槽，形成往复折流型流道，所述凹槽首尾分别与进液口及浓液口相连接，所述凹槽内设有若干扰流部件；所述下盖板下方或侧面设有滤液出口，下盖板上方设置承托板，所述承托板上方设置膜片，所述膜片上方设置滤网。本发明还公开了一种将该平板扰流式动态膜分离设备与混凝工艺相结合的膜分离方法。本发明的平板扰流式动态膜分离设备结构简单、能有效缓解膜污染且操控灵活、易于维护，能耗低。本发明的膜分离方法不仅能有效缓解膜污染，还可显著提高出水水质，便于工程应用。

Description

一种平板扰流式动态膜分离设备及膜分离方法

技术领域

本发明涉及一种膜分离设备，特别是涉及一种平板扰流式动态膜分离设备，本发明还涉及一种膜分离方法。

背景技术

膜污染是影响膜分离技术广泛应用的主要因素之一。污染物在膜表面的污染存在一个过程，起初是污染物在膜孔内吸附、堵塞，随着过滤过程的进行，在浓差极化作用下，污染物在膜表面逐渐沉积，形成凝胶层，进而逐渐形成滤饼层。采用适宜的过滤方式、优化操作条件、对料液进行预处理是缓解膜污染的有效途径。

较死端过滤(或称“终端过滤”)而言，动态过滤能够明显缓解膜污染，其应用日益广泛。动态过滤过程中，提高流体的湍流程度，增加膜表面的流体剪切力，有利于阻止悬浮颗粒和胶体物质在膜表面的吸附及沉积，克服浓差极化效应，从而有效降低膜通量的衰减速率。

平板式膜是常采用的一种动态膜分离型式，具有抗污染能力强、清洗方便等优点。为了提高平板式动态膜分离过程中膜表面流体湍流程度，缓解膜污染，一般多采取以下两个方面的措施：

一是利用流体自身的动力，通过合理设计流体通道结构型式促进流体湍流，如多孔直管的列管式过滤器或多孔螺旋道的shriver连续增浓过滤器。这类过滤设备操作功耗大，多用于某些特殊物料。

二是利用外加动力促进流体湍流，主要可分为三种情况：①利用旋转圆盘或圆筒促进流体湍流的旋转圆盘/管式膜分离设备。②利用旋转叶片促进流体湍流的旋叶式膜分离设备。③利用组件的振动促进湍流。

利用外加动力促进流体湍流的方式与利用流体自身动力的方式相比较，可以获得更大的剪切力，过滤速率可以提高2～10倍。但是其结构更加复杂，对外加动力组件加工精度及运行维护要求较高，结构限制较多，在一定程度上限制了有效膜面积，增加了设备运行及维护成本。因此，开发出既能有效促进流体湍流、缓解膜污染，且结构简单、易于调控维护、耗能低的过滤设备具有重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种平板扰流式动态膜分离设备，该设备结构简单、能有效缓解膜污染且操控灵活、易于维护，能耗低。本发明还提供了一种膜分离方法，该方法不仅能有效缓解膜污染，还可显著提高出水水质，便于工程应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种平板扰流式动态膜分离设备，包括上盖板和下盖板，所述上盖板两端分别设置进液口和浓液口，上盖板开设有曲折型凹槽，形成往复折流型流道，所述凹槽首尾分别与进液口及浓液口相连接，所述凹槽内设有若干扰流部件；所述下盖板下方或侧面设有滤液出口，下盖板上方设置承托板，所述承托板上方设置膜片，所述膜片上方设置滤网。

上述膜分离设备，其中，所述上盖板凹槽形成的往复折流型流道的回转次数为5-500次，流道深度为1-20mm，流道宽度为5-50mm。

上述膜分离设备，其中，所述扰流部件可以自由拆装，扰流部件可以采用螺旋式扰流部件、挡板式扰流部件或波浪式扰流部件。

上述膜分离设备，其中，所述滤网置于流道与膜片之间，孔径为0.1-5mm，滤网可以采用的材料为不锈钢或聚酯、涤纶、丙纶、棉纶、腈纶、维纶、氨纶等有机高分子材料；滤网一方面可以在流体流经膜片表面时促进流体湍流，缓解膜污染，另一方面，在对膜分离设备进行反冲洗时可对膜片起到支撑作用，防止膜片因压差过大而受损，强化反冲洗效果。

上述膜分离设备，其中，所述膜片孔径为0.001-10μm，膜片可以采用的材料为聚砜类、聚醚砜类、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯，疏水及亲水性膜均可。

上述膜分离设备，其中，所述所述承托板为不锈钢多孔滤板或砂板，对膜片起到承托作用。

上述膜分离设备，其中，所述滤液出口设置在所述下盖板下方中心位置。

本发明的平板扰流式动态膜分离设备设置往复折流型流道，使流体在流道内呈折流方式流动，增大了流体流动时的湍流程度；同时，在流道内部安装外加扰流部件，进一步强化湍流作用，使流体在流经膜片表面时产生更大的切向流速，增大了湍流程度，抑制滤饼层增长，达到了缓解膜污染的目的。

本发明还提供了一种膜分离方法，该方法包括如下步骤：

a原水和药液分别通过进水装置和加药装置进入混合装置进行混合，混合装置可以采用通用的混合装置，也可以采用申请号为200510134231.2的专利申请中所公开的二次流混合设备；

b混合后的料液经由本发明的平板扰流式动态膜设备的进液口进入膜分离设备内进行膜分离；

c经步骤b膜分离后的浓液经所述平板扰流式动态膜设备的浓液口进入步骤a所述的进水装置，滤出液经所述滤液出口进入出水装置。

上述膜分离方法，其中，所述步骤a中加药装置采用的药液为聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、硫酸铝、氯化铁或氯化铝，投药量为20mg/L-3000mg/L；所述步骤b中料液采用脉冲式进液方式；所述平板扰流式动态膜分离设备采用的跨膜压差为0.01MPa-2.0MPa，膜表面流速为0.1m/s-10m/s；

上述膜分离方法，其中，所述膜分离方法包括步骤d，当所述平板扰流式动态膜设备连续运行3h-168h后，膜片受到污染时，对膜片进行反冲洗操作，反冲洗压力为0.02MPa-0.30MPa，清洗时间为10min-60min。

本发明的平板扰流式动态膜分离设备采用流道及扰流组件设计促进了膜表面流体的湍流程度，能够有效降低膜污染，流道内的扰流组件安装简单，能够自由拆卸，便于更换及清洗。本发明的平板扰流式动态膜分离设备安装简单，尺寸设计灵活，即可以单独使用也可以串、并联使用。

本发明的膜分离方法将混凝及膜分离工艺相结合，一方面可以进一步缓解膜污染，显著提高出水水质，另一方面又大幅节省占地面积，降低工程造价，易于工程推广应用。本发明的膜分离方法可以根据原水水质及处理要求选择不同混凝剂及不同材质、不同孔径的膜片，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明平板扰流式动态膜分离设备的结构示意图；

图2为图1中A-A部分放大图；

图3为图1中平板扰流式动态膜分离设备的上板盖的仰视图；

图4a为本发明平板扰流式动态膜分离设备的螺旋式扰流部件的示意图；

图4b为本发明平板扰流式动态膜分离设备的波浪式扰流部件的示意图；

图5为本发明平板扰流式动态膜分离设备的滤液出口另一实施例示意图；

图6为本发明膜分离方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细描述本发明。

实施例1平板扰流式动态膜分离设备

如图1，平板扰流式动态膜分离设备7包括上盖板15和下盖板16，上下盖板通过螺栓联接紧固。结合图1和图2，上盖板15两端设有进液口17和浓液口18，上盖板15上开设有曲折型凹槽19，形成往复折流型流道，凹槽19的首尾分别与进液口17和浓液口18相连接，凹槽19内设置若干扰流部件22，扰流部件22可以自由拆卸，扰流部件22可以采用螺旋式扰流部件、挡板式扰流部件或波浪式扰流部件，具体参见图4a和图4b。下盖板16下方中心位置设有滤液出口20，滤液出口20也可以设置在下盖板16的侧面，如图5所示。下盖板16上方设有承托板21，承托板21由多层不同孔径的不锈钢网压制而成，在承托板21的上方放置膜片23，承托板21对膜片23起到承托作用，在膜片23上方设置滤网24，承托板21、膜片23以及滤网24的位置关系可以参见图2。

凹槽19形成的往复折流型流道的回转次数为5-500次，流道深度为1-20mm，流道宽度为5-50mm，有利于增大流体的湍流程度。滤网24的孔径为0.1-5mm，滤网可以采用的材料为不锈钢或聚酯、涤纶、丙纶、棉纶、腈纶、维纶、氨纶等有机高分子材料。膜片23孔径为0.001-10μm，膜片可以采用的材料为聚砜类、聚醚砜类、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯，疏水及亲水性膜均可。

本发明的平板扰流式动态膜分离设备的工作过程如下：

料液经进液口17进入平板扰流式动态膜分离设备7内，经由凹槽19构成的往复曲折型流道通过滤网24流经膜片23的表面，料液流体在滤网24、往复曲折型流道和流道内加设的若干扰流部件22的共同作用下产生强烈的湍流作用，阻碍料液中的悬浮颗粒和胶体物质在膜表面的吸附和沉积，料液在膜片23两侧压差作用下完成分离过程，浓液经浓液口18流出，滤出液经滤液出口20流出。

采用本实施例中的平板扰流式膜分离设备，采用截留分子量为10KD、材质为聚醚砜的超滤膜，在跨膜压差为0.1MPa，膜表面流速为3m/s条件下，处理某造纸厂脱墨废水二沉池出水。连续运行5小时后，相对通量仅下降了5％。而采用未设置往复折流流道及扰流组件的普通平板膜分离设备，采用同样材质及截留分子量的超滤膜片，处理上述造纸厂脱墨废水二沉池出水时，在相同的操作条件下，其相对通量在2小时内则下降了近20％，5小时后通量仅为起始通量的40％。由此可见，本发明的平板扰流式膜分离设备在缓解膜污染、提高分离效率等方面较普通平板膜分离设备具有明显的优势。

实施例2膜分离方法

如图6所示，进水装置1中的原水和加药装置3中的药液分别经进水泵2和加药泵4输送至混合装置6，在混合装置6内原水和药液完成混合过程，混合后的料液经由平板扰流式动态膜分离设备7的进液口17进入膜分离设备7内，经由凹槽19构成的往复曲折型流道流经滤网24和膜片23的表面，料液流体在滤网24、往复曲折型流道和流道内加设的若干扰流部件22的共同作用下产生强烈的湍流，阻碍料液中的悬浮颗粒和胶体物质在膜表面的吸附和沉积，料液在膜片23两侧压差作用下完成分离过程，浓液经浓液口18流入进水装置1，滤出液经滤液出口20流入出水装置8。

本发明的膜分离方法中的跨膜压差和膜表面流速通过进水流量调节阀9以及浓液回流调节阀10进行调节。当平板扰流式动态膜分离设备7正常出水时，出水阀13开启，反冲洗阀14关闭，当平板扰流式动态膜分离设备7运行一段时间，膜片23受到污染需要进行清洗时，将出水阀13关闭，调节反冲洗阀14控制反冲洗压力，对膜片23进行反冲洗操作。图5中阀5为止回阀。

本发明的加药装置3中采用的药液可以为聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、硫酸铝、氯化铁或氯化铝，投药量优选为20mg/L-3000mg/L。料液进入平板扰流式动态膜分离设备7的方式可以采用脉冲式进液方式，脉冲周期可以根据处理目标灵活设定。平板扰流式动态膜分离设备7采用的跨膜压差优选为0.01MPa-2.0MPa，膜表面流速优选为0.1m/s-10m/s。当平板扰流式动态膜设备7连续运行3h-168h后，膜片受到污染时，对膜片进行反冲洗操作，反冲洗压力为0.02-0.30MPa，清洗时间为10min-60min。

本实施例的膜分离方法可以缓解膜污染，并且可以显著提高出水水质。采用截留分子量为30KD、材质为聚偏氟乙烯的超滤膜，在跨膜压差为0.025MPa，膜表面流速为2m/s，聚合氯化铝投加量为2g/L条件下，采用停歇2min、运行8min脉冲进水方式，处理某造纸厂脱墨废水二沉池出水。连续运行48h后通量仅下降40％，出水通量可在60h内稳定在80L/(m²·h)以上，出水COD范围为29.4～57.35mg/L，COD去除率平均可达73％，最高可达88％；出水浊度范围为0.081～0.168NTU，去除率平均可达99.9％；出水色度范围0～12CU，平均去除率可达99.4％以上，出水主要指标符合我国工业用水水质标准GB/T1992-2005中相关水质要求。对设备进行清洗后，通量恢复率可达95％以上。

对本实施例中的混凝与膜分离相结合的膜分离方法与单独采用实施1中的平板扰流式动态膜分离设备进行膜污染对比实验。

采用实施例1中的平板扰流式膜分离设备，采用截留分子量为8KD、材质为聚醚砜的超滤膜，在跨膜压差为0.1MPa，膜表面流速为3m/s条件下，分别采用本实施例的膜分离方法及独立运行实施例1中的膜分离设备对某造纸厂脱墨废水二沉池出水进行处理。其中采用本实施例的膜分离方法时，投加药液聚合氯化铝1g/L。实验结果表明，本实施例的膜分离方法即平板扰流式膜分离设备与混凝工艺联用后，相同的运行时间出水通量平均可提高10％，明显缓解了膜分离设备的膜污染问题。

Claims (10)

1.一种平板扰流式动态膜分离设备，其特征在于，所述膜分离设备包括上盖板和下盖板，所述上盖板两端分别设置进液口和浓液口，上盖板开设有曲折型凹槽，形成往复折流型流道，所述凹槽首尾分别与进液口及浓液口相连接，所述凹槽内设有若干扰流部件；所述下盖板下方或侧面设有滤液出口，下盖板上方设置承托板，所述承托板上方设置膜片，所述膜片上方设置滤网。

2.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述上盖板凹槽形成的往复折流型流道的回转次数为5次-500次，流道深度为1mm-20mm，流道宽度为5mm-50mm。

3.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述的扰流部件为螺旋式扰流部件、挡板式扰流部件或波浪式扰流部件。

4.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述滤网孔径为0.1mm-5mm。

5.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述膜片孔径为0.001μm-10μm。

6.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述滤网采用的材料为不锈钢或聚酯、涤纶、丙纶、棉纶、腈纶、维纶、氨纶等有机高分子材料；所述膜片采用的材料为聚砜类、聚醚砜类、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯；所述承托板为不锈钢多孔滤板或砂板。

7.如权利要求1所述的膜分离设备，其特征在于，所述滤液出口设置在所述下盖板下方中心位置。

8.一种膜分离方法，该方法包括如下步骤：

a原水和药液分别通过进水装置和加药装置进入混合装置进行混合；

b混合后的料液经由权利要求1所述的平板扰流式动态膜设备的进液口进入膜分离设备内进行膜分离；

c经步骤b膜分离后的浓液经所述平板扰流式动态膜设备的浓液口进入步骤a所述的进水装置，滤出液经所述滤液出口进入出水装置。

9.如权利要求8所述的膜分离方法，其特征在于，所述步骤a中加药装置采用的药液为聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、硫酸铝、氯化铁或氯 化铝，投药量为20mg/L-3000mg/L；所述步骤b中料液采用脉冲式进液方式；所述平板扰流式动态膜分离设备采用的跨膜压差为0.01MPa-2.0MPa，膜表面流速为0.1m/s-10m/s。

10.如权利要求8或9所述的膜分离方法，其特征在于，所述膜分离方法包括步骤d，当所述平板扰流式动态膜设备连续运行3h-168h后，膜片受到污染时，对膜片进行反冲洗操作，反冲洗压力为0.02MPa-0.30MPa，清洗时间为10min-60min。 

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