CN102858440A - 膜单元和膜分离装置 - Google Patents

Abstract

通过洗涤提高膜元件的清洗效果的膜分离装置。膜分离装置（14）包括：在处理槽（15）中的处理液中浸渍的分离膜（5）（膜元件）；用于将清洗分离膜（5）的气泡（6）扩散的空气扩散装置（2）；和设置在空气扩散装置（2）和分离膜（5）之间的气泡滞留板（3）。气泡滞留板（3）设计为使从空气扩散装置（2）扩散的气泡（6）滞留，通过所述气泡滞留板气泡（6）彼此聚集并形成具有大直径的气泡（6）。通过使具有大直径的气泡（6）作用于分离膜（5），可使气泡（6）作用于分离膜（5）全体。

Description

膜单元和膜分离装置

技术领域

本发明涉及膜分离装置，并特别涉及用于水处理领域的膜单元和膜分离装置。

背景技术

膜分离技术迄今已用于海水淡化、水的净化处理、气体分离、清血法（hemocatharsis）等，其中从环境保护的观点出发，研究最近已进展至将膜分离技术应用于废水处理。

迄今为止，砂滤、重力沉降等已按照用于实现高混浊度的被处理水的固-液分离的方法（例如水的净化处理、污水和废水处理、工业废水等处理）来进行。然而，利用这些方法的固-液分离具有问题，例如，发生获得的被处理水的水质变得不足或需要大的固-液分离场所的情况。

作为解决这些问题的方法，近年来已进行了对于通过使用设置有分离膜（例如精滤膜、超滤膜等）的膜组件实现被处理水的固-液分离方法的各种研究。利用这些方法，通过使用分离膜进行被处理水的过滤处理，并因此可获得高水质的被处理水（参见，例如，非专利文献1）。

在通过使用分离膜实现被处理水的固-液分离的情况下，悬浮物随着过滤处理的持续在分离膜表面堵塞，从而导致过滤流速降低或横跨膜的压差的上升。为了恢复这样的条件，如图8中所示，将空气扩散装置2配置于膜组件23的下方，以实现通过在使空气从空气扩散装置2进行扩散时摇动（洗涤）在分离膜5表面的被处理水而将在分离膜表面的悬浮物脱离的方法（参见，例如，专利文献1和2）。作为用于至空气扩散装置2的洗涤空气的供应源，使用鼓风机和压缩机。

在专利文献1和2公开的膜分离装置中，对每个分离膜5配置一个空气扩散装置2（扩散管），以使用于洗涤的气泡6均匀且充分地作用于分离膜5全体。此外，为了提高洗涤空气进入被处理水的溶解效率，使气泡直径变小。

现有技术引证

专利文献引证

专利文献1：日本专利临时公开第（平）8-281080号

专利文献2：日本专利临时公开第2001-162141号

非专利文献引证

非专利文献引证1：Taichi Kamisaka与其他3人,“KubotaSubmerged Membrane Unit Applied for Upgrading of WastewaterTreatment and Water Re-use”,Kubota technical report,KubotaCorporation,2005年6月,第39卷，第42-50页。

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在用于洗涤的气泡6的直径较大的情形下，可获得较高的清洗效果。换而言之，如果使气泡直径较小，可获得高溶解效率：但溶解效率相对清洗效率处于权衡的关系中，并因此必须增加洗涤空气的量以为了提高清洗效率。因此，需要大的能量用于空气吹向全部装置。此外，如果使气泡6的直径较大，则溶解效率降低。因此，为了获得相同的溶解量，需要增加用于将洗涤空气供应到空气扩散装置2的供应源的空气供应量。

从节能的观点出发，需要抑制空气供应量，其中，在以小空气供应量产生具有大直径的气泡6的情况下，从空气扩散装置2释放的气泡6的量不可避免地下降。如果使气泡6的量减少，则难以使用于洗涤的气泡6均匀且充分地作用于膜元件全体。

解决问题的方法

鉴于上述情况，本发明具有提供有助于在洗涤中膜元件的清洗效果改善的膜分离单元和膜分离装置的目的。

具体地，本发明的膜单元的特征在于包括浸渍在处理槽中的处理液中的膜元件；配置于该膜元件下方的空气扩散装置；以及，用于收集从该空气扩散装置扩散的气泡的配置于该膜元件和该空气扩散装置之间的气泡收集装置。

此外，在上述的膜单元中，气泡收集装置包括多个气泡收集装置，所述气泡收集装置配置于多段。

此外，在上述的膜单元中，配置于多段的气泡收集装置的大小随着气泡收集装置变得远离空气扩散装置而变小。

此外，用于解决上述问题的膜分离装置的特征在于包括：处理槽；浸渍在该处理槽中的处理液中的膜元件；用于将氧供应到该处理液中的氧供应装置；配置于该膜元件下方的空气扩散装置；以及，用于收集从该空气扩散装置扩散的气泡的配置于该膜元件和该空气扩散装置之间的气泡收集装置。

附图说明

[图1]是示出根据本发明实施方案1的膜分离装置的实例的示意剖面图；

[图2]是示出根据本发明的实施方案1的空气扩散装置的实例的图；

[图3]是示出根据本发明的实施方案1的气泡滞留板的实例的示意图；

[图4]是根据本发明的实施方案1的膜组件的实例的透视图；

[图5]是示出根据本发明的实施方案1的膜组件的实例的部分截面的透视图；

[图6]是示出根据本发明实施方案2的膜分离装置的实例的示意图；

[图7]是根据本发明的实施方案2的膜分离装置的改进实例的示意图；和

[图8]是示出根据常规技术的膜分离装置的实例的示意剖面图。

具体实施方案

将参考图1-7详细讨论根据本发明实施方案的膜单元和膜分离装置。

本发明涉及用于被供给膜单元（膜分离单元）的分离膜的洗涤。洗涤是指通过用含上升气泡的流动的水摇动在分离膜的表面的被处理水来除去在分离膜表面的附着物的方法。

已知，关于待用于洗涤的气泡，具有较大粒径的气泡对于分离膜的清洗效果较高。因此，根据本发明的膜单元和膜分离装置设置有对分离膜提供具有大粒径气泡的气泡滞留板（或气泡收集装置）。

在实施方案的说明中，例示了在污水和废水处理设施中的使用隔膜分离活性污泥法（膜生物反应器：MBR）的系统的膜分离装置；但根据本发明的膜分离单元和膜分离装置并不限于该实施方案。换而言之，膜单元和膜分离装置适用于过滤各种被处理水（被处理水不限于水，并且因此可以是有机溶剂等）的装置中的分离膜的清洗。

如图1中所示，根据本发明实施方案1的膜分离单元1包括空气扩散装置2、气泡滞留板3（气泡收集装置）和膜组件4。

空气扩散装置2配置在膜组件4的下方，并产生用于清洗（洗涤）配置在膜组件4中的分离膜5的气泡6。如图2中所示，空气扩散装置2的实例包括由金属或塑料形成且形成有具有约1至10毫米直径的孔的筒状件7。空气流入管9被连接至筒状件7的端部，从鼓风机或压缩机（未示出）供应的洗涤空气经由所述空气流入管9流入筒状件7，在所述筒状件7中，流入筒状件7的洗涤空气从孔8喷射，从而生成气泡6。

将气泡滞留板3设置在空气扩散装置2和膜组件4之间，并设计为使从空气扩散装置2产生的气泡暂时滞留。小气泡6一旦被气泡滞留板3收集就彼此结合，从而使得有可能将具有大粒径的气泡6送到膜组件4。

气泡滞留板3的形状可以是在使从空气扩散装置2产生的气泡彼此结合时可产生具有大粒径的气泡6的形状。因此，气泡滞留板3可以是图3中以（a）至（f）所示的半圆柱、半棱柱等形状，而非如图1中所例示平板的形状，其中，可以适当地选择使用这些形状中的一种，或也可以组合使用这些形状中的一些。此外，气泡滞留板3的材料没有特别限定，其中气泡滞留板由金属、塑料、陶瓷等形成。要指出的是，可以设置多个气泡滞留板3。此外，可以将气泡滞留板3配置为平行或垂直于分离膜5的膜表面。

例如，如图4中所示，膜组件4包括多个平坦的分离膜5、用于支承每个分离膜5的侧端部的支持部10、和导流件（guide），其中每个导流件连接支持部10的相对侧部以关闭相对侧部之间的空间。换而言之，具有分别位于上侧和下侧的开口部的箱状体由支持部10和导流件11构成。

此时，如果导流件11是这样形成的：上部开口端的横截面积小于下部开口端的横截面积，则分离膜5的过滤效率得到改善。换而言之，当膜组件4彼此叠置时，在膜组件4的上部开口端和叠置在前一个膜组件4之上的膜组件（图中未示出）的下部开口端之间形成空隙17，其中存在于膜组件4的外周部周围的被处理水流经空隙17进入膜组件4，从而防止流经膜组件4内部的被处理水的浓度上升。

支持部10形成有与下文讨论的分离膜5中形成的集水通道5b连通的集水部（图中未示出）。集水部可以设置到分离膜5的相对端部的一个或两个。集水部与形成于支持部10中的滤吸口12连通。另外，尽管未示出，用于吸取过滤后液体的泵的管道被连接至该滤吸口12。

分离膜5配置于膜组件4内部，以使得分离膜5的膜表面5a与流经膜组件4的被处理水流动所沿的方向平行。

图5是膜组件4的横截面图。作为设置在膜组件4中的分离膜5的实例，示出平板型的陶瓷平膜，其具有100至200毫米的宽度、200至1000毫米的长度和5至20毫米的厚度。一般地，优选陶瓷平膜，因为其能够通过挤出成型来生产。在挤出成型的情况下，陶瓷平板的合适的尺寸可以考虑例如金属模具等生产机械以及陶瓷平膜挤出后的变形等来决定。

分离膜5并不限于该实施方案，并且是已知的应用于MBR的分离膜，如可以使用的有机中空纤维膜、有机平膜、无机平膜、无机单管膜等。分离膜5的材料实例包括纤维素、聚烯烃、聚砜、PVDF（聚偏二氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）、陶瓷等。

此外，分离膜5的孔径也没有限制，并且因此可以根据作为固-液分离的目标物的粒径来选择。例如，如果分离膜用于活性污泥的固-液分离，孔径可以不大于0.5μm。此外，在需要除菌（如净化水过滤）的情况下，孔径可以不大于0.1μm。换而言之，孔径可以是在超滤膜中通常形成的孔径（0.001-0.1μm），或在精滤膜中通常形成的孔径（0.1-1μm）。

如图5中所示，作为分离膜5的实例，分离膜5在其端部形成有多个集水通道5b。

综合考虑膜组件4的紧凑性、过滤液体被取出时压力损失的降低、配置膜组件4的过程中的加工容易性等，来决定分离膜5的种类和配置模式。

具有上述构成的膜组件4中，固体物质等在分离膜5的膜表面5a被分离膜5的表面捕获，并因此将水分从固体物质等分离。这样从中除去固体物质等的过滤水到达集水通道5b，并接着经由与集水通道5b连通的集水部和滤吸口12而被送出生物反应器外（膜分离装置1外）。

设置在膜组件4中的分离膜5的数量可以考虑操作性和可维护性来选择，且可以是例如约10至30个。

如图5中所示，为了使在被处理水在所有分离膜5附近在大体相同的条件（被处理水的浓度和流速）下流动，导流件11被配置为彼此相对。在这种情况下，具有与膜组件4相同高度的导流件11可以被配置为彼此相对，并分别位于如图1中所示的膜元件的左侧和右侧；但是，多个导流件11可以沿膜组件的高度方向来配置，每个所述导流件通过沿着膜组件4的高度方向被划分而形成。

导流件11的形状可以在膜组件4的流路中形成，使得流路在设置有分离膜5的部分中变窄。通过缩窄上述流路，被处理水流经导流件11和分离组件5的速率升高，从而提高清洗效率。此外，通过缩窄流路，含有气泡的气体-液体混合物流可以汇聚，从而使得可以有效地引起气泡作用于分离膜5的膜表面5a。

此外，如图1中所示，根据本发明实施方案1的膜分离装置14包括生物反应器槽15、膜分离单元1和用于供应氧的气体扩散装置16。

膜分离单元1是通过沿被处理水的深度方向堆叠膜组件4来构成，并被配置为浸渍在MBR的生物反应器槽15内的液相中。通过堆叠膜组件4，从空气扩散装置2产生的更多气泡6可作用于分离膜5。换而言之，随着堆叠的膜组件4的数目增加，对于从空气扩散装置2扩散的空气量的洗涤效果增加。

此外，膜组件4的开口部的横截面积在上部开口部小，且在下部开口部大。结果，在膜分离单元1是通过竖直堆叠膜组件4构成的情况下，借助导流件11，从空气扩散装置2产生的气泡6不扩散出膜分离单元1外，从而有可能使气泡6有效地作用于分离膜5。

用于供应氧的气体扩散装置16被设置在生物反应器槽15中，以供应生物反应所需的氧。

一般地，生物反应器槽15的水深度是约4m。因此，从考虑了生物反应器槽15的水深度和可维护性的重量和外形角度考虑，来选择堆叠的膜组件4的数目。例如，选择膜组件4的数目，使得在膜分离单元1的高度为约2米至约3米。

将该膜分离单元内的被处理水的流动从膜分离单元1的在下侧的开口部引向在上侧的开口部。将膜分离单元1的流路简单地密封以阻隔从外部的被处理水，且通过分离膜5过滤被处理水。因此，流入膜分离单元1内的被处理水的活性污泥浓度随在膜分离单元1中的位置升高而增加。在膜分离单元1中，被处理水经由各膜组件4的空隙17被吸取到膜分离单元1中，并因此可抑制膜分离单元1内的活性污泥浓度的大大增加。因此，降低对于过滤的负载，从而抑制膜堵塞并降低能量消耗。应当指出，在气泡的向上移动下产生用于将被处理水吸入膜分离单元1中的吸力，因此并不特别需要设置用于吸取被处理水的能量源。

将参考用于图1中所示的MBR的膜分离装置14来详细讨论根据本发明的实施方案的膜分离装置14的操作。在MBR中，为了防止由于微细外来物、由微生物产生的胞外聚合物等在分离膜4上和在分离膜4中的附着和积累而导致的分离膜5的堵塞，将空气扩散装置2配置在分离膜5的下方。至少在进行的过滤方法中，从空气扩散装置2的空气扩散可以总是不断地进行。在水头差下的浸没式吸滤法或重力过滤法用作用于膜分离装置14的操作方法。

在进行过滤的情况下，空气从空气扩散装置2和用于供氧的气体扩散装置16扩散。通过从空气扩散装置2扩散空气，液体中气泡6的上升使流速、湍流和剪切力作用于分离膜5的表面层，从而使清洗分离膜5成为可能。换而言之，从空气扩散装置2释放的气泡6产生的气-液混合物流上升，且与分离膜5接触。利用这种气-液混合物流，在每个分离膜5上进行洗涤。此外，由用于供氧的气体扩散装置16携带溶解于被处理水中的氧。

此外，在分离膜5的过滤功能下，被处理水被分为固体成分和水。如图4和5中所示，分离膜5的集水通道5b经由集水部（图中未示出）与滤吸口12连通，且吸引泵（未示出）经由配管被连接至滤吸口12的另一端。因此，经由分离膜5过滤的过滤水由吸引泵吸取并转送到膜分离装置14外。

待供应于清洗分离膜5的气泡6的粒径优选大于分离膜5之间的距离，从而获得高的清洗效果。例如，在分离膜5以8.5毫米的间隔布置的情况下，如果使包括具有10毫米或更大直径的气泡6的气泡6作用于分离膜5，可改善清洗效果。在这方面，根据该实施方案的膜分离装置14的气泡滞留板3使来自空气扩散装置2的气泡6滞留并且彼此聚集，从而形成具有大粒径的气泡6。然后，将这些具有大粒径的气泡6供应于分离膜5的清洗。

实验上已知，如果在与筒状件7内部的推开水（混合液体）的作用等的关联下，由示于图2的空气扩散装置2中的每个孔8喷射空气的流速为10米/秒或更高，则能够可靠和稳定地实现空气扩散。此外，根据膜分离单元1的过滤流速决定清洗分离膜5所需的洗涤空气的供应空气的流速，从而洗涤空气所需的供应的空气流速随过滤流速增大而增大。

例如，在如图1中所示的膜分离装置14中，在设定过滤流速是以15m³/天的情况下，洗涤空气的供应空气流速是过滤流速的6倍；如果每个孔8的直径φ是3mm，则从每个孔8喷射的空气的空气流速为15m/s ec，孔8的数目变为10。此外，如果每个孔8的直径φ为5mm，则孔8的数目变为3。换而言之，为了提高分离膜5的清洗效果，需要产生较大的气泡6；但是，如果使得孔8的直径大以产生大的气泡6，则需要孔8的数目变小以为了实现稳定的空气扩散的目的。当孔8的数目变小时，难以使气泡6大体均匀地作用于所有的分离膜5。因此，在常规的膜分离装置中，需要洗涤空气的供应空气流速为过滤流速的10至20倍。

在根据该实施方案的膜分离装置14中，气泡滞留板3配置在空气扩散装置2和膜组件4之间，从空气扩散装置2产生的气泡6通过所述气泡滞留板3彼此聚集，以使具有大粒径的气泡6作用于分离膜5。因此，可提高分离膜5的清洗效果。另外，可通过气泡滞留板3将气泡6在时间上和空间上平均化，并因此可使气泡6均匀且充分地作用于所有分离膜5。因此，即使洗涤通过约6倍于过滤流速的洗涤空气的供应空气流速来实现，也可获得充分的清洗效果。

此外，当待用于空气扩散的气泡6的直径大时，清洗效果高；并且当待用于将气体溶解于被处理水的气泡6的直径小时，溶解效率改善。因此，将用于洗涤的空气扩散装置2和用于生物反应的气体扩散装置16设计为彼此分离地设置，从而使得有可能减少用于待用于空气扩散装置2等的鼓风机或压缩机的能量消耗。

接着，将参考图6和7来详细讨论根据本发明的实施方案2的膜单元18和膜分离装置19。

根据本发明的实施方案2的发明涉及用于设置于膜单元18和膜分离装置19的气泡滞留板3的配置方法。因此，用于构成膜单元18和膜分离装置19的各构成元件与根据实施方案1的膜单元1和膜分离单元14中的那些相同。因此，对与实施方案1中的那些相同的元件分配相同的附图标记，从而省略对其的详细说明。此外，膜分离装置19的操作也与实施方案1的膜分离装置14的说明中的相同。

如图6中所示，根据本发明的实施方案2的膜分离单元18包括空气扩散装置2、气泡滞留板3（气泡收集装置）和膜组件4。

在根据实施方案2的膜分离单元18中，气泡滞留板3配置于多段。通过将气泡滞留板3配置于多段，除了获得膜单元1和膜分离装置14的效果，气泡6还可以在空间上分散。另外，如图7中所示，通过调整配置于多段的气泡滞留板3的宽度（例如，通过随着气泡滞留板3的位置变得远离空气扩散装置2而降低气泡滞留板3的宽度），可实现调整以使得气泡6可作用于所有的分离膜5。此外，还在将一个空气扩散装置2用于各膜单元的情况下，气泡6可作用于所有的分离膜5，从而防止在设计气泡扩散装置2以分散到多个分支装置时、来自多个分支装置的喷气量变得不均匀的现象。

如上所讨论，根据本发明的膜分离单元和膜分离装置，可使具有大直径的气泡作用于膜元件，并且因此即使将从空气扩散装置喷射的空气量变小，也可以获得高的清洗效果。此外，通过提供多段中的多个气泡滞留板，可使待被供应到各膜元件的气泡在时间上和空间上均匀地作用。通过气泡滞留板，气泡可在空间上变得均匀，因此，可将空气扩散装置（或空气扩散装置的分支装置）的数目抑制得小，因此防止气泡由于空气扩散装置的堵塞而变得不均匀。

换而言之，可实现用于使膜分离装置运行的能量的减少和膜分离装置的维护间隔延长。

附图标记说明

1...膜分离单元（膜单元）

2...空气扩散装置（空气扩散装置）

3...气泡滞留板（气泡收集装置）

4...膜组件

5...分离膜（膜元件）

5a...膜表面

5b...集水通道

6...气泡

10...支持部

11...导流件

12...滤吸口

17...空隙

14...膜分离装置

15...生物反应器槽（处理槽）

16...用于供氧的气体扩散装置（氧供应装置）

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.膜单元，特征在于，包括：

浸渍在处理槽中的处理液中的膜元件；

配置于所述膜元件下方的空气扩散装置；和

配置于所述膜元件和所述空气扩散装置之间的多个气泡收集装置，其用于收集从所述空气扩散装置扩散的气泡；

其中所述气泡收集装置配置于多段，所述配置于多段的气泡收集装置的大小随着气泡收集装置变得远离所述空气扩散装置而变小。

2.膜分离装置，特征在于，包括：

处理槽；

浸渍在所述处理槽中的处理液中的膜元件；

用于将氧供应到所述处理液中的氧供应装置；

配置于所述膜元件下方的空气扩散装置；和

配置于所述膜元件和所述空气扩散装置之间的多个气泡收集装置，其用于收集从所述空气扩散装置扩散的气泡；

其中所述气泡收集装置配置于多段，所述配置于多段的气泡收集装置的大小随着气泡收集装置变得远离所述空气扩散装置而变小。

Claims (4)

1.膜单元，特征在于，包括：

浸渍在处理槽中的处理液中的膜元件；

配置于所述膜元件下方的空气扩散装置；和

配置于所述膜元件和所述空气扩散装置之间的气泡收集装置，其用于收集从所述空气扩散装置扩散的气泡。

2.根据权利要求1所述的膜单元，特征在于，所述气泡收集装置包括多个气泡收集装置，所述气泡收集装置配置于多段。

3.根据权利要求2所述的膜单元，特征在于，所述配置于多段的气泡收集装置的大小随着气泡收集装置变得远离所述空气扩散装置而变小。

4.膜分离装置，特征在于，包括：

处理槽；

浸渍在所述处理槽中的处理液中的膜元件；

用于将氧供应到所述处理液中的氧供应装置；

配置于所述膜元件下方的空气扩散装置；和

配置于所述膜元件和所述空气扩散装置之间的气泡收集装置，其用于收集从所述空气扩散装置扩散的气泡。

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