CN102933288B - 纳米浮选 - Google Patents

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Abstract

一种固体分离系统，其用于分离来自于水、废水或液体中的悬浮的固体或大的沉淀或漂浮固体。这通过使用淹没式膜结合五个设计组成部分实现，所述五个设计组成部分包括泡沫浮选、重力沉淀、淹没式膜的预敷、膜的间隔以及膜结构，膜的间隔用以便利固体漂浮至保持淹没式膜的容器室的表面或漂浮至其底部，膜结构使用大直径的中空纤维或管状膜和/或大的孔开口膜材料。

Description

纳米浮选
技术领域
本发明涉及水和废水处理、固体和液体回收。
背景技术
淹没式膜的应用取得了诸多成就。一个关键的问题是膜污染和膜维护。许多发明已经使用空气来减少膜污染。此外，存在对液体中的固体进行分离的传统方法。这种传统方法使用澄清器，该澄清器具有或不具有沉淀管或倾斜的沉淀板、或者空气浮选系统，在空气浮选系统中，使用高压溶解空气、或者使用引风或泡沫浮选系统来分离固体，并且将固体漂浮至表面，并且随后用撇除器或撇除/漂浮物分离系统去除固体淤渣/撇除层。
专利号为US7,160,454B2的专利是使用空气和小孔、小直径的淹没式膜的发明。专利申请US2007/0205146A1已提供了淹没式膜的设计和组装的应用，用于与发明US7,160,454B2一起使用。
专利申请US2004/0217058A1使用溶解空气浮选和淹没式膜的结合，其中，由不同的区域组成该发明申请的操作。
专利US6344147B1是如下发明：该发明使用在浮选箱的底部中的穿透的膜以形成小的空气气泡，以使固体漂浮至浮选水或废水处理系统中的表面。
拉扎里迪斯(Lazaridis)等人(希腊的亚里士多德大学(AristotleUniversity))于2003年六月和2004年六月创作的期刊论文探讨了具有淹没式膜的泡沫浮选的益处，但没有探讨与泡沫浮选相结合使用粗糙的膜和膜的间隔以及预敷的效果。
本杰明(Benjamin)等人(华盛顿州立大学(WashingtonStateUniversity))于2008年创作的期刊论文谈论了膜上的预敷层对于有机物去除以及膜维护的益处。
发明内容
本发明的方面提供用于液体处理的方法和系统，其使用在粗糙的(大孔和大直径)淹没式膜上的纳米微粒的预敷层以及使用泡沫浮选和膜间隔以提高通过淹没式膜的通量以及改善膜表面的维护(例如从膜表面去除固体)。预敷层介质的微粒可具有电子电荷。
本发明认识到：
1、使得水和废水空气浮选箱以及典型的澄清单元的设计与在那些相同的箱和单元中的淹没式膜的液力相匹配的益处。
2、使得通过膜的液压通量率维持为与在箱或单元中的浮选和沉淀矢量的液力相匹配的益处。
3、在不用每次清洗均将膜从箱或单元上去除的情况下而允许对膜进行回洗或清洁的益处。
4、在膜上的预敷层的益处，膜上的预敷层提高流量率、改进膜表面的维护、以及通过使用粗糙的和大直径的膜系统来提供高水平的纳米微粒去除。
5、膜间隔的益处，膜间隔使得液压速度矢量最优化以便于利用浮选使固体漂浮以及利用重力使固体沉降。
6、泡沫浮选延长用于淹没式膜的循环时间并且去除和替换在膜表面上的预敷层的益处。
本发明的实施方式使用在一个单元或箱中的泡沫浮选与通过淹没式膜进行澄清的结合。
附图说明
图1示出本发明实施方式的总体示意图，其包括浮选箱/单元、撇除器、淹没式膜、泡沫生成器和淤渣去除系统。
图2示出在浮选单元/箱中的典型的膜束和撇除器。
图3示出用于泡沫浮选系统的典型的管道以及膜束的堆叠。
图4示出典型的中空纤维间隔，其中，所有的尺寸均为常见的并且均以毫米为单位。尺寸可改变。
图5示出具有漂浮框架的膜束的顶部的可能的设计。
图6示出该膜束的底部的可能的设计。
图7示出本发明实施方式的典型的设计，其中，膜为平片膜而非中空纤维膜。
注意：所有示出的尺寸均以毫米为单位且为常见的。尺寸可改变。
具体实施方式
将需要进行固体分离的原水或废水或任何液体1传送至浮选箱或浮选单元，该浮选箱或浮选单元在底部9上具有用于已沉淀的固体的区域，并在顶部具有用以收集浮选固体的区域或者撇除层或漂浮层10，该浮选箱或浮选单元具有将固体从顶部和底部两者去除的方法。该浮选箱/单元将包括淹没式膜11、23、25。在一些实施方式中，在膜束11中设置有淹没式膜，淹没式膜中的每一个均包括多个单独的管状膜23(见图1至图6)。在其他实施方式中，淹没式膜以大体为平片25的形式设置(见图7)。淤渣经由箱/单元的底部和/或撇除收集箱8从浮选箱/单元中去除。进入浮选单元/箱的水或废水或带有固体的任何液体1具有添加至带有固体的水或废水或液体1的泡沫3。泡沫从典型的泡沫生成器4中产生。泡沫通过使用形成泡沫5的表面活性剂或类似的作用剂而形成。在浮选箱/单元的常规的过滤操作期间，泡沫也被添加至膜纤维23或平片25之间。淹没式膜11、23、25使净水在来自典型的真空膜泵12的真空作用下被吸入通过该膜。随后，产生净水14。受益于来自泡沫的细小气泡，废弃的固体漂浮至表面——所述细小气泡能够在气泡的表面上产生电子电荷，电子电荷协助气泡附着至固体并随后漂浮至表面。
在膜的实际的过滤之前和回洗之后，该膜表面通过以下物质进行预敷：
1、或者是例如粉末活性炭的预敷层微粒6、或金属氧化物、或在膜的保护、膜的维护和/或固体的去除中被认为是有益处的任何预敷层微粒6。
2、或者是来自于浮选箱/单元中的、可能已经由待处理的水或废水或任何液体1产生的已有微粒的预敷层微粒。
可被电子地充电的预敷层微粒6可被添加至泡沫生成器并且经由在膜模块的基部中的穿孔管15引入7到浮选箱/单元中。预敷层能够在回洗之前的阶段中进行添加。
在过滤之后，沿着膜的压力损失到达指定的水平，通过使用泡沫或空气或水或所有的三种媒介的彼此结合，对该膜进行回洗13。回洗水被添加至膜模块的基部进入膜模块基部24的空腔中。通过回洗，将去除大多数预敷层微粒，这允许添加更多的预敷层。被去除的预敷层微粒将或者沉淀、或者漂浮至浮选箱/单元的表面。为了协助预敷层的添加，可能需要使净水14代替将被处理的水或废水或液体1而再循环回到浮选箱/单元之中，净水14带有添加至干净的给送水中的预敷层，所述给送水随后经由真空泵12通过该膜提取。
为了确保恰当的液压矢量并匹配正在被分离的固体的上浮速率和沉淀速率，膜模块需要被分离最少100mm。模块之间的典型连接系统为凸-凹连接器21A、21B。为了确保较高的通量率(fluxrate)，膜孔的尺寸开口不小于1微米并且中空纤维膜23具有不小于6毫米的直径“x”。在中空纤维膜23之间的间隔“y”应不小于“x”的两倍。在使用膜片25的情况中，在膜片之间的间隔应不小于50mm。膜之间的间隔对于允许固体自由移动至浮选箱/单元的表面或底部而言是重要的。
在图中提供了作为本发明的一个实施方式的一部分的膜模块11的可能的设计。膜模块11的设计可不同于图中所示的设计。在本发明的图示实施方式中示出的设计的一个方面为，使得绕着膜模块的中空纤维膜保持框架最小化，以使得淤渣和纤维和毛发不会与该支撑膜模块框架夹带在一起。所提出的用于膜模块11的设计包括基部结构24，中空纤维膜23装在基部24中。基部24具有空腔(未示出)，过滤的水在真空泵12提供的真空下从该空腔被吸入。中空纤维膜23从基部24的顶部穿过，进入该空腔，以允许吸力将水或液体通过中空纤维膜23的外部抽吸至中空纤维膜23的中心并随后进入该空腔中。每个中空纤维膜23的顶部均被密封18。在中空纤维膜23之间为泡沫分布侧部15。在膜模块11的顶部为漂浮框架20和连杆17，连杆17将顶部的漂浮框架20和底部框架24保持在一起，使得漂浮框架形成额外的浮力用以协助保持中空纤维膜竖直地延伸。可使用连结线19，以确保中空纤维膜23的栅格结构。
本发明的一些方面提供：
1.一种固体分离系统，所述固体分离系统使用淹没式膜和带电的或不带电的泡沫浮选，所述淹没式膜预敷微粒，所述微粒被添加至将被处理的水、废水或液体，或者所述微粒已经是将被处理的水、废水或液体的组成部分，所述泡沫浮选用以增加将在水、废水或任何液体中被分离的微粒或固体的向上的速度矢量。所述泡沫通过使用低压(约为4巴)泡沫浮选产生，所述低压泡沫浮选使用阴离子或阳离子或非离子表面活性剂或与水混合的、将引起泡沫出现的任何其他作用剂。来自泡沫中的空气气泡上的表面活性剂的电子电荷被用以引起对敷于所述膜的固体的排斥或吸引，使得在所述膜上的通量增加并且使得维护需求减小。本发明的一些实施方式的操作具有三个循环：过滤循环、回洗循环和预敷循环，其中所述回洗循环和所述预敷循环能够根据需要而被独立地使用或一起使用。
2.根据方面1所述的固体分离系统，其中，所述水或液体通过中空纤维或管状膜的外部被抽吸至内部，所述固体或微粒的朝向方面1中所述的淹没式膜的较低的水平的或向下的速度矢量将通过使用由所述膜上的预敷的所述微粒引起电荷斥力而形成，预敷的所述微粒由于正在被处理的水或废水液体而自然地产生、或者在对正在被处理的水或废水或液体进行处理之前通过使用诸如粉末活性炭或金属氧化物之类的带电的小的微粒而被添加。
3.根据方面1所述的固体分离系统，其中，预敷层通过使用诸如粉末活性炭或金属氧化物之类的带电微粒而形成，其中，将被分离的微粒被表面附着于或者被夹带于所述预敷层中，但水或液体被允许流动通过所述预敷层以及流动通过所述膜。
4.本发明的实施方式促使水流或液体流水平地通过所述膜表面上的预敷层，其中，方面1中所述的膜将沿竖向定向被淹没，并且在结构上将呈采用尺寸为1微米或更大的孔以及大于5mm的直径的中空纤维或管状。
5.方面1所述的泡沫在过滤操作期间、以及在一些情况下在回洗操作和预敷操作期间被持续地或间断地添加至所述膜的基部，以允许所述固体被分离而漂浮至所述表面，以在需要时控制所述预敷层的添加或去除，以及在需要时将所述膜的表面准备为用于进一步的预敷和过滤。
6.方面1所述的膜以矩形的样式或方形的样式被定向，并且所述膜被间隔开，其中，所述膜之间的距离至少为所述中空纤维膜的直径的两倍，所述膜模块将被彼此间隔开至少100mm，所述膜间隔和所述膜模块间隔对于允许被排斥的微粒漂浮至浮选箱或单元的表面或是沉淀至所述浮选箱或单元的底部而言是重要的。
7.方面1所述的膜能够通过保持架被竖直地支撑，所述保持架允许所述膜振动和移动，其中，所述膜将被捕获在壳体中的底部上但在顶部处松散，所述膜的顶部将被分别地密封并且所述保持架的支撑部和所述膜的支撑部被设计为使得纤维和毛发的夹带最小。
8.方面1所述的膜被用以支撑预敷层，其中，真空装置将水通过所述预敷层和所述膜从外部抽吸进入内部。
9.方面6所述的膜模块的替代性方案将为膜片，所述膜片放置在澄清器中的如倾斜沉淀板的倾斜部处或者竖直地放置，其中，所述膜片的间隔最少为50毫米，所述膜片的间隔对于允许被排斥的微粒漂浮至浮选箱或单元的表面或者沉淀至浮选箱或单元的底部而言是重要的。
10.方面1所述的泡沫也作为在所述膜上的反冲洗或反冲从所述中空纤维或管状膜的内部至外部被添加，回洗还包括空气或水的彼此结合地、或者空气或水与泡沫结合地、或者空气或水彼此独立地添加。
11.方面1所述的泡沫可被添加至进入在此所述的膜室的水或废水或液体的给送中，其中，在将被处理的水或废水或液体中的泡沫引起将在所述浮选箱或单元中被分离的微粒或固体上的向上的速度矢量。

Claims (46)

1.一种用于液体处理的系统，包括：
淹没在将被处理的液体中的膜；以及
带电的粒状预敷层介质，所述带电的粒状预敷层介质被引入液体中并且通过压力差抽吸至所述膜的表面；其中：
液体通过压力差抽吸通过所述膜并通过在所述膜的表面上的预敷层介质，由此，通过经由与所述带电的粒状预敷层介质的电荷相互作用使固体与液体分离，所述预敷层介质从液体去除固体；
所述电荷相互作用包括将被从液体去除的固体中的至少一部分与所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质的表面的排斥；以及
所述带电的粒状预敷层介质经由在所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质中进行的表面附着和夹带中的一者或多者从液体去除固体。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膜包括中空管并且液体通过压力差从所述管的外部被抽吸至所述管的孔腔中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述膜具有大于5mm的直径。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述膜具有6mm的直径。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述带电的粒状预敷层介质包括粉末活性炭。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述带电的粒状预敷层介质包括金属原子。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述带电的粒状预敷层介质包括金属氧化物。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述中空管在第一端部处被密封并且液体经所述孔腔被抽吸至与密封的所述第一端部相对的第二端部。
9.根据权利要求2所述的系统，包括布置在膜模块中的多个膜，其中，在所述膜模块中，相邻的所述膜间隔开所述膜中的每一个的直径的至少两倍。
10.根据权利要求1所述的系统，包括布置在膜模块中的多个膜，其中，在所述膜模块中，相邻的所述膜间隔开至少12mm。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，包括真空泵，所述真空泵与所述膜的下游侧流体连通地联接，从而形成压力差。
12.根据权利要求11所述的系统，包括泡沫生成器，所述泡沫生成器与所述膜的上游侧流体连通地联接并构造为形成泡沫，其中，泡沫被朝向所述膜的上游侧引导，用于协助从液体去除固体。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，泡沫在向上的方向上在所述膜的上游侧被引入以形成横流矢量，从而减少在所述带电的粒状介质的表面上堵塞和积聚固体。
14.根据权利要求11所述的系统，包括回洗泵，所述回洗泵与所述膜的下游侧流体连通地联接，并且，所述系统能够构造为回洗模式，在所述回洗模式中，所述真空泵被停用，所述回洗泵被启用并且被启用的所述回洗泵构造为将回洗液体从所述膜的下游侧泵送至所述膜的上游侧，从而将所述预敷层介质从所述膜的表面去除。
15.根据权利要求14所述的系统，所述回洗液体包括被处理后的液体。
16.根据权利要求15所述的系统，包括泡沫生成器，所述泡沫生成器构造为形成泡沫，并且，所述回洗泵构造为将所述泡沫泵送至在所述膜的上游侧的液体中。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述回洗液体包含泡沫。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的系统，其中，所述回洗液体包含空气。
19.根据权利要求12、13、16和17中任一项所述的系统，其中，所述泡沫包含表面活性剂。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述表面活性剂是阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂中的一种，用于在泡沫中形成带电的空气气泡。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述表面活性剂是非离子的。
22.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，包括多个膜模块，所述多个膜模块中的每一个均包括多个膜，至少两个相邻的所述膜模块间隔开至少100mm。
23.根据权利要求22所述的系统，包括：
多个膜；以及
被联接至所述膜的壳体，所述壳体包括：
基部，所述基部构造为接收所述膜中的每一个的基部；以及
上部支撑部，所述上部支撑部被联接至所述膜中的每一个的顶部并构造为允许所述膜的振动。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述上部支撑部包括连结线，所述连结线包括开口，并且，管状的所述膜穿过所述开口伸出。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述上部支撑部包括形成膜的栅格的多个连结线。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膜包括大体平的膜片。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述膜片被定向为相对于竖直方向倾斜。
28.根据权利要求27所述的系统，包括多个膜片，其中，至少两个相邻的所述膜片间隔开至少50mm。
29.根据权利要求1至10和12至17中任一项所述的系统，其中，所述膜具有1微米或更大的孔尺寸。
30.一种用于液体过滤的系统，包括：
膜，所述膜用于淹没在将被处理的液体中；
真空泵，所述真空泵与所述膜的下游侧流体连通地联接，用于形成压力差；以及
带电的粒状预敷层介质，所述带电的粒状预敷层介质用于引入至液体之中；
其中，通过所述真空泵形成的压力差将所述预敷层介质抽吸至所述膜的表面；并且
由此，通过经由与所述带电的粒状预敷层介质的电荷相互作用使固体与液体分离，所述预敷层介质从所述液体去除固体；其中：
所述电荷相互作用包括将被从液体去除的固体中的至少一部分与所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质的表面的排斥；以及
所述带电的粒状预敷层介质经由在所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质中进行的表面附着和夹带中的一者或多者从液体去除固体。
31.一种用于液体过滤的系统，包括：
箱；
多个膜模块，所述多个膜模块位于所述箱内并且将被淹没在将被处理的液体中，其中，至少两个相邻的所述膜模块间隔开至少100mm，每个所述膜模块均包括间隔开至少12mm的多个膜，每个所述膜均包括：
具有大于5mm的直径的中空管；
尺寸为1微米或更大的孔；以及
密封的端部；
真空泵，所述真空泵与所述膜中的至少一个以及所述箱流体连通地联接，以形成压力差以及从所述箱去除处理过的液体；
带电的粒状预敷层介质，所述带电的粒状预敷层介质将被引入至所述箱中并且将通过所述压力差抽吸至所述膜的表面，由此，通过经由与所述带电的粒状预敷层介质的电荷相互作用使固体与液体分离，所述预敷层介质从液体去除固体；
泡沫生成器，所述泡沫生成器与所述箱流体连通地联接，用于形成将被引入至所述箱中的泡沫；以及
回洗泵，所述回洗泵与所述箱流体连通地联接，用于将回洗液体泵送至所述箱中并泵送至所述膜的中空管中，以便将所述带电的粒状预敷层介质从所述膜的表面去除；其中：
所述电荷相互作用包括将被从液体去除的固体中的至少一部分与所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质的表面的排斥；以及
所述带电的粒状预敷层介质经由在所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质中进行的表面附着和夹带中的一者或多者从液体去除固体。
32.一种用于液体过滤的设备，包括：
液体过滤系统，所述液体过滤系统包括：
箱；
多个膜，所述多个膜用于安装在所述箱中，每个所述膜均包括具有大于5mm的直径的中空管、尺寸为1微米或更大的孔、以及密封的端部；
真空泵，所述真空泵与所述膜中的至少一个流体连通地联接，用以形成压力差并用于从所述箱去除处理过的液体；
回洗泵，所述回洗泵与所述膜中的至少一个流体连通地连接，用于将回洗液体泵送至所述膜的所述中空管中；以及
泡沫生成器，所述泡沫生成器被流体联接至所述箱，用于将泡沫注入到所述箱中；以及
带电的粒状预敷层介质，所述带电的粒状预敷层介质用于引入至所述箱中并且通过所述压力差抽吸至所述膜的表面，由此，通过经由与所述带电的粒状预敷层介质的电荷相互作用使固体与液体分离，所述预敷层介质从液体去除固体；其中：
所述电荷相互作用包括将被从液体去除的固体中的至少一部分与所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质的表面的排斥；以及
所述带电的粒状预敷层介质经由在所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质中进行的表面附着和夹带中的一者或多者从液体去除固体。
33.一种液体过滤方法，所述方法包括：
a)将带电的粒状预敷层介质引入至将被处理的液体中；
b)通过压力差将所述带电的粒状预敷层介质抽吸至膜的表面；以及
c)使将被处理的液体通过在所述膜的表面上的带电的粒状预敷层介质而进行过滤，由此，通过经由与所述带电的粒状预敷层介质的电荷相互作用使固体与液体分离，所述预敷层介质从液体去除固体；其中：
所述电荷相互作用包括将被从液体去除的固体中的至少一部分与所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质的表面的排斥；以及
所述带电的粒状预敷层介质经由在所述膜的表面上的所述带电的粒状预敷层介质中进行的表面附着和夹带中的一者或多者从液体去除固体。
34.根据权利要求33中所述的方法，包括：
d)通过与所述压力差相反的相反压力差，将所述带电的粒状预敷层介质从所述膜的表面去除。
35.根据权利要求34中所述的方法，包括：
e)形成泡沫并将所述泡沫引入至将被处理的液体中。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，引入泡沫包括相对于在所述膜的表面处通过压力差形成的流动形成横流，以减少在所述带电的粒状介质表面上堵塞和积聚固体。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述膜包括中空管，并且所述压力差引起所述液体从所述中空管的外部流动至所述中空管的内部孔腔中。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述膜包括中空管，并且将所述预敷层介质从所述膜的表面去除包括使得液体从所述中空管的内部孔腔流动至所述中空管的外部。
39.根据权利要求35所述的方法，包括：
f)通过所述泡沫将预敷层介质中的至少一部分从所述膜去除。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述泡沫包含阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂中的一种，用于在所述泡沫中形成带电的空气气泡。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述泡沫包含非离子的表面活性剂。
42.根据权利要求34所述的方法，其中，引入泡沫包括通过相反的压力差引入泡沫。
43.根据权利要求33至42中任一项所述的方法，其中，过滤液体包括使将被处理的液体中的微粒表面附着至所述带电的粒状预敷层介质的表面以及将所述微粒夹带于所述带电的粒状预敷层介质的颗粒之间。
44.根据权利要求33所述的方法，包括重复步骤a至c。
45.根据权利要求34所述的方法，其中，所述步骤a至d以a、b、c、d的顺序被重复。
46.根据权利要求35所述的方法，其中，所述步骤a至e以a、b、e、c、d、e的顺序被重复。
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