CN102989321B - 一种污水处理的膜分离单元、膜组件以及利用该膜组件处理污水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种污水处理膜组件以及利用该膜组件处理污水的方法。本发明的膜组件包括外壳和至少2个并行排列的位于外壳内的膜分离单元，其中外壳呈长方体形或正方体形，其四周封闭，两端开放；膜分离单元由顺序连接且平行排列的污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔组成，各腔之间通过有机高聚物膜分隔；特别是，在污水腔内流动的污水与驱动液腔内流动的驱动液的流动方向相反。利用本发明的膜组件进行污水处理在无压力下进行操作，膜污染程度轻，能耗低，处理后的出水水质好，可实现中水回用。

Description

一种污水处理的膜分离单元、膜组件以及利用该膜组件处理污水的方法

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及污水处理及中水回用技术，特别涉及一种可用于膜生物反应器的平板膜组件以及利用该膜组件处理污水的方法。

背景技术

膜生物反应器是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，其以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，相对于传统的活性污泥工艺具有显著的优点，如可以保持生物反应器中的高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量，不受污泥膨胀的影响等。

目前，膜生物反应器的膜组件部分主要是以实现固液分离为目的，常采用压力驱动的微滤或者超滤膜。在压力驱动模式下，膜生物反应器混合料液中的悬浮颗粒、胶体物质、溶解性物质均较易在膜材料内部或膜表面形成沉积污染，造成膜通量的下降，即膜污染。膜污染的产生和发展严重加大了膜生物反应器工艺的能耗，使得工艺不得不增加膜清洗的频率，造成运行成本的上升，削弱了其工艺经济性。虽然研究学者从膜表面改性、水动力学条件优化、污泥混合液性状调节等方面对膜污染进行了控制，但并不能从根本上改变压力驱动分离膜易产生严重膜污染的性质。

根据膜组件与生物反应部分的位置关系可将膜生物反应器分为一体式膜生物反应器和外置式膜生物反应器。一体式膜生物反应器虽然具有设备简单、操作方便、耐冲击负荷等优点，但也存在着氧利用率低、能耗大、膜污染严重、膜通量下降以及需要定期清洗等缺陷。与一体式膜生物反应器相比，外置式膜组件可以有效利用活性污泥中悬浮颗粒在错流过滤中对膜表面的错流冲刷作用，因此其在膜污染控制方面具有一定的优势。

渗透现象广泛存在于自然界中。正向渗透是相对于以压力驱动的反渗透而言的。在正向渗透处理过程中，水通过选择性渗透膜从高水化学势区域向低水化学势区域传递，其以驱动溶液提供化学位作为推动力，与反渗透相比，无需外界压力作为推动分离过程，可以无压力操作，能耗低，对污染物的截留率高，而膜污染能力较强。

正向渗透处理采用的驱动溶液由驱动溶质和溶剂组成。驱动溶质在水中具有较高的溶解度，从而能够产生较高的渗透压，如氯化钠、氯化镁、硫酸铝、碳酸氢铵、葡萄糖、果糖等。在进行正向渗透处理后，被稀释的驱动溶质通常会通过各种方法进行回收浓缩，如采用低压反渗透回收葡萄糖，采用中度加热回收碳酸氢铵，采用渗透蒸馏回收氯化钠等。目前主要的方法仍然是以纳滤或者反渗透的方式浓缩驱动溶液。然而，这种分离过程耗能高，从而显著增加了废水处理的成本。

膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程，膜的一侧与热的待处理溶液直接接触，另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触，热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化，通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。根据膜冷侧冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触式、空气隙式、气扫式和真空膜蒸馏四种形式。与常规的蒸馏方法相比，膜蒸馏过程具有较高的蒸馏效率，蒸馏液更为纯净，无需复杂的蒸馏设备，可在常压下进行操作，设备简单、操作方便等优点。

新加坡的Kai Yu Wang等人采用正渗透和膜蒸馏相结合的技术浓缩蛋白质溶液(Kai yuWang et.Integrated forward osmosis-membrane distillation(FO-MD)hybrid system for theconcentration ofprotein solutions，Chemical Engineering Science.66(2011)，2424-2430.)，首先，该研究所用的分离系统主要是用于分离纯化大分子物质蛋白质，其次是该分离系统需要分别将驱动溶液在正渗透(FO)系统和膜蒸馏(MD)系统中进行反复循环，而对于实际工程应用来说，分散的较长的管路对于减少热量的耗损也是一个不利的因素，尤其对具有生物活性的蛋白质分离不利；其三是该研究在FO和MD两个系统中需要分别对驱动溶液进行冷却和加热，这些均导致该研究所用系统的能耗高，热量不能得到有效的利用，不利于能源节约；其四是该系统占地面积大，从而限制了其推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于膜生物反应器的外置式平板膜分离单元和有该分离单元组合而成的膜组件，本发明膜组件可同时利用错流过滤冲刷作用、正向渗透和膜蒸馏实现低压力(＜1kPa)操作，膜污染轻，能耗低；工艺出水水质好。

为了实现上述目的，本发明提供一种污水处理膜分离单元，由顺序连接的污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔组成，其中相邻腔之间通过有机高聚物膜分隔。

其中，所述的机高聚物膜为渗透膜和/或疏水微孔膜。

其中，所述污水腔、第一驱动液腔、清水腔、第二驱动液腔的两端开放，其一端具有入口，另一端具有出口。

特别是，所述污水腔与第一驱动液腔、第二驱动液腔之间通过有机高聚物膜分隔，其中所述有机高聚物膜为渗透膜；所述清水腔与第一驱动液腔、第二驱动液腔之间通过有机高聚物膜分隔，其中所述有机高聚物膜为疏水微孔膜。

其中，所述渗透膜的分离层为纤维素三醋酸膜；疏水微孔膜的分离层为聚四氟乙烯膜。

特别是，所述疏水微孔膜的支撑层为聚丙烯膜。

特别是，所述疏水微孔膜的孔径为0.22-1.0μm，优选为0.22μm；所述的渗透膜为对氯化钠的截留率≥93％的渗透膜。

尤其是，所述渗透膜对氯化钠的截留率为95-97％。

本发明另一方面提供一种污水处理平板膜组件，包括：外壳和至少2个并行排列的位于外壳内的膜分离单元；其中

外壳，呈长方体形或正方体形，其四周封闭，两端开放；

每个膜分离单元，由顺序连接且平行排列的污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔组成，其中所述的污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔之间通过有机高聚物膜分隔。

其中，所述的膜分离单元数优选为8-20个，进一步优选为8-15个。

其中，污水腔、第一驱动液腔、清水腔、第二驱动液腔的两端开放，其一端具有入口，另一端具有出口。

特别是，所述污水腔与第一驱动液腔、第二驱动液腔之间通过有机高聚物膜分隔，其中所述有机高聚物膜为渗透膜；所述清水腔与第一驱动液腔、第二驱动液腔之间通过有机高聚物膜分隔，其中所述有机高聚物膜为疏水微孔膜。

其中，所述渗透膜的分离层为纤维素三醋酸膜；疏水微孔膜的分离层为聚四氟乙烯膜。

特别是，所述疏水微孔膜的支撑层为聚丙烯膜。

特别是，所述疏水微孔膜的孔径为0.22-1.0μm，优选为0.22μm；所述的渗透膜为对氯化钠的截留率≥93％的渗透膜。

尤其是，所述渗透膜对氯化钠的截留率为95-97％。

其中，所述有机高聚物膜的长度与所述外壳的宽度相一致，有机高聚物膜的宽度与所述外壳的高度相一致。

特别是，所述膜分离单元沿着所述外壳的长度方向平行排列。

其中，将所述膜分离单元分隔成污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔的相邻两个所述有机高聚物膜间的间距为1-3mm，即所述污水腔、第一驱动液腔、清水腔和第二驱动液腔的厚度为1-3mm，优选为2mm。

本发明又一方面提供一种利用上述任意所述膜组件处理污水的方法，污水腔内流动的污水与第一驱动液腔、第二驱动液腔内流动的驱动液的流动方向相反。

其中，清水腔内流动的清水与污水腔内流动的污水的流动方向相同或相反。

特别是，清水腔内流动的清水与污水腔内流动的污水的流动方向相同。

本发明再一方面提供一种利用上述任意所述膜组件处理污水的方法，包括如下步骤：

1)污水从所述污水腔的入口流入所述膜组件的污水腔内，污水腔中的水经过所述的渗透膜渗透到所述第一驱动液腔、和与其相邻的膜分离单元的第二驱动液腔内，浓缩后的污水从污水腔的出口流出膜组件；

2)驱动液分别从所述第一驱动液腔和第二驱动液腔的入口流入所述膜组件的所述驱动液腔内，然后分别从出口流出，其中驱动液与污水的流动方向相反，驱动液在驱动液腔内流动的过程中吸收从污水腔渗透至驱动液腔内的水，同时驱动液中的水分子通过所述的半透膜进入清水腔；

3)清水从所述清水腔的入口流入所述膜组件的所述清水腔内，其中清水与污水的流动方向相同或相反，从驱动液腔中进入清水腔的水和清水从出口流出。

其中，步骤1)中所述的污水是经过生物活性污泥处理的污水活性污泥混合液或含盐量低于0.5％的污水；优选为经过生物活性污泥处理的污水活性污泥混合液。

其中，步骤1)中污水的流速、步骤2)中驱动液流速、步骤3)中清水流速为10-70cm/s.

特别是，所述污水的流速优选为50cm/s；所述驱动液流速优选为50-70cm/s；所述清水的流速优选为15-50cm/s，进一步优选为50cm/s。

其中，步骤1)中所述的渗透膜为对氯化钠的截留率≥93％的渗透膜。

特别是，所述渗透膜对氯化钠的截留率为95-97％。

其中，步骤2)中所述的驱动液为氯化钠溶液、氯化钾溶液、氯化铵溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液或复合磁性Fe₃O₄纳米颗粒溶液中的一种。

特别是，所述驱动液的浓度为1-2M。

尤其是，所述驱动液选择浓度为1.5M的氯化钠溶液。

特别是，驱动液的温度为40-60℃，优选为40℃。

其中，步骤2)中所述半透膜选择为疏水微孔膜。

特别是，所述疏水微孔膜的孔径为0.22-1.0μm，优选为0.22μm。

其中，步骤3)中所述清水的温度为0-16℃，优选为8-16℃，进一步优选为16℃。

本发明具有以下优点：

1、本发明的膜组件对膜生物反应器活性污泥混合液和污水中的污染物去除效率高，在水质方面具有渗透膜和微孔疏水膜的双重保障，净化出水水质好，出水中有机物的去除率达到94％以上，可以替代日常市政用水或大多数工业种类中的工艺用水，实现再生水回用；并且本发明的膜组件处理污水的效率高，膜通量达到4-5.1L/(m²·h)。

2、本发明的污水处理方法中水从污水侧通过渗透膜进入驱动液侧的驱动力是正渗透压差，而不用外界施压驱动，膜污染趋势大大减轻。

3、本发明的污水处理方法中采用污水与驱动液对渗透膜表面的错流冲刷作用以减轻膜污染和浓差极化现象，减少了渗透膜表面的胶体或溶解性污染物沉积，降低了渗透膜的污染，延长了膜组件的使用寿命，提高了膜组件处理污水的能力。

4、本发明的污水处理方法中膜组件驱动液腔内驱动液吸收水分和膜蒸馏排出水分的量平衡，使得驱动液处于无压力的操作状态，减少了驱动液对渗透膜和疏水微孔膜的挤压，保证了膜组件中各有机高聚物膜的密封效果，延长了膜的使用寿命，同时防止了因为驱动液浓度降低，使得渗透膜膜通量下降的的负效应。

5、本发明的膜组件将渗透膜和微孔疏水膜并行组合设计在一起，使得正渗透和膜蒸馏处理同步进行，大幅缩短膜组件出水时间和路程，减少了驱动液的热损失，节约了能耗；同时，驱动液的热量通过渗透膜直接传递给污水腔内的污水，使得污水腔内的污水温度有一定程度的升高，加快了污染物的去除速率，减少污水在膜组件和生物反应器内的整体水力停留时间。

6、本发明的膜组件在处理污水过程中能够使驱动液的浓度具有自我调节并保持稳定的作用，当疏水微孔膜的膜通量增大时，驱动液浓度升高，从而使得驱动液产生的渗透压增加，加大渗透膜两侧的渗透压差，从而自然促使渗透膜的膜通量也相应的增大，反之亦然，从而减轻了流量的调节工作，使污水分离处理工艺更加简单，易于操作。

7、利用本发明的膜组件处理污水的方法中驱动溶液温度的升高可以同时促进本发明膜组件中渗透膜和微孔疏水膜膜通量的增加，具有一举两得的作用。根据Vant Hoff公式，正渗透处理过程中的渗透压与驱动液的温度呈正相关，因此，本发明中的驱动液加热升温后其渗透压提高，从而增大了渗透膜的膜通量，提高了正向渗透处理的效率。

8、本发明的膜组件与膜生物反应器组合使用，可以通过对膜组件数量、膜面积等参数进行控制，使膜组件单位时间内的处理出水量与单位时间的进水量相等，从而保持反应器水位和污水水力停留时间的稳定。

9、本发明的膜组件与膜生物反应器结合使用时，可以将反应器进水(污水)中的有机物更完全的截留在活性污泥料液中，从而使得难以生物降解的有机物能够获得更多的接触停留时间以促进其被降解，同时也可以起到更好驯化活性污泥中特异微生物的作用，进一步提高这些难降解有机物的生物降解效果。

附图说明

图1是本发明污水处理膜组件的结构示意图。

附图标记说明：1、外壳；2、膜分离单元；21、污水腔；22、第一驱动液腔；23、清水腔；24、第二驱动液腔；25、渗透膜；26、疏水微孔膜。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明的污水处理膜组件。

如图1所示，本发明的污水处理平板膜组件包括外壳1和位于外壳内的膜分离单元2。外壳1呈长方体形或正方体形，其四周封闭，两端开放。膜分离单元2由顺序连接且平行排列的污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24组成。位于外壳1内的膜分离单元2至少为2个，依次以串联的方式排列，即第二个膜分离单元2的污水腔21与第一个膜分离单元2的第二驱动液腔24顺序连接且平行排列。

膜分离单元2的污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24之间通过有机高聚物膜25、26分隔。污水腔21的两侧的有机高聚物膜25为渗透膜、清水腔23的两侧有机高聚物膜26为疏水微孔膜，第一、第二驱动液腔22、24靠近污水腔一侧为渗透膜25，靠近清水腔一侧为疏水微孔膜26。

污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24之间的有机高聚物膜25、26的长度与外壳1的宽度相一致，有机高聚物膜25、26的宽度与外壳1的高度相一致。污水腔21与第一驱动液腔22、和与其相邻的膜分离单元2的第二驱动液腔24之间的有机高聚物膜为渗透膜25，第一驱动液腔22、第二驱动液腔24与清水腔23之间的半透膜为疏水微孔膜26。渗透膜25和疏水微孔膜26均为复合膜，即采用常规工艺将具有分离作用的分离层包覆在具有支撑作用的的支撑层上。渗透膜25的分离层为纤维素三醋酸膜，支撑层为无纺布，所述渗透膜的对NaCl的截留率为95-97％。疏水微孔膜26的分离层为聚四氟乙烯膜，支撑层为聚丙烯膜，疏水微孔膜的平均孔径为0.22-1.0μm。渗透膜25与疏水微孔膜26的膜面积之比优选为1∶1。

除上述材料外，常规用于渗透膜和疏水微孔膜的分离层和支撑层均适用于本发明的膜组件。

污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23、第二驱动液腔24的两端开放，其一端具有入口211、221、231、241，另一端具有出口212、222、232、242。将所述膜分离单元2分隔成污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24的相邻两个半透膜间的间距为1-3mm，即污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24的厚度为1-3mm。

待处理污水从污水腔21的入口211流入膜组件的污水腔，与此同时，驱动液以与污水相反的流动方向从第一驱动液腔22的入口221、第二驱动液腔24的入口241分别流入膜组件的第一驱动液腔22和第二驱动液腔24内，清水以与污水相同或相反的方向从清水腔23的入口231流入膜组件的清水腔内，其中，污水、驱动液、清水的流速为10-70cm/s。

第一、第二驱动液腔22、24内的驱动液的渗透压高，在污水腔与第一、第二驱动液腔之间形成渗透压差，污水腔21内污水中的水分子在污水腔21与驱动液腔22、24间的渗透压差作用下，透过渗透膜25进入到第一驱动液腔22、第二驱动液腔24中，而污水中的颗粒物、有机物和金属离子被渗透膜25所截留，从而污水被浓缩，浓缩后的污水从污水腔21的出口212流出膜组件，实现污水中水被分离，达到净化的目的。

适用于本发明的第一、第二驱动液腔22、24中的驱动液为浓度为1-2M的氯化钠溶液、氯化钾溶液、氯化铵溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液或复合磁性Fe₃O₄纳米颗粒溶液中的一种，其他具有高渗透压的驱动液均使用于本发明。本发明中采用氯化钠溶液作为驱动液。

污水、驱动液及清水为错流分离，其流动方向与半透膜25、26的平面向平行，消除浓差极化，可以对半透膜25、26表面污染层形成冲刷作用，使半透膜的孔隙不易堵塞，从而有利于消除膜分离过程中的浓差极化。

而且，第一、第二驱动液腔22、24内的驱动液具有较高温度，而清水腔23内的清水的温度低于第一、第二驱动液腔22、24内驱动液温度，第一、第二驱动液腔22、24内驱动液中的水分子在疏水微孔膜26的表面汽化，水蒸汽通过疏水微孔膜26进入到清水侧23后冷凝为液相，而驱动液中的其他组分被疏水微孔膜26阻挡，截留在第一、第二驱动液腔22、24内，使得第一、第二驱动液腔内驱动液保持高浓度和高渗透压，清水从清水腔23的出口232流出，获得纯净的清水，从而实现了污水的净化。

本发明中第一、第二驱动液腔22、24中的驱动液的温度为40-60℃；清水腔23内的清水的温度为0-16℃。

驱动液在吸收了从污水腔21中正渗透至第一、第二驱动液腔22、24内的水份后，驱动液被稀释；同时驱动液中的水分子通过疏水微孔膜26的膜蒸馏作用进入到清水腔23中，使驱动液被浓缩，通过正渗透吸收水分和膜蒸馏气化排出水分两个同时进行的处理，不仅保持了驱动液的高浓度、高渗透压，从而还保证了污水腔21与第一、第二驱动液腔22、24间的渗透压差，使膜组件对污水的处理可以持续、高效地运行。吸收了污水腔21中的水份，并且同时通过疏水微孔膜26的膜蒸馏作用，排出水分后的驱动液从第一、第二驱动液腔22、24的出口222、242流出膜组件，流出膜组件的驱动液可以进行循环利用；而吸收了驱动液腔中水分子的清水从清水腔23的出口232流出，也可以进行循环利用。

此外，正渗透处理和膜蒸馏处理同时、同步进行，减少了占地面积，节省了膜组件运行时间；而且，较高温度的驱动液具有更高的渗透压，从而促进了渗透膜的膜通量，有利于提高污水进行正渗透处理的效率；最后驱动液和清水之间的温度差，可以提高渗透膜和微孔疏水膜的膜通量，加快活性污泥处理污水的速率，提高污水中污染物的去除效率。

本发明实施例中所使用的污水处理膜组件中的膜分离单元2为8-20个，将膜分离单元2分隔成污水腔21、第一驱动液腔22、清水腔23和第二驱动液腔24的渗透膜25为无孔膜(孔径＜0.001μm)；疏水微孔膜26的孔径为0.22-1μm；膜组件中，单个的渗透膜与疏水微孔膜的有效面积为16cm长，8cm宽；渗透膜与疏水微孔膜的膜面积之比为1∶1。

本发明以生活污水经过活性污泥工艺处理后的活性污泥混合液为处理对象，利用本发明的膜组件进行分离纯化。经过本发明膜组件处理后的活性污泥混合液从膜组件的污水腔流出后，再回到活性污泥生物反应器中，如此循环处理。其中，生活污水水质性能和经过活性污泥处理后的活性污泥混合液的水质如表1所示。

生活污水进入装有活性污泥的反应器后，与反应器内的活性污泥接触，利用鼓风曝气机进行曝气，提供活性污泥中的微生物生长所需要的氧气，活性污泥中的微生物降解生活污水中有机物，得到活性污泥混合液。活性污泥混合液利用本发明的膜组件进行分离，处理污水。

表1生活污水、活性污泥混合液的平均水质性能检测指标

注：^a活性污泥混合液上清液指标；^b活性污泥混合液指标

实施例1

1、正渗透处理

本实施例中污水处理平板膜组件中共使用渗透膜25和微孔疏水膜26各30片，即污水处理膜组件中的膜分离单元2为15个；

活性污泥混合液以50cm/s的流速从污水腔21的入口211流入膜组件的污水腔内；驱动液氯化钠溶液以与污水的流动方向相反的流动方向从第一驱动液腔22的入口221、第二驱动液腔24的入口241流入膜组件的第一、第二驱动液腔22、24，其中，氯化钠溶液的温度为40℃，浓度为1.5mol/L，流速为50cm/s；

活性污泥混合液与驱动液被渗透膜25分隔，由于驱动液的高渗透压，使得污水腔21与第一、第二驱动液腔22、24之间产生渗透压差，活性污泥混合液中的水经过的渗透膜25渗透到第一、第二驱动液腔22、24内，活性污泥混合液中的其他物质被截留在污水腔21内，浓缩后的活性污泥混合液从污水腔21的出口212流出，吸收了从污水腔渗透至驱动液腔内的水的驱动液被稀释，其中，由于活性污泥混合液的流动方向与渗透膜25的膜平面平行，在污水腔21内活性污泥混合液通过错流过滤的冲刷作用，减轻了膜污染和浓差极化现象，减少了渗透膜表面的胶体或溶解性污染物沉积，降低了渗透膜的污染，延长了膜组件的使用寿命，提高了膜组件处理污水的能力，渗透膜25的平均膜出水通量约为4L/(m²·h)。

2、膜蒸馏处理

温度为16℃、流速为50cm/s的清水以与活性污泥混合液流动方向相同的方向从入口231连续流入膜组件的清水腔23内，由疏水微孔膜26将清水与驱动液分隔，由于驱动液与清水的温度差，驱动液中的水分子在疏水微孔膜26的表面汽化，水蒸汽通过疏水微孔膜进入到清水腔23后冷凝为液相水，驱动液中的其他组分被疏水微孔膜26阻挡，被正渗透处理所稀释的驱动液同时又被浓缩，从而保持驱动液的高浓度和高渗透压，保证了污水腔21与第一、第二驱动液腔间的正渗透压差，保证了膜组件的正常运行，同时经过正渗透处理与膜蒸馏处理的驱动液从第一、第二驱动液腔22、24的出口222、242流出膜组件，并循环使用，疏水微孔膜的平均膜出水通量约为4L/(m²·h)；从驱动液腔22、24中经过膜蒸馏处理挤入清水腔23内的液相水随同清水从出口232流出，处理出水的水质性能检测指标见表2。

实施例2

膜组件中，除了共使用渗透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水处理膜组件中的膜分离单元2为8个之外，其余与实施例1相同。

正渗透处理过程中，除了污水活性污泥混合液的流速为70cm/s；驱动液的浓度为1.5mol/L，温度为40℃，流速为70cm/s；渗透膜25的平均膜出水通量为4.8L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

膜蒸馏处理过程中，除了清水的温度为8℃，流速为50cm/s；疏水微孔膜26的平均膜出水通量为4.8L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

处理出水的水质性能检测指标见表2。

实施例3

膜组件中，除了共使用渗透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水处理膜组件中的膜分离单元2为8个之外，其余与实施例1相同。

正渗透处理过程中，除了污水活性污泥混合液的流速为10cm/s；驱动液的浓度为1.5mol/L，温度为40℃，流速为70cm/s；渗透膜25的平均膜出水通量为3.9L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

膜蒸馏处理过程中，除了清水的温度为8℃，流速为15cm/s；疏水微孔膜26的平均膜出水通量为4.0L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

处理出水的水质性能检测指标见表2。

实施例4

膜组件中，除了共使用渗透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水处理膜组件中的膜分离单元2为8个之外，其余与实施例1相同。

正渗透处理过程中，除了污水活性污泥混合液的流速为50cm/s；驱动液的浓度为1.5mol/L，温度为60℃，流速为70cm/s；渗透膜25的平均膜出水通量为4.1L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

膜蒸馏处理过程中，除了清水的温度为8℃，流速为15cm/s；疏水微孔膜26的平均膜出水通量为4.1L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

处理出水的水质性能检测指标见表2。

实施例5

膜组件中，除了共使用渗透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水处理膜组件中的膜分离单元2为8个之外，其余与实施例1相同。

正渗透处理过程中，除了污水活性污泥混合液的流速为50cm/s；驱动液的浓度为2mol/L，温度为40℃，流速为50cm/s；渗透膜25的平均膜出水通量为5.1L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

膜蒸馏处理过程中，除了清水的温度为0℃，流速为50cm/s；疏水微孔膜26的平均膜出水通量为5.1L/(m²·h)之外，其余与实施例1相同。

处理出水的水质性能检测指标见表2。

表2处理出水的水质性能检测指标

注：ND表示没有检测到。

从表2的检测结果表明：

1、采用本发明方法处理的污水，处理效果好，出水水质优良，COD_Cr仅为3.0-35.mg/L，去除效率达到94％以上；NH₄ ⁺-N(氨氮)含量仅为0.2-0.3.mg/L，去除效率达到97-98％；总氮(TN)的含量仅为0.4-0.5.mg/L，去除效率达到96％以上；浊度、悬浮物(SS)含量、总磷(TP)和电导率均未检测到；出水水质优于生活杂用水和全部用途的再生水水质标准。

2、采用本发明方法处理污水，不仅处理后的出水水质好，而且本发明方法处理污水的处理效率高，优质出水的生产能力达到4-5.1L/(m²·h)。

3、本发明的膜组件将渗透膜和微孔疏水膜并行组合设计在一起，使得正渗透和膜蒸馏处理同步进行，大幅缩短膜组件出水时间和路程，减少了驱动液的热损失，节约了能耗；同时，驱动液的热量通过渗透膜直接传递给污水腔内的污水，使得污水腔内的污水温度有一定程度的升高，加快了污染物的去除速率，有效的增大微孔疏水膜的膜通量，膜通量达到4-5.1L/(m²·h)，减少污水在膜组件和生物反应器内的整体水力停留时间。

4、采用本发明膜组件处理污水的处理效率高，污水处理时间短，在本发明处理过程中正渗透处理和膜蒸馏处理同时进行，降低率污水的处理时间，即降低了膜组件的运行时间，而且膜组件驱动液腔内驱动液吸收水分和膜蒸馏排出水分的量平衡，使得驱动液处于无压力的操作状态，减少了驱动液对渗透膜和疏水微孔膜的挤压，保证了膜组件中各有机高聚物膜的密封效果，延长了膜的使用寿命，同时防止了因为驱动液浓度降低，使得渗透膜膜通量下降的的负效应。

本发明的膜组件不限于平板型，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，如将本发明的膜组件设计为管型、螺旋型、中空纤维型等，但是这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种污水处理平板膜组件，其特征是包括：外壳(1)和至少2个并行排列的位于外壳内的膜分离单元(2)；

其中每个膜分离单元(2)，由顺序连接的污水腔(21)、第一驱动液腔(22)、清水腔(23)和第二驱动液腔(24)组成，其中相邻腔之间通过有机高聚物膜(25、26)分隔；

所述污水腔(21)、第一驱动液腔(22)、清水腔(23)、第二驱动液腔(24)的两端开放，其一端具有入口(211、221、231、241)，另一端具有出口(212、222、232、242)；

所述污水腔(21)与第一驱动液腔(22)、第二驱动液腔(24)之间通过有机高聚物膜(25)分隔，其中所述有机高聚物膜为渗透膜；

所述清水腔(23)与第一驱动液腔(22)、第二驱动液腔(24)之间通过有机高聚物膜(26)分隔，其中所述有机高聚物膜为疏水微孔膜；

污水腔(21)内流动的污水与第一驱动液腔(22)、第二驱动液腔(24)内流动的驱动液的流动方向相反。

2.一种利用如权利要求1所述膜组件处理污水的方法，包括如下步骤：

1)污水从所述污水腔(21)的入口(211)流入所述膜组件的污水腔内，污水腔中的水经过所述的渗透膜(25)渗透到所述第一驱动液腔(22)、和与其相邻接的膜分离单元的第二驱动液腔(24)内，浓缩后的污水从污水腔(21)的出口(212)流出膜组件；

2)驱动液分别从第一驱动液腔(22)和第二驱动液腔(24)的入口(221、241)流入所述膜组件的所述驱动液腔内，然后分别从出口(222、242)流出，其中驱动液与污水的流动方向相反，驱动液在驱动液腔内流动的过程中吸收从污水腔(21)渗透至驱动液腔内的水，同时驱动液中的水分子通过所述的疏水微孔膜(26)进入清水腔(23)；

3)清水从所述清水腔(23)的入口(231)流入所述膜组件的所述清水腔内，其中清水与污水的流动方向相同或相反，从驱动液腔(22、24)中进入清水腔(23)的水和清水从出口(232)流出。

3.如权利要求2所述的处理污水的方法，其特征是步骤1)中污水的流速、步骤2)中驱动液流速、步骤3)中清水流速为10-70cm/s。

4.如权利要求2或3所述的处理污水的方法，其特征是所述驱动液的温度为40-60℃。