CN103121764A

CN103121764A - 一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔

Info

Publication number: CN103121764A
Application number: CN2013100472898A
Authority: CN
Inventors: 卢金锁; 丁超
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103121764B

Abstract

本发明公开了一种一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，包括设置在水库中拱坝一侧的取水塔，取水塔中设置有药剂投加室，在药剂投加室下方的取水塔中安装有直立的膜组件，膜组件距离水塔的水面15～25米；膜组件的上端面中部连接有反冲洗水管，膜组件的下端面连接有出水管，出水管的连接位置与反冲洗水管在同一条轴线上，出水管沿取水塔侧壁布设并通向清水池；膜组件下端面距离出水管四分之一膜组件直径的位置连接有空气管；所述的膜组件外部设置有斜板，斜板由上至下依次设置形成无底面的塔式斜板罩。本发明能对水源原水进行有效净化，与现有同类设备相比，具有出水水质好、降低能耗、结构简单、节省用地、运营成本低和拆修方便等优点。

Description

一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔

技术领域

本发明涉及给水技术领域的净化构筑物，具体为一种集取水、絮凝、沉淀、膜滤、反冲洗于一体的混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔。

技术背景

由于水环境遭受到不同程度的污染以及饮用水水质标准的不断提高，采用传统工艺处理的水中氯消毒副产物、贾第虫和隐孢子虫等指标难以达到新的水质标准，因此如何提高供水水质并尽可能减少基建和运行费用已是给水领域的重要课题。

膜滤技术是新兴起的给水处理技术，与传统工艺相比可以有效节流杂质、细菌和病原菌，因此各种形式的膜处理技术被广泛应用在各地新建水厂和旧水厂工艺改造中。比如将超滤膜安装到现有的砂滤池，在同样的占地面积下，出水水量比砂滤提高2~4倍。在给水处理方面，目前膜处理技术主要代表有连续膜过滤技术和浸没式膜过滤技术。后者使用的是开放式中空纤维膜外压膜元件，使用时，膜元件直接浸没在膜池之中，采用负压抽吸的方式进行过滤。

在授权公告号为CN201342322Y的中国实用新型专利说明书公开了一种浸没式中空纤维膜组件及其成套设备，其中膜组件由膜丝束、膜封头和中心支撑管组成。若干个小单元可组成一个大单元，大单元直至膜堆设备。

在公开号为CN101125281A的中国发明专利说明书公开了一种浸没式中空纤维膜分离装置及运行方法，该装置包括膜过滤系统、产水系统、清洗系统和线路连接的控制系统，整个装置直接垂直安装在被处理水体中。

浸没式膜过滤技术在出水水量方面有一定的优势，但是仍有一定的缺点和不足，主要表现为能耗较大。为获得膜虑所需要的跨膜压差，需要耗费大量电能，运行成本较高。另膜元件外表面不易清洗，易受到污染，膜通量下降较快。

发明内容

针对目前膜滤工艺耗能过大并且膜通量下降过快问题，本发明的目的在于，提供一种将取水塔与浸没式膜过滤技术结合在一起的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，降低净水能耗，且维护方便。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，包括设置在水库中拱坝一侧的取水塔，所述的取水塔中设置有药剂投加室，在药剂投加室下方的取水塔中安装有直立的膜组件，膜组件距离水塔的水面15～25米；膜组件的上端面中部连接有反冲洗水管，膜组件的下端面连接有出水管，出水管的连接位置与反冲洗水管在同一条轴线上，出水管沿取水塔侧壁布设并通向清水池；膜组件下端面距离出水管四分之一膜组件直径的位置连接有空气管；所述的膜组件外部设置有斜板，斜板由上至下依次设置形成无底面的塔式斜板罩并将膜组件包裹在其中。

所述的膜组件包括膜丝束、多孔支撑杆、上封头和下封头，其中上封头和下封头分别固结在多孔支撑杆的上、下端，在上封头和下封头之间的多孔支撑杆周围均匀分布有膜丝束；至少6个膜组件并列固定在模框上构成膜组件小单元，至少6个膜组件小单元并列设置构成膜组件大单元；在膜组件大单元上设置有大单元反冲洗水管、大单元出水管和大单元空气管，所述的每个膜组件的反冲洗水管均连接至大单元反冲洗水管，每个膜组件的出水管均连接至大单元出水管，每个膜组件的空气管均连接至大单元空气管。

所述的取水塔采用直立箱型取水塔，在取水塔一侧的拱坝上设有交通桥，在交通桥上安装有反冲洗水泵，反冲洗水泵与所述的大单元反冲洗水管连接，在大单元反冲洗水管上开设有消洗液投加口；所述的取水塔中药剂投加室的一侧设置有空气压缩机，空气压缩机上连接高压空气罐，高压空气罐通过空气管阀门与所述的大单元空气管连接。

所述的膜组件大单元固定在笼箱中，该笼箱是用角钢制成的长方体笼箱，笼箱中分为四格，每一格中均安装有一个膜组件大单元，每一个膜组件大单元的大单元反冲洗水管和大单元空气管各自连接反冲洗水泵和高压空气罐；每一个膜组件大单元的大单元出水管各自通向清水池。

所述的斜板罩为无底面塔式结构，该斜板罩是由斜板从上至下依次焊接组成，斜板罩上每上下相邻的两个斜板之间存在缝隙；每个斜板均采用光滑的不锈钢板，斜板的设置为斜向下方向，斜板罩焊接在所述的笼箱外部。

所述的取水塔塔顶设置有滑轨，滑轨上安装有电葫芦，电葫芦通过钢丝绳与水塔中的斜板罩顶端连接。

所述的取水塔的侧壁上设置有进水口，在进水口的前端设置有拦污栅；水塔的底面为斜坡，在靠近水库一侧的水塔底面上设置有沉降坑，沉降坑中安装有潜污泵，潜污泵与设置在水塔底部侧壁上的排空管连接，在排空管上安装有拍门。

所述的大单元出水管、大单元空气管和大单元反冲洗水管均由多节管道组成，管道之间通过法兰连接。

本发明与同类设备相比有以下优点：

1．节省电能。膜组件所需要的跨膜压差由水库中水的位势能提供，而不用水泵提供，因而可以节省大量电能，有利于低碳环保。

2．出水量大。由于高水位水库较普通水泵可以提供更大的工作压力，故可以选择工作压强更大的膜组件，膜通量也因此会增大，故出水量会大大提升。

3．膜组件构造简单。因为中空纤维膜是直接浸没在水中，外部不需要刚性外壳，所以构造相对简单，成本低廉。

4．四套膜组件处于不同过滤周期，可以实现高效互洗，并且不设反冲洗水箱，冲洗液直接由其他三套膜组件提供，出水量能够维持相对恒定。

5．膜不易受到污染。因为膜过滤采用错流过滤方式，由于平行膜面流动的水不断将沉积在膜表面的杂质带走，通量下降缓慢。

6．节约基建费用。由于可以利用现在已有的取水塔进行改造，不需要重新建设。另外由于出水清洁度高，加入消毒剂后即可输送用户，无需另建水厂，可以大大的节约基建资金。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中单个膜柱单元结构示意图；

图3是本发明中膜组件小单元的结构示意图；

图4是本发明中膜组件大单元的结构示意图；

图5是本发明中笼箱的结构示意图；

图6是本发明中斜板罩的结构示意图；

图中标号分别表示：

1-三通，2-反冲洗水泵，3-出水管阀门，4-反冲洗水管阀门，5-消洗液投加口，6-电葫芦，7-空气压缩机，8-高压空气罐，9-空气管阀门，10—药剂投加室，11—进水口，12—拦污栅，13—大单元反冲洗水管，131—反冲洗水管，14—钢丝绳，15—大单元空气管，151—空气管，16—斜板罩，17—笼箱，18—取水塔，19—潜污泵，20—排空管，21—拍门，22—大单元出水管，221—出水管，23—模框，24—膜柱单元，241—上封头，242—膜丝束，243—多孔支撑杆，244—下封头，25—斜板；26—清水池，27—交通桥；

以下结合附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明。

具体实施方式

本发明的构想是，考虑将浸没式膜过滤技术与目前广泛存在的取水塔结合起来。将膜组件置于取水塔中，跨膜压差由取水塔中巨大的水压提供，以达到节能的目的。在取水塔顶部建有混凝剂投加设备，原水在进水口处与混凝剂混合，水流在向下流动的过程中可以得到絮凝并形成大颗粒。由于膜组件表面存在一定的切向流动，膜组件表面不易受到污染，通量下降缓慢。另外因为出水浊度较低，加药后可以直接输送用户，实现水源地供水，也可大大节省投资。

遵从上述技术方案，如图1所示，一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，包括设置在水库中拱坝一侧的取水塔18，所述的取水塔18中设置有药剂投加室10，该药剂投加室10的作用是向原水中添加混凝剂使原水得到初步澄清；在药剂投加室10下方的取水塔18中安装有直立的膜组件24，膜组件24距离水塔的水面15～25米；膜组件24的上端面中部连接有反冲洗水管131，膜组件24的下端面连接有出水管221，出水管221的连接位置与反冲洗水管131在同一条轴线上，出水管221沿取水塔18侧壁布设并通向清水池26；膜组件24下端面距离出水管221四分之一膜组件24直径的位置连接有空气管151；这样的设置有利于气-水反冲洗时气泡产生偏心力矩，使膜组件24产生振动，进而使膜表面沉积的杂质脱落；所述的膜组件24外部设置有斜板25，斜板25由上至下依次设置形成无底面的塔式斜板罩16并将膜组件24包裹在其中。

所述的膜组件24采用中空纤维膜组件24，该膜组件24包括膜丝束242、多孔支撑杆243、上封头241和下封头244，如图2所示；其中上封头241和下封头244分别固结在多孔支撑杆243的上、下端，在上封头241和下封头244之间的多孔支撑杆243周围均匀分布有膜丝束242；至少6个膜组件24并列固定在模框23上构成膜组件小单元，如图3所示；至少6个膜组件小单元并列设置构成膜组件大单元，如图4所示；在膜组件大单元上设置有大单元反冲洗水管13、大单元出水管22和大单元空气管15，所述的每个膜组件的反冲洗水管131均连接至大单元反冲洗水管13，每个膜组件的出水管221均连接至大单元出水管22，每个膜组件的空气管151均连接至大单元空气管15，这样就使每个膜组件24的出水、进气和反冲洗统一起来。工作时水流从膜组件24的侧面通过膜丝束242过滤并渗入多孔支撑杆243中，净化后的水流通过大单元出水管22通向清水池26。

本发明中取水塔18采用直立箱型取水塔，取水塔18一侧的拱坝上设有交通桥27，交通桥27上安装有反冲洗水泵2，该水泵与每个大单元反冲洗水管13连接；在每个大单元反冲洗水管13上开设有消洗液投加口5；用于在进行反冲洗时添加药剂；取水塔18药剂投加室10一侧设置有空气压缩机7，空气压缩机7上连接高压空气罐8，高压空气罐8通过空气管阀门9与大单元空气管15连接。

参见图5，膜组件大单元固定在笼箱17中，该笼箱17是由角钢焊接成的长方体笼箱17，笼箱17中分为四格，每一格中均安装一个膜组件大单元，每个大单元反冲洗水管13各自连接反冲洗水泵2，每个大单元空气管15各自连接高压空气罐8，每个大单元出水管22各自通向清水池26，即，每一个膜组件大单元的出水、反冲洗和进气是独立的，在一个膜组件大单元进行反冲洗时其他的三个膜组件大单元可以正常工作，四个膜组件24依次轮流进行反冲洗则可保证出水量的恒定；该膜组件24的工作压力为0.15Mpa-0.25MPa，考虑到跨膜压差因素，将膜组件24设置在距离水面15～25米深处，该装置具有最佳的工作效能。

由于笼箱17上部的水经过混凝过程形成大颗粒会影响膜组件24，因此在笼箱17外部设置有斜板罩16，如图6所示；该斜板罩16是一种无底面的塔式结构，由斜板25从上至下依次焊接组成将笼箱17包裹在其中，斜板25采用光滑的不锈钢板，且每个斜板25的设置为斜向下方向，即设置方向与水面呈一定角度，使得从上方落在斜板罩16上的混凝大颗粒可以沿着斜板25依次向下滑落，保证笼箱17周围的水是相对澄清的，而混凝形成的大颗粒也不会影响膜组件24的工作；斜板罩16上每上下相邻的两个斜板25之间存在一定的缝隙，使得斜板罩16周围的水能通过缝隙进入笼箱17。

取水塔18顶部设置有滑轨，滑轨上安装有电葫芦6，电葫芦6通过钢丝绳14与斜板罩16顶端连接，需要对膜组件24进行拆装维修时，通过电葫芦6将笼箱17和斜板罩16一起拉出水面。

取水塔18的侧壁上设置有进水口11，进水口11位于药剂投加室10下方取水塔18的侧壁上，可根据情况设置多个，进水口11上安装有电动阀，在进水口11的前端设置有拦污栅12，对水质进行初步过滤；水池的底面为一定角度的斜坡，有利于排泥；在靠近水库一侧的水池底面上设置有沉降坑，沉降坑中安装有潜污泵19，潜污泵19可以抽取水池底部污水，并能使膜组件24表面得到水流的切向力冲刷，当膜组件24需要拆装维护时，潜污泵19还能排空取水塔18中的水，用电葫芦6将膜组件24拉出水面。潜污泵19与设置在水池底部侧壁上的排空管20连接；为了防止水倒流，在排空管20上安装有拍门21。

所述的大单元出水管22、大单元空气管15和大单元反冲洗水管13均由多节管道组成，管道之间通过法兰连接，便于拆卸和维修。

本发明的工作原理如下：

参照图1，水库中的水通过取拦污栅12进入取水塔18，大的漂浮物被拦在取水塔18外。进水口11上设有电动阀以控制取水口的闭合。药剂投加室10通过加药管在进水口11处添加混凝剂，使药剂与原水混合，原水在笼箱17上部得到混凝，逐渐形成大颗粒并随水流向下流动，并在斜板罩16上方沿斜板25向下滑动，使笼箱17周围的水质相对得到澄清。

装有四个膜组件大单元的笼箱17被固定在水池中，斜板罩16覆盖笼箱17外。水在位压的作用下被膜组件24过滤，并通过大单元出水管22以虹吸方式被引入清水池26中。为实现高效互洗并保持出水量的相对恒定，四个膜组件大单元处于不同过滤周期，即在同一时间内只有一个膜组件大单元在进行反冲洗，而其他三个膜组件大单元正常工作。在进行反冲洗时，一个膜组件大单元的反冲洗液由其他三个膜组件大单元提供，而不用设置反冲洗水箱。

在大单元出水管22上装有三通1，可以接抽吸泵，用来在过滤启动时形成虹吸。在大单元反冲洗水管13上装有消洗液投加口5，在需要时可以通过单向阀门消洗液投加口5往大单元反冲洗水管13里投加氧化性消洗液对膜组件24内部进行消洗。为了有利于排泥，水塔底部设计存在一定的坡度。在靠近水库方向设有沉降坑，并且安装有潜污泵19，在排空管20中安装拍门21以防止水倒流。

本发明具体工作过程如下：

1.过滤启动：打开出水管阀门3，关闭反冲洗水管阀门4和空气管阀门9。通过大单元出水管22的三通1上接的真空泵使水充满整个输水管路，形成虹吸。

2.正常过滤：打开出水管阀门3，关闭反冲洗水管阀门4和空气管阀门9。由于存在较大位压且存在一定速度，故水以错流过滤形式进入膜内，透过微滤膜被净化，出水以虹吸方式进入清水池26。

3.气－水反冲洗：打开反冲洗水管阀门4和空气管阀门9，出水管阀门3，打开反冲洗水泵2和高压空气罐8的阀门。一个膜组件大单元的反洗液由不处在冲洗周期的其余三个膜组件大单元提供，并可以通过消洗液投加口5加入氧化性清洗药剂，氧化剂可以采用氯、臭氧、二氧化氯、次氯酸钠等。

4.水反冲洗：打开反冲洗水管阀门4，其余阀门关闭。通过安装在大单元反冲洗水管13上的管道泵将反洗液压入微滤膜内，该清洗流程的目的在于通过大流量的反冲洗,将膜孔道和中空纤维膜表面的污染物冲掉。

5.回到正常工作状态并且组膜组件24依次进入循环。

实施例：

以黑河水库取水塔为例，取水塔为直立箱型取水塔，水库水深大约80m，取水塔长宽分别为16m和8m，原水浊度为25NTU，COD为2.0mg/L～2.4mg/L。

微滤膜采用PVDF膜，中空纤维内外径尺寸分别为600um和1000um，膜孔径为0.2um，单个膜组件24几何尺寸为直径302mm，高度1405mm，单个膜组件公称有效膜面积为约40m²，每个膜组件小单元由6个膜组件并联组成，每个膜组件大单元由6个膜组件小单元并联组成，膜组件大单元设4组。膜组件安装在水下20m左右处（工作压力0.2MPa）。该装置预计处理能力为15000m³/d。

结合附图1描述具体实施过程：

原水通过进水口11进入取水塔18中，开启混凝剂投加泵将混凝剂投入原水中，混凝剂采用聚合氯化铝，投加量为4mg/L，通过进水口11水流的剪切离散作用分散到原水中。水流自上往下流动，逐渐形成大颗粒絮体。絮体和水中细菌、藻类和有机物可以被膜组件24中孔径为0.2um的PVDF膜所去除。滤后清水通过虹吸作用被收集进入清水池26。

为了保证膜通量，每隔1h需要对膜组件大单元进行反冲洗。先进行气-水反冲洗，打开反冲洗阀门、空气阀门，关闭出水阀门，然后打开反冲洗水泵2和高压空气罐8的阀门。调节反冲洗液流量为1m³/min，清洗气体流量为8m³/min，清洗时间为10-60s。在此状态下进行反洗，根据需要可以通过单向阀门向膜组件大单元内加0.5mol/L次氯酸钠进行消洗，每两周消洗一次。气-水反冲洗结束后，紧接着进行水反冲洗。关闭空气阀门，调节反冲洗液流量为3m³/min，清洗时间为10-60s。清洗结束后打开出水阀门，关闭反冲洗阀门和空气阀门，膜组件24重新进入过滤状态。

本实施例整个系统的出水水质如下表所示：

项目	进水	产水	去除率
				浊度/NTU	25	0.1	99.6%
CODMn(mg/L)	2.0	1.0	50%
				细菌(cfu/L)	300	0	100%
铁(mg/L)	0.5	0.25	50%
				SS（mg/L）	50	0	100%

Claims

1.一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，包括设置在水库中拱坝一侧的取水塔（18），其特征在于，所述的取水塔（18）中设置有药剂投加室（10），在药剂投加室（10）下方的取水塔（18）中安装有直立的膜组件（24），膜组件（24）距离水塔的水面15～25米；膜组件（24）的上端面中部连接有反冲洗水管（131），膜组件（24）的下端面连接有出水管（221），出水管（221）的连接位置与反冲洗水管（131）在同一条轴线上，出水管（221）沿取水塔（18）侧壁布设并通向清水池（26）；膜组件（24）下端面距离出水管（221）四分之一膜组件（24）直径的位置连接有空气管（151）；所述的膜组件（24）外部设置有斜板（25），斜板（25）由上至下依次设置形成无底面的塔式斜板罩（16）并将膜组件（24）包裹在其中。

2.如权利要求1所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的膜组件（24）包括膜丝束（242）、多孔支撑杆（243）、上封头（241）和下封头（244），其中上封头（241）和下封头（244）分别固结在多孔支撑杆（243）的上、下端，在上封头（241）和下封头（244）之间的多孔支撑杆（243）周围均匀分布有膜丝束（242）；至少6个膜组件（24）并列固定在模框（23）上构成膜组件小单元，至少6个膜组件小单元并列设置构成膜组件大单元；在膜组件大单元上设置有大单元反冲洗水管（13）、大单元出水管（22）和大单元空气管（15），所述的每个膜组件的反冲洗水管（131）均连接至大单元反冲洗水管（13），每个膜组件的出水管（221）均连接至大单元出水管（22），每个膜组件的空气管（151）均连接至大单元空气管（15）。

3.如权利要求2所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的取水塔（18）采用直立箱型取水塔（18），在取水塔（18）一侧的拱坝上设有交通桥（27），在交通桥（27）上安装有反冲洗水泵（2），反冲洗水泵（2）与所述的大单元反冲洗水管（13）连接，在大单元反冲洗水管（13）上开设有消洗液投加口（5）；所述的取水塔（18）中药剂投加室（10）的一侧设置有空气压缩机（7），空气压缩机（7）上连接高压空气罐（8），高压空气罐（8）通过空气管阀门（9）与所述的大单元空气管（15）连接。

4.如权利要求2所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的膜组件大单元固定在笼箱（17）中，该笼箱（17）是用角钢制成的长方体笼箱（17），笼箱（17）中分为四格，每一格中均安装有一个膜组件大单元，每一个膜组件大单元的大单元反冲洗水管（13）和大单元空气管（15）各自连接反冲洗水泵（2）和高压空气罐（8）；每一个膜组件大单元的大单元出水管（22）各自通向清水池（26）。

5.如权利要求1所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的斜板罩（16）为无底面塔式结构，该斜板罩（16）是由斜板（25）从上至下依次焊接组成，斜板罩（16）上每上下相邻的两个斜板（25）之间存在缝隙；每个斜板（25）均采用光滑的不锈钢板，斜板（25）的设置为斜向下方向，斜板罩（16）焊接在所述的笼箱（17）外部。

6.如权利要求1所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的取水塔（18）塔顶设置有滑轨，滑轨上安装有电葫芦（6），电葫芦（6）通过钢丝绳（14）与水塔中的斜板罩（16）顶端连接。

7.如权利要求1所述的所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的取水塔（18）的侧壁上设置有进水口（11），在进水口（11）的前端设置有拦污栅（12）；水塔的底面为斜坡，在靠近水库一侧的水塔底面上设置有沉降坑，沉降坑中安装有潜污泵（19），潜污泵（19）与设置在水塔底部侧壁上的排空管（20）连接，在排空管（20）上安装有拍门（21）。

8.如权利要求2至4中任意一项权利要求所述的一体化混凝/浸没式膜过滤水质净化取水塔，其特征在于，所述的大单元出水管（22）、大单元空气管（15）和大单元反冲洗水管（13）均由多节管道组成，管道之间通过法兰连接。