CN103638819B - 一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液外置管式膜的清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液外置管式膜的清洗方法，包括物理清洗和化学清洗，物理清洗依次包括清水冲洗、单独气洗、气水混合冲洗和高速流水冲洗，采用PLC系统控制控制外置管式膜生物反应器在正常运行、物理清洗和化学清洗三种状态中自动切换。本发明通过增加单独气洗的环节，在保证膜通量恢复效率的前提下避免了频繁化学清洗对膜的损伤，有效延长了膜的使用寿命，同时节省了部分水泵耗能；引入PLC自动控制化学清洗时药剂的投加量，减少浪费；增加中和罐控制洗后液的pH值，避免洗后液排放对环境造成的污染，更加环保。本发明还公开了用于该清洗方法的清洗系统。

Description

一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液外置管式膜的清洗方法

技术领域

本发明属于膜技术领域，具体涉及一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液外置管式膜的清洗方法。

背景技术

垃圾焚烧发电正逐渐成为了我国城市生活垃圾处理的新趋势，它能够同时实现垃圾的减量化、资源化和无害化，符合可持续发展的要求。我国城市生活垃圾中厨余物所占比例较大，导致垃圾含水率高、热值低，给焚烧处理带来了困难。为了提高热值，一般将垃圾进行3～5d的发热熟化处理，而此过程伴随着大量渗沥液的产生，其特点是成分复杂、有机物浓度高、氨氮含量高、含有多种金属离子等，必须进行有效处理以实现达标排放或回用。目前，对垃圾焚烧渗沥液的处理方法主要有厌氧、好氧生物处理，物化处理，膜处理、蒸发处理等。

膜生物反应器是（MBR）作为一种新型污水处理技术，将膜分离技术与活性污泥法相结合，克服了传统活性污泥法的污泥流失和污泥膨胀的弊病，使生化处理的水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)能够独立控制，有利于增值速度相对较慢的难降解有机物分解菌的生长。相对于传统的污水处理工艺，它具有占地小，污泥浓度高，处理容积负荷高，出水水质稳定等优点，在垃圾焚烧渗沥液的处理中逐渐得到的了重视和应用。专利“一种处理生活垃圾焚烧厂垃圾滤出液的方法”（公开号CN102107997A）采用“预处理-厌氧膨胀颗粒污泥床-缺氧移动床生物膜反应器-两级好氧移动床生物膜反应器-膜生物反应器”处理工艺，去除废水中绝大部分有机污染物、氨氮和总氮，使出水水质达标排放。此工艺MBR处理单元采用了内置式处理方式，这种内置式中空纤维膜具有填充密度大、结构紧凑、建设成本和运行成本低等优点。但该处理方式在实际使用中遇到了诸多问题，如：为了保证膜一定的渗透通量和有效减缓其污染，需要在大曝气量下运行，这就产生了膜丝易断裂的问题。而外置式MBR常采用管式膜，这种管式膜相对于中空纤维膜本身透水量大，且放置于生物反应池外面，不用依靠大曝气量来保证膜渗透通量和减缓膜污染，从而避免了膜丝易断裂的问题。

将外置管式膜生物反应器用于垃圾焚烧渗沥液生化处理的末端，运行一定时间后，由于微生物自身分泌物、废水中的颗粒物、无机物和有机物的污染，膜的透水通量逐渐减小，必须通过物理或化学清洗方法来恢复膜的透水通量。

对于外置管式膜生物反应器的物理清洗方法。专利“连续循环式管式膜生物反应器”（公开号：CN102963972）采用的是高速流水冲洗，高速的流水冲洗能耗大、运行成本高，并且对于垃圾焚烧渗沥液这种特殊水质的处理中，只采用高速流水冲洗不能有效去除膜表面的泥饼层，使膜通量得不到有效恢复。专利“外置式厌氧膜生物反应器及其废水净化工艺”（公开号102153251A）中采用了气水混合冲洗方法，该方法利用收集起来的沼气淋洗清洗后与污水一并泵入管式超滤膜组件中，这种清洗方法虽然节约了一部分能耗，但是沼气属于易爆炸气体，存在着很大的安全隐患。

对于外置管式膜生物反应器的化学清洗方法。专利“气提式外置管式膜生物反应器净化装置”（公开号：CN102730816A）进行清洗膜时，在水气洗后的15-20个周期后对管式膜组件进行10-15分钟的化学浸泡清洗，采用此方法处理垃圾焚烧渗沥液这种金属离子及二氧化硅浓度高的特殊水质时，并不能使污染严重的膜通量达到较高恢复率。专利“一种管式膜的清洗剂、清洗方法及清洗装置”（公开号：CN103285738）发明了一种C1～C4醇为溶剂，酸或碱为溶质配制的化学清洗剂，采用这种清洗剂来清洗垃圾焚烧渗沥液污染后的膜，膜通量仍得不到有效恢复，若是用频繁化学清洗来提高膜比通量恢复率，不但会使化学试剂消耗量大，还会对膜材质造成损伤，缩短膜的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液的外置管式膜清洗方法。此方法（依次清水冲洗、气洗、气水混合冲洗、高速流水冲洗，必要时化学清洗）在保证膜材料具有良好的恢复性能的前提下，避免了频繁的化学清洗对膜造成的损伤，从而有效延长了膜的使用寿命。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液的外置管式膜清洗方法，包括物理清洗和化学清洗，其特征在于，物理清洗依次包括下述步骤：

（1）清水冲洗：用清水对生物反应器的管式膜组件冲洗，将膜管内泥水排出；

（2）单独气洗：将膜组件入水口、出水口与回流口阀门关闭，只向膜组件内通入空气，气体打入膜组件水中形成的气泡对膜表面泥饼层进行冲刷，使得泥饼层松散，便于后续清洗对膜表面泥饼层的去除；

（3）气水混合冲洗：采用气水冲洗液对膜组件进行冲洗；

（4）高速流水冲洗：将经过单独气洗与气水混合冲洗的膜表面残留污泥泥饼层通过高速流水冲洗带出膜管；

化学清洗采用先碱洗（洗液可以为400ppm的次氯酸钠与0.1%的氢氧化钠）再酸洗（洗液可以为0.5%的柠檬酸）的清洗方法。

在一些具体实施方案中，采用PLC系统控制清洗系统中所有阀门和泵的开启和关闭，控制生物反应器在正常运行、物理清洗和化学清洗三种状态中自动切换。

在一些具体实施方案中，生物反应器运行设定时间（例如1天）后，PLC系统控制生物反应器进入物理清洗状态。

在一些具体实施方案中，PLC系统采集生物反应器流出清水流量数据，当流出清水流量低于设定值时，PLC系统控制生物反应器进入化学清洗状态。

在一些具体实施方案中，PLC系统采集化学清洗过程中碱洗液、酸洗液和洗后液的pH值，自动控制碱洗液和酸洗液的加入量，并控制洗后液的pH值在7-8后再排放。

在一些具体实施方案中，PLC系统采集生物反应池中液位数据，并自动控制水泵的开启和关闭，实现生物反应池中的液位稳定。

本发明的另一个目的是提供一种使膜通量有效恢复的清洗系统。

一种处理垃圾焚烧渗沥液的外置管式膜生物反应器清洗系统，主要包括：生物反应池1，管式膜组件2，清水池3，碱洗罐4，酸洗罐5，中和罐6，污泥池7。原水通过水泵17流入生物反应池1中，生物反应池1通过精密过滤器8经循环水泵14与膜组件入口相连。膜组件渗透出水口通过液体流量计后与清水池3相连接，在进行化学清洗时与碱洗罐4或酸洗罐5相连接。膜组件循环回流出水中大部分污泥浓缩液流回膜组件2形成错流，小部分流入生化反应池1及污泥池7，在进行化学清洗时回流液流入酸洗罐5或碱洗罐4。在管式膜组件2入水口与回流口分别接有气泵11与排气口9，管式膜组件2入水口、出水口和回流口处均连有阀门。为了强化清洗效果，并节约能耗，在外置管式膜生物反应器清洗过程中，在清水冲洗后增加了单独气洗的环节，与常规清洗相比，增加单独气洗不但能提高膜的物理清洗通量恢复率，并且能将气水混合冲洗的时间缩短，从而节约部分水泵运转能耗。

在膜生物反应器正常运行设定时间（例如1天）后进行物理清洗。

在一些具体实施方案中，还包括PLC系统，控制所有阀门和泵的开启和关闭，所述液体流量计10与PLC系统连接。当流经液体流量计10的清水流量低于设定值时，利用PLC控制外置管式膜生物反应器进入化学清洗状态，化学清洗包括碱洗和酸洗。

本发明中所述的管式膜组件入水口接有进气泵，为膜组件的单独气洗与气水混合清洗提供保证。膜组件循环回流口顶端接有排气口，使得膜组件进行单独气洗时气体可以顺利进入膜管内并经排气口排出，避免膜管内液体被气体带出而产生的清水流失。当膜比通量下降到新膜的67%后进行物理清洗，单独气洗后，膜比通量可恢复到初始通量的75.4%，如图2所示。

本发明中所述的外置管式MBR清洗系统中包括一清水池，在正常过滤运行时，清水池与膜组件出水口连接，主要容纳透过膜组件的清水，并且在进行膜的气水混合冲洗与高速流水冲洗时与膜组件入水口连接，为膜组件清洗提供用水。在对膜组件进行气水混合冲洗后，膜通量可恢复到初始通量的80.8%，高速流水冲洗后膜通量可恢复到初始通量的86.3%，如图2所示。相对于其他清洗方法，本发明增加了单独气洗的清洗方法只通过物理清洗就可使膜通量达到较高的恢复率，从而减少了化学清洗的频率，有效延长了膜组件的使用寿命。并且此方法可将总共15分钟的物理清洗时间缩短到8分钟，有效减少了气水混合清洗与高速流水冲洗中的水泵能耗。

本发明中所述的外置管式MBR清洗系统中包括一污泥池，污泥池主要容纳膜生物反应器排出的污泥，与膜组件出水口相连，并接有阀门25，污泥池底端与生物反应池相连，并通过污泥循环泵15循环回生物反应池。

本发明中所述的外置管式MBR清洗系统中包括酸洗罐、碱洗罐与中和罐。在进行化学清洗时采用先碱洗后酸洗的方法。先将碱洗液（400ppm的次氯酸钠与0.1%的氢氧化钠）存入碱洗罐中，碱洗罐与膜组件入水口、出水口及回流口相连通，碱洗10小时后停止。再进行酸洗，采用的酸洗液是0.5%的柠檬酸，酸洗13小时后停止。最后将酸碱洗液排入中和罐里中和后再排放，达到无害化处理，防止氢氧化钠的强腐蚀性与柠檬酸的易燃性对环境造成污染。在对膜组件进行碱洗和酸洗后，膜通量可恢复至初始通量的99.2%，如图2所示。

在一些具体实施方案中，生物反应池1内部有与PLC系统相连接的液位控制探头。

在一些具体实施方案中，所述碱洗罐4、酸洗罐5和中和罐6中设有pH探头与PLC系统连接。为了避免化学药剂投加过量所引起的化学药剂的浪费。引入PLC对化学清洗药剂的投加过程进行控制，从而避免不必要的化学药剂损失。并且通过PLC控制调节中和罐中pH在7-8后再进行废液排放，避免酸碱液排放对环境造成的污染。

本发明中所述的可编程逻辑控制系统（PLC），其主要作用在于：1、生物反应池中液位控制器与PLC相连接，PLC控制进水泵的开关从而使得生物反应池中液位稳定。2、酸洗罐、碱洗罐与中和罐中放入与PLC连接的pH计，当酸洗罐、碱洗罐或中和罐中洗液的pH未在所设定范围内时由PLC自动控制加入酸或碱对其进行调节。3、与膜组件出水口相连接的液体流量计与PLC连接，当膜组件渗透出水液体流量低于设定值时PLC自动控制启动化学清洗。

本发明具有以下有益效果：1、通过在常规外置管式膜生物反应器清洗方法的物理清洗过程中增加单独气洗的环节，增大气泡对膜表面泥饼层的冲刷作用，泥饼层松散便于去除，使得物理清洗后的膜通量恢复程度得到有效提高，从而减少了化学清洗的频率，延长了膜组件的使用寿命。并且此方法缩短了物理清洗的时间，有效减小了水泵能耗。2、增加了中和罐对使用过的化学酸碱清洗液进行中和，从而减小酸碱洗液排放对环境造成的污染，相对于其他清洗方法及系统此方法更加环保。3、通过PLC系统和相应的传感器，可以控制膜生物反应器根据工作需要和膜污染程度在正常运行、物理清洗和化学清洗之间自动切换，并且使化学清洗药剂的pH控制在规定范围内。

附图说明：

图1是本发明外置管式膜生物反应器及其清洗装置示意图。

图2是采用本发明清洗方法后膜比通量恢复率效果图。

图3A是新膜内表面SEM图。

图3B是运行一定时间后膜内表面SEM图。

图3C是采用物理方法清洗后膜内表面SEM图。

图3D是用化学方法清洗后膜内表面SEM图。

附图标记：1生物反应池，2管式膜组件，3清水池，4碱洗罐，5酸洗罐，6中和罐，7污泥池，8精密过滤器，9排气口，10液体流量计，11、12气泵，13、14、15、16、17水泵，18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32阀门，33曝气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液的外置管式膜清洗方法主要包括下述步骤：

（1）清水冲洗：采用常规方法进行清水冲洗，主要将膜管内泥水排出。

（2）单独气洗：将膜组件入水口与回流口阀门关闭，只向膜组件内通入空气，气体打入膜组件水中形成的气泡对膜表面泥饼层进行冲刷，使得泥饼层松散，便于后续清洗对膜表面泥饼层的去除。

（3）气水混合冲洗：采用空气与清水的体积比为30:1的气水冲洗液对膜组件进行冲洗。

（4）高速流水冲洗：将经过单独气洗与气水混合冲洗的膜表面残留污泥泥饼层通过高速流水冲洗带出膜管内，在高流速2.8m/s下、低压力下进行高速流水冲洗。

（5）化学药剂清洗：采用先碱洗（400ppm的次氯酸钠与0.1%的氢氧化钠）再酸洗（0.5%的柠檬酸）的清洗方法。

本方法清洗系统主要包括(图1所示)：生物反应池1，管式膜组件2，清水池3，碱洗罐4，酸洗罐5，中和罐6，污泥池7，可编程逻辑控制系统（PLC）构成。原水通过水泵17流入生物反应池1中，生物反应池1通过精密过滤器8经循环水泵14与膜组件入口相连。膜组件渗透出水口通过液体流量计后与清水池3相连接，在进行化学清洗时与碱洗罐4或酸洗罐5相连接。膜组件循环回流出水中大部分污泥浓缩液流回膜组件2形成错流，小部分流入生化反应池1及污泥池7，在进行化学清洗时回流液流入酸洗罐5或碱洗罐4。PLC主要与碱洗罐2、酸洗罐3、中和罐6中的pH探头所连接，并且与膜组件渗透出水口液体流量计10连接，根据具体测得的pH值来控制酸碱液的投加，使其达到所需的pH范围，根据具体的渗透出水量控制所需阀门与泵的开启，从而控制生物反应器的清洗过程。

下面分别介绍各种工作状态下的外置管式膜生物反应器清洗系统工作程序。

1正常运行

PLC自动控制开启阀门18、19、20、21、26，其余阀门均关闭。开启水泵14、13、17。入水→水泵17→生物反应池1→阀门18→精密过滤器8→循环水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门26→清水池3，另一路未能透过膜组件膜管的大部分污泥浓缩液从膜组件2→阀门20→水泵13→阀门19→膜组件2形成膜组件表面错流，而小部分的污泥浓缩液通过阀门20及阀门21回到生物反应池1内继续反应。

2物理清洗

每天膜过滤结束后对管式膜组件进行一次物理清洗，整个物理清洗包括水洗、气洗、气水混合冲洗、高速水冲洗。总时间为8分钟。其中水洗1分钟，气洗2分钟，气水混合冲洗2分钟，高速水冲洗3分钟，

（1）水洗：开启循环水泵14，开启阀门29、19、20、21、26关闭其余阀门。其中循环泵14控制膜组件膜管内水流速为2.2m/s，循环时间为1分钟。清水池3中的清水→阀门29→水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门26→清水池3，另一路未能透过膜组件膜管的污泥混合液从膜组件2→阀门20→阀门21→生物反应池1。

（2）气洗：除阀门22以外的其余阀门均关闭，开启气泵11，关闭所有水泵。气体由气泵11打入管式膜组件2的膜管内，产生的气泡对膜管内壁进行冲刷。气体由排气口9排出，单独气洗时间为2分钟。

（3）气水混合冲洗：开启气泵11，开启水泵14、13。开启阀门29、19、20、21，其余阀门均关闭，清洗时间为2分钟。清水池3中的清水→阀门29→水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门26→清水池3，另一路未能透过膜组件膜管的污泥混合液从膜组件2→阀门20→阀门21→生物反应池1，气泵11通入的气体与清水同时对膜管内壁进行冲刷。

（4）高速水冲洗：关闭气泵11，开启水泵14、13。开启阀门29、19、20、21，其余阀门均关闭，清洗时间为3分钟。清水池3中的清水→阀门29→水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门26→清水池3，另一路未能透过膜组件膜管的污泥混合液从膜组件2→阀门20→阀门21→生物反应池1。

3化学清洗

PLC根据液体流量计10的读数自动启动对膜管进行化学清洗，化学清洗包括碱洗与酸洗，化学清洗时间为23小时，其中碱洗时间为10小时，酸洗时间为13小时。

（1）碱洗：碱洗罐4中为400ppm的次氯酸钠与0.1%的氢氧化钠配成的碱洗液，并且清洗罐中有pH探头连接PLC系统，自动控制药的投加量，使得碱洗液的pH在11到12。碱洗循环时间为10小时。开启循环泵14，开启阀门30、19、20、23、27其余阀门都关闭，碱洗罐4中的碱洗液→阀门30→水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门27→碱洗罐4，另一路未能透过膜组件膜管的清洗液从膜组件2→阀门20→阀门23→碱洗罐4。

（2）酸洗：酸洗罐5中为0.5%的柠檬酸，并且清洗罐中有pH探头连接PLC系统，自动控制药的投加量，使得酸洗液的pH在1到2。酸洗循环时间为13小时。开启阀门31、19、20、24、28其余阀门都关闭，酸洗罐5中的酸洗液→阀门31→水泵14→阀门19→管式膜组件2→液体流量计10→阀门28→酸洗罐5，另一路未能透过膜组件膜管的清洗液从膜组件2→阀门20→阀门24→酸洗罐5。

4化学清洗液的排出：

使用过的碱洗液与酸洗液通过循环泵16在中和罐6中中和，中和罐6中有连接PLC系统的pH探头，自动控制酸或碱的投加量，使得中和罐中的化学清洗液pH在7到8后再排放。

采用上述清洗方法后，膜的通量恢复率可以通过图2表示。

采用膜比通量的恢复率来表示膜的清洗效果（图2），可看出当MBR膜比通量下降到新膜的67%时对膜组件进行清洗。单独气洗后，膜比通量可恢复到初始通量的75.4%，气水混合冲洗后，膜比通量可恢复到初始通量的80.8%，高速流水冲洗后膜比通量可恢复到初始通量的86.3%，化学清洗后膜比通量可恢复至初始通量的99.2%。相对于其他清洗方法，此方法的物理清洗效果更加明显，减小了化学清洗频率，从而延长了膜的使用寿命。

采用扫面电镜（SEM）对每个阶段的膜表面清洗恢复情况进行表征（图3A-图3D），可以看出，在采用物理方法清洗后(图3C所示)，相对于污染后的膜（图3B所示）膜表面大部分泥饼被冲刷干净。采用化学方法清洗后（图3D所示）相对于物理清洗后的膜，膜面更加干净，化学清洗可有效的去除膜面微生物、有机及无机污染物，化学清洗效果更加显著。

Claims (10)

1.一种用于深度处理垃圾焚烧渗沥液外置管式膜的清洗方法，包括物理清洗和化学清洗，其特征在于，物理清洗依次包括下述步骤：

(1)清水冲洗：用清水对管式膜组件冲洗，将膜管内泥水排出；

(2)单独气洗：将膜组件入水口、出水口和回流口阀门关闭，只向膜组件内通入空气，气体打入膜组件水中形成的气泡对膜表面泥饼层进行冲刷，使得泥饼层松散，便于后续清洗对膜表面泥饼层的去除；

(3)气水混合冲洗：采用气水冲洗液对膜组件进行冲洗；

(4)高速流水冲洗：将经过单独气洗与气水混合冲洗的膜表面残留污泥泥饼层通过高速流水冲洗带出膜管；

化学清洗采用先碱洗再酸洗的清洗方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用PLC系统控制清洗系统中所有阀门和泵的开启和关闭，控制外置管式膜生物反应器在正常运行、物理清洗和化学清洗三种状态中自动切换。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，外置管式膜生物反应器运行设定时间后，PLC系统控制外置管式膜生物反应器进入物理清洗状态。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，PLC系统采集外置管式膜生物反应器流出清水流量数据，当流出清水流量低于设定值时，PLC系统控制外置管式膜生物反应器进入化学清洗状态。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，PLC系统采集化学清洗过程中碱洗液、酸洗液和洗后液的pH值，自动控制碱洗液和酸洗液的加入量，并控制洗后液的pH值在7-8后再排放。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，PLC系统采集外置管式膜生物反应器生物反应池中液位数据，并自动控制水泵的开启和关闭，实现生物反应池中的液位稳定。

7.用于权利要求1-6任一权利要求的方法的外置管式膜生物反应器清洗系统，包括：生物反应池(1)、管式膜组件(2)、清水池(3)、碱洗罐(4)、酸洗罐(5)、中和罐(6)和污泥池(7)；原水通过水泵(17)流入生物反应池(1)，生物反应池(1)出水口通过精密过滤器(8)经循环水泵(14)与管式膜组件(2)入口相连；管式膜组件(2)出水口通过液体流量计(10)与清水池(3)相连接；管式膜组件(2)还与碱洗罐(4)、酸洗罐(5)相连接；污泥池(7)与管式膜组件(2)回流口相连，污泥池(7)底端通过泵(15)与生物反应池(1)相连；

其特征在于，

在管式膜组件(2)入水口与回流口分别接有气泵(11)与排气口(9)，管式膜组件(2)入水口、出水口和回流口处均连有阀门。

8.根据权利要求7所述的外置管式膜生物反应器清洗系统，其特征在于，还包括PLC系统，控制所有阀门和泵的开启和关闭，所述液体流量计(10)与PLC系统连接。

9.根据权利要求8所述的外置管式膜生物反应器清洗系统，其特征在于，碱洗罐(4)、酸洗罐(5)和中和罐(6)设有pH值探头与PLC系统连接。

10.根据权利要求8所述的外置管式膜生物反应器清洗系统，其特征在于，生物反应池(1)内部有与PLC系统相连接的液位探头。