CN103657426B - 一种农村生活污水超滤反冲洗装置 - Google Patents

Abstract

一种农村生活污水超滤反冲洗装置，属污水的处理类（C02F）。主要解决常规管式超滤反冲洗装置存在的耗能高、清洗不彻底、通量恢复差、运行周期短、操作管理复杂、超滤组件易损坏等问题。利用手动液压泵为超滤反冲洗装置提供动力，实现“低动力”的低能耗效果，并采用“高水位增压人工手动冲洗+手动液压泵增压反冲洗”两级冲洗模式，对膜管进行彻底冲洗，有效提高膜通量恢复度，延长膜组件运行周期。具有低耗能、清洗彻底、通量恢复好、操作管理简单、投资运行费用低等优点。可以和超滤装置配套使用。

Description

一种农村生活污水超滤反冲洗装置

(一)技术领域：

本发明涉及一种农村生活污水超滤反冲洗装置，属污水的处理类（C02F）。

(二)背景技术：

现有的与本发明接近的超滤反冲洗装置，其主要缺陷如下：（1）采用高功率原水泵直接将药剂或清水泵入管式超滤膜，耗能极高，运行成本难于控制，不适于处理规模较小的农村区域；（2）对于污泥沉淀并生长造成的膜管堵塞，清洗不彻底，导致清洗后通量恢复差，致使膜运行周期短；（3）常借助一些含清洗药剂（如：复合化合物、表面活性剂或活性酶）的酸碱溶液进行清洗，其清洗操作过程复杂，操作条件要求严格，如：加药步骤、温度、清洗时间、pH等，否则，易造成清洗药剂与过滤介质之间发生不可预见的副反应，并产生放热效应，进而损坏过滤组件及管路。

(三)发明内容：

本发明提出的一种农村生活污水超滤反冲洗装置，主要解决常规管式超滤反冲洗装置存在的耗能高、清洗不彻底、通量恢复差、运行周期短、操作管理复杂、超滤组件易损坏等问题。利用手动液压泵为超滤反冲洗装置提供动力，实现“低动力”的低能耗效果，并采用“高水位增压人工手动冲洗+手动液压泵增压反冲洗”两级冲洗模式，对膜管进行彻底冲洗，有效提高膜通量恢复度，延长膜组件运行周期。具有低耗能、清洗彻底、通量恢复好、操作管理简单、投资运行费用低等优点。可以和超滤装置配套使用。

一种农村生活污水超滤反冲洗装置，由反冲洗系统和增压系统两大系统构成，其中，增压系统包括高水位增压池和手动液压泵。将经超滤装置处理过的清水引入高位清水储存池增压，利用人工手动冲洗和手动液压泵增压反冲洗实现对膜组件的清洗，收集冲洗污水进行有效处理，并对膜通量恢复度进行测试。其技术特征是：

1.见图1，反冲洗系统由反冲洗系统顶盖门1.2、反冲洗清水区1.4、反冲洗系统外壳1.5、管式膜组件1.6、反冲洗污水收集区1.9、反冲洗污水外排阀门1.10、反冲洗污水外排水管1.11、反冲洗剩余清水外排水管1.12、反冲洗剩余清水外排阀门1.13组成。需要清洗的管式膜组件1.6通过反应器内部上下两端的法兰接口1.8与之密封连接，反应器外壳、阀门及顶盖等均为密封系统，采用抗压不锈钢材料制成。

2.见图1，反应器内管式膜组件1.6底部设计一定尺寸的反冲洗污水收集区1.9，以便增压后的清水从反冲洗清水区1.4透过管式膜组件1.6将附着在管式膜组件内侧的沉淀物收集，及时通过反冲洗污水外排水管1.11及反冲洗污水外排阀门1.10将其排出，以免污水在膜组件内部区域1.7长时间停留造成管式膜组件1.6二次污染。

3.见图1，反冲洗系统顶盖门1.2可打开，采用耐高压有机透光玻璃材质，以方便人工观察系统内部运行情况并开盖操作。为减轻后续液压泵增压系统自动反冲洗的处理负荷，通过设计人工冲洗环节对管式膜组件1.6内部附着的较大无机颗粒、污泥等进行第一级冲洗，即，通过人工冲洗清水管1.27从高位清水储存池1.25引水，再经人工冲洗高压喷头1.26由人工操作将高压清水射入反应器内的膜组件内部区域1.7，进行第一级人工冲洗。为保证足够压力，高位清水储存池1.25的水面标高设计远高于反应器顶面标高。

4.见图1，第二级冲洗环节为液压泵增压系统自动反冲洗，经手动液压泵（图4）增压后的清水通过手动液压泵清水出水管1.30进入反应器反冲洗清水区1.4，在手动液压泵不断增压至额定工作压力下，反冲洗清水区1.4内的清水在额定工作压力下，使水分子由反冲洗清水区1.4移至膜组件内部区域1.7，和膜在净化污水的过程（由膜组件内部区域至外部）的方向相反，使附着在管式膜组件1.6内侧的不能被第一级人工冲洗环节清洗掉的高分子溶质或其它乳化胶束团等滤渣在水分子移动过程中被去除，进入反冲洗污水收集区1.9，从而实现对膜的第二级冲洗。反冲洗污水最终通过反冲洗污水外排水管1.11和反冲洗污水外排阀门1.10将其外排，并进行有效处理。通过“高水位增压人工手动冲洗+手动液压泵增压反冲洗”两级冲洗后，使膜组件达到反冲洗的清洗效果，符合超滤要求，再次进入污水超滤环节投入使用。

5.见图3，为使从手动液压泵增压后的清水在进入反应器内部时，其工作压力进一步提高，在清水管至反应器入口处设计一个起阻塞增压作用的反冲洗清水喷嘴收缩口3.6，使清水进入反应器之前再次受阻塞作用而瞬间增压，清水经反冲洗清水喷嘴入口3.8后呈现高压井喷状进入反应器，从而提高反冲洗效率。

6.见图2，反应器设置正面操作门2.4，通过操作门合页2.5和操作门开关2.10及内部橡胶密封垫圈将其密封，其宽度和高度尺寸的设计略大于清洗对象管式膜组件的尺寸，同时，反冲洗清水区2.13作为工人进入反应器内部的操作工作区，其断面宽度设计为1.2m，以保证工人在反应器内部进行管式膜组件拆装、检查、清洗等工作。反应器横断面设计为圆柱形，作用有两点：第一，方便管式膜组件拆装；第二，从流体力学角度考虑，更利于清水透过膜组件进行反冲洗。

7.见图2，在反应器底部设计反冲洗剩余清水外排水管2.20和反冲洗剩余清水外排阀门2.19，以便完成清洗后，将位于反冲洗清水区2.13的清水回收循环使用。同时，设计反冲洗污水外排阀门2.18和反冲洗污水外排水管2.17，以便收集由第一级人工冲洗环节清洗掉的无机颗粒、污泥等和由第二级反冲洗环节清洗掉的高分子溶质或其它乳化胶束团等滤渣，并外排处理。反冲洗剩余清水外排水管2.20和反冲洗污水外排水管2.17靠近正面操作门2.4，以便对管路进行维护。

8.见图1和图3，高位清水储存池1.25选用不锈钢一体化设备，为手动液压泵提供清水，其满水位的水面标高高于反冲洗反应器顶面标高，使其能为第一级人工冲洗提供足够压力。其下部的清水输送管3.9和手动液压泵清水出水管3.16上分别各设置1个止回阀，其工作过程如下：（1）当液压泵活塞1.33向下施压将手动液压泵清水出水管3.16中的清水压出时，3.10止回阀球2在水压作用下被挤至3.11止回阀门2处，将阀门封死，清水不会回流至高位清水储存池3.3，而是通过3.14止回阀门1，透过3.13止回阀球1和3.12止回阀球滤网1，经手动液压泵清水出水管3.16进入反冲洗清水喷嘴收缩口3.6，最终进入反冲洗反应器；（2）当液压泵活塞1.33由液压泵清水区1.32向上液压泵空气区1.36运动时，在液压泵清水区1.32会形成瞬时真空产生负压，此时，高位清水储存池3.3中的清水3.4通过3.11止回阀门2，透过3.10止回阀球2和3.15止回阀球滤网2，经手动液压泵清水出水管3.16反方向进入液压泵清水区1.32，为液压泵的下一次工作提供动力传输介质；以此同时，在负压作用下，位于反冲洗系统中的反冲洗清水区1.4内的清水也会经过反冲洗清水喷嘴入口3.8沿手动液压泵清水出水管3.16反方向运动，3.13止回阀球1在负压水力作用下被挤至3.14止回阀门1处，将阀门1封死，清水不会回流至液压泵清水区1.32。在（1）和（2）步骤交替运行后，反冲洗系统反应器内将得到额定工作压力的高压水，实现对管式膜组件1.6的反冲洗。

9.见图3，止回阀门及阀球采用高强度耐压橡胶，以保证其关闭时的密封效果，另分别在阀门球后面各设计一个止回阀球滤网，其作用是使清水通过，而阻止阀球通过，最终保证止回阀的连续交替运行。

10.见图4，手动液压泵由手动液压泵清水出水管4.1、手动液压泵外壳4.2、液压泵清水区4.3、液压泵活塞4.4、活塞橡胶垫圈4.5、活塞推拉杆4.6、液压泵空气区4.7、活塞推拉杆位置固定环4.8、手动液压泵杠杆固定支架4.9、杠杆短臂固定点4.10、杠杆短臂4.11、杠杆支点4.12、杠杆长臂4.13、杠杆长臂手柄4.14、杠杆短臂固定螺丝4.17、杠杆支点固定螺丝4.21、活塞推拉杆位置固定环支架4.22构成。

11.见图4，手动液压泵利用杠杆省力原理，通过人工操作杠杆长臂4.13，进而带动液压泵活塞4.4上下运动，以清水为工作介质，从而实现动力与压力能的转换，清水得以增压，最终为反冲洗系统提供压力。其工作过程为：（1）以4.12为杠杆支点，人工用较小的力将杠杆长臂手柄4.14提起，活塞推拉杆4.6带动液压泵活塞4.4顺着手动液压泵外壳4.2的内壁，往上运动，液压泵活塞4.4周围用活塞橡胶垫圈4.5密封，使其在运动时，液压泵清水区4.3形成真空产生瞬时负压，在负压作用下，手动液压泵清水出水管4.1中的清水逐渐填满液压泵清水区4.3，当液压泵活塞4.4运动至液压泵空气区4.7顶部的极限位置时，停止；（2）以4.12为杠杆支点，人工用较小的力将杠杆长臂手柄4.14按下，活塞推拉杆4.6带动液压泵活塞4.4顺着手动液压泵外壳4.2的内壁，往下运动，在液压泵清水区4.3的清水受压力作用，获得压力能，并通过手动液压泵清水出水管4.1，进入反冲洗系统反应器内，形成对管式膜组件的第二级反冲洗，当液压泵活塞4.4运动至液压泵清水区4.3底部的极限位置时，停止。在（1）和（2）步骤交替运行过程中，手动液压泵持续为反冲洗系统反应器内提供额定工作压力的高压水，实现对管式膜组件的反冲洗。

12.见图4，手动液压泵外壳4.2、杠杆固定支架4.9、活塞推拉杆4.6、活塞推拉杆位置固定环4.8、杠杆长短臂均采用机械强度高的抗压不锈钢材料；活塞橡胶垫圈4.5和杠杆长臂手柄4.14采用高强度防滑橡胶。

13.见图4，手动液压泵外壳4.2横断面设计为圆形，减少液压泵活塞4.4运动时因内壁摩擦阻力而损失的动能，提高加压效率。

14.见图4，由帕斯卡定律得知，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞面积的10倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大至第一个活塞的10倍，而两个活塞上的压强仍然相等。据此原理，将手动液压泵外壳4.2横断面积设计为比反冲洗系统内管式膜组件与增压清水的外接触面积小，由此可以用较小的力产生较大的压强，提高反冲洗效率。

15.见图1，随着超滤反冲洗过程的不断进行，在膜表面沉积的堵塞物得以去除，膜通量得以恢复。本设计根据选用管式膜组件1.6的类型和尺寸，可量身订做反冲洗系统的反应器。

本发明有益效果：

（1）本发明利用手动液压泵为超滤反冲洗装置提供动力，采用清水作为动力传输介质，实现“低动力”的低能耗效果，与传统直接泵入清水或药剂相比，能耗优势十分显著。

（2）采用“高水位增压人工手动冲洗+手动液压泵增压反冲洗”两级冲洗模式，对膜管进行彻底冲洗，有效提高膜通量恢复度，延长膜组件运行周期。

（3）反应器内管式膜组件底部设计反冲洗污水收集区，以便及时将附着在管式膜组件内侧的沉淀物收集外排，相比传统管式膜组件循环反冲洗系统，有效避免了污水在膜组件内部区域长时间停留造成膜组件二次污染。

（4）在清水管至反应器入口处设计一个起阻塞增压作用的反冲洗清水喷嘴收缩口，使清水进入反应器之前再次受阻塞作用而瞬间增压，从而提高反冲洗效率。

（5）两个止回阀的设计，有效保证了手动液压泵的连续运行。

（6）反应器的圆形设计和手动液压泵的圆形设计融入流体力学原理，手动液压泵断面尺寸的设计考虑了帕斯卡定律，最终实现了“省力、高效”的反冲洗效果。

（7）超滤反冲洗装置的尺寸可根据农村实际处理水量、水质、选用的管式膜组件进行量身订做，反应器高度不受限制，可根据安装现场空间大小及选用的管式膜组件长度决定，自由度较大，充分考虑跨区域物流需要，方便普通货车载运，经济可行。

（8）系统实现了工程设备化、一体化、模块化，利于工业化批量生产，并有效解决了无地修筑池体和移动不便的实际困难。

（9）具有低耗能、清洗彻底、通量恢复好、操作管理简单、投资运行费用低等优点，可以和超滤装置配套使用。

(四)附图说明：

图1反冲洗装置剖面图：1.1反冲洗系统顶盖门拉手、1.2反冲洗系统顶盖门、1.3反冲洗系统清水液面、1.4反冲洗清水区、1.5反冲洗系统外壳、1.6管式膜组件、1.7膜组件内部区域、1.8法兰接口、1.9反冲洗污水收集区、1.10反冲洗污水外排阀门、1.11反冲洗污水外排水管、1.12反冲洗剩余清水外排水管、1.13反冲洗剩余清水外排阀门、1.14反冲洗清水喷嘴入口、1.15反冲洗清水喷嘴收缩口、1.16压力表、1.17止回阀球滤网1、1.18止回阀球1、1.19止回阀门1、1.20止回阀球滤网2、1.21清水输送管、1.22止回阀球2、1.23止回阀门2、1.24清水储存区、1.25高位清水储存池、1.26人工冲洗高压喷头、1.27人工冲洗清水管、1.28清水供水阀门、1.29清水供水管、1.30手动液压泵清水出水管、1.31手动液压泵外壳、1.32液压泵清水区、1.33液压泵活塞、1.34活塞橡胶垫圈、1.35活塞推拉杆、1.36液压泵空气区、1.37活塞推拉杆位置固定环、1.38手动液压泵杠杆固定支架、1.39杠杆短臂固定点、1.40杠杆短臂、1.41杠杆支点、1.42杠杆长臂、1.43杠杆长臂手柄。

图2反冲洗系统示意图（图A正视图，图B俯视图）：2.1和2.22反冲洗系统顶盖门拉手、2.2和2.24反冲洗系统顶盖门、2.3和2.12反冲洗系统外壳、2.4正面操作门、2.5和2.15操作门合页、2.6和2.18反冲洗污水外排阀门、2.7和2.17反冲洗污水外排水管、2.8和2.19反冲洗剩余清水外排阀门、2.9和2.20反冲洗剩余清水外排水管、2.10和2.16操作门开关、2.11和2.21反冲洗清水入口、2.13反冲洗清水区、2.14管式膜组件、2.23反冲洗系统顶盖门合页。

图3清水储存池示意图（图A剖面图，图B俯视图）：3.1和3.18清水供水阀门、3.2和3.19清水供水管、3.3和3.17高位清水储存池、3.4和3.21清水储存区、3.5压力表、3.6反冲洗清水喷嘴收缩口、3.7反冲洗系统外壳、3.8反冲洗清水喷嘴入口、3.9和3.20清水输送管、3.10止回阀球2、3.11止回阀门2、3.12止回阀球滤网1、3.13止回阀球1、3.14止回阀门1、3.15止回阀球滤网2、3.16手动液压泵清水出水管。

图4手动液压泵示意图（图A剖面图，图B俯视图）：4.1和4.16手动液压泵清水出水管、4.2和4.15手动液压泵外壳、4.3液压泵清水区、4.4液压泵活塞、4.5活塞橡胶垫圈、4.6活塞推拉杆、4.7液压泵空气区、4.8和4.20活塞推拉杆位置固定环、4.9和4.19手动液压泵杠杆固定支架、4.10和4.18杠杆短臂固定点、4.11杠杆短臂、4.12杠杆支点、4.13和4.23杠杆长臂、4.14和4.24杠杆长臂手柄、4.17杠杆短臂固定螺丝、4.21杠杆支点固定螺丝、4.22活塞推拉杆位置固定环支架。

(五)具体实施方式：

超滤反冲洗装置的尺寸可根据农村实际处理水量、水质、选用的管式膜组件进行量身订做；也可以和超滤装置配套使用。

本系统采用连续式运行模式，打开正面操作门2.4，将准备清洗的管式膜组件通过法兰接口安装至反冲洗系统内，按图1接通管路，即开始进行两级清洗，其工作过程如下：

1、第一级人工冲洗——“高水位增压人工手动冲洗”

（1）关闭反冲洗污水外排阀门1.10和反冲洗剩余清水外排阀门1.13，关闭反应器正面操作门2.4，打开清水供水阀门1.28，将高位清水储存池1.25注满清水，关闭清水供水阀门1.28。

（2）见图1，打开反冲洗系统顶盖门1.2，通过人工冲洗清水管1.27从高位清水储存池1.25引水，再经人工冲洗高压喷头1.26由人工操作将高压清水射入反应器内的膜组件内部区域1.7，对管式膜组件内部附着的较大无机颗粒、污泥等进行第一级人工冲洗。检查清洗效果后，关闭人工冲洗高压喷头1.26的阀门。

（3）打开反冲洗污水外排阀门1.10，将反冲洗污水收集区1.9内的人工冲洗污水外排，进行处理。

2、第二级液压反冲洗——“手动液压泵增压反冲洗”

（1）关闭反冲洗污水外排阀门1.10和反冲洗系统顶盖门1.2，打开清水供水阀门1.28，将高位清水储存池1.25再次注满清水，关闭清水供水阀门1.28。

（2）启动手动液压泵增压系统，以4.12为杠杆支点，人工用较小的力将杠杆长臂手柄4.14提起，活塞推拉杆4.6带动液压泵活塞4.4顺着手动液压泵外壳4.2的内壁，往上运动，液压泵活塞周围用活塞橡胶垫圈4.5密封，使其在运动时，液压泵清水区4.3形成真空产生瞬时负压，在负压作用下，手动液压泵清水出水管4.1中的清水逐渐填满液压泵清水区4.3，当液压泵活塞4.4运动至液压泵空气区4.7顶部的极限位置时，杠杆提升运动停止。

（3）再以4.12为杠杆支点，人工用较小的力将杠杆长臂手柄4.14按下，活塞推拉杆4.6带动液压泵活塞4.4顺着手动液压泵外壳4.2的内壁，往下运动，在液压泵清水区4.3的清水受压力作用，获得压力能，并通过手动液压泵清水出水管4.1，进入反冲洗系统反应器内反冲洗清水区1.4，在手动液压泵不断增压至额定工作压力下，反冲洗清水区1.4内的清水在额定的工作压力下，使水分子由反冲洗清水区1.4移至膜组件内部区域1.7，和膜在净化污水的过程（由膜组件内部区域至外部）的方向相反，使附着在管式膜组件内侧的不能被第一级人工冲洗环节清洗掉的高分子溶质或其它乳化胶束团等滤渣在水分子移动过程中被去除，进入反冲洗污水收集区1.9，从而实现对膜的第二级冲洗。当液压泵活塞4.4运动至液压泵清水区4.3底部的极限位置时，杠杆下压运动停止。再开始（2）步骤。

（4）在（2）和（3）步骤交替运行过程中，手动液压泵持续为反冲洗系统反应器内提供额定工作压力的高压水，实现对膜组件的第二级反冲洗，直至膜组件达到反冲洗的清洗效果，符合超滤要求，停止（2）和（3）步骤。

（5）打开反冲洗污水外排阀门1.10和反冲洗剩余清水外排阀门1.13，反冲洗污水最终通过反冲洗污水外排水管1.11将其外排，并进行有效处理。反冲洗剩余清水最终通过反冲洗剩余清水外排水管1.12将其外排回收，循环使用。

（6）打开正面操作门2.4，将清洗干净的管式膜组件取下备用。至此，两级清洗结束。

Claims (6)

1.一种农村生活污水超滤反冲洗装置，由反冲洗系统和增压系统两大系统构成，其特征是：

A.反冲洗系统由反冲洗系统顶盖门、反冲洗清水区、反冲洗系统外壳、管式膜组件、反冲洗污水收集区、反冲洗污水外排阀门、反冲洗污水外排水管、反冲洗剩余清水外排水管、反冲洗剩余清水外排阀门组成；需要清洗的管式膜组件通过反应器内部上下两端的法兰接口与之密封连接，反应器外壳、阀门及顶盖均为密封系统，采用抗压不锈钢材料制成；反冲洗清水区断面宽度设计为1.2m，横断面设计为圆柱形；

B.增压系统包括高水位增压池和手动液压泵，采用“高水位增压人工手动冲洗+手动液压泵增压反冲洗”两级冲洗模式，对膜管进行彻底冲洗；在清水管至反应器入口处设计一个起阻塞增压作用的反冲洗清水喷嘴收缩口。

2.根据权利要求1所述一种农村生活污水超滤反冲洗装置，其特征是所述A中的管式膜组件底部设计一定尺寸的反冲洗污水收集区，以便增压后的清水从反冲洗清水区透过管式膜组件将附着在管式膜组件内侧的沉淀物收集，及时通过反冲洗污水外排水管及反冲洗污水外排阀门将其排出，以免污水在膜组件内部区域长时间停留造成管式膜组件二次污染。

3.根据权利要求1所述一种农村生活污水超滤反冲洗装置，其特征是所述A中的反冲洗系统顶盖门可打开，采用耐高压有机透光玻璃材质，以方便人工观察系统内部运行情况并开盖操作；为减轻后续液压泵增压系统自动反冲洗的处理负荷，通过设计人工冲洗环节对管式膜组件内部附着的较大无机颗粒、污泥进行第一级冲洗，即，通过人工冲洗清水管从高位清水储存池引水，再经人工冲洗高压喷头由人工操作将高压清水射入反应器内的膜组件内部区域，进行第一级人工冲洗；为保证足够压力，高位清水储存池的水面标高设计远高于反应器顶面标高。

4.根据权利要求1所述一种农村生活污水超滤反冲洗装置，其特征是所述B中的手动液压泵由手动液压泵清水出水管、手动液压泵外壳、液压泵清水区、液压泵活塞、活塞橡胶垫圈、活塞推拉杆、液压泵空气区、活塞推拉杆位置固定环、手动液压泵杠杆固定支架、杠杆短臂固定点、杠杆短臂、杠杆支点、杠杆长臂、杠杆长臂手柄、杠杆短臂固定螺丝、杠杆支点固定螺丝、活塞推拉杆位置固定环支架构成。

5.根据权利要求4所述一种农村生活污水超滤反冲洗装置，其特征是所述手动液压泵利用杠杆省力原理，通过人工操作杠杆长臂，进而带动液压泵活塞上下运动，以清水为工作介质，从而实现动力与压力能的转换，清水得以增压，最终为反冲洗系统提供压力。

6.根据权利要求4所述一种农村生活污水超滤反冲洗装置，所述手动液压泵其特征是：

A.手动液压泵外壳、杠杆固定支架、活塞推拉杆、活塞推拉杆位置固定环、杠杆长短臂均采用机械强度高的抗压不锈钢材料；活塞橡胶垫圈和杠杆长臂手柄采用高强度防滑橡胶；

B.手动液压泵外壳横断面设计为圆形，减少液压泵活塞运动时因内壁摩擦阻力而损失的动能，提高加压效率，将手动液压泵外壳横断面积设计为比反冲洗系统内管式膜组件与增压清水的外接触面积小，由此可以用较小的力产生较大的压强，提高反冲洗效率。