CN104093478A - 用于膜组件的加速测试的方法 - Google Patents

Abstract

一种对在工业膜分离过程(100)的操作期间的循环应力具有耐受性的膜组件(40)的加速测试的方法，包括将至少一个膜组件(40)安装至测试装置(60)的测试单元(61、70)；在多个膜操作循环期间使所述膜组件(40)经受循环应力的同时进行所述工业膜分离过程，每个循环的持续时间明显短于在操作装置(100)中用于所述工业膜分离过程的操作的持续时间；以及测试所述膜组件(40)由所述循环应力导致的部件失效。

Description

用于膜组件的加速测试的方法

技术领域

本发明涉及一种膜组件的加速测试的方法。

背景技术

膜工艺(方法，过程，process)通常在工业上用于从流体混合物中分离组分，不论该流体是处于液态或气态的形式。半渗透性材料的膜能够使组分如下分离。即使处于不同的速度，流体混合物的某些组分可通过膜渗透。其他组分将完全不能通过膜。可以说这种组分可通过膜保留。

在水处理领域中，例如，膜工艺可用于净化水中混有污染物组分的“废水(排出，effluent)”水流。这种工业过程涉及从废水中将污染物组分膜分离，从而允许经处理的水可在工业上再利用或安全排放到环境中。这种工艺的一个实例，有利地，涉及膜分离工艺的组合(纳米过滤和反渗透(reverse osmosis))在申请人的WO 2010037156的“用于处理水流的方法和装置”(“Process and Plant for Treating a Water Stream”)中公开，该专利的内容在此通过引用并入本文。在许多应用中膜工艺可用于实现物质的分离，且工艺介质包括用于脱盐、过滤以及在膜生物反应器中的水处理，其是过滤应用的特有类型。

正如在WO 2010037156中公开的膜工艺的工业应用，需要膜组件形式的适当的设备，为此多种设计是可用的：中空纤维、管状、螺旋状缠绕以及较少使用的板和框。中空纤维膜组件通常是优选的，因为中空纤维膜使得容纳它们的每单位体积的容器具有最高膜表面积。中空纤维膜组件通常包含中空膜纤维束，有时可容纳于可加压壳体内或浸入敞口滤槽(tank)结构中。中空纤维束在形成组件壳体的部分的两个相对的端头(header)或“封头(pot)”之间延伸，每个中空纤维的相对端是装载并密封在通常是聚合物或树脂材料(特别是环氧树脂或聚氨酯树脂)的每个封头之内以形成管板。由此产生的设计类似于管壳式换热器。待处理流体与中空纤维接触，在适度的压力梯度作用下，液体通常流向纤维的中空中心内，而固体留在纤维之外，使得组分得以分离。

膜分离过程通常包括多个并联操作的这种膜组件。多个这种组件可包括架(机架，rack)，其位于加压系统中或浸没在槽式水处理单元中，其中已经引入用于处理的水以除去来自水的污染物，例如在膜生物反应器中。水处理单元通常是通过喷射空气或其他气体通过它和/或使流经它的液体再循环而搅动的。这种搅动和/或再循环防止固体在膜纤维上集聚而削弱膜处理性能。

在工业装置中，如废水处理装置(但不以任何方式限于这种装置)，所选择的膜组件可能具有重大的资金成本。同时，几年的膜使用寿命很可能是必需的。膜使用寿命上的限制是由于在操作期间中空纤维膜和诸如封头的支持件上的重复施加的循环应力导致的膜组件失效。在正常操作中，中空纤维膜经受过滤、松弛和压力测试循环。经处理的流体必须依靠压差从中空纤维膜中抽取。在浸入纤维的情况下这可凭借吸力或加压系统中的压差实现。在每种情况下，在过滤循环期间，泵或压差来源是“开启”，在膜组件系统上，特别是在其中中空纤维膜的相对端密封的封头处，施加大量的弯曲力和循环应力。封头也可能会受到其他循环机械应力，如在加压循环期间在背面或加压方向的周期性应力。当泵或其他压力来源装置“关闭”时的周期称之为松弛循环。该松弛循环可具有与过滤循环相同的或可以短得多的持续时间。在水处理装置中，可在松弛循环期间进行污泥清除操作或反洗(backwashing)，例如通过搅拌中空纤维膜周围的混合液，摇动它们以除去污泥。

此外，可在利用压缩空气加压的中空纤维膜中进行压力完整性测试/压力衰减循环，并观察动力特性以评估膜完整性和不存在泄漏。在预设时间内的压力的衰减或下降提供对完整性的直接测量。其他压力衰减测试可使用真空源并观察压力增加的速率。不论哪种情况，如果衰减梯度过陡，特别是比符合膜完整性的预定梯度更陡，则膜具有不合乎要求的完整性且是不适用的。

在水处理装置内膜分离过程的日常操作通常可设计为包括，例如，但不限于，每天超过100个过滤循环(约14分钟的设计循环时间)和1个加压循环。

在一段时间内，连续施加循环应力，可能结合由如用于消毒的化学试剂(例如次氯酸钠)导致的腐蚀/降解，可以导致对膜组件的损害，特别是通过裂纹和疲劳失效。若裂纹特别是在封头或管板处产生，则通常膜组件不再是可用的。这是一种非常显著的失效模式，特别是在膜生物反应器中，尽管从机械特性的角度另外正确地选择用于中空纤维的膜材料，它也是可以发生的(例如，参见Childress,AE et al,Mechanical analysis of hollow fibremembrane integrity in water reuse applications,Desalination180(2005),5-14)。原因是将待处理的流体从已处理的流体分离：例如，在水处理的情况下将混合液(污水)从净水中分离，不再是可能的。必须废弃膜组件。

如上面提到的，在膜组件变得不能使用之前可以有几年。然而，失效的确切时间(使用寿命)是不确定的，这使得对水或污水处理装置的规划和预算变得困难。这种不确定性也影响对最适用于膜分离过程的膜组件的选择。所有其他的因素是相等的，装置设计者将选择具有最长使用寿命的膜组件。若它使用了多年，例如5年或更多，通过统计分析很难做出最佳选择以确定可能的失效时间。虽然制造商和品牌商提供对膜组件使用寿命的指导，但进一步的明确是有必要的。膜组件制造商不处于提供精确使用寿命预测(可能将不会提供)的理想位置。在许多情况下，原因很简单。针对特定工业膜分离过程的具体操作环境通常不能由膜组件制造商按照其惯常测试方案合理地重复。对于膜组件制造商的一个现实挑战是复制通常随时间变化的成分性质以及也许是到更窄的范围，经受膜分离的流体特性(如温度)。例如，在水处理装置中进行膜分离的污水通常是高度动态的，即时间和/或季节性变化的成分和流速。诸如温度的特性还可随时间和通过水处理装置处理的污水的性质而变化。基于使用样本，或者合成的、接近静态或接近恒定组分的污水的测试的膜组件使用寿命预测根本不足以准确用于预算目的。

发明内容

本发明的目的是提供对膜组件使用寿命比现行的更准确的预测。

考虑到这一目的，本发明提供了一种对工业膜分离过程操作期间的循环应力具有耐受性的膜组件的加速测试的方法，包括将至少一个膜组件装入测试装置的测试单元；在多个膜操作循环期间使所述膜组件经受循环应力的同时进行所述膜分离过程，每个循环的持续时间比在操作装置中用于所述工业膜分离过程的操作的持续时间明显更短；以及测试所述膜组件由所述循环应力导致的部件失效。

这种测试，可以有用地包括施加类似于那些在工业膜分离过程中使用的化学处理(即使包括在更强烈(aggressive)的化学条件下的测试)，使得有利地以比实际使用寿命小得多的时间范围，预测膜组件的平均使用寿命。这种信息可以有利地用于帮助膜组件选择和膜分离装置的成本预算。

该方法加快膜组件测试，因为测试循环的持续时间比操作装置中的设计持续时间、用于膜操作循环的持续时间明显更短。所以，在测试期间应用的膜操作循环的频率比设计频率明显更大，后者即为，在正常的工业使用中对膜组件施加应力循环时的频率。工业使用不限于商业上的使用。作为公众应用的部分的膜分离过程的实施也包括在工业使用的范围之内。

有利地，使测试装置构成部分的或是连接到实施工业膜分离过程的实际操作装置。测试装置和操作装置的这种集成(整体化，integration)能够使膜组件测试在实际工业操作条件下而不是在人工环境中的模拟或合成条件下进行，解决由在动态成分、性质和流速条件下工业装置中通常遇到的测试膜组件的失效产生的误差。测试结果远比远离实施所述工业膜分离过程的操作装置(可能在试验台或非常小的规模)进行的测试更加可靠，使用流体样品进行接近静止或静态特性而非时变特性的膜处理。

膜操作循环是常见的和具体的，尽管没有限制重要性，其可以包括过滤循环；松弛循环；和/或其中用于测试膜组件的膜的泄露的压力衰减测试循环。即，膜组件可以只经历过滤和松弛循环；或压力衰减测试循环。可替换地，膜组件可经历过滤和松弛循环以及压力衰减测试循环。过滤循环与形成测试单元的部分的泵装置进行操作或开启以向膜施加压力(正或负)的时间段对应。松弛循环与当形成测试单元的部分的泵装置关闭时的时间段对应。膜清洗操作，如反洗或污泥清除操作，可以在松弛循环内进行。这些循环显著加快用于测试目的的操作装置循环。

测试装置可包括多个测试单元。在这种情况下，测试单元可与一个测试单元并联操作，与另一测试单元相比，该测试单元在膜组件上施加不同的膜操作循环和不同的循环应力。也可在一个或多个测试单元上进行化学测试以评估腐蚀/降解现象。这种并联测试单元操作加快测试数据的收集。

将在测试期间膜组件经历的过滤和松弛循环的频率加快到通常显著大于用于操作装置中的任何压力衰减/压力完整性测试循环的频率的频率，例如，至多达以及大于100个过滤循环至1个增压循环。这样可以引起泵和阀门处的、操作装置一般会采取措施防止的、显著的压力冲击(例如，参见Huisman,IH and Williams,K,Autopsy and failure analysis ofultrafiltration membranes from a waste-water treatment system,Desalination165(2004),161-164))。相反，该测试方法旨在有意引起这种压力冲击以增加测试严重度。

待测试的膜组件便利地包含中空纤维膜，因为这种膜由于上述原因通常选定用于工业膜分离过程。在这种情况下，膜组件包括容纳中空膜纤维束的壳体，每个中空纤维在两个相对的端头(也称作封头)之间延伸，每个中空纤维的相对端装载并密封在通常是诸如环氧树脂或聚氨酯树脂的聚合物或树脂材料的端头之内。这些封头或端头是膜组件的关键部件。在测试期间，特别是当封头破裂或通常保留在封头内的纤维与封头之间发生失粘(粘合破坏)时，会指示部件失效。膜组件测试方法也可应用于其他膜组件类型，如管式、螺旋缠绕式、板式和框架式膜组件类型。

在测试期间，将多个膜组件或膜组件的架安装入测试单元以使测试同时进行。由此增加的数据加快对使用中的膜组件的可能失效的时间(即使用寿命)的预测。可能失效时间的预测应不需任何复杂的数学模型。

该方法可包括使每个膜组件经受在预定时间段内施加的具有预定数量的应力循环的测试循环。预定数量的应力循环可与所需的最短使用寿命(通常以年衡量)对应，尽管将在短得多的时间段内(大约数周或数月)施加该数量的应力循环。

膜组件测试方法可用于其他目的。在测试期间，过滤循环的持续时间将明显短于正常使用时间。这种极短的过滤循环可增加在正常使用中的过滤通量。测试期间的过滤通量因此可进行测量并与正常使用期间的过滤通量进行比较。

可替换地或附加地，测试可用于评估较短的过滤循环持续时间是否能改善对膜污染的耐受性。

膜组件测试方法可用于测试用于测试一系列不同膜分离过程的膜组件并预测膜组件使用寿命。而且，该测试方法对于工业过程是特别有利的，其中通常所需的膜使用寿命具有多年的持续时间。

液体处理过程、特别是水处理过程是此类过程的特别重要的实例，因为膜分离过程广泛用于将污染物从水中分离。此外，膜组件在大容量水处理装置中的使用通常具有高资金成本。该测试方法特别适用于测试用于膜生物反应器的膜组件，特别是在浸没条件下。为了测试该应用，配置测试单元以模拟膜生物反应器和膜组件，通常包括浸没在测试单元中的混合液中的中空纤维膜。

该测试方法可用于任何废水处理过程，包括那些其中膜组件将经受的温度高于约25℃，或甚至高于30℃和接近40℃。在此温度下(该温度可以是含有来自工业过程的废水的污水流特别面临的温度)，膜组件操作温度可以比膜组件的端头的聚合物或树脂材料的玻璃化转变温度更高。因此，该测试方法可应用在不同的温度以评估使用寿命对使用操作温度的依赖性。

也可通过施加不同的化学处理来增加测试严重度，如在水处理过程中通常作为消毒剂的次氯酸钠溶液，在多个溶液强度下，使用不同的持续时间以模拟化学侵蚀的类型和在若干年的正常使用期间可能发生的相关劣化(degradation)。当膜操作循环持续时间与操作装置中使用的持续时间相同或相似时，也可施加这种化学处理。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的膜组件的加速测试方法的实施方式，其中：

图1是水处理装置的工艺流程示意图，该水处理装置包括根据本发明的测试方法待处理类型的膜组件。

图2是在图1的水处理装置的超滤阶段中使用的膜组件的示意图。

图3是用于根据本发明的方法用于测试膜组件的测试装置的工艺流程图。

图4是水处理装置的工艺流程示意图，该水处理装置包括其中工艺流程图如图3中提供的测试装置。

具体实施方式

现参照图1，示出了包括两个厌氧反应器阶段(AR1和AR2)以产生经处理的水和沼气的水处理装置100，其部分可以在燃气轮机中燃烧以产生供装置使用的能量。水处理装置100每天处理至多达35,000,000公升的废水。AR1和AR2将预处理的流入水供应给曝气池(通风池，aeration basin)和膜生物反应器(“MBR”)系统(AB1/MOS1和AB2/MOS2)。厌氧反应器处理的原料流入水为生活污水和通过消化过程经由专用废水管线从牛皮纸工艺制浆造纸厂获得的工业污水的组合。该污水或废水具有的污染物组分以高生化需氧量(“BOD”)和向废水提供强棕色着色的溶解机碳(“DOC”)含量来衡量。

分别将来自厌氧反应器阶段AR1和AR2的经处理的污水输送到曝气池AB1和AB2。这些池提供好氧消化条件以进一步处理废水。混合液(“污水”)从曝气池AB1和AB2再循环进入超滤(“UF”)膜操作系统MOS1和MOS2，其中每个包括大量的如图2中所示意性示出的膜组件40。膜处理装置100可包含大量的这种UF膜操作系统(MOS)和数千个用于由高BOD表示的组分的UF分离的膜组件40。由此产生的超滤液或渗透液具有几乎检测不到的水平的BOD。每个组合的AB+MOS系统包含膜生物反应器(“MBR”)和可以称之为MBR滤液或渗透液的超滤液。

MBR渗透液涉及用于将DOC从MBR渗透液除去的纳米过滤工艺单元20以产生质量可接受的水，用以供应给反渗透(“RO”)工艺单元30。RO工艺单元30进行脱盐作用(特别是除去硫酸盐)，并允许产生的水流可以再循环到制浆造纸厂以利于该工厂的工艺效益。

图2示出了适用于MOS1和MOS2单元的超滤(“UF”)膜组件40的示意图，参考http://www.separationprocesses.com/Membrane/MT_FigGen15.htm。UF膜组件40是中空纤维型，包括容纳在可加压壳体46内的中空纤维膜41的束44。束44在两个垂直相对的、形成部分组件壳体46的端头或封头42和43之间延伸。端头42和43是环氧树脂。束44的每个中空纤维的相对端分别嵌入并密封在端头42和43内。由此产生的膜组件40的设计类似于管壳式换热器，进料混合液47进入壳体46(壳侧)，使“净”水(基本不含BOD)与中空纤维膜41接触，渗透入膜41以进入膜纤维的管腔45，作为渗透流49待回收。将相对富含BOD的水作为渗余流48回收。渗透流49的流动51是进料混合液47经由壳体46的流动的逆流。

在膜组件40的通常的日常(24小时的持续时间)操作期间，中空纤维膜41的束44经历约110个过滤循环，其中渗透液49在操作相应的泵装置的同时通过从中空纤维膜41抽吸而回收。因此，每个施加上述循环应力的过滤循环具有约14分钟的设计持续时间。过滤循环后，在松弛循环期间关闭泵装置(也是14分钟的设计持续时间)。在该14分钟的循环时间期间进行污泥清除操作，而松弛步骤特别有帮助，例如通过搅动围绕中空纤维膜41的混合液以摇动膜并除去附着的污泥。如此除去的污泥通常是由再循环流带走的。

在独特的测试循环中，进行比过滤和松弛循环更低的频率，在称为压力完整性测试(“PIT”)循环或压力衰减测试(“PDT”)循环的循环中，加压空气对中空纤维膜41的束44加压，该循环也对膜组件40施加循环应力。PIT或PDT测试用于检测中空纤维膜41是否泄漏。在PIT/PDT测试中，用加压空气将中空纤维膜41加压到预定压强(例如105kPa)。中空纤维膜41的压力随时间的衰减指示在中空纤维膜41中是否存在泄漏。这种泄漏是不允许的，因为它们会对极高的机械性消毒和生物群(特别是病原菌和原生动物类)的减少产生危害，而这在水处理过程中是必需的。

过滤和PIT/PDT循环在膜组件40上施加循环机械应力。特别地，环氧或聚氨酯树脂的端头42和43经受弯曲力，该弯曲力将通过应力开裂导致失效。当这种开裂发生时，混合液将与渗透液混合，且膜组件40不再可供使用。然后膜组件40必须被替换。尽管据估计，这种失效将在约为5年(约200000个过滤循环)的平均使用寿命时发生，然而存在超过该数量的相当大的不确定性，且用于替换膜组件的成本/资本支出预算同样是不确定的。

图3示出了测试装置60的示意图，如图4所示，其形成位于澳大利亚维多利亚州吉普斯兰的运行的水处理装置100的部分。水处理装置100能够处理非常高容量的水性污物，包含生活和工业污水(特别是来自牛皮纸造纸厂的制浆废水)，它们具有不同的以及随时间变化的组分、颜色和温度。例如，生活污水含有相对较低水平的硫酸盐而工业污水含有相对较高水平的硫酸盐且通常具有更高的温度。

生活和工业污水混成混合液以在水处理装置100内进行处理。具有形成部分操作处理装置100的测试装置60使对膜组件40的测试能在工业操作条件下进行。所以，测试的结果比远离水处理装置100、可能在试验台或非常小的规模上使用恒态而非时变特性的污水进行的测试更为可靠。

测试装置60由水处理装置100控制系统(PLC/SCADA控制系统)控制。

测试装置60用于进行失效测试方案，其中膜组件40在多个膜操作循环期间经受循环应力，每个循环的持续时间明显低于使用MOS单元超滤的时间；并测试膜组件40由所述循环应力导致的部件失效。特别地，应力循环是由以上所描述的过滤(抽吸)、松弛和增压循环施加到膜组件40上的。这种测试允许在明显低于预计使用寿命的时间段内通过加速机械压力测试预测膜组件40的平均使用寿命。这种信息可以有利地应用以帮助膜组件的选择以及水处理装置100、特别是UF膜操作系统(MOS单元，例如MOS1和MOS2)的成本预算。

测试装置60包括两个测试单元61和70，每个配置为膜生物反应器，其中在进行膜分离过程的同时将膜组件40浸没。每个测试单元61、70装载有膜组件40的架16用以并联测试，这种测试包括如上所述的用于除去BOD的混合液的超滤。相当多的膜组件40的同时测试允许加快采集数据，进一步地，当样本量增加，则可以更准确地预测平均膜组件40使用寿命。应理解，预期膜组件40不会同时出现失效。相反，不同的膜组件40对应力循环和疲劳失效具有不同的耐力，测试的输出通常是达到失效的持续时间的统计分布，该统计分布具有到达失效的平均持续时间。

测试单元61包括三个可根据测试单元61所必需的真空压力并联操作的滤液泵62。因此一个或多个滤液泵62的使用取决于所需的操作压力。较高的抽吸压力将需要使用较大的泵送能力。在约30℃的温度下，在过滤循环期间，操作滤液泵62从位于测试单元61的膜组件40的单个架16中抽提UF渗透液。将滤液输送至测试滤液贮槽64。在滤液贮槽64中的潜水泵(submersible pump)66根据滤液贮槽64中的液位将滤液返回到测试单元61。连续操作所要求的滤液泵62。滤液流是由两个驱动阀68和69控制的，便利地为电磁线圈型。

测试单元61也配置为能够进行压力衰减/压力完整性(“PDT/PIT”)测试，即如上所述的对中空纤维束44的不允许的泄漏的测试。为此目的，在PDT/PIT测试期间，如有必要，空气压缩机63通过管线162提供加压空气并自动控制阀163以对膜组件40加压。可替换地，可从供应给水处理装置10的压缩空气供应压缩空气。

测试单元70的操作与测试单元61相同，除了其配置是根据膜组件40的测试策略而不进行PDT/PIT测试。因此测试单元70使它的膜组件40的架16只经受过滤和松弛循环。测试单元70包括三个可根据测试单元70所必需的真空压力并联操作的变速滤液泵72(螺杆型(progressive cavitytype))。因此，根据所需的操作压力可使用一个或多个滤液泵72，以在过滤循环期间从位于测试单元70中的膜组件40的单个架16中抽提滤液。将滤液输送至滤液贮槽74。在滤液贮槽64中的潜水泵66根据滤液贮槽64中的液位将滤液返回到测试单元70。所需的滤液泵72连续操作由两个便利地为电磁线圈型的驱动阀78和79控制的滤液流。

来自每个架的预期的滤液流量范围在7.5至25m³/h的范围内，在过滤模式期间操作的跨膜压力(TMP)为45kPa。测试单元60或70经由潜水泵64的滤液流量范围可以至多达50m³/h。

例如，可以如下操作测试装置60。用于测试单元60的过滤测试循环的持续时间可预设为10秒，该持续时间明显少于14分钟的水处理装置10的正常使用所需的时间段。过滤循环持续时间是滤液泵62和74从膜组件40的架抽提滤液的持续时间。滤液泵62和74控制为用于过滤循环的预设持续时间。过滤循环之后是也具有预设持续时间的松弛测试循环。在此情况下，过滤和松弛循环的持续时间是相同的并设为10秒以供测试。该测试循环持续时间仅为示例的方式，但它明显少于水处理装置100的MOS1和MOS2正常使用期间的过滤和松弛周期的约14分钟的持续时间。因此，使施加到膜组件40上的应力循环的频率加速到非常明显地高于水处理装置100的MOS1和MOS2正常使用期间的频率。

在过滤周期期间(一个测试方案是10秒的持续时间)，驱动阀68是打开的，驱动阀69是关闭的。在此，操作三个滤液泵62以获得由压力传送器67测量和控制的-45kPa的真空压力。流量也是由流量计65测量，但其将不是控制参数。

在过滤循环完成时，驱动阀69将打开，且在松弛循环期间将从滤液贮槽64抽提混合液。0.5秒后，驱动阀68将关闭。在松弛循环期间(一个测试方案为10秒的持续时间)，以与过滤循环期间同样的速度操作滤液泵62(即泵的转速仍然保持)。滤液泵62可采取不同的速度控制程序。

在松弛循环完成时，驱动阀68将打开且0.5秒后驱动阀69将关闭。意图是，驱动阀68和69决不能都关闭，当从过滤转变到松弛和短时间段的相反转变时，驱动阀68和69均是打开的。这就要求滤液泵62为螺杆型。进一步，测试方案就其性质和如此短的循环时间内在阀和泵以及可能在膜组件40上施加显著压力而言非常积极(刺激，aggressive)。与操作装置相比，压力冲击是相当可能的。可以产生这些压力冲击以增加测试严重度，或可以使其最小化以使其降低到更类似于正常操作压力暴露水平。因此，理想地选择测试过滤和松弛循环时间以产生失效数据，该失效数据与预测膜组件40的使用寿命而不是仅从测试机制得来的结果的失效数据有关。

测试单元61也可配置用于PDT/PIT测试。在由测试装置60的操作者确定的时间下，滤液泵62是关闭的，通过打开控制阀163进行PDT并允许加压空气经由管线162进入以递送至膜组件40。通过调节，PDT/PIT测试模拟水处理装置100的MOS1和MOS2所需的测试。将压缩空气递送到膜组件40持续预设的加压时间(一个测试方案为60秒)以对中空纤维膜41加压。在持续(60秒)加压之后，在获得充分的启动压力的前提下，PDT/PIT测试开始。关闭控制阀163，并在60秒内测量中空纤维膜41的压力下降。该持续时间也仅为示例性的。可以选择不同的持续时间用于测试。水处理装置10控制系统(SCADA网络)记录结果。在PDT/PIT测试结束之后，测试单元61可再次回到过滤和松弛循环期间的测试。而且，测试单元61也可仅用来进行PDT/PIT测试，以确定这种测试对膜组件40疲劳失效的影响。以这种方式，测试装置60可测试膜组件40失效最可能的原因，是由于过滤/松弛循环的循环应力或由于PDT/PIT测试的循环应力，或两种类型的循环应力的组合。若PDT/PIT测试是失效的原因，这对于在水处理装置100中使用这种测试具有指示。

测试单元61返回到过滤/松弛测试，随后从膜组件40的中空纤维膜41(见图2)除去空气(虽然通常是可以的，但由于中空纤维膜41失效的可能性并不总是可以的)。为了做到这一点，将电磁阀165打开并使水流经文丘里管164以提供动力。这不同于在水处理装置100中使用的方案，在水处理装置100中加压空气供应是用于向MOS1和MOS2中的文丘里管提供动力。在预设时间后，将电磁阀166打开，将真空应用到中空纤维膜41。此真空将过量空气除去并将气液混合物抽入管线167。然后将该气液混合物排入测试单元61。在预设持续时间(例如60秒)之后，将电磁阀165和166关闭并准备好测试单元61用于重启过滤/松弛循环应力测试。

测试单元70包含与测试单元61类似的操作，除了没有进行PDT/PIT测试。测试单元70可用于测试在测试期间使用的具有不同过滤/松弛循环持续时间(比如说20秒而不是10秒的测试循环时间)的膜组件。驱动阀78和79以与驱动阀68和69相同的方式操作。压力传送器77代替压力传送器67，流量计75代替流量计65。

在过滤/松弛循环测试期间中空纤维膜41失效的指示是测试单元61和70的下游的浊度增加。因此监测浊度作为可能失效的指示。然后可以检查膜组件40以评估是否发生失效以及在膜组件端头(“封头”)42和43中任何裂纹的位置。

测试可包括处于不同温度下的废水的测试。尽管温度为15-25℃的生活污水不太可能伴随失效，但可在该温度范围内进行膜组件40测试。在更高温度下的测试，特别是在30-39℃的温度范围的典型条件下，其中废水包含来自牛皮纸工艺制浆造纸厂的废水，也是可以进行的。在测试期间膜操作循环持续时间和频率是可以根据废水处理温度变化的。

也可通过施加不同的化学处理来增加测试单元61、70中测试严重度，如在水处理过程中通常作为消毒剂的次氯酸钠溶液，在多个溶液浓度下，使用不同的持续时间以模拟化学侵蚀的类型和在若干年内的正常使用期间可能发生的相关劣化。这种化学处理也可施加于测试循环中，在该测试循环中膜操作循环持续时间与操作装置中使用的持续时间相同或相似。

不同的膜组件40将经受不同时间段的压力测试。在测试结束时，可获得封头42、43的疲劳失效数量对失效时间的统计分布以及使用常规统计技术预测的膜组件40的平均失效时间(等于预测的使用寿命，因为在测试装置中出现失效的测试周期的数量(20秒的持续时间＝10秒过滤/10秒松弛)可与等于5年使用寿命的约200000个周期(或每年40000个周期)相比)。显示测试持续时间换算为预期使用寿命的表格如下：

表1

换算—加快的测试持续时间到使用寿命

可以看出，平均使用寿命因此可以以高度加速的方式使用测试装置60在6到7周内预测出，而不是若膜组件40在水处理装置10中的正常使用中需要花费5年多的时间。这种加速测试使得能够更放心地选择膜组件40和对水处理装置100进行预算，特别是在膜组件40替换成本方面。

测试装置60可用于其他目的。以上描述了极短的过滤/松弛循环持续时间(过滤和松弛各为10秒)。这种极短的周期循环时间可以正面或负面影响膜通量和膜分离效率。测试装置60允许研究过滤/松弛循环持续时间对分离效率的影响。

可替换地或附加地，测试装置60可用于评估较短的过滤循环持续时间是否能提高对膜污染的耐受性。污染是很多膜分离过程中的显著的问题，特别是那些用于废水处理以及最主要是膜生物反应器内。如果过滤循环持续时间可用于改善对污染的耐受性，并且也许会使得化学清洁剂或诸如搅拌和/或回流的其他污染处理使用量的降低，这也会有利于水处理装置10的经济效益，无论是通过允许初始资金投入的减少或是与相对小的设备改造(速动阀(fast acting valve)和更精准的控制等)相比能够使生产能力增加。

对用于本说明书中所述的膜组件的加速测试的方法的改变和变更对本发明公开的技术人员是显而易见的。这种改变和变更视为本发明的范围之内。

Claims (28)

1.一种对在工业膜分离过程的操作期间的循环应力具有耐受性的膜组件的加速测试的方法，包括将至少一个膜组件安装至测试装置的测试单元；在多个膜操作循环期间使所述膜组件经受循环应力的同时进行所述工业膜分离过程，每个循环的持续时间明显短于在操作装置中用于所述工业膜分离过程的操作的持续时间；以及测试所述膜组件由所述循环应力导致的部件失效。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测试装置构成操作装置的部分或连接到操作装置，所述操作装置进行所述工业膜分离过程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述测试允许在比实际使用寿命短得多的时间段内预测所述膜组件的平均使用寿命。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在测试期间施加的膜操作循环的频率明显大于设计频率，所述设计频率为在正常工业使用中将施加至所述膜组件的应力循环时的频率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述膜操作循环包括过滤循环；松弛循环；和/或测试所述膜组件的膜的泄露的压力衰减测试循环。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述膜组件仅经受过滤和松弛循环；或压力衰减测试循环。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，膜组件经受过滤和松弛循环以及压力衰减测试循环。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，过滤循环对应于当形成所述测试单元的部分的泵装置开启以向膜施加压力时的时间段；以及松弛循环对应于当形成所述测试单元的部分的所述泵装置关闭时的时间段。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测试装置包括多个测试单元。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述测试单元与一个测试单元并联操作，所述一个测试单元在膜组件上施加与另一个测试单元不同的膜操作循环和不同的循环应力制度。

11.根据权利要求5到10中任一项所述的方法，其中，在测试期间膜组件经受的过滤和松弛循环的频率被加快为明显高于任何压力衰减/压力完整性测试循环的频率。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，待测试的所述膜组件包括容纳中空纤维膜纤维束的壳体，每个中空纤维在两个相对的封头之间延伸，每个中空纤维的相对端装载并密封在所述封头内，并且当在测试期间封头发生破裂时，指示部件失效。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将多个膜组件或膜组件的架安装至所述测试单元以使得能够同时测试。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个膜组件经受具有在预定时间段内施加的预定数量的应力循环的测试循环，所述预定数量的应力循环对应于所需最小设计使用寿命。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述最小设计使用寿命以年衡量，并且所述预定数量的应力循环以周或月的量级在短得多的时间段内施加。

16.根据权利要求5到15中任一项所述的方法，其中，过滤循环的持续时间明显短于正常使用期间。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，明显较短的所述过滤循环的持续时间增加在正常使用中的过滤通量。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，测量在测试期间的过滤通量并将其与正常使用期间的过滤通量相比较。

19.根据权利要求5到18中任一项所述的方法，其中，测试是用于评估较短的过滤循环持续时间是否改善对膜污染的耐受性。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在多个溶液强度下在所述膜组件上施加化学处理持续不同的时间。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，在持续时间与在所述操作装置中的持续时间相同或相似的膜操作循环期间施加所述化学处理。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工业膜分离过程要求多年的持续时间的膜使用寿命。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述工业膜分离过程是液体处理过程，优选水处理过程。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述测试单元被配置为模拟膜生物反应器，所述膜生物反应器具有浸入在所述测试单元内的混合液中的所述膜组件。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述水处理过程是废水处理过程，其中，膜组件将经受大于约25℃或甚至大于30℃的操作温度。

26.根据权利要求23到25中任一项所述的方法，其中，所述膜组件包括由聚合物材料制成的封头，并且所述膜组件操作温度大于所述聚合物材料的玻璃化转变温度。

27.根据权利要求23到26中任一项所述的方法，其中，所述测试方法在不同的温度下施用以评估膜组件的使用寿命对使用操作温度的依赖性。

28.一种测试装置，用于根据权利要求1到27中任一项所述的膜组件的加速测试。