CN106975358A - 用管状膜材料制造的管式膜分离器及清洗方法 - Google Patents

Abstract

用管状膜材料制造的管式膜分离器及清洗方法。目前，管式膜分离器所用的管状膜只能用如陶瓷等无机材料制造，制造过程须压制成型等多道工序，只能应用耐强腐蚀等特殊场合。本发明包括用管状膜材料制造的管式膜分离器及管式膜内壁清洗方法，其组成包括：上封头，所述的上封头与筒体连接，所述的筒体与下封头连接，所述的上封头连接有花板，所述的下封头连接有花板，一组沿轴向排列的管状高分子半透膜管的两端分别与所述的花板连接，所述的上封头设有污水排水口，所述的下封头设有污水进水口，所述的筒体上设有清水排水口。本发明用于管状膜材料制造的管式膜分离器及管式膜内壁清洗方法。

Description

用管状膜材料制造的管式膜分离器及清洗方法

技术领域：

本发明涉及一种用管状膜材料制造的管式膜分离器及清洗方法。

背景技术：

膜生物反应器是近年来发展很快的污水处理设备。由于它占地少，效率高，易于实现自动化、适用范围广等优点，在多种污水处理过程中被广泛采用。

膜生物反应器（MBR）主要由生物反应池和膜分离器两大部分组成，其中膜分离器是核心设备，其功能主要是将生化反应过程中生成的固态悬浮物、絮凝胶体等非水溶部分与水分离，使污物排出水体净化，达到污水处理目的。

目前，用各种膜材料制成的膜分离器分三类：即平板式、中空纤维式和管式。其中管式膜分离器具有结构简洁、水利性能优良、污染易处理、运行能耗低等优点，但由于此前管式膜需要用粉末金属、金属氧化物、陶瓷等特种无机材料，经高温烧结等多道工序制造，制造工艺复杂，成本非常高昂，只能用于高温、高腐蚀性等特殊工艺过程，无法在膜生物反应器中应用。目前，在膜生物反应器中应用的膜分离器仅限于平板式和中空纤维式两种。

在膜分离过程中，膜逐渐受到污染，随时间推移和污水处理量的增多，膜污染越来越严重，直接影响到膜通量，使系统的工作压力越来越高，出水量越来越小。

膜污染是膜分离技术应用中的核心问题，它关系到系统的能力、效率、能耗、成本等一系列根本问题，一直是膜技术关注的焦点和各种应用中的着重解决的问题。一般膜分离器的膜污染主要模型有两种，第一类是完全堵塞污染模型，如图2所示。第二类是滤饼过滤污染模型，如图3所示。为减轻第二类膜污染对膜通量的影响，目前通用的方法是用爆气法对膜器进行清洗。大功率的风机产生具有一定风压的空气，利用空气吹扫膜面的剪切力将沉积的污染物移除，达到清洗目的，解决第二类污染，即滤饼过滤污染模型所带来的问题。但爆气法存在很多问题，首先，用爆气法清洗膜时，膜分离器只能间歇式工作，一般抽取时间与停吸时间之比为9:1或8:2，利用停吸时间清污，这使膜分离器的工作效率只能发挥80~90%，致使其功率损耗大，工作效率低。其次，爆气法的随机性强、效果不稳定。

膜材料膜孔污染属第一类污染，即膜孔的完全堵塞型污染，是对膜危害性最大的污染，不仅可造成膜通量下降，严重时甚至使膜功能完全丧失。传统的爆气法不能解决膜孔污染问题，通常的解决办法是化学清洗，即使用酸、碱、次氯酸钠等化学药剂对膜进行浸泡清洗。清洗过程消耗大量化学品，容易产生二次污染，也需付出较多人力和时间，如操作不当还可能对膜材料造成损伤，缩短膜的使用寿命。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用管状膜材料制造的管式膜分离器及清洗方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用管状膜材料制造的管式膜分离器，其组成包括：上封头，所述的上封头与筒体连接，所述的筒体与下封头连接，所述的上封头连接有花板，所述的下封头连接有花板，一组沿轴向排列的管状高分子半透膜管的两端分别与所述的花板连接，所述的上封头设有污水排水口，所述的下封头设有污水进水口，所述的筒体上设有清水排水口。

所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的管状高分子半透膜管的管状膜是用高分子材料制造，所述的管状高分子半透膜管的管壁各处充满纳米级微孔，孔径分布为10~900 nm，孔密度为10万个/厘米²以上，所述的下封头内设有进水导流板。

所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的筒体采用防腐材质制成，具体的，所述的筒体材质为玻璃钢、塑料或不锈钢。

所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的封头及花板采用防腐材质制成，具体的，所述的封头及花板材质为玻璃钢或不锈钢，封头上带进出水口，花板上均匀分布200个与膜管管径匹配的孔。

所述的管式膜分离器的清洗方法，阀门A安装在将所述的管式膜分离器与生物反应器单元连接的管道上，阀门B安装在将所述的管式膜分离器与储球筒连接的管道上，阀门C安装在将所述的储球筒与污水泵连接的管道上，阀门D安装在将所述的污水泵与所述的管式膜分离器连接的管道上，阀门F安装在将所述的管式膜分离器与高压泵连接的管道上，阀门E安装在将所述的高压泵与清水口连接的管道上。

所述的管式膜分离器的管式膜膜孔清洗方法，针对滤饼过滤型污染，当管式膜分离器的产水量明显下降，需要进行清洗时，首先关闭阀门A，打开阀门B、阀门C，摩擦球从阀门C流出，在污水泵推动下，经封头进入半透膜管内部，在上升过程中，球与管的内部碰撞、摩擦，使管内壁附着的污染物脱落，管壁受到清洗，管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法的清洗力属机械摩擦力，清洗能力比空气剪切力强，清洗效果良好，3~5分钟循环清洗后，膜管内壁光洁如新，膜通量上升，清水产量恢复到正常状态，清洗完成后，关闭阀门C，由于截止阀C所闸板上钻多个小孔，孔径小于摩擦球的直径，所以，阀C关闭后摩擦球被截留于清洗器内储存，备下次使用，待摩擦球全部进入储球筒后，关闭阀B，打开阀A，系统恢复正常工作状态。

所述的管式膜分离器的管式膜膜孔清洗方法，针对完全堵塞型污染，所述的高压清洗具体操作是：关闭阀门A、阀门B、阀门C，打开阀门D、阀门E、阀门F，开启高压泵，高压泵从管式膜分离器内部抽取清水，由分离器上部注入管膜内，形成高压循环回路，回路内压力保持1.5MPa，在高压下，膜管弹性变形，管的周长被拉伸变长，管壁上微孔的孔径随之变大，原堵塞颗粒的尺寸由适配变为不适配，发生松动，被高压水流冲出孔外，使膜孔中堵塞型污染物被清除，孔清洗完成后，系统恢复正常工作状态。

所述的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，所述的摩擦球由弹性聚氨酯材料制成，经填充改性使材料比重为1~1.2，能够在水中下沉，球的直径大于膜管半径、小于膜管直径，在水利推动下可方便进入膜管内并在管内作上升运动，对膜管内壁起到擦洗作用。

有益效果：

1.本发明首先用有机高分子管状膜取代无机管状膜制造管式膜分离器，使制造成本降低到与平板式和中空纤维式分离器相当的程度。

本发明的管式膜分离器的膜形态及产品机构的改变带来了膜分离器水利学性能的改变和膜清洗方法的改变，因此用新的清洗方法解决膜污染问题，是新型膜分离器的重要技术特征。

本发明的管式膜分离器具有筒体、花板、导流板、封头等用耐腐蚀的不锈钢、玻璃钢等材料制造，可依据分离面积的要求，设计各种不同规格。

本发明的管式膜分离器的核心部分是多条沿轴向排列的半透膜管。该管是用高分子材料制成的软管，外观与普通塑料软管相似，表面光滑平整，无肉眼可见孔。但管壁各处充满纳米级微孔，孔径分布为10~900 nm，属微滤（MF）膜范围，孔密度为10万个/厘米²以上，孔密度越高，膜通量越大。每台分离器需用膜管的数量及每条膜管的长度由设计分离面积即单机总通量决定。多台单机可串联或并联使用可满足膜生物反应器总处理能力的需要。

本发明的管式膜分离器采用了管式膜内壁清洗方法以替代了传统的爆气清洗方法，将膜的清洗由原来膜组件外部清洗改变为膜内壁清洗，将用流体的剪切力冲洗改变为用固体间摩擦力擦洗，较大的提高了清洗效率和洗净程度。使滤饼过滤型污染彻底解决。

本发明的管式膜分离器采用了针对膜材料膜孔污染的新型清洗方法，以替代传统的化学清洗。用高压法对膜孔进行清洗是依据和充分利用了管状高分子膜的塑性变形性、巧妙的将复杂的问题简单化，用最简洁的物理方法解决了长期以来一直难以解决的堵塞膜孔的清洗问题。

本发明的管式膜分离器大大提高工作效率，膜内壁清洗法是在分离系统正常工作过程中进行清洗，即不消耗额外能量也不占用设备的工作时间，提高了设备的有效利用率。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是完全堵塞污染模型示意图。

附图3是滤饼过滤污染模型示意图。

附图4是本发明的管式膜分离器的膜清洗结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种用管状膜材料制造的管式膜分离器，其组成包括：上封头1，所述的上封头1与筒体3连接，所述的筒体3与下封头7连接，所述的上封头1与花板2连接，所述的花板2与一组沿轴向排列的管状高分子半透膜管4连接，所述的管状高分子半透膜管4另一端与下封头花板6连接，所述的上封头1设有污水出水口9，所述的下封头7设有污水进水口8，所述的筒体上设有清水排水口5。

实施例2：

根据实施例1所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的管状高分子半透膜管的管状膜是用高分子材料制造，所述的管状高分子半透膜管的管壁各处充满纳米级微孔，孔径分布为10~900 nm，孔密度为10万个/厘米²以上，所述的下封头内设有进水导流板10。

实施例3：

根据实施例1或2所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的筒体采用防腐材质制成，具体的，所述的筒体材质为玻璃钢、塑料或不锈钢。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，所述的封头及花板采用防腐材质制成，具体的，所述的封头及花板材质为玻璃钢或不锈钢，花板上均匀分布200个与膜管管径匹配的孔。

实施例5：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，阀门A，件号：1，安装在将所述的管式膜分离器与生物反应器单元连接的管道上，阀门B，件号：2，安装在将所述的管式膜分离器与储球筒连接的管道上，阀门C，件号：3，安装在将所述的储球筒与污水泵连接的管道上，阀门D，件号：4，安装在将所述的污水泵与所述的管式膜分离器连接的管道上，阀门F，件号：6，安装在将所述的管式膜分离器与高压泵连接的管道上，阀门E，件号：5，安装在将所述的高压泵与清水口连接的管道上。

实施例6：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，针对滤饼过滤型污染，当管式膜分离器的产水量明显下降，需要进行清洗时，首先关闭阀门A，件号：1，打开阀门B，件号：2、阀门C，件号：3，摩擦球从阀门C，件号：3流出，在污水泵推动下，经下封头进入半透膜管内部，在上升过程中，球与管的内部碰撞、摩擦，使管内壁附着的污染物脱落，管壁受到清洗。管式膜分离器的管式膜内壁清洗的清洗力属机械摩擦力，清洗能力比空气剪切力强，清洗效果良好。3~5分钟循环清洗后，膜管内壁光洁如新，膜通量上升，清水产量恢复到正常状态。清洗完成后，关闭阀门C，件号：3。由于截止阀C，件号：3的闸板上钻多个小孔，孔径小于摩擦球的直径，所以，阀C，件号：3，关闭后摩擦球被截留于清洗器内储存，备下次使用。待摩擦球全部进入储球筒后，关闭阀B，件号：2，打开阀A，件号：1，系统恢复正常工作状态。

膜内壁清洗可依据膜内污染程度自动开启。当流量计出流量下降至设计流量的70%时，将检出信号传递到相应的电动阀门，各阀门按设定程序开关，使膜内壁清洗程序自动启动或关闭。膜内壁清洗一般在10分钟内完成。清洗完成后，开关相应阀门，使摩擦球回收到管状膜内壁清洗器内待用，分离器恢复正常工作状态。

膜生物反应器近年来发展非常迅速，在取代传统活性污泥法进行污水处理中显现出多种优点，几乎唯一的缺点就是能耗高，其运行能耗的80%消耗在爆气清污上。采用管式膜分离器后，沉积物进行内部清洗时完全不需要额外能量。这是管式膜分离器重要的技术特点，它能使制水总成本下降30%以上。

实施例7：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的管式膜膜孔清洗方法，针对完全堵塞型污染，所述的高压清洗具体操作是：关闭阀门A，件号：1、阀门B，件号：2、阀门C，件号：3，阀门D，件号：4、打开阀门E，件号：5、阀门F，件号：6，开启高压泵。高压泵从管式膜分离器内部抽取清水，由分离器上部注入管膜内，形成高压循环回路，回路内压力保持1.5MPa。在高压下，膜管弹性变形，管的周长被拉伸变长，管壁上微孔的孔径随之变大，原堵塞颗粒的尺寸由与孔内径适配变为不适配，发生松动，被高压水流冲出孔外，使膜孔中堵塞型污染物被清除。孔清洗完成后，系统恢复正常工作状态。

实施例8：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的清洗方法，所述的摩擦球由弹性聚氨酯材料制成，经填充改性使材料比重为1~1.2，能够在水中下沉。球的直径大于膜管半径、小于膜管直径，在水利推动下可方便进入膜管内并在管内作上升运动，对膜管内壁起到擦洗作用。

实施例9：

根据上述实施例所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，日处理量5米³的管式膜分离器的设计与制造：

外形与结构

管式膜分离器外形为圆柱形，两端为法兰连接的封头，法兰压紧花板，用胶垫密封，用紧固件将厚壁半透膜管与花板孔连接并密封。制成的分离器外形与结构类似化学工业用列管式冷凝器。

材质及尺寸

筒体：材质为玻璃钢或不锈钢，要求防腐，长度2米，直径0.4米；

封头及花板：材质与筒体相同，尺寸适配，封头上带进出水口，花板上均匀分布200个与膜管等径的孔。

技术参数

膜管直径：16mm

单位长度膜管展开面积：0.05m²/m

每平方米过滤面积膜管长度：20m

膜通量：0.25m³/m²·d

根据上述基本参数，选用厚壁半透膜管400m，切成每段长度2米的管200条，与花板孔连接封闭，制成分离器。分离器过滤面积为20m²，日处理量为5m³。

实施例10：

根据上述实施例所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，膜生物反应器中分离单元的构成与运行。膜生物反应器由膜分离单元与生物反应器单元两大部分组成。其中膜分离单元以管式膜分离器为主体，配备管状膜内壁清洗器及膜孔清洗回路。

系统运行时，由污水泵将已处理的污水泵入分离单元，进入膜分离器后，在膜管内错流过滤，清水被分离出来，径流量计计量后进入清水储槽。悬浮颗粒被截留于膜内，随浓水由分离器上口流出，返回生物反应器，进行再循环。

膜分离器进行恒通量操作，当清水出流量降至设计流量的70%时，说明膜污染已比较严重，膜分离器的工作效率降低，膜需要进行清洗。

实施例11：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，膜内壁沉积物清洗，在错流过滤过程中，管状膜内壁很容易出现沉积物，形成滤饼，增加过滤阻力，对膜通量造成影响，应及时进行清洗。

将摩擦球经阀3放出，进入管式膜分离器后，在污水泵推动下由分离器底部向上部移动，上升过程不断与膜管壁摩擦碰撞，起到对膜内壁的擦洗作用，在多个球不停的擦洗下，膜管内壁附着物全部脱落，内壁光洁如新，膜通量明显恢复。

膜内壁清洗可依据膜内污染程度自动开启。当流量计出流量下降至设计流量的70%时，将检出信号传递到相应的电动阀门，各阀门按设定程序开关，使膜内壁清洗程序自动启动或关闭。

膜内壁清洗一般在10分钟内完成。清洗完成后，开关相应阀门，使摩擦球回收到管状膜内壁清洗器内待用，分离器恢复正常工作状态。、

实施例12：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的清洗方法，膜孔堵塞清洗。在系统运行中，若发现膜通量下降，进行内壁清洗后膜通量仍未恢复，说明此时已发生膜孔堵塞，须在内壁清洗后，进一步进行膜孔清洗。具体操作是：关闭阀门A、阀门B、阀门C、阀门D，切断污水的原循环回路。打开阀门E、阀门F，形成一个高压清水回路。开启高压泵，高压泵从膜分离器中的膜外部分抽取清水注入膜管内部，水流在高压清水回路中循环。保持清水回路中压力为0.15MPa，循环30~60分钟。在较高的内压下，高分子膜管发生弹性变形，周长增长，膜孔变大，使原先堵塞在孔内的污染物发生松动，被高压水从孔内冲出，使膜孔受到清洗，膜通量恢复。清洗完成后系统恢复到正常工作压力（2~3米水柱）管状膜弹性变形消失，膜的形状、尺寸及膜孔大小恢复原状。

实施例13：

根据上述实施例所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，由管式膜分离器的结构特点决定，该产品规格型号非常灵活，可依据现场空间及设备布局特点和设计需要定制不同尺寸、不同处理能力的单机。也可以将多台单机串联或并联形成大规模的处理能力。

实施例14：

根据上述实施例所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，提出了用管状高分子膜制作膜生物反应器的膜分离器的方法，用管式膜分离器替代传统平板型与中空纤维型分离器。管式膜分离器具有两项技术特点：第一是产品结构简单，制作容易。管状膜不必事先预制成膜组件，可直接用于制造膜分离器，省略了多道中间工序，简化了制作过程，降低了制造成本。第二，膜形态及产品机构的改变带来了膜分离器水利学性能的改变和膜清洗方法的改变，因此用新的清洗方法解决膜污染问题，是新型膜分离器的重要技术特征。

实施例15：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的清洗方法，提出了管式膜内壁清洗方法，用以替代了传统的爆气清洗方法，将膜的清洗由原来膜组件外部清洗改变为膜内壁清洗，将用流体的剪切力冲洗改变为用固体间摩擦力擦洗，较大的提高了清洗效率和洗净程度。使滤饼过滤型污染彻底解决。

膜内壁清洗法解决的关键问题是膜生物反应器的运行能耗问题，膜内壁清洗是在系统正常运行过程中自动完成的，不消耗额外能量，一举解决了膜生物反应器的能耗问题，使原爆气法消耗系统运行80%的能量节省下来，降低吨水处理成本，提升膜生物反应器的经济合理性和技术可行性。

实施例16：

根据上述实施例所述的管式膜分离器的清洗方法，提出了膜材料膜孔污染的新清洗方法，膜孔的完全堵塞型污染是对膜危害性最大的污染，不仅可造成膜通量下降，严重时甚至使膜功能完全丧失。传统的解决办法是化学清洗，即使用酸、碱、次氯酸钠等化学药剂对膜进行浸泡清洗。清洗过程消耗大量化学品，容易产生二次污染，也需付出较多人力和时间，如操作不当还可能对膜材料造成损伤，缩短膜的使用寿命。

用高压法对膜孔进行清洗是依据和充分利用了管状高分子膜的塑性变形性、巧妙的将复杂的问题简单化，用最简洁的物理方法解决了长期以来一直难以解决的堵塞膜孔的清洗问题。

实施例17：

传统的平板式或中空纤维式膜分离器均采用爆气法进行清洗，用爆气法清洗膜时，膜分离器只能间歇式工作，一般抽取时间与停吸时间之比为9:1或8:2，利用停吸时间清污，这使膜分离器的工作效率只能发挥80~90%。管式膜分离器的膜内壁清洗法是在分离系统正常工作过程中进行清洗，即不消耗额外能量也不占用设备的工作时间，提高了设备的有效利用率。

Claims (8)

1.一种用管状膜材料制造的管式膜分离器，其组成包括：上封头，其特征是：所述的上封头与筒体连接，所述的筒体与下封头连接，所述的上封头连接有花板，所述的下封头连接有花板，一组沿轴向排列的管状高分子半透膜管的两端分别与所述的花板连接，所述的上封头设有污水排水口，所述的下封头设有污水进水口，所述的筒体上设有清水排水口。

2.根据权利要求1所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，其特征是：所述的管状高分子半透膜管的管状膜是用高分子材料制造，所述的管状高分子半透膜管的管壁各处充满纳米级微孔，孔径分布为10~900 nm，孔密度为10万个/厘米²以上，所述的下封头内设有进水导流板。

3.根据权利要求1或2或3所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，其特征是：所述的筒体采用防腐材质制成，所述的筒体材质为玻璃钢、塑料或不锈钢。

4.根据权利要求3所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器，其特征是：所述的封头、花板均采用防腐材质制成，所述的封头、花板材质均为玻璃钢或不锈钢，花板上均匀分布有200个与膜管管径匹配的孔。

5.一种权利要求1-4之一所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器的管式膜清洗方法，其特征是：阀门A安装在将所述的管式膜分离器与生物反应器单元连接的管道上，阀门B安装在将所述的管式膜分离器与储球筒连接的管道上，阀门C安装在将所述的储球筒与污水泵连接的管道上，阀门D安装在将所述的污水泵与所述的管式膜分离器连接的管道上，阀门F安装在将所述的管式膜分离器与高压泵连接的管道上，阀门E安装在将所述的高压泵与清水排水口连接的管道上。

6.根据权利要求5所述的用管状膜材料制造的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，其特征是：针对滤饼过滤型污染，当管式膜分离器的产水量明显下降，需要进行清洗时，首先关闭阀门A，打开阀门B、阀门C，摩擦球从阀门C流出，在污水泵推动下，经封头进入半透膜管内部，在上升过程中，球与管的内部碰撞、摩擦，使管内壁附着的污染物脱落，管壁受到清洗，管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法的清洗力属机械摩擦力，清洗能力比空气剪切力强，清洗效果良好，3~5分钟循环清洗后，膜管内壁光洁如新，膜通量上升，清水产量恢复到正常状态，清洗完成后，关闭阀门C，由于截止阀C的闸板上钻多个小孔，孔径小于摩擦球的直径，所以，阀C关闭后摩擦球被截留于清洗器内储存，备下次使用，待摩擦球全部进入储球筒后，关闭阀B，打开阀A，系统恢复正常工作状态。

7.根据权利要求5或6所述的管式膜分离器的管式膜膜孔清洗方法，其特征是：针对完全堵塞型污染，采用高压清洗方法，具体操作是：关闭阀门A、阀门B、阀门C，打开阀门D、阀门E、阀门F，开启高压泵，高压泵从管式膜分离器内部抽取清水，由分离器上部注入管膜内，形成高压循环回路，回路内压力保持1.5MPa，在高压下，膜管弹性变形，管的周长被拉伸变长，管壁上微孔的孔径随之变大，原堵塞颗粒的尺寸由适配变为不适配，发生松动，被高压水流冲出孔外，使膜孔中堵塞型污染物被清除，孔清洗完成后，系统恢复正常工作状态。

8.根据权利要求6所述的管式膜分离器的管式膜内壁清洗方法，其特征是：所述的摩擦球由弹性聚氨酯材料制成，经填充改性使材料比重为1~1.2，能够在水中下沉，球的直径大于膜管半径、小于膜管直径，在水力推动下可进入膜管内并在管内作上升运动，对膜管内壁起到擦洗作用。