CN107824048B - 一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置及其运行方法，属于废水处理工艺及装置技术领域。本发明采用的单个压力容器内串联至少含有两种不同类型的过滤单元（预处理微滤（MF）或超滤（UF）+膜过滤纳滤（NF）或反渗透（RO）），所需的压力容器串联或并联在一起，通过本发明技术可以使MF/UF膜元件再生，减小过滤系统占用面积，减轻膜污染，提高经济效益。
Description
技术领域
本发明属于废水处理工艺及装置技术领域，具体涉及一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置及其运行方法。
背景技术
包括膜技术在内的一些新型给水过滤技术，在日常生活中也日益显示出它们的重要性。膜技术作为新型分离技术已广泛应用于气体分离、物料分离和水处理领域，其中以水处理领域对膜产品的应用需求尤为突出。但是在膜法废水处理过程中，由于进水料液中微粒污染物在膜表面沉积或膜孔内吸附，造成膜孔径变小或堵塞，使得膜分离性能逐渐下降，膜污染现象难以避免且愈加严重。膜污染可以通过采用耐污染性的膜材料，进料液预处理和优化系统配置和操作条件等方法予以消除或降低。对于传统预处理技术如多级滤床，却存在有占地面积大和重量大等缺点，限制了这些常规预处理技术在有限空间试验场地的应用。此外，传统预处理技术的产水质量波动较大，容易引发后续分离过程中膜面严重的不可逆污染。
MF膜和UF膜均能够截留进水料液中的悬浮物、细菌、部分病毒及大尺寸的胶体等潜在污染物，RO膜能够阻挡所有的溶解性无机盐离子及分子量大于100道尔顿的有机物，但允许水分子透过。NF膜又叫“疏松型”的RO膜，能截留的分子尺寸大小约为lnm，对于无机盐的分离存在道南效应，导致其对单价离子的去除率低于多价离子。选用合适的膜法预处理和膜清洗技术可以提高后续膜元件的使用效率，减缓膜污染。MF膜和UF膜经常用于NF膜和RO膜的预处理步骤，具有节能、占地面积小和便于操作等优点。此外，反冲洗能够有效地减轻膜污染，并且不会对膜造成二次污染，是最经济的膜清洗技术。公开号为CN201033756A的专利公开了一种采用水处理池、沉淀池、软化中和池等工序的废水处理设备，该发明简单廉价，处理后水全部回用，污泥用作填料和肥料，但该技术存在分离效率低，过滤效果不好，设备占用面积太大等问题。公开号为CN102961967A的专利公开了一种内置有多个板状烧结多孔膜过滤元件的膜过滤装置，该过滤装置的过滤面积显著增大，过滤效果明显提高，占地面积小，但是该装置运行实验中膜污染后清洗困难，如果密封连接出现问题，则严重影响过滤效果。本发明首次采用将至少两个不同类型的膜元件内置于同一压力容器内并串联排列，该压力容器包括一个用于为不同类型膜元件提供进水料液的进水口；至少一个用于为不同类型膜元件提供产水通道的产水出口；至少一个用于为不同类型膜元件提供浓水通道的浓水出口。不同类型的膜元件中的一种为MF膜或UF膜，另一种为RO膜或NF膜。本发明能够减少废水处理装置的占地面积，并且多个所需的压力容器并联在一起，提高了水处理效率，同时通过在线反冲洗使MF膜或UF膜元件再生，延长膜元件的使用寿命，降低经济成本。相关的文献检索不到有关本专利的内容。
发明内容
本发明的目的在于解决现有过滤系统占地面积大、膜污染严重、过滤效率低和浪费水资源的问题而提供了一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置及其运行方法，有效降低了废水处理的经济成本。采用在压力容器内串联至少两种不同类型的膜元件，并将所需压力容器并联或串联排列，从而有效提高膜过滤系统的过滤效率，同时基于压差传感器实现间歇式在线反冲洗，从而减轻MF/UF膜元件污染并使其再生。本工艺设计灵活，可根据过滤系统允许的产水质量要求具体设置。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置，其特征在于包括多个相互并联或/和串联的压力容器，每个压力容器内均设有至少两个不同类型的膜元件且该不同类型的膜元件串联排列，不同类型的膜元件中的一种类型为MF/UF膜元件，另一种类型为RO/NF膜元件，压力容器上设有一个用于为不同类型的膜元件提供进水通道的进水口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供产水通道的产水出口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供浓水通道的浓水出口及至少一个用于为MF/UF膜元件提供反冲洗进水的反冲洗进水口；进水口通过管道及定向控制阀与进水总管连接，该进水总管上沿进水方向依次设有进水流量控制阀、进水流量传感器、调节阀和进水压力传感器；产水出口通过管道与出水总管连接，出水总管与产水池相连，该出水总管上沿出水方向依次设有出水压力传感器、调节阀和产水流量传感器；浓水出口通过管道及调节阀与第二段RO/NF膜组件的进水口连接，第二段RO/NF膜组件的产水出口通过管道与出水总管连接，第二段RO/NF膜组件的浓水出口通过管道及浓水流量控制阀与浓水池相连；反冲洗进水口通过管道及调节阀与反冲洗管道连接，反冲洗管道的进液口与反冲洗进水池相连，定向控制阀的旁路出液口均与反冲洗管道连接，反冲洗进水支路与定向控制阀连接支路之间的反冲洗管道上沿反冲洗进水方向依次设有调节阀和测压支路，测压支路的另一端与进水总管连接，该测压支路上设有反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件，反冲洗管道的出液口与反冲洗出水池相连，邻近反冲洗出水池的反冲洗管道上沿反冲洗出水方向依次设有反冲洗流量传感器和反冲洗流量控制阀。
进一步优选，所述压力容器内不同类型的膜元件采用紧贴式的排列方式，用于有效防止膜元件之间或膜元件周围发生泄漏，压力容器两端分别设置密封组件，用于防止压力容器水液口、产水出口和浓水出口发生泄漏。
进一步优选，所述膜元件表面带有负电荷。
进一步优选，所述压力容器为中空漏斗状构型或中空哑铃状构型，用于促进进水流体的流动和分离，压力容器的材质为塑料、玻璃钢或合金材料，压力容器的长度为1-16m。
进一步优选，所述压力容器内设有串联的MF/UF膜元件和NF/RO膜元件，三个压力容器相互并联，用于提高膜过滤效率，进水料液通过压力容器的MF/UF膜元件进行预处理，用于去除进水料液中的颗粒物和悬浮固体，预处理后的产水直接进入压力容器内串联的NF/RO膜元件，用于有效去除进水料液中的污染离子，处理后的含有低溶解性盐的产水通过产水出口排出，NF/RO膜元件处理后的含有高盐浓度的浓水和MF/UF膜处理后的浓水混合后从压力容器的浓水出口排出。
本发明所述的提高膜过滤系统性能的污水处理装置的运行方法，其特征在于具体过程为：进水料液通过进水总管经进水流量控制阀和定向控制阀由压力容器的进水口进入压力容器，进水料液在压力容器中依次经过MF/UF膜元件和NF/RO膜元件过滤后由压力容器产水出口通过出水总管排入产水池，压力容器中MF/UF膜和NF/RO膜的浓水均由压力容器浓水出口通过管道进入第二段NF/RO膜组件，经第二段NF/RO膜组件过滤后的产水通过出水总管进入产水池，经第二段NF/RO膜组件过滤后的浓水通过浓水管道进入浓水池；当反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件测得MF/UF膜元件两侧的压差超过设定的压力值时，交替停止运行多个并联的压力容器并启动反冲洗过程，反冲洗进水通过压力容器上的反冲洗进水口进入压力容器，反冲洗进水口位于压力容器中MF/UF膜元件与NF/RO膜元件之间，对MF/UF膜元件反冲洗后的反冲洗出水通过反冲洗管道经定向控制阀和反冲洗流量控制阀进入反冲洗出水池，依次交替对多个压力容器内的MF/UF膜元件进行反冲洗以完成对MF/UF膜元件的在线反冲洗环节。
进一步优选，所述进水料液中SO42-的浓度为500-2800mg/L和总溶解固体含盐量浓度为1000-45000mg/L，通过过滤单元之后的产水中SO42-的浓度≤50mg/L和总溶解固体含盐量的浓度≤1000mg/L，过滤单元对进水中离子的截留率介于20%-99%之间。
本发明为了避免第一级过滤中MF/UF膜元件表面或MF/UF膜元件膜孔堵塞，采用反冲洗操作，将该膜元件表面的悬浮固体进行去除和收集，通过反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件在线监测第一级过滤中MF/UF膜元件两侧的压差，当压差超过一定值（≥0.15MPa）时，该压力容器内的MF/UF膜元件进行反冲洗。
本发明的污水处理装置包括多个压力容器，可以串联或并联或串并联一起，过滤系统是灵活设计根据过滤系统允许出水的质量要求设置。单个压力容器的进水可以为进水料液原样，也可以为其它压力容器的浓排水。系统还包括多个能量回收装置（如液压增压器），收集多个压力容器内浓水的能量，用于增加同一压力容器内过滤单元内进水的操作压力，如在RO膜浓水中高达60%以上的能量被回收利用，而NF膜至少能够回收利用≥16%以上的浓水能量。
本发明是一种废水处理采用的膜组件过滤器，采用的单个压力容器内，串联至少含有两种不同类型的过滤单元（预处理微滤（MF）或超滤（UF）+膜过滤纳滤（NF）或反渗透（RO）），所需的压力容器串联或并联在一起，通过本发明技术可以使MF/UF膜元件再生，减小过滤系统占用面积，减轻膜污染，提高经济效益。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：使用的单一压力容器内将两种不同类型的预处理（MF/UF膜元件）过滤单元与RO/NF膜过滤单元等的过滤单元通过互连设置在一起，并将多个类似压力容器串联或并联排列，可以结构性地改进膜过滤系统装置的空间利用率，有效地降低膜过滤系统的厂房占地面积和重量，降低投资费用成本；通过在线监测特定压力容器内第一段的MF/UF膜元件的压降变化，利用来自一个或多个其它压力容器内第一级MF/UF膜元件产水，对特定压力容器内第一段的MF/UF膜元件进行反冲洗，在达到有效去除膜污染使其再生的同时，减少了现有工艺中常见的反冲洗水箱、MF/UF膜产水箱等中间体，进一步优化了膜过滤系统的存储空间；通过多个压力容器的并联排列，多个压力容器的第一段MF/UF膜元件反冲洗可以依次进行，也可以采用交替反冲洗操作，并在反冲洗过程中，适度加大其它压力容器内膜组件的进水量，既保证了膜过滤系统主体工艺的不间断操作运行，又保证了主体工艺造水量的高位持续稳定；本过滤系统是灵活的设计根据过滤系统允许出水的质量要求定制，减小占地面积，操作简单方便，延长膜使用寿命，运行成本维护低经济高效。
附图说明
图1是本发明中提高膜过滤系统性能的污水处理装置的结构示意图。
图中：1-进水流量控制阀，2-进水流量传感器，3-调节阀，4-进水压力传感器，5-反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件，6-定向控制阀，7-MF/UF膜元件，8-NF/RO膜元件，9-压力容器，10-第二段NF/RO膜元件，11-浓水流量控制阀，12-浓水池，13-反冲洗流量控制阀，14-反冲洗流量传感器，15-产水流量传感器，16-产水池，17-反冲洗进水池。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。
如图1所示，一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置，包括多个相互并联的压力容器9，每个压力容器9内均设有两个不同类型的膜元件且该不同类型的膜元件串联排列，不同类型的膜元件中的一种类型为MF/UF膜元件7，另一种类型为RO/NF膜元件8，压力容器9上设有一个用于为不同类型的膜元件提供进水通道的进水口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供产水通道的产水出口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供浓水通道的浓水出口及至少一个用于为MF/UF膜元件7提供反冲洗进水的反冲洗进水口；进水口通过管道及定向控制阀6与进水总管连接，该进水总管上沿进水方向依次设有进水流量控制阀1、进水流量传感器2、调节阀3和进水压力传感器4；产水出口通过管道与出水总管连接，出水总管与产水池16相连，该出水总管上沿出水方向依次设有出水压力传感器、调节阀和产水流量传感器15；浓水出口通过管道及调节阀与第二段RO/NF膜组件10的进水口连接，第二段RO/NF膜组件10的产水出口通过管道与出水总管连接，第二段RO/NF膜组件10的浓水出口通过管道及浓水流量控制阀11与浓水池12相连；反冲洗进水口通过管道及调节阀与反冲洗管道连接，反冲洗管道的进液口与反冲洗进水池17相连，定向控制阀6的旁路出液口均与反冲洗管道连接，反冲洗进水支路与定向控制阀连接支路的反冲洗管道上沿反冲洗进水方向依次设有调节阀和测压支路，测压支路的另一端与进水总管连接，该测压支路上设有反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件5，反冲洗管道的出液口与反冲洗出水池相连，邻近反冲洗液出水池的反冲洗管道上沿反冲洗出水方向依次设有反冲洗流量传感器14和反冲洗流量控制阀13。
本发明所述的提高膜过滤系统性能的污水处理装置的运行方法，具体过程为：进水料液通过进水总管经进水流量控制阀和定向控制阀由压力容器的进水口进入压力容器，进水废液在压力容器中依次经过MF/UF膜元件和NF/RO膜元件过滤后由压力容器产水出口通过出水总管排入产水池，压力容器中MF/UF膜元件和NF/RO膜元件的浓水均由压力容器浓水出口通过管道进入第二段NF/RO膜组件，经第二段NF/RO膜组件过滤后的产水通过出水总管进入产水池，经第二段NF/RO膜组件过滤后的浓水通过浓水管道进入浓水池；当反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件测得MF/UF膜元件两侧的压差超过设定的压力值时，交替停止运行多个并联的压力容器并启动反冲洗过程，反冲洗进水通过压力容器上的反冲洗进水口进入压力容器，反冲洗进水口位于压力容器中MF/UF膜元件和NF/RO膜元件之间，对MF/UF膜元件反冲洗后的反冲洗出水通过反冲洗管道经定向控制阀和反冲洗流量控制阀进入反冲洗出水池，依次交替对多个压力容器内的MF/UF膜元件进行反冲洗以完成对MF/UF膜元件的在线反冲洗环节。
实施例1
当含有包括500mg/L的SO42-和1000mg/L的总溶解固体含盐量的进水废液通过该膜过滤系统时，采用长度为4.7m的玻璃钢材质的压力容器内，依次串联有一级UF预处理膜元件和三支NF膜元件，进水料液分别通过三支并联排列的压力容器的第一级UF膜元件预处理后，产水SDI5为2.1，浊度为0.01NTU，预处理后的UF产水直接进入同一压力容器内第二级的NF膜元件，用于有效去除给水中的各种潜在污染离子，含有低盐浓度的第二级NF膜产水（出水中有25mg/L的SO42-或400mg/L的总溶解固体含盐量）通过产水口排出；相对应地，含有高盐浓度NF膜浓水从浓水口排出。与现有同规格排列的UF膜压力容器和串联后的三级NF膜元件压力容器所组成的膜过滤系统装置相比，本发明所采用的单压力容器中串联有UF膜元件和NF膜元件两个不同类型的过滤单元，有效占地面积和装置质量分别下降47%和28%左右。随着实验运行时间的增加，当跨UF膜压差传感器在线监测到第一支压力容器内UF膜元件两端压差≥0.15MPa时，系统停止第一支压力容器内膜过滤系统的造水程序，启动该压力容器内UF膜元件的反冲洗步骤，反冲洗水流来自第二支和第三支压力容器内UF膜元件的部分产水。反冲洗结束后，通过位于压力容器进口端的定向控制阀用来再次启动正常造水步骤，系统中采用的能量回收装置，将NF浓水中31.5%的能量二次利用用于提升相同膜元件的进水压力。由于第二段NF膜组件的使用，膜过滤系统产水回收率显著增加。
实施例2
当含有包括3000mg/L的SO42-和45000mg/L的总溶解固体含盐量的进水废液通过该膜过滤系统时，采用长度为4.7m的玻璃钢材质的压力容器内，依次串联有一级MF预处理膜元件和三支RO膜元件，进水分别通过三支并联排列的压力容器的第一级MF膜元件预处理后，产水SDI5为2.8，浊度为0.01NTU，预处理后的MF膜产水直接进入同一压力容器内第二级的RO膜元件，用于有效去除给水中的各种潜在污染离子，含有低盐浓度的第二级RO膜产水（出水中有40mg/L的SO42-或800mg/L的总溶解固体含盐量）通过产水口排出；相对应地，含有高盐浓度RO膜浓水从浓水口排出。与现有同规格排列的MF膜压力容器和串联后的三级RO膜压力容器所组成的膜过滤系统装置相比，本发明所采用的单压力容器中串联有MF膜元件和RO膜元件两个不同类型的过滤单元，有效占地面积和装置质量分别下降35%和22%左右。随着实验运行时间的增加，当跨UF膜压差传感器在线监测到第一支压力容器内MF膜元件两端压差≥0.15MPa时，系统停止第一支压力容器内膜过滤系统的造水程序，启动该压力容器内MF膜元件的反冲洗步骤，反冲洗水流来自第二支和第三支压力容器内MF膜元件的部分产水。反冲洗结束后，通过位于压力容器进口端的定向控制阀用来再次启动正常造水步骤，系统中采用的能量回收装置，将RO浓水中92.4%的能量二次利用用于提升相同膜元件的进水压力。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (3)
1.一种提高膜过滤系统性能的污水处理装置，其特征在于包括多个相互并联或/和串联的压力容器，每个压力容器内均设有至少两个不同类型的膜元件且该不同类型的膜元件串联排列，不同类型的膜元件中的一种类型为MF/UF膜元件，另一种类型为RO/NF膜元件，且系统还包括多个能量回收装置，收集多个压力容器内浓水的能量，增加同一压力容器内过滤单元内进水的操作压力，压力容器上设有一个用于为不同类型的膜元件提供进水通道的进水口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供产水通道的产水出口、至少一个用于为不同类型的膜元件提供浓水通道的浓水出口及至少一个用于为MF/UF膜元件提供反冲洗进水的反冲洗进水口；进水口通过管道及定向控制阀与进水总管连接，该进水总管上沿进水方向依次设有进水流量控制阀、进水流量传感器、调节阀和进水压力传感器；产水出口通过管道与出水总管连接，出水总管与产水池相连，该出水总管上沿出水方向依次设有出水压力传感器、调节阀和产水流量传感器；浓水出口通过管道及调节阀与第二段RO/NF膜组件的进水口连接，第二段RO/NF膜组件的产水出口通过管道与出水总管连接，第二段RO/NF膜组件的浓水出口通过管道及浓水流量控制阀与浓水池相连；反冲洗进水口通过管道及调节阀与反冲洗管道连接，反冲洗管道的进液口与反冲洗进水池相连，定向控制阀的旁路出液口均与反冲洗管道连接，反冲洗进水支路与定向控制阀连接支路之间的反冲洗管道上沿反冲洗进水方向依次设有调节阀和测压支路，测压支路的另一端与进水总管连接，该测压支路上设有反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件，反冲洗管道的出液口与反冲洗出水池相连，邻近反冲洗出水池的反冲洗管道上沿反冲洗出水方向依次设有反冲洗流量传感器和反冲洗流量控制阀；
所述压力容器内不同类型的膜元件采用紧贴式的排列方式，用于有效防止膜元件之间或膜元件周围发生泄漏，压力容器两端分别设置密封组件，用于防止压力容器出水口、产水出口和浓水出口发生泄漏；
所述膜元件表面带有负电荷；
所述压力容器为中空漏斗状构型或中空哑铃状构型，用于促进进水料液的流动和分离，压力容器的材质为塑料、玻璃钢或合金材料，压力容器的长度为1-16m；
所述压力容器内设有串联的MF/UF膜元件和NF/RO膜元件，三个压力容器相互并联，用于提高膜过滤效率，进水料液通过压力容器的MF/UF膜元件进行预处理，用于去除进水料液中的颗粒物和悬浮固体，预处理后的产水直接进入压力容器内串联的NF/RO膜元件，用于有效去除进水料液中的污染离子，处理后的含有低溶解性盐的产水通过产水出口排出，NF/RO膜元件处理后的含有高盐浓度的浓水和MF/UF膜处理后的浓水混合后从压力容器的浓水出口排出。
2.一种如权利要求1所述的提高膜过滤系统性能的污水处理装置的运行方法，其特征在于具体过程为：进水料液通过进水总管经进水流量控制阀和定向控制阀由压力容器的进水口进入压力容器，进水料液在压力容器中依次经过MF/UF膜元件和NF/RO膜元件过滤后由压力容器产水出口通过出水总管排入产水池，压力容器中MF/UF膜和NF/RO膜的浓水均由压力容器浓水出口通过管道进入第二段NF/RO膜组件，经第二段NF/RO膜组件过滤后的产水通过出水总管进入产水池，经第二段NF/RO膜组件过滤后的浓水通过浓水管道进入浓水池；当反冲洗跨MF/UF膜压差传感器组件测得MF/UF膜元件两侧的压差超过设定的压力值时，交替停止运行多个并联的压力容器并启动反冲洗过程，反冲洗进水通过压力容器上的反冲洗进水口进入压力容器，反冲洗进水口位于压力容器中MF/UF膜元件与NF/RO膜元件之间，对MF/UF膜元件反冲洗后的反冲洗出水通过反冲洗管道经定向控制阀和反冲洗流量控制阀进入反冲洗出水池，依次交替对多个压力容器内的MF/UF膜元件进行反冲洗以完成对MF/UF膜元件的在线反冲洗环节。
3. 根据权利要求2所述的提高膜过滤系统性能的污水处理装置的运行方法，其特征在于：所述进水料液中SO4 2-的浓度为500- 2800mg /L和总溶解固体含盐量浓度为1000-45000mg/L，通过压力容器内过滤单元之后的产水中SO4 2-的浓度≤50mg/L和总溶解固体含盐量的浓度≤1000mg/L，过滤单元对进水料液中离子的截留率介于20%-99%之间。
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