CN108362832A - 低压纳滤膜元件的性能评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压纳滤膜元件性能评价装置及方法，该装置包括：多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件，其中一个膜元件为测试膜元件，其它膜元件为对照膜元件，每条测试支路的进水端分别依次设置进水闸阀、进水流量计和进水压力表，产清水端分别依次设置出水闸阀和出水流量计；测试进水系统，经总进水干管与每条测试支路管道的进水端连接；每条测试支路管道的产清水端经总清水干管回连至测试进水系统；各支膜元件的浓水出水端经总浓盐水干管回连至测试进水系统。该方法包括：采用上述装置进行初始性能评价和抗污染评价测试。能为低压纳滤膜元件产品的开发提供了可靠的理论依据，使卷式膜元件的应用更加多元化。
Description
技术领域
本发明属于膜技术领域，具体涉及一种能评价低压纳滤卷式膜元件的初始性能及抗污染性能的评价装置及方法。
背景技术
MBR技术已广泛应用于市政污水处理，出水水质可达到国家一级A标准，但MBR出水多用作景观用水，不能作为饮用水的补充水源，这对于缺水地区来说无疑是巨大的浪费。将污水处理后的出水排放到自然水体作为饮用水补充水源，出水水质应优于地表Ⅲ类水，通常采用MBR+反渗透双膜法工艺。
资料表明，反渗透系统直接运行成本通常在3.5元/吨以上；运行数据表明，低压纳虑膜工艺直接运行成本约1.3元/吨，MBR+低压纳虑膜工艺直接运行成本约1.9元/吨。低压纳虑膜元件的开发，降低了双膜法工艺运行成本，实现了水资源的再生，大幅提高了区域水资源的循环利用效率和水环境承载力。
性能测试与分析评价是膜元件从脱离生产线到工程应用必须要经历的产品开发过程。资料显示，目前的试验装置、评价方法均比较单一，无法结合实际水处理工程或无法采用污水对膜元件进行长期系统的测试与分析，从而不能充分优化膜片性能和膜元件结构，难以定位膜元件的通量范围和运行压力，使膜元件产品达不到工程应用的标准。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种低压纳滤膜元件的性能评价装置及方法，能准确的测定低压纳滤膜元件的初始性能和抗污染性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种低压纳滤膜元件的性能评价装置，包括：
多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件，其中一个膜元件为测试膜元件，其它膜元件为对照膜元件，每条测试支路管道的进水端分别依次设置进水闸阀、进水流量计和进水压力表，每条测试支路管道的产清水端分别依次设置出水闸阀和出水流量计；
测试进水系统，经总进水干管与所述每条测试支路管道的进水端连接；
所述每条测试支路管道的产清水端经总清水干管回连至所述测试进水系统；
各支膜元件的浓水出水端经总浓盐水干管回连至所述测试进水系统。
本发明实施方式提供一种低压纳滤膜元件的性能评价方法，采用本发明所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，包括以下步骤：
评价初始性能：
以不同浓度的标准NaCl溶液为所述装置的测试进水，在保持15％回收率条件下，由低到高依次提高膜元件的测试进水压力至各压力梯度值，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算测试膜元件的脱盐率和通量，确定测试膜元件的运行压力范围和运行通量范围。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的低压纳滤膜元件的性能评价装置及方法，其有益效果为：
通过在多条并联的各测试支路管道上设置膜元件，形成多支膜元件并联，配合测试进水系统，和管路进水端设置的进水闸阀、进水流量计和进水压力表及产水端设置的出水闸阀和出水流量计形成一种低压纳滤膜元件的性能评价装置。能以不同浓度测试进水在不同压力梯度下运行测试各膜元件的脱盐率和通量，进而确定各低压纳滤膜元件的初始性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的低压纳滤膜元件的性能评价装置的构成示意图；
图1中各标号对应部件分别为：1-2m3水箱；2-NaCl溶液进水闸阀；3-MBR出水进水闸阀；4-离心泵；5-回流调节阀；6-保安过滤器；7-支路进水管流量计；8-支路进水管闸阀；9-压力表；10-4040型反渗透膜壳；11-清水支管闸阀；12-清水支管流量计；13-抗污染评价浓水干管闸阀；14-抗污染评价清水干管闸阀；15-初始性能评价浓盐水干管闸阀；16-初始性能评价清水干管闸阀；
图2为本发明实施例提供的初始性能评价中，运行压力为0.3和0.4Mpa，不同浓度NaCl溶液为进水条件下，各种膜元件脱盐率变化曲线；
图3为本发明实施例提供的初始性能评价中，运行压力为0.3和0.4Mpa，不同浓度NaCl溶液为进水条件下，各种膜元件通量变化曲线；
图4为本发明实施例提供的初始性能评价中，进水为500ppm NaCl溶液，不同压力条件下，各种膜元件脱盐率变化曲线；
图5为本发明实施例提供的初始性能评价中，进水为500ppm NaCl溶液，不同压力条件下，各种膜元件通量变化曲线；
图6为本发明实施例提供的抗污染评价中，运行压力为0.3、0.5和0.6Mpa，各种膜元件脱盐率变化曲线；
图7为本发明实施例提供的抗污染评价中，运行压力为0.3、0.5和0.6Mpa，各种膜元件通量变化曲线。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，本发明实施例提供一种低压纳滤膜元件的性能评价装置，包括：
多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件，其中一个膜元件为测试膜元件，其它膜元件为对照膜元件，每条测试支路管道的进水端分别依次设置进水闸阀、进水流量计和进水压力表，每条测试支路管道的产清水端分别依次设置出水闸阀和出水流量计；
测试进水系统，经总进水干管与所述每条测试支路管道的进水端连接；
所述每条测试支路管道的产清水端经总清水干管回连至所述测试进水系统；
各支膜元件的浓水出水端经总浓盐水干管回连至所述测试进水系统。
上述性能评价装置中，多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件为：
5～10条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支4040型膜元件。
上述性能评价装置中，测试进水系统包括：
水箱，该水箱的出水口连接所述总进水干管，该总进水干管上依次设置NaCl溶液进水闸阀、进水离心泵和保安过滤器，所述保安过滤器的出水端与每条测试支路管道的进水端连接；优选的，水箱采用1～2m3的水箱；
所述进水离心泵两端并联连接回流调节阀；
所述NaCl溶液进水闸阀与所述离心泵之间的所述总进水干管上连接MBR出水进水管，该MBR出水进水管上设置MBR出水进水闸阀。
上述性能评价装置中，进水离心泵采用变频器控制的变频离心泵。
上述性能评价装置还包括：清水排水支管和浓水排水支管；
所述清水排水支管连接清水池，该清水排水支管上设置抗污染评价清水干管闸阀；
所述浓水排水支管连接至MBR池，该浓水排水支管上设置抗污染评价浓水干管闸阀。
本发明实施例还提供一种低压纳滤膜元件的性能评价方法，采用上述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，包括：
评价初始性能，是评价膜元件在标准NaCl溶液中、不同压力梯度条件下所体现的脱盐率和通量变化规律的方法，步骤如下：
以所述装置的水箱作为进水源，打开NaCl溶液进水闸阀，关闭MBR出水进水管上的MBR出水进水闸阀，以不同浓度的标准NaCl溶液为所述装置的测试进水，在保持15％回收率条件下，由低到高依次提高膜元件的测试进水压力至各压力梯度值，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算测试膜元件的脱盐率和通量，确定测试膜元件的运行压力范围和运行通量范围。
上述性能评价方法中，不同浓度的标准NaCl溶液为：NaCl溶液浓度梯度为250、500、1000、1500、2000ppm；
所述方法中采用的各压力梯度值为：0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、 0.9Mpa；
上述性能评价方法中，脱盐率和通量的计算公式如下：
上述性能评价方法还包括：抗污染性能评价，是评价膜元件在实际水处理工程中极端条件下所体现的脱盐率和通量变化规律的方法，通过在长时间污染的极端条件下运行测试各膜元件的脱盐率和通量，确定各低压纳滤膜元件的抗污染性能，包括：
关闭NaCl溶液进水闸阀，打开MBR出水进水管上的MBR出水进水闸阀，以所述装置的 MBR出水进水管引入MBR出水，以污水处理厂MBR的出水作为所述装置的测试进水，在不同压力梯度下长时间运行，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算测试膜元件的脱盐率和通量，根据测试膜元件的脱盐率、通量的变化曲线确定测试膜元件的抗污染性能。
上述抗污染性能评价中，在不同压力梯度下长时间运行为：测试进水压力变化梯度值采用0.3、0.5、0.6Mpa，按由低到高依次提高膜元件的进水压力至各梯度值的方式进水，每个压力梯度值下运行时间为200～300小时；
所述脱盐率和通量的计算公式如下：
本发明的方法，适用于低压运行的卷式膜元件，尤其适用于运行压力低于0.4Mpa的纳滤膜元件，通过对低压纳滤膜元件性能进行评价分析，能够精确定位低压纳滤膜元件的运行压力范围和运行通量范围，充分优化低压纳滤膜元件的生产工艺，增大膜元件通量的同时，保证膜元件的脱盐率和抗污染性，逐步提高膜元件对MBR出水的适应性。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
如图1所述，本发明实施例中，低压纳滤卷式膜元件的性能评价装置，由5～10支并联的4040型膜元件组成，每个支路管道进水端分别设置进水闸阀、进水流量计及进水压力表；每个支路管道产清水端分别设置出水闸阀和出水流量计；能够单独调节每个支路的运行压力及回收率，各支路可同时运行。对低压纳滤卷式膜元件的初始性能评价和抗污染评价的实验操作均在上述装置中进行，总管道进水通过闸阀切换；进水离心泵采用变频器控制，通过调节变频器控制进水至所需的流量值。
本发明实施例中，对低压纳滤卷式膜元件的初始性能评价方法，能评价膜元件在标准NaCl溶液中、不同压力梯度条件下所体现的脱盐率和通量的变化规律，以不同浓度的标准NaCl溶液为进水(本发明配置NaCl溶液浓度梯度为250、500、1000、1500、 2000ppm)，在保持15％回收率条件下，由低到高依次提高膜元件的进水压力至各梯度值，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算脱盐率和通量，并进行分析比较 (压力梯度值为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9Mpa)。选取与水处理工程中膜元件进水含盐量相近1个或2个的NaCl溶液浓度梯度，通过分析所述的NaCl溶液浓度梯度条件下脱盐率、通量随压力变化的曲线精确定位运行压力范围和运行通量范围。
本发明实施例中，对低压纳滤卷式膜元件的抗污染评价方法，能评价膜元件在实际水处理工程中极端条件下所体现的脱盐率和通量的变化规律，膜元件进水为污水处理厂MBR的出水，在不同压力梯度下长时间运行，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算脱盐率和通量，并进行分析比较(压力梯度值为0.3、0.5、0.6Mpa，每个压力梯度下运行时间为200～300小时)。通过脱盐率、通量的变化曲线可推断影响抗污染性的主要因素，进而有针对性的优化膜元件。
本发明实施例中，对低压纳滤膜元件初始性能评价、抗污染评价的测试操作部分均采用图1所示的性能评价装置中进行。通过调节进水端的NaCl溶液进水闸阀2或MBR出水进水闸阀3，变换测试进水。
本发明实施例中，上述初始性能评价、抗污染评价中，脱盐率和通量计算公式如下：
实施例一：低压纳滤膜元件初始性能评价：
(一)膜元件初始性能测试：
1)实验装置：4040型5膜壳反渗透运行装置，包括多级离心泵1台、保安过滤器1个、电控装置1套、2m3水箱1个。装置结构示意图参见图1。
2)对照膜元件：根据膜片及膜结构确定的低压纳滤膜元件型号，选取与其性能相当的各知名厂家膜元件作为对照膜元件，本发明中选用的对照膜元件，分别为东丽超低压膜元件TMG10(对照一)、海德能超低压膜元件ESPA(对照二)、世韩超低压膜元件BL (对照三)、东丽抗污染膜元件TML10(对照四)；各型号膜元件参数详见各厂家反渗透技术手册。
3)评价测试方法：根据对膜元件脱盐性能的初步估计，配置不同浓度的标准NaCl溶液，本发明配置NaCl溶液浓度梯度为250、500、1000、1500、2000ppm。分别以每一种浓度的NaCl溶液为进水，通过调节支路进水管闸阀和清水支管闸阀，在保持15％回收率不变的条件下，由低到高逐渐提高膜元件的进水压力，记录每个运行压力下的测试数据，并计算测试膜元件脱盐率和通量。
(二)膜元件初始性能测试结果与分析：
根据对北京地区部分市政水厂MBR出水的水质检测可知，大部分MBR出水TDS在500ppm 左右，所以本发明着重分析以500ppm标准NaCl溶液为进水时的膜元件性能。由图2可知， 0.3～0.4Mpa进水压力下，低压纳滤膜元件针对500ppm标准NaCl溶液的脱盐率为97.6％～ 98.2％；由图3可知，通量为22～28LMH。随着浓度的提高，脱盐率和通量均开始减弱，符合所有卷式膜元件运行规律，低压纳滤膜元件产品合格。
由图4可知，低压纳滤膜元件脱盐率在0.2～0.4Mpa之间增长幅度最大，0.4Mpa时达到98.2％，已满足工程需要；随着进水压力的升高，脱盐率升高缓慢；图5显示低压纳滤膜元件通量大于其他大部分对照膜元件，且随着压力的提高，通量增长率几乎不变。
综合上述分析，并参考《陶氏反渗透技术手册》中RO/NF膜元件在水处理应用中的设计参数(表1)，可将低压纳滤膜元件运行通量定级在14～24LMH，将运行压力定级在 0.3～0.4Mpa。
表1陶氏RO/NF膜元件在水处理应用中的设计参数
实施例二：低压纳滤膜元件抗污染评价
(一)膜元件抗污染运行测试：
1)实验装置：同实施例1
2)对照膜元件：陶氏NF90-4040型膜元件一支，膜元件参数详见《陶氏反渗透技术手册》。
3)测试方法：
膜元件进水：某市政水厂MBR产水(执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准)。
运行压力：0.3Mpa、0.5Mpa、0.6Mpa。
连续运行时间：每个压力梯度下运行时间为200～300小时。
回收率：15％。
(二)膜元件抗污染运行结果与分析
图6显示，在膜元件运行的初始阶段，低压纳滤膜元件脱盐率有较大幅度增加，对照膜元件增加幅度较小，表明运行初始阶段低压纳滤膜元件脱盐率稳定性稍低于对照膜元件；0.3Mpa进水压力下运行100小时后低压纳滤膜元件脱盐率稳定在93％～94％之间；压力越高，对照膜元件脱盐率优势约不明显。
由图7可知，相同进水压力下，低压纳滤膜元件通量高于对照膜元件，0.3Mpa时通量已达到23LMH，且运行稳定；同时由表2可知，两种膜元件产水水质均高于地表Ⅲ类水质指标要求。
表2进水压力0.3Mpa条件下进水及产水水质
综合以上可知，低压纳滤膜元件抗污染稳定性较好，脱盐性能整体与对照膜元件相当；通量方面，低压纳滤膜元件性能优于对照膜元件。低压纳滤膜元件不稳定性主要表现在实验初始阶段的脱盐率上。由此推断，低压纳滤膜元件与对照膜元件的膜片性能相当，稳定性影响因素主要在于浓水流道的结构，以及膜元件卷制工艺，进而使得，膜元件开发工程师可有针对性的对膜元件进行改进与优化。
本发明适用于低压运行的卷式膜元件，尤其适用于运行压力低于0.4Mpa的纳滤膜元件。通过对低压纳滤膜元件性能评价分析，能够精确定位低压纳滤膜元件的运行压力范围和运行通量范围，充分优化低压纳滤膜元件的生产工艺，增大膜元件通量的同时，保证膜元件的脱盐率和抗污染性，逐步提高膜元件对MBR出水的适应性，大幅度降低双膜法工艺的运行成本。本发明的评价方法为低压纳滤膜元件产品的开发提供了可靠的理论依据，使卷式膜元件的应用更加多元化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种低压纳滤膜元件的性能评价装置，其特征在于，包括：
多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件，其中一个膜元件为测试膜元件，其它膜元件为对照膜元件，每条测试支路管道的进水端分别依次设置进水闸阀、进水流量计和进水压力表，每条测试支路管道的产清水端分别依次设置出水闸阀和出水流量计；
测试进水系统，经总进水干管与所述每条测试支路管道的进水端连接；
所述每条测试支路管道的产清水端经总清水干管回连至所述测试进水系统；
各支膜元件的浓水出水端经总浓盐水干管回连至所述测试进水系统。
2.根据权利要求1所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，其特征在于，所述多条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支膜元件为：
5～10条并联的测试支路管道，每条测试支路管道上串联设置一支4040型膜元件。
3.根据权利要求1或2所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，其特征在于，所述测试进水系统包括：
水箱，该水箱的出水口连接所述总进水干管，该总进水干管上依次设置NaCl溶液进水闸阀、进水离心泵和保安过滤器，所述保安过滤器的出水端与每条测试支路管道的进水端连接；
所述进水离心泵两端并联连接回流调节阀；
所述NaCl溶液进水闸阀与所述离心泵之间的所述总进水干管上连接MBR出水进水管，该MBR出水进水管上设置MBR出水进水闸阀。
4.根据权利要求3所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，其特征在于，所述进水离心泵采用变频器控制的变频离心泵。
5.根据权利要求1或2所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，其特征在于，还包括：清水排水支管和浓水排水支管；
所述清水排水支管连接清水池，该清水排水支管上设置抗污染评价清水干管闸阀；
所述浓水排水支管连接支MBR池，该浓水排水支管上设置抗污染评价浓水干管闸阀。
6.一种低压纳滤膜元件的性能评价方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的低压纳滤膜元件的性能评价装置，包括以下步骤：
评价初始性能：
以不同浓度的标准NaCl溶液为所述装置的测试进水，在保持15％回收率条件下，由低到高依次提高膜元件的测试进水压力至各压力梯度值，记录不同压力梯度时测试膜元件的运行数据，计算测试膜元件的脱盐率和通量，确定测试膜元件的运行压力范围和运行通量范围。
7.根据权利要求6所述的低压纳滤膜元件的性能评价方法，其特征在于，所述不同浓度的标准NaCl溶液为：NaCl溶液浓度梯度为250、500、1000、1500、2000ppm；
所述方法中采用的各压力梯度值为：0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9Mpa。
8.根据权利要求6或7所述的低压纳滤膜元件的性能评价方法，其特征在于，所述脱盐率和通量的计算公式如下：
9.根据权利要求6所述的低压纳滤膜元件的性能评价方法，其特征在于，所述方法还包括：抗污染性能评价：
以污水处理厂MBR的出水为膜元件进水，在不同压力梯度下长时间运行，记录不同压力梯度时各个膜元件的运行数据，计算脱盐率和通量，绘制所述脱盐率和通量的变化曲线，根据所述脱盐率和通量的变化曲线确定所述膜元件的抗污染性能。
10.根据权利要求9所述的低压纳滤膜元件的性能评价方法，其特征在于，所述在不同压力梯度下长时间运行为：测试进水压力变化梯度值采用0.3、0.5、0.6Mpa，按由低到高依次提高膜元件的进水压力至各梯度值的方式进水，每个压力梯度值下运行时间为200～300小时；
所述脱盐率和通量的计算公式如下：
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