CN111495195A - 一种评价水样超滤膜污堵潜势的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价水样超滤膜污堵潜势的装置及其方法，包括超滤组件、进水组件、反洗组件、称量组件、控制组件。在超滤组件中，超滤膜丝置于壳体中，超滤膜丝从壳体中伸出作为净水出水口。本发明通过检测超滤组件中，超滤膜的跨膜压差随时间的变化通过建模拟合得到参数Ki和Ks，用于评价水样超滤膜污堵潜势。本发明在控制超滤膜污堵方面具有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于污染负荷估算技术领域，特别是涉及一种评价水样超滤膜污堵潜势的装置及其方法。
背景技术
我国水资源严重短缺，污水再生利用是解决这一问题的有效途径。全面开展再生水的利用，对缓解我国水资源短缺现状具有十分重要的意义。超滤工艺能够有效截留水中粒径大于超滤膜孔径的颗粒物，具有产水水质好、运行稳定等优点，被广泛用于污水再生利用领域。膜污堵导致的膜通量下降、跨膜压差增大、产水水质下降等是超滤工艺运行过程中面临的主要问题。准确模拟和预测超滤膜的跨膜压差随系统运行时间的变化，对于控制膜污堵、维持系统的稳定运行具有重要意义。
为了解决上述问题，本发明提出了一种评价水样超滤膜污堵潜势的装置和方法，在控制超滤膜污堵方面具有重要的实用价值。
发明内容
本发明提供了一种评价水样超滤膜污堵潜势的超滤模组及由其构成的装置。本发明公开的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，包括超滤组件、进水组件、反洗组件、称量组件、控制组件，其中：
超滤组件包括：超滤膜丝、管状容器，所述管状容器两端设有密封件，所述超滤膜丝的一端密封并固定于所述管状容器一端的密封件上，超滤膜丝的另一端贯穿上述管状容器另一端的封闭件，作为净水出水口，所述管状容器的管壁上设有进水口、出水口；
在本发明优选的实施方式中，所述超滤膜丝具有0.02μm的平均孔径。
进水组件包括：水泵、进水箱，所述进水箱通过管线与超滤组件的进水口相连，在进水箱与进水口的管线上设有进水泵，在水泵与进水口之间的管道上设有的压力表；
所述超滤组件中，在出水口上设有手动阀门；
反洗组件包括反洗泵和反洗电磁阀，所述反洗泵的一端通过管道与超滤膜膜丝产水口连接，反洗泵的另一端通过管道与反洗水箱连接，所述反洗电磁阀设置于与超滤组件出水口连接的管道上；
称量组件包括：净水箱、称量设备、以及连接净水箱与超滤膜组件净水出口的管道，称量设备用于称量产水箱的重量；
控制组件包括：控制器，所述控制器连接进水泵、反洗泵、进水电磁阀、反洗电磁阀，所述连接选自有线连接或无线连接。
在优选的实施方式中，所述控制器是电脑。在更优选的实施方式中，所述控制器是集散控制系统。
所述集散控制系统(DCS)是通过计算机通过通信网络对生产过程集中操作、管理、监视和分散控制的一种全新的分布式控制系统。
在控制组件中，所述连接是计算机与设备之间进行通讯的连接。在本发明中，采用本领域技术人员常规的方式进行通讯连接。这种连接可选地包括有线连接和无线连接。
所述超滤膜丝(18)为单根超滤膜丝或多根超滤膜丝组成的超滤膜丝束。所述多根可选地为1-30根。
开始测试时，将测试水样置于进水箱中，由控制器控制进水电磁阀开启，同时通过进水泵向超滤膜组件供水。开始时手动阀门开启，随着进水不断排出膜组件中的空气，使得水样充满膜组件。待水样充满膜组件后，关闭手动阀门，同时打开进水压力表。由于进水泵为恒流泵，当超滤膜受到水中的污染物污堵，为了保持恒定的流量，进水压力将不断升高，水样在进水压力下透过超滤膜孔，流入产水箱内。压力表实时记录进水压力。所述实时记录进水压力优选为压力表每隔1min记录一个数据，并传输到控制器中进行储存。产水重量由称量设备实时记录，在优选的实施方式中称量设备为电子天平，所述称量设备实时记录优选为每隔1min记录一个数据，并将数据传输到控制器中进行储存。
反冲洗阶段，通过控制器关闭进水电磁阀及进水泵。反洗液置于反洗水箱当中，由控制器控制反洗电磁阀开启，通过反洗泵从超滤膜丝内部反向供水，反洗液通过膜孔进入超滤膜组件当中，并经过反洗电磁阀流入废液箱当中。
上述为一个测试-反洗流程，可以在控制器设置固定的测试和反洗时间以及循环次数，一旦测试开始，该装置可以自动运行至循环结束。
在本发明的实施过程中，当所有管路连接完毕，通水后应仔细检查膜组件是否漏水。如果发现装置漏水，则需重新连接管路或制备新的膜组件。
膜组件的结构如附图2所示。14号口连接进水泵，15号口连接手动阀门，17号口为膜组件底部，通过密封件密封为死端，不通水，在该膜组件的顶部设有密封件，膜丝贯穿该密封件并从密封件中伸出作为净水出水口16。净水出水口除膜丝外，其余部分为死端，不通水。
在本发明的实施方式中，水样从14号进水端进入膜组件，待膜组件全部充满后，关闭15号口，即排气口，所连接的手动阀门，由于其他端口均为死端，随着测试随样的进入，膜组件内的压力增大，水样在进水压力的驱动下通过膜丝的外表面的超滤膜孔进入中空纤维膜丝的内部通路，滤出液在膜丝内部汇集并通过16号净水出水口流出，通过管路进入产水箱中。
上述对超滤膜组件是否漏水检测。
膜组件实现通水后，首先观察组件外部接口14、15和16号口是否有渗水漏水现象，如有漏水现象，则需要重新连接管路。由于膜组件顶部被连接在产水管路中，无法通过肉眼观察，若从一开始进水压力始终不变，则说明膜组件顶部发生漏水现象。在膜组件运行过程当中，进水压力和产水量被实时记录，在优选的实施方式中每隔1min记录一个数据，若进水压力发生突降、产水流量，例如每分钟产水量，发生突增，则说明膜丝或者净水出水口发生突然破损的现象，则需要重新制备膜组件。
本发明的测试所得的数据为跨膜压差，即进水压力，随时间的变化。进水中的污染物越多，导致膜污堵越快越严重，为了维持相同的膜通量，所需的进水压力升高的越快。因此，得到不同运行时间对应的进水压力后，以运行时间为横坐标，进水压力为纵坐标作图，图中进水压力上升最快也就是运行时间最短的水样，即为超滤膜污堵潜势最高的水样。
膜污堵潜势评价方法。引入中间堵塞—标准堵塞组合模型来对所得实验数据进行模型拟合，模型公式如下：
其中，P指任意时间的跨膜压差TMP，P0指测试开始时的初始跨膜压差，t指测试时间，Ki指中间堵塞模型的模型参数，Ks指标准堵塞模型的模型参数。使用该模型对本装置实验数据进行拟合，拟合效果良好，拟合优度R2高达0.99，残差平方和SSR小于1。用模型拟合结果来量化比较不同实验组的膜污堵潜势大小，模型拟合所得的模型参数Ki和Ks越大，表明该水样的膜污堵潜势越大，膜污堵越严重。用该组合模型对本装置实验结果进行拟合时，由于中间堵塞机理占主导，拟合结果中间堵塞参数Ki值远大于标准堵塞参数值Ks。
所述拟合，优选使用ORIGIN软件拟合。
附图说明
图1：评价水样超滤膜污堵潜势的系统示意图。
图2：超滤膜组件示意图。
图3：水样1、2、3的TMP与时间的关系图。
图4：水样4、5反冲洗实验的TMP与时间的关系图。
其中：1、进水箱，2、进水泵，3、进水电磁阀，4、进水压力表，5、超滤膜组件，6、手动阀门，7、产水箱，8、称量设备，9、控制器，10、反洗水箱，11、反洗泵，12、反洗电磁阀，13、废液箱，14、进水口，15、出水口，16、超滤膜丝产水口，17、膜组件底部，18、超滤膜丝。
具体实施例
实施例1：
采用图1所示系统对三种不同水样的超滤膜污堵潜势进行评价。
水样1为反硝化滤池进水，水样2为反硝化滤池出水，水样3为经过臭氧氧化处理的反硝化滤池出水。
水样1、2、3的总有机碳(TOC)浓度均为9mg/L。从水样中有机污染物的浓度很难判断其对超滤膜的污堵潜势大小。采用本发明提出的装置和系统，可以简洁、快速(1小时以内)评价三种水样的超滤膜污堵潜势大小。
如图3所示，反硝化滤池出水(水样2)TMP随时间增长最快，其超滤膜污堵潜势最大，反硝化滤池进水(水样1)的超滤膜污堵潜势次之，经过臭氧处理后的反硝化滤池出水(水样3)污堵潜势最小。利用模型(1)对三条曲线进行拟合，拟合结果如下表所示：
| 水样 | K<sub>i</sub> | K<sub>s</sub> | R<sup>2</sup> | SSR |
| 1 | 13.89 | 1.14 | 0.992 | 0.25 |
| 2 | 19.05 | 1.61 | 0.995 | 0.1 |
| 3 | 5.11 | 0.32 | 0.997 | 0.23 |
水样2的膜污堵潜势最大，其对应的模型参数Ki和Ks值也最大，水样3的膜污堵潜势最小，其对应的模型参数Ki和Ks值也最小，其中三条曲线的模型拟合优度R2均大于0.99，残差平方和SSR小于0.5，拟合效果良好。
实施例2：
采用图1所示系统对两种不同水样进行膜过滤及反冲洗实验，并对水样的膜污堵反洗效果进行评价。
水样4为总有机碳(TOC)浓度为1mg/L的瓜尔胶溶液，水样5为总有机碳(TOC)浓度为0.22mg/L的瓜尔胶溶液。采用本发明提出的装置和系统，可以简洁、快速评价两种水样的超滤膜污堵反洗效果。
如图4所示，由于有机物浓度高，水样4的膜污堵潜势更大，并且反冲洗对于水样4的膜污堵减轻更为有效；而水样5的膜污堵潜势较小，且反冲洗对于水样5导致的膜污堵减轻效果不明显。
Claims (10)
1.一种评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其特征在于，包括超滤组件、进水组件、反洗组件、称量组件、控制组件，其中：
超滤组件包括：超滤膜丝(18)和壳体，超滤膜丝的一端密封并置于壳体中，超滤膜丝的另一端从壳体伸出作为净水出水口(16)，所述净水出水口(16)处设有密封件，所述密封件将净水出水口处超滤膜丝与壳体之间的空隙密封，所述壳体的壳壁上设有进水口(14)、出水口(15)；
进水组件包括：水泵(2)、进水箱(1)、进水电磁阀(3)，所述进水箱(1)通过管线与超滤组件的进水口(14)相连，在进水箱(1)与进水口(14)的管线上设有进水泵(2)，在水泵(2)与进水口(14)之间的管道上设有的压力表(4)，进水电磁阀(3)设在与净水出水口(16)连接的管道上；
反洗组件包括：反洗泵(11)和反洗电磁阀(12)，所述反洗泵(11)通过管道与超滤膜净水出水口(16)连接，所述反洗电磁阀(12)设置于与出水口(15)连接的管道上；
称量组件包括：产水箱(7)、称量设备(8)，所述产水箱通过管道与超滤膜组件净水出水口(16)相连，称量设备用于称量产水箱的重量；
控制组件包括：控制器(9)，所述控制器连接进水泵(2)、反洗泵(11)、进水电磁阀(3)、反洗电磁阀(12)，所述连接选自有线连接或无线连接。
2.根据权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，所述壳体是管状容器，管状容器的一端封闭，超滤膜丝一端封闭并置于上述管状容器中，超滤膜丝的未封闭端从管状容器的未封闭端伸出作为净水出水口(16)，所述净水出水口(16)处设有封闭件，所述密封件将净水出水口(16)处超滤膜丝与壳体之间的空隙密封。
3.如权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，所述超滤膜丝具有0.02μm的平均孔径。
4.如权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，在出水口(15)上设有手动阀门(6)。
5.如权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，所述超滤组件中的进水泵(2)为恒流泵。
6.如权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，所述超滤膜丝(18)为单根超滤膜丝或多根超滤膜丝组成的超滤膜丝束。
7.如权利要求1所述的评价水样超滤膜污堵潜势的装置，其中，所述控制器(9)为电脑或集散式控制系统。
8.一种利用权利要求1-7任意一项所述的装置评价水样超滤膜污堵潜势的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(a)由控制器(9)控制进水电磁阀(3)开启，通过进水泵(2)向超滤膜组件(5)泵入测试水样，打开手动阀门(6)，测试水样进入超滤膜组件，并通过出水口(15)排出膜组件中的空气，使得水样充满膜组件；
(b)当水样充满膜组件后，关闭手动阀门(6)，随着进水泵(2)不断向超滤膜组件(5)泵入测试水样，进水压力升高，水样在压力下透过超滤膜孔，并从超滤膜膜丝产水口(18)流出，通过管道流入产水箱(7)内；
(c)通过压力表(4)记录进水压力，并传输到控制器(9)中进行储存；产水重量由电子天平(8)记录，并将数据传输到控制器(9)中进行储存；
(d)构建中间堵塞—标准堵塞组合模型，模型公式如下：
其中，P指任意时间的跨膜压差，P0指测试开始时的初始跨膜压差，t指测试时间，Ki指中间堵塞模型的模型参数，Ks指标准堵塞模型的模型参数，J0是初始过水通量，通过上述公式拟合得到参数Ki和Ks，用以评价水样超滤膜污堵潜势。
9.如权利要求8所述的评价水样超滤膜污堵潜势的方法，其进一步包括步骤(e)反冲洗步骤，当进水压力达到预定压力后，进行反冲洗；
所述反冲洗包括：通过控制器(9)关闭进水电磁阀(3)及进水泵(2)，通过控制器(9)控制反洗电磁阀(12)开启，通过反洗泵(12)将反洗液通过超滤膜膜丝产水口(18)泵入超滤膜组件(5)中，并经过反洗电磁阀(12)流入废液箱(13)中。
10.如权利要求8所述的评价水样超滤膜污堵潜势的方法，其中，所述步骤(c)中，压力表(4)每1min记录一个数据，实时记录进水压力，并传输到控制器(9)中进行储存；与之同步，产水重量由称量设备(8)每1min记录一个数据，实时记录产水重量。
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