CN1245249C - 中空纤维膜分离装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中空纤维膜分离装置及其运行方法，该外压中空纤维膜分离装置包括膜组件、控制阀、压力表、泵、空气压缩机、水槽以及连接管路等部件，其特征在于所述膜组件的上端口经反洗流量计后，分两路分别经反洗调节阀和反洗自动阀与反洗泵管接，反洗泵经反洗泵进口阀一路与反洗液水槽管接，另一路与排放阀管接；所述反洗液水槽经切换阀、滤过液流量计与滤过液出口阀管接；在所述的切换阀和滤过液流量计之间的管路上，经切换阀与循环水槽管接。本发明运行方法的主要特征是对膜装置的清洗分为清洗状态1和清洗状态2两步。利用本发明膜分离装置及其运行方法，即可实现理想的膜分离工作和膜清洗工艺。

Description

中空纤维膜分离装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及膜分离技术，具体为外压中空纤维膜分离装置及其运行方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl7.BO1D 63/02、BO1D 65/02。
背景技术
水是生命之源。随着生活水平的提高，一方面，人们对饮用水的要求不断提高，所谓纯净水，太空水或净化水已进入人们的日常生活。另一方面，生产和工业用水，如生化、医药、食品、调料等领域对水的纯净度要求也越来越高。近年人们开发研制的微滤和超滤膜技术用于水质的净化，正适应了这种需要，并且取得了良好的实际效果。其中尤以外压中空纤维膜用的最多。这是因为外压中空纤维膜(以下简称膜)具有单位体积内装填膜的面积最大，可去除原水中的藻类，微生物和胶体物质等多种悬浮物，并且净化纯度高等优点。但在实际应用中，膜的内腔、孔隙及外壁由于各种悬浮物的滞留、淤积而使膜的透水通量迅速下降，甚至堵塞而不能正常工作。因此对膜的清洗是膜应用技术不可缺少重要组成部分。特别是在目前原水(包括河水、湖水、井水、海水和自来水)已经或正在受到日趋严重污染的情况下，对膜有效并高效的清洗有着特别重要的实际意义。
申请人已经就膜清洗技术申请了多件专利，最新的一件是“外压中空纤维膜分离装置及其使用方法”(专利申请号为01129644.5)。该项技术主要在膜组件的结构和水流线路设计方面作了重要改进，很好地解决了膜的在线高效清洗问题。但它仍存在着不足：该膜装置中膜组件的外部管路设计尚不完善，如没有设计化学清洗回路等；工艺运行自动控制尚不理想，如需要人工开关反洗控制阀，并控制其开度等；清洗效果还有提高的空间，因此有进一步改进的必要。
发明内容
本发明针对现有膜装置技术的不足，主要解决膜装置管路和运行工艺的完善设计问题。它可以提高膜装置的清洗效果，进一步节约清洗用水，缩短清洗时间，有利于大规模工业化连续生产和提高效率。
本发明解决问题的技术方案是：设计一种外压中空纤维膜分离装置，包括膜组件21、工作泵22和循环水槽23，在所述工作泵22出口与膜组件21下端口之间依次管接有进口调压阀1和进口自动阀11；在所述膜组件21上出口与循环水槽23进口之间依次管接有出口自动阀19和出口调压阀2；所述循环水槽23出口与工作泵22进口之间管接有工作泵进口阀6；所述膜组件21上出口还管接有清洗排气阀12，而下出口管接有清洗排放阀13；所述膜组件21下端口还管接有进气阀17；还包括压力表、泵、空气压缩机以及连接管路，其特征在于所述膜组件21的上端口经反洗流量计27后，分两路分别与反洗泵24管接，一路经第1反洗阀3和第1反洗自动阀15，另一路经第2反洗阀3a和第2反洗自动阀15a；反洗泵24经反洗泵进口阀7一路与反洗液水槽25管接，另一路与排放阀9管接；所述反洗液水槽25依次经切换阀4、滤过液流量计26和滤过液出口阀14与膜组件21的上端口管接；在所述切换阀4和滤过液流量计26之间管路上，经另一个切换阀5与循环水槽23管接。利用本发明膜分离装置，通过本发明的运行方法，即可实现理想的膜分离工作和膜清洗工艺。
所述的“本发明的运行方法”是指如下程序：
1.工作状态：打开反洗液水槽25与滤过液流量计26之间的切换阀4、工作泵进口阀6、反洗泵进口阀7、进口自动阀11、滤过液出口阀14和出口自动阀19，其余阀门关闭；打开并调节进口调压阀1和出口调压阀2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.05～0.20Mpa，膜组件21的出口压力P2为0.03～0.18Mpa，工作时间为20～40分钟；
2.清洗状态1：关闭进口自动阀11、滤过液出口阀14和出口自动阀19，打开清洗排气阀12、第1反洗自动阀15、旁路阀16和进气阀17，打开并调节第1反洗阀3，使反洗液流量为滤过液流量的1/4～1/2，气体流量计28测得的气体流量为每平方米膜过滤面积0.02～0.50Nm3/h；清洗时间10～60秒；
3.清洗状态2：打开第2反洗自动阀15a和清洗排放阀13，关闭进气阀17，其余阀门状态同清洗状态1；打开并调节第2反洗阀3a，使反洗液流量为滤过液流量的1/2～3/2，清洗时间20秒～2分钟；
4.排污状态：关闭第1和第2反洗自动阀15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间5～60秒；
5.回到工作状态。
本发明为解决所述的技术问题而提出的技术方案主要是(参见图1)，在膜装置中完善了膜组件的外部管路设计，具体是设计了化学清洗回路，双反洗回路和旁路回路。化学清洗回路主要包括在切换阀4、5和滤过液流量计26之间的管路设计上，滤过液流量计26一路经切换阀5与循环水槽23管接，另一路经切换阀4与反洗液水槽25管接。对比现有技术，该设计可以增强膜装置的清洗效果。所谓清洗技术本身是现有技术。
双反洗回路是本发明的新设计和关键设计，主要包括所述膜组件21的上端口经反洗流量计27后，分别经第1反洗阀3和第1反洗自动阀15与第2反洗阀3a和第2反洗自动阀15a两路与反洗泵24管接的管路设计。这种设计可以使反洗或清洗过程分为两步，即清洗状态1和清洗状态2。在清洗状态1，通过所述的阀门3和15向膜组件21注入少量的反洗液，以充分利用或发挥压缩空气对膜纤维的振洗作用；在清洗状态2，通过所述的阀门3a和15a向膜组件21内再注入相对大量的反洗液，进行自上而下的冲洗，从而有利于进一步节约清洗用水和提高对膜和膜装置的清洗效果。
旁路回路主要包括在工作泵22与进口调压阀1之间的管路上，经清洗旁路阀16与循环水槽23管接的管路设计。这种设计主要是为了保护MF工作泵22(简称工作泵22或泵22)。因为在反洗或清洗过程时，首先要关闭进口调节阀11，这就要求泵22停机；而当工作过程时，首先要打开进口调节阀11，才能使泵22工作；膜装置工作和在线清洗过程的连续运行，就会使得泵22频繁的开停转换，在实际生产中降低了泵22的使用寿命，也影响膜装置的长期使用。设计了旁路回路，就可以使泵22在膜装置运转过程中始终处于开机状态，保护了泵22，也提高了生产效率。
为了解决工艺运行的自动控制问题，本发明在控制阀上采用了组合阀的设计，即手动阀与自动阀组合使用的结构，如进口调节(手动)阀1和进口自动阀11一组、出口(手动)调节阀2和出口自动阀19一组、第1反洗(手动)阀3和第1反洗自动阀15一组、第2反洗(手动)阀3a和第2反洗自动阀15a为另一组等。手动阀用于人工调整开度或流量(可以在开机前设定，也可以在运行中调整)，自动阀则用于自动控制开关相应的管路。解决了自动控制问题，使得连续化生产的程度大为提高，也保证了膜装置工作的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明装置的一种整体结构示意图。
在图1中，如果按阀门种类分，阀门19为手动阀；阀门1116、19为气动隔膜阀，也称为自动阀；阀门17为压缩空气电磁阀；阀门18为单向电磁阀。
如果按功能或作用分，阀门1称为进口调压阀或调节阀；阀门2称为出口调压阀或调节阀；阀门3、3a分别称为第1、第2反洗调节阀或反洗阀，用于调节反洗液的流量大小；阀门4、5称为切换阀，用于膜分离工作与化学清洗工作之间的转换；阀门6称为工作泵进口阀；阀门7称为反洗泵进口阀；阀门8、9称为排放阀；阀门11称为进口自动阀；阀门12称为清洗排气阀；阀门13称为清洗排放阀；阀门14称为滤过液出口阀；阀门15、15a分别称为第1、第2反洗自动阀；阀门16称为清洗旁路阀或旁路阀；阀门17称为进气阀；阀门18称为加药单向阀；阀门19称为出口自动阀。
具体实施方式
为了说明简练，所述的各种用途的阀门，实施例简称为阀门X(标号)。
下面结合实施例及其附图进一步详细叙述本发明：
本发明装置是在现有外压中空纤维膜分离装置(申请人的01129644.5在先专利申请，简称膜装置)的基础上改进设计(参见图1)的。原膜装置设计的膜组件、各种控制阀、压力表、泵、空气压缩机、水槽(料液罐)以及连接管路等仍然基本保留，所增加的主要是外部设计管路，如前所述的化学清洗回路，双反洗回路和旁路回路，以及为自动控制所设计的手动、气动或自动组合阀。
这种改进设计为新的膜装置运行方法提供了设备基础，或者说，本发明的膜装置运行方法要求膜装置作如是或相应的改进。本发明膜装置运行方法如下：
1.工作状态。打开反洗液水槽25与滤过液流量计26之间的切换阀4、工作泵进口阀6、反洗泵进口阀7、进口自动阀11、滤过液出口阀14和出口自动阀19，其余阀门关闭；打开并调节进口调压阀1和出口调压阀2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.05～0.20Mpa，膜组件21的出口压力P2为0.03～0.18Mpa，工作时间为20～40分钟；
在此状态下，根据原水或产品的实际情况和要求，可以通过计量泵(图1中没画出)直接把氧化剂加入膜原液系统，即加入循环水槽23之中，以提高工作效果。氧化剂可以采用氯、臭氧、二氧化氯、次氯酸钠等，加入浓度为1～10ppm；
2.清洗状态1。关闭进口自动阀11、滤过液出口阀14和出口自动阀19，打开清洗排气阀12、第1反洗自动阀15、旁路阀16和进气阀17，打开并调节第1反洗阀3，使反洗液流量为滤过液流量的1/4～1/2，气体流量计28测得的气体流量为每平方米膜过滤面积0.02～0.50Nm3/h；清洗时间10～60秒；
在此状态下反洗，根据需要，可以选择加或不加氧化剂。为了适应加氧化剂，在所述膜装置的滤过液出口阀14与膜组件21的上端口连接的管路上，管接有加药单向阀18。需要时，氧化剂可以通过计量泵(图1中没画出)和阀门18加入反洗液或清洗液系统。氧化剂可以采用氯、臭氧、二氧化氯、次氯酸钠等，加入浓度根据情况为1～1000ppm。
3.清洗状态2。打开第2反洗自动阀15a和清洗排放阀13，关闭进气阀17，其余阀门状态同清洗状态1；打开并调节第2反洗阀3a，使反洗液流量为滤过液流量的1/2～3/2，清洗时间20秒～2分钟；
4.排污状态。关闭第1和第2反洗自动阀15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间5～60秒；
5.回到工作状态。开始下一次循环。
应当说明的是，原液在进入膜装置前必须经过50目左右的预过滤程序，以保证膜分离和清洗工作的高效进行。
还应当指出的是：根据实际情况，在膜装置运行1～5周后，应当对膜装置进行化学清洗。化学清洗是现有技术。本发明装置采用化学清洗的方法是，在MF循环水槽23中直接加入化学试剂，关闭切换阀4，打开切换阀5，其余同所述的工作状态。对膜装置进行化学清洗的化学试剂可选择酸、碱、氧化剂、表面活性剂或专用清洗剂。
下面给出本发明的具体应用实施例。
实施例1：
原液为经过50目预过滤的地下水。膜装置包括三支6英寸聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(膜过滤面积150平方米)、PLC程序控制器、电磁阀、气动隔膜阀、工作水泵、反洗水泵、水槽及其它管件、阀门等部件，按本发明所述的设计方案组装。该套膜装置作为反渗透膜装置的前级处理，按以下程序进行水的净化过滤：
1.工作状态。打开阀门4、6、7、11、14和19，其余阀门关闭；打开并调节阀门1和2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.20MPa、膜组件21的出口压力P2为0.18MPa。工作时间40分钟。滤过液流量为20t/h。
2.清洗状态1。关闭自动阀11、14和19，打开自动阀12、15、16、17和18，打开并调节阀门3，使反洗液流量为7t/h，气体流量计28的读数为10Nm3/h。清洗时间12秒。在此状态下反洗加氧化剂，氧化剂通过计量泵和阀门18加入反洗液系统，氧化剂为10％次氯酸钠溶液，加入浓度为200ppm。
3.清洗状态2。打开阀门15a和13，关闭阀门17和18，调节阀门3a使反洗液流量为16t/h，其余阀门状态同清洗状态1。清洗时间20秒。
4.排污状态。关闭阀门15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间5秒。
5、回到工作状态。
膜装置连续运行5周后，依次用次氯酸钠、酸、碱对其进行化学清洗。
实施例2：
原液为经过50目预过滤的地表水，BOD 8ppm，COD 10ppm，SS 5ppm。膜装置及其用途同实施例1，按以下程序进行水的净化过滤：
1.工作状态。打开阀门4、6、7、11、14和19，其余阀门关闭；打开并调节阀门1和2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.05MPa、膜组件21的出口压力P2为0.03MPa。工作时间30分钟。氧化剂通过计量泵加入膜原液系统。氧化剂为10％次氯酸钠溶液，加入浓度为5ppm。滤过液流量为10t/h。
2.清洗状态1。关闭自动阀11、14和19，打开自动阀12、15、16和17，打开并调节阀门3，使反洗液流量为4t/h，气体流量计28的读数为10Nm3/h。清洗时间40秒。
3.清洗状态2。打开阀门15a和13，关闭阀门17，调节阀门3a，使反洗液流量为8t/h，其余阀门状态同清洗状态1。清洗时间20秒。
4.排污状态。关闭阀门15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间35秒。
5.回到工作状态。
膜装置连续运行2周后，依次用次氯酸钠、酸、碱对其进行化学清洗。
实施例3：
原液为经过50目预过滤的生活污水，BOD30ppm，COD20ppm，SS10ppm。膜装置及其用途同实施例1，按以下程序进行水的净化过滤：
1.工作状态。打开阀门4、6、7、11、14和19，其余阀门关闭；打开并调节阀门1和2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.2MPa、膜组件21的出口压力P2为0.18MPa。工作时间20分钟。氧化剂通过计量泵加入膜原液系统，氧化剂为氯溶液，加入浓度为9ppm。滤过液流量为10t/h。
2.清洗状态1。关闭自动阀11、14和19，打开自动阀12、15、16、17和18，打开并调节阀门3，使反洗流量为3t/h，气体流量计28的读数为20Nm3/h。清洗时间58秒。在此状态下反洗加氧化剂。氧化剂通过计量泵和阀门18加入反洗液系统。氧化剂为氯，加入浓度为500ppm。
3.清洗状态2。打开阀门15a和13，关闭阀门17和18，打开并调节阀门3a，使反洗流量为15t/h，其余阀门状态同清洗状态1。清洗时间1.9分钟。
4.排污状态。关闭阀门15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间58秒。
5.回到工作状态。
膜装置连续运行三周后，依次用次氯酸钠、酸、碱对其进行化学清洗。
实施例4：
原液为经过50目预过滤的地下水。膜装置及其用途同实施例1，按以下程序进行水的净化过滤：
1.工作状态。打开阀门4、6、7、11、14和19，其余阀门关闭；打开并调节阀门1和2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.05MPa、膜组件21的出口压力P2为0.03MPa。工作时间40分钟。氧化剂通过计量泵加入膜原液系统，氧化剂可以为10％次氯酸钠溶液，加入浓度为5ppm。滤过液流量为10t/h。
2.清洗状态1。关闭自动阀11、14和19，打开自动阀12、15、16、17和18，调节阀门3使反洗流量为4t/h，气体流量计28的读数为10Nm3/h。清洗时间10秒。在此状态下反洗加氧化剂，氧化剂通过计量泵和阀门18加入反洗液系统，氧化剂为10％次氯酸钠溶液，加入浓度为200ppm。
3.清洗状态2。打开阀门15a和13，关闭阀门17和18，调节阀门3a，使反洗流量为6t/h，其余阀门状态同清洗状态1。清洗时间10秒。
4.排污状态。关闭阀门15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间6秒。
5.回到工作状态。
膜装置连续运行4周后，依次用次氯酸钠、酸、碱对其进行化学清洗。
实施例5：
原液为经过50目预过滤的地表水，BOD8ppm，COD10ppm，SS5ppm。膜装置及其用途同实施例1，按以下程序进行水的净化过滤：
1.工作状态。打开阀门4、6、7、11、14和19，其余阀门关闭；打开并调节阀门1和2，使膜组件21的进口工作压力P1为0.1MPa、膜组件21的出口压力P2为0.08MPa。工作时间30分钟。滤过液流量为10t/h。
2清洗状态1。关闭自动阀11、14和19，打开自动阀12、15、16、17和18，调节阀门3，使反洗液流量为5t/h，气体流量计28的读数为10Nm6/h。清洗时间40秒。在此状态下反洗加氧化剂，氧化剂通过计量泵和阀门18加入膜系统。氧化剂为二氧化氯溶液，加入浓度为1000ppm。
3.清洗状态2。打开阀门15a和13，关闭阀门17和18，调节阀门3a，使反洗液流量为6t/h，其余阀门状态同清洗状态1。清洗时间1.2分钟。
4.排污状态。关闭阀门15和15a，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间46秒。
5.回到工作状态。
膜装置连续运行2周后，依次用次氯酸钠、酸、碱对其进行化学清洗。

Claims (5)

1.一种中空纤维膜分离装置，包括膜组件(21)、工作泵(22)和循环水槽(23)，在所述工作泵(22)出口与膜组件(21)下端口之间依次管接有进口调压阀(1)和进口自动阀(11)；在所述膜组件(21)上出口与循环水槽(23)进口之间依次管接有出口自动阀(19)和出口调压阀(2)；所述循环水槽(23)出口与工作泵(22)进口之间管接有工作泵进口阀(6)；所述膜组件(21)上出口还管接有清洗排气阀(12)，而下出口管接有清洗排放阀(13)；所述膜组件(21)下端口还管接有进气阀(17)；还包括压力表、泵、空气压缩机以及连接管路，其特征在于所述膜组件(21)的上端口经反洗流量计(27)后，分两路分别与反洗泵(24)管接，一路经第1反洗阀(3)和第1反洗自动阀(15)，另一路经第2反洗阀(3a)和第2反洗自动阀(15a)；反洗泵(24)经反洗泵进口阀(7)一路与反洗液水槽(25)管接，另一路与排放阀(9)管接；所述反洗液水槽(25)依次经切换阀(4)、滤过液流量计(26)和滤过液出口阀(14)与膜组件(21)的上端口管接；在所述切换阀(4)和滤过液流量计(26)之间管路上，经另一个切换阀(5)与循环水槽(23)管接。
2.根据权利要求1所述的中空纤维膜分离装置，其特征在于在所述的滤过液出口阀(14)与膜组件(21)上端口连接的管路上，管接有加药单向阀(18)。
3.根据权利要求2所述的中空纤维膜分离装置，其特征在于在工作泵(22)与进口调压阀(1)之间的管路上，经清洗旁路阀(16)与循环水槽(23)管接。
4.根据权利要求3所述的中空纤维膜分离装置的运行方法，其特征在于它按照如下方法运行：
(1)工作状态：打开反洗液水槽(25)与滤过液流量计(26)之间的切换阀(4)、工作泵进口阀(6)、反洗泵进口阀(7)、进口自动阀(11)、滤过液出口阀(14)和出口自动阀(19)，其余阀门关闭；打开并调节进口调压阀(1)和出口调压阀(2)，使膜组件(21)的进口工作压力(P1)为0.05～0.20Mpa，膜组件(21)的出口压力(P2)为0.03～0.18Mpa，工作时间为20～40分钟；
(2)清洗状态1：关闭进口自动阀(11)、滤过液出口阀(14)和出口自动阀(19)，打开清洗排气阀(12)、第1反洗自动阀(15)、清洗旁路阀(16)和进气阀(17)，打开并调节第1反洗阀(3)，使反洗液流量为滤过液流量的1/4～1/2，气体流量计(28)测得的气体流量为每平方米膜过滤面积0.02～0.50Nm3/h；清洗时间10～60秒；
(3)清洗状态2：打开第2反洗自动阀(15a)和清洗排放阀(13)，关闭进气阀(17)，其余阀门状态同清洗状态1；打开并调节第2反洗阀(3a)，使反洗液流量为滤过液流量的1/2～3/2，清洗时间20秒～2分钟；
(4)排污状态：关闭第1和第2反洗自动阀(15、15a)，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间5～60秒；
(5)回到工作状态。
5.根据权利要求3所述的中空纤维膜分离装置的运行方法，其特征在于它按照如下方法运行：
(1)工作状态：打开反洗液水槽(25)与滤过液流量计(26)之间的切换阀(4)、工作泵进口阀(6)、反洗泵进口阀(7)、进口自动阀(11)、滤过液出口阀(14)和出口自动阀(19)，其余阀门关闭；打开并调节进口调压阀(1)和出口调压阀(2)，使膜组件(21)的进口工作压力(P1)为0.05～0.20Mpa，膜组件(21)的出口压力(P2)为0.03～0.18Mpa，工作时间为20～40分钟；
(2)清洗状态1：关闭进口自动阀(11)、滤过液出口阀(14)和出口自动阀(19)，打开清洗排气阀(12)、第1反洗自动阀(15)、清洗旁路阀(16)、进气阀(17)和加药单向阀(18)，打开并调节第1反洗阀(3)，使反洗液流量为滤过液流量的1/4～1/2，气体流量计(28)测得的气体流量为每平方米膜过滤面积0.02～0.50Nm3/h；清洗时间10～60秒；在此状态下，通过计量泵和加药单向阀(18)把氧化剂加入反洗液系统；氧化剂为氯、臭氧、二氧化氯或次氯酸钠，加入浓度为1～1000ppm；
(3)清洗状态2：打开第2反洗自动阀(15a)和清洗排放阀(13)，关闭进气阀(17)和加药单向阀(18)，其余阀门状态同清洗状态1；打开并调节第2反洗阀(3a)，使反洗液流量为滤过液流量的1/2～3/2，清洗时间20秒～2分钟；
(4)排污状态：关闭第1和第2反洗自动阀(15、15a)，其余阀门状态同清洗状态2，排污时间为5～60秒；
(5)回到工作状态。
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