CN1286547C - 一种中空纤维膜组件的清洗方法 - Google Patents

Abstract

一种中空纤维膜组件的清洗方法，可用于在线清洗或离线清洗，属于环保水处理技术领域，其特点是当膜污染到一定程度时，膜生物反应器内的液位控制器向控制系统发出信号，启动设置在膜组件周围的超声波换能器工作，同时对膜组件进行曝气，在离线清洗时，还依次加入HCl(36.5%)、NaOH、NaClO(有效氯为10%)清洗剂。本发明将超声波工业处理机的换能器直接安装在膜生物反应器中，直接对膜组件进行超声波清洗，可用微机控制，通过在线检测装置，可随机控制清洗时间，亦可一个运行周期结束后再进行离线清洗，具有工艺简单、操作方便、性能稳定可靠、使用寿命长、应用范围广、清洗效果好的特点。

Description

一种中空纤维膜组件的清洗方法

技术领域

本发明涉及一种中空纤维膜组件的清洗方法，特别是涉及一种中空纤维膜组件在水质净化的过程中，膜通量达不到设计值时的清洗的工艺方法，属于环保水处理技术领域。

背景技术

随着世界人口的不断增长和工农业的飞速发展，用水量及排水量正逐年增加，而有限的地表水和地下水资源又不断受到污染，加之地区性的水资源分布不均匀和周期性干旱，导致很多国家和地区淡水资源短缺，水资源的供需矛盾有着愈来愈尖锐的趋势。我国也是水资源严重短缺的国家之一。水资源的日益短缺迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解这一矛盾。

多年来，人们多方寻找解决水资源短缺问题的途径，其中，城市污水资源化备受人们青睐。首先，城市污水一般是由生活污水和一部分经过预处理达到三级排放标准的工业废水混合组成的，其水量往往很大，约占整个城市用水量的50-80％，水质污染比较轻，同时水质相对稳定，不受气候等自然条件的影响，且易于收集，不需长距离引水，其再生处理成本比海水淡化低廉，基建投资比远距离引水经济得多。因此，当今世界各国解决缺水问题时，城市污水首先被选为可靠的供水水源进行再生与回用。

在这种情势下，用膜分离技术代替传统的重力式沉淀池所构成的新型水处理技术一膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)组合工艺显示出很强的优势。由于膜组件与生物反应器直接接触，MBR在反应器能够直接截留大部分的微生物，使其能够保持较高的污泥浓度和理论上无限长的污泥龄。另外，通过膜过滤，出水悬浮物几乎为零，出水水质达到回用标准。而中空纤维膜组件则是膜生物反应器的核心部分。

但是与其他工艺一样，MBR工艺的发展不仅取决于工艺本身，还取决于其经济可行性。膜工艺的费用主要包括膜的价格、膜的更换频率和能耗需求。随着膜的制作水平的提高，膜的价格已大大降低，而膜的更换频率与膜的稳定运行有关，这就取决于料液对膜的作用，其中膜污染成为一个很重要的因素。因此膜污染是MBR推广应用中遇到的问题之一，寻求中空纤维膜组件的清晰方法成为当前MBR研究的一个重要方向。

中空纤维膜组件的清洗方法有物理清洗和化学清洗两种：其中物理清洗通常采用空气、水振动等方式；化学清洗则需使用各种化学清洗剂，包括酸性、碱性清洗剂、氧化还原清洗剂和生物酶清洗剂等。

酸性清洗剂对于去除Ca2+、Mg2+、Fe2+等金属离子及其氢氧化物以及无机盐凝胶层较为有效。常用的酸性清洗剂有盐酸溶液、草酸溶液、柠檬酸、柠檬酸胺、EDTA等。

碱性清洗剂对去除蛋白质、油脂类污染具有良好的效果。常用碱性清洗剂包括NaOH水溶液。

氧化还原清洗剂包括次氯酸钠、叠氮酸钠等，对去除有机物污染、细菌、微生物污染有一定的效果。

中国发明专利申请98125099.8号给出的《一种外压中空纤维膜的清洗方法及相应膜组件》，也涉及外压中空纤维膜的清洗方法及设备，其特征是膜组件内的膜为U型并倒置单头铸封在膜组件的下方，在清洗过程中，反洗液由膜组件下端的一个管口进入倒U型膜内反向清洗；与此同时，由另一个管口注入压缩空气于膜组件的腔隙内，以对膜外部进行空气振洗，洗后液及空气则从膜组件上端的管口排出。

以上的处理方法均有弊病，对中空纤维膜的影响很大，严重影响着中空纤维膜组件的使用寿命。例如：物理清洗通常都采用空曝气，只是作用于膜组件的表面，膜孔径内部及膜管内则鞭长莫及，只能清洗膜表面的污染物，清洗时所需的能耗大，不但清洗时间长，清洗效果也差；人工清洗则不能实现在线清洗，必须把膜组件从反应器中取出，人工清洗对膜组件表面的污染物有一定的效果，但是对膜组件的机械强度要求高，普通膜组件一般达不到这样的要求；化学清洗通过往水中加入适当的清洗剂，能够直接作用于膜孔径及膜管内部。但是，经常性的化学清洗则会缩短膜组件的使用寿命。而且，浓度过高的化学药品会引起二次污染。

以上各种清洗方法都存在一个共同的缺点，即不能实现在线清洗，清洗时必须取出膜组件，停止运行。而清洗费用都占膜生物反应器运行费用很高的比率，对于用户来说，既麻烦又不经济。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，通过对现有清洗方法进行改进，给出了一种新的中空纤维膜组件的清洗方法。这种新的清洗方法是利用超声波的特殊效应，将超声波工业处理机中的换能器设置在膜生物反应器的膜组件周围，对污染后的膜组件进行在线清洗和离线清洗，其机理为：超声作用下液体的声空化，即液体在超声作用下产生一定数量的空化泡，在空化泡崩溃的瞬间，会在其周围极小空间范围内产生出1900-5200K高温和超过5.065×107Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流，这些极端环境足以将泡内气体和液体交界的介质加热分解产生强氧化性的自由基如·O、·OH、·O2H等，从而促进中空膜组件表面及膜孔内的污染物质被分解或者被脱离膜组件的表面和膜孔径。超声波技术在环保行业，尤其是在水处理行业中的应用，是对膜生物反应器技术的一次重大革命，扫除了膜生物反应器在中水回用应用的一大障碍，解决了多年以来难以解决的问题。

本发明给出的技术方案是：这种中空纤维膜组件的清洗方法可以应用于在线清洗，其特点是由以下几个步骤组成：

a).首先当膜内外压差达到设定值时，即膜污染到达一定程度时，设置在膜生物反应器内的液位控制器向控制系统发出信号；

b).控制系统接到液位控制器发送的信号后，启动设置在膜组件周围的超声波换能器开始在常温常压下工作，清洗膜组件的超声波功率密度为0.4-0.6W/cm²，清洗膜组件的时间至少为30分钟，同时对膜组件进行曝气，曝气量400L/h；

c).随着超声波清洗的进展，超声波产生微小空穴气泡，产生强氧化性的自由基如·O、·OH、·O₂H等，从而促进中空膜组件表面及膜孔内的污染物质被分解或者被脱离膜组件的表面和膜孔径，膜压差逐渐恢复；

d).当膜内外压差恢复到正常值时，液位控制器向控制系统发出信号，收到液位控制器发出的信号后，控制系统发出指令停止超声波换能器工作，从而完成在线清洗工作。

上述技术方案提及的清洗与结束时膜内外压差所达到的设定值与正常值，系根据使用者采用的膜组件特性和实际工程的要求而定，没有统一的标准数值。

这种中空纤维膜组件的清洗方法也可以应用于离线清洗，其特点是由以下几个步骤组成：

a).首先当膜内外压差达到设定值时，即膜污染到达一定程度时，设置在膜生物反应器内的液位控制器发出膜组件清洗警报；

b).从膜生物反应器中取出膜组件，放入超声波清洗槽，并且按在清洗过程中先加入酸性清洗剂，后加入碱性清洗剂和氧化还原清洗剂的次序，依次加入质量比是36.5％的HCl、NaOH、有效氯含量为10％的NaClO清洗剂，上述清洗剂在清洗液中的浓度分别为体积比是0.2％、重量比是0.4％、体积比是0.2％，各自的清洗时间均不少于30分钟；

c).在加入清洗剂清洗的同时，超声波清洗槽内的超声波换能器也开始在常温常压下工作，换能器在清洗中空纤维膜组件时所产生的超声波的功率密度为0.4-0.6W/cm2，清洗中空纤维膜组件的清洗时间不少30分钟。同时可以对膜组件进行曝气，曝气量为400L/h；

d).清洗完毕后，取出膜组件放回反应器，清洗工作完毕。

上述技术方案提及的清洗与结束时膜内外压差所达到的设定值与正常值，系根据使用者采用的膜组件特性和实际工程的要求而定，没有统一的标准数值。

上述技术方案提及加入的清洗剂，可以只加其中一种，即只加酸性清洗剂或碱性清洗剂或氧化还原清洗剂；也可以只加其中两种，即只加酸性清洗剂、碱性清洗剂或酸性清洗剂、氧化还原清洗剂或碱性清洗剂、氧化还原清洗剂。

为更好的实现本发明的目的，提高清洗效率，在在线清洗或离线清洗时，所述的超声波工业处理机中的换能器应设置在所清洗的膜组件的下方。

本发明所使用的超声波工业处理机，是从市场上购买的，制造商是沈阳724工厂。当然，也可从市场上购买其它厂家的同类产品。还可以自行设计，因为构成超声波工业处理机的主要部件，如整流电路，逆变电路，控制电路，补偿电路及换能器等部分所用的设备、电子元件、线路板在市场均可以购得。

本发明在在线清洗时所用的膜生物反应器，为普通的膜生物反应器，因此，本发明给出的这种超声波在线清洗法也适于在其它类型的膜生物反应器中应用。

本发明在离线清洗时所用的超声波清洗槽，其结构较为简单，与现有离线清洗法所用的清洗槽相差不多，即都有一个盛装溶液的槽体，槽体上设有进液管和排液管，槽体的底部还设有排沉淀物的阀门，在槽体内设有可放置待清洗膜组件的支架，不同之处在于在支架的下面设有至少一排曝气头，该曝气头通过风管与槽外的空气压缩机相连接，在支架的下面还设有超声波工业处理机的换能器，该换能器由并联的一个或多个换能器盒组成，其换能器盒的间距为0.3-2.0米。该换能器外壳的形状为方形或扁平形或六角形或多边形。超声波工业处理机的换能器可采用自动控制其清洗工作的方式，也可采用人工控制其清洗工作的方式。

本发明在离线清洗时所用的清洗设备是超声波清洗槽，当然，也可以选择用超声波清洗池或超声波清洗罐这类作用相同的清洗设备。

本发明在在线清洗或离线清洗时所采用的控制系统，其参数值系根据使用者采用的膜组件特性和实际工程的要求而定，其控制原理属于现有技术中的电学与自动化基础知识，其线路板及控制元件可从市场上购买。因此，所属领域的技术人员可轻松设计完成本发明所采用的控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将换能器直接安装在膜生物反应器中，可用微机控制，通过在线检测装置，给微机信号，可随机控制清洗时间；亦可一个运行周期结束后再进行离线清洗，此时便可以在清洗槽中依次加入各种清洗剂，获得更好的清洗效果。

2、清洗装置安装方便，原有的设备不需改造，可直接装入，而新的离线清洗装置也可以直接安装。

3、本发明还具有工艺简单、操作方便、性能稳定可靠、使用寿命长、应用范围广等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例(在线清洗)的原理图；

图2为本发明的另一种实施例(离线清洗)的原理图；

图3为离线超声波清洗后和新膜膜通量的比较图；

图4为在线超声波清洗后和新膜膜通量的比较图。

图中标号为：1为测压板，2为进水水箱，3为平衡水箱，4为膜组件，5为曝气头，6为空气压缩机，7为玻璃转子流量计，8为出水口，9为控制中心，10为超声波换能器，11为液位探测器，12为整流电路，13为逆变电路，14为控制电路，15补偿电路，16为超声波清洗槽。

具体实施方式

下面将通过实例对发明作进一步详细的说明，但下述的实例仅仅是本发明的其中一个实施例，并不代表本发明所限定的权利保护范围。

由图1所示，为本发明的在线清洗原理图，其中1为测压板，进水水箱2通过管路与平衡水箱3相接，平衡水箱3通过管路与主体反应器相接，膜组件4设在主体反应器内，膜组件4所下方设有超声波换能器10和曝气头5，曝气头5通过管路与空气压缩机6相接，超声波换能器10和整流电路12、逆变电路13、控制电路14、补偿电路15构成于超声波工业处理机，该超声波工业处理机购于沈阳724工厂的后勤服务集团，主体反应器内还设有出水管路，出水管路的出水口8附近设有玻璃转子流量计7，测压板1是用来反映膜组件污染情况，在测压管路上装有液位探测器11，当膜内外压差低于设定值时，液位探测器11向控制系统9反馈信息，由控制系统9发出指令，开启超声波工业处理机，对膜组件4进行清洗。

以下是具体的操作流程：污水从进水水箱2进入平衡水箱3，由平衡水箱3控制主体反应器的水位。从平衡水箱3进入主体反应器后，经过设定的水力停留时间，由反应器中的活性污泥充分降解，然后在膜内外的负压的作用下从膜组件4的表面细微的膜孔经过，沿着出水管路出水。测压板1则是用来反映膜组件4污染情况，在测压管路装有液位探测器11，当膜内外压差低于设定值时，液位探测器11向控制系统9反馈信息，由控制系统9发出指令，开启超声波工业处理机，对膜组件4进行清洗，膜内外压差随着清洗时间的延长逐渐减少。在此过程中，测压管路的液位探测器11对膜内外压差进行实时监控。当膜组件4清洗到适当的程度时，膜内外压差降低到设定值时，液位探测器11向控制系统9发出信息，控制系统9发出关闭超声波工业处理机的指令，整个操作周期结束。

具体的工艺条件如下：①超声波功率密度：0.4-0.6W/cm2；

②温度：40-50℃；

③压力：常压；

④处理时间：视污染情况而定。

专用设备：①超声波电源；

②由多个6845型压电陶瓷声头组成，

其频率范围20-40KHz。

本发明给出的实施例在线超声波清洗后和新膜膜通量的比较数据，详见表1和图4。从表1和图4可以看出，通过本清洗方法对膜组件进行清洗，清洗效果远远好于普通的清洗方法，与新膜的通量相差无几。

由图2所示，为本发明的离线清洗原理图。其中超声波清洗槽16内设有可放置待清洗膜组件4的支架，在支架的下面设有多排曝气头5，该曝气头5通过风管与槽外的空气压缩机6相连接，在支架的下面还设有超声波换能器10，该换能器由并联的多个换能器盒组成，其换能器盒的间距为0.5米，该换能器外壳的形状为方形，超声波换能器10和整流电路12、逆变电路13、控制电路14、补偿电路15构成了超声波工业处理机，该超声波工业处理机购于沈阳724工厂的后勤服务集团。当膜生物反应器的膜组件达到一定的污染程度时，膜通量急剧下降，必须对膜组件进行超声波清洗。取出膜组件，用刷子洗去表面沉积的污泥，放入超声波清洗槽依次加入0.2％的HCl和0.2％的NaClO清洗剂，每一个清洗时间均为60分钟。在加入清洗剂清洗的同时，超声波清洗槽内的超声波换能器也开始在常温常压下工作，换能器在清洗中空纤维膜组件时所产生的超声波的功率密度为0.4-0.6W/cm2，清洗中空纤维膜组件的清洗时间30分钟。同时对膜组件进行曝气，曝气量为400L/h；试验结果如表2和图3所示。从表2和图3可以看出，通过本清洗方法对膜组件进行清洗，清洗效果远远好于普通的清洗方法，与新膜的通量相差无几。

表1为在线超声波清洗后和新膜膜通量的比较

清水通量(L/h)	10	20	30	40	50	60	70	80	90
										新膜膜压差(KPa)	1.616	3.333	5.858	9.393	12.423	17.372	22.22	27.068	33.128
清洗后膜压差(KPa)	2.400	5.200	7.010	11.089	15.132	18.311	20.314	29.506	35.631

                 表2为离线超声波清洗后和新膜膜通量的比较

清水通量(L/h)	10	20	30	40	50	60	70	80	90
										新膜膜压差(KPa)	1.616	3.333	5.858	9.393	12.423	17.372	22.22	27.068	33.128
清洗后膜压差(KPa)	1.717	3.535	6.262	9.898	13.332	17.978	22.826	27.876	33.33

Claims (2)

1.一种中空纤维膜组件的清洗方法，其特征在于是在线清洗，由以下步骤组成：

a).首先当膜内外压差达到设定值时，即膜污染到达一定程度时，设置在膜生物反应器内的液位控制器向控制系统发出信号；

b).控制系统接到液位控制器发送的信号后，启动设置在膜组件周围的超声波换能器开始在常温常压下工作，清洗膜组件的超声波功率密度为0.4-0.6W/cm2，清洗膜组件的时间至少为30分钟，同时对膜组件进行曝气，曝气量400L/h；

c).随着超声波清洗的进展，超声波产生微小空穴气泡，产生强氧化性的自由基，从而促进中空膜组件表面及膜孔内的污染物质被分解或者被脱离膜组件的表面和膜孔径，膜压差逐渐恢复；

d).当膜内外压差恢复到正常值时，液位控制器向控制系统发出信号，收到液位控制器发出的信号后，控制系统发出指令停止超声波换能器工作，从而完成在线清洗工作。

2.一种中空纤维膜组件的清洗方法，其特征在于是离线清洗，由以下步骤组成：

a).首先当膜内外压差达到设定值时，即膜污染到达一定程度时，设置在膜生物反应器内的液位控制器发出膜组件清洗警报；

b).从膜生物反应器中取出膜组件，放入超声波清洗槽，并且按在清洗过程中先加入酸性清洗剂，后加入碱性清洗剂和氧化还原清洗剂的次序，依次加入质量比是36.5％的HCl、NaOH、有效氯含量为10％的NaClO清洗剂，上述这些清洗剂在清洗液中的浓度分别为体积比是0.2％、重量比是0.4％、体积比是0.2％，各自的清洗时间均不少于30分钟；

c).在加入清洗剂清洗的同时，超声波清洗槽内的超声波换能器也开始在常温常压下工作，换能器在清洗中空纤维膜组件时所产生的超声波的功率密度为0.4-0.6W/cm2，清洗中空纤维膜组件的清洗时间不少30分钟，同时对膜组件进行曝气，曝气量为400L/h；

d).清洗完毕后，取出膜组件放回反应器，清洗工作完毕。

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