CN1272090C - 气泡循环流动型中空纤维膜分离装置 - Google Patents
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Abstract
气泡循环流动型中空纤维膜分离装置属于膜分离工程技术领域，其特征在于气液两相流能够有效清除膜面污染物的特点，把它应用到膜分离实际操作过程。利用连通管将产生气液两相流的上升管和产水的下降管连通起来，使用安装在下降管内的中空纤维膜，通过气液循环流动的方式对两相流中的污染水进行分离净化；也可把中空纤维膜制成倒U形结构，将其安装在上升管中，上升管中的中空纤维膜同样具有产水功能；在压缩空气通过膜组件后的外排管路上安装调节阀，控制膜组件内的压强，提供水渗透通过多孔膜的推动力；气液两相流在上升管和下降管之间依靠气泡形成的压强差实现自然循环，省去常规的循环泵。由于气泡循环流动对多孔膜表面的冲刷作用，能够有效减缓膜污染发生的速率和污染程度。
Description
技术领域
本发明属于膜分离工程技术领域。
背景技术
超滤或微滤等多孔膜分离过程是利用分离膜介质中的微孔对液体中不同组分进行有效截留，能够从水中除去微粒、细菌、病毒等杂质，也可以用于悬浮液浓缩，低分子量溶质与大分子的分离，如蛋白质分离、细菌和病原体的去除以及生化试剂的浓缩等。该过程通常在室温附近，以压力差为推动力，一般在0.1~0.5MPa范围进行分离操作。分离过程具有操作简便，节省能耗，分离效率高等特点，已经在化工、制药、造纸、印染、食品等行业成为其它分离方法不可代替的技术，并且其应用范围仍在不断扩大。
水资源短缺和水环境污染是现代社会的重要问题，利用多孔膜分离技术能够有效除去水中的各种杂质，将其用于污水处理，产水水质能够达到国家中水标准。作为海水淡化的反渗透膜分离的前处理工序，保证反渗透装置的供水水质要求。然而，多孔膜分离过程通常伴随膜污染现象发生，导致产水的渗透通量降低，设备的处理能力变小。近年来，利用多孔膜分离进行中水回用，或作为反渗透的前处理进行海水、苦咸水脱盐的分离装置呈现大型化趋势，相应的分离工程市场不断扩大。
为了保证膜分离过程连续稳定进行，使其适用于不同污染程度的水源情况，围绕膜分离装置的运行和清洗方式，开展了大量研究和工程实践。在膜分离装置运行过程中，通常使用循环泵和管路构成循环系统，使所处理的水在组件内流过膜表面，利用流体的冲刷作用除去截留后沉积在膜表面的污染物质；在膜组件下游管路安装调节阀，调节阀门开度来保持多孔膜两侧的压强差，形成水渗透通过多孔膜的压强差。(参考中国专利，公开号1415558；1310138A)在膜分离操作过程中，必须使用循环泵提供能量，才能保证原料侧水在膜表面的流速，以便减小膜污染程度，但往往造成分离过程操作费用偏高。尽管如此，膜污染引起的渗透通量衰减仍然难于避免，膜分离装置运行一段时间后，不得不进行膜组件清洗再生。专利文献(中国专利公开号1347752；1418722；1333080)报道了使用压缩空气和水混合形成的气液两相流，通过对膜组件进行反洗和正洗，使多孔膜渗透通量得到基本恢复。本发明利用气液两相流能够有效清除膜面污染物的特点，将其应用到实际膜分离操作过程，有效减缓膜污染发生的速率和污染程度。与此同时，在压缩空气通过膜组件后的外排管路，安装调节阀。通过调节阀门开度，能够准确控制膜组件内压强，提供水渗透的推动力，实现膜分离操作过程。气液两相流在膜分离组件内部依靠气泡形成的压强差，产生内部循环流动，省去常规膜分离过程的循环泵，达到节省能耗目的。通常的多孔膜组件均可用于本装置，达到减轻膜污染，提高产水量和降低能耗目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可有效减缓膜污染发生的速率和污染程度的气泡循环流动型中空纤维膜分离装置。
本发明的特征在于：它含有上升管，底部设置污染水入口和气体分布器，压缩空气通过上述气体分布器进入上升管内；在上升管顶部连接一个压强调节阀；下降管，其上下两端和所述上升管连通，在下降管上端开有产水口，下部和上升管连接管路上开有排放水口；中空纤维膜，安装在所述下降管中。
本发明的特征还在于：它含有上升管，其下侧面开有污染水入口，底部设置产水口和气体分布器，压缩空气通过上述气体分布器进入上升管内；在上升管顶部连接一个压强调节阀：下降管，其上下两端和所述上升管连通，在下降管底部设有一个排放水口；倒U型中空纤维膜，安装在上升管内，其开口端向下，开口端的宽度与所述气体分布器的宽度相等。
由此可见本发明在结构上具有以下特点：
1)上升管和下降管相互连结，共同构成气液两相流的循环回路，中空纤维膜安装在上升管或者下降管内部。
2)在上升管顶部安装气体流量调节阀，控制该系统中液体压强，为污染水进行中空纤维膜分离过程提供推动力。
3)使用从气体分布器压入的压缩空气推动气液两相流的循环流动，不断冲刷中空纤维膜表面以减缓膜污染。
通过以上所述气泡循环型中空纤维膜分离装置，能够高效、快速从污染水中除去不溶性微粒、胶体、色素、病原体、藻类等污染物质，处理后的水质达到中水回用指标。由于该分离器完全使用物理方法进行分离，避免了常规水处理过程大量使用化学药剂带来的二次污染，明显降低运行成本；和现有的中空纤维膜分离装置相比，使用压缩空气推动气液两相流循环和膜分离所需的压差，节省所需动力设备数量，降低分离过程能耗，提高水处理过程经济效益。该装置可以单台使用，或者数台并联使用，容易实现大规模水处理过程。
附图说明
图1本发明实施例之一：
A-上升管、B-下降管、C-压强调节阀、D-气体分布器、E-排放阀、F-中空纤维膜、I-原水泵、J1和J2-流量计、H-原水储槽、G-空气压缩机。
图2本发明实施例之二：
A-上升管、B-下降管、C-压强调节阀、D-气体分布器、E-排放阀、F-中空纤维膜、I-原水泵、J1，J2-流量计、H-原水储槽、G-空气压缩机。
图3.在压缩空气用量为V＝0.4m3/h时，对炭素墨水的水溶液而言，水渗透通量随压强差的变化关系。
图4.在压缩空气用量为V＝0.8m3/h时，对炭素墨水的水溶液而言，水渗透通量随压强差的变化关系。
图5.在压缩空气用量为V＝0.4m3/h时，对活性污泥的水溶液而言，水渗透通量随压强差的变化关系。
图6.在压缩空气用量为V＝0.8m3/h时，对活性污泥的水溶液而言，水渗透通量随压强差的变化关系。
具体实施方式
该发明所涉及的气泡循环型中空纤维膜分离装置由以下流程构成。
通过原水泵I将原水储槽H中的污染水经过流量计J1后，从上升管A底部送入；空气压缩机G送出的压缩空气经过流量计J2后进入上升管A底部的气体分布器D，使用聚四氟乙烯烧结形成的疏水性多孔管作为气体分布器。污染水和压缩空气混合，同时带动下降管B底部的液体以气液两相流形式在上升管A中往上流动，到达上升管A上部区域后进行气液分离，气体经压强调节阀C后从排出管排出系统。在上升管A中部，液体夹带气泡通过连结管进入下降管B，向下流动到达下降管B底部构成气液两相流循环。中空纤维膜F安装在下降管B中(图1)，或者以倒U型形式安装在上升管A内部(图2)。通过安装在气体排放管路上的调节阀C控制该系统液体压强，提供液体渗透通过中空纤维膜的推动力。使用中空纤维膜除去水中的微粒、胶体、色素、病原体、藻类等污染物质，达到净化水质目的，产水经过排水管流出系统备用。由于气液两相流不断流过中空纤维膜表面，对沉积在膜表面的污染物进行连续冲洗，破坏膜表面形成凝胶层，一定程度缓解膜污染，提高中空纤维膜渗透通量。
使用本发明所建立的实验装置，分别以染色水溶液体系和生物法处理污染水的活性污泥体系为对象，测定该气泡循环流动型中空纤维膜分离装置的水处理效果。
实施例1：使用1200根丝外压式中空纤维膜元件，按图1中所示流程，将炭素墨水和自来水混合后作为模拟实验体系，在压缩空气用量为0.4立方米/小时条件下，通过控制气体排出阀C的开度调节原料的压强，测定了渗透通量随操作压强差的变化关系(图3)。经过膜分离后的水澄清透明，完全去处了炭素墨水的颜色，达到纯化目的。
实施例2：使用1200根丝外压式中空纤维膜元件，按图1中所示流程，将炭素墨水和自来水混合后作为模拟实验体系，在压缩空气用量为0.8立方米/小时条件下，通过控制气体排出阀C的开度调节原料的压强，测定了渗透通量随操作压强差的变化关系(图4)。经过膜分离后的水澄清透明，完全去处了炭素墨水的颜色，达到纯化目的。
实施例3：使用800根丝外压式中空纤维膜元件，按图1中所示流程，将活性污泥与自来水混合后作为实验体系，在压缩空气用量为0.4立方米/小时条件下，通过控制气体排出阀C的开度调节原料的压强，测定了渗透通量随操作压强差的变化关系(图5)。经过膜分离后的水澄清透明，大幅度降低原水的色度和浊度，达到纯化目的，部分分析指标见表1。
实施例4：使用800根丝外压式中空纤维膜元件，按图1中所示流程，将活性污泥与自来水混合后作为实验体系，在压缩空气用量为0.8立方米/小时条件下，通过控制气体排出阀C的开度调节原料的压强，测定了渗透通量随操作压强差的变化关系(图6)。经过膜分离后的水澄清透明，大幅度降低原水的色度和浊度，达到纯化目的，部分分析指标见表1。
实施例3、实施例4的水质通过色度、悬浮固形物、气味、细菌显微观察四项指标考察评价本发明装置处理活性污泥与自来水混合物体系的分离性能，结果列于下表1。从如下4个项目中所列数据表明：本发明装置能够显著脱除水中的悬浮固体、细菌体、色度等污染物质，对于活性污泥的污水体系具有高效分离性能。
表1 活性污泥—水体系出水水质评价表
| 原水 | 出水 | 自来水 | |
| 色度 | 25 | ＜5 | ＜2.5 |
| 悬浮固形物 | 24.4mg/L | 未测出 | 未测出 |
| 气味 | 刺激性异味 | 略有异味 | 无 |
| 细菌显微观察 | 大量活体细菌、浮游生物 | 未检出 | 未检出 |
Claims (2)
1.气泡循环流动型中空纤维膜分离装置，其特征在于，它含有：
上升管，底部设置污染水入口和气体分布器，压缩空气通过上述气体分布器进入上升管内；在上升管顶部连接一个压强调节阀；
下降管，其上下两端和所述上升管连通，在下降管上端开有产水口，下部和上升管连接管路上开有排放水口；
中空纤维膜，安装在所述下降管中。
2.气泡循环流动型中空纤维膜分离装置，其特征在于，它含有：
上升管，其下侧面开有污染水入口，底部设置产水口和气体分布器，压缩空气通过上述气体分布器进入上升管内；在上升管顶部连接一个压强调节阀；
下降管，其上下两端和所述上升管连通，在下降管底部设有一个排放水口；
倒U型中空纤维膜，安装在上升管内，其开口端向下，开口端的宽度与所述气体分布器的宽度相等。
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