專利名稱：一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在膜生物反應(yīng)器所使用的膜組件，尤其涉及一種中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其使用方法，屬于膜生物反應(yīng)器及污水處理與回用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
膜-生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)有機結(jié)合的新型高效污水處理與回用技術(shù)。在膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用中，通常需要較大面積的膜。安裝膜地最小單元被稱為膜組件。膜組件有很多種形式，基本上可以分為兩大類管式和平板式。常用的膜組件形式有平板膜、管式膜、毛細管膜、中空纖維膜組件等等，其性能見表1-1。
表1-1膜組件性能一覽表
從表1-1可以看出由于中空纖維膜裝填密度和膜面積極大，價格便宜，而且克服了毛細管式膜組件不耐壓的缺點，目前在廢水處理中已得到廣泛應(yīng)用。
對于一個膜分離過程，選擇什么樣的膜組件取決于兩個方面一個是膜本身的性質(zhì)，另一個是過程的特殊性。在膜生物反應(yīng)器中，由于處理的對象是污泥，膜污染是不可避免的，而且比較嚴重，同時污水的量都比較大，因此應(yīng)該選擇耐污染、膜通量大的組件形式。隨著膜分離過程的進行，溶液中的大分子物質(zhì)、溶解物質(zhì)被吸附到膜表面，進而進入膜孔內(nèi)部堵塞膜孔以及顆粒物質(zhì)在膜表面的沉積現(xiàn)象稱為膜污染，膜污染后即表現(xiàn)為膜阻力的增加和膜通量的下降。一般來說，在膜生物反應(yīng)器中，使膜造成污染的主要有兩大類物質(zhì)。一類是溶液中的大分子物質(zhì)、溶解性物質(zhì)(如微生物代謝產(chǎn)物SMP)，這類物質(zhì)會被吸附到膜表面形成凝膠層，或者進而進入膜孔內(nèi)部堵塞膜孔，稱為不可逆污染。另一類物質(zhì)是顆粒狀的物質(zhì)，隨著膜分離過程的進行，這類物質(zhì)會在膜表面沉積形成濾餅層，這樣發(fā)展起來的膜污染往往在膜污染總阻力中占有較大的比例，但是這種污染一般是可逆的，稱為可逆污染，如何采用有效的物理手段控制可逆污染的發(fā)展是膜生物發(fā)應(yīng)器中控制膜污染的關(guān)鍵。
根據(jù)膜組件的設(shè)置位置，膜-生物反應(yīng)器可分為分置式膜-生物反應(yīng)器和一體式(或浸入式、內(nèi)置式)膜-生物反應(yīng)器兩大類。傳統(tǒng)的外置式膜生物反應(yīng)器一般采用柱式膜組件，并采取單相錯流過濾的水動力操作模式，靠循環(huán)泵提供的正壓形成膜的驅(qū)動壓力的出水方式。它有膜通量大、膜清洗方便二個主要的優(yōu)點。但是，為了有效地控制膜污染，往往需要比較大的膜面流速，所需的流量和揚程較大，能耗也較大(為內(nèi)置式膜生物反應(yīng)器的4～6倍)。傳統(tǒng)的一體式膜生物反應(yīng)器一般采用簾式膜組件，利用氣提原理，形成一個氣水二相流在升流區(qū)和降流區(qū)循環(huán)，對膜表面進行沖刷，控制膜污染。采用的抽吸泵抽吸真空形成膜的驅(qū)動壓力的出水方式。它的主要優(yōu)點是能耗較外置式相對為低，用地較省，但其膜清洗不方便，膜清洗成本較高，膜通量也相對較小。而且，由于氣提的是整個反應(yīng)器里的懸浮液，氣水二相流的流體斷面也較大，如何降低其能耗依然是人們的一個重要關(guān)注點。目前應(yīng)用的一體式膜生物反應(yīng)器單位水量的處理能耗約1.0～2.4kw·h/m3(顧平等，2000，中國給水排水Vol.16(3)，5-8；Tatsuki Ueda and Kenji Hata 1999，waterreseach，33，2888-2892)。
能否設(shè)計出新型的膜組件，把外置式膜生物反應(yīng)器和內(nèi)置式膜生物反應(yīng)器有機地結(jié)合起來，取各自所長、補各自所短，使其具有能耗低、通量大、膜污染發(fā)展緩慢，膜清洗方便的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，在維持較低的曝氣量的情況下，能有效地控制膜污染的發(fā)展，維持較高的膜通量，進一步降低其運行能耗，實現(xiàn)并維持其長期運行。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，主要包括膜組件殼柱體，設(shè)置在殼柱體內(nèi)的U狀中空纖維膜絲，頂部的料液出口，設(shè)置在底部的料液進口和用于固定粘結(jié)膜絲的固定區(qū)以及透過水出口，其特征在于在中空纖維膜組件底部的膜絲中間設(shè)有專用的氣沖部件。
本發(fā)明中所述的氣沖部件可采用穿孔曝氣管、微孔曝氣管或微孔曝氣頭。
本發(fā)明的特征還在于合理規(guī)范氣、水的運動軌跡和二相流的流態(tài)。這主要是通過設(shè)定膜組件外殼柱的高徑比，膜絲的長徑比、膜組件的裝填密度來實現(xiàn)的。本發(fā)明所述的膜組件的殼柱體的高徑比為5～20∶1；所述的膜組件的的膜絲的長徑比為50～300∶1；所述的膜組件的膜絲裝填密度為500～1500m2/m3。
本發(fā)明還提供了一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件的使用方法，即合理運用“次臨界通量操作法”，使膜組件在選定的操作條件下的次臨界通量操作區(qū)域工作，所述的次臨界通量操作區(qū)域采用通量階式遞增法確定，可按如下步驟進行
(1)選定的操作條件下，采用恒通量的方法使膜工作一個時間段ΔT至少為30min，觀測膜操作壓力在ΔT內(nèi)的變化，若膜操作壓力保持恒定，調(diào)節(jié)出水抽吸泵的級數(shù)，使膜通量增加一個階量；重新觀測膜操作壓力在另一個ΔT內(nèi)的變化，如此繼續(xù)，直到出現(xiàn)膜操作壓力在ΔT內(nèi)不能穩(wěn)定為止；
(2)記此時的膜通量為FN+1，即FN+1為在這個操作條件下使膜操作壓力上漲的最小的膜通量，F(xiàn)N為在這個操作條件下膜操作壓力恒定的最大的膜通量；則臨界通量介于FN+1和FN之間，大于FN+1的通量區(qū)域叫做此操作條件下的超臨界通量區(qū)域，小于FN的通量區(qū)域叫做此操作條件下的次臨界通量區(qū)域，使膜組件在該次臨界通量操作區(qū)域工作。
本發(fā)明與現(xiàn)有中空纖維膜組件相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果
(1)通量大，其工作通量可以達到15～30L/m2h。公知的一般用于一體式膜生物反應(yīng)器中的中空纖維膜組件的膜通量僅為5～10L/m2h。
(2)氣水比可降低到20～25∶1，從而降低能耗。公知的一般用于一體式膜生物反應(yīng)器中的中空纖維膜組件的氣水比為40～60∶1。
(3)大大降低膜面錯流速度至0.04～0.1m/s，從而降低循環(huán)流量和能耗。公知的一般用于分置式膜生物反應(yīng)器的膜面錯流速度為2～4m/s。
(4)抗污染性能好，由于直接在膜組件內(nèi)集中曝氣，這樣在曝氣量為20～25∶1時，其曝氣強度就可以達到125～200m3/m2h。因此可大大增加膜組件流體的紊動性，控制顆粒物質(zhì)在膜表面的沉積而大大提高膜組件的抗污染性能。


圖1為本發(fā)明提供的用于分置式膜生物反應(yīng)器的外壓柱式中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明提供的用于一體式膜生物反應(yīng)器的外壓柱式中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3表示外壓柱式中空纖維膜組件用于分置式膜生物反應(yīng)器的工藝裝置圖。
圖4表示外壓柱式中空纖維膜組件用于一體式膜生物反應(yīng)器的工藝裝置圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步的說明。
圖1為本發(fā)明提供的用于分置式膜生物反應(yīng)器的外壓柱式中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)示意圖。其主要構(gòu)成包括“U”狀中空纖維膜絲1、膜組件殼柱體2、氣沖部件3、底部的料液進口6、透過水出口5，頂部的料液出口7、測壓管接口8和膜絲粘結(jié)固定區(qū)4。
圖2為本發(fā)明提供的用于一體式膜生物反應(yīng)器的外壓柱式中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)示意圖。其主要構(gòu)成包括“U”狀中空纖維膜絲1、膜組件殼柱體2、氣沖部件3、底部的料液進口6、透過水出口5，頂部的料液出口7和膜絲粘結(jié)固定區(qū)4。
圖3表示外壓柱式中空纖維膜組件用于分置式膜生物反應(yīng)器的工藝裝置圖。此裝置由生物反應(yīng)器9，循環(huán)水進水管13，循環(huán)泵14，空氣供給裝置10，出水抽吸泵11，頂部進水管12，壓力計15以及外壓柱式中空纖維膜組件組成，設(shè)置在膜組件底部的氣沖部件3與空氣供給裝置10相連接。氣體與循環(huán)泵的出水一起在膜組件內(nèi)形成氣水二相流以控制膜污染。而且氣水二相流從反應(yīng)器9底部流入，一方面使得反應(yīng)器內(nèi)的料液得以完全混合，另一方面為反應(yīng)器9內(nèi)的微生物提供氧氣。由12流入的原水與反應(yīng)器9內(nèi)料液完全混合后經(jīng)循環(huán)水進水管13由循環(huán)泵14注入膜組件內(nèi)。膜透過水經(jīng)透過水管5由出水抽吸泵11排出。
圖4表示外壓柱式中空纖維膜組件用于一體式膜生物反應(yīng)器的工藝裝置圖。此裝置由生物反應(yīng)器9，空氣供給裝置10，出水抽吸泵11，頂部進水管12以及外壓柱式中空纖維膜組件組成。設(shè)置在膜組件底部的氣沖部件3與空氣供給裝置10相連接。膜組件外殼側(cè)面底部設(shè)有開口，當(dāng)空氣供給裝置給膜組件曝氣時，以膜組件外殼柱壁為導(dǎo)流環(huán)板，在膜組件內(nèi)形成氣水二相流的上流區(qū)，在膜組件外殼柱壁和反應(yīng)器壁之間形成下降區(qū)，從而形成循環(huán)的氣水二相流。
本發(fā)明中膜組件殼柱體的高徑比為(5-20)∶1，氣水不穩(wěn)定流的流態(tài)以形成Taylor氣泡為標準，供氣方式為用穿孔管、微濾管、微孔曝氣頭或其它多孔狀材料把氣體導(dǎo)入膜組件外殼體內(nèi)膜絲的中間，使氣泡能自由均勻地分布在膜組件柱體橫斷面上。
不穩(wěn)定流體運動是指在流動系統(tǒng)中，各個膜面上流體的流速、壓強、密度等有關(guān)物理量不僅隨位置而變化，而且隨時間而變化。與穩(wěn)態(tài)湍流相比，不穩(wěn)定流在層流和湍流狀態(tài)下都能起到強化過濾作用，流體不穩(wěn)定流動方式是一種強化效果好、能量較低、設(shè)備簡單的實用技術(shù)，對設(shè)計高效、抗污染的膜組件有很大的推動作用。氣水二相流是一種不穩(wěn)定流，恰當(dāng)?shù)哪そM件殼柱體高徑比使氣水二相流的流態(tài)得以有效的發(fā)展，即使在循環(huán)水量很小的情況下，混以恰當(dāng)?shù)臍饬?，也足以形成強烈的不穩(wěn)定流。
對中空纖維膜而言，膜絲的長度和直徑的比值直接影響透過水在膜絲內(nèi)的流態(tài)和膜絲軸向的通量分配。若膜絲長徑比過大，則靠近膜絲的非出水終端部分的膜通量就會比膜絲的出水終端部分的膜通量小很多，導(dǎo)致膜通量分布不均勻。若膜絲直徑過大，則會過于降低膜絲的比表面積。本發(fā)明要求的膜絲長徑比為50～300∶1。
膜組件的裝填密度會對氣水二相流的流態(tài)產(chǎn)生影響，裝填密度過大，膜絲就沒有足夠的振蕩空間，紊動性就會減弱，不利于控制顆粒物質(zhì)的沉積。裝填密度過小會導(dǎo)致膜組件的經(jīng)濟性下降，本發(fā)明要求的膜組件裝填密度為500～1500m2/m3。
本發(fā)明還要求膜組件工作時，連續(xù)供氣，但膜組件采用間歇抽吸出水。
本發(fā)明合理運用“次臨界通量操作法”來確定膜工作通量的膜組件使用方法。臨界通量是一個對膜污染有非常重要意義的概念，它是指在恒通量過濾中存在一個臨界值，當(dāng)膜通量大于這個值時，膜操作壓力TMP(Transmembrane Pressure)迅速上升，膜污染急劇發(fā)展；當(dāng)膜通量小于這個值時，膜污染不發(fā)生或者發(fā)展非常緩慢。臨界通量和水力操作條件、膜分離操作模式、料液性質(zhì)以及膜本身性質(zhì)有關(guān)。膜生物反應(yīng)器次臨界操作就是基于這樣一個概念，在一定的操作條件下，使膜通量維持在臨界通量以下以獲得膜生物反應(yīng)器長期穩(wěn)定的運行。
一般地，污染膜的有兩大類物質(zhì)一類是溶解性的大分子物質(zhì)，如溶解性微生物產(chǎn)物(Soluble Microbial Products，簡稱SMP)和胞外聚合物(Extracelluar Polymers，簡稱ECP，隨著膜分離的進行，這類物質(zhì)會被吸附到膜表面形成凝膠層(Gel Layer)，污染一般是不可逆的，但發(fā)展較為緩慢，稱為不可逆污染(Irreversible Fouling)。另一類物質(zhì)是顆粒物質(zhì)，如污泥絮體，這類物質(zhì)在膜表面沉積形成污泥層(Cake Layer)，污染是可逆的，稱為可逆污染(Reversible Fouling)，這類污染在死端過濾中占有很大的份量(80％以上)，且發(fā)展迅速，它也是膜污染水動力學(xué)控制的主要對象。在膜生物反應(yīng)器中，臨界通量也是針對可逆污染而言的，次臨界操作的主導(dǎo)思想就是使膜在運行的過程中，盡量避免污泥顆粒的沉積、避免可逆污染。
實施例1
請參照圖3外壓柱式中空纖維膜組件用于分置式膜生物反應(yīng)器工藝裝置圖。此外壓柱式中空纖維膜組件的殼柱體高徑比為11∶1，中空纖維膜絲長徑比200∶1，膜絲裝填密度829m2/m3，膜面積0.5m2。當(dāng)反應(yīng)器中混合液污泥濃度為3～10g/L時，膜通量可達20L/m2h，循環(huán)泵循環(huán)水量200L/h，揚程2.0m，機組總效率0.49，則單位處理水量循環(huán)水泵的能耗為0.21kw·h/m3。膜面錯流水流速度可控制在0.04～0.06m/s，比公知的分置式膜生物反應(yīng)器工藝的錯流速度3～4m/s小很多。曝氣量250L/h，升壓20kPa，鼓風(fēng)效率0.44，則單位處理水量鼓風(fēng)機的能耗為0.35kw·h/m3。氣水比僅為25∶1，比公知的一體式膜生物反應(yīng)器的氣水比(40～60∶1)小很多。抽吸泵流量10L/h，揚程10m，機組總效率0.49，則單位處理水量抽吸泵能耗0.06kw·h/m3。則單位處理水量總能耗為0.62kw·h/m3，比公知的錯流分置式膜生物反應(yīng)器的單位處理水量能耗3.0～5.5kw·h/m3小很多。
由于采用集中曝氣，使得膜組件內(nèi)的曝氣強度能達到160~190m3/m2h，這就大大增加了氣水二相流的紊動性，有利于控制顆粒物質(zhì)在膜表面的沉積而達到控制膜可逆污染的目的，系統(tǒng)的膜操作壓力的增長率為0.15kPa/d。從而實現(xiàn)膜生物反應(yīng)器長久穩(wěn)定的運行。
實施例2
請參照圖4外壓柱式中空纖維膜組件用于用于一體式膜生物反應(yīng)器工藝裝置圖。此外壓柱式中空纖維膜組件的殼柱體高徑比為6∶1，中空纖維膜絲長徑比100∶1，膜絲裝填密度702m2/m3，膜面積1.0m2。當(dāng)反應(yīng)器中混合液污泥濃度為3～10g/L時，膜通量可達15L/m2h，曝氣量390L/h，升壓20kPa，鼓風(fēng)效率0.44，則單位處理水量鼓風(fēng)機的能耗為0.49kw·h/m3。氣水比僅為26∶1，比公知的一體式膜生物反應(yīng)器的氣水比(40～60∶1)小很多。抽吸泵流量15L/h，揚程10m，機組總效率0.49，則單位處理水量抽吸泵能耗0.06kw·h/m3。則單位處理水量總能耗為0.55kw·h/m3，比公知的一體式膜生物反應(yīng)器的單位處理水量能耗1.0～2.4kw·h/m3小很多。
但膜組件內(nèi)的曝氣強度能達到130～150m3/m2h，這就大大增加了氣水二相流的紊動性，有利于控制顆粒物質(zhì)在膜表面的沉積而達到控制膜可逆污染的目的，系統(tǒng)的膜操作壓力的增長率為0.25kPa/d。從而實現(xiàn)膜生物反應(yīng)器長久穩(wěn)定的運行。
權(quán)利要求
1.一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，主要包括膜組件殼柱體，設(shè)置在殼柱體內(nèi)的U狀中空纖維膜絲，頂部的料液出口，設(shè)置在底部的料液進口和用于固定粘結(jié)膜絲的固定區(qū)以及透過水出口，其特征在于在中空纖維膜組件的底部的膜絲中間設(shè)有專用的氣沖部件。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，其特征在于所述的氣沖部件采用穿孔曝氣管、微孔曝氣管或微孔曝氣頭。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，其特征在于所述膜組件殼柱體的高徑比為5～20∶1。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，其特征在于所述膜組件的膜絲的長徑比為50～300∶1。
5.按照權(quán)利要求4所述的一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，其特征在于所述的膜組件的膜絲裝填密度為500～1500m2/m3。
6.一種如權(quán)利要求1所述可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件的使用方法，其特征在于該方法是使膜組件在選定的操作條件下的次臨界通量操作區(qū)域工作，所述的次臨界通量操作區(qū)域采用通量階式遞增法確定，可按如下步驟進行
(1)選定的操作條件下，采用恒通量的方法使膜工作一個時間段ΔT至少為30min，觀測膜操作壓力在ΔT內(nèi)的變化，若膜操作壓力保持恒定，調(diào)節(jié)出水抽吸泵的級數(shù)，使膜通量增加一個階量；重新觀測膜操作壓力在另一個ΔT內(nèi)的變化，如此繼續(xù)，直到出現(xiàn)膜操作壓力在ΔT內(nèi)不能穩(wěn)定為止；
(2)記此時的膜通量為FN+1，即FN+1為在這個操作條件下使膜操作壓力上漲的最小的膜通量，F(xiàn)N在這個操作條件下膜操作壓力恒定的最大的膜通量；則臨界通量介于FN+1和FN之間，大于FN+1的通量區(qū)域叫做此操作條件下的超臨界通量區(qū)域，小于FN的通量區(qū)域叫做此操作條件下的次臨界通量區(qū)域，使膜組件在該次臨界通量操作區(qū)域工作。
全文摘要
一種可氣沖的外壓柱式中空纖維膜組件，涉及一種中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其使用方法。本發(fā)明的主要技術(shù)特征是在膜組件底部的膜絲中間設(shè)有專用的氣沖部件；并通過設(shè)定膜組件殼柱體的高徑比，膜絲的長徑比、膜組件的裝填密度來合理規(guī)范氣、水的運動軌跡和二相流的流態(tài)，同時使膜組件在選定的操作條件下的次臨界通量操作區(qū)域工作。采用本發(fā)明可在維持較低的曝氣量的情況下，有效地控制膜污染的發(fā)展，維持較高的膜通量，降低運行能耗，實現(xiàn)并維持膜組件的長期運行。
文檔編號B01D63/02GK1446618SQ03121949
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者文湘華, 黃霞, 俞開昌, 卜慶杰, 孫友峰 申請人:清華大學(xué)