專利名稱：一種污水處理的膜分離單元、膜組件以及利用該膜組件處理污水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及污水處理及中水回用技術(shù)，特別涉及一種可用于膜生物反應(yīng)器的平板膜組件以及利用該膜組件處理污水的方法。
背景技術(shù)：
膜生物反應(yīng)器是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，其以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，相對于傳統(tǒng)的活性污泥工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如可以保持生物反應(yīng)器中的高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量，不受污泥膨脹的影響等。目前，膜生物反應(yīng)器的膜組件部分主要是以實(shí)現(xiàn)固液分離為目的，常采用壓力驅(qū)動(dòng)的微濾或者超濾膜。在壓力驅(qū)動(dòng)模式下，膜生物反應(yīng)器混合料液中的懸浮顆粒、膠體物質(zhì)、溶解性物質(zhì)均較易在膜材料內(nèi)部或膜表面形成沉積污染，造成膜通量的下降，即膜污染。膜污染的產(chǎn)生和發(fā)展嚴(yán)重加大了膜生物反應(yīng)器工藝的能耗，使得工藝不得不增加膜清洗的頻率，造成運(yùn)行成本的上升，削弱了其工藝經(jīng)濟(jì)性。雖然研究學(xué)者從膜表面改性、水動(dòng)力學(xué)條件優(yōu)化、污泥混合液性狀調(diào)節(jié)等方面對膜污染進(jìn)行了控制，但并不能從根本上改變壓力驅(qū)動(dòng)分離膜易產(chǎn)生嚴(yán)重膜污染的性質(zhì)。根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)部分的位置關(guān)系可將膜生物反應(yīng)器分為一體式膜生物反應(yīng)器和外置式膜生物反應(yīng)器。一體式膜生物反應(yīng)器雖然具有設(shè)備簡單、操作方便、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著氧利用率低、能耗大、膜污染嚴(yán)重、膜通量下降以及需要定期清洗等缺陷。與一體式膜生物反應(yīng)器相比，外置式膜組件可以有效利用活性污泥中懸浮顆粒在錯(cuò)流過濾中對膜表面的錯(cuò)流沖刷作用，因此其在膜污染控制方面具有一定的優(yōu)勢。滲透現(xiàn)象廣泛存在于自然界中。正向滲透是相對于以壓力驅(qū)動(dòng)的反滲透而言的。在正向滲透處理過程中，水通過選擇性滲透膜從高水化學(xué)勢區(qū)域向低水化學(xué)勢區(qū)域傳遞，其以驅(qū)動(dòng)溶液提供化學(xué)位作為推動(dòng)力，與反滲透相比，無需外界壓力作為推動(dòng)分離過程，可以無壓力操作，能耗低，對污染物的截留率高，而膜污染能力較強(qiáng)。正向滲透處理采用的驅(qū)動(dòng)溶液由驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑組成。驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)在水中具有較高的溶解度，從而能夠產(chǎn)生較高的滲透壓，如氯化鈉、氯化鎂、硫酸鋁、碳酸氫銨、葡萄糖、果糖等。在進(jìn)行正向滲透處理后，被稀釋的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)通常會通過各種方法進(jìn)行回收濃縮，如采用低壓反滲透回收葡萄糖，采用中度加熱回收碳酸氫銨，采用滲透蒸餾回收氯化鈉等。目前主要的方法仍然是以納濾或者反滲透的方式濃縮驅(qū)動(dòng)溶液。然而，這種分離過程耗能高，從而顯著增加了廢水處理的成本。膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合的分離過程，膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化，通過膜進(jìn)入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的。根據(jù)膜冷側(cè)冷凝方式的不同，膜蒸餾可分為直接接觸式、空氣隙式、氣掃式和真空膜蒸餾四種形式。與常規(guī)的蒸餾方法相比，膜蒸餾過程具有較高的蒸餾效率，蒸餾液更為純凈，無需復(fù)雜的蒸餾設(shè)備，可在常壓下進(jìn)行操作，設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
新加坡的Kai Yu Wang等人采用正滲透和膜蒸餾相結(jié)合的技術(shù)濃縮蛋白質(zhì)溶液(Kai yu Wang et.1ntegrated forward osmosis-membrane distillation(FO-MD) hybrid system for the concentration ofprotein solutions， Chemical Engineering Science. 66 (2011)，2424-2430.)，首先，該研究所用的分離系統(tǒng)主要是用于分離純化大分子物質(zhì)蛋白質(zhì)，其次是該分離系統(tǒng)需要分別將驅(qū)動(dòng)溶液在正滲透(FO)系統(tǒng)和膜蒸餾(MD) 系統(tǒng)中進(jìn)行反復(fù)循環(huán)，而對于實(shí)際工程應(yīng)用來說，分散的較長的管路對于減少熱量的耗損也是一個(gè)不利的因素，尤其對具有生物活性的蛋白質(zhì)分離不利；其三是該研究在FO和MD兩個(gè)系統(tǒng)中需要分別對驅(qū)動(dòng)溶液進(jìn)行冷卻和加熱，這些均導(dǎo)致該研究所用系統(tǒng)的能耗高，熱量不能得到有效的利用，不利于能源節(jié)約；其四是該系統(tǒng)占地面積大，從而限制了其推廣應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可用于膜生物反應(yīng)器的外置式平板膜分離單元和有該分離單元組合而成的膜組件，本發(fā)明膜組件可同時(shí)利用錯(cuò)流過濾沖刷作用、正向滲透和膜蒸餾實(shí)現(xiàn)低壓力(< IkPa)操作，膜污染輕，能耗低；工藝出水水質(zhì)好。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種污水處理膜分離單元，由順序連接的污水腔、 第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔組成，其中相鄰腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔。
其中，所述的機(jī)高聚物膜為滲透膜和/或疏水微孔膜。
其中，所述污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔的兩端開放，其一端具有入口，另一端具有出口。
特別是，所述污水腔與第一驅(qū)動(dòng)液腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔， 其中所述有機(jī)高聚物膜為滲 透膜；所述清水腔與第一驅(qū)動(dòng)液腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為疏水微孔膜。
其中，所述滲透膜的分離層為纖維素三醋酸膜；疏水微孔膜的分離層為聚四氟乙烯膜。
特別是，所述疏水微孔膜的支撐層為聚丙烯膜。
特別是，所述疏水微孔膜的孔徑為0. 22-1. O μ m,優(yōu)選為0. 22 μ m ;所述的滲透膜為對氯化鈉的截留率> 93%的滲透膜。
尤其是，所述滲透膜對氯化鈉的截留率為95-97%。
本發(fā)明另一方面提供一種污水處理平板膜組件，包括外殼和至少2個(gè)并行排列的位于外殼內(nèi)的膜分離單元；其中
外殼，呈長方體形或正方體形，其四周封閉，兩端開放；
每個(gè)膜分離單元，由順序連接且平行排列的污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔組成，其中所述的污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔。
其中，所述的膜分離單元數(shù)優(yōu)選為8-20個(gè)，進(jìn)一步優(yōu)選為8-15個(gè)。
其中，污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔的兩端開放，其一端具有入口，另一端具有出口。特別是，所述污水腔與第一驅(qū)動(dòng)液腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為滲透膜；所述清水腔與第一驅(qū)動(dòng)液腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為疏水微孔膜。其中，所述滲透膜的分離層為纖維素三醋酸膜；疏水微孔膜的分離層為聚四氟乙烯膜。特別是，所述疏水微孔膜的支撐層為聚丙烯膜。特別是，所述疏水微孔膜的孔徑為O. 22-1. O μ m,優(yōu)選為O. 22 μ m ;所述的滲透膜為對氯化鈉的截留率> 93%的滲透膜。尤其是，所述滲透膜對氯化鈉的截留率為95-97%。 其中，所述有機(jī)高聚物膜的長度與所述外殼的寬度相一致，有機(jī)高聚物膜的寬度與所述外殼的高度相一致。特別是，所述膜分離單元沿著所述外殼的長度方向平行排列。其中，將所述膜分離單元分隔成污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔的相鄰兩個(gè)所述有機(jī)高聚物膜間的間距為1_3_，即所述污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔的厚度為l_3mm，優(yōu)選為2mm。本發(fā)明又一方面提供一種利用上述任意所述膜組件處理污水的方法，污水腔內(nèi)流動(dòng)的污水與第一驅(qū)動(dòng)液腔、第二驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)液的流動(dòng)方向相反。其中，清水腔內(nèi)流動(dòng)的清水與污水腔內(nèi)流動(dòng)的污水的流動(dòng)方向相同或相反。特別是，清水腔內(nèi)流動(dòng)的清水與污水腔內(nèi)流動(dòng)的污水的流動(dòng)方向相同。本發(fā)明再一方面提供一種利用上述任意所述膜組件處理污水的方法，包括如下步驟I)污水從所述污水腔的入口流入所述膜組件的污水腔內(nèi)，污水腔中的水經(jīng)過所述的滲透膜滲透到所述第一驅(qū)動(dòng)液腔、和與其相鄰的膜分離單元的第二驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)，濃縮后的污水從污水腔的出口流出膜組件；2)驅(qū)動(dòng)液分別從所述第一驅(qū)動(dòng)液腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔的入口流入所述膜組件的所述驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)，然后分別從出口流出，其中驅(qū)動(dòng)液與污水的流動(dòng)方向相反，驅(qū)動(dòng)液在驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)流動(dòng)的過程中吸收從污水腔滲透至驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)的水，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液中的水分子通過所述的半透膜進(jìn)入清水腔；3)清水從所述清水腔的入口流入所述膜組件的所述清水腔內(nèi)，其中清水與污水的流動(dòng)方向相同或相反，從驅(qū)動(dòng)液腔中進(jìn)入清水腔的水和清水從出口流出。其中，步驟I)中所述的污水是經(jīng)過生物活性污泥處理的污水活性污泥混合液或含鹽量低于O. 5%的污水；優(yōu)選為經(jīng)過生物活性污泥處理的污水活性污泥混合液。其中，步驟I)中污水的流速、步驟2)中驅(qū)動(dòng)液流速、步驟3)中清水流速為10_70cm/s.特別是，所述污水的流速優(yōu)選為50cm/s ;所述驅(qū)動(dòng)液流速優(yōu)選為50-70cm/s ;所述清水的流速優(yōu)選為15-50cm/s,進(jìn)一步優(yōu)選為50cm/s。其中，步驟I)中所述的滲透膜為對氯化鈉的截留率彡93%的滲透膜。特別是，所述滲透膜對氯化鈉的截留率為95-97%。
其中，步驟2)中所述的驅(qū)動(dòng)液為氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、氯化銨溶液、氯化鈣溶液、氯化鎂溶液或復(fù)合磁性Fe3O4納米顆粒溶液中的一種。
特別是，所述驅(qū)動(dòng)液的濃度為1-2M。
尤其是，所述驅(qū)動(dòng)液選擇濃度為1. 5M的氯化鈉溶液。
特別是，驅(qū)動(dòng)液的溫度為40_60°C，優(yōu)選為40°C。
其中，步驟2)中所述半透膜選擇為疏水微孔膜。
特別是，所述疏水微孔膜的孔徑為O. 22-1. O μ m，優(yōu)選為O. 22 μ m。
其中，步驟3)中所述清水的溫度為0_16°C，優(yōu)選為8_16°C，進(jìn)一步優(yōu)選為16°C。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明的膜組件對膜生物反應(yīng)器活性污泥混合液和污水中的污染物去除效率高，在水質(zhì)方面具有滲透膜和微孔疏水膜的雙重保障，凈化出水水質(zhì)好，出水中有機(jī)物的去除率達(dá)到94%以上，可以替代日常市政用水或大多數(shù)工業(yè)種類中的工藝用水，實(shí)現(xiàn)再生水回用；并且本發(fā)明的膜組件處理污水的效率高，膜通量達(dá)到4-5.1L/(m2 · h)。
2、本發(fā)明的污水處理方法中水從污水側(cè)通過滲透膜進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液側(cè)的驅(qū)動(dòng)力是正滲透壓差，而不用外界施壓驅(qū)動(dòng)，膜污染趨勢大大減輕。
3、本發(fā)明的污水處理方法中采用污水與驅(qū)動(dòng)液對滲透膜表面的錯(cuò)流沖刷作用以減輕膜污染和濃差極化現(xiàn)象，減少了滲透膜表面的膠體或溶解性污染物沉積，降低了滲透膜的污染，延長了膜組件的使用壽命，提高了膜組件處理污水的能力。
4、本發(fā)明的污水處理方法中膜組件驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)驅(qū)動(dòng)液吸收水分和膜蒸餾排出水分的量平衡，使得驅(qū)動(dòng)液處于無壓 力的操作狀態(tài)，減少了驅(qū)動(dòng)液對滲透膜和疏水微孔膜的擠壓，保證了膜組件中各有機(jī)高聚物膜的密封效果，延長了膜的使用壽命，同時(shí)防止了因?yàn)轵?qū)動(dòng)液濃度降低，使得滲透膜膜通量下降的的負(fù)效應(yīng)。
5、本發(fā)明的膜組件將滲透膜和微孔疏水膜并行組合設(shè)計(jì)在一起，使得正滲透和膜蒸餾處理同步進(jìn)行，大幅縮短膜組件出水時(shí)間和路程，減少了驅(qū)動(dòng)液的熱損失，節(jié)約了能耗；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)液的熱量通過滲透膜直接傳遞給污水腔內(nèi)的污水，使得污水腔內(nèi)的污水溫度有一定程度的升高，加快了污染物的去除速率，減少污水在膜組件和生物反應(yīng)器內(nèi)的整體水力停留時(shí)間。
6、本發(fā)明的膜組件在處理污水過程中能夠使驅(qū)動(dòng)液的濃度具有自我調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定的作用，當(dāng)疏水微孔膜的膜通量增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)液濃度升高，從而使得驅(qū)動(dòng)液產(chǎn)生的滲透壓增加，加大滲透膜兩側(cè)的滲透壓差，從而自然促使?jié)B透膜的膜通量也相應(yīng)的增大，反之亦然，從而減輕了流量的調(diào)節(jié)工作，使污水分離處理工藝更加簡單，易于操作。
7、利用本發(fā)明的膜組件處理污水的方法中驅(qū)動(dòng)溶液溫度的升高可以同時(shí)促進(jìn)本發(fā)明膜組件中滲透膜和微孔疏水膜膜通量的增加，具有一舉兩得的作用。根據(jù)Vant Hoff 公式，正滲透處理過程中的滲透壓與驅(qū)動(dòng)液的溫度呈正相關(guān)，因此，本發(fā)明中的驅(qū)動(dòng)液加熱升溫后其滲透壓提高，從而增大了滲透膜的膜通量，提高了正向滲透處理的效率。
8、本發(fā)明的膜組件與膜生物反應(yīng)器組合使用，可以通過對膜組件數(shù)量、膜面積等參數(shù)進(jìn)行控制，使膜組件單位時(shí)間內(nèi)的處理出水量與單位時(shí)間的進(jìn)水量相等，從而保持反應(yīng)器水位和污水水力停留時(shí)間的穩(wěn)定。
9、本發(fā)明的膜組件與膜生物反應(yīng)器結(jié)合使用時(shí)，可以將反應(yīng)器進(jìn)水(污水)中的有機(jī)物更完全的截留在活性污泥料液中，從而使得難以生物降解的有機(jī)物能夠獲得更多的接觸停留時(shí)間以促進(jìn)其被降解，同時(shí)也可以起到更好馴化活性污泥中特異微生物的作用，進(jìn)一步提高這些難降解有機(jī)物的生物降解效果。


圖1是本發(fā)明污水處理膜組件的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明1、外殼；2、膜分離單元；21、污水腔；22、第一驅(qū)動(dòng)液腔；23、清水腔；24、第二驅(qū)動(dòng)液腔；25、滲透膜；26、疏水微孔膜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明的污水處理膜組件。如圖1所示，本發(fā)明的污水處理平板膜組件包括外殼I和位于外殼內(nèi)的膜分離單元2。外殼I呈長方體形或正方體形，其四周封閉，兩端開放。膜分離單元2由順序連接且平行排列的污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24組成。位于外殼I內(nèi)的膜分離單元2至少為2個(gè)，依次以串聯(lián)的方式排列，即第二個(gè)膜分離單元2的污水腔21與第一個(gè)膜分離單元2的第二驅(qū)動(dòng)液腔24順序連接且平行排列。膜分離單元2的污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24之間通過有機(jī)高聚物膜25、26分隔。污水腔21的兩側(cè)的有機(jī)高聚物膜25為滲透膜、清水腔23的兩側(cè)有機(jī)高聚物膜26為疏水微孔膜，第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24靠近污水腔一側(cè)為滲透膜25，靠近清水腔一側(cè)為疏水微孔膜26。污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24之間的有機(jī)高聚物膜25,26的長度與外殼I的寬度相一致，有機(jī)高聚物膜25、26的寬度與外殼I的高度相一致。污水腔21與第一驅(qū)動(dòng)液腔22、和與其相鄰的膜分離單元2的第二驅(qū)動(dòng)液腔24之間的有機(jī)高聚物膜為滲透膜25，第一驅(qū)動(dòng)液腔22、第二驅(qū)動(dòng)液腔24與清水腔23之間的半透膜為疏水微孔膜26。滲透膜25和疏水微孔膜26均為復(fù)合膜，即采用常規(guī)工藝將具有分離作用的分離層包覆在具有支撐作用的的支撐層上。滲透膜25的分離層為纖維素三醋酸膜，支撐層為無紡布，所述滲透膜的對NaCl的截留率為95-97%。疏水微孔膜26的分離層為聚四氟乙烯膜，支撐層為聚丙烯膜，疏水微孔膜的平均孔徑為O. 22-1. O μ m。滲透膜25與疏水微孔膜26的膜面積之比優(yōu)選為1:1。除上述材料外，常規(guī)用于滲透膜和疏水微孔膜的分離層和支撐層均適用于本發(fā)明的膜組件。污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23、第二驅(qū)動(dòng)液腔24的兩端開放，其一端具有入口 211、221、231、241，另一端具有出口 212、222、232、242。將所述膜分離單元2分隔成污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24的相鄰兩個(gè)半透膜間的間距為l-3mm,即污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24的厚度為l_3mm。待處理污水從污水腔21的入口 211流入膜組件的污水腔，與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)液以與污水相反的流動(dòng)方向從第一驅(qū)動(dòng)液腔22的入口 221、第二驅(qū)動(dòng)液腔24的入口 241分別流入膜組件的第一驅(qū)動(dòng)液腔22和第二驅(qū)動(dòng)液腔24內(nèi)，清水以與污水相同或相反的方向從清水腔23的入口 231流入膜組件的清水腔內(nèi)，其中，污水、驅(qū)動(dòng)液 、清水的流速為10-70cm/s。
第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)的驅(qū)動(dòng)液的滲透壓高，在污水腔與第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔之間形成滲透壓差，污水腔21內(nèi)污水中的水分子在污水腔21與驅(qū)動(dòng)液腔22、24間的滲透壓差作用下，透過滲透膜25進(jìn)入到第一驅(qū)動(dòng)液腔22、第二驅(qū)動(dòng)液腔24中，而污水中的顆粒物、有機(jī)物和金屬離子被滲透膜25所截留，從而污水被濃縮，濃縮后的污水從污水腔21 的出口 212流出膜組件，實(shí)現(xiàn)污水中水被分離，達(dá)到凈化的目的。
適用于本發(fā)明的第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24中的驅(qū)動(dòng)液為濃度為1-2M的氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、氯化銨溶液、氯化鈣溶液、氯化鎂溶液或復(fù)合磁性Fe3O4納米顆粒溶液中的一種，其他具有高滲透壓的驅(qū)動(dòng)液均使用于本發(fā)明。本發(fā)明中采用氯化鈉溶液作為驅(qū)動(dòng)液。
污水、驅(qū)動(dòng)液及清水為錯(cuò)流分離，其流動(dòng)方向與半透膜25、26的平面向平行，消除濃差極化，可以對半透膜25、26表面污染層形成沖刷作用，使半透膜的孔隙不易堵塞，從而有利于消除膜分離過程中的濃差極化。
而且，第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)的驅(qū)動(dòng)液具有較高溫度，而清水腔23內(nèi)的清水的溫度低于第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)驅(qū)動(dòng)液溫度，第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)驅(qū)動(dòng)液中的水分子在疏水微孔膜26的表面汽化，水蒸汽通過疏水微孔膜26進(jìn)入到清水側(cè)23后冷凝為液相，而驅(qū)動(dòng)液中的其他組分被疏水微孔膜26阻擋，截留在第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24 內(nèi)，使得第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)驅(qū)動(dòng)液保持高濃度和高滲透壓，清水從清水腔23的出口 232 流出，獲得純凈的清水，從而實(shí)現(xiàn)了污水的凈化。
本發(fā)明中第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24中的驅(qū)動(dòng)液的溫度為40_60°C ;清水腔23內(nèi)的清水的溫度為0-16°C。驅(qū)動(dòng)液在吸收了從污水腔21中正滲透至第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)的水份后， 驅(qū)動(dòng)液被稀釋；同時(shí)驅(qū)動(dòng)液中的水分子通過疏水微孔膜26的膜蒸餾作用進(jìn)入到清水腔23 中，使驅(qū)動(dòng)液被濃縮，通過正滲透吸收水分和膜蒸餾氣化排出水分兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的處理，不僅保持了驅(qū)動(dòng)液的高濃度、高滲透壓，從而還保證了污水腔21與第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24 間的滲透壓差，使膜組件對污水的處理可以持續(xù)、高效地運(yùn)行。吸收了污水腔21中的水份， 并且同時(shí)通過疏水微孔膜26的膜蒸餾作用，排出水分后的驅(qū)動(dòng)液從第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔 22、24的出口 222、242流出膜組件，流出膜組件的驅(qū)動(dòng)液可以進(jìn)行循環(huán)利用；而吸收了驅(qū)動(dòng)液腔中水分子的清水從清水腔23的出口 232流出，也可以進(jìn)行循環(huán)利用。
此外，正滲透處理和膜蒸餾處理同時(shí)、同步進(jìn)行，減少了占地面積，節(jié)省了膜組件運(yùn)行時(shí)間；而且，較高溫度的驅(qū)動(dòng)液具有更高的滲透壓，從而促進(jìn)了滲透膜的膜通量，有利于提高污水進(jìn)行正滲透處理的效率；最后驅(qū)動(dòng)液和清水之間的溫度差，可以提高滲透膜和微孔疏水膜的膜通量，加快活性污泥處理污水的速率，提高污水中污染物的去除效率。
本發(fā)明實(shí)施例中所使用的污水處理膜組件中的膜分離單元2為8-20個(gè)，將膜分離單元2分隔成污水腔21、第一驅(qū)動(dòng)液腔22、清水腔23和第二驅(qū)動(dòng)液腔24的滲透膜25為無孔膜(孔徑<0.001 μ m);疏水微孔膜26的孔徑為O. 22-1 μ m;膜組件中，單個(gè)的滲透膜與疏水微孔膜的有效面積為16cm長，8cm寬；滲透膜與疏水微孔膜的膜面積之比為1:1。
本發(fā)明以生活污水經(jīng)過活性污泥工藝處理后的活性污泥混合液為處理對象，利用本發(fā)明的膜組件進(jìn)行分離純化。經(jīng)過本發(fā)明膜組件處理后的活性污泥混合液從膜組件的污水腔流出后，再回到活性污泥生物反應(yīng)器中，如此循環(huán)處理。其中，生活污水水質(zhì)性能和經(jīng)過活性污泥處理后的活性污泥混合液的水質(zhì)如表I所示。
生活污水進(jìn)入裝有活性污泥的反應(yīng)器后，與反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥接觸，利用鼓風(fēng)曝氣機(jī)進(jìn)行曝氣，提供活性污泥中的微生物生長所需要的氧氣，活性污泥中的微生物降解生活污水中有機(jī)物，得到活性污泥混合液?；钚晕勰嗷旌弦豪帽景l(fā)明的膜組件進(jìn)行分離，處理污水。表I生活污水、活性污泥混合液的平均水質(zhì)性能檢測指標(biāo)
CODcr 濁度 SS NH4+-N TN TP 電導(dǎo)率
水樣
(mg/L) (NTU) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (ps/cm) 生活污水350 160 6032454.3420
活性污泥混合液 60a 20a 5200b IOa15aIa500a 注a活性污泥混合液上清液指標(biāo)；b活性污泥混合液指標(biāo)實(shí)施例11、正滲透處理本實(shí)施例中污水處理平板膜組件中共使用滲透膜25和微孔疏水膜26各30片，SP污水處理膜組件中的膜分離單元2為15個(gè)；活性污泥混合液以50cm/s的流速從污水腔21的入口 211流入膜組件的污水腔內(nèi)；驅(qū)動(dòng)液氯化鈉溶液以與污水的流動(dòng)方向相反的流動(dòng)方向從第一驅(qū)動(dòng)液腔22的入口221、第二驅(qū)動(dòng)液腔24的入口 241流入膜組件的第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24，其中，氯化鈉溶液的溫度為40°C，濃度為1. 5mol/L，流速為50cm/s ；活性污泥混合液與驅(qū)動(dòng)液被滲透膜25分隔，由于驅(qū)動(dòng)液的高滲透壓，使得污水腔21與第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24之間產(chǎn)生滲透壓差，活性污泥混合液中的水經(jīng)過的滲透膜25滲透到第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24內(nèi)，活性污泥混合液中的其他物質(zhì)被截留在污水腔21內(nèi)，濃縮后的活性污泥混合液從污水腔21的出口 212流出，吸收了從污水腔滲透至驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)的水的驅(qū)動(dòng)液被稀釋，其中，由于活性污泥混合液的流動(dòng)方向與滲透膜25的膜平面平行，在污水腔21內(nèi)活性污泥混合液通過錯(cuò)流過濾的沖刷作用，減輕了膜污染和濃差極化現(xiàn)象，減少了滲透膜表面的膠體或溶解性污染物沉積，降低了滲透膜的污染，延長了膜組件的使用壽命，提高了膜組件處理污水的能力，滲透膜25的平均膜出水通量約為4L/(m2 · h)。2、膜蒸餾處理溫度為16°C、流速為50cm/s的清水以與活性污泥混合液流動(dòng)方向相同的方向從入口 231連續(xù)流入膜組件的清水腔23內(nèi)，由疏水微孔膜26將清水與驅(qū)動(dòng)液分隔，由于驅(qū)動(dòng)液與清水的溫度差，驅(qū)動(dòng)液中的水分子在疏水微孔膜26的表面汽化，水蒸汽通過疏水微孔膜進(jìn)入到清水腔23后冷凝為液相水，驅(qū)動(dòng)液中的其他組分被疏水微孔膜26阻擋，被正滲透處理所稀釋的驅(qū)動(dòng)液同時(shí)又被濃縮，從而保持驅(qū)動(dòng)液的高濃度和高滲透壓，保證了污水腔21與第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔間的正滲透壓差，保證了膜組件的正常運(yùn)行，同時(shí)經(jīng)過正滲透處理與膜蒸餾處理的驅(qū)動(dòng)液從第一、第二驅(qū)動(dòng)液腔22、24的出口 222、242流出膜組件，并循環(huán)使用，疏水微孔膜的平均膜出水通量約為4L/(m2 -h);從驅(qū)動(dòng)液腔22、24中經(jīng)過膜蒸餾處理擠入清水腔23內(nèi)的液相水隨同清水從出口 232流出，處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)見表2。
實(shí)施例2
膜組件中，除了共使用滲透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水處理膜組件中的膜分離單元2為8個(gè)之外，其余與實(shí)施例1相同。
正滲透處理過程中，除了污水活性污泥混合液的流速為70cm/s ;驅(qū)動(dòng)液的濃度為1. 5mol/L，溫度為40°C，流速為70cm/s ;滲透膜25的平均膜出水通量為4. 8L/(m2 -h)之外， 其余與實(shí)施例1相同。
膜蒸餾處理過程中，除了清水的溫度為8°C，流速為50cm/s ;疏水微孔膜26的平均膜出水通量為4. 8L/(m2 · h)之外，其余與實(shí)施例1相同。
處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)見表2。
實(shí)施例3
膜組件中，除了共使用滲透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水處理膜組件中的膜分離單元2為8個(gè)之外，其余與實(shí)施例1相同。
正滲透處理過程中，除了污水活性污泥混合液的流速為lOcm/s ;驅(qū)動(dòng)液的濃度為1. 5mol/L，溫度為40°C，流速為70cm/s ;滲透膜25的平均膜出水通量為3. 9L/(m2 -h)之外， 其余與實(shí)施例1相同。
膜蒸餾處理過程中，除了清水的溫度為8°C，流速為15cm/s ;疏水微孔膜26的平均膜出水通量為4. OL/(m2 · h)之外，其余與實(shí)施例1相同。
處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)見表2。
實(shí)施例4
膜組件中，除了共使用滲透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水處理膜組件中的膜分離單元2為8個(gè)之外，其·余與實(shí)施例1相同。
正滲透處理過程中，除了污水活性污泥混合液的流速為50cm/s ;驅(qū)動(dòng)液的濃度為1.5mol/L，溫度為60°C，流速為70cm/s ;滲透膜25的平均膜出水通量為4.1L/(m2 -h)之外， 其余與實(shí)施例1相同。
膜蒸餾處理過程中，除了清水的溫度為8°C，流速為15cm/s ;疏水微孔膜26的平均膜出水通量為4.1L/(m2 · h)之外，其余與實(shí)施例1相同。
處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)見表2。
實(shí)施例5
膜組件中，除了共使用滲透膜25和微孔疏水膜26各16片，即污水處理膜組件中的膜分離單元2為8個(gè)之外，其余與實(shí)施例1相同。
正滲透處理過程中，除了污水活性污泥混合液的流速為50cm/s ;驅(qū)動(dòng)液的濃度為 2mol/L，溫度為40°C，流速為50cm/s ;滲透膜25的平均膜出水通量為5.1L/(m2 · h)之外， 其余與實(shí)施例1相同。
膜蒸餾處理過程中，除了清水的溫度為(TC，流速為50cm/s ;疏水微孔膜26的平均膜出水通量為5.1L/(m2 · h)之外，其余與實(shí)施例1相同。
處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)見表2。
表2處理出水的水質(zhì)性能檢測指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種污水處理膜分離單元，其特征是由順序連接的污水腔(21)、第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、清水腔(23)和第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)組成，其中相鄰腔之間通過有機(jī)高聚物膜(25、26)分隔。
2.如權(quán)利要求1所述膜分離單元，其特征是所述污水腔(21)、第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、清水腔(23)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)的兩端開放，其一端具有入口(211、221、231、241)，另一端具有出口(212、222、232、242)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的膜分離單元，其特征是所述污水腔(21)與第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)之間通過有機(jī)高聚物膜(25)分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為滲透膜；所述清水腔(23)與第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)之間通過有機(jī)高聚物膜(26)分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為疏水微孔膜。
4.一種污水處理平板膜組件，其特征是包括外殼(I)和至少2個(gè)并行排列的位于外殼內(nèi)的膜分離單元⑵；其中外殼(I)，呈長方體形或正方體形，其四周封閉，兩端開放；每個(gè)膜分離單元(2)，由順序連接的污水腔(21)、第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、清水腔(23)和第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)組成，其中相鄰腔之間通過有機(jī)高聚物膜(25、26)分隔。
5.如權(quán)利要求4所述的膜組件，其特征是所述污水腔(21)、第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、清水腔(23)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)的兩端開放，其一端具有入口(211、221、231、241)，另一端具有出口 (212、222、232、242)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的膜組件，其特征是所述污水腔(21)與第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)之間通過有機(jī)高聚物膜(25)分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為滲透膜；所述清水腔(23)與第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)之間通過有機(jī)高聚物膜(26)分隔，其中所述有機(jī)高聚物膜為疏水微孔膜。
7.一種利用如權(quán)利要求4-6任一所述膜組件處理污水的方法，其特征是污水腔(21)內(nèi)流動(dòng)的污水與第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)內(nèi)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)液的流動(dòng)方向相反。
8.一種利用如權(quán)利要求4-6任一所述膜組件處理污水的方法，包括如下步驟1)污水從所述污水腔(21)的入口(211)流入所述膜組件的污水腔內(nèi)，污水腔中的水經(jīng)過所述的滲透膜(25)滲透到所述第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)、和與其相鄰接的膜分離單元的第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)內(nèi)，濃縮后的污水從污水腔(21)的出口(212)流出膜組件；2)驅(qū)動(dòng)液分別從第一驅(qū)動(dòng)液腔(22)和第二驅(qū)動(dòng)液腔(24)的入口(221、241)流入所述膜組件的所述驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)，然后分別從出口(222、242)流出，其中驅(qū)動(dòng)液與污水的流動(dòng)方向相反，驅(qū)動(dòng)液在驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)流動(dòng)的過程中吸收從污水腔(21)滲透至驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)的水，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液中的水分子通過所述的半透膜(26)進(jìn)入清水腔(23)；3)清水從所述清水腔(23)的入口(231)流入所述膜組件的所述清水腔內(nèi)，其中清水與污水的流動(dòng)方向相同或相反，從驅(qū)動(dòng)液腔(22、24)中進(jìn)入清水腔(23)的水和清水從出口(232)流出。
9.如權(quán)利要求8所述的處理污水的方法，其特征是步驟I)中污水的流速、步驟2)中驅(qū)動(dòng)液流速、步驟3)中清水流速為10-70cm/s。
10.如權(quán)利要求8或9所述的處理污水的方法，其特征是所述驅(qū)動(dòng)液的溫度為40-60。。。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種污水處理膜組件以及利用該膜組件處理污水的方法。本發(fā)明的膜組件包括外殼和至少2個(gè)并行排列的位于外殼內(nèi)的膜分離單元，其中外殼呈長方體形或正方體形，其四周封閉，兩端開放；膜分離單元由順序連接且平行排列的污水腔、第一驅(qū)動(dòng)液腔、清水腔和第二驅(qū)動(dòng)液腔組成，各腔之間通過有機(jī)高聚物膜分隔；特別是，在污水腔內(nèi)流動(dòng)的污水與驅(qū)動(dòng)液腔內(nèi)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)液的流動(dòng)方向相反。利用本發(fā)明的膜組件進(jìn)行污水處理在無壓力下進(jìn)行操作，膜污染程度輕，能耗低，處理后的出水水質(zhì)好，可實(shí)現(xiàn)中水回用。
文檔編號B01D63/08GK102989321SQ201110269978
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者朱洪濤 申請人:北京林業(yè)大學(xué)