膜過濾組件的制作方法
【專利摘要】一種配置為用在過濾反應(yīng)器中的膜過濾組件，所述組件包括：中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應(yīng)器中對(duì)供給流體進(jìn)行過濾；和振動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)配置為振動(dòng)所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
【專利說明】
膜過濾組件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種膜過濾組件，尤其涉及一種使用中空纖維膜的、支持污垢控制的膜過濾組件。
【背景技術(shù)】
[0002]膜為可以用于分離兩種流體的薄的膜狀結(jié)構(gòu)。在過濾組件中，膜作為選擇性屏障，允許一些粒子或化學(xué)物質(zhì)通過，但是不允許其他物質(zhì)通過。在膜過濾期間，當(dāng)滲透物穿過該膜時(shí)，供給水中的污垢物在膜表面上積累，導(dǎo)致膜過濾阻力增加。這稱為膜污染，其為設(shè)計(jì)膜生物反應(yīng)器(MBR)所考慮的主要因素。
[0003]表面流體力學(xué)剪應(yīng)力可將污垢物從膜表面移除，從而緩解膜污染的問題。表面剪應(yīng)力可由膜與相鄰流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。當(dāng)前，為此目的，有氧MBR(AMBR)中廣泛使用空氣噴射。類似地，厭氧MBR(AnMBR)中使用沼氣噴射來去除膜污垢物。然而，由空氣或沼氣噴射得到的通量改善可能會(huì)受到限制(Xia等人，2013)，且其能耗可高達(dá)總成本的70%(Judd 2006；Drews 2010)。此外，由于沼氣產(chǎn)量可能是不穩(wěn)定的，因而用于AnMBR的沼氣噴射會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的操作問題，且反應(yīng)器中流體內(nèi)部的沼氣濃度的增加可能會(huì)降低厭氧消化速率，并因此減少用于能量回收的沼氣產(chǎn)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明包括振動(dòng)-攪拌(VS)膜組件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效且低成本的水下中空纖維膜過濾。該膜過濾系統(tǒng)或組件配置為用在反應(yīng)器中且在其內(nèi)包含一束中空纖維膜組件。該組件包括振動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便其可以以各種頻率和振幅橫向振動(dòng)。該束中空纖維的兩端被錨定到這樣的組件，該組件可包括四個(gè)圍繞中空纖維長(zhǎng)度的側(cè)表面。這四個(gè)側(cè)表面中，三個(gè)優(yōu)選保持完全開放以允許產(chǎn)生反應(yīng)器流體到膜的自由通道，一個(gè)具有為湍流產(chǎn)生和攪拌而設(shè)計(jì)的特定面板?；谡駝?dòng)，面板引起湍流以減少膜表面上的污垢，并攪拌反應(yīng)器流體以提高循環(huán)流動(dòng)性以及防止反應(yīng)器內(nèi)停滯區(qū)域的建立。來自實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)減少了中空纖維膜污垢，且性能也好于僅振動(dòng)沒有面板的中空纖維。該結(jié)果還表明，振動(dòng)面板將反應(yīng)器流體攪動(dòng)到使混合液保持懸浮的程度，而不需要在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置額外的攪拌器。
[0005]根據(jù)第一示例性方面，提供了一種膜過濾組件，所述膜過濾組件配置為用在過濾反應(yīng)器中，所述組件包括:中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應(yīng)器中對(duì)供給流體進(jìn)行過濾;和振動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)配置為振動(dòng)所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
[0006]所述膜過濾組件還可包括面板，所述面板平行于所述中空纖維膜設(shè)置且配置為由所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)以在所述供給流體中產(chǎn)生用于減少所述中空纖維膜的污垢的湍流。
[0007]所述面板可進(jìn)一步配置為由所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)以產(chǎn)生用于使所述供給流體均勻化的湍流，以便從所述反應(yīng)器中去掉攪拌裝置。
[0008]所述面板可包括在所述面板的兩個(gè)相對(duì)邊緣中的每個(gè)邊緣上的突出的吊板，每個(gè)所述吊板配置為將所述面板連接到所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)以及所述中空纖維膜的末端。
[0009]所述面板可距離所述中空纖維膜5cm，用于污垢控制。
[0010]所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)可配置為使所述面板產(chǎn)生橫向振動(dòng)。
[0011]所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)可配置為使所述中空纖維膜產(chǎn)生橫向振動(dòng)。
[0012]所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)可包括振動(dòng)桿，所述振動(dòng)桿配置為將外部振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)傳輸?shù)剿瞿み^濾組件。
[0013]所述膜過濾組件中的所述中空纖維膜的纖維的相對(duì)兩端可分開放置，所述兩端之間的距離小于所述纖維的實(shí)際長(zhǎng)度，以便在所述纖維中提供松散度(looseness)。
[0014]所述反應(yīng)器可為下述之一:厭氧膜生物反應(yīng)器和有氧膜生物反應(yīng)器。
[0015]根據(jù)第二示例性方面，提供了一種膜過濾方法，所述方法包括:振動(dòng)反應(yīng)器中的中空纖維膜，同時(shí)使供給流體通過所述中空纖維膜，以便在所述中空纖維膜的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
[0016]通過振動(dòng)平行于所述中空纖維膜設(shè)置的面板同時(shí)使所述供給流體通過所述中空纖維膜，可進(jìn)一步減少所述中空纖維膜的污垢。
[0017]所述方法還可包括通過振動(dòng)所述面板使所述供給流體均勻化，以從所述反應(yīng)器中去掉攪拌裝置。
[0018]可用橫向振動(dòng)使所述面板振動(dòng)。
[0019]可用橫向振動(dòng)使所述中空纖維膜振動(dòng)。
【附圖說明】
[0020]為了本發(fā)明可被完全理解且容易獲得實(shí)際效果，現(xiàn)在將參照所附說明性附圖，通過非限制性示例的方式對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0021 ]圖1為實(shí)驗(yàn)性(experimental)過濾裝置中本發(fā)明的膜過濾組件的示例性實(shí)施例的示意圖；
[0022]圖2為圖1的膜過濾組件的照片；
[0023]圖3為圖2的膜過濾組件的錨定中空纖維膜的端保持板的示意圖；
[0024]圖4為圖2的膜過濾組件的水容器的示意圖；
[0025]圖5為圖2的膜過濾組件的振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)桿的示意圖；
[0026]圖6為圖2的膜過濾組件的面板的示意圖；
[0027]圖7為圖2的膜過濾組件的中空纖維膜的纖維松散度的示意圖；
[0028]圖8為使用縱向振動(dòng)的不同長(zhǎng)度纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件的污垢率的圖；
[0029]圖9(a)為膨潤(rùn)土懸浮液中對(duì)于18cm長(zhǎng)纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)幅度的橫向和縱向振動(dòng)下的污垢率的圖。
[0030]圖9(b)為酵母懸浮液中對(duì)于18cm長(zhǎng)纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)幅度的橫向和縱向振動(dòng)下的污垢率的圖；
[0031]圖10(a)為在膨潤(rùn)土懸浮液中，使用不同振動(dòng)幅度下的拉緊纖維和松散纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件的污垢率的圖；
[0032]圖10(b)為在酵母懸浮液中，使用不同振動(dòng)振幅下的拉緊纖維和松散纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件的污垢率的圖；
[0033]圖11為在酵母懸浮液中對(duì)于16cm長(zhǎng)纖維，實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)幅度的縱向振動(dòng)下的污垢率的圖；
[0034]圖12為用在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中以研究纖維堆積密度對(duì)污垢率的影響的、具有不同纖維布局的端保持板的示意圖；
[0035]圖13為使用不同堆積密度的纖維的實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件的污垢率的圖；
[0036]圖14為在酵母懸浮液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同連續(xù)振動(dòng)條件下的跨膜壓差(TMP)的圖；
[0037]圖15為在4g/L混合液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同連續(xù)振動(dòng)條件下的TMP的圖；
[0038]圖16為在8g/L混合液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同連續(xù)振動(dòng)條件下的TMP的圖；
[0039]圖17為在酵母懸浮液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)弛豫條件下的TMP的圖；
[0040]圖18為在4g/L混合液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)弛豫條件下的TMP的圖；
[0041]圖19為在8g/L混合液中使用及不使用振動(dòng)面板時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)み^濾組件在不同振動(dòng)弛豫條件下的TMP的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]將參照?qǐng)D1-圖19對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0043]如圖1和圖2所示，膜過濾組件10包括過濾膜20，該過濾膜包括一捆或一束中空纖維，膜過濾組件還包括振動(dòng)機(jī)構(gòu)40，用于振動(dòng)中空纖維膜20 ο組件10優(yōu)選地還包括配置為鄰近膜20振動(dòng)的面板30。使用時(shí)，組件10放置在反應(yīng)器或槽50內(nèi)，該反應(yīng)器或槽容納有將被中空纖維膜20過濾的、諸如供給懸浮液的供給流體60。
[0044]在優(yōu)選實(shí)施例中，該束中空纖維20的每個(gè)末端24連接到端保持板22。每個(gè)端保持板22使中空纖維20的末端24集中地固定在其上。在如圖2所示的實(shí)驗(yàn)組件1中，中空纖維的末端24通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑粘附到端保持板22。中空纖維的末端24優(yōu)選在端保持板22上規(guī)則地間隔開。鄰近每個(gè)端保持板22的相對(duì)邊緣可設(shè)置有額外的孔25，以允許端保持板22固定到振動(dòng)機(jī)構(gòu)40和面板30。膜20中的中空纖維束可為在固-液分離的選擇過程中所使用的類型，更一般地說，可為在各種分離過程中所使用的類型。優(yōu)選地，上述中空纖維束尤其適合用在微濾或超濾過程中以濾除懸浮液的大粒子，通常從用過的水中濾除懸浮液的大粒子。對(duì)于中空纖維膜20，纖維可密集或稀疏地堆積。對(duì)于密集堆積的纖維，存在反過來減少滲透流量的通量競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于稀疏堆積的纖維，存在也會(huì)減少滲透流量的低效空間使用。膜20的振動(dòng)可縱向(即沿著纖維長(zhǎng)度)進(jìn)行或者橫向(即垂直于纖維長(zhǎng)度)進(jìn)行。
[0045]為了驗(yàn)證過濾組件10的效力，在可具有如圖3所示的方形平面結(jié)構(gòu)的端保持板22的示例性實(shí)驗(yàn)實(shí)施例中，端保持板22的每個(gè)拐角均設(shè)置有安裝孔28，以允許端保持板22固定到如圖4所示的水容器70上。當(dāng)將端保持板22連接到水容器70時(shí)，可使用O型環(huán)(未示出)。水容器70配置為收集來自中空纖維膜20的水或者收集已由膜20過濾的滲透物。水容器70上可設(shè)置有附接孔78，用于通過諸如螺母和螺栓的已知工具與每個(gè)端保持板22的安裝孔28固定在一起，同時(shí)，還可設(shè)置孔75，用于將面板30固定到水容器70上。該水容器70優(yōu)選設(shè)置有引出孔79，該引出孔可適配有管，用于從膜20引出滲透水，從而產(chǎn)生死端過濾。
[0046]振動(dòng)機(jī)構(gòu)40用于傳動(dòng)各種振幅和頻率的橫向振動(dòng)。振動(dòng)機(jī)構(gòu)40優(yōu)選包括如圖5所示的C型支架或振動(dòng)桿42。振動(dòng)桿42具有中心肩部44，該中心肩部配置為連接到設(shè)置在反應(yīng)器50外部的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。肩部44的每個(gè)末端具有突出的吊耳46，該吊耳配置為連接到膜20的保持板22，以便振動(dòng)桿42可將振動(dòng)傳輸?shù)侥?0。為此，每個(gè)吊耳46上都設(shè)置有孔45，用于將端保持板22的相應(yīng)孔25通過諸如螺母和螺栓的已知工具固定到吊耳上，同時(shí)肩部44上重點(diǎn)(centrally)設(shè)置孔49，用于振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(未示出)和組件10之間的對(duì)外連接。
[0047]在膜20的振動(dòng)期間，通過膜20與供給流體60之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在膜20的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，這些剪應(yīng)力可減少濃差極化，并去除沉積在膜表面的污垢。由于該運(yùn)動(dòng)被機(jī)械地控制，因此膜20表面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力的數(shù)量級(jí)可高于(具有足夠的頻率和振幅)由空氣或沼氣噴射產(chǎn)生的剪應(yīng)力的數(shù)量級(jí)。通過橫向振動(dòng)，可產(chǎn)生增加膜表面上的剪力的渦流。同時(shí)，振動(dòng)的操作能量損耗可比氣體噴射少得多，這是由于僅鄰近膜表面的邊界層內(nèi)的流體被調(diào)動(dòng)用于振動(dòng)，這與氣體噴射時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的全部流體被調(diào)動(dòng)相反(Li等人，2013)。
[0048]其中，提供振動(dòng)面板30，面板30優(yōu)選具有直線平面形狀，且優(yōu)選包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)網(wǎng)構(gòu)件具有穿過其自身的多個(gè)孔33。多個(gè)孔33優(yōu)選地為以規(guī)則的網(wǎng)格型圖案設(shè)置在面板30中的方孔33。因此面板30還可稱為網(wǎng)格面板30，如圖6所示。在如圖6所示的面板30的示例性實(shí)驗(yàn)實(shí)施例中，面板30的尺寸為29cm X 17cm，總共具有19 X 11或209個(gè)方孔，每個(gè)孔的尺寸為IcmX lcm，相鄰孔之間的間隔為0.5cm。與使用實(shí)心板相比，設(shè)置在面板30中的孔33減少了供給懸浮液60的飛濺。
[0049]在面板30的兩個(gè)相對(duì)邊緣中的每一個(gè)上，優(yōu)選設(shè)置突出的吊板32。每個(gè)吊板32配置為連接到每個(gè)端保持板22，而過濾膜20固定到端保持板22上，從而將該束中空纖維20連接到面板30，使得面板30設(shè)置為鄰近中空纖維膜20且與中空纖維膜20平行。相應(yīng)地，每個(gè)吊板32上可設(shè)置有孔35，用于通過諸如螺母和螺栓的已知工具來固定端保持板22的相應(yīng)的孔25。
[0050]當(dāng)面板30的吊板32連接到固定膜20的端保持板22時(shí)，面板30因此僅設(shè)置在沿該束中空纖維20的長(zhǎng)度的一側(cè)，而使膜20的所有其他側(cè)通暢，以便反應(yīng)器流體60具有接近膜20的開放路徑以進(jìn)行過濾。雖然設(shè)想，根據(jù)組件10的規(guī)模和尺寸，可將面板放置在距離膜20為I到10cm之間的任何位置處，但為了具有對(duì)膜20的污垢的控制效果，優(yōu)選地，面板30設(shè)置為距離膜20約5cm。
[0051]面板30的每個(gè)吊板32還配置為固定到振動(dòng)機(jī)構(gòu)的C型支架或振動(dòng)桿42的吊耳46上，例如通過面板30的吊板32中的孔35和設(shè)置在振動(dòng)桿42的每個(gè)吊耳46上的孔45固定。以這種方式，振動(dòng)機(jī)構(gòu)40可將振動(dòng)同時(shí)傳輸?shù)竭^濾膜20和面板30 ο此外，面板30的吊板32中的孔35還可用于將面板30固定到水容器70的孔75。
[0052]面板30優(yōu)選垂直地對(duì)準(zhǔn)振動(dòng)方向。振動(dòng)時(shí)，面板30既可作為通過減少膜污垢而維持膜20的高過濾通量的振動(dòng)裝置，又可作為使反應(yīng)器50內(nèi)的混合液體或流體60懸浮而使供給懸浮液60均勻化的攪拌裝置。
[0053]面板30專門設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生湍流以減少組件10內(nèi)的中空纖維膜20的污垢，并攪拌和混合反應(yīng)器流體，同時(shí)端保持部22錨定中空纖維20相對(duì)于面板30的位置。面板30的圖案是獨(dú)特的，且如以下更詳細(xì)描述的，面板30與膜束20之間的距離被定量地確定，以便過濾膜20以最優(yōu)方式從由面板30產(chǎn)生的湍流中受益。
[0054]因此，膜過濾組件10的振動(dòng)引起湍流以減少膜表面上的污垢，并且攪拌反應(yīng)器流體60以提高循環(huán)流動(dòng)性并防止膜束20附近和反應(yīng)器50內(nèi)的停滯區(qū)域的建立。通過本發(fā)明，可完全無需利用空氣或沼氣鼓泡的相關(guān)設(shè)備。
[0055]膜過濾組件10的各個(gè)部件20、30、40的材料應(yīng)當(dāng)是剛性的，并能夠長(zhǎng)時(shí)間的承受反應(yīng)器環(huán)境而不會(huì)產(chǎn)生任何有害的產(chǎn)物。例如，振動(dòng)桿42可使用標(biāo)準(zhǔn)鋼。
[0056]實(shí)驗(yàn)研究
[0057]為了研究和驗(yàn)證膜過濾組件10的效力，使用如圖1中所示的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置包括如圖2所示的實(shí)驗(yàn)實(shí)施例的組件1。
[0058]從以下更詳細(xì)描述的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用長(zhǎng)的松散的中空纖維膜20在橫向振動(dòng)下進(jìn)行過濾時(shí)，中空纖維膜20的污垢減少。還發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)板30減少了膜污垢，攪拌了反應(yīng)器流體60并使調(diào)動(dòng)流體60循環(huán)，使得供給懸浮液保持懸浮且無需額外的攪拌裝置。
[0059]實(shí)驗(yàn)?zāi)そM件配置
[0060]在如圖1所示的、用在下面進(jìn)行的和描述的所有實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置中，膜束2由一組5X5的聚丙烯腈(PAN)中空纖維膜20間隔5mm構(gòu)成，該間隔為大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中使用的間隔。如圖7所示，纖維20的長(zhǎng)度為18cm，具有程度很小的1%的松散度，其中99%L指的是放置在組件10中的膜使得纖維的末端限定的距離為纖維繃緊時(shí)的長(zhǎng)度L的99%。因此，松散度定義為組件10中纖維20的兩端超過纖維20的實(shí)際總長(zhǎng)度的距離(Wicaksana等人，2006)。在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試的最大松散度為2%。
[0061]中空纖維膜20水平放置，用環(huán)氧樹脂膠合劑粘附到端保持板22上并固定到用于收集滲透物的水容器70上。水容器70的兩側(cè)均連接到流出側(cè)。以上參照?qǐng)D6進(jìn)行描述的面板30的實(shí)驗(yàn)實(shí)施例連接到中空纖維膜20，并設(shè)置在低于中空纖維膜約5cm的位置處。
[0062]在實(shí)驗(yàn)裝置中，膜過濾組件10放置在具有600mm(長(zhǎng)(L))X500mm(寬(W))X600mm(高(H))尺寸的槽或反應(yīng)器50中。無刷直流(DC)馬達(dá)(BXM 6200-A，東方馬達(dá)有限公司)48通過具有曲柄移動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)40連接到面板30，該曲柄移動(dòng)機(jī)構(gòu)使網(wǎng)格面板30和中空纖維膜20上、下(垂直地)振動(dòng)，以進(jìn)行橫向正弦運(yùn)動(dòng)。由于中空纖維膜20和面板30對(duì)于振動(dòng)裝置40水平放置，通過該垂直運(yùn)動(dòng)，獲得了中空纖維膜20的橫向振動(dòng)。
[0063 ] 在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)幅度從5mm變化到28mm，振動(dòng)頻率從OHz調(diào)節(jié)至I OHz。滲透過濾由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)80控制，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括定制過濾軟件、滲透栗82、壓力傳感器84和數(shù)字秤86，以及位于滲透栗82之前的用于控制流量的閥88。滲透流量由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)80控制且實(shí)驗(yàn)在恒定滲透通量操作下進(jìn)行，同時(shí)壓力值由壓力傳感器84記錄。
[0064]使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)ず凸┙o懸浮液
[0065]實(shí)驗(yàn)中使用的中空纖維膜由新加坡超純私人有限公司(Singapore UltrapurePte.Ltd)制造。纖維為聚丙烯腈(PAN)微濾膜。使用內(nèi)/外直徑為lmm/1.6mm且標(biāo)稱孔徑為
0.1口111的中空纖維膜。纖維的純水滲透率為2.0417111\ KPa。
[0066]實(shí)驗(yàn)中使用的四種供給懸浮液:
[0067]1、4g/L的膨潤(rùn)土(從新加坡的西格瑪奧德里奇公司(Sigma-Aldrich)獲得)懸浮液，
[0068]i1、4g/L酵母懸浮液(商購(gòu)的做面包的干酵母(LevureSeche de Boulanger)),
[0069]ii1、4g/L混合液(從新加坡的烏魯班丹廢水回收廠(Ulu Pandan WaterReclamat1n Plant)收集)，以及
[0070]iv、8g/L混合液(從新加坡的烏魯班丹廢水回收廠收集)。
[0071 ] 膨潤(rùn)土、酵母和混合液的平均粒子直徑分別為5.83口111、4.95口1]1和52.51口1]1。
[0072]在膨潤(rùn)土懸浮液過濾后，將中空纖維膜用密里-Q(Mill1-Q)水以20ml/min反沖洗20分鐘。
[0073]在酵母懸浮液過濾后，將中空纖維膜用I%的酶洗滌劑溶液浸泡15分鐘，用Mill1-Q水沖洗，隨后用相同的Mi 11 1-Q水反沖洗。
[0074]在混合液懸浮液過濾后，將中空纖維膜用0.2%的次氯酸鈉和0.2 %的檸檬酸浸泡2小時(shí)，并執(zhí)行相同的Mi 11 i_Q水反沖洗操作步驟。
[0075]在經(jīng)過所建議的、使膜可重新使用的清洗后，可再次進(jìn)行水透過率的測(cè)量。
[0076]膜過濾特性的評(píng)估
[0077]在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中，跨膜壓差(TMP)值和平均污垢率(dTMP/dt)用作主要的過濾參數(shù)來評(píng)價(jià)膜的性能。
[0078]參見圖8至圖13，其示出了沒有網(wǎng)格面板30時(shí)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在一項(xiàng)研究中，探究了在縱向振動(dòng)下，膜20中不同長(zhǎng)度的纖維簾(curtain)之間或不同長(zhǎng)度的中空纖維之間的污垢率。為了實(shí)現(xiàn)縱向振動(dòng)，振動(dòng)桿42旋轉(zhuǎn)90°，以進(jìn)行豎直定向。兩種纖維簾(一種長(zhǎng)度為20cm，另一種長(zhǎng)度為40cm)在4g/L的膨潤(rùn)土懸浮液中以6到1Hz的頻率進(jìn)行縱向振動(dòng)。如圖8所示，20cm纖維在6Hz時(shí)引起的污垢率為95.4kPa/h，且在1Hz時(shí)引起的污垢率為15.8kPa/h，而40cm纖維分別引起的污垢率為26.6kPa/h和3.8kPa/h。這證實(shí)了浸沒式膜系統(tǒng)中長(zhǎng)纖維的振動(dòng)完成的更好，這是由于長(zhǎng)纖維具有引起更多附加橫向運(yùn)動(dòng)的潛能，從而減少膜污垢。
[0079]另一項(xiàng)研究對(duì)縱向振動(dòng)性能和橫向振動(dòng)性能進(jìn)行了比較。為了使比較保持一致，膜20中拉緊纖維的水平和垂直方向的中心位置保持相同，并使用IHz的相同的振動(dòng)頻率以及25LMH的恒定滲透通量。如圖9(a)所示，在4g/L膨潤(rùn)土懸浮液中縱向振動(dòng)幅度為20mm時(shí)，污垢率為24.2kPa/h，而橫向振動(dòng)時(shí)的污垢率僅為8kPa/h。當(dāng)振動(dòng)幅度進(jìn)一步增加到28mm時(shí)，縱向和橫向振動(dòng)時(shí)的污垢率分別為21.8kPa/h和4.2kPa/h。類似的結(jié)果也可在如圖9(b)所示的4g/L的酵母懸浮液中出現(xiàn)。通過IHz這樣小的頻率，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)橫向振動(dòng)比縱向振動(dòng)相當(dāng)大的改善。這給實(shí)際工業(yè)應(yīng)用帶來了顯著的能源成本降低。
[0080]還研究了膜纖維的拉緊度或張緊度(如以上參考圖7所討論的)對(duì)膜過濾組件10的過濾能力的影響。如圖1O (a)所示，在4g/L膨潤(rùn)土懸浮液中振動(dòng)幅度為24mm且恒定通量為30LMH時(shí)，由緊密或拉緊纖維引起的污垢率為15.2kPa/h，而1%松散度的纖維20的污垢率降低到10.2kPa/h，且纖維20的松散度為2 %時(shí)污垢率進(jìn)一步降低到7.8kPa/h。如圖10 (b)所示，在恒定通量率為25LMH的4g/L酵母懸浮液中，振動(dòng)幅度為20mm時(shí)拉緊的18cm長(zhǎng)纖維20引起的污垢率為19.8kPa/h，而I %松散度的纖維20的污垢率僅為16.2kPa/h。如圖10(a)和圖10(b)所示，還對(duì)其它幅度進(jìn)行了研究，并觀察到了類似的趨勢(shì)。從所有這些值可以看出，使用橫向振動(dòng)以及1%至2%的小的纖維松散度，可以獲得一些額外的改善。由于通過橫向振動(dòng)下的小程度的纖維松散度可減少更多的膜污垢，因而這將節(jié)約能源。
[0081]圖11示出了對(duì)縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)進(jìn)行比較的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其中，在4g/L酵母懸浮液中，在恒定滲透通量為25LMH、振動(dòng)幅度為16mm、I %的纖維松散度、1Ηζ_3Ηζ的小頻率下，對(duì)橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)進(jìn)行分析。對(duì)于相同松散度的纖維，振動(dòng)頻率為2Hz時(shí)，縱向振動(dòng)的污垢率為53.6kPa/h，而橫向振動(dòng)的污垢率小得多，為36.1kPa/h。當(dāng)使用更高的3Hz的振動(dòng)頻率時(shí)，縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)的污垢率分別為39.4kPa/h和16kPa/h。該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了在浸沒式中空纖維膜過濾中，橫向振動(dòng)結(jié)合松散纖維是最佳的。
[0082]進(jìn)行了研究膜纖維的堆積密度的效果的實(shí)驗(yàn)。圖12示出了在堆積密度實(shí)驗(yàn)中使用的4種纖維布局。每種膜20的纖維布局為5 X 5束、6 X 6束、7 X 7束和8 X 8束，獲得的堆積密度分別為14%、20%、28%和36%。圖13示出在4g/L酵母懸浮液中，對(duì)于不同的振動(dòng)幅度，具有
14%、20 %、28 %和36 %不同堆積密度(使用5 X 5、6 X 6、7 X 7和8 X 8束的纖維布局)的I %松散度的膜20橫向振動(dòng)時(shí)的污垢率。對(duì)于20mm的振動(dòng)幅度、2Hz的振動(dòng)頻率以及25LMH的恒定通量，當(dāng)堆積密度從14%增加至20%時(shí)，污垢率從16.5kPa/h增加至24.2kPa/h。當(dāng)堆積密度增加至28 %時(shí)，污垢率進(jìn)一步增加至37.6kPa/h。然而，當(dāng)堆積密度進(jìn)一步增加至36 %時(shí)，污垢率降低至18.2kPa/h。振動(dòng)幅度為24mm和28mm時(shí)也可出現(xiàn)類似的趨勢(shì)。這種下降表明存在纖維的最優(yōu)堆積密度，當(dāng)利用振動(dòng)進(jìn)行過濾時(shí)，該最優(yōu)堆積密度將提高滲透流量并降低能量消耗。
[0083]圖14至圖19示出了不同懸浮液中所進(jìn)行的振動(dòng)或不振動(dòng)網(wǎng)格面板30的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)中所使用的膜組件20用相同的5X5的纖維模式以14%的堆積密度和1%的纖維松散度進(jìn)行堆積，且膜20被橫向振動(dòng)。圖14-圖16所示的結(jié)果來自所進(jìn)行的連續(xù)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，而圖17-圖19示出了來自所進(jìn)行的具有振動(dòng)弛豫(S卩I分鐘振動(dòng)然后I分鐘不振動(dòng)的交替循環(huán))的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖14示出了4g/L酵母懸浮液中，在25LMH的恒定滲透通量下，膜20連續(xù)振動(dòng)時(shí)，使用和不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動(dòng)幅度為16mm且振動(dòng)頻率為2Hz。不振動(dòng)時(shí)，在110分鐘的膜過濾中浸沒式中空纖維膜20的TMP值從23.8kPa增加至89kPa。僅有膜20的橫向振動(dòng)時(shí)，在235分鐘的過濾中TMP增加至96.6kPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)時(shí)，在325分鐘的過濾中TMP增加至79kPa。從該結(jié)果可以得出，通過使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30進(jìn)行過濾，可在酵母懸浮液中減少更多的膜污垢。
[0084]圖15示出了4g/L混合液懸浮液中膜20連續(xù)振動(dòng)時(shí)，使用和不使用網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動(dòng)幅度為16mm，且振動(dòng)頻率為IHz，同時(shí)具有25LMH的恒定滲透通量。不振動(dòng)時(shí)，在8 O分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜2 O的T M P值從15 k P a增加至38.7kPa。僅有膜20的橫向振動(dòng)時(shí)，在420分鐘的過濾中TMP增加至29.7kPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)時(shí)，在375分鐘的過濾中TMP增加至17.9kPa?？梢钥闯?，當(dāng)使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30進(jìn)行過濾時(shí)，對(duì)于8小時(shí)的混合液懸浮液的過濾，TMP基本保持恒定。
[0085]圖16示出了更高濃度懸浮液，S卩8g/L混合液懸浮液中，膜20連續(xù)振動(dòng)時(shí)，使用和不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動(dòng)幅度為16mm，且振動(dòng)頻率為IHz，同時(shí)具有25LMH的恒定滲透通量。不振動(dòng)時(shí)，在90分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至40kPa。僅有膜20的橫向振動(dòng)時(shí)，在540分鐘的過濾中TMP增加至22.6kPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)時(shí)，在540分鐘的過濾中TMP增加至16.9kPa?？梢缘贸?，當(dāng)使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30進(jìn)行過濾時(shí)，對(duì)于9小時(shí)的較高濃度的混合液的過濾，TMP的增加非常有限。
[0086]圖17示出了4g/L酵母懸浮液中，膜20具有振動(dòng)弛豫時(shí)，使用和不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。如上所述，振動(dòng)弛豫指的是振動(dòng)和弛豫(不振動(dòng))的連續(xù)交替，且在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)時(shí)間和弛豫時(shí)間均為I分鐘。振動(dòng)幅度為16mm，且振動(dòng)頻率為2Hz，同時(shí)具有25LMH的恒定滲透通量。不振動(dòng)時(shí)，在110分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從23.8kPa增加至89kPa。僅有膜20的橫向振動(dòng)弛豫時(shí)，在65分鐘的過濾中，TMP增加至59.8kPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)弛豫時(shí)，在195分鐘的過濾中，TMP增加至79.lkPa?？梢缘贸?，當(dāng)利用振動(dòng)弛豫進(jìn)行過濾時(shí)，使用面板30的振動(dòng)弛豫，酵母懸浮液的膜過濾也可改善。
[0087]圖18示出了4g/L混合液懸浮液中，具有振動(dòng)弛豫時(shí)，使用和不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動(dòng)時(shí)間和弛豫時(shí)間均為I分鐘。振動(dòng)幅度為16mm，且振動(dòng)頻率為2Hz，同時(shí)具有25LMH的恒定滲透通量。不振動(dòng)時(shí)，在80分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至38.7kPa。僅有膜20的振動(dòng)弛豫時(shí)，在555分鐘的過濾中，TMP增加至26.2kPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)弛豫時(shí)，在525分鐘的過濾中，TMP增加至17.SkPa。這表明，利用振動(dòng)弛豫，振動(dòng)的網(wǎng)格面板30可減少實(shí)際混合液的浸沒式中空纖維膜的污垢。
[0088]圖19還示出了在更高濃度懸浮液，S卩8g/L混合液懸浮液中，具有振動(dòng)弛豫時(shí)，使用和不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30時(shí)浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動(dòng)時(shí)間和弛豫時(shí)間均為I分鐘。振動(dòng)幅度為16mm，且振動(dòng)頻率為IHz，同時(shí)具有25LMH的恒定滲透通量。不振動(dòng)時(shí)，在90分鐘的過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至40kPa。僅有膜20的振動(dòng)弛豫時(shí)，在540分鐘的過濾中，TMP增加至28.lkPa。當(dāng)同時(shí)有膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)弛豫時(shí)，在540分鐘的過濾中，TMP增加至21.5kPa。因此，S卩使是在較高濃度的混合液中，使用具有振動(dòng)弛豫的網(wǎng)格面板30，也可觀測(cè)到額外的改善。
[0089]總之，用于中空纖維膜過濾的VS膜過濾組件10的TMP值均較小。與不使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30進(jìn)行過濾的TMP值相比，使用振動(dòng)的網(wǎng)格面板30進(jìn)行過濾時(shí)所觀測(cè)到的TMP值都更小。這暗示或表明振動(dòng)的網(wǎng)格面板30對(duì)于改善浸沒式中空纖維膜20的過濾性能是有效的。另外，隨著網(wǎng)格面板30的運(yùn)動(dòng)，供給懸浮液60充分混合，并且不需要額外的攪拌裝置使懸浮液均勻化。此外，對(duì)于約9小時(shí)的過濾，利用網(wǎng)格面板30的僅為IHz的很小的振動(dòng)頻率，混合液中的TMP值就保持很低。因此，使用以上所述的用于污垢控制的振動(dòng)性膜過濾組件10可消除MBR的污垢問題，而不需要使用空氣或沼氣噴射。這證實(shí)了 VS膜組件10在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的重要性。
[0090]以上所述的膜過濾組件10的典型應(yīng)用是:(i)應(yīng)用于厭氧膜生物反應(yīng)器中，以既產(chǎn)生攪拌又產(chǎn)生橫向振動(dòng)而無需空氣，并利用中空纖維膜20和網(wǎng)格面板30的振動(dòng)獲得自混合；(ii)應(yīng)用于有氧膜生物反應(yīng)器中，加上空氣注射以便為細(xì)菌注入氧氣；以及(iii)應(yīng)用于污泥脫水中。本發(fā)明尤其針對(duì)用于懸浮液微濾的較大反應(yīng)器，并利用了緊湊配置的簡(jiǎn)單性和有效性。利用本發(fā)明中，由于膜20在最佳條件下操作，因此可以減少膜過濾所需的能量。此外，由于面板30的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器流體60的攪拌，因此可完全不使用空氣或沼氣噴射。由于面板30與中空纖維膜束20之間的配置利用專門確定的間隔距離進(jìn)行特別控制，因此由面板30產(chǎn)生的湍流以最佳的方式改善了膜過濾的污垢控制。
[0091]雖然，已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的前述示例性實(shí)施例進(jìn)行了描述，但有關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的情況下可對(duì)設(shè)計(jì)、構(gòu)造和/或操作的細(xì)節(jié)做出許多變形。例如，盡管已經(jīng)描述了面板可具有設(shè)置在面板上的網(wǎng)格圖案中的方孔，但是可想到其它孔配置，例如設(shè)置在面板上的六角密集排布圖案中的圓孔。
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種膜過濾組件，配置為用在過濾反應(yīng)器中，所述組件包括: 中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應(yīng)器中對(duì)供給流體進(jìn)行過濾;和 振動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)配置為振動(dòng)所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜過濾組件，所述膜過濾組件還包括面板，所述面板平行于所述中空纖維膜設(shè)置且配置為由所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)以在所述供給流體中產(chǎn)生用于減少所述中空纖維膜的污垢的湍流。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜過濾組件，其中，所述面板進(jìn)一步配置為由所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)以產(chǎn)生用于使所述供給流體均勻化的湍流，以便從所述反應(yīng)器中去掉攪拌裝置。4.根據(jù)權(quán)利要求2-3任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述面板包括在所述面板的兩個(gè)相對(duì)邊緣的每一個(gè)上的突出的吊板，每個(gè)所述吊板配置為將所述面板連接到所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)并連接到所述中空纖維膜的末端。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述面板距離所述中空纖維膜Ο-? OOcm ， 用 于污垢控制。6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)配置為使所述面板產(chǎn)生橫向振動(dòng)。7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)配置為使所述中空纖維膜產(chǎn)生橫向振動(dòng)。8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括振動(dòng)桿，所述振動(dòng)桿配置為將外部振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)傳輸?shù)剿瞿み^濾組件。9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述膜過濾組件中的所述中空纖維膜的纖維的相對(duì)兩端分開放置，所述兩端之間的距離小于所述纖維的實(shí)際長(zhǎng)度，以便在所述纖維中提供松散度。10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的膜過濾組件，其中，所述反應(yīng)器為下述之一:厭氧膜生物反應(yīng)器和有氧膜生物反應(yīng)器。11.一種膜過濾方法，所述方法包括: 振動(dòng)反應(yīng)器中的中空纖維膜，同時(shí)使供給流體通過所述中空纖維膜，以便在所述中空纖維膜的表面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過振動(dòng)平行于所述中空纖維膜設(shè)置的面板同時(shí)使所述供給流體通過所述中空纖維膜，進(jìn)一步減少所述中空纖維膜的污垢。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括，通過振動(dòng)所述面板使所述供給流體均勻化，以從所述反應(yīng)器中去掉攪拌裝置。14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中用橫向振動(dòng)使所述面板振動(dòng)。15.根據(jù)權(quán)利要求11-14任一項(xiàng)所述的方法，其中，用橫向振動(dòng)使所述中空纖維膜振動(dòng)。
【文檔編號(hào)】B01D65/02GK105848762SQ201480059698
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年11月10日
【發(fā)明人】羅永強(qiáng), 李甜, 安東尼·戈登·費(fèi)恩
【申請(qǐng)人】南洋理工大學(xué)