一种脉冲进料控制膜污染的方法
【专利摘要】一种脉冲进料控制膜污染的方法，原料液以不连续的方式进入并流经膜组件，即脉冲式进料，使原料液在流动过程中压力发生变化，相邻两个脉冲之间压力减小，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。当压力减小至小于膜另一侧的压力时，则可形成反冲作用。通过调整脉冲的强度、频率以及脉冲函数形式，可以改变相邻两个脉冲之间的压力变化幅度，不同程度提高流体湍流程度和沉积物在膜表面受到的剪切力。本发明适用于以错流方式过滤的管式膜，在连续过滤过程中无需对膜组件进行其它清洗或反冲操作，整个过程操作简单，膜污染控制效果良好。
【专利说明】一种脉冲进料控制膜污染的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于污水处理【技术领域】，涉及错流过滤过程中膜污染的控制方法，具体为一种脉冲进料控制膜污染的方法
【背景技术】
[0002]膜分离技术是一种新型的分离技术，已在化工、医药、食品、环保等领域得到实际应用。但是，该技术仍存在一些关键问题尚待解决，这些问题限制了该技术对传统技术的取代、阻碍了该技术更广泛的应用。膜污染问题便是其中之一，该问题严重影响了膜分离效率和使用寿命等。目前比较有效去除膜污染，恢复膜通量的方法有化学清洗和反冲洗等，但是这些方法在不同程度上对膜表面有损伤或增加了单位产能的操作成本。因此，有必要对膜污染的控制方法进行更深入的研宄。
[0003]CN101773787A 一种膜污染清洗方法，特别是涉及一种适用于氯碱工业和制盐工业的膜法盐水精制工艺的膜污染清洗方法。首先进行反冲，用于清除膜表面沉积的滤饼；再进行酸洗，用于清除反冲后残留的碳酸钙和氢氧化镁颗粒污染；最后采用膜清洗剂清洗，用于清除酸洗无法清除的硫酸钡颗粒污染。优点是原料易得，使用方便，缺点是膜会有一定程度损伤、而且会降低膜的产能和增加成本。
[0004]CN102259991A 一种控制膜污染的化学预处理方法，该方法包括:向原水中加入氯胺氧化剂和絮凝剂，使原水经过絮凝反应沉淀出絮体颗粒后，进入膜过滤设备过滤，从而制取饮用水。优点是通过预处理减轻膜污染，缺点是必须加入化学试剂，增加成本。
[0005]CN102133505A 一种反渗透/纳滤膜污染的强化清洗方法。特征在于在反渗透/纳滤膜污染清洗过程中，导入具有PH响应特性的功能材料，通过扩散作用使pH响应性功能材料进入污染层，然后通过改变溶液PH值使膜表面污染层中的具有pH响应功能的材料发生分子形态转变，从而使污染层疏松化，促进污染物从膜表面去除，提高膜污染的清洗效率。优点是可有效提高反渗透/纳滤膜污染的清洗效果，缺点是仍需配合清洗工艺。
[0006]CN102125807A膜污染控制方法，其具体步骤如下:⑴采用非离子型表面活性剂对新膜表面进行预处理；之后用反渗透水进行反冲洗和浸泡；(2)将经上述处理后的膜用于处理含油及阳离子型表面活性剂的污水，使用时一并投加非离子型表面活性剂；(3)膜污染后，经反渗透水冲洗即可恢复通量。所述方法可以有效控制含油污水中阳离子型表面活性剂对超滤膜造成的不可逆污染，但是有效处理对象受限制。
[0007]CN103316592A—种分离膜污染控制与清洗方法，通过颗粒物多介质的助滤作用，提高系统的纳污能力。通过颗粒物多介质粒径的选择，实现助滤层结构控制，将化工分离过程与膜材料表面污染层结构设计相结合，实现高通量的膜过滤过程。难度在于颗粒物的选择和助滤层结构的控制。
[0008]CN102580545A 一种带有膜污染控制与超声清洗的组合式超滤装置，主要由超滤系统、鼓风曝气系统、超声清洗系统、加压溶气反冲洗系统和PLC控制系统组成。该方法可以减少化学清洗的频率，但是该方法仅为多种控制方法的优化组合，效果虽然较单一方法有改善，但是工艺复杂，且成本显著增加。
[0009]CN102961969A利用药剂浸泡减缓反渗透膜和纳滤膜污染的装置和方法。虽然在一定程度上延长了反渗透膜和纳滤膜的使用寿命，但仍然需要外加药剂。
[0010]CN103521081A利用高活性单线态氧清洗膜污染的方法:将固体漂白粉和无机固体过氧化物加入到装有受污染膜组件的池子中，搅拌，浸泡，再进行漂洗，即可。该方法虽然操作简单易行，但需要大量药剂。
[0011]CN103894070A 一种适用于控制外压式膜污染的反冲洗方法，冲洗步骤包括膜内单独曝气清洗或气水混合冲洗，加氯水反冲洗等。该方法可以延长维护性化学清洗和恢复性化学清洗周期，但是所采用的氯具有危险性。
[0012]CN1416942A—种超声波与磁场共同防治膜污染的装置。应用超声波的空化作用和磁场的防垢作用共同防治膜污染。装置由安装在膜组件内部或外部的超声波发生器和在膜组件外壁设置的几组永久性磁铁构成。两者结合可起到有效防治膜污染的效果，但是当用于大型膜组件时，防治效果会降低。
[0013]CN101224938A 一种利用纳米材料光催化氧化抑制膜污染的方法，设有膜生物反应器和纳米Ti02光催化氧化反应器，纳米Ti02光催化氧化反应器的进水端与膜生物反应器的生物反应器出水端连通，纳米Ti02光催化氧化反应器的出水端与膜生物反应器的膜分离组件进水端连通。光催化反应器的使用可以在一定程度上降解一些有机物，但是对固体颗粒物无效。
[0014]CN101397168A 一种添加磁性铁氧体粉末减缓膜污染的方法。在膜生物反应器污泥培养过程中，向生物反应器内加入磁化后的磁性铁氧体粉末，继续培养驯化，形成磁性污泥，然后稳定运行。依靠磁性铁氧体粉末的磁催化、吸附等作用，有效缓解膜生物反应器内的膜污染。该方法不但要消耗磁性铁氧体粉末，而且会导致污泥中的铁含量增加。
[0015]CN101767866A 一种提高膜污染控制效能的曝气方法及其在膜分离过程中应用，主要使通过曝气控制装置使曝气间歇性产生单个大气泡，大气泡在上升过程中对膜表面的剪切力和传质效率明显高于普通的自由曝气产生的小气泡。该方法可以在一定程度上控制膜污染，但是与小气泡相比，大气泡对有效膜面积的影响会更显著，在控制膜污染的同时也会减小单位膜面积的产能。
[0016]CN200710177388.2提供一种膜生物反应器及其在废水处理中的应用。反应器包括生化反应单元、脉冲式空气供给单元和膜过滤单元。其中脉冲空气流掺入膜过滤单元的废水料液，形成掺气水流协助清除膜表面的污垢沉积。优点是空气成本低且对膜的损伤小，缺点是脉冲式空气供给单元将增加设备成本，且空气的掺入会增加跨膜压差或降低产能。
[0017]CN200810110941.5提供一种脉冲射流型膜生物反应器的装置及使用方法。采用射流器代替传统鼓风机来实现膜组件错流冲刷作用，循环液在射流器内高速通过，空气通过PLC控制的阀门以脉冲形式进入射流器，并通过扩散布气装置在底部喷射。PLC系统通过改变循环流量和脉冲频率来调整气液两相流在膜表面的错流状态，改善空气对膜表面的冲刷效果。该发明中脉冲空气的作用与CN200710177388.2相同。脉冲式空气供给系统同样将增加设备成本，且空气的掺入也同样会增加跨膜压差或降低产能。
[0018]CN101927131A—种用陶瓷微滤膜回收分子筛中防治膜污染的方法，通过改变料液在膜组件中的流动方向，使其流经膜的进、出口互换。该种料液在膜组件中流动方向的改变，料液中清水在膜组件中的流动，对膜组件起到了反冲作用，对膜面进行冲洗，从而起到防治膜污染的目的。但该方法在进出口互换的过程中，会对回收率产生一定的影响。
[0019]综上所述，现有的膜污染防治方法对膜本身有损伤，或需要额外药剂，膜污染的控制效果不理想。
【发明内容】
[0020]本发明要解决的问题是:现有的膜污染控制手段会影响膜性能，损伤膜表面，或需要额外添加药剂，或增加设备成本和单位产能的操作成本，控制效果不理想。
[0021]本发明的技术方案为:一种脉冲进料控制膜污染的方法，原料液以不连续的方式进入并流经膜组件，形成脉冲式进料，使原料液在膜组件内的流动过程中压力发生变化，相邻两个脉冲之间压力减小，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。
[0022]通过程序可控的脉冲发生器实现脉冲式进料，脉冲发生器的脉冲形式通过非恒定值的函数形式实现。
[0023]作为优选方式，所述脉冲形式包括:间歇函数、正弦函数、幂函数、指数函数以及对数函数。
[0024]所述脉冲发生器为电磁阀或活塞泵。
[0025]进一步的，通过调整脉冲的强度、频率以及脉冲形式，改变相邻两个脉冲之间的压力变化幅度，当相邻两个脉冲之间压力小于膜另一侧的压力时，形成反冲作用。
[0026]因为不存在药剂和高压流体反冲等引起的膜损伤，所以本发明适用于无机陶瓷膜和有机中空纤维膜组成的膜组件，原料液以错流的方式流经膜组件。
[0027]本发明的目的是这样实现的:将脉冲发生器设置在膜组件的进口端，原料液流经脉冲发生器时形成脉冲流进入膜组件，以错流过滤的方式进行膜分离过程，可以采用外压或内压方式操作。内压和外压分别指原料液从纤维膜管内流过和从纤维膜管外流过。因为流体的压力脉冲变化是由脉冲发生器产生并设置程序控制，所以在连续过滤过程中无需对膜组件进行曝气强化和药剂清洗或反冲操作。整个过程操作简单，膜污染控制效果良好。
[0028]本发明的脉冲进料与现有的脉冲曝气方式不同。例如【背景技术】中提到的CN200710177388.2和CN200810110941.5，都提出了在生物反应膜中采用脉冲曝气的方式，它们所说的脉冲是指在膜分离系统外以脉冲的方式向膜分离单元充入空气，主要依靠气泡的扰动和在膜表面的剪切作用改善膜污染。而本发明所说的脉冲是指进料液的脉冲，没有空气的加入，依靠脉冲引起的流体压力变化控制污染物在膜表面的沉积，脉冲曝气的缺陷已在【背景技术】进行了分析。另外，膜生物反应器中所用的膜材料(PVDF)属于有机膜，形式上有平板式、管式和中空纤维。而陶瓷膜和有机膜是从膜材料角度的两个分类，陶瓷膜所能够承受的压力更大。现有技术的曝气方式都只能针对有机膜，曝气产生的气泡对陶瓷膜的扰动作用不大，与它们相比较，本发明适用范围更广。
[0029]本发明通过采用脉冲进料控制膜污染，无需药剂或曝气装置，可以在膜分离系统的工作时进行。本发明脉冲进料的不连续性可以造成流体在流动过程中压力发生变化，相邻两个脉冲之间压力减小，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，达到有效减轻膜污染的目的。通过控制脉冲强度和脉冲频率，使相邻脉冲间的压力减小，当原料液一侧的压力减小至小于膜另一侧的压力时，则可形成反冲作用，无需额外的反冲操作，在原料液流动中即可实现。本发明过程的实现只需在膜组件的进料口设置流体脉冲发生器即可，无需外加其它设备或化学试剂，操作简单。实验表明，相比通过药剂或曝气等手段的现有技术，采用本发明的脉冲式进料处理生活污水时，膜通量可提高至其它不采用脉冲进料方式的稳定流的2倍以上。且由于本发明方法单纯作用于原料液本身，无需额外药剂或复杂工艺，只要能进行膜分离过滤的对象都能适用，相比现有技术适用性广。本发明也可以和曝气等技术联合使用，适用于各种液体过滤对象。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明方法的装置及运行示意图。
[0031]图2为本发明实施例中空纤维膜处理污水效果示意图。
【具体实施方式】
[0032]本发明的目的在于提供一种通过脉冲进料控制膜污染的方法。其中，脉冲进料是指原料液以不连续的方式进入膜组件，从而造成流体在流动过程中压力发生变化，相邻两个脉冲之间压力减小，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，达到有效减轻膜污染的目的。在一定条件下，当压力减小至小于膜另一侧的压力时，则可形成反冲作用。通过调整脉冲的强度、频率以及脉冲函数形式，可以改变相邻两个脉冲之间的压力变化幅度，不同程度提高流体湍流程度和沉积物在膜表面受到的剪切力。
[0033]本发明采用脉冲发生器实现脉冲流体的形成，脉冲发生器为可程序控制的电磁阀或活塞泵。脉冲发生器的开关频率、幅度、快慢均可通过输入函数程序控制，所述输入函数采用非恒定值的函数形式即可。例如:间歇函数、正弦函数、幂函数、指数函数以及对数函数。
[0034]下面通过实施例来说明本发明的实施及其效果。采用如图1所示实验装置，污水在膜组件中以内压、错流过滤的方式进行过滤。开启水泵并计时，测量滤液的体积，计算膜通量。实施例采用的改性PVC中空纤维超滤膜由海南立昇净水科技有限公司提供，过滤面积0.8m2，孔径0.01 μ m。生活污水取自海口某污水处理厂，取回的污水保存在4°C的冰箱中，并且在3天之内用完全部水样。
[0035]实施例1、控制相邻脉冲间隔时间为2min，单个脉冲时长分别为10min、20min、30min时，结果表明膜通量衰减差异显著，如图2(a)所示。当膜分离系统无脉冲连续运行60min时，膜比通量J/JO为0.31，而采用以上三种脉冲时的J/JO分别为0.75,0.71,0.63，
膜通量提高至2倍以上。
[0036]实施例2、控制相邻脉冲间隔时间都为15s，单个脉冲时长分别为15s、30s、lmi时，通膜量随时间的变化如图2(b)所示。当无脉冲连续运行时，J/J0迅速下降，运行30min时膜通量为初始通量的一半。而采用本发明脉冲进料时，同样情况下膜通量最高可达初始通量的90%以上。单脉冲时长为15s时，运行Ih后膜通量仍为初始通量的85%。效率是无脉冲连续运行的两倍以上。
[0037]实施例3、当脉冲形式对应的函数分别为正弦函数、幂函数、指数函数以及对数函数时，系统运行60min后，对应的J/JO的最大值分别为0.81、0.77、0.78和0.75。较稳定流进料均提高约150%?200%。
[0038]实施例4、当正弦函数脉冲进料和气泡掺杂联合使用时，统运行60min后，对应的J/J0的最大值可达0.85。而单独采用气泡强化时，J/J0的最大值为0.44。本发明方式相比曝气方式膜污染的控制作用非常显著。
[0039]由于本发明方式无需药剂或高压流体反冲，本发明同样适用于无机陶瓷膜的膜组件，它们的实施方式和作用原理都是一样的。
[0040]综上所述，本发明方法能够方便快捷的控制膜污染，不产生膜损伤，无需额外药剂或复杂的工艺设备，并且可在膜组件工作时进行，不影响膜分离系统的工作，本发明方法可用于各种膜组件，各种过滤对象，具有广泛的适用性。
【权利要求】
1.一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是原料液以不连续的方式进入并流经膜组件，形成脉冲式进料，使原料液在膜组件内的流动过程中压力发生变化，相邻两个脉冲之间压力减小，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是通过程序可控的脉冲发生器实现脉冲式进料，脉冲发生器的脉冲形式通过非恒定值的函数形式实现。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是所述脉冲形式包括:间歇函数、正弦函数、幂函数、指数函数以及对数函数。
4.根据权利要求2所述的一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是所述脉冲发生器为电磁阀或活塞泵。
5.根据权利要求1或2所述的一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是通过调整脉冲的强度、频率以及脉冲形式，改变相邻两个脉冲之间的压力变化幅度，当相邻两个脉冲之间压力小于膜另一侧的压力时，形成反冲作用。
6.根据权利要求1或2所述的一种脉冲进料控制膜污染的方法，其特征是所述膜组件包括无机陶瓷膜和有机中空纤维膜组成的膜组件，原料液以错流的方式流经膜组件。
【文档编号】B01D65/08GK104474906SQ201410704582
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】史载锋, 朱林华, 王向辉, 林强, 张大帅, 彭婷, 熊玉琴 申请人:海南师范大学