膜过滤组件的制作方法

膜过滤组件的制作方法
【专利摘要】一种配置为用在过滤反应器中的膜过滤组件，所述组件包括：中空纤维膜，所述中空纤维膜配置为在所述反应器中对供给流体进行过滤；和振动机构，所述振动机构配置为振动所述中空纤维膜，以在所述中空纤维膜的表面上产生剪应力，用于减少所述中空纤维膜的污垢。
【专利说明】
膜过滤组件
技术领域
[0001]本发明涉及一种膜过滤组件，尤其涉及一种使用中空纤维膜的、支持污垢控制的膜过滤组件。
【背景技术】
[0002]膜为可以用于分离两种流体的薄的膜状结构。在过滤组件中，膜作为选择性屏障，允许一些粒子或化学物质通过，但是不允许其他物质通过。在膜过滤期间，当渗透物穿过该膜时，供给水中的污垢物在膜表面上积累，导致膜过滤阻力增加。这称为膜污染，其为设计膜生物反应器(MBR)所考虑的主要因素。
[0003]表面流体力学剪应力可将污垢物从膜表面移除，从而缓解膜污染的问题。表面剪应力可由膜与相邻流体之间的相对运动产生。当前，为此目的，有氧MBR(AMBR)中广泛使用空气喷射。类似地，厌氧MBR(AnMBR)中使用沼气喷射来去除膜污垢物。然而，由空气或沼气喷射得到的通量改善可能会受到限制(Xia等人，2013)，且其能耗可高达总成本的70%(Judd 2006；Drews 2010)。此外，由于沼气产量可能是不稳定的，因而用于AnMBR的沼气喷射会产生严重的操作问题，且反应器中流体内部的沼气浓度的增加可能会降低厌氧消化速率，并因此减少用于能量回收的沼气产量。

【发明内容】

[0004]本发明包括振动-搅拌(VS)膜组件系统，该系统能够实现高效且低成本的水下中空纤维膜过滤。该膜过滤系统或组件配置为用在反应器中且在其内包含一束中空纤维膜组件。该组件包括振动机构，以便其可以以各种频率和振幅横向振动。该束中空纤维的两端被锚定到这样的组件，该组件可包括四个围绕中空纤维长度的侧表面。这四个侧表面中，三个优选保持完全开放以允许产生反应器流体到膜的自由通道，一个具有为湍流产生和搅拌而设计的特定面板。基于振动，面板引起湍流以减少膜表面上的污垢，并搅拌反应器流体以提高循环流动性以及防止反应器内停滞区域的建立。来自实验研究的结果表明，利用该系统减少了中空纤维膜污垢，且性能也好于仅振动没有面板的中空纤维。该结果还表明，振动面板将反应器流体搅动到使混合液保持悬浮的程度，而不需要在反应器内设置额外的搅拌器。
[0005]根据第一示例性方面，提供了一种膜过滤组件，所述膜过滤组件配置为用在过滤反应器中，所述组件包括:中空纤维膜，所述中空纤维膜配置为在所述反应器中对供给流体进行过滤;和振动机构，所述振动机构配置为振动所述中空纤维膜，以在所述中空纤维膜的表面上产生剪应力，用于减少所述中空纤维膜的污垢。
[0006]所述膜过滤组件还可包括面板，所述面板平行于所述中空纤维膜设置且配置为由所述振动机构振动以在所述供给流体中产生用于减少所述中空纤维膜的污垢的湍流。
[0007]所述面板可进一步配置为由所述振动机构振动以产生用于使所述供给流体均匀化的湍流，以便从所述反应器中去掉搅拌装置。
[0008]所述面板可包括在所述面板的两个相对边缘中的每个边缘上的突出的吊板，每个所述吊板配置为将所述面板连接到所述振动机构以及所述中空纤维膜的末端。
[0009]所述面板可距离所述中空纤维膜5cm，用于污垢控制。
[0010]所述振动机构可配置为使所述面板产生横向振动。
[0011]所述振动机构可配置为使所述中空纤维膜产生横向振动。
[0012]所述振动机构可包括振动杆，所述振动杆配置为将外部振动驱动器产生的振动传输到所述膜过滤组件。
[0013]所述膜过滤组件中的所述中空纤维膜的纤维的相对两端可分开放置，所述两端之间的距离小于所述纤维的实际长度，以便在所述纤维中提供松散度(looseness)。
[0014]所述反应器可为下述之一:厌氧膜生物反应器和有氧膜生物反应器。
[0015]根据第二示例性方面，提供了一种膜过滤方法，所述方法包括:振动反应器中的中空纤维膜，同时使供给流体通过所述中空纤维膜，以便在所述中空纤维膜的表面上产生剪应力，用于减少所述中空纤维膜的污垢。
[0016]通过振动平行于所述中空纤维膜设置的面板同时使所述供给流体通过所述中空纤维膜，可进一步减少所述中空纤维膜的污垢。
[0017]所述方法还可包括通过振动所述面板使所述供给流体均匀化，以从所述反应器中去掉搅拌装置。
[0018]可用横向振动使所述面板振动。
[0019]可用横向振动使所述中空纤维膜振动。
【附图说明】
[0020]为了本发明可被完全理解且容易获得实际效果，现在将参照所附说明性附图，通过非限制性示例的方式对本发明的示例性实施例进行描述。
[0021 ]图1为实验性(experimental)过滤装置中本发明的膜过滤组件的示例性实施例的示意图；
[0022]图2为图1的膜过滤组件的照片；
[0023]图3为图2的膜过滤组件的锚定中空纤维膜的端保持板的示意图；
[0024]图4为图2的膜过滤组件的水容器的示意图；
[0025]图5为图2的膜过滤组件的振动机构的振动杆的示意图；
[0026]图6为图2的膜过滤组件的面板的示意图；
[0027]图7为图2的膜过滤组件的中空纤维膜的纤维松散度的示意图；
[0028]图8为使用纵向振动的不同长度纤维的实验膜过滤组件的污垢率的图；
[0029]图9(a)为膨润土悬浮液中对于18cm长纤维的实验膜过滤组件在不同振动幅度的横向和纵向振动下的污垢率的图。
[0030]图9(b)为酵母悬浮液中对于18cm长纤维的实验膜过滤组件在不同振动幅度的横向和纵向振动下的污垢率的图；
[0031]图10(a)为在膨润土悬浮液中，使用不同振动幅度下的拉紧纤维和松散纤维的实验膜过滤组件的污垢率的图；
[0032]图10(b)为在酵母悬浮液中，使用不同振动振幅下的拉紧纤维和松散纤维的实验膜过滤组件的污垢率的图；
[0033]图11为在酵母悬浮液中对于16cm长纤维，实验膜过滤组件在不同振动幅度的纵向振动下的污垢率的图；
[0034]图12为用在所进行的实验中以研究纤维堆积密度对污垢率的影响的、具有不同纤维布局的端保持板的示意图；
[0035]图13为使用不同堆积密度的纤维的实验膜过滤组件的污垢率的图；
[0036]图14为在酵母悬浮液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同连续振动条件下的跨膜压差(TMP)的图；
[0037]图15为在4g/L混合液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同连续振动条件下的TMP的图；
[0038]图16为在8g/L混合液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同连续振动条件下的TMP的图；
[0039]图17为在酵母悬浮液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同振动弛豫条件下的TMP的图；
[0040]图18为在4g/L混合液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同振动弛豫条件下的TMP的图；
[0041]图19为在8g/L混合液中使用及不使用振动面板时实验膜过滤组件在不同振动弛豫条件下的TMP的图。
【具体实施方式】
[0042]将参照图1-图19对本发明的示例性实施例进行描述。
[0043]如图1和图2所示，膜过滤组件10包括过滤膜20，该过滤膜包括一捆或一束中空纤维，膜过滤组件还包括振动机构40，用于振动中空纤维膜20 ο组件10优选地还包括配置为邻近膜20振动的面板30。使用时，组件10放置在反应器或槽50内，该反应器或槽容纳有将被中空纤维膜20过滤的、诸如供给悬浮液的供给流体60。
[0044]在优选实施例中，该束中空纤维20的每个末端24连接到端保持板22。每个端保持板22使中空纤维20的末端24集中地固定在其上。在如图2所示的实验组件1中，中空纤维的末端24通过环氧树脂粘结剂粘附到端保持板22。中空纤维的末端24优选在端保持板22上规则地间隔开。邻近每个端保持板22的相对边缘可设置有额外的孔25，以允许端保持板22固定到振动机构40和面板30。膜20中的中空纤维束可为在固-液分离的选择过程中所使用的类型，更一般地说，可为在各种分离过程中所使用的类型。优选地，上述中空纤维束尤其适合用在微滤或超滤过程中以滤除悬浮液的大粒子，通常从用过的水中滤除悬浮液的大粒子。对于中空纤维膜20，纤维可密集或稀疏地堆积。对于密集堆积的纤维，存在反过来减少渗透流量的通量竞争。对于稀疏堆积的纤维，存在也会减少渗透流量的低效空间使用。膜20的振动可纵向(即沿着纤维长度)进行或者横向(即垂直于纤维长度)进行。
[0045]为了验证过滤组件10的效力，在可具有如图3所示的方形平面结构的端保持板22的示例性实验实施例中，端保持板22的每个拐角均设置有安装孔28，以允许端保持板22固定到如图4所示的水容器70上。当将端保持板22连接到水容器70时，可使用O型环(未示出)。水容器70配置为收集来自中空纤维膜20的水或者收集已由膜20过滤的渗透物。水容器70上可设置有附接孔78，用于通过诸如螺母和螺栓的已知工具与每个端保持板22的安装孔28固定在一起，同时，还可设置孔75，用于将面板30固定到水容器70上。该水容器70优选设置有引出孔79，该引出孔可适配有管，用于从膜20引出渗透水，从而产生死端过滤。
[0046]振动机构40用于传动各种振幅和频率的横向振动。振动机构40优选包括如图5所示的C型支架或振动杆42。振动杆42具有中心肩部44，该中心肩部配置为连接到设置在反应器50外部的振动驱动装置。肩部44的每个末端具有突出的吊耳46，该吊耳配置为连接到膜20的保持板22，以便振动杆42可将振动传输到膜20。为此，每个吊耳46上都设置有孔45，用于将端保持板22的相应孔25通过诸如螺母和螺栓的已知工具固定到吊耳上，同时肩部44上重点(centrally)设置孔49，用于振动驱动装置(未示出)和组件10之间的对外连接。
[0047]在膜20的振动期间，通过膜20与供给流体60之间的相对运动，在膜20的表面上产生剪应力，这些剪应力可减少浓差极化，并去除沉积在膜表面的污垢。由于该运动被机械地控制，因此膜20表面上产生的剪应力的数量级可高于(具有足够的频率和振幅)由空气或沼气喷射产生的剪应力的数量级。通过横向振动，可产生增加膜表面上的剪力的涡流。同时，振动的操作能量损耗可比气体喷射少得多，这是由于仅邻近膜表面的边界层内的流体被调动用于振动，这与气体喷射时反应器内的全部流体被调动相反(Li等人，2013)。
[0048]其中，提供振动面板30，面板30优选具有直线平面形状，且优选包括结构网构件，该结构网构件具有穿过其自身的多个孔33。多个孔33优选地为以规则的网格型图案设置在面板30中的方孔33。因此面板30还可称为网格面板30，如图6所示。在如图6所示的面板30的示例性实验实施例中，面板30的尺寸为29cm X 17cm，总共具有19 X 11或209个方孔，每个孔的尺寸为IcmX lcm，相邻孔之间的间隔为0.5cm。与使用实心板相比，设置在面板30中的孔33减少了供给悬浮液60的飞溅。
[0049]在面板30的两个相对边缘中的每一个上，优选设置突出的吊板32。每个吊板32配置为连接到每个端保持板22，而过滤膜20固定到端保持板22上，从而将该束中空纤维20连接到面板30，使得面板30设置为邻近中空纤维膜20且与中空纤维膜20平行。相应地，每个吊板32上可设置有孔35，用于通过诸如螺母和螺栓的已知工具来固定端保持板22的相应的孔25。
[0050]当面板30的吊板32连接到固定膜20的端保持板22时，面板30因此仅设置在沿该束中空纤维20的长度的一侧，而使膜20的所有其他侧通畅，以便反应器流体60具有接近膜20的开放路径以进行过滤。虽然设想，根据组件10的规模和尺寸，可将面板放置在距离膜20为I到10cm之间的任何位置处，但为了具有对膜20的污垢的控制效果，优选地，面板30设置为距离膜20约5cm。
[0051]面板30的每个吊板32还配置为固定到振动机构的C型支架或振动杆42的吊耳46上，例如通过面板30的吊板32中的孔35和设置在振动杆42的每个吊耳46上的孔45固定。以这种方式，振动机构40可将振动同时传输到过滤膜20和面板30 ο此外，面板30的吊板32中的孔35还可用于将面板30固定到水容器70的孔75。
[0052]面板30优选垂直地对准振动方向。振动时，面板30既可作为通过减少膜污垢而维持膜20的高过滤通量的振动装置，又可作为使反应器50内的混合液体或流体60悬浮而使供给悬浮液60均匀化的搅拌装置。
[0053]面板30专门设计用于产生湍流以减少组件10内的中空纤维膜20的污垢，并搅拌和混合反应器流体，同时端保持部22锚定中空纤维20相对于面板30的位置。面板30的图案是独特的，且如以下更详细描述的，面板30与膜束20之间的距离被定量地确定，以便过滤膜20以最优方式从由面板30产生的湍流中受益。
[0054]因此，膜过滤组件10的振动引起湍流以减少膜表面上的污垢，并且搅拌反应器流体60以提高循环流动性并防止膜束20附近和反应器50内的停滞区域的建立。通过本发明，可完全无需利用空气或沼气鼓泡的相关设备。
[0055]膜过滤组件10的各个部件20、30、40的材料应当是刚性的，并能够长时间的承受反应器环境而不会产生任何有害的产物。例如，振动杆42可使用标准钢。
[0056]实验研究
[0057]为了研究和验证膜过滤组件10的效力，使用如图1中所示的实验装置，该实验装置包括如图2所示的实验实施例的组件1。
[0058]从以下更详细描述的实验研究中发现，当用长的松散的中空纤维膜20在横向振动下进行过滤时，中空纤维膜20的污垢减少。还发现，振动板30减少了膜污垢，搅拌了反应器流体60并使调动流体60循环，使得供给悬浮液保持悬浮且无需额外的搅拌装置。
[0059]实验膜组件配置
[0060]在如图1所示的、用在下面进行的和描述的所有实验的实验装置中，膜束2由一组5X5的聚丙烯腈(PAN)中空纤维膜20间隔5mm构成，该间隔为大多数实验中使用的间隔。如图7所示，纤维20的长度为18cm，具有程度很小的1%的松散度，其中99%L指的是放置在组件10中的膜使得纤维的末端限定的距离为纤维绷紧时的长度L的99%。因此，松散度定义为组件10中纤维20的两端超过纤维20的实际总长度的距离(Wicaksana等人，2006)。在所进行的实验中，测试的最大松散度为2%。
[0061]中空纤维膜20水平放置，用环氧树脂胶合剂粘附到端保持板22上并固定到用于收集渗透物的水容器70上。水容器70的两侧均连接到流出侧。以上参照图6进行描述的面板30的实验实施例连接到中空纤维膜20，并设置在低于中空纤维膜约5cm的位置处。
[0062]在实验装置中，膜过滤组件10放置在具有600mm(长(L))X500mm(宽(W))X600mm(高(H))尺寸的槽或反应器50中。无刷直流(DC)马达(BXM 6200-A，东方马达有限公司)48通过具有曲柄移动机构的振动机构40连接到面板30，该曲柄移动机构使网格面板30和中空纤维膜20上、下(垂直地)振动，以进行横向正弦运动。由于中空纤维膜20和面板30对于振动装置40水平放置，通过该垂直运动，获得了中空纤维膜20的横向振动。
[0063 ] 在所进行的实验中，振动幅度从5mm变化到28mm，振动频率从OHz调节至I OHz。渗透过滤由数据采集系统80控制，该数据采集系统包括定制过滤软件、渗透栗82、压力传感器84和数字秤86，以及位于渗透栗82之前的用于控制流量的阀88。渗透流量由数据采集系统80控制且实验在恒定渗透通量操作下进行，同时压力值由压力传感器84记录。
[0064]使用的实验膜和供给悬浮液
[0065]实验中使用的中空纤维膜由新加坡超纯私人有限公司(Singapore UltrapurePte.Ltd)制造。纤维为聚丙烯腈(PAN)微滤膜。使用内/外直径为lmm/1.6mm且标称孔径为
0.1口111的中空纤维膜。纤维的纯水渗透率为2.0417111\ KPa。
[0066]实验中使用的四种供给悬浮液:
[0067]1、4g/L的膨润土(从新加坡的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)获得)悬浮液，
[0068]i1、4g/L酵母悬浮液(商购的做面包的干酵母(LevureSeche de Boulanger)),
[0069]ii1、4g/L混合液(从新加坡的乌鲁班丹废水回收厂(Ulu Pandan WaterReclamat1n Plant)收集)，以及
[0070]iv、8g/L混合液(从新加坡的乌鲁班丹废水回收厂收集)。
[0071 ] 膨润土、酵母和混合液的平均粒子直径分别为5.83口111、4.95口1]1和52.51口1]1。
[0072]在膨润土悬浮液过滤后，将中空纤维膜用密里-Q(Mill1-Q)水以20ml/min反冲洗20分钟。
[0073]在酵母悬浮液过滤后，将中空纤维膜用I%的酶洗涤剂溶液浸泡15分钟，用Mill1-Q水冲洗，随后用相同的Mi 11 1-Q水反冲洗。
[0074]在混合液悬浮液过滤后，将中空纤维膜用0.2%的次氯酸钠和0.2 %的柠檬酸浸泡2小时，并执行相同的Mi 11 i_Q水反冲洗操作步骤。
[0075]在经过所建议的、使膜可重新使用的清洗后，可再次进行水透过率的测量。
[0076]膜过滤特性的评估
[0077]在所进行的实验研究中，跨膜压差(TMP)值和平均污垢率(dTMP/dt)用作主要的过滤参数来评价膜的性能。
[0078]参见图8至图13，其示出了没有网格面板30时所进行的实验的结果，在一项研究中，探究了在纵向振动下，膜20中不同长度的纤维帘(curtain)之间或不同长度的中空纤维之间的污垢率。为了实现纵向振动，振动杆42旋转90°，以进行竖直定向。两种纤维帘(一种长度为20cm，另一种长度为40cm)在4g/L的膨润土悬浮液中以6到1Hz的频率进行纵向振动。如图8所示，20cm纤维在6Hz时引起的污垢率为95.4kPa/h，且在1Hz时引起的污垢率为15.8kPa/h，而40cm纤维分别引起的污垢率为26.6kPa/h和3.8kPa/h。这证实了浸没式膜系统中长纤维的振动完成的更好，这是由于长纤维具有引起更多附加横向运动的潜能，从而减少膜污垢。
[0079]另一项研究对纵向振动性能和横向振动性能进行了比较。为了使比较保持一致，膜20中拉紧纤维的水平和垂直方向的中心位置保持相同，并使用IHz的相同的振动频率以及25LMH的恒定渗透通量。如图9(a)所示，在4g/L膨润土悬浮液中纵向振动幅度为20mm时，污垢率为24.2kPa/h，而横向振动时的污垢率仅为8kPa/h。当振动幅度进一步增加到28mm时，纵向和横向振动时的污垢率分别为21.8kPa/h和4.2kPa/h。类似的结果也可在如图9(b)所示的4g/L的酵母悬浮液中出现。通过IHz这样小的频率，已经实现横向振动比纵向振动相当大的改善。这给实际工业应用带来了显著的能源成本降低。
[0080]还研究了膜纤维的拉紧度或张紧度(如以上参考图7所讨论的)对膜过滤组件10的过滤能力的影响。如图1O (a)所示，在4g/L膨润土悬浮液中振动幅度为24mm且恒定通量为30LMH时，由紧密或拉紧纤维引起的污垢率为15.2kPa/h，而1%松散度的纤维20的污垢率降低到10.2kPa/h，且纤维20的松散度为2 %时污垢率进一步降低到7.8kPa/h。如图10 (b)所示，在恒定通量率为25LMH的4g/L酵母悬浮液中，振动幅度为20mm时拉紧的18cm长纤维20引起的污垢率为19.8kPa/h，而I %松散度的纤维20的污垢率仅为16.2kPa/h。如图10(a)和图10(b)所示，还对其它幅度进行了研究，并观察到了类似的趋势。从所有这些值可以看出，使用横向振动以及1%至2%的小的纤维松散度，可以获得一些额外的改善。由于通过横向振动下的小程度的纤维松散度可减少更多的膜污垢，因而这将节约能源。
[0081]图11示出了对纵向振动和横向振动进行比较的进一步实验的结果，其中，在4g/L酵母悬浮液中，在恒定渗透通量为25LMH、振动幅度为16mm、I %的纤维松散度、1Ηζ_3Ηζ的小频率下，对横向振动和纵向振动进行分析。对于相同松散度的纤维，振动频率为2Hz时，纵向振动的污垢率为53.6kPa/h，而横向振动的污垢率小得多，为36.1kPa/h。当使用更高的3Hz的振动频率时，纵向振动和横向振动的污垢率分别为39.4kPa/h和16kPa/h。该结果进一步证实了在浸没式中空纤维膜过滤中，横向振动结合松散纤维是最佳的。
[0082]进行了研究膜纤维的堆积密度的效果的实验。图12示出了在堆积密度实验中使用的4种纤维布局。每种膜20的纤维布局为5 X 5束、6 X 6束、7 X 7束和8 X 8束，获得的堆积密度分别为14%、20%、28%和36%。图13示出在4g/L酵母悬浮液中，对于不同的振动幅度，具有
14%、20 %、28 %和36 %不同堆积密度(使用5 X 5、6 X 6、7 X 7和8 X 8束的纤维布局)的I %松散度的膜20横向振动时的污垢率。对于20mm的振动幅度、2Hz的振动频率以及25LMH的恒定通量，当堆积密度从14%增加至20%时，污垢率从16.5kPa/h增加至24.2kPa/h。当堆积密度增加至28 %时，污垢率进一步增加至37.6kPa/h。然而，当堆积密度进一步增加至36 %时，污垢率降低至18.2kPa/h。振动幅度为24mm和28mm时也可出现类似的趋势。这种下降表明存在纤维的最优堆积密度，当利用振动进行过滤时，该最优堆积密度将提高渗透流量并降低能量消耗。
[0083]图14至图19示出了不同悬浮液中所进行的振动或不振动网格面板30的实验的结果。这些实验中所使用的膜组件20用相同的5X5的纤维模式以14%的堆积密度和1%的纤维松散度进行堆积，且膜20被横向振动。图14-图16所示的结果来自所进行的连续振动的实验，而图17-图19示出了来自所进行的具有振动弛豫(S卩I分钟振动然后I分钟不振动的交替循环)的实验的结果。图14示出了4g/L酵母悬浮液中，在25LMH的恒定渗透通量下，膜20连续振动时，使用和不使用振动的网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。振动幅度为16mm且振动频率为2Hz。不振动时，在110分钟的膜过滤中浸没式中空纤维膜20的TMP值从23.8kPa增加至89kPa。仅有膜20的横向振动时，在235分钟的过滤中TMP增加至96.6kPa。当同时有膜20和网格面板30的振动时，在325分钟的过滤中TMP增加至79kPa。从该结果可以得出，通过使用振动的网格面板30进行过滤，可在酵母悬浮液中减少更多的膜污垢。
[0084]图15示出了4g/L混合液悬浮液中膜20连续振动时，使用和不使用网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。振动幅度为16mm，且振动频率为IHz，同时具有25LMH的恒定渗透通量。不振动时，在8 O分钟的膜过滤中，浸没式中空纤维膜2 O的T M P值从15 k P a增加至38.7kPa。仅有膜20的横向振动时，在420分钟的过滤中TMP增加至29.7kPa。当同时有膜20和网格面板30的振动时，在375分钟的过滤中TMP增加至17.9kPa。可以看出，当使用振动的网格面板30进行过滤时，对于8小时的混合液悬浮液的过滤，TMP基本保持恒定。
[0085]图16示出了更高浓度悬浮液，S卩8g/L混合液悬浮液中，膜20连续振动时，使用和不使用振动的网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。振动幅度为16mm，且振动频率为IHz，同时具有25LMH的恒定渗透通量。不振动时，在90分钟的膜过滤中，浸没式中空纤维膜20的TMP值从15kPa增加至40kPa。仅有膜20的横向振动时，在540分钟的过滤中TMP增加至22.6kPa。当同时有膜20和网格面板30的振动时，在540分钟的过滤中TMP增加至16.9kPa。可以得出，当使用振动的网格面板30进行过滤时，对于9小时的较高浓度的混合液的过滤，TMP的增加非常有限。
[0086]图17示出了4g/L酵母悬浮液中，膜20具有振动弛豫时，使用和不使用振动的网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。如上所述，振动弛豫指的是振动和弛豫(不振动)的连续交替，且在所进行的实验中，振动时间和弛豫时间均为I分钟。振动幅度为16mm，且振动频率为2Hz，同时具有25LMH的恒定渗透通量。不振动时，在110分钟的膜过滤中，浸没式中空纤维膜20的TMP值从23.8kPa增加至89kPa。仅有膜20的横向振动弛豫时，在65分钟的过滤中，TMP增加至59.8kPa。当同时有膜20和网格面板30的振动弛豫时，在195分钟的过滤中，TMP增加至79.lkPa。可以得出，当利用振动弛豫进行过滤时，使用面板30的振动弛豫，酵母悬浮液的膜过滤也可改善。
[0087]图18示出了4g/L混合液悬浮液中，具有振动弛豫时，使用和不使用振动的网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。振动时间和弛豫时间均为I分钟。振动幅度为16mm，且振动频率为2Hz，同时具有25LMH的恒定渗透通量。不振动时，在80分钟的膜过滤中，浸没式中空纤维膜20的TMP值从15kPa增加至38.7kPa。仅有膜20的振动弛豫时，在555分钟的过滤中，TMP增加至26.2kPa。当同时有膜20和网格面板30的振动弛豫时，在525分钟的过滤中，TMP增加至17.SkPa。这表明，利用振动弛豫，振动的网格面板30可减少实际混合液的浸没式中空纤维膜的污垢。
[0088]图19还示出了在更高浓度悬浮液，S卩8g/L混合液悬浮液中，具有振动弛豫时，使用和不使用振动的网格面板30时浸没式中空纤维膜20的TMP值。振动时间和弛豫时间均为I分钟。振动幅度为16mm，且振动频率为IHz，同时具有25LMH的恒定渗透通量。不振动时，在90分钟的过滤中，浸没式中空纤维膜20的TMP值从15kPa增加至40kPa。仅有膜20的振动弛豫时，在540分钟的过滤中，TMP增加至28.lkPa。当同时有膜20和网格面板30的振动弛豫时，在540分钟的过滤中，TMP增加至21.5kPa。因此，S卩使是在较高浓度的混合液中，使用具有振动弛豫的网格面板30，也可观测到额外的改善。
[0089]总之，用于中空纤维膜过滤的VS膜过滤组件10的TMP值均较小。与不使用振动的网格面板30进行过滤的TMP值相比，使用振动的网格面板30进行过滤时所观测到的TMP值都更小。这暗示或表明振动的网格面板30对于改善浸没式中空纤维膜20的过滤性能是有效的。另外，随着网格面板30的运动，供给悬浮液60充分混合，并且不需要额外的搅拌装置使悬浮液均匀化。此外，对于约9小时的过滤，利用网格面板30的仅为IHz的很小的振动频率，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动性膜过滤组件10可消除MBR的污垢问题，而不需要使用空气或沼气喷射。这证实了 VS膜组件10在实际工业应用中的重要性。
[0090]以上所述的膜过滤组件10的典型应用是:(i)应用于厌氧膜生物反应器中，以既产生搅拌又产生横向振动而无需空气，并利用中空纤维膜20和网格面板30的振动获得自混合；(ii)应用于有氧膜生物反应器中，加上空气注射以便为细菌注入氧气；以及(iii)应用于污泥脱水中。本发明尤其针对用于悬浮液微滤的较大反应器，并利用了紧凑配置的简单性和有效性。利用本发明中，由于膜20在最佳条件下操作，因此可以减少膜过滤所需的能量。此外，由于面板30的往复运动，实现了反应器流体60的搅拌，因此可完全不使用空气或沼气喷射。由于面板30与中空纤维膜束20之间的配置利用专门确定的间隔距离进行特别控制，因此由面板30产生的湍流以最佳的方式改善了膜过滤的污垢控制。
[0091]虽然，已经对本发明的前述示例性实施例进行了描述，但有关领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的情况下可对设计、构造和/或操作的细节做出许多变形。例如，尽管已经描述了面板可具有设置在面板上的网格图案中的方孔，但是可想到其它孔配置，例如设置在面板上的六角密集排布图案中的圆孔。
[0092]参考文献
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【主权项】
1.一种膜过滤组件，配置为用在过滤反应器中，所述组件包括: 中空纤维膜，所述中空纤维膜配置为在所述反应器中对供给流体进行过滤;和 振动机构，所述振动机构配置为振动所述中空纤维膜，以在所述中空纤维膜的表面上产生剪应力，用于减少所述中空纤维膜的污垢。2.根据权利要求1所述的膜过滤组件，所述膜过滤组件还包括面板，所述面板平行于所述中空纤维膜设置且配置为由所述振动机构振动以在所述供给流体中产生用于减少所述中空纤维膜的污垢的湍流。3.根据权利要求2所述的膜过滤组件，其中，所述面板进一步配置为由所述振动机构振动以产生用于使所述供给流体均匀化的湍流，以便从所述反应器中去掉搅拌装置。4.根据权利要求2-3任一项所述的膜过滤组件，其中，所述面板包括在所述面板的两个相对边缘的每一个上的突出的吊板，每个所述吊板配置为将所述面板连接到所述振动机构并连接到所述中空纤维膜的末端。5.根据权利要求2-4任一项所述的膜过滤组件，其中，所述面板距离所述中空纤维膜Ο-? OOcm ， 用 于污垢控制。6.根据权利要求2-5任一项所述的膜过滤组件，其中，所述振动机构配置为使所述面板产生横向振动。7.根据前述权利要求任一项所述的膜过滤组件，其中，所述振动机构配置为使所述中空纤维膜产生横向振动。8.根据前述权利要求任一项所述的膜过滤组件，其中，所述振动机构包括振动杆，所述振动杆配置为将外部振动驱动器产生的振动传输到所述膜过滤组件。9.根据前述权利要求任一项所述的膜过滤组件，其中，所述膜过滤组件中的所述中空纤维膜的纤维的相对两端分开放置，所述两端之间的距离小于所述纤维的实际长度，以便在所述纤维中提供松散度。10.根据前述权利要求任一项所述的膜过滤组件，其中，所述反应器为下述之一:厌氧膜生物反应器和有氧膜生物反应器。11.一种膜过滤方法，所述方法包括: 振动反应器中的中空纤维膜，同时使供给流体通过所述中空纤维膜，以便在所述中空纤维膜的表面上产生剪应力，用于减少所述中空纤维膜的污垢。12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过振动平行于所述中空纤维膜设置的面板同时使所述供给流体通过所述中空纤维膜，进一步减少所述中空纤维膜的污垢。13.根据权利要求12所述的方法，还包括，通过振动所述面板使所述供给流体均匀化，以从所述反应器中去掉搅拌装置。14.根据权利要求11或12所述的方法，其中用横向振动使所述面板振动。15.根据权利要求11-14任一项所述的方法，其中，用横向振动使所述中空纤维膜振动。
【文档编号】B01D65/02GK105848762SQ201480059698
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年11月10日
【发明人】罗永强, 李甜, 安东尼·戈登·费恩
【申请人】南洋理工大学