专利名称：一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在膜生物反应器所使用的膜组件，尤其涉及一种中空纤维膜组件的结构设计及其使用方法，属于膜生物反应器及污水处理与回用技术领域。
背景技术：
膜-生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的新型高效污水处理与回用技术。在膜-生物反应器的应用中，通常需要较大面积的膜。安装膜地最小单元被称为膜组件。膜组件有很多种形式，基本上可以分为两大类管式和平板式。常用的膜组件形式有平板膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维膜组件等等，其性能见表1-1。
表1-1膜组件性能一览表
从表1-1可以看出由于中空纤维膜装填密度和膜面积极大，价格便宜，而且克服了毛细管式膜组件不耐压的缺点，目前在废水处理中已得到广泛应用。
对于一个膜分离过程，选择什么样的膜组件取决于两个方面一个是膜本身的性质，另一个是过程的特殊性。在膜生物反应器中，由于处理的对象是污泥，膜污染是不可避免的，而且比较严重，同时污水的量都比较大，因此应该选择耐污染、膜通量大的组件形式。随着膜分离过程的进行，溶液中的大分子物质、溶解物质被吸附到膜表面，进而进入膜孔内部堵塞膜孔以及颗粒物质在膜表面的沉积现象称为膜污染，膜污染后即表现为膜阻力的增加和膜通量的下降。一般来说，在膜生物反应器中，使膜造成污染的主要有两大类物质。一类是溶液中的大分子物质、溶解性物质(如微生物代谢产物SMP)，这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层，或者进而进入膜孔内部堵塞膜孔，称为不可逆污染。另一类物质是颗粒状的物质，随着膜分离过程的进行，这类物质会在膜表面沉积形成滤饼层，这样发展起来的膜污染往往在膜污染总阻力中占有较大的比例，但是这种污染一般是可逆的，称为可逆污染，如何采用有效的物理手段控制可逆污染的发展是膜生物发应器中控制膜污染的关键。
根据膜组件的设置位置，膜-生物反应器可分为分置式膜-生物反应器和一体式(或浸入式、内置式)膜-生物反应器两大类。传统的外置式膜生物反应器一般采用柱式膜组件，并采取单相错流过滤的水动力操作模式，靠循环泵提供的正压形成膜的驱动压力的出水方式。它有膜通量大、膜清洗方便二个主要的优点。但是，为了有效地控制膜污染，往往需要比较大的膜面流速，所需的流量和扬程较大，能耗也较大(为内置式膜生物反应器的4～6倍)。传统的一体式膜生物反应器一般采用帘式膜组件，利用气提原理，形成一个气水二相流在升流区和降流区循环，对膜表面进行冲刷，控制膜污染。采用的抽吸泵抽吸真空形成膜的驱动压力的出水方式。它的主要优点是能耗较外置式相对为低，用地较省，但其膜清洗不方便，膜清洗成本较高，膜通量也相对较小。而且，由于气提的是整个反应器里的悬浮液，气水二相流的流体断面也较大，如何降低其能耗依然是人们的一个重要关注点。目前应用的一体式膜生物反应器单位水量的处理能耗约1.0～2.4kw·h/m3(顾平等，2000，中国给水排水Vol.16(3)，5-8；Tatsuki Ueda and Kenji Hata 1999，waterreseach，33，2888-2892)。
能否设计出新型的膜组件，把外置式膜生物反应器和内置式膜生物反应器有机地结合起来，取各自所长、补各自所短，使其具有能耗低、通量大、膜污染发展缓慢，膜清洗方便的特点。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，在维持较低的曝气量的情况下，能有效地控制膜污染的发展，维持较高的膜通量，进一步降低其运行能耗，实现并维持其长期运行。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，主要包括膜组件壳柱体，设置在壳柱体内的U状中空纤维膜丝，顶部的料液出口，设置在底部的料液进口和用于固定粘结膜丝的固定区以及透过水出口，其特征在于在中空纤维膜组件底部的膜丝中间设有专用的气冲部件。
本发明中所述的气冲部件可采用穿孔曝气管、微孔曝气管或微孔曝气头。
本发明的特征还在于合理规范气、水的运动轨迹和二相流的流态。这主要是通过设定膜组件外壳柱的高径比，膜丝的长径比、膜组件的装填密度来实现的。本发明所述的膜组件的壳柱体的高径比为5～20∶1；所述的膜组件的的膜丝的长径比为50～300∶1；所述的膜组件的膜丝装填密度为500～1500m2/m3。
本发明还提供了一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件的使用方法，即合理运用“次临界通量操作法”，使膜组件在选定的操作条件下的次临界通量操作区域工作，所述的次临界通量操作区域采用通量阶式递增法确定，可按如下步骤进行
(1)选定的操作条件下，采用恒通量的方法使膜工作一个时间段ΔT至少为30min，观测膜操作压力在ΔT内的变化，若膜操作压力保持恒定，调节出水抽吸泵的级数，使膜通量增加一个阶量；重新观测膜操作压力在另一个ΔT内的变化，如此继续，直到出现膜操作压力在ΔT内不能稳定为止；
(2)记此时的膜通量为FN+1，即FN+1为在这个操作条件下使膜操作压力上涨的最小的膜通量，FN为在这个操作条件下膜操作压力恒定的最大的膜通量；则临界通量介于FN+1和FN之间，大于FN+1的通量区域叫做此操作条件下的超临界通量区域，小于FN的通量区域叫做此操作条件下的次临界通量区域，使膜组件在该次临界通量操作区域工作。
本发明与现有中空纤维膜组件相比，具有以下优点及突出性效果
(1)通量大，其工作通量可以达到15～30L/m2h。公知的一般用于一体式膜生物反应器中的中空纤维膜组件的膜通量仅为5～10L/m2h。
(2)气水比可降低到20～25∶1，从而降低能耗。公知的一般用于一体式膜生物反应器中的中空纤维膜组件的气水比为40～60∶1。
(3)大大降低膜面错流速度至0.04～0.1m/s，从而降低循环流量和能耗。公知的一般用于分置式膜生物反应器的膜面错流速度为2～4m/s。
(4)抗污染性能好，由于直接在膜组件内集中曝气，这样在曝气量为20～25∶1时，其曝气强度就可以达到125～200m3/m2h。因此可大大增加膜组件流体的紊动性，控制颗粒物质在膜表面的沉积而大大提高膜组件的抗污染性能。
图1为本发明提供的用于分置式膜生物反应器的外压柱式中空纤维膜组件的结构示意图。
图2为本发明提供的用于一体式膜生物反应器的外压柱式中空纤维膜组件结构示意图。
图3表示外压柱式中空纤维膜组件用于分置式膜生物反应器的工艺装置图。
图4表示外压柱式中空纤维膜组件用于一体式膜生物反应器的工艺装置图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步的说明。
图1为本发明提供的用于分置式膜生物反应器的外压柱式中空纤维膜组件的结构示意图。其主要构成包括“U”状中空纤维膜丝1、膜组件壳柱体2、气冲部件3、底部的料液进口6、透过水出口5，顶部的料液出口7、测压管接口8和膜丝粘结固定区4。
图2为本发明提供的用于一体式膜生物反应器的外压柱式中空纤维膜组件结构示意图。其主要构成包括“U”状中空纤维膜丝1、膜组件壳柱体2、气冲部件3、底部的料液进口6、透过水出口5，顶部的料液出口7和膜丝粘结固定区4。
图3表示外压柱式中空纤维膜组件用于分置式膜生物反应器的工艺装置图。此装置由生物反应器9，循环水进水管13，循环泵14，空气供给装置10，出水抽吸泵11，顶部进水管12，压力计15以及外压柱式中空纤维膜组件组成，设置在膜组件底部的气冲部件3与空气供给装置10相连接。气体与循环泵的出水一起在膜组件内形成气水二相流以控制膜污染。而且气水二相流从反应器9底部流入，一方面使得反应器内的料液得以完全混合，另一方面为反应器9内的微生物提供氧气。由12流入的原水与反应器9内料液完全混合后经循环水进水管13由循环泵14注入膜组件内。膜透过水经透过水管5由出水抽吸泵11排出。
图4表示外压柱式中空纤维膜组件用于一体式膜生物反应器的工艺装置图。此装置由生物反应器9，空气供给装置10，出水抽吸泵11，顶部进水管12以及外压柱式中空纤维膜组件组成。设置在膜组件底部的气冲部件3与空气供给装置10相连接。膜组件外壳侧面底部设有开口，当空气供给装置给膜组件曝气时，以膜组件外壳柱壁为导流环板，在膜组件内形成气水二相流的上流区，在膜组件外壳柱壁和反应器壁之间形成下降区，从而形成循环的气水二相流。
本发明中膜组件壳柱体的高径比为(5-20)∶1，气水不稳定流的流态以形成Taylor气泡为标准，供气方式为用穿孔管、微滤管、微孔曝气头或其它多孔状材料把气体导入膜组件外壳体内膜丝的中间，使气泡能自由均匀地分布在膜组件柱体横断面上。
不稳定流体运动是指在流动系统中，各个膜面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变化，而且随时间而变化。与稳态湍流相比，不稳定流在层流和湍流状态下都能起到强化过滤作用，流体不稳定流动方式是一种强化效果好、能量较低、设备简单的实用技术，对设计高效、抗污染的膜组件有很大的推动作用。气水二相流是一种不稳定流，恰当的膜组件壳柱体高径比使气水二相流的流态得以有效的发展，即使在循环水量很小的情况下，混以恰当的气量，也足以形成强烈的不稳定流。
对中空纤维膜而言，膜丝的长度和直径的比值直接影响透过水在膜丝内的流态和膜丝轴向的通量分配。若膜丝长径比过大，则靠近膜丝的非出水终端部分的膜通量就会比膜丝的出水终端部分的膜通量小很多，导致膜通量分布不均匀。若膜丝直径过大，则会过于降低膜丝的比表面积。本发明要求的膜丝长径比为50～300∶1。
膜组件的装填密度会对气水二相流的流态产生影响，装填密度过大，膜丝就没有足够的振荡空间，紊动性就会减弱，不利于控制颗粒物质的沉积。装填密度过小会导致膜组件的经济性下降，本发明要求的膜组件装填密度为500～1500m2/m3。
本发明还要求膜组件工作时，连续供气，但膜组件采用间歇抽吸出水。
本发明合理运用“次临界通量操作法”来确定膜工作通量的膜组件使用方法。临界通量是一个对膜污染有非常重要意义的概念，它是指在恒通量过滤中存在一个临界值，当膜通量大于这个值时，膜操作压力TMP(Transmembrane Pressure)迅速上升，膜污染急剧发展；当膜通量小于这个值时，膜污染不发生或者发展非常缓慢。临界通量和水力操作条件、膜分离操作模式、料液性质以及膜本身性质有关。膜生物反应器次临界操作就是基于这样一个概念，在一定的操作条件下，使膜通量维持在临界通量以下以获得膜生物反应器长期稳定的运行。
一般地，污染膜的有两大类物质一类是溶解性的大分子物质，如溶解性微生物产物(Soluble Microbial Products，简称SMP)和胞外聚合物(Extracelluar Polymers，简称ECP，随着膜分离的进行，这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层(Gel Layer)，污染一般是不可逆的，但发展较为缓慢，称为不可逆污染(Irreversible Fouling)。另一类物质是颗粒物质，如污泥絮体，这类物质在膜表面沉积形成污泥层(Cake Layer)，污染是可逆的，称为可逆污染(Reversible Fouling)，这类污染在死端过滤中占有很大的份量(80％以上)，且发展迅速，它也是膜污染水动力学控制的主要对象。在膜生物反应器中，临界通量也是针对可逆污染而言的，次临界操作的主导思想就是使膜在运行的过程中，尽量避免污泥颗粒的沉积、避免可逆污染。
实施例1
请参照图3外压柱式中空纤维膜组件用于分置式膜生物反应器工艺装置图。此外压柱式中空纤维膜组件的壳柱体高径比为11∶1，中空纤维膜丝长径比200∶1，膜丝装填密度829m2/m3，膜面积0.5m2。当反应器中混合液污泥浓度为3～10g/L时，膜通量可达20L/m2h，循环泵循环水量200L/h，扬程2.0m，机组总效率0.49，则单位处理水量循环水泵的能耗为0.21kw·h/m3。膜面错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应器工艺的错流速度3～4m/s小很多。曝气量250L/h，升压20kPa，鼓风效率0.44，则单位处理水量鼓风机的能耗为0.35kw·h/m3。气水比仅为25∶1，比公知的一体式膜生物反应器的气水比(40～60∶1)小很多。抽吸泵流量10L/h，扬程10m，机组总效率0.49，则单位处理水量抽吸泵能耗0.06kw·h/m3。则单位处理水量总能耗为0.62kw·h/m3，比公知的错流分置式膜生物反应器的单位处理水量能耗3.0～5.5kw·h/m3小很多。
由于采用集中曝气，使得膜组件内的曝气强度能达到160~190m3/m2h，这就大大增加了气水二相流的紊动性，有利于控制颗粒物质在膜表面的沉积而达到控制膜可逆污染的目的，系统的膜操作压力的增长率为0.15kPa/d。从而实现膜生物反应器长久稳定的运行。
实施例2
请参照图4外压柱式中空纤维膜组件用于用于一体式膜生物反应器工艺装置图。此外压柱式中空纤维膜组件的壳柱体高径比为6∶1，中空纤维膜丝长径比100∶1，膜丝装填密度702m2/m3，膜面积1.0m2。当反应器中混合液污泥浓度为3～10g/L时，膜通量可达15L/m2h，曝气量390L/h，升压20kPa，鼓风效率0.44，则单位处理水量鼓风机的能耗为0.49kw·h/m3。气水比仅为26∶1，比公知的一体式膜生物反应器的气水比(40～60∶1)小很多。抽吸泵流量15L/h，扬程10m，机组总效率0.49，则单位处理水量抽吸泵能耗0.06kw·h/m3。则单位处理水量总能耗为0.55kw·h/m3，比公知的一体式膜生物反应器的单位处理水量能耗1.0～2.4kw·h/m3小很多。
但膜组件内的曝气强度能达到130～150m3/m2h，这就大大增加了气水二相流的紊动性，有利于控制颗粒物质在膜表面的沉积而达到控制膜可逆污染的目的，系统的膜操作压力的增长率为0.25kPa/d。从而实现膜生物反应器长久稳定的运行。
权利要求
1.一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，主要包括膜组件壳柱体，设置在壳柱体内的U状中空纤维膜丝，顶部的料液出口，设置在底部的料液进口和用于固定粘结膜丝的固定区以及透过水出口，其特征在于在中空纤维膜组件的底部的膜丝中间设有专用的气冲部件。
2.按照权利要求1所述的一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，其特征在于所述的气冲部件采用穿孔曝气管、微孔曝气管或微孔曝气头。
3.按照权利要求1或2所述的一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，其特征在于所述膜组件壳柱体的高径比为5～20∶1。
4.按照权利要求3所述的一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，其特征在于所述膜组件的膜丝的长径比为50～300∶1。
5.按照权利要求4所述的一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，其特征在于所述的膜组件的膜丝装填密度为500～1500m2/m3。
6.一种如权利要求1所述可气冲的外压柱式中空纤维膜组件的使用方法，其特征在于该方法是使膜组件在选定的操作条件下的次临界通量操作区域工作，所述的次临界通量操作区域采用通量阶式递增法确定，可按如下步骤进行
(1)选定的操作条件下，采用恒通量的方法使膜工作一个时间段ΔT至少为30min，观测膜操作压力在ΔT内的变化，若膜操作压力保持恒定，调节出水抽吸泵的级数，使膜通量增加一个阶量；重新观测膜操作压力在另一个ΔT内的变化，如此继续，直到出现膜操作压力在ΔT内不能稳定为止；
(2)记此时的膜通量为FN+1，即FN+1为在这个操作条件下使膜操作压力上涨的最小的膜通量，FN在这个操作条件下膜操作压力恒定的最大的膜通量；则临界通量介于FN+1和FN之间，大于FN+1的通量区域叫做此操作条件下的超临界通量区域，小于FN的通量区域叫做此操作条件下的次临界通量区域，使膜组件在该次临界通量操作区域工作。
全文摘要
一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，涉及一种中空纤维膜组件的结构设计及其使用方法。本发明的主要技术特征是在膜组件底部的膜丝中间设有专用的气冲部件；并通过设定膜组件壳柱体的高径比，膜丝的长径比、膜组件的装填密度来合理规范气、水的运动轨迹和二相流的流态，同时使膜组件在选定的操作条件下的次临界通量操作区域工作。采用本发明可在维持较低的曝气量的情况下，有效地控制膜污染的发展，维持较高的膜通量，降低运行能耗，实现并维持膜组件的长期运行。
文档编号B01D63/02GK1446618SQ03121949
公开日2003年10月8日 申请日期2003年4月18日 优先权日2003年4月18日
发明者文湘华, 黄霞, 俞开昌, 卜庆杰, 孙友峰 申请人:清华大学