设置有颗粒分选装置的膜分离方法和装置与流程

本发明涉及用于膜分离以处理饮用水的原水和各种类型废水例如生活污水和工业废水的方法和设备。

背景技术：

膜分离工艺已经被广泛使用在饮用水和废水处理领域。对于饮用水处理而言，将凝集剂添加至原水，并且然后应用膜过滤，以去除污染物和病原体例如隐孢子虫。

在另一方面，活性污泥工艺已常用于废水处理。将废水与活性污泥接触，并且污泥中的微生物消耗溶解的物质以净化废水。通过沉淀或后处理将活性污泥从经处理的水分离。将膜分离工艺应用至活性污泥工艺的流出物以去除污染物和病原体。

此外，广泛使用膜生物反应器(以下称为mbr)，其中组合活性污泥和膜分离工艺。在mbr系统中，可不论污泥条件而实现稳定的污泥分离。此外，其还具有减小设施占地面积(footprint)的优势。

现有技术公开

专利公开

专利公开1：us专利9242882b2说明书

技术实现要素：

在用于饮用水和废水处理的膜分离工艺中，重要的任务是抑制膜污染。由于膜污染，获得足量的经处理的水变得不可能，并且减小膜的寿命，这导致较高的运营成本。据信例如mbr系统中膜污染物的主要组分是胶体物质和亚微米颗粒。胶体物质包括从微生物释放的代谢物质。可通过维持微生物条件良好来抑制代谢物质的释放，但是当供给水品质迅速改变时难以保持条件。

可通过将凝集剂添加至mbr系统来去除胶体物质和包含有机和/或无机物质的较小颗粒。然而，这导致较高的处理成本。

专利公开1描述了通过由重力分离器提取来去除污泥中胶体物质和较小颗粒从而抑制膜污染的可能性。然而，这一公开没有示出当使用这种重力分离器时胶体物质和较小颗粒去除率的证明数据。因此，从这一公开不清楚是否需要减少胶体物质或较小颗粒或它们两者以抑制膜污染。

此外，该公开描述了从微生物处理工艺提取污泥并分离具有优异沉降特性的较大颗粒并将它们返回处理工艺的方法。其描述了将分离较大颗粒之后的残余物排出或供应至固体处理工艺。在这种情况下，当提高提取的污泥量时，将降低处理工艺中微生物的浓度并且将减小工艺的活性。这还导致通过膜分离获得的经处理的水的生产率降低和回收率降低。此外，使用这一公开的方法实现抑制膜污染需要长时间，因为限制了污泥提取的速率以便保持生物处理工艺中污泥的浓度。

因此本发明的目的是在膜分离工艺中有效地抑制膜污染。

本发明提供装备有颗粒分级器的装置，该颗粒分级器选择性地从水去除亚微米颗粒以抑制膜污染。

详细地进行了膜分离装置中膜污染物的分析，并且揭示了在膜分离装置中即使在没有从水去除胶体物质的情况下，可通过将亚微米颗粒排放至系统外并且将较大颗粒保留在系统中而有效地抑制膜污染。

根据本发明的一个方面，提供了用于水处理的设备，其包括用于固液分离的膜分离器；和颗粒分级器，其具有在颗粒分级器中产生的分级的固液混合物的至少两个出口，其中在通过膜分离器的膜分离之前将含有包括亚微米颗粒的不同尺寸颗粒的液体供给至颗粒分级器，和其中将分级的固液混合物的第一级分从颗粒分级器的至少两个出口中的一个出口返回膜分离器，在亚微米颗粒的含量或比例方面，第一级分小于该液体。

通过在从膜分离装置选择性地去除亚微米颗粒之后将较大颗粒和残余水返回膜分离装置，以上提到的本发明能够使去除亚微米颗粒的排出水量最小化并且获得膜污染抑制效果。这导致膜分离装置中膜过滤的水生产率提高。

此外，即使提高从膜分离工艺至颗粒分级器的吸取水量，本发明也能够使排出水量最小化。因此，从膜分离装置的吸取水量提高导致膜分离装置中亚微米颗粒去除速率提高。这能够快速抑制膜污染。

虽然将在以下示出的实施例是对于mbr系统的实例，但是不仅可将本发明应用于mbr系统而且可应用于任何膜分离系统以处理含有颗粒状组分(含有亚微米颗粒和较大颗粒)和污染物例如胶体物质的水。

发明效果

通过在从来自膜分离工艺的处理水去除亚微米颗粒之后将较大颗粒和残余水返回膜分离工艺，本发明能够获得膜污染抑制效果，同时使排出水量最小化。这导致通过膜分离的膜过滤的水生产量提高并导致回收率提高。

此外，根据本发明，即使提高从膜分离工艺吸取并然后供给至颗粒分级器的水量，也能够提高返回膜分离工艺的水量。因此，能够使排出水量最小化。这能够从膜分离工艺快速去除亚微米颗粒并快速实现抑制膜污染。

附图说明

图1是本发明实施例1的示意图；

图2是本发明实施例2的示意图；

图3是本发明实施例3的示意图；

图4是比较例的示意图；

图5是显示实施例1中膜过滤工艺中跨膜压(tmp)按时间变化的图像；

图6是显示比较例1中膜过滤工艺中跨膜压(tmp)按时间变化的图像；

图7是显示实施例1中吸取水和颗粒分级器的第一级分10和第二级分11的粒径分布测量结果的图像；和

图8是显示实施例1中在开启颗粒分级器之前和之后胶体物质(总有机碳)浓度按时间变化的图像。

具体实施方式

将使用以下实施例的解释描述本发明的细节。

图1显示根据实施例1装备有选择性地去除水中亚微米颗粒的颗粒分级器9的水处理设备的处理流程。本实施例的水处理设备装备有颗粒分级器9和膜分离装置。膜分离装置包括反应槽2、膜分离槽3和再循环槽6。

将流入物1供应至作为预处理设备的反应槽2，并然后转到膜分离槽3。在反应槽2中，使用活性污泥的生物处理工艺被用于实施例1。可从以下选择用于反应器2的处理工艺：使用活性污泥的生物处理工艺、物理－化学处理工艺例如凝集工艺、氧化处理工艺例如臭氧化、这些工艺的组合、或在膜过滤工艺之前预处理所需要的其他工艺。

在膜分离槽3中作为来自膜组件4的渗透物生产生产水5。对于水处理系统而言，将生产水5应用至必要的后处理并且用作饮用水。在用于生活污水和工业废水的处理中，如果必要，将生产水5应用至后处理，并且作为再生水再使用或者作为经处理的水排放。

列举使用具有0.04μm公称孔径的uf膜(超滤膜)的膜组件作为待使用在膜分离槽3中的分离膜组件4。可使用mf膜(微滤膜)、uf膜、nf膜(纳米过滤膜)或这些膜的组合作为分离膜组件4。可使用浸没型和加压型这两种类型作为分离膜组件4。当使用加压型组件时，使用通过组合多个组件形成的系统代替膜分离槽3。

将膜分离槽3中未过滤的水供应至返回槽6，并且通过使用返回槽6中的泵7将吸取水8从再循环槽6供给至颗粒分级器9。可在不使用再循环槽6的情况下直接从膜分离槽3提取吸取水8。当在反应槽2和膜分离槽3之间应用再循环流动管线时，还可从反应槽2提取吸取水8。

通过颗粒分级器9将吸取水8中的亚微米颗粒分级至第一级分10中。第二级分11中含有在分级亚微米颗粒之后的残余颗粒。第二级分11含有较大颗粒。没必要将亚微米颗粒完全分级至第一级分10中，并且第二级分11可含有较大颗粒和亚微米颗粒这两者。从膜分离装置排出第一级分10。第二级分11返回反应槽2。

可通过去除第一级分10中亚微米颗粒来减小膜分离装置中亚微米颗粒的浓度。因此，较大颗粒可保留在膜分离装置中。

使用水力旋流器作为实施例1验证实验中的颗粒分级器。作为本发明的水力旋流器，可使用在专利公开1中描述的已知的水力旋流器或其改良的水力旋流器。本文中，颗粒分级器是用于通过湿法分级而进行颗粒分级的装置。将其方法分类为使用颗粒的沉降速度差的重力分级、使用在离心力场中沉降速度差的离心分级、和类似的分级。作为颗粒分级器，能够列举使用离心分级的水力旋流器或离心分级器、使用重力分级的水力分离器或倾析器等。可单独地或组合地使用这些作为颗粒分级器。

可通过使用颗粒分级器保留较大颗粒来有效地实现抑制膜污染。当膜分离槽中亚微米颗粒的浓度减小时，可通过避免亚微米颗粒进入膜孔来抑制膜污染。此外，当较大颗粒在膜分离槽中变成主要时，在膜表面上主要由这些较大颗粒形成滤饼层，并且该滤饼层防止胶体物质和较小颗粒进入膜孔中。因此，即使当胶体物质保持在膜分离槽中时也可有效地抑制膜污染。实施例2是装备有颗粒分级器的膜分离装置，该颗粒分级器中将颗粒分级至三个级分中而不是如实施例1中的两个级分。图2显示实施例2的概要。实施例2的处理流程和实施例1的处理流程相同，除了通过颗粒分级器将吸取水分级至三个级分中。

将来自再循环槽6的吸取水8在颗粒分级器9中分级至第一级分10、第二级分11和第三级分12中。在第三级分12中主要含有亚微米颗粒。在第二级分11中含有较大颗粒。第一级分10是第二和第三级分的残余物并且其含有少得多的颗粒。从膜分离装置排出第三级分12(其中含有亚微米颗粒)。第二级分11和第一级分10返回反应槽2，因此较大颗粒被保留在膜分离装置中。

可使用三相水力旋流器作为可将颗粒分成三个级分的颗粒分级器。在两相水力旋流器中，在中心形成上升流并且在内壁周围产生下降流。将较大颗粒分级至下降流中并从水力旋流器的底部出来，并且在上升流中含有残余颗粒并作为来自顶部的溢流而出来。

在实施例2中利用的三相水力旋流器中，在水力旋流器的上升流中间安装管道。将中间尺寸范围内的颗粒分级至这个管道中并可被看作第三级分。可将亚微米颗粒分级至三相水力旋流器的中间流中并从该装置排出。

通过将含有较大颗粒的第二级分和作为含有亚微米颗粒的第二级分残余物的第一级分返回膜分离装置，能够使返回水与吸取水的量比大于实施例1的量比。这导致排出量的减小和来自膜分离装置的生产水量的提高。

此外，即使提高从膜分离装置至颗粒分级器的吸取水量，实施例2也能够使排出水量最小化。从膜分离装置的吸取水量提高导致从膜分离装置亚微米颗粒的去除速率提高。这能够在短时间内实现抑制膜污染。

图3显示实施例3的处理流程，其中膜分离装置装备有两个颗粒分级器。

实施例3的处理流程与实施例1的处理流程相同，除了通过使用两个颗粒分级器分级吸取水。

通过使用颗粒分级器9将来自再循环槽6的吸取水8分级至第一级分10和第二级分11中。第一级分10中主要含有亚微米颗粒并且在第二级分11中含有较大颗粒。第二级分11返回反应槽2。将第一级分10进一步分级至第三级分15和第四级分16中。通过使用颗粒分级器14将第一级分10中含有的亚微米颗粒主要分级至第三级分15中。

残余物成为第四级分16，并且第四级分16几乎不含有颗粒。从膜分离装置排出含有亚微米颗粒的第三级分15，并且第四级分16返回反应槽2。

此外，如图3中实施例3的处理流程中所示，在供给至颗粒分级器14之前可将化学品例如凝集剂添加至第一级分10。通过添加凝集剂至第一级分10，可通过颗粒分级器14容易地分级第一级分10中的亚微米颗粒。出于这个目的，可使用凝集剂、絮凝剂和其他化学品。

通过将含有较大颗粒的第二级分11和作为含有亚微米颗粒的第二级分11的残余物的第四级分16返回膜分离装置，能够使返回水和吸取水的量比大于实施例1的量比。这导致排出量的减小和来自膜分离装置的生产水量的提高。

此外，与实施例2相同，即使提高从膜分离装置至颗粒分级器的吸取水量，实施例3也能够使排出水量最小化。从膜分离装置的吸取水量提高导致亚微米颗粒的去除速率提高。这能够在短时间内实现抑制膜污染。图4显示比较例的处理流程。

比较例的处理流程与实施例1的处理流程相同，除了在没有使用颗粒分级器的情况下将吸取水8分成返回水16和排出物17。根据排出物17与返回水16的比率分开吸取水8中颗粒。因此，亚微米颗粒与较大颗粒的比率没有改变。因此，即使通过将吸取水8分离成返回水16和排出物17，膜分离装置中颗粒分布没有改变。

以下将显示试验数据以证实与比较例的数据相比实施例方法的有效性。

在实施例1中，使用采用活性污泥的生物处理工艺用于反应槽2中的工艺，并且在膜分离槽3中利用采用浸没型uf膜的膜过滤工艺。使用具有0.04μm公称孔径的浸没型uf膜。使用水力旋流器作为颗粒分级器9。反应槽2和膜分离槽3的体积分别为400m³和50m³。从膜分离槽3以36m³/天的平均速率提取吸取水8以保持反应槽2中活性污泥的浓度为2000mg/l。当吸取水的速率大于该值时，污泥浓度将降低，这导致生物处理能力减小。

将吸取水8供应至水力旋流器，并且从水力旋流器顶部提取上升流并作为第一级分10从装置排出。从水力旋流器的下降流提取残余物并返回反应槽2作为第二级分11。期望的是第一级分10与第二级分11的量比为1:4以维持反应槽2中污泥浓度在合适的值。因此，从膜分离装置排放20％的吸取水8，并且排出速率平均为36m³/天。将含有排出污泥的级分供给至消化工艺。

图5显示在实施例1的证实试验过程中tmp(跨膜压)的改变。使用水力旋流器作为颗粒分级器并在第14天开启水力旋流器。从开始至第49天tmp提高，并然后在第49天之后变得几乎恒定。因此，从水力旋流器开启约35天之后tmp变得恒定，这表明在这段时间中抑制了膜污染。没有改变工作条件，除了在试验期间开启水力旋流器。从这些结果，证实了通过使用水力旋流器抑制了膜污染。

图6显示在比较例的情况下tmp的改变，在比较例中如图4中所示没有使用颗粒分级器。注意到从开始至50天tmp逐渐提高。然后，在50天之后tmp快速提高，这表明膜污染快速进行。发现了在比较例的试验时间中tmp连续提高并且膜污染一直进行。从这些结果得出结论：可通过使用水力旋流器与膜分离装置抑制膜污染。

在实施例1中证实试验过程中测量了水力旋流器级分中颗粒的粒径分布以检查通过水力旋流器抑制膜污染的机制。通过使用粒径分析仪(商品名：由malvernco.制造的zetasizernanozs3600)通过动态光散射进行粒径分布测量。除此之外，检查在试验过程中膜分离槽中胶体物质的浓度变化。通过胶体物质的toc(总有机碳)测定胶体物质的浓度，其为1.5μm滤纸的滤液toc和0.04μm膜渗透物toc之间的toc差。

图7显示粒径分布测量的结果。对于来自再循环槽6的吸取水8而言存在两个大的峰。一个是范围从0.03至0.2μm的亚微米颗粒组，具有0.1μm的峰值。另一个是范围从0.3至2μm的较大颗粒组，具有0.9μm的峰值。对于为水力旋流器下降流的第二级分11，观察到类似的峰。较大颗粒的峰高于吸取水8的较大颗粒的峰，这表明在返回反应槽的第二级分11中较大颗粒的浓度提高。

此外，在作为水力旋流器上升流的第一级分10中，几乎没有观察到大颗粒的峰，并且范围从0.03至0.4μm且具有0.1μm峰值的亚微米颗粒是占优势的。从这些结果得出结论：通过水力旋流器将亚微米颗粒主要分级至第一级分10中，并且可通过将第一级分10排出膜分离装置而选择性地从膜分离装置去除那些颗粒。

通过使用水力旋流器排出的亚微米颗粒的粒径范围为从0.03至0.4μm，并且这一尺寸稍微小于或大于在膜分离装置中使用的膜孔0.04μm的公称孔径。应注意到通过激光散射型粒径分析仪的测量值是作为球形颗粒的近似值，并且当在颗粒表面上存在结合的颗粒等时将粒径测量得较大。出于这些原因，即使颗粒的测量尺寸粗略地等于或稍微大于膜孔的尺寸，也可使颗粒渗透至膜孔中。从这些考量得出结论：可通过使用水力旋流器分级亚微米颗粒并从膜分离装置排出那些颗粒来抑制膜污染。

图8显示与图5中所示的实施例1中tmp测量相同的时间中膜分离槽内胶体物质的浓度改变。从图8揭示了胶体物质的浓度在测量时间内在特定范围内变化并且即使在水力旋流器开启操作之后也没有观察到浓度降低。胶体物质被认为是膜污染的主要原因之一并且预期通过如专利公开1中描述的使用水力旋流器去除胶体物质来抑制膜污染。然而，揭示了即使在运转水力旋流器之后胶体物质的浓度实际上没有改变，并且本发明证实了在没有减小膜分离槽中胶体物质浓度的情况下可抑制膜污染。

如下地解释在没有减少胶体物质的情况下抑制污染的机制。

在通过水力旋流器从膜分离装置去除亚微米颗粒之后，在膜分离槽中较大颗粒成为主要的。当较大颗粒在膜分离槽中成为主要的时，在膜表面上主要由这些较大颗粒形成滤饼层，并且该滤饼层防止胶体物质和较小颗粒进入膜孔中。因此，即使当胶体物质保持在膜分离槽中时也可有效地抑制膜污染。

如图5中所示，仅在从水力旋流器开启操作35天之后抑制了tmp提高。这个时间延迟归因于从膜分离槽的吸取水速率受限制并且花费长时间从膜分离槽去除亚微米颗粒。

如以上描述，反应槽和膜分离槽的总体积为450m³，并且通过水力旋流器分级的排出速率平均为36m³/天。用于去除亚微米颗粒的期待时间为38天，其通过总体积除以排出速率并然后乘三(所谓的3hrt，hydraulicretentiontime)计算。其得出如下计算：排出膜分离装置中经处理的水量需要38天。在从水力旋流器运转35天之后实现抑制污染，并且这个持续时间几乎与期待的天数对应。

发明实施例2和实施例3以缩短对于实施例1中抑制膜污染的时间间隔。在实施例2中，例如通过将含有较大颗粒的第二级分和作为含有亚微米颗粒的第二级分的残余物的第一级分返回膜分离装置，至膜分离装置的返回水与来自膜分离装置的吸取水的量比变得大于实施例1的量比。这导致待排出至系统外部的排出量减小并且来自膜分离装置的生产水量的提高。此外，实施例2能够使排出水量最小化，即使提高从膜分离装置至颗粒分级器的吸取水量。从膜分离装置的吸取水量提高导致从膜分离装置亚微米颗粒的去除速率提高。这能够在短时间内实现抑制膜污染。