中空管状水处理膜元件超声波除垢装置及其方法与流程

本发明涉及一种中空管状水处理膜元件超声波除垢装置及其方法。

背景技术：

目前，在城市污水处理及回用、工业废水处理及回用和高盐废水浓缩减量化等诸多领域的水处理中广泛地应用到了膜处理技术，其中尤其以管式膜应用最多。膜处理技术虽然具有在常温下操作、节能、分离效率高等优点，但是也存在易污堵和易结垢等问题，只有在膜元件得到彻底除垢清洗后，才能保证系统的高效运行和处理效果。

膜处理中传统的防垢除垢方法是注重对进水水质的改善，就是通过物理或化学的方法改善进水水质，如降低结垢机率、减少水中硬度和调节酸碱度等。这些方法运行中存在成本支出高、无垢期短和影响因素多等问题。其中应用较多的化学除垢清洗方法就需要用到大量的酸碱药剂或专用成品除垢剂，不仅运行成本高还会产生二次污染。

近些年来，超声波清洗技术正在被应用于多个领域。所谓超声波清洗技术就是利用超声波的“空化效应”达到除垢清洗目的。然而，现有超声波除垢清洗存在着除垢效果差、效率低的问题。因此，将超声波“空化效应”应用于水处理膜元件单一化学清洗中，两者耦合协同，产生强化作用一方面能碎化结垢初期的成垢晶核，阻止在固定位置的结晶点，有效防止无机盐在膜面的沉积和生长；另一方面能脱落成垢物质，加速结垢物质溶解，减少化学药剂使用量，提高防垢除垢的清洗效果，有效延长分离膜的使用寿命。

目前，超声波清洗技术较多应用于热交换设备和石油管道的清洗，很少应用于水处理膜元件的防垢除垢清洗中。cn03130388.9公开了一种“中空纤维分离膜的超声波清洗装置”，它的目的是针对中空纤维分离膜提供一种设备简单、占地小、分离膜清洗彻底、成本低的超声波清洗装置。其不足之处是清洗方式单一(仅用超声波)，装置繁多(每个膜元件需配一组超声波装置)，给后期维护更换带来不便。cn201210278706.5公开了“一种管外加装式超声处理设备”，它的目的是设计一对在圆形管道外侧可以方便加装的超声换能器，对管内流动的液体施加超声波。其不足之处是安装位置固定，无法在管外移动施加超声波。

因此，为了提高水处理管式膜元件超声波耦合化学防垢除垢清洗效果，克服单一化学清洗和现有装置存在的不足和问题，提供一种防垢除垢效率高、运行成本低、操作便捷灵活的水处理管式膜元件的防垢除垢方法及装置具有实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了克服上述不足，提供一种水处理膜元件除垢清洗方法，通过超声波“空化效应”和化学药剂清洗的耦合协同强化作用，提高水处理膜元件的防垢除垢效果，减少化学清洗药剂使用量。

本发明的另一个目的在于：为了实现上述方法，提供一种水处理膜元件除垢清洗装置。该装置可在水处理管式膜元件外壳上环状加装，并沿膜元件轴线驱动来回行走，具有安装简便、运用灵活、连续移动工作等特点。

为解决上述技术问题，本中空管状水处理膜元件超声波除垢装置，它包括超声波发生单元和控制单元，其中超声波发生单元包括超声波换能器、变幅杆和高频弹珠触头；控制单元包括壳体、电源开关和运行参数调节器，运行参数调节器设置在壳体内，该运行参数调节器通过可伸缩电源信号线与超声波发生单元的超声波换能器相连，其特征在于：其还包括行走伺服单元，该行走伺服单元包括箱体和两个半圆形抱环，两个半圆形抱环上端通过铰接轴连接，该铰接轴平行于半圆形抱环的轴心线，两个半圆形抱环下端设有扣件，通过扣件可拆卸地连接成一个可开合的闭环，每个半圆形抱环由一个波纹伸缩节和连接在波纹伸缩节两端的弧形段构成，所述变幅杆和高频弹珠触头就设置在该波纹伸缩节内腔内，变幅杆一端与超声波换能器连接，另一端与高频弹珠触头连接，将超声波发生器的能量传递至高频弹珠触头，且高频弹珠触头露出波纹伸缩节内侧壁，

所述箱体固定在闭环顶部，该箱体前后两侧分别突出于所述闭环，突出部中段下表面设有圆弧形凹槽，且圆弧形凹槽内设有一对驱动轮，箱体内设有驱动上述驱动轮的伺服电机，该伺服电机由所述控制单元控制，

下方的弧形段内侧壁上还设有行走滚珠，每个行走滚珠可转动地固定在一个可调径向伸缩杆的内端，该可调径向伸缩杆轴心线与待清洗的中空管状水处理膜元件的轴心线垂直相交。

如此设计，超声波发生单元发出的超声波能量集中，通过伺服电机带动，在待清洗的中空管状水处理膜元件往复移动，待清洗的中空管状水处理膜元件不同部位的水垢此起彼伏地被高能超声波轰击，水垢破碎彻底，除垢效果好。

作为优化，所述超声波换能器的振幅范围为20～40微米，频率范围为100～300khz。如此设计，处理超滤膜元件时，超声波换能器频率的优选范围为100～200khz，处理反渗透膜元件时，超声波换能器频率的优选范围为200～300khz。

作为优化，其还包括两个行程开关，两个行程开关分别与控制单元相连，并可夹持固定在待清洗中空管状水处理膜元件两端，行走伺服单元借助两个行程开关的限位作用，在控制单元控制下可在待清洗的中空管状水处理膜元件的外壳上来回行走，行走速度为0.5～2m/min。如此设计，便于自动控制行走伺服单元的往复移动。

作为优化，所述超声波换能器、变幅杆和高频弹珠触头的数量分别至少为两个，或者为两个以上偶数个间隔对称分布。如此设计，结构对称，运行平稳。

本发明中空管状水处理膜元件除垢清洗方法，该方法包括以下步骤：

①.对待清洗的中空管状水处理膜元件进行化学除垢清洗，方法如下：

根据待清洗的中空管状水处理膜元件的不同类型，选择适合的除垢药剂，按照相应的化学清洗要求进行操作，将除垢药剂泵入待清洗的中空管状水处理膜元件的进液口，保持恒定的压力和流量连续进液4～8小时后停止进液，溶化较小的成垢晶核和溶解部分较大的垢体，清洗废液从待清洗的中空管状水处理膜元件的排放口排出；

②.在待清洗的中空管状水处理膜元件上安装前述中空管状水处理膜元件超声波除垢装置——以下简称膜除垢装置，方法如下：

将扣件打开，将两个半圆形抱环绕所述铰接轴张开，套在待清洗的中空管状水处理膜元件上，然后用扣件连成闭环，并可左右移动，然后再调节可调径向伸缩杆，使所述行走滚珠抵在所述待清洗的中空管状水处理膜元件的外壁上，完成安装；

③.停止除垢药剂进液，启动膜除垢装置，方法如下：

打开电源开关，启动超声波发生单元中的超声波换能器，调节超声波频率和振幅，同时或然后启动所述伺服电机，带动所述闭环及箱体在待清洗的中空管状水处理膜元件上左、右往复移动，对待清洗的中空管状水处理膜元件内的水垢进行超声波破碎；

④.再次启动、并持续泵入除垢药剂，直至从待清洗的中空管状水处理膜元件的排放口排出的清洗废液与除垢药剂相比，ph值无变化，

⑤.将除垢药剂换成洁净的清水或蒸馏水，自待清洗的中空管状水处理膜元件进液口泵入，自待清洗的中空管状水处理膜元件的排放口排出，冲洗3-5分钟，最后关闭电源开关，并将其闭环从待清洗的中空管状水处理膜元件上拆除下来，即可。

如此设计，超声波发生单元发出的超声波能量集中，通过伺服电机带动，在待清洗的中空管状水处理膜元件上往复移动，待清洗的中空管状水处理膜元件不同部位的水垢，此起彼伏地被高能超声波轰击，水垢破碎效果，除垢彻底。

作为优选，第③、④步时，所述闭环每自待清洗的中空管状水处理膜元件一端移至另一端一次，所述闭环及其上的高频弹珠触头在待清洗的中空管状水处理膜元件上偏转5～10°，直至高频弹珠触头在待清洗的中空管状水处理膜元件外圆周壁上均匀地走过一遍或数遍。

如此设计，处理均匀，除垢彻底。

本发明中空管状水处理膜元件超声波除垢装置及其方法具有以下优点：

(1)本发明将超声波清洗技术应用于水处理膜元件的单一化学清洗方法中，利用超声波“空化效应”与化学药剂清洗的耦合协同强化作用，实现“初期化学清洗+中期超声波清洗+后期化学清洗”的清洗方式组合，这与结垢物质“溶蚀+振裂+溶解”的解垢过程相吻合。超声波“空化效应”形成微小气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，影响结垢物质内部之间的牢固性，破坏垢层与分离膜之间的结合力，从而产生许多小裂缝。当裂纹逐渐增多后，结垢物质便碎成颗粒，一部分从分离膜表面脱落。另外，水和化学药剂在毛细作用下通过细小裂缝渗入到结垢物质内部，带动结垢物质的膨胀和脱落；另一方面，“空化效应”对结垢物质的振裂有助于化学药剂对其的进一步溶解，解决小颗粒对膜元件通道的堵塞问题。

(2)本发明创新性提出将超声波清洗技术应用于水处理管式分离膜元件的除垢清洗中，改变单一的化学清洗方式，实现清洗方式由化学清洗向物化清洗的转变，有效提高水处理膜元件的除垢清洗效果，减少化学药剂使用量，降低化学药剂对水处理膜元件的腐蚀作用和清洗废液对环境的二次污染。

(3)本发明创新性提出膜元件外壳行走工作方式，改变常规管道内壁除垢的固定点位方式，克服了大型水处理膜组件中“既长又高”的膜元件除垢操作中的不便，同时利用本发明中装置的超声波扫频模式或固定频率模式实现对膜元件的全方位全波段除垢清洗目的。

(4)本发明有效提高了水处理膜元件防垢除垢清洗效果，减轻了水处理膜元件在运行过程中的结垢污堵和腐蚀，延长了水处理膜元件的使用寿命，降低了运行成本。装置小型化，操作灵活便捷。

本发明适合与超滤膜、反渗透膜水处理设备配套使用，广泛应用于各种水处理工作中。

附图说明

下面结合附图对本发明中空管状水处理膜元件超声波除垢装置及其方法作进一步说明：

图1是本中空管状水处理膜元件超声波除垢装置的使用状态的结构示意图；

图2是图1所述中空管状水处理膜元件超声波除垢装置的立体示意图；

图3是图2所示中空管状水处理膜元件超声波除垢装置的a-a向剖面结构示意图；

图4是图2所示中空管状水处理膜元件超声波除垢装置的b-b向剖面结构示意图。

图中：1为超声波换能器、2为变幅杆、3为高频弹珠触头、4为壳体、5为电源开关、6为运行参数调节器、7为可伸缩电源信号线、8为箱体、9为半圆形抱环、10为铰接轴、11为波纹伸缩节、12为弧形段、13为驱动轮、14为伺服电机、15为行走滚珠、16为待清洗的中空管状水处理膜元件、161为待清洗的中空管状水处理膜元件16的进液口、162为待清洗的中空管状水处理膜元件16的排放口、17为调节丝杆、18为扣件。

具体实施方式

实施方式一：如图1-4所示，本中空管状水处理膜元件超声波除垢装置包括超声波发生单元和控制单元，其中超声波发生单元包括超声波换能器1、变幅杆2和高频弹珠触头3；控制单元包括壳体4、电源开关5和运行参数调节器6，运行参数调节器6设置在壳体4内，该运行参数调节器6通过可伸缩电源信号线7与超声波发生单元的超声波换能器1相连，其特征在于：其还包括行走伺服单元，该行走伺服单元包括箱体8和两个半圆形抱环9，两个半圆形抱环9上端通过铰接轴10连接，该铰接轴10平行于半圆形抱环9的轴心线，两个半圆形抱环9下端设有扣件18，通过扣件18可拆卸地连接成一个可开合的闭环。

每个半圆形抱环9由一个波纹伸缩节11和连接在波纹伸缩节11两端的弧形段12构成，所述变幅杆2和高频弹珠触头3就设置在该波纹伸缩节11的内腔内，变幅杆2一端与超声波换能器1连接，另一端与高频弹珠触头3连接，将超声波发生器的能量传递至高频弹珠触头3，且高频弹珠触头3露出波纹伸缩节11内侧壁。

所述箱体8固定在闭环顶部，该箱体8前后两侧分别突出于所述闭环，突出部中段下表面设有圆弧形凹槽，且圆弧形凹槽内设有一对驱动轮13，箱体8内设有驱动上述驱动轮13的伺服电机14，该伺服电机14由所述控制单元控制.

下方的弧形段12内侧壁上还设有行走滚珠15，每个行走滚珠15可转动地固定在一个可调径向伸缩杆的内端，该可调径向伸缩杆轴心线与待清洗的中空管状水处理膜元件16的轴心线垂直相交。

所述半圆形抱环9上开有径向通孔，且该径向通孔内截面呈非圆形，所述可调径向伸缩杆中空，其外端开有外螺纹，所述径向通孔外端可旋转地固定有一个调节丝杆17，旋转该调节丝杆17，可以带动所述可调径向伸缩杆及内端的行走滚珠缩入或伸出径向通孔。如此设计，可以通过调节调节丝杆17，带动可调径向伸缩杆及其内端的行走滚珠，使行走滚珠15抵在与待清洗的中空管状水处理膜元件16的外壳上，便于安装，并可以用于外径略有差异的不同的待清洗的中空管状水处理膜元件16。

所述超声波换能器1的振幅范围为20～40微米，频率范围为100～300khz。

其还包括两个行程开关(图中未示出)，两个行程开关分别与控制单元相连，并可夹持固定在待清洗的中空管状水处理膜元件16两端，行走伺服单元可借助两个行程开关的限位作用，在控制单元控制下，在待清洗的中空管状水处理膜元件16的外壳上来回行走，行走速度为0.5～2m/min。

所述超声波换能器1、变幅杆2和高频弹珠触头3的数量分别至少为两个，或者为两个以上偶数个间隔对称分布。

本发明中空管状水处理膜元件除垢清洗方法，该方法包括以下步骤：

①.对待清洗的中空管状水处理膜元件16进行化学除垢清洗，方法如下：

根据待清洗的中空管状水处理膜元件16的不同类型，选择适合的除垢药剂，按照相应的化学清洗要求进行操作，将除垢药剂泵入待清洗的中空管状水处理膜元件16的进液口161，保持恒定的压力和流量连续进液4～8小时后停止进液，溶化较小的成垢晶核和溶解部分较大的垢体，清洗废液从待清洗的中空管状水处理膜元件16的排放口162排出。

②.在待清洗的中空管状水处理膜元件上安装前述中空管状水处理膜元件超声波除垢装置——以下简称膜除垢装置，方法如下：

将扣件18打开，将两个半圆形抱环9绕所述铰接轴10张开，套在待清洗的中空管状水处理膜元件16上，然后用扣件连成闭环，并可左右移动，然后再调节可调径向伸缩杆，使所述行走滚珠15抵在所述待清洗的中空管状水处理膜元件16的外壁上，完成安装，如图1所示。

③.停止除垢药剂进液，启动膜除垢装置，方法如下：

打开电源开关5，启动超声波发生单元中的超声波换能器1，调节超声波频率和振幅，同时或然后启动所述伺服电机14，带动所述闭环及箱体8在待清洗的中空管状水处理膜元件16上左、右往复移动，对待清洗的中空管状水处理膜元件16内的水垢进行超声波破碎。

④.再次启动、并持续泵入除垢药剂，直至从待清洗的中空管状水处理膜元件16的排放口162排出的清洗废液与除垢药剂相比，ph值无变化。

⑤.将除垢药剂换成洁净的清水或蒸馏水，自待清洗的中空管状水处理膜元件16的进液口161泵入，自待清洗的中空管状水处理膜元件16的排放口162排出，冲洗3-5分钟，最后关闭电源开关5，并将其闭环从待清洗的中空管状水处理膜元件16上拆除下来，即可。

作为化化，第③、④步时，所述闭环每自待清洗的中空管状水处理膜元件一端移至另一端一次，所述闭环及其上的高频弹珠触头在待清洗的中空管状水处理膜元件上偏转5～10°，直至高频弹珠触头在待清洗的中空管状水处理膜元件外圆周壁上均匀地走过一遍或数遍。

本发明能有效提高水处理膜元件的防垢除垢清洗效果，除垢清洗间隔周期比采用单一化学清洗方式延长了约40～50％，减少了分离膜上同一点位的再次结垢机率，减轻了其它污染物质对分离膜的污堵影响，延长了水处理膜元件的使用寿命；另一方面，本发明中化学清洗时长比采用单一化学清洗方式缩短了约50～60％，减少化学药剂使用量约40～60％，减轻了化学药剂对分离膜的腐蚀和清洗废液对环境的二次污染，降低了运行成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。