本發(fā)明屬于飲用水處理及中水回用領(lǐng)域，具體涉及超濾膜運行過程中低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
隨著水環(huán)境污染和水資源短缺的加劇，城市供水的處理對象不斷擴(kuò)展，不再局限于傳統(tǒng)的地表水、地下水等淡水水源，像苦咸水、海水、污水處理廠二沉池出水等均可作為水處理的目標(biāo)。超濾技術(shù)是應(yīng)對日益嚴(yán)峻的水危機(jī)及滿足日益嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的理想技術(shù)之一，但是膜污染因其關(guān)系著生產(chǎn)的運行穩(wěn)定性而為城市大型飲用水凈水廠所關(guān)注。在飲用水處理領(lǐng)域，反沖洗只是作為超濾膜日常運行的一項基本操作，并且在實際應(yīng)用中常采用超濾出水作為反沖洗水。然而，超濾出水作為反沖洗水的清洗效率有時并不高，尤其對于超濾過程中形成的有機(jī)污染。因此，有機(jī)物引起的膜污染在周期性反沖洗過程中的去除情況更應(yīng)受到關(guān)注。事實上，反沖洗水的水質(zhì)確實影響反沖洗效率，并存在矛盾之處。Abrahamse等人(Journal of Membrane Science,2008,323(1)：153-158)研究表明，減少進(jìn)水中二價陽離子或降低反沖洗水中離子強(qiáng)度(如超純水)可以降低超濾膜；Li(Delft：Delft University of Technology,2011)認(rèn)為含有低離子強(qiáng)度的反沖洗水的沖洗效果較好。然而超純水高昂的制造成本阻礙了其工業(yè)應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有緩解超濾膜污染的反沖洗水成本高，不合適工程應(yīng)用的問題，而提供一種低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置及其應(yīng)用方法。
本發(fā)明低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置，它包括進(jìn)水閥、膜池、抽真空泵、抽真空閥、產(chǎn)水閥、抽吸泵、壓力傳感器、清水池、反沖洗水池、反沖洗水泵、反沖洗閥、鼓風(fēng)機(jī)、曝氣閥、曝氣裝置和放空閥；
所述膜池的內(nèi)部設(shè)置超濾膜組件，超濾膜組件的底部設(shè)置曝氣裝置；膜池的上部依次設(shè)置抽真空管路、抽真空閥和抽真空泵；膜池的下部連接進(jìn)水管路和進(jìn)水閥，底部設(shè)置放空閥；抽真空管路與集水管路相連接，集水管路上依次設(shè)置壓力傳感器、產(chǎn)水閥、抽吸泵和清水池；集水管路與反沖洗管路相連接，反沖洗管路上依次設(shè)置反沖洗閥、反沖洗水泵和反沖洗水池；反沖洗水池中為低價態(tài)鹽溶液。
上述低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置的應(yīng)用方法，按以下步驟進(jìn)行：
一、進(jìn)水：打開進(jìn)水閥待濾水通過進(jìn)水管路進(jìn)入膜池，至待濾水浸沒超濾膜組件，打開抽真空閥和抽真空泵持續(xù)10s后關(guān)閉；
二、過濾：打開產(chǎn)水閥和抽吸泵，通過抽吸泵的負(fù)壓抽吸作用，待濾水由超濾膜組件的外側(cè)進(jìn)入內(nèi)測從而得到凈化，超濾產(chǎn)水匯集于集水管路，然后進(jìn)入清水池；所述超濾膜組件中膜的過濾通量采用15-60L/(m2·h)，過濾周期為30-480min；
三、降低膜池液位：過濾停止后反沖洗啟動前，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，而抽吸泵繼續(xù)運行，當(dāng)膜池的液位下降到設(shè)定的低液位時，抽吸泵停止工作；
四、反沖洗：低價態(tài)鹽溶液在反沖洗水池中配置好，然后打開反沖洗水泵，將低價態(tài)鹽溶液反向打入超濾膜組件中對膜進(jìn)行清洗，并進(jìn)行曝氣；
五、膜池排水：反沖洗后打開放空閥，將膜池中進(jìn)行全部或部分放空，污染物經(jīng)管路排入廢水池。
本發(fā)明中待濾水通過進(jìn)水管路及進(jìn)水閥進(jìn)入膜池，抽真空管路與產(chǎn)水系統(tǒng)相連接，膜池中待濾水經(jīng)抽吸泵由超濾膜組件的外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)，超濾產(chǎn)水匯集于集水管路，然后進(jìn)入清水池；低價態(tài)鹽溶液在反沖洗水池中配置好，由反沖洗水泵反向打入超濾膜組件中對膜進(jìn)行清洗，反沖洗的同時施以曝氣來強(qiáng)化反沖洗效果；反沖洗后膜池進(jìn)行部分排放。
本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明提出了低價態(tài)鹽溶液作為反沖洗水來緩解超濾膜污染的方法，由于鹽溶液對超濾膜有機(jī)污染物的溶解等作用，極大程度上緩解超濾膜污染，尤其是不可逆污染部分。減少了化學(xué)清洗藥劑的使用，以及延長膜的使用壽命，為飲用水處理及中水回用領(lǐng)域中超濾技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
(2)本發(fā)明中采用的氯化鈉等鹽為環(huán)境友好型物質(zhì)，對超濾膜系統(tǒng)的影響極小，相比于酸、堿、氧化劑等化學(xué)清洗藥劑，鹽溶液對超濾膜壽命、管路及閥門的腐蝕的影響均極低，類似于傳統(tǒng)的采用超濾出水作為反沖洗水時超濾膜系統(tǒng)受到的影響。
(3)本發(fā)明中由于反沖洗水的鹽濃度較低，反沖洗水后過濾系統(tǒng)中殘留的鹽含量經(jīng)計算也很低，遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中鈉離子的限值(200mg/L)，因此反沖洗后不必像化學(xué)清洗那樣完全放空膜池，即可進(jìn)行下一周期的過濾。
(4)本發(fā)明中采用的氯化鈉等鹽價格低廉，方便易得，且貯存與管理方便，勿需做特別處理，合適工程應(yīng)用。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置的示意圖，其中1為進(jìn)水閥，2為膜池，3為抽真空泵，4為抽真空閥，5為產(chǎn)水閥，6為抽吸泵，7為壓力傳感器，8為清水池，9為反沖洗水池，10為反沖洗水泵，11為反沖洗閥，12為鼓風(fēng)機(jī)，13為曝氣閥，14為曝氣裝置，15為放空閥。
具體實施方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。
具體實施方式一：結(jié)合圖1所示，本實施方式低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置，它包括進(jìn)水閥1、膜池2、抽真空泵3、抽真空閥4、產(chǎn)水閥5、抽吸泵6、壓力傳感器7、清水池8、反沖洗水池9、反沖洗水泵10、反沖洗閥11、鼓風(fēng)機(jī)12、曝氣閥13、曝氣裝置14和放空閥15；
所述膜池2的內(nèi)部設(shè)置超濾膜組件，超濾膜組件的底部設(shè)置曝氣裝置14；膜池2的上部依次設(shè)置抽真空管路、抽真空閥4和抽真空泵3；膜池2的下部連接進(jìn)水管路和進(jìn)水閥1，底部設(shè)置放空閥15；抽真空管路與集水管路相連接，集水管路上依次設(shè)置壓力傳感器7、產(chǎn)水閥5、抽吸泵6和清水池8；集水管路與反沖洗管路相連接，反沖洗管路上依次設(shè)置反沖洗閥11、反沖洗水泵10和反沖洗水池9；反沖洗水池9中為低價態(tài)鹽溶液。
本實施方式中進(jìn)水管路和進(jìn)水閥1組成進(jìn)水系統(tǒng)；
抽真空管路、抽真空泵3和抽真空閥4組成抽真空系統(tǒng)；
集水管路、產(chǎn)水閥5、抽吸泵6和清水池8組成產(chǎn)水系統(tǒng)；
反沖洗管路、反沖洗閥11、反沖洗水泵10和反沖洗水池9組成水反沖洗系統(tǒng)；
曝氣裝置14、鼓風(fēng)機(jī)12、曝氣管路和曝氣閥13組成曝氣系統(tǒng)；
放空閥15和放空管路組成膜池放空系統(tǒng)。
本實施方式中待濾水通過進(jìn)水管路及進(jìn)水閥1進(jìn)入膜池2，抽真空管路與產(chǎn)水系統(tǒng)相連接，膜池2中待濾水經(jīng)抽吸泵6由超濾膜組件的外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)，超濾產(chǎn)水匯集于集水管路，然后進(jìn)入清水池8；低價態(tài)鹽溶液在反沖洗水池中配置好，由反沖洗水泵反向打入超濾膜組件中對膜進(jìn)行清洗，反沖洗的同時施以曝氣來強(qiáng)化反沖洗效果；反沖洗后膜池進(jìn)行部分排放。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是，所述超濾膜組件采用有機(jī)膜或無機(jī)膜；采用有機(jī)膜時為聚醚砜(PES)、聚砜(PS)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)或醋酸纖維素(CA)；采用無機(jī)膜時為氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鈦(TiO2)或氧化硅(SiO2)。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是，所述超濾膜組件的形式采用平板膜或中空纖維膜；過濾方式采用浸沒式過濾或壓力式過濾。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是，所述平板膜或中空纖維膜均為超濾膜，膜的截留分子量為10-500kDa。其它與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是，所述膜組件中膜的過濾通量采用15-60L/(m2·h)，過濾周期為30-480min。其它與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是，所述曝氣裝置為穿孔管曝氣或曝氣盤曝氣。其它與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是，所述低價態(tài)鹽溶液采用濃度為0.1-10mmol/L的一價陽離子的鹽溶液，作為反沖洗水使用。其它與具體實施方式一至六之一相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是，所述一價陽離子的鹽溶液為氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、硝酸鈉溶液、硝酸鉀溶液、硫酸鈉溶液或硫酸鉀溶液。其它與具體實施方式一至七之一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是，所述低價態(tài)鹽溶液還可以采用經(jīng)過簡單處理的苦咸水或海水，作為反沖洗水使用，適用于苦咸水地區(qū)及沿海地區(qū)。其它與具體實施方式一至八之一相同。
本實施方式中簡單處理的苦咸水或海水，是指采用現(xiàn)有淡化處理技術(shù)對苦咸水或海水進(jìn)行預(yù)處理，主要去除其中的多價陽離子。
具體實施方式十：本實施方式為上述低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置的應(yīng)用方法，按以下步驟進(jìn)行：
一、進(jìn)水：打開進(jìn)水閥1待濾水通過進(jìn)水管路進(jìn)入膜池2，至待濾水浸沒超濾膜組件，打開抽真空閥4和抽真空泵3持續(xù)10s后關(guān)閉；
二、過濾：打開產(chǎn)水閥5和抽吸泵6，通過抽吸泵6的負(fù)壓抽吸作用，待濾水由超濾膜組件的外側(cè)進(jìn)入內(nèi)測從而得到凈化，超濾產(chǎn)水匯集于集水管路，然后進(jìn)入清水池8；所述超濾膜組件中膜的過濾通量采用15-60L/(m2·h)，過濾周期為30-480min；
三、降低膜池液位：過濾停止后反沖洗啟動前，首先關(guān)閉進(jìn)水閥1，而抽吸泵6繼續(xù)運行，當(dāng)膜池2的液位下降到設(shè)定的低液位時，抽吸泵6停止工作；
四、反沖洗：低價態(tài)鹽溶液在反沖洗水池9中配置好，然后打開反沖洗水泵10，將低價態(tài)鹽溶液反向打入超濾膜組件中對膜進(jìn)行清洗，并進(jìn)行曝氣；
五、膜池排水：反沖洗后打開放空閥15，將膜池2中進(jìn)行全部或部分放空，污染物經(jīng)管路排入廢水池。
本實施方式步驟一中當(dāng)膜池2啟動或一個新的過濾周期開始時，由于膜池2中液位較低，需要加注待濾水至浸沒超濾膜組件；通過設(shè)定的高低液位維持膜池2中的水位在超濾膜組件上方，溢流水位之下。
本實施方式步驟一中抽真空的目的是以排除集水管路中的空氣，確保集水管路中充滿液體。
本實施方式步驟三中所述液位下降到設(shè)定的低液位是指液位下降到與超濾膜組件上部持平的位置。
本實施方式步驟四中進(jìn)行反沖洗，是因為隨著過濾的進(jìn)行，待濾水中的污染物逐漸在超濾膜組件上積累，使跨膜壓差增加，需要停止過濾進(jìn)行周期性的反沖洗。
本實施方式步驟四中曝氣的目的是強(qiáng)化反沖洗效果，因為空氣擦洗在膜表面形成剪切力，有利于將污染物質(zhì)沖離膜絲并進(jìn)入膜池中。
具體實施方式十二：本實施方式與具體實施方式十一不同的是，步驟一中待濾水為地表水、地下水、苦咸水、海水、飲用水凈水廠砂濾池反沖洗廢水或污水處理廠二沉池出水。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式十一相同。
具體實施方式十三：本實施方式與具體實施方式十一或十二不同的是，步驟四反沖洗過程中，超濾膜組件中膜的反沖洗通量采用15-240L/(m2·h)，反沖洗持續(xù)時間為30-120s。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式十一或十二相同。
具體實施方式十四：本實施方式與具體實施方式十一至十三之一不同的是，步驟四中曝氣的強(qiáng)度(以膜池底面積計算)采用50-90m3/(m2·h)，曝氣持續(xù)時間為30-150s。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式十一至十三之一相同。
采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
實施例：
結(jié)合圖1所示，低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置，它包括進(jìn)水閥1、膜池2、抽真空泵3、抽真空閥4、產(chǎn)水閥5、抽吸泵6、壓力傳感器7、清水池8、反沖洗水池9、反沖洗水泵10、反沖洗閥11、鼓風(fēng)機(jī)12、曝氣閥13、曝氣裝置14和放空閥15；
所述膜池2的內(nèi)部設(shè)置中空纖維超濾膜組件，中空纖維超濾膜組件的底部設(shè)置曝氣裝置14；膜池2的上部依次設(shè)置抽真空管路、抽真空閥4和抽真空泵3；膜池2的下部連接進(jìn)水管路和進(jìn)水閥1，底部設(shè)置放空閥15；抽真空管路與集水管路相連接，集水管路上依次設(shè)置壓力傳感器7、產(chǎn)水閥5、抽吸泵6和清水池8；集水管路與反沖洗管路相連接，反沖洗管路上依次設(shè)反沖洗閥11、反沖洗水泵10和反沖洗水池9；反沖洗水池9中為低價態(tài)鹽溶液。
上述低價態(tài)鹽溶液反沖洗緩解超濾膜污染的裝置的應(yīng)用方法，按以下步驟進(jìn)行：
一、進(jìn)水：打開進(jìn)水閥1待濾水通過進(jìn)水管路進(jìn)入膜池2，至待濾水浸沒中空纖維超濾膜組件，打開抽真空閥4和抽真空泵3持續(xù)10s后關(guān)閉；
二、過濾：打開產(chǎn)水閥和抽吸泵6，通過抽吸泵6的負(fù)壓抽吸作用，待濾水由中空纖維超濾膜組件的外側(cè)進(jìn)入內(nèi)測從而得到凈化，超濾產(chǎn)水匯集于集水管路，然后進(jìn)入清水池8；所述中空纖維超濾膜的過濾通量采用30L/(m2·h)，過濾周期為60min；
三、降低膜池液位：過濾停止后反沖洗啟動前，首先關(guān)閉進(jìn)水閥1，而抽吸泵6繼續(xù)運行，當(dāng)膜池2的液位下降到設(shè)定的低液位時，抽吸泵6停止工作；
四、反沖洗：低價態(tài)鹽溶液在反沖洗水池9中配置好，然后打開反沖洗水泵10，將低價態(tài)鹽溶液反向打入中空纖維超濾膜組件中對膜進(jìn)行清洗，并進(jìn)行曝氣；
五、膜池排水：反沖洗后打開放空閥15，將膜池2中進(jìn)行全部或部分放空，污染物經(jīng)管路排入廢水池。
本實施例中以某一天然地表水(江水)和污水處理廠二沉池出水為原水，經(jīng)過0.45μm微孔濾膜過濾后作為待濾水，對比了采用1mmol/L的氯化鈉溶液(即低價態(tài)鹽溶液)和超濾出水作為反沖洗用水時超濾膜的膜污染和反沖洗效果，其中超濾膜采用100kDa的PVDF材質(zhì)的中空纖維超濾膜，過濾通量和反沖洗通量分別為30和60L/(m2·h)，過濾時間和反沖洗時間分別為60和1min，曝氣的強(qiáng)度(以膜池底面積計算)采用60m3/(m2·h)，曝氣持續(xù)時間為90s。結(jié)果如表1所示，有表1可以看出，當(dāng)反沖洗水由超濾出水更換為氯化鈉溶液時，跨膜壓差增長情況得到顯著控制。
表1