CN101774731B - 减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法是在原水中投加混凝剂和助凝剂并施以水力条件进行强化混凝反应，然后用外压中空纤维膜组件过滤的同时进行气流循环提升处理。本发明还公开了根据该方法设计的一体化装置。本发明通过在原水中投加混凝剂、助凝剂和气提式曝气处理置于外压中空纤维膜组件过滤的下方等技术措施，不仅提高了污染物的去除率和水处理效果，而且还大大减轻了膜污染，节省了膜组件运行的能耗，延长了膜组件的运行周期，缩短了清洗时间，降低了反冲洗成本，加之占地面积小，投资成本低，且实施简便灵活，适用于大规模城市的水处理，亦适于水处理工艺不完善，处理规模较小的广大城镇、农村地区。

Description

减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法及装置

技术领域

本发明属于用于水处理的膜组合工艺方法及装置技术领域，具体涉及一种可减轻膜污染、提高水质处理效果的强化混凝-气提-膜的一体化方法及装置。

背景技术

近年来，为满足日益严格的生活饮用水卫生标准，膜滤技术中的微滤、超滤、反渗透技术作为常规水处理工艺的替代技术得到了越来越多的研究与应用。膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势，除了中空纤维式、卷式、管式、板框式和折叠式以外，又开发出回转平膜、浸渍平式膜等。在饮用水处理中，以中空纤维式的微滤(MF)、超滤(UF)膜的应用更为广泛。虽然微滤、超滤、反渗透技术可以有效地去除水中的颗粒物、大肠杆菌、贾第虫和隐孢子虫，消除浊度，但膜在过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜会发生物理化学作用或机械作用而在膜的表面或膜孔内吸附、沉积而逐渐造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过通量与分离特性不可逆变化的现象，即膜污染。这一问题制约了微滤、超滤、反渗透技术在更为广泛领域里的应用。

虽然膜污染之后，采用常规的反冲洗方法可以使膜的性能恢复或部分恢复到原来的状态，但反冲洗不仅成本高，且冲洗效果并不够理想。因此，最大程度减轻膜污染是本领域技术人员一直想解决而未能较好解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有膜滤技术存在的膜污染问题，提供一种减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法。

本发明的另一目的是提供根据上述方法而设计的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化装置。

本发明提供的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法是先在原水中投加混凝剂和助凝剂并施以水力条件进行强化混凝反应，然后将混凝反应后的处理水在用外压中空纤维膜组件过滤的同时进行曝气气流循环提升处理。

上述方法投加的混凝剂为氯化铁、硫酸铝、聚合铝盐、聚合铁盐、复合铝铁或聚丙烯酰胺中的任一种，投加量为10～80mg/L；投加的助凝剂为高锰酸钾、粉末活性炭或活化硅酸中的任一种，投加量为0.02～10mg/L；施以的水力条件为快速搅拌阶段80～200s^-1，时间30s～2min，慢速搅拌阶段10～40s^-1，时间8～15min。

上述方法进行曝气气流循环提升处理的气泡直径为10μm～25mm，也可为20μm～15mm；所用气体为空气、纯臭氧、臭氧与氧气的混和气体或臭氧与空气的混合气体中的任一种。当所用气体为纯臭氧、臭氧与氧气的混和气体或臭氧与空气的混合气体中的任一种时，还在位于中空膜过滤组件中的处理水中加有催化剂，以便与臭氧一起对有机污染物进行降解，所用的膜为抗氧化性的膜。加入的催化剂为金属铁、镍、铜、铂、钯、钌、铑、三氧化二铁、羟基氧化铁、氢氧化铁、二氧化锰、氧化镍、二氧化钛或氧化铜中的任一种。

本发明提供的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化装置，该装置包括混凝反应装置、外压中空膜过滤组件和曝气装置，混凝反应装置通过管道与外压中空膜过滤组件下部相连，曝气装置位于外压中空膜过滤组件底部。

该一体化装置中的混凝反应装置为带搅拌的混凝容器或管道混合器。

该一体化装置中的曝气装置由凸形曝气盘、曝气管和鼓风机或由凸形曝气盘、曝气管、臭氧发生器和鼓风机或凸形曝气盘、曝气管和臭氧发生器或凸形曝气盘、曝气管、臭氧发生器和制氧机构成，或由环形曝气头、曝气管和鼓风机或由环形曝气头、曝气管、臭氧发生器和鼓风机或环形曝气头、曝气管和臭氧发生器或环形曝气头、曝气管、臭氧发生器和制氧机构成，或由凸形曝气盘、环形曝气头、曝气管和鼓风机或由凸形曝气盘、环形曝气头、曝气管、臭氧发生器和鼓风机或凸形曝气盘、环形曝气头、曝气管和臭氧发生器或凸形曝气盘、环形曝气头、曝气管、臭氧发生器和制氧机构成，凸形曝气盘位于外压中空膜过滤组件内的底中部，其上表面分布有曝气孔，环形曝气头位于外压中空膜过滤组件内底部，其上表面分布有曝气孔。

该一体化装置内还设置有中心管、滤网、凹形挡气罩和絮体排放管，中心管位于沿轴向平行排列的毛细管中空膜组的中部，其上部开有过水孔，滤网安装在中心管底部，凹形挡气罩位于中心管底部下方，絮体排放管一端依次穿过凹形挡气罩、滤网位于中心管内，另一端伸出位于外压中空膜过滤组件外壳外。

当该一体化装置的曝气装置设置有臭氧发生器时，在外压中空膜过滤组件的中空膜之间还设置有柱状催化剂或负载于柱状非金属材料表面的催化剂，催化剂为金属铁、镍、铜、铂、钯、钌、铑、三氧化二铁、羟基氧化铁、氢氧化铁、二氧化锰、氧化镍、二氧化钛或氧化铜中的任一种。

本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：

1、由于本发明在膜分离前的原水中不仅投加了混凝剂和助凝剂，且还施加了与之配合的较为精细的水力条件，因而不仅提高了污染物的去除率，而且还可使原水中悬浮的微粒、胶体粒子或溶质大分子与混凝剂和助凝剂充分发生反应形成较大粒径絮体，大大减少其在膜的表面或膜孔内吸附、沉积而逐渐造成膜孔径变小或堵塞的现象，提高了水处理效率和水处理效果。

2、由于本发明设置的曝气装置位于外压中空膜过滤组件底部，故而在对混凝反应后的处理水在进行曝气处理的同时，所产生的微气泡具有气流循环提升的作用，可以带动水流在膜组件内进行循环、扰动，在膜表面形成剪切流，因而大大降低水中絮体、残余的小粒径颗粒与膜表面的接触、吸附，进一步降低过滤时对膜孔的堵塞，减轻了膜污染，节省了膜组件运行的能耗，延长了膜组件的运行周期，缩短了清洗时间。

3、由于本发明在外压中空膜过滤组件底部设置了曝气装置，因而不仅可与强化混凝技术措施协同作用大大减轻膜污染，而且还可达到更高的有机物的去除率，包括原水中含有的油脂成分，是一种具有多级安全保障功能的一体化水处理装置。

4、由于采用本发明的技术方案可大大减轻膜污染，因而即便进行反冲洗，反冲洗过程也更为容易，成本也可大为降低。

5、由于本发明为水处理一体化技术和装置，因而占地面积小，投资成本低，且实施简便灵活(可根据处理水量的需要进行多个搭配组装)，亦适用于水处理工艺不完善，处理规模较小的广大城镇、农村地区。

6、本发明既可用于新建水处理***，也可用于对已建设备的改造，应用前景非常广阔。

附图说明

图1为本发明一体化装置的一种实施方式的剖视结构示意图；

图2为本发明一体化装置的另一种实施方式的剖视结构示意图；

图3为本发明一体化装置中的催化剂和毛细管中空膜的位置关系示意图；

图4为本发明一体化装置的第三种实施方式的剖视结构示意图；

图5为本发明一体化装置的第四种实施方式的剖视结构示意图；

图6为本发明一体化装置的第五种实施方式的剖视结构示意图；

图7为本发明一体化装置的第六种实施方式的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例以对本发明作出进一步说明，但所给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，因而本专业的技术人员根据上述本发明的内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，由本发明方法设计的一体化装置包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。

混凝反应装置1为带搅拌的混凝容器或管道混合器，本实施例为带搅拌的混凝容器。该带搅拌的混凝容器1一侧上部连接进水管2，另一侧通过管道与外压中空膜过滤组件3下部连接相通，混凝剂和助凝剂可直接从混凝容器1的上部投加。外压中空膜过滤组件3是由外壳4、固定在外壳内沿轴向平行排列的毛细管中空膜组5、中心管6、滤网7、凹形挡气罩8、絮体排放管9、清洗进水管10和出水管20构成。中心管6位于沿轴向平行排列的毛细管中空膜组5的中部，其上部开有过水孔，滤网7安装在中心管6底部，凹形挡气罩8位于中心管6底部下方，絮体排放管9一端依次穿过凹形挡气罩8、滤网7位于中心管6内，另一端伸出位于外压中空膜过滤组件外壳4外，清洗进水管10位于外壳4的底部并与之相通。出水管20位于外压中空膜过滤组件3的外壳4上部并与之相通。曝气装置13本实施例是由凸形曝气盘14、曝气管16和鼓风机17构成。凸形曝气盘14位于外压中空膜过滤组件3内的底中部，其上表面分布有曝气孔，并通过曝气管16和鼓风机17相连。

使用时，原水从进水管2流入混凝反应容器1后，根据需要投加相应的混凝剂和助凝剂，并开动搅拌快速搅拌使混凝剂和助凝剂与原水迅速混合均匀，然后转为慢速搅拌使混凝剂和助凝剂与原水中的悬浮的微粒、胶体粒子或溶质大分子充分发生反应形成较大粒径的絮体。强化混凝后的水通过管道进入外压中空膜过滤组件3内的底部曝气区，鼓风机17通过曝气管16将气体从凸形曝气盘上表面分布的曝气孔曝出分布于水中，同时水和絮体受气泡的浮力而上升。当上升到平行排列的毛细管中空膜组5时，在外部水的压力作用下，水会由外向内透过滤膜，进入毛细管中空膜内而被净化，净化水在上部汇集通过出水管20流出，而絮体及其他残留物则被截留在平行排列的毛细管中空膜之间。截留在平行排列的毛细管中空膜之间的絮体及其他残留物因曝气产生的上浮气泡的扰动，在膜表面形成剪切流，因而一方面可以减少絮体及残留物与膜管壁的接触，另一方面可以清除附着在膜管壁上的絮体及残留物，有效减少膜的堵塞，使得***的清洗次数及时间减少。随着净化水的出流，毛细膜管外的絮体及残留物会在上端富集，形成比较浑浊的水，这部分水及气泡通过位于毛细管中空膜组5中部设置的中心管6上端的过水孔流入管内，气体从中心管上部溢出排放或收集到曝气装置中循环利用。而含有絮体及残留物的水则流向中心管6下部，水通过滤网7后回到底部曝气区，絮体及残留物被滤网截留下来，经过一定的时间积累后，由絮体排放管9排出。其中设置的凹形挡气罩8是为了避免位于中心管6下方的凸形曝气盘14曝出的气体影响絮体及残留物的沉积和排放。本装置使用一段时间后，可通过清洗进水管10用纯水对毛细管中空膜组5进行冲洗。

实施例2

如图2所示，由本发明方法设计的本实施例装置也包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。

由于本实施例除1)曝气装置13是由凸形曝气盘14、曝气管16、臭氧发生器18和鼓风机17构成；2)在外压中空膜过滤组件3的毛细管中空膜5之间设置有柱状催化剂11，见图3，该催化剂11可根据需要选择金属铁、镍、铜、铂、钯、钌、铑、三氧化二铁、羟基氧化铁、氢氧化铁、二氧化锰、氧化镍、二氧化钛或氧化铜中的任一种；3)在中心管6的顶端连接有一气体收集循环管12，该气体收集循环管12与曝气管16相通外，其余部件的形状、结构及连接关系因都与实施例1完全相同，故略去不述。

实施例3

如图4所示，由本发明方法设计的本实施例装置也包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。

本实施例与实施例1不同的是：1)混凝反应装置1为管道混合器，该管道混合器1一端与进水管2相连，另一端通过管道与外压中空膜过滤组件3下部连接相通，混凝剂和助凝剂可直接从管道混合器1的上部投加。2)曝气装置13是由环形曝气头15、曝气管16、臭氧发生器18和鼓风机17构成。3)在中心管6的顶端连接有一气体收集循环管12，该气体收集循环管12与曝气管16相通。4)在外压中空膜过滤组件3的毛细管中空膜5之间设置有柱状催化剂11，见图3。该催化剂11可根据需要选择金属铁、镍、铜、铂、钯、钌、铑、三氧化二铁、羟基氧化铁、氢氧化铁、二氧化锰、氧化镍、二氧化钛或氧化铜中的任一种。由于其余部件的形状、结构及连接关系与实施例1完全相同，故略去不述。

实施例4

本实施例设计的一体化装置如图5所示，也包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。与实施例3不同的是本实施例的曝气装置13是由环形曝气头15、曝气管16、臭氧发生器18和制氧机19构成。而其余各部件的形状、结构及连接关系因与实施例3完全相同，故略去不述。

实施例5

本实施例设计的一体化装置如图6所示，也包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。本实施例与实施例3不同的是曝气装置13是由凸形曝气盘14、环形曝气头15、曝气管16和臭氧发生器18构成，凸形曝气盘14位于环形曝气头15中部。而其余各部件的形状、结构及连接关系因与实施例3完全相同，故略去不述。

实施例6

本实施例设计的一体化装置如图7所示，也包括混凝反应装置1、外压中空膜过滤组件3和曝气装置13，混凝反应装置1通过管道与外压中空膜过滤组件3下部相连，曝气装置13位于外压中空膜过滤组件3底部。本实施例与实施例1不同的是曝气装置13是由凸形曝气盘14、环形曝气头15、曝气管16和鼓风机17构成，凸形曝气盘14位于环形曝气头15中部。而其余各部件的形状、结构及连接关系因与实施例1完全相同，故略去不述。

实施例7

本实施例采用图1给出的装置，先在进入混凝容器的原水中按30mg/L投加氯化铁，按10mg/L投加活末活性炭，同时进行快速搅拌80s^-1，时间1min后，再慢速搅拌阶段20s^-1，时间13min，然后通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气，气泡直径为0.5～1.5mm。

实施例8

本实施例采用图1给出的装置，先在进入混凝容器的原水中按10mg/L投加聚合铁盐，按5mg/L投加高锰酸钾，同时进行快速搅拌150s^-1，时间1.5min后，再慢速搅拌阶段10s^-1，时间15min，然后通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气，气泡直径为5～10mm。

实施例9

本实施例采用图5给出的装置，先在进入管道混合器的原水中按50mg/L投加复合铝铁，按2mg/L投加粉末活性炭，然后通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为氧气和臭氧，气泡直径为10～80μm。

实施例10

本实施例采用图2给出的装置，先在进入混凝容器的原水中按80mg/L投加氯化铁，按0.02mg/L投加高锰酸钾，同时进行快速搅拌200s^-1，时间30s后，再慢速搅拌阶段15s^-1，时间10min，然后再通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气和臭氧，气泡直径为20～25mm。

实施例11

本实施例采用图7给出的装置，先在进入管道混合器的原水中按65mg/L投加聚丙烯酰胺，按5mg/L投加粉末活性炭，然后再通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气，气泡直径为80μm～0.5mm。

实施例12

本实施例采用图2给出的装置，先在进入混凝容器的原水中按70mg/L投加聚合铝盐，按2mg/L投加活化硅酸，同时进行快速搅拌130s^-1，时间50s后，再慢速搅拌阶段36s^-1，时间10min，然后通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气和臭氧，气泡直径为1.5～5mm。

实施例13

本实施例采用图2给出的装置，先在进入混凝容器的原水中按70mg/L投加聚合铝盐，按10mg/L投加活化硅酸，同时进行快速搅拌160s^-1，时间90min后，再慢速搅拌阶段40s^-1，时间8min，然后通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气和臭氧，气泡直径为15～20mm。

实施例14

本实施例采用图4给出的装置，先在进入管道混合器的原水中按40mg/L投加复合铝铁，按0.3mg/L投加高锰酸钾，然后再通过管道将混凝反应后的处理水送入外压中空纤维膜过滤组件外壳下部的曝气区中进行曝气处理后，经中部沿轴向平行排列的毛细管中空膜组过滤。曝气处理所用气体为空气和臭氧，气泡直径为10～15mm。

Claims (4)

1.减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法是先在原水中投加混凝剂和助凝剂并施以水力条件进行强化混凝反应，然后将混凝反应后的处理水在用外压中空纤维膜组件过滤的同时进行曝气气流循环提升处理，其中施加的水力条件为快速搅拌阶段80～200s^-1，时间30s～2min，慢速搅拌阶段10～40s^-1，时间8～15min，进行曝气气流循环提升处理的气泡直径为10μm～25mm；投加的混凝剂为氯化铁、硫酸铝、聚合铝盐、聚合铁盐、复合铝铁或聚丙烯酰胺中的任一种，投加量为10～80mg/L；投加的助凝剂为高锰酸钾、粉末活性炭或活化硅酸中的任一种，投加量为0.02～10mg/L。

2.根据权利要求1所述的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法所用气体为空气、纯臭氧、臭氧与空气的混合气体或臭氧与氧气的混合气体中的任一种。

3.根据权利要求2所述的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法中所用气体为纯臭氧、臭氧与氧气的混合气体或臭氧与空气的混合气体中的任一种时，还在位于中空膜过滤组件中的处理水中加有催化剂，中空膜为具有抗氧化性的膜。

4.根据权利要求3所述的减轻膜污染的强化混凝-气提-膜的一体化方法，该方法在处理水中加有的催化剂为金属铁、镍、铜、铂、钯、钌、铑、三氧化二铁、羟基氧化铁、氢氧化铁、二氧化锰、氧化镍、二氧化钛或氧化铜中的任一种。 

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