專利名稱：一種中空纖維膜組件的清洗方法
技術領域：
本發明涉及一種中空纖維膜組件的清洗方法，特別是涉及一種中空纖維膜組件在水質凈化的過程中，膜通量達不到設計值時的清洗的工藝方法，屬于環保水處理技術領域。
背景技術：
隨著世界人口的不斷增長和工農業的飛速發展，用水量及排水量正逐年增加，而有限的地表水和地下水資源又不斷受到污染，加之地區性的水資源分布不均勻和周期性干旱，導致很多國家和地區淡水資源短缺，水資源的供需矛盾有著愈來愈尖銳的趨勢。我國也是水資源嚴重短缺的國家之一。水資源的日益短缺迫切要求開發合適的污水資源化技術，以緩解這一矛盾。
多年來，人們多方尋找解決水資源短缺問題的途徑，其中，城市污水資源化備受人們青睞。首先，城市污水一般是由生活污水和一部分經過預處理達到三級排放標準的工業廢水混合組成的，其水量往往很大，約占整個城市用水量的50-80％，水質污染比較輕，同時水質相對穩定，不受氣候等自然條件的影響，且易于收集，不需長距離引水，其再生處理成本比海水淡化低廉，基建投資比遠距離引水經濟得多。因此，當今世界各國解決缺水問題時，城市污水首先被選為可靠的供水水源進行再生與回用。
在這種情勢下，用膜分離技術代替傳統的重力式沉淀池所構成的新型水處理技術—膜生物反應器(Membrane Bioreactor，簡稱MBR)組合工藝顯示出很強的優勢。由于膜組件與生物反應器直接接觸，MBR在反應器能夠直接截留大部分的微生物，使其能夠保持較高的污泥濃度和理論上無限長的污泥齡。另外，通過膜過濾，出水懸浮物幾乎為零，出水水質達到回用標準。而中空纖維膜組件則是膜生物反應器的核心部分。
但是與其他工藝一樣，MBR工藝的發展不僅取決于工藝本身，還取決于其經濟可行性。膜工藝的費用主要包括膜的價格、膜的更換頻率和能耗需求。隨著膜的制作水平的提高，膜的價格已大大降低，而膜的更換頻率與膜的穩定運行有關，這就取決于料液對膜的作用，其中膜污染成為一個很重要的因素。因此膜污染是MBR推廣應用中遇到的問題之一，尋求中空纖維膜組件的清晰方法成為當前MBR研究的一個重要方向。
中空纖維膜組件的清洗方法有物理清洗和化學清洗兩種其中物理清洗通常采用空氣、水振動等方式；化學清洗則需使用各種化學清洗劑，包括酸性、堿性清洗劑、氧化還原清洗劑和生物酶清洗劑等。
酸性清洗劑對于去除Ca2+、 Mg2+、Fe2+等金屬離子及其氫氧化物以及無機鹽凝膠層較為有效。常用的酸性清洗劑有鹽酸溶液、草酸溶液、檸檬酸、檸檬酸胺、EDTA等。
堿性清洗劑對去除蛋白質、油脂類污染具有良好的效果。常用堿性清洗劑包括NaOH水溶液。
氧化還原清洗劑包括次氯酸鈉、疊氮酸鈉等，對去除有機物污染、細菌、微生物污染有一定的效果。
中國發明專利申請98125099.8號給出的《一種外壓中空纖維膜的清洗方法及相應膜組件》，也涉及外壓中空纖維膜的清洗方法及設備，其特征是膜組件內的膜為U型并倒置單頭鑄封在膜組件的下方，在清洗過程中，反洗液由膜組件下端的一個管口進入倒U型膜內反向清洗；與此同時，由另一個管口注入壓縮空氣于膜組件的腔隙內，以對膜外部進行空氣振洗，洗后液及空氣則從膜組件上端的管口排出。
以上的處理方法均有弊病，對中空纖維膜的影響很大，嚴重影響著中空纖維膜組件的使用壽命。例如物理清洗通常都采用空曝氣，只是作用于膜組件的表面，膜孔徑內部及膜管內則鞭長莫及，只能清洗膜表面的污染物，清洗時所需的能耗大，不但清洗時間長，清洗效果也差；人工清洗則不能實現在線清洗，必須把膜組件從反應器中取出，人工清洗對膜組件表面的污染物有一定的效果，但是對膜組件的機械強度要求高，普通膜組件一般達不到這樣的要求；化學清洗通過往水中加入適當的清洗劑，能夠直接作用于膜孔徑及膜管內部。但是，經常性的化學清洗則會縮短膜組件的使用壽命。而且，濃度過高的化學藥品會引起二次污染。
以上各種清洗方法都存在一個共同的缺點，即不能實現在線清洗，清洗時必須取出膜組件，停止運行。而清洗費用都占膜生物反應器運行費用很高的比率，對于用戶來說，既麻煩又不經濟。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，通過對現有清洗方法進行改進，給出了一種新的中空纖維膜組件的清洗方法。這種新的清洗方法是利用超聲波的特殊效應，將超聲波工業處理機中的換能器設置在膜生物反應器的膜組件周圍，對污染后的膜組件進行在線清洗和離線清洗，其機理為超聲作用下液體的聲空化，即液體在超聲作用下產生一定數量的空化泡，在空化泡崩潰的瞬間，會在其周圍極小空間范圍內產生出1900-5200K高溫和超過5.065×107Pa的高壓，溫度變化率高達109K/s，并伴有強烈的沖擊波和時速高達400km/h的射流，這些極端環境足以將泡內氣體和液體交界的介質加熱分解產生強氧化性的自由基如·O、·OH、·O2H等，從而促進中空膜組件表面及膜孔內的污染物質被分解或者被脫離膜組件的表面和膜孔徑。超聲波技術在環保行業，尤其是在水處理行業中的應用，是對膜生物反應器技術的一次重大革命，掃除了膜生物反應器在中水回用應用的一大障礙，解決了多年以來難以解決的問題。
本發明給出的技術方案是這種中空纖維膜組件的清洗方法可以應用于在線清洗，其特點是由以下幾個步驟組成a).首先當膜內外壓差達到設定值時，即膜污染到達一定程度時，設置在膜生物反應器內的液位控制器向控制系統發出信號；b).控制系統接到液位控制器發送的信號后，啟動設置在膜組件周圍的超聲波換能器開始在常溫常壓下工作，清洗膜組件的超聲波功率密度為0.4-0.6 W/cm2，清洗膜組件的時間至少為30分鐘，同時對膜組件進行曝氣，曝氣量400L/h；c).隨著超聲波清洗的進展，超聲波產生微小空穴氣泡，產生強氧化性的自由基如·O、·OH、·O2H等，從而促進中空膜組件表面及膜孔內的污染物質被分解或者被脫離膜組件的表面和膜孔徑，膜壓差逐漸恢復；d).當膜內外壓差恢復到正常值時，液位控制器向控制系統發出信號，收到液位控制器發出的信號后，控制系統發出指令停止超聲波換能器工作，從而完成在線清洗工作。
上述技術方案提及的清洗與結束時膜內外壓差所達到的設定值與正常值，系根據使用者采用的膜組件特性和實際工程的要求而定，沒有統一的標準數值。
這種中空纖維膜組件的清洗方法也可以應用于離線清洗，其特點是由以下幾個步驟組成a).首先當膜內外壓差達到設定值時，即膜污染到達一定程度時，設置在膜生物反應器內的液位控制器發出膜組件清洗警報；b).從膜生物反應器中取出膜組件，放入超聲波清洗槽，并且按在清洗過程中先加入酸性清洗劑，后加入堿性清洗劑和氧化還原清洗劑的次序，依次加入HCl(36.5％)、NaOH、NaClO(有效氯為10％)等清洗劑，上述這些清洗劑在清洗液中的濃度分別為0.2％(體積比)、0.4％(重量比)、0.2％(體積比)，各自的清洗時間均不少于30分鐘；c).在加入清洗劑清洗的同時，超聲波清洗槽內的超聲波換能器也開始在常溫常壓下工作，換能器在清洗中空纖維膜組件時所產生的超聲波的功率密度為0.4-0.6W/cm2，清洗中空纖維膜組件的清洗時間不少30分鐘。同時可以對膜組件進行曝氣，曝氣量為400L/h；d).清洗完畢后，取出膜組件放回反應器。清洗工作完畢。
上述技術方案提及的清洗與結束時膜內外壓差所達到的設定值與正常值，系根據使用者采用的膜組件特性和實際工程的要求而定，沒有統一的標準數值。
上述技術方案提及加入的清洗劑，可以只加其中一種，即只加酸性清洗劑或堿性清洗劑或氧化還原清洗劑；也可以只加其中兩種，即只加酸性清洗劑、堿性清洗劑或酸性清洗劑、氧化還原清洗劑或堿性清洗劑、氧化還原清洗劑。
為更好的實現本發明的目的，提高清洗效率，在在線清洗或離線清洗時，所述的超聲波工業處理機中的換能器應設置在所清洗的膜組件的下方。
本發明所使用的超聲波工業處理機，是從市場上購買的，制造商是沈陽724工廠。當然，也可從市場上購買其它廠家的同類產品。還可以自行設計，因為構成超聲波工業處理機的主要部件，如整流電路，逆變電路，控制電路，補償電路及換能器等部分所用的設備、電子元件、線路板在市場均可以購得。
本發明在在線清洗時所用的膜生物反應器，為普通的膜生物反應器，因此，本發明給出的這種超聲波在線清洗法也適于在其它類型的膜生物反應器中應用。
本發明在離線清洗時所用的超聲波清洗槽，其結構較為簡單，與現有離線清洗法所用的清洗槽相差不多，即都有一個盛裝溶液的槽體，槽體上設有進液管和排液管，槽體的底部還設有排沉淀物的閥門，在槽體內設有可放置待清洗膜組件的支架，不同之處在于在支架的下面設有至少一排曝氣頭，該曝氣頭通過風管與槽外的空氣壓縮機相連接，在支架的下面還設有超聲波工業處理機的換能器，該換能器由并聯的一個或多個換能器盒組成，其換能器盒的間距為0.3-2.0米。該換能器外殼的形狀為方形或扁平形或六角形或多邊形。超聲波工業處理機的換能器可采用自動控制其清洗工作的方式，也可采用人工控制其清洗工作的方式。
本發明在離線清洗時所用的清洗設備是超聲波清洗槽，當然，也可以選擇用超聲波清洗池或超聲波清洗罐這類作用相同的清洗設備。
本發明在在線清洗或離線清洗時所采用的控制系統，其參數值系根據使用者采用的膜組件特性和實際工程的要求而定，其控制原理屬于現有技術中的電學與自動化基礎知識，其線路板及控制元件可從市場上購買。因此，所屬領域的技術人員可輕松設計完成本發明所采用的控制系統。
與現有技術相比，本發明的有益效果是1、本發明將換能器直接安裝在膜生物反應器中，可用微機控制，通過在線檢測裝置，給微機信號，可隨機控制清洗時間；亦可一個運行周期結束后再進行離線清洗，此時便可以在清洗槽中依次加入各種清洗劑，獲得更好的清洗效果。
2、清洗裝置安裝方便，原有的設備不需改造，可直接裝入，而新的離線清洗裝置也可以直接安裝。
3、本發明還具有工藝簡單、操作方便、性能穩定可靠、使用壽命長、應用范圍廣等特點。
圖1為本發明的一種實施例(在線清洗)的原理圖；圖2為本發明的另一種實施例(離線清洗)的原理圖；圖3為離線超聲波清洗后和新膜膜通量的比較圖；圖4為在線超聲波清洗后和新膜膜通量的比較圖。
圖中標號為1為測壓板，2為進水水箱，3為平衡水箱，4為膜組件，5為曝氣頭，6為空氣壓縮機，7為玻璃轉子流量計，8為出水口，9為控制中心，10為超聲波換能器，11為液位探測器，12為整流電路，13為逆變電路，14為控制電路，15補償電路，16為超聲波清洗槽。
具體實施例方式
下面將通過實例對發明作進一步詳細的說明，但下述的實例僅僅是本發明的其中一個實施例，并不代表本發明所限定的權利保護范圍。
由圖1所示，為本發明的在線清洗原理圖，其中1為測壓板，進水水箱2通過管路與平衡水箱3相接，平衡水箱3通過管路與主體反應器相接，膜組件4設在主體反應器內，膜組件4所下方設有超聲波換能器10和曝氣頭5，曝氣頭5通過管路與空氣壓縮機6相接，超聲波換能器10和整流電路12、逆變電路13、控制電路14、補償電路15構成了超聲波工業處理機，該超聲波工業處理機購于沈陽724工廠的后勤服務集團，主體反應器內還設有出水管路，出水管路的出水口8附近設有玻璃轉子流量計7，測壓板1是用來反映膜組件污染情況，在測壓管路上裝有液位探測器11，當膜內外壓差低于設定值時，液位探測器11向控制系統9反饋信息，由控制系統9發出指令，開啟超聲波工業處理機，對膜組件4進行清洗。
以下是具體的操作流程污水從進水水箱2進入平衡水箱3，由平衡水箱3控制主體反應器的水位。從平衡水箱3進入主體反應器后，經過設定的水力停留時間，由反應器中的活性污泥充分降解，然后在膜內外的負壓的作用下從膜組件4的表面細微的膜孔經過，沿著出水管路出水。測壓板1則是用來反映膜組件4污染情況，在測壓管路裝有液位探測器11，當膜內外壓差低于設定值時，液位探測器11向控制系統9反饋信息，由控制系統9發出指令，開啟超聲波工業處理機，對膜組件4進行清洗，膜內外壓差隨著清洗時間的延長逐漸減少。在此過程中，測壓管路的液位探測器11對膜內外壓差進行實時監控。當膜組件4清洗到適當的程度時，膜內外壓差降低到設定值時，液位探測器11向控制系統9發出信息，控制系統9發出關閉超聲波工業處理機的指令，整個操作周期結束。
具體的工藝條件如下①超聲波功率密度0.4-0.6W/cm2；②溫度40-50℃；③壓力常壓；④處理時間視污染情況而定。
專用設備 ①超聲波電源；②由多個6845型壓電陶瓷聲頭組成，其頻率范圍20-40KHz。
本發明給出的實施例在線超聲波清洗后和新膜膜通量的比較數據，詳見表1和圖4。從表1和圖4可以看出，通過本清洗方法對膜組件進行清洗，清洗效果遠遠好于普通的清洗方法，與新膜的通量相差無幾。
由圖2所示，為本發明的離線清洗原理圖。其中超聲波清洗槽16內設有可放置待清洗膜組件4的支架，在支架的下面設有多排曝氣頭5，該曝氣頭5通過風管與槽外的空氣壓縮機6相連接，在支架的下面還設有超聲波換能器10，該換能器由并聯的多個換能器盒組成，其換能器盒的間距為0.5米，該換能器外殼的形狀為方形，超聲波換能器10和整流電路12、逆變電路13、控制電路14、補償電路15構成了超聲波工業處理機，該超聲波工業處理機購于沈陽724工廠的后勤服務集團。當膜生物反應器的膜組件達到一定的污染程度時，膜通量急劇下降，必須對膜組件進行超聲波清洗。取出膜組件，用刷子洗去表面沉積的污泥，放入超聲波清洗槽依次加入0.2％的HCl和0.2％的NaClO清洗劑，每一個清洗時間均為60分鐘。在加入清洗劑清洗的同時，超聲波清洗槽內的超聲波換能器也開始在常溫常壓下工作，換能器在清洗中空纖維膜組件時所產生的超聲波的功率密度為0.4-0.6W/cm2，清洗中空纖維膜組件的清洗時間30分鐘。同時對膜組件進行曝氣，曝氣量為400L/h；試驗結果如表2和圖3所示。從表2和圖3可以看出，通過本清洗方法對膜組件進行清洗，清洗效果遠遠好于普通的清洗方法，與新膜的通量相差無幾。
表1為在線超聲波清洗后和新膜膜通量的比較
表2為離線超聲波清洗后和新膜膜通量的比較
權利要求
1.一種中空纖維膜組件的清洗方法，其特征在于是在線清洗，由以下步驟組成a).首先當膜內外壓差達到設定值時，即膜污染到達一定程度時，設置在膜生物反應器內的液位控制器向控制系統發出信號；b).控制系統接到液位控制器發送的信號后，啟動設置在膜組件周圍的超聲波換能器開始在常溫常壓下工作，清洗膜組件的超聲波功率密度為0.4-0.6W/cm2，清洗膜組件的時間至少為30分鐘，同時對膜組件進行曝氣，曝氣量400L/h；c).隨著超聲波清洗的進展，超聲波產生微小空穴氣泡，產生強氧化性的自由基如·O、·OH、·O2H等，從而促進中空膜組件表面及膜孔內的污染物質被分解或者被脫離膜組件的表面和膜孔徑，膜壓差逐漸恢復；d).當膜內外壓差恢復到正常值時，液位控制器向控制系統發出信號，收到液位控制器發出的信號后，控制系統發出指令停止超聲波換能器工作，從而完成在線清洗工作。
2.一種中空纖維膜組件的清洗方法，其特征在于是離線清洗，由以下步驟組成a).首先當膜內外壓差達到設定值時，即膜污染到達一定程度時，設置在膜生物反應器內的液位控制器發出膜組件清洗警報；b).從膜生物反應器中取出膜組件，放入超聲波清洗槽，并且按在清洗過程中先加入酸性清洗劑，后加入堿性清洗劑和氧化還原清洗劑的次序，依次加入HCl(36.5％)、NaOH、NaClO(有效氯為10％)清洗劑，上述這些清洗劑在清洗液中的濃度分別為0.2％(體積比)、0.4％(重量比)、0.2％(體積比)，各自的清洗時間均不少于30分鐘；c).在加入清洗劑清洗的同時，超聲波清洗槽內的超聲波換能器也開始在常溫常壓下工作，換能器在清洗中空纖維膜組件時所產生的超聲波的功率密度為0.4-0.6W/cm2，清洗中空纖維膜組件的清洗時間不少30分鐘，同時對膜組件進行曝氣，曝氣量為400L/h；d).清洗完畢后，取出膜組件放回反應器。清洗工作完畢。
全文摘要
一種中空纖維膜組件的清洗方法，可用于在線清洗或離線清洗，屬于環保水處理技術領域，其特點是當膜污染到一定程度時，膜生物反應器內的液位控制器向控制系統發出信號，啟動設置在膜組件周圍的超聲波換能器工作，同時對膜組件進行曝氣，在離線清洗時，還依次加入HCl(36.5％)、NaOH、NaClO(有效氯為10％)清洗劑。本發明將超聲波工業處理機的換能器直接安裝在膜生物反應器中，直接對膜組件進行超聲波清洗，可用微機控制，通過在線檢測裝置，可隨機控制清洗時間，亦可一個運行周期結束后再進行離線清洗，具有工藝簡單、操作方便、性能穩定可靠、使用壽命長、應用范圍廣、清洗效果好的特點。
文檔編號B01D65/02GK1657143SQ20041008291
公開日2005年8月24日 申請日期2004年12月10日 優先權日2004年12月10日
發明者蘇錦明, 傅金祥, 高治軍 申請人:沈陽建筑大學