膜過濾組件的制作方法
【專利摘要】一種配置為用在過濾反應器中的膜過濾組件，所述組件包括：中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應器中對供給流體進行過濾；和振動機構，所述振動機構配置為振動所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產生剪應力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
【專利說明】
膜過濾組件
技術領域
[0001]本發明涉及一種膜過濾組件，尤其涉及一種使用中空纖維膜的、支持污垢控制的膜過濾組件。
【背景技術】
[0002]膜為可以用于分離兩種流體的薄的膜狀結構。在過濾組件中，膜作為選擇性屏障，允許一些粒子或化學物質通過，但是不允許其他物質通過。在膜過濾期間，當滲透物穿過該膜時，供給水中的污垢物在膜表面上積累，導致膜過濾阻力增加。這稱為膜污染，其為設計膜生物反應器(MBR)所考慮的主要因素。
[0003]表面流體力學剪應力可將污垢物從膜表面移除，從而緩解膜污染的問題。表面剪應力可由膜與相鄰流體之間的相對運動產生。當前，為此目的，有氧MBR(AMBR)中廣泛使用空氣噴射。類似地，厭氧MBR(AnMBR)中使用沼氣噴射來去除膜污垢物。然而，由空氣或沼氣噴射得到的通量改善可能會受到限制(Xia等人，2013)，且其能耗可高達總成本的70%(Judd 2006；Drews 2010)。此外，由于沼氣產量可能是不穩定的，因而用于AnMBR的沼氣噴射會產生嚴重的操作問題，且反應器中流體內部的沼氣濃度的增加可能會降低厭氧消化速率，并因此減少用于能量回收的沼氣產量。
【發明內容】
[0004]本發明包括振動-攪拌(VS)膜組件系統，該系統能夠實現高效且低成本的水下中空纖維膜過濾。該膜過濾系統或組件配置為用在反應器中且在其內包含一束中空纖維膜組件。該組件包括振動機構，以便其可以以各種頻率和振幅橫向振動。該束中空纖維的兩端被錨定到這樣的組件，該組件可包括四個圍繞中空纖維長度的側表面。這四個側表面中，三個優選保持完全開放以允許產生反應器流體到膜的自由通道，一個具有為湍流產生和攪拌而設計的特定面板。基于振動，面板引起湍流以減少膜表面上的污垢，并攪拌反應器流體以提高循環流動性以及防止反應器內停滯區域的建立。來自實驗研究的結果表明，利用該系統減少了中空纖維膜污垢，且性能也好于僅振動沒有面板的中空纖維。該結果還表明，振動面板將反應器流體攪動到使混合液保持懸浮的程度，而不需要在反應器內設置額外的攪拌器。
[0005]根據第一示例性方面，提供了一種膜過濾組件，所述膜過濾組件配置為用在過濾反應器中，所述組件包括:中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應器中對供給流體進行過濾;和振動機構，所述振動機構配置為振動所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產生剪應力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
[0006]所述膜過濾組件還可包括面板，所述面板平行于所述中空纖維膜設置且配置為由所述振動機構振動以在所述供給流體中產生用于減少所述中空纖維膜的污垢的湍流。
[0007]所述面板可進一步配置為由所述振動機構振動以產生用于使所述供給流體均勻化的湍流，以便從所述反應器中去掉攪拌裝置。
[0008]所述面板可包括在所述面板的兩個相對邊緣中的每個邊緣上的突出的吊板，每個所述吊板配置為將所述面板連接到所述振動機構以及所述中空纖維膜的末端。
[0009]所述面板可距離所述中空纖維膜5cm，用于污垢控制。
[0010]所述振動機構可配置為使所述面板產生橫向振動。
[0011]所述振動機構可配置為使所述中空纖維膜產生橫向振動。
[0012]所述振動機構可包括振動桿，所述振動桿配置為將外部振動驅動器產生的振動傳輸到所述膜過濾組件。
[0013]所述膜過濾組件中的所述中空纖維膜的纖維的相對兩端可分開放置，所述兩端之間的距離小于所述纖維的實際長度，以便在所述纖維中提供松散度(looseness)。
[0014]所述反應器可為下述之一:厭氧膜生物反應器和有氧膜生物反應器。
[0015]根據第二示例性方面，提供了一種膜過濾方法，所述方法包括:振動反應器中的中空纖維膜，同時使供給流體通過所述中空纖維膜，以便在所述中空纖維膜的表面上產生剪應力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。
[0016]通過振動平行于所述中空纖維膜設置的面板同時使所述供給流體通過所述中空纖維膜，可進一步減少所述中空纖維膜的污垢。
[0017]所述方法還可包括通過振動所述面板使所述供給流體均勻化，以從所述反應器中去掉攪拌裝置。
[0018]可用橫向振動使所述面板振動。
[0019]可用橫向振動使所述中空纖維膜振動。
【附圖說明】
[0020]為了本發明可被完全理解且容易獲得實際效果，現在將參照所附說明性附圖，通過非限制性示例的方式對本發明的示例性實施例進行描述。
[0021 ]圖1為實驗性(experimental)過濾裝置中本發明的膜過濾組件的示例性實施例的示意圖；
[0022]圖2為圖1的膜過濾組件的照片；
[0023]圖3為圖2的膜過濾組件的錨定中空纖維膜的端保持板的示意圖；
[0024]圖4為圖2的膜過濾組件的水容器的示意圖；
[0025]圖5為圖2的膜過濾組件的振動機構的振動桿的示意圖；
[0026]圖6為圖2的膜過濾組件的面板的示意圖；
[0027]圖7為圖2的膜過濾組件的中空纖維膜的纖維松散度的示意圖；
[0028]圖8為使用縱向振動的不同長度纖維的實驗膜過濾組件的污垢率的圖；
[0029]圖9(a)為膨潤土懸浮液中對于18cm長纖維的實驗膜過濾組件在不同振動幅度的橫向和縱向振動下的污垢率的圖。
[0030]圖9(b)為酵母懸浮液中對于18cm長纖維的實驗膜過濾組件在不同振動幅度的橫向和縱向振動下的污垢率的圖；
[0031]圖10(a)為在膨潤土懸浮液中，使用不同振動幅度下的拉緊纖維和松散纖維的實驗膜過濾組件的污垢率的圖；
[0032]圖10(b)為在酵母懸浮液中，使用不同振動振幅下的拉緊纖維和松散纖維的實驗膜過濾組件的污垢率的圖；
[0033]圖11為在酵母懸浮液中對于16cm長纖維，實驗膜過濾組件在不同振動幅度的縱向振動下的污垢率的圖；
[0034]圖12為用在所進行的實驗中以研究纖維堆積密度對污垢率的影響的、具有不同纖維布局的端保持板的示意圖；
[0035]圖13為使用不同堆積密度的纖維的實驗膜過濾組件的污垢率的圖；
[0036]圖14為在酵母懸浮液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同連續振動條件下的跨膜壓差(TMP)的圖；
[0037]圖15為在4g/L混合液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同連續振動條件下的TMP的圖；
[0038]圖16為在8g/L混合液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同連續振動條件下的TMP的圖；
[0039]圖17為在酵母懸浮液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同振動弛豫條件下的TMP的圖；
[0040]圖18為在4g/L混合液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同振動弛豫條件下的TMP的圖；
[0041]圖19為在8g/L混合液中使用及不使用振動面板時實驗膜過濾組件在不同振動弛豫條件下的TMP的圖。
【具體實施方式】
[0042]將參照圖1-圖19對本發明的示例性實施例進行描述。
[0043]如圖1和圖2所示，膜過濾組件10包括過濾膜20，該過濾膜包括一捆或一束中空纖維，膜過濾組件還包括振動機構40，用于振動中空纖維膜20 ο組件10優選地還包括配置為鄰近膜20振動的面板30。使用時，組件10放置在反應器或槽50內，該反應器或槽容納有將被中空纖維膜20過濾的、諸如供給懸浮液的供給流體60。
[0044]在優選實施例中，該束中空纖維20的每個末端24連接到端保持板22。每個端保持板22使中空纖維20的末端24集中地固定在其上。在如圖2所示的實驗組件1中，中空纖維的末端24通過環氧樹脂粘結劑粘附到端保持板22。中空纖維的末端24優選在端保持板22上規則地間隔開。鄰近每個端保持板22的相對邊緣可設置有額外的孔25，以允許端保持板22固定到振動機構40和面板30。膜20中的中空纖維束可為在固-液分離的選擇過程中所使用的類型，更一般地說，可為在各種分離過程中所使用的類型。優選地，上述中空纖維束尤其適合用在微濾或超濾過程中以濾除懸浮液的大粒子，通常從用過的水中濾除懸浮液的大粒子。對于中空纖維膜20，纖維可密集或稀疏地堆積。對于密集堆積的纖維，存在反過來減少滲透流量的通量競爭。對于稀疏堆積的纖維，存在也會減少滲透流量的低效空間使用。膜20的振動可縱向(即沿著纖維長度)進行或者橫向(即垂直于纖維長度)進行。
[0045]為了驗證過濾組件10的效力，在可具有如圖3所示的方形平面結構的端保持板22的示例性實驗實施例中，端保持板22的每個拐角均設置有安裝孔28，以允許端保持板22固定到如圖4所示的水容器70上。當將端保持板22連接到水容器70時，可使用O型環(未示出)。水容器70配置為收集來自中空纖維膜20的水或者收集已由膜20過濾的滲透物。水容器70上可設置有附接孔78，用于通過諸如螺母和螺栓的已知工具與每個端保持板22的安裝孔28固定在一起，同時，還可設置孔75，用于將面板30固定到水容器70上。該水容器70優選設置有引出孔79，該引出孔可適配有管，用于從膜20引出滲透水，從而產生死端過濾。
[0046]振動機構40用于傳動各種振幅和頻率的橫向振動。振動機構40優選包括如圖5所示的C型支架或振動桿42。振動桿42具有中心肩部44，該中心肩部配置為連接到設置在反應器50外部的振動驅動裝置。肩部44的每個末端具有突出的吊耳46，該吊耳配置為連接到膜20的保持板22，以便振動桿42可將振動傳輸到膜20。為此，每個吊耳46上都設置有孔45，用于將端保持板22的相應孔25通過諸如螺母和螺栓的已知工具固定到吊耳上，同時肩部44上重點(centrally)設置孔49，用于振動驅動裝置(未示出)和組件10之間的對外連接。
[0047]在膜20的振動期間，通過膜20與供給流體60之間的相對運動，在膜20的表面上產生剪應力，這些剪應力可減少濃差極化，并去除沉積在膜表面的污垢。由于該運動被機械地控制，因此膜20表面上產生的剪應力的數量級可高于(具有足夠的頻率和振幅)由空氣或沼氣噴射產生的剪應力的數量級。通過橫向振動，可產生增加膜表面上的剪力的渦流。同時，振動的操作能量損耗可比氣體噴射少得多，這是由于僅鄰近膜表面的邊界層內的流體被調動用于振動，這與氣體噴射時反應器內的全部流體被調動相反(Li等人，2013)。
[0048]其中，提供振動面板30，面板30優選具有直線平面形狀，且優選包括結構網構件，該結構網構件具有穿過其自身的多個孔33。多個孔33優選地為以規則的網格型圖案設置在面板30中的方孔33。因此面板30還可稱為網格面板30，如圖6所示。在如圖6所示的面板30的示例性實驗實施例中，面板30的尺寸為29cm X 17cm，總共具有19 X 11或209個方孔，每個孔的尺寸為IcmX lcm，相鄰孔之間的間隔為0.5cm。與使用實心板相比，設置在面板30中的孔33減少了供給懸浮液60的飛濺。
[0049]在面板30的兩個相對邊緣中的每一個上，優選設置突出的吊板32。每個吊板32配置為連接到每個端保持板22，而過濾膜20固定到端保持板22上，從而將該束中空纖維20連接到面板30，使得面板30設置為鄰近中空纖維膜20且與中空纖維膜20平行。相應地，每個吊板32上可設置有孔35，用于通過諸如螺母和螺栓的已知工具來固定端保持板22的相應的孔25。
[0050]當面板30的吊板32連接到固定膜20的端保持板22時，面板30因此僅設置在沿該束中空纖維20的長度的一側，而使膜20的所有其他側通暢，以便反應器流體60具有接近膜20的開放路徑以進行過濾。雖然設想，根據組件10的規模和尺寸，可將面板放置在距離膜20為I到10cm之間的任何位置處，但為了具有對膜20的污垢的控制效果，優選地，面板30設置為距離膜20約5cm。
[0051]面板30的每個吊板32還配置為固定到振動機構的C型支架或振動桿42的吊耳46上，例如通過面板30的吊板32中的孔35和設置在振動桿42的每個吊耳46上的孔45固定。以這種方式，振動機構40可將振動同時傳輸到過濾膜20和面板30 ο此外，面板30的吊板32中的孔35還可用于將面板30固定到水容器70的孔75。
[0052]面板30優選垂直地對準振動方向。振動時，面板30既可作為通過減少膜污垢而維持膜20的高過濾通量的振動裝置，又可作為使反應器50內的混合液體或流體60懸浮而使供給懸浮液60均勻化的攪拌裝置。
[0053]面板30專門設計用于產生湍流以減少組件10內的中空纖維膜20的污垢，并攪拌和混合反應器流體，同時端保持部22錨定中空纖維20相對于面板30的位置。面板30的圖案是獨特的，且如以下更詳細描述的，面板30與膜束20之間的距離被定量地確定，以便過濾膜20以最優方式從由面板30產生的湍流中受益。
[0054]因此，膜過濾組件10的振動引起湍流以減少膜表面上的污垢，并且攪拌反應器流體60以提高循環流動性并防止膜束20附近和反應器50內的停滯區域的建立。通過本發明，可完全無需利用空氣或沼氣鼓泡的相關設備。
[0055]膜過濾組件10的各個部件20、30、40的材料應當是剛性的，并能夠長時間的承受反應器環境而不會產生任何有害的產物。例如，振動桿42可使用標準鋼。
[0056]實驗研究
[0057]為了研究和驗證膜過濾組件10的效力，使用如圖1中所示的實驗裝置，該實驗裝置包括如圖2所示的實驗實施例的組件1。
[0058]從以下更詳細描述的實驗研究中發現，當用長的松散的中空纖維膜20在橫向振動下進行過濾時，中空纖維膜20的污垢減少。還發現，振動板30減少了膜污垢，攪拌了反應器流體60并使調動流體60循環，使得供給懸浮液保持懸浮且無需額外的攪拌裝置。
[0059]實驗膜組件配置
[0060]在如圖1所示的、用在下面進行的和描述的所有實驗的實驗裝置中，膜束2由一組5X5的聚丙烯腈(PAN)中空纖維膜20間隔5mm構成，該間隔為大多數實驗中使用的間隔。如圖7所示，纖維20的長度為18cm，具有程度很小的1%的松散度，其中99%L指的是放置在組件10中的膜使得纖維的末端限定的距離為纖維繃緊時的長度L的99%。因此，松散度定義為組件10中纖維20的兩端超過纖維20的實際總長度的距離(Wicaksana等人，2006)。在所進行的實驗中，測試的最大松散度為2%。
[0061]中空纖維膜20水平放置，用環氧樹脂膠合劑粘附到端保持板22上并固定到用于收集滲透物的水容器70上。水容器70的兩側均連接到流出側。以上參照圖6進行描述的面板30的實驗實施例連接到中空纖維膜20，并設置在低于中空纖維膜約5cm的位置處。
[0062]在實驗裝置中，膜過濾組件10放置在具有600mm(長(L))X500mm(寬(W))X600mm(高(H))尺寸的槽或反應器50中。無刷直流(DC)馬達(BXM 6200-A，東方馬達有限公司)48通過具有曲柄移動機構的振動機構40連接到面板30，該曲柄移動機構使網格面板30和中空纖維膜20上、下(垂直地)振動，以進行橫向正弦運動。由于中空纖維膜20和面板30對于振動裝置40水平放置，通過該垂直運動，獲得了中空纖維膜20的橫向振動。
[0063 ] 在所進行的實驗中，振動幅度從5mm變化到28mm，振動頻率從OHz調節至I OHz。滲透過濾由數據采集系統80控制，該數據采集系統包括定制過濾軟件、滲透栗82、壓力傳感器84和數字秤86，以及位于滲透栗82之前的用于控制流量的閥88。滲透流量由數據采集系統80控制且實驗在恒定滲透通量操作下進行，同時壓力值由壓力傳感器84記錄。
[0064]使用的實驗膜和供給懸浮液
[0065]實驗中使用的中空纖維膜由新加坡超純私人有限公司(Singapore UltrapurePte.Ltd)制造。纖維為聚丙烯腈(PAN)微濾膜。使用內/外直徑為lmm/1.6mm且標稱孔徑為
0.1口111的中空纖維膜。纖維的純水滲透率為2.0417111\ KPa。
[0066]實驗中使用的四種供給懸浮液:
[0067]1、4g/L的膨潤土(從新加坡的西格瑪奧德里奇公司(Sigma-Aldrich)獲得)懸浮液，
[0068]i1、4g/L酵母懸浮液(商購的做面包的干酵母(LevureSeche de Boulanger)),
[0069]ii1、4g/L混合液(從新加坡的烏魯班丹廢水回收廠(Ulu Pandan WaterReclamat1n Plant)收集)，以及
[0070]iv、8g/L混合液(從新加坡的烏魯班丹廢水回收廠收集)。
[0071 ] 膨潤土、酵母和混合液的平均粒子直徑分別為5.83口111、4.95口1]1和52.51口1]1。
[0072]在膨潤土懸浮液過濾后，將中空纖維膜用密里-Q(Mill1-Q)水以20ml/min反沖洗20分鐘。
[0073]在酵母懸浮液過濾后，將中空纖維膜用I%的酶洗滌劑溶液浸泡15分鐘，用Mill1-Q水沖洗，隨后用相同的Mi 11 1-Q水反沖洗。
[0074]在混合液懸浮液過濾后，將中空纖維膜用0.2%的次氯酸鈉和0.2 %的檸檬酸浸泡2小時，并執行相同的Mi 11 i_Q水反沖洗操作步驟。
[0075]在經過所建議的、使膜可重新使用的清洗后，可再次進行水透過率的測量。
[0076]膜過濾特性的評估
[0077]在所進行的實驗研究中，跨膜壓差(TMP)值和平均污垢率(dTMP/dt)用作主要的過濾參數來評價膜的性能。
[0078]參見圖8至圖13，其示出了沒有網格面板30時所進行的實驗的結果，在一項研究中，探究了在縱向振動下，膜20中不同長度的纖維簾(curtain)之間或不同長度的中空纖維之間的污垢率。為了實現縱向振動，振動桿42旋轉90°，以進行豎直定向。兩種纖維簾(一種長度為20cm，另一種長度為40cm)在4g/L的膨潤土懸浮液中以6到1Hz的頻率進行縱向振動。如圖8所示，20cm纖維在6Hz時引起的污垢率為95.4kPa/h，且在1Hz時引起的污垢率為15.8kPa/h，而40cm纖維分別引起的污垢率為26.6kPa/h和3.8kPa/h。這證實了浸沒式膜系統中長纖維的振動完成的更好，這是由于長纖維具有引起更多附加橫向運動的潛能，從而減少膜污垢。
[0079]另一項研究對縱向振動性能和橫向振動性能進行了比較。為了使比較保持一致，膜20中拉緊纖維的水平和垂直方向的中心位置保持相同，并使用IHz的相同的振動頻率以及25LMH的恒定滲透通量。如圖9(a)所示，在4g/L膨潤土懸浮液中縱向振動幅度為20mm時，污垢率為24.2kPa/h，而橫向振動時的污垢率僅為8kPa/h。當振動幅度進一步增加到28mm時，縱向和橫向振動時的污垢率分別為21.8kPa/h和4.2kPa/h。類似的結果也可在如圖9(b)所示的4g/L的酵母懸浮液中出現。通過IHz這樣小的頻率，已經實現橫向振動比縱向振動相當大的改善。這給實際工業應用帶來了顯著的能源成本降低。
[0080]還研究了膜纖維的拉緊度或張緊度(如以上參考圖7所討論的)對膜過濾組件10的過濾能力的影響。如圖1O (a)所示，在4g/L膨潤土懸浮液中振動幅度為24mm且恒定通量為30LMH時，由緊密或拉緊纖維引起的污垢率為15.2kPa/h，而1%松散度的纖維20的污垢率降低到10.2kPa/h，且纖維20的松散度為2 %時污垢率進一步降低到7.8kPa/h。如圖10 (b)所示，在恒定通量率為25LMH的4g/L酵母懸浮液中，振動幅度為20mm時拉緊的18cm長纖維20引起的污垢率為19.8kPa/h，而I %松散度的纖維20的污垢率僅為16.2kPa/h。如圖10(a)和圖10(b)所示，還對其它幅度進行了研究，并觀察到了類似的趨勢。從所有這些值可以看出，使用橫向振動以及1%至2%的小的纖維松散度，可以獲得一些額外的改善。由于通過橫向振動下的小程度的纖維松散度可減少更多的膜污垢，因而這將節約能源。
[0081]圖11示出了對縱向振動和橫向振動進行比較的進一步實驗的結果，其中，在4g/L酵母懸浮液中，在恒定滲透通量為25LMH、振動幅度為16mm、I %的纖維松散度、1Ηζ_3Ηζ的小頻率下，對橫向振動和縱向振動進行分析。對于相同松散度的纖維，振動頻率為2Hz時，縱向振動的污垢率為53.6kPa/h，而橫向振動的污垢率小得多，為36.1kPa/h。當使用更高的3Hz的振動頻率時，縱向振動和橫向振動的污垢率分別為39.4kPa/h和16kPa/h。該結果進一步證實了在浸沒式中空纖維膜過濾中，橫向振動結合松散纖維是最佳的。
[0082]進行了研究膜纖維的堆積密度的效果的實驗。圖12示出了在堆積密度實驗中使用的4種纖維布局。每種膜20的纖維布局為5 X 5束、6 X 6束、7 X 7束和8 X 8束，獲得的堆積密度分別為14%、20%、28%和36%。圖13示出在4g/L酵母懸浮液中，對于不同的振動幅度，具有
14%、20 %、28 %和36 %不同堆積密度(使用5 X 5、6 X 6、7 X 7和8 X 8束的纖維布局)的I %松散度的膜20橫向振動時的污垢率。對于20mm的振動幅度、2Hz的振動頻率以及25LMH的恒定通量，當堆積密度從14%增加至20%時，污垢率從16.5kPa/h增加至24.2kPa/h。當堆積密度增加至28 %時，污垢率進一步增加至37.6kPa/h。然而，當堆積密度進一步增加至36 %時，污垢率降低至18.2kPa/h。振動幅度為24mm和28mm時也可出現類似的趨勢。這種下降表明存在纖維的最優堆積密度，當利用振動進行過濾時，該最優堆積密度將提高滲透流量并降低能量消耗。
[0083]圖14至圖19示出了不同懸浮液中所進行的振動或不振動網格面板30的實驗的結果。這些實驗中所使用的膜組件20用相同的5X5的纖維模式以14%的堆積密度和1%的纖維松散度進行堆積，且膜20被橫向振動。圖14-圖16所示的結果來自所進行的連續振動的實驗，而圖17-圖19示出了來自所進行的具有振動弛豫(S卩I分鐘振動然后I分鐘不振動的交替循環)的實驗的結果。圖14示出了4g/L酵母懸浮液中，在25LMH的恒定滲透通量下，膜20連續振動時，使用和不使用振動的網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動幅度為16mm且振動頻率為2Hz。不振動時，在110分鐘的膜過濾中浸沒式中空纖維膜20的TMP值從23.8kPa增加至89kPa。僅有膜20的橫向振動時，在235分鐘的過濾中TMP增加至96.6kPa。當同時有膜20和網格面板30的振動時，在325分鐘的過濾中TMP增加至79kPa。從該結果可以得出，通過使用振動的網格面板30進行過濾，可在酵母懸浮液中減少更多的膜污垢。
[0084]圖15示出了4g/L混合液懸浮液中膜20連續振動時，使用和不使用網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動幅度為16mm，且振動頻率為IHz，同時具有25LMH的恒定滲透通量。不振動時，在8 O分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜2 O的T M P值從15 k P a增加至38.7kPa。僅有膜20的橫向振動時，在420分鐘的過濾中TMP增加至29.7kPa。當同時有膜20和網格面板30的振動時，在375分鐘的過濾中TMP增加至17.9kPa。可以看出，當使用振動的網格面板30進行過濾時，對于8小時的混合液懸浮液的過濾，TMP基本保持恒定。
[0085]圖16示出了更高濃度懸浮液，S卩8g/L混合液懸浮液中，膜20連續振動時，使用和不使用振動的網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動幅度為16mm，且振動頻率為IHz，同時具有25LMH的恒定滲透通量。不振動時，在90分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至40kPa。僅有膜20的橫向振動時，在540分鐘的過濾中TMP增加至22.6kPa。當同時有膜20和網格面板30的振動時，在540分鐘的過濾中TMP增加至16.9kPa。可以得出，當使用振動的網格面板30進行過濾時，對于9小時的較高濃度的混合液的過濾，TMP的增加非常有限。
[0086]圖17示出了4g/L酵母懸浮液中，膜20具有振動弛豫時，使用和不使用振動的網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。如上所述，振動弛豫指的是振動和弛豫(不振動)的連續交替，且在所進行的實驗中，振動時間和弛豫時間均為I分鐘。振動幅度為16mm，且振動頻率為2Hz，同時具有25LMH的恒定滲透通量。不振動時，在110分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從23.8kPa增加至89kPa。僅有膜20的橫向振動弛豫時，在65分鐘的過濾中，TMP增加至59.8kPa。當同時有膜20和網格面板30的振動弛豫時，在195分鐘的過濾中，TMP增加至79.lkPa。可以得出，當利用振動弛豫進行過濾時，使用面板30的振動弛豫，酵母懸浮液的膜過濾也可改善。
[0087]圖18示出了4g/L混合液懸浮液中，具有振動弛豫時，使用和不使用振動的網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動時間和弛豫時間均為I分鐘。振動幅度為16mm，且振動頻率為2Hz，同時具有25LMH的恒定滲透通量。不振動時，在80分鐘的膜過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至38.7kPa。僅有膜20的振動弛豫時，在555分鐘的過濾中，TMP增加至26.2kPa。當同時有膜20和網格面板30的振動弛豫時，在525分鐘的過濾中，TMP增加至17.SkPa。這表明，利用振動弛豫，振動的網格面板30可減少實際混合液的浸沒式中空纖維膜的污垢。
[0088]圖19還示出了在更高濃度懸浮液，S卩8g/L混合液懸浮液中，具有振動弛豫時，使用和不使用振動的網格面板30時浸沒式中空纖維膜20的TMP值。振動時間和弛豫時間均為I分鐘。振動幅度為16mm，且振動頻率為IHz，同時具有25LMH的恒定滲透通量。不振動時，在90分鐘的過濾中，浸沒式中空纖維膜20的TMP值從15kPa增加至40kPa。僅有膜20的振動弛豫時，在540分鐘的過濾中，TMP增加至28.lkPa。當同時有膜20和網格面板30的振動弛豫時，在540分鐘的過濾中，TMP增加至21.5kPa。因此，S卩使是在較高濃度的混合液中，使用具有振動弛豫的網格面板30，也可觀測到額外的改善。
[0089]總之，用于中空纖維膜過濾的VS膜過濾組件10的TMP值均較小。與不使用振動的網格面板30進行過濾的TMP值相比，使用振動的網格面板30進行過濾時所觀測到的TMP值都更小。這暗示或表明振動的網格面板30對于改善浸沒式中空纖維膜20的過濾性能是有效的。另外，隨著網格面板30的運動，供給懸浮液60充分混合，并且不需要額外的攪拌裝置使懸浮液均勻化。此外，對于約9小時的過濾，利用網格面板30的僅為IHz的很小的振動頻率，混合液中的TMP值就保持很低。因此，使用以上所述的用于污垢控制的振動性膜過濾組件10可消除MBR的污垢問題，而不需要使用空氣或沼氣噴射。這證實了 VS膜組件10在實際工業應用中的重要性。
[0090]以上所述的膜過濾組件10的典型應用是:(i)應用于厭氧膜生物反應器中，以既產生攪拌又產生橫向振動而無需空氣，并利用中空纖維膜20和網格面板30的振動獲得自混合；(ii)應用于有氧膜生物反應器中，加上空氣注射以便為細菌注入氧氣；以及(iii)應用于污泥脫水中。本發明尤其針對用于懸浮液微濾的較大反應器，并利用了緊湊配置的簡單性和有效性。利用本發明中，由于膜20在最佳條件下操作，因此可以減少膜過濾所需的能量。此外，由于面板30的往復運動，實現了反應器流體60的攪拌，因此可完全不使用空氣或沼氣噴射。由于面板30與中空纖維膜束20之間的配置利用專門確定的間隔距離進行特別控制，因此由面板30產生的湍流以最佳的方式改善了膜過濾的污垢控制。
[0091]雖然，已經對本發明的前述示例性實施例進行了描述，但有關領域技術人員應當理解的是，在不脫離本發明的情況下可對設計、構造和/或操作的細節做出許多變形。例如，盡管已經描述了面板可具有設置在面板上的網格圖案中的方孔，但是可想到其它孔配置，例如設置在面板上的六角密集排布圖案中的圓孔。
[0092]參考文獻
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【主權項】
1.一種膜過濾組件，配置為用在過濾反應器中，所述組件包括: 中空纖維膜，所述中空纖維膜配置為在所述反應器中對供給流體進行過濾;和 振動機構，所述振動機構配置為振動所述中空纖維膜，以在所述中空纖維膜的表面上產生剪應力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。2.根據權利要求1所述的膜過濾組件，所述膜過濾組件還包括面板，所述面板平行于所述中空纖維膜設置且配置為由所述振動機構振動以在所述供給流體中產生用于減少所述中空纖維膜的污垢的湍流。3.根據權利要求2所述的膜過濾組件，其中，所述面板進一步配置為由所述振動機構振動以產生用于使所述供給流體均勻化的湍流，以便從所述反應器中去掉攪拌裝置。4.根據權利要求2-3任一項所述的膜過濾組件，其中，所述面板包括在所述面板的兩個相對邊緣的每一個上的突出的吊板，每個所述吊板配置為將所述面板連接到所述振動機構并連接到所述中空纖維膜的末端。5.根據權利要求2-4任一項所述的膜過濾組件，其中，所述面板距離所述中空纖維膜Ο-? OOcm ， 用 于污垢控制。6.根據權利要求2-5任一項所述的膜過濾組件，其中，所述振動機構配置為使所述面板產生橫向振動。7.根據前述權利要求任一項所述的膜過濾組件，其中，所述振動機構配置為使所述中空纖維膜產生橫向振動。8.根據前述權利要求任一項所述的膜過濾組件，其中，所述振動機構包括振動桿，所述振動桿配置為將外部振動驅動器產生的振動傳輸到所述膜過濾組件。9.根據前述權利要求任一項所述的膜過濾組件，其中，所述膜過濾組件中的所述中空纖維膜的纖維的相對兩端分開放置，所述兩端之間的距離小于所述纖維的實際長度，以便在所述纖維中提供松散度。10.根據前述權利要求任一項所述的膜過濾組件，其中，所述反應器為下述之一:厭氧膜生物反應器和有氧膜生物反應器。11.一種膜過濾方法，所述方法包括: 振動反應器中的中空纖維膜，同時使供給流體通過所述中空纖維膜，以便在所述中空纖維膜的表面上產生剪應力，用于減少所述中空纖維膜的污垢。12.根據權利要求11所述的方法，其中，通過振動平行于所述中空纖維膜設置的面板同時使所述供給流體通過所述中空纖維膜，進一步減少所述中空纖維膜的污垢。13.根據權利要求12所述的方法，還包括，通過振動所述面板使所述供給流體均勻化，以從所述反應器中去掉攪拌裝置。14.根據權利要求11或12所述的方法，其中用橫向振動使所述面板振動。15.根據權利要求11-14任一項所述的方法，其中，用橫向振動使所述中空纖維膜振動。
【文檔編號】B01D65/02GK105848762SQ201480059698
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年11月10日
【發明人】羅永強, 李甜, 安東尼·戈登·費恩
【申請人】南洋理工大學