创新工艺的多孔超滤技术

创新工艺的多孔超滤技术

德国滢格股份公司 贝尔格Berg, P. , 温拉姆Wunram, J.

New Innovative UF Technologies for Membranes, Modules and Operation

Berg, P. (inge AG), Wunram, J. (inge AG)

概要ABSTRACT

超滤膜市场正在发生变化:它要求更高的运行可靠性以及低的运行和投资成本,以便开启新的市场领域.为了适应这个增长的需求,新的膜材料结合创新的生产工艺以及彻底的膜组件的工程设计.

得益在滢格股份公司集团内部的长期研究和运行经验,我们设法将新的生产工艺引入膜丝的生产,显著低降低纤维膜丝的断裂危险.我们开发了一淹没式工艺,这种工艺能够完成所有WWTP运行的要求.我们也重新设计了外部式和淹没式的组件,不仅可以降低运行费用,同时可以改进反洗和清洗的效率.

超滤,饮用水,废水,工业废水,膜组件设计

Ultrafiltration, Drinking Water, Waste Water, Industrial Water, Module Design

膜丝-没有纤维断裂的危险

Membranes - Without Risk of Fiber Breakage

原则上超滤膜对微颗粒,细菌,微生物乃至病毒具有-与其给水的质量无关-巨大的排除率.这意味着高度污染的水可以得到有效的处理,以制备安全的饮用水.

          为保证排除率膜的毛细管的泄漏点应完全得到避免.此外还有对化学和生物侵袭高承受力.这样膜纤维就应具有非凡的稳定性,能够承受反洗时水的冲击.这个事实有巨大的重要性,尤其是在运行大型水处理厂时,这时通常需承受由于大水量流动造成的水冲击的危险.

   滢格股份公司和S.研究B.V.为此开发了一种绝对安全的毛细管膜.其所具有的这种超常稳定牢固性源于使用一种以聚醚砜为基础原料的强膜材料,同时将7根毛细管如蜂巢结构合为一体.这样的结构被称为多孔结构并用于内压式或外压式过滤(见图1)

用于淹没式工艺,即处理废水,采取进出/进操作模式,毛细管平行排列如同一个膜平板或膜页(具有多个通道的超滤膜,图2)

图1 :多孔纤维膜figure 1: Multibore fiber

注意到多孔膜，其7支毛细管的内层表现得非常薄，即为膜工作面。在7支毛细管间的支撑壁所具有的优良稳定牢固性通过直接位于工作面下的连续泡沫结构得到保证。这个泡沫结构的微孔较膜工作面的微孔大几十倍。这样的事实即保证7个毛细管的每支，特别是中间那支，应该得到同样的水量供应。与此相比多通道超滤膜（淹没式）的工作面可以设立在向外的一面.

超滤膜有一个MWCO 近乎100.000g/mgl（＝100kD）的分子截留量,这大约相当于一个中等微孔尺寸约1000l/m2/h.此外这种膜对于清洗的化学物质具有强的承受力,如酸,碱和氧化物质

超滤膜组件-流体力学得到优化以提高过滤和反洗的效果

Modules - Hydrodynamic Optimized to Increase Filtration and Backwash Efficiency

为能够保证超滤膜高的渗透性,即在膜组件内并就此保证在反洗时有效地清洗超滤膜,在超滤膜丝束中渗透一侧得到一个很低的压力损失具有重要意义.为此它可以保证每个毛细管具有同样的传送膜压(TMP),膜组件内没有一个区域在反洗时的清洗程度较其他区域差.结果是反洗期间能够很大程度上得到缩短,相互提高整个过滤过程的回收率.

       为了将毛细管件的压力损失降低到最小,水流动的速度应在膜组件的每一个位置保持恒定.滢格超滤膜组件能够做到这一点凭借一个特殊的膜组件壳体以及毛细管在膜组件内的独到排列

当将毛细管装入管状的膜组件壳体内时,有两种不同的装配类型加以区别.在第一情况下,过滤出的水经由位于毛细管束中间的一个中央收集管道得到收集和输送.另外一种方式则为,过滤出来的水通过一个外部的环状间隙得到收集和输送.为了实现在毛细管件同样的分配率,应该流过的错流区域须扩大至和流量一样的范围.这样的结果只有借助具有外环形间隙的结构才能实现,反之采用中央过滤出水收集将导致毛细管间的高速度,从而导致实际压力的损失.出于这样的原因滢格膜组件的制造符合第二种方式,即为环形间隙结构.

在膜丝束间和压力导管间的外环形间隙用于收集滤出水,其构造为资格有凿孔的管子.为了优化环形间隙内水的分布,其与渗透连接的上部没有凿孔.这样可以保证放射式的水流分配,这对于传送更大水量的反洗尤其重要.右下陶瓷材料的小开口允许垂直安装的膜组件在渗透一侧的完全的脱气.

最大程度上降低毛细管束间的压力损失以及控制水流分配的最佳解决就是毛细管的规则排列,规定其相互空间.

为了避免在反洗时毛细管完全压紧,毛细管也应固定和稳定住.为了实现毛细管的规则排列采用所谓的膜栅格.超滤膜毛细管平行排列就构成了这些格栅的1部分,其他的两部分交错排列并卷起,从而构成规则的毛细管排列结构,相互间具有一定的距离。

图2:在超滤膜组件内的流体力学条件

将毛细管卷帘栅放入有凿孔的内管中,再将内管放入外膜组件壳体.如同上述,为此在外壳体和内管间设计了一个循环环状间隙,这即用于收集滤出水,也用于分配反洗水.

两个因素,即毛细管格栅结合上述膜组件结构实现流体力学的理想结果:在毛细管间流动的水流量的比率,在同一个比率的变化,循环区的流经区.

图3:超滤膜毛细管束排列城格栅,从而提供固定和规则的距离

为了得到一个可以直接连接的超滤膜组件,在膜组件的两端装有可进供水和可出反洗水的端盖.这样就无需附加压力管.此外在原水和滤出端没有封口,从而保证当净化水时膜组件的绝对隔绝(内管采用环氧树脂和壳体管黏结.

为了便于安装,无需工具和螺纹就可固定端盖.借助一个柔性的塑料棒可以安装和拆卸端盖

超滤膜组件架结构-低的投资费用,灵活操作

膜组件的结构能够使建立膜组件架少,降低安装费用.因为您可以从图7中看出超滤膜组件可以独立地和垂直地安装-这提供众多的优点:

-源于这样的事实,即全部充气和脱气简单易行,仅需几分钟就可完成整体性的检查

-此外完全的脱气保证在进水端和渗透边均不会发生气垫.为此每个毛细管投入过滤和反洗(在膜组件供水端或渗透边的气体是通过过度饱和水的脱气产生的,例如地下水,水库水和生物活动的水或通过整体性检测)

-垂直安装的膜组件架的膜组件完全脱水,此外可以提供”干安装”和拆卸膜组件的可能性,这可以由一个人进行就可以.每个膜组件在不移动其他膜组件的情况下均可安装和拆卸.

-膜组件平行流入提供通过毛细管的恒定流量,此外卸下膜组件的运送距离很短

-在膜组件架间的少于1米的空间足够用于方便地安装和拆卸膜组件

-无需附加压力管

新的运行方式-节省投资和运行费用的基本点

在超滤膜组件工作时最重要的事实就是过滤和反洗期间除了在渗透边有一种恒定的压力分配外在毛细管的每个位置有一个溢流(错流).如果借助一个附加的而且大尺寸的泵进行再循环这个溢流,结果将高得多的投资和运行费用.为此滢格的超滤膜组件的设计通过死端模式对在组件每个位置的溢流可以进行调节.

在超滤期间通过在底部或顶部连接改变供水方向(图8)实现这点.在反洗时通过交互收集浓缩实现溢流.另外这种膜组件的结构能够进行正洗,这可在反洗前或反洗后进行.通过第一个正洗,可以冲洗掉污染物,这使随后的反洗更加有效.在反洗后进行的第二次正洗主要除去通过反洗已经松动的污染层.除了更好的清洗效果,这种运行还允许安装一个更小的滤出水罐并充分地提高回收率,因为小部分滤出水用于反洗.例如:代替45秒的反洗(仅用滤出水),可以进行如下的清洗过程:正洗(FF)15秒-反洗(BW)15秒-正洗(FF)15秒

用这种方法滤出水仅被使用15秒.在剩余的35秒正洗期间使用原水.原则上能够进行错流模式运行.如果过滤污染较重的原水(包括高浊度),有耐力的多孔膜也允许所谓的”清除运行”以避免毛细管被堵塞.在清除模式,对面的阀在数分钟的间隔被开启数秒,这样产生一个错流清洗.例如这个运行能够可靠地处理有时浊度到到100NTU的carstic水.