多级浸没式膜分离装置和膜分离方法
多级浸没式膜分离装置和膜分离方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多级浸没式膜分离装置，并且涉及使用这种膜分离装置的膜分离方 法，在所述装置中，在净化污水和工业废水时，通过使用过滤分离膜来执行水和污泥之间的 分离。
【背景技术】
[0002] 关于净化污水和工业废水的手段，已知有向废水中的微生物提供酶的方法、将水 混合到活性污泥中且之后执行分离处理的方法(膜生物反应器方法，简称MBR方法）等等。 在通过使用均具有多个孔的分离膜将活性污泥分离成固体和液体的膜生物反应器方法中， 为了抑制"结垢"，这是由于活性污泥成分累积在分离膜面上而导致堵塞分离膜的现象，而 使用由来自分离膜下方的曝气沿竖直方向生成的气液混合流，对活性污泥进行过滤，同时 清洁分离膜面。作为在这样的膜生物反应器方法中可用的膜分离装置的示例，已经提出了 具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜盒(膜单元）的多级膜分离装置(专利文献1)。
[0003] 然而，具有彼此上下叠置的多个膜单元的多级膜分离装置相比于单级膜分离装置 具有较大水深，并且因此倾向于在最下部生成的气泡由于液压压力而尺寸较小并且在向上 运动的同时逐渐增大到较大尺寸。由气液混合流产生的膜面清洁力响应于气泡尺寸的增加 而变得更大，并且因此空气-扩散清洁效果易于在放置在最下级的膜单元比在放置在其他 级处的膜单元中更小，并且易于在放置在上级处的膜单元中较大。因此，具有相对小的有效 面积的下级膜单元倾向于在较早的时间遭受堵塞(结垢)。虽然结垢的膜单元需要通过从槽 中取出并清洁或用新的更换来恢复性能，不过例如由于甚至上级膜单元也必须被取出而使 得性能恢复的工作变得复杂。因此，问题是要通过尽可能防止下级膜单元堵塞来降低取出 和清洁膜单元的频率。
[0004] 在这种情况下，已经提出了一种操作多级浸没式膜分离装置的方法，其目的在于 通过如下设计膜来简化更换工作：膜的待放置位置越高，它们越能够以更高的流量渗透水， 从而上级膜的污染的发展要快于下级膜的污染的发展，并且能够使上级和下级膜的堵塞周 期同步(专利文献2)。
[0005] 现有技术文献 专利文献 专利文献1 :日本特开平10-334835 专利文献2 :日本专利第3659833号公报。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的问题 然而，上述传统的多级浸没式膜分离装置仍具有改进空间，以便使结合在其中的过滤 膜工作更长时间。
[0007] 因此本发明目的在于提供一种能够更长时间稳定地进行过滤的多级浸没式膜分 离装置。
[0008] 解决问题的手段 通过鉴于上述情况进行了深入的研宄，本发明的发明人们发现，在多级浸没式膜分离 装置中，安装通过使用过滤阻力不同的膜单元而构成的膜模块允许延长发生跨膜堵塞或等 效地出现清洁膜的必要性之前经过的运转时间，并且同时使得能够调节膜清洁的时刻，以 便多个膜单元的清洁时刻相同，从而实现本发明。
[0009] gp，本发明涉及下列项目〈1>至〈8>。
[0010] 〈1> 一种多级浸没式膜分离装置，包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜； 被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处 理水中；以及 安装在所述膜模块下方的空气扩散器， 其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。
[0011] 〈2>根据〈1>所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单元的 污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何其他的膜单元至少低10%。
[0012] 〈3>根据〈1>或〈2>所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单 元中所安装的平坦片状膜元件的数量比任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 膜单元多。
[0013] 〈4>根据〈1>至〈3>中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 与所述膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置的级高于 放置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线。
[0014] 〈5>根据〈4>所述的多级浸没式膜分离装置，其中对放置在所述最下级的膜单元 中的渗透物流量和任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元且与连接到与放置在所 述最下级的膜单元连通的渗透物管线的渗透物管线连通的膜单元中的渗透物流量分别进 行控制，使得放置在所述最下级的膜单元的跨膜压差几乎等于任意膜单元的跨膜压差。
[0015] 〈6>根据〈1>至〈5>中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 所述装置还包括流量控制机构，该流量控制机构能够独立地控制通过与所述膜模块中 的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量、和通过与放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量。
[0016] 〈7>-种使用多级浸没式膜分离装置的膜分离方法，所述多级浸没式膜分离装置 包括：膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜；被处理水容纳槽，其中容纳有被处理 水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处理水中；以及安装在所述膜模块下方的空 气扩散器，其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高 于放置在所述最下级的膜单元的膜单元低。
[0017] 〈8>根据〈7>所述的膜分离方法，其中将穿过放置在所述膜模块中的最下级的膜 单元的分离膜的渗透物流量控制成小于穿过放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 任意的膜单元的分离膜的渗透物流量，并且控制成使得这些流量之间的差成为10%以下。
[0018] 本发明的优点 根据本发明，污泥过滤阻力或纯水渗透阻力低的膜单元放置在膜模块的最下级，从而 能够延长当膜被堵塞时或等效地膜单元需要清洁时之前经过的装置运转时间。此外，将多 个膜单元的堵塞时间控制成使得它们是同步的。因此能够实现装置的高效维护。
【附图说明】
[0019] [图1]图1是表示根据本发明实施方式的多级浸没式膜分离装置的立体图。
[0020] [图2]图2是示出根据本发明一个实施方式的多级浸没式膜分离系统的示意图。
[0021] [图3]图3是示出根据本发明另一实施方式的多级浸没式膜分离系统的示意图。
[0022] [图4]图4是表示在膜单元内部彼此相邻的两个平坦片状膜元件的立体图。
[0023] [图5]图5是示出膜渗透性阻力测量设备的示意图。
[0024] [图6]图6是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例1中的过 滤压差的变化。
[0025] [图7]图7是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例2中的过 滤压差的变化。
[0026] [图8]图8是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例3中的过 滤压差的变化。
[0027] [图9]图9是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例4中的过 滤压差的变化。
[0028] [图10]图10是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例5中的 过滤压差的变化。
[0029] [图11]图11是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例6中的 过滤压差的变化。
[0030] [图12]图12是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例7中的 过滤压差的变化。
[0031] [图13]图13是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了比较例1中 的过滤压差的变化。
[0032] [图14]图14是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例8中的 过滤流量变化和过滤压差的变化。
[0033] [图15]图15是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了比较例2中 的过滤流量变化和过滤压差的变化。
【具体实施方式】
[0034] 现在将更详细地说明本发明，不过本发明不应该解释为被限制为以下实施方式。 并且在实施本发明时，在不脱离本发明的主旨的情况下，能够任意地做出改变和修改。
[0035] 关于根据本发明的多级浸没式膜分离装置(下文中也称为"本装置")，下面参考如 图1-图3所示的具有两个膜单元的多级浸没式膜分离装置的例示来说明本发明。
[0036] 图1中所示的多级浸没式膜分离装置具有膜模块12,在膜模块12中竖直地放置两 个膜单元，即膜单元IlA和膜单元11B。如图2和图3所示，膜模块12浸没在容纳 在被处理 水容纳槽13内的被处理水中。
[0037] 在每个膜单元中，如图4所示，多个具有片状分离膜的平坦片状膜元件101以给定 间距布置，以便它们的膜面平行。每个平坦片状膜元件是具有片状分离膜的元件，并且例如 使用平坦片状膜元件101，其具有如下结构：在由例如树脂或金属形成的框架的正面和背 面中的每一面上安装有片状分离膜，并且在框架的顶部设置有与由分离膜和框架所包围的 内部空间连通的渗透物出口。在图4 (示意立体图）中示出了一组相邻的平坦片状膜101。 允许在彼此相邻的平坦片状膜101之间存在给定间距(通常6至10毫米)，并且使被处理水 的上升流，特别是被处理水和由如下所述的空气扩散器18产生的气泡的混合物的上升流 流经该膜间空间z。
[0038] 膜单元IlA和IlB分别与渗透物管线14A和14B连通，已经穿过分离膜的渗透物 被排出到所述渗透物管线14A和14B中。将渗透物从安装在每个膜单元内部的每个平坦片 状膜元件的渗透物出口 102传送到渗透物管线14。在渗透物管线14A和14B上安装有其各 自的仪器，具体来说是能够控制渗透物流量的流量控制阀15A和15B、用于测量渗透物侧的 压力的压力计16A和16B以及测量渗透物流量的流量计17A和17B。如图2所示，渗透物 可以由最终彼此连通的渗透物管线14A和14B收集并排出到系统外，或者如图3所示，渗透 物可以分别从渗透物管线14A和14B排出。在如图2所示管线最终彼此连通的情况下，减 少了安装泵的数量，安装泵的空间减小，并且泵维护也变得容易。另一方面，在如图3所示 分别排出渗透物的情况下，能够根据必要单独地控制上级渗透物和下级渗透物的分别的流 量，并且能够采取适合于情况的措施。
[0039] 作为过滤的驱动力，其一个示例是，通过操作泵送装置(未示出）来减小每个渗透 物管线内部的压力，从而通过分离膜过滤被处理水容纳槽中的被处理水。借助于渗透物管 线将滤出液取出到系统外。此外，为了减小每个渗透物管线内部的压力，在不提供泵送装置 的情况下，可以利用水位差。
[0040] 在被处理水容纳槽内的膜模块12下方安装有用于产生气泡的空气扩散器18。通 过从空气扩散器18发出的空气射流，使得在被处理水容纳槽13内部产生气泡。由空气射 流的气升作用产生的气液混合上升流和气泡流入膜单元的最下级，并且进一步在适当地重 新伴随槽内的混合液的同时流入位于上方位置的膜单元内。这样，将分离膜表面清洁，由此 能够防止发生跨膜堵塞，并且进一步能够抑制形成可能附着并堆积在分离膜表面上的污泥 饼层。根据需要可以安装多于一个的空气扩散器18。
[0041] 在本发明的装置中，具有最小污泥过滤阻力或最小纯水渗透阻力的膜单元放置在 膜模块的最下级。更具体地，在图1-图3所示的实施方式中，膜单元IlB具有最小污泥过 滤阻力或最小纯水渗透阻力。鉴于如下事实采取这种措施：当实际操作膜分离装置时，在具 有以多级竖直堆叠的膜单元的膜模块中，安装在最下级的膜单元的空气扩散膜面清洁效果 比安装在上级的膜单元受限制，从而下级的膜单元容易首先经历阻塞并且被堵塞。在这样 的情况下，为了补充由于位于最下级的膜模块的堵塞而减少的过滤流量，对上级膜单元造 成了负担，从而导致甚至在位于上级的膜单元中堵塞也会发展。
[0042] 在这种情况下，即使其清洁力弱，位于最下级的膜单元也能够通过使其过滤阻力 最小来确保污泥渗透性，从而能够以低速维持由于阻塞膜孔而导致的跨膜压差的上升，并 且减小取出膜单元并清洁膜单元的频率。
[0043] 在本发明中所使用的表述"膜单元的污泥过滤阻力"是指使得污泥渗透穿过分离 膜的难度，或者等同地表示由于过滤造成的膜阻塞(堵塞）的程度的值，并且更具体地来说 是通过跨膜压差(主要侧压力和次要侧压力之间的差）除以渗透物流量所获得的值。
[0044] 然而，污泥的成分在其通过分离膜的渗透性方面是不均匀的，并且因此在相对于 多个分离膜和作为分离膜的集合体的膜单元的过滤阻力强度的顺序方面，可能发生换位。 因此，在实际安装浸没式膜分离装置时，适合的是在安装位置对每个分离膜进行污泥过滤 阻力测量，并且基于这样测量的阻力值来选择待安装在平坦片状膜元件内的分离膜，并且 将膜单元恰当地组装成膜模块。
[0045] 此外，表述"污泥过滤阻力小"具有与"污泥渗透性高"相同的含义，并且表述"污 泥过滤阻力大"具有与表述"污泥渗透性低"相同的含义。
[0046] 在本发明中，根据下面提到的方法测量膜单元的污泥过滤阻力。方法分为两个大 类：（A)直接确定膜单元整体的污泥过滤阻力的方法类型；和（B)通过测量膜单元内包含的 代表性膜的污泥过滤阻力并将所测量的阻力除以膜单元内包含的膜面积来间接确定膜单 元的污泥过滤阻力的方法类型。从准确地确定膜单元整体的污泥过滤阻力的观点考虑，方 法类型（A)是优选的，但是从允许通过使用少量污泥进行简便测量的观点考虑，也可以采用 方法类型（B)。
[0047] 方法类型（A)如下。
[0048] 在本发明中，在运转的早期阶段期间的污泥过滤阻力是重要的。因此，膜单元的污 泥过滤阻力能够确定为通过将使用膜单元开始之后不久的跨膜压差除以渗透物流量所获 得的值。在已经使用了膜单元之后，首先最大可能地解决膜单元的阻塞，之后实施跨膜压差 和渗透物流量测量，从而能够以相同方式确定膜单元的污泥过滤阻力。作为解决膜阻塞的 方法，这里优选的是将作为评价对象的膜单元浸没到槽内，其中该槽内容纳有足以将膜单 元浸没在溶液中的量的化学物水溶液(该槽可以是不同于被处理水容纳槽13的槽，或者其 可以是被处理水容纳槽13,在去除了其中累积的污泥之后添加化学物水溶液)。在此，浸没 时间期望是2小时或更久，或者更期望是4小时或更久，并且最期望是10小时或更久。根 据对导致膜阻塞的物质组成的确定，只要必要就可以适当地制备化学物水溶液。当导致膜 阻塞的物质是有机物质时，能够适当地使用包含4, 000 mg/1或更多次氯酸的水溶液或具有 12或更高pH值的氢氧化钠水溶液，并且当导致膜阻塞的物质是无机物质时，能够适当地使 用包含0. 1%或更多草酸的水溶液或包含2%或更多柠檬酸等的水溶液。此外，可能有在膜 元件之间形成牢固的污泥饼的情况。因此，在这种情况下适当的是，在前述浸没在化学物溶 液中之前物理地除去污泥饼，或者在浸没在化学物溶液中期间通过从膜单元的向下区域的 通风来产生化学物溶液流。
[0049] 前述方法类型（B)如下。
[0050] 首先，从作为评价对象的膜单元切下代表性膜。关于切下的膜，对从膜单元中包含 的多个膜元件中随机抽吸的膜元件，从随机选择的位置切下分离膜。这时，虽然适当的是切 下最大可能数量的代表性膜并且对其进行评价，不过切下至少三个或更多个，优选地至少 五个或更多个，更优选地至少十个或更多个代表性膜，根据下述方法对切下的膜进行膜污 泥过滤阻力测量，计算这些测量值的平均值，并且将所获得的平均值定义为膜污泥过滤阻 力。并且通过将这样获得的膜污泥过滤阻力除以单元内包含的膜面积，来计算单元的污泥 过滤阻力。
[0051 ] 用于对代表性切下膜进行膜污泥过滤阻力的评价的方法如下。
[0052] 首先进行膜调节。具体地，当已经使用了膜时，使用化学物清洁膜，而当还没有使 用膜时，将分离膜浸没在乙醇中15分钟，进一步浸没在水中2小时或更久，并且之后被纯水 冲洗。通过与前述的膜单元的浸没清洁类似地将膜浸没在化学物水溶液内，来实施使用化 学物的清洁，并且这里的浸没时间期望是2小时或更久，更期望是4小时或更久，并且最期 望是10小时或更久。可以随时参考导致膜阻塞的物质成分来适当地确定化学物水溶液，并 且当导致膜阻塞的物质是有机物质时，能够适当地使用包含4, 000 mg/1或更多次氯酸的水 溶液或具有12或更高pH值的氢氧化钠水溶液，而当导致膜阻塞的物质是无机物质时，能够 适当地使用包含〇. 1%或更多草酸的水溶液或包含2%或更多柠檬酸等的水溶液。
[0053] 通过使用已经经历了前述调节的膜，实施关于污泥基础过滤的下述实验，由此来 测量膜污泥过滤的阻力。关于测量中使用的污泥，收集已经浸没有或要浸没有膜单元的污 泥，且优选地在冷藏保存的一周内使用。当难以收集污泥时，可以使用来自其它污水处理厂 的活性污泥作为该污泥的替代。
[0054] 如图5所示，污泥基础过滤的实验装置构造成在使用氮气对贮存槽进行加压的情 况下，使用电子称监测每个单位时间穿过搅拌式单元（由Millipore生产的具有4. I cm2的有效膜面积的 Amicon 8010)的渗透物量（Chia-Chi Ho & A.L. Zyndney，Journal of Colloid and Interface Science，2002, 232, ρ· 389)。将电子称连接到计算机，且之后根据 重量随时间经过的变化来计算膜渗透阻力。通过附接到搅拌式单元的磁力搅拌器的旋转， 对膜面赋予膜面通量，其中将搅拌式单元中的搅拌速度始终调节为600 rpm，将评价温度设 定在25摄氏度，并且将评价压力设定在20 kPa。以 如下所述顺序执行评价。顺便说一下， 可以通过将水温转换成评价液体的粘性来计算膜阻力。
[0055] 在此，通过如下表达式来确定膜阻力R。
[0056] R = (P X t X S)/L R :膜阻力（m2XPaXs/m3) P :评价压力（Pa) T :渗透时间（s) L :渗透物量（m3) 3:膜面积（!112)。
[0057] 继续过滤污泥，污泥开始附着于膜面，并且膜阻力R随时间变化并且呈向上趋势。 然而，存在膜阻力R的值由于附着和搅拌导致的剥离之间的平衡而保持恒定的时段。将膜 阻力的该恒定值定义为膜污泥过滤阻力。
[0058] 在前述用于测量污泥过滤阻力的方法中，通过将要被过滤的流体从污泥改变成纯 水或反渗透膜渗透物，来评价纯水渗透物通过单元的阻力。
[0059] 在本发明的装置中，适当的是最下级膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比其 他膜单元（即相比于最下级膜单元放置在较高位置的那些膜单元）中任意一个(优选地所 有）的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力小至少10%，优选地至少15%，特别优选地至少30%，最 优选地至少50%。通过将最下级膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力调节为落入如上所 述的这样的范围内，使得在执行实际操作期间，能够实现在最下级膜单元和放置在较高位 置的膜单元之间的良好平衡。
[0060] 通过以前述方式控制通过多个膜单元中的每个的过滤阻力和多个膜单元在膜模 块中的安装顺序，使得能够实现在每个膜单元需要清洁之前经过的运转时间的延长，并且 使膜模块中包含的多个膜单元的清洁时期同步，该情况有望实现装置的高效维护。
[0061] 可以用于实现膜单元安装的前述顺序的方法示例包括使得每个膜单元在构成它 们的膜元件的数量上是相等的，并且在要放置在最下级的膜单元中安装的膜具有比安装在 其他膜单元中的膜更小的膜污泥过滤阻力的方法、以及在每个膜单元中使用具有相同水平 的膜污泥过滤阻力的膜并且增加最下级膜单元中的膜元件的数量的方法。
[0062] 此外，这里使用的分离膜可以是常用多孔膜，并且其示例包括由（聚偏二氟乙烯） 基树脂、聚丙烯腈基树脂、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚砜基树脂、(聚醚砜)基树脂或者聚烯烃 基树脂制成的分离膜。在这些分离膜中，优选地使用由（聚偏二氟乙烯）基树脂制成的分离 膜。分离膜的厚度可以是在〇. 01毫米至1毫米且优选地从〇. 1毫米到〇. 7毫米的范围内。 [0063] 平坦片状膜元件包括分离膜和进入部分，并且进一步可以根据需要包括支撑板和 通道构件。分离膜不具有具体限制，只要它们是片状的并且具有允许水从中穿过并进入平 坦片状膜元件的结构即可。此外，可以在两个分离膜之间设置支撑板，其中分离膜可以保 持平坦形式。进而，可以在两个分离膜之间或者在分离膜和支撑板之间设置通道构件，其 中在维持分离膜处于平坦形式的同时，可以形成允许穿过了分离膜的处理水容易地流到进 入部分中的结构。平坦片状膜元件的尺寸没有具体限制，不过从处理容易和曝气能量最大 化的观点出发，适当的是膜元件具有300X300毫米至2, 000X2, 000毫米的尺寸，优选地 500X 1，000 毫米至 500X 1，500 毫米。
[0064] 重要的仅在于膜模块应该包括至少两个膜单元，并且进一步可以针对每个膜单元 提供曝气装置。然而，优选的是针对一个膜模块提供一个曝气装置。多个膜单元被竖直地 堆叠，不过适当的是对于每个膜模块包括两个或者三个膜单元。
[0065] 另一方面，用于传送已经穿过了膜单元中的分离膜的渗透物的渗透物管线没有具 体限制，只要它们对于被处理水、处理水和包含化学物的清洗溶液是稳定的即可，并且具体 地可以提到由塑料或金属制成的管线。特别由金属制成的管线是优选的。
[0066] 关于渗透物管线的构造，在安装和维护方面适当的是一个渗透物管线与一个膜单 元连通。
[0067] 进而，优选的是，与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到 放置在上方的至少一个渗透物管线。这是因为，虽然在安装泵用于流量控制时所安装的泵 数量可以与渗透物管线的数量相同，但是渗透物管线之间的连接使得可以以连接件的数量 来减少所需泵的数量。
[0068] 在此值得注意的是，因为不同膜单元之间的过滤阻力不同，所以即使当多个膜单 元中的渗透物以及分别与其连通的渗透物管线被一个泵抽吸时，膜单元根据各个膜单元的 过滤阻力而在实际抽吸压力和通量方面是彼此不同的，并且适于各个膜单元的流量控制变 成可能。
[0069] 进而，本发明的装置优选地具有流量控制机构，以便控制穿过每个渗透物管线被 传送的渗透物的流量。作为流量控制机构，能够给出泵送机、流量控制阀等作为示例。特别 从减少能量消耗的观点出发，流量控制阀是优选的。
[0070] 适当的是，流量控制机构安装在与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透 物管线中，并且还适当的是另一流量控制机构安装在与另一膜单元（即放置在上方的至少 一个膜单元）连通的渗透物管线中。
[0071] 此外适当的是，与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线和与放置 在上方的膜单元连通的渗透物管线均具有能够彼此独立地进行控制的流量控制机构。这是 因为，由于放置在最下级的膜单元最可能阻塞，所以调节放置在最下级的膜单元中的渗透 物流量和放置在上方的膜单元中的渗透物流量之间的平衡，由此能够实现膜单元的寿命的 增加。
[0072] 本发明的装置可以代替上述流量控制机构或与上述流量控制机构结合，而具有压 力测量机构，用于确定过滤时的渗透物抽吸压力。重要的仅在于，能够确定过滤期间的渗透 物抽吸压力和过滤停止期间的压力之间的运转压差。
[0073] 在膜模块中的放置在最下级的膜单元的分离膜中的运转压差大于预定值时的情 况意味着膜单元具有大的污泥阻力和小的污泥渗透性，或等效地膜由于阻塞而开始堵塞。
[0074] 关于上述预定值，根据被处理水的性质，运转压差期望的是从10 kPa到40 kPa，更 期望的是20 kPa或者更小。
[0075] 在运转压差增加超过预定值的情况下，适当的是采用使用化学物清洁膜单元、或 者增加从空气扩散器扩散的空气量或空气扩散的持续时间、或者减小放置在最下级的膜单 元中的渗透物的流量的手段。通过采用这样的手段，将运转压差降低到5至10 kPa左右， 并且能够执行过滤运转。
[0076] 这里所用的术语"使用化学物清洁"意味着堵塞的分离膜经受通过使用酸和碱化 学物从分离膜的二次侧回流清洗，并且所用化学物的示例包括次氯酸钠、柠檬酸和草酸。在 这些化学物中，优选地使用次氯酸钠和柠檬酸。
[0077] 在增加从空气扩散器扩散的空气量的情况下，适当的是空气量的增量是通常空气 量的大约10%至50%。
[0078] 关于从空气扩散器空气扩散的时间段，在一些情形能够间断地实施空气扩散，不 过优选地连续地进行空气扩散。
[0079] 此外，使用化学物的清洁和扩散的空气量或空气扩散持续时间的增量根据被处理 水的类型、温度、粘性和其他构成而显著地不同，因此必要时需要选择最佳条件并且在选定 条件下实施膜分离。
[0080] 为了应对不仅最下级膜单元中的运转压差而且透过放置在最下级的膜单元中的 分离膜所获得的渗透物的流量值或压差小于预定值的情况、或者透过放置在最下级的膜单 元中的分离膜所获得的渗透物的流量值或压力值与透过任意其他膜单元中的分离膜所获 得的渗透物的流量值或压力值之间的差变得大于预定值的情况，也可以采用与如上所述相 同的手段，即，使用化学物清洁最下级膜单元或者增加从空气扩散器扩散的空气量或空气 扩散的持续时间或减小最下级膜单元中的渗透物的流量的手段。
[0081] 表述"渗透物的流量或渗透物的压力的差大于预定值"意味着膜单元对污泥的阻 力变大并且污泥渗透性变小或者等效地膜单元开始由于阻塞而堵塞的状态。
[0082] 另一方面，术语"预定值"指的是关于例如过滤通量、过滤流量、过滤压力或过滤压 差等允许判断操作时的过滤流量或过滤压力的测量值，能够考虑到过滤运转条件和污泥和 被处理水的条件确定的值。
[0083] 进而，适当的是在如下条件下进行膜分离：使用上述流量控制机构控制流量，使得 透过膜模块的放置在最下级的膜单元中的分离膜所获得的渗透物的流量变得小于渗透透 过至少任意一个其他分离单元（即一个或更多个放置在上方的膜单元）中的分离膜所获得 的渗透物的流量。通过有意地减小穿过膜模块的放置在最下级的膜单元的水量，能够延长 最下级膜单元被堵塞之前经过的时间。
[0084] 换言之，通过将最下级膜中的流量调节得较小并且将上级膜单元中的流量调节得 更大，能够延长膜单元需要清洁之前经过的时间，并且除此之外，能够将清洁多个膜单元的 时刻被调节成同步，从而能够一次取出所有膜单元用于清洁并且所有膜单元能够被清洁。 [0085] 此外，适当的是穿过最下级膜单元的渗透物流量和穿过至少一个或更多个膜单元 的渗透物流量之间的差是10%或者更小。这是因为对于最下级膜单元 和放置在上方的膜单 元可以使用相似的渗透物管线，从而不仅能够减少由于安装错误导致的运转故障，还能够 减小管线阻力。
[0086] 此外，通过将放置在下级处的膜单元的流量调节成较低并且将放置在上级处的膜 单元的流量调节为较高，能够期待膜单元寿命的进一步增加。
[0087] 另一方面，使用压力控制机构替代流量控制机构也能够产生与上述相似的效果。 在这种情况下，重要的仅在于将被处理水和渗透物之间的压差调节成，在放置在最下级的 膜单元中略微缓慢地上升，而在放置在上方的膜单元中调节成略微快速地上升。并且通过 将放置在最下级的膜单元调节成压差上升较慢，并且将放置在上级处的膜单元调节成压差 上升更快，能够期待膜单元寿命的进一步增加。
[0088] 进而，通过将与放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置在上方的 其它膜单元连通的渗透物管线，并且通过使用由同一个抽吸泵产生的驱动力来进行膜过滤 等，能够将这些膜单元的跨膜压差始终保持为几乎相同。在这种情况下，也可以通过使用设 置在每个渗透物管线中的流量控制阀等对渗透物流动提供阻力，来控制各个膜单元的跨膜 压差。并且适当的是将跨膜压差之间的差调节成落入±10%内。从而，不仅能够不浪费地 利用泵动力，而且膜逐渐堵塞的膜单元也以堵塞量自然地减小了膜过滤流量，并且在膜单 元之间获得了良好的平衡利用。
[0089] 详细说明如下。例如，在跨膜压差始终保持为几乎相同的情况下，在开始膜过滤之 后不久或在使用化学物清洁膜之后不久，因为在膜模块中的膜单元中，最下级膜单元的污 泥过滤阻力最小，所以最下级膜单元中的过滤流量变得最大。当在这样的膜模块中进行过 滤时，因为在最下级的膜清洁效果弱，所以最下级膜单元中的过滤流量被逐渐减小。随着时 间进一步经过，认为最下级膜单元中的过滤流量变得比放置在上方的膜单元中的过滤流量 更小。然而，如上所述，在膜模块中的膜单元中，最下级膜单元具有最小的初始污泥过滤阻 力，并且其过滤流量减小速度也小。结果，保持将整个膜模块中的跨膜压差上升速度抑制得 较小，从而即使化学清洁间隔长，也能够稳定地继续过滤运转。
[0090] 虽然以上以包含污泥的被处理水为对象例示了根据本发明的浸没式膜分离装置 和膜分离方法，不过它们不仅能够处理活性污泥，并且也能够将河水、湖水、地下水、海水、 污水、废水、来自食物加工的废水等作为被处理水，并且消除被处理水中的悬浮物，从而能 够将它们用于各种目的，包括水净化处理、废水处理、饮用水制造、工业水制造等等。 实施例
[0091] 现在将在下文中参考实施例例示本发明，不过这些实施例不应该解释为以任何方 式限制本发明的范围。
[0092]〈分离膜的制备〉 使用聚偏二氟乙烯（PVDF)作为制膜原液用的树脂成分。此外，使用聚氧乙烯山梨醇酐 单硬脂酸酯、N，N-二甲基甲酰胺（DMF)* H2O分别用作开孔剂、溶剂和非溶剂。这些成分在 95摄氏度的温度下通过搅拌充分混合在一起，并且分别制备分别具有表1中所示组成的制 膜原液。
[0093] 用于分离膜的基材是矩形无纺布，其由聚酯纤维制成并且具有0. 42 g/cm3的密 度、50 cm的宽度和150 cm的长度。之后，将每种制膜原液冷却到30摄氏度并且涂敷到基 材。在涂敷之后立刻将所产生的材料浸入20摄氏度纯水中5分钟，并且进一步浸入90摄 氏度的热水中2分钟，由此将作为溶剂的N，N-二甲基甲酰胺和作为开孔剂的聚氧乙烯山梨 醇酐单硬脂酸酯冲洗。以此方式制备了复合分离膜1-8。
[0094] 〈污泥过滤阻力和纯水渗透阻力测量〉 通过使用上述方法来执行污泥过滤阻力实验，对根据其各自的组成和上述方法制备的 分离膜1-8中的每一种执行污泥过滤阻力测量。
[0095] 作为在分离膜的污泥过滤阻力测量时所用的污泥，通过使从污水处理厂收集的污 泥在BOD容积负荷是lg-BOD/L/天的条件下在糊精培养基（由12g/L糊精、24g/L多聚蛋白 胨、7. 2g/L硫酸铵、2. 4g/L磷酸二氢钾、0. 9g/L氯化钠、0. 3g/L七水硫酸镁和0. 4g/L二水 氯化钙构成）上培养大约一年并且水停留时间是一天来制备污泥溶液，且进一步地用反渗 透膜滤出液稀释污泥溶液（MLSS :15. 17g/L)，以便将MLSS减小到lg/L。通过使用如此稀 释的污泥溶液，来进行纸过滤测试。在此发现，当在20摄氏度的温度下在5分钟通过具有 1 μ m的孔大小（5C号)的过滤纸过滤50 mL的被稀释污泥溶液时，获得的渗透物量是19. 8 mL。使用粘度计（VT-3E，Rotor No. 4, RION Co.，Ltd.的产品）测量被稀释污泥溶液的粘 性并且发现其是1.1 mPa_ S (20摄氏度)。
[0096] 首先将每个分离膜都浸入乙醇中，然后代替乙醇浸入水中，并且进一步用纯水漂 洗5分钟。在移除贮存槽之后，在以下状态下使用被稀释的污泥溶液（15g)填充搅拌式评 价单元：将评价后的膜固定在单元内，并且对预定量（7. 5g)的被稀释污泥溶液进行过滤。 当结束了对预定量的被稀释污泥溶液的过滤时，针对每个预定时间计算膜阻力，并且在过 滤污泥期间在最后20秒将膜阻力保持为几乎恒定。因此将该恒定膜阻力定义为膜污泥过 滤阻力R。同样，确定纯水渗透阻力R。由这些实验获得的结果表示在表2中。对于分离膜 1-8,获得了膜污泥过滤阻力和纯水渗透阻力彼此不同的膜。
[0097]〈平坦片状膜元件的制备〉 分别通过使用污泥过滤阻力不同的分离膜1-8来制造平坦片状膜元件。基本上基于 Toray Industries, Inc的产品Element TSP-50150来制造每个平坦片状膜元件。每个平坦 片状膜元件具有如下结构：在元件的顶部安装进入喷嘴，并且使分离膜附着于具有1，600 毫米X500毫米的尺寸的支撑板的两面，并且分离膜的面积是1.4 m2。通过将两片每个单 独的分离膜切割为适合元件的大小，并且将这两片分别放置在元件的支撑板的两面上，来 制造每个平坦片状膜元件。
[0098] 〈膜单元的制备〉 使用Toray Industries, Inc.的产品TMR140作为膜单元。首先，使用从上述分离膜中 选择的同种分离膜，由平坦片状膜元件构成膜单元，并且之后通过将空气扩散块、下级膜单 元、中间块和上级膜单元以该顺序堆叠来制备膜模块。作为下级膜单元和上级膜单元，使用 通过每个膜单元包括20张上述平坦片状膜元件而构成的膜单元。
[0099] 〈膜模块的配置〉 通过使用浸没式膜分离装置来进行膜分离测试，其中所述装置包括装备有两个膜单 元的膜模块，其中一个膜单元放置在下级并且具有相对较小的污泥过滤阻力和纯水渗透阻 力，并且另一个膜单元放置在上级并且具有相对较大的污泥过滤阻力和纯水渗透阻力。下 级单元和上级单元之间的过滤阻力的差通过下列表达式计算。
[0100] 污泥过滤阻力差=(上级膜单元中使用的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积-下 级膜单元中使用的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积）X 100+ (下级膜单元中使用的膜 的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积)。
[0101] 纯水渗透阻力差=(上级膜单元中使用的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积-下 级膜单元中使用的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积）X 100+ (下级膜单元中使用的膜 的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积)。
[0102] 表3中示出了所使用的膜模块（即膜模块1-8)的膜单元的构成和这些膜模块的过 滤阻力差。
[0103] 〈对膜模块的过滤运转测试〉 测试条件如下。
[0104] 在表4中一起示出的条件下处理生活污水。生活污水借助于原水供给泵被引入到 脱氮槽中并经受处理，并且将所产生的液体引入到膜生物反应器槽中。在膜生物反应器槽 中，通过从膜模块供应的曝气来维持需氧条件，并且进行对处理水的过滤。此外，利用污泥 抽吸泵定期地抽吸污泥，以维持MLSS浓度。在恒定流量运转模式下执行对每个膜模块的过 滤运转。
[0105] 〈实施例1> 在实施例1中，使用如图3中所示构造的膜分离系统中的膜模块1来进行实验。在如 下条件下进行实验：将来自上级和下级的渗透物连接在一起的阀19被闭合，并且分别独立 地控制上级和下级中的过滤流量。下级和上级膜单元中的每个均设置有压力计、流量计和 过滤泵，并且在流量计和过滤泵一起联动的状态下进行抽吸过滤。以此方式，进行恒定流量 过滤运转。过滤通量是I. 〇m/d，并且重复9分钟过滤和1-分钟停顿的过滤循环。通过读取 从过滤运转开始经过了 8分钟之后的过滤运转压力和从过滤停止经过了 50秒之后的压力， 并且从过滤运转压力的读数减去过滤停止压力的读数，来算出过滤压差。
[0106] 在过滤压差是大约5 kPa至6 kPa的情况下开始过滤运转，并且在上面指定的过 滤运转条件下继续过滤运转一个月。图6示出了从过滤运转开始的发展。此外，通过将一 个月后的过滤压差除以30 (天）算出上级膜单元和下级膜单元的每天的压差上升速度。所 获得的结果示于表5中。
[0107] 此外，使允许一致的过滤运转的过 滤压差为25 kPa。因此，关于每天的压差上升速 度，将用于将运转一个月后的运转压差控制到20 kPa以下的参考值评价为（25-5)kPa + 30 天N 〇· 67 kPa/d 以下。
[0108] 如表5和图6所示，在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于 0. 67 kPa/d的参考值是较小的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0109] 〈实施例2> 除了使用膜模块2以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图7所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0110] 〈实施例3> 除了使用膜模块3以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图8所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0111] 〈实施例4> 除了使用膜模块5以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图9所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0112] 〈实施例5> 除了使用膜模块6以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图10所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0113] 〈实施例6> 除了使用膜模块7以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图11所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0114] 〈实施例7> 除了使用膜模块8以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图12所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0115] 〈比较例1> 除了使用膜模块4以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图13所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较大 的，并且认为长期稳定运转是不可能的。
[0116] 〈实施例8> 在实施例8中，使用如图3中所示构造的膜分离装置中的膜模块1来进行实验。3.在 如下条件下进行实验：将来自上级和下级的渗透物连接在一起的阀19被打开，并且通过独 立地使用流量计20A和20B将膜模块中的流量调节成I. 17m3/h。下级和上级膜单元中的每 个均设置有压力计、流量计和过滤泵，并且在流量计和过滤泵一起联动的状态下进行抽吸 过滤。以此方式进行恒定流量过滤运转。过滤通量是l.〇m/d，并且重复9分钟过滤和1分 钟停顿的过滤循环。通过读取从过滤运转开始经过了 8分钟之后的过滤运转压力和从过滤 停止经过了 50秒之后的压力，并且从过滤运转压力的读数减去过滤停止压力的读数，来算 出过滤压差。分别利用流量计17A和17B对膜单元进行过滤流量测量。
[0117] 如表6和图14所示，在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于 0. 67 kPa/d的参考值是较小的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0118] 〈比较例2> 除了使用膜模块4以外，以与实施例8中相同的方式进行实验。如表6和图15所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较大 的，并且认为长期稳定运转是不可能的。
[0119] [表 1]
[0121][表 3]
[0122][表 4]
[0125] 虽然以上参考本发明的特定实施方式详细地描述了本发明，但是对于本领域技术 人员而言将是明显的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对其做出各种改变 和修改。本申请基于2012年12月26日提交的日本专利申请No. 2012-283468,其内容以参 考并入本文。
[0126] 工业实用性 根据本发明的多级浸没式膜分离装置允许延长在产生清洁膜的必要性之前经过的装 置运转时间，并且进一步使得能够调节膜清洁的时刻，以实多个膜单元的清洁时刻变得相 同。因此，可以说本发明的装置的维护是容易的，并且装置具有延长的寿命。
[0127] 关于根据本发明的装置，希望不仅污泥，而且河水、湖水、地下水、海水、污水、废 水、食物加工废水等作为被处理水也适用，并且能够对其进行膜分离。
[0128] 附图标记说明 1 :多级浸没式膜分离装置 IlA和IlB :膜单元 12 :膜模块 13 :被处理水容纳槽 14A和14B :渗透物管线 15A和15B :流量控制阀 16A和16B :压力计 17A和17B :流量计 18 :空气扩散器 19 :阀 20A和20B :流量计 101 :平坦片状膜元件 102 :渗透物出口 a :压力控制器 b :阀 c :压力计 d :供给水用贮存槽 e :磁力搅拌器 f :膜过滤单元 g :电子称。
【主权项】
1. 一种多级浸没式膜分离装置，包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜； 被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处 理水中；以及 安装在所述膜模块下方的空气扩散器， 其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。2. 根据权利要求1所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单元 的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何其他的膜单元至少低10%。3. 根据权利要求1或2所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单 元中所安装的平坦片状膜元件的数量比任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 膜单元多。4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 与所述膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置的级高于 放置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线。5. 根据权利要求4所述的多级浸没式膜分离装置，其中对放置在所述最下级的膜单 元中的渗透物流量和任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元且与连接到与放置在 所述最下级的膜单元连通的渗透物管线的渗透物管线连通的膜单元中的渗透物流量分别 进行控制，使得放置在所述最下级的膜单元的跨膜压差几乎等于任意膜单元的跨膜压差。6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 所述装置还包括流量控制机构，该流量控制机构能够独立地控制通过与所述膜模块中 的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量、和通过与放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量。7. -种使用多级浸没式膜分离装置的膜分离方法，所述多级浸没式膜分离装置包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦片状 膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜；被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水， 并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处理水中；以及安装在所述膜模块下方的空气扩 散器，其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。8. 根据权利要求7所述的膜分离方法，其中将穿过放置在所述膜模块中的最下级的 膜单元的分离膜的渗透物流量控制成小于穿过放置的级高于放置在所述最下级的膜单元 的任意的膜单元的分离膜的渗透物流量，并且控制成使得这些流量之间的差成为10%以 下。
【专利摘要】本发明提供能够进行长期稳定的过滤的浸没式膜分离装置和膜分离方法。浸没式膜分离装置包括膜模块，膜模块通过将排列有包括分离膜的平坦片状膜元件的膜单元堆叠而成，在浸没式膜分离装置中，通过利用污泥过滤阻力或纯水渗透阻力不同的各种膜单元构成膜模块，能够延长在产生跨膜堵塞之前即在进行膜清洁之前的装置运转时间。进而，也可以设计成使得需要膜清洁的时刻在多个膜单元中是同步的。
【IPC分类】C02F1/44, B01D61/12, B01D63/08
【公开号】CN104902987
【申请号】CN201380068562
【发明人】高畠宽生, 千智勋, 西尾彩
【申请人】东丽株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月25日
【公告号】US20150353396, WO2014104135A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多级浸没式膜分离装置，并且涉及使用这种膜分离装置的膜分离方 法，在所述装置中，在净化污水和工业废水时，通过使用过滤分离膜来执行水和污泥之间的 分离。
【背景技术】
[0002] 关于净化污水和工业废水的手段，已知有向废水中的微生物提供酶的方法、将水 混合到活性污泥中且之后执行分离处理的方法(膜生物反应器方法，简称MBR方法）等等。 在通过使用均具有多个孔的分离膜将活性污泥分离成固体和液体的膜生物反应器方法中， 为了抑制"结垢"，这是由于活性污泥成分累积在分离膜面上而导致堵塞分离膜的现象，而 使用由来自分离膜下方的曝气沿竖直方向生成的气液混合流，对活性污泥进行过滤，同时 清洁分离膜面。作为在这样的膜生物反应器方法中可用的膜分离装置的示例，已经提出了 具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜盒(膜单元）的多级膜分离装置(专利文献1)。
[0003] 然而，具有彼此上下叠置的多个膜单元的多级膜分离装置相比于单级膜分离装置 具有较大水深，并且因此倾向于在最下部生成的气泡由于液压压力而尺寸较小并且在向上 运动的同时逐渐增大到较大尺寸。由气液混合流产生的膜面清洁力响应于气泡尺寸的增加 而变得更大，并且因此空气-扩散清洁效果易于在放置在最下级的膜单元比在放置在其他 级处的膜单元中更小，并且易于在放置在上级处的膜单元中较大。因此，具有相对小的有效 面积的下级膜单元倾向于在较早的时间遭受堵塞(结垢)。虽然结垢的膜单元需要通过从槽 中取出并清洁或用新的更换来恢复性能，不过例如由于甚至上级膜单元也必须被取出而使 得性能恢复的工作变得复杂。因此，问题是要通过尽可能防止下级膜单元堵塞来降低取出 和清洁膜单元的频率。
[0004] 在这种情况下，已经提出了一种操作多级浸没式膜分离装置的方法，其目的在于 通过如下设计膜来简化更换工作：膜的待放置位置越高，它们越能够以更高的流量渗透水， 从而上级膜的污染的发展要快于下级膜的污染的发展，并且能够使上级和下级膜的堵塞周 期同步(专利文献2)。
[0005] 现有技术文献 专利文献 专利文献1 :日本特开平10-334835 专利文献2 :日本专利第3659833号公报。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的问题 然而，上述传统的多级浸没式膜分离装置仍具有改进空间，以便使结合在其中的过滤 膜工作更长时间。
[0007] 因此本发明目的在于提供一种能够更长时间稳定地进行过滤的多级浸没式膜分 离装置。
[0008] 解决问题的手段 通过鉴于上述情况进行了深入的研宄，本发明的发明人们发现，在多级浸没式膜分离 装置中，安装通过使用过滤阻力不同的膜单元而构成的膜模块允许延长发生跨膜堵塞或等 效地出现清洁膜的必要性之前经过的运转时间，并且同时使得能够调节膜清洁的时刻，以 便多个膜单元的清洁时刻相同，从而实现本发明。
[0009] gp，本发明涉及下列项目〈1>至〈8>。
[0010] 〈1> 一种多级浸没式膜分离装置，包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜； 被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处 理水中；以及 安装在所述膜模块下方的空气扩散器， 其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。
[0011] 〈2>根据〈1>所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单元的 污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何其他的膜单元至少低10%。
[0012] 〈3>根据〈1>或〈2>所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单 元中所安装的平坦片状膜元件的数量比任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 膜单元多。
[0013] 〈4>根据〈1>至〈3>中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 与所述膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置的级高于 放置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线。
[0014] 〈5>根据〈4>所述的多级浸没式膜分离装置，其中对放置在所述最下级的膜单元 中的渗透物流量和任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元且与连接到与放置在所 述最下级的膜单元连通的渗透物管线的渗透物管线连通的膜单元中的渗透物流量分别进 行控制，使得放置在所述最下级的膜单元的跨膜压差几乎等于任意膜单元的跨膜压差。
[0015] 〈6>根据〈1>至〈5>中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 所述装置还包括流量控制机构，该流量控制机构能够独立地控制通过与所述膜模块中 的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量、和通过与放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量。
[0016] 〈7>-种使用多级浸没式膜分离装置的膜分离方法，所述多级浸没式膜分离装置 包括：膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜；被处理水容纳槽，其中容纳有被处理 水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处理水中；以及安装在所述膜模块下方的空 气扩散器，其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高 于放置在所述最下级的膜单元的膜单元低。
[0017] 〈8>根据〈7>所述的膜分离方法，其中将穿过放置在所述膜模块中的最下级的膜 单元的分离膜的渗透物流量控制成小于穿过放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 任意的膜单元的分离膜的渗透物流量，并且控制成使得这些流量之间的差成为10%以下。
[0018] 本发明的优点 根据本发明，污泥过滤阻力或纯水渗透阻力低的膜单元放置在膜模块的最下级，从而 能够延长当膜被堵塞时或等效地膜单元需要清洁时之前经过的装置运转时间。此外，将多 个膜单元的堵塞时间控制成使得它们是同步的。因此能够实现装置的高效维护。
【附图说明】
[0019] [图1]图1是表示根据本发明实施方式的多级浸没式膜分离装置的立体图。
[0020] [图2]图2是示出根据本发明一个实施方式的多级浸没式膜分离系统的示意图。
[0021] [图3]图3是示出根据本发明另一实施方式的多级浸没式膜分离系统的示意图。
[0022] [图4]图4是表示在膜单元内部彼此相邻的两个平坦片状膜元件的立体图。
[0023] [图5]图5是示出膜渗透性阻力测量设备的示意图。
[0024] [图6]图6是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例1中的过 滤压差的变化。
[0025] [图7]图7是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例2中的过 滤压差的变化。
[0026] [图8]图8是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例3中的过 滤压差的变化。
[0027] [图9]图9是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例4中的过 滤压差的变化。
[0028] [图10]图10是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例5中的 过滤压差的变化。
[0029] [图11]图11是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例6中的 过滤压差的变化。
[0030] [图12]图12是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例7中的 过滤压差的变化。
[0031] [图13]图13是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了比较例1中 的过滤压差的变化。
[0032] [图14]图14是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了示例8中的 过滤流量变化和过滤压差的变化。
[0033] [图15]图15是由长期稳定运转测试的结果绘制的图表，其中示出了比较例2中 的过滤流量变化和过滤压差的变化。
【具体实施方式】
[0034] 现在将更详细地说明本发明，不过本发明不应该解释为被限制为以下实施方式。 并且在实施本发明时，在不脱离本发明的主旨的情况下，能够任意地做出改变和修改。
[0035] 关于根据本发明的多级浸没式膜分离装置(下文中也称为"本装置")，下面参考如 图1-图3所示的具有两个膜单元的多级浸没式膜分离装置的例示来说明本发明。
[0036] 图1中所示的多级浸没式膜分离装置具有膜模块12,在膜模块12中竖直地放置两 个膜单元，即膜单元IlA和膜单元11B。如图2和图3所示，膜模块12浸没在容纳 在被处理 水容纳槽13内的被处理水中。
[0037] 在每个膜单元中，如图4所示，多个具有片状分离膜的平坦片状膜元件101以给定 间距布置，以便它们的膜面平行。每个平坦片状膜元件是具有片状分离膜的元件，并且例如 使用平坦片状膜元件101，其具有如下结构：在由例如树脂或金属形成的框架的正面和背 面中的每一面上安装有片状分离膜，并且在框架的顶部设置有与由分离膜和框架所包围的 内部空间连通的渗透物出口。在图4 (示意立体图）中示出了一组相邻的平坦片状膜101。 允许在彼此相邻的平坦片状膜101之间存在给定间距(通常6至10毫米)，并且使被处理水 的上升流，特别是被处理水和由如下所述的空气扩散器18产生的气泡的混合物的上升流 流经该膜间空间z。
[0038] 膜单元IlA和IlB分别与渗透物管线14A和14B连通，已经穿过分离膜的渗透物 被排出到所述渗透物管线14A和14B中。将渗透物从安装在每个膜单元内部的每个平坦片 状膜元件的渗透物出口 102传送到渗透物管线14。在渗透物管线14A和14B上安装有其各 自的仪器，具体来说是能够控制渗透物流量的流量控制阀15A和15B、用于测量渗透物侧的 压力的压力计16A和16B以及测量渗透物流量的流量计17A和17B。如图2所示，渗透物 可以由最终彼此连通的渗透物管线14A和14B收集并排出到系统外，或者如图3所示，渗透 物可以分别从渗透物管线14A和14B排出。在如图2所示管线最终彼此连通的情况下，减 少了安装泵的数量，安装泵的空间减小，并且泵维护也变得容易。另一方面，在如图3所示 分别排出渗透物的情况下，能够根据必要单独地控制上级渗透物和下级渗透物的分别的流 量，并且能够采取适合于情况的措施。
[0039] 作为过滤的驱动力，其一个示例是，通过操作泵送装置(未示出）来减小每个渗透 物管线内部的压力，从而通过分离膜过滤被处理水容纳槽中的被处理水。借助于渗透物管 线将滤出液取出到系统外。此外，为了减小每个渗透物管线内部的压力，在不提供泵送装置 的情况下，可以利用水位差。
[0040] 在被处理水容纳槽内的膜模块12下方安装有用于产生气泡的空气扩散器18。通 过从空气扩散器18发出的空气射流，使得在被处理水容纳槽13内部产生气泡。由空气射 流的气升作用产生的气液混合上升流和气泡流入膜单元的最下级，并且进一步在适当地重 新伴随槽内的混合液的同时流入位于上方位置的膜单元内。这样，将分离膜表面清洁，由此 能够防止发生跨膜堵塞，并且进一步能够抑制形成可能附着并堆积在分离膜表面上的污泥 饼层。根据需要可以安装多于一个的空气扩散器18。
[0041] 在本发明的装置中，具有最小污泥过滤阻力或最小纯水渗透阻力的膜单元放置在 膜模块的最下级。更具体地，在图1-图3所示的实施方式中，膜单元IlB具有最小污泥过 滤阻力或最小纯水渗透阻力。鉴于如下事实采取这种措施：当实际操作膜分离装置时，在具 有以多级竖直堆叠的膜单元的膜模块中，安装在最下级的膜单元的空气扩散膜面清洁效果 比安装在上级的膜单元受限制，从而下级的膜单元容易首先经历阻塞并且被堵塞。在这样 的情况下，为了补充由于位于最下级的膜模块的堵塞而减少的过滤流量，对上级膜单元造 成了负担，从而导致甚至在位于上级的膜单元中堵塞也会发展。
[0042] 在这种情况下，即使其清洁力弱，位于最下级的膜单元也能够通过使其过滤阻力 最小来确保污泥渗透性，从而能够以低速维持由于阻塞膜孔而导致的跨膜压差的上升，并 且减小取出膜单元并清洁膜单元的频率。
[0043] 在本发明中所使用的表述"膜单元的污泥过滤阻力"是指使得污泥渗透穿过分离 膜的难度，或者等同地表示由于过滤造成的膜阻塞(堵塞）的程度的值，并且更具体地来说 是通过跨膜压差(主要侧压力和次要侧压力之间的差）除以渗透物流量所获得的值。
[0044] 然而，污泥的成分在其通过分离膜的渗透性方面是不均匀的，并且因此在相对于 多个分离膜和作为分离膜的集合体的膜单元的过滤阻力强度的顺序方面，可能发生换位。 因此，在实际安装浸没式膜分离装置时，适合的是在安装位置对每个分离膜进行污泥过滤 阻力测量，并且基于这样测量的阻力值来选择待安装在平坦片状膜元件内的分离膜，并且 将膜单元恰当地组装成膜模块。
[0045] 此外，表述"污泥过滤阻力小"具有与"污泥渗透性高"相同的含义，并且表述"污 泥过滤阻力大"具有与表述"污泥渗透性低"相同的含义。
[0046] 在本发明中，根据下面提到的方法测量膜单元的污泥过滤阻力。方法分为两个大 类：（A)直接确定膜单元整体的污泥过滤阻力的方法类型；和（B)通过测量膜单元内包含的 代表性膜的污泥过滤阻力并将所测量的阻力除以膜单元内包含的膜面积来间接确定膜单 元的污泥过滤阻力的方法类型。从准确地确定膜单元整体的污泥过滤阻力的观点考虑，方 法类型（A)是优选的，但是从允许通过使用少量污泥进行简便测量的观点考虑，也可以采用 方法类型（B)。
[0047] 方法类型（A)如下。
[0048] 在本发明中，在运转的早期阶段期间的污泥过滤阻力是重要的。因此，膜单元的污 泥过滤阻力能够确定为通过将使用膜单元开始之后不久的跨膜压差除以渗透物流量所获 得的值。在已经使用了膜单元之后，首先最大可能地解决膜单元的阻塞，之后实施跨膜压差 和渗透物流量测量，从而能够以相同方式确定膜单元的污泥过滤阻力。作为解决膜阻塞的 方法，这里优选的是将作为评价对象的膜单元浸没到槽内，其中该槽内容纳有足以将膜单 元浸没在溶液中的量的化学物水溶液(该槽可以是不同于被处理水容纳槽13的槽，或者其 可以是被处理水容纳槽13,在去除了其中累积的污泥之后添加化学物水溶液)。在此，浸没 时间期望是2小时或更久，或者更期望是4小时或更久，并且最期望是10小时或更久。根 据对导致膜阻塞的物质组成的确定，只要必要就可以适当地制备化学物水溶液。当导致膜 阻塞的物质是有机物质时，能够适当地使用包含4, 000 mg/1或更多次氯酸的水溶液或具有 12或更高pH值的氢氧化钠水溶液，并且当导致膜阻塞的物质是无机物质时，能够适当地使 用包含0. 1%或更多草酸的水溶液或包含2%或更多柠檬酸等的水溶液。此外，可能有在膜 元件之间形成牢固的污泥饼的情况。因此，在这种情况下适当的是，在前述浸没在化学物溶 液中之前物理地除去污泥饼，或者在浸没在化学物溶液中期间通过从膜单元的向下区域的 通风来产生化学物溶液流。
[0049] 前述方法类型（B)如下。
[0050] 首先，从作为评价对象的膜单元切下代表性膜。关于切下的膜，对从膜单元中包含 的多个膜元件中随机抽吸的膜元件，从随机选择的位置切下分离膜。这时，虽然适当的是切 下最大可能数量的代表性膜并且对其进行评价，不过切下至少三个或更多个，优选地至少 五个或更多个，更优选地至少十个或更多个代表性膜，根据下述方法对切下的膜进行膜污 泥过滤阻力测量，计算这些测量值的平均值，并且将所获得的平均值定义为膜污泥过滤阻 力。并且通过将这样获得的膜污泥过滤阻力除以单元内包含的膜面积，来计算单元的污泥 过滤阻力。
[0051 ] 用于对代表性切下膜进行膜污泥过滤阻力的评价的方法如下。
[0052] 首先进行膜调节。具体地，当已经使用了膜时，使用化学物清洁膜，而当还没有使 用膜时，将分离膜浸没在乙醇中15分钟，进一步浸没在水中2小时或更久，并且之后被纯水 冲洗。通过与前述的膜单元的浸没清洁类似地将膜浸没在化学物水溶液内，来实施使用化 学物的清洁，并且这里的浸没时间期望是2小时或更久，更期望是4小时或更久，并且最期 望是10小时或更久。可以随时参考导致膜阻塞的物质成分来适当地确定化学物水溶液，并 且当导致膜阻塞的物质是有机物质时，能够适当地使用包含4, 000 mg/1或更多次氯酸的水 溶液或具有12或更高pH值的氢氧化钠水溶液，而当导致膜阻塞的物质是无机物质时，能够 适当地使用包含〇. 1%或更多草酸的水溶液或包含2%或更多柠檬酸等的水溶液。
[0053] 通过使用已经经历了前述调节的膜，实施关于污泥基础过滤的下述实验，由此来 测量膜污泥过滤的阻力。关于测量中使用的污泥，收集已经浸没有或要浸没有膜单元的污 泥，且优选地在冷藏保存的一周内使用。当难以收集污泥时，可以使用来自其它污水处理厂 的活性污泥作为该污泥的替代。
[0054] 如图5所示，污泥基础过滤的实验装置构造成在使用氮气对贮存槽进行加压的情 况下，使用电子称监测每个单位时间穿过搅拌式单元（由Millipore生产的具有4. I cm2的有效膜面积的 Amicon 8010)的渗透物量（Chia-Chi Ho & A.L. Zyndney，Journal of Colloid and Interface Science，2002, 232, ρ· 389)。将电子称连接到计算机，且之后根据 重量随时间经过的变化来计算膜渗透阻力。通过附接到搅拌式单元的磁力搅拌器的旋转， 对膜面赋予膜面通量，其中将搅拌式单元中的搅拌速度始终调节为600 rpm，将评价温度设 定在25摄氏度，并且将评价压力设定在20 kPa。以 如下所述顺序执行评价。顺便说一下， 可以通过将水温转换成评价液体的粘性来计算膜阻力。
[0055] 在此，通过如下表达式来确定膜阻力R。
[0056] R = (P X t X S)/L R :膜阻力（m2XPaXs/m3) P :评价压力（Pa) T :渗透时间（s) L :渗透物量（m3) 3:膜面积（!112)。
[0057] 继续过滤污泥，污泥开始附着于膜面，并且膜阻力R随时间变化并且呈向上趋势。 然而，存在膜阻力R的值由于附着和搅拌导致的剥离之间的平衡而保持恒定的时段。将膜 阻力的该恒定值定义为膜污泥过滤阻力。
[0058] 在前述用于测量污泥过滤阻力的方法中，通过将要被过滤的流体从污泥改变成纯 水或反渗透膜渗透物，来评价纯水渗透物通过单元的阻力。
[0059] 在本发明的装置中，适当的是最下级膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比其 他膜单元（即相比于最下级膜单元放置在较高位置的那些膜单元）中任意一个(优选地所 有）的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力小至少10%，优选地至少15%，特别优选地至少30%，最 优选地至少50%。通过将最下级膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力调节为落入如上所 述的这样的范围内，使得在执行实际操作期间，能够实现在最下级膜单元和放置在较高位 置的膜单元之间的良好平衡。
[0060] 通过以前述方式控制通过多个膜单元中的每个的过滤阻力和多个膜单元在膜模 块中的安装顺序，使得能够实现在每个膜单元需要清洁之前经过的运转时间的延长，并且 使膜模块中包含的多个膜单元的清洁时期同步，该情况有望实现装置的高效维护。
[0061] 可以用于实现膜单元安装的前述顺序的方法示例包括使得每个膜单元在构成它 们的膜元件的数量上是相等的，并且在要放置在最下级的膜单元中安装的膜具有比安装在 其他膜单元中的膜更小的膜污泥过滤阻力的方法、以及在每个膜单元中使用具有相同水平 的膜污泥过滤阻力的膜并且增加最下级膜单元中的膜元件的数量的方法。
[0062] 此外，这里使用的分离膜可以是常用多孔膜，并且其示例包括由（聚偏二氟乙烯） 基树脂、聚丙烯腈基树脂、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚砜基树脂、(聚醚砜)基树脂或者聚烯烃 基树脂制成的分离膜。在这些分离膜中，优选地使用由（聚偏二氟乙烯）基树脂制成的分离 膜。分离膜的厚度可以是在〇. 01毫米至1毫米且优选地从〇. 1毫米到〇. 7毫米的范围内。 [0063] 平坦片状膜元件包括分离膜和进入部分，并且进一步可以根据需要包括支撑板和 通道构件。分离膜不具有具体限制，只要它们是片状的并且具有允许水从中穿过并进入平 坦片状膜元件的结构即可。此外，可以在两个分离膜之间设置支撑板，其中分离膜可以保 持平坦形式。进而，可以在两个分离膜之间或者在分离膜和支撑板之间设置通道构件，其 中在维持分离膜处于平坦形式的同时，可以形成允许穿过了分离膜的处理水容易地流到进 入部分中的结构。平坦片状膜元件的尺寸没有具体限制，不过从处理容易和曝气能量最大 化的观点出发，适当的是膜元件具有300X300毫米至2, 000X2, 000毫米的尺寸，优选地 500X 1，000 毫米至 500X 1，500 毫米。
[0064] 重要的仅在于膜模块应该包括至少两个膜单元，并且进一步可以针对每个膜单元 提供曝气装置。然而，优选的是针对一个膜模块提供一个曝气装置。多个膜单元被竖直地 堆叠，不过适当的是对于每个膜模块包括两个或者三个膜单元。
[0065] 另一方面，用于传送已经穿过了膜单元中的分离膜的渗透物的渗透物管线没有具 体限制，只要它们对于被处理水、处理水和包含化学物的清洗溶液是稳定的即可，并且具体 地可以提到由塑料或金属制成的管线。特别由金属制成的管线是优选的。
[0066] 关于渗透物管线的构造，在安装和维护方面适当的是一个渗透物管线与一个膜单 元连通。
[0067] 进而，优选的是，与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到 放置在上方的至少一个渗透物管线。这是因为，虽然在安装泵用于流量控制时所安装的泵 数量可以与渗透物管线的数量相同，但是渗透物管线之间的连接使得可以以连接件的数量 来减少所需泵的数量。
[0068] 在此值得注意的是，因为不同膜单元之间的过滤阻力不同，所以即使当多个膜单 元中的渗透物以及分别与其连通的渗透物管线被一个泵抽吸时，膜单元根据各个膜单元的 过滤阻力而在实际抽吸压力和通量方面是彼此不同的，并且适于各个膜单元的流量控制变 成可能。
[0069] 进而，本发明的装置优选地具有流量控制机构，以便控制穿过每个渗透物管线被 传送的渗透物的流量。作为流量控制机构，能够给出泵送机、流量控制阀等作为示例。特别 从减少能量消耗的观点出发，流量控制阀是优选的。
[0070] 适当的是，流量控制机构安装在与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透 物管线中，并且还适当的是另一流量控制机构安装在与另一膜单元（即放置在上方的至少 一个膜单元）连通的渗透物管线中。
[0071] 此外适当的是，与膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线和与放置 在上方的膜单元连通的渗透物管线均具有能够彼此独立地进行控制的流量控制机构。这是 因为，由于放置在最下级的膜单元最可能阻塞，所以调节放置在最下级的膜单元中的渗透 物流量和放置在上方的膜单元中的渗透物流量之间的平衡，由此能够实现膜单元的寿命的 增加。
[0072] 本发明的装置可以代替上述流量控制机构或与上述流量控制机构结合，而具有压 力测量机构，用于确定过滤时的渗透物抽吸压力。重要的仅在于，能够确定过滤期间的渗透 物抽吸压力和过滤停止期间的压力之间的运转压差。
[0073] 在膜模块中的放置在最下级的膜单元的分离膜中的运转压差大于预定值时的情 况意味着膜单元具有大的污泥阻力和小的污泥渗透性，或等效地膜由于阻塞而开始堵塞。
[0074] 关于上述预定值，根据被处理水的性质，运转压差期望的是从10 kPa到40 kPa，更 期望的是20 kPa或者更小。
[0075] 在运转压差增加超过预定值的情况下，适当的是采用使用化学物清洁膜单元、或 者增加从空气扩散器扩散的空气量或空气扩散的持续时间、或者减小放置在最下级的膜单 元中的渗透物的流量的手段。通过采用这样的手段，将运转压差降低到5至10 kPa左右， 并且能够执行过滤运转。
[0076] 这里所用的术语"使用化学物清洁"意味着堵塞的分离膜经受通过使用酸和碱化 学物从分离膜的二次侧回流清洗，并且所用化学物的示例包括次氯酸钠、柠檬酸和草酸。在 这些化学物中，优选地使用次氯酸钠和柠檬酸。
[0077] 在增加从空气扩散器扩散的空气量的情况下，适当的是空气量的增量是通常空气 量的大约10%至50%。
[0078] 关于从空气扩散器空气扩散的时间段，在一些情形能够间断地实施空气扩散，不 过优选地连续地进行空气扩散。
[0079] 此外，使用化学物的清洁和扩散的空气量或空气扩散持续时间的增量根据被处理 水的类型、温度、粘性和其他构成而显著地不同，因此必要时需要选择最佳条件并且在选定 条件下实施膜分离。
[0080] 为了应对不仅最下级膜单元中的运转压差而且透过放置在最下级的膜单元中的 分离膜所获得的渗透物的流量值或压差小于预定值的情况、或者透过放置在最下级的膜单 元中的分离膜所获得的渗透物的流量值或压力值与透过任意其他膜单元中的分离膜所获 得的渗透物的流量值或压力值之间的差变得大于预定值的情况，也可以采用与如上所述相 同的手段，即，使用化学物清洁最下级膜单元或者增加从空气扩散器扩散的空气量或空气 扩散的持续时间或减小最下级膜单元中的渗透物的流量的手段。
[0081] 表述"渗透物的流量或渗透物的压力的差大于预定值"意味着膜单元对污泥的阻 力变大并且污泥渗透性变小或者等效地膜单元开始由于阻塞而堵塞的状态。
[0082] 另一方面，术语"预定值"指的是关于例如过滤通量、过滤流量、过滤压力或过滤压 差等允许判断操作时的过滤流量或过滤压力的测量值，能够考虑到过滤运转条件和污泥和 被处理水的条件确定的值。
[0083] 进而，适当的是在如下条件下进行膜分离：使用上述流量控制机构控制流量，使得 透过膜模块的放置在最下级的膜单元中的分离膜所获得的渗透物的流量变得小于渗透透 过至少任意一个其他分离单元（即一个或更多个放置在上方的膜单元）中的分离膜所获得 的渗透物的流量。通过有意地减小穿过膜模块的放置在最下级的膜单元的水量，能够延长 最下级膜单元被堵塞之前经过的时间。
[0084] 换言之，通过将最下级膜中的流量调节得较小并且将上级膜单元中的流量调节得 更大，能够延长膜单元需要清洁之前经过的时间，并且除此之外，能够将清洁多个膜单元的 时刻被调节成同步，从而能够一次取出所有膜单元用于清洁并且所有膜单元能够被清洁。 [0085] 此外，适当的是穿过最下级膜单元的渗透物流量和穿过至少一个或更多个膜单元 的渗透物流量之间的差是10%或者更小。这是因为对于最下级膜单元 和放置在上方的膜单 元可以使用相似的渗透物管线，从而不仅能够减少由于安装错误导致的运转故障，还能够 减小管线阻力。
[0086] 此外，通过将放置在下级处的膜单元的流量调节成较低并且将放置在上级处的膜 单元的流量调节为较高，能够期待膜单元寿命的进一步增加。
[0087] 另一方面，使用压力控制机构替代流量控制机构也能够产生与上述相似的效果。 在这种情况下，重要的仅在于将被处理水和渗透物之间的压差调节成，在放置在最下级的 膜单元中略微缓慢地上升，而在放置在上方的膜单元中调节成略微快速地上升。并且通过 将放置在最下级的膜单元调节成压差上升较慢，并且将放置在上级处的膜单元调节成压差 上升更快，能够期待膜单元寿命的进一步增加。
[0088] 进而，通过将与放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置在上方的 其它膜单元连通的渗透物管线，并且通过使用由同一个抽吸泵产生的驱动力来进行膜过滤 等，能够将这些膜单元的跨膜压差始终保持为几乎相同。在这种情况下，也可以通过使用设 置在每个渗透物管线中的流量控制阀等对渗透物流动提供阻力，来控制各个膜单元的跨膜 压差。并且适当的是将跨膜压差之间的差调节成落入±10%内。从而，不仅能够不浪费地 利用泵动力，而且膜逐渐堵塞的膜单元也以堵塞量自然地减小了膜过滤流量，并且在膜单 元之间获得了良好的平衡利用。
[0089] 详细说明如下。例如，在跨膜压差始终保持为几乎相同的情况下，在开始膜过滤之 后不久或在使用化学物清洁膜之后不久，因为在膜模块中的膜单元中，最下级膜单元的污 泥过滤阻力最小，所以最下级膜单元中的过滤流量变得最大。当在这样的膜模块中进行过 滤时，因为在最下级的膜清洁效果弱，所以最下级膜单元中的过滤流量被逐渐减小。随着时 间进一步经过，认为最下级膜单元中的过滤流量变得比放置在上方的膜单元中的过滤流量 更小。然而，如上所述，在膜模块中的膜单元中，最下级膜单元具有最小的初始污泥过滤阻 力，并且其过滤流量减小速度也小。结果，保持将整个膜模块中的跨膜压差上升速度抑制得 较小，从而即使化学清洁间隔长，也能够稳定地继续过滤运转。
[0090] 虽然以上以包含污泥的被处理水为对象例示了根据本发明的浸没式膜分离装置 和膜分离方法，不过它们不仅能够处理活性污泥，并且也能够将河水、湖水、地下水、海水、 污水、废水、来自食物加工的废水等作为被处理水，并且消除被处理水中的悬浮物，从而能 够将它们用于各种目的，包括水净化处理、废水处理、饮用水制造、工业水制造等等。 实施例
[0091] 现在将在下文中参考实施例例示本发明，不过这些实施例不应该解释为以任何方 式限制本发明的范围。
[0092]〈分离膜的制备〉 使用聚偏二氟乙烯（PVDF)作为制膜原液用的树脂成分。此外，使用聚氧乙烯山梨醇酐 单硬脂酸酯、N，N-二甲基甲酰胺（DMF)* H2O分别用作开孔剂、溶剂和非溶剂。这些成分在 95摄氏度的温度下通过搅拌充分混合在一起，并且分别制备分别具有表1中所示组成的制 膜原液。
[0093] 用于分离膜的基材是矩形无纺布，其由聚酯纤维制成并且具有0. 42 g/cm3的密 度、50 cm的宽度和150 cm的长度。之后，将每种制膜原液冷却到30摄氏度并且涂敷到基 材。在涂敷之后立刻将所产生的材料浸入20摄氏度纯水中5分钟，并且进一步浸入90摄 氏度的热水中2分钟，由此将作为溶剂的N，N-二甲基甲酰胺和作为开孔剂的聚氧乙烯山梨 醇酐单硬脂酸酯冲洗。以此方式制备了复合分离膜1-8。
[0094] 〈污泥过滤阻力和纯水渗透阻力测量〉 通过使用上述方法来执行污泥过滤阻力实验，对根据其各自的组成和上述方法制备的 分离膜1-8中的每一种执行污泥过滤阻力测量。
[0095] 作为在分离膜的污泥过滤阻力测量时所用的污泥，通过使从污水处理厂收集的污 泥在BOD容积负荷是lg-BOD/L/天的条件下在糊精培养基（由12g/L糊精、24g/L多聚蛋白 胨、7. 2g/L硫酸铵、2. 4g/L磷酸二氢钾、0. 9g/L氯化钠、0. 3g/L七水硫酸镁和0. 4g/L二水 氯化钙构成）上培养大约一年并且水停留时间是一天来制备污泥溶液，且进一步地用反渗 透膜滤出液稀释污泥溶液（MLSS :15. 17g/L)，以便将MLSS减小到lg/L。通过使用如此稀 释的污泥溶液，来进行纸过滤测试。在此发现，当在20摄氏度的温度下在5分钟通过具有 1 μ m的孔大小（5C号)的过滤纸过滤50 mL的被稀释污泥溶液时，获得的渗透物量是19. 8 mL。使用粘度计（VT-3E，Rotor No. 4, RION Co.，Ltd.的产品）测量被稀释污泥溶液的粘 性并且发现其是1.1 mPa_ S (20摄氏度)。
[0096] 首先将每个分离膜都浸入乙醇中，然后代替乙醇浸入水中，并且进一步用纯水漂 洗5分钟。在移除贮存槽之后，在以下状态下使用被稀释的污泥溶液（15g)填充搅拌式评 价单元：将评价后的膜固定在单元内，并且对预定量（7. 5g)的被稀释污泥溶液进行过滤。 当结束了对预定量的被稀释污泥溶液的过滤时，针对每个预定时间计算膜阻力，并且在过 滤污泥期间在最后20秒将膜阻力保持为几乎恒定。因此将该恒定膜阻力定义为膜污泥过 滤阻力R。同样，确定纯水渗透阻力R。由这些实验获得的结果表示在表2中。对于分离膜 1-8,获得了膜污泥过滤阻力和纯水渗透阻力彼此不同的膜。
[0097]〈平坦片状膜元件的制备〉 分别通过使用污泥过滤阻力不同的分离膜1-8来制造平坦片状膜元件。基本上基于 Toray Industries, Inc的产品Element TSP-50150来制造每个平坦片状膜元件。每个平坦 片状膜元件具有如下结构：在元件的顶部安装进入喷嘴，并且使分离膜附着于具有1，600 毫米X500毫米的尺寸的支撑板的两面，并且分离膜的面积是1.4 m2。通过将两片每个单 独的分离膜切割为适合元件的大小，并且将这两片分别放置在元件的支撑板的两面上，来 制造每个平坦片状膜元件。
[0098] 〈膜单元的制备〉 使用Toray Industries, Inc.的产品TMR140作为膜单元。首先，使用从上述分离膜中 选择的同种分离膜，由平坦片状膜元件构成膜单元，并且之后通过将空气扩散块、下级膜单 元、中间块和上级膜单元以该顺序堆叠来制备膜模块。作为下级膜单元和上级膜单元，使用 通过每个膜单元包括20张上述平坦片状膜元件而构成的膜单元。
[0099] 〈膜模块的配置〉 通过使用浸没式膜分离装置来进行膜分离测试，其中所述装置包括装备有两个膜单 元的膜模块，其中一个膜单元放置在下级并且具有相对较小的污泥过滤阻力和纯水渗透阻 力，并且另一个膜单元放置在上级并且具有相对较大的污泥过滤阻力和纯水渗透阻力。下 级单元和上级单元之间的过滤阻力的差通过下列表达式计算。
[0100] 污泥过滤阻力差=(上级膜单元中使用的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积-下 级膜单元中使用的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积）X 100+ (下级膜单元中使用的膜 的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积)。
[0101] 纯水渗透阻力差=(上级膜单元中使用的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积-下 级膜单元中使用的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积）X 100+ (下级膜单元中使用的膜 的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积)。
[0102] 表3中示出了所使用的膜模块（即膜模块1-8)的膜单元的构成和这些膜模块的过 滤阻力差。
[0103] 〈对膜模块的过滤运转测试〉 测试条件如下。
[0104] 在表4中一起示出的条件下处理生活污水。生活污水借助于原水供给泵被引入到 脱氮槽中并经受处理，并且将所产生的液体引入到膜生物反应器槽中。在膜生物反应器槽 中，通过从膜模块供应的曝气来维持需氧条件，并且进行对处理水的过滤。此外，利用污泥 抽吸泵定期地抽吸污泥，以维持MLSS浓度。在恒定流量运转模式下执行对每个膜模块的过 滤运转。
[0105] 〈实施例1> 在实施例1中，使用如图3中所示构造的膜分离系统中的膜模块1来进行实验。在如 下条件下进行实验：将来自上级和下级的渗透物连接在一起的阀19被闭合，并且分别独立 地控制上级和下级中的过滤流量。下级和上级膜单元中的每个均设置有压力计、流量计和 过滤泵，并且在流量计和过滤泵一起联动的状态下进行抽吸过滤。以此方式，进行恒定流量 过滤运转。过滤通量是I. 〇m/d，并且重复9分钟过滤和1-分钟停顿的过滤循环。通过读取 从过滤运转开始经过了 8分钟之后的过滤运转压力和从过滤停止经过了 50秒之后的压力， 并且从过滤运转压力的读数减去过滤停止压力的读数，来算出过滤压差。
[0106] 在过滤压差是大约5 kPa至6 kPa的情况下开始过滤运转，并且在上面指定的过 滤运转条件下继续过滤运转一个月。图6示出了从过滤运转开始的发展。此外，通过将一 个月后的过滤压差除以30 (天）算出上级膜单元和下级膜单元的每天的压差上升速度。所 获得的结果示于表5中。
[0107] 此外，使允许一致的过滤运转的过 滤压差为25 kPa。因此，关于每天的压差上升速 度，将用于将运转一个月后的运转压差控制到20 kPa以下的参考值评价为（25-5)kPa + 30 天N 〇· 67 kPa/d 以下。
[0108] 如表5和图6所示，在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于 0. 67 kPa/d的参考值是较小的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0109] 〈实施例2> 除了使用膜模块2以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图7所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0110] 〈实施例3> 除了使用膜模块3以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图8所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0111] 〈实施例4> 除了使用膜模块5以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图9所示，在 上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于〇. 67 kPa/d的参考值是较小的， 并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0112] 〈实施例5> 除了使用膜模块6以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图10所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0113] 〈实施例6> 除了使用膜模块7以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图11所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0114] 〈实施例7> 除了使用膜模块8以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图12所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较小 的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0115] 〈比较例1> 除了使用膜模块4以外，以与实施例1中相同的方式进行实验。如表5和图13所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较大 的，并且认为长期稳定运转是不可能的。
[0116] 〈实施例8> 在实施例8中，使用如图3中所示构造的膜分离装置中的膜模块1来进行实验。3.在 如下条件下进行实验：将来自上级和下级的渗透物连接在一起的阀19被打开，并且通过独 立地使用流量计20A和20B将膜模块中的流量调节成I. 17m3/h。下级和上级膜单元中的每 个均设置有压力计、流量计和过滤泵，并且在流量计和过滤泵一起联动的状态下进行抽吸 过滤。以此方式进行恒定流量过滤运转。过滤通量是l.〇m/d，并且重复9分钟过滤和1分 钟停顿的过滤循环。通过读取从过滤运转开始经过了 8分钟之后的过滤运转压力和从过滤 停止经过了 50秒之后的压力，并且从过滤运转压力的读数减去过滤停止压力的读数，来算 出过滤压差。分别利用流量计17A和17B对膜单元进行过滤流量测量。
[0117] 如表6和图14所示，在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于 0. 67 kPa/d的参考值是较小的，并且因此认为长期稳定运转是可能的。
[0118] 〈比较例2> 除了使用膜模块4以外，以与实施例8中相同的方式进行实验。如表6和图15所示， 在上级和下级膜单元中作为实验结果获得的过滤压差相比于0. 67 kPa/d的参考值是较大 的，并且认为长期稳定运转是不可能的。
[0119] [表 1]
[0121][表 3]
[0122][表 4]
[0125] 虽然以上参考本发明的特定实施方式详细地描述了本发明，但是对于本领域技术 人员而言将是明显的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对其做出各种改变 和修改。本申请基于2012年12月26日提交的日本专利申请No. 2012-283468,其内容以参 考并入本文。
[0126] 工业实用性 根据本发明的多级浸没式膜分离装置允许延长在产生清洁膜的必要性之前经过的装 置运转时间，并且进一步使得能够调节膜清洁的时刻，以实多个膜单元的清洁时刻变得相 同。因此，可以说本发明的装置的维护是容易的，并且装置具有延长的寿命。
[0127] 关于根据本发明的装置，希望不仅污泥，而且河水、湖水、地下水、海水、污水、废 水、食物加工废水等作为被处理水也适用，并且能够对其进行膜分离。
[0128] 附图标记说明 1 :多级浸没式膜分离装置 IlA和IlB :膜单元 12 :膜模块 13 :被处理水容纳槽 14A和14B :渗透物管线 15A和15B :流量控制阀 16A和16B :压力计 17A和17B :流量计 18 :空气扩散器 19 :阀 20A和20B :流量计 101 :平坦片状膜元件 102 :渗透物出口 a :压力控制器 b :阀 c :压力计 d :供给水用贮存槽 e :磁力搅拌器 f :膜过滤单元 g :电子称。
【主权项】
1. 一种多级浸没式膜分离装置，包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦 片状膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜； 被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水，并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处 理水中；以及 安装在所述膜模块下方的空气扩散器， 其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。2. 根据权利要求1所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单元 的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何其他的膜单元至少低10%。3. 根据权利要求1或2所述的多级浸没式膜分离装置，其中放置在所述最下级的膜单 元中所安装的平坦片状膜元件的数量比任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元的 膜单元多。4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 与所述膜模块中的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线连接到与放置的级高于 放置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线。5. 根据权利要求4所述的多级浸没式膜分离装置，其中对放置在所述最下级的膜单 元中的渗透物流量和任何放置的级高于放置在所述最下级的膜单元且与连接到与放置在 所述最下级的膜单元连通的渗透物管线的渗透物管线连通的膜单元中的渗透物流量分别 进行控制，使得放置在所述最下级的膜单元的跨膜压差几乎等于任意膜单元的跨膜压差。6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的多级浸没式膜分离装置，其中每个所述膜单 元均具有与其连通且传送已经穿过所述分离膜的渗透物的渗透物管线，并且 所述装置还包括流量控制机构，该流量控制机构能够独立地控制通过与所述膜模块中 的放置在最下级的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量、和通过与放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的任意的膜单元连通的渗透物管线传送的渗透物流量。7. -种使用多级浸没式膜分离装置的膜分离方法，所述多级浸没式膜分离装置包括： 膜模块，具有以多级方式竖直地堆叠的多个膜单元，在每个膜单元中设置有多个平坦片状 膜元件，每个平坦片状膜元件均具有片状分离膜；被处理水容纳槽，其中容纳有被处理水， 并且所述膜模块以浸没状态放置在所述被处理水中；以及安装在所述膜模块下方的空气扩 散器，其中放置在最下级的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何放置的级高于放 置在所述最下级的膜单元的膜单元低。8. 根据权利要求7所述的膜分离方法，其中将穿过放置在所述膜模块中的最下级的 膜单元的分离膜的渗透物流量控制成小于穿过放置的级高于放置在所述最下级的膜单元 的任意的膜单元的分离膜的渗透物流量，并且控制成使得这些流量之间的差成为10%以 下。
【专利摘要】本发明提供能够进行长期稳定的过滤的浸没式膜分离装置和膜分离方法。浸没式膜分离装置包括膜模块，膜模块通过将排列有包括分离膜的平坦片状膜元件的膜单元堆叠而成，在浸没式膜分离装置中，通过利用污泥过滤阻力或纯水渗透阻力不同的各种膜单元构成膜模块，能够延长在产生跨膜堵塞之前即在进行膜清洁之前的装置运转时间。进而，也可以设计成使得需要膜清洁的时刻在多个膜单元中是同步的。
【IPC分类】C02F1/44, B01D61/12, B01D63/08
【公开号】CN104902987
【申请号】CN201380068562
【发明人】高畠宽生, 千智勋, 西尾彩
【申请人】东丽株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月25日
【公告号】US20150353396, WO2014104135A1
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