具有二次在线混凝功能的超滤膜池

摘要

具有二次在线混凝功能的超滤膜池，它涉及一种超滤膜池。本发明为解决现有的超滤膜池存在进水不均匀、冲击膜组件以及跨膜压差大，运行能耗高的问题。多个膜组件沿长度方向依次设置在膜池内，多个斜板设置在膜组件的下方，污泥区内靠近排水渠的侧壁上设置有排污阀门，膜池的进水端与进水总渠相互连通，膜池的进水端上设置有一个液位控制阀，两根布水孔干管沿长度方向水平对应设置在膜池两侧的内侧壁上，两根布水孔干管位于膜池的上端，每根布水孔干管上沿长度方向均布加工有多个布水孔，每根布水孔干管的下方设置有一个消能堰，每个消能堰与对应的布水孔相对设置，每个消能堰的下端面与对应的一个进水格栅花墙的上端相接触。本发明用于饮用水深度处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超滤膜池，具体涉及一种具有二次在线混凝功能的超滤膜池。

背景技术

超滤膜用于自来水生产的发展特别迅速，超滤膜技术具有高效截留颗粒物、胶体、藻 类以及病原性微生物的能力，在提高出水水质的同时具有低能耗和占地面积小等特点，超 滤膜在现有水厂的升级改造中有广阔的应用前景。阻碍超滤技术大规模推广应用的一个主 要问题是膜污染，膜污染会造成跨膜压差上升(恒流操作模式)，从而导致制水成本上升， 混凝/沉淀预处理一般能使膜污染有所减缓，但并不能完全消除膜污染。在线混凝即原水 加药后不经过完善的絮凝和沉淀过程而直接进入超滤系统可以有效减缓膜污染，但在膜前 对沉后水进行二次在线混凝，可在减缓膜污染的同时保证出水水质。

现有的超滤膜池存在进水不均匀、冲击膜组件以及跨膜压差大，运行能耗高的问题。

发明内容

本发明为解决现有的超滤膜池存在进水不均匀、冲击膜组件以及跨膜压差大，运行能 耗高的问题，进而提供一种具有二次在线混凝功能的超滤膜池。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的具有二次在线混凝功能的超滤膜池包括进水总渠、排水渠、两个消能堰、两 个穿孔格栅、两个干管控制阀、多个膜组件、多个斜板、两根布水孔干管和多个液位控制 阀；进水总渠和排水渠位于膜池的一侧壁上，进水总渠设置在排水渠的上方且二者均水平 设置，多个膜组件沿长度方向依次设置在膜池内，多个斜板设置在膜组件的下方，多个斜 板相互平行设置，多个斜板下方为污泥区，污泥区内靠近排水渠的侧壁上设置有排污阀门， 膜池的进水端与进水总渠相互连通，膜池的进水端上设置有一个液位控制阀，两根布水孔 干管沿长度方向水平对应设置在膜池两侧的内侧壁上，两根布水孔干管位于膜池的上端， 每根布水孔干管上沿长度方向均布加工有多个布水孔，每根布水孔干管的下方设置有一个 消能堰，每个消能堰与对应的布水孔相对设置，每个消能堰的下端面与对应的一个进水格 栅花墙的上端相接触，消能堰的横截面为圆弧形。

本发明的有益效果是：

本发明的超滤膜池设置有消能堰和进水格栅花墙，进水总渠内的水通过消能堰消能后 进入膜池，与现有的超滤膜池相比，进水均匀、均匀程度达到95％以上，避免了对膜组件 膜丝的冲击，大大延长了超滤膜组件的使用寿命；

本发明的超滤膜池底部设置有多个斜板，保证排泥流畅，与现有的超滤膜池相比，通 过对沉后水二次在线混凝，大大提高了出水水质，减小了跨膜压差，降低了运行能耗； 本发明充分利用消能部分的能量进行水力混合，减小能量浪费，在消能的同时达到节能的 作用。

附图说明

图1是本发明的具有二次在线混凝功能的超滤膜池的主视图，图2为图1的左剖视图， 图3为图1的俯视图，图4为实施例中布水孔流速分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式的具有二次在线混凝功能的超滤膜池 包括进水总渠10、排水渠9、两个消能堰12、两个穿孔格栅11、两个干管控制阀2、多 个膜组件5、多个斜板6、两根布水孔干管3和多个液位控制阀13；进水总渠10和排水 渠9位于膜池的一侧壁上，进水总渠10设置在排水渠9的上方且二者均水平设置，多个 膜组件5沿长度方向依次设置在膜池内，多个斜板6设置在膜组件5的下方，多个斜板6 相互平行设置，多个斜板6下方为污泥区7，污泥区7内靠近排水渠9的侧壁上设置有排 污阀门8，膜池的进水端与进水总渠10相互连通，膜池的进水端上设置有一个液位控制 阀13，两根布水孔干管3沿长度方向水平对应设置在膜池两侧的内侧壁上，两根布水孔 干管3位于膜池的上端，每根布水孔干管3上沿长度方向均布加工有多个布水孔4，每根 布水孔干管3的下方设置有一个消能堰12，每个消能堰12与对应的布水孔4相对设置， 每个消能堰12的下端面与对应的一个进水格栅花墙13的上端相接触，消能堰12的横截 面为圆弧形。

实施例：

珠江某水源水经混凝沉淀后原水水质如下：浊度为4.28-4.92NTU，温度为 30.8-31.5°C，pH值7.3-7.48，COD_Mn为0.81-0.95mg/L，UV₂₅₄为0.015-0.019cm^-1， 经过实验二次在线絮凝试验最优混凝剂投量为0.6mg/L(以Al₂O₃计)，缓解了膜污染，保 证了出水水质，二次在线混凝不影响膜的化学清洗，污染后的膜经次氯酸钠清洗后跨膜 压差可完全恢复。

计算分析：

A.要保证出流均匀，如图4所示

设布水干管3进口流速为ν

Q₀为每侧布水干管起始流量起始压力水头为H₁；管道末端流速为零， 压力水头为H₂；

由于自管道起端到管道末端流速逐渐减小，因而管道中流速水头逐渐减小，而压力 水头逐渐增高。至管道末端，流速水头为零。所增加的压头就是由流速小头转变而来。

$H_n=H_1+\alpha \frac{v^2}{2g}-h,$$h=\frac{1}{3}\alpha {\mathrm{LQ}}^2$

由水力学沿途泄流公式，

α-管道比阻

Q-管管起始流量

L-管道长度

$\alpha =\frac{64}{{\pi }^2{D}^2{C}^2},$$C=\frac{1}{n}{R}^{1/6},$$R=\frac{D}{4}$

根据水力公式

$H_n=H_1+(1-41.5\frac{n^{2}L}{D^{1.33}})\frac{v^2}{2g}$

对于钢管当n＝0.012时，H_n＞H₁，则

即有$D>\sqrt[1.33]{0.006L}.$

B.孔口出流理论分析

取自由液面与收缩断面列能量方程有：

$H+\frac{p_0}{\gamma }+\frac{{v_0}^2}{2g}=0+\frac{p_c}{\gamma }+\frac{{v_c}^2}{2g}+h_w$

其中

令$H_0=H+\frac{p_0-p_c}{\gamma }+\frac{{v_0}^2}{2g}$为孔口出流作用水头。

则：这就是孔口泄流公式，ξ_孔为孔口阻力系 数。

式中为流速系数，

则流量

式中μ为流量系数，其值通常由实验确定。

对于圆形薄壁小孔口，这些系数都接近常数，即ξ_孔＝0.06，ε＝0.62～0.64，

由孔口泄流公式，作用水头分为两部分，一是孔口损失，二是流速水头，而本专利 将流速水头和弧板撞击，既达到消能作用，这些能量作为药剂混合水头。

$Q=\mathrm{\mu A}\sqrt{2g{H}_0}$---流速系数

作用水头：    μ---流量系数

对于H₁作用水头

为流速水头；H₁为作用水头

Q₀是膜池每边进水流量；

H₁作为小孔出流作用水头；

每个小孔流量

第n个小孔流量

$q_n=\mathrm{\mu A}\sqrt{{2\mathrm{gH}}_n}$

则$q=\mu \frac{{{\mathrm{\pi d}}_0}^2}{4}\frac{{4Q}_0}{{\mathrm{\pi D}}^2}=\mu \frac{d^2}{D^2}{Q}_0$

μ为流量系数，与孔口直径和壁厚之比有关，

孔口直径与壁厚比 1.25 1.5 2.0 3.0 流量系数 0.76 0.71 0.67 0.62

每条管开孔数

约束条件

，该条件实质是0.3到0.4m的水头作为药剂水力混合 的能量；

综上所述，为了保证配水均匀，进水管须满足三种条件：

$\left(\begin{array}{cc}9.25·(1-41.5\frac{n^{2}L}{D^{1.33}})\frac{{v_0}^2}{2g}<0.3& \left(1\right)\\ v_0=\frac{{4Q}_0}{{\mathrm{\pi D}}^2}& \left(2\right)\\ D>\sqrt[1.33]{0.006L}& \left(3\right)\end{array}\right)$

实例计算分析：

每个膜组件长宽高＝478cm×70cm×330cm，单膜件面积1800m²，若7个膜组件，即 12600m²，12600m²×30L/(m²·h)＝378000L/h＝105L/s

从两侧进水，每侧进水流量按60L/s计算，则为120L/s；

5.1×6.0×4＝120m³，

根据膜池尺寸：满足安装要求，长按照6.0m×5.5m。为满足配水过程中H_n＞H₁，则 进水管径即D＞80mm即可；

且满足$\left(\begin{array}{c}{H}_1>0.3\\ H_1+(1-41.5\frac{n^{2}L}{D^{1.33}})\frac{v^2}{2g}<0.5\end{array}\right)$进行校核

若开孔直径和壁厚之比为2，则按薄壁孔出水计算，此时流量系数为0.67，则一般 钢管壁5～14m，按照10mm设计，开孔d＝20mm，H₁按照0.3m设计，则

$q=\mu \frac{{{\mathrm{\pi d}}_0}^2}{4}\sqrt{{2\mathrm{gH}}_1}$

$=0.67\times \frac{3.14\times {20}^2\times {10}^{-6}}{4}\times \sqrt{2\times 9.8\times 0.3}$

$=2.106\times {10}^{-4}·\sqrt{2\times 9.8\times 0.3}=5.1\times {10}^{-4}{m}^3/s=0.51L/s$

开孔个数

120×20mm＝2400mm＝2.4m

每个孔间隔$\frac{L-n_0·d_0}{n_0+1}=\frac{6000-2400}{121}=30\mathrm{mm}$

进水管须满足三种条件

$\left(\begin{array}{cc}9.25·(1-41.5\frac{n^{2}L}{D^{1.33}})\frac{{v_0}^2}{2g}<0.3& \left(1\right)\\ v_0=\frac{{4Q}_0}{{\mathrm{\pi D}}^2}& \left(2\right)\\ D>\sqrt[1.33]{0.006L}& \left(3\right)\end{array}\right)$

管径选大有利于沿程和局部损失减小，但占据空间结构。

取v₀＝0.5m/s，进水管径选择DN400，满足(3)式

$v_0=\frac{{4Q}_0}{{\mathrm{\pi D}}^2}=\frac{4\times 0.06}{3.14\times {0.4}^2}=0.47m/s,$查表1000i＝0.866m

$9.25·(1-41.5\frac{0.012\times 6.0}{{0.4}^{1.33}})·\frac{{0.5}^2}{2\times 9.8}=0.1<0.3$满足(1)式。

满足要求。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式斜板6的倾角为50～60度，相邻两个斜 板6之间的距离为35mm。如此设置，保证排泥流畅。其它组成及连接关系与具体实施方 式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式进水总渠11与浸没式膜池之间的液位差为 0.3～0.4m。如此设计，该水头作为超滤膜池进水作用水头及其二次在线混凝消能水头。其 它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式所述布水穿孔管3的管径范围为300～500mm， 壁厚范围为10～15、穿孔孔径范围为20～30mm。如此设计，保证超滤膜池进水均匀，防止冲 击膜组件。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

工作原理：

通过液位控制阀13控制进水总渠水位，保证进水总渠水位和浸没式膜池液位差为 0.3～0.4m，作为药剂混合过程的作用水头，通过布水干管控制阀2控制进水流量，在控制 阀2后投加混凝剂(聚铝或聚铁)，投加方式可为水泵投加或重力投加，药剂混合进入穿 孔干管3布水，布水均匀程度设计达到95％以上，经药剂混合后水通过穿孔空洞4，以一 定流速撞击在弧形消能堰12上，水流经过弧形消能堰12后进入穿孔格栅11，从此实现 均匀布水、消能、药剂混合过程，二次在线混凝后水流经抽吸泵抽吸过膜组件4出水，经 二次在线絮凝浓缩液絮体沉淀到污泥区7下方，排污过程通过排污阀门8进入排水渠9。