多段式浸渍型膜分离装置以及膜分离方法

摘要

本发明提供浸渍型膜分离装置和能通过利用所述装置的构成元件分离膜的过滤能力来应对处理流量的临时增加的膜分离方法。在浸渍型分离装置中包括膜组件，膜组件中具有堆叠的膜单元，膜单元中布置有具有分离膜的平片膜元件，具有最高过滤阻力或最高纯水渗透阻力的膜单元被放置在膜组件的最下段，因此为整体膜组件设定高的临时过滤通量。这使得能应付短期流量增加。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多段式浸渍型膜分离装置，在净化生活污水和工业废 水的情况下通过使用过滤分离膜在该装置中进行水和污泥的分离，并且本 发明还涉及使用这种膜分离装置的膜分离方法。

背景技术

关于净化生活污水和工业废水的方法，已知一种向废水中的微生物提 供酶的方法，一种将水混入活性污泥然后进行分离处理(膜生物反应方法， 简称MBR方法)的方法等等。在通过使用各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方法中，活性污泥被过滤而分离膜表 面利用通过从分离膜下方在垂直方向上曝气而产生的气-液混合流清洗，以 抑制“结垢”——“结垢”是一种现象，即由活性污泥成分在分离膜表面 的积聚导致的分离膜堵塞。作为这种膜生物反应方法中可用的膜分离装置 的一个示例，已提出具有在竖直方向上堆叠成段的多个膜箱(膜单元)的 多段式膜分离装置(专利文献1)。

已知在竖直方向上堆叠的膜单元的过滤性能在各段之间不同，并且在 下段膜单元中较早发生堵塞。可能的原因之一是在使用MBR方法的多段 式膜分离装置中从下段向上段通过曝气供给活性污泥，以及在下段膜单元 处的过滤仅从污泥中去除水，并且朝向较高的段污泥浓度和过滤阻力增加。 这可能导致过滤阻力已增大的上段膜单元堵塞。为了长时间稳定的装置运 行，公开了一种方法，其中在上段和下段之间设置孔口以接收污泥和防止 上段膜单元堵塞(专利文献2)。

在MBR中，在最低部分进行曝气的同时，从不暴露至曝气的膜单元 外部吸入污泥，由此产生气液混合流。这样，在膜单元的下部，污泥进入 膜单元倾向于导致气液混合流朝向中心集中。因此，最下段的膜单元仅在 与气液混合流有接触的膜表面的中心部分被清洗，不与气液混合流接触的 膜中孔隙迅速被堵塞，因此有效的膜面积被限制。在这种情况下，孔隙的 堵塞被认为是在最下段膜单元中比上段膜单元中更快地发生。

在待处理水的流入由于降雨或其它原因而临时增加的情况下，认为可 以增加MBR装置的过滤通量或提供备用的MBR装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-2000-157848

专利文献2：日本专利No.4107819

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在意图用于应付待处理水的临时流量增加的多段式浸渍型膜分 离装置中，如同现有技术一样增加MBR装置的过滤通量造成特别是下段 膜单元中的膜堵塞，以及装置不能过滤。提供备用的MBR装置增加了装 置的总体尺寸。

另外，由于污泥流从下段膜单元到上段膜单元非常快的通过，专利文 献2的方法不足以克服上段和下段之间的膜过滤性能差，并且常常不能抑 制最下段的膜单元的性能下降。

因此，本发明的目的是提供一种多段式浸渍型膜分离装置，其能甚至 在下段单元中发生膜堵塞时临时增加装置的总过滤通量，并且能有效地运 行整个膜分离装置。

用于解决所述问题的方法

在这些情形下，本发明人进行深入细致的研究，并发现了多段式浸渍 型膜分离装置的总过滤通量可以通过一种膜组件临时增加——该膜组件通 过组合具有不同过滤阻力或纯水渗透阻力的膜单元配置而成。本发明基于 该发现完成。

换句话说，本发明涉及以下项<1>至<8>。

<1>多段式浸渍型膜分离装置包括：

膜组件，具有在竖直方向上分段堆叠的多个膜单元，每个膜单元中布 置有各自具有片状分离膜的多个平片膜元件；

待处理水的储罐，在该储罐中存储待处理的水并且膜组件被放置成浸 渍在待处理的水中的状态；和

空气扩散器，安装在膜组件的下方，

其中放置在最下段的膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力大于放置 在比位于最下段的膜单元高的段上的任何膜单元。

<2>根据<1>所述的多段式浸渍型膜分离装置，其中放置在最下段的膜 单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比任何其它膜单元高至少10％。

<3>根据<1>或<2>所述的多段式浸渍型膜分离装置，其中安装在放置 于最下段的膜单元中的平片膜元件的数量比安装在放置于比位于最下段的 膜单元高的段上的任何膜单元中的平片膜元件的数量少。

<4>根据<1>至<3>中任一项所述的多段式浸渍型膜分离装置，其中每 一个膜单元都具有与其连通并传送已透过分离膜的透过液的透过液配管， 以及

与放置在膜组件中最下段的膜单元连通的透过液配管连接至与放置在 比位于最下段的膜单元高的段上的任何膜单元连通的透过液配管。

<5>根据<4>所述的多段式浸渍型膜分离装置，其中放置在最下段的膜 单元中的透过液流量和放置在比位于最下段的膜单元高的段上并与连接至 与最下段膜单元连通的透过液配管的透过液配管连通的任何膜单元中的透 过液流量分别被控制成使得放置在最下段的膜单元的跨膜压差几乎等于所 述任何膜单元的跨膜压差。

<6>根据<1>至<5>中任一项所述的多段式浸渍型膜分离装置，其中每 个膜单元都有一个与其连通并传送已透过分离膜的透过液的透过液配管， 和

该装置还包括流量控制装置，该流量控制装置能够独立控制通过与放 置在膜组件的最下段的膜单元连通的透过液配管传送的透过液的流量，以 及通过与放置在比位于最下段的膜单元高的段上的任何膜单元连通的透过 液配管传送的透过液的流量。

<7>一种使用多段式浸渍型膜分离装置的膜分离方法，该分离装置包 括：具有在竖直方向上分段堆叠的多个膜单元的膜组件，每一个膜单元中 布置有多个各自具有片状分离膜的平片膜元件；待处理水的储罐，在该储 罐中存储待处理的水，并且膜组件设置成浸渍在待处理的水中；以及安装 在膜组件下方的空气扩散器，其中放置在最下段的膜单元的污泥过滤阻力 或纯水渗透阻力比放置在比位于最下段的膜单元高的段上的任何膜单元都 高。

<8>根据<7>所述的膜分离方法，其中通过放置在膜组件的最下段的膜 单元的分离膜的透过液的流量被控制成为比通过设置在比位于最下段的膜 单元高的段上的任何膜单元的分离膜的透过液的流量低，并且控制成使得 这些流量之间的差变成10％或更低。

本发明的优势

本发明可以通过在膜组件的最下段放置具有相对较高的抵抗污泥的过 滤阻力或纯水渗透阻力的膜单元来实现更高的过滤通量。膜单元的这种有 效设置使得即使在临时增加了过滤通量的条件下也能够进行有效的固液分 离，并且使得可以处理临时的流量增大，例如由于下雨或其它原因导致的 待处理的水的流量临时增大。本发明还使得能将膜分离装置整体中的膜有 效利用，并且可以降低膜过滤阻力增大的速度，以减少化学清洗的频率。

附图说明

图1是透视图，示出了根据本发明的实施方式的多段式浸渍型膜分离 装置。

图2是示意图，示出了根据本发明的一个实施方式的多段式浸渍型膜 分离装置。

图3是透视图，示出了在膜单元的内部空间中相互邻近的两个平片膜 元件。

图4是示意图，示出了膜渗透阻力测量设备。

图5是由操作测试的结果绘出的图表，其中示出了实施例1中的过滤 压力差的变化。

图6是由操作测试的结果绘出的图表，其中示出了实施例2中的过滤 压力差的变化。

图7是由操作测试的结果绘出的图表，其中示出了比较例1中的过滤 压力差的变化。

图8是由操作测试的结果绘出的图表，其中示出了比较例2中的过滤 压力差的变化。

具体实施方式

现在将更详细地对本发明进行说明，但本发明并不限于以下的实施方 式。在实施本发明时，可以任意实施修改和变型而不脱离本发明的主旨。

对于根据本发明的多段式浸渍型膜分离装置(下文也称为“本发明的 装置”)，下面参照图1和2中示出的具有两个膜单元的多段式浸渍型膜 分离装置的实施例来说明本发明。

图1中示出的多段式浸渍型膜分离装置具有膜组件12，该膜组件中具 有在竖直方向上放置的两个膜单元：膜单元11A和膜单元11B。如图2所 示，膜组件12被浸渍在储存于待处理水储罐13中的待处理的水中。

在每个膜单元中，如图3所示，具有片状分离膜的多个平片膜元件101 以给定间距设置以使其膜面平行。每个平片膜元件都是具有片状分离膜的 元件，并且例如，使用平片膜元件101，其结构设置成片状分离膜被安装 在例如由树脂或金属形成的框架的前后两侧上并且在框架的顶部设置与由 分离膜和框架包封的内部空间连通的透过液出口。图3示出了一组相邻的 平片膜元件101(示意性透视图)。在相邻的平片膜101之间允许给定间 距(通常6至10mm)，并且通过该膜间间距z可以使待处理水流向上流 动，特别是由下面将描述的空气扩散器18产生的气泡与待处理的水的混合 物流的向上流动。

膜单元11A和11B分别与透过液配管14A和14B连通，已经穿过分 离膜的透过液被释放到所述配管中。透过液从位于每个膜单元内的各个平 片膜元件的透过液出口102被送到透过液配管中。透过液配管14A和14B 分别具有测量透过液流量的流量计17A和17B，并且流量计17C安装在与 透过液配管14A和14B连通的透过液配管14C上。所设置的流量计的数 量也可以更少。在这种情况下，优选地只安装流量计17A和17B，并且分 别测量上段膜单元和下段膜单元的过滤流量。当只安装流量计17A和17B 时，可以提供控制单元，并且使用控制单元将从两个流量计获取的流量相 加，并基于相加后的流量来控制抽吸泵。透过液可以从透过液配管14A和 14B中的每一个排出。然而，这需要专用的管路和抽吸泵。因此，优选的 是，如图2所示，透过液通过最终相互连通的透过液配管14A和14B聚集 并排放到系统外。这样，膜过滤中所产生的压力可通过在上段膜单元和下 段膜单元之间按需求被平衡而扩散。另外，在如图2所示的配管最终相互 连通的情况下，待安装的泵的数量可以减少，用于安装泵的空间变小，泵 的维护也变得容易。可以为透过液配管14A和14B中的每一个都安装压力 计16。但是，由于透过液配管相互连通，上段膜单元和下段膜单元之间没 有压力差，在透过液配管14A和14B合并之后设置的透过液配管14C上 安装压力计16是足够的，如图2所示。

作为用于过滤的驱动力，其一个实施例是每个透过液配管的内部空间 的压力通过运行过滤泵19来降低，因此待处理水储罐中的待处理的水穿过 分离膜被过滤。滤液借助透过液配管被取出至系统外部。从能过滤而不使 用运行过滤泵所需能量的方面来看，优选不是通过过滤泵而是通过使用待 处理水储罐13和透过液储罐(未显示)中的水位差来降低透过液配管内部 的压力。在这种情况下，优选在透过液配管14A和14B合并之后设置的透 过液配管14C上设置流量控制阀15，并使膜以由联接到流量计17A、17B 和17C中的至少一个的流量控制阀15设定的流量过滤。

在待处理水储罐13中的膜组件12下方安装用于生成气泡的空气扩散 器18。通过从空气扩散器18发出的空气射流，在待处理水储罐13的内部 产生气泡。由空气射流的气提作用产生的向上移动的气液混合流和气泡进 入膜单元的最下段，并在适当地更新储罐中混合液体的同时，进一步流入 位于上部位置的膜单元。这样，分离膜的表面被清洗，从而防止发生膜间 阻塞和阻止进一步形成可能粘附或沉积在分离膜表面上的滤饼层。可根据 必要性安装不止一个空气扩散器18。

在本发明的装置中，多个膜单元中的具有最高污泥过滤阻力或最高纯 水渗透阻力的膜单元放置在膜组件的最下段。更具体地，在图1和2所示 的实施例中，膜单元11B具有最高的污泥过滤阻力或最高的纯水渗透阻力。

当实际操作膜分离装置时，在具有在竖直方向上分段堆叠的膜单元的 膜组件中，上段膜单元比下段膜单元相对较少地发生堵塞。一个主要的原 因是在膜单元的下部，污泥从膜单元外部到膜单元的进入倾向于产生朝向 中心更集中的气液混合流。因此，最下段的膜单元仅在膜表面的与气液混 合流接触的中心部分被清洗，不接触气液混合流的膜中的孔隙迅速堵塞， 因此有效膜面积受限。

具体地，具有高的污泥过滤阻力或高的纯水渗透阻力的膜单元放置成 其中有效膜面积受限的最下段的膜单元，具有低的污泥过滤阻力或低的纯 水渗透阻力的膜单元放置在可以更有效地使用膜面积的较高的段上。这有 效地利用了整个膜分离装置中的膜，并实现更长的寿命。甚至当待处理的 水的流量临时增加时也可以避免膜阻塞的突然增长。

本文使用的表述“膜单元的污泥过滤阻力”是指使污泥透过分离膜的容 易程度，或者等同地，指示由过滤造成膜堵塞(阻塞)的程度的值，更具 体地，由跨膜压差(主侧压力和次侧压力的差值)除以透过液流量获得的 值。

在MBR方法中，过滤性可通过使用污泥测量分离膜的污泥过滤阻力 来知晓。分离膜的污泥过滤阻力基本上被认为是膜单元的污泥过滤阻力， 并且通过用新的或化学清洗过的新膜单元使用相同的污泥以相同的过滤通 量进行过滤来测量。然而，在实际现场情况中评估有困难的情况下，可以 选择膜单元中的平片膜元件中的一个，并且该平片膜元件的污泥过滤阻力 的值可以用作代表值。

污泥的成分在其穿过分离膜的渗透性方面并不一致，因此关于多个分 离膜和作为分离膜的集合的膜单元，过滤阻力的强度的次序可取决于污泥 的类型。因此，在实际安装浸渍型膜分离装置的情况下，适当的是，安装 位置中的污泥过滤阻力测量在每一个分离膜上进行，以及作为平片膜元件 提供的分离膜基于这样测得的阻力值来选择，并且膜单元适当组装成膜组 件。

另外，表述“污泥过滤阻力高”与表述“污泥渗透性低”具有相同的意义， 以及表述“污泥过滤阻力低”与表述“污泥渗透性高”具有相同的意义。

在本发明中，膜单元的污泥过滤阻力根据下面描述的方法来测量。该 方法落入两个大的类型：(A)直接确定膜单元作为一个整体的污泥过滤 阻力的方法类型和(B)通过测量膜单元中包含的代表性的膜的污泥过滤 阻力并将测得的阻力除以膜单元中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。从精确确定整个膜单元的污泥过滤阻力的方面看， 方法类型(A)是优选的，但从允许使用少量污泥进行方便测量的方面看， 使用方法类型(B)也可以。

方法类型(A)如下。

在本发明中，在操作的早期阶段期间的污泥过滤阻力是很重要的。因 此，膜单元的污泥过滤阻力可以确定成通过将开始使用膜单元后不久的跨 膜压差除以透过液流量而获得的值。在已经使用膜单元之后，首先，膜单 元的阻塞被解决到最大实用程度，然后进行跨膜压差和透过液流量测量， 从而用相同方式确定膜单元的污泥过滤阻力。作为用于解决膜阻塞的方法， 此处优选将用于评估的膜单元浸渍在储罐中，储罐中存储有化学品水溶液， 该化学品水溶液的量足够大以便将膜单元浸渍在溶液中(该储罐可以是与 待处理水储罐13不同的储罐，或可以是待处理水储罐13——在去除其中 积聚的污泥后添加了化学品水溶液)。此处，浸渍时间优选为2小时或更 长，更优选为4小时或更长，并且最优选地10小时或更长。根据对引起膜 阻塞的物质的成分的确定，化学品水溶液可以在需要时适当地制备。当引 起膜阻塞的物质是有机物时，可以适当地使用含有4,000mg/l或更多次氯 酸的水溶液或pH值为12的氢氧化钠水溶液，当引起膜阻塞的物质是无机 物时，可以适当使用含有0.1％或更高的草酸水溶液或者含有2％或更高的 柠檬酸水溶液。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，污泥饼在上述的在化学品溶液中浸渍之前被 物理消除，或者在化学品溶液中的浸渍期间通过从膜单元的下部区域曝气 而产生化学品溶液流。

前述方法类型(B)如下。

首先，代表性的膜是从用于评估的膜单元切下的。对于待切出的膜， 分离膜从在膜单元中含有的多个膜元件中随机抽取的膜元件上随机选择的 位置被切下。在这种情况下，尽管适当的是切下最大可能数量的代表性的 膜并对其进行评估，切下至少3个或更多个，优选至少5个或更多个，更 优选至少10个或更多个代表性的膜，根据下面描述的方法对切下的膜进行 污泥过滤膜阻力测量，计算这些测量值的平均值，并且将获得的平均值定 义为污泥过滤膜阻力。并且所述单元的污泥过滤阻力通过将这样获得的污 泥过滤膜阻力除以单元中包含的膜面积而获得。

用于对代表性的切下的膜进行污泥过滤膜阻力的评估的方法如下。

首先，进行膜调节。具体地，当膜已经被使用时，用化学品清洗该膜， 而当膜未被使用时，分离膜被浸渍在乙醇中15分钟，再浸渍在水中2小时 或更长，然后用纯水冲洗。用化学品清洗通过与前述膜单元的浸渍清洗相 似地将膜浸渍在化学品水溶液中来进行，此处浸渍时间优选为2小时或更 长，更优选为4小时或更长，最优选为10小时或更长。化学品水溶液可以 参照引起膜阻塞的物质的成分在任何时间适当确定，并且当引起膜阻塞的 物质是有机物时，可以适当地使用含有4,000mg/l或更多次氯酸的水溶液 或pH值为12或更高的氢氧化钠溶液，当引起膜阻塞的物质是无机物时， 可以适当使用含有0.1％或更高的草酸水溶液或者含有2％或更高的柠檬酸 水溶液等。

借助于通过使用已经过前述调节的膜来对污泥的基本过滤进行下列实 验，可测量污泥过滤膜阻力。对于测量中使用的污泥，膜单元已浸渍其中 或待浸渍其中的污泥被收集并优选地在冷藏保存一周之内使用。当难以收 集污泥时，可以使用来自另一污水处理厂的活性污泥作为污泥替代品。

膜渗透性阻力测量装置(用于污泥基本过滤的实验设备)配置成如图 4所示，在通过氮气对备用储罐加压的条件下每单位时间用电子天平监测 透过搅动性隔室(有效膜面积为4.1cm²的Amicon8010，由Millipore制 造)的透过液的量(Chia-ChiHo&A.L.Zyndney，JournalofColloidand InterfaceScience,2002年232期389页)。电子天平连接到计算机，并随 后由随时间推移而变化的重量来计算膜渗透阻力。膜表面通量通过附接到 搅动型隔室的磁性搅拌器的旋转被施加到膜表面，其中搅动型隔室中的搅 动速度被始终调节为600rpm，评估温度设定为25℃，评估压力设定为 20kPa。评估以下面描述的顺序进行。另外，也可以通过将水温转换成可 评估液体的粘性来计算膜阻力。

此处，膜阻力R有下面等式确定。

R＝(P×t×S)/L

R：膜阻力(m²×Pa×s/m³)

P：评估压力(Pa)

T：渗透时间(s)

L：透过液的量(m³)

S：膜面积(m²)

随着污泥继续过滤，污泥开始附着在膜表面，膜阻力R随时间变化并 且呈上升趋势。然而，存在一个时间段，期间膜阻力R的值由于附着与由 搅动导致的脱离之间的平衡而保持不变。膜阻力的这个恒定值被限定成污 泥过滤膜阻力。

膜单元的纯水渗透阻力通过在前述用于测量污泥过滤阻力的方法中从 待从污泥过滤的流体至纯水或者反渗透膜透过液的变更来评估。

在本发明的装置中，适当的是，最下段膜单元的污泥过滤阻力或纯水 渗透阻力比所有其它膜单元、即那些放置在与最下段膜单元相比处于较高 位置的膜单元高至少10％，优选至少15％，特别优选至少30％，最优选 至少50％。通过调节最下段膜单元的污泥过滤阻力或纯水渗透阻力使其落 入上述范围内，可以通过能更有效使用膜面积的上段膜单元处理更多的水， 并且膜的平衡使用可以延长寿命，以及待处理的水的临时流量增加可以通 过设定每单位膜面积上高的过滤流量来处理。

可用于实现膜单元的前述顺序的方法示例包括一个方法：使构成每个 膜单元的膜元件数量相等，并且在待放置于最下段的膜单元中安装的膜的 膜污泥过滤阻力或纯水渗透阻力比安装在其它膜单元中的膜更高；以及一 个方法：在每个膜单元中使用具有几乎相同水平的膜污泥过滤阻力或纯水 渗透阻力的膜并且减少最下段膜单元中膜元件的数量。

此外，此处使用的分离膜可以是常用的多孔膜，例如包括聚偏二氟乙 烯树脂、聚丙烯腈树脂、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚砜树脂、聚醚砜树脂和 聚烯烃树脂。这些分离膜中，优选使用由聚偏二氟乙烯树脂制成的分离膜。 分离膜的厚度可以在0.01mm至1mm的范围内，优选为0.1mm至0.7mm。

平片膜元件包括分离膜和吸入部，还可以根据需要包括支承板和通道 构件。分离膜没有特别限制，只要它们是片状的并具有允许水一直通过它 们并进入平片膜元件的结构。另外，支承板可设置在两个分离膜之间，而 分离膜可以保持平坦状。此外，通道构件可设置在两个分离膜之间或在分 离膜与支承板之间，而可以形成在保持分离膜平坦的同时允许已经流过分 离膜进入吸入部的处理水容易流动的结构。平片膜元件的尺寸可以是 300mm×300mm至2,000mm×2,000mm，优选500mm×1,000mm至 500mm×1,500mm。

唯一有必要的是，膜组件应包括至少两个膜单元，并且还可设置用于 每个膜单元的曝气装置。然而，优选的是，为一个膜组件设置一个曝气装 置。多个膜单元在竖直方向上堆叠，但适当的是，每个膜组件包括两个或 三个膜单元。

此外，用于传送已穿过膜单元中的分离膜的透过液的透过液配管没有 特别限制，只要它们对待处理的水、处理后的水和含有化学品的清洗溶液 是稳定的，特别是，可以提到用塑料或金属制成的配管。特别是，为了使 浸渍更容易，优选由金属制成的配管。

关于透过液配管的配置，在安装和维护方面适当的是，一个透过液配 管与一个膜单元连通。

在图2所示的装置中，在膜组件中放置两个膜单元。然而，还可以放 置三个或更多膜单元。在这种情况下，优选的是，与放置在膜组件中最下 段的膜单元连通的透过液配管连接至至少一个放置在上方的透过液配管。 尽管当安装用于流量控制的泵时，所安装的泵的数量可以与透过液配管的 数量相同，但透过液配管之间的连接使得可以使所需的泵的数量减少连接 部的数量。由于过滤阻力在各个膜单元之间变化，甚至当在多个膜单元以 及与其连通的透过液配管中的透过液用一个泵抽吸时，根据各个膜单元的 过滤阻力，膜单元在实际抽吸压力和通量方面各不相同，因此采用适合于 每个单独的膜单元的流量控制成为可能。

此外，本发明的装置优选具有流量控制装置以便于控制通过相连通的 透过液配管传送的透过液流量。可以采用例如过滤泵、流量控制阀等作为 流量控制装置。特别从减少能量消耗的方面看，优选在利用水位差的过滤 操作中使用流量控制阀来控制流量。

优选的是，流量控制装置安装在与放置在膜组件中的最下段的膜单元 连通的透过液配管中，还优选的是，另一流量控制装置安装在与另一膜单 元、即放置在上方的至少一个膜单元连通的透过液配管中。

此外，优选的是，与放置在膜组件中的最下段的膜单元连通的透过液 配管和与放置在上方的膜单元连通的透过液配管各自具有流量控制装置， 该流量控制装置能够相互独立地进行控制。这是因为，由于放置在最下段 的膜单元很可能阻塞，放置在最下段的膜单元中的透过液流量与放置在上 方的(多个)膜单元中的(多个)透过液流量之间的平衡被调节，从而可 以实现膜单元寿命的增加。

可以为每一个与膜单元连通的透过液配管设置流量控制装置。然而， 优选的是在于各个透过液配管合并之后设置的透过液配管上设置流量控制 装置。这使得在各个膜单元上施加相同的压力，并且在过滤阻力高的膜单 元放置在最下段时，施加到放置在最下段的膜单元上的负荷在其它膜单元 上分散并自然地变小以在整个膜组件中提供良好的平衡。

本发明的装置可具有用于确定过滤时透过液-抽吸压力的压力测量装 置，替代上述流量控制装置或与上述流量控制装置组合。仅在过滤时的透 过液-抽吸压力和过滤停止时的压力之间的操作压力差可以被确定时是必 要的。

已穿过放置在膜组件最下段的膜单元的分离膜的透过液的操作压力差 大于预定值的情况意味着膜单元的污泥阻力高和污泥渗透性低，或者等同 地，膜由于阻塞而开始堵塞。

关于前述预定值，根据待处理的水的特性，操作压力差优选为10kPa 至40kPa，更优选为20kPa或更小。

在操作压力差升高超过预定值的情况下，适当的是，采用通过化学品 清洗堵塞的膜单元的方法，或改变散气量或从空气扩散器散气的持续时间， 或降低膜单元中透过液的流量。因此，操作压力差被降低到5至10kPa的 数量级，以及可以有利地进行过滤操作。

本文使用的术语“用化学品清洗”是指使用酸性或碱性化学品从分离膜 的次侧对堵塞的分离膜进行反冲洗，所使用的化学品例如包括次氯酸钠、 柠檬酸和草酸等。这些化学品中，优选使用次氯酸钠和柠檬酸。

在来自空气扩散器的散气量增加的情况下，空气量可以是相对于标准 空气量5NL/min/EL而言最多20NL/min/EL，优选8NL/min/EL或更少 (“NL/min/EL”是指“每种元素每分钟的标准升”)。

对于从空气扩散器进行散气的时间长度，在某些情况下可以间断进行 所述散气，但优选地连续进行所述散气。

此外，通过化学品清洗和散气量的增加或散气时间长度的增加是根据 待处理水的类型、温度和粘性以及其它组成而显著不同，因此要求选择最 好的条件并在必要时在所选的条件下进行膜分离。

为了处理其中不仅从最下段膜单元的透过液的操作压力差降至低于预 定值而且透过液的流量值或压力值也比预定值小的情况，或者其中从放置 在最下段的膜单元的透过液的流量值或压力值与从任何其它膜单元的透过 液的流量值或压力值之间的差值变得大于预定值的情况，可以采用与上述 同样的方法，即用化学品清洗最下段膜单元，或增加来自空气扩散器的散 气量或散气时间长度，或降低最下段膜单元中的透过液的流量的方法。

表述“透过液的压力值之间的差异大于预定值”是指这样的情况：膜单 元对污泥的阻力变高和污泥渗透性变低，或者等同地，膜单元由于阻塞而 开始堵塞。当透过液压力差变得大于预定值时，放置在最下段的膜单元中 开始发生堵塞，并且不能通过用化学品或散气清洗来解决。

术语“预定值”是指可以根据允许评估操作时的过滤压力(诸如过滤压 力或过滤压力差)的测量值在考虑过滤操作条件和污泥及待处理水的条件 的情况下确定的值。

此外，适当的是，在如上所述使用流量控制装置控制流量的条件下进 行膜分离，使得由透过放置在膜组件最下段的膜单元中的分离膜获得的透 过液流量变得小于由透过至少任意一个其它分离单元、即放置在上方的一 个或多个膜单元的分离膜获得的透过液流量。通过有意减少穿过放置在膜 组件最下段的膜单元的水量，可延长最下段膜单元被堵住之前经历的时间。

换句话说，通过将最下段膜单元的流量调低和将(多个)上段膜单元 中的(多个)流量调至相当高，在膜单元需要清洗之前经历的时间可被加 长，另外，清洗多个膜单元的时间可以调节成同步的，因此所有膜单元可 以在清洗时一次取出和进行清洗。

此外，适当的是，流过最下段膜单元的透过液流量与流过一个或多个 其它膜单元的透过液流量之间的差异为10％或更小。这是因为可以为最下 段膜单元和放置在上方的(多个)膜单元使用相似的透过液配管，因此不 仅可以减少由于安装错误造成的操作故障，而且可以降低管道阻力。

另外，膜组件的临时过滤流量可以通过将放置在较高段的膜单元的流 量调节成更高和放置在较低段的膜单元的流量调节成更低而进一步增大， 并且可期望膜单元的寿命更长。

另一方面，用于流量控制装置的压力控制的替代方法也可以产生与上 述相似的效果。在这种情况下，仅在待处理水与透过液之间的压力差被调 节成在放置于最下段的膜单元中稍缓慢升高，而在放置于上方的(多个) 膜单元中稍迅速升高时是必要的。并且可通过将放置在较低段的膜单元调 节成压力差上升得较慢而将放置在较高段的膜单元调节成压力差上升得较 快来期望膜单元的寿命增加。

此外，通过使与放置在最下段的膜单元连通的透过液配管连接至与放 置在上方的另一膜单元连通的透过液配管并通过使用由一个且同一个抽吸 泵产生的驱动力进行膜过滤等，这些膜单元的跨膜压差可以总是保持几乎 相同。在这种情况下，可以通过使用设置在每个透过液配管中的流量控制 阀等对透过液流施加阻力来控制每个单个膜单元的跨膜压差。适当的是， 跨膜压差之间的差异被调节成落在±10％以内。由此，不仅泵功率可以被利 用而不浪费，而且其中正在发生膜阻塞的膜单元变成根据阻塞量而自动降 低膜过滤流量，并且在膜单元之间取得良好地平衡利用。

尽管根据本发明的浸渍型膜分离装置和膜分离方法已经在上文参照待 处理的含有污泥的水进行了说明，它们不仅可以将活性污泥而且可以将河 水、湖水、地下水、海水、下水道污水、废水、食品加工废液等视为待处 理的水，并且对待处理水中的悬浮物进行消除，因此它们可以用于各种目 的，包括水净化处理、废水处理、饮用水生产、工业用水生产等。

实施例

现在将在下面参照实施例对本发明进行说明，但是这些实施例不应解 释成以任何方式限制本发明的范围。

<分离膜的制备>

聚偏二氟乙烯(PVDF；KurehaCorporation产品KF#850)被用作 制膜原液用的树脂成分。此外，聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯、N,N-二甲 基甲酰胺(DMF)和水分别用作开孔剂、溶剂和非溶剂。这些成分在95℃ 的温度下搅拌而充分混合在一起，并且分别制备具有表1所示的成分的制 膜原液。

用于制备膜的基材是矩形非织造布，其由聚酯纤维制成并且密度为 0.42g/cm³，宽度为50cm和长度为150cm。然后，每一种制膜原液都被冷 却到30℃，并施加到基材上。施加之后立即将所得的材料浸渍在20℃纯 水中5分钟，并再在90℃热水中浸渍2分钟，因此作为溶剂的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被冲洗。这样，制 得复合分离膜1至3。

<污泥过滤阻力和纯水渗透阻力测量>

通过使用上述用于进行污泥过滤阻力实验的方法，污泥过滤阻力测量 在所制备的分离膜1至3的每一个上根据它们各自的成分和上述方法来进 行。

作为待在分离膜上的污泥过滤阻力测量中使用的污泥，通过将从污水 处理厂收集的污泥在BOD容积负荷为1g-BOD/L/天和水滞留时间为一天 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磷酸钾、0.9g/L氯化钠、0.3g/L硫酸镁七水合物和0.4g/L氯化钙二 水合物组成)上培养约一年来制备污泥溶液，并且污泥溶液(MLSS： 15.17g/L)通过反渗透膜滤液被进一步稀释使得MLSS降低至1g/L。通过 使用这样稀释的污泥溶液，进行纸过滤测试。其中，发现的是，当50mL 稀释污泥溶液通过孔尺寸为1μm的滤纸(No.5C)在20℃的温度下过滤5 分钟时，所取得的透过液量是18.9mL。稀释的污泥溶液的粘性通过粘度计 (VT-3E，转子No.4，RION公司产品)测量并发现是1.3mPa·s(20℃)。

每个分离膜首先被浸渍在乙醇中，然后取代乙醇浸渍在水中，并进一 步用纯水冲洗约5分钟。去除备用储罐后，搅动型评估隔室在评估后的膜 被设置在隔室中的状态下被填满稀释的污泥溶液(15g)，进行稀释污泥溶 液的预定量(7.5g)的过滤。在一定量过滤之后，在污泥过滤期间，膜阻 力变成最后20秒中几乎保持恒定。从该滤液量计算出的阻力因而定义成污 泥过滤阻力R。同样，纯水渗透阻力R通过用纯水取代污泥来确定。通过 这些实验获得的结果显示在表2中。对于分离膜1至3，获得了污泥过滤 阻力相互不同的膜。

<平片膜元件的制备>

平片膜元件分别使用污泥过滤阻力不同的分离膜1至3制成。

平片膜元件的每一个都在东丽株式会社的产品ElementTSP-50150的 基础上按原理制成。每一个平片膜元件具有入口喷嘴安装在元件顶部的结 构并且分离膜被制成附着在尺寸为1,600mm×500mm的支承板两侧，分离 膜面积为1.4m²。通过从每个单个分离膜切出两片以适配元件的尺寸并将 片材分别设置在所述元件的支承板的两侧上来制成每个平片膜元件。

<膜单元的制备>

东丽株式会社的产品TMR140被用作膜单元。首先，膜单元由使用选 自前述分离膜的相同类型的分离膜的平片膜元件构成，然后通过按列出的 顺序堆叠一散气块、一下段膜单元、一中部块和一上段膜单元来制备膜组 件。作为下段膜单元和上段膜单元，使用由每个膜单元中结合20片上述平 片膜元件构成的膜单元。

<膜组件的配置>

使用包括配备有两个膜单元的膜组件的浸渍式膜分离装置进行膜分离 测试，其中一个膜单元放置在下段并且污泥过滤阻力和纯水渗透阻力相对 较高，另一个膜单元放置在上段并且污泥过滤阻力和纯水渗透阻力相对较 低。下段膜单元和上段膜单元之间的过滤阻力的差异通过下面表达式来计 算。

污泥过滤阻力差＝(用于下段膜单元中的膜的污泥过滤阻力/膜单元的 膜面积–用于上段膜单元的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积)×100÷(用 于下段膜单元中的膜的污泥过滤阻力/膜单元的膜面积)。

纯水渗透阻力差＝(用于下段膜单元中的膜的纯水渗透阻力/膜单元的 膜面积–用于上段膜单元的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积)×100÷(用 于下段膜单元中的膜的纯水渗透阻力/膜单元的膜面积)。

表3中显示了所使用的膜组件、即膜组件1至4的膜单元成分，以及 这些膜组件的过滤阻力差。

<膜组件的过滤操作测试>

测试条件如下。

在表4中全部一起显示的条件下处理生活废水。生活废水借助于原水 供给泵被引入脱氮罐并经受处理，所得到的液体被引入膜生物反应罐。在 膜生物反应罐中，通过从膜组件供应的曝气来维持需氧条件，并进行已处 理水的过滤。此外，膜生物反应罐中的污泥借助于污泥抽取泵定期地抽出 以便维持MLSS浓度。

每个膜组件的过滤操作都在恒定流量运行模式下进行。额定运行中的 过滤流量是56m³/d。然而，过滤流量在实施例和比较例中进行的过滤操作 中临时增加到168m³/d。在实施例和比较例中，实验在雨天进行。

<实施例1>

在实施例1中，通过配置成图2所示的装置使用膜组件1进行实验。 该实验在膜组件的受控过滤流量下进行。为上段和下段膜单元各自设置流 量计，压力计、流量控制阀、流量计和过滤泵设置于在来自上段和下段膜 单元的透过液配管合并之后设置的透过液配管上。操作首先通过过滤泵进 行，然后切换成通过流量控制阀进行，然后停止过滤泵。此处，通过过滤 泵和流量控制阀进行过滤操作，结合流量计以使流量恒定。过滤流量为 168m³/d，重复进行9分钟过滤和1分钟停止的过滤循环。过滤压力差通过 从过滤操作开始8分钟之后的过滤操作压力减去从过滤结束50秒之后的过 滤压力来算出。

过滤操作在过滤压力差在5kPa至6kPa数量级的状况下开始，并在上 面指定的过滤操作条件下继续一个月。从过滤操作开始之后的进展在图5 中示出。当过滤压力差保持在25kPa或更小，直到过滤操作的第48小时 时，过滤操作被认为是稳定的。

该实验的结果表明了，如图5所示，上段膜单元和下段膜单元中的过 滤压力差全都低于允许稳定过滤操作的过滤压力差上限(25kPa)，并且 甚至在高的过滤通量下认为可以临时稳定操作。

<实施例2>

使用与实施例1中相同的方式进行实验，除了使用膜组件2。该实验 结果表明了，如图6所示，上段和下段膜单元中的过滤压力差全都低于允 许稳定过滤操作的过滤压力差上限(25kPa)，并且甚至在高的过滤通量 下认为可以临时稳定操作。

<比较例1>

使用与实施例1中相同的方式进行实验，除了使用膜组件3。该实验 结果表明了，如图7所示，膜组件中的过滤压力差高于允许稳定过滤操作 的过滤压力差上限(25kPa)，并且在高的过滤通量下不可能稳定操作。

<比较例2>

使用与实施例1中相同的方式进行实验，除了使用膜组件4。该实验 结果表明了，如图8所示，膜组件中的过滤压力差高于允许稳定过滤操作 的过滤压力差上限(25kPa)，并且在高的过滤通量下不可能稳定操作。

表1

表2

表3

表4

虽然本发明在上文中已经参照其特定的实施方案详细说明，对本领域 技术人员显而易见的是可以作出各种改变和修改而不脱离本发明的精神和 范围。本申请是基于在2013年3月21日递交的日本专利申请No. 2013-058568，该申请的内容通过引用并入本文。

工业实用性

根据本发明的浸渍型膜分离装置可以临时增加所述装置的整体过滤通 量，甚至当下段膜单元发生膜堵塞时，并使得可以处理临时突然的流量增 加、例如由于下雨或其它原因造成待处理水的流量暂时增加。

根据本发明的装置，不仅污泥而且河水、湖水、地下水、海水、污水、 废水、食品加工废液等都可以用作待处理的水并因此可进行膜分离。

附图标记列表

1:多段式浸渍型膜分离装置

11A,11B:膜单元

12:膜组件

13:待处理水储罐

14A,14B,14C:透过液配管

15:流量控制阀

16:压力计

17A,17B,17C:流量计

18:空气扩散器

19:过滤泵

101:平片膜元件

102:透过液出口

a:压力控制器

b:阀

c:压力计

d:用于供给水的储备罐

e:磁性搅拌器

f:膜过滤单元

g:电子天平