一种中空纤维膜扭转振动组件的制作方法

1.本实用新型涉及一种中空纤维膜扭转振动组件，属于水处理领域技术领域。


背景技术：

2.为满足日益提高的饮用水标准，越来越多的老旧水厂在其升级改造中倾向采用超滤膜过滤技术。这是因为通过小幅改动即可将现有砂滤池转变为超滤膜反应池(尤其对中空纤维膜组件)。但是如何有效控制膜污染发展依然是应用过程中的最大障碍。通过诸多方面的考察，通过增强膜表面剪切力来消除并延缓浓差极化现象和膜污染的发展速率具有明显优势。目前，最广泛使用的方法是提高错流速率和使用曝气。但是，增大错流速率的同时，往往导致运行压力的下降，致使产水量降低；曝气作为另一种提高水体流动性的常见方法，在实际应用中难以确保气泡在膜表面的均匀分布，尤其对高填充量的中空纤维膜系统而言。相比之下，动态过滤系统(利用膜与原水之间的相对运动引起膜表面的高剪切速率)作为一种新兴的技术，已逐渐被用于改善膜反应器的水动力条件，从而控制膜过滤过程中的浓差极化现象和膜污染问题。其中，振动剪切增强处理系统是目前商业领域较为成功的一种利用振动实现膜污染控制的复杂振动过滤装置。但是这种方式局限于平板式膜组件。
3.相比平板式膜，中空纤维式膜组件具有占地面积小，过水面积大，维修改造便捷等诸多优势，是实际工程应用中首选膜组件形式。目前，中空纤维式膜组件的振动形式主要包括沿轴方向的上下振动和垂直轴方向的水平振动。沿轴方向的上下振动模式中，产生的剪切力只在膜表面0
‑
0.5mm范围内发挥作用，这严重限制了膜表面传质的改善能力。相比这种轴向振动模式，水平(垂直轴向)振动能够避免膜组件上下振动所需要消耗的能量并且增强膜表面产生的二次流，但是它明显提高了过滤过程中对膜反应池体积的需求。因此，提供一种新型中空纤维膜振动方式是十分必要的。


技术实现要素：

4.本实用新型为了解决现有利用中空纤维膜组件进行原水过滤过程中浓差极化现象和膜污染的问题，对过滤效果产生不利的影响以及现有膜污染控制方法的诸多局限，提供一种中空纤维膜扭转振动组件。
5.本实用新型的技术方案：
6.一种中空纤维膜扭转振动组件，该组件与中空纤维膜组件连接使用，该组件包括：转动体1、矩形框2、齿条3和齿轮4，中空纤维膜组件的一端通过齿轮轴5与齿轮4连接；齿轮4与齿条3啮合安装，齿条3垂直固定在矩形框2上，且矩形框2与齿条3位于同水平面内；所述的转动体1的一端插在矩形框2的框内，另一端与电机输出轴连接。
7.进一步限定，齿条3位于矩形框2的框外。
8.进一步限定，齿条3固定在矩形框2的一条长边上。
9.进一步限定，转动体1包括上连接杆6、连接片7和下连接杆8，上连接杆6和下连接杆8分别垂直安装在连接片7的两个表面上，且上连接杆6的轴线和下连接杆8的轴线互相平
行且不同线。
10.进一步限定，上连接杆6与电机输出轴连接。
11.进一步限定，下连接杆8在电机带动下运动的圆形轨迹的直径大于矩形框2的短边尺寸，小于矩形框2的长边尺寸。
12.进一步限定，下连接杆8插在矩形框2的框内。
13.进一步限定，下连接杆8推动矩形框2运动。
14.进一步限定，矩形框2外安装限位结构，使下连接杆8推动矩形框2做水平的线性往复运动。
15.进一步限定，中空纤维膜组件的膜纤维的相对两端合并放置并固定连接在齿轮轴5的一端上，齿轮轴5的另一端穿过反应器的上盖上预设的限位孔与扭转振动组件的齿轮4连接。
16.本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供一种扭转振动组件，将其与中空纤维膜组件连接使用，实现中空纤维膜的扭转振动，避免了现有技术中使中空纤维膜轴向的上下振动会产生能耗的问题，同时也避免了现有技术中使中空纤维膜垂直轴向的水平振动对反应器空间有要求的问题。也就是说本技术提供的扭转振动组件适用于中空纤维膜组件，可以同时降低振动过程中对能量的需求以及反应器体积的要求，有效解决原水过滤过程中浓差极化和膜污染的问题。此外，本实用新型还有安装方便，无需改变现有水处理反应器的机构，就能有效控制中空纤维膜污染问题，适用于大范围推广应用。
附图说明
17.图1为扭转振动组件的结构示意图；
18.图2为转动体的结构示意图；
19.图3为三种不同处理方式的运行压力对比曲线；
20.图4a为未使用的中空纤维膜表面的sem照片；
21.图4b为方式1过滤结束后的膜表面的sem照片；
22.图4c为方式2过滤结束后的膜表面的sem照片；
23.图4d为方式3过滤结束后的膜表面的sem照片；
24.图5a为三种不同处理方式的doc去除率对比；
25.图5b为三种不同处理方式的uv
254
去除率对比；
26.图6为效果例2中不同处理方式处理不同的原水对运行压力变化的影响；
27.图7为效果例3中不同处理方式对运行压力变化的影响；
28.图中1
‑
转动体，2
‑
矩形框，3
‑
齿条，4
‑
齿轮，5
‑
齿轮轴，6
‑
上连接杆，7
‑
连接片，8
‑
下连接杆。
具体实施方式
29.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
30.实施例1：
31.如图1和图2所示，本实用新型提供的扭转振动式的中空纤维膜过滤装置由两个主要部分组成，分别为普通超滤系统(普通超滤系统和振动)和扭转振动组件，扭转振动组件为运动转换结构，包括：转动体1、矩形框2、齿条3和齿轮4。
32.所述的转动体1包括上连接杆6、连接片7和下连接杆8，上连接杆6和下连接杆8分别垂直安装在连接片7的两个表面上，且上连接杆6的轴线和下连接杆8的轴线互相平行且不共线。如此设置，电机带动转动体1的上连接杆6旋转时，下连接杆8以上连接杆6的轴线为中心线沿圆形轨迹运动。
33.所述的下连接杆8插在矩形框2的框内，且下连接杆8在电机带动下运动的圆形轨迹的直径大于矩形框2的短边尺寸，小于矩形框2的长边尺寸。如此设置，当下连接杆8沿圆形运动时，在限位结构的作用下，下连接杆8将依次往复推动矩形框2的两个长边，使矩形框2沿短边所在方向做水平的线性往复运动。
34.限位结构包括固定套筒和运动杆，运动杆两端分别为固定端和自由端，固定端固定在矩形框2上，并保证运动杆与齿条3位于矩形框2的同一侧，且两者平行；运动杆插装在固定套筒内，固定套筒固定在反应器的上盖上。
35.所述的齿条3垂直固定在矩形框2的一条长边上，并位于矩形框2的框外，且矩形框2与齿条3位于同水平面内。如此设置，当矩形框2沿矩形框2的短边所在方向做水平的线性往复运动时，将带动齿条3也做水平的线性往复运动。
36.所述的齿轮4与齿条3啮合安装，中空纤维膜组件的膜纤维的相对两端合并后套装在中空套管内，中空套管顶端封闭后与齿轮轴5连接，膜过滤后水的出水管与中空套管侧壁连通，齿轮轴5的另一端穿过反应器的上盖上预设的限位孔插装在齿轮4上。如此设置，齿条3做水平的线性往复运动时，齿轮4将实现绕轴往复旋转，继而使中空纤维膜组件完成扭转振动，且齿轮4的绕轴往复旋转角位移和中空纤维膜的扭转振动角位移为0
°
～360
°
。
37.效果例1：
38.采用实验室培养的铜绿微囊藻溶液作为实验用水，详细水质指标如下表：
39.参数含量温度(℃)26
±
2ph8.2
±
0.5藻细胞个数(个/l)1.2
×
10
10
叶绿素a(μg/l)358.7
±
10.6doc(mg/l)40.1
±
1.3uv
254
(cm
‑1)0.158
±
0.004碳水化合物(mg/l)14.8
±
1.2蛋白质(mg/l)10.9
±
1.1
40.分别采用方式1(中空纤维膜组件)、方式2(中空纤维膜组件 曝气)、方式3(中空纤维膜组件 扭转振动)的方式处理上述实验室培养的铜绿微囊藻溶液。其中，方式2中曝气反应器中曝气量/通量比为1.5:1，方式3中转动幅度90
°
，膜组件振动频率为2hz。所有方式中中空纤维膜组件出水均返回反应器，膜通量恒定为40l/(m2·
h)，反应器内温度为25～27℃，实验持续时间为1小时。
41.图3显示了三种不同处理方式对运行压力变化的影响。如图3所示，相比方式2，方
式3能够准确控制剪切力作用于膜表面范围0
‑
1mm内，而且通过调节振动频率和角度等重要影响因素，能够准确控制剪切力大小。另一方面，方式2虽然可以利用气泡在水体中产生的扰动作用增强反应器溶液的混合和膜表面的传质速率，但是具体效果难以控制。虽已证实气泡大小，曝气量等参数与传质速率有着明显关系，但在实际应用中气泡大小等指标难以得到有效控制，导致膜污染控制效果低于预期。综上可知，相比曝气作用，中空纤维膜组件的扭转振动作用能更明显的控制膜污染发展。
42.分别对未使用的中空纤维膜表面、方式1过滤结束后的膜表面、方式2过滤结束后的膜表面和方式3过滤结束后的膜表面进行sem表征，分别如图4a、4b、4c和4d所示。由图可知，相比方式2，方式3有效阻止了污染物质在膜表面的沉积。
43.图5a和图5b对比了三种不同处理方式去除污染物的效果，由图5a和图5b可知，相比于方式1，方式2和方式3均能提高膜对污染物质的去除能力。这是因为膜表面浓差极化现象和滤饼层的形成会明显提高膜表面实际污染物质进水浓度。但是相比于方式2，方式3的振动作用更能有效减缓膜表面浓差极化现象并消除膜表面滤饼层，从而对污染物质的去除能力改善效果更明显。
44.效果例2：
45.对比方式2和方式3对不同种类污染物质引起的膜污染的控制能力。
46.试验共采用三种原水，详细水质指标如下表：
[0047][0048]
其中，胞外分泌物通过离心过滤高浓度藻液获得，生活污水取自东北农业大学校内污水厂。
[0049]
分别采用方式2(中空纤维膜组件 曝气)和方式3(中空纤维膜组件 扭转振动)的方式处理上述三种原水。其中，方式2中曝气反应器中曝气量/通量比为1.5:1，方式3中转动幅度90
°
，膜组件振动频率为2hz。所有方式中中空纤维膜组件出水均返回反应器，膜通量恒定为40l/(m2·
h)，反应器内温度为25～27℃，实验持续时间为1小时。
[0050]
图6显示了不同处理方式处理不同的原水对运行压力变化的影响。如图6所示，对于不同种类原水，方式3的效果均优于方式2的作用，尤其对藻液和生活污水而言。分析认为，在剪切力的作用下颗粒物质较容易从膜表面迁移至主体溶液，而分泌物中的粘性物质更倾向于附着在膜表面上。不同于胞外分泌物主要由碳水化合物和蛋白质等溶解性有机物质组成，藻液和生活污水中含有大量颗粒污染物质。因此，虽然藻液和生活污水产生的膜污染问题较严重，振动作用能更有效控制上述两种原水引发的污染现象。
[0051]
效果例3：
[0052]
对比方式3和竖直振动方法(方式4)对膜运行的控制效果和能耗试验。
[0053]
方式4的垂直振幅分别为15mm、20mm、30mm和40mm，振幅恒定为2hz。方式3的转动幅
度90
°
，膜组件振动频率为2hz。所有方式中中空纤维膜组件出水均返回反应器，膜通量恒定为40l/(m2·
h)，反应器内温度为25～27℃，实验持续时间为1小时。
[0054]
分别采用方式3和方式4处理铜绿微囊藻溶液作为实验用水，详细水质指标如下表：
[0055]
参数含量温度(℃)26
±
2ph8.2
±
0.5藻细胞个数(个/l)1.2
×
10
10
叶绿素a(μg/l)358.7
±
10.6doc(mg/l)40.1
±
1.3uv
254
(cm
‑1)0.158
±
0.004碳水化合物(mg/l)14.8
±
1.2蛋白质(mg/l)10.9
±
1.1
[0056]
图7显示了方式3和方式4对运行压力变化的影响。如图7所示，扭转振动效果要优于竖直振动。同时，对扭转振动和竖直振动的能耗问题进行了计算研究。
[0057]
当中空纤维膜组件进行扭转振动时，它的动能可以通过下式获得：
[0058][0059]
其中，i
m
是中空纤维膜组件的转动惯量，等于m
m
r
m2
/2(m
m
是中空纤维膜组件的质量，r
m
是中空纤维膜组件半径)；ω
m
是中空纤维膜组件振动角速度，等于a
θ
ωcos(ωt)(a
θ
是扭转振动幅度、ω是扭转振动频率；齿条的线性振动速率d(asin(ωt))/dt等于齿轮的切线速率r
d
ω
m
，r
d
为齿轮半径；线性振动幅度a约为a
θ
r
d
)。因此，应用扭转振动的能量：
[0060][0061]
能量均方根为：
[0062][0063]
当中空纤维膜组件进行竖直方向振动时，动能e
av
为
[0064][0065]
其中，v为中空纤维膜表面的瞬时速率，等于v0cos(ωt)，其中v0为速率振幅(约等于aω)。
[0066][0067][0068]
因此，对于扭转振动，振动频率2hz，振动幅度为90
°
。因此，得到扭转振动的能耗为
0.034mw(ω＝2πf，a
θ
＝90
·
(2π/360)，m
m
≈1.58g，r
m
＝5mm)。在达到相似的效果时，竖直方向振动幅度(a)为20mm、振动频率为2hz，此时能耗为0.443mw，明显超过扭转振动能耗。
[0069]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。