一种涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置的制作方法

1.本发明涉及一种涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置，属于饮用水净化领域。


背景技术：

2.目前，我国农村集中供水率不足90％，仍有1.5亿人在使用水质不稳定的分散式水源。由于基础设施、卫生条件落后，农村分散式水源中浊度、微生物等基本水质指标普遍超标，亟需开发适合分散式水源的低成本、低维护净水装置。常规饮用水处理装置存在操作复杂、维护频繁、运行能耗高等问题。重力流超滤装置以水体自身重力驱动，可在无动力条件下长期运行，具有低维护、低能耗、易操作等特点。此外，该装置同时兼具常规超滤的工艺特点，可高效去除水体中的小颗粒物、胶体、大分子有机物、大肠杆菌及其他致病微生物，能够有效保障农村分散式供水的水质安全。
3.但是重力流超滤装置长期运行极易产生以生物膜、胞外聚合物为主的高附着性膜污染，简单的手动清洗无法将其完全去除。现有化学清洗、强化反冲洗等传统超滤清洗方法操作繁琐、维护成本较高，同时需投加额外的化学药剂，难以应用于偏远村镇地区。重力流超滤装置的膜污染主要来自其表面的生物滤饼层，通过清除滤饼层即可有效恢复膜通量。超声清洗作为一种物理清洗方法，可通过超声激发的微气泡在滤饼层表面内爆，使其分散、剥离，具有成本低廉、无污染等优点，与重力流超滤技术高度契合。然而，超声清洗普遍存在微气泡形成分散、微气泡空化位点随机等问题，声波激发的微气泡无法精准到达滤饼层表面，超滤膜的超声清洗效率普遍偏低。
4.因此，有必要提供一种耦合涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置，利用涡旋作用使超声产生的分散、随机的微气泡集中导向超滤膜表面，可实现重力流超滤装置的高效清洗，提高通量恢复效率，促进其长期高效稳定运行，保障农村分散式用水水质安全。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置，通过强化超声空化作用，提升膜表面冲刷强度，有效清除超滤装置长期运行带来的高附着性膜污染，以实现提升稳定通量、提高产水效率的目的。
6.本发明提供的涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置，包括原水箱和净水箱；
7.所述原水箱内设有超滤膜组件和涡旋超声装置；
8.所述涡旋超声装置位于所述超滤膜组件的下部；
9.所述超滤膜组件的出水口通过出水管与所述净水箱连通。
10.上述的重力流超滤净水装置中，所述超滤膜组件通过膜组件支架固定于所述原水箱内；
11.所述超滤膜组件的圆柱形底座设于所述超滤膜组件的半圆形豁口上，从而可灵活放置所述超滤膜组件，使其便于用户自行拆卸、清洗；
12.所述超滤膜组件优选固定于距离所述原水箱顶部30～50cm处，运行时跨膜压范围
为30～50mbar。
13.上述的重力流超滤净水装置中，所述超滤膜组件的中部为超滤膜，所述超滤膜为偏二氟乙烯、聚氯乙烯或聚醚砜中空纤维超滤膜丝，采用外压式设计，膜丝长度为5～30cm，膜孔径为0.01～0.05μm，稳定膜通量为7～15l/m2/h。
14.上述的重力流超滤净水装置中，所述超滤膜组件为浸没式膜组件，采用终端过滤模式；
15.所述超滤膜组件的出水口通过弯管与所述出水管连接，所述弯管位于所述滤膜组件上方3～5cm处，以保证该装置未工作时，所述超滤膜组件浸没在水面以下，防止其干燥后无法正常工作。
16.上述的重力流超滤净水装置中，所述清水箱位于所述原水箱的下方；
17.所述出水管通过快速接头与进水管连接，便于安装、拆卸，所述进水管与所述清水箱连接；
18.所述出水管上设有出水阀，该装置清洗时将所述出水阀关闭，拆卸所述出水管对其进行旋转，可调整所述超滤膜组件位置进行全方位清洗，防止膜污染残留。
19.上述的重力流超滤净水装置中，所述涡旋超声装置位于所述原水箱的底部；
20.所述涡旋超声装置包括一个旋涡发生器和两个超声发生器，两个所述超声发生器分别与所述旋涡发生器串联连接，两个所述超声发生器并联连接；
21.所述超声发生器设有高、低两档清洗频率，分别为50～68khz和15～30khz，对应功率分别为60w和50w，可根据用户需求进行低、高频清洗，清洗时间为5～10分钟；
22.所述涡旋发生器与所述超声发生器串联，装置启动后，在所述原水箱中同时产生涡旋和微气泡，利用涡旋作用增加清洗机制、强化超声清洗效果，从而洗脱超滤膜表面高附着性污染物；
23.所述超声发生器的上部设有不锈钢板，以最小化超声波传导损失。
24.上述的重力流超滤净水装置中，所述涡旋超声装置通过防水电缆连接三档开关，可根据用户需求关闭涡旋清洗装置或调高、调低清洗档位；
25.所述涡旋超声装置无需频繁开关和连续运行，根据重力流超滤装置运行情况，每月启动一次，每次清洗5～10分钟，即可恢复膜通量，保障装置长期稳定运行。
26.上述的重力流超滤净水装置中，所述原水箱的顶部设有可拆卸盖板，所述可拆卸盖板上设有把手，所述把手与所述可拆卸盖板的连接处设有多个微型气孔，以保证所述原水箱内正常水压，同时防止蚊虫进入所述原水箱内部，造成污染；
27.所述原水箱的侧壁上于近底部处设有排泥口和与之配合的排泥阀门，所述排泥口在涡旋超声清洗后开启，用于排出所述原水箱内沉淀的颗粒物和洗脱的滤饼层，防止其在所述原水箱内累积过多，影响装置正常工作。
28.上述的重力流超滤净水装置中，所述清水箱内设有紫外消毒装置，与其连接的外接电源上设有时控开关定时器，可自动控制所述紫外消毒装置的运行；
29.所述紫外消毒装置包括紫外线消毒灯管、独立外接电源和所述时控开关定时器；
30.所述紫外消毒装置每隔12～24小时可自动运行，每次运行时常为3～5分钟，用于杀灭所述清水箱中滋生微生物。
31.上述的重力流超滤净水装置中，所述清水箱呈倒圆台状，容积优选为30～50l，用
于储存所述超滤膜组件的出水；
32.所述清水箱的侧壁上近底部处设有取水龙头，可供用户取水用于饮用；
33.所述清水箱的底部设有滑轮底座，便于用户根据需要移动装置。
34.本发明重力流超滤净水装置能够去除分散式水源中的颗粒物、大肠杆菌及其他病原性微生物，保障饮用水水质安全；在其工作时进行定期的涡旋超声清洗，降低超滤膜表面的生物污染，减少超滤膜表面滤饼层生物分解和水解产生的蛋白质和多糖进入膜丝内部，造成膜孔堵塞；同时，在超声清洗时，通过涡旋作用，使超声激发微气泡更加集中于超滤膜区域，并提供一定的水力剪切力，提高清洗效果，高效去除重力流超滤产生的高附着性膜污染。
35.本发明净水装置可有效截留分散式水源中的污染物，其出水可达到《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)，同时通过涡旋超声清洗能够达到提高膜通量、增加产水效率和保障长期稳定运行的目的。
36.相较于现有技术，本发明具有以下优势：
37.本发明重力流超滤净水装置仅依靠水自身重力驱动运行，无需抽水泵、蠕动泵等外部动力提供额外跨膜压，可大幅降低运行能耗，减少装置的净水成本。
38.本发明重力流超滤净水装置的工作流程短、操作简单，出水通量恒定，出水水质在有效运行周期内均可满足我国《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)，克服了常规净水装置程序繁琐、操作复杂的问题。
39.本发明重力流超滤净水装置储水箱内设有紫外消毒装置，可有效减少存储阶段微生物的滋生，有效解决常规超滤工艺出水微生物再生的问题，有效保证装置出水水质长期达标。
40.本发明重力流超滤净水装置采用涡旋超声清洗，利用涡旋的水力特性将超声振动所激发的随机分布、均匀分散的微气泡集中于超滤膜区域，再由涡旋的水力传导作用将大量、集中的微气泡导入至高附着性的生物滤饼层表面，使微气泡与生物滤饼层充分接触，通过强化超声空化效应和增加超滤膜表面剪切力达到短时间内高效清除膜污染的目的，充分弥补了传统超滤需要频繁反冲洗、化学清洗的缺陷，同时也解决了重力流超滤长期运行后无法有效恢复通量的问题。
附图说明
41.图1是本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置的结构示意图。
42.图2是本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置中超滤膜组件和膜组件支架的侧视图。
43.图3是本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置中涡旋超声装置的结构示意图。
44.图中各标记如下：
45.1原水箱；2涡旋超声装置；3净水箱；4超滤膜组件；5圆柱形底座；6取水龙头；7中空纤维超滤膜；8三挡开关；9弯管；10出水阀；11膜组件支架；12快速接头；13紫外消毒装置；14可拆卸盖板；15把手；16微型气孔；17防水电缆；18滑轮底座；19排泥口；20出水管；21进水管；201涡旋发生器；202高频超声发生器；203低频超声发生器；204不锈钢板；205防水外壳。
具体实施方式
46.下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
47.如图1所示，为本发明提供的涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置的结构示意图，包括用于储存原水和提供重力流超滤驱动水头的原水箱1，用于过滤、截留原水中悬浮颗粒物、胶体、微生物的超滤膜组件4，用于储存超滤膜出水的清水箱3，以及用于清洗膜组件的涡旋超声装置2。其中，原水箱1置于清水箱上方3，其上方设有可拆卸盖板14，可拆卸盖板14上设有把手15，把手15与可拆卸盖板14的连接处设有多个微型气孔16，以保证原水箱1内的水压正常，同时防止蚊虫进入原水箱1内部，造成污染。原水箱1的侧壁上于近底部处设有排泥口19和与之配合的排泥阀门，排泥口19在涡旋超声清洗后开启，用于排出原水箱1内沉淀的颗粒物和洗脱的滤饼层，防止其在原水箱1内累积过多，影响装置正常工作。
48.如图1所示，超滤膜组件4通过膜组件支架11固定于原水箱1内部，如图2所示，膜组件支架11上方设有半圆形豁口用于灵活放置超滤膜组件4，使其便于用户自行拆卸、清洗。超滤膜组件4中间设有中空纤维超滤膜7，中空纤维超滤膜7通过两端圆柱形底座5固定于膜组件支架11的半圆形豁口上，其中一端的圆柱形底座设有出水口，超滤膜组件4的出水口连接弯管9，并与原水箱1外部出水管20相连，出水管上20装有出水阀10，出水管末端通过快速接头12与清水箱进水管21连接。清水箱3上方设有进水管21，进水管21通过快速接头12与原水箱1出水管相连，清水箱3下端设有取水龙头6，可供用户取水用于饮用，清水箱3底部设有滑轮底座18，便于用户根据需要移动装置。
49.如图1所示，涡旋超声装置2位于原水箱1的底部，超滤膜组件4的正下方，由涡旋发生器和超声发生器两部分组成，其中设有防水电缆(17)从原水箱1的上方接出，与外部电源或插座连接，防水电缆上设有三挡开关8，用于控制涡旋超声装置2的清洗档位。
50.如图3所示，涡旋超声装置2主要包括旋涡发生器201、两个超声发生器202和203、不锈钢板204和防水外壳205，两个超声发生器工作电压均为220v，超声波频率分别为50～68khz和15～30khz，对应的工作功率分别为60w和50w；两个超声发生器采用并联的方式连接，同时两个超声发生器与涡旋发生器串联；超声发生器上方覆盖不锈钢板201，以最小化超声波传导损失；涡旋超声装置通过外部的三挡开关8控制，开关设有关闭、低档清洗和高档清洗三个档位，开启后仅同时启动涡旋发生器和一个超声发生器。
51.如图1所示，清水箱3内设有紫外消毒装置13，与其连接的外接电源上设有时控开关定时器，可自动控制紫外消毒装置的运行。该紫外消毒装置13包括紫外线消毒灯管、独立外接电源和时控开关定时器，每隔12～24小时可自动运行，每次运行时常为3～5分钟，用于杀灭清水箱3中滋生的微生物。
52.本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置中，清水箱3优选呈倒圆台状，容积优选为30～50l，用于储存超滤膜组件4的出水。超滤膜组件4优选固定于距离原水箱1顶部30～50cm处，运行时跨膜压范围为30～50mbar。弯管优选位于滤膜组件4上方3～5cm处，以保证该装置未工作时，超滤膜组件浸没在水面以下，防止其干燥后无法正常工作。
53.本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置工作时，首先将超滤膜组件4两端的圆柱形底座5置于膜组件支架上11，同时将弯管9连接至出水管20，再通过快速接头12将出水管与清水箱进水管21相连。取下可拆卸盖板14，将原水倒入原水箱1，原水箱1注满后重新盖上可拆卸盖板14，打开出水阀10后，即开始运行。清水箱3内蓄满或原水箱1内水位到达弯
管9，装置自动暂停工作。
54.本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置清洗时，首先将原水箱1出水管20上的出水阀10关闭，同时打开快速接头12断开进水管21和出水管20的连接。将防水电缆17接上电源，启动三档开关8调节至所需挡位，涡旋超声装置即可启动开始清洗。涡旋超声清洗5～10分钟后，即可关闭开关，停止清洗工作。待原水箱1水体中的颗粒物沉淀至底部后，打开排泥口19，排出原水箱1内底泥和废水。将装置各管件重新连接，待原水箱1重新注满后，打开出水阀10，即可恢复过滤。
55.本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置，有效解决了传统超滤装置或传统净水器在处理农村分散式水源时产生的操作繁琐、清洗频繁、制水成本高等问题，大幅降低了农村地理条件、经济状况等制约因素的影响。同时，利用涡旋超声装置对超滤膜进行清洗，可有效清除重力流超滤装置长期运行产生的高附着性膜污染，从而解决了重力流超滤装置无法彻底生物滤饼层、恢复膜通量这一瓶颈问题，延长了超滤膜寿命，同时使得该装置能适用于更多运行环境。此外，还可通过控制涡旋超声清洗开关，根据自身需要和装置运行情况规划清洗周期，从而实现过滤和清洗的无缝切换，灵活性强。
56.本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置的运行效果试验：
57.利用本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置按照上述步骤对农村分散式水源进行处理，以验证净水效能和处理效果。
58.共运行两套装置，其中一套为重力流超滤净水装置(即不包括本发明净水装置中的涡旋超声装置)，用于对比运行效果，另一套为本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置。其中，重力流超滤净水装置每月采用常规手动清洗进行维护，涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置利用涡旋超声清洗装置清洗，涡旋超声清洗装置每月开启时长为10分钟。此外，用于对照的重力流超滤净水装置中无紫外消毒装置，本发明装置储水箱中设有紫外线消毒灯管，根据上述方式自动运行。除以上不同外，两套装置构造、容积及处理原水相同，所采用的膜组件均为浸没式pvdf中空纤维膜，膜孔径为0.01μm，初始膜通量均为45l/m2/h。试验所采用的水质检测方法均依照国家标准《生活饮用水标准检验方法》进行。
59.通过对两套装置的为期3个月的运行发现，两套装置对农村分散式水源的净化效果较好，主要特征污染物浊度、色度的去除率分别为98.3～99.6％、76.3～83.4％，达到我国《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)。对于微生物指标来说，本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置的平均去除率可达99.99％，出水水质完全达标，可直接用于饮用；而重力流超滤净水装置微生物平均去除率仅有97.6％，出水中菌落总数随着运行时间增加而逐渐增加，出水水质无法保持稳定。综上分析，本发明装置净水效果更为稳定，长期运行下，出水水质完全达到饮用水水质标准，可有效保障我国农村分散式供水的水质安全。
60.另一方面，本试验对照组重力流超滤净水装置仅采用常规的手动清洗方式，由于该方式无法有效去除超滤膜表面基质层，清洗后初始通量仅为20.3l/m2/h，通量恢复率为45.1％。而本发明涡旋超声清洗的重力流超滤净水装置清洗后初始通量可恢复至43.7l/m2/h，通量恢复率可达97.1％，与对照组相比清洗效率显著提升。
61.此外，在运行期间，本实验对照组重力流超滤净水装置平均运行通量为5.9l/m2/h，而本发明涡旋超声清洗重力流超滤净水装置平均运行通量为9.6l/m2/h，对比提升62.7％。
62.上述结果说明，本发明净水装置可通过涡旋超声清洗可高效去除超滤膜表面高附着性、难清洗的膜污染，显著提升通量恢复水平，并在长期运行过程中有效提升出水通量，提高产水效率。