超频振动膜系统及其应用

前言
膜分离技术由于其分离效率高，节能，高效，无二次污染，在能源供应紧张、资源日益短缺、生态环境恶化的今天，显得尤为重要。但是膜污染引起的膜通量衰减问题已成为阻碍其工业化进程的一个关键问题。在工业应用中一般采用错流过滤的方式来减少膜污染和控制浓差极化。但常规的错流过滤，回收率较低，而且对于处理高浊水和高粘度溶液，为了减少膜污染，往往需要提高膜面流速来提高膜面的剪切力，但是这种剪切力增加有限，同时他也需要大功率的回流泵，从而导致消耗大量的能源。
超频振动膜系统作为一项新型的膜分离技术，可以有效地提高膜面的剪切速度，抵抗膜污染，提高回收利用率，同时能够节省大量的能源，在国外得到充足的开发和运用。而在国内对其研究较少，少数几家公司通过引进超频振动膜技术取得了良好的经济和社会效益。
1超频振动膜和常规错流过滤比较
在错流过滤中，原料以一定的组成进入膜器并平行流过膜表面，沿膜器的不同位置，原料组成逐渐变化。原料液分成两股：渗透物流和浓缩物流，如图1。超频振动膜系统通过在膜面产生正弦切力波，如图2。有效地阻止颗粒物质在膜面的沉积，而且强剪切力能够使沉积在膜面的物质返回到料液中去。由图1可以看出，错流过滤膜膜面附近阻留物的浓度较高，而且产生了沉积层(凝胶层)，两者都使膜过滤通量减少。而图2则显示，超频振动膜表面无沉积物，膜过滤阻力小，从而保持较高的过滤通量。

                                                 进一步研究发现，相比较于传统错流过滤，超频振动膜过滤具有的强抗阻特性在于他们
膜面的流速分布不同。传统的错流过滤虽然可以保持较高的膜面流速，但是由于粘性力的存在，使得膜面附近切向流速不大。而超频振动膜的膜面切向速度决定于膜片的振动频率和振幅，使得膜面流速大，中间流速小，从而获得较大的剪切应力。
2超频振动膜构造和特点
2.1组成及工作原理
   超频振动膜可以简单的分为由一个有着自有振动频率的扭力杆连接的两部分，如图3。

 
一部分是在扭力杆上方的膜包组件，膜片在其中以较大的振幅振动。另一部分是振动装置，以与膜包组件成比例的较小振幅振动。振动由变频交流电动机引发，经由电动机轴承和偏心砝码共同作用传入振动装置。由于偏心砝码的摆动，振动装置开始随着发动机的转速提升而振动。然后由扭力杆引起膜包组件的振动，但有180°的相变。当发动机的转速达到共振频率后，膜包组件的振幅达到*大，转速继续增大只会降低振幅。超频振动膜要工作在不影响扭力杆寿命而能引起*大振幅的运行状态下。
2.2超频振动膜优点
(1)抗堵塞能力强
通过在膜面处引入高剪切力，使得凝胶层悬浮于膜表面，提高了过滤通量。研究表明：超频振动膜的过滤通量是常规过滤的3倍~10倍。
(2)能量利用率高
常规过滤为了减少膜表面颗粒沉积，一般采用提高膜面流速来实现，但是由速度分布图可以看出，其能量大部分消耗在膜内，能量利用率只有10%。超频振动膜能够在膜内特定的区域产生剪切力，能量利用率达到99%。
(3)占地面积少
由于膜片层叠而起，在竖直方向上可以层叠几百片，在较小的平面内可以提供更大的膜面积。*新开发的一种超频振动膜装置占地1.8 m²，但它可以提供180 m²的膜面积。而且由于超频振动膜装置是模块化的设计，可以简单的扩大处理能力。
(4)应用范围广
可以用于处理含油废水，洗衣废水及垃圾渗滤液等高浊度和粘性较大，难以处理的料液。
(5)运行费用低
一个超频振动膜组件系统只需要大约7.35 kW的振动动力电动机和3.65 kW的料液泵，膜组件不易受到污染。无论是资本投资还是运行维护都具有比较明显的经济优势。
3超频振动膜的运用
超频振动膜系统是一项比较先进的技术，国内的运用相对较少，而国外已运用在很多领域，并取得良好的处理效果。
3.1在水处理方面的运用
在水处理方面，振动膜系统可以用来处理较大浓度的污废水，并可以较大程度的循环利用水资源。给水工程中，常规的膜分离技术水回收率低和成本较高，超频振动膜技术的出现使得这一问题得到解决，Greg Johnson等采用振动反渗透膜处理苦咸水，小试试验表明：采用振动膜技术，大大减少了需要处理的浓缩液的体积，减少了处理的费用，而且使苦咸水的回收率达到98%。汽车制造业废水的主要问题是COD含量远远大于排放标准。传统的处理方法是经过预处理后再化学处理，*后进行反渗透。这种处理方法占用大量空间并且需要较高的操作费用。上海某公司将超频振动膜系统和纳滤系统联合使用处理汽车制造废水[7]，将COD值由300000 mg/l-降至300 mg/l，节省了空间同时也提高了经济效益。洗衣废水中主要的物质是固体悬浮物、油脂和阴离子表面活性剂(LAS)。若采用常规膜分离技术，由于膜污染严重，导致膜通量较小。美国加州西雅图洗衣厂采用超频振动膜过滤系统，使清水用于干洗的用量由常规膜分离时的17 L/kg~ 42 L/kg下降至2.5 L/kg~ 4.2 L/kg。相对于其他系统只能循环再用40%~50%的用水，振动膜过滤系统水回收再利用率达到90%以上。
3.2在食品加工业中的运用
珠江啤酒股份有限公司酿造厂运用超频振动膜系统处理酵母溶液，发现该系统能节约能
耗，提高效率和产品质量。避免了大量未经处理的酵母排至污水，更加方便和节能；每年未计提折旧的税前利润达200多万元，经济上较合理。
3.3垃圾渗滤液的处理
渗滤液的处理在我国尚处于研究探索阶段。由于缺乏必要的基础研究和技术开发，加之渗滤液水质水量的复杂多变性，处理难度较大。传统的生物处理法和物化方法，不是难以达标就是运行费用高。膜分离技术由于膜污染的问题阻碍了其发展。振动膜技术由于能够阻碍膜污染的发生所以可以用于处理垃圾渗滤液。由垃圾渗滤液不同特性，振动膜可以以113.6 L/m的滤速去除85%~90%的一般污染物。流出的渗透液可以直接排放或者循环利用，浓缩液经脱水和化学处理等进一步处理。
3.4在废油再生中的运用
润滑油在使用一段时间后，由于受到污染或者自身变性，而导致报废。但是废润滑油中的变质成分只占1%~25%，若不处理将会严重污染水体、土壤。制约膜分离运用于废油再生的关键问题是废油黏度高，膜污染严重。
超频振动膜系统能够处理粘性流体和有效的防止阻滞膜污染，解决了废油膜法处理的技术瓶颈。香港正昌集团采用伟思(VSEP)振动膜处理装置，开发出VMAT废油再生系统。该系统能够长时间稳定运行经VMAT过滤出的产品，产品质量优良，从化验报告得知，磷、锌、钙大幅降低。
此外，超频振动膜技术还可以应用于处理造纸废水、印染废水、PVC乳胶浓缩、产品脱水、固体分离、金属氢氧化物的回收利用等方面。
4结语
超频振动膜系统是膜处理技术的一项新的发展，它可以有效地阻碍膜污染的发生，即使杂质成分复杂、料液浓度较高也可以在不经预处理的情况下保持膜组件的高效连续运行。并且运行能耗较低，降低了运行成本，可以取得好的经济效益。另外，超频振动膜系统由于高度模块化设计，便于组装及扩大生产规模。目前国外有关超频振动膜的研究和应用较多，国内这方面的研究还比较少，具有较好的研究前景。