1、能源研究与信息 第 24 卷 第 2 期 Energy Research and Information Vol. 24 No. 2 2008 收稿日期： 2008-01-04 作者简介： 吴克宏( 1962-)，男(汉)，教授， 。 文章编号 : 1008-8857(2008)02-0081-05 超频振动膜系统及其应用 吴克宏1, 闫 猛1, 骆 伟1, 唐建伟1, 2(1. 解放军理工大学工程兵工程学院 , 江苏 南京 210007; 2. 广州空军工程建设局 , 广东 广州 510405)摘 要 : 在传统膜法水处理过程中，膜表面浓差极化和污染导致渗透通量下降是影响其广泛使用的主要原因
2、。介绍了国外超频振动膜系统构造，原理和特点。和传统错流过滤相比，超频振动膜能够有效地防止膜污染 ,保持较高的过滤通量 ,可处理含高浓度悬浮物溶液和高黏度流体。通过工程实例证明，超频振动膜模块化设计，占地面积小 ,节省能源，具有较高的经济价值。 关键词 : 振动膜 ; 过滤 ; 膜污染 ; 错流过滤 中图分类号 : X52; TQ028.8 文献标识码 : A 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12。在工业应用中一般采用错流过滤的方式来减少膜污染和
3、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23。 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
4、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12。 能源研究与信息 2008 年 第 24 卷 82 图 1 常规错流过滤 图 2 超频振动膜过滤 Fig. 1 Filtration with conventional cross-flow membrane Fig. 2 Vibratory
5、 shear enhanced process 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。
6、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最大，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最大振幅的运行状态下。 图 3 VSEP 共振驱动系统 Fig. 3 VSEP resonating driving system 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
7、滤的 3 倍 10 倍4。(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 安装膜包组件扭力杆偏心砝码 第 2 期 吴克宏 , 等 : 超频振动膜系统及其应用 83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%56。 (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。 New Logic 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
8、扩大处理能力5。 (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
9、高，超频振动膜技术的出现使得这一问题得到解决， Greg Johnson4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， 最后进行反渗透。 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300 000 mgl-1降至 300 mgl-1，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
10、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 lkg-142 lkg-1下降至 2.5 lkg-14.2 lkg-1。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8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
11、 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9。 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 能源研究与信息 2008 年 第 24 卷 84 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 lm-1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7。 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。
12、但是废润滑油中的变质成分只占 1%25%10，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11。 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12。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
13、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。 参考文献 : 1 时 均 , 袁 权 , 高从楷 . 膜技术手册 M. 北京 : 化学工业出版社 , 2001. 2 王 湛 . 膜分离技术基础 M. 北京 : 化学工业出版社 , 2000. 3 邵 刚 . 膜法水处理技术 M. 北京 : 冶金工业出版社 , 2000
14、. 4 GREG J, LARRY S, MICHELE M. VSEP Treatment of RO reject from Brackish Well Water： A comparison of conventional treatment methods and vsep, a vibrating membrane filtration systemA. 2006 El Paso Desalination ConferenceC, El Paso Texas March 15th17th, 2006. 5 PETALA M. D, ZOUBOULIS A. I. Vibratory
15、shear enhanced processing membrane filtration applied for the removal of natural organic matter from surface watersJ. Journal of Membrane Science, 2006, 269(1): 1-14. 6 KAZUTALCA T, KAXUYOSHI Y, RULIN B. Removal of humic substance with vibratory shear enhanced processing membrane filtrationJ. Water
16、supply, 1999, 17(1): 93-102. 7 CHENG Daniel M. Application of innovative, fouling resistant, VSEP membrane technology in solving environmental problems in China. http:/ 8 赵福雄 , 徐谋华 , 孙青春 , 等 . 酵母振动膜过滤系统的应用研究 J. 现代食品科技 , 2005, 2(21): 116-117. 9 张宏忠 , 松全元 , 王淀佐 . 垃圾渗滤液膜处理技术 J. 膜科学与技术 , 2004, 24(10): 6
17、9-73. 10 戴钧樑 . 废润滑油再生 M. 北京 : 中国石化出版社 , 1999. 11 CIORA Richard J, Jr. Refining of used oil using membrane and adsorption based processesP. United States patent 6024800, 2000, 12-15. 12 http:/, 2007-08-17. 第 2 期 吴克宏 , 等 : 超频振动膜系统及其应用 85Vibrating membrane filtration and its applications WU Ke-hong1, Y
18、AN Meng1, LUO Wei1, TANG Jian-wei1, 2 (1. Engineering Institute of Corps of Engineers, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Engineering construction bureau of Air-force , Guangzhou 510405, China) Abstract: Concentration polarization and fouling are main problems influen
19、cing applications of the conventional membrane technology. A simple solution to fouling is to operate with high-velocity feed, which nevertheless will shorten the life of membranes. In this paper, a new type of membrane filtration technology, known as Vibratory Shear Enhanced Process(VSEP), is intro
20、duced. Compared with the conventional cross-flow membrane process, the VSEP system can reduce membrane fouling greatly keeping a high flux rates and can be used for fluids of high viscosity and containing lots of suspended colloids. A number of successful applications have proved that the VSEP is a
21、compact, closed system which takes up less space. It can save energy and has more economic value. Key Words: vibrating membrane; filtration; membrane fouling; cross-flow filtration (接第 80 页) 8 SHIN D, JANG S, HWANG J. Combustion characteristics of paper mill sludge in a lab-scale combustor with inte
22、rnally cycloned circulating fluidized bedJ. Waste Management, 2005, 25: 680-685. Research of integrating wet sludge drying with combustion in circulating fluidized bed HOU Feng-yun1, HAN Bao-xiu2, ZHU Shu-feng3, LU Qing-gang2, NA Yong-jie2(1. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076,
23、China; 2. Shandong Fengyuan Tongda Electric Power Co., Ltd, Shandong 277000, China; 3. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Abstract: To dispose sludge efficiently and recover heat, a new technology of integrating drying wet sludge with combusti
24、on was proposed. The technology was validated by experiments in a 0.15 MW circulating fluidized bed. After hot circulating ash produced by circulating fluidized bed combustion has dried wet sludge in the outward fluidized dryer, all of them were laid back into the incinerator to combust. Test result
25、s show that the steady running of the incinerator and dryer can be realized by adjusting the rate of wet sludge and auxiliary coal, and the valve lift for circulating hot ash. The diameter of dryer sludge pellets was almost uniform, and the moisture of sludge was ca. 20%. The releasing smoke was allowable for environment. Key Words: sludge; fluidized bed; drying; combustion; integration
