错流膜过滤装置

应用错流过滤原理的方法有1. 名词解释在探讨应用错流过滤原理的方法之前，首先需要了解一些相关的名词和概念。

1.1 错流错流是指在流体中含有不应该存在的物质或颗粒，这些物质或颗粒可能对流体系统产生不利的影响，如堵塞管道、损坏设备等。

1.2 过滤过滤是通过分离或拦截固态颗粒或可溶性物质的过程，通过过滤可以将流体中的杂质去除，提高流体的纯度和质量。

1.3 错流过滤器错流过滤器是一种用于去除流体中错流的设备或装置，它通过物理或化学作用将固体颗粒或溶解物质从流体中分离出来。

2. 方法介绍应用错流过滤原理的方法主要包括以下几种：2.1 重力沉降法重力沉降法是基于物质的密度和粒径大小在重力作用下沉降速度的差异而实现错流过滤的方法。

通过设置合适的截面积和高度，使流体在错流过滤器中形成平缓的流动，利用物质的沉降速度差异使错流颗粒在流体中沉降下来，从而实现过滤的目的。

2.2 超滤法超滤法是利用超滤膜对流体进行过滤的方法。

超滤膜具有较小的孔径，可以将大部分溶质和颗粒截留在膜表面，只允许水和小分子物质通过，从而实现错流过滤的效果。

2.3 离心分离法离心分离法是利用离心力将流体中的错流颗粒从流体中分离出来的方法。

通过旋转式离心机或离心管等设备，利用颗粒在离心力作用下的差异，将错流颗粒沉积到离心机的底部或离心管的底部，从而实现过滤效果。

2.4 过滤介质法过滤介质法是利用具有一定孔隙度的过滤介质对流体进行过滤的方法。

过滤介质可以是一种固体材料，如滤纸、滤布等，也可以是一种多孔的材料，如活性炭、石英砂等。

通过控制过滤介质的孔隙度和厚度，实现对流体中错流颗粒的截留。

3. 应用案例3.1 废水处理在废水处理过程中，常常需要对废水中的固体颗粒进行过滤，以净化废水并降低对环境的影响。

应用错流过滤原理的方法可以有效地去除废水中的错流颗粒，提高废水的纯度。

3.2 液体食品加工在食品加工过程中，常常需要对液体食品中的杂质进行过滤，以提高产品质量和食品安全性。

超滤过程中透过膜的水。

3．6超滤浓水ultrafiltration concentrate超滤过程中未透过膜而排出的水。

3．7错流过滤cross-flow filtration指部分进水透过膜元件形成产水，其余部分形成浓水的过滤方式。

3．8死端过滤dead-end filtration指进水全部透过膜元件形成产水的过滤方式，又称全量过滤。

3．9平均水回收率average recovery指超滤水处理装置平均产水流量占平均进水流量的百分比。

计算方法见附录A。

3．10超滤膜通量water flux指单位时间内通过单位超滤膜面积的产水体积。

3．11透膜压差TMP transmembrane pressure指超滤膜进水侧与产水侧之间的压力差，又称过膜压差。

透膜压差=(进水压力+浓水压力)／2一产水压力3．12污染指数SDI(Silt＆density index)用来表征水中悬浮物等杂质数量的一种参数，一般采用15min 测定法，测试方法见DL／T 588。

4产品分类4．1 压力式：膜分离的推动力由泵在进水侧加压提供，膜组件在正压下工作。

4．2浸没式：膜分离的推动力依靠产水侧抽真空提供，膜组件在负压下工作。

5配置要求5．1 超滤水处理装置的设计应充分考虑进水水质的特点；根据待处理的水质，选择超滤膜组件的形式和运行方式，如错流过滤或死端过滤。

当用于废、污水处理时，应通过类比调查或模拟试验来选择膜组件，确定运行工艺，并符合GB 50335的要求。

5．2膜组件的型号和数量的选择应充分考虑水温、使用过程中膜通量衰减和透膜压差升高的影响，应保证在使用期间不会因设备设计缺陷造成产水量不足等问题。

5．3超滤膜通量的设计值应合理选择，宜通过试验验证，并应考虑水温对膜通量的影响。

5．4应设置超滤反冲洗系统、化学清洗系统和相应的连接接口及阀门。

5．5超滤水处理装置的进水、产水和反洗系统都应该配有流量计和压力表，可配备相应的浊度、温度、余氯(或氧化还原电位计)等在线仪表。

DOI ：10.19965/ki.iwt.2022-1034第 43 卷第 9 期2023年 9 月Vol.43 No.9Sep.，2023工业水处理Industrial Water Treatment 餐厨垃圾沼液的超滤膜错流过滤数学模型黄生林1，吴健2，陈卫华2，乐亮亮2，苏醒2，胡念2，陈小光1（1.东华大学环境科学与工程学院，国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620；2.上海浦东黎明资源再利用有限公司，上海 201209）[ 摘要 ] 以餐厨垃圾厌氧消化沼液为过滤介质，膜孔径30 nm 的管式超滤膜为膜组件，探究了超滤膜错流过滤中膜污染行为与膜通量的影响因素，结果表明：由于沼液中的混合液悬浮固体（MLSS ）浓度极高，且膜孔径极小，引起膜污染的方式主要为污染物在膜表面形成滤饼层，过滤中的阻力主要来源于膜自身阻力与滤饼层阻力之和；在错流过滤中沼液的实际剪切黏度会随着其高速运动而降低，且趋于一定值（1×10-3 Pa ·s ），从而表现出黏度对膜通量无明显影响；跨膜压差与污泥浓度对膜通量有着决定性影响，所建立的膜通量数学模型预测值与实际值较吻合（R 2>0.99），以该模型计算得到的沼液膜通量范围为1.56×10-6~3.37×10-6 m 3/（m 2·s ），平均膜通量为2.28×10-6 m 3/（m 2·s ）；对膜通量的影响因素做了灵敏度分析：当各工艺参数在0~50%变化时，膜通量各参数的灵敏度高低依次为ΔP 、μ、R m 、MLSS ；当各工艺参数在-50%~0变化时，膜通量各参数的灵敏度高低依次为μ、ΔP 、R m 、MLSS 。

［关键词］ 餐厨垃圾沼液；厌氧膜生物反应器；错流过滤；膜通量［中图分类号］ X703 ［文献标识码］A ［文章编号］ 1005-829X （2023）09-0138-06Mathematical model of ultrafiltration membrane crossflow filtration of kitchen waste biogas slurryHUANG Shenglin 1，WU Jian 2，CHEN Weihua 2，LE Liangliang 2，SU Xing 2，HU Nian 2，CHEN Xiaoguang 1（1.School of Environmental Science and Engineering ，Donghua University ，National Environmental Protection andTextile Industry Pollution Prevention Engineering Technology Center ，Shanghai 201620，China ；2.Shanghai Pudong New Area Liming Resources Reuse Co.， L td.， S hanghai 201209，China ）Abstract ：Using anaerobic digested biogas slurry from kitchen waste as filter medium ，and the tubular ultrafiltration membrane with a membrane aperture of 30 nm as the membrane module ，this paper explored the influencing factors of membrane fouling behavior and membrane flux in cross flow ultrafiltration membrane filtration. The resultsshowed that because the biogas slurry contained extremely high MLSS concentration and the membrane pore diam ⁃eter was very small ，the main way to cause membrane pollution was that pollutants form a filter cake layer on the membrane surface. The resistance in filtration mainly came from the sum of membrane resistance and filter cake re⁃sistance. In cross flow filtration ，the actual shear viscosity of biogas slurry would decrease with its high -speed move⁃ment ， and tended to a certain value （1×10-3 Pa ·s ），which showed that viscosity had no obvious effect on membrane flux. The transmembrane pressure difference and sludge concentration had a decisive influence on the membrane flux. The predicted value of the established mathematical model of membrane flux was in good agreement with the actual value （R 2>0.99）. The range of membrane flux of biogas slurry calculated by the model was 1.56×10-6-3.37×10-6 m 3/（m 2·s ），and the average membrane flux was 2.28×10-6 m 3/（m 2·s ）. The sensitivity analysis of the influencing factors of membrane flux is made ：when the process parameters change at 0-50%，the sensitivity of the parametersof membrane flux is in order of ΔP ，μ，R m and MLSS. When the process parameters vary from -50% to 0，the sensi⁃tivity of membrane flux parameters is μ，ΔP ，R m and MLSS.Key words ：kitchen waste biogas slurry ；anaerobic membrane bioreactor ；cross flow filtration ；membrane flux开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：工业水处理2023-09，43（9）黄生林，等：餐厨垃圾沼液的超滤膜错流过滤数学模型在厌氧膜生物反应器（AnMBR）领域中，超滤膜常用来强化微生物持留，提高其浓度以提升污染物的降解效率。

超滤常用运行模式1、死端过滤当超滤进水悬浮物、浊度和COD 值低，如洁净的地下水、山泉水等水质，或超滤前处理较严格，如有砂滤器、多介质过滤器等过滤，超滤可按照全流/死端过滤模式操作。

此过滤模式与传统过滤相仿，原水进入超滤膜管，100%经过超滤膜过滤自膜管过滤液侧产出。

被超滤膜截流的大分子颗物、胶体等在超滤定时反冲洗、快冲和化学清洗过程中自超滤膜管排出。

2、单通错流过滤一般上当原水中悬浮物和胶体含量较低时可按死端过滤模式来操作。

原水以较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。

产水在膜管过滤液侧产出，运行回收率通常是92-99％，这由原水中微粒的浓度来决定。

3、循环错流过滤当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来保持纤维内部的高错流率，这样就会造成大量的废水。

为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压后回到膜管内，这就称为循环模式。

这会降低膜管的回收率但整个系统的回收率仍旧可以很高。

在循环流程模式，进水连续地在膜表面循环。

循环水的高流速阻止了微粒在膜表面的堆积，并增强了通量。

因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率能耗就会比死端过滤高。

此类模式操作中通常也需要定时的反洗和定期的化学清洗。

具体情况如下图所示：当没有浓水循环的时候，污染物不均衡，主要集中在入口处一端，当反洗的时候，由于堵塞的不均匀，因此，反洗的效果也不均匀。

如上图，当采用浓水循环的时候，中空纤维内的流速非常高，不停地剪切这堆积在膜表面的污染物，使其重新变得不稳定。

这对于前面有絮凝剂投加和胶体物质含量比较高的地表水来讲，异常关键。

循环错流过滤全自动超滤装置系统如下图所示：当水质发生较大变化的时候，只要略微修改计算机和PLC控制程序，便可以实现全自动带浓水循环的错流过滤，从而更能保障超滤装置不会产生较大的压力差和保障膜丝的安全。

错流膜⼯艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分⼦量来加以区别膜分离技术简介 膜是具有选择性分离功能的材料，利⽤膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。

它与传统过滤的不同在于，膜可以在分⼦范围内进⾏分离，并且这过程是⼀种物理过程，不需发⽣相的变化和添加助剂。

膜的孔径⼀般为微⽶级，依据其孔径的不同（或称为截留分⼦量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为⽆机膜和有机膜，⽆机膜主要是陶瓷膜和⾦属膜，其过滤精度较低，选择性较⼩。

有机膜是由⾼分⼦材料做成的，如醋酸纤维素、芳⾹族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

错流膜⼯艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分⼦量来加以区别，下图简单⽰意了四种不同的膜分离过程：（箭头反射表⽰该物质⽆法透过膜⽽被截留）：微滤（MF）HY-PB-FMBR平板膜反应器⼜称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。

微滤膜的材质分为有机和⽆机两⼤类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。

⽆机膜材料有陶瓷和⾦属等。

鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应⽤范围主要是从⽓相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的⽬的。

对于微滤⽽⾔，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微⽶，故微滤膜能对⼤直径的菌体、悬浮固体等进⾏分离。

可作为⼀般料液的澄清、保安过滤、空⽓除菌。

超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的⼀种膜过程，膜孔径在0.05um⾄1nm分⼦量之间。

超滤是⼀种能够将溶液进⾏净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径⼤⼩相关的筛分过程。

以膜两侧的压⼒差为驱动⼒，以超滤膜为过滤介质，在⼀定的压⼒下，当⽔流过膜表⾯时，只允许⽔及⽐膜孔径⼩的⼩分⼦物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的⽬的。

对于超滤⽽⾔，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分⼦量来表征，通常截留分⼦量范围在1000～300000，故超滤膜能对⼤分⼦有机物（如蛋⽩质、细菌）、胶体、悬浮固体等进⾏分离，⼴泛应⽤于料液的澄清、⼤分⼦有机物的分离纯化、除热源。

错流过滤（cross flow filtration）：在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤（dead-end flow filtration）不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。

错流过滤操作较死端过滤复杂，对固含量高于0.5%的料液通常采用错流过滤。

随着错流过滤操作技术的发展，在许多领域有代替死端过滤的趋势。

过滤是一个流体分离的过程。

当流体通过不同孔径的筛板时，固体物质被截留在筛板上，而被分离的产品则流进预先准备好的容器中。

错流过滤系统与传统的过滤机有很大差别，它可避免固形物在滤膜上沉积，由于滤液在系统内的高速循环运动及滤膜两侧的压力不同，滤清液以切线方向溜进预先准备好的容器中，而由于未滤液的高速循环运动，未滤液可将附着在膜上的固形物带走。

错流过滤技术运行无污染、无废硅藻土等助滤剂排放，属环保型过滤技术。

一、错流过滤的基本原理错流过滤的基本原理，是通过循环泵将要过滤的物质在不同孔径的滤膜孔道中做高速循环运动。

在压力的作用下，滤液以切线通过的方式滤出；未滤液由于高速运动而形成湍流，不断冲洗膜棒的内表面，将少量附着在膜上的固形物带走，从而防止了滤膜的阻塞，保持过滤的正常进行。

未滤液不断循环，固形物浓度愈来愈大，当浓度到达一定程度后自动排出，最终达到固液分离的目的。

二、错流过滤系统常用的几种膜1.错流过滤膜所用材料膜材料一般选用塑料、聚丙烯、聚砜、聚醚砜或陶瓷膜。

通常所用的是聚合膜和陶瓷膜。

2.滤膜的种类滤膜根据孔径不同，可分为微孔过滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。

滤膜根据形状不同，可分为中空纤维膜或毛细管膜、管状膜、螺旋卷式膜等。

3.不同种类的膜可滤除的物质三、错流过滤技术在啤酒工业中的应用错流过滤技术不但可以代替传统的硅藻土过滤机过滤啤酒，还可以从废酵母中回收啤酒。

在啤酒酿造过程中，发酵产生酵母泥的量约占啤酒总量的2%—3%，除留作种酵母参与发酵外，大部分成为废酵母。

电场强化错流膜过滤的研究
胡婧逸;邓慧萍;商冉
【期刊名称】《工业用水与废水》
【年(卷),期】2009(40)4
【摘要】电场强化错流膜过滤技术可有效改善膜污染和浓差极化对错流过滤带来的不利影响.就电场膜过滤装置、机理、外加电场及影响渗透通量的因素这4个方面进行综述.目前研制的新型附加电场中空纤维膜组件克服了传统膜过滤组件的缺点,显示出很大的工程应用前景.电场强化错流膜过滤中会发生电泳和电渗等电动力学效应以及电化学效应.电泳是减缓膜污染一个主要因素,电泳和电渗两者共同作用,可以大幅提高过滤通量.采用脉冲电场可以减缓过滤速率的衰减幅度,节省单位体积滤液的电功率比耗.当颗粒具有较高Zeta电位、外加场强及跨膜压力接近临界值、错流速率较高时,过滤通量极限值将会得到提高.
【总页数】6页(P13-18)
【作者】胡婧逸;邓慧萍;商冉
【作者单位】同济大学,环境科学与工程学院,上海,200092;同济大学,环境科学与工程学院,上海,200092;同济大学,环境科学与工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.8
【相关文献】
1.错流膜过滤系统膜通量及其影响因素的研究 [J], 周文龙
2.错流平板膜过滤技术在白茶饮料澄清中的应用研究 [J], 赵峰;杨江帆;陈莲;林河通
3.错流膜过滤提高黄酒非生物稳定性的研究 [J], 谢广发;周建弟;孟中法;董海;谢海腾;吴奇彬
4.采用叶片与圆盘错流膜过滤黑液中木质素时剪切速度数值模拟研究 [J], 吴俊飞;赵文捷
5.新一代错流工艺——Phoebus膜过滤系统 [J], 张聪
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过滤分类1、死端过滤（dead-end filtration）即常规过滤，通过水流垂直流过过滤介质来实现。

全部的水量完全通过过滤介质，全部变成出水流出系统。

这种大颗粒过滤型式仅对粒径大于1μm的不溶性固体颗粒有效。

2、错流式膜过滤（cross-flow filtration）为了去除更小的颗粒和可溶性盐类，必须使用错流式的膜过滤，即对与膜表面平行的待处理液体增加压力，其中部分流体透过膜表面，流体中的颗粒等被排除在浓水中，由于流体连续地流过膜表面，被排除的颗粒不会在膜表面上积累，而是被浓水从膜上带走，因此一股流体就变成两股流体，即透过液和浓缩液。

微滤：截留0.1~1微米颗粒超滤：截留0.002~0.1微米颗粒纳滤介于超滤和反渗透之间，截留1纳米尺寸颗粒反渗透：阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物基本概念（总结简化版）渗透：稀溶液溶剂透过半透膜进入浓溶液溶剂渗透压：渗透过程中，溶液两侧的液面不再变化，渗透过程达到平衡点时，液柱高差称为该浓溶液的渗透压。

反渗透：在浓溶液一侧施加操作压力以克服自然渗透压，逆转溶剂自然渗透方向，使进水中的水分子通过膜称为稀溶液侧的净化产水。

纳滤与反渗透没有明显的界限，可以认为纳滤是一种低压反渗透。

反渗透膜：允许溶剂分子通过而不允许溶质分子通过的一种功能性的半透膜。

膜元件：将反渗透或纳滤膜膜片与进水流道网络、产水流道材料、产水中心管和抗应力器等用胶粘剂等组装在一起，能实现进水与产水分开的反渗透或纳滤过程的最小单元称为膜元件。

膜组件：膜元件安装在受压力的压力容器外壳内构成膜组件。

膜装置：膜组件+仪表+管道+阀门+高压泵+保安过滤器+就地控制+机架等可独立运行的成套单元膜设备。

膜系统：针对特定水源条件和产水要求设计的，由预处理、加药装置、增压泵、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法水处理工艺过程称为系统。

回收率：渗透液流量/进水流量*100%。

膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水调节阀可以调节并设定回收率。

一、实验目的1. 了解错流过滤的原理和操作方法；2. 掌握错流过滤在液体分离中的应用；3. 通过实验验证错流过滤的效率及影响因素。

二、实验原理错流过滤是一种动态过滤方式，其原理是在膜表面形成两个分力：一个是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面；另一个是平行于膜面的切向力，将膜面上的截留物冲刷掉。

在错流过滤过程中，原料液在膜管内高速流动，在压力驱动下，含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜，含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留，从而实现流体分离、浓缩、纯化。

三、实验仪器与材料1. 错流过滤装置：膜组件、蠕动泵、秒表、压力表、量筒等；2. 原料液：浊度较高的水样；3. 膜材料：微滤膜、超滤膜等；4. 清洗液：去离子水、酸碱溶液等。

四、实验步骤1. 将膜组件安装到错流过滤装置上，确保连接紧密；2. 将浊度较高的水样加入原料液容器中；3. 开启蠕动泵，使水样在膜组件内高速流动；4. 调节压力表，使膜组件两端产生一定压差；5. 观察膜组件进出口的压力变化，记录数据；6. 定时取样，分析透过液和浓缩液的浊度；7. 实验结束后，清洗膜组件，清除污染物。

五、实验结果与分析1. 在错流过滤过程中，透过液的浊度逐渐降低，浓缩液的浊度逐渐升高，说明错流过滤对浊度有较好的去除效果；2. 随着过滤时间的延长，透过液的浊度变化趋于稳定，说明错流过滤的效率相对稳定；3. 在相同条件下，不同孔径的膜材料对浊度的去除效果不同，孔径越小，去除效果越好；4. 膜表面污染是影响错流过滤效率的主要因素，可通过反冲洗等方法清除污染物，提高过滤效率。

六、实验结论1. 错流过滤是一种有效的液体分离方法，适用于浊度较高的水样处理；2. 膜材料的孔径、操作条件等因素对错流过滤效率有显著影响；3. 清洗膜表面是提高错流过滤效率的重要手段。

七、实验建议1. 在实验过程中，注意调节压力，避免膜组件损坏；2. 定期清洗膜组件，清除污染物，提高过滤效率；3. 选择合适的膜材料，根据实际需求进行实验优化。

死端过滤与错流过滤
什么是死端过滤?什么是错流过滤?
死端过滤和错流过滤是微滤膜过滤和超滤膜过滤运行过程中采用的两种操作方式，其示意图见图5—10。

死端(dead—end)过滤是将原水置于膜的上游，在压力差的推动下，水和小于膜
孑L的颗粒透过膜，大于膜孑L的颗粒则被膜截留。

形成压差的方式可以是在水
侧加压，也可以是在滤出液侧抽真空。

死端过滤随着过滤时间的延长，被截留颗
粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，在操作压力不变的情况下，膜的过
滤透过率将下降。

因此，死端过滤只能间歇进行，必须周期性地清除膜表面的污
染物层或更换膜。

错流(cross-flow)过滤运行时，水流在膜表面产生两个分力，个是垂直于膜面的
法向力，使水分子透过膜面，另一种是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物冲
刷掉。

错流过滤透过率下降时，只要设法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，
就可以对膜进行有效清洗，使膜恢复原有性能。

因此，错流过滤的滤膜表面不易
产生浓差极化现象和结垢问题，过滤透过率衰减较慢。

错流过滤的运行方式比较
灵活，既可以间歇运行，又可以实现连续运行。