CN101966427A - 淹没式中空纤维膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膜生物反应器和流体过滤技术领域，公开了一种淹没式中空纤维膜组件，它包括：多个中空纤维膜片，这些中空纤维膜片的两端由顶端封头和底端封头密封起来，起到对流体过滤分离提纯的作用；顶端封头，它具有一个空腔，把各中空纤维膜片由黏合剂封装在封头内部；底端封头，它具有两个空腔，各中空纤维膜片被分为两组，两个空腔分别把两组中空纤维膜片由黏合剂密封装在封头内部，在两个空腔之间有一个狭缝，用来喷射气体形成鼓泡，造成流体在中空纤维膜片周围的循环流动，提高了对膜片的清洗效果；顶端封头和底端封头四周配有用于与邻近封头耦合的卡扣，易于组成大型系统。

Description

淹没式中空纤维膜组件

技术领域

本发明涉及膜生物反应器和流体过滤技术领域，特别涉及淹没式中空纤维膜组件技术。

背景技术

膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，各组分透过膜的迁移率不同，从而达到分离目的的技术。

膜分离技术在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称“MBR”)是一种结合了膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术。在MBR系统中，污水中的各类污染物主要通过微生物的生物化学作用加以去除，但与传统生物处理工艺不同的是，膜组件替代了二沉池以其高效分离作用使泥水彻底分离，这使得污泥停留时间和水力停留时间可以相互独立，生化反应池中活性污泥浓度的增大和活性污泥中特效菌的积累，提高了生化反应速率。微生物与水的分离不再通过重力沉淀，而是在压力的驱动下，水分子和部分其他小分子物质能够透过膜，微生物和大分子物质则被膜截留在反应池内，从而使系统获得了优良的出水水质。MBR工艺基本解决了传统污水处理工艺普遍存在的出水水质不稳定、占地面积大、工艺控制复杂等突出问题，是极具发展潜力的水处理工艺，尤其在污水再生利用方面，MBR工艺可以将生活污水、城市污水或与之相近的工业废水一步到位地处理成可以作为城市杂用水、工业循环冷却水等用途的优质再生水，目前在全世界范围内正日益受到广泛的学术关注，大规模的工程应用也逐渐增多。

根据膜组件的设置位置，膜生物反应器可分为外置式(或称分体式、分置式)膜生物反应器和内置式(或称淹没式、浸入式、一体式、浸没式)膜生物反应器两大类。

外置式膜生物反应器一般多选用柱式中空纤维膜组件或管式膜组件，把膜组件和生物反应器分开设置，生物反应器中的混合液经循环泵增压后送至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理出水，固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。外置式膜生物反应器的特点是运行稳定可靠，易于膜的清洗、更换及增设，而且膜通量普遍较大，但一般条件下，为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵提供较高的膜面错流流速，致使循环泵的水流循环量和所需扬程增大，动力费用增高，吨水能耗较高，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。

内置式膜生物反应器大多选用帘式或束式中空纤维膜组件或板框式膜组件，把膜组件浸没于生物反应器的液位以下，原水进入膜生物反应器后，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解或转化，在吸泵提供的负压作用下或者在水位差的作用下由膜过滤出水，曝气系统设置在膜组件下方，一方面给微生物分解有机物提供了所必需的氧气，另一方面利用气提原理，使气水二相流对膜外表面进行水力冲刷，以此来抑制膜面污泥层的沉积。内置式膜生物反应器较之外置式膜生物反应器省去了混合液循环系统，结构更为紧凑，占地面积小，并且靠抽吸出水，吨水能耗相对较低，但膜组件的安装、检修、清洗很不方便，清洗劳动强度大，成本较高，膜通量也相对较小。

所谓的膜组件是将一定面积的膜元件以某种形式组装成的膜分离器件，是工程应用当中安装膜的基本单元。膜元件的基本形式有平板式、管式、毛细管式以及中空纤维式，在膜生物反应器中适用的则主要有平板式、管式以及中空纤维式，相应的膜组件形式为板框式、柱式、帘式或束式，板框式膜组件通常采用平板式元件，柱式膜组件通常采用管式或中空纤维式元件，帘式或者束式膜组件通常采用中空纤维式元件。由于工程实际要应用较大面积的膜，所需膜组件的数量很大，因此往往需要将一个或数个膜组件以某种形式组装成膜组件单元，其中包括膜组件、集水管、固定支架等，根据膜组件的型式，也有板框式、柱式、帘式或束式等形式。

现有技术的问题在于，淹没式膜生物反应器中，膜组件的清洗效果欠佳，特别是膜组件的根部不易被清洗到，容易积泥，而膜组件根部污染的继续发展和蔓延又会进一步加剧过滤的不均匀性以及有效过滤面积的丧失，最终缩短了整个膜组件的使用寿命。

此外，传统的膜组件尺寸小，无法单独使用，需要有金属框架固定后方能组成系统使用，从而增加了系统的重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种淹没式中空纤维膜组件，提高了对中空纤维膜片的清洗效果，并且易于组成大型系统。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种淹没式中空纤维膜组件，包括：

多个中空纤维膜片，这些中空纤维膜片的两端由顶端封头和底端封头密封起来，起到对流体过滤分离提纯的作用，中空纤维膜片可以随鼓泡而抖动，起到清洁中空纤维膜片的作用；

顶端封头，它具有一个空腔，把各中空纤维膜片由黏合剂封装在封头内部，该封头不仅起到把膜密封起来的作用，还能够把过滤后的液体导流出来；

底端封头，它具有两个空腔，各中空纤维膜片被分为两组，两个空腔分别把两组中空纤维膜片由黏合剂密封装在封头内部，在两个空腔之间有一个狭缝，用来喷射气体形成鼓泡，造成流体在中空纤维膜片周围的循环流动，起到清洁中空纤维膜片的作用；

两个导流管，分别排布在两个封头之间，将过滤后的液体从顶端封头和底端封头取出，送入主收集器；

顶端封头和底端封头四周配有用于与邻近封头耦合的卡扣。

本发明的实施方式还提供了一种淹没式中空纤维膜系统，包括N个如上文的淹没式中空纤维膜组件，这N个中空纤维膜组件的顶端封头卡扣相互衔接组合，这N个中空纤维膜组件的底端封头也以卡扣相互衔接组合；其中N为大于2的整数。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在底端封头的两个空腔之间有一道狭缝，可以传送气泡清洗膜片，两组膜片之间的根部最易累积污垢，通过从两个空腔之间的狭缝传送气泡，对膜片间的根部有很好的清洗效果。

因为底端封头封装了两组膜片，狭缝中冒出的气泡在上升过程中在两组膜片间不断碰撞，而且使膜片抖动，碰撞和抖动都加强了清洗效果。

进一步地，底端封头的下基座比上基座宽大，所以下基座的空腔容积也较大，可以容纳较多的过滤后的水。此外，在以卡扣连接多个膜组件封头时，因为下基座较为宽大，所以各个封头的膜片不会靠得太近，易于保持膜片的清洁。

进一步地，中空纤维膜片的长度大于顶端封头和底端封头之间的直线距离，可以使中空纤维膜片更容易随气泡而抖动，从而达到更好的清洗效果。

进一步地，在中空纤维膜片的两个端部附近以尼龙丝进行编织，通过根部编织加强的中空纤维膜是以一束膜丝的机械强度来对抗液体搅动所受到的力，可以大大减少胶结处断丝的情况。

进一步地，各中空纤维膜组件以柔性方式连接到系统中的固定物，膜束可以随着封头在一定范围内一起摆动，降低了膜丝根部断裂的机率，提高了中空纤维膜组件工作的稳定性，延长了其使用寿命。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中淹没式中空纤维膜组件的结构示意图；

图2是本发明第一实施方式中淹没式中空纤维膜组件的底端封头结构示意图；

图3是图2中膜组件封头沿A-A方向剖面示意图；

图4是本发明第二实施方式中淹没式中空纤维膜组件的弯曲状态示意图；

图5是本发明第三实施方式中淹没式中空纤维膜组件的编织情况示意图；

图6是本发明第四实施方式中膜组件封头以卡扣相互连接的一种连接样式示意图；

图7是本发明第四实施方式中膜组件封头以卡扣相互连接的另一种连接样式示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种淹没式中空纤维膜组件，应用于膜生物反应器和流体过滤。该淹没式中空纤维膜组件的结构如图1所示，包括：

多个中空纤维膜片(10)，这些中空纤维膜片的两端由顶端封头(12)和底端封头(11)密封起来，起到对流体过滤分离提纯的作用，中空纤维膜片可以随鼓泡而抖动，起到清洁中空纤维膜片的作用。

顶端封头(12)，它具有一个空腔，把各中空纤维膜片由黏合剂封装在封头内部，该封头不仅起到把膜密封起来的作用，还能够把经中空纤维膜片过滤后的液体导流出来。导流的实现方式有多种，常见的是在顶端封头(12)上开一个或多个导流孔，导流管(13)与这些导流孔连接，将过滤后的液体导流出来。

顶端封头(12)四周配有卡扣，用于和其它膜组件的顶端封头连接，以形成由多个膜组件构成的大系统。顶端封头(12)的卡扣与底端封头(11)的卡扣类似，参见底端封头(11)的相关描述。

底端封头(11)，该封头的基本结构如图2所示，图2中A-A方向的剖面如图3所示。底端封头(11)包括上基座(1)和下基座(2)，其中

上基座(1)有两个空腔(3和4)，每个空腔用于通过黏合剂封装一组膜片，空腔(3)和空腔(4)中间有一道狭缝(5)，用于传送气泡清洗膜片。有一个导气管连接到该封头，通过狭缝(5)向外鼓泡。

两组膜片之间的根部最易累积污垢，通过从两个空腔之间的狭缝(5)传送气泡，对膜片间的根部有很好清洗效果。因为一个封头封装了两组膜片，狭缝(5)中冒出的气泡在上升过程中在两组膜片间不断碰撞，而且使膜片抖动，碰撞和抖动加强了清洗效果。

下基座(2)有一个空腔(7)，用于存储经膜片过滤后的液体，空腔(7)两侧有出水口与导流管(13)相连，用于将空腔(7)内的液体收集到外部存储装置。

下基座(2)外侧有多个卡扣(6)，用于与其它的膜组件封头连接，以组成大的系统。换句话说，多个由本发明所提出的膜组件封头以卡扣相互连接，形成一个整体。连接的方式有多种，图3、图4示出了其中的两种互连方式。需要说明的是，卡扣的具体样式可以是多种多样的，图1只是示出了其中的一种，但本发明并不限于这一种样式的卡扣。

上基座(1)比下基座(2)窄小，所以下基座(2)的空腔容积也较大，可以容纳较多的水。此外，在以卡扣连接多个膜组件封头时，因为下基座(2)较为宽大，所以各个封头的膜片不会靠得太紧，易于保持膜片的清洁。

需要说明的是，顶端封头(12)和底端封头(11)的卡扣的具体样式可以是多种多样的，图2只是示出了其中的一种，但本发明并不限于这一种样式的卡扣，只要能将封头有效地连接在一起就可以了。

两个导流管(13)，分别排布在顶端封头(12)和底端封头(11)之间，将过滤后的液体从顶端封头(12)和底端封头(11)取出，送入主收集器。

优选地，用于将中空纤维膜片(10)封装到顶端封头(12)和底端封头(11)的黏合剂包括硅橡胶、聚氨酯和环氧树脂，当然也可以使用其它类型的黏合剂。

优选地，顶端封头(12)和底端封头(11)可以用不锈钢或塑料制成。

本实施方式中，过滤后的液体为水，当然，本发明的技术方案并没有利用到水特有的性质，因此也可以应用于水之外的其它液体的过滤。

本发明第二实施方式涉及一种淹没式中空纤维膜组件。第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进。

本实施方式中，各中空纤维膜片的长度大于顶端封头和底端封头之间的直线距离。也就是说各中空纤维膜片在工作状态下是松弛的，有一些自然的弯曲，如图4所示。这样可以使中空纤维膜片更容易随气泡而抖动，从而达到更好的清洗效果。

优选地，中空纤维膜片的长度可以是顶端封头和底端封头之间直线距离的1.05至1.2倍。

本发明第三实施方式涉及一种淹没式中空纤维膜组件。第三实施方式在第二实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：在中空纤维膜片的两个端部以尼龙丝进行编织(如图5所示)，尼龙丝的方向垂直于中空纤维的方向，编织位置距中空纤维膜片与封头的胶结处1至5cm。可以编织一道或多道尼龙丝。

通过根部编织加强的中空纤维膜是以一束膜丝的机械强度来对抗液体搅动所受到的力，可以大大减少胶结处断丝的情况。

本发明第四实施方式涉及一种淹没式中空纤维膜系统。该淹没式中空纤维膜系统包括多个淹没式中空纤维膜组件，这些膜组件的顶端封头卡扣相互衔接组合，这些膜组件的底端封头也以卡扣相互衔接组合。这些膜组件的描述参见本发明中涉及淹没式中空纤维膜组件的各实施方式。

相互衔接的方式有多种，图6和图7示出了底端封头相互衔接的两个例子，顶端封头也采用与底端封头相同的方式相互衔接。

本发明第五实施方式涉及一种淹没式中空纤维膜系统，该实施方式在第四实施方式的基础上进行了改进，主要的改进之处为：各淹没式中空纤维膜组件以柔性方式连接到系统中的固定物。

柔性方式连接是指以连接中空纤维膜组件的连接管、进气管和产水管是软质的，这使得膜束可以随着封头在一定范围内一起摆动，降低了膜丝根部断裂的机率，提高了中空纤维膜组件工作的稳定性，延长了其使用寿命。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，包括：

多个中空纤维膜片，这些中空纤维膜片的两端由顶端封头和底端封头密封起来，起到对流体过滤分离提纯的作用，中空纤维膜片可以随鼓泡而抖动，起到清洁中空纤维膜片的作用；

顶端封头，它具有一个空腔，把各所述中空纤维膜片由黏合剂封装在该封头内部，并能够把经所述中空纤维膜片过滤后的液体导流出来；

底端封头，它具有两个空腔，各所述中空纤维膜片被分为两组，两个空腔分别把两组中空纤维膜片由黏合剂密封装在该封头内部，在两个空腔之间有一个狭缝，用来喷射气体形成鼓泡，造成流体在中空纤维膜片周围循环流动，起到清洁中空纤维膜片的作用；

两个导流管，分别排布在所述顶端封头和底端封头之间，将过滤后的液体从所述顶端封头和底端封头导出，送入主收集器；

所述顶端封头和底端封头四周配有用于与邻近封头耦合的卡扣。

2.根据权利要求1所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，所述底端封头包括上下两个基座，其中：

上基座有两个空腔，每个空腔用于通过黏合剂封装一组膜片，两个空腔中间有一道狭缝，用于传送气泡清洗膜片；

下基座有一个空腔，用于存储经所述膜片过滤后的液体，该空腔两侧有出水口，用于将该空腔内的液体收集到外部存储装置；

所述下基座外侧有多个卡扣，用于与其它的膜组件封头连接，以组成大的系统；

所述上基座比所述下基座窄小。

3.根据权利要求2所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，所述黏合剂包括硅橡胶、聚氨酯和环氧树脂。

4.根据权利要求3所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，所述顶端封头和底端封头由不锈钢或塑料制成。

5.根据权利要求4所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，该中空纤维膜组件用于膜生物反应器和流体过滤；所述过滤后的液体为水。

6.根据权利要求5所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，各所述中空纤维膜片的长度大于顶端封头和底端封头之间的直线距离。

7.根据权利要求6所述的淹没式中空纤维膜组件，其特征在于，在所述中空纤维膜片的两个端部以尼龙丝进行编织，尼龙丝的方向垂直于中空纤维的方向，编织位置距中空纤维膜片与封头的胶结处1至5cm。

8.一种淹没式中空纤维膜系统，其特征在于，包括N个如权利要求1所述的淹没式中空纤维膜组件，这N个中空纤维膜组件的顶端封头卡扣相互衔接组合，这N个中空纤维膜组件的底端封头也以卡扣相互衔接组合；其中N为大于1的整数。

9.根据权利要求8所述的淹没式中空纤维膜系统，其特征在于，N个所述淹没式中空纤维膜组件以柔性方式连接到系统中的固定物。

10.根据权利要求9所述的淹没式中空纤维膜系统，其特征在于，与N个所述淹没式中空纤维膜组件连接的连接管、进气管和产水管是软质的。

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