CN104902986B - 含具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件的盒式中空纤维膜组件和含能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置的浸没式水处理装置及其曝气方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含具有自由端的中空纤维膜单元组件和盒框架的盒式中空纤维膜组件和含配置在所述中空纤维膜组件下方的能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置的浸没式水处理装置，其中使用粗气泡产生与空气积聚管连接的能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置的具有自由端的盒式膜组件可通过调整空气室的体积和流入空气的量控制曝气/非曝气周期并基于膜分离罐中原水负荷和固体浓度的变化实施连续曝气。

Description

含具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件的盒式中空纤维膜组件和 含能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置的浸没式水处理装置及其曝 气方法

技术领域

本发明涉及含具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件的盒式中空纤维膜组件，能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置，和使用其的水处理方法，且更特别地，涉及一种浸没式中空纤维膜单元组件，其具有在水中直立安装的自由端且包含顶部封闭底部开放并在底部与歧管连接以收集经处理的水的中空纤维膜，和一种盒式中空纤维组件，其包含以预定间隔接收的浸没式中空纤维膜单元组件和连接在其上的集水箱(water collecting header)以收集通过处理废水得到的经处理的水；一种空气扩散器装置，该空气扩散器装置通过使用与空气积聚管(an air accumulation pipe)连接的扩散器实施间歇曝气以减少已知为传统膜过滤系统弊端的过量的清洁空气，并基于原水中的变化和膜分离罐中的固体浓度控制间歇曝气周期和间歇曝气/连续曝气操作；和将所述空气扩散器装置应用至具有自由端的盒式中空纤维膜组件的方法，以实现有效的废水处理、用于防止所述中空纤维膜污染的有效清洁和通过降低清洁空气的量改进能源效率。

本发明要求2013年12月23号在韩国提交的韩国专利申请号10-2013-0161421的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

为了在水过滤设备中快速并容易地安装中空纤维膜，通常以组件的形式提供所述中空纤维膜。所述中空纤维膜组件包含多股中空纤维膜或多束中空纤维膜和多种形状的歧管，且所述歧管用于支撑和固定所述多股中空纤维膜或多束中空纤维膜，并用于收集渗透所述中空纤维膜的孔的经处理的水。

日本专利公开号7-155564、日本专利公开号7-178321和韩国专利公开号10-2000-0050208中公开了所述中空纤维膜组件的实例，且US6,325,928中公开了可从用于中空纤维膜组件的框架中轻易拆卸的盒式中空纤维膜组件的实例，正如在先前发展过程中已知的，在涉及所述中空纤维膜组件中我们应该注意的关键目标是完整性(integrity)、易于安装和拆卸和易于清洁。

术语“完整性”指在相同体积的安装空间内提供最大化的中空纤维膜的表面积，术语“易于安装和拆卸”指需要最小化的繁琐的手工作业以在/从用于所述中空纤维膜组件的框架中安装/拆卸所述中空纤维膜组件，且术语“易于清洁”指简单地去除在水过滤设备运作期间发生的阻塞在所述中空纤维膜组件的膜之间的材料的方法。

随着中空纤维膜组件的发展，在完整性、易于安装和拆卸和易于清洁方面有了相当大的改善，但仍有改善的空间。特别地，在易于清洁方面，需要更多的改进，且在涉及将中空纤维膜组件浸入具有高浓度漂浮物的废水中的情况下，存在称为膜间阻塞的现象，在该现象中，漂浮物在所述中空纤维膜表面和中空纤维膜间累积，导致用于水渗透的中空纤维膜的有效面积下降。在发生膜间阻塞的情况下，水渗透速率显著降低且所述中空纤维膜组件的寿命缩短，为减轻所述膜间阻塞现象，通常在水过滤设备运作的过程中通过空气曝气、形成湍流和形成超声波或来自所述中空纤维膜组件底部震动摇动所述中空纤维膜而连续移除累积在所述中空纤维膜表面上和所述中空纤维膜之间的漂浮物。然而，即使是该解决方案，在长期运作后，膜间阻塞仍超出允许的水平。

让我们看一下传统的一般性的浸没式中空纤维膜组件。中空纤维膜两端固定。虽然通过空气扩散器装置形成空气曝气或湍流，仍存在对中空纤维膜运动的限制。尽管经处理的水的交叉流动或通过供应空气的清洁过程，仍难以移除累积在所述中空纤维膜表面的污染物，且由于所述空气扩散器装置安装在所述组件的下面，清洁空气不直接转移至所述中空纤维膜组件，因此空气损失较大且额外需要高速率的空气曝气，导致高的运作成本。

与具有固定在两端的中空纤维的膜组件不同，一端固定且另一端不固定的具有自由端的浸没式中空纤维膜在Mitsubishi Rayon的日本专利号JP3130997和Toray的日本专利公开号11-128692中被代表性地公开，且在含仅固定在一端的中空纤维膜的组件中通常发现的问题是所述中空纤维膜的缠结，所述缠结是由于在运作过程中由组件中中空纤维膜的倒塌或不同量的空气产生的经处理的水的流体流动中的异常流动，且当由异常流动产生的机械应力在缠结的部分集中时，所述中空纤维膜可被切断。

更具体地说，所述组件中中空纤维膜的倒塌经常发生在当将所述中空纤维膜组件从曝气池中取出以清洁或保养和修理时，且在运作过程中，流体流动从具有较大量空气供应的区域进入具有较少量空气供应的区域，且随着所述流动，所述中空纤维膜具有定向性，从而引发缠结，或当所述中空纤维膜组件在任何一侧倾斜时，供应空气流和所述组件的接触位置不同，这不能诱导预定模式的流体流动，导致缠结并最后切断所述中空纤维膜。

这些相关技术具有下面的缺点：由于安装用于防止由中空纤维膜长的长度引起的倒塌的支撑物而增加制造成本，由于在附加安装的支撑物和具有流动性的中空纤维膜间的摩擦所述中空纤维膜发生损坏，和在附加的机械结构附近累积污染物，和难以移除所述污染物。此外，由于所述长的中空纤维膜和所述组件的特性，在构造水处理设施或安装所述组件中的工作效率下降，且当在使用过程中中空纤维膜被污染时，以简单地取出盒、通过高压水清洗而清洗并重新安装所述盒这一简单而方便的方式移除污染物并重新安装是不可能的，在用于解决运作期间可能产生的问题的维护和修理的方便性较低。

已知浸没式水处理系统需要使用气泡的空气清洁方法作为高水平膜污染的解决方案。然而，所述使用气泡的空气清洁方法具有已知的大量能量消耗的缺点，且已进行研究以提高空气扩散器装置的效率。

为提供足够的气体以用减少的能量消耗有效地清洁所述膜表面，需要设计循环曝气系统以周期性地提供气泡，且为了实施周期性曝气操作，通常需要复杂的阀门阵列和控制方法，这倾向于增加用于所述复杂阀门和切换阵列的初始系统成本和后续的维护和修理成本。同时，在大型系统中，通过机械阀的功能制约限制流通的数目。因此，优选提供用于能源有效清洁而不需要通过复杂阀切换的方法控制所述操作的方法。

为克服该限制，已发展了使用气升泵的空气曝气方法，在Siemens的涉及使用气升泵的膜清洁的韩国专利申请号2010-0023920和涉及使用脉冲气升泵用于膜清洁的方法和设备的韩国专利申请号2010-0012844和韩国专利申请号2012-0093402公开了它的相关技术，但由于通过沿着膜表面产生的以从所述膜表面移除污染物的不规律的间歇或脉冲流体流动产生大的气泡，这些方法具有对膜组件的排列和形状的限制，并仅允许间歇曝气。

因此，需要空气扩散器装置和使用其进行水处理的方法的技术开发，所述空气扩散器可允许间歇曝气以降低清洁空气的量，允许以膜组件的排列和形状为基础的多种排列，和以原水中的变化和膜分离罐中的固体浓度为基础变化地控制连续曝气操作。

发明内容

技术问题

本发明被设计以解决相关技术的问题，并因此本发明旨在将具有自由端的中空纤维膜应用至盒式中空纤维膜组件中以增加所述中空纤维膜的移动性。这增加了使用少量空气的清洁性能并降低了在用于防止和消除发生在传统浸没式膜组件上的杂质阻塞的曝气过程中去除污染物的清洁空气的使用量，从而在水处理工艺中提升了能源效率。

同时，本发明旨在解决通常在包含具有一个自由端和一个固定端的中空纤维膜的中空纤维膜组件中发现的问题，由于在运作过程中由组件中中空纤维膜的倒塌或不同量的空气产生的经处理的水的流体流动中的异常流动而产生的中空纤维膜的缠结问题，且为了避免该缺点，本发明防止无本领域中通常使用的支撑物或导引构件的中空纤维膜的缠结，减少可能发生在附加机械结构附近的额外污染的可能性，并消除由所述附加结构和所述膜组件之间的摩擦引起的破损的风险，以确保所述膜组件的长期运作。

同时，本发明旨在通过应用使用短的中空纤维膜的盒式结构促进清洁空气的排放并减少清洁空气运动通道间的间隔，从而提高所述中空纤维膜的完整性并因此每个组件的完整性，并由于所增加的完整性增加所述中空纤维膜的内/外直径大小，导致在所述中空纤维膜中压力损失的减少。

同时，本发明旨在允许利用传统可替换的盒式膜组件和短的膜长度的优势轻易处理，从而一个人能够传送和安装，从而提高水处理设施构建或组件安装中的工作效率，并且为了在所述盒上堆积多层盒，从而提供在不同高度和深度的建筑中用于安装的定制构造，且在使用中发生中空纤维膜污染的情况下，为促进在轻易取出和旋转盒并重新安装后通过高压水清洁移除污染物，从而增加了在用于解决操作过程中可能发生的问题的维护和修理中的方便性。

同时，本发明旨在减少由歧管和位于盒上部的集水出口间的距离引起的经处理的水的不均匀性。在通过位于盒上部的集水出口排出在集水部分下方的歧管中收集的已处理水的过程中，通过在盒式中空纤维膜组件中集水部分内部结构的有效设计，以减小单元组件间流体流量的差异，从而实现均等的处理。

同时，本发明旨在通过清洁空气供应中均匀的流速和均匀的流速分布得到有效的水处理和通过对应于单元组件下部的高位箱(header)形状的有效设计得到上升方向的水流。

同时，本发明旨在提供一种空气扩散器装置，所述空气扩散器装置通过使用空气积聚管可实施间歇曝气，而无机械控制装置例如阀门，以减少防止具有自由端的盒式膜组件的膜污染所需的清洁空气的量。

同时，本发明旨在提供适用于具有自由端的盒式膜组件的空气扩散器装置，所述空气扩散器装置可通过使用比超大气泡(macro bubbles)小的粗气泡增加气泡与所述膜表面的接触时间以充分增加曝气时间，通过调整注入空气的量和空气室的体积调整曝气/非曝气周期，且当原料负载和膜分离罐中固体的浓度变化时，实施连续的曝气，和使用其的水处理方法。

技术方案

首先，为实现上述目的，本公开内容提供具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件和含所述浸没式中空纤维膜单元组件的盒式组件，其描述如下。

所述中空纤维膜组件或单元组件直立安装在水中，且所述单元组件顶部封闭且底部开放并因此在底部与组件歧管连接，并被配置以处理经处理的水，所述单元组件底部的歧管具有流线型形状以使清洁空气和水流的上升速度下降最小化，且所述单元组件在所述盒式组件中以预定的间隔被接收且集水部分与其相连接，以得到经处理的水。

所述单元组件底部的歧管具有流线型形状，不仅允许清洁空气和水流轻易通过而且减小清洁空气运动通道间的间隔，因此一个传统的盒式组件接收13-15个单元组件而本发明的盒式组件可接收13-18个单元组件。对于每个组件的完整性，每个组件的完整性是21m²高于传统组件的16.8m²，且由于所述中空纤维膜的内/外直径的增加，所述中空纤维膜中的压力损失从410/650下降至700/1200um。

为实现所述目的，本发明提供具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其包含具有自由端的中空纤维膜单元组件和盒框架(cartridge frame)，所述中空纤维膜单元组件含顶部封闭且底部开放的多个中空纤维膜所连接和固定的歧管，具有开放顶部和底部的立方体形状的盒框架且四个侧面的任何一个或两个相对侧面包含集水箱，在所述集水箱的垂直方向相互平行安置多个中空纤维膜单元组件，且所述集水箱具有被配置以与所述歧管连通的多个集水出口。

同时，提供所述盒式中空纤维膜组件，其中所述中空纤维膜单元组件的底部具有流线型结构，所述盒框架的集水箱具有至少一个能开放或封闭的集水出口，且所述集水箱的内部被配置以使所述集水部分与所述集水出口连通。

同时，所述盒式中空纤维膜组件在保持在框架内的侧面的四角区具有内凹槽，以使所述盒式中空纤维膜组件可以滑动的方式堆放在所述框架上，或在框架侧形成凹槽且所述盒式中空纤维膜组件具有具有直角的四个侧面，以使所述盒式中空纤维膜组件可以滑动的方式堆放在所述框架上，从而导致用于在不同高度和深度的建筑内安装的定制构造。

第二，为实现上述目的，本发明提供一种适用于所述具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件和含本发明提供的具有自由端的浸没式中空纤维膜单元组件的所述盒式组件的空气扩散器装置，及其操作方法，且其描述如下。

所述适用于具有自由端的盒式膜组件的空气扩散器装置包括空气室，在该空气室中水位随着空气进入和扩散变化；配置在所述空气室内的空气积聚管以允许流入空气以推动所述空气室中的水并压缩所述空气至预定的体积；配置在所述空气室内的水通道，其基于是否存在压缩空气允许空气室中的水进入；和与所述空气积聚管连接并具有多个孔的扩散器，因此所述空气扩散器装置允许间歇和连续曝气。

所述能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置可通过调整空气室的体积和空气的流入量控制曝气/非曝气周期，且当提供空气的量比在间歇曝气中所需的空气流量多一点时，在来自所述空气室被提供至所述扩散器的压缩空气通过所述扩散器的孔完全离开之前，将新的压缩空气提供至所述扩散器，并因此由所述扩散器产生的空气的连续曝气是可能的。

因此，不同于传统的连续曝气方法，不需要用于连续曝气的大量空气流量，且可解决几乎不使用气升泵的传统空气扩散器装置实现连续曝气的缺点，并因此，曝气/非曝气周期控制和连续曝气的益处有助于调整包括基于膜分离罐中原水流入负荷和固体浓度的变化的连续曝气的曝气周期条件，从而适当地实现膜污染预防和可被权衡的清洁空气量的下降的目的。

由于相对小的尺寸，所述能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置可被机械分离并配置在所述膜组件下方，并基于所述膜的形状和排布适当地放置所述空气扩散器装置，且使对应于气泡尺寸的膜组件间隔最小化并因此使所述膜的完整性最大化。

有益效果

通过具有自由端的中空纤维膜的应用，水的流动性增加，且在用于阻止发生在传统浸没式膜组件上的杂质阻塞的曝气过程中，清洁性能随着少量的空气增加，导致水处理过程中减少的清洁空气的使用量和提升的能量效率，且涉及所述具有自由端的中空纤维膜的所述中空纤维膜破损的可能性下降，从而确保长期的操作。

同时，具有短的中空纤维膜的长度，容易排出清洁空气，清洁空气运动通道间的间隔下降，这产生增加所述中空纤维膜的完整性并因此增加每个组件的完整性的效果，且所述中空纤维膜的内/外直径的增加提供减少所述中空纤维膜中的压力损失的效果。

在传统的具有自由端的中空纤维膜的情况下，由于所述中空纤维膜的长的长度，应附加地安装支撑物以防止倒塌，并因此，制造成本增加且通过所述支撑物和具有移动性的所述中空纤维膜间的摩擦有损坏所述中空纤维膜的风险，但本发明具有消除对支撑物或指导以防止倒塌的需要的优势，防止所述中空纤维膜的缠结，和由于具有短的膜长度，在盒上堆放多层盒，从而提供用于在不同高度和深度的建筑中安装的定制构造。

同时，借助于可替换的盒式膜组件和短的膜长度的优势，其易于控制以使一个人可以传送并安装，且在使用中所述中空纤维膜被污染时，可通过在轻易取出并旋转所述盒后实施高压水清洁移除污染物。

根据本发明，使用粗气泡产生与空气积聚管连接的能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置的具有自由端的盒式膜组件，可间歇地产生具有高能量消耗率的清洁空气，因此清洁空气的总量下降且整个系统所需的空气发生器的能力下降，并由于空气积聚管的使用，间歇曝气在无机械闭锁装置例如自动阀时是可行的，因此有助于空气管简单化和阀元件的减少，这相对于传统的基于阀控制的间歇曝气方法提供了增加维修和管理的方便性的优势。

同时，与传统曝气方法不同，不需要用于连续曝气的大量的空气流量，且使用空气压缩机的传统的空气扩散器由于需要在用于连续曝气的经济范围外的空气注入几乎不能实现基本连续的曝气，但可解决该缺点，并因此，曝气/非曝气周期控制和连续曝气的益处有助于调整包括基于原水流入负荷和膜分离罐中固体浓度的变化的连续曝气的曝气周期条件，导致有效地实现膜污染预防和可被权衡的清洁空气量的下降的优势。

附图说明

图1是根据相关技术两端固定的中空纤维膜单元组件的透视图。

图2为根据本发明的一个示例性实施方案，具有自由端和流线型横截面歧管的盒式中空纤维膜单元组件的透视图。

图3是根据本发明的一个示例性实施方案，表明基于横截面形状的用于矩形横截面歧管和流线型横截面歧管的流速分布的流速分布图。

图4是根据本发明的一个示例性实施方案，表明两端固定的组件和具有自由端的中空纤维膜组件的流速分布的流速分布图。

图5是根据本发明的一个示例性实施方案，具有自由端的盒式中空纤维膜组件的透视图。

图6是根据本发明的一个示例性实施方案，表明具有自由端的盒式中空纤维膜组件的集水箱的内部结构的横截面视图。

图7是根据本发明的一个示例性实施方案，表明具有自由端的盒式中空纤维膜组件的集水出口和集水箱的位置对比的横截面视图。

图8是根据本发明的一个示例性实施方案，以透视图和横截面表明盒式中空纤维膜组件和框架的组装体的图。

图9是根据本发明的一个示例性实施方案，使用盒式中空纤维膜组件和框架的组装体用于安装在不同高度和深度的建筑中的定制构造的透视图。

图10是根据本发明的一个示例性实施方案，以横截面和透视图显示能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置的图。

图11是根据本发明的一个示例性实施方案，说明空气通过空气积聚管流入并通过扩散器排出的概念的示意图。

图12是根据本发明的一个示例性实施方案，说明在能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置上方的具有自由端的中空纤维单元组件的组装的示意图。

图13是根据本发明的一个示例性实施方案，说明在平行连接的具有自由端的盒式中空纤维组件下方的具有多个扩散器的空气扩散器装置的组装的示意图。

具体实施方式

为实现所述目的，本发明提供含具有自由端的中空纤维膜单元组件和盒框架的盒式中空纤维膜组件，其中所述中空纤维膜单元组件含顶部封闭且底部开放的多个中空纤维膜与其连接和固定的歧管，所述盒框架具有开放的顶部和底部，其四个侧面的任何一个或相对侧面包含集水箱，在所述集水箱的垂直方向相互平行安置多个中空纤维膜单元组件，且在被配置以与所述集水箱连通的歧管的两端配置经处理的水的排放口。

同时，提供所述盒式中空纤维膜组件，其中所述中空纤维膜单元组件的歧管的下部具有流线型横截面结构，所述盒框架的集水箱具有至少一个能开放或封闭的集水出口，且所述集水箱的内部被设计以使所述集水部分与所述集水出口连通。

根据本发明的盒框架的集水箱具有至少一个能够开放或封闭的集水出口，且所述集水箱的内部被设计以使所述歧管的两端与所述集水出口连通。

根据本发明的歧管的经处理的水出口与集水箱的下部连接，且集水出口与集水箱的上部连接，因此虽然彼此远离被隔开，它们彼此连通。更优选地，集水箱的内部空间具有下面形状的任何一个：在集水出口所处的上部具有大的体积且在经处理的水出口所处的下部具有大的体积且在中间具有小的体积的形状，或在下部具有大的体积且在上部具有小的体积的形状，或从下部至上部具有逐渐减小的体积的形状。

根据本发明的盒式中空纤维膜可在框架上在多个水平上堆放，且为了这个目的，在所述盒式中空纤维膜组件和所述盒框架中的任何一个中形成凹槽，且在另一个中形成对应于所述凹槽的凸槽，以允许以滑动的方式结合和堆放。更优选地，所述盒式中空纤维膜组件在侧面的四角具有内凹槽其以滑动的方式堆放在框架上，或者，框架具有凹槽且所述盒式中空纤维膜组件具有具有直角的四个侧面，以使所述盒式中空纤维膜以滑动的方式堆放在所述框架上，从而允许用于在不同高度和深度的建筑中安装的定制构造。

为实现该目的，本发明提供一种能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置，包括水位随着空气进入和扩散变化的空气室；配置在所述空气室内以允许流入空气以推动所述空气室中的水并压缩所述空气至预定的体积的空气积聚管；配置在所述空气室内的水通道，其基于是否存在压缩空气而允许空气室中的水进入；和与所述空气积聚管连接并具有多个孔的扩散器。所述空气扩散器装置可配置在先前描述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件的下方。

所述空气室的特征在于，所述空气室在顶端和侧面封闭以允许流入所述空气室的空气被压缩而不是立即移动至扩散器，以使所述压缩空气向下推所述空气室中的水且当总水位达到上述空气积聚管的弯曲部位时，所述压缩空气立即移动至所述扩散器以通过多个孔产生气泡，且在这种情况下，所述空气积聚管是U或J形，且所述空气室具有空气流入部，通过该进气口用于清洁的空气流入所述空气室。

根据本发明的一个示例性实施方案的空气扩散器装置配置如下。所述空气扩散器装置包括水位随空气进入和扩散变化的空气室；空气管，以允许清洁中使用的空气与所述空气室连接；空气流入部，以允许连续均等地注入所述空气室；U或J形的空气积聚管，以允许流入空气推动空气室中的水并压缩所述空气至预定的体积；配置在所述空气室中的水通道，基于是否存在压缩空气，允许所述空气室中的水进入；连接部，以允许空气室中的压缩空气与扩散器连接；具有孔的扩散器，压缩空气通过所述孔以产生粗气泡；和污泥出口以防止污泥和固体物质在所述扩散器内累积。

本发明包括一种间歇扩散器装置，其中所述空气室顶部和侧面封闭以允许流入所述空气室的空气被压缩而不是立即移动至扩散器，以使所述压缩空气向下推所述空气室中的水且当总水位达到U或J形空气积聚管的弯曲部位时，所述压缩空气立即移动至所述扩散器以产生气泡。

本发明包括一种空气扩散器和方法，其中所述扩散器的孔径保持在3-7mm的范围内，比根据相关技术使用气升泵的空气扩散器装置小以产生比根据相关技术使用气升泵产生的超大气泡要小的粗气泡，因此所述压缩空气连续扩散4-6s，通过调整空气流入量和所述空气室的体积确定曝气/非曝气周期，且连续曝气是可行的。

本发明包括一种空气扩散器装置，其与所述具有自由端的盒式膜组件分离被配置在所述具有自由端的盒式膜组件下方，且通过扩散器和孔和粗气泡产生的适当的配置，允许扩散的气泡通过所述膜组件而不受组件间间隔的大的影响。

根据本发明的使用所述空气扩散器装置的间歇和连续曝气的操作方法包括下面的步骤。

当通过如下步骤实施所述空气扩散器装置的操作时，间歇曝气是可行的：空气供应步骤，将空气供应至其中水位随空气进入和扩散变化的空气室；空气压缩步骤，允许流入所述空气室中的空气向水通道推动所述空气室中的水并通过空气积聚管压缩所述空气至预定的体积；空气供给步骤，通过空气积聚管将所述空气室中的压缩空气供应至扩散器；和曝气步骤，将移入所述扩散器的空气通过孔供应至膜组件。

在所述曝气步骤中，在包括如下过度供给步骤实施操作的情况下，连续曝气是可行的：当移入扩散器的空气全部通过孔被供应至膜组件时，在曝气终止前从空气室提供额外的压缩空气至所述扩散器。

同时，根据相关技术的使用气升泵的空气扩散器装置保持1-3cm水平的孔径并相应地产生超大气泡，但是本发明通过具有3-7mm尺寸的孔产生比超大气泡小的粗气泡。因此，根据相关技术的空气扩散器装置具有约1s的非常短的曝气时间，在该曝气时间内通过所述空气扩散器装置从压缩空气扩散气泡，但本发明由于由相对小的孔径产生的阻力而保持4-6s的曝气持续时间。由于该差异，根据相关技术使用气升泵的空气扩散器装置具有限制在1/4的总曝气/非曝气周期的水平的曝气时间，而本发明可通过调整空气室的体积和流入空气的量控制曝气/非曝气周期。同时，当保持空气的量比间歇曝气所需的量高一点时，连续曝气是可行的，且不需大量的空气进入用于连续曝气，因此本发明在经济方面是更有效的。由于调整包括基于膜分离罐中原水流入负荷和固体浓度的变化的连续曝气的曝气周期条件，曝气/非曝气周期和连续曝气控制的益处导致适当地实现膜污染预防和可被权衡的清洁空气量的下降的目的的优势。

此外，在被设计以产生超大气泡的传统空气扩散器装置的膜产物的情况下，由于大的气泡尺寸，所述空气扩散器装置配置在膜组件附近以使气泡通过组件。由于所述膜组件应保持与所述空气扩散器装置的尺寸或宽度一样的间隙，每单位体积的膜面积(也被称为膜的完整性(integrity))下降，这对所述膜组件的形状和配置施加了很大的限制。相反地，由于相对小的尺寸，本发明的空气扩散器装置可与所述膜组件机械分离并配置在所述膜组件下方，且具有根据所述膜的形状和配置适当地放置所述空气扩散器装置的优势，且进一步具有使对应于气泡尺寸的膜组件间的间隔最小化并相应地使所述膜的完整性最大化的优势。

在下文中，本发明优选的实施方案参考附图面描述如下。

如图1所示，根据相关技术的两端固定的中空纤维膜单元组件包括两个彼此隔开的且平行配置在顶部和底部的歧管2，和在所述两个歧管间彼此平行排列的多个中空纤维膜3。多个中空纤维膜单元组件平行排列以构建浸没式中空纤维膜组件，且配置在所述中空纤维膜单元组件的顶部和底部的所述歧管的一端或两端与集水箱连接以排除经处理的水。

由于根据相关技术的通常的浸没式中空纤维膜组件具有中空纤维膜两端固定的结构，虽然通过空气扩散器装置形成空气曝气或湍流，仍具有对中空纤维膜运动的限制。尽管经处理的水的交叉流动或供应空气的清洁过程，仍难以移除累积在所述中空纤维膜表面的污染物，且由于所述空气扩散器装置安装在所述组件的下方，空气不直接转移至所述中空纤维膜组件，因此空气损失较大且额外地需要高速率的空气曝气，导致高的运作成本。

如图2所示，根据本发明的一个示例性实施方案，具有自由端的中空纤维膜组件10包括歧管30，多个顶部封闭且底部开放的中空纤维膜20与所述歧管连接并固定在其上，且含经处理的水出放口31的歧管的两端可与盒框架的集水箱连接并与所述集水箱连通以收集所述集水箱中的经处理的水。虽然图2显示了多个中空纤维膜逐一单独固定在所述歧管上并排成一行，如果需要，所述多个中空纤维膜可在一个点上同时固定在所述歧管上。

根据本发明的一个示例性实施方案，与具有自由端的中空纤维膜单元组件10的多个中空纤维膜20连接并固定在其上的歧管30可具有矩形的横截面和流线型横截面。特别地，在流线型歧管的情况下，更优选它的横截面在多个中空纤维膜20固定的顶部具有平面的形状且这是由于便于连接和固定所述中空纤维膜，且更优选地，在底部具有向下指向的流线型形状，以使在从所述中空纤维膜单元组件的底部以向上方向提供水流或空气流的过程中具有均匀流速的优势。

根据本发明的一个示例性实施方案，当所述中空纤维膜单元组件10的所述歧管30的横截面具有矩形时，它的流速分布在图3(a)中显示，且当所述中空纤维膜单元组件的所述歧管的横截面具有流线型形状时，它的流速分布在图3(b)中显示。当所述歧管的横截面具有流线型形状时，可以看出沿着歧管侧面流动的流速是均匀的且在各歧管间流速具有小的差异，且当与矩形横截面比较时，歧管顶部、底部和侧面的流速允许快速流动，且相应地，可以说所述流线型横截面是更优选的结构。在使用所述浸没式中空纤维膜的水处理工艺中，所述含具有流线型横截面歧管的中空纤维膜单元组件的中空纤维膜组件在各中空纤维膜单元组件间在从所述中空纤维膜组件底部以向上方向流动的水流中或由空气扩散器装置形成的空气曝气或湍流中具有均等的水处理效果，并由于由空气扩散器装置提供的清洁空气的高的运动速度而具有改进的清洁效果，且由于水流或清洁空气流的有效供应，而具有增加的中空纤维膜单元组件的完整性且由于曝气率(也被称为用于清洁的供应的空气量)的下降而具有减少的操作成本。

图4(a)显示了根据本发明的一个示例性实施方案的中空纤维膜组件的流速分布，所述中空纤维膜组件包括两端固定的中空纤维膜单元组件和具有流线型截面的歧管，且所述中空纤维膜单元组件连接在所述歧管上；图4(b)显示了根据本发明更优选的实施方案的中空纤维膜组件的流速分布，所述中空纤维膜组件包括具有自由端的中空纤维膜单元组件和具有流线型截面的歧管，且所述中空纤维膜单元组件连接在所述歧管上。

根据图4(a)的流速分布，在两端固定的中空纤维膜组件的情况下，由于所述单元组件的歧管的流线型截面，所述单元组件间的流速分布是均匀的且在所述中空纤维膜组件的底部流速是高的，但由于两端都固定，在所述中空纤维膜组件的顶部连接的单元组件的中心区域流速下降且流速分布是不均匀的，并因此，在流速下降处的中空纤维膜表面发生污染物的累积，且即使应用清洁空气，也不容易移除累积的污染物。

相反，如图3(b)所示，参见根据本发明更优选的实施方案的中空纤维膜单元组件的流速分布，包括具有自由端的中空纤维膜单元组件和所述具有自由端的中空纤维膜单元组件与其连接的具有流线型横截面的歧管，可以看出在所述歧管的底部流速是高的且流速分布是均匀的，且从所述歧管的顶部至所述具有自由端的中空纤维膜的底部流速是同样高的。因此，在所述中空纤维膜组件包含具有自由端的中空纤维膜单元组件的情况下，所述自由端中空纤维膜能够自由移动，增加了具有高和均匀流速的水的流动性并减少膜污染，且在用于防止由浸没式膜组件上的杂质引起阻塞的曝气过程中，使用少量的空气产生清洁增加效应，导致清洁空气的用量下降，从而导致水处理工艺中能量效应的提升效果。

如图5所示，根据本发明的一个示例性实施方案，具有自由端的盒式中空纤维膜组件40包括立方体形状的具有开放的顶部和底部且4个侧面任何一个或两个相对侧面包含集水箱60的盒框架50，其中具有自由端的多个中空纤维膜单元组件10在所述集水箱的垂直方向彼此平行排列，且所述盒框架的所述集水箱60可具有至少一个能够开放和闭合的集水出口70。在水处理应用中，透过所述中空纤维膜20的经处理的水在歧管30中收集并移动至与歧管30的两端处的经处理的水出口31连接的所述盒框架的集水箱60中，且在所述集水箱中收集的经处理的水通过集水出口70被排出所述盒式中空纤维膜组件。

虽然图5显示了集水出口70形成在所述盒式中空纤维膜组件的一个侧面的上部，可在所述盒框架的两个相对侧面形成集水箱且所述歧管30可在所述盒框架的两个侧面连接至所述集水箱60，且相应地，可在所述盒式中空纤维膜组件的集水箱的两侧上形成集水出口70。在集水出口70在两侧形成的情况下，由于不需要区分左侧和右侧，可增加在所述盒式中空纤维膜组件的构造和维护和管理中的便利性。

图6中显示了根据本发明的一个示例性实施方案，所述具有自由端的盒式中空纤维膜组件40的集水箱的内部结构形状。所述集水箱60的内部结构形状是如此以使在所述中空纤维膜单元组件的歧管30中收集的水通过含歧管两端的经处理的水出口31流入所述集水箱60，并最后，通过在所述集水箱的上部形成的集水出口70排出所述盒式中空纤维膜组件。

图6(a)对应于集水箱60的内部空间是最普通的空的空间，通常为矩形，具有易于形成的优势的结构。图6(b)显示了对应于本发明的一个示例性实施方案的集水箱60的内部空间具有瓶子形状，所述瓶子具有窄的上部和与经处理的水出口31连接的宽的下部。图6(c)显示了对应于本发明的一个示例性实施方案的集水箱60的内部空间具有如下形状：窄的上部向经处理的水出口31连接的下部逐渐变宽。图6(d)显示了所述集水箱的内部空间具有哑铃形状，其中中间窄且顶部和底部宽。

在图6(a)、(b)、(c)和(d)中显示的集水箱的内部空间的典型结构对应于集水出口70在集水箱60上部形成且在各单元组件歧管30两端的经处理的水出口31位于集水箱的下部的结构，在所述经处理的水出口31和集水出口70之间的距离上具有减少的差异，以有助于有效地排放经处理的水，且可减少各单元组件间的流速的差异且可相对均等地使用各单元组件，导致所述盒式中空纤维膜组件的更长的使用寿命和有效的水处理的优势。

图7显示了集水箱的内部结构和集水出口70的位置在所述具有自由端的中空纤维膜单元组件与所述集水箱60的连接中的对比；图7(a)显示了对应于本发明的一个优选的实施方案的集水箱内部具有哑铃形状的结构且所述集水出口70位于所述集水箱上部的横截面结构，且为了对比，图7(b)显示了集水出口70以直管形状与所述具有自由端的中空纤维膜单元组件连接的集水箱的下部连接的横截面结构。在通常的具有自由端的水处理膜组件中，集水出口的连接具有如下结构：集水出口以直管的形状在所述单元组件的歧管所处的区域被连接，如图7(b)中所示。

如前面所描述的，图7(a)结构对应于集水箱内部具有哑铃形状结构的结构且所述集水出口70位于所述集水箱上部，在各单元组件歧管30两端的经处理的水出口31位于所述集水箱的下部，这减少了经处理的水出口31和集水出口70之间的距离差异以实现有效的经处理的水的排放，从而提供可减少各单元组件间流速的差异且可相对均等地使用各单元组件的优势，导致所述盒式中空纤维膜组件的更长的使用寿命和有效的水处理。然而图7(b)结构示出了所述集水出口70以直管的形状与所述具有自由端的中空纤维膜单元组件连接的所述集水箱的下部连接的结构，其中在各单元组件歧管两端的经处理的水出口31间的距离被隔开远离所述集水出口70，如此以使在中央的单元组件位于距以直管形状连接的集水出口非常短的距离的位置且在两端的单元组件位于较长距离的位置。因此，在该结构中，在各单元组件中被处理的水的量不同，且靠近所述集水出口70的单元组件比远离所述集水出口70的单元组件处理更多量的水，因此，具有对于增加的污染和对应区域的单元组件较短的寿命的关注。

如图8中所示，根据本发明的一个示例性实施方案，盒式中空纤维膜单元组件40可被保持在框架80中。虽然图8(a)中描述的盒式中空纤维膜组件显示为具有顶部和底部开放的结构和侧面封闭的结构，如果所述盒式中空纤维膜组件在顶部和底部具有开放的结构，显然可以预期在某侧面的开放结构。

如图8(b)中所示，所述盒式中空纤维膜组件40在将被保持在框架80中的侧面上的四个角处形成内凹槽，允许以滑动的方式在所述框架上堆积，且如图8(c)中所示，当在框架80侧上形成槽且所述盒式中空纤维膜组件具有具有直角的侧面时，类似地，所述盒式中空纤维膜组件可以滑动的方式堆积在框架中。

图9是概念上的图解说明，在本发明的盒式中空纤维膜组件40在框架80中的装配中，用于在不同高度和深度的建筑中安装的定制构造和所述框架可通过堆叠多个层(例如2、4、6或更高，这基于高度和深度)增加高度，且可被水平延伸或扩展用于在宽区域上的构造。如在先前陈述的图8(b)和(c)中所描述的，所述框架和所述盒式中空纤维膜组件的连接方法是基于在任何一个侧面形成凹槽结构且在相对的侧面形成凸槽形状并连接它们的滑动方式。

图10示出了根据本发明的一个优选实施方案，适用于具有自由端的盒式中空纤维膜组件的空气扩散器装置。如在图10的公开内容中所描述的，与空气积聚管连接的能够间歇/连续曝气的粗气泡空气扩散器装置包括粗气泡发生器，所述粗气泡发生器包含空气支管1a以允许清洁空气通过被连接至单独的空气室的膜过滤系统(盒或框架)的主空气管流入；空气流入部2a，以允许从空气支管1a至各空气室的连续均等的空气注入；空气室3a，其中空气通过空气流入部2a流入，和水，特别地，水在膜分离罐中共存，除扩散器连接部7a外空气室3a在顶部和侧面封闭以使空气室3a中的水位随着空气流入和扩散而变化；水平支座8a，以通过将所述空气室3a固定在所述空气管上以水平状态保持空气室3a中的水位；配置在所述空气室3a中的U或J型空气积聚管5a，以积聚通过空气流入部2a从所述空气室3a的顶部通过浮力流入的空气，同时压缩所述空气至预定的体积以使所述压缩空气通过扩散器连接部7a转移；水通道4a，该水通道根据空气室3a中积聚的空气的量允许水进入；空气积聚管入口6a，通过该入口，空气室3a中的空气和水进入空气积聚管5a；扩散器连接部7a，以允许空气室3a中的压缩空气通过空气积聚管5a与扩散器连接；扩散器9a，以将通过扩散器连接部7a流入的压缩空气通过孔扩散为气泡；孔10a，以将所述压缩空气形成粗气泡；和污泥出口11a，以防止扩散器9a中污泥和固体的累积。

空气支管1a通过多个空气流入部2a与多个空气室3a连接，所述空气室3a平行排列在所述空气支管上，且在穿过所述膜过滤系统的主管道后清洁空气连续流入所述空气支管1a。同时，为防止由于由注入空气至空气室3a中产生的浮力而形成的运动，安装水平支座8a以将所述空气室3a机械固定至所述空气支管1a并在空气室3a中的压缩空气下保持水位与空气支管1a平行。

在适用于具有自由端的盒式膜组件的空气扩散器装置中，参考图10和11详细描述了压缩流入空气室3a中的空气并将压缩空气提供至扩散器的步骤。

所述空气流入部2a允许空气进入所述空气室3a，且可调整它的尺寸以使等量的空气流入空气室3a。同时，所述空气流入部2a保持距水通道4a预定的距离，目的是平稳流入水。由于所述空气室3a在顶部和侧面封闭，流入所述空气室3a中的空气从顶部积聚以产生空气压力。因此，所述空气室3a中的水通过水通道4a流入，这导致空气室3a中水位的变化。

随着压缩空气通过空气积聚管入口6a流入，空气积聚管5a中的水位变为与空气室3a中的水位相等，且当所述水位降低至空气积聚管5a的弯曲部分(inflected part)或弯曲部分(curved part)时，通过扩散器连接部7a排出空气。随着空气室3a中的压缩空气被立即转移至扩散器7a，水再次通过水通道4a流入空气室3a，从而水位被恒定保持。在这种情况下，无论空气在空气室3a中积聚和转移至扩散器7a，空气通过空气流入部2a连续流入，且考虑到水再次通过水通道4a移动的时间，空气室3a中的水位最大值低于空气室3a的顶端。由空气流入量、空气室3a的体积和水通道4a的尺寸确定最高水位。

转移至扩散器9a中的空气将扩散器9a中的水推出并通过孔10a扩散为气泡。通过孔径，产生粗气泡，并根据空气流入量、空气室3a的体积和孔的横截面积连续排放4-6s。基于压缩空气是否流入扩散器9a确定产生气泡的曝气时间和不产生气泡的非曝气时间，并因此，可以说通过扩散器9a扩散的曝气是间歇的而不是连续的。同时，当通过空气流入部2a流入的空气量增加时，非曝气时间减少，且可基于膜分离罐的操作条件调整曝气/非曝气周期。

对于空气室3a的相同的体积，当通过空气流入部2a流入的空气量大于预定的水平时，在通过扩散器9a流入的空气全部通过孔10a扩散之前，新压缩的空气通过扩散器9a流入，因此没有非曝气时间。即，当流入空气的量大于预定的水平时，连续曝气是可能的。该现象促成本发明的基于孔10a的尺寸采用4-6s排放气泡的特征，且相反地，被设计以产生超大气泡的传统的空气扩散器装置需要过量的空气用于连续曝气，并因此是实际上不可行的。

转移至扩散器9a中的压缩空气扩散至扩散器9a的两端，且通过扩散器9a的所有孔产生气泡。同时，水通过污泥出口11a从内部移动至外部，且随着扩散器9a中的空气压力下降，水可再次通过污泥出口11a流入。由于扩散器9a中的水通过污泥出口11a以预定的周期被排放，污泥和固体沉淀物不被保持在原处。

图12是说明所述具有自由端的中空纤维膜单元组件在所述能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置上组装的横截面视图，且如前面所描述的，当所述中空纤维单元组件在所述能够间歇和连续曝气的空气扩散器装置上组装时，转移至扩散器9a内的压缩空气穿过所述扩散器的所有孔以产生气泡，且所产生的气泡向上移动并与全部的具有自由端的中空纤维单元组件均等地接触，从而有效地移除沉积在膜表面上的污染物。

图13是说明多个空气扩散器装置与空气管平行连接且具有自由端的盒式中空纤维膜组件在所述空气扩散器装置上方平行组装以增加完整性的横截面视图，且本发明的空气扩散器装置由于相对小的尺寸可与所述膜组件机械分离并配置在所述膜组件的下方，且具有根据所述膜的形状和排布适当配置所述空气扩散器装置的优势，并进一步具有使对应于气泡尺寸的膜组件间的间隔最小化并因此使膜完整性最大化的优势。在由空气扩散器装置产生的空气曝气和湍流流动中，具有在各中空纤维膜单元组件间均等的水处理的效果和由于由空气扩散器装置提供的清洁空气的高的运动速度具有改善的清洁效果，且实现了水流和清洁空气流的有效供应，因此可增加所述中空纤维单元组件的完整性并由于曝气速率(即用于清洁中使用的供应空气的量)的下降提供操作成本下降效果。

工业实用性

通过使用所述具有自由端的中空纤维膜，水的流动性增加，且在用于防止发生在传统浸没式膜组件的杂质阻塞的曝气工艺中，用少量的空气提高清洁性能，导致减少的清洁空气的使用量和改进的水处理工艺中的能量效率，且涉及在所述具有自由端的中空纤维膜中的损坏的可能性下降，从而确保长期操作。同时，使用粗气泡产生与空气积聚管连接的能够间歇/连续曝气的空气扩散器装置的具有自由端的盒式膜组件可间歇地产生具有高能量消耗率的清洁空气，因此清洁空气的总量下降且整个系统所需的空气发生器的能力下降，并由于空气积聚管的使用，间歇曝气在无机械闭锁装置例如自动阀时是可行的，因此有助于空气管简单化和阀元件的减少，这相对于基于传统的阀控制的间歇曝气方法提供了增加维修和管理的方便性的优势，形成在水处理工业中的有效应用。

Claims (13)

1.一种具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其包含：

具有自由端的中空纤维膜单元组件；和

盒框架，

其中所述具有自由端的中空纤维膜单元组件包含多个中空纤维膜所连接和固定在其上的歧管，所述中空纤维膜在顶部封闭且在底部开放，

所述盒框架具有开放的顶部和底部且四个侧面的任何一个或两个相对侧面含集水箱，和

多个中空纤维膜单元组件以所述集水箱的垂直方向相互平行排列，且在所述歧管两端配置经处理的水出口以与所述集水箱连通。

2.根据权利要求1所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中所述中空纤维膜单元组件的歧管的横截面具有流线型结构。

3.根据权利要求1所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中所述盒框架的集水箱包含至少一个能够开放或闭合的集水出口，且所述集水箱的内部被配置以使所述歧管的两端与所述集水出口连通。

4.根据权利要求3所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中所述歧管的经处理的水出口与所述集水箱的下部连接，所述集水出口位于所述集水箱的上部，且所述经处理的水出口与所述集水出口连通，彼此隔开。

5.根据权利要求4所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中集水箱的内部空间具有下面形状的任何一个：在集水出口所处的上部具有大的体积、在经处理的水出口所处的下部具有大的体积且在中间具有小的体积的形状，在下部具有大的体积且在上部具有小的体积的形状，和从下部至上部具有逐渐下降的体积的形状。

6.根据权利要求1所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中所述盒式中空纤维膜组件以多层堆积在所述盒框架上。

7.根据权利要求6所述的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，其中在所述盒式中空纤维膜组件和所述盒框架的任何一个中形成凹槽并在另一个中形成对应于所述凹槽的凸槽，以允许以滑动的方式结合和堆放。

8.一种浸没式水处理装置，其包含：

权利要求1中限定的具有自由端的盒式中空纤维膜组件，

配置在所述具有自由端的盒式中空纤维膜组件下方的空气扩散器装置，

所述空气扩散器装置包含：

其中水位随空气流入和扩散变化的空气室；

配置在所述空气室中的空气积聚管，以允许流动空气推动空气室中的水并压缩所述空气至预定的体积；

配置在所述空气室中的水通道，其基于是否存在压缩空气允许空气室中的水进入；和

与所述空气积聚管连接并具有多个孔的扩散器。

9.根据权利要求8所述的浸没式水处理装置，其中所述空气室在顶部和侧面封闭以允许流入所述空气室中的空气被压缩而不是立即移入所述扩散器以使所述压缩空气向下推动所述空气室中的水且当总水位达到所述空气积聚管的弯曲部位时，所述压缩空气立即移入所述扩散器以通过所述多个孔产生气泡。

10.根据权利要求8所述的浸没式水处理装置，其中所述空气积聚管是U或J形。

11.根据权利要求8所述的浸没式水处理装置，其中所述空气室包含空气流入部，通过该部用于在清洁中使用的空气流入所述空气室。

12.一种权利要求8中定义的浸没式水处理装置的曝气方法，其包含：

空气供应步骤，将空气供应至其中水位随空气流入和扩散而变化的空气室中；

空气压缩步骤，允许流入所述空气室中的空气向水通道推动所述空气室中的水并通过空气积聚管压缩所述空气至预定的体积；

空气供给步骤，通过空气积聚管将所述空气室中的压缩空气供应至扩散器；和

曝气步骤，将移入所述扩散器的空气通过孔供应至权利要求1所述的膜组件。

13.根据权利要求12所述的浸没式水处理装置的曝气方法，进一步包含：

过度供给步骤，当在曝气步骤中移入扩散器中的空气通过孔被全部供应至膜组件时，在曝气终止前从空气室提供额外的压缩空气至所述扩散器。