CN101234819B - 一种中空纤维膜组件、膜生物反应器及水处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空纤维膜组件，其包括由多根中空纤维膜丝组成的中空纤维膜束、中空纤维膜束一端或两端的端头、进气管、产水管和壳体，该壳体在中空纤维膜束外部，该壳体可容纳竖直放置的中空纤维膜束，壳体侧壁为无孔洞的侧壁，该壳体两端的端口在横断面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数大于10％，并且壳体与端头通过可拆卸的结构连接在一起。本发明还公开了利用此中空纤维膜组件的膜生物反应器和水处理设备。本发明公开的中空纤维膜组件的特征，降低了中空纤维膜丝断裂的机率，改善了膜组件内部液流的流态，提高了中空纤维膜组件的抗污染性能和材料利用率，延长了中空纤维膜组件的使用寿命。

Description

一种中空纤维膜组件、膜生物反应器及水处理设备

技术领域

本发明涉及一种膜分离水处理设备，尤其是涉及一种应用于水处理的中空纤维膜组件和利用中空纤维膜组件的膜生物反应器，属于水处理技术领域。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)工艺是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的高效污水处理与回用技术，与其他污水处理工艺如传统活性污泥法、序批式活性污泥法相比，具有出水水质优良稳定、占地面积小、抗冲击负荷能力强、剩余污泥产量低等突出优点，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是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，吨水能耗高达2～10kWh/m³，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是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，再在抽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，降至1～2.4kWh/m³。目前世界上已经投入使用的膜生物反应器实际工程当中，大多数都选用内置式膜生物反应器工艺。但内置式膜生物反应器存在两个主要问题，一是膜组件的安装、检修、清洗很不方便，清洗劳动强度大，二是曝气量偏高，气水比为30～40∶1，是目前较为成熟的其他污水生物处理工艺如传统活性污泥法、序批式活性污泥法等工艺的3～4倍，这使得其吨水能耗仍然显著高于其他工艺。

中国专利03121949.7公开了一种可气冲的外压柱式中空纤维膜组件，该膜组件在倒U形中空纤维膜丝外设置壳柱体，壳柱体顶部有料液出口，底部有料液进口和透过水出口，在中空纤维膜束的底部设有气冲部件。该膜组件可以与生物反应器组成外置式膜生物反应器，但与常规外置式膜生物反应器不同的是，系统处理出水不是由循环泵增压获得，而是由增设的抽吸泵提供的负压获得，这样循环泵的流量和扬程大幅降低。同时膜组件内有气冲部件进行曝气，该壳柱体的设置大幅缩小了气提断面，使得曝气时形成的气水二相流被束缚在壳体内部沿着膜丝的轴线方向上升，避免了气泡在上升过程中逐渐向外扩散，因此以较小的曝气量就可以在中空纤维膜束中得到较高的曝气强度，使气水二相流对膜丝外表面具有更好的水力冲刷效果，可以较好地抑制膜污染的发展，在一定程度上节约了曝气能耗，这使得系统总体能耗低于常规内置式膜生物反应器，但采用了常规外置式膜生物反应器的外部形式，方便了膜组件的安装和检修。因此该种型式的膜生物反应器很好地将外置式和内置式两种型式的膜生物反应器有机地结合起来，取各自所长，补各自所短。但该专利存在以下不足之处：(1)采用倒U形中空纤维膜丝，在工作过程中膜丝一端固定，另一端自由摆动，中间对折处容易因曝气产生的振荡作用而出现断裂现象。(2)壳柱体内部液流的流态不好，膜丝根部容易出现积泥现象。由于膜丝固定端与壳柱体的下部完全粘接为一个整体，料液进口只能设于壳柱体的侧面，待过滤的液体从侧面进入壳柱体内部后陡然转向，壳柱体底部侧壁上未开孔位置容易出现死角，并发生积泥现象。(3)膜丝固定端与壳柱体粘接为一个整体，一旦部分膜丝断裂，连同壳柱体在内的整支膜组件即无法再用，造成不必要的浪费。

中国专利200420109850.7公开了一种气升式中空纤维膜组件，如图6所示，该膜组件在中空纤维膜丝外设置一螺旋形的壳体，其进水口和出水口处均设置有格栅，而且在进水口附近还设有曝气口。该膜组件在实现了壳体内可以小断面曝气的情况下，由于壳体采用螺旋形的设计，适当延长了气水二相流的流道，使得气体在水中停留的时间更长，增强了壳体内的扰动程度和对膜丝外表面的冲刷效果，对传氧和传质过程也有一定改善，但该专利仍存在以下不足之处：(1)中空纤维膜丝根部断裂机率很大。中空纤维膜丝被设置于螺旋形的壳体内，并且在工作状态下长时间受到曝气所产生的振荡作用，膜丝不但在轴线上承受了一定的扭矩，而且在气水二相流呈螺旋状上升的过程中其根部又会受到较大的拉力，尤其当膜丝较长时，膜丝根部很容易因所受扭矩或拉力过大而断裂。(2)螺旋形的壳体形状不易加工或不易实现。当壳体为刚性时，加工难度较大；当壳体采用塑料软管时，螺旋形的形状不容易保持。(3)中空纤维膜丝与壳体仍然浇铸在一起，膜丝或壳体不能实现单独更换，一旦部分膜丝断裂或丧失过滤能力，壳体也无法继续使用，只能整支更换膜组件，造成一定程度的材料浪费。(4)整支膜组件不易安装及拆卸。该膜组件工作时被待过滤的液体包围，壳体的进水口接近水底，出水口接近水面，曝气口设置在进水口附近，这样膜组件肯定与设置于水底的曝气管道相连接，当膜组件需要检修时必须将水位降低至接近池体底部并露出曝气管时才可以进行相应操作，这在实际工程当中不但操作复杂，而且容易造成活性污泥的流失。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种中空纤维膜组件，其在水处理过程中可以有效降低曝气能耗和膜丝断裂机率，内部液流顺畅，并且膜丝可以单独更换，加工、安装也很方便。

本发明的另一个目的是提供一种利用此发明的中空纤维膜组件的膜生物反应器。

本发明还有一个目的是提供一种利用此发明的中空纤维膜组件或者利用本发明的膜生物反应器的水处理设备。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：

一种中空纤维膜组件，包括由多根中空纤维膜丝组成的中空纤维膜束、中空纤维膜束一端或两端的端头、进气管、产水管和壳体，其特征在于：所述壳体在中空纤维膜束外部，所述壳体为可容纳竖直放置的中空纤维膜束的壳体，所述壳体侧壁为无孔洞的侧壁，所述壳体两端的端口在横断面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数大于10％，所述壳体与所述端头通过可拆卸的结构连接在一起。

所述壳体为可容纳竖直放置的中空纤维膜束的壳体，这样的壳体不论采用刚性材料还是柔性材料都比较容易加工和实现，而且更重要的是可以使设置于其内的中空纤维膜束处于直线状态，中空纤维膜丝自然地垂落，中间没有任何对折处，在轴线上也不再承受扭矩，这样在很大程度上降低了膜丝中间部位和根部断裂的机率。中国专利200420109850.7公开的中空纤维膜组件的中空纤维膜丝被设置于螺旋形的壳体内，并且在工作状态下长时间受到曝气所产生的振荡作用，膜丝不但在轴线上承受了一定的扭矩，而且在气水二相流呈螺旋状上升的过程中其根部又会受到较大的拉力，从材料力学角度来考虑，受到这样的组合力，材料很容易被破坏。并且在实际的使用过程中，膜丝断裂的部位绝大多数发生在根部。

所述壳体两端的端口在横断面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数大于10％，优选大于80％，这样可以确保当膜组件工作时，待过滤的液体能够从壳体的下端口而不是侧壁进入壳体内部，曝气产生的气提作用使气水二相流逐渐沿着壳体的中心轴线上升，最后能够从壳体的上端口而不是侧壁流出壳体，这样液流在流经中空纤维膜束时没有发生方向的改变，尤其是避免了在壳体侧壁上设置料液进口或出口使得液流陡然转向由此造成出现死角、污泥沉积的问题，同时壳体的侧壁上没有任何孔洞，在此过程中壳体始终对气水二相流有一个束缚的作用，使得气水二相流不至于扩散至壳体外围，从而大幅缩小了气提断面，在较小的曝气量的情况下就可以在中空纤维膜束中得到较高的曝气强度，使气水二相流对膜丝外表面具有更好的水力冲刷效果，可以很好地抑制膜污染的发展，并能够显著节约曝气能耗。所述壳体两端的端口在横截面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数，指的是在壳体的任意一端的端口在此端横断面上的开孔面积与此端端口横断面面积比值，结果用百分数表示。例如：对于一个圆柱形壳体来说，在上端口处由于某些工程上或者其他原因，上端端口有一个带孔的金属片罩住，此时要求孔的面积占圆柱形壳体横断面面积的百分数要大于10％，优选大于80％。这样利于液流的流动，以更好的完成与外界待处理液体的交换。

所述壳体的横截面可以是圆形，也可以是矩形、方形或其他已知的任意形状。作为优选，所述的壳体的横截面是圆形。圆柱形壳体易于加工和成型，并且没有棱角，在安装和使用过程中不会对周围的膜丝或安装人员造成伤害。所述的壳体从上到下各横截面的面积可以相同，也可以不相同。作为优选，所述的壳体从上到下各横截面的面积是相同的；或者中间部分的横截面面积略小于上下两端的横截面面积，如可以设计成类似于文丘里管或文丘里喷嘴的形状，这样的设计可以加强气水二相流对中空纤维膜束上部的冲刷效果。所述的壳体的长度范围为0.1m～4.0m，优选1.5m～2.0m。所述的壳体的直径范围为5mm～500mm，优选30mm～300mm。

所述中空纤维膜丝可以有且仅有一端浇铸封结于一个设有产水收集室的端头之内，而另一端可以自由摆动，并且采用已知的任何方式做成闭孔状态；也可以两端分别浇铸封结于两个端头之内，并且两个端头中至少有一个内部应设有产水收集室。设有产水收集室的端头外部应设有产水管，产水收集室应与产水管相连通。当所述中空纤维膜丝有且仅有一端浇铸封结于一个设有产水收集室的端头之内时，该端头可以位于竖直放置的中空纤维膜束的上部，也可以位于下部。作为优选，当所述中空纤维膜丝有且仅有一端浇铸封结于一个设有产水收集室的端头之内时，该端头位于竖直放置的中空纤维膜束的下部，这样可以避免当膜丝下端自由摆动时因气水二相流的上升而容易出现的膜丝互相缠绕的问题。

所述壳体与所述端头通过可拆卸的结构连接在一起，这样的设计使得上端头或(和)下端头可以与壳体相互分离，这使得中空纤维膜束和壳体可以相互独立更换，在一定程度上提高了材料的利用率。所述的可拆卸的结构为绳索连接结构、卡扣连接结构、螺栓连接结构、承插连接结构、螺纹连接结构等。其中，绳索连接结构的方式比较独特，此种方式比较容易实现，简单易行，例如在上端头和壳体的上部分别设置一个孔，孔的设置不能影响其它中空纤维膜组件的正常工作，用一根绳索穿过两个孔并打上结，这样就可以完成对上端头和壳体的连接。绳索可以选用金属绳索、化学纤维制备的软索等，优选使用具有耐水性的金属或者金属合金，例如铜、铝、不锈钢等，并且需要满足一定的强度要求。卡扣和螺栓的选择可以根据国家或者行业已有的标准选取，或者自行设计，但是不论卡扣和螺栓使用哪种方式，设置的方式和连接的位置都需要满足中空纤维膜组件工作条件的要求，并且易于拆卸，例如，卡扣的连接处宜设计在靠近上端头处，并且靠近壳体的上方；螺栓的连接处宜设计在壳体的侧面。对于绳索连接结构、卡扣连接结构、螺栓连接结构以及已知的可拆卸的连接中，可以选用一种来完成连接，或者选用几种来完成连接。另外，本文所述的壳体与端头通过可拆卸的结构连接在一起，包括壳体与端头通过可拆卸结构直接连接在一起，也包括这样的连接方式：壳体和端头分别与第三个零件、甚至第四零件、第五零件......连接在一起，所述第三个零件、甚至第四零件、第五零件......是相对于壳体和端头来区分的，即认为壳体和端头分别为第一零件、第二零件，或认为端头和壳体分别为第一零件、第二零件。例如：如果产水管为产水软管，则上端头可以通过此产水软管先通过绳索连接结构与一个第三零件连接，然后此第三零件再以卡扣连接结构或者螺栓连接结构与壳体连接。由此完成端头和壳体的连接。认为此处产水软管有绳索的性能，所以产水软管和第三零件的连接为绳索连接结构。本文下面提及的嵌入件可以作为第三零件使用。

本发明中，上端头指的是膜组件在水处理工作过程中，靠近水面的端头，下端头指的是靠近水底的端头。上端头和下端头可以同时存在，也可以有且仅有一个。上端头和下端头分别对应着壳体的上端口和下端口。

所述的端头可以在壳体的内部，也可以在壳体的外部。优选地，所述的端头完全在壳体内部，与邻近的壳体端口端面的距离为壳体长度的1/20～1/3。

上述的中空纤维膜组件，所述的壳体的上端口和下端口可以完全敞开，也可以罩以带有开孔的嵌入件。

所述的带有开孔的嵌入件沉入式地设置于壳体的至少一个端口上，用以固定中空纤维膜束的端头，另外，由于嵌入件上有孔，在曝气过程中，待过滤液体可以通过嵌入件上的孔自由进出壳体，为待过滤液体的循环流动带来便利。气提作用的存在，待过滤液体自壳体的下端口进入壳体中，从壳体上端口流出，形成气水循环流动。作为优选，在壳体的两个端口上均设置有嵌入件。所述的嵌入件可以通过卡扣、螺栓或其他已知的任一可拆卸的方式与壳体相连接。

上述的中空纤维膜组件，所述的嵌入件在横断面上的开孔面积占嵌入件横断面面积的百分数大于10％，优选大于80％。开孔率大于10％能够避免堵塞液流，大于80％时，液体在通过嵌入件区域时会更加顺畅，阻力更小，利于形成更好的气水二相流，以确保对中空纤维膜束的冲刷效果。

上述的中空纤维膜组件，所述的嵌入件可以有一圆周，圆周的外径略小于壳体的内径，使得嵌入件刚好嵌在壳体的端口上。从所述圆周的圆心处向圆周方向可以延伸出至少三根成辐射状的支撑条，支撑条之间均为孔隙。优选使用3～8根支撑条。相对于格栅或网状的嵌入件来说，支撑条的制作和安装更为简单，开孔率更大，不易堵塞液流。

当所述中空纤维膜丝有且仅有一端浇铸封结于一个设有产水收集室的端头之内时，也可以在壳体内部其他位置以适当间距设置若干个所述的嵌入件，用以对中空纤维膜丝的可以自由摆动的一端进行适当的限位，以防止膜丝在水处理工作过程中因浸水而变得柔软，由此容易相互缠绕，造成壳体内液体流动不畅。

所述的壳体内部可以设有带布气孔的布气装置。所述的布气装置可以设置于壳体内部的任何位置。作为优选，所述的布气装置靠近或者紧贴于中空纤维膜束上端头或(和)下端头浇铸端面设置，作为更优选，所述的布气装置紧贴于中空纤维膜束上端头或(和)下端头浇铸端面设置，当中空纤维膜束两端均浇铸封结于端头之内时，在中空纤维膜束的上端头和下端头的浇铸端面上同时设置所述的布气装置。

所述的布气装置的布气孔的孔口朝向可以有水平、竖直朝上、竖直朝下、斜向上以及斜向下等多种选择，优选的布气孔的孔口朝向水平方向或者斜向下朝向浇铸端面方向，这样对于中空纤维膜丝根部的冲刷更为彻底，可以很好地避免使用过程中膜丝根部积泥的现象。

上述的中空纤维膜组件，所述布气装置可以有至少三根中空的辐条，该辐条侧面开有所述的布气孔。

多根幅条的布置使得曝气更加均匀，因此对于中空纤维膜丝根部的冲刷也较为全面，另外上升的气水二相流也更加均匀。所述的辐条可以以端头中心为圆心呈星形均匀分布。优选使用3～8根径向的或者螺旋形弯曲的幅条，将浇铸端面平均分为3～8个面积相等的部分，相应的，中空纤维膜束也被均匀的平均分为3～8个小束，每一小束均浇铸在幅条之间的间隙里。

布气孔的孔口开在辐条的侧壁上，从布气孔出来的气流方向一般是朝向水平的。辐条的侧壁有一定的厚度时，加工的过程中可以利用辐条的厚度对布气孔的孔口进行设计，使得从布气孔出来的气流是斜着朝向下的，或者斜着朝向上。优选斜着朝向下的方式。

所述的布气孔的形状、数量、大小和分布形式有多种形式。形状可以采用圆形或者长条形，沿着辐条由端头端面中心向端头端面的边缘呈线性分布，当为条形孔时，各孔的长边应大致平行于端面。布气孔的孔口距中空纤维膜丝的端面的距离可以相等，也可以不相等，且该距离范围为1mm～20mm，优选2mm～10mm。所述布气孔的直径或短边的长度为1mm～10mm，优选1mm～5mm。

上述的任一中空纤维膜组件，当中空纤维膜束两端均浇铸封结于端头之内时，可以在两个端头的浇铸端面上均设置带布气孔的布气装置，并且这两个布气装置通过一根中空软管连通。中空软管的作用包括：第一，供给上下两个布气装置以气流，使中空纤维膜束上下两端的根部都可以被曝气气流进行直接的吹扫和冲刷，以防止膜丝根部发生积泥；第二，将上下两个端头连接起来，并且软管的长度略小于中空纤维膜丝的长度，起到承担下端头的重力和摆动时的拉力，以避免中空纤维膜丝承力而被拉断。

所述端头中的一个或两个可以设有进气管。所述的任一端头中可以同时设有进气管和产水管，或者仅设有进气管或产水管。产水管或进气管的数量可以根据工程实际情况进行选择，既可以选择一个进气管或一个产水管，也可以选择两个或者两个以上进气管，或者选择两个或者两个以上产水管，或者同时选择两个或者两个以上的进气管和产水管。所述的进气管和产水管可以是刚性的，也可以是柔性的，优选柔性的，其材质可以是硅橡胶、氟橡胶、软质聚氯乙烯、聚氨酯等。

上述的中空纤维膜组件，所述的进气管和产水管可以在壳体的内部，并且进气管的与气源连接的一端以及产水管的与集水管路连接的一端从壳体的上方伸向壳体的外部。

这样的设置，可以使得中空纤维膜组件仅通过其上端与固定装置相连接，这样可以方便中空纤维膜组件的安装和拆卸。当膜组件工作时，仅其上端与固定装置相连接，而且进气管的进气口和产水管的出水口位于壳体的上部，即便此时膜组件整支被待过滤的液体包围，但由于膜组件与固定装置的连接点位于接近水面或者水面以上的位置，这样膜组件需要检修时不必降低水位或者不必将水位降得很低就可以将其拆卸下来。

当中空纤维膜束两端均浇铸封结于端头之内时，在两个端头之间可以设置连接管，连接两个端头。

所述的连接管将上端头和下端头连接成一个整体，其长度可以与中空纤维膜束相同，也可以略短于膜束。作为优选，所述的连接管的长度略小于中空纤维膜束的长度。这样可以防止端头摆动幅度过大而使膜丝长时间受力，对膜束起到保护作用。

所述的进气管、产水管和连接管的直径范围为1mm～50mm，优选5mm～20mm。

所述的中空纤维膜丝是一种带有微孔的中空纤维，制作中空纤维膜丝的材料可以选自聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜等材料。中空纤维膜丝首先通过使用环氧树脂、聚氨酯等浇铸树脂进行封端浇铸，再使用硅橡胶、聚氨酯等柔性树脂对中空纤维膜丝根部进行二次浇铸，以降低膜丝根部断裂的机率。作为优选，所述的中空纤维膜丝的材料是聚偏氟乙烯。所述的中空纤维膜丝的平均膜孔径为0.01μm～5μm。

所述的中空纤维膜束是由10～1000根中空纤维膜丝组成的，长度范围为0.1m～3.0m。优选由50～500根中空纤维膜丝组成，长度范围为1.0m～2.0m。

当中空纤维膜束两端均浇铸封结于端头之内时，所述的中空纤维膜束的长度可以和上下两个端头之间的距离相等，也可以略大于这个距离。作为优选，所述的中空纤维膜束的长度大于上下两个端头之间的距离，但小于壳体的长度。

上述的中空纤维膜组件，可以通过任一端头、壳体的任一部位或者壳体的任一端口上的嵌入件采用已知的任一方式与固定装置相连。作为优选，所述的壳体的上端口或者上端口上的嵌入件通过承插、螺纹、活接等可拆卸的硬连接的方式与固定装置相连，或者通过软索或柔性管等软连接的方式与固定装置相连。软索可以是耐腐蚀的绳索、钢丝或弹簧等。软索使膜组件在待过滤的液体中处于悬垂状态，可以随水流有摆动。当上端头设有进气管或产水管、并且进气管或产水管为柔性管时，也可以通过进气管或产水管使膜组件悬挂在固定装置上。

上述的中空纤维膜组件，所述的上端头或(和)下端头可以与壳体的任一部位或者壳体的任一端口上的嵌入件采用已知的任一可拆卸的方式相连接。作为优选，所述的上端头或(和)下端头与位于邻近的壳体端口上的嵌入件相连接。作为更优选，所述的上端头或(和)下端头通过软索或柔性管等软连接的方式与位于邻近的壳体端口上的嵌入件相连接。

上述的任一中空纤维膜组件中，所述端头的浇铸端面可以是平面，也可以是凸起或凹陷的端面。作为优选，所述端头的浇铸断面是凸起的端面。端面如果是平面或凹陷的端面，污泥会有较严重的淤积现象。凸起结构的特点是中间高四周低，这样会形成一个由中间向四周的一个倾斜，此结构有利于气流将污泥等污染物吹向四周，有利于减少污泥的淤积。作为更优选，所述凸起的端头的端面为圆台形。圆台形的结构更加容易加工，也利于在中间设置连接管等其他部件。

当中空纤维膜束两端均浇铸封结于端头之内时，所述的上端头和下端头的形状可以相同，也可以不同。作为优选，所述的上端头略大于下端头，这样可以使整个中空纤维膜束下端能够在壳体内有一定的摆动幅度。

所述的上端头或(和)下端头整体外形可以是圆柱体、锥体、盆形、杯形等形状。作为优选，所述的上端头或(和)下端头的整体外形是盆形或杯形。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)降低了中空纤维膜丝断裂的机率，延长了中空纤维膜组件的使用寿命。中空纤维膜束在待过滤的液体中处于悬垂状态，中空纤维膜丝自然地垂落，中间没有任何对折处，在轴线上也不再承受扭矩，各种软连接部件的设置，即软质连接管、进气管、产水管等，使得膜束可以随着端头在一定范围内一起摆动，膜丝根部与浇铸端面的摆动角也大幅减小，膜丝根部与浇铸端面之间的拉力随之大大减小，因此大大降低了膜丝根部断裂的机率，提高了膜组件工作的稳定性，延长了其使用寿命。

(2)改善了膜组件内部液流的流态，避免了现有技术中因端头完全堵住壳体的一端或两端而促使液流陡然转向所带来的膜丝根部容易积泥的现象，提高了中空纤维膜组件的抗污染性能。

(3)中空纤维膜束与壳体之间可以相互独立更换，避免了现有技术中经常容易出现的一旦部分膜丝断裂，连同壳体在内的整支膜组件就无法继续使用的浪费现象，提高了中空纤维膜组件的材料利用率。

(4)提高了中空纤维膜组件加工、组装、安装和检修的方便程度。本发明所述膜组件浇铸中空纤维膜丝的端头内部结构简单，内无复杂的结构件，降低了铸封工序的难度和废品率，膜组件整体可实现装配式结构，产品容易实现快速组装。以柔性连接的方式固定于固定装置，每支膜组件可以单独进行安装和拆卸，而且单人即可完成全部操作，不像现有的中空纤维膜组件组成大型的膜组件单元后必须通过起吊设备进行整体吊装，劳动强度大，单人无法操作。

附图说明

图1为本发明的实施例1所述的中空纤维膜组件的纵剖面图。

图2为本发明的实施例2所述的中空纤维膜组件的纵剖面图。

图3为图1和图2中的A-A处的剖面图。

图4为现有技术的膜组件的一个端头的纵剖面图。

图5为图4中的B-B处的剖面图。

图6为中国专利200420109850.7中所述的膜组件的示意图。

图7为实施例1中由若干个本发明的中空纤维膜组件组成的膜组件单元的示意图。

图8为实施例3中由若干个本发明的中空纤维膜组件组成的膜组件单元的示意图。

附图中各个标记的说明：

1——壳体；2——中空纤维膜丝；3——中空纤维膜束；4——上端头；5——下端头；6——产水管；7——进气管；8——中空软管；9——带布气孔的布气装置；10——布气孔；11——产水收集室；12——嵌入件；13——快插接头；14——软索；15——支撑条；16——集水支管；17——曝气支管；18——集水端头；19——中心管；20——出水口；21——料液进口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1

如图1所示，一种中空纤维膜组件，包括内径为85mm的圆柱形壳体1，该壳体的中心轴线是直线，壳体侧壁为无孔洞的侧壁。设置在壳体1内的由240根中空纤维膜丝2组成的中空纤维膜束3，中空纤维膜丝2的用于通过液体的微孔的平均孔径为0.01μm，中空纤维膜丝的外径为1.2mm，材质为聚偏氟乙烯，两端用环氧树脂浇铸汇集于上端头4和下端头5之中，并且用聚氨酯对其进行二次浇铸，以对膜丝根部进行保护。上端头4和下端头5的整体外形均为杯形，此两个端头的上口圆直径均为45mm。中空纤维膜丝2在上端头4内的产水收集室11中呈开孔状态，在下端头5内呈闭孔状态，上端头4设有外径为Φ8mm的产水管6，下端头5设有外径为Φ8mm的进气管7，两个端头由外径为Φ6mm的中空软管8连接成一个整体，中空纤维膜丝2围绕着中空软管8均匀分布。产水管6、进气管7和中空软管8均为中空塑料软管。中空软管8、带布气孔的布气装置9、产水管6、进气管7之间相连接的部位均通过快插接头13连接，连接方式如图1所示。产水管6与上端头4中的产水收集室11相连通。在上端头4的上方和下端头5的下方分别设置嵌入件12，上端头4和下端头5均通过软索14与相邻的嵌入件12相连接，嵌入件12通过螺钉与壳体1连接，嵌入件12在中心处有内径为Φ10mm的圆孔，产水管6和进气管7从圆孔中穿过。壳体1的材质为UPVC(un-plasticized polyvinyl chloride)塑料。

如图1所示，两个端头在浇铸有中空纤维膜丝的端面上均设有带布气孔的布气装置9。如图3所示，带布气孔的布气装置9具有沿径向分布的六根辐条，每根辐条宽5mm，高4mm，相邻两根辐条之间的角度均为60°，辐条从端头端面的中心延伸到上端头4或下端头5的圆周上，内部具有空腔，辐条的两个侧壁均垂直于浇铸端面，在背向浇铸端面的另一侧则是倒圆的，两个侧壁上在居中的位置设有四个直径为Φ2mm的圆形布气孔10，布气孔10的中心轴线垂直于辐条的侧壁面，距浇铸端面的高度均为2mm，各个布气孔的中心轴线间距均为4mm，辐条的空腔与中空软管8相连通。

辐条将浇铸端面分成六个面积相等的部分，相应的，中空纤维膜束3也均分成六个小束，每一小束由40根中空纤维膜丝2组成，均浇铸在辐条之间的间隙里。上端头4和下端头5的浇铸有中空纤维膜丝的端面均有一个形状为平顶圆锥即圆台状的凸起，上下两个端头的浇铸端面的凸起正好相对。凸起的底圆直径为Φ40mm，顶圆直径为Φ12mm，高度为10mm。带布气孔的布气装置9刚好扣在凸起上面，与凸起粘在一起，相接触的部分完全密合。

所述的嵌入件12由围绕圆心呈星形排布的六根支撑条15和圆周组成，每根支撑条15之间的角度也为60°，并且圆周外边缘与壳体1接触。圆周与壳体连接为螺栓连接。嵌入件12在横断面上的开孔面积占嵌入件横断面面积的百分数为93％。

壳体1的长度为1.4m，中空纤维膜束3的平均长度为1.2m，上端头4及其带布气孔的布气装置9的总高度为70mm，下端头5及其带布气孔的布气装置9的总高度为50mm，中空软管8的长度为1.0m。上部的嵌入件距壳体上端口的距离为10mm，下部的嵌入件距壳体下端口的距离为10mm。

产水管6与一位于膜组件上方的集水支管16相连接，进气管7与一位于膜组件上方的曝气支管17相连接。

集水支管16与一能够提供负压的水泵的吸水管相连通，待净化的水经过中空纤维膜丝2壁上的微孔进入膜丝内部，并汇流入产水收集室11，再经产水管6流入集水支管16，最后通过水泵抽出。曝气支管17与一气源相连通，气源提供的压缩空气经曝气支管17进入进气管7，再经上下端头的带布气孔的布气装置9上的布气孔10扩散出来，直接吹扫膜丝根部。

将若干个中空纤维膜组件的产水管6、进气管7分别并联至集水支管16、曝气支管17，由此形成一个矩阵式的膜组件单元(如图7所示)。

实施例2

如图2所示，一种中空纤维膜组件，包括内径为60mm的圆柱形壳体1，该壳体的中心轴线是直线，壳体侧壁为无孔洞的侧壁。设置在壳体1内的由240根中空纤维膜丝2组成的中空纤维膜束3，中空纤维膜丝2的用于通过液体的微孔的平均孔径为0.08μm，中空纤维膜丝2的外径为1.35mm，材质为聚偏氟乙烯。中空纤维膜束3上端可以自由摆动，每根膜丝均呈闭孔状态，下端用环氧树脂浇铸汇集于下端头5之中，并且用聚氨酯对其进行二次浇铸，以对膜丝根部进行保护。下端头5的整体外形为杯形，上口圆直径为45mm。中空纤维膜丝2在下端头5内呈开孔状态，下端头5设有外径为Φ8mm的产水管6，产水管6与下端头5中的产水收集室11相连通。外径为Φ8mm的进气管7通过快插接头13与带布气孔的布气装置9相连接，中空纤维膜丝2围绕着进气管7均匀分布。在壳体1上下两个端口处均设置嵌入件12，下端头5通过软索14与位于壳体1下端口的嵌入件12相连接，嵌入件12通过螺钉与壳体1连接，嵌入件12在中心处有内径为Φ10mm的圆孔，产水管6和进气管7从圆孔中穿过。壳体1的材质为UPVC(un-plasticized polyvinyl chloride)塑料。带布气孔的布气装置9和嵌入件12的结构与实施例1相同。

壳体1的长度为1.4m，中空纤维膜束3的平均长度为1.2m，下端头5及其带布气孔的布气装置9的总高度为50mm，上部的嵌入件距壳体上端口的距离为10mm，下部的嵌入件距壳体下端口的距离为10mm。

其余部分与实施例1相同。在图3中的标记7在此实施例中表示产水管和进气管。

实施例3

膜组件的结构与实施例1相同。

如图8所示，将八个中空纤维膜组件和集水端头18、中心管19和出水口20组成一个辐射式的膜组件单元。产水管6与直径为150mm的集水端头18下端面均布的八个快插接头相连接，直径为Φ40mm、长度为30mm的中心管19沿集水端头18的轴线穿过，八个膜组件围绕着中心管19均匀地分布，中心管19的下方通过八个快插接头13与八个中空纤维膜组件的进气管7连接。膜组件单元工作时中空纤维膜束3被待过滤的液体所包围，气源提供的压缩空气从中心管19的上口进入，并进入八个膜组件的进气管7，最后经上下端头的带布气孔的布气装置9上的布气孔10扩散出来，直接吹扫膜丝根部，出水口20与一能够提供负压的水泵相连通，待净化的水经过中空纤维膜丝2壁上的微孔进入膜丝内部，并汇流入产水收集室11，再经产水管6流入集水端头18，最后通过水泵抽出。

以上对本发明所提供的中空纤维膜组件进行了详细介绍。本说明书中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上可能在实施过程中会有改变之处。因此，本说明书记载的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

1.一种中空纤维膜组件，包括由多根中空纤维膜丝组成的中空纤维膜束、中空纤维膜束一端或两端的端头、进气管、产水管和壳体，其特征在于：所述壳体在中空纤维膜束外部，所述壳体为可容纳竖直放置的中空纤维膜束的壳体，所述壳体侧壁为无孔洞的侧壁，所述壳体两端的端口在横断面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数大于10％，所述壳体与所述端头通过可拆卸的结构连接在一起。

2.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述壳体为刚性壳体。

3.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述壳体为圆柱形壳体。

4.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述壳体两端的端口在横断面上的开孔面积占端口横断面面积的百分数大于80％。

5.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：在至少一个端头的浇铸端面上设有带布气孔的布气装置。

6.根据权利要求5所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述布气孔的孔口朝向中空纤维膜丝根部。

7.根据权利要求5所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述布气装置有至少三根中空的辐条，该辐条侧面开有所述的布气孔。

8.根据权利要求7所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述辐条以端头中心为圆心呈星形均匀分布。

9.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：进气管和产水管在壳体的内部，进气管的与气源连接的一端以及产水管的与集水管路连接的一端从壳体的上方伸向壳体的外部。

10.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：在壳体的上端口或者下端口有开孔的嵌入件。

11.根据权利要求10所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述的嵌入件在横断面上的开孔面积占嵌入件横断面面积的百分数大于10％。

12.根据权利要求11所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述的嵌入件在横断面上的开孔面积占嵌入件横断面面积的百分数大于80％。

13.根据权利要求12所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述的嵌入件有至少三根支撑条，支撑条之间均为孔隙。

14.根据权利要求13所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述的嵌入件有3～8根支撑条。

15.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于：所述的可拆卸的结构为绳索连接结构、卡扣结构或螺栓结构。

16.利用权利要求1～15所述的任一中空纤维膜组件的膜生物反应器。

17.利用权利要求1～15所述的任一中空纤维膜组件或者权利要求16所述的膜生物反应器的水处理设备。

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