[发明专利]一种中空纤维膜组件

说明书

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。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，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大多选用帘式或束式中空纤维膜组件或板框式膜组件，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，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。

综上所述，膜生物反应器工艺良好的适应性与处理效果已为众多的学术研究和工程实践所证实，但不论是外置式还是内置式膜生物反应器，与目前较为成熟的其他污水处理工艺相比，由于膜组件造价高而引起基建投资高；由于高扬程的循环泵或高强度的曝气而引起运行能耗高；由于膜组件清洗操作复杂而引起维护管理复杂；此三大突出问题在很大程度上限制了膜生物反应器真正实现产业化。如何在有效控制膜污染的前提下，一方面尽可能地提高膜通量借以降低膜组件的造价，另一方面尽可能降低循环泵或曝气的能耗，同时开发出简便、易行、可靠的膜清洗措施，是全面解决前述三大问题的关键所在，而大量的研究和实践又证实，新型膜组件的开发又是关键之关键。所谓新型膜组件，一方面需要膜材料上的创新，另一方面则需要膜组件结构上的创新。

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最小单元。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。