CN101925395B - 中空纤维膜元件、用于中空纤维膜元件的框架以及膜过滤装置 - Google Patents

Abstract

使用中空纤维膜的膜过滤装置目前使用的构造为：将中空纤维膜束安装在筒状容器内，并且该容器与固定至框架的集管液密地接合。但是，这种膜过滤装置具有的问题是吸水的中空纤维膜非常重，以至于中空纤维膜不能容易地从集管拆卸。本发明为了解决这个问题提供了一种膜过滤装置，其采用的构造为：中空纤维膜元件(1)与框架(60)相接合，该框架具有待装配到凹槽内的支承梁(65)，所述中空纤维膜元件(1)包括具有集水口和凹槽的集水盖(20)，并且该集水盖与中空纤维膜束液密地接合。可以仅通过将支承梁(65)***到在集水盖(20)内形成的凹槽内来规制中空纤维膜元件(1)的接合和旋转。

Description

中空纤维膜元件、用于中空纤维膜元件的框架以及膜过滤装置

技术领域

本发明涉及一种浸入含有原水(生水，污水，sewage)的处理水槽内并过滤原水的膜过滤装置。更具体地，本发明涉及一种膜过滤装置，在该装置中，中空纤维膜(中空糸膜)元件的集水盖设置有与元件支承件相接合的凹槽，该中空纤维膜元件具有捆束的中空纤维膜，并且该凹槽与元件支承件的梁相接合，因而有利于中空纤维膜元件的拆卸。 

背景技术

一般而言，使用中空纤维膜的浸入型膜过滤装置以这样的方式使用，即，将膜过滤装置浸入处理水槽内，并且使其通过中空纤维膜吸滤含有悬浮物的原水，从而提供过滤水。 

中空纤维膜通常通过将大量的中空纤维膜捆束成细长形式以提供筒状滤筒(cylindrical catridge)的方式使用。在滤筒内，捆束有大量中空纤维膜，其一端是封闭的，而另一端呈开口状。从中空纤维膜的开口端吸引原水以通过中空纤维膜提供过滤水。 

膜过滤装置的集水效率正比于吸力。为了增加集水量，将大量滤筒浸入处理水槽内是有效的。这是因为，即使单一滤筒的集水量很小，但通过同时使用大量滤筒可以获得大的集水量。 

专利文献1公开了一种过滤装置，在该过滤装置中，固定四个过滤子模块以提供一单元，各过滤子模块包含筒状滤筒形式的中空纤维膜，并且将多个单元堆叠并固定至框架上。在过滤装置中，将四个过滤子模块的上部液密地固定至一个集管上。集水管与集管相接合，并且可从一个集管收集来自四个过滤子模块的过滤水。 

并列配置大量包含四个过滤子模块的单元以制成一个膜过滤装置。 

存在这样的问题：原水内的悬浮物附着在中空纤维膜上从而降低了过滤效率。因此，在过滤子模块的下部设置散气管，并且周期地向所述模块提供空气。附着在中空纤维膜上的悬浮物被随空气剥离和除去。这种处理称之为空气洗涤。 

专利文献1：JP-T-2002-542013 

发明内容

本发明待解决的问题 

用于固定多个过滤子模块的集管具有锁紧机构和夹紧件，因而使得过滤子模块为可拆卸的。这是因为，集管和过滤子模块必须液密地接合，然而，过滤子模块由于不可避免地因随时间经过而劣化(老化)从而必须更换。另外，由于浸入处理水槽内的过滤子模块重量非常大，集管和过滤子模块必须牢固地接合，从而将过滤子模块连同固定至框架上的集管一起从处理水槽中拔出。 

但是，长时间浸入处理水槽内的集管和过滤子模块很难从彼此脱开，这为更换过滤子模块增加了困难。 

解决问题的手段 

本发明针对上述问题进行开发，并提出了这样一种中空纤维膜元件，该中空纤维膜元件与集水管液密地接合，并且当将其从处理水槽中拔出时，其牢固地固定在框架上，但当更换时，中空纤维膜元件能够容易地从框架拆卸，从而便于其更换操作。 

也就是说，本发明的中空纤维膜元件具有捆束的中空纤维膜，所述中空纤维膜与具有集水口的集水盖液密地接合，并且集水盖设置有凹槽，该凹槽用于同设置在框架上的支承梁相接合。 

本发明还提供了一种具有支承梁的框架，该支承梁用于同中空纤维膜元件相接合，该中空纤维膜元件具有带有凹槽的集水盖。本发明还提供了一种具有中空纤维膜元件的膜过滤装置，该中空纤维膜元件具有带有凹槽 的集水盖，所述凹槽与框架的支承梁相接合。 

本发明的优点 

本发明的中空纤维膜元件具有带有凹槽的集水盖，该凹槽与中空纤维膜液密地接合，因而，可通过使凹槽与框架的支承梁相接合而将中空纤维膜元件固定到框架上。特别地，集水盖的凹槽可设置成水平方向，并且可与从框架水平地延伸出的支承梁相接合，从而在垂直方向上提供高的耐负荷性。因此，当更换元件时能够容易地将中空纤维膜元件从处理水槽中拔出。 

另外，本发明的中空纤维膜元件仅通过将设置在集水盖上的凹槽与框架的支承梁相接合而固定到框架上，因而该元件可以容易地从框架上拆卸。 

集水盖和框架彼此接合，因而，集水口和集水管可通过固定常规的联接器(套环)结构与夹具而彼此相连。 

本发明的框架具有用于保持中空纤维膜元件的支承梁。支承梁可以是这种能够与集水盖的凹槽相接合的梁。只要能够获得需要的强度，框架可以为直线形状，因而，框架可以容易地生产。 

本发明的膜过滤装置具有中空纤维膜元件和框架，因而，装置可以容易地生产，并且中空纤维膜元件可以容易地更换。 

附图说明

图1是示出根据本发明的中空纤维膜元件的实施例的截面图。 

图2是示出从套环(联接器)接头侧看到的集水盖20的各平面图。 

图3是示出集水盖20的凹槽21的其它实施例的平面图。 

图4是示出集水盖20的凹槽21的另外的实施例的平面图。 

图5是示出集水盖20的透视图。 

图6是示出框架60的一个实施例的透视图，该框架保持本发明的中空纤维膜元件1。 

图7是示出膜过滤装置3的一个实施例的透视图，该膜过滤装置包含框架60，在框架60中已经接合了中空纤维膜元件1。 

参考数字和标记说明 

1  中空纤维膜元件 

3  膜过滤装置 

10 中空纤维膜 

20 集水盖 

21 凹槽 

22 集水口 

27 肋 

30 锁紧螺母 

40 筒状容器 

60 框架 

70 集水管 

75 散气管 

具体实施方式

本发明的实施例将参照附图进行描述。图1是示出根据本发明的中空纤维膜元件的实施例的截面图。本发明的中空纤维膜元件1包含中空纤维膜10和集水盖20，并且还可包含锁紧螺母30和筒状容器40。 

将从50到2000根的中空纤维膜10捆束为一个单元束13，并且其一端用中空纤维膜封闭件12封闭。将单元束13在相对于已经由中空纤维膜封闭件12封闭的一端的另一端固定至中空纤维膜固定件11上。中空纤维膜固定件11将多个单元束13捆束成一束，并以开口端(开口状态，开口方式)固定中空纤维膜10。因此，一个中空纤维膜10呈袋状。 

用于中空纤维膜的材料不特别限定，只要是具有膜面渗透性的中空纱状(中空纤维状)纤维即可。例如，可使用聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、乙 烯-乙烯基醇共聚物、纤维素、纤维素乙酸酯、聚偏二氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯等以及这些材料的复合材料。 

集水盖20在其体部内具有集管25、集水口22和凹槽21。集水盖20与中空纤维膜10液密地接合，并且用于接合的方法不特别限定。在图1示出的实施例中，一旦中空纤维膜10与中空纤维膜固定件11相固定，则中空纤维膜10与筒状容器40的内壁液密地接合。筒状容器40和集水盖20用锁紧螺母30固定，从而使中空纤维膜10与集水盖20液密地接合。 

集水口22是向外部穿透集水盖20的集管25的通孔，通过中空纤维膜10过滤原水而获得的过滤水可以经由集管25从集水口22吸取获得。 

集水口22具有连接单元，该连接单元用于同连接至集水管的导管相连。连接单元设置成当更换中空纤维膜元件1时分离集水口22和集水管。连接单元不特别限定，其可使用任何能够液密地连接的构件。 

在如图1所示的实施例中，套环接头23用作设置在集水口22上的连接单元。套环接头23具有法兰形式的接头，该法兰形式的接头具有凹部24，该凹部用于在其表面上形成的密封垫。套环接头23与另一个具有相同形状的套环接头相连，同时在它们之间***密封垫，此组件用夹具固定以容易地提供液密的连接。 

在本发明的中空纤维膜元件1内，设置在集水口22上的连接单元不承受负载，因为元件的全部重量用凹槽21保持。因此，只要能够保持液密状态，连接单元可不具有加长部分或耐负载性能。 

凹槽21形成在集水盖20的外周。图2(a)示出了从套环接头23一侧看到的集水盖20的平面图。凹槽21彼此平行地形成，集水口22置于它们之间。换言之，图2(a)示出了具有设置在位于集水盖20外周的多个位置处的凹槽21的实施例，在此情况下，这两个位置在水平方向上(即在图中的垂直方向上)关于集水盖的中线轴对称。 

将框架60的支承梁65***凹槽21内(见图6)，通过将支承梁65与凹槽21嵌合而使集水盖20与支承梁65接合(见图2(b))。在这种情况下，凹槽21在水平方向上(即在图中的垂直方向上)关于集水盖20的中 线轴对称地形成，从而，通过将支承梁65彼此平行地***凹槽21内以限制集水盖20的旋转运动，因此，可防止集水口22和集水管70之间的导管71损坏。 

因此，更优选地，集水盖20的凹槽21不仅使中空纤维膜元件1与框架60的支承梁65相接合，而且限制元件的旋转运动。图3示出了集水盖20的凹槽21的其它实施例的平面图。凹槽21的形式不限于这些实施例。 

图3(a)示出了以折扇的形式形成的凹槽21的实施例，即，凹槽21设置在位于集水盖20外周的多个位置处，在此情况下为两个位置。在此实施例中，更优选框架的支持梁65具有相同的构形。 

图3(b)示出了以三角形的形式形成的凹槽21的实施例，所述三角形的形式在水平方向上(即在图中的垂直方向上)关于集水盖20的中线轴对称。在此实施例中，支持梁65优选折扇的形式。 

图3(c)示出了以矩形的形式形成的凹槽21的实施例。换言之，两对平行的凹槽彼此垂直地形成，即，凹槽21在集水盖20的整个外周形成，并且凹槽21在水平方向上(即在图中的垂直方向上)关于集水盖20的中线轴对称。 

图4(a)示出了以六边形的形式形成的凹槽21的实施例。凹槽21可以多边形的形式形成，在此情况下，凹槽21在集水盖20的整个外周形成，并且凹槽21在水平方向上(即在图中的垂直方向上)关于集水盖20的中线轴对称。 

图4(b)示出了以圆形的形式形成的凹槽21的实施例。在本发明的中空纤维膜元件1不排除以圆形的或弧形的形式的凹槽21。但是，在此实施例中，集水盖20某些情况下会在周向上发生偏离，因此，优选框架60的支承梁65具有能够限制集水盖20的旋转移动的手段。 

凹槽21需要具有这样的强度，即，该强度不仅能够承受容纳有原水的中空纤维膜元件1的负载，而且能够承受在处理水槽内注排原水所产生的水流的作用。因此，确定集水盖20上的凹槽21的结构、形状和位置不仅要考虑垂直地施加到中空纤维膜元件1上的负载，而且还要考虑水平地施 加到其上的负载。 

图5是示出集水盖20的透视图。集水盖20在其上部具有集水口，该集水口使用套环接头23连接至从集水管70上延伸出的导管71。集水盖20液密地连接至筒状容器40上。集水盖20在其侧壁上具有凹槽21。在形成凹槽21的部分上可设置肋27。 

集水盖20可由树脂材料形成，并且集水盖20的直径通常从大于100毫米到约几百毫米。在集水盖20具有厚壁部分的情况下，其形状不适合注射成型。并且，当集水盖通过切削加工生产时，其重量相当大。因此，可在集水盖20内提供使重量减轻的切削部28(削薄壁部分)。在此情况下，优选提供肋27，所述肋用于加固设置有凹槽21的部分。 

如图1所示，筒状容器具有在其侧壁上的开孔41以及位于其下部的空气导入筒42。在空气导入筒42下面设置有散气管，通过空气导入筒42导入筒状容器40内的空气在上升时使中空纤维膜10摆动，并且从开孔41离开。附着在中空纤维膜10表面上的悬浮物通过空气产生的摆动从中空纤维膜的表面剥离，从而维持中空纤维膜10的过滤效率。 

开孔41的位置优选为使75％或更多的开孔41的开孔面积设置在筒状容器40在垂直方向(图1中的垂直方向)上的上半区域内，更优选100％的开孔41的开孔面积设置在筒状容器40的上半区域内。在开孔41以更大量设置在筒状容器40的下半区域内的情况下，一部分空气不能在筒状容器40内升高，而是通过在下半区域内的开口41离开，从而不能使中空纤维膜10摆动，因而使从中空纤维膜10的表面剥离悬浮物的效果下降。 

锁紧螺母30通过包封集水盖20和筒状容器40彼此相接触的部分而使它们紧固。本发明的中空纤维膜元件1以集水盖20和中空纤维膜10成一体的状态更换，因此，在中空纤维膜10和筒状容器40彼此集成为一体的情况下，集水盖20和筒状容器40可通过粘合或焊接结合在一起。 

锁紧螺母30、筒状容器40、集水盖20以及空气导入筒42通常各自由树脂形成。作为用于形成这些构件的树脂，例如可以将聚乙烯树脂、聚丙烯、聚丁烯等的聚烯烃系树脂、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基树脂(PFA， perfiuoroalkoxyalkan)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)等的氟系树脂、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯等的氯系树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚烯丙基砜树脂、聚苯醚树脂，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂(ABS)、丙烯腈-苯乙烯共聚物树脂、聚苯硫醚树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚醚酮树脂、聚醚醚酮树脂等单独地使用或者混合地使用。 

锁紧螺母30、筒状容器40、集水盖20以及空气导入筒42可各自由不同于树脂的材料制成。所述材料的示例包括铝和不锈钢。这些构件还可由复合材料制成，例如树脂和金属的复合材料、玻璃纤维-增强塑料和碳纤维-增强塑料。筒状容器40、集水盖20以及空气导入筒42可由相同的或者不同的材料制成。 

中空纤维膜元件1的集水口22液密地连接至导管71，该导管连接至设置在框架60上的集水管70，并且，中空纤维膜元件1通过使框架的支承梁与凹槽21相接合而保持在预定的位置处，然后浸入处理水槽内。集水管70连接至负压泵，使用该负压泵将中空纤维膜10外部的原水经由集管吸入膜的内部。原水内的悬浮物被中空纤维膜10过滤，并且过滤后的水从集管经由集水口传送至集水管70。 

在预定的时间内完成过滤过程之后，通过逆向清洁或者通过空气洗涤剥离中空纤维膜10上积聚的悬浮物，在逆向清洁中，将过滤后的水或压缩空气从集水盖20传送至原水一侧，在空气洗涤中，压缩空气从设置在中空纤维膜元件1下面的散气管供给。 

在逆向清洁中，由于过滤后的水或压缩空气从中空纤维膜的内部流向外部，因此附着在中空纤维膜的外表面的悬浮物被剥离或者处于悬浮物易被剥离的状态。然后，悬浮物通过空气洗涤剥离，并且积聚在处理水槽的底面上。 

图6是示出框架60的一个实施例的透视图，该框架用于保持本发明的中空纤维膜元件1。框架60具有底座61、支柱62和多个平行的支承梁65。 底座61连接到支柱62上，支柱62用桁架63彼此固定，并且，由底座61、支柱62和桁架63保持框架的形状。 

支承梁65与本发明的中空纤维膜元件1相接合。各支承梁65可具有能够与设置在中空纤维膜元件1的集水盖20内的凹槽21相接合的形状。 

框架和支承梁65可通过没有特别限制的任何方法固定，并且在图6所示的实施例中，为了牢固地固定平行的支承梁65，支承梁65固定至位于支柱之间的桁架63上。 

可在框架60内设置集水管70和散气管75。集水管70为用于从中空纤维膜元件1收集过滤水并将过滤水排放到外面的管件。导管76用于向散气管75供给空气，并且用于从处理水槽的外部供给空气，图中仅示出了散气管75的一部分。散气管75从中空纤维膜元件1的下侧供给空气，以执行空气洗涤，该空气洗涤用于剥离积聚在中空纤维膜10表面上的悬浮物。为了获得稳定的操作，散气管75优选设置在中空纤维膜元件1的下面，并关于中空纤维膜元件1具有较小的相对位置改变。因此，散气管75优选为抗变形的，并且优选由钢或刚性树脂制成。由于散气管75长时间浸入处理水槽内，散气管75更优选由不锈钢或金属或与其相当的合金制成。 

散气管75具有用于供给空气的孔(图中未示出)。所述孔基本上设置在中空纤维膜元件1在水平面上的中心处，并且至少为一个中空纤维膜元件1设置一个孔。由于执行空气扩散操作是为了剥离积聚在中空纤维膜10上的悬浮物，因此，孔的位置不限于上面所述的位置，并且可考虑诸如处理水槽的形状和原水的性质之类的条件，以使用少量的空气供给有效地去除悬浮物的方式适当地控制孔的位置和数量。 

框架60优选由金属制成以用于保持中空纤维膜元件1，并且由于框架60长时间浸入处理水槽内，其更优选由不锈钢或金属或与其相当的合金制成。 

考虑到耐腐蚀性，支承梁65也优选由不锈钢或金属或与其相当的合金制成。为了防止支承梁65产生妨碍实际使用的损坏或变形，支承梁65需要具有这样的强度，即，该强度不仅能够承受容纳有原水的中空纤维膜元 件1的负载，而且能够承受在处理水槽内注排原水引起的水流所产生的负载。因此，通过考虑中空纤维膜元件1的重量和数量、处理水槽的容积以及注排原水引起的水流所产生的施加到中空纤维膜元件1上的负载来确定支承梁65的结构和形状。 

图7是示出膜过滤装置3的一个实施例的透视图，该膜过滤装置包含框架60，在框架60中已经接合了八个中空纤维膜元件1，所述八个中空纤维膜元件1呈两列四行。这里所述的列表示垂直于支承梁65的纵向的方向，而行表示支承梁65的纵向。通过将框架60的支承梁65与设置在集水盖20内的凹槽21嵌合而接合各中空纤维膜元件1。在图7所示的实施例中，除了在垂直于支承梁65的纵向的方向上——即在列的方向上——的两端的支承梁65以外，三个支承梁65各与两个中空纤维膜元件相接合，因此，接合四个元件不必需要八个支承梁。即，各个中空纤维膜元件设置于在垂直于支承梁的纵向的方向上相邻的支承梁之间所限定的各个空间，并且与该相邻的支承梁相接合。如上所述，与框架60相接合的中空纤维膜元件1各经由导管71从集水口连接至集水管。 

在图7所示的实施例中，除了在列的方向上以外，在支承梁65的纵向上-即在行的方向上-接合两个中空纤维膜元件1。即，在支承梁的纵向上每两个中空纤维膜元件与该支承梁相接合。在图7所示的实施例中，八个中空纤维膜元件1与框架60相接合，但是，不需要接合所有八个中空纤维膜元件1，例如，可接合七个中空纤维膜元件1。在例如将七个中空纤维膜元件1与框架60相接合的情况下，与中空纤维膜元件1相接合的支承梁65的位置不特别限定。与一个框架60相接合的中空纤维膜元件1的数量不特别限定，并且该数量可考虑待生产的膜过滤装置3的尺寸而确定。 

由于支承梁65仅***集水盖20的凹槽内，则中空纤维元件1可容易地与框架60接合。即使当中空纤维膜元件1上施加有旋转力时，由于支承梁65保持住集水盖20以限制其安装位置，所以中空纤维膜元件1不转动。 

中空纤维膜元件1的下部可固定至框架60。但是，由于中空纤维膜元件1是加工制品并且其大部分由树脂制成，所以中空纤维膜元件1不具有非常高的尺寸精度。因此，在中空纤维膜元件1不仅在集水盖处被固定而且在其下部被固定以限制该下部的位置的情况下，会存在固定时的调节问 题。因此，在通过除了使用根据本发明的凹槽接合以外的其它方法保持中空纤维膜元件1的情况下，优选在上部而不是下部进行中空纤维膜元件1的辅助位置限制。 

本发明可有利地应用于中空纤维膜元件的生产以及使用中空纤维膜元件生产的膜过滤装置，该膜过滤装置用于净化诸如河水和湖水之类的地表水，净化地下水，净化在处理水槽内的污水或废水，所述污水或废水形成于生产厂、餐馆、海产品加工厂以及食品厂。 

Claims (8)

1.一种膜过滤装置，其包括：

一种中空纤维膜元件，其包括：

多个中空纤维膜；

中空纤维膜固定件，所述中空纤维膜固定件将所述多个中空纤维膜的上部以开口方式捆束和固定；

中空纤维膜封闭件，所述中空纤维膜封闭件将所述多个中空纤维膜的下部以封闭方式捆束和固定；和

集水盖，所述集水盖与所述中空纤维膜固定件液密地接合，并且具有集水口和在外周形成的凹槽，

以及

一种用于中空纤维膜元件的框架，所述框架支承所述膜过滤装置的中空纤维膜元件，所述框架在要与所述中空纤维膜元件接合的接合部具有多个彼此平行的支承梁，

其中，通过将所述用于中空纤维膜元件的框架的所述支承梁沿与所述支承梁平行的方向***所述中空纤维膜元件的所述凹槽内，使所述凹槽与所述支承梁相接合。

2.如权利要求1所述的膜过滤装置，其中，多个所述中空纤维膜元件安装于所述框架，各个中空纤维膜元件设置于相邻的支承梁之间所限定的各个空间，并且与该相邻的支承梁相接合。

3.如权利要求1或2所述的膜过滤装置，其中，多个所述中空纤维膜元件安装于所述框架，在所述支承梁的纵向上每两个中空纤维膜元件与该支承梁相接合。

4.如权利要求1或2所述的膜过滤装置，其特征在于，所述中空纤维膜元件还包括筒状容器，所述筒状容器与所述集水盖液密地接合，并且，所述中空纤维膜固定件与所述筒状容器的内壁液密地接合。

5.如权利要求4所述的膜过滤装置，其特征在于，所述凹槽设置在所述集水盖的外周上的多个位置处或设置在所述集水盖的整个外周上。

6.如权利要求5所述的膜过滤装置，其特征在于，所述凹槽相对于所述集水盖在水平方向的截面上的任意中线轴对称地设置。

7.如权利要求6所述的膜过滤装置，其特征在于，在两个位置处设置所述凹槽。

8.如权利要求1或2所述的膜过滤装置，其特征在于，所述框架还包括散气管，所述散气管布置在所述中空纤维膜元件的下面。

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