一种可让膜丝在液体中伸缩漂洗的中空纤维膜组件,膜过滤系统及其工作方法

摘要

本发明提供一种可让膜丝在液体中伸缩漂洗的中空纤维膜组件，包括下端头（1）、设置于下端头（1）一侧的出水口（7）、上端头（2）、设置于上端头（2）一侧的膜丝带动机构、由中空纤维膜丝形成的中空纤维膜束（4）、支撑件（5）。采用本发明的中空纤维膜组件的膜过滤系统，使用简单可靠的膜丝带动机构，可使中空纤维膜束在液体中产生伸缩位移扰动、漂洗，实现去除膜表面积附的污染物，代替传统曝气达到清洗中空纤维膜的目的，使膜过滤系统中省去了曝气相关机器设备的购置成本、有效降低膜过滤系统的用电能耗、维护成本。

说明书

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体涉及一种可让膜丝在液体中伸缩漂洗的中空纤维膜组件，膜过滤系统及其工作方法。

背景技术

膜分离技术已广泛应用于水的净化处理或液体的过滤分离等领域，其中在浸没式中空纤维膜过滤系统中由于膜内外两侧的浓差极化现象，膜外表面会积附浓缩悬浮物而降低膜的过滤流量，现有技术基本上均使用曝气的方式，即在待处理液中接入空气形成气泡，来带动膜丝扰动，减少膜外表面积附的浓缩悬浮物，以达到清洗膜的目的，如中国专利申请号CN200780002710.6 揭示的膜过滤设备及其操作方法中所述的膜清洗均使用曝气的方式。此类曝气使用鼓风机等设备对电能的消耗很高，并且设备长期维护更需投入较高成本。目前尚无不依赖曝气清洗膜的方式。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种不依赖曝气也能进行膜清洗的中空纤维膜组件，膜过滤系统及其工作方法，克服现有技术中存在的，在包含中空纤维膜组件的膜过滤系统中，依靠曝气来清洗膜表面污染时，设备的电能消耗太高，设备的长期维护成本投入高的问题。

本发明解决上述问题的具体技术方案是，提供一种可让膜丝在液体中伸缩漂洗的中空纤维膜组件，所述的中空纤维膜组件包括下端头1、设置于下端头1一侧的出水口7、上端头2、设置于上端头2一侧的膜丝带动机构、由中空纤维膜丝形成的中空纤维膜束4、支撑件5；

所述的中空纤维膜束4下端固定在下端头1内，且中空纤维膜束4下端的末端开口形成膜束开口端，膜束开口端与出水口7连通；

所述的中空纤维膜束4上端连接膜丝带动机构；

所述的膜丝带动机构用于带动中空纤维膜束4作位移扰动；

所述的支撑件5位于下端头1和上端头2之间，在两者之间起支撑固定作用。

所述的中空纤维膜束4下端可以是固定端，固定在下端头1内；中空纤维膜束4由多根中空纤维膜丝集合在一起形成，中空纤维膜束4包含的中空纤维膜丝数量可以从数根到数万根。中空纤维膜束4下端的末端可以开口形成膜束开口端，膜束开口端与出水口7连通。

所述的中空纤维膜束4上端可以是活动端，此活动端可以和膜丝带动机构连接在一起，被膜丝带动机构带动活动。

所述的位移扰动可以是一切可能形式的机械运动，如伸缩，振动，扭动或者以上几种运动方式的复合运动等，造成对中空纤维膜丝的扰动；中空纤维膜束4上端的末端可以是封闭的；膜丝带动机构带动中空纤维膜束4所需的驱动力可以来自膜过滤系统内部，利用膜过滤系统现有的配置和膜丝带动机构自身组成部件的属性产生，如浮力，重力等，从而形成类似免外部动力输入的工作形式；膜丝带动机构带动中空纤维膜束4所需的驱动力也可以来自外部其他独立的能量来源，不受膜过滤系统现有配置的限制，如电驱动，气驱动，液压驱动等形式。膜丝带动机构最终带动中空纤维膜束4产生机械运动，使中空纤维膜丝发生扰动，从而去除附着在中空纤维膜丝表面的污染物。采用膜丝带动机构进行膜清洗的方式在能耗上优于传统的曝气清洗方式，因为传统的曝气清洗方式是通过扰动液体再间接扰动中空纤维膜束实现膜清洗，不如本发明的技术方案直接扰动中空纤维膜束效率高。

进一步地，所述的中空纤维膜组件还包括设置于下端头1一侧的排污通道，所述的排污通道用于连通中空纤维膜束4之间的间隙空间和下端头1的外部。

排污通道提供了污染物排出通道，用于将中空纤维膜组件工作中，从中空纤维膜丝表面脱落，存在于中空纤维膜束4之间的间隙空间的污染物排出到下端头1的外部，也就是中空纤维膜组件外部。

进一步地， 所述的中空纤维膜束4下端由浇铸材料6固定在下端头1内；所述的排污通道包括通孔柱子1.1，所述的通孔柱子1.1设于下端头1内，所述的通孔柱子1.1的通孔内腔形成贯穿下端头1和浇铸材料6的空隙通道，连通中空纤维膜束4之间的间隙空间和下端头1的外部。

排污通道采取了通孔柱子1.1形式的设置，提供了污染物排出通道，用于将中空纤维膜组件工作中，从中空纤维膜丝表面脱落，存在于中空纤维膜束4之间的间隙空间的污染物排出到下端头1的外部，也就是中空纤维膜组件外部。传统的曝气清洗膜的方式一般没有类似的排污通道。

进一步地， 所述的膜丝带动机构包括设置于上端头2内的导向杆限位孔2.1和伸缩机构3；所述的中空纤维膜束4上端连接伸缩机构3；所述的伸缩机构3可带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1作伸缩运动。

所述的下端头1、上端头2可以是方形、圆形、六边形或其他多边形、或其它几何形状；其中，下端头1内的通孔柱子1.1横截面形状可以是长条形、圆形、或其它几何形状。所述的下端头1内的通孔柱子1.1数量可以是一个或多个。通孔柱子1.1的通孔内腔形成的空隙通道有利待过滤液体中悬浮物的自由通过，形成沉降，并可减少中空纤维膜束4根部污染物的沉积堆叠，有效降低膜污染。

进一步地， 所述的支撑件5是筒状壳体结构或者杆状体结构。  

当所述的支撑件5是筒状壳体结构时，所述的中空纤维膜束4位于筒状壳体内；

 当所述的支撑件5为杆状体结构时，数量是一根或多根，杆状体可以是横截面为空心或实心的型材，它的材质可以是ABS、PVC等工程塑料或是不锈钢等其它金属材料。

进一步地，所述的筒状壳体上开有孔5.1。

中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通，以使在过滤过程中，中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8能不断得到补充。如图7A、图7B所示，支撑件5是筒状壳体结构时，通过筒状壳体上的孔5.1使中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通；如图8所示，支撑件5是杆状体结构，通过杆之间的间隙使中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通。

进一步地， 所述的伸缩机构3为浮子结构，所述的浮子结构连接中空纤维膜束4上端；所述的浮子结构带限位机构，所述的限位机构控制所述的浮子结构带动中空纤维膜束4在设定的范围内伸缩运动。

所述的浮子结构在浮力和重力的作用下，带动中空纤维膜束4在设定的范围内伸缩运动。

伸缩机构3，如浮子结构，带动中空纤维膜束4所需的驱动力如浮力，重力等来自膜过滤系统内部，可以利用膜过滤系统现有的配置中相对应的部分（如待过滤液体8），和浮子结构自身组成部件的属性自发产生。伸缩机构3再进一步结合中空纤维膜组件中相对应的部分，以及结合膜过滤系统现有的配置中相对应的部分（如待过滤液体8），配合适当的控制方式，形成类似免外部动力输入的工作形式。

进一步地，所述的浮子结构包括连接中空纤维膜束4上端的浮球3.1、导向杆3.2和位于顶端的增强浮球3.3；所述的浮球3.1、导向杆3.2和位于顶端的增强浮球3.3配合上端头2内的导向杆限位孔2.1构成限位机构，控制浮球3.1带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1在设定范围内伸缩运动。

导向杆3.2相当于位于导向杆限位孔2.1两侧的部件-浮球3.1与增强浮球3.3之间的连接件；导向杆限位孔2.1限定导向杆3.2运动的方向。

利用顶端的增强浮球3.3，可以根据需要，进一步调节所需浮力的大小。

利用浮力和重力，采用浮子结构带动中空纤维膜丝在液体中产生伸缩位移扰动、漂洗，实现去除膜表面积附的污染物，不需要外部额外动力输入，简单可靠，实现了节省能量和低成本的设备运行。利用限位机构控制中空纤维膜束4上端上下伸缩运动的范围，不会因为过度伸缩对中空纤维膜丝的性能有不良影响。

进一步地， 所述的伸缩机构3为机械驱动结构，所述的机械驱动结构连接中空纤维膜束4上端；所述的机械驱动结构带限位机构；所述的机械驱动结构产生驱动力，带动中空纤维膜束4在设定的范围内伸缩运动。

伸缩机构3，如机械驱动结构，有独立的能量来源，不受膜过滤系统现有配置的限制，带动中空纤维膜束4所需的驱动力由机械驱动结构自行产生，如电驱动，气驱动，液压驱动等形式。利用限位机构控制中空纤维膜束4上端上下伸缩运动的范围，不会因为过度伸缩对中空纤维膜丝的性能有不良影响。

进一步地， 所述的机械驱动结构包括连接中空纤维膜束4上端的导向杆3.2和驱动装置3.4；所述的驱动装置3.4可带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1作设定行程的伸缩运动。也就是驱动装置3.4带动中空纤维膜束4在设定的范围内伸缩运动。

所述的驱动装置3.4可以是气缸驱动装置、液压缸驱动装置、电驱动装置或者其他可做直线运动的驱动装置。驱动装置3.4相当于机械驱动结构中的驱动执行部分，是机械驱动结构中产生驱动力的部分。导向杆3.2相当于机械驱动结构中的附属零件部分，是位于导向杆限位孔2.1两侧的部件-驱动装置3.4与中空纤维膜束4上端之间的连接件；导向杆限位孔2.1限定导向杆3.2运动的方向。

进一步地，本发明还提供一种膜过滤系统，包括如前所述的任意一种形式的中空纤维膜组件。

进一步地，本发明还提供一种包括所述的中空纤维膜组件的膜过滤系统的工作方法，所述的膜过滤系统的工作方法包含如下步骤：所述的膜过滤系统工作时，膜丝带动机构带动中空纤维膜束4作位移扰动，从而去除积附在膜表面的污染物。

进一步地，本发明还提供一种包括所述的中空纤维膜组件的膜过滤系统的工作方法，所述的膜过滤系统工作时包含如下步骤：

a、中空纤维膜组件浸没待过滤液体8中，出水口7连接至过滤液收集管路9，浮子结构受浮力影响上升，浮球3.1上升，中空纤维膜束4整体呈现相对伸直状态;

b、中空纤维膜组件过滤工作至设定时间后，降低待过滤液体8的液位高度直至浮球3.1露出液面；期间浮子结构受重力影响下沉，浮球3.1下沉，中空纤维膜束4整体出现位移运动变为相对弯曲状态，此过程中空纤维膜束4发生位移扰动，从而去除积附在膜表面的污染物。

通过设定规律的浮球3.1上升（步骤a）、下沉（步骤b），带动中空纤维膜束4在液体中扰动、漂洗，从而去除积附在膜表面的污染物。

进一步地，本发明还提供一种包括所述的中空纤维膜组件的膜过滤系统的工作方法， 所述的膜过滤系统工作时，中空纤维膜组件浸没在待过滤液体8中进行过滤，当达到设定时间后，启动驱动装置3.4带动中空纤维膜束4作设定时间、设定行程的规律伸缩运动，使中空纤维膜束4发生位移扰动，从而去除积附在膜表面的污染物。

所述的驱动装置3.4可带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1作设定行程的伸缩运动，也就是带动中空纤维膜束4在设定的范围内伸缩运动。

驱动装置3.4相当于机械驱动结构中的驱动执行部分，是机械驱动结构中产生驱动力的部分。

膜过滤系统的过滤方式可以是抽吸过滤，使中空纤维膜束4发生位移扰动的过程中，膜过滤系统的过滤工作可以不停止地同步进行，也可以暂停。

本发明的有益效果在于，提出一种可让膜丝在液体中伸缩漂洗的中空纤维膜组件，通过下端头、设置于下端头一侧的出水口、上端头、设置于上端头一侧的膜丝带动机构、由中空纤维膜丝形成的中空纤维膜束、支撑件的整体协同作用的技术方案，不依赖曝气，使用简单可靠的膜丝带动机构直接作用于中空纤维膜束，使中空纤维膜束中的膜丝在液体中产生伸缩等位移扰动，让膜丝漂洗，实现去除膜表面积附的污染物，代替传统的曝气清洗方式，达到清洗中空纤维膜的目的。采用膜丝带动机构进行膜清洗的方式在能耗上优于传统的曝气清洗方式，因为传统的曝气清洗方式是通过扰动液体再间接扰动中空纤维膜束实现膜清洗，不如本发明的技术方案直接扰动中空纤维膜束效率高。采用本发明中空纤维膜组件的膜过滤系统省去了曝气相关机器设备的购置成本、有效降低膜过滤系统的用电能耗、维护成本。采用本发明的优选方案，如类似浮子结构这样简单可靠的膜丝带动机构，可以实现去除中空纤维膜丝表面所积附的污染物，无需外部额外动力输入，进一步降低了设备能耗和维护成本，提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明所述的中空纤维膜组件结构的剖视示意图；

图2是本发明所述的中空纤维膜组件下端A-A剖视的局部示意图；

图3是本发明所述的中空纤维膜组件的仰视示意图；

图3A、3B、3C、3D是本发明所述的下端头的其他几种结构形式示意图；

图4是本发明所述的中空纤维膜组件上端头的端面俯视图；

图5是本发明所述的中空纤维膜组件的膜过滤系统过滤工作时，受浮子结构上升浮力影响，中空纤维膜束整体呈现相对伸直状态的示意图；

图6是本发明所述的中空纤维膜组件的膜过滤系统在液位高度降低后受浮子结构下沉影响，中空纤维膜束整体出现位移运动变为相对弯曲状态的示意图；

图7A、7B是本发明所述的中支撑件为筒状壳体结构时，筒状壳体上不同形式开孔的局部示意图；

图8是本所明所述的中支撑件为杆状体结构时，中空纤维膜组件结构的剖视示意图；

图9是本发明所述的另一种实施例的中空纤维膜组件结构剖视示意图。

图中所示：1-下端头、1.1-通孔柱子、2-上端头、2.1-导向杆限位孔、3-伸缩机构、3.1-浮球、3.2-导向杆、3.3-增强浮球、3.4-驱动装置、4-中空纤维膜束、5-支撑件、6-浇铸材料、7-出水口、8-待过滤液体、9-过滤液收集管路、10-源水输入口、11-待过滤液排流口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，将多束中空纤维膜束4下端由浇铸材料6（例如，环氧树脂）固定在下端头1内，且中空纤维膜束4下端末端开口形成膜束开口端，膜束开口端与下端头1的出水口7连通，中空纤维膜束4上端固定在伸缩机构3内，且中空纤维膜束4上端末端封闭，伸缩机构3为浮子结构，浮子结构包括连接固定膜丝的浮球3.1、导向杆3.2和位于顶端的增强浮球3.3，浮球3.1、导向杆3.2和位于顶端的增强浮球3.3配合上端头2内的导向杆限位孔2.1构成限位机构，控制浮球3.1带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1在设定范围内上下运动，浮子结构可沿导向杆限位孔2.1在竖直方向自由运动，支撑件5位于下端头1、上端头2之间，在两者之间起支撑固定作用。

中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通，以使在过滤过程中中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8能不断得到补充。如图7A、图7B所示，支撑件5是筒状壳体结构时，通过筒状壳体上的孔5.1使中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通；如图8所示，支撑件5是杆状体结构，通过杆之间的间隙使中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和中空纤维膜组件外部的待过滤液体8连通。下端头1内设有多个数量的通孔柱子1.1，通孔柱子1.1的通孔内腔形成贯穿下端头1和浇铸材料6的空隙通道，连通中空纤维膜束4之间的间隙空间和下端头1的外部，也就是使中空纤维膜束4之间的间隙空间的待过滤液体8和下端头1下部的待过滤液体8连通，如图2、图3、图5、图6所示，此空隙通道有利待过滤液体中悬浮物的自由通过，形成沉降，并可减少中空纤维膜束4根部污染物的沉积堆叠，有效降低膜污染。图3A、3B、3C、3D是本发明所述的下端头1内的通孔柱子1.1其他几种结构形式。图3A中，通孔柱子1.1横截面形状是方形；图3B中，通孔柱子1.1横截面形状是圆形；图3C中，通孔柱子1.1横截面形状是方形槽；图3D中，通孔柱子1.1横截面形状是环形槽。

如图5所示，包含上述中空纤维膜组件的膜过滤系统工作时，待过滤液体8完全淹没中空纤维膜组件。出水口7连接至过滤液收集管路9，待过滤液体8经中空纤维膜丝过滤后，形成过滤液，从中空纤维膜束4下端膜束开口端流出，最后汇集到出水口7；中空纤维膜组件以额定过滤流量抽吸工作，同时待过滤液体8以和额定过滤流量相匹配对应的额定进水流量从源水输入口10进行同步补给，以保持中空纤维膜组件在此抽吸工作过程中完全淹没在待过滤液体8中，此时受浮子结构上升浮力影响，中空纤维膜束4整体呈现相对伸直状态。抽吸工作时待过滤液体中的悬浮物会不断积附在中空纤维膜束4外表面造成污染，影响过滤流量，此时需要让中空纤维膜束4发生一定的扰动，以去除膜表面积附悬浮物达到清洗的目的，如图6所示，在中空纤维膜组件抽吸工作至设定时间后，暂停抽吸过滤，关闭源水输入口10并开启待过滤液排流口11，以降低待过滤液体8的液位高度，直至浮球3.1完全露出液面，期间受浮子结构下沉影响，中空纤维膜束4整体出现位移运动变为相对弯曲状态，此过程中空纤维膜束4发生位移扰动，从而去除积附在膜表面的悬浮物，以达到清洗中空纤维膜束4的目的。

与现有使用曝气的方式来清洗膜的传统技术比较，上述本发明实施例的技术方案可使中空纤维膜在液体中产生伸缩位移扰动、漂洗，实现去除膜表面积附的污染物，与传统曝气达到相同的清洗目的，可节省曝气相关机器设备的购置成本、降低膜过滤系统的用电能耗、维护成本。具体如下表：

项目使本发明后用于膜清洗的曝气设备购置费节省100%曝气设备运行用电能耗节省100%

实施例2：

如图9所示，将多束中空纤维膜束4下端由浇铸材料6固定在下端头1内，且中空纤维膜束4下端末端开口并与下端头1的出水口7连通，中空纤维膜束4上端固定在伸缩机构3内，且中空纤维膜束4上端末端封闭，伸缩机构3为机械驱动结构，机械驱动结构由连接固定膜丝的导向杆3.2、驱动装置3.4组成。驱动装置3.4相当于机械驱动结构的驱动执行部分，是机械驱动结构中产生驱动力的部分。导向杆3.2相当于机械驱动结构中的附属零件部分，是驱动装置3.4与中空纤维膜束4上端的末端封闭端之间的连接件。包含上述中空纤维膜组件的膜过滤系统在抽吸工作工程中，根据膜污染状况需要，可周期性的启动驱动装置3.4，以带动中空纤维膜束4沿导向杆限位孔2.1在竖直方向作设定行程的伸缩运动，以漂洗、去除膜表面积附的污染物。所述的驱动装置3.4可以是气缸驱动装置、液压缸驱动装置、电驱动或者其他可做直线运动的驱动装置。驱动装置3.4可以有自己独立的能量来源，不受膜过滤系统现有配置的限制。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”，“下”，“前”，“后”，“左”，“右”，“顶”，“底”等指示的方位或位置为基于附图所示方位或位置关系，仅为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。

应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。