申请日2014.03.25
公开(公告)日2016.10.12
IPC分类号B01D63/02; B01D65/02
摘要
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。
权利要求书
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。
说明书
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。