MBR膜分离技术——平板膜组件与中空纤维膜组件对比分析

       膜分离装置的最小单元称为膜组件，对于卷式膜则通常称为膜元件。膜组件的设计须实现以下两个目标：

       ①为了限制浓差极化现象（脱盐膜）和颗粒沉积（澄清分寓膜，即过滤膜）胞发生，必须确保被处理液体在膜内维持足够高的循环速度：

       ②紧凑的膜组件排列方式，即实现单位体积内膜面积的最DA化。

       这两个目标有助于降低吨水处理所满膜组件的成本，但会增大运行能耗：高循环水流速度和缩窄的通道将会增大水头损失，因此必须统筹考虑。

       膜组件的设计还须满足以下要求：

       ①易于反冲洗，能够进行水力清洗、化学清洗或消毒，甚至达到无菌状态；

       ②易于安装和拆卸；

       ③可选择自动化运行。

       1. 平板膜组件：

       平板膜组件由多个层叠设置的平板膜元件和用于固定平板膜元件的支撑框架组件。

       无论是微滤，还是高压反渗透工艺，平板膜均可应用，平板膜通常用于高浓度水的处理。

       根据过滤压力对平板膜组件进行设计。待处理的水将会在相邻的两个平板膜之间循环流动。与此同时，平板对膜起着机械支撑作用，并且及时排出滤液。不同膜组件可并联或串联排列，使得单个组件的膜面积可达120㎡。在平板凹槽中手机的产水在高压（RO、NF）或者真空（UF、MF）作用下排出。平板之间的间隙为0.5～3mm。

       图1为某平板超滤膜厂家所生产的膜架和平板膜元件。

图1  平板膜组件

       平板膜元件的下方没有曝气装置，以进行气洗。

       这种膜的紧凑性一般，优点是容易拆卸，因此如此需要可以进行*的人工清洗，同样也可轻松更换膜片。鉴于循环流道较长的形状曲折，其水头损失大。由于单个膜元件表面积较小，因此需要使用更多膜元件和连接装置，从而会降低系统的可靠性。

       2. 中空纤维膜组件

       直径为0.6～2mm的中空纤维是将膜材料通过环形模具挤压制得。中空纤维的厚度与直径的比例使其能承受运行时所受到的内部或外部压力，因而被称为自支撑膜（有些膜丝在内部增加了支撑层以提高其强度）。成千根的中空纤维膜丝组装在一起排列成束制成膜组件。

       待处理的水在中空纤维膜的内部（内压式膜）或外部（外压式膜）流动。

       这种膜组件的显著优势是可以定期进行反冲洗（每20min～2h一次），从而使膜丝可以一直在远地域其机械强度极限的工况下运行。

       图2所示为Aquasource内压式超滤膜组件Ultrazur450的典型配置。这种膜组件由35600根0.9mm直径的中空纤维组成，膜面积为125m²。这种膜组件可以以死端过滤或错流过滤方式运行。

外压式中空纤维膜组件也具有相同的几何特征，待处理的水在膜丝的外部流动，过滤后出水汇集至膜丝末端。这些膜也易于反冲洗，但是通常只采用死端过滤模式（流体在成束的膜丝间的流态要复杂得多）。图3展示的是浸没式超滤系统中的外压式超滤膜组件，这些膜丝被直接浸没在水或悬浮液中用于过滤，通过抽真空（20～60kPa）的方式将滤液通过膜丝抽除。

       除了极少数特殊膜组件（见陶瓷膜组件）和一些用于膜生物反应器的平板膜组件外，所有过滤分离膜（微滤或超滤）均为内压式膜或外压式膜。这些中空纤维膜组件，易于反冲洗且水头损失小，其操作压力通常地域lbar（lbar=105Pa）。

       日本的Toyobo公司是现在唯1出售外压式反渗透膜（海水型）的公司，这种中空纤维的直径（130μm）实际上远小于前述的超滤和微滤膜。相比于卷式膜组件，其耐压强度高（操作压力80bar）且更加紧凑。

       无论是内压式还是外压式中空纤维膜，都须防止大颗粒物堵塞膜组件。因此，在任何膜系统进水除均需安装过滤精度为150～500μm的保安过滤器。

图2

图3