膜分離裝置的最小單元稱為膜組件，對于卷式膜則通常稱為膜元件。膜組件的設計須實現以下兩個目標：
①為了限制濃差極化現象（脫鹽膜）和顆粒沉積（澄清分寓膜，即過濾膜）胞發生，必須確保被處理液體在膜內維持足夠高的循環速度：
②緊湊的膜組件排列方式，即實現單位體積內膜面積的最DA化。
這兩個目標有助于降低噸水處理所滿膜組件的成本，但會增大運行能耗：高循環水流速度和縮窄的通道將會增大水頭損失，因此必須統籌考慮。
膜組件的設計還須滿足以下要求：
①易于反沖洗，能夠進行水力清洗、化學清洗或消毒，甚至達到無菌狀態；
②易于安裝和拆卸；
③可選擇自動化運行。
1. 平板膜組件：
平板膜組件由多個層疊設置的平板膜元件和用于固定平板膜元件的支撐框架組件。
無論是微濾，還是高壓反滲透工藝，平板膜均可應用，平板膜通常用于高濃度水的處理。
根據過濾壓力對平板膜組件進行設計。待處理的水將會在相鄰的兩個平板膜之間循環流動。與此同時，平板對膜起著機械支撐作用，并且及時排出濾液。不同膜組件可并聯或串聯排列，使得單個組件的膜面積可達120㎡。在平板凹槽中手機的產水在高壓（RO、NF）或者真空（UF、MF）作用下排出。平板之間的間隙為0.5～3mm。
圖1為某平板超濾膜廠家所生產的膜架和平板膜元件。
圖1 平板膜組件
平板膜元件的下方沒有曝氣裝置，以進行氣洗。
這種膜的緊湊性一般，優點是容易拆卸，因此如此需要可以進行*的人工清洗，同樣也可輕松更換膜片。鑒于循環流道較長的形狀曲折，其水頭損失大。由于單個膜元件表面積較小，因此需要使用更多膜元件和連接裝置，從而會降低系統的可靠性。
2. 中空纖維膜組件
直徑為0.6～2mm的中空纖維是將膜材料通過環形模具擠壓制得。中空纖維的厚度與直徑的比例使其能承受運行時所受到的內部或外部壓力，因而被稱為自支撐膜（有些膜絲在內部增加了支撐層以提高其強度）。成千根的中空纖維膜絲組裝在一起排列成束制成膜組件。
待處理的水在中空纖維膜的內部（內壓式膜）或外部（外壓式膜）流動。
這種膜組件的顯著優勢是可以定期進行反沖洗（每20min～2h一次），從而使膜絲可以一直在遠地域其機械強度極限的工況下運行。
圖2所示為Aquasource內壓式超濾膜組件Ultrazur450的典型配置。這種膜組件由35600根0.9mm直徑的中空纖維組成，膜面積為125m2。這種膜組件可以以死端過濾或錯流過濾方式運行。
外壓式中空纖維膜組件也具有相同的幾何特征，待處理的水在膜絲的外部流動，過濾后出水匯集至膜絲末端。這些膜也易于反沖洗，但是通常只采用死端過濾模式（流體在成束的膜絲間的流態要復雜得多）。圖3展示的是浸沒式超濾系統中的外壓式超濾膜組件，這些膜絲被直接浸沒在水或懸浮液中用于過濾，通過抽真空（20～60kPa）的方式將濾液通過膜絲抽除。
除了極少數特殊膜組件（見陶瓷膜組件）和一些用于膜生物反應器的平板膜組件外，所有過濾分離膜（微濾或超濾）均為內壓式膜或外壓式膜。這些中空纖維膜組件，易于反沖洗且水頭損失小，其操作壓力通常地域lbar（lbar=105Pa）。
日本的Toyobo公司是現在唯1出售外壓式反滲透膜（海水型）的公司，這種中空纖維的直徑（130μm）實際上遠小于前述的超濾和微濾膜。相比于卷式膜組件，其耐壓強度高（操作壓力80bar）且更加緊湊。
無論是內壓式還是外壓式中空纖維膜，都須防止大顆粒物堵塞膜組件。因此，在任何膜系統進水除均需安裝過濾精度為150～500μm的保安過濾器。
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