CN101065177A - 浸没式横向流过滤 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜过滤组件(5)，包括在其中设置的多个可渗透空心薄膜(6)，其中，在使用中，横过浸没于包含悬浮固体物质的悬浮液中的所述可渗透空心薄膜(6)的壁施加压差，所述悬浮液应用于所述可渗透空心薄膜(6)的一个表面而通过所述膜壁进行导引和持续的过滤，其中一部分悬浮液经过所述膜壁的作为滤清的液体或渗液放出，并且至少一部分固体滞留在所述可渗透空心薄膜(6)上或其内部，或者作为悬浮固体物质滞留在悬浮液内，所述组件(5)包括至少部分地围绕所述薄膜组件(5)的流体保持装置(13)，用于大体上保持流入所述薄膜组件(5)中的至少部分流体。

Description

浸没式横向流过滤
技术领域
本发明涉及薄膜过滤装置，尤其是涉及浸没式薄膜过滤装置和操作方法
背景技术
利用空气冲刷的浸没式薄膜过滤方法出现在上世纪80年代。用于过滤的驱动力通过吸气或者静压力水头代替了加压作用，因此不需要使用容纳薄膜组件的压力容器，导致显著的节约了资本费用，形成了薄膜过滤系统。然而，在这种过滤方法中用于冲刷所述薄膜的气体/空气消耗占据了运转能量的主要部分，这导致操作成本超出了期望值。因此，从引入了这样的系统以来就已经在减少所述气体/空气消耗方面进行了很大的努力。
为了达到上述的目的，需要关注两个主要的方向：
a)改进所述薄膜的性质，也就是使所述薄膜具有低污垢率和高渗透性；以及
b)改进所述过滤/清洁方法。
有几个重要因素影响特定薄膜的冲刷效果。已知的是通过将组件重新调整成具有小的结构就可以使空气的更有效率地使用。用这种方法，一定数量的空气可以集中起来从而更有效率地冲刷所述薄膜。利用高存储密度的组件还能节省每单位薄膜面积上的空气消耗量，通过间断的而不是连续的注入空气冲刷所述薄膜是节约空气消耗量的另一种方法。
其他已知的方法还包括利用气体和液体的混合物冲刷所述薄膜。这样的方法在所述薄膜生物反应器中具有特别的重要性，其中所述薄膜过滤的混合溶液包括高浓度的悬浮固体物质，且需要对混合溶液进行再循环以实现反硝化作用。这样的方法利用上述的混合溶液重复循环流动与空气一起冲刷所述薄膜，如此以致于使所述薄膜表面附近的固相含量极化度变得最小，并且能防止所述混合溶液脱水。所述薄膜组件的设计的目的在于使进入所述薄膜束中的二相混合物实现均匀分布。在已知的组件中，薄膜典型地直接地暴露于进料或者限制在筛网圆筒中。因此，在流体沿着所述组件传送时，仍然有一定程度的能量损失。
在薄膜方法的发展初期，普遍地使用横向流过滤，其中通过高速运转的泵送作用产生的剪切力穿越所述薄膜表面。因为要求提供更多的能量去产生很高的剪切力以有效地清洁的所述薄膜，所述横向流过滤方法的应用出现了局限性，主要体现在管状的薄膜过滤领域。
发明内容
本发明的目的是解决或者改善现有技术中的至少一种不利情况，或者是提供有益的替换。
依照本发明的一个方面所提供的薄膜渗透组件的类型包括在其中设置的多个可渗透空心薄膜，其中，在使用中，施加的压差横过浸没于包含悬浮固体物质的悬浮液中的所述可渗透空心薄膜的壁，所述悬浮液应用于所述可渗透空心膜的一个表面而通过所述膜壁进行导引和持续的过滤，其中经过所述膜壁的一部分悬浮液作为滤清的液体或渗液放出，并且至少一部分固体滞留在所述可渗透空心薄膜上或其内部，或者作为悬浮固体物质滞留在悬浮液内，所述组件包括至少部分地围绕所述薄膜组件的流体保持装置，用于大体上保持流入所述薄膜组件至少部分流体。
依照本发明的第二方面，提供了利用设置在薄膜组件中的多个可渗透空心薄膜将固体从悬浮液中过滤出的方法，所述方法包括：
使包含所述悬浮液的流体流入所述薄膜组件而使所述悬浮液施加到所述可渗透空心薄膜的一个表面上；
横过浸没于包含悬浮固体物质的悬浮液中的所述可渗透空心薄膜的壁施加压差，以通过所述膜壁进行导引和持续过滤，其中一部分悬浮液经过薄膜壁而作为滤清的液体或渗液放出，并且至少一部分固体滞留在所述可渗透空心薄膜上或内部，或者做为悬浮固体物质滞留在悬浮液内；以及
利用至少部分围绕薄膜组件周围的一流体保持装置来大致保持流入薄膜组件的至少一部分流体。
优选地是，在一种方式下，所述流体保持装置包括基本上围绕所述薄膜组件的外周部的套筒。作为优选的是，所述套筒是不透水的，更优选的是实心的。优选地是，所述套筒具有沿着所述组件的长度方向延伸的箱形的结构。需要认识到的是所述术语″箱形″包括任意所需的适合于所述薄膜组件的形状的横截面形状。优选地是，所述套筒在一端带有开口，以允许所述流体通过。优选地是、在另一种方式下，所述流体保持装置包括至少一对设置在所述组件的两侧的相对的壁。作为优选地是，所述组件超过50％的部分被所述流体保持装置包裹，并且更优选地是70％或者以上的部分被包裹。
优选地是，所述流体包括至少一部分悬浮液。所述悬浮液可以通过多种方式传送给所述组件，包括通过直接供给或者通过气体提升作用传送。作为优选地是，所述流体还包括气体和/或气体/液体混合物。
优选地是，所述组件浸没于容纳所述悬浮液的储液器中，并且通过向所述薄膜内腔施加真空或者静压力水头而收集渗液。作为优选地是，在所述组件的内部的薄膜在上下集管之间延伸，所述悬浮液和气体输送到所述下集管之下或者所述组件的下集管的附近。优选地是，所述流体通过在所述下集管中的开口流入所述组件。所述双相的流体然后沿着所述组件的长度方向流动，产生横向流作用。液体或者气体，或者两者都可以连续地或者间歇地被注入到所述组件中。
附图说明
现在将对本发明的优选方案作描述，所举的例子仅仅是非限制性的，有关的附图如下，其中：
图1a显示依照本发明的实施例的薄膜组件结构的简化剖视侧面立视图；
图1b显示已知的具有滤网的薄膜组件结构的简化剖视侧面立视图；
图1c显示已知的围绕所述纤维薄膜没有约束的薄膜组件结构的简化剖视侧面立视图；
图2a显示了依照本发明的另外的实施例的薄膜组件结构的简化的透视图。
图2b显示了依照本发明的又一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图；
图2c显示了依照本发明的另一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图；
图2d显示了依照本发明的又一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图；
图3显示了依照本发明的另一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图；
图4显示了依照本发明的另一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图；以及
图5显示了依照本发明的又一种实施例的薄膜组件结构的简化的透视图。
具体实施方式
图1a至1c显示了三种不同的组件结构的操作。在每个结构中的薄膜组件5具有多个空心的纤维膜6在上下集管7和8之间延伸。上集管7中的所述纤维6开口进入到渗液集合室9中。所述下集管8具有多个通风开口10将气体和/或液体供给到所述薄膜组件中。在所述下集管8的下方设置了开口的混合室11，所述混合室11通常由向下延伸的边缘12形成。也可以使用关闭的混合室。
图1a显示本发明的一个优选实施方式的结构。气体，通常是空气，和进给液体注入到薄膜组件5内，所述薄膜组件5处于围绕在所述组件5的外周部的封闭结构或者套筒13中。所述进给液体也可以通过气体提升引入所述组件5中。所述气体/液体混合物沿着所述组件5往上流而产生横向流作用。气泡和浓缩进给液通过所述封闭结构13的上部的开口14而在所述组件5的上集管7释放。
所述气体和进给液体可以在所述下集管8之下的开口的腔室11中混合，然后送入所述组件5。或者，所述两相流体可以通过直接的连接件(未示出)直接地注入到所述下集管8中。气体或者液体，或者两者都可以连续地或者间歇地供应。
图1b显示了已知的组件结构，其中组件5具有多孔的滤网15。尽管气体和进给液体的混合物注入到所述组件5中，气泡可以从所述组件5的任意的部分部分地排出，并且所述进给液体随着进给液体的容量的增大也可以通过扩散而排出。因此，在上述的结构中的所述横向流作用减弱了。
如果在组件5中没有使用滤网，所述薄膜纤维6可以在很大的区域里活动，如图1c所示。当气体和/或进给液体注入所述组件5中时，所述薄膜的清洁是通过气体冲刷可摆动的纤维实现的，如美国专利No.5,783,083中的描述那样。靠近所述薄膜表面的液体通过随着液体容量增加的传递而更新。所述气体和液体可以在所述组件之内自由地排出，因此很少或者根本没有横向流作用。
美国专利No.6,524,481公开了使用二相混合物来冲刷薄膜的优点。当应用封闭结构来限制所述流体的消散时，所述气体和液体的能量可以更有效率地利用。
可以认识到的是，该内容容易地应用于其它结构的组件，例如矩形和正方形的组件。所述封闭结构可以是任意适合于所述组件的所需的横截面形状，包括圆柱状、正方形、矩形或者椭圆形。
图2a显示了具有封闭结构13的矩形组件5。当进给液体和气体注入到所述组件5的下集管8时，沿着所述组件产生了横向流。
如图2b所示的实施例具有稍微大一些的封闭结构13，所述流体可以从所述封闭结构13和所述上集管7之间的间隙16漏出。
如图2c的实施例所示，其中薄膜组件5被位于所述封闭结构13的上部和下部的间隙17和18部分地包围。
图2d显示了另外的实施例，其中所述组件5仅仅具有一个下集管8，并且在其上端的所述纤维6是无约束的。在这个实施例中，所述纤维6在它们的自由端密封，并且滤液从所述下集管排出。
在每个单独的组件5上不使用封闭结构13，而采用如图3所示的替代方式，使一排组件共用单一的封闭结构。
为实现横向流作用，所述组件不需要完全封闭，可以在组件或者一组组件的两侧使用一对相对的壁来保持所述气体和液体在所述组件的内部流动。所述壁可以选择性地覆盖或者部分地覆盖所述组件。所述壁可以具有适合所述组件结构的任意所需的形状，包括弯曲或者弓形的形状。
在上述的例子中，气体和浓缩的供给液通过开口14释放，所述开口14位于所述单个组件或者一组组件的上集管7附近的封闭结构13上。所述气体和浓缩的供给液也可以通过辅助组件内或者所述组件之间设置的间隙19释放，如图4中的实施例所示。
图5显示了图4中显示的所述组件封闭结构的另一种结构。在应用中，随着高浓度的悬浮固体的供应，则需要减小所述薄膜纤维的深度以最小化在所述组件中的固体堆积。如图5所示，使用一种方法来使薄膜纤维垫20以类似于所述纤维薄膜束的方式沿着所述组件5的长度方向延伸。为增强所述冲刷作用，可以在薄膜垫或者成组的薄膜垫之间设置分离件21，从而进一步地限制和引导所述空气沿着所述纤维垫20的表面向上流动。
在上面的描述中，气体和进给液体从所述下集管8的下面注入。可替换的是，气体和进给液体也可以从所述下集管的侧面注入到所述封闭结构13中。
示例
对包括2,200根纤维的标准浸没式薄膜过滤组件进行测试以过滤来自生物反应器的混合溶液。在没有所述封闭结构的情况下，要求空气流速为3m3/hr以达到30L/m2/hr流量的稳定的过滤性能。当使用封闭结构时，空气的需求量降低到2m3/hr以达到类似效果，节约了33％的空气。
通过本发明实现的过滤方法不同于传统的横向流过滤方法，因为在本发明的所述浸没式横向流过滤装置中利用更小能量的气体冲刷实现了更有效率的清洁。所述封闭结构的使用低成本，并且也几乎不需要耐压性。
因此，在这里所描述的浸没式横向流过滤装置兼备了浸没式系统的低成本费用和所述横向流方法的高效率的优点。
本发明的基本原理已经接合竖直结构的中空纤维薄膜组件而在实施例和示例中作了说明，并且可以认识到的是，本发明也适用于具有水平定向或者非竖直定向的平板膜和毛细管薄膜。
需要认识到的是，在不脱离所描述的本发明的实质或范围的情况下，本发明其他的实施例和范例也是可能存在的。

Claims (34)

1.一种薄膜过滤组件，包括在其中设置的多个可渗透空心薄膜，其中，在使用中，横过浸没于包含悬浮固体物质的悬浮液中的所述可渗透空心薄膜的壁施加压差，所述悬浮液应用于所述可渗透空心膜的一个表面而通过所述薄膜壁进行导引和持续的过滤，其中经过所述膜壁的一部分悬浮液作为滤清的液体或渗液放出，并且至少一部分固体滞留在所述可渗透空心薄膜上或其内部，或者作为悬浮固体物质滞留在悬浮液内，所述组件包括至少部分地围绕所述薄膜组件的流体保持装置，用于大体上保持流入所述薄膜组件中的至少部分流体。
2.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体保持装置包括大体上围绕所述薄膜组件的外周部的套筒。
3.根据权利要求2所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述套筒是液体不能渗透的。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述套筒是沿着所述组件的长度方向延伸的箱形结构。
5.根据权利要求2所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述套筒在一端设置有开口，用于使流体通过所述开口流动。
6.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体保持装置包括至少一对设置在所述组件的两侧的相对壁。
7.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，超过50％的所述组件被所述流体保持装置包裹。
8.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，超过70％的所述组件被所述流体保持装置包裹。
9.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体包括至少一部分悬浮液。
10.根据权利要求9所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体包括气体和/或气体/液体混合物。
11.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述组件浸没在容纳所述悬浮液的储液器中，并且通过向所述膜壁的渗透侧施加真空或者静压力水头来收集渗液。
12.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，在所述组件的内部的薄膜至少从下集管向上延伸，并且所述悬浮液和气体在所述组件的下集管之下或者下集管附近引入。
13.根据权利要求12所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体通过所述下集管中的开口流入所述组件。
14.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，流体沿着所述组件的长度方向流动，产生横向流作用。
15.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体包括液体或者气体、或者液体和气体而连续地进给到所述组件中。
16.根据权利要求1所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述流体包括液体或者气体、或者液体和气体而间歇地供给到所述组件中。
17.一种薄膜过滤装置，包括根据权利要求1所述的多个薄膜组件，其中，所述流体保持装置至少部分地围绕一组或多组所述薄膜组件。
18.一种利用设置在薄膜组件中的多个可渗透空心薄膜将固体从悬浮液中过滤出的方法，所述方法包括：
使包含所述悬浮液的流体流入所述薄膜组件而使所述悬浮液施加到所述可渗透空心薄膜的一个表面上；
横过浸没于包含悬浮固体物质的悬浮液中的所述可渗透空心薄膜的壁施加压差，以通过所述膜壁进行导引和持续过滤，其中一部分悬浮液经过薄膜壁而作为滤清的液体或渗液放出，并且至少一部分固体滞留在所述可渗透空心薄膜上或内部，或者做为悬浮固体物质滞留在悬浮液内；以及
利用至少部分围绕薄膜组件的周围的一流体保持装置来大致保持流入薄膜组件的至少一部分流体。
19.根据权利要求18所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体保持装置包括大体上围绕所述薄膜组件的外周部的套筒。
20.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述套筒是液体不能渗透的。
21.根据权利要求20所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述套筒是实心的。
22.根据权利要求19或者权利要求20所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述套筒是沿着所述组件的长度方向延伸的箱形的结构。
23.根据权利要求22所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述套筒在一端设置有开口，用于使流体通过所述开口流动。
24.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体保持装置包括至少一对设置在所述组件的两侧的相对壁。
25.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，超过50％的所述组件被所述流体保持装置包裹。
26.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，超过70％的所述组件被所述流体保持装置包裹。
27.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体包括气体和/或气体/液体混合物。
28.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述组件浸没在容纳所述悬浮液的储液器中，并且通过对所述膜壁的渗透侧施加真空或者静压力水头来收集渗液。
29.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述组件内薄膜从至少一个下集管向上延伸，并且所述流体包括悬浮液和气体，所述悬浮液和气体从所述组件的下集管之下或者下集管附近流入所述组件。
30.根据权利要求29所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体通过所述下集管中的开口流入所述组件。
31.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体是沿着所述组件的长度流动而产生横向流作用。
32.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体是连续地流动到所述组件中。
33.根据权利要求19所述的将固体从悬浮液中过滤出的方法，其特征在于，所述流体是间歇地流动到所述组件中。
34.根据权利要求3所述的薄膜过滤组件，其特征在于，所述套筒是实心的。
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