CN102203234B - 过滤来自生物反应器的生物反应器液体的方法、错流式膜组件和生物反应器膜系统 - Google Patents

过滤来自生物反应器的生物反应器液体的方法、错流式膜组件和生物反应器膜系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供用包括一个或多个膜(40)的错流式膜组件(20)过滤来自生物反应器(1)的生物反应器液体(10)的方法。所述方法包括：将部分生物反应器液体(10)供应于错流式膜组件(20)的液体入口(21)，以错流模式运输生物反应器液体(10)通过错流式膜组件(20)，以及从错流式膜组件(20)的液体出口(22)移除滞留物(12)。错流式膜组件(20)被设置为允许通过错流式膜组件(20)的生物反应器液体(10)的液体向下流动。所述方法还包括提供通过错流式膜组件(20)的液体向下流动和气体(30)的向下气体流动。及时相对较好地防止或减少膜的污垢。此外，相对于常规构造，可以减少液体流动。

Description

过滤来自生物反应器的生物反应器液体的方法、错流式膜组件和生物反应器膜系统
发明领域
本发明涉及过滤来自生物反应器的生物反应器液体的方法、错流式膜组件和生物反应器膜系统。
发明背景
水清洁/净化中膜的使用是本领域公知的。例如，US2004007527描述了用于超滤或微孔过滤饮用水的元件，其具有连接于两个集管之间的大量小径中空纤维膜。连接于集管侧面的侧板界定了容纳膜的垂直流动通道。所述元件可以被并排放置并且可以在彼此的顶部相叠以形成盒，所述盒具有通过整个盒的连续的垂直流动通道。膜组件或盒可以被设置为覆盖开放箱横截面的大部分。箱水可以向上或向下流过流动通道。可以通过在继续透过的同时至少部分排空和用新鲜的水再灌注箱来对箱进行分散。在分散中产生的多余的箱水可以大体上向上流过组件并通过滞留物出口流出或在箱的顶部溢出。
WO03095371描述了通过在一个或数个絮凝步骤中进行絮凝、在下游沉降阶段分离絮状物以及减少絮状浆来处理水的方法和系统。在沉降阶段中，水沿着膜滤器板(filterplate)流动，所述膜滤器板朝向彼此并相对于待处理的水的流入进行定向，使得错流过滤(crossflowfiltration)、死端过滤(dead-endfiltration)和沉降发生至所需的程度。
此外，US4964987描述了使用开放箱的错流式滤器装置和方法，所述开放箱具有第一液体保留部件(firstliquidreatingsection)、第二滤器保留部件(secondfilterretainingsection)和第三固体收集部件(thirdsolidscollectingsection)，所述部件彼此液体连通。滤器组装件被保留在第二部件内并且包括滤器面板(filterpanel)，所述滤器面板具有大体上垂直安置的滤器膜表面，优选具有亚微米孔。通过与滤器板连通施加约5英寸真空压(汞)的低真空压来去除滤液，使得以流率Q出通过滤器膜表面的孔吸取滤液。待过滤的流体以流率Qx向下垂直错流穿过滤器膜表面，使得通过滤器膜表面吸取的流体的水平速度Vh小于错流的未过滤流体的垂直速度Vv。多余的高速错流的未过滤流体对静止在滤器膜表面上的颗粒施加剪切作用以复原滤器膜，从而持续提供清洁的滤器膜表面以用于持续过滤。多余的未过滤错流流体在箱的第一和第二部件之间再循环，同时允许被卷走的颗粒沉积在箱的固体收集部件上，因为在再循环之前，再循环的流体与进来的未过滤流体混合，并垂直向下排出穿过滤器膜表面。
WO2006/058902描述了水和废水的过滤系统，其包括至少一个容器，在该容器中安置了通气的滤器组件。提供至少一个进料隔间(feedcompartment)用于将待过滤的悬液共同供应于滤器组件。该发明的系统特征在于进料分布隔间(feeddistributioncompartment)，通过所述进料分布隔间将待过滤的悬液引入所述进料隔间，所述进料分布隔间被部分地引导在所述输送隔间周围。该发明允许减小用于供应悬液的滤器组件下方所需的间隔。
US2004/0007527描述了用于超滤或微孔过滤饮用水的元件，其具有连接于两个集管之间的大量小径中空纤维膜。连接于集管侧面的侧板界定了容纳膜的垂直流动通道。所述元件可以被并排放置并且可以在彼此的顶部相叠以形成盒，所述盒具有通过整个盒的连续的垂直流动通道。膜组件或盒可以被设置为覆盖开放箱横截面积的大部分。箱水可以向上或向下流过流动通道。可以通过在继续透过的同时至少部分排空和用新鲜的水再灌注箱来对箱进行分散。在分散中产生的多余的箱水可以大体上向上流过组件并通过滞留物出口流出或在箱的顶部溢出。
WO2008/048594描述了在废水处理系统中帮助从废水中去除磷的方法，所述废水处理系统包括具有至少一个膜的膜生物反应器，所述方法包括形成气体和液体介质的混合物；向所述混合物添加凝结剂；将所述混合物和添加的凝结剂施加于膜表面，以及通过膜的壁过滤透过物。
发明概述
使用超滤的处理工业中主要使用管状膜。以错流模式运行的这些系统的一个缺点是(水)回收利用泵能的高消耗，特别是它们用于生物膜系统中时。
为了克服该问题并保持膜管的清洁，可以垂直固定膜系统并使通过组件的流通是向上方向，同时在底部注射空气。该空气注射优选能产生大量的湍流流，以使得可以减少组件上的流动并仍然保持管的清洁。然而，该系统的问题在于水和空气的分布可能不会被均匀分到所有膜管上。某些管发挥升管(riser)的功能，某些管发挥下行床(downer)的功能，某些管可能没有任何流动。发挥升管功能的管可以吸引所有的水和空气，并产生高速度，其从组件的顶部通过下行床吸水。在发挥下行床功能的管中，流速可能非常低，并且剪切作用对于管来说太低而难以保持管的清洁。在此处，术语“管”可以指“管状膜”或“膜管”。
然而，有利的是，看起来，当向下通气与向下流动组合时，可以实现气体(例如空气)基本上均匀分布在组件的所有管上。该构造还可以基本上进行自我调整：当管中向下流动增加时，更多的空气可以被吸入管中，空气水混合物的比重降低，阻力会增加并且流动会降低，使得更少的空气被吸入管中。这正与向上通气相反，向上通气是不稳定的：当其中一个管被注满水时，管中的速度会增加并且会吸入空气，直至速度再次降低。
因此，本发明一方面提供了过滤来自生物反应器的生物反应器液体的备选方法，该方法优选地进一步克服一个或多个上述缺点。另一方面提供了备选错流式膜组件(crossflowmembranemodule)，该错流式膜组件优选地进一步克服一个或多个上述缺点。另一方面提供了备选生物反应器膜系统，该生物反应器膜系统优选地进一步克服一个或多个上述缺点。
根据第一方面，本发明提供了用包括一个或多个膜的错流式膜组件过滤来自生物反应器的生物反应器液体的方法，其中所述方法包括：
a.将部分的生物反应器液体供应于错流式膜组件的液体入口，
b.以错流模式将生物反应器液体运输通过错流式膜组件，和
c.从错流式膜组件的液体出口移除滞留物，
其中所述错流式膜组件被设置为允许通过错流式膜组件的生物反应器液体的液体向下流动(QL)，并且其中所述方法还包括提供通过错流式膜组件的生物反应器液体的液体向下流动(QL)和通过错流式膜组件的气体的向下气体流动(QG)。
有利的是，还及时相对较好地防止或减少膜的污垢。此外，相对于常规构造，液体流动和/或气体流动，特别是表面液体流动(参见下文)，可以减少。因此，按照此方式可以使较少的液体流通。因此，生物反应器液体在液体向下流动中被运输通过错流式膜组件。
在具体实施方案中，本发明提供了方法，其中通过错流式膜组件的液体向下流动(QL)中的气含率(gasholdup)为液体向下流动(QL，单位为m3/h)的约0.5-25vol.％(体积百分比)，特别为约5-25vol.％。在这些条件下，可以获得良好的抗污垢效果，同时使能量消耗最小化。
在实施方案中，表面液体流速为0.1-2.5m/s，特别为0.2-1.5m/s。在此处，表面液体流速的单位为m/s，并且是指膜上的流动(错流)。在现有技术的应用中，表面液体流速基本上较高，例如约3-4m/s或更高。因此，液体向下流动的表面液体流速(在错流式膜组件的错流式膜上)可以为0.2-1.5m/s。
可以以不同方式将气体注射入错流式膜组件。可以单独注射气体，也可以在膜上流动之前将气体注射入生物反应器液体。在具体实施方案中，在以错流模式流过错流式膜组件之前混合生物反应器液体和气体。
通常，会使至少部分生物反应器液体在错流式膜组件中循环。因此，在具体实施方案中，错流式膜组件的滞留物被供应于生物反应器。在本文中，术语“滞留物”是指在过滤过程中未穿过膜的部分溶液。“透过物”是通过膜的孔的液体。通常，透过物也可以被称为“净化水”或“清洁水”或“过滤水”。
特别优选的是管状膜，可以通过管状膜运输生物反应器液体。例如，此类膜可以是超滤膜或微孔滤膜。这类膜是可商购的。因此，在具体实施方案中，本发明提供方法，其中一个或多个膜包括一个或多个管状膜，其中一个或多个管状膜被设置为允许以错流模式通过一个或多个管状膜的生物反应器液体的液体向下流动(QL)和气体的向下气体流动(QG)。在一个实施方案中，所述膜包括超滤膜。
所述气体可以包括例如空气、氮气、天然气和生物气中的一种或多种。例如，生物气可以获自生物反应器(容纳生物反应器液体)。
根据另一方面，本发明提供了错流式膜组件，其包括一个或多个膜、生物反应器液体的液体入口和错流式膜组件的滞留物的液体出口，其中所述错流式膜组件还包括气体的气体入口，并且其中所述错流式膜组件、液体入口、液体出口和气体入口被设置为允许以错流模式通过错流式膜组件的生物反应器液体的液体向下流动(QL)和气体的向下气体流动(QG)。该错流式膜组件可特别用于实施本发明上述方法。
根据另一方面，本发明还提供了膜生物反应器系统，其包括生物反应器和设置在所述生物反应器外部的上文所述的错流式膜组件，其中所述生物反应器被设置为包括生物反应器液体，并且其中所述生物反应器与错流式膜组件的液体入口液体连通。
按照上文所述，至少部分生物反应器液体可以从生物反应器流通至错流式膜组件并返回。因此，优选地，所述生物反应器与错流式膜组件的液体出口液体连通，并且所述膜生物反应器系统被设置为使至少部分生物反应器液体流通通过错流式膜组件。
因此，本发明还有利地提供以错流模式通过包括一个或多个膜的错流式膜组件(例如本文所述)的生物反应器液体的液体向下流动(QL)和气体的向下气体流动(QG)在过滤生物反应器液体中的用途。所述的以错流模式通过包括一个或多个膜的错流式膜组件的用于过滤生物反应器液体的生物反应器液体的液体向下流动(QL)和气体的向下气体流动(QG)还可以有利地用于减少一个或多个膜的污垢。
附图简述
现结合附图，仅以举例的方式描述本发明的实施方案，在附图中对应的参照标号指示对应的部分，并且其中：
图1示意性地描述了本发明实施方案的膜生物反应器系统的实施方案；以及
图2a/2b更详细地示意性地描述了本发明实施方案的错流式膜组件的实施方案。
优选实施方案描述
图1示意性地描述了用参考标号200标示的膜生物反应器系统，其包括生物反应器1和错流式膜组件20。错流式膜组件20被设置在生物反应器1的外部。生物反应器1被设置为包括生物反应器液体10。生物反应器1与错流式膜组件20的液体入口21液体连通。按此方式，生物反应器液体10可以被运输至错流式膜组件20。
生物反应器液体可以被运输至一个或多个错流式膜组件20。在该实例中，示意性地描述了4个这样的组件20，每个组件20具有入口21。膜组件20包括膜40。
错流式膜组件20可以包括一个或多个膜40、生物反应器液体10的液体入口21和错流式膜组件20的滞留物12的液体出口22(即未通过膜的生物反应器液体)。错流式膜组件20还包括气体30的气体入口31。错流式膜组件20、液体入口21、液体出口22和气体入口31被设置为允许以错流模式通过错流式膜组件20的生物反应器液体10的液体向下流动和气体30的向下气体流动。如图1所示，将气体30和液体10提供至顶部的错流式膜组件20，滞留物12被从错流式膜组件20的底部提取，并且通过出口22离开错流式膜组件20。因此，在液体向下流动中，液体10被运输通过错流式膜组件20。通过错流式膜组件20的液体10的液体流动中的气含率可以为，例如0.5-25vol.％、5-25vol.％，或更特别为10-25vol.％。因此，本发明的方法还包括提供通过错流式膜组件20的生物反应器液体10的液体向下流动和气体30的向下气体流动。
用参考标号25标示的透过物可以被从膜提取(透过物侧，图中未示出)，并且可以通过出口24离开错流式膜组件。任选地，透过物的一部分可以被重新引回生物反应器1；以及一部分可被用于其他应用。参考标号L是指任选的液位计(levelmeter)。
液体出口22可以与生物反应器1液体连通。按此方式，膜生物反应器系统200可以被设置为使至少部分生物反应器液体10流通在错流式膜组件20中循环。生物反应器液体10可以这样穿过错流式膜组件20数次。
可以通过通气系统201向生物反应器10中的液体10通气，所述通气系统201从例如压缩机207(1)获得空气(或另一种气体或气体混合物)。
可以通过压力传感器205和流量计206(1)控制生物反应器液体10的液体流动以及因此的向下流动；可以通过气流量计206(2)控制气体流动，即向下气体流动。可以由另一压缩机207(2)提供气体(示意图的右手侧)。任选地，气体30在进入错流式膜组件20之前或至少在与错流式膜组件20中的膜40接触之前可以与液体10混合。该实施方案用虚线和参考标号A示意性地标示。
按此方式，可以按照以下用错流式膜组件20过滤来自生物反应器1的生物反应器液体10：将部分的生物反应器液体10供应于错流式膜组件20的液体入口21，以错流模式运输生物反应器液体10通过错流式膜组件20，以及从错流式膜组件20的液体出口22移除滞留物12，使得允许通过错流式膜组件20的生物反应器液体10的液体向下流动，并获得通过错流式膜组件20的气体30的向下气体流动。生物反应器液体10和气体30在以错流模式流动通过错流式膜组件20之前可以进行混合(如流动A的一个实施方案中所示)。此外，错流式膜组件20的滞留物12可以被供应于生物反应器1。用参考标号25标示的更清洁的生物反应器液体或“净化的”生物反应器液体或“过滤出的生物反应器液体”，通常是水，可以通过一个或多个开口24离开错流式膜组件20。
图2a和2b中更详细地描述了错流式膜组件20的一个实施方案。生物反应器液体10通过入口21进入错流式膜组件20，气体30通过入口30进入错流式膜组件20。包含气泡的液体10沿膜40流动，此处膜是管状膜45，其可以是例如超滤膜或微孔滤膜。滞留物12可以通过出口22离开错流式膜组件20。净化的液体25(透过物)通过膜40的透过物侧的膜开口离开膜，并且可以通过出口24离开反应器。
本发明实施方案的膜组件20因此可以包括组件头部(modulehead)50，所述组件头部50被设置为将液体10和气体30提供至位于顶部的用参考标号41标示的膜，尤其是管状膜，所述顶部，从而允许液体10的向下流动。该组件头部50可以包括液体入口20和气体入口30。
然而在常规系统中，表面液体流动可以为例如约3-4m/s，本发明中的表面液体流动可以例如低至约0.5m/s。因此，相对于膜组件被设置为允许通过错流式膜组件的生物反应器液体10的液体向上流动的方法，本发明可以将提供表面液体流动的泵的能量减少高达60-70％，同时良好地或甚至更好地减少污垢。
本领域技术人员应当理解本文中的术语“基本上”，例如“基本上所有排放”或“基本上由…组成”。术语“基本上”还可以包括“全部的”、“完整地”、“所有”等。因此，在实施方案中，也可以去掉形容词基本上。在适合的情况下，术语“基本上”可以指90％或更高，例如95％或更高，特别是99％或更高，更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”也包括该术语“包括”表示“由…组成”时的实施方案。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三及相似术语是用于区分相似的元件，未必是描述次序上的或时间上的顺序。应当理解，这样使用的术语在合适的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明的实施方案能够以本文描述或图示之外的顺序运行。
其中，对本文中装置的描述是在其运行过程中的。本领域技术人员应当清楚，本发明不限于运行方法或运行中的装置。
应当注意，上述实施方案是对本发明进行说明，而不是限制本发明，并且本领域技术人员能够设计很多不脱离附加权利要求范围的备选实施方案。在权利要求书中，括号之间的任何参考标号不应解释为限制该权利要求。当使用动词“包括”及其变形词时，不排除权利要求中所述之外的元件或步骤的存在。元件前的冠词“a(一个)”或“an(一个)”不排除存在多个此类元件。可以通过包括数个不同元件的硬件和合适编程的计算机实施本发明。在在列举了数个构件的装置权利要求中，这些构件中有几个可以由硬件中的一个并且相同项所表示。在彼此不同的从属权利要求中陈述了某些标准，但这并不表示这些标准的组合不能被用于获益。

Claims (9)

1.用包括一个或多个管状膜(45)的错流式膜组件(20)过滤来自生物反应器(1)的生物反应器液体(10)的方法，其中所述方法包括：
a.将部分所述生物反应器液体(10)供应于所述错流式膜组件(20)的液体入口(21)，
b.以错流模式运输所述生物反应器液体(10)通过所述错流式膜组件(20)，以及
c.从所述错流式膜组件(20)的液体出口(22)移除滞留物(12)，
其中所述错流式膜组件(20)被设置为允许通过所述一个或多个管状膜(45)的所述生物反应器液体(10)的液体向下流动，并且其中所述方法还包括提供以错流模式通过所述一个或多个管状膜(45)的所述生物反应器液体(10)的液体向下流动和气体(30)的向下气体流动。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过所述错流式膜组件(20)的液体向下流动中的气含率为5-25vol.％。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述液体向下流动的表面液体流速为0.2-1.5m/s。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述生物反应器液体(10)和气体(30)在以错流模式流过错流式膜组件(20)之前进行混合。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述错流式膜组件(20)的滞留物(12)被供应于生物反应器(1)。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述气体(30)包括空气和生物气中的一种或多种。
7.错流式膜组件(20)，包括一个或多个管状膜(40)、位于所述错流式膜组件(20)的顶部的生物反应器液体(10)的液体入口(21)、位于所述错流式膜组件(20)的底部的滞留物(12)的液体出口(22)以及一个或多个透过物的液体出口(24)，其中所述错流式膜组件(20)还包括位于所述错流式膜组件(20)的顶部的气体(30)的气体入口(31)，并且其中所述错流式膜组件(20)、所述液体入口(21)、所述液体出口(22)、所述液体出口(24)和所述气体入口(31)被设置为允许以错流模式通过所述一个或多个管状膜的所述生物反应器液体(10)的液体向下流动和所述气体(30)的向下气体流动。
8.膜生物反应器系统(200)，包括生物反应器(1)和权利要求7所述的错流式膜组件(20)，所述错流式膜组件(20)被设置在所述生物反应器(1)的外部，其中所述生物反应器(1)被设置为包括生物反应器液体(10)，并且其中所述生物反应器(1)与所述错流式膜组件(20)的液体入口(21)液体连通。
9.如权利要求8所述的膜生物反应器系统(200)，其中所述生物反应器(1)与所述错流式膜组件(20)的液体出口(22)液体连通，并且其中所述膜生物反应器系统(200)被设置为使至少部分所述生物反应器液体(10)在所述错流式膜组件(20)中循环。
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