CN103191644A

CN103191644A - 过滤装置

Info

Publication number: CN103191644A
Application number: CN2013100086898A
Authority: CN
Inventors: 斯特芬·马森; 袁斌
Original assignee: Grundfos Biobooster AS
Current assignee: Grundfos Holdings; Selkabet Company after September 12, 2022
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103191644B; US20130175208A1; EP2612701A1; EP2612701B1

Abstract

本发明公开一种过滤装置（2），其包括：加压的筒形的压力容器（4），具有纵向轴线（X）；轴（8），具有平行于该压力容器（4）的纵向轴线（X）而延伸的纵向轴线（Y）；多个可旋转的膜过滤盘（6），沿着该轴（8）的长度方向设置。膜过滤盘（6）彼此间隔地附接到轴（8）并且定向为横向于轴（8）的纵向轴线（Y）。膜过滤盘（6）的内部（10）与平行于压力容器（4）的纵向轴向（X）延伸的渗透排放通道（12）流体连通。压力容器（4）具有筒形的内部几何形状，而没有任何有影响的障碍元件。压力容器（4）的纵向轴线（X）与轴（8）的纵向轴线（Y）横向地错开，和/或膜过滤盘（6）呈椭圆形。

Description

过滤装置

技术领域

本发明总体涉及一种过滤装置。本发明更具体地涉及一种使用超滤膜以过滤活性化的污泥的加压的过滤装置。

背景技术

膜生物反应器（MBR）将薄膜处理与悬浮生长生物反应器结合。举例而言，该薄膜技术可以是微量过滤或超滤。MBR技术广泛应用于工业和市政污水处理。

当MBR技术用于污泥的过滤时，膜的积垢是主要的挑战。膜的积垢将降低过滤能力，因此使处理时间减慢并增加了成本。

减少膜的积垢的常用方法是使用横向流过滤（cross flow filtration），其中用横穿过滤表面的流动来减少以及至少部分地撕掉积垢层。据此，将可以维持更高的渗透流。

横向流取决于相对于膜表面的速度，并且横向流会影响膜上的剪应力。

同时被称为垂直于剪切力方向的速度梯度的应变率γ被定义为速度变化与不同速度的相邻层之间的距离之间的比率：

（1）γ=dv/dy

剪应力τ是黏度η与应变率γ之间的乘积，并且给出为：

（2）τ=ηγ

对于像水这样的牛顿流体而言，粘度几乎是恒定的，但是对于像污泥这样的非牛顿流体而言，粘度因应变率的增加而减小。

更高的横向流的形成能够通过在旋转膜盘的外侧引入有影响的障碍元件来提供，以产生湍流和剪切力。更高的横向流也能够通过在固定的膜盘之间设置旋转的剪切力产生元件来引入。障碍元件和旋转的剪切力产生元件两者都涉及更复杂的结构。

因此，需要一种简单的方式以在膜表面上产生更高的横向流并因此产生剪切力。

发明内容

本发明的一个目的在于详细说明一种过滤装置，其在膜表面上提供更高的横向流和剪切力。

该目的能够通过具有权利要求1中限定的特征的过滤装置而实现。改进的实施例在从属权利要求、以下描述以及附图中被披露。

根据本发明的过滤装置，包括：

-加压的筒形的压力容器，具有纵向轴线；

-轴，具有平行于该压力容器的纵向轴线延伸的纵向轴线；

-多个可旋转的膜过滤盘，沿着该轴的长度方向设置，其中所述膜过滤盘彼此间隔，附接到该轴并且定向为横向于该轴的纵向轴线，该膜过滤盘的内部与渗透排放通道（permeate discharge channel）流体连通。该通道平行于该压力容器的纵向轴线而延伸，其中该压力容器具有筒形的内部几何形状，而没有任何有影响的障碍元件。该压力容器的纵向轴线与该轴的纵向轴线横向地错开，和/或该膜过滤盘呈椭圆形。

因此，能够实现更高的剪切力，而且膜的积垢能够减少，使得能够维持更高的渗透流。这些盘相对于该容器的偏心位置或者这些盘的椭圆形会产生流线谱，该流线谱在一些区域中将对准该盘的旋转方向，使得能够实现高剪切力。更具体地，已经发现，通过使盘的纵向延伸轴线远离该容器的纵向延伸轴线而移动，或者通过使盘形成为椭圆形，会在污水中产生许多漩涡。这些漩涡中的每一个漩涡顺时针或逆时针旋转，并且它们一旦产生，就必然会在污水中停留在其位置中。当盘经过这些漩涡而移动时，它们会在该盘的表面上起到磨蚀的作用。

术语“加压的”的意思是压力容器中的压力超过周围环境的压力。优选地，容器中的压力处于周围环境的压力以上1-4巴。压力容器中增加的压力将导致加强的通气，因此能够在每个时间单元进行更大容量的流体的处理。

该膜过滤盘可以由任何合适的材料（例如陶瓷、金属或聚合物）制成。

有益地，该膜过滤盘基本上呈椭圆形或圆形。

通过具有椭圆形的膜过滤盘，因椭圆形的膜过滤盘引起的流线谱能够实现更高的剪切力。

椭圆形的膜过滤盘可以沿着该轴的长度方向以不同的方式设置。所有的膜过滤盘可以按相同的方式定向，然而，可以将过滤盘设置成使得每隔一个盘以一种方式设置，而且相邻的盘相对于彼此有角度地安置（例如90度）。

当相邻的盘相对于彼此有角度地安置（例如90度）时，可以将这些盘彼此更靠近的设置，并且仍然能够操作该过滤系统，即使沿着过滤盘的半径排出的污泥沿着过滤盘的半径的路径被汇集。可以有足够的空间用于污泥从相邻的过滤盘之间的中间空间漏出，因为所有相邻的椭圆过滤盘都被有角度地安置。

优选地，该压力容器的纵向轴线与该轴的纵向轴线横向地错开的距离相当于该压力容器的内径的2-20%、优选为5-10%。通过偏心距相当于压力容器的内径的2-20%、优选为5-10%，沿着盘实现有效的剪切力分布，使得膜的积垢能够显著地减少。

有益地，该轴包括多个相互连接的轴部，该轴沿着该压力容器的长度方向延伸并且该轴机械地连接到驱动单元。

由此，通过选择、相互连接以及沿着该压力容器的整个长度方向设置合适数量的轴部并且将轴连接到驱动单元，可以形成各种长度的过滤装置。

优选地，该驱动单元是电动机，其可装备有变频器，以改变该轴的旋转速度。在100RPM到250RPM、优选地在140RPM与200RPM的范围内就能够产生良好的剪切效应。

有益地，膜过滤盘与压力容器的内侧之间的最短距离D₁小于膜过滤盘与压力容器的内侧之间的最长距离D₂的一半，使得D₁＜¹/₂D₂。通过减小D₁并且增大D₂，能够实现最大可能的偏心距，从而产生最大可能的剪切力。

优选地，基本上平行于压力容器的纵向轴线延伸的一个或多个穿孔通气管（porous aeration pipes）被设置在该压力容器的内侧上。

这些穿孔通气管是设有孔的管，通过这些孔，空气或气体能够输送到被过滤的流体。设置在该压力容器的内侧上的穿孔通气管更容易使包含氧气的气体溶解到流体中。

有利地，过滤装置包括多个膜过滤盘模块，每个模块由一叠膜过滤盘构成，并且轴承设置在每一组相邻的膜过滤盘模块的连接区域。

由一叠膜过滤盘构成的膜过滤盘模块的使用使得可以形成不同长度的过滤装置。因此，能够满足特定客户的需求。此外，过滤盘易于替换。有益地，轴承设置在每一组相邻的膜过滤盘模块的连接区域，因为这使得形成和组装该过滤装置更容易。术语“连接区域”的意思是位于多组相邻的膜过滤盘模块之间的区域。相邻的膜过滤盘模块是邻接的过滤盘模块。

优选地，膜过滤盘模块设置在沿着压力容器的长度延伸的底盘部中。因此，可以将所有的膜过滤盘模块设置在底盘部处，随后将底盘部与膜过滤盘模块作为一个单元设置在容器中。

有益地，每个过滤盘设置成使得穿过过滤盘第一点P₁并穿过过滤盘第二点P₂的线L限定（其中，过滤盘第一点P₁到该压力容器的内侧具有最短的距离D₁，过滤盘第二点P₂到该压力容器的内侧具有最长的距离D₂）：

-第一180度角区域，包括：

1）第一90度角区域A₁，邻接第一点P₁，以及

2）第二角区域A₂，邻接第一90度角区域A₁并且位于线L的与第一90度角区域A₁相同的一侧，

-第二180度角区域，包括：

3）第三90度角区域A₃，邻接该第二90度角区域A₂并且位于线L的与第二90度角区域A₂相反的一侧，以及

4）第四角区域A₄，在第三90度角区域A₃与第一90度角区域A₁之间延伸，

其中，一个或多个穿孔通气管在第三90度角区域A₃中延伸。

由此，可以在穿孔通气管所在处实现高剪切力。当通气管位于第三90度角区域时，会出现使从通气管释放的气泡溶解在流体中的最佳条件。当通气管位于第三90度角区域中时，气泡在流体中可能停留的时间最长。

优选地，在第一90度角区域或第二90度角区域中没有穿孔通气管延伸，因为这将实现可能最大的剪切力。

有利地，压力容器构造成起到膜生物反应器（MBR）的作用，并且基本上平行于压力容器的纵向轴线而延伸，并且设置在压力容器的内侧上的一个或多个穿孔通气管构造成对容纳在压力容器中的流体通气。因此，可以使用该容器同时作为生物反应器和过滤单元。

优选地，穿孔通气管构造成释放在2-40μm、优选地在5-10μm的尺寸范围内的气泡。这种通气管提供的气泡能够容易地溶解在流体中，因此被好氧细菌利用。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式更具体地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明的过滤装置的立体图；

图2示出了根据本发明的过滤装置的一部分的剖视图；

图3示出了根据本发明的过滤装置的另一剖视图；

图4示出了具有根据本发明的过滤装置的污水处理系统的示意图；

图5示出了根据本发明的过滤装置中的过滤膜上的剪应力分布的示意图。

附图标记说明如下：

2 过滤装置

4 压力容器

6 膜过滤盘

8 轴

8’ 轴部

10 内部

12 渗透排放通道

14、14’ 渗透流

16 污泥流

18 轴承

20 底盘部

22 污泥入口

24 端部法兰

E 偏心距

26 旋转方向

28 穿孔通气管

X 压力容器的纵向轴线

Y 轴的纵向轴线

30 膜过滤盘模块

D₁、D₂ 距离

D₃ 压力容器的直径

32 驱动单元（马达）

34 连接区域

36 毂段

38 毂构件

40 通道

42 通道

44 径向通道

46 孔

50 渗透出口

52 污水处理系统

54 污水入口

56 生化处理池

58 泵

60 泵

62 加压的污泥再循环入口

64 额外的污泥出口

66 污泥再循环出口

70 第一剪应力区域

72 第二剪应力区域

74 第三剪应力区域

76 第四剪应力区域

A₁ 第一角区域

A₂ 第二角区域

A₃ 第三角区域

A₄ 第四角区域

L 线

P₁ 第一点

P₂ 第二点

具体实施方式

从以下给出的详细描述中，本发明适用的其它目的和另外的范围将变得显而易见。

图1示出了包括加压的筒形压力容器4的过滤装置2，所述压力容器4具有纵向轴线X。在容器4的内部，一轴平行于压力容器4的纵向轴线X而延伸，并且多个可旋转的膜过滤盘6沿轴8的长度方向设置。膜过滤盘6基本上均匀地彼此间隔，它们被附接到轴8并且被定向为横向于轴8的纵向轴线（见图2中的Y），该轴8机械地连接到驱动单元（见图4中的32）。

过滤装置2包括多个模块30，每个模块包括一叠膜过滤盘6。模块30被设置在沿压力容器4的长度方向延伸的底盘部20中。轴承18被设置在每组相邻的膜过滤盘模块30的连接区域34处。轴承18附接到轴8。在轴8的末端设置具有污泥入口22的端部法兰24。具有污泥入口22的端部法兰24能够固定到底盘部20。

轴8包括多个相互连接的轴部，并且优选地，每个膜过滤盘模块30均具有其自己的轴部。

容器4是加压的筒形压力容器4，其能够由塑料材料或任何其它合适的材料制成。容器4所需的厚度可以基于具体的压力要求而确定。

当过滤装置2由多个膜过滤盘模块30（每个膜过滤盘模块30均具有其自己的轴部）制成时，形成过滤装置2具有巨大的设计自由。可以通过改变轴部和膜过滤盘模块30的数量而形成各种长度的过滤装置2。

膜过滤盘6能够安装在轴部上以构成能够连接到底盘部20的第一膜过滤盘模块30。之后，另一膜过滤盘模块30能够连接到第一膜过滤盘模块30并且连接到底盘部20。当所需数量的膜过滤盘模块30连接到底盘部20时，底盘部20能够插入到容器4中。

在维护期间，具有膜过滤盘模块30的底盘部20能够被拉出容器4，然后能够执行维护。举例而言，可以替换全部的膜过滤盘模块30，或者拆开膜过滤盘模块30以替换一个或多个膜过滤盘6。

图2示出了根据本发明的过滤装置的剖视图。多个膜过滤盘6固定到毂构件38，该毂构件38包括多个机械地连接的毂段36。

膜过滤盘6沿着中空轴8的长度方向设置。膜过滤盘6彼此间隔。膜过滤盘6的内部10与平行于压力容器4的纵向轴线延伸的渗透排放通道12流体连通。压力容器4具有筒形截面的几何形状并且不具有任何有影响的障碍元件。

膜过滤盘6能够过滤流体。进入膜过滤盘6的膜的流体流向轴8。这由表示渗透流14的箭头显示。之后，渗透流沿着平行于轴8延伸的通道42流动。该流体经由径向通道44通过轴8中的孔而进入轴8中的渗透排放通道12。该渗透流朝向渗透出口50（见图4）流动。

膜过滤盘6的旋转产生污泥流16。该污泥流沿着毂构件38中的通道40流动，之后沿着基本上平行于膜过滤盘6的表面的方向向外流动。由此，膜过滤盘6的旋转产生的流动确保污泥连续混合。

图3示出了根据本发明的过滤装置的剖视图。膜过滤盘6同心地附接到设置在筒形的压力容器4中的轴8。压力容器4具有纵向的并且同心的轴线X。

压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开距离E，该距离E相应地小于压力容器4的内径D₃的10%。偏心距E被表示为压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y之间的距离。

由于压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开，所以膜过滤盘6将产生横穿过滤表面的增强的流动。因此，膜的积垢能够减少，优选地增强的横向流能够至少部分地撕下积垢层，从而能够保持更高的渗透流。

膜过滤盘6与压力容器4的内侧之间的最短距离D₁小于膜过滤盘6与压力容器4的内侧的最长距离D₂的一半。

轴8是中空的并且包括渗透排放通道12。旋转的方向26通过箭头表示。五个穿孔通气管28靠近压力容器4的内侧而设置。穿孔通气管28基本平行于压力容器4的纵向轴线X而延伸。

穿孔通气管28是设有孔的管，这些孔被构造成使得空气或气体能够通过这些孔而被输送到流体。因此，穿孔通气管能够更容易地使包含氧气的气体溶解到流体中。

过滤盘6具有过滤盘第一点P₁，其到压力容器4的内侧具有最短距离D₁。膜过滤盘6还具有过滤盘第二点P₂，其到压力容器4的内侧具有最长距离D₂。过滤盘6被设置成使得穿过过滤盘第一点P₁与过滤盘第二点P₂的线L将过滤盘6分为第一180度角区域和第二180度角区域。

第一180度角区域包括邻接第一点P₁的第一90度角区域A₁。第一180度角区域还包括第二角区域A₂，其位于线L的与第一90度角区域A₁相同的一侧，并且邻接第一90度角区域A₁。

第二180度角区域包括第三90度角区域A₃，其位于线L的与第二90度角区域A₂相反的一侧，并且邻接第二90度角区域A₂。第二180度角区域此外还包括第四90度角区域A₄，其在第三90度角区域A₃与第一90度角区域A₁之间延伸。

五个穿孔通气管28在第三90度角区域A₃中延伸。穿孔通气管28构造成对压力容器4中的流体通气。因此，压力容器4能够用作MBR。

穿孔通气管28构造成将小尺寸的气泡释放到压力容器4中的流体。

图4示出了具有根据本发明的过滤装置2的污水处理系统52的示意图。污水处理系统52包括与生化处理池56流体连通的污水入口54。污水借助泵58泵吸到生化处理池中。在生化处理池56中，污水可借助已知的生化处理去除生物污染物。

处理的污水通过使用泵60经由加压的污泥再循环入口62从生化处理池56泵送到过滤装置2。污泥再循环出口66设置在过滤装置2的加压的筒形压力容器4的末端。额外的污泥出口64设置在过滤装置2与生化处理池56之间。污泥的一部分被泵回到生化处理池56中，同时污泥的另一部分可在污泥储存池中收集（未示出）。

污泥在过滤装置2的压力容器4中再循环。多个膜过滤盘6设置在压力容器中。膜过滤盘6彼此间隔并且沿着轴8的长度方向设置。该轴包括多个相互连接的轴部8’。轴8沿着压力容器4的长度方向延伸并且被机械地连接到形成为马达的驱动单元32。多个膜过滤盘模块30设置在压力容器4中。

轴承18设置在每组相邻的膜过滤盘模块的连接区域。

渗透物在位于过滤装置2的邻近端的渗透出口50处排放，并且通过轴8中的渗透排放通道的渗透流14’在图4中被显示。

压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开。因此，当膜过滤盘6旋转时，会产生高的（强大的）横向流，因此膜的积垢能够减少，使得能够保持更高的渗透流。

图5示出了根据本发明的过滤装置2的剖视图。膜过滤盘6设置在压力容器4中，并且膜过滤盘6附接到轴8。轴8的旋转方向26被表示为逆时针方向。

压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开。在如图5所示的110转每分钟（RPM）的旋转频率的旋转下，区域A₁和A₄中的膜过滤盘6的表面上产生剪应力。膜过滤盘6的表面上的剪应力划分为四个剪应力区域70、72、74、76，它们分别表示6-12帕斯卡（Pa）、12-14Pa、14-16Pa以及16-18Pa。

最高剪应力区域76位于膜过滤盘6的外周处以及膜过滤盘6的中心部的多个较小区域处。第二最大应力区域74位于靠近最高剪应力区域76处。

图5示出能够产生增强的剪应力，使得膜的积垢能够通过压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开而减少。

重要的是，增强的剪应力也能够通过施加另一方向的另一旋转频率的旋转而实现。图5中示出的示例仅说明了压力容器4的纵向轴线X与轴8的纵向轴线Y横向地错开的效果。

根据本发明的过滤装置2能够通过产生高剪切力而减少膜过滤盘6上的积垢。因此，能够通过膜过滤盘6来维持更高的渗透流。

Claims

1.一种过滤装置（2），包括：

加压的筒形的压力容器（4），具有纵向轴线（X）；

轴（8），具有平行于所述压力容器（4）的纵向轴线（X）延伸的纵向轴线（Y）；

多个可旋转的膜过滤盘（6），沿着所述轴（8）的长度设置，其中多个所述膜过滤盘（6）彼此间隔，附接到所述轴（8）并且定向为横向于所述轴（8）的纵向轴线（Y），其中所述膜过滤盘（6）的内部（10）与渗透排放通道（12）流体连通，其特征在于，所述压力容器（4）的纵向轴线（X）与所述轴（8）的纵向轴线（Y）横向地错开，和/或所述膜过滤盘（6）呈椭圆形。

2.根据权利要求1所述的过滤装置（2），其特征在于，所述压力容器（4）的纵向轴线（X）与所述轴（8）的纵向轴线（Y）横向地错开距离（E），所述距离（E）对应于所述压力容器（4）的内径（D₃）的2-20%，优选为5-10%。

3.根据权利要求1或2所述的过滤装置（2），其特征在于：

所述轴（8）包括多个相互连接的轴部（8’）；

所述轴（8）沿着所述压力容器（4）的长度延伸；并且

所述轴（8）被机械地连接到驱动单元。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，所述膜过滤盘（6）与所述压力容器（4）的内侧之间的最短距离D₁小于所述膜过滤盘（6）与所述压力容器（4）的内侧之间的最长距离D₂的一半，即，使得D₁＜¹/₂D₂。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，基本上平行于所述压力容器（4）的纵向轴线（X）而延伸的一个或多个穿孔通气管（28）被设置在所述压力容器（4）的内侧上。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，所述过滤装置（2）包括多个膜过滤盘模块（30），每一个膜过滤盘模块（30）均由一叠膜过滤盘（6）构成，并且在每一组相邻的膜过滤盘模块（30）的连接区域（34）处设有轴承（18）。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，多个膜过滤盘（6）构成沿着所述压力容器（4）的长度延伸并设置在底盘部（20）中的一个或多个模块（30）。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，所述过滤盘（6）被设置成使得穿过过滤盘第一点（P₁）与过滤盘第二点（P₂）的线（L）限定出如下区域，其中所述过滤盘第一点（P₁）到所述压力容器（4）的内侧具有最短的距离（D₁），所述过滤盘第二点（P₂）到所述压力容器（4）的内侧具有最长的距离（D₂）：

第一180度角区域，包括：

1）第一90度角区域（A₁），邻接所述第一点（P₁），以及

2）第二角区域（A₂），邻接所述第一90度角区域（A₁），并且位于所述线（L）的与所述第一90度角区域（A₁）相同的一侧；

第二180度角区域包括：

3）第三90度角区域（A₃），邻接所述第二90度角区域（A₂），并且位于所述线（L）的与所述第二90度角区域（A₂）相反的一侧，以及

4）第四角区域（A₄），在所述第三90度角区域（A₃）与所述第一90度角区域（A₁）之间延伸，

其中，一个或多个穿孔通气管（28）在所述第三90度角区域（A₃）中延伸。

9.根据权利要求8所述的过滤装置（2），其特征在于，在所述第一90度角区域（A₁）或所述第二90度角区域（A₂）中没有穿孔通气管（28）延伸。

10.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，所述压力容器（4）被构造成起到膜生物反应器（MBR）的作用，一个或多个穿孔通气管（28）基本上平行于所述压力容器（4）的纵向轴线（X）延伸，并被设置在所述压力容器（4）的内侧上，且被构造成对容纳在所述压力容器（4）中的流体通气。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其特征在于，所述穿孔通气管（28）被构造成释放在2-40μm、优选地在5-10μm的尺寸范围内的气泡。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的过滤装置（2），其中，所述轴（8）的转速处于100RPM与250RPM之间，优选地处于140RPM与200RPM之间。