CN106714941A - 包括一体式生物过滤器的螺旋卷绕过滤组件 - Google Patents

包括一体式生物过滤器的螺旋卷绕过滤组件 Download PDF

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Abstract

包括一体式生物反应器的螺旋缠绕过滤组件一种螺旋卷绕过滤组件，其包括：i)压力容器，其包含进料口、聚集口和渗透口；ii)至少一个螺旋卷绕膜模块，其包含绕渗透管卷绕的至少一个膜包封，所述渗透管形成到渗透口的渗透路径；以及iii)生物反应器，其具有沿轴(Y)从第一端延伸到第二端的圆柱形外周边、位于第一端附近的入口，和位于第二端附近的出口；其中所述螺旋卷绕膜模块和生物反应器在压力容器内串联布置。

Description

包括一体式生物过滤器的螺旋卷绕过滤组件
技术领域
本发明涉及包括在常见容器内与一体式生物反应器串联连接的一个或多个螺旋卷绕膜模块的螺旋卷绕组件。
背景技术
螺旋卷绕过滤组件广泛用于各种流体分离。在常规实施例中，一个或多个螺旋卷绕膜模块(“元件”)在压力容器内串联布置并且互连。在操作期间，加压进料流体被引入到容器中，连续地通过单独模块，且在至少两个流：聚集和渗透中离开容器。螺旋卷绕膜组件的性能由于积垢常常随时间推移降低。积垢涉及残渣在模块内的各种表面上的形成。更常见类型的积垢包括：结垢、胶体或颗粒沉积、有机积垢(有机化合物的吸附)和生物积垢(生物膜在模块内的各种表面上的生长)。生物积垢通常通过在螺旋卷绕组件上游给水中引入氧化剂(例如，漂白剂)、杀生物剂或生物稳定剂管理。给水还可用生物反应器预处理以降低将另外有助于在螺旋卷绕组件内生物积垢的营养物。实例在US2012/0193287；US7045063，EP127243；以及H.C.Flemming等人《淡化(Desalination)》113(1997)215-225；H.Brouwer等人《淡化(Desalination)》第11卷，第1-3期(2006)15-17中描述。在这些实例中的每个中，给水用在螺旋卷绕组件上游的位置处的生物反应器预处理。
发明内容
本发明涉及螺旋卷绕过滤组件，其包括：
i)压力容器，其包含进料口、聚集口和渗透口；
ii)至少一个螺旋卷绕膜模块，其包含绕渗透管卷绕的至少一个膜包封，所述渗透管形成到渗透口的渗透路径；以及
iii)生物反应器，其具有沿轴(Y)从第一端延伸到第二端的圆柱形外周边、位于第一端附近的入口，和位于第二端附近的出口。
螺旋卷绕膜模块和生物反应器串联布置在压力容器内，使得来自容器进料口的进料液体从生物反应器的入口流到其出口。一部分液体随后流动通过(一个或多个)螺旋卷绕膜模块以在其聚集口处离开容器，其中剩余液体穿过膜在渗透口处离开容器。
附图说明
图并未按比例绘制并且包括理想化视图以便于描述。在可能的情况下，已在整个图式和书面描述中使用相同的编号来指示相同或相似的特征。
图1为螺旋卷绕膜模块的透视部分剖切图。
图2A至图2B为螺旋卷绕生物反应器的正视图。
图2C为螺旋卷绕生物反应器的透视图。
图3A至图3D为本发明的各种实施例的横截面视图。
图4A至图4D为各种实施例在清洁操作期间的横截面视图。
具体实施方式
本发明包括螺旋卷绕过滤组件，其包括压力容器，所述压力容器包括进料口、聚集口和至少一个渗透口。生物反应器和至少一个但是优选多个螺旋卷绕膜模块在压力容器内串联布置，使得进料液体连续流过生物反应器和(一个或多个)螺旋卷绕膜模块两者。生物反应器具有沿轴从第一端延伸到第二端的圆柱形外周边，其中入口位于第一端附近并且出口位于第二端附近。在一个优选实施例中，生物反应器具有螺旋卷绕配置，其包含：具有两个相对的生物生长表面的平板和绕轴螺旋卷绕的进料隔板；其中所述进料隔板限定沿所述平板的生物生长表面从生物反应器的入口延伸到出口的流道。进入容器进料口的进料液体流入生物反应器的入口并且经由出口离开。一部分液体随后流动通过螺旋卷绕膜模块以在聚集口处离开容器，其中剩余液体穿过膜以在渗透口处离开容器。此设计被称作“一体式”，其中生物反应器和螺旋卷绕膜模块在常见压力容器内串联布置。
本发明中使用的压力容器不受特定限制，但优选地包含能够承受与操作条件相关联的压力的实心结构。容器结构优选地包括腔室，其具有对应于将容纳于其中的螺旋卷绕膜模块的外周边的内周边。腔室的长度优选地对应于将依次(轴向)装载的生物反应器和螺旋卷绕膜模块的合并长度。优选地，容器含有2到8个螺旋卷绕膜模块，参见US 2007/0272628。压力容器还可包括在装载有模块时密封腔室的一个或多个端板。容器进一步包括位于容器的相对端处或其附近的用于进料和聚集的流体口和至少一个渗透口。通常，渗透口位于容器的两个相对端处。压力容器的取向不受特定限制，例如可使用水平和垂直取向两者。适用的压力容器、模块布置和装载的实例描述于：US 6074595、US 6165303、US6299772和US 2008/0308504。压力容器的制造商包括明尼苏达州明尼阿波利斯市的滨特尔公司(Pentair)、加利福尼亚州维斯塔市的贝卡尔特公司(Bekaert)以及以色列贝尔谢巴市的贝尔复合物公司(Bel Composite)。
单独的压力容器或在一起工作容器群组，各自配备有一个或多个螺旋卷绕膜模块，可被称作“串”或“通道(pass)”。在通道内的(一个或多个)容器可以一级或多级布置，其中每一级均含有相对于进料流体平行操作的一个或多个容器。多级串联布置，从而来自上游级的聚集流体用作用于下游级的进料流体，而收集来自每一级的渗透物而不需要在通道内进一步再处理。多通道超滤体系通过沿流体路径互连单独的通道来构建，如描述于：US4156645、US6187200、US7144511和WO2013/130312。
用于本发明的螺旋卷绕膜模块(“元件”)不受特定限制并且包括被被设计用于反渗透(RO)、纳米过滤(NF)、超过滤(UF)和微过滤(MF)的那些。然而，本发明发现在RO和NF应用中的特别效用。(RO和NF可共同称为超滤。)一般来说，螺旋卷绕膜模块包括一个或多个膜包封和绕渗透收集管卷绕的进料隔板片材。用以形成包封的RO膜相对地不可渗透几乎全部溶解盐，并且通常阻挡超过约95％的单价离子盐，例如氯化钠。RO膜通常还阻挡超过约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜更可渗透并且通常阻挡小于约95％的单价离子盐，同时阻挡大于约50％(并且常常大于90％)的二价离子盐，这取决于二价离子的种类。NF膜通常还阻挡在纳米范围内的粒子以及分子量大于约200到500道尔顿的有机分子。
代表性螺旋卷绕膜模块一般示出在图1中。模块(2)通过同心地卷绕一个或多个包封(4)和绕渗透收集管(8)的(一个或多个)进料隔板片材(“进料隔板”)(6)形成。每一膜包封(4)优选地包含膜片材的两个大体上矩形部分(10，10')。膜片材的每一部分(10，10')具有膜或前侧(34)以及支撑或背侧(36)。膜包封(4)是通过覆盖膜片材(10，10')且对准其边缘而形成。在优选实施例中，膜片材的部分(10，10')包围渗透通道隔板片材(“渗透隔板”)(12)。此夹层型结构沿着三个边缘(16，18，20)例如通过密封剂(14)而紧固在一起形成包封(4)，同时第四边缘，即“近端边缘”(22)对接渗透收集管(8)以使得包封(4)的内部部分(以及任选的渗透隔板(12))与沿着渗透收集管(8)的长度延伸的多个开口(24)流体连通。模块(2)优选地包括通过多个进料隔板片材(6)分隔开的多个膜包封(4)。在示出的实施例中，膜包封(4)是通过接合相邻定位的膜叶片包的背侧(36)表面而形成。膜叶片包包含自身折叠以限定两个膜“叶片”的大体上矩形膜片材(10)，其中每个叶片的前侧(34)彼此面对，且所述折叠与膜包封(4)的近端边缘(22)轴向对准，即与渗透收集管(8)平行。进料隔板片材(6)示出位于折叠的膜片材(10)的面对的前侧(34)之间。进料隔板片材(6)有助于进料流体沿轴向方向(即与渗透收集管(8)平行)流动通过模块(2)。虽然未示出，但组件中也可包括额外的中间层。膜叶片包及其制造的代表性实例在US 7875177中进一步描述。
在模块制造期间，渗透隔板片材(12)可绕渗透收集管(8)的圆周附接，其中膜叶片包交错于其间。相邻定位的膜叶片(10，10')的背侧(36)绕其周边的部分(16，18，20)密封而封闭渗透隔板片材(12)以形成膜包封(4)。用于将渗透隔板片材附接到渗透收集管的合适的技术在US 5538642中描述。将(一个或多个)膜包封(4)和(一个或多个)进料隔板(6)绕渗透收集管(8)卷绕或同心地“卷起”以在相对端处形成两个相对卷动面(30，32)，并且所得螺旋束被保持在适当的位置，如通过带或其它装置。然后可修剪卷动面(30，32)，并且可任选地在在卷动面(30，32)和渗透管(8)之间的接合处施用密封剂，如描述于US 7951295中。长玻璃纤维可绕部分构建的模块和施用且硬化的树脂(例如，液体环氧树脂)卷绕。在替代实施例中，可在卷绕模块的圆周上施加带，如US 8142588中所描述。模块的末端可装配有反伸缩式装置或端盖(未示出)，其经设计以阻止膜包封在模块的入口卷动末端与出口卷动末端之间的压力差下移位。代表性实例描述于：US 5851356、US 6224767、US 7063789、US7198719和WO2014/120589。虽然本发明的方面不是必需的，但是本发明的优选实施例包括端盖，其包括用于阻止在接合的端盖之间相对轴向运动的锁定结构。端盖之间的此锁定结构可通过使相邻端盖对准而接合，使得从一个端盖的外部轮毂的内侧径向向内延伸的一个或多个突起或卡扣进入绕面向端盖的外部轮毂布置的对应插孔中。端盖随后通过使一个端盖相对于另一个端盖旋转而接合，直到突起或“卡扣”与容器的对应结构接触或“钩住”为止。此类型的锁定端盖可以iLECTM商标从陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)购得且在US 6632356和US8425773中进一步描述。如果不使用此类端盖，那么互连管可用于阻止渗透物与进料的混合。为了限制进料流体绕过在容器内的元件，各种类型的密封件(例如，V形类型、O形环、U形杯类型等)可定位在元件的外周边与容器的内周边之间。代表性实例描述于：US8758489、US 8388842、US 8110016、US 6299772、US 6066254、US 5851267、US8377300和WO2014066035。在一些实施例中，密封组件配备有旁路，所述旁路允许受限制的进料流体围绕元件流动，例如参见US 5128037、US 7208088和US8778182。
用于构造螺旋卷绕膜模块的各种部件的材料是本领域中众所周知的。用于密封膜包封的合适的密封剂包含氨基甲酸酯、环氧树脂、硅酮、丙烯酸酯、热熔粘合剂和UV可固化粘合剂。虽然较不常用，但也可以使用如施加热、压力、超声波焊接和带的其它密封方式。渗透收集管通常由塑性材料制成，如丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚砜、聚(伸苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或类似物。经编织聚酯材料常用做渗透隔板。额外的渗透隔板在US8388848中描述。代表性进料隔板包括聚乙烯、聚酯和聚丙烯筛材料，如以商品名VEXARTM商购自Conwed塑料的那些。优选的进料隔板描述于US 6881336。可替代地，进料隔板可包含多个在膜片材上形成的升高区，例如通过模具或辊、沉积在膜片材上的聚合物的球或线、波纹膜等形成的图案化的轧花。(参见例如US6632357和US7311831。)
膜片材不受特定限制并且可广泛使用多种材料，例如醋酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚偏二氟乙烯等。优选的膜片材包括FilmTec公司的FT-30TM型膜，即平板复合膜，其包含非织造背衬网(例如非织造织物，如可购自Awa Paper公司的聚酯纤维织物)的背衬层(后侧)、包含具有约25μm至125μm的典型厚度的多孔载体的中间层和包含具有通常小于约1微米(例如，0.01微米到1微米但是更通常约0.01μm到0.1μm)的厚度的薄膜聚酰胺层的顶部区分层(前侧)。背衬层不受特定限制，但优选地包含其包括可经定向的纤维的非织造织物或纤维网。可替代地，可使用如帆布的织造织物。代表性实例描述于US 4214994；US4795559；US 5435957；US 5919026；US 6156680；US8608964和US 7048855。多孔载体通常为具有一定孔径的聚合材料，所述孔径的尺寸足以准许渗透物基本上不受限制通过，但并未大到足以干扰在其上形成的薄膜聚酰胺层的桥接。举例来说，载体的孔径优选在约0.001μm到0.5μm范围内。多孔载体的非限制性实例包括由以下制成的多孔载体：聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚丙烯以及各种卤化聚合物(如聚偏二氟乙烯)。如US 4277344和US 6878278中所述，优选地通过多官能胺单体与多官能酰基卤单体之间的界面聚缩合反应在微孔聚合物层的表面上形成区分层。
图1中所示的箭头表示在操作期间进料流体和渗透流体(也被称作“产品”或“过滤物”)的近似流动方向(26，28)。进料流体从入口卷动面(30)进入模块(2)且流过膜片材的前侧(34)且在相对的出口卷动面(32)处离开模块(2)。渗透流体如箭头(28)指示在近似垂直于进料流动的方向上沿着渗透隔板片材(12)流动。实际流体流动路径随着构造和操作条件的细节而变化。
虽然模块有各种尺寸可用，但具有标准8英寸(20.3cm)直径和40英寸(101.6cm)长的一种常见工业RO模块是可用的。对于典型的8英寸直径模块，绕渗透收集管卷绕26到30个单独的膜包封(即，对于具有约1.5英寸到1.9英寸(3.8cm至4.8cm)的外径的渗透收集管)。还可使用较不常规的模块，包括描述于US8496825中的那些。
用于本发明的生物反应器的设计或配置不受特定限制。举例来说，可使用螺旋卷绕、中空纤维、流化床和板和框架类型配置，但是在每种情况下，生物反应器的外周边优选地为圆柱形并且设定尺寸以安装在含有螺旋卷绕膜模块的压力容器内。优选地，生物反应器具有在选自185mm和370mm的距离的10％内的外径。这些尺寸类似标准8英寸直径螺旋卷绕膜模块的那些，并且它们使生物反应器安装在最常见尺寸的类似地设定大小的容器和管道内。虽然圆柱形生物反应器的入口端和出口端可为平的，但是可使用其它配置。举例来说，当容器包含用于进料液体的侧口时，可通过将生物反应器延伸更接近于在不干扰流出容器的进料口的位置处的容器上游端得到增加体积的生物反应器。在一个优选实施例中，容器具有侧入口并且生物反应器单元在平行于入口的轴向位置处延伸(例如圆柱形楔或锥形端部)进入容器的区域。
可以与上文所描述的相同方式相对于螺旋卷绕膜模块(例如带、玻璃纤维等)修整生物反应器的外周边。生物反应器可替代地封入模制、收缩缠绕或挤出的壳(例如PVC或CPVC)中。所述外径还优选地与螺旋卷绕膜模块的外径相同或类似，以便在压力容器内提供类似安装。然而，盐水密封件可绕生物反应器设置以补偿与螺旋卷绕膜模块相比较的外径差。可替代地或另外，生物反应器可包括反伸缩式装置，其常与螺旋卷绕膜模块结合使用。在一个实施例中，生物反应器包括与相邻螺旋卷绕膜模块互锁的端盖(参见例如US6632356和US8425773)。
生物反应器优选地在容器内的至少一个并且优选地所有螺旋卷绕膜模块的上游的位置处布置在容器内。在此类布置情况下，存在于给水中的生物营养物被存在于生物反应器中的微生物消耗，并且较不可用于下游螺旋卷绕模块-从而减少在膜模块中的生物积垢。因为生物反应器在容器内，所以保留有空间并且生物反应器的额外加压和密闭不是必需的。因为生物反应器不充当膜过滤装置，所以在生物反应器内的生物膜的积累对下游螺旋卷绕膜模块的分离效率的影响极小。如果生物生长最终限制进料流过生物反应器，那么可清洁或替换生物反应器。
生物反应器包括生物生长表面和从入口延伸到出口的流道。生物反应器优选地设定大小足以保护下游螺旋卷绕模块。由于在本发明的多个实施例中期望的相对高流动速率，生长表面可被定义为相邻于连接生物反应器的入口和出口的流道的那些表面。优选地，生物反应器具有至少等于并且更优选地至少1.5倍或至少2.0倍的在相邻螺旋卷绕模块内的膜(曝露于进料)的表面积的生物生长表面积。然而，在容器内的总膜表面积不是很重要，使得在生物反应器内的平板与在下游超滤模块中的曝露的膜表面的面积的比率优选地低于1.0并且更优选地小于0.5。
为了在高流动速率下操作同时去除可导致在下游螺旋卷绕膜模块中积垢的大部分生物营养物，接触流道的大面积的生物生长表面是期望的，同时仍然提供流过生物反应器的最小阻力。优选地，流道的空隙体积(未被生物生长表面之间的固体占据的体积)包含至少65％(更优选地75％或甚至85％)的生物反应器的体积。对于每个生物反应器而言，生物生长表面积与生物反应器体积的比率优选地在15cm-1和150cm-1之间(更优选地在20cm-1和100cm-1之间)。在一个实施例中，生物反应器包含颗粒的填充床，其表面提供生物生长表面和在单独的粒子之间存在的流道。在其它实施例中，平板或管板可提供生物生长表面，而流道可通过凹槽活流动路径(例如，织造材料等)之间的间隙或借助于包括其的隔板材料提供。。
图2A、图2B和图2C示出了在螺旋卷绕配置中生物反应器的各种实施例。更具体来说，示出生物反应器(38)，其具有沿轴(Y)从第一端(76)延伸到第二端(76')的圆柱形外周边，其中入口(46)位于第一端(76)附近，并且出口(48)位于第二端(76')附近。生物反应器(38)包括具有两个相对的生物生长表面(50，50')的平板(40)和绕轴(Y)螺旋卷绕的进料隔板(42)；其中进料隔板(42)限定沿平板(40)的生物生长表面(50，50')从生物反应器(38)的入口(46)延伸到出口(48)的流道(43)。卷绕的方法产生相邻于在平板(40)的相对侧上的生物生长表面(50，50')的流道(43)。
在图2B中，平板(40)和隔板(42)绕中空导管(44)螺旋卷绕。在未示出的替代实施例中，中空导管可用实心棒替换。虽然在图2B中示出为包括中空导管(44)，但是生物反应器(38)的导管优选地不可渗透，并且因此与平板(40)和进料隔板(42)直接流体连通而密封，并且串联连接到螺旋卷绕模块(2，2'，2"，2"')的渗透管(8)。(图3B和图3C示出了具有类似布置的组件。)因此，生物反应器不充当其中平板不产生流进导管中的渗透物的螺旋卷绕膜模块。相反地，进料进入生物反应器的入口(46)，沿进料隔板(42)的流道通过并且经由出口(48)离开，如一般由在图2C中的箭头指示。在穿过生物反应器(38)时，液体(例如，水)接触提供用于微生物驻留的平台的平板(40)。在进料中的营养物被微生物消耗，使得在进入下游螺旋卷绕膜模块之前，耗尽离开生物反应器(38)的液体的营养物(在图3中示出)。
进料隔板(42)优选地在相邻生物生长表面(50，50')之间提供在0.1mm和1.5mm之间，更优选地在0.15mm和1.0mm之间的流道(43)。小于0.15mm的通道更容易被生物生长堵塞，使得通过流道的压降需要更频繁的清洁。大于1.0mm的通道在建立期望去除有问题的营养物的生物生长时效率较差。如同螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"，2"')，螺旋卷绕生物反应器(38)可用多于一个重叠平板和隔板制得，但是优选地仅使用单个平板。
如所提到，生物反应器(38)的平板(40)包含两个相对的(外)生物生长表面(50，50')。平板不可渗透。可替代地，为了帮助清洁，相对的生物生长表面(50，50')可通过平板(40)的基质彼此流体连通。虽然不受特定限制，此可渗透平板可包括通常具有穿孔的不可渗透的片材、UF或MF膜、织造或非织造材料、纤维基质等。适合材料的实例描述于US5563069。然而，与描述于US5563069的一般设计不同，本发明的平板包括在通过进料隔板(42)分隔开两个外面上的生物-生长表面(50，50')。优选的材料包括孔径大于0.1μm或大于10μm的聚合物片材。聚合物片材还可包括尺寸大于10μm的大孔，这在清洁期间有助于干扰流体进入积垢区。可适用的聚合物包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺和聚偏二氟乙烯。因为本发明的生物反应器优选地在相对高流动速率下操作，所以平板厚度优选小于隔板厚度。优选地，平板小于1mm，并且更优选地小于0.5mm，或甚至小于0.2mm。
螺旋卷绕生物反应器(38)的进料隔板(42)不受特定限制，并且包括结合螺旋卷绕膜模块的上述进料隔板。期望的是相邻于隔板的大部分平板通过与隔板接触而未被堵塞。用于隔板的优选的结构包括具有比其间丝束的平均厚度更大厚度的相交点的网状片材材料。隔板可为平板的升高区的集合，如通过压印步骤，通过将粘合剂线施加到平板或通过将恰当设定大小的核/壳球贴附到表面形成。在螺旋卷绕时，进料隔板优选地在平板的相邻生物生长表面之间提供0.10mm到1.5mm，更优选地0.15mm到1.0mm的流道。当以片材形式提供时，接近进料隔板(42)和平板(40)部分可选择性地粘结在一起，例如沿其周边的部分或在其表面上的间断区粘附在一起。此类粘结为生物反应器增加强度并且减轻伸缩。
目标螺旋卷绕过滤组件的代表性实施例通常在图3A至图3D中示出，包括具有进料口(54)、聚集口(56)和渗透口(58)的压力容器(52)。进料口(54)适合于与可进入容器(52)的进料液体的加压源连接。聚集口(56)适合于连接到用于再使用或弃置的路径。渗透口(58)适合于连接到用于贮存、使用或进一步处理的容器外侧的路径。四个螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"和2"')在容器(52)内串联布置，所述容器(52)具有最接近压力容器(52)的第一端(60)串联定位的第一元件(2)和相邻于压力容器(52)的相对第二端(62)串联定位的最后一个元件(2"')。出于清楚起见，容器的“末端”包括延伸超出定位在所述容器内的模块的远端或轴向末端的那些部分。举例来说，进料口(54)和聚集口(56)的位置可在圆柱形容器的径向侧上或在如图3A、图3C和图3D中所示的轴向位置处。螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"，2'")的渗透管(8)串联连接以形成连接到渗透口(58)的渗透路径(由箭头示出)。用于连接模块的导管(44)和管(8)的构件不受特别限制。举例来说，通常包括压力配合密封件或O形环的互连管(64)或端盖(未示出)在本领域中是常用的且适合于在本发明中使用。渗透路径可替代地用全部或部分阻挡层分离流动，如在US 4046685中，以从容器中的不同螺旋卷绕膜模块直接渗透到容器的相对端。虽然展示包括四个模块，但可使用其它数量，例如1个到12个。
生物反应器(38)的位置相邻于串联的容器(52)的第一端(60)和所有螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"，2"')上游，但是可替代地可在螺旋卷绕膜模块之间定位或位于容器(52)的第二端(62)附近。在优选实施例中，生物反应器位于至少一个螺旋卷绕膜模块但是更优选地所有螺旋卷绕膜模块的上游。虽然未示出，但是可在单个容器内采用多个生物反应器，并且相邻的串联生物反应器可被视为一个生物反应器。在操作中，进料液体连续地流过生物反应器和螺旋卷绕膜模块两者。
在图3A至图3D中，生物反应器(38)沿从第一端(76)到第二端(76')的轴延伸流道(43)，所述流道(43)在位于相对的第一端(76)和第二端(76')上的入口(46)和出口(48)之间延伸。特别参照图3A和图3D，生物反应器包括(38)实心棒(78)或中轴线。在这些实施例中，无渗透物流过生物反应器。相比之下，在图3B和图3C的实施例中生物反应器包括中空导管(44)，其与螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"，2"')的渗透管(8)连接以形成用于渗透物经由渗透口(56)离开容器(52)的渗透路径。在图3A、图3B和图3D的实施例中，提供单个渗透口(58)，而在图3C中在容器(52)的两端(60，62)处提供渗透口(58)。
在压力容器(52)中的口可特定针对生物反应器(38)。在图3C和图3D中，容器(52)包含两个相对端板(80，80')、进料口(54)、聚集口(56)和至少一个渗透口(58)。然而，最接近生物反应器单元的端板(80)可包含连接到生物反应器(38)的额外流体口。在图3D中，过滤组件包括延伸通过生物反应器的中空导管(44)。导管(44)将在生物反应器中的所述流道(43)与在容器端盖上的口(除了进料口、聚集口和渗透口之外)连接。借助于这种布置，图3D进一步示出了在容器上的与生物反应器流道(43)连通的两个分离的口。这形成用于流体流入容器，通过生物反应器的流道(43)并且离开容器的可能连续路径，并且所述路径不穿过螺旋卷绕模块。
生物反应器可在操作模式和清洁模式之间交替。在操作模式中，来自进料口的流体在其入口处进入生物反应器并且在其出口处离开生物反应器。优选地，流体在生物反应器内具有小于10秒(1秒到10秒)的平均滞留时间；更优选地在生物反应器内平均滞留时间小于5秒。优选地，进入生物反应器单元的液体的平均速度小于移动通过相邻螺旋卷绕膜模块的液体的平均速度。
在清洁模式中，清洁流体接触与流道(43)相邻的生物生长表面(50，50')。图4示出用于清洁在容器内的生物反应器的不同方法。在图4A中，在常用于进料流动的方向上通过全部模块供应清洁流体。在图4B中，清洁流体在相反方向上冲洗通过容器，使得在生物反应器中的污染物未被冲洗通过螺旋卷绕膜模块。过滤组件可替代地被配置成使得中延伸通过生物反应器(38)的中空导管(44)的内侧处于与生物反应器的入口(46)或出口(48)任一者流体接触。如在实施例图4C和图4D中所示，这种配置的一个优点为它可使清洁流体穿过生物反应器(38)并且基本上不穿过螺旋卷绕膜模块(2，2'，2"，2'")。在这些实施例中，流动通过下游螺旋卷绕模块的量减少，并且将最终取决于向容器的收集流动提供的相对阻力。这允许使用可以其它方式降解螺旋卷绕模块的膜的清洁试剂。举例来说，用于清洁生物反应器单元的清洁流体可选自小于pH1的溶液、大于pH 13的溶液、大于60℃的溶液或含有氧化剂的溶液。在优选的方法中，生物反应器在清洁模式期间比在操作模式期间以更低的平均压力操作。这允许将更容易获得较高温度，并且还限制来自清洁流体的任何渗漏的可能危险。
在优选实施例中，在操作模式中测量在生物反应器两端的压力差，并且通过测量的压力差触发从操作模式到清洁模式的切换。图3D示出中空导管(44)如何通过生物反应器连接到压力测量装置(82)以允许测量在其出口处的压力。此前描述的用于清洁目的的中空导管(44)还将足以使用在容器外侧的压力传感器测量在生物反应器和RO之间的压力。在优选实施例中，生物反应器单元在清洁模式之后具有小于10psi(更优选地小于5psi)的压降。在一个实施例中，在生物反应器的压降超出10psi之后，或更优选地在其超出20psi之后开始清洁模式。
尤其在从清洁模式转换到操作模式之后，可促进在生物反应器内的特定的生物生长群体。在清洁之后，可接种(例如用特定集合的细菌)生物反应器。接种菌可衍生自此前从生物反应器提取的溶液。在操作模式的至少一部分期间，还可投加营养物。
已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下已经将某些实施例、选择、范围、成分或其它特征表征为“优选的”。“优选的”特征的此类指示决不应解释为本发明的必需或重要方面。前述专利和专利申请中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。

Claims (8)

1.一种螺旋卷绕过滤组件，其包含：
i)压力容器，其包含进料口、聚集口和渗透口；
ii)至少一个螺旋卷绕膜模块，其包含绕渗透管卷绕的至少一个膜包封，所述渗透管形成到所述渗透口的渗透路径；以及
iii)生物反应器，其具有沿轴(Y)从第一端延伸到第二端的圆柱形外周边、位于所述第一端附近的入口和位于所述第二端附近的出口；
其中所述螺旋卷绕膜模块和生物反应器在所述压力容器内串联布置。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述生物反应器具有螺旋卷绕配置，其包含：具有两个相对的生物生长表面的平板和绕轴螺旋卷绕的进料隔板；其中所述进料隔板限定沿所述平板的所述生物生长表面从所述生物反应器的所述入口延伸到所述出口的流道。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述平板可渗透，并且所述两个相对的生物生长表面彼此处于流体连通。
4.根据权利要求2所述的组件，其中所述平板和进料隔板绕中空管道螺旋卷绕，其中所述导管与所述平板和进料隔板流体连通密封并且串联连接到所述螺旋卷绕膜模块的所述渗透管。
5.根据权利要求1所述的组件，进一步包含多个螺旋卷绕膜模块，每个包含绕渗透管卷绕的至少一个膜包封，并且其中所述螺旋卷绕膜模块在所述压力容器内串联布置，其中所述串联定位的第一元件最接近于所述压力容器的第一端并且所述串联定位的最后一个元件相邻于所述压力容器的相对的第二端，并且其中所述螺旋卷绕元件的所述渗透管串联连接以形成连接到所述渗透出口的渗透路径，并且
其中所述生物反应器在至少一个螺旋卷绕膜模块的上游位置处在所述串联模块内布置。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述生物反应器在所有螺旋卷绕膜模块的上游位置处在串联模块内布置。
7.根据权利要求2所述的组件，其中所述生物反应器的所述进料隔板在所述平板的相邻生物生长表面之间提供0.10mm到1.5mm的流道。
8.根据权利要求2所述的组件，其中所述流道具有在生物生长表面之间未被固体占据的空隙体积，并且其中所述流道的所述空隙体积为所述生物反应器体积的至少65％。
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