CN107530631A - 包含定位在独立的压力容器中的螺旋卷绕生物反应器和膜模块的过滤总成 - Google Patents

包含定位在独立的压力容器中的螺旋卷绕生物反应器和膜模块的过滤总成 Download PDF

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Abstract

一种过滤总成，包含：超滤总成，包含：高压容器，包含进料口、浓缩口和渗透口，以及多个串联布置的螺旋卷绕超滤膜模块；生物反应器总成，包含：低压容器，包括第一和第二端口，以及位于所述低压容器内的多个螺旋卷绕生物反应器，其中每个生物反应器包括具有两个相对的生物生长表面的平板以及绕轴线螺旋卷绕的进料垫片；以及流体流动路径，从流体进料源延伸到所述低压容器的所述第一端口中，穿过所述生物反应器并且延伸出所述低压容器的所述第二端口，并且延伸到所述高压容器的所述进料口中，穿过所述膜模块并且延伸出所述浓缩口和所述渗透口。

Description

包含定位在独立的压力容器中的螺旋卷绕生物反应器和膜模 块的过滤总成
技术领域
本发明涉及一种过滤总成，其包含位于螺旋卷绕超滤膜总成上游的螺旋卷绕生物反应器总成。
背景技术
螺旋卷绕“超滤”薄膜总成用于广泛多种纳米过滤和逆渗透流体分离。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，连续通过个别模块，且在至少两个流、即浓缩物和渗透物中退出容器。螺旋卷绕膜总成的性能常常由于积垢随时间推移降低。积垢涉及在模块内的各种表面上残渣的形成。更常见类型的积垢包含：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(在模块内的各种表面上生物膜的生长)。生物积垢通常通过在螺旋卷绕总成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缓和。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膜总成内生物积垢的营养物。实例描述于US2012/0193287、US7045063、EP127243；和H.C.Flemming等人，《脱盐(Desalination)》,113(1997)215-225；H.Brouwer等人，《脱盐(Desalination)》，第11卷，第1-3(2006)15-17期。在这些实例的每一个中，在螺旋卷绕膜总成上游的位置处用生物反应器预处理进料水。
发明内容
本发明利用容纳于位于一个或多个超滤总成上游的常见压力容器内的多个生物反应器。生物反应器降低进料液体中的生物营养物，使得下游超滤总成中的生物积垢降低。在优选实施例中，本发明的过滤总成包含：
i)超滤总成，包含：
a)高压容器，包含进料口、浓缩口和渗透口，以及
b)多个串联布置的螺旋卷绕超滤膜模块，位于高压容器内并且各自包含绕渗透管卷绕的至少一个膜封皮，所述渗透管形成到所述渗透口的渗透路径；
ii)生物反应器总成，包含：
a)低压容器，包含第一和第二端口，以及
b)位于低压容器内的多个螺旋卷绕生物反应器，其中每个生物反应器包括：平板，其具有两个相对的生物生长表面；和进料垫片，其绕轴线(Y)螺旋卷绕以形成沿着轴线(Y)从第一末端延伸到第二末端的圆柱形外周边，其中入口卷动面靠近第一末端定位，而出口卷动面靠近第二末端定位；以及
iii)流体流动路径，从流体进料源：a)延伸到低压容器的第一端口中，穿过生物反应器并且延伸出低压容器的第二端口；以及b)延伸到高压容器的进料口中，穿过膜模块并且延伸出浓缩口和渗透口。
在一个优选实施例中，流体流动路径遵循穿过生物反应器总成的生物反应器的并联流动模式和穿过超滤总成的膜模块的串联流动模式。在另一实施例中，螺旋卷绕生物反应器以并联布置定位在低压容器内。在又一实施例中，生物反应器以串联布置定位在低压容器的圆柱形内部腔室内。描述了许多额外实施例。
附图说明
图并未按比例绘制且包含理想化视图以促进描述。可能时，已经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是螺旋卷绕膜模块的透视部分剖面图。
图2A到2B是包含串联布置在高压容器内的多个螺旋卷绕膜模块的超滤总成的各种实施例的横截面视图。
图3A到3B是螺旋卷绕生物反应器的正视图。
图3C是螺旋卷绕生物反应器的透视图。
图4是包含以并联布置定位在低压容器内的多个螺旋卷绕生物反应器的生物反应器总成的横截面视图。
图5是包含以串联布置定位在低压容器内的多个螺旋卷绕生物反应器的生物反应器总成的实施例的横截面视图。
图6是本发明的过滤器总成的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明包含过滤总成及其在处理各种流体(例如半咸水、海水、废水等)中的使用。所述过滤总成包含位于超滤总成上游的生物反应器总成。在这种布置的情况下，呈现于进料流体中的生物营养物被呈现于生物反应器总成中的微生物消耗并且较少可供用于在下游超滤总成中导致生物积垢。
生物反应器总成包含优选地螺旋卷绕位于常见(低)压容器内的生物反应器的多个生物反应器。超滤总成包含以串联布置和串联流动模式位于(高)压容器内的多个螺旋卷绕膜模块。在操作中，加压进料流体(例如，加压到0.1到1MPa的废水)源沿着流体流动路径连续穿过生物反应器总成和超滤总成。沿着流体流动路径可包含额外的过滤器单元操作。举例来说，微滤装置(平均孔径0.1到10μm)或超滤装置(平均孔径0.001到0.1μm)(例如，中空纤维膜模块)或筒式过滤器(平均孔径10到50μm)可沿着流体流动路径定位在包含以下各项的位置处：超滤总成与生物反应器总成之间和进料流体源与生物反应器总成之间。一个或多个生物反应器总成的各种组合可与一个或多个超滤总成一起使用。举例来说，单个生物反应器总成可将预处理流体供应到彼此以并联流动配置或以串联配置定位的多个超滤总成，其中来自第一(上游)超滤总成的渗透物或浓缩物供应到下游超滤总成。类似地，以并联流动配置布置的多个生物反应器可供应共用下游超滤总成。
可用于本发明的螺旋卷绕膜模块(“元件”)包含被设计供逆渗透(RO)和纳米过滤(NF)(统称为“超滤”)使用的那些。一般来说，螺旋卷绕膜模块包含一个或多个膜封皮和绕渗透收集管卷绕的进料垫片片材。用来形成封皮的RO膜相对不可渗透几乎全部溶解的盐，并且通常阻挡大于约95％的单价离子盐，例如氯化钠。RO膜还通常阻挡超过约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膜还通常阻挡纳米范围内的颗粒以及分子量大于大约200到500道尔顿的有机分子。
代表性螺旋卷绕膜模块大体上在图1中示出。模块(2)通过绕渗透收集管(8)同心地卷绕一个或多个膜封皮(4)和进料垫片片材(“进料垫片”)(6)形成。每个膜封皮(4)优选地包括膜片材的两个大体上矩形区段(10，10')。膜片材的每个区段(10，10')具有膜或前侧(34)以及支撑或背侧(36)。膜封皮(4)是通过上覆膜片材(10，10')并且对准其边缘而形成。在优选实施例中，膜片材的区段(10，10')包围渗透通道垫片片材(“渗透垫片”)(12)。此夹层型结构沿着三个边缘(16，18，20)例如通过密封剂(14)而紧固在一起以形成封皮(4)，同时第四边缘、即“近端边缘”(22)对接渗透收集管(8)，从而使得封皮(4)的内部部分(以及任选的渗透垫片(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垫片片材(6)分隔开的多个膜封皮(4)。在所说明的实施例中，膜封皮(4)是通过接合邻近定位的膜叶包的背侧(36)表面而形成。膜叶包包含自身折叠以限定两个膜“叶”的大体上矩形膜片材(10)，其中每个叶的前侧(34)彼此面对，且所述折叠与膜封皮(4)的近端边缘(22)轴向对准，即与渗透收集管(8)平行。示出进料垫片片材(6)位于折叠的膜片材(10)的面对的前侧(34)之间。进料垫片片材(6)促进进料流体沿着轴向方向(即平行于渗透收集管(8))穿过模块(2)的流动。虽然未示出，但是总成中也可包含额外的中间层。膜叶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，渗透垫片片材(12)可围绕渗透收集管(8)的圆周附接，其中膜叶包交错于其间。邻近定位的膜叶(10，10')的背侧(36)围绕其周边的部分(16，18，20)密封而封闭渗透垫片片材(12)以形成膜封皮(4)。用于将渗透物垫片片材附接到渗透收集管的合适的技术在US 5538642中描述。膜封皮(4)和进料垫片(6)同心地围绕渗透收集管(8)卷绕或“卷动”以在相对端处形成两个相对的卷动面(30，32)，并且所得螺旋束例如通过带或其它方式而保持在位。接着可修整卷动面(30，32)，并且密封剂可任选地在卷动面(30，32)与渗透收集管(8)之间的接面处施用，如描述于US 7951295中。长玻璃纤维可绕部分构造模块卷绕并且施用树脂(例如液体环氧树脂)并硬化。在替代实施例中，可在卷绕模块的圆周上施加带，如描述于US 8142588中。模块的末端可装配有反伸缩式装置或端盖(未示出)，其被设计成防止膜封皮在模块的入口与出口卷动末端之间的压差下移位。代表性实例描述于：US 5851356、US 6224767、US 7063789、US 7198719和WO2014/120589中。虽然不是本发明的所需的方面，但是本发明的优选实施例包含端盖，其包含用于防止接合的端盖之间的相对轴向移动的锁定结构。端盖之间的这种锁定结构可通过对准相邻端盖接合，从而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出部或搭扣进入围绕对向端盖的外部轮毂布置的对应插孔中。端盖随后通过相对于另一个旋转一个端盖而接合，直到突出部或“搭扣”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)购得并且在US 6632356和US8425773中进一步描述。如果不使用此类端盖，那么互连管可用来防止渗透物与进料混合。为了限制进料流体绕过容器内的元件，各种类型的密封件(例如，V形类型、O形环、U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，US6299772，US 6066254，US 5851267，US8377300和WO2014066035中。在一些实施例中，密封总成配备有旁路，其准许受限的进料流体在元件周围流动，例如参见US 5128037，US 7208088和US8778182。
用于构造螺旋卷绕膜模块的各种组件的材料是本领域中众所周知的。用于密封膜封皮的合适的密封剂包含氨基甲酸乙酯、环氧树脂、硅酮、丙烯酸酯、热熔粘合剂和UV可固化粘合剂。虽然较不常见，但也可使用例如施加热量、压力、超声波焊接和带等其它密封方式。渗透收集管通常由塑性材料制成，例如丙烯腈/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作渗透垫片。额外渗透垫片描述于US8388848中。代表性进料垫片包含聚乙烯、聚酯和聚丙烯网状材料，例如可以商标名VEXARTM从康迪泰克塑料公司(Conwed Plastics)购得的那些材料。优选进料垫片描述于US 6881336中。在优选实施例中，用于本发明的进料垫片具有小于0.5mm的厚度。可替代地，进料垫片可包括形成在膜片材上的多个升高区，例如，由管芯或滚筒、沉积在膜片材上的聚合物球或线、波纹薄膜等形成的压花图案(参见例如US6632357和US7311831)。
膜片材不受特别限制并且可使用广泛多种材料，例如醋酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚偏二氟乙烯等。优选的膜片材包含FilmTec公司的FT-30TM型膜，即平板复合膜，其包括非织造背衬网(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(背侧)、包括具有约25μm到125μm的典型厚度的多孔载体的中间层和包括具有通常小于约1微米(例如，0.01微米到1微米但是更通常约0.01到0.1μm)的厚度的薄膜聚酰胺层的顶部鉴别层(前侧)。背衬层不受特定限制，但优选地包括包含可经定向的纤维的非织造织物或纤维网。可替代地，可使用例如帆布等织造织物。代表性实例描述于US 4214994、US4795559、US 5435957、US 5919026、US 6156680、US8608964和US 7048855中。多孔载体通常是聚合材料，其孔径具有足够大小以准许渗透的基本上不受限制的通过，但并不足够大以便干扰形成于其上的薄膜聚酰胺层的桥接。举例来说，载体的孔径优选地介于约0.001到0.5μm的范围内。多孔载体的非限制性实例包含由以下制成的那些多孔载体：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(例如聚偏二氟乙烯)。如US 4277344和US 6878278中所描述，鉴别层优选地是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。
图1中所示出的箭头表示在操作期间进料和渗透流体(也被称为“产品”或“过滤物”)的大致流动方向(26，28)。进料流体从入口卷动面(30)进入模块(2)并且流过膜片材的前侧(34)且在相对的出口卷动面(32)处退出模块(2)。渗透流体如箭头(28)指示在大致垂直于进料流动的方向上沿着渗透垫片片材(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。
虽然模块以多种大小可用，但具有标准8英寸(20.3cm)直径和40英寸(101.6cm)长度的一个常见工业RO模块是可用的。对于典型8英寸直径的模块，26到30个个别的膜封皮绕渗透收集管(即，对于具有约1.5到1.9英寸(3.8cm-4.8cm)外径的渗透收集管)卷绕。还可使用较不常规的模块，包含描述于US8496825中的那些。
图2A到2B示出适合于本发明的超滤总成(38)的两个传统实施例。如所示出，总成(38)包含高压容器(40)，所述高压容器(40)包含进料口(42)、浓缩口(43)和渗透口(44)。已知并可使用包含位于压力(40)侧和末端处的端口组合的多种类似的配置。多个螺旋卷绕膜模块(2，2'，2”，2”'，2””)串联布置在压力容器(40)内。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。当操作期间使用的流体压力通常超出1.5MPa(例如，对于半咸水为1.6到2.6M，对于海水为6到8MPa)时，用于超滤的压力容器在本文中被称为“高”压容器。容器结构优选地包含腔室(46)，所述腔室(46)具有对应于待容纳在其中的螺旋卷绕膜模块的外周边的内周边(例如圆柱形)。腔室的长度优选地对应于待连续(轴向)加载的螺旋卷绕膜模块的组合长度。优选地，容器包含至少2到8个螺旋卷绕膜模块，所述螺旋卷绕膜模块与其相应的渗透管(8)彼此流体连通以形成到渗透口(44)的渗透路径。流体大体上由箭头指示流入进料口(42)并且流出浓缩口和渗透口(43，44)。压力容器(40)还可包含一旦用一个或多个模块(2)加载时密封腔室(46)的一个或多个端板(48，50)。压力容器的定向不受特别限制，例如可使用水平和垂直定向两个。可适用的压力容器、模块布置和加载的实例描述于：US 6074595，US 6165303，US 6299772、US2007/0272628和US 2008/0308504中。压力容器的制造商包含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普路太有泽公司(Protec-Arisawa)以及以色列贝尔谢巴市的贝尔复合物公司(Bel Composite)。
个别的压力容器或工作在一起的容器群组，每个配备有一个或多个螺旋卷绕膜模块，可被称为“串”或“通道(pass)”。在通道内的容器可在一个或多个阶段布置，其中每个阶段含有相对于进料流体并行操作的一个或多个容器。多个阶段串联布置，其中来自上游阶段的浓缩流体用作用于下游阶段的进料流体，同时收集来自每个阶段的渗透物而不在通道内进一步重处理。多通道超滤系统通过互连沿流体路径的个别的通道构造，如描述于US4156645、US6187200、US7144511和WO2013/130312中。
本发明的过滤总成还包含生物反应器总成，所述生物反应器总成包含位于低压容器内的多个生物反应器。本发明中使用的优选生物反应器包含类似于上文参考膜模块描述的配置的螺旋卷绕配置。然而，由于生物反应器中不发生流体分离，因此生物反应器优选地不包含膜封皮。如图3A到3C中最佳示出，可适用的生物反应器(52)包含：平板(54)，其具有两个相对的生物生长表面(56，56')；和进料垫片(58)，其绕轴线(Y)螺旋卷绕以形成沿着轴线(Y)从第一末端(60)延伸到第二末端(62)的圆柱形外周边，其中入口卷动面(64)靠近第一末端(60)定位，而出口卷动面(66)靠近第二末端(62)定位。具体关于图3B中所示出的实施例，平板(54)和垫片(58)绕中空导管(70)螺旋卷绕。相比之下，图3A和3C中所示出的实施例并不包含中空导管。在未示出的替代实施例中，中空导管可用实心棒替换。虽然图3B中示出为包含中空导管(70)，但是生物反应器的导管优选地不可渗透并且因此密封以防除通过导管的末端外与平板和进料垫片直接流体连通。导管(70)的内表面(71)优选地仅通过入口或出口卷动面(64，66)与平板和进料垫片流体连通。
图4和5示出包含多个个别的螺旋卷绕生物反应器(52)的两个生物反应器总成(72)。图3、4和5中的每一个示出生物反应器不充当其中平板本身不产生渗透物的螺旋卷绕膜模块。相反，进料流入生物反应器的入口卷动面(64)中，沿着进料垫片(58)的流动通道(68)流动并且通过出口卷动面(66)退出。然而，在一些实施例中，流动通过流动通道的进料可借助于中心导管(70)往回布设通过生物反应器。这种实施例结合图5描述，其中流体流在流动通过出口卷动面(66)之后进入导管。在流动通过生物反应器(52)时，液体(例如水)接触提供用于微生物驻留的平台的平板(54)。进料中的营养物被微生物消耗，从而使得退出生物反应器的液体在流入下游螺旋卷绕膜模块之前缺乏营养物。
进料垫片(58)优选地在相邻生物生长表面(56，56')之间提供0.1mm与1.5mm之间，更优选地0.15mm与1.0mm之间的流动通道(68)。小于0.15mm的通道更容易被生物生长堵塞，从而使得通过流动通道的压降需要更频繁清洁。大于1.0mm的通道在建立期望去除成问题的营养物的生物生长时较不有效。如同螺旋卷绕膜模块(2，2'，2”，2”'，2””)，螺旋卷绕生物反应器(52)可用超过一个叠加的平板和垫片制成，但优选使用通过垫片(58)分隔开的至多两个平板(54)。最优选地，每个生物反应器仅包括单个螺旋卷绕平板(54)。在优选实施例中，平板(54)从上游生物反应器(52)展开的长度超出膜封皮(4)从下游超滤模块(2)展开的长度的至少三倍，并且更优选地至少十倍。(在此上下文中，沿着垂直于中心轴线(分别来自图1和3的X或Y)的方向测量平板(54)和膜封皮(4)展开的长度)。
生物反应器(52)包含生物生长表面(56，56')以及从入口卷动面(64)延伸到出口卷动面(66)的流动通道(68)。由于在本发明的许多实施例中期望相对高的流动速率，因此生长表面可被定义为邻近连接生物反应器(52)的入口卷动面(64)和出口卷动面(66)的流动通道(68)的那些表面。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生物营养物的块体，接触流动通道的大面积的生物生长表面是期望的，同时仍然提供对流动通过生物反应器的最小阻力。优选地，流动通道的空隙体积(不是由在生物生长表面之间的固体占据的体积)包括至少65％(更优选地75％或甚至85％)的生物反应器的体积。生物生长表面积与用于每个生物反应器的生物反应器体积的比率优选地在15cm-1与150cm-1之间(更优选地在20cm-1与100cm-1之间)。在一个实施例中，平板可提供生物生长表面，而流动通道可通过在包含凹槽或流动路径的垫片材料(例如织造材料等)之间或借助于其的空间提供。
生物反应器(52)的平板(54)可以是不可渗透的。可替代地，为了辅助清洁，相对的生物生长表面(56，56')可通过多孔平板(54)基质而彼此流体连通。虽然不受特定限制，但是可渗透平板可包含大体上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中。然而，与描述于US5563069中的一般设计不同，本发明的平板包含在通过进料垫片(58)分隔开的两个外面上的生物生长表面(56，56')。优选的材料包含具有大于0.1μm或大于10μm孔径的聚合物片材。聚合物片材还可包含尺寸大于10μm的大孔，这在清洁期间促进流体分布到结垢区中。可适用的聚合物包含不限于聚乙烯、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，所以平板厚度优选地小于垫片厚度。优选地，平板厚度小于1mm，并且更优选地小于0.5mm、小于0.2mm或甚至小于0.1mm。生物反应器(52)中的平板(54)的厚度优选地小于下游超滤模块(2)中的膜封皮(4)的厚度的25％。
螺旋卷绕生物反应器(52)的进料垫片(58)不受特别限制，并且包含结合螺旋卷绕膜模块的上述进料垫片。期望邻近垫片的大部分平板不通过与垫片接触堵塞。用于垫片的优选的结构包含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。垫片可以是平板的升高区的集合，例如通过压印步骤，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，进料垫片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的流动通道。当以片材形式提供时，最接近的进料垫片(58)和平板(54)区段可选择性地粘结在一起，例如沿其外周边的部分或在其表面上的间断区粘附在一起。
类似地，相邻生物生长表面可贴附在一些位置以防止在其间相对移动，但是仍允许通过流动通道进行进料移动。此类粘合增加了生物反应器的强度，从而防止垫片的挤压并且缓解可伸缩。
生物反应器(52)的外周边优选地是圆柱形并且可对其以与上文参考螺旋卷绕膜模块(例如，带玻璃纤维等)所描述的同一方式进行加工。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)。可替代地或另外，生物反应器可包含反伸缩式装置，其常与螺旋卷绕膜模块结合使用。在一个实施例中，生物反应器包含与邻近螺旋卷绕膜模块互锁的端盖(参见例如US6632356和US8425773)。在另一实施例中，为了防止已经由生物反应器处理的进料与尚未处理的进料混合，端盖可提供密封件用于连接到低压容器内部的收集腔室。在另一实施例中，端盖可提供密封件和/或锁定特征用于连接到邻近生物反应器。
生物反应器(52)的外周边优选地是圆柱形并且设定大小以组装在压力容器内。在优选实施例中，生物反应器具有在选自185mm和370mm的距离的10％内的外径。这些尺寸可类似于标准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组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(52)的卷动面(64，66)可以是平的，但是可使用其它配置。举例来说，当生物反应器(52)在包括用于进料液体的侧面端口的压力容器(73)内时，可通过使生物反应器延伸更接近容器的上游端的并不干扰流出容器端口的位置来获得体积增大的生物反应器。
多个生物反应器(52)位于共用压力容器内。生物反应器可并联(图4)布置或串联布置(图5)；然而，穿过生物反应器的流体流动路径优选地是并联流动模式。
压力容器可与结合超滤总成描述的那些相同或类似。然而，为清楚起见，用于生物反应器总成的压力容器在本文中表征为“低”压，这只是由于其典型操作压力(例如，60kPa到600kPa)所致。然而，在一些实施例中，在类似于用于超滤总成的流体压力的流体压力下操作生物反应器总成可以是优选的。
图4示出包含低压容器(73)的生物反应器总成(72)的一个实施例，所述低压容器(73)限定由间隔物(78)分隔开的第一腔室(74)和第二腔室(76)，所述低压容器(73)包含与第一腔室(74)流体连通的第一端口(80)和与第二腔室(76)流体连通的第二端口(82)。螺旋卷绕生物反应器(52)以并联布置定位在低压容器内，其中每个生物反应器的入口卷动面(64)与第一腔室(76)流体连通，而每个生物反应器的出口卷动面(66)与第二腔室(78)流体连通。流体流动路径从流体进料源(未示出)延伸到低压容器(73)的第一端口(80)中，延伸到第一腔室(74)中，穿过生物反应器(52)的入口卷动面(64)和出口卷动面(66)，延伸到低压容器的第二腔室(76)并且延伸出低压容器的第二端口(82)。
图5示出包含低压容器(73)的生物反应器总成(72)的实施例，所述低压容器(73)包含具有第一端口(80)和第二端口(82)的腔室(84)。螺旋卷绕生物反应器(52)以串联布置定位在低压容器(73)内。如大体上由箭头所指示，流体流动路径从流体进料源(未示出)延伸通过第一端口(80)并且延伸到低压容器(73)的腔室(84)中，穿过生物反应器(52)的入口卷动面(64)并且延伸出出口卷动面(66)，并且延伸出低压容器(73)的第二端口(82)。至于图4中所示出的实施例，流体流动路径大体上遵循穿过生物反应器的并联流动模式。(流体流动路径在重组之前被分成两个或更多个“并联”路径。)在一个优选实施例中，生物反应器(52)包含如图3B中所示出的中心导管(70)，其中生物反应器(52)的导管(70)彼此流体连通并且与出口(82)流体连通。
图6示意性地示出包含多个生物反应器总成(72，72')的过滤总成(86)的实施例，所述生物反应器总成(72，72')被调适用于连接到加压进料流体源(88)并且定位在多个超滤总成(38)上游。代表性进料流体包含半咸水、海水和废水。所述总成可包含用于产生期望流体压力的一个或多个泵(90，92)。优选地，泵(92)至少存在于生物反应器(52)的低压容器(73)与超滤膜模块(2)的高压容器(40)之间。总成(86)包含流体流动路径(大体上由箭头所指示)，所述流体流动路径从流体进料源(88)延伸并且延伸到低压容器(73)的第一端口(80)中，穿过生物反应器(52)并且延伸出第二端口(82)，延伸到高压容器(40)的进料端口(42)中，穿过膜模块(2)并且延伸出浓缩口(43)和渗透口(44)。来自多个超滤总成(38)的浓缩物(43')和渗透物(44')可组合并且任选地经受额外的处理，例如用超滤总成(未示出)进一步处理。生物反应器总成(72)和超滤总成(38)可借助于标准管道、阀、压力传感器等而连接。在优选实施例中，生物反应器总成和超滤总成被设定大小，使得流动通过生物反应器总成的压降小于通过超滤总成的压降的10％(在使用25℃并且通过超滤总成的流动速率为15gfd的纯水而使用非结垢总成启动时测量)。在过滤系统的优选实施例中，在并联高压容器的后续阶段中，生物反应器总成内的生物生长表面的总面积大于前向(首先串联)超滤模块内含有的膜面积总和。超滤总成优选地以至少90％并且更优选地95％的渗透物回收而操作。此高级渗透物回收操作由于由上游生物反应器总成提供的生物积垢预防而是可持续的。
在图6所示出的实施例中，阀(94)靠近每个生物反应器总成(72)的第一和第二端口(80，82)定位。阀(94)允许生物反应器总成(72)与共用加压进料流体源(88)和其它生物反应器总成(72')隔开。以此方式，个别的生物反应器总成(72)可被脱机，而另一生物反应器总成(72')保持用穿过其的进料流体操作。在一些实施例中，便携式清洁系统可连接到隔开的生物反应器总成(72)。在图6中，过滤总成(86)包含任选的清洁总成(96)，所述清洁总成(96)包含清洁流动路径，所述清洁流动路径从生物反应器总成(72)的第一端口(80)延伸，穿过清洗剂源(98)，延伸到第二端口(82)，并且穿过低压容器(73)内的个别的生物反应器(52)以在第一端口(80)处退出总成(72)。
生物反应器总成(72)可在操作模式与清洁模式之间交替。在操作模式下，流体从第一端口(80)流动通过并联生物反应器(52)，从入口卷动面(64)到出口卷动面(66)，在生物反应器总成的第二端口(82)处退出生物反应器总成。清洁流动路径可被颠倒，或可使用流动方向组合。清洁总成可包含独立泵(100)和阀门总成(102)。清洁总成(96)和相关流动路径与超滤总成(38)隔开，并且由此，可在更宽范围内使用清洁剂而不损害超滤总成(38)的膜的集成。代表性清洁剂包含pH小于2的酸性溶液、Ph大于12的碱性溶液、包含杀生物剂的溶液、温度提高的(例如，大于40℃、60℃或80℃)水溶液和氧化剂，例如含氯水溶液(例如，至少10ppm、100ppm或甚至1000ppm氯)。优选地，清洁流体具有在生物反应器内小于10秒(1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。
在清洁之后，生物反应器总成(72)可例如用清洁水、进料流体或包含微生物的接种溶液中的一种或多种以类似于参照清洁总成所描述的方式的方式进行冲洗。接种溶液可包含先前从生物反应器总成中提取(例如，在清洁之前或期间)的液体。在操作模式的至少一部分期间，还可投加营养物。在优选实施例中，在操作模式中测量跨生物反应器(52)或生物反应器总成(72)的压力差，并且从操作模式到清洁模式的切换是由所测量的压力差触发的。优选地，跨生物反应器总成(72)的压力差在清洁模式之后小于10psi(更优选地小于5psi)。在一个实施例中，在生物反应器的所测量的压降超出10psi之后，或更优选地在它超出20psi之后开始清洁模式。
已经描述了本发明的许多实施例并且在一些情况下已将某些实施例、选择、范围、组分或其它特征描述为“优选的”。“优选的”特征的此类指代决不应解释为本发明的必需或重要方面。举例来说，应了解，螺旋卷绕生物反应器具有优点，但是各种替代方案配置可包含中空光纤、板和框架、颗粒填充床和流体化床。对于其它几何结构，仍然优选的是生物反应器是圆柱形，延伸穿过生物反应器的流动通道(68)具有生物反应器的体积的至少65％(更优选地75％或甚至85％)的空隙体积，并且生物生长表面积与每个生物反应器的生物反应器体积的比值优选地是15cm-1与150cm-1之间(更优选地在20cm-1与100cm-1之间)。
前述专利和专利申请中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。

Claims (10)

1.一种过滤总成(86)，包括：
i)超滤总成(38)，包括：
a)高压容器(40)，包括进料口(42)、浓缩口(43)和渗透口(44)；
b)多个串联布置的螺旋卷绕超滤膜模块(2)，位于所述高压容器(40)内并且各自包括绕渗透管(8)卷绕的至少一个膜封皮(4)，所述渗透管(8)形成到所述渗透口(44)的渗透路径；
ii)生物反应器总成(72)，包括：
a)低压容器(73)，包括第一端口(80)和第二端口(82)，
b)多个螺旋卷绕生物反应器(52)，位于所述低压容器(73)内，其中每个生物反应器包括：平板(54)，其具有两个相对的生物生长表面(56，56')；和进料垫片(58)，其绕轴线(Y)螺旋卷绕以形成沿着轴线(Y)从第一末端(60)延伸到第二末端(62)的圆柱形外周边，其中入口卷动面(64)靠近所述第一末端(60)定位，而出口卷动面(66)靠近所述第二末端(62)定位；以及
iii)流体流动路径，被调适用于与流体进料源(88)流体连接并且：
a)流入所述低压容器(73)的所述第一端口(80)中，穿过所述生物反应器(52)并且流出所述低压容器(73)的所述第二端口(82)，以及
b)流入所述高压容器(40)的所述进料口(42)中，穿过所述螺旋卷绕超滤膜模块(2)并且流出所述浓缩口(43)和所述渗透口(44)。
2.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，其中所述流体流动路径遵循穿过所述生物反应器总成(72)的所述生物反应器(52)的并联流动模式和穿过所述超滤总成(38)的所述膜模块(2)的串联流动模式。
3.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，其中：
所述低压容器(73)限定由间隔物(78)分隔开的第一腔室(74)和第二腔室(76)，其中所述第一端口(80)与所述第一腔室(74)流体连通，而所述第二端口(82)与所述第二腔室(76)流体连通；
所述生物反应器(52)以并联布置定位在所述低压容器(73)内，其中每个生物反应器(52)的所述入口卷动面(64)与所述第一腔室(74)流体连通，而每个生物反应器(52)的所述出口卷动面(66)与所述第二腔室(76)流体连通；以及
所述流体流动路径：a)延伸到所述低压容器(73)的所述第一端口(80)中，延伸到所述第一腔室(74)中，穿过所述生物反应器(52)的所述入口卷动面(64)和所述出口卷动面(66)，延伸到所述低压容器(73)的所述第二腔室(76)中，并且延伸出所述低压容器(73)的所述第二端口(82)，并且b)延伸到所述高压容器(40)的所述进料口(42)中，穿过所述螺旋卷绕超滤膜模块(2)并且延伸出所述浓缩口(43)和所述渗透口(44)。
4.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，其中：所述低压容器(73)包括与所述第一端口(80)和所述第二端口(82)流体连通的圆柱形内部腔室(84)，并且所述生物反应器(52)以串联布置定位在所述低压容器(73)的所述圆柱形内部腔室内。
5.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，包括沿着所述流体流动路径定位在包含以下至少一个的位置处的至少一个微滤或超滤装置：
i)所述超滤总成(38)与所述生物反应器总成(72)之间，以及
ii)流体进料源(88)与所述生物反应器总成(72)之间。
6.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，进一步包括各自与所述生物反应器总成(72)流体连通的多个超滤总成(38)，其中所述流体流动路径从所述生物反应器总成(72)的所述低压容器(73)的所述第二端口(82)延伸并且延伸到每个超滤总成(38)的所述进料口(42)中。
7.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，进一步包括各自与所述超滤总成(38)流体连通的多个生物反应器总成(52)，其中所述流体流动路径从每个生物反应器总成(72)的所述第二端口(82)延伸并且延伸到所述超滤总成(38)的所述进料口(42)中。
8.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，其中所述生物反应器(52)的所述平板(54)是可渗透的并且所述两个相对的生物生长表面(56，56')彼此流体连通。
9.根据权利要求1所述的过滤总成(86)，其中所述生物反应器(52)的所述进料垫片(58)在所述平板(54)的邻近生物生长表面(56，56')之间提供0.10mm到1.5mm的流动通道(68)。
10.根据权利要求1所述的过滤总成，其中所述平板和所述进料垫片绕中空导管(70)螺旋卷绕，其中所述中空导管的内表面(71)仅通过所述入口或出口卷动面(64，66)与所述平板和所述进料垫片流体连通。
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