CN203155105U - 用于在液体中提供气泡的装置和包括浸入式膜模块的组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于在液体中提供气泡的装置和包括浸入式膜模块的组件，所述装置包括限定腔的壳体、允许腔内和腔外之间流通的腔开口；并且其中，该腔适于将气袋保持在气袋和液体之间的分界面之上，该分界面具有从至少导管中第一开口的下边界至导管低点的上边界的范围内变动的可变高度，其中，第二开口设置的横截面面积大于导管的低点处的导管的横截面面积。

Description

用于在液体中提供气泡的装置和包括浸入式膜模块的组件

技术领域

本实用新型涉及一种气体清洁器，更具体地，涉及一种用于抑制浸入式膜的污垢的气体清洁器。 

背景技术

用于处理废水的膜的重要性正日益上升。众所周知，膜处理可用作有效的污水深度处理，并提供高质量的出水水质。但是，资金和运营成本令人望而却步。随着浸没式膜处理（submerged membrane process）的到来，其中膜模块浸入大的给水箱中，并通过应用于膜中过滤液（filtrate）侧的抽吸或通过重力进料来收集过滤物，则在一个阶段中组合了生物和物理处理的膜生物反应器保证是更加紧凑的、有效的和经济的。由于它们的多功能性，膜生物反应器的规模可以从家庭（诸如化粪池系统）变化至社区和大型污水处理。 

膜过滤工艺的成功很大程度上依赖于使用了有效和高效的膜清洗方法。常用的物理清洗方法包括：使用液体渗透或气体或其组合进行反冲洗（backwash）（反脉冲（backpulse）、反洗（backflush）），使用液体中泡沫形式的气体进行膜表面擦洗或冲洗。通常，在气体冲洗系统中，常常借助于送风机将气体注入浸没有膜模块的液体系统，以形成气体泡沫。然后，这样形成的泡沫向上运动擦洗膜表面，以清除形成于膜表面上的污垢物质。所产生的剪切力很大程度上取决于初始的气泡速度、泡沫大小和施加于泡沫的合力。这种方式的液体传输受限于气体提升机构的效率。为了增强擦洗效果，要供给更多的气体。然而，该方法消耗大量的能量。而且，在高浓度固体的环境中，气体分配系统可能由于脱水的固体而逐渐阻塞，或者当气流突然停止时而完全阻塞。 

此外，在高浓度固体的环境中，在过滤期间清洁的过滤液通过膜且更高固态含量的截留物留下的地方，膜表面附近的固体浓度极化现象（solid concentration polarisation）变得显著，导致增加的膜阻力。这些问题中的一部分已经通过使用两相流（two-phase flow）清洗该膜得以解决。 

在循环的基础上提供气泡的间歇或循环曝气系统声称降低能耗的同时仍提供足够的气体从而有效擦洗膜表面。为了提供这样的间歇操作，该系统通常需要复杂的阀门布置和控制设备，这趋于增加初始的系统成本以及所需要的复杂阀门和开关布置的持续的维护成本。 

已知的间歇或循环曝气系统存在于冲洗过程的操作无需复杂的阀门切换等场合。文献AU200263139描述了这样一种系统，然而，当泡沫分配不均，或当泡沫不对膜模块中的所有膜的表面进行冲洗时，操作会受阻。 

所期望的是，气流通过膜表面，以提供更有效的冲洗过程，同时最小化该清洗过程所需要的能量。 

实用新型内容

本实用新型，至少其实施方式中，目的是克服或至少改善现有技术的一些缺点，或是至少为公众提供一种有用的替代物。 

根据一个方面，本实用新型提供一种用于在液体中提供气泡的装置，包括：限定腔的壳体、允许腔内和腔外之间流通的腔开口；以及导管，该导管具有处于腔内的第一开口和与腔外进行流通的第二开口，并且限定了通道，该通道具有在从第一开口到第二开口的方向上向下延伸到导管的低点的部分，其中，导管的第二开口在导管的低点的上方，并且在导管的第一开口的上方，其中，腔适于将气袋保持在气袋和液体之间的分界面之上，该分界面具有从至少导管中第一开口的下边界至导管低点的上边界的范围内变动的可变高度，其中，第二开口设置的横截面面积大于导管的低点处的导管的横截面面积。 

优选地，邻近第二开口的导管的形状终止为像喇叭端部的扩口部分。 

在本实用新型的一种形式中，第二开口设置的横截面面积比导管的低点处的导管的横截面面积大至少1.5倍。 

可选地，限定在导管中的通道为闭合的。 

根据第二方面，本实用新型提供了一种包括一个或多个浸入式膜模块的组件，该浸入式膜模块具有膜座以及根据第一方面的一个或多个装置，该装置位于膜座下面、旁边或与之结合，该组件具有一个或多个供气管，该供气管具有或连接至用于将气体排放到每个腔中的出口。 

附图说明

现在将仅示例性地参考附图来描述本实用新型的优选实施方式，在图中： 

图1是根据本实用新型一个实施方式的气体清洁设备的简单示意性横截面视图； 

图2示出了图1的气体清洁设备的平面图； 

图3示出处于拆卸状态的图1的气体清洁设备的透视图； 

图4是根据本实用新型一个实施方式的描述若干脉冲式两相气/液流体阶段（pulsed two-phase gas/liquid flow phase）的多个膜模块的简单示意性横截面视图； 

图5是描述不同气体流速下处于提升管之上相应高度处的气泡直径大小的图。 

具体实施方式

参考附图，图1描述了根据本实用新型实施方式的气体清洁设备。 

气体清洁设备包括用于在液体中提供气泡的装置，该装置包括：限定腔2的壳体1、允许腔内和腔外之间流通的腔开口3；以及导管4，该导管4具有处于腔内的第一开口5和与腔外进行流通的第二开口6，并且限定了通道7，该通道7具有在从第一开口5到第二开口6的方向上向下延伸到导管4的低点8的部分，其中，导管4的第二开口6在导管4的低点8的上方，并且在导管的第一开口5的上方。 

腔2适于将气袋（未示出，见图4）保持在气袋和液体之间的分界面之上，该分界面具有从至少导管4中第一开口5的下边界9至导管4的低点8的上边界10范围内变动的可变高度。 

第二开口6设置的横截面面积大于导管4的低点8处的导管的横截面面积。优选地，第二开口6设置的横截面面积比导管4的低点8处的导管4的横截面面积大至少1.5倍。 

第二开口6终止为像喇叭端部的扩口部分11。扩口部分11的最宽点12处的横截面近似120mm。扩口部分11的最窄点13处的横截面近似60mm。最宽点12和最窄点13横截面之间的距离约25mm。 

壳体1为矩形柱体形状，具有四个矩形表面14、方形顶面15和方形底 面16。矩形表面14示出有铅直定位的其最长边17。矩形表面14具有大约160mm×315mm的尺寸。方形表面15和16具有大约160mm×160mm的尺寸。矩形柱体形状简单地连接到另外相同的壳体1。应了解，壳体1可以是圆柱体形状。壳体1具有大约160mm×160mm×315mm的尺寸。 

腔开口3被描述成壳体1的整个方形底面16。腔开口3占用整个方形底面16并非强制性的。如下文要说明的，小一些的腔开口3足矣，只要其能够及时地填充液体。腔开口3必须足够大，以避免与液体相关联的碎片导致的潜在堵塞。 

导管4被描述成称为钟管18的第一管和称为提升管19的第二管。钟管18是长度大约为285mm的逐渐缩减的柱体形状，包括阶梯变化的颈部20，具有开口底端21和开口顶端22。开口底端21是逐渐缩减的柱体形状的尺寸小一些的开口端，并且形成阶梯变化的颈部20的最窄的横截面。开口底端21的横截面大约为25mm，并且终止于腔开口3的水平处。开口顶端22终止于腔内位于壳体1的方形顶面15下方大约25mm水平处。开口顶端22在横截面内大约为100mm。钟管18居中地设置于腔2内，并由位于壳体1的方形顶面15和钟管18的开口顶端22的扩口边缘（flared rim）24之间的连接装置23保持在适当的位置。所描述的连接装置23包括螺钉（未示出），其穿透集成至钟管18的开口顶端22的扩口边缘24的突耳（protruding lug）25。应了解，其他连接装置23会达到该目的，包括使钟管18成为壳体1的整体模制的一部分。 

提升管19为共中心地定位在钟管18内的逐渐缩减的柱体形状。提升管19的逐渐缩减的角度对应于钟管18的逐渐缩减的角度。提升管19包括开口底端26和开口顶端27。开口顶端27位于壳体1的方形顶面15处。提升管19的开口顶端27也称为导管4的第二开口6，因此与腔2的外部流通。提升管19的开口底端26具有大约45mm的横截面。提升管19的长度大约为235mm。 

位于导管4内的通道7由钟管18与提升管19之间的空隙以及提升管19内的空隙限定。钟管18与提升管19之间的通道7是均匀的，并且宽度大约为25mm而长度大约为210mm。具有小于10mm宽度的通道7将开始导致由液体中的碎片引起的堵塞问题。 

图2示出了图1的气体清洁设备的平面图。描述了壳体1的方形顶面15， 并可以看到第一柱形管18和第二柱形管19的居中定位的圆形形状。 

图3示出了图1的气体清洁设备在拆卸状态的透视图。钟管18显示为从壳体1移出，因此能看到提升管19。 

图4描述了包括一个或多个浸入式膜模块40的组件，膜模块40包括用线表示的多个中空纤维膜41，从多个矩形膜座42铅直延伸。浸入式膜模块40具有位于膜座42下面、旁边或与之结合的一个或多个气体清洁设备43，该组件具有一个或多个供气管44，供气管44具有或连接至用于将气体排放到每个腔2中的出口45。 

图4描述了位于膜模块40下面的并与三个膜模块40对齐的一个气体清洁设备43。三个膜模块40的一组的横截面大约为160mm，其与气体清洁设备43的壳体1的方形顶面15的横截面相同。 

每个膜座42支撑统称为膜包（membrane bundle）46或膜束或膜帘的多个中空纤维膜41。在多个膜座42之间存在间隙47，并且在膜座42和气体清洁设备43之间存在空间48。间隙47和空间48提供了气体49和液体的通路。将了解，如果直接连接至膜模块40或膜模块40的一个部件，而不是图4所描述的分开式布置，则气体清洁设备43会是适用的。 

在使用中，如图4所描述的，该组件浸入液体中，加压的气体49（通常是空气）的源头（未示出）基本上连续地作用于供气管44。气体49逐步取代腔2中的液体，直到其达到提升管19的开口底端26的水平。在这一点上，气体49冲破液体密封，且涌过开口底端26，并且向上穿过提升管19，从而形成第一气团（slug of gas）50，第一气团50在膜模块40的方向上流动。第一气团50可通过钟管18的开口底端21和提升管19的开口底端26来抽吸液体，从而导致高速两相气/液流。钟管18的开口底端21可有助于向导管4重新填充液体，但是，钟管18的开口底端21的内含物对于本实用新型的成功不是强制性的。比如，如果限定在导管4中的通道7在除导管4的第一开口5和第二开口6之外是闭合的，本实用新型实施方式也是有效的。 

第一气团50流过第二开口6，当在膜座42之间流过间隙47时分解成小气泡51。小气泡51快速重组，以在膜座42之上形成第二气团52。之后，第二气团52在膜41之间流动，从而产生对膜41的表面的冲洗效应。 

离开导管4第二开口6的第一气团50的横截面等于第二开口6的横截面。膜座42之上的第二气团52的横截面在尺寸上等于或大于膜座下面的气 团50。发明者确信，当第一气团50的横截面等于或大于其分配的多个膜包46的宽度时，膜座41表面的出众的冲洗会发生。图4描述了多个膜包46为三个膜包46的情况。这确保了所有的膜45表面区域将被气团51冲洗。 

关于气体清洁设备43重要的是，提升管19第二开口6的横截面与壳体1方形顶面15的横截面的比例在0.5至1.0之间。图4描述的比例为120mm/160mm或0.75。 

本实用新型的结果是，每单位被传递的气体49冲洗更多的膜41的表面。在之前已知的气体清洁器43中，采用非逐渐缩减的和非扩口式的提升管19，则第一气团50的横截面不具有足够的尺寸以接合在膜模块40中的所有膜41，这导致膜41的冲洗效率低下。如果该非逐渐缩减的和非扩口式的提升管19因此获得具有足够横截面尺寸的第二气团52，已观察到在竖直膜41上端非预期地高的位置处获得该尺寸，从而导致膜41的非预期小的部分在这一点上方接受冲洗。换一种说法，预期的第二气团52横截面尺寸在膜41上升高的高度处（如图5所示大约为200mm）实现，在那之下膜得不到足够冲洗。 

在第一气团50连续形成之间的时间段中，腔2重新填充液体，并且第一气团50再次开始产生，从而在那之后导致膜模块40内的膜41进一步进行清洁。 

第一气团50在频率和持续时间上一般是随机产生的，然而将了解，有序循环的第一气团50的产生也是有效的。在上文的实施方式中所描述的气体清洁设备43可以与各种已知的膜模块40构造一起使用，并且不局限于示出的特定布置。例如，气体清洁设备43可以直接连接到膜模块40或具有膜模块40的组件，而不是如图4中所描述的分开式布置。类似地，膜模块40构造可包括中空纤维膜41或布置在膜帘中的片或不同的膜包46。给出了在实施方式中所描述的气体清洁设备43的尺寸，以提供可工作的设备的示例，但本实用新型不局限于这些尺寸。 

示例 

一个典型的膜模块由中空纤维膜构成，具有2米的总长和34平方米的膜表面积。气团产生装置位于该典型的膜模块之下。桨轮流量计位于提升管的下端处，用于监控由气体提升的脉冲式液体流量。气流稳定供给量测量为处于6立方米/小时（标准状态下）。释放到膜模块的气团产生的范围大约为 2至6秒。将了解，均匀的气团流模式也是可行的，并提供可接受的清洗流型。 

图5提供绘制的数据，其描述了在扩口式提升管和（非逐渐缩减的且非扩口式的）直提升管两者之上不同高度处、以不同空气流速的气团尺寸差异。数据显示，扩口式提升管持续产生比直提升管横截面至少大30%的气团尺寸。此外，可注意到一种趋势，显示出空气流速越低则气团尺寸差异越大。这尤为重要，因为本实用新型的目的是使用更少的空气因此使用更少的能量以实现相同的冲洗效果。 

由于将膜模块容纳于其中的箱的尺寸所施加的限制，尝试只使用直提升管实现相同的冲洗效果不容易完成。为了维持或最大化在箱中的膜的表面积，有必要维持气体清洁器壳体的容积。增加直（非逐渐缩减的且非扩口式的）提升管的横截面所具有的非预期效果是，会减小气团的容积，因此会产生较小的气团横截面。增加直（非逐渐缩减的和非扩口式的）提升管的长度所具有的非预期效果是，会减小可用的膜面积。 

将了解，在没有脱离所描述的本实用新型的精神或范围的情况下，本实用新型的其他实施方式和范例是可行的。 

Claims (5)

1.一种用于在液体中提供气泡的装置，其特征在于：所述装置包括：

限定腔的壳体、允许腔内和腔外之间流通的腔开口；以及

导管，所述导管具有处于腔内的第一开口和与腔外进行流通的第二开口，并且限定了通道，所述通道具有在从所述第一开口到所述第二开口的方向上向下延伸到所述导管的低点的部分，

其中，所述导管的第二开口在所述导管的低点的上方，并且在所述导管的第一开口的上方，

其中，所述腔适于将气袋保持在所述气袋和液体之间的分界面之上，所述分界面具有从至少所述导管中第一开口的下边界至所述导管低点的上边界的范围内变动的可变高度，

其中，所述第二开口设置的横截面面积大于所述导管的低点处的导管的横截面面积。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：邻近所述第二开口的导管的形状终止为像喇叭端部的扩口部分。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述第二开口设置的横截面面积比所述导管的低点处的导管的横截面面积大至少1.5倍。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：限定在导管中的通道为闭合的。

5.一种包括一个或多个浸入式膜模块的组件，其特征在于：所述浸入式膜模块具有膜座以及根据权利要求1所述的一个或多个装置，所述装置位于所述膜座下面、旁边或与所述膜座结合，所述组件具有一个或多个供气管，所述供气管具有出口或连接至出口，所述出口用于将气体排放到腔的每一个之中。

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