CN205412697U - 用于脉冲通气的气化装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于脉冲通气的气化装置，所述气化装置包含外套筒，所述外套筒限定主室，其中所述主室具有开放的下端、在其顶端中具有开口、并且与通气装置流体连接；管，所述管在所述主室内延伸，使得所述管的下端高于所述外套筒的下端，其中所述管穿过所述开口；两个侧壁，其中所述侧壁中的每一个在径向上从所述管的外表面延伸至所述外套筒的内表面；桶，所述桶在所述侧壁下方，其中所述桶、所述侧壁和所述外套筒的内表面限定在所述主室中的内室，使得所述内室与所述主室的其余部分仅仅在所述侧壁的上边缘上方流体连接，并且所述管的下端位于所述内室中。

Description

用于脉冲通气的气化装置
技术领域
本公开涉及用于脉冲通气的气化装置，例如在用于浸入污染水槽中的具有束封装件和脉冲通气的中空纤维膜过滤系统中的用于脉冲通气的气化装置，其用作例如有效清洁所述膜的脉冲空气提升泵。
背景技术
广泛多样的膜过滤系统已经多年用于处理受污染的水，例如污水或废水。这样的系统在复杂度和成本方面各不相同。在使处理过程更有成本效率的努力中，已经开发了浸没式膜过滤法，其中将包含中空纤维过滤膜的膜模块浸入大型槽中，并且通过施加到中空纤维膜的滤液侧的抽吸的方式来收集滤液。这引起了悬浮物质在中空纤维膜表面的外侧上聚集，其降低了过滤性能。因此，需要从表面移除所述物质的有效方法。膜模块由多个中空纤维膜组成。因为沉积在中空纤维膜的外侧上的悬浮物质降低了过滤性能，向中空纤维膜的外侧提供适量的通气，从而移除沉积在纤维表面上的悬浮物质。
这些膜系统的有效性和可行性大大取决于：具有对中空纤维膜表面进行清洁的有效方式，使得它们不变得堵塞和/或失去它们的有效性。常见的清洁方法包括使用液体渗透物和/或气体回洗、松弛(relaxing)、化学清洁、和使用气泡形式的气体的膜表面通气。在气体通气系统中，将气体引入至膜模块的底座。气泡之后向上行进以冲刷膜表面，从而移除在膜表面上形成的污垢物质。所产生的剪切力主要取决于最初的气体气泡速度、气泡尺寸、和所得到的向气泡施加的力。为了增强洗涤，需要施加更多的气体。然而，能量消耗随着气体体积增加而增加。对于其中被处理的液体具有大量的悬浮物质的应用来说，气体通气系统容易变得堵塞。
降低能量消耗同时仍然得到高效的膜清洁的一种方式是循环通气(例如，小气泡分散通气)。循环通气系统循环地而不是连续地提供气泡。为了提供这种循环操作，这种系统通常需要复杂的阀装置和控制方案，其成本抵消了循环系统运行上的节约。此外，循环通气系统可能会具有有限范围的空气流量操作，限制了降低运行成本的能力。例如，当将空气流量调低至最小阈值以下时，对于循环通气系统来说可能会出现问题。这种问题可能包括，例如，膜槽内液体的不充分循环，导致沾污和淤积的不充分的膜表面冲刷，以及通气系统部件(例如，喷嘴和分配管线)的增加的堵塞的可能性。
降低能量消耗的另一个可选方案是具有与Zha等人的美国专利号8,287,743(’743专利)中描述的相似的脉冲空气提升系统。根据’743专利，系统包括具有设置在膜模块的分配室下方的脉冲气体提升泵装置的膜模块。脉冲气体提升泵装置被配置成从加压源接收气体，其使脉冲气体提升装置的气体收集室内的供给液体移动直到其达到特定水平。一旦气体的体积达到特定水平，气体打破液封并且以气泡的形式通过分配室排出至膜模块的底座中。气体的排出还通过脉冲气体提升泵抽吸供给液体，产生设计为冲刷膜表面的两相气体/液体脉冲。
’743专利的系统和方法可以在一些应用中提供一些益处。然而，其可能会具有某些缺点和低效率，例如，通过脉冲空气提升形成的气泡可能会当它在膜模块向上移动时变形或平移，从而降低洗涤效率。公开的实施方案可以帮助解决这些缺点和低效率以及其他问题。
实用新型内容
本实用新型提供了以下技术方案：
[1]一种用于脉冲通气的气化装置，所述气化装置包含
外套筒，所述外套筒限定主室，其中所述主室具有开放的下端、在其顶端中具有开口、并且与通气装置流体连接；
管，所述管在所述主室内延伸，使得所述管的下端高于所述外套筒的下端，其中所述管穿过所述开口；
两个侧壁，其中所述侧壁中的每一个在径向上从所述管的外表面延伸至所述外套筒的内表面；
桶，所述桶在所述侧壁下方，其中所述桶、所述侧壁和所述外套筒的内表面限定在所述主室中的内室，使得所述内室与所述主室的其余部分仅仅在所述侧壁的上边缘上方流体连接，并且所述管的下端位于所述内室中。
[2]根据[1]所述的气化装置，其中所述通气装置是在所述外套筒上方的通气室，并且所述主室经由在其顶端中的通道与所述通气室流体连接。
[3]根据[2]所述的气化装置，其中在所述通道中设置节流阀。
[4]根据[2]所述的气化装置，其中所述气化装置具有在所述主室的顶端上的喷嘴，所述喷嘴容纳所述管，并且所述通道围绕所述管且在所述喷嘴内。
[5]根据[1]所述的气化装置，其中所述气化装置设置为可释放地且可旋转地偶联至一个需要向其脉冲通气的装置。
[6]根据[1]所述的气化装置，其中所述通气装置是下通气管。
[7]根据[6]所述的气化装置，其中所述下通气管行进穿过所述外套筒，并且在主室中具有孔，允许气体从所述下通气管进入所述主室。
[8]根据[7]所述的气化装置，其中所述孔从所述下通气管的底部90度偏置。
[9]根据[6]所述的气化装置，其中所述下通气管是可释放的并且配置为滑动且锁定就位。
[10]根据[1]所述的气化装置，其中所述气化装置与一个需要向其脉冲通气的装置配置为一个整体部件。
[11]根据[1]所述的气化装置，其中所述侧壁和所述桶配置为一个整体部件并且是可从所述管和所述外套筒释放的。
[12]根据[1]所述的气化装置，其中所述侧壁的上边缘处于不同高度。
在一个方面中，本公开涉及被配置成在环境压力下处理槽中含有的液体的膜过滤器模块。所述模块可以包括集管和含有多个基本上竖直的中空纤维膜的束，其中每个中空纤维膜的下端固定在集管中。所述模块还可以包括适用于周期性生成气泡并且被配置成在束内释放气泡的气化装置。所述模块还可以包括从膜束的下部区域延伸到上部区域束的基本包围膜束的封装件，其中所述封装件被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束。气泡可以具有与封装件的横截面积对应的横截面积，以使在其沿着束流动时气泡的横截面积基本上占据封装件的整个横截面积。
在另一个方面中，本公开涉及被配置成处理在环境压力下槽中含有的液体的膜过滤器模块。所述模块可以包括集管和含有多个基本上竖直的中空纤维膜的束，其中每个中空膜的下端固定在集管中。所述模块还可以包括适用于周期性生成气泡并且被配置成释放气泡的气化装置。所述模块还可以包括从膜束的下部区域延伸到上部区域束的基本包围膜束的封装件。封装件可以被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束，并且维持被引入至封装件中的气泡以使气泡保持与束沿着束的整个长度接触。
在另一个方面中，本公开涉及操作具有浸入槽中的液体中的以基本上竖直的取向排列的中空纤维膜的膜过滤器模块的方法。所述方法可以包括操作浸入液体中的模块。所述模块可以包括集管和含有多个中空纤维膜的束，其中每个中空纤维膜的下端固定在集管中。所述模块还可以包括适用于周期性生成气泡并且被配置成释放束内的气泡的气化装置。所述模块还可以包括从膜束的下部区域延伸到上部区域束的基本包围膜束的封装件，其中所述封装件被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束。所述方法还可以包括向与中空纤维膜流体连通的渗透物收集室施加小于槽的环境压力的压力，其中施加压力被配置成使得一部分液体作为进入渗透物收集室的渗透物通过中空纤维膜。所述方法还可以包括向气化装置供应气体流以产生气泡。气泡具有与封装件的横截面积对应的横截面积，以使在其沿着束流动时气泡的横截面积基本上占据封装件的整个横截面积。
在另一个方面中，本公开涉及冲刷浸入槽中的液体中的以基本上竖直的取向排列的中空纤维膜的外表面的方法。所述方法可以包括操作浸入液体中的模块。所述模块可以包括集管和含有多个中空纤维膜的束，其中每个中空纤维膜的下端固定在集管中。所述模块还可以包括适用于周期性生成气泡并且被配置成释放束内的气泡的气化装置。所述模块还可以包括从膜束的下部区域延伸到上部区域束的基本包围膜束的封装件，其中所述封装件被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束。所述方法还可以包括向与中空纤维膜流体连通的渗透物收集室施加小于槽的环境压力的压力，其中施加压力被配置成使得一部分液体作为进入渗透物收集室的渗透物通过中空纤维膜。所述方法还可以包括向气化装置供应气体流以产生气泡，其中所述封装件使得气泡保持与束沿着束的整个长度接触。
在另一个方面中，本公开涉及对中空纤维膜模块清除淤泥的方法。所述方法可以包括临时终止向模块施加的真空压力。所述模块可以包括集管和含有多个中空纤维膜的束，其中每个中空膜的下端固定在集管中。所述模块还可以包括适用于周期性生成气泡并且被配置成释放束内的气泡的气化装置。所述模块还可以包括从膜束的下部区域延伸到上部区域束的基本包围膜束的封装件，其中所述封装件被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束。所述方法还可以包括向气化装置供应气体流以产生多个气泡，其中所述气泡保持与束沿着束的整个长度接触。气泡可以通过将淤泥打碎并且向上提升并且从封装件顶部提出，来对中空纤维膜清除淤泥。
在另一个方面中，本公开涉及用于与浸入液体中的膜过滤器模块一起使用的气化装置。所述装置可以包括限定主室的与喷嘴连接的外套筒，其中所述主室具有开放的下端。所述装置还可以包括在主室内延伸的管，使得管的下端高于外套筒的下端的上方。所述装置还可以包括位于主室内的、管外部的桶，其中所述桶的底部在管的下端的下方。气化装置可以被配置成当主室中气体的体积排出足够体积的液体并且达到管的下端时将气泡通过管向上脉冲至膜过滤器模块的束中。
在另一个方面中，本公开涉及一种被配置成处理在盆或槽中容纳的液体的膜过滤器模块中的脉冲空气提升泵，为包括集管、含有多个基本上垂直的中空纤维膜的膜束，其中每个中空纤维膜的下端固定在集管中并且每个中空纤维膜的上端密封并且可以在水中自由移动；适用于周期性生成气泡并且被配置成释放膜束内的气泡的气化装置；以及基本上包围从膜束的下部区域延伸到上部区域的膜束的侧部的封装件，其中所述封装件被配置成维持被引入至封装件中的液体以使液体包围膜束；其中气泡具有与封装件的横截面积对应的横截面积，以使在其沿着膜束流动时气泡的横截面积基本上占据封装件的整个横截面积。
在气泡移动至柱以上时，其将新鲜混合液向上拉起(即泵送)至膜束以上，这有助于洗涤。具体地，封装件内上升的空气脉冲将液体在其上升时提升，在笼内产生液体流动。这种液体流动将在膜表面上剩余的粒子移除并且维持与膜接近的低固体浓度。气化装置和纤维束笼二者一起工作以通过增加液体循环速率以远高于这些分离的部件中的每一个而协同地提高膜模块的性能。首先，气化装置被配置成产生空气脉冲，其每一个将会以单个气泡基本上填充纤维束封装件的整个横截面。其次，封装件将单个气泡的约束为，其可以更有效地提升在其上方的水并且向上抽取在其下方的水。
可以在没有所公开的气化装置的情况下产生段塞流(slugflow)，然而气化装置使得全部通气空气流大大降低，同时当空气脉冲通过通气喷嘴排出时仍然产生气泡和段塞流。这以显著较低的运行成本为提高的膜性能产生了足够的液体循环。
在使用膜模块组的情况下，模块通常以位于盆或槽中的阵列、架、或盒组装。为了清洁膜模块的架或盒，可以将气化装置与分配器连接并且将所生成的脉冲气泡通过分配器分配至模块中。备选地，可以使用多个气化装置，每个模块一个，并且为多个气化装置供给恒定的空气流。尽管以连续模式将气体供应至单个装置，气泡从每个装置中的释放是随机的。
膜束在封装件内基本上垂直排列，这形成了从下端的集管延伸至束的上端的垂直中心线。气泡可以离开与束的中心线在一条线上的单个孔。由于封装件，气泡的垂直中心线与束的垂直中心线基本上相同。
作为参考，膜包括多孔中空纤维，所述纤维下端固定在集管中。集管具有一个或多个在其中形成的孔，气泡通过孔被引入至膜束中。纤维在上端密封并且在下端开放以允许滤液的移除。
附图说明
图1是膜过滤器模块的示例性实施方案的透视图。
图2是膜排(membranerow)的示例性实施方案的透视图。
图3是膜排的示例性实施方案的一部分的放大透视图。
图4A是示例性束封装组件的顶视图。
图4B是示例性束封装组件的一部分和纤维束的顶视图。
图5A是膜过滤器模块的示例性实施方案的顶视图。
图5B是膜过滤器模块的示例性实施方案的顶视图。
图6是浸入槽中的膜过滤器模块的示例性实施方案的侧视图。
图7是示例性的束体和纤维束的一部分的侧横截面图。
图8是涉及纤维束组件的部件的示例性实施方案的倒转的组装图。
图9是纤维束组件的示例性实施方案的一部分的倒转的局部透视图。
图10是示例性的膜排的一部分的透视图。
图11是束体和纤维束组件的示例性实施方案的倒转的局部透视截面图。
图12是束体和示例性气化装置的透视图。
图13是图12的气化装置的透视图。
图14A-14C示出了用于在图12的气化装置中产生气泡的空气吸入循环。
图15A-15C示出了用于在图12的气化装置中产生气泡的排气循环。
图16是图12的束体和气化装置的横截面图。
图17是示例性气化装置的透视图。
图18是示例性气化装置的透视图。
图19是被配置成下通气管的膜排的示例性实施方案的侧面示意性横截面图。
图20是根据示例性实施方案的下通气管组件的透视图。
图21是根据示例性实施方案的下通气管组件的一部分的放大透视图。
图22A、22B、和22C是根据示例性实施方案的气化装置的横截面图和透视图。
图23A、23B、和23C是根据示例性实施方案的束体的侧视图。
图24A、24B、和24C是根据示例性实施方案的束体和气化装置的侧视图。
图25是根据示例性实施方案的束体和气化装置的透视图。
图26A、26B、和26C是根据示例性实施方案的气化装置的横截面图和透视图。
图27是根据示例性实施方案的气化装置的示意图。
图28是根据示例性实施方案的气化装置的侧视图。
图29是在经历间歇通气的槽中容纳的膜排的示例性实施方案的侧横截面图。
图30是在经历脉冲通气的槽中容纳的膜排的示例性实施方案的侧横截面图。
图31是在槽中容纳的具有间断笼(intermittentcage)的膜排的示例性实施方案的侧横截面图。
图32是具有间断笼的膜排的示例性实施方案的透视图。
图33是具有第二集管的膜排的示例性实施方案的透视图。
图34是排封装组件的示例性实施方案。
图35是图34中所示的示例性实施方案的详细视图。
图36是束封装件的示例性实施方案的横截面图。
图37是束封装件的示例性实施方案的局部透视图。
图38是排封装组件的示例性实施方案的顶视图。
图39是图34中所示的示例性实施方案的详细视图。
图40是排封装组件的另一个示例性实施方案的透视图。
图41是图40的示例性排封装组件的一部分的透视组装图。
图42是图40中所示的示例性实施方案的一部分的详细透视图。
图43是图27的示例性排封装组件的一部分的详细透视图。
图44是立管(riser)偶联组件的示例性实施方案。
图45是纤维板的示例性实施方案。
图46是纤维板的示例性实施方案。
图47是纤维板的示例性实施方案。
图48是纤维板的示例性实施方案。
图49是纤维板的示例性实施方案。
图50是纤维板的示例性实施方案。
图51是纤维板的示例性实施方案。
图52是纤维板的示例性实施方案。
图53是纤维板的示例性实施方案。
图54是用于测试膜排的示例性实施方案的试验系统的流程示意性。
图55是对于不同的膜排构造的沾污速率的图表。
图56是对于根据示例性实施方案的膜排的第一构造的试验结果的散点图。
图57是图56的散点图的一部分的放大图。
图58是对于根据示例性实施方案的膜排的第二构造的试验结果的散点图。
图59是图58的散点图的一部分的放大图。
图60是对于根据示例性实施方案的膜排的第三和第四构造的试验结果的散点图。
图61是对应于膜排构造4的图60的散点图的一部分的放大图。
图62是对应于膜排构造3的图60的散点图的一部分的放大图。
图63是对于两种不同膜排构造的试验结果的散点图。
图64是对于两种不同膜排构造在三种不同渗透物通量速率(fluxrate)下的沾污速率的图表。
图65是对于在三种不同渗透物通量速率下运行的膜排的试验结果的散点图。
图66是对于在三种不同渗透物通量速率下运行的膜排的试验结果的散点图。
图67是对于两种不同通气空气流量下运行的膜排的试验结果的散点图。
图68是对于在两种不同渗透物通量速率下运行的膜排的试验结果的散点图。
图69是对于膜排的试验结果的散点图。
图70是对于根据示例性实施方案的膜排运行多于120天的试验结果的散点图。
图71和72是对于根据示例性实施方案的膜排运行45天的试验结果的散点图。
图73是对于三种不同通气空气流量下运行的膜排的试验结果的散点图。
图74是对于三种不同通气空气流量下运行的膜排的试验结果的散点图。
图75是对于三种不同通气空气流量下运行的膜排的试验结果的散点图。
图76a和76b公开了具有气化装置的膜模块的阵列。
图77公开了封装件的一侧向上移动以显示束中的纤维的五个膜模块的阵列。
图78a和78b公开了气化装置的两个方面的细节。
图79a-79f公开了用于在气化装置中生成气泡的空气吸入/排气循环。
图80a-80d公开了封装件和气化装置的组合。
具体实施方式
图1示出了配置用于膜过滤系统(未示出)中的膜过滤器模块10的示例性实施方案。模块10可以包括一个或多个膜排12，其可以排列在框架14中，彼此相邻以形成模块10。如在图2和3中所示，单个膜排12可以包括集管16，其具有与集管16的一个或多个束体20连接的一个或多个中空纤维膜束18。中空纤维膜束18可以包括多个中空纤维膜32，并且在本文中也被称为纤维束。每个中空纤维膜32可以具有：外表面，固定在集管16中的下端，和密封的、可自由移动的上端，所述上端通过槽中的液体悬浮并且适合于在槽中的液体中漂浮。
单个膜排12还可以包括与集管16流体连通的在一端的渗透物立管管道22和在另一端的通气立管管道24。如在图1中所示，渗透物立管管道22和通气立管管道24可以从集管16沿着中空纤维膜束18竖直延伸至膜排12的上端26，在那里渗透物立管管道22可以与渗透物集流管28连接并且通气立管管道24可以与通气集流管30连接。渗透物集流管28和通气集流管30可以被配置成与模块10的任何数量的膜排12流体连接。
图3示出了单个膜排12的下端29的近视图。如在图3中所示，一个或多个气化装置34可以位于集管16下方并且与其流体连通。每个气化装置34可以被配置成接收通过通气立管管道24供应的气体流36。利用气体流36，每个气化装置34可以被配置成产生并且从集管16的束体20中释放气泡。例如，气化装置34和集管16可以被配置成将气泡释放至每个纤维束18的中心中。模块10可以被配置成使得集管16具有对应于每个纤维束18和束体20的一个气化装置34。
模块10还可以包括排封装组件38，后者可以包括对应于每个纤维束18的一个或多个束封装组件40。如在图2中所示，排封装组件38可以被配置成例如在膜排12的每个末端与立管管道22、24连接。如在图1和2中所示，每个束封装件40可以通过从下端29延伸至相应的纤维束18的上端26来包围纤维束18。图4A是根据示例性实施方案的用于模块10的单个膜排12的示例性排封装组件38的顶视图。排封装组件38可以包括在横跨膜排12的宽度内彼此相邻的多个束封装组件40。这个具体的实施方案包括九个束封装组件40；然而，可以在用于膜排12的排封装组件38中包括多于或少于九个的束封装组件40。例如，取决于膜排12包括的纤维束18的数量，排封装组件38可以包括10个、11个、12个、或更多的，以及相反地8个、7个、6个、5个、或更少的束封装组件。
图4B是一个束封装件40的放大图。单个纤维束18可以位于每个束封装件40的内部开口中的每一个中。通过包围每个纤维束18，束封装组件40可以被配置成维持被引入至每个束封装件40中的液体以使液体包围相应的纤维束18。如在图4B中所示，当从顶部或底部观察时，纤维束18可以显示为具有大体上的环形。然而，纤维束18可以具有除了圆形之外的外形，例如，椭圆形、矩形、正方形、或其他类似的形状。
如在图5中所示，膜排12可以彼此相邻排列以形成模块10。图5中所示的示例性模块10具有模块长度L和模块宽度W，其中膜排12的数量建立了模块阵列的尺寸和形状。在图5中所示的示例性实施方案中，模块10包括两个各22个膜排12的柱，并且44个排中的每一个包括九个纤维束18，在这种单个的示例性模块10中总计396个中空纤维膜32的纤维束18。例如，在其中每个纤维束18含有280个中空纤维膜32的实施方案中，模块10将会含有110,880个中空纤维膜32。也可以预期其他过滤模块构造。例如，在其中每个模块10具有450个纤维束18的实施方案中，每个纤维束18含有364个中空纤维膜32，模块10将会包括163,800个中空纤维膜32。
在另一个示例性实施方案中，如在图5B中所示，在每个膜排12中可以包括八个束封装组件40和纤维束18。请注意，每个束封装件40和纤维束18在膜排12的每个末端的部分由于渗透物集流管28和通气集流管30而部分地隐藏。在这种构造中，模块10包括两个各21个膜排12的柱，并且42个排中的每一个包括八个纤维束18，在这种单个的示例性模块10中总计336个中空纤维膜32的纤维束18。例如，在其中每个纤维束18含有336个中空纤维膜32的实施方案中，模块10将会含有112,896个中空纤维膜32。
每个模块10的活性膜区域可以改变，例如，随着在束18中的中空纤维膜32的数量(即，纤维束18的填充密度)、每个中空纤维膜32的从纤维板表面到如本文更详细地说明的纤维尖端密封的开始处的长度、纤维束18的尺寸和数量以及安装或使用的膜排12的数量的变化而改变。根据一些实施方案，当需要时，模块10可以被配置成以部分负荷运行和/或可以包含增加或减少的膜排12。
与膜排和模块10一起使用的中空纤维膜的长度可以变化。在一些实施方案中，中空纤维膜可以为，例如，约1.5m至约1.65m、约1.65m至约1.75m、约1.75m至约1.85m、约1.85m至约1.95m、约1.95m至约2.05m、约2.05至约2.15m、约2.15m至约2.25m、约2.25m至约2.35m、约2.35m至约2.45m、约2.45m至约2.55m、约2.55m至约2.65m、或约2.65m至约2.75m。
与膜排和模块一起使用的中空纤维膜的直径可以变化。在一些实施方案中，中空纤维膜直径可以为，例如，约1mm至约5mm或2mm至约3mm。就设计和系统性能而言，纤维直径可以影响多种因素。例如，纤维直径可以影响填充密度。更具体地，纤维直径较大，可以填充至相同横截面积的束中的纤维的数量就越小。较大的纤维可以具有较大的每个纤维的膜表面积，但是由于每个相同横截面积的束包括较少的纤维，每个束的整体膜面积可以减小。可以取决于纤维直径的纤维的刚性可能会在运行期间影响纤维的移动。对纤维的移动的影响可能会影响沾污特征。例如，较大直径的纤维可以是更刚性的，其可能降低运行期间的运动范围，使得纤维表面容易沾污。
膜模块运行概述
如在本文中所描述的模块10可以与膜过滤系统一起使用以处理在环境压力下的槽44或其他容器(例如，盆、水池、水库等)中含有或容纳的含有固体(例如，悬浮固体)的液体42。如在图6中所示，模块10可以位于(例如，悬浮)在槽44中并且浸入液体42中。图6中所示的模块10可以包括任何数量的膜排12。例如，模块10可以包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、14个、16个、或更多的膜排12。
如在图6中所示，可以示出具有大于模块10的排封装组件高度C的液体深度D的示例性的槽44。模块10的底部和槽44的底部之间的距离或间隔可以被称为模块间隔并且由标记字母S表示。模块10包括活性膜材料的部分可以具有可以至少稍微大于排封装组件高度C的高度M，其中相对于排封装组件高度C使高度M最大化可以为特定的模块提供最大量的活性膜面积。
可以和在活性膜的底部的部分表示为笼间隙G，可以确定其以优化给定的模块的过滤性能。可以选择笼间隙G的高度以提供新液体42(例如，淤泥)向膜排12中的所需的流入量，因为这可以是暴露于进入的液体42的膜排12的仅有的开放区域。换句话说，这种笼间隙G高度的选择有助于优化每个膜排12和模块10的性能，并且可以根据许多因素选择，包括适宜进行过滤的速度，进入的液体42淤泥的污染水平，以及许多额外的因素。根据示例性实施方案的笼间隙G的高度可以大于0且小于6英寸，包括高度在1至5英寸之间。如果需要，可以用放置排封装组件38下方的间隙间隔体或其他结构构件维持笼间隙G。在一些实施方案中，笼间隙G可以为，例如，约0.5英寸、1英寸、2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、或更多。
从笼间隙的底部到槽44的底部的距离可以为高度H并且被称为槽44的混合区。图6中所示的箭头示意性地描绘了与模块10有关的液体42的流路。如通过箭头所示的，液体42可以通过排封装组件38向上流动并且从模块10的顶部流出。液体42可以从模块10的顶部向下流回，沿着路线混合。
可以向模块10和整个纤维束18施加小于环境压力的压力(即，真空)以使过滤进行。通过可以与集管16内的渗透物室46(参见图7)流体连通的渗透物集流管28和渗透物立管管道22，可以向模块10的每个膜排12施加这个压力。图7示出了根据示例性实施方案的包括渗透物室46的一部分的集管16的一个束体20的横截面。渗透物室46可以与在多个中空纤维膜32内的内部中空腔流体连通。因此，当中空纤维膜32的内腔经历压力差时，包围纤维束18的一部分液体42将会通过中空纤维膜32的孔并且将会被过滤以产生之后可以收集的澄清液体(渗透物)。来自前面未处理的液体42的固体材料中的至少一些可以保持在中空纤维膜32的侧面上或者保持在中空纤维膜32的孔中。可以借助压力将渗透物抽取通过集管16的渗透物室46，向上通过渗透物立管管道22(参见例如，图2)，并且从渗透物集流管28出来(参见例如，图1)。
在一些实施方案中，如在图1-2中所示的集管16可以由多个彼此相邻堆叠的束体20形成。例如，根据一些实施方案的集管16可以由一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、或者更多的彼此相邻堆叠的束体20形成。根据一些实施方案，束体20的直径和相应的纤维束18的直径和中空纤维膜32的数量或直径可以根据组成膜排12的束体20的数量增加或降低。
为了限制或降低固体在中空纤维膜32的表面上的累积以及促进液体42的循环，可以从一个或多个气化装置34中释放气泡。气泡可以沿着中空纤维膜32通过从而引入新液体42同时还冲刷中空纤维膜32的表面并且控制固体在表面上的累积。这个将气泡释放至中空纤维膜32的过程在本文中可以被称为通气或空气冲刷。
气化装置设计和运行
存在多种可以用于中空纤维膜32的通气的方法和气化装置。例如，通气方法可以包括连续通气、间歇通气、和脉冲通气。连续通气可以包括其中将基本上连续的小气泡流从每个气化装置连续释放以冲刷中空纤维膜32的表面的通气。间歇通气可以包括其中当将气体流36供应至模块10时将基本上连续的小气泡流从每个气化装置释放一定时间段(例如，循环开启和关闭)以冲刷中空纤维膜32的表面的通气。传统上，间歇通气已经是用于清洁浸入式膜的通气的常规方法。例如，美国专利号6,245,239公开了用于浸入式膜模块的循环通气。
间歇通气由于能量节省相对于连续通气已经是优选的，其可以通过不将所有膜连续通气获得并且仍然保持令人满意的性能。更近期，已经引入了脉冲通气，其中当将气体流36供应至模块10时可以将较大的气泡从气化装置周期性地释放以冲刷中空纤维膜32的表面。对于脉冲通气来说，可以将气体流36连续供应至气化装置并且释放较大气泡的速率取决于气体流36的流量。
间歇通气气化装置
图8中示出了被配置用于间歇通气的气化装置34A的一个实施方案。图8是示出气化装置34A、单个束体20的一个实施方案、通气管48、和纤维板50的分解组装图。纤维板50、通气管48、和中空纤维膜32(未示出)可以包括纤维束组件52。
图9示出了在组装状态下并且倒转以使通气管48在中空纤维膜32上方延伸的来自图8的束18、纤维板50、和通气管48。如在图9中所示，多个中空纤维膜32中的每一个可以延伸通过纤维板50中相应的孔。图10示出了多纤维束组件52，其具有延伸的通气管48，通气管48相对于它们各自的束体20放置，束体20进而可以放置在膜排12的集管16中。
图11是横截面透视图，其示出了在其相对于纤维束组件52的组装位置的束体20，并且另外示出了与束体20接合的通气管48。尤其是，通气管48的外表面设置有可以与束体20的内部结构接合的结构(例如，延伸的圆形法兰)以将部件相对于彼此锁定。如示出的，通气管48可以延伸通过束体20的中心，并且其末端中的一个位于可以位于通气管48的远端附近的通气室54内。如示出的，束体20还可以包括至少一个渗透物室46。
备选地，在束体20的一些实施方案中(例如，图7和11)，通气管48可以在恰在纤维板50下方的灌封(potting)材料内停止。在这种构造(未示出)中，可以改进纤维板以适应在通气管48和纤维束18之间剩余的间隙。另一个可选方案是在通气管48和纤维板50之间插入可释放的灌封塞，其起到密封件的作用以防止灌封材料进入通气管。一旦灌封材料变硬，即将灌封塞移除。图11以未连接的气化装置34A示出，但是气化装置34A可以与束体20可旋转地连接。在未在图11中示出的其它实施方案中，可以使用其他常规方式，如粘合剂、紧固件、闩、摩擦配合、或螺纹-螺丝锁定将气化装置与束体连接。当与束体20连接时，气化装置34A可以经由孔60接收来自通气室54的气体流36并且将气体流36引导至与通气管48流体连通的气化装置34A的中心。因此，当将气体流36供应至气化装置34A时，气化装置34A可以产生可以经由通气管48释放至纤维束18的中心的大体上连续的小气泡流。
间歇通气过程可以包括在特定时间段内经由通气室54将气体流36间歇供应至气化装置34A，并且之后停止气体流36。例如，根据一个实施方案，可以将通气打开约120秒至24小时的时间，并且之后可以将其停止恰大于0秒至约120秒的时间段。根据将通气打开或激活的时间长度，在贯穿每个24小时的时间段内，可以将循环重复至少一次，并且可以重复多次。
脉冲通气
对于脉冲通气来说，可以将气体流36连续地或间歇地供应至气化装置。但是不同于间歇通气，气化装置可以被配置成，使得在供应气体流36的同时可以周期性地释放大气泡，而不是连续地释放许多较小的气泡。图12和13示出了被配置用于脉冲通气的气化装置34B的一个示例性实施方案。图12示出了与束体20连接的气化装置34B，而图13示出了未与束体20连接的气化装置34B。用于脉冲通气的气化装置的额外的实施方案在本文中公开并且还将会详细描述。
通过图14A-14C和15A-15C示出了可以通过其进行脉冲通气的过程。对于脉冲通气气化装置34B来说，图14A-14C示出了吸入循环，而图15A-15C示出了排气循环。如在图14A-14C和15A-15C中所示的气化装置34B的结构与图12-13中所示的实施方案对应。然而，该结构仅用于说明目的，并且如在本文中描述和示出的脉冲通气的过程不限于气化装置34B，而是通常适用于包括在本文中所公开的那些在内的所有脉冲通气气化装置。
如在图14A-14C中所示，可以将气体流36供应至气化装置34B并且气体可以填充气化装置34B的内部工作体积。在一些实施方案中，可以经由如进一步在本文详细描述的位于气化装置34下方的通气室54或通气管(未示出)将气体流36供应至每个气化装置34。可以通过气体使气化装置34B内的液面向下移动直到其达到管的底部开口端。如在图15A-15C中所示，通过破坏液封，可以将在内部工作体积中收集的基本上全部体积的空气迅速向上引导通过管，导致空气脉冲作为大气泡56从管的上端离开。
同心气化装置
图16示出了与束体20(未示出中空纤维膜32)连接的、被配置用于脉冲通气的气化装置34B的横截面图。气化装置34B在本文中可以被称为同心气化装置。如在图16中所示，同心气化装置34B可以具有喷嘴100、外套筒102、管104、和桶106。喷嘴100可以限定供给室108和节流阀110，配置成接收从通气室54到供给室108中的气体流36。在一些实施方案中，喷嘴100可以被配置成与束体20可释放地且可旋转地连接。喷嘴100可以具有，例如，一个或多个从喷嘴100向外延伸并且被配置成接合束体20中的狭槽的突出物112。
外套筒102可以与喷嘴100连接并且被配置成限定主室114。主室114可以与供给室108流体连通。外套筒102可以形成具有开放的下端116的大体上圆柱形的形状。在其它实施方案中，外套筒102可以限定其他形状，例如，正方形、卵形、矩形、椭圆形等。
如在图16中所示，管104可以被配置成与喷嘴100连接，例如，通过插入至喷嘴100的凹槽118中。在一些实施方案中，可以将管104固定或集成至喷嘴100。管104可以从凹槽118通过供给室108向下延伸并且进入主室114中。管104可以延伸至主室114中的高于外套筒102的下端116的距离。管104的下端116可以对主室114开放。
如在图16中所示，桶106可以位于主室114内的管104的外部。桶106可以被配置成与管104、外套筒102、和/或喷嘴100连接并且可以与管104、外套筒102、和束体20同心。桶106的上端120可以对主室114开放，并且桶106的盖122可以密封。桶106的盖122可以位于管104的下方，因此由桶106限定的体积可以与管104流体连通。如在图16中所示，桶106的盖122也可以高于外套筒102的下端116。可以确定气化装置34B的多个部件的尺寸，从而当从上方或下方观察时气化装置34B被包含在束体20的覆盖区内。
当不将气体流36供应至气化装置34B时，主室114和供给室108可以用经由外套筒102的开放的下端116引入的液体42(未示出)充满。当将气体流36供应至通气室54时，气体可以通过节流阀110流入供给室108和主室114中并且替代液体42。当主室114中的气体的体积替换足够体积液体42以使液体42的水平达到管104的下端时，可以破坏液封，并且可以将供给室108和主室114中收集的空气的体积作为空气脉冲向上引导(例如，虹吸)通过管104，并且可以将空气脉冲作为气泡56从束体20释放。可以将气泡56从束体20的中心释放至纤维束18的中心(未示出)。
偏置气化装置
图17示出了根据另一个实施方案的、被配置用于脉冲通气的气化装置34C。这个实施方案在本文中可以被称为180度偏置气化装置34C。气化装置34C可以是与如在本文中所描述的同心气化装置相似的。更具体地，气化装置34C可以包括相同或基本上相似的喷嘴100、外套筒102、和管104。同心气化装置34B和180度偏置气化装置34C之间的主要差异可以是桶。气化装置34C可以包括桶124，但是如在图17中所示，桶124可以与同心气化装置34B的桶106不同。
如在图17中所示，桶124可以具有封闭的底部124和开放的顶部128。桶124可以被配置成限定大体上碗形的室130。碗形室的内表面可以是从顶部128向底部126走向的凹面。桶124还可以被配置成使得室130仅在管104周围路线的一部分延伸。例如，如在图17中所示，室130可以在管104的外周周围约180度延伸。在其它实施方案中，室130可以在管104周围大于180度或小于180度延伸。例如，图18示出了被配置用于脉冲通气的气化装置34D的另一个实施方案。这个实施方案在本文中可以被称为100度偏置气化装置34D。气化装置34D可以与气化装置34C相同或基本上相似地配置，但是室130可以在管104周围约100度延伸。如在图17和18中所示，桶124可以具有在管104周围卷绕并且从管104的外表面径向延伸至外套筒102的内表面的侧壁132。侧壁132可以被配置成从底部126延伸至室130的顶部，或者如在图17和18中所示，侧壁132可以超过碗的顶部128朝向喷嘴100向上延伸。在一些实施方案中，例如如在图17中所示，侧壁132的每侧可以处于距离顶部128的不同高度。具有不同高度的侧壁132使得液体42首先从两个侧壁132中较低的那个之上的一个方向进入桶124的室130，并且之后液体从两个侧壁132中较高的那个之上的相反方向进入。使液体42首先从一个方向进入桶124并且之后增加第二方向可以增加桶124内的湍流(turbulence)。增加的湍流可以有助于从桶124中移除碎屑。
预期的是，在其他实施方案中，可以改变、组合或改进气化装置34A、34B、和34C的部件(例如，喷嘴100、外套筒102、管104以及桶106和124)中的一个或多个。例如，在其他实施方案中，喷嘴100、外套筒102、和管104可以全部是一个连续的部件。
下通气
在膜排12的一些示例性实施方案中，可以经由下通气管将气体流36供应至气化装置34(例如，34B、34C、和34D)而不是通过集管16的通气室54供应气体流36。例如，如在图19中所示，膜排12可以被配置成使得可以将气体流36从通气立管管道24通过通气足部62引导至下通气管64。下通气管64可以从膜排12的一侧延伸至另一侧。在一些实施方案中，如在图19中所示，下通气管64可以通过气化装置34的下部。在一些实施方案中，下通气管64可以被配置成在气化装置34的下方通过。如在图19中所示，下通气管64可以包括在与可以供应气体流36的末端相反的末端的冲洗腿66。
如在图19中所示，对于使用下通气管64的实施方案来说，可以从束体20中取消通气室54，从而使得渗透物室46增加。例如，如在图19中所示，每个束体20可以包括与中空纤维膜32和渗透物立管管道22的中空内部流体连通的一个室(即，渗透物室)。
下通气管64可以包括被配置成将气体流36引导至每个气化装置34的多个孔68。例如，如在图19中所示，下通气管64可以具有至少一个与例如每个气化装置34的中心大体上对齐的孔68。孔68可以位于沿着下通气管64的外周的多个位置。在一些实施方案中，孔68可以位于下通气管64的底部或顶部。根据示例性实施方案，如在图19中所示，孔68可以位于下通气管64的顶部和底部之间的中间位置(即，从底部90度偏置)。与位于下通气管64的底部上的孔相比，将孔定位为从底部90度偏置可以降低堵塞的可能性。此外，90度偏置维持了沿着下通气管64的基本上一致的压降。
可以优化下通气管64的横截面积和孔68的横截面积以使相等且足够量的气体流36可以从每个孔68中排出同时将从冲洗腿66排出的气体流36的量最小化。如对于本领域技术人员来说将会是已知的是，孔的尺寸取决于体积空气流和孔的量。此外，可以改变下通气管64横截面积和孔尺寸以控制速度和压降。在一些实施方案中，孔68可以为约5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、或更大。
如在图20中所示，下通气管64可以被配置成从排12(未示出)的通气足部62延伸至渗透物足部70。下通气管64可以被配置成滑动且锁定就位。例如，如在图20中所示，下通气管64的一端可以被配置成插入至通气足部62中并且可以用例如O型环密封。如在图21中所示，下通气管64的另一端可以包括键状突起72。键状突起72可以被配置成通过渗透物足部70中的键状狭缝74，并且一旦通过，即可以旋转下通气管64，从而键状突起72不再与键状狭缝74对齐并且因此靠在渗透物足部70的内表面上。可以通过将下通气管64反向旋转来从排12中移除下通气管64，以使键状突起72与键状狭缝74对齐并且从而可以将下通气管64从渗透物足部70缩回。
在本文中所公开的气化装置(例如，34B、34C、和34D)中的任何一种均可以改进用于与膜排12的下通气管64构造一起使用。例如，图19中所示的排12与110度偏置气化装置34D一起使用下通气管64。图22A、22B、和22C示出了气化装置34D的示例性实施方案，其已经改进以使其可以与下通气管64构造一起使用。如在图22A-22C中所示，对气化装置34D的改进可以包括将外套筒102进一步延伸至桶124下方，并且外套筒102可以包括被配置成允许下通气管64通过的在下部中的相应开口。如在图22A-22C中所示，另一种改型可以是取消供给室108和节流阀110。可以对气化装置34D和34C做出相似的改型以使用下通气管64。
根据示例性实施方案，可以将气化装置34配置成与束体20可释放地连接。图12-13中示出了一个实例，其中气化装置34B可以具有横向突起，当突起和狭槽对齐并且使气化装置34B旋转时可以与束体20上的狭槽互锁(例如，参见图23A)。在另一个实例中，如在图23B中所示，束体20可以具有可以被配置成当旋转时与气化装置34(例如，34B、34C、34D)上的相应狭槽互锁的径向向外延伸的突起。根据示例性实施方案，如在图23C中所示，束体20可以具有两个从束体20的底部延伸的偶联部件76。气化装置34可以具有相应的偶联部件以与偶联部件76互锁。例如，如在图24A-24C中所示，气化装置34B、34C、和34D可以具有从气化装置34的顶部延伸的相应的偶联部件78，其可以被配置成插入在束体20的偶联部件76之间，并且之后如在图24B中所示，气化装置的旋转90度将会使偶联部件76和偶联部件78互锁。气化装置34B、34C、34D或束体20可以被配置成收容O型环以将偶联部件76和偶联部件78的连接流体密封，从而将气化装置的管104与相应的束体20的管104流体连接。
在一些实施方案中，束体20和气化装置34可以被配置成一个整体部件。例如，如在图25中所示，气化装置34可以被配置成束体20的下部延长部分。在一些实施方案中，气化装置34B、34C、和34D可以被配置成使得桶124可以是从外套筒102中可移除的。例如，如在图26A-26C中所示，可以通过外套筒102的下端112将桶124插入，并且桶124可以具有可以锁合(snapped)至外套筒102的壁中的开口136中的突出物134。通过将突出物134经由开口136压下并且在桶124上拉下，可以将桶124移除。如果需要清洁、维修、或检查，移除或更换桶124的能力可以增加可服务性。此外，更换桶124的能力可以允许桶124构造或尺寸的更换。例如，可以通过用在管102周围180度延伸的桶124代替桶124，将110度偏置气化装置34D转换为180度偏置气化装置34C。在一些实施方案中，可以使用小于或大于100度延伸的桶124作为更换。在一些实施方案中，除了替换桶124具有不同的偏置度之外，替换桶124可以具有其他可以变化的尺寸特征。例如，替换桶124可以具有在桶124的顶部128周围延伸的较高或较低的侧壁132。
气化装置尺寸优化
可以以许多方式改变在本文中所描述的气化装置34(例如，34B、34C、和34D)的大小和尺寸以优化性能。例如，对于外套筒102、管104、桶106来说，可以改变高度、直径、或长度，从而调节主室114和室130的体积。外套筒102的整体高度和直径可以确定最大工作体积。可以基于在气体流36的给定的体积流量下优选的脉冲频数选择工作体积。
为了确定气化装置34的最佳工作体积和相应尺寸，在2至10m3/小时/排之间的空气流量下测试和操作三个不同大小的同心气化装置34B。如在以下表1中指出的和在图27中所示的，仅改变三个气化装置34B之间的三种尺寸。
表1
用目测并且通过对在给定的流量下的脉冲数量/分钟进行计时来测量所测试的每个气化装置34B的性能。目标是确定在所施加的空气流量下始终使用气化装置的全部滞留(hold-up)体积的最佳构造。在给定的流量下的脉冲数量/分钟表示气化装置是否有效地起爆(firing)。与不适当地起作用的气化装置相比，适当地起作用的气化装置将会脉冲更少次数/分钟。这是因为短路或不完全抽真空的气化装置将会倾向于更迅速起爆。全部的空气使用是相同的，但是气泡大小将会随着更高的频率而减小。最终，将会损害通过填充束室横截面的气泡形成的泵送效率。以下表2提供了试验的结果。根据结果，显然中等大小的桶允许气化装置更有效地起作用，意味着利用每个脉冲循环始终对气化装置34B内的气体流36的更多滞留体积抽真空。
表2
完成类似的测试以针对180度偏置气化装置34C和100度偏置气化装置34D测试同心气化装置34B的脉冲速率。在以下表3中示出了三个气化装置的测试的结果。
表3
如由表的结果指出的，全部三个气化装置均匀地脉冲多至50cfh，其等于11.3Nm3/小时/排(8个束的排)。因此，全部三个气化装置34B、34C、和34D都可以被配置并且确定尺寸，以处理在模块10的普通运行期间使用的空气流容量。作为在运行中的气化装置34的进一步的测试和观察的结果，确定的是，当桶124的侧壁132高度与气化装置34的整体高度是某些比率时，可以获得气化装置34的脉冲效率的进一步提高。例如，如在图28中指出的，当高度H1为高度H2的约39％时，可以获得提高的脉冲效率。在一些实施方案中，这个百分比可以为，例如，约39％至约40％、约38％至约41％、或约37％至约42％。根据示例性实施方案，高度H1可以为约2.34英寸并且高度H2可以为约6.00英寸。可以在包括不同大小的气化装置34B、34C、和34D的多个气化装置中使用这个高度比率。
还对脉冲通气气化装置进行了测试以确定空气流量操作的上限和下限以及在那些空气流量下的相应的脉冲速率。测试显示，如在图28中所示，对于气化装置34来说，空气流量的上限(例如，最大值)为约13.1Nm3/小时/排(在8束的排的情况下)或1.6375Nm3/小时/气化装置。1.6375Nm3/小时/气化装置的空气流量产生约70次脉冲/分钟。确定的是，在约1.6375Nm3/小时/气化装置的空气流量下，气化装置不再发出脉冲，而是相反地，开始像分散或间歇通气气化装置一样起作用。通气流量上限将会是气化装置的尺寸和构造的函数。因此，根据尺寸和构造，上限可以高于或低于13.1Nm3/小时/排(在8束的排的情况下)或1.6375Nm3/小时/气化装置。
测试还显示，如在图28中所示，对于气化装置34来说，空气流量可以降低至1Nm3/小时/排(在8束的排的情况下)或0.125Nm3/小时/气化装置。0.125Nm3/小时/气化装置的空气流量产生约2-3次脉冲/分钟。脉冲通气气化装置34也可以在低于0.125Nm3/小时/气化装置的空气流量下运行。在降低的空气流量下，对液体42的再循环速率和膜的沾污速率的考虑是必须考虑的。
气化装置碎屑移除
除了脉冲效率之外，在设计和选择用于与模块10的膜排12一起使用的气化装置中还考虑了气化装置的处理碎屑的能力。可以将碎屑处理定义为气化装置在不妨碍来自气化装置的脉冲速率的情况下使碎屑通过的能力。
对同心气化装置34B、180度偏置气化装置34C、和100度偏置气化装置34D进行碎屑处理测试。测试包括将不同材料和不同大小的碎屑放置在每个气化装置的内部。之后安装每个气化装置并且以5m3/小时/排供应气体流36。在气化装置运行(即，脉冲)的同时观察碎屑的行为。在以下表4中示出了测试的结果。“X”表示目标不能通过相应的气化装置。“O”表示目标已经通过了相应的气化装置。
表4
如由测试的结果指出的，100度偏置气化装置34D能够使大多数类型和大小的碎屑通过。观察到，在释放气泡56之后水返回至桶124的湍流水平明显高于其他气化装置。这种增加的湍流有助于搅动已经沉淀在桶124的底部上的物体，从而增加物体借助随后的脉冲通过空气管的机会。应该指出的是，具有偏置壁角度的偏置气化装置有助于湍流效果。
使用2英寸的树叶和全尺寸树叶(～4英寸x4英寸枫树叶)进行额外的碎屑处理测试，因为树叶经常引起气化装置堵塞。将树叶置于澄清水槽中的气化装置中并且以4.3Nm3/小时的空气流量供应气体流36。结果在表5中显示。
表5
如由表5的结果指出的，100度偏置气化装置34D比其他气化装置表现得更好。同心气化装置也不能使树叶通过。180度偏置气化装置34C能够使2英寸树叶在少于两分钟内通过，但是全尺寸树叶花费16小时。100度偏置气化装置34D能够使2英寸树叶在少于两分钟内通过，并且使全尺寸树叶在三十五分钟内通过。
基于脉冲效率和碎屑处理测试，可以在膜排12和模块10的示例性实施方案中使用100度偏置气化装置34D。
气化装置泵送效率
除了脉冲效率和碎屑移除之外，在设计和选择用于与模块10的膜排12一起使用的气化装置中考虑了气化装置使液体42循环通过每个单独的束封装组件40的能力(即，泵送效率)。可以将泵送效率定义为由气化装置获得的液体速度/单位空气流。为了评价间歇气化装置34A相对于脉冲气化装置34B、C、D的泵送效率，在间歇气化装置和脉冲气化装置上完成比较测试。
为了测试，将束封装件浸入水中并且将每个通气类型的气化装置连接至束封装件的底座，首先连接一个，之后连接其他的。将设计用于测量浸没速度特征的速度表安装在束封装件的出口处。之后将空气供应与每个气化装置连接并且使用转子流量计(rotameter)测量在各测试期间供应至气化装置的空气流量。
对于测试的第一阶段，设定四个目标液体速度(即，0.8ft/s、1.1ft/s、1.4ft/s、和1.6ft/s)并且之后对于气化装置中的每一个增加空气流量直到获得目标流量中的每一个。以下表6示出了测试的第一阶段的结果。如由表6中的结果指出的，脉冲通气气化装置需要间歇通气气化装置获得相同目标液体速度所需的空气流量的约75-80％。
表6
对于测试的第二阶段，设定五个目标Δ液体高度(即，3.125英寸、4.5英寸、5.8125英寸、6.25英寸、6.625英寸)并且之后对于气化装置中的每一个增加空气流量直到获得目标Δ液体高度中的每一个。以下表7示出了测试的第二阶段的结果。如由表7中的结果指出的，脉冲通气气化装置需要间歇通气气化装置获得相同目标液体高度所需的空气流量的约47％至88％之间。
表7
泵送效率测试说明，脉冲通气气化装置可以在降低的空气流量下运行并且仍然获得与间歇通气气化装置相同的泵送效率。在降低的空气流量下运行的能力可以允许在设备和安装二者中的初期资本投入以及操作成本方面的成本节约。
通气和封装组件相互作用
如在本文中参照图1-3所描述的，模块10可以包括一个或多个可以是排封装组件38的一部分的具有一个或多个束封装组件40的膜排12。束封装组件40可以被配置成为纤维束18提供支撑。此外，包围单个纤维束18的束封装组件40可以被配置成维持通过相应气化装置34经由束体20释放至相应纤维束18的气泡(例如，一个或多个小气泡58和/或大气泡56)。例如，如在图29中所示，利用间歇通气，可以将通过气化装置(例如，34A)释放的小气泡58在它们沿着相应的纤维束18流动时约束在相应的束封装件40内，直到它们到达液体42的表面。将小气泡58约束在单个束封装组件40内可以提供为每个纤维束18更高效和均匀的通气，因为气泡可以专用于特定的纤维束。然而，可能的是，仍然可能存在小气泡58的沟道(channeling)。例如，膜束的一部分的沾污或束封装件的一部分内的淤泥累积可能会导致小气泡沿着限定的通道(例如，最小阻力的路径)上升而不是在横跨束封装件的整个横截面积均匀地向上分散和流动。沟道的额外讨论以及用于浸入式膜过滤器的其他参数可以在Yoon，Seong-Hoon.MembraneBioreactorProcess：PrinciplesandApplications(膜生物反应器方法：原理和应用).Hoboken：CRC，2015中找到.(参见例如，133-134页，136-138页)。
如在图30中所示，对于脉冲通气(即，大气泡56)来说，束封装件40可以被配置成将大气泡56在它们沿着纤维束18向上流动时约束在束封装件40内。由脉冲通气经由脉冲通气气化装置(例如，34B、34C、或34D)产生的大气泡56可以是足够大的以利用如在图30中所示的单个气泡56基本上填充单个束封装件40的整个横截面。在一些实施方案中，利用这种构造，气泡56可以被配置成与纤维束18在束封装件内沿着纤维束18的整个长度接触。束封装件40内的气泡56的约束可以提供更有效的在每个气泡56上方的液体的推送和每个气泡56下方的液体的向上引导。这种类型的两相流可以被称为段塞流(slugflow)。如在图6中所示，由束封装组件内的每个气泡56的释放和上升引起的液体的引导可以使得液体42通过笼间隙G引入，从而将新鲜液体42引入至束封装组件中。
当它们在纤维束18和束封装件40内上升时，气泡56可以形成“子弹形”。例如，每个气泡在其上升并形成“子弹形”时基本上填充相应的束封装件40的横截面积，冲刷膜的表面(未在图中示出)并且推动气泡56上方的液体。
束封装组件的横截面积和基本上填充该横截面积的气泡可以为，例如，8英寸2至约16英寸2、约10英寸2至约14英寸2、约11英寸2至约13英寸2、约12英寸2至约12.5英寸2、或约12英寸2至约12.25英寸2、或约12.11英寸2。
如在本文中所使用的例如用于描述“基本上”填充横截面积的气泡的术语“基本上”，意指如由本领域普通技术人员确定的具体值的可接受的误差范围。例如，“基本上”可以意指大于99％、98％、97％、96％、95％、90％、85％、80％、或75％。在一个实例中，基本上填充横截面积的气泡可以等同于填充束封装件的横截面积的大于99％的气泡。预期的是，气泡56可以基本上填充束封装件的横截面积，但是可能会存在一些接缝(例如，沿着束封装件的拐角)，在那里可能会存在由气泡引起的液体泄漏，从而限制了气泡填充整个横截面积。
这种脉冲通气形式，其中可以将气泡56引入至纤维束18的中心并且保持在纤维束18和束封装件40内，能够产生出乎意料的协同益处。这些协同益处可以包括，例如，与通过未填充封装件的小连续气泡或者利用不受封装件约束的大气泡的脉冲通气获得的相比的较高的液体泵送速率(即，通过束封装件的供给再循环)。另一个协同益处可以是，例如，中空纤维膜32的增强的冲刷。当气泡56基本上填充单个束封装件40的整个横截面时，可以冲刷纤维束18的全部中空纤维膜32，从而从表面移除更多碎屑。这可以消除中空纤维膜束18内的沟道，所述沟道可能会导致堵塞并且降低过滤性能。
如在本文中所描述的，气化装置的多个实施方案可以用于产生脉冲通气。气化装置34B、34C、和34D仅是三个示例性实施方案。与束封装组件40组合的如在本文中所描述的脉冲通气气化装置34B、34C、和34D可以使得全部通气空气流能够大大降低，同时仍然产生大气泡56和有效清洁膜的表面并且维持过滤性能的段塞流。大气泡56和段塞流还提供足够的液体循环，其以较低的操作成本提供提高的膜性能。
大气泡/无笼
尽管如在图1中所示的模块10包括排封装件组合件38，在一些实施方案中，可以在没有包围每个纤维束18的单独的束封装组件40的情况下配置模块10。例如，在一些实施方案中，纤维束18可以被沿着束的高度隔开的间断笼部分地包围。例如，如在图31和32中所示，一个或多个笼170可以沿着膜排12的高度隔开并且可以被配置成包围每个纤维束18从而支撑中空纤维膜32。如在图31中所示，间断笼170可以与产生大气泡56和/或小气泡58的脉冲通气和/或间歇通气组合。
在一些实施方案中，排封装组件38可以被配置成包围纤维束18的整个膜排12或者封装件可以被配置成包围整个模块10。在一些实施方案中，可以根本不使用封装件并且可以通过备选方案结构来支撑中空纤维膜32。例如，在一些实施方案中，如在图33中所示，中空纤维膜32的上端可以与另一个集管172连接。集管172可以被配置成保持中空纤维膜32的垂直取向。在一些实施方案中，中空纤维膜32的上端可以连接至漂浮装置，其被配置成在液体的表面漂浮并且将中空纤维膜32保持在基本上垂直的取向上。在其它实施方案中，可以用结合至结构(例如液体槽支撑物)中的悬浮系统支撑中空纤维膜32的上端。
在不使用束封装件或笼的实施方案中，可以确定由脉冲通气气化装置释放的气泡56的尺寸，以使气泡的横截面积对应于(例如，等于)纤维束的横截面积，以使气泡在其上升时包住整个中空纤维膜32。纤维束的横截面积和基本上填充纤维束的横截面积的气泡可以为，例如，8英寸2至约16英寸2、约10英寸2至约14英寸2、约11英寸2至约13英寸2、约12英寸2至约12.5英寸2、或约12英寸2至约12.25英寸2、或约12.11英寸2。
封装组件
模块10可以使用多种不同的结构并且针对束封装件40和排封装组件38设计。在本文中更详细地描述了束封装组件40和排封装组件38的多个不同实施方案。单个束封装件40可以是多形状的，例如，大体上正方形的、矩形的、多边形的、圆形的、半圆形的、对称的、非对称的等。束封装件40可以具有圆形或光滑的内角区域。可以确定单个束封装件40的尺寸和形状以容纳将会沿着其长度的至少一部分延伸的纤维束。
在图3和4中所示的示例性实施方案中，提供了多个成形的束封装组件40。可以确定示例性的束封装组件40的尺寸和形状以容纳沿着束封装件40的纵向轴延伸的中空纤维膜32的纤维束18。
图34-39中所示的排封装组件38的示例性实施方案可以包括在排封装组件38的下端的第一端帽31和在排封装组件38的上端的第二端帽33。束封装组件40可以以相邻、并排方式与第一端帽31连接。例如，束封装组件40的下端和第一端帽31可以被配置成使得束封装组件40的下端滑动至第一端帽31中的沟槽或凹槽中。一旦所有相邻的束封装组件40已经相对于第一端帽31放置，就可以将第二端帽33放置在束封装组件40的上端以上，以确保它们就位，例如，如在图34中所示。如在图34中所示，排封装组件38可以被配置成在第一端帽31和第二端帽33的相对的末端例如经由夹具与渗透物立管管道22和通气立管管道24(未示出)连接，从而将排封装组件38固定在一起。
图34-39中所示的束封装组件40的示例性实施方案可以包括在束封装件40的第一末端142和第二末端144之间延伸的伸长的壁146。伸长的壁146包括相对侧边缘148。示例性束封装件40还包括可拆装仓门150，其在束封装件40的第一和第二末端142和144之间延伸，并且连接至伸长的壁146的相对侧边缘148，从而形成具有配置为提供在束封装件40的第一和第二末端142和144之间的流动连通的内部的中空封装件145。根据一些实施方案，排封装组件38和相应的束封装组件40被配置成使得防止从多个束封装组件40中的第一个的第一末端142流动来的流体在没有首先从第一个束封装件40的第二末端144流出的情况下从第一个束封装件40的内部流动至第二个束封装件40的内部。
如图34-39中所示，示例性的可拆装仓门150包括相反仓门边缘154。根据一些实施方案，相反仓门边缘154和伸长的壁146的相对侧边缘148被配置成使得可拆装仓门150连接至伸长的壁146并且经由将可拆装仓门150在基本上平行于束封装件40的纵向轴X的方向上相对于伸长的壁146滑动而从伸长的壁146分离。例如，在图34-39中所示的示例性实施方案中，相反仓门边缘154和伸长的壁146的相对侧边缘148配置为当相互接合时彼此重叠和/或互锁。
例如，如图36-39中所示，示例性伸长的壁146的相对侧边缘148各自包括钩形轨道(或其他接合构造)，其形成相反仓门边缘154可以滑入其中的伸长的钩形空间，用于在可拆装仓门150和伸长的壁146之间的互锁接合和连接。侧边缘148和仓门边缘154的其他互锁构造是预期的，如，例如弹簧锁和/或铰链锁。例如，侧边缘148中的一个可以配置为经由快速锁合连接器(snap-togethercoupling)连接至仓门边缘154中的一个，同时侧边缘148中的另一个铰链连接至另一个仓门边缘154。这样的实施方案可以配置为使得可拆装仓门150仍然可以相对于伸长的壁146和/或束封装件40滑动。在图36-39中所示的示例性实施方案中，互锁接合区域位于相对于伸长的壁146的侧边缘148的外侧，这可以起到使在模块10的使用期间与中空纤维膜32的干扰最小化的作用。然而，预期的是，可以不同于所示地安置和/或构造侧边缘148和仓门边缘154。
根据一些实施方案，突出物156可以与第二端帽33的外表面(例如，在与可拆装仓门150相邻的一侧)结合或连接。突出物156被配置成防止可拆装仓门150与伸长的壁146分离，除非邻接第二端帽33的可拆装仓门150的末端与第二端帽33的外表面偏离，例如，在可拆装仓门150已经滑入接近束封装件40的位置之后，经由工具如螺丝刀使其偏离。根据一些实施方案，突出物156可以包括狭槽157(例如用于接收螺丝刀的刀片或其他工具)，以便于将可拆装仓门150抬升至突出物156之上。根据一些实施方案，第一端帽31可以包括仓门阱158，其配置为接收与束封装件40的第一末端142结合的可拆装仓门150的末端。仓门阱158可以采取沟形凸缘的形式，沿着接收可拆装仓门150的末端的第一端帽31的外侧延伸。在这样的实施方案中，可拆装仓门150通过伸长的壁146的相对侧边缘148保留在伸长的壁146上，并且在突出物156和仓门阱158之间。
示例性的束封装件40具有与纵向轴X垂直的横截面(参见，例如，图34)。束封装件40的横截面可以是多边形的、矩形的、正方形的(参见，例如，图36)、圆形的、椭圆形的、或它们的任何组合。根据一些实施方案，如在图36中所示，束封装件40的横截面包括圆形的内部表面160。根据一些实施方案，伸长的壁146的内侧162没有相对于束封装件40的纵向轴X在横向上的接缝。这可以减少或防止中空纤维膜32的损坏。根据一些实施方案，伸长的壁146具有与纵向轴X垂直的横截面，并且伸长的壁146的该横截面是相对于束封装件40的内部的凹面、通道形、U形、和C形中的至少一种。根据一些实施方案，伸长的壁146是作为单件形成的。根据一些实施方案，可拆装仓门150是作为单件形成的。例如，伸长的壁146和/或可拆装仓门150可以经由挤出或轧制成形、或任何其他类似过程如真空热成形而形成。伸长的壁146和/或可拆装仓门150可以由铝、聚合物、碳纤维、它们的组合和/或具有类似特性的其他材料形成。
如在图34中所示，封装组件38可以包括多个(例如，九个)束封装组件40。在一些实施方案中，封装组件38可以包括多于或少于九个(例如，5个、6个、7个、8个、10个、11个、12个)束封装组件。如示出的，可从排封装组件38的公用侧处理各个束封装组件40的可拆装仓门150。这可以有利于维护的容易性。根据一些实施方案，每个束封装件40是与给定的排封装组件38的其他束封装组件40独立的。例如，给定的束封装件40的伸长的壁146和可拆装仓门150可以在不影响排封装组件38的任何其他束封装组件40的情况下从排封装组件38移除。
根据另一个示例性实施方案，排封装组件38可以不包括第一和第二端帽31和33中的一个或多个。例如，如在图40-44中所示，以相邻、并排方式，经由连接机构或方法，如，例如，紧固件、粘合剂、接合、和/或焊接、或本领域中已知的任何其他连接机构或方法，可以将排封装组件38连接在一起。在一些这样的实施方案中，如在本文中更详细地解释的，渗透物立管管道22和通气立管管道24可以直接连接至排封装组件38的相反末端，例如，经由与最外束封装件40连接的立管连接组件131，从而将排封装组件38固定在一起。
例如，相邻束封装组件40的伸长的壁146的侧面可以如所示的彼此连接。根据一些实施方案，例如，如在图34和35中所示，束封装组件40可以包括与设计为与端帽连接的封装组件的伸长的壁和可拆装仓门相似或基本上相同的相应的伸长的壁146和/或可拆装仓门150。对于使用端帽的实施方案来说，可拆装仓门150可以包括在其纵向末端中的一个或多个处的孔，所述孔被配置成接收紧固件(例如，针状紧固件)，所述紧固件被配置成固定可拆装仓门150相对于相应的伸长的壁146的纵向位置。其他固定可拆装仓门150相对于相应的伸长的壁146的纵向位置的方式是预期的。
如在图40-44中所示，示例性立管连接组件131包括：被配置成与排封装组件38的最外束封装组件40的伸长的壁146连接的底座构件153，以及被配置成在立管管道22和24之一周围延伸的套管构件155。在所示的示例性实施方案中，底座构件153包括：被配置成邻接伸长的壁146的基本上平面的接合表面159，以及被配置成接收立管管道22或24的外表面的半圆柱形凹槽161。示例性的底座构件153的接合表面159可以包括多个被配置成与束封装件40的伸长的壁146中的相应的孔165匹配的定位器163。定位器163可以用于将底座构件153相对于束封装件40更牢固地连接和定位。经由已知的连接机构，如，例如，紧固件、粘合剂、接合、和/或焊接、或本领域中已知的任何其他连接机构，可以将底座构件153与伸长的壁146连接。
示例性的底座构件153还包括在凹槽161的对侧的一对通道167，其被配置成接收用于套管构件155的相对末端169，以将套管构件155和底座构件153经由例如相对于彼此的纵向滑动作用而彼此连接。此外，根据一些实施方案，套管构件155的末端169可以包括防止或降低在底座构件153和套管构件155组装之后作为例如振动的结果的套管构件155相对于底座构件153的非有意滑动的可能性的部件。
不包括端帽中的一个或多个的实施方案可能会具有可能的优势。例如，对于包括与集管结合的端帽的一些实施方案来说，可能需要在组装期间将束的纤维膜通过孔插入在端帽中，这可能会增加与过滤模块的组装相关的时间。此外，与端帽相关的壁厚度可能降低通过过滤模块的流体流的横截面。此外，由于例如需要将端帽与封装组件排成一行，端帽可能会增加过滤模块的组装的难度。端帽还可能会增加过滤模块的成本。
纤维板
图45-53示出了具有多个纤维孔排列的纤维板50的多个示例性实施方案。当组装时，纤维板50可以与中空纤维膜32的末端至少稍微隔开(即，在纤维膜的长度内(参见图9)。如在图45-49中所示，可以改变纤维板50的中空纤维膜32孔图案。给定的纤维束18的中空纤维膜32可以分成分开的部分，并且通常可以以辐条状的关系放置，其中“辐条”表示穿过纤维束18但是不包括任何中空纤维膜32的通道。这些通道(例如，淤泥通道)沿着纤维膜32的束18提供流体和/或任何碎屑可以行进通过的开口。可以安排中空纤维膜32的数量和它们的间距，以减少堵塞的可能和/或增加流体的再循环速率，从而获得更高的持续的渗透物通量。可以针对过滤模块10在其中运行的应用选择在束18中的中空纤维膜32的数量和/或通道的构造。
束构造可能会影响整体性能，因为其与通气运送和束封装件组装二者相关。可以优化纤维的数量和它们的间距，以减少堵塞并且增加再循环速率，从而获得更高的持续的通量。混合液悬浮固体(MLSS)浓度(通常在8和15g/L之间)和淤泥滤过性(其通常利用过滤时间(timetofilter，TTF)测量)影响最佳纤维填充密度。TTF可以是淤泥质量的量度并且使用TTF测试得到，TTF测试根据TTFStandardMethods2710H测量在真空压力下将淤泥样品过滤通过1.2微米的过滤盘所需的时间。较高的值表示对过滤的较大的阻力，该阻力是由于混合液中的包括细胞外聚合物物质和其他成分在内的淤泥絮凝物的物理和化学性能导致的。这个TTF平均值是对于试验膜槽中12g/L的混合液浓度而言的，其在一年内平均。MLSS浓度和TTF越高以及淤泥滤过性越低，则填充密度越低。纤维组之间的空隙影响新鲜淤泥向束中的迁移。当大气泡发出脉冲以将在过滤期间形成的固体排出时，通气系统也使用这些路径。
操作/测试的方法
如在本文中所描述的，可以将模块10安装在膜过滤系统内以处理槽44中含有的液体42。为了说明如在本文中所描述的、与同束封装组件38和间断笼结合的模块10一起使用的多个气化装置(例如，间歇通气和脉冲通气)的性能，在多种性能条件下对多个气化装置实施方案进行了大范围的试验性测试。测试通常在单个膜排上进行。主要将生活废水用于测试期间的液体。试验系统包括用于硝化/脱氮以及有机物的需氧降解的无氧槽和需氧槽。将混合液在需氧槽与收容浸入式膜排的膜槽之间再循环。在真空下通过换向泵将渗透物从膜排抽取至渗透物/回洗槽中。在操作期间试验系统使用通气系统以控制膜排上的淤泥累积并且保持渗透性。还进行常规的回洗和氯维护清洁以控制淤泥累积和膜孔沾污。用在试验生物槽入口前的2mm转筒刷筛()来将供给水预筛。在图54中示出了所使用的试验系统的简化工艺流程图。
阶段1测试
表8是总结在试验性测试期间使用的一些一般参数的列表。
表8
食物/质量比(kg COD·天/kg MLSS) 0.2
固体保留时间(天) 15
膜槽MLSS(mg/L) 12
过滤100mL淤泥的平均时间(秒) 197
年平均试验温度(℃) 16
渗透物通量(LMH) 变量
空气冲刷流量(Nm3/h) 变量
回洗频率(分钟) 10
阶段1测试包括测试四种不同的膜排构造：(1)具有气化装置34A(间歇小气泡通气)的束封装组件38；(2)具有气化装置34B(脉冲通气)的束封装组件38；(3)具有气化装置34A(间歇小气泡通气)的间断笼170；和(4)具有气化装置34B(脉冲通气)的间断笼170。
对于阶段1测试，使用在本文中被称为膜排A的膜排。在以下表9中示出了膜排A的特征。
表9
排A
膜化学物质 PVDF
填充密度(纤维数/束) 280
纤维长度(m) 1.83
污泥路径数量 5
笼类型 束封装件或间断笼
对于全部阶段1测试，使用膜排A。在2014年6月进行氯和酸恢复清洁从而恢复自从该排在2013年12月安装时起已经自然下降的膜渗透性。作为这种清洁以及在整个测试持续时间中不同的膜寿命的结果，TMP和膜渗透性的绝对值可能会变化。因此，可以用于评价试验性能的一个量度是膜沾污速率/10分钟生产循环。在渗透期间，跨膜压力(TMP)随着膜孔沾污和在膜表面上滤渣(cake)层的形成发生而增加。这个每次循环TMP上升的速率就是沾污速率。在普通操作下，TMP在每次回洗之后恢复至低水平。渗透性下降速率与沾污速率成比例。可以在具有不同的膜龄的数据集合之间比较沾污速率。
在阶段1测试期间，测试四种不同的膜排构造，并且在测试期间，在在31LMH的通量下以5Nm3/h的空气冲刷流量对其进行操作，且所有其他工艺参数保持不变。图55中所示的图表总结了四种不同膜排构造的平均沾污速率结果。阶段1测试结果表明，利用脉冲通气的束封装件比任何其他构造更好地使沾污速率最小化。不使用束封装件(即，间断笼)来约束大空气气泡和集中空气冲刷有效性的脉冲通气无法获得相同的稳定性。在间歇通气(即，小气泡)的情况下，间断笼比束封装组件稍微成功，但是二者的构造均不能与具有脉冲通气的束封装件的低沾污速率(即，0.58mbar/分钟)相比。
四种膜排构造的单独的测试数据在本文中以性能散点图的形式提供。在如下提及的性能图中，给出了渗透物总通量、TMP、和渗透性。一些选择的图显示在较短的时间尺度上放大的性能，说明了在每个10分钟生产循环期间的TMP上升，生产循环为淤泥脱水和结块层在膜表面上形成、随后回洗。温度校正的渗透性(标准化至20℃)考虑到了在这段时间期间内的16-26℃之间的温度的偏差。
构造1-具有间歇通气气化装置的束封装件
所测试的第一膜排构造包括具有间歇通气气化装置(例如，34A)的束封装件。图56说明了构造1在数日的测试期间的性能。观察到了变化的TMP结果，具有一些尖峰和一些较宽的TMP带的时间段。渗透性的范围为120-160LMH/巴。这四天期间的平均沾污速率为1.66毫巴/分钟，并且一些值多至8.5毫巴/分钟。在图57中，放大的性能数据显示，各个生产循环可以具有明显不同的沾污速率。
构造2-具有脉冲通气气化装置的束封装件
所测试的下一个膜排构造包括具有脉冲通气气化装置(例如，34B)的束封装件。图58说明了构造2在数日的测试期间的性能。膜排构造2在操作期间具有非常稳定的TMP，得到在140-150LMH/巴之间的较窄范围的渗透性。这个测试在图56-57中的性能之后的数天内进行，这导致了渗透性绝对值的较小的下降。膜排构造2的平均沾污速率为0.58毫巴/分钟，或者接近膜排构造1的沾污速率的三分之一。在两种构造中，束封装件分离每个束的笼内的空气。在图59中，放大的性能数据显示，各个生产循环在10分钟生产循环中保持非常稳定的沾污速率。
对于具有束封装组件的构造，前述数据是在其间渗透性已经自然下降的6个月的膜排运行之后收集的。在增加膜渗透性的对膜排的恢复清洁之后，收集关于如下提及的间断笼的数据。几套数据之间的沾污速率的比较提供了比TMP和渗透性绝对值更直接的构造之间的比较，因为这些受这种恢复清洁过程的影响。
构造3和4-具有脉冲和间歇通气气化装置的间断笼
所测试的下一个膜排构造包括具有脉冲通气气化装置以及随后的间歇通气气化装置的间断笼。如在本文中所描述的，间断笼允许空气从每个束体离开以在膜排周围自由地移动并且可能冲刷来自多个束的纤维。图60说明了构造3和4的性能，首先是用脉冲通气气化装置的(即，A部分)，且随后是用具有间歇通气气化装置的(即，B部分)。
图60的A部分说明了，对于间断笼来说，脉冲通气气化装置不能获得与具有束封装组件的脉冲通气气化装置相同的性能。如在图60的A部分中所示，TMP在三个小时的运行期间迅速上升，并且渗透性从150下降至75LMH/巴。归因于在此期间观察到的不稳定性和非常明显的淤泥累积，在测试结束之前沾污速率从10.1增加至17.8毫巴/分钟。对于构造3测试来说，通过脉冲通气气化装置形成的大气泡因为它们不受束封装组件约束而自由地迁移远离膜排。作为这种空气冲刷约束的丧失的结果，性能迅速下降。在图61中，构造3的放大的性能显示出沾污速率的不稳定性和在每次生产循环期间显著的增加。
图60的B部分说明了，当使用间断笼时，间歇通气气化装置比脉冲喷嘴更有效并且可以保持更稳定的TMP。对于B部分来说，渗透性的范围为175-225LMH/巴并且沾污速率平均为1.55毫巴/分钟。在图62中，构造4的放大的性能显示出在单次生产循环中的可变性。
阶段1测试显示，在所测试的四种膜排构造中，具有束封装件和脉冲通气气化装置的膜排在使每次循环的TMP上升或沾污速率最小化方面是最成功的。在31LMH的渗透物通量和5Nm3/h的通气空气流量下，关于利用束封装组件和间断笼的间歇气化装置的沾污速率分别为1.66毫巴/分钟和1.55毫巴/分钟。然而，当将脉冲通气气化装置与束封装组件一起使用时，平均沾污速率为0.58毫巴/分钟。
阶段2-测试
使用第二试验系统与阶段1测试平行进行阶段2测试。对于阶段2测试来说，利用束封装组件和两种不同的气化装置类型操作具有较低纤维填充密度的膜排B。在以下表10中示出了膜排B的特征。
表10
排B
膜化学物质 PVDF
填充密度(纤维数/束) 228
纤维长度(m) 1.83
污泥路径数量 6
笼类型 束封装件
对于阶段2测试来说，在45LMH的较高渗透物通量下使膜排运行，这提供了两种喷嘴类型(即，间歇通气和脉冲通气气化装置)之间的比较明显的比较。如在图63的A部分中所示，在45LMH的渗透物通量和5Nm3/h的通气空气流量下，间歇通气气化装置不能保持低的沾污速率并且渗透性迅速下降。在彻底清洁膜排以移除全部淤泥累积之后，再次利用间歇通气气化装置，继续使用相同的参数。同样地，如在图63的B部分中所示，渗透性迅速下降。在这些运行条件下的关于间歇通气气化装置的平均沾污速率为7.82毫巴/分钟，并且一些单独的生产循环的特征为多至39.8毫巴/分钟的沾污速率。在图63的C部分中，在脉冲通气气化装置的彻底清洁和安装之后，性能立刻稳定并且平均沾污速率降低至1.00毫巴/分钟。这种性能说明了与阶段1中利用膜排A的测试相同的行为，无论是在31LMH或45LMH的渗透物通量运行时，用脉冲通气气化装置的束封装组件均可以获得比用间歇通气气化装置低的沾污速率。
阶段3-测试
阶段3测试的目标是生成在多个通量下的沾污速率数据，从而确定使用束封装件和脉冲通气气化装置的膜排的运行能力。阶段3测试包括利用具有束封装件以及间歇通气气化装置和之后的脉冲通气气化装置的膜排A进行临界通量测试。对于每种构造来说，在监测TMP上升的同时渗透物通量逐渐增加，从而确定性能在什么通量下不再变得可持续。这发生在归因于膜电阻、孔沾污、和结块层累积的组合影响的TMP上升在特定通量下达到系统不再能长期运行时的临界值时。
在将每组气化装置安装之后，以相同的5Nm3/h空气流量和逐渐增加的31、45、和60LMH的渗透物通量使每个膜排运行一小时。在图64中给出了TMP沾污速率。在图65和图66中给出了性能的图表。沾污速率的比较显示，在1小时测试期间在这三个通量下脉冲通气气化装置保持比间歇通气气化装置至少低30％的沾污速率。作为结果，脉冲通气气化装置应当能够在性能变得不稳定之前获得较高的“临界通量”。这种确切的通量的确定没有通过这个测试完成并且将会需要大于一小时的测试持续时间。
临界通量测试在膜排的恢复清洁之后立即进行，并且作为结果，这些临界通量沾污速率比在前面测试期间中的低。这归因于在恢复清洁期间的膜的渗透性恢复。然而，在清洁之前或之后的气化类型之间的沾污速率的比较确实提供了关于系统性能的明确的结论。
阶段4-测试
阶段4测试的目标是评价具有束封装件和脉冲通气气化装置的膜排(即，构造2)在不同通量和通气空气流量下的性能。对于阶段4测试来说，首先降低通气空气流量。图67示出了在38.5LMH的通量以及首先4Nm3/h(A部分)、之后3Nm3/h(B部分)的逐渐降低的空气流量下的具有束封装件和脉冲通气气化装置的膜排性能。在具有4Nm3/h空气的时间段期间的平均沾污速率为0.36毫巴/分钟，具有多至9.18毫巴/分钟偏离值(excursion)，这与通气系统的阻塞有关。在具有3Nm3/h的时间段期间的平均沾污速率为0.33毫巴/分钟。这个测试说明，利用脉冲通气气化装置和束封装组件，可以在稳定性能的情况下保持低至3Nm3/h的空气流量。
图68中所示，之后将渗透物通量增加至44LMH和62LMH，保持在3Nm3/h的空气流量下。如在图68中所示，在44LMH(A部分)下的沾污速率平均为1.05毫巴/分钟，具有多至4.93毫巴/分钟的偏离值。在62LMH(B部分)下的沾污速率平均为0.93毫巴/分钟，具有多至2.59毫巴/分钟的偏离值。如在本文中所描述的，TMP中的偏离值与通气系统的周期性阻塞有关，对其起因已经通过对脉冲通气气化装置改进进行了处理。
在这个测试期间维持21小时的62LMH的通量是比普通模块10运行期间所预期的更长的持续时间。这个通量代表在24小时的时间段期间存在数小时的通量的峰。还应注意的是，在62LMH和3Nm3/h空气下的这个沾污速率比在60LMH和5Nm3/h空气下的利用脉冲喷嘴和堆叠的笼的临界通量测试(即，阶段3测试)期间获得的低——与1.6毫巴/分钟相比的0.93毫巴/分钟。这个提高的性能可能归因于在测试日期之间的时间期间进行的脉冲通气气化装置的优化。
在表11中总结了从这个优化测试中得到的沾污速率。
表11
为了比较，在图69中示出了在2014年5月收集的、在通量47.5LMH下在大约24小时的持续时间内的关于间歇封装件和脉冲气化装置的数据。在此时，将10Nm3/h的通气流量用于峰通量。平均沾污速率为4.45毫巴/分钟。当将图68中的关于束封装组件的脉冲通气气化装置性能与此相比时，显而易见的是，脉冲通气气化装置能够增加通量，降低空气流量，并且仍然保持较低的沾污速率。在本实施例中，当与2014年5月的关于间歇气化装置的数据相比时，脉冲气化装置能够获得大31％的通量以及小70％的空气，并且保持低79％的沾污速率。
阶段5-测试
阶段5测试包括评价使用束封装组件和脉冲通气气化装置的膜排运行的长期稳定性。为了说明长期稳定性，将使用束封装组件和脉冲通气气化装置的膜排运行多于120天。图70说明了长期稳定性测试的结果。如在图70中所示，平均的每日渗透物通量在30LMH和37.5LMH之间变化，而每日峰通量在52LMH和62LMH之间变化。前106平均值的MLSS浓度为约12g/L，并且之后其在尽管浓度增加而没有渗透性的明显变化的情况下增加至15g/L。在测试过程中，渗透性变化，但是在测试的持续时间内保持稳定，证明了长期稳定性。
阶段6-测试
阶段6测试包括评价使用束封装组件和脉冲通气气化装置的膜排在普通MLSS和TTF范围外运行的能力。MLSS的典型范围为8g/L至15g/L并且TTF的典型范围为小于200秒。图71-72说明了使用束封装组件和脉冲通气的膜排在45天的过程中的性能。图71示出了渗透物通量和膜空气通气流量结果。如在图71中指出的，沾污速率、TMP、和渗透性在整个测试期间中保持基本稳定。渗透物通量将会从约16LMH-18LMH的平均每日渗透物通量切换为在42LMH-48LMH之间的峰每日渗透物通量。如由图72指出的，膜槽MLSS通常在约12g/L的范围内。此外，膜槽TTF在400至600秒的范围内的时间，其远远超过小于200秒的典型TTF。尽管膜槽和膜排在超过典型操作范围的MLSS和TTF水平下经历淤泥，膜排继续保持稳定运行。这样的性能即使在生物反应器故障期间也可以允许连续稳定的运行。
阶段7-测试
阶段7测试的目标是生成在多个通量和多个通气空气流量下的额外的沾污速率数据，从而确定使用束封装件和脉冲通气气化装置的膜排的运行能力。使用8纤维束膜排和脉冲通气气化装置34D进行阶段7测试。膜排测试具有40m2的膜面积和1.83米的中空纤维膜长度。在以下表12中示出了阶段7测试的一些相关工艺条件。
表12
工艺条件 值
渗透物通量 30，45，60lmh(总计)
通气空气流量 3.5，4.3，8.6Nm3/小时
膜槽MLSS 12.2g/L
膜槽TTF 120秒
处理时间 600秒
回洗时间 30秒
回洗通量 与渗透物通量相同
平均温度 16.5℃
阶段7测试包括使膜排在三种不同的渗透物通量(30、45、60lmh-总计)下在3.5、4.3、8.6Nm3/小时的通气空气流量下运行。基于40m2的膜面积，空气流量将会是0.088、0.108、0.215Nm3/小时/m2。将每个组合运行最少1小时。以在过程循环开始和结束时的TMP差来计算测试的沾污速率。在以下表13中示出了每个过程组合的沾污速率的平均值。
表13
在图73-75中给出了不同过程组合的阶段7测试数据的图表。
膜模块的淤泥清除
除了控制模块的沾污速率之外，束封装组件和通气的组合还可以提供额外的优势。例如，在模块10可以具有一个或多个可能会形成淤泥的纤维束18的情况中，使用束封装组件与通气的组合可以通过将在纤维束上结块的淤泥打碎并且将其通过束封装件40的顶部向上排出来清除淤泥或使淤泥形成反转。清除淤泥可以根据系统的运行条件自动进行或者可以进行特定的清除淤泥循环(例如，松弛循环)。例如，通过在每次生产循环期间监测模块的沾污速率并且将其与稍早的沾污速率(例如，之前2、4、8、12、24小时)中的沾污速率比较，可以检测淤泥形成。如果沾污速率有尖峰，则这可以表明已经出现了淤泥形成，在这种情况中，可以使模块停止运行并且可以进行松弛循环以使淤泥形成反转。
如在本文中所描述的，松弛循环可以包括停止生产，其可以包括终止向模块施加的真空压力。可以将气体流供应至模块的气化装置(例如，气化装置34A、34B、34C、或34D)以生成气泡。包围每个纤维束18的束封装组件40可以被配置成在纤维束附近维持气泡以使气泡保持与纤维束沿着束的整个长度接触。不抽真空(即，不引导更多的渗透物通过膜并且使束封装组件内的液体脱水)连同束封装组件和通气的组合可以通过将淤泥打碎并提升向上并且从束封装件顶部提升出去来对纤维束清除淤泥。松弛循环可以使用如在本文中所描述的间歇通气和/或脉冲通气。
进行测试以证明松弛循环的有效性。对使用间歇通气以及脉冲通气二者与束封装组件组合的模块进行测试。观察在松弛循环前9个纤维束中有6个形成淤泥的一个膜排。束封装组件的可拆装仓门向后滑动以露出束封装组件，但是为了松弛循环而重新安装。6个形成淤泥的束是通过阻止对那些单个纤维束通气并且使模块在生产中运行而有意地形成淤泥。如果气化装置变得堵塞或部分堵塞，阻止或限制对特定纤维束通气，这种淤泥累积可以是通常将会出现的。观察在10分钟的松弛循环之后露出相同的束相同的膜排。观察结果显示，已经从淤泥纤维束中移除了大多数淤泥。以下表14示出了松弛测试的一个阶段的结果。对于这个测试阶段来说，与束封装组件组合使用间歇通气和脉冲通气气化装置二者。如在表14中所示，对于测试的每轮来说，形成淤泥的纤维束的数量的范围为2至6。在淤泥形成开始之前和在松弛循环起始前发生淤泥形成之后对膜排称重，以基于累积的总重量来量化淤泥累积的量。如在表14中指出的，每个纤维束的淤泥累积的重量的范围为7.8磅至13.7磅。之后进行松弛循环，并且在10分钟和20分钟之后，再次对膜排称重以基于重量减少来确定所移除的淤泥的量。如在图表中指出的，在松弛模式下运行20分钟之后，从全部膜排中移除了至少87％的淤泥。
表14
松弛循环还可以包括借助打开和关闭供应至膜模块的气体流的通气循环。此外，松弛循环还可以包括与通气结合的或者在通气循环之间的膜模块的回洗。松弛循环在长度上可以变化，例如，松弛循环范围可以为约1分钟至约5分钟、约5分钟至约10分钟、约10分钟至约15分钟、约15分钟至约20分钟，或者可以为大于约20分钟。
如在本文中所描述的，利用一个或多个具有束封装组件和气化装置(例如，脉冲通气气化装置34B、34C、和34D)的模块可以提供多种超过现有技术的优势。例如，如通过测试证明的，当与其他模块构造相比时，具有束封装组件和脉冲通气气化装置的模块能够以降低的沾污速率运行。在大范围的渗透物通量(例如，30LMH至60LMH)下展现出降低的沾污速率，这在模块运行中赋予了灵活性。此外，测试证实，具有束封装组件和脉冲通气气化装置的模块能够在降低的通气空气流量下在一系列渗透物通量下运行同时仍然维持降低的沾污速率。
模块在增加的沾污速率和降低的通气空气流量下运行同时仍然维持降低的沾污速率的能力可以允许降低的系统成本(例如，初期资金成本和运行成本)。例如，模块在增加的渗透物通量下运行的能力可以允许使用较少的模块产生和之前的模块相同或更高的输出，从而降低模块、槽、和其他相应设备的资金成本。模块在降低的通气空气流量下运行的能力可以节约资金成本和运行成本二者。例如，对于一些系统来说，可以使用与对于之前的系统来说将会所需的相比更小的鼓风机用于生成通气空气流，从而降低初期资金成本。由于更小的鼓风机，运行成本(例如，能量成本、维护等)也可以降低。
如在本文中所描述的模块的额外的优势包括模块从故障(例如，碎屑、淤泥形成、高MLSS、高TTF等)中恢复的能力。如通过测试证明的，如在本文中所描述的模块被配置成具有提高的碎屑处理和移除能力、提高的淤泥清除能力、以及在不需要大规模清洁(例如，手动清洁)的情况下处理高MLSS和高TTF事件的能力。使用在本文中所描述的膜模块的膜过滤系统可以是小的、廉价的、更稳固的，并且需要比稍早的等同容量系统少的能量而运行。
具有脉冲空气提升泵的膜模块和清洁其的方法
公开了一种被配置成处理在盆或槽中容纳的液体的膜过滤器模块。参照图76b，膜过滤器模块包括在束中排列的多个中空纤维膜110的集管105。气化装置115位于集管105的下方并且适用于周期性生成气泡并且被配置成释放膜束内的气泡。封装件120基本上包围膜束，其中封装件从膜束的下部区域125延伸到上部区域(图76a，元件5)。间隙130在集管和封装件之间以允许在通气期间将液体拉起至纤维束以上。参照图77，封装件120a的一部分可以被可拆装地配置以较容易接近膜束。
束构造影响整体性能，因为其与通气运送和容纳系统二者相关。可以优化纤维的数量和它们的间距，以减少堵塞并且增加再循环速率，从而获得更高的持续的通量。通常利用过滤时间(TTF)测量的混合液悬浮固体(MLSS)浓度(通常在8和15g/L之间)和淤泥滤过性影响纤维填充密度。MLSS浓度越高并且淤泥滤过性越低，则填充密度越低。纤维组之间的空隙影响新鲜淤泥向束中的迁移。当大气泡发出脉冲以将在过滤期间形成的固体排出时，通气系统也使用这些途径。
膜模块的构造不限于具体的束尺寸；束越大，则膜面积越高，并且过滤表面越大。此外，多种形状可以用于更好地增加纤维与空气的比率。在较小的束的情况下，对于每个束尺寸来说，需要考虑并优化通气管尺寸和淤泥空隙。由于本公开的发明的有效泵送效率，具有较高膜面积的束可以在不增加空气流的情况下运行。
图78a和78b公开了气化装置115的两个方面。在图78a中，气化装置包括具有位于其基部的内管盖310的内套筒305。适配器315位于内套筒的顶部，其中空气管320穿过适配器并且伸入内套筒中。外套筒325基本上包围内套筒、内部管盖、和适配器以形成室。空气管离开外套筒进入喷嘴330中，其含有用于将空气递送至室中的节流阀335。空气管与集管340流体连通。当用水填充时空气管和内室之间的重叠产生了静水密封(hydrostaticseal)，允许用空气填充喷嘴直到克服喷嘴室内的静水水头(hydrostatichead)。此时，空气被从喷嘴室中抽出。在图78b中，用具有凹面弯曲下盖的第一内壁350、第二内壁355、和成一定角度的空气管开口360代替内套筒305。其余元件仍然与图78a相同。
图79a-79f公开了气化装置的空气吸入/排气循环。以连续流量将压缩空气405供给至气化装置400(参见图79a)。空气填充了气化装置的工作体积(图79b)。液面410向下移动直到其达到通气喷嘴415的底部开口端(图79c和79d)。之后将气化装置的整个工作体积几乎瞬间排空，引起空气喷射从通气喷嘴的上端离开(图79e和79f)。空气喷射基本上完全容纳在纤维束封装件内。在封装件的底部存在间隙以允许来自蓄水池的液体进入封装件。封装件中上升的空气脉冲将液体随其在其上升时提升，在封装件内产生液体流动。这种液体流动将在膜表面上剩余的粒子清除并且维持与纤维接近的低固体浓度(参见图80d)。
在图80a-80d中看到了与封装件组合的气化装置的益处。在这里，图80a和80b示出了不具有气化装置的封装件的特征。图80c示出了不具有封装件的气化装置。图80d示出了组合的协同益处。参照图80d作为参考，封装件505包围纤维束510。气化装置515产生了在其离开空气管(未示出)并且进入封装件时转化为气泡520的空气喷射。气泡在其移动至纤维束以上时基本上填充封装件的横截面。液体通过间隙525进入封装件的底部并且通过气泡的提升作用被拉起至纤维束以上。
仅为了理解清楚，给出前述详细描述和实施例。由此不应理解任何不必要的限制。对本领域技术人员将显然的是，可以在不脱离本实用新型的范围的情况下对所述实施方案进行许多改变。因此，本实用新型的范围不应限于本文所述的结构，而仅受限于通过权利要求的语言描述的结构或那些结构的等同物。

Claims (12)

1.一种用于脉冲通气的气化装置，所述气化装置包含
外套筒，所述外套筒限定主室，其中所述主室具有开放的下端、在其顶端中具有开口、并且与通气装置流体连接；
管，所述管在所述主室内延伸，使得所述管的下端高于所述外套筒的下端，其中所述管穿过所述开口；
两个侧壁，其中所述侧壁中的每一个在径向上从所述管的外表面延伸至所述外套筒的内表面；
桶，所述桶在所述侧壁下方，其中所述桶、所述侧壁和所述外套筒的内表面限定在所述主室中的内室，使得所述内室与所述主室的其余部分仅仅在所述侧壁的上边缘上方流体连接，并且所述管的下端位于所述内室中。
2.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述通气装置是在所述外套筒上方的通气室，并且所述主室经由在其顶端中的通道与所述通气室流体连接。
3.根据权利要求2所述的气化装置，其中在所述通道中设置节流阀。
4.根据权利要求2所述的气化装置，其中所述气化装置具有在所述主室的顶端上的喷嘴，所述喷嘴容纳所述管，并且所述通道围绕所述管且在所述喷嘴内。
5.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述气化装置设置为可释放地且可旋转地偶联至一个需要向其脉冲通气的装置。
6.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述通气装置是下通气管。
7.根据权利要求6所述的气化装置，其中所述下通气管行进穿过所述外套筒，并且在主室中具有孔，允许气体从所述下通气管进入所述主室。
8.根据权利要求7所述的气化装置，其中所述孔从所述下通气管的底部90度偏置。
9.根据权利要求6所述的气化装置，其中所述下通气管是可释放的并且配置为滑动且锁定就位。
10.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述气化装置与一个需要向其脉冲通气的装置配置为一个整体部件。
11.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述侧壁和所述桶配置为一个整体部件并且是可从所述管和所述外套筒释放的。
12.根据权利要求1所述的气化装置，其中所述侧壁的上边缘处于不同高度。
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