DE60032142T2

DE60032142T2 - System und verfahren zur permeatentnahme mittels filter und zur in-situ-filterreinigung

Info

Publication number: DE60032142T2
Application number: DE2000632142
Authority: DE
Inventors: Arthur Michael Flemington DEL VECCHIO; Eben Robert Howell LOUDON; Matthew Paul Enfield SUTTON
Original assignee: Envirogen Inc
Current assignee: Envirogen Inc
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: DE60032142D1; CA2374830C; CA2374830A1; EP1189683A1; EP1189683B1; ATE346679T1; WO2000076640A1; US6331251B1; AU5318400A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein System zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein System, das zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum Reinigen des Filters in situ ausgelegt ist. Außerdem wird ein Verfahren geschaffen.
Filtrationssysteme sehen Barrieren vor, um zu ermöglichen, dass Permeat aus einem Substrat durch den Filter abgezogen wird, während Konzentrat hinterlassen wird. Filtrationssysteme wurden beispielsweise als Barrieren verwendet, um Biofeststoffe in biologischen Reaktoren zurückzuhalten. In solchen Filtrationssystemen wurden Membranen als Barriere vorgeschlagen. Solche Membranen können beispielsweise in Form von hohlen Fasern, Röhren oder Rollen bereitgestellt werden.
Zur Erläuterung können Auszugsbehandlungssysteme für Abwasserbehandlungsanwendungen einen Membranscheider verwenden, um die Zuführung in Permeat und Biomasse zu trennen. Solche Systeme stehen beispielsweise unter der Handelsmarke ZEEWEED von Zenon Environmental Inc. in Ontario, Kanada, zur Verfügung. Das ZEEWEED-System verwendet eine eintauchbare Membrankassette, um eine Biooxidation herbeizuführen, um organischen Stoff in der Zuführung zu oxidieren. Membranen werden verwendet, um Bakterien im System für eine im Wesentlichen vollständige Oxidation zu halten und eine hohe Abflussqualität vorzusehen.
Es wurde erkannt, dass es wichtig ist, Membranen, die in solchen Systemen verwendet werden, "sauber" zu halten, da sich nach einer gewissen Verwendungsdauer ein Schmutzfilm oder "Biofilm" auf der Membran bilden kann, wodurch der Durchfluss von Permeat durch die Membran verringert wird. Ein Aufbau, ob organisch oder anorganisch, kann sich auf der Außenfläche, der Innenfläche der Membran und/oder in den Poren der Membran, die sich durch die Wand der Membran erstrecken, bilden. Ein solcher Aufbau auf der Membran wurde daher als die Leistung der Membran als wertvollen Filter verringernd erkannt.
Das US-Patent Nr. 5 403 479, herausgegeben an Smith u. a. ("In Situ Cleaning System for Fouled Membranes"), stellt einen umfassenden Hintergrund hinsichtlich der Art und des Umfangs des Verschmutzungsproblems bereit, das gewöhnlich die Biofiltrationsindustrie heimsucht.
Als eine mögliche Lösung für das Problem der Membranverschmutzung schlugen Smith u. a. im '479-Patent ein Reinigungssystem zum wesentlichen Wiederherstellen des Transmembranflusses in verschmutzten, porösen/semipermeablen Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrationsmembranen, die zum Zurückgewinnen von gereinigtem Wasser aus verunreinigtem oder "schmutzigen" Wasser verwendet werden, vor. Insbesondere schlugen Smith u. a. das Reinigen eines eine Membran enthaltenden Moduls ohne Entleeren der Zuführung vom Modul durch Einführen eines gewählten Reinigungsfluids in das Permeat und Zurückführen desselben durch die Hohlräume von Hohlfasermembranen bei einem niedrigen Druck, der nicht den Blasenpunkt der Faser übersteigt, vor. Der von Smith u. a. im '479-Patent vorgeschlagenen Prozess reinigt von der Permeatseite der Membran aus; d. h. durch die Hohlräume der hohlen Fasern hindurch.
Das US-Patent Nr. 5 248 424, herausgegeben an Cote u. a. ("Frameless Array of Hollow Fiber Membranes and Method of Maintaining Clean Fiber Surfaces While Filtering a Substrate to Withdraw a Permeate"), schlug eine weitere Methode zum Aufrechterhalten der Leistung von Filtrationsmembranen; insbesondere eine rahmenlose Anordnung von hohlen Fasern, vor. Cote u. a. schlugen im '424-Patent ein System vor, um den Aufbau von wachsenden Mikroben oder den Ablagerungen von leblosen Teilchen auf den Oberflächen von Fasern, die in Blasen eines Faserreinigungsgases ("Schrubbgases", insbesondere eines Sauerstoff enthaltenden Gases ("luftgeschrubbt"), auf der Oberfläche gehalten werden, zu verringern. Der Aufbau ist im Wesentlichen blank, wenn die Fasern schwimmend frei in einer rahmenlosen Anordnung schwingfähig sind, die in ein Substrat eingetaucht ist, durch das die Blasen mit ausreichender physikalischer Stoßkraft aufsteigen, um die Fasern von schädlichen Ablagerungen im Wesentlichen frei zu halten. Ähnliche Lösungen wurden von Mahendran u. a. im US-Patent Nr. 5 639 373 ("Vertical Skein of Hollow Fiber Membranes and Method of Maintaining Clean Fiber Surfaces While Filtering a Substrate to Withdraw a Permeate") und von Henshaw u. a. im US-Patent Nr. 5 783 083 ("Vertical Cylindrical Skein of Hollow Fiber Membranes and Method of Maintaining Clean Fiber Surfaces") vorgeschlagen.
In der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 98/37950 ("Portable Reverse Osmosis Unit for Producing Drinking Water") schlugen Daly u. a. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Trinkwasser aus unreinem Wasser vor, wobei hohle, röhrenförmige Membranen des Systems periodisch mit Retentat rückgespült werden, indem das Retentat zu den Innenflächen der Membranen gelenkt wird und indem das Retentat durch die Membranen geleitet wird, wodurch Teilchen von den Außenflächen verlagert werden. Wenn eine chemische Reinigung der Membranen in dem Verfahren und der Vorrichtung, die in der '950-Veröffentlichung vorgeschlagen wurden, erforderlich ist, wird eine Reinigungslösung von einem Tank in die Membranen gepumpt.
In der australischen Patentanmeldung Nr. AU 9676300 (entsprechend der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 97/18887) beschrieben Cote u. a. ein Verfahren zum Reinigen von eingetauchten Membranen in situ, wobei Abfluss, der im Tank enthalten ist, zumindest teilweise entleert wird, um die Membranen der Luft auszusetzen, und Reinigungslösungen durch die Poren der Membranen entlang eines Strömungsweges entgegengesetzt zur Filtrationsströmung des Abflusses geleitet werden, indem die Reinigungslösung zur Permeatseite der Membranen geliefert wird. Ein Absperrventil wird geöffnet, um den Abfluss aus einem Behandlungstank zu entleeren. Die Reinigungslösung wird dann in die Membranen von einem Vorratsbehälter eingeleitet. In einer weiteren Ausführungsform werden vier Tanks mit Abfluss beliefert. Wenn die Membranen in einem der Tanks gereinigt werden sollen, wird der Inhalt des ausgewählten Tanks in die anderen Tanks transportiert. Reinigungslösungen werden in die Membranen des leeren, ausgewählten Tanks von den Vorratsbehältern zugeführt.
Obwohl eine signifikante Anstrengung aufgewendet wurde, um dieses erkannte Problem der Verschmutzung zu lösen, sind Verbesserungen hinsichtlich der "Reinigung" von Filtrationssystemen wie z. B. jenen, die Membranen verwenden, immer noch erforderlich, ob die Membranen in Form von hohlen Fasern, Röhren, Rollen oder anderen Membrankonfigurationen vorgesehen sind. Trotz dieser signifikanten Fortschritte auf dem Fachgebiet der Filterreinigung und trotz der vorgegebenen Fähigkeit solcher vorgeschlagenen Systeme, die Durchsatzrate der als Filter verwendeten Membranen zu verlängern, wurde insbesondere entdeckt, dass die Membranen in einigen Fällen schließlich für eine gründliche Reinigung wie z. B. tiefe chemische Reinigung aus dem Prozess entfernt werden müssen. Der Bedarf, einen Filter aus einem System wie z. B. einem biologischen Reaktor zu entfernen, ist natürlich zeitaufwändig, teuer, arbeitsintensiv und im Allgemeinen unerwünscht. Überdies erfordert es häufig, dass das System während des Reinigungsprozesses zumindest teilweise stillgelegt wird, während der Filter entfernt wird.
Es ist beispielsweise unerwünscht, eine eintauchbare Membraneinheit aus einem biologischen Reaktor zu entfernen und die eintauchbare Membraneinheit zu einem separaten Tank für die Reinigung zu bewegen. Membrananordnungen können ziemlich groß und ziemlich schwer sein. Im Fall eines industriellen biologischen Reaktionssystems können die biologischen Reaktorgefäße, in denen Membrananordnungen verwendet werden, auch ziemlich groß sein, wodurch eine teure und unhandliche Aufrüstanlage zur Entfernung erforderlich ist. Ferner müssen die verschiedenen "Armatur"-Verbindungen mit solchen Membrananordnungen abgetrennt und anschließend wieder verbunden werden, um eine Membrananordnungsentfernung bzw. einen Membrananordnungsaustausch hervorzubringen. Es ist auch selbstverständlich, dass ein Deckenraum zum leichten Entfernen solcher Membrananordnungen nicht zur Verfügung stehen kann, und wenn solche Systeme entfernt werden, der Prozess dazu ein ziemliches Problem erzeugen kann. Externe Tanks, die für separate Reinigungsvorgänge für Offline-Reinigungsprozeduren zweckgebunden sind, erfordern auch signifikanten Boden- oder Grundraum und zahlreiche "Armaturen"-Verbindungen.
DE 40 37 329 A1 offenbart einen Prozess zum Behandeln von Abwässern von Glasschleifwerkstätten, in dem die Abwässer, die in einem Saugtank gesammelt werden, durch ein Ultrafiltrationsmodul in Querströmung zirkuliert werden, wobei die Strömungsrichtung periodisch umgekehrt wird. Das Ultrafiltrationsmodul kann von Zeit zu Zeit gereinigt werden, indem ein Objekt mit einer rauen Oberfläche über die Ultrafiltrationsmembran bewegt wird, z. B. Kugeln aus Filz oder Kork oder eine Schwammkugel. Die Schwammkugel kann über Schwammkugelschleusen in das Ultrafiltrationsmodul eingeführt und aus diesem entfernt werden.
DE-A-4340529 offenbart eine Ultrafiltrationsvorrichtung für die Behandlung von Verunreinigungen enthaltenden wässerigen Lösungen. Die Verschmutzung einer Umkehrosmose-Filtrationsmembran wird durch die gesteuerte Umkehr der Strömung innerhalb der Membran verhindert.
Folglich bleibt der Bedarf für ein verbessertes System zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum Reinigen des Filters in situ. Ein entsprechendes Verfahren ist auch erforderlich.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher eine Vorrichtung, wie im nachstehenden Anspruch 1 beansprucht, geschaffen.
In dem System gemäß dieser Erfindung erleichtert das Fach die Zirkulation von Substrat während des normalen Betriebs des Systems. Das Fach macht es auch möglich, die Einführung von Reinigungslösungen vom Fach in Kontakt mit dem Substrat, das im Gefäß enthalten ist, während des Reinigungsvorgangs des Systems im Wesentlichen zu verhindern. Folglich ist das System dieser Erfindung zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch den Filter und zum Reinigen des Filters in situ, um den Bedarf für eine periodische Entfernung des Filters zu vermeiden, ausgelegt.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, wie im nachstehenden Anspruch 16 beansprucht.
Merkmale der beanspruchten Erfindung werden nun mit Bezug auf die Fig. beschrieben. Es ist zu erkennen, dass der Schutzbereich dieser Erfindung nicht auf die ausgewählten oder in 2 oder 3 dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist und dass der Schutzbereich der Erfindung separat von den beigefügten Ansprüchen definiert wird. Es ist auch zu erkennen, dass die Fig. nicht in irgendeinem speziellem Verhältnis oder Maßstab gezeichnet sind.
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems und Verfahrens nicht gemäß den Ansprüchen dieser Erfindung, das jedoch Hintergrundinformationen bereitstellt.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Systems und Verfahrens gemäß den Ansprüchen dieser Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines Systems und Verfahrens gemäß den Ansprüchen dieser Erfindung.
1 stellt ein System zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum zumindest teilweisen Reinigen des Filters in situ dar. Das dargestellte System 10 umfasst ein Gefäß 12, das so konfiguriert ist, dass es ein Substrat enthält. Die Zusammensetzung des Substrats kann variieren, aber das Substrat ist am häufigsten eine Flüssigkeit oder eine Aufschlämmung von Flüssigkeit und festen Teilchen.
Das System 10 umfasst auch ein Fach 14, das zum Aufnehmen von Substraten vom Gefäß 12 verbunden ist, wobei die Strömung von Substrat vom Gefäß 12 zum Fach 14 bei A in 1 angegeben ist. Das Fach 14 ist auch verbunden, um einen Teil des aufgenommenen Substrats während des normalen Betriebs des Systems 10 zum Gefäß 12 zurückzuführen. Die Rückführungsströmung des Substrats vom Fach 14 zum Gefäß 12 ist beispielsweise bei B in 1 angegeben. Das Fach 14 umfasst auch eine Öffnung zur Abführung aus dem System 10. Insbesondere ist eine Abführungsströmung bei C in 1 angegeben.
Ein Filter 16 ist zumindest teilweise innerhalb des Fachs 14 angeordnet. Der Filter 16 ist zum Entnehmen von Permeat aus Substrat im Fach 14 während des normalen Betriebs des Systems 10 verbunden. Die Permeatströmung vom Filter 16 ist beispielsweise bei D in 1 angegeben.
Das System 10 umfasst auch eine Quelle 18 für eine Reinigungslösung. Die Quelle 18 ist zum Einleiten der Reinigungslösung in das Fach 14 und in Kontakt mit dem Filter 16 während des Reinigungsvorgangs des Systems 10 verbunden. Die Strömung der Reinigungslösung von der Quelle 18 zum Fach 14 ist beispielsweise bei E in 1 angegeben.
Das Fach 14 des Systems 10 erleichtert die Zirkulation von Substrat durch das System 10 während des normalen Betriebs des Systems. Insbesondere kann das Substrat durch die Strömung bei A vom Gefäß 12 zum Fach 14 und durch die Strömung bei B vom Fach 14 zum Gefäß 12 zirkuliert werden. Das Fach 14 verhindert auch im Wesentlichen die Einleitung der Reinigungslösung, die von der Quelle 18 empfangen wird, vom Fach 14 in Kontakt mit dem im Gefäß 12 enthaltenen Substrat.
Das in 1 dargestellte System 10 ist zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum zumindest teilweisen Reinigen des Filters in situ ausgelegt. Bei der Verwendung ist das Fach 14 so vorgesehen, dass es zumindest teilweise den Filter 16 umgibt. Während des normalen Betriebs des Systems 10 wird Substrat vom Gefäß 12 in das Fach 14 in Form der Strömung bei A eingeleitet. Das Permeat wird durch den Filter 16 aus dem im Fach 14 empfangenen Substrat entnommen, wie bei D angegeben. Während des normalen Betriebs wird auch ein Teil des empfangenen Substrats vom Fach 14 zum Gefäß 12 zurückgeführt, wie bei B angegeben.
Der Reinigungsvorgang des Systems 10 ist in 1 unter Verwendung von gestrichelten Linien dargestellt. Insbesondere wird während des Reinigungsvorgangs eine Strömung von Substrat in das Fach 14 vom Gefäß 12, wie bei A angegeben, verhindert. Das Permeat wird zum Fach 14 und/oder durch den Filter 16 zurückgeführt, wie bei F angegeben. Die Reinigungslösung wird bei E von der Quelle 18 in das Fach 14 und/oder den Filter 16 und in Kontakt mit den äußeren Oberflächen des Filters 16 eingeleitet. Die Reinigungslösung kann dann aus dem Fach 14 entleert werden, wie bei C angegeben, falls erforderlich.
Das Verfahren wird durchgeführt, während der Filter 16 in situ oder an Ort und Stelle in Bezug auf das Fach 14 und Gefäß 12 gehalten wird. Mit anderen Worten, der Filter 16 wird während des normalen Betriebs des Systems 10 und während des Reinigungsvorgangs des Systems 10 an der Stelle gehalten. Der Filter 16 muss daher nicht aus dem Fach 14 entfernt werden, um eine tiefe Reinigung durchzuführen.
Mit Bezug nun auf 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Systems und Verfahrens gemäß dieser Erfindung vorgesehen. Wie das System 10 ist das System 100 zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter 116 und zum zumindest teilweisen Reinigen des Filters 116 in situ ausgelegt.
Das System 100 umfasst ein Gefäß 112, das so konfiguriert ist, dass es Substrat enthält. In dieser Ausführungsform wird das Substrat in das Gefäß 112 über eine Zuführung H' eingeführt. Das System 100 umfasst auch ein Fach 114, das zum Aufnehmen von Substrat vom Gefäß 112 verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird das Substrat in das Fach 114 vom Gefäß 112 mittels einer Zirkulationspumpe 120 geliefert, die das Substrat in Richtung des Fachs 114 drängt, wie bei A' angegeben. Das Fach 114 ist zum Zurückführen eines Teils des empfangenen Substrats zum Gefäß 112 während des normalen Betriebs des Systems verbunden.
In dieser Ausführungsform ist das Fach 114 zumindest teilweise innerhalb des Gefäßes 112 angeordnet und weist eine zumindest teilweise offene Oberseite auf, um das Überlaufen des Substrats aus dem Fach 114 in das Innere des Gefäßes 112 zu ermöglichen, wie bei B' angegeben. Um die Tendenz für die Konzentration von Biofeststoffen im Fach 114 zu verhindern oder zu verringern, ist ein signifikanter Teil des im Fach 114 empfangenen Substrats zur Rückführung, wie bei B' angegeben, in das Gefäß 112 vorgesehen. Vorzugsweise wird die Mehrheit des im Fach 114 aufgenommenen Substrats zum Gefäß 112 zurückgeführt. Das Fach 114 umfasst auch eine Öffnung zur Abführung aus dem System 100. In dieser Ausführungsform ist ein Ventil 126 vorgesehen, um die Abführungsströmung zu steuern, wie bei C' angegeben.
Ein Filter 116 ist zumindest teilweise innerhalb und vorzugsweise vollständig innerhalb des Fachs 114 angeordnet. Der Filter 116 ist zum Entnehmen von Permeat aus dem Substrat im Fach 114 während des normalen Betriebs des Systems verbunden. In dieser Ausführungsform ist eine Permeatpumpe 122 mit dem Filter 116 verbunden, um Permeat vom Filter 116 zu einem Permeattank 124 zu liefern, wie bei D' angegeben.
Eine Quelle 118 für Reinigungslösung ist zum Einleiten der Reinigungslösung in das Fach 114 und in Kontakt mit den äußeren Oberflächen des Filters 116 während des Reinigungsvorgangs des Systems 100 verbunden. In dieser Ausführungsform liefert die Quelle 118 Reinigungslösung, wie bei E' angegeben, so dass sie in das Fach 114 (und/oder den Filter 116) zum Kontakt mit dem Filter 116 eintritt.
Das Fach 114 erleichtert die Zirkulation des Substrats durch das System 100 während des normalen Betriebs des Systems und verhindert im Wesentlichen die unbeabsichtigte Einleitung der Reinigungslösung vom Fach 114 in Kontakt mit dem innerhalb des Gefäßes 112 enthaltenden Substrats während des Reinigungsvorgangs.
Zusätzliche Reinigungsmerkmale können auch im System 100 vorgesehen sein. Permeat kann beispielsweise durch den Filter 116 zurückgeführt werden, um eine periodische Gegenpulsierung des Filters 116 vorzusehen, um die teilweise Reinigung des Filters 116 zu erleichtern. Rührluft kann auch nahe dem Filter 116 eingeleitet werden, um zu bewirken, dass der Filter schwingt und sich biegt, obwohl die Quelle für eine solche Rührluft in 2 nicht gezeigt ist.
Während der Verwendung des Systems 100 und während des normalen Betriebs wird Substrat vom Gefäß 112 in das Fach 114 mittels einer Zirkulationspumpe 120 eingeleitet, wie bei A' angegeben. Permeat wird durch den Filter 116 aus dem Substrat entnommen, das im Fach 114 empfangen wird, und wird mittels der Permeatpumpe 122 zum Permeattank 124 geliefert, wie bei D' angegeben. Ein Teil des empfangenen Substrats wird vom Fach 114 zum Gefäß 112 zurückgeführt, wie bei B' angegeben. Die Strömung bei B' ist vorzugsweise größer als die Strömung bei D'. Am bevorzugtesten nähert sich das Verhältnis der Substratströmung bei B' zur Permeatströmung bei D' 5:1 oder übersteigt dieses sogar.
Der Reinigungsvorgang des Systems 100 ist durch gestrichelte Linien angegeben. Während des Reinigungsvorgangs des Systems 100 wird die Strömung von Substrat in das Fach 114 vom Gefäß 112 verhindert (durch Deaktivierung der Zirkulationspumpe 120). Das Permeat wird vom Permeattank 124 in das Fach 114 und/oder den Filter 116 zurückgeführt, wie bei F' angegeben. Eine Reinigungslösung wird von der Quelle 118 in das Fach 114 (und/oder den Filter 116) und in Kontakt mit den Oberflächen des Filters 116 eingeleitet, wie bei E' angegeben. Die Reinigungslösung wird anschließend aus dem Fach 114 mittels Öffnen des Ventils 126, um eine Strömung bei C' zu induzieren, entleert. Um den Reinigungsvorgang zu unterstützen, kann Rührluft oder ein anderes Gas benachbart zum Filter 116 eingeleitet werden, wie bei G' angegeben.
In der Erfindungsausführungsform, die in 2 dargestellt ist, wird eine Aufschlämmung von Biofeststoffen von einem gut gemischten Reaktionsbereich innerhalb des Gefäßes 112 durch das Fach 114 mit einer Rate gleich mehreren Malen der Permeatentnahmerate zirkuliert. Die überschüssige Biofeststoff-Aufschlämmung läuft über das Fach 114 über, wodurch sie in den Reaktionsbereich im Gefäß 112 zurückkehrt. Die hohe Rate, die für den Überlauf bevorzugt ist, verhindert eine übermäßige Konzentration von Biofeststoffen im Fach 114. Frische zugeführte Flüssigkeit wird zum Reaktorgefäß 112 (bei H') mit einer Rate zugegeben, die etwa gleich der Rate ist, mit der sie als Permeat entnommen wird.
Wenn eine periodische chemische Reinigung erforderlich ist, wird das Fach 114 von der Flüssigkeit oder Aufschlämmung (mittels des Ventils 126) isoliert und entleert. Das Fach 114 wird dann mit gespeicherten Wasser, das vorher durch die Membran verarbeitet wurde (vom Permeattank 124), zusammen mit den Reinigungschemikalien nachgefüllt. Wie beschrieben, kann Luft oder anderes Rühren während des Reinigungszeitraums angewendet werden, wie bei G' angegeben. Nach dem Reinigungszeitraum kann die Reinigungslösung aus dem Fach 114 entleert werden, falls erforderlich, und das Fach 114 kann mit Biofeststoffen, Flüssigkeit oder Aufschlämmung nachgefüllt werden. Der Filter 116 kann in den normalen Betrieb zurückgeführt werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung verleiht mehrere signifikante Vorteile. Insbesondere muss der Filter nicht aus dem Reaktorgefäß zur Reinigung entfernt werden. Folglich ist eine Aufrüstanlage zur Filterentfernung nicht erforderlich und die Armaturenverbindungen für den Filter müssen nicht abgetrennt/wieder verbunden werden. Das System 100 beseitigt auch den Bedarf für einen externen Reinigungstank, in den der Filter verlagert werden soll, wodurch Bodenraum und die zugehörige Armatur eingespart werden. Die zum Reinigen erforderliche Zeit wird folglich verringert. Außerdem macht es die Einführung des Fachs, das zumindest teilweise den Filter umgibt, in das Gefäß unnötig, ein großes Volumen von Biofeststoff-Flüssigkeit oder -Aufschlämmung zu verwerfen oder zu transportieren oder ein großes Volumen von Reinigungslösung bereitzustellen.
Mit Bezug nun auf 3 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines Systems und Verfahrens gemäß dieser Erfindung dargestellt. Wie die Systeme 10 und 100 ist das in 2 dargestellte System 200 zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum zumindest teilweisen Reinigen des Filters in situ ausgelegt. Wie das System 100 verwendet das System 200 auch ein Gefäß 212, ein Fach 214, einen Filter in Form einer Membrankassette 216, eine Quelle 218 für eine Reinigungslösung, eine Zirkulationspumpe 220, eine Permeatpumpe 222 und einen Permeattank 224.
Das System 200 ist mit einer Zufuhrquelle oder einer Substratquelle 254 versehen. Die Zufuhrquelle 254 ist mit einer Leitung 256 verbunden, durch die eine Zuführung oder Substrat in das Innere des Gefäßes 212 eingeleitet wird, wie in 3 angegeben. Das Substrat wird in das Fach 214 vom Gefäß 212 mittels einer Zirkulationspumpe 220 geliefert. Insbesondere erstreckt sich eine Leitung 202 von der Wand des Gefäßes 212 zur Zirkulationspumpe 220 und Leitungen 204 und 206 erstrecken sich von der Zirkulationspumpe 220 zu einer Stelle innerhalb des Fachs 214, wie beschrieben wird. Ein Ventil 208 ist entlang der Leitung 206 angeordnet, um die Strömung des Substrats zwischen der Zirkulationspumpe 220 und dem Fach 214 durch die Leitung 206 zu steuern.
Innerhalb des Fachs 214 ist ein Diffusorrohr 210 mit einer Reihe von Öffnungen angeordnet, um die Strömung des Substrats aus dem Diffusorrohr 210 in das Innere des Fachs 214 zu ermöglichen. Die Leitung 206 ist mit einem Endabschnitt des Diffusorrohrs 210 verbunden, um Substrat in das Innere des Diffusorrohrs 210 einzuleiten. Das Diffusorrohr 210 ist vorzugsweise ein gerades Rohr, das sich in Bezug auf die Bodenfläche des Fachs 214 im Wesentlichen horizontal erstreckt.
Das System 200 umfasst auch Mittel zum Liefern von Materialien wie z. B. Abfallfeststoffen vom Fach 214 oder zum Entleeren des Fachs 214. Insbesondere erstreckt sich eine Leitung 226 von einem Ende des Diffusorrohrs 210 (einem Ende entgegengesetzt zu dem mit der Leitung 206 verbundenen Ende) für die Ausströmung von Abfallfeststoffen sowie Reinigungslösungen aus dem Fach 214, wie später beschrieben wird. Die Leitung 226 ist mit einer Leitung 228 verbunden, die wiederum mit einem Abfallfeststoff-Behälter 230 verbunden ist. Ein Ventil 232, das entlang der Leitung 228 angeordnet ist, steuert die Strömung von Materialien vom Fach 214 und vom Diffusorrohr 210 durch die Leitung 228 zu dem Abfallfeststoff-Behälter 230.
Eine Leitung 234 ist auch mit der Leitung 226 verbunden, die wiederum mit einer Fachentleerung 236 verbunden ist. Ein Ventil 238, das entlang der Leitung 234 angeordnet ist, steuert die Strömung von Materialien vom Fach 214 und vom Diffusorrohr 210 in Richtung der Fachentleerung 236 durch die Leitung 234.
Das Gefäß 212 wird als "gut gemischter Tank" betrachtet, da es mit einer Mischpumpe versehen ist, die eine Zirkulation von Substrat im Gefäß 212 herbeiführt. Der Zweck besteht darin, Biofeststoffe im Substrat während des Betriebs des Systems 200 suspendiert zu halten. Insbesondere erstreckt sich eine Leitung 240 von der Wand des Gefäßes 212, um Substrat vom Gefäß 212 zu einer Misch pumpe 242 zu liefern. Die Mischpupe 242 drängt das Substrat entlang einer Leitung 244 von der Leitung 240, so dass es in einen Mischer wie z. B. einen Mischabzug 248 eintritt. Der Mischabzug 248 kann in Form eines Moduls wie z. B. einer Kapsel mit radial orientierten Düsen vorgesehen sein, wie z. B. die in 3 gezeigte Ausführungsform. Alternativ kann der Mischabzug 248 in Form eines Rohrs wie z. B. eines geraden Rohrs vorgesehen sein, das sich zumindest teilweise über den Durchmesser des Gefäßes 212 mit einer Reihe von Auslassöffnungen erstreckt. Die Verwendung eines geraden Rohrs im Gegensatz zu einer Kapsel kann für größere Tanks bevorzugt sein, die einen übermäßigen Durchmesser aufweisen können. Andere Formen eines Einlasses wie z. B. des Abzugs 248 sind auf dem Fachgebiet bekannt und diese können gegen die in 3 dargestellte Form ausgetauscht werden. Auf dem Fachgebiet sind auch andere Formen von Mischen mit oder ohne Verwendung von Luft oder anderen Gasen bekannt.
Das System 200 umfasst auch eine Quelle 250 für Mischluft oder ein anderes Gas, die/das sich entlang der Leitung 252 bewegt, in den Mischabzug 248 eintritt und in das Innere des Gefäßes 212 eingeleitet wird. Die Einleitung von Mischluft in den Mischabzug 248 zum Mischen mit dem Substrat erzeugt ein Rühren, das das Mischen des Substrats und der Suspension der Biofeststoffe innerhalb des Gefäßes 212 fördert. Die Einleitung von Luft, falls Luft verwendet wird, stellt auch eine Sauerstoffquelle bereit, um die biologische Aktivität zu unterstützen, die innerhalb des Gefäßes 212 auftritt.
Das System 200 umfasst auch eine Membrankassette 216, die sich zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig innerhalb des Inneren des Fachs 214 erstreckt. Die Membrankassette dieser Ausführungsform ist ein eintauchbarer Membranfilter mit einer Reihe von Hohlfasermembranen, die sich zwischen Rohrverteilern erstrecken. Permeat wird durch die Membrankassette 216 durch Permeation durch die Wände der Hohlfasermembranen, Transport des Permeats durch die Membranen zu den angeschlossenen Rohrverteilern und Entfernung des Permeats durch ein Rohrleitungssystem mit verringertem Druck extrahiert. Insbesondere besitzt die Membrankassette 216 des Systems 200 einen unteren Rohrverteiler 264, einen oberen Rohrverteiler 266 und eine Reihe von Membranen wie z. B. die Hohlfasermembranen 268, die sich im Wesentlichen vertikal zwischen dem unteren Rohrverteiler 264 und dem oberen Rohrverteiler 266 erstrecken. Die Fasern 268 sehen eine Barriere vor, durch die das Permeat während des normalen Betriebs des Systems 200 gesaugt wird, um das Permeat aus dem Substrat zu extrahieren.
Wie verständlich ist, wird, wenn ein Vakuum im Inneren der Fasern 268 gesaugt wird, das Permeat durch die Wände der hohlen Fasern 268 und in das Innere der hohlen Fasern 268 gesaugt, so dass das Permeat über den unteren und den oberen Rohrverteiler 264 und 266 zur Extraktion aus dem System 200 extrahiert werden kann. Mit anderen Worten, durch Erzeugen einer Druckdifferenz über der Dicke der Wände der hohlen Fasern 268, wobei der Druck an der Außenseite der Fasern 268 größer ist als der Druck innerhalb des Inneren der Fasern 268, wird veranlasst, dass das Permeat durch die Poren in den Wänden der hohlen Fasern 268 und in deren Inneres zur Extraktion aus dem System 200 fließt. Biofeststoffe wie z. B. Biomasse werden durch die Fasern 268 blockiert und bleiben im Fach.
Das System 200 umfasst auch eine Membranluft- oder andere Gasquelle 258, die Luft oder anderes Gas in eine Leitung 260 einleitet, so dass es zu einem Luftrohrverteiler 262 transportiert werden kann, der benachbart zu oder zumindest teilweise innerhalb der Membrankassette 216 angeordnet ist. Der Luftrohrverteiler 262 umfasst Luftauslässe oder -düsen (nicht dargestellt), die die Strömung von Luftblasen benachbart zu den Membranen 268 der Membrankassette 216 ermöglichen. Solche Luftblasen können helfen, die Rate zu verringern, mit der eine dünne Schicht von Biomasse auf den äußeren Oberflächen der Membranen 268 gebildet wird. Luft von der Membranluftquelle 258 fördert auch gewöhnlich das Mischen des Substrats (und der Reinigungslösung, wie beschrieben wird) innerhalb des Fachs 214.
Immer noch mit Bezug auf 3 erstrecken sich ein Paar von Leitungen 270, 272 von der Membrankassette 216 nach oben, wobei die Leitung 270 zum Ermöglichen der Strömung von Permeat vom unteren Rohrverteiler 264 nach oben verbunden ist und die Leitung 272 zum Ermöglichen der Strömung von Permeat vom oberen Rohrverteiler 266 nach oben verbunden ist. Die Leitungen 270 und 272 sind mit einer Leitung 274 verbunden und ein Ventil 276 ist entlang der Leitung 274 vorgesehen, um die Strömung von Permeat durch die Leitung 274 zu steuern.
Mit der Leitung 274 ist eine Leitung 278 verbunden, die wiederum mit einer Lüftungsöffnung 280 für die Entlüftung von ungelöster Luft aus dem Permeat verbunden ist, die in das Permeat von einer äußeren Quelle wie z. B. der Memb ranluftquelle 258 eingeführt worden sein kann. Mit der Leitung 274 ist auch eine Leitung 282 verbunden, die sich nach oben erstreckt, und eine Permeatpumpe 222 ist entlang der Leitung 282 angeschlossen, um die Strömung von Permeat durch die Leitung 282 zu drängen.
Als Alternative zur Verwendung der Permeatpumpe 222 wurde entdeckt, dass eine Schwerkraftströmung verwendet werden kann, um Permeat von der Membrankassette 216 zu einem Permeattank 224 (oder direkt zu einer Abführung) zu transportieren. Insbesondere wenn die Höhe der Membrankassette 216 über jener des Permeats im Permeattank 224 gehalten wird, strömt das Permeat dann von der Membrankassette 216 zum Permeattank 224 durch die Wirkung des Atmosphärendrucks und eines Siphoneffekts. Die Konfiguration des Fachs 214 und der Membrankassette 216 in der in 3 dargestellten Ausführungsform macht es daher möglich, die Permeatpumpe 222 und die zum Betreiben der Pumpe erforderliche Energie zu beseitigen, wenn zumindest ein Teil des Permeattanks 224 unter den Filter umgeordnet wird.
Wenn eine "gepulste Reinigung" durchgeführt wird (wie später beschrieben), ist zu erkennen, dass eine Pumpe erforderlich sein kann, um Permeat vom Permeattank 224 zur Membrankassette 216 zurückzuführen, wenn der Permeattank 224 in einer Höhe unter dem Filter angeordnet ist. Eine solche Pumpe würde auf Grund der bevorzugten unstetigen Art des Vorgangs der "gepulsten Reinigung" (wie später beschrieben) im Vergleich zum im Wesentlichen kontinuierlichen Betrieb der Permeatpumpe 222 während des Reinigungsvorgangs weniger laufen als die Permeatpumpe 222.
Mit der Leitung 282 ist eine Leitung 284 verbunden, an der ein Ventil 286 vorgesehen ist, um den Durchfluss durch die Leitung 284 zu steuern. Die Leitung 284 ist wiederum mit einem Permeattank 224 verbunden, der so ausgelegt ist, dass er Permeat enthält und sammelt, das aus dem Substrat im Gefäß 212 extrahiert wird. Das Permeat innerhalb des Permeattanks 224 läuft in eine Prallwanne 225 über, aus der das Permeat oder der Abfluss vom System 200 zur Verwendung oder zur Weiterverarbeitung entfernt wird.
Mit dem unteren Abschnitt des Permeattanks 224 ist eine Leitung 288 zum Liefern von Permeat zur Leitung 282 verbunden. Ein Ventil 290 ist entlang der Leitung 288 vorgesehen, um die Strömung von Permeat vom Permeattank 224 zur Leitung 282 zu steuern. Mit der Leitung 282 ist auch eine Leitung 292 für die Strömung von Permeat von der Leitung 282 zu den Leitungen 294 und 296 verbunden. Die Leitung 294 ist mit einem Ventil 295 versehen, um die Strömung von Permeat durch diese zu steuern, und die Leitung 296 ist mit einem Ventil 297 versehen, um die Strömung von Permeat durch diese zu steuern. Die Leitung 294 ist zwischen der Leitung 292 und der Leitung 274 angeschlossen. Im Gegensatz dazu ist die Leitung 296 zwischen der Leitung 292 und dem Fach 214 für die Lieferung der Strömung in das Fach 214 angeschlossen.
Die Quelle 218 für die Reinigungslösung ist mit der Leitung 292 mittels einer Leitung 298 verbunden, die sich zwischen der Quelle 218 und der Leitung 292 erstreckt, um die Strömung von Reinigungslösung von der Quelle 218 zum Rest des Systems 200 zu ermöglichen. Unter anderen bekannten Reinigungslösungen sind Chlorlösungen bevorzugt.
Der bevorzugte Betrieb des Systems 200 wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben. Drei allgemeine Betriebe des Systems werden hinsichtlich des "normalen Betriebs" des Systems 200, während dessen Permeat aus dem Substrat extrahiert wird, einer "gepulsten Reinigung" des Systems 200, die vorzugsweise periodisch während des normalen Betriebs stattfindet, und einer "tiefen Reinigung" des Systems 200, die vorzugsweise während einer Unterbrechung des normalen Betriebs stattfindet, beschrieben.
Im Allgemeinen wird das Substrat in das Gefäß 212 zugeführt, zum Fach 214 zirkuliert und das Permeat wird durch die Membrankassette 216 während des normalen Betriebs des Systems 200 entfernt. Das Permeat wird zum Permeattank 224 oder alternativ direkt zur Abführung geliefert. Gleichzeitig wird das Substrat im Gefäß 212 gemischt, um einen gut gemischten Tank aufrechtzuerhalten.
Während der gepulsten Reinigung, die vorzugsweise periodisch während des normalen Betriebs des Systems 200 stattfindet, wird das Permeat in die Membrankassette 216 in einer umgekehrten Strömungsrichtung (durch eine Pumpe oder durch Atmosphärendruck) zurückgepulst, um zu helfen, die Ansammlung von Biofeststoffen oder anderen organischen oder anorganischen Verschmutzungen auf den Oberflächen der Fasern 268 der Membrankassette 216 zu verringern. Ein solcher gepulster Reinigungsvorgang kann in zeitlich gesteuerten Intervallen für eine kurze Dauer durchgeführt werden. Die gepulste Reinigung kann beispiels weise und nur für Erläuterungszwecke zweimal pro Stunde, jedes Mal für eine vorbestimmte Dauer von etwa einer Minute durchgeführt werden. Andere Intervalle (mehr oder weniger häufig) und Dauern (länger oder kürzer) werden natürlich in Betracht gezogen.
Während der tiefen Reinigung wird das im Fach 214 enthaltene Substrat entleert und gegen eine Reinigungslösung für einen vorbestimmten Zeitraum ausgetauscht, um eine chemische Reinigung der Fasern 268 der Membrankassette 216 herbeizuführen. Anschließend kann die Reinigungslösung entleert und gegen Substrat aus dem Gefäß 212 ausgetauscht werden, falls erforderlich, um das System 200 zum normalen Betrieb zurückzubringen.
Jede der normalen, gepulsten Reinigungs- und tiefen Reinigungsvorgänge wird nachstehend genauer beschrieben. Im Hinblick auf den normalen Betrieb wird die Zirkulationspumpe 220 betätigt und das Ventil 208 wird geöffnet, so dass das Substrat vom Gefäß 212 in das Diffusorrohr 210 zur Einleitung in das Innere des Fachs 214 gedrängt werden kann. Das Ventil 232 an der Leitung 228 kann während des normalen Betriebs periodisch geöffnet werden, um einiges der Biofeststoffe, die sich ansonsten innerhalb des Fachs 214 ansammeln können, zu extrahieren. Während des normalen Betriebs wird das Ventil 238 an der Leitung 234 geschlossen, um eine Strömung von Substrat aus dem Fach 214 in Richtung der Fachentleerung 236 zu verhindern.
Das System 200 ist so ausgelegt, dass die Durchflussrate des Substrats aus dem Gefäß 212 in das Fach 214 die Durchflussrate des Permeats von der Membrankassette 216 für die Entfernung aus dem System 200 übersteigt. Folglich ist die Durchflussrate des Substrats durch das Diffusorrohr 210 in das Fach 214 größer als die Durchflussrate des Permeats aus dem Fach 214. Daher besteht ein Überlauf des Substrats über die obere Kante oder Lippe des Fachs 214 in das Gefäß 212. Für die Zwecke der Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist, wenn die Durchflussrate des Permeats von der Membrankassette 216 "X" ist und wenn die Durchflussrate des Substrats aus dem Gefäß 212 in das Fach 214 "6X" ist, dann die Überlaufrate des Substrats aus dem Fach 214 zurück in das Gefäß 212 ungefähr "5X" (6X – X = 5X). Es sollte beachtet werden, dass ein gewisser zusätzlicher Auslauf von Material durch das Ventil 232 und in den Abfallfeststoff-Behälter 230 während des normalen Betriebs des Systems stattfindet. Folglich würde in dem bereitgestellten Beispiel erwartet werden, dass der Überlauf des Substrats aus dem Fach 214 in das Gefäß 212 zurück tatsächlich geringfügig kleiner als 5X wäre.
Es wurde entdeckt, dass der Überlauf von überschüssigem Substrat aus dem Fach zurück in das Gefäß mehrere Vorteile verleiht. Hauptsächlich sieht ein solcher Überlauf eine zusätzliche Zirkulation für das System 200 vor, wodurch eine gleichmäßigere Suspension von Biomasse im Substrat aufrechterhalten wird. Der Überlauf hilft auch, die Membrankassette innerhalb des Substrats im Fach so zu halten, dass sie vollständig eingetaucht bleibt. Der Überlauf erzeugt auch ein Strömungsmuster benachbart zur Membrankassette, um die Ansammlung von Biomasse im Fach und auf den Membranoberflächen zu verringern.
Immer noch während des normalen Betriebs wird die Permeatpumpe 222 betätigt und die Ventile 276 und 286 werden geöffnet, um das Permeat durch die Grenze, die durch die Fasern 268 bereitgestellt ist, in den unteren und den oberen Rohrverteiler 264 und 266, durch die Leitungen 270 und 272 zur Leitung 274, durch die Leitung 282 und die Leitung 284 zur Lieferung in das Innere des Permeattanks 224 zu saugen. Alternativ, wie vorher beschrieben, muss die Permeatpumpe 222 nicht verwendet werden, wenn die Höhen der Fasern 268 und des Permeattanks 224 derart eingestellt sind, dass der Atmosphärendruck bewirkt, dass das Permeat von den Fasern zum Tank strömt.
Das Permeat verlässt dann den Permeattank 224 durch den mit Prallwanne versehenen Bereich 225 zur Verwendung oder zur Weiterverarbeitung. Alternativ kann das Permeat direkt zu einer Abführung geliefert werden, wenn der Permeattank gefüllt ist, oder es kann den Permeattank vollständig umgehen. Während eines solchen normalen Betriebs werden die Ventile 290, 295 und 297 geschlossen (außer wie nachstehend während der gepulsten Reinigung angegeben), um die Rückkehr von Permeat in Richtung der Membrankassette 216 zu verhindern.
Auch während des normalen Betriebs des Systems 200 wird eine Zuführung von Substrat von der Zuführungsquelle 254, durch die Leitung 256 und in das Gefäß 212 eingeleitet. Um das eingeleitete Substrat in einem gut gemischten Zustand zu halten, wird die Mischpumpe 242 entweder periodisch oder kontinuierlich betätigt, um das Substrat vom Gefäß 212 durch die Leitungen 240 und 244 und in den Mischabzug 248 zu transportieren. Gleichzeitig wird Mischluft von einer Quelle 250 für Mischluft oder anderes Gas durch die Leitung 252 und in den Mischabzug 248 eingeleitet, um sie/es mit dem Substrat zu vermischen. Die Düsen am Mischabzug 248 liefern ein Gemisch von Substrat und Mischluft vom Mischabzug 248 in das Gefäß 212 zurück, um einen gut gemischten Tank aufrechtzuerhalten.
Membranluft wird auch während des normalen Betriebs des Systems 200 von der Membranluftquelle 258 durch die Leitung 260, durch den Luftrohrverteiler 262 und in das Fach 214 benachbart zu den Fasern 268 der Membrankassette 216 eingeleitet. Die so eingeleitete Membranluft hilft, ein Rühren im Substrat benachbart zu den Fasern vorzusehen, um die Tendenz der Biomasse, sich in Form einer dünnen Schicht auf der Oberfläche der Fasern abzusetzen, zu verringern. Während des normalen Betriebs des Systems 200 wird auch Luft von der Leitung 274, durch die Leitung 278 zur Lüftungsöffnung 280 entlüftet, um ungelöste Luft aus dem System abzuführen.
Wie vorstehend beschrieben, wird die gepulste Reinigung vorzugsweise in vorbestimmten Intervallen und für vorbestimmte Dauern während des ganzen normalen Betriebs des Systems 200 durchgeführt. Insbesondere werden in den festgelegten Intervallen und für die festgelegte Dauer die Ventile 290 und 295 geöffnet und die Ventile 276 und 286 werden geschlossen, so dass die Permeatpumpe 222 (oder Atmosphärendruck, wie vorstehend beschrieben) das Permeat aus dem Tank 224; durch die Leitungen 288, 282, 292, 294, 270 und 272; und in die Rohrverteiler 264 und 266 für die Strömung in die Fasern 268 drängen kann. Diese Umkehrströmung bewirkt, dass das Permeat in der entgegengesetzten Richtung des normalen Betriebs durch die Faserwände in einer solchen Weise strömt, dass der Aufbau von Biomasse auf den Außenwänden der Fasern verringert wird. Wenn das Permeat entlang der Leitung 292 eingeleitet wird, wird es vorzugsweise mit Reinigungslösung vermischt, die von der Quelle 218 entlang der Leitung 298 eingeleitet wird.
Der tiefe Reinigungsvorgang des Systems 200 wird nun wieder mit Bezug auf das in 3 dargestellte System 200 beschrieben. Anfänglich wird zum Beenden des normalen Betriebs des Systems 200 die Lieferung von Substrat vom Gefäß 212 in das Fach 214 durch Deaktivieren der Zirkulationspumpe 220 und Schließen des Ventils 208 unterbrochen. Das Substrat innerhalb des Fachs 214 wird dann durch Schließen des Ventils 232 und Öffnen des Ventils 238 entleert, so dass das Substrat im Fach 214 entlang der Leitungen 226 und 234 in die Fachentleerung 236 entleert wird. Diese Entleerungsprozedur wird durch die Strömung von Substrat durch die Öffnungen im Diffusorrohr 210 für die Strömung vom Inneren des Diffusorrohrs 210 in die angeschlossene Leitung 226 erleichtert.
Die Ventile 276, 286 und 295 werden geschlossen und die Permeatpumpe 222 wird betätigt, um Permeat vom Permeattank 224; durch die Leitungen 288, 282, 292 und 296; und in das Fach 214 zu liefern. Die Reinigungslösung wird gleichzeitig von der Quelle 218 entlang der Leitung 298 geliefert, um sie mit dem eingeleiteten Permeat in der Leitung 292 zu vermischen. Das Fach 214 wird mit einem Gemisch von Permeat und Reinigungslösung gefüllt, bis es vorzugsweise eine Höhe über dem oberen Rohrverteiler 266 der Membrankassette 216 erreicht (so dass die Membrankassette vollständig in das Permeat/Reinigungslösungs-Gemisch eingetaucht ist), aber unter der oberen Lippe des Fachs 214 (so dass das Permeat/Reinigungslösungs-Gemisch nicht über die Kante des Fachs in das Innere des Gefäßes 212 für das Mischen mit dem Substrat, das sich noch im Inneren des Gefäßes 212 befindet, überläuft). Folglich wird das Substrat innerhalb des Gefäßes 212 nicht von einer beträchtlichen Menge von Reinigungslösung kontaktiert und daher wird verhindert, dass die Reinigungslösung die Biomasse im Substrat angreift, was ansonsten die Fähigkeit der Biomasse, das Substrat zu behandeln, beeinträchtigen könnte.
Die Membrankassette 216 wird dann in der Reinigungslösung für einen vorbestimmten Zeitraum "getränkt", um die Menge an Biomasse, die sich auf den Oberflächen der Fasern 268 der Membrankassette 216 angesammelt haben kann, zu beseitigen oder zu verringern. Obwohl verschiedene Dauern in Abhängigkeit von den speziellen Bestandteilen des Substrats und der Biomasse und anderen Faktoren ausgewählt werden können, ist die Dauer des Reinigungsvorgangs vorzugsweise mehrere Stunden und vorzugsweise nicht kürzer als vier Stunden oder länger. Eine solche "tiefe Reinigung" kann vorteilhafterweise einmal pro Monat des normalen Betriebs oder in mehr oder weniger häufigen Intervallen in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Systems und der Rate, mit der ein Biofilm auf den Fasern erzeugt wird, durchgeführt werden. In Verbindung mit dem Tränken der Membrankassette 216 in der Reinigungslösung für die vorbestimmte Dauer kann Membranluft wahlweise von der Membranluftquelle 258 entlang der Leitung 260 und durch den Luftrohrverteiler 262 zugegeben werden, um zusätzliches Rühren für die Entfernung von Biomasse von der Oberfläche der Fasern 268 vorzusehen.
Zusätzlich zur Zugabe von Membranluft (oder als Alternative zur Membranluft) kann der vorher beschriebene gepulste Reinigungsvorgang während des Reinigungsvorgangs durchgeführt werden, um Permeat (mit oder ohne Reinigungslösung) in das Innere der Fasern 268 für die Rückströmung durch die Membrankassette 216 einzuleiten. Eine solche Kombination von gepulster Reinigung und tiefer Reinigung kann vorteilhaft sein, um die Beseitigung von Biomasse von den Faseroberflächen zu beschleunigen.
Nachdem die ausgewählte Dauer des Reinigungszyklus abgelaufen ist, kann das Ventil 238 geöffnet werden, so dass die Reinigungslösung aus dem Fach 214 durch das Diffusorrohr 210, die Leitungen 226 und 234 zur Lieferung zur Fachentleerung 236 entleert werden kann. Nachdem die Reinigungslösung aus dem Fach 214 entleert wurde, kann der normale Betrieb des Systems 200 (vorstehend beschrieben) erneut gestartet werden, indem wiederum Substrat vom Gefäß 212 in das Fach 214 eingeleitet wird.
Wenn die Reinigungslösung während der Dauer des Reinigungsvorgangs neutralisiert oder verbraucht wird, dann ist es alternativ möglich, direkt zum normalen Betrieb des Systems 200 weiterzugehen, ohne das Fach 214 zu entleeren. Mit anderen Worten, wenn die Toxizität der Reinigungslösung während des Reinigungsvorgangs ausreichend abgebaut wird, so dass sie nicht übermäßig die Aktivität der Biomasse hemmt, dann kann das Substrat einfach in das Fach 214 und in Kontakt mit der Reinigungslösung eingeleitet werden, um den normalen Betrieb des Systems 200 herbeizuführen. Die verbrauchte Reinigungslösung wird dann im Substrat zum Mischen im Fach 214 und Gefäß 212 verdünnt. Die Fähigkeit, den Entleerungsschritt zu beseitigen, durch den die Reinigungslösung aus dem Fach 214 entleert wird, wie vorstehend beschrieben, hängt von der Art der verwendeten Reinigungslösung, vom Volumen der Reinigungslösung, das im Fach 214 enthalten ist, vom Bestandteil der Biomasse, von der Dauer des Reinigungsvorgangs und von anderen Faktoren ab.
Diese Erfindung wurde mit Bezug auf spezielle beispielhafte Ausführungsformen, die für die Erläuterung ausgewählt wurden, in 2 und 3 der Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, dass viele Veränderungen und Modifikationen der Ausführungsformen, die zur Erläuterung ausgewählt wurden, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung vorgenommen werden können. Die Struktur der Gefäße und Fächer, die schematisch in 2 und 3 dargestellt sind, kann breit variieren, während dieselbe Funktion aufrechterhalten wird. Die relative Positionierung des Fachs in Bezug auf das Gefäß, vorausgesetzt, dass das Fach ganz oder teilweise innerhalb des Gefäßes angeordnet ist, ist für die Erfindung nicht entscheidend, obwohl die schematisch in 2 und 3 dargestellten Konfigurationen bevorzugt sind. Die Rohr- und Ventilschemen, die in 3 aufgezeichnet sind, können auch modifiziert werden, damit sie an eine spezielle Verwendung oder ein spezielles System angepasst werden. Die Art von verwendetem Filter zum Entnehmen von Permeat kann variieren, selbst wenn bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf eintauchbare Filter wie z. B. Hohlfasermembranen beschrieben wurden.

Claims

Vorrichtung (100; 200) zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter während des Betriebs der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Gefäß (112; 212), das so konfiguriert ist, dass es ein Substrat enthält; ein Fach (114; 214), das so konfiguriert ist, dass es Substrat von dem Gefäß aufnimmt und einen Teil des aufgenommenen Substrats während des Betriebs der Vorrichtung zu dem Gefäß zurückführt; einen Filter (116; 216), der wenigstens teilweise in dem Fach positioniert und so konfiguriert ist, dass er während des Betriebs der Vorrichtung in dem Fach Permeat vom Substrat trennt; ein Mittel zum Einleiten einer Reinigungslösung in das Fach oder den Filter, um den Filter wenigstens teilweise einzutauchen, um den Filier wenigstens teilweise in situ zu reinigen; wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie die Zirkulation von Substrat während des Betriebs der Vorrichtung erleichtert und die Reinigungslösung in dem Fach während der Reinigung der Vorrichtung enthält; und wobei ein Mittel vorgesehen ist, das im Wesentlichen verhindert, dass die eingeleitete Reinigungslösung von dem Fach während der Reinigung mit dem in dem Gefäß enthaltenen Substrat in Kontakt gelangt, wobei das Fach (114; 214) wenigstens teilweise in dem Gefäß (112; 212) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Quelle (118; 218) für die Reinigungslösung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die Reinigungslösung in das Fach (114; 214) einleitet und mit dem Filter (116; 216) in Kontakt bringt, während die Vorrichtung gereinigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach eine Öffnung (126; 226) aufweist, um die Reinigungslösung oder das Substrat aus dem Fach abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Diffusor (248), der in dem Fach (214) positioniert ist, um das Substrat, das von dem Gefäß (212) abgegeben wird, zu empfangen und um das empfangene Substrat in das Fach einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Filter (216) eine Membran umfasst, durch die während des Betriebs der Vorrichtung Permeat getrennt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Membran mehrere hohle Fasern (268) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach eine Öffnung definiert, durch die empfangenes Substrat während des Betriebs zum Gefäß zurückkehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in einem oberen Abschnitt des Fachs positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (116; 216) so konfiguriert ist, dass er während des Betriebs in das Substrat eingetaucht werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (116; 216) vollständig in einem Innenraum des Fachs (114; 214) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Tank (124; 224), der so angeschlossen ist, dass er durch den Filter getrenntes Permeat empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Permeatabführung (D'; 224; 270, 272, 274, 282, 284), die an einer Erhöhung unterhalb des Filters positioniert ist, derart, dass der Atmosphärendruck bewirkt, dass Permeat von dem Filter (116; 216) zu der Permeatabführung fließt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach (114; 214) so konfiguriert und positioniert ist, dass das Überlaufen von empfangenem Substrat von innerhalb des Fachs in das Gefäß (112; 212) während des Betriebs möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach (114; 214) eine wenigstens teilweise offene Oberseite besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (116; 216) in dem Fach (114; 214) in der Weise positioniert ist, dass der Filter während der Reinigung wenigstens teilweise in die Reinigungslösung in dem Fach eingetaucht werden kann, ohne dass die Reinigungslösung im Fach in das Gefäß (112; 212) überläuft.
Verfahren zum Entnehmen von Permeat aus einem Substrat durch einen Filter und zum wenigstens teilweisen Reinigen des Filters in situ während des Reinigens, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) während des Betriebs (i) Einleiten von Substrat aus dem Gefäß (112; 212) in ein Fach (114; 214), das einen Filter (116; 216) wenigstens teilweise umgibt, wobei das Fach wenigstens teilweise in dem Gefäß positioniert ist. (ii) Zurückführen eines Teils eines Substrats von dem Fach zu dem Gefäß und (iii) Entnehmen von Permeat aus dem Substrat, das in dem Fach empfangen wurde, durch den Filter; gekennzeichnet durch: (b) während des Reinigens (i) Verhindern, dass Substrat von dem Gefäß in das Fach fließt, (ii) Einleiten eines Reinigers in das Fach oder den Filter und (iii) wenigstens teilweises Eintauchen des Filters, um den Filter wenigstens teilweise zu reinigen, während der Filter in situ gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Reiniger Permeat, eine chemische Lösung oder eine Kombination aus Permeat und einer chemischen Lösung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Filter vollständig im Innenraum des Fachs positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsschritt das Zurückführen des größten Teils von empfangenem Substrat von dem Fach zu dem Gefäß umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Halten des Verhältnisses von zurückgeführtem Substrat zu Permeat während des Betriebs bei etwa 5:1.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Mischen des Substrats in dem Gefäß.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Entleeren des Reinigers aus dem Fach nach dem Reinigen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Betrieb und das Reinigen periodisch abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsschritt die Zirkulation von empfangenem Substrat in der Nähe des Filters umfasst, um die Bildung einer dünnen Schicht auf dem Filter zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Zurückführen eines Teils des Permeats zu dem Filter, um eine Umkehrströmung durch den Filter während des Betriebs zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zurückführens von Permeat zu dem Filter periodisch ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reiniger-Einleitungsschritt das Einleiten von Reiniger in das Fach durch den Filter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach (114; 214) so konfiguriert und positioniert ist, dass ein Überlaufen von empfangenem Substrat aus dem Fach in das Gefäß (112; 212) möglich ist und dass während des Betriebs die Rate, mit der Substrat von dem Gefäß in das Fach eingeleitet wird, die Rate übersteigt, mit der Permeat durch den Filter (116; 216) entnommen wird, so dass Substrat über das Fach überläuft und zu dem Gefäß zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Fach (114; 214) eine wenigstens teilweise offene Oberseite besitzt.
Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, gekennzeichnet durch Entleeren von Substrat aus dem Fach und danach Einleiten des Reinigers in das Fach bis auf eine Höhe, derart, dass der Reiniger nicht über das Fach in das Gefäß überläuft.