NL1006502C2 - Inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum omvattende een lucht-stuwings-membraanfiltratie-systeem volgens de aanhef van conclusie 1.

5 Een dergelijke inrichting is bekend uit EP-A-659 694 op naam van aanvraagster. Bij de hierin beschreven inrichting wordt vervuild water via een toevoer in een bio-reac-tor gebracht. Het reeds daarin aanwezige water en het vervuilde water vermengen zich en worden met een stroming 10 mee gevoerd om via een omloopleiding in een opvanghouder te belanden. Een deel van de vervuilde massa in het water zakt weg naar de bodem van de opvanghouder en het resterende deel van het te behandelen water wordt door middel van via luchtverdeelmiddelen toegevoerde lucht in buisvormige 15 membranen van het membraanfiltratie-systeem omhoog gestuwd. Deze stuwing in opwaartse richting, ook wel "air-lift" genoemd, is groot genoeg om de hierboven genoemde stroming van het vervuilde water via de omloopleiding naar de opvanghouder, alwaar het vervolgens in opwaartse richting 20 door de buisvormige membranen wordt gestuwd, tot gevolg te hebben. Tijdens deze cyclus vindt filtratie van schoon water door de membraanwanden van de membranen plaats, welk schoon water als permeaat wordt afgevoerd via een perme-aatafvoer.

25 Nadelig bij deze bekende inrichting is dat de mem braanwanden van de buisvormige membranen in bedrijf hoofdzakelijk op het oppervlak vervuilen. Hierdoor is het niet mogelijk om gedurende lange tijd een hoge permeaatopbrengst te verkrijgen. Dit geldt in het bijzonder bij laminaire of 30 laag-turbulente stromingsprofielen in de stromingskanalen van de buisvormige membranen. Bij dit type stromingen worden de zich bij de membraanwanden ophopende vervuilende stoffen slecht afgevoerd. Hoog-turbulente stromingen daar- m - 2 - entegen hebben het nadeel dat het energieverbruik per eenheid membraanoppervlak geproduceerd permeaat zeer hoog is.

Het doel van de onderhavige uitvinding is een inrich-5 ting voor het behandelen van een vervuild fluïdum te verschaffen waarbij deze nadelen worden ondervangen.

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt door het kenmerk van conclusie 1. Door de aldus in het stromingska-naal opgewekte specifieke secundaire stromingen zal de 10 membraanwand in bedrijf beter gereinigd worden. Dit betekent dat ten opzichte van de bekende bovengenoemde inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum met de inrichting volgens de uitvinding gedurende langere tijd een hogere permeaatopbrengst kan worden verkregen. De secundai-15 re stroming geeft een stroming van de membraanwand af gericht die zorgt voor de afvoer van de zich bij de membraanwand ophopende vervuilende stoffen. Ook wordt het fluïdum in het stromingskanaal door deze secundaire stroming goed gemengd. Hierdoor worden concentratieverschillen 20 in het fluïdum die zijn ontstaan als gevolg van door de membraanwand naar buiten tredend permeaat opgeheven. Dit geldt in het bijzonder als de diffusiesnelheid laag is ten opzichte van de snelheid van de secundaire stroming, omdat de vereffening van de concentratieverschillen door deze 25 convectie dan sneller verloopt dan via diffusie. In het bijzonder bij een Reynoldsgetal, betrokken op de diameter van het stromingskanaal en de axiale stroomsnelheid, kleiner dan 20.000 kan bij een laag energieverbruik een relatief hoge permeaatopbrengst per eenheid membraanoppervlak 30 worden verkregen.

Voorkeursuitvoeringsvormen van de inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum zijn vastgelegd in de conclusies 2-5. Conclusie 6 heeft betrekking op een inrichting zoals hierboven beschreven in combinatie met een bio-35 reactor.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening, waarin: fig. 1 een schematisch aanzicht is in doorsnede van de 1006502 - 3 - inrichting volgens de uitvinding in combinatie met een bio-reactor; fig. 2 een zijaanzicht is van een uitvoeringsvorm van een schroeflijnvormig gewikkeld stromingskanaal; en 5 fig. 3 een dwarsdoorsnede is van het stromingskanaal overeenkomstig fig. 2, met daarin weergegeven een secundaire stroming.

De in fig. 1 weergegeven inrichting omvat een bio-reactor 1, ook wel genoemd een actief-slibreactor, met 10 daarin een te behandelen vervuild fluïdum, bijvoorbeeld met slib vervuild water. Op de onderzijde van de bio-reactor l sluit een aantal filtermembraanmodules 2 aan. Elke filter-membraanmodule 2 bestaat uit een buisvormige omhulling 7 met daarin een aantal buisvormige membranen 6. Aan elke 15 filtermembraanmodule 2 bevindt zich een permeaatafvoer 4. Op de onderzijde van de filtermembraanmodules 2 sluiten luchtverdeelmiddelen 8 aan. De lucht voor deze luchtver-deelmiddelen 8 wordt toegevoerd via een luchttoevoersysteem 3. De luchtverdeelmiddelen 8 omvatten met voordeel een 20 spuitmond 12 die is ingericht om luchtbellen met een bepaalde grootte af te geven. Met voordeel zijn de afgegeven luchtbellen groter dan of gelijk aan de halve diameter van het stromingskanaal van het buisvormige membraan 6. Bij een dergelijk formaat luchtbellen stijgen de vloeistofsnelheid 25 en de afschuifkrachten in het stromingskanaal met voordeel aanzienlijk. In het bijzonder zijn de afgegeven luchtbellen groter dan of gelijk aan de diameter van het stromingskanaal. Deze grote luchtbellen zullen in het stromingskanaal van het buisvormige membraan 6 naar binnen worden geduwd en 30 een soort luchtpijpje vormen. Hierdoor ontstaan grote afschuifkrachten langs de membraanwand. Tevens zal er een dunne fluïdumfilm op de membraanwand ontstaan. De binnendi-amter van de stromingskanalen ligt bij voorkeur tussen 0,5-25 mm en in het bijzonder tussen 1,5-6 mm. Deze afmetingen 35 hangen met voordeel samen met in hoofdzaak constante afmetingen van de luchtbellen die zich na enige tijd vormen. Dit standaard luchtbelformaat ontstaat door het kapotbreken of samengaan van luchtbellen en hangt samen met oppervlak- 1006502 - 4 - tespanningen, en dergelijke in het fluïdum.

In plaats van lucht kan ook een ander gas als transportmedium worden toegepast.

Onder de luchtverdeelmiddelen 8 bevindt zich een 5 opvanghouder 10 met een conische bodem. Aan deze conische bodem is een afvoerleiding 11 aangesloten voor het afvoeren van overtollig vervuilde massa. De bio-reactor 1 staat via een omloopleiding 9 in verbinding met de opvanghouder 10. Het te behandelen fluïdum wordt toegevoerd aan de bio-10 reactor 1 via een fluïdumtoevoer 5.

De werking van de inrichting volgens de uitvinding is als volgt. Het te behandelen fluïdum wordt via de fluïdumtoevoer 5 in de bio-reactor 1 gebracht. Aldaar zal het met het reeds aanwezige fluïdum vermengen en via de omlooplei-15 ding 9 terecht komen in de opvanghouder 10. Een deel van de in het te behandelen fluïdum aanwezige vervuilde massa zal wegzakken in de conische bodem van de opvanghouder 10 en het resterende deel van het te behandelen fluïdum zal samen met en door de, door middel van de luchtverdeelmiddelen 8 20 toegevoerde lucht in de buisvormige membranen 6 omhoog worden gestuwd. De stuwing is zo sterk dat het in de bio-reactor 1 aanwezige te behandelen fluïdum niet van boven af in de membranen 6 loopt. Het fluïdum zal daarentegen door de hydrostatische druk en door de stuwing van de luchtver-25 deelmiddelen 8, in hoofdzaak vanuit de bio-reactor 1 via de omloopleiding 9 naar de opvanghouder 10 stromen, alwaar het vervolgens in opwaartse richting door de membranen 6 wordt gestuwd. Via de membraanwanden van de membranen 6 treedt permeaat, te weten gezuiverd fluïdum, naar buiten en komt 30 terecht in de ruimte tussen de membranen 6 en de omhulling 7. Vanuit deze ruimte wordt het permeaat afgevoerd via de permeaatafvoer 4.

De buisvormige membranen 6 bestaan elk uit een door een membraanwand omsloten stromingskanaal. Volgens de 35 uitvinding is het stromingskanaal schroeflijnvormig om een denkbeeldige as gewikkeld. De schroeflijnvorm is hierbij zodanig dat er een secundaire stroming in het stromingskanaal wordt opgewekt als er een axiale hoofdstroom doorheen 1006502 - 5 - stroomt. De stromingsrichting van de secundaire stroming staat hierbij in hoofdzaak loodrecht op de hoofdstroom. In fig. 1 zijn drie in elkaar getwijnde schroeflijnvormige membranen in twee uitvoeringsvormen 6 respectievelijk 6' 5 weergegeven. De tweede uitvoeringsvorm van het membraan 6' is slechts voor de helft weergegeven, terwijl van de eerste uitvoeringsvorm van het membraan 6 in het midden een dwarsdoorsnede is weergegeven. In het bijzonder de uitvoeringsvorm van de membranen 6 in de meest rechter omhulling 7, 10 waarin drie membranen 6 om elkaar heen gedraaid zijn, levert een hoge pakkingsdichtheid van stromingskanalen per volume eenheid behuizing. Naast de getoonde schroeflijnvormige stromingskanalen zijn ook andere uitvoeringsvormen voor het opwekken van de genoemde secundaire stroming 15 mogelijk. Te denken valt aan een ovaalvormig stromingska-naal dat om zijn eigen hartlijn getordeerd is, of een combinatie van beide.

De in fig. 1 weergegeven uitvoeringsvormen van de membranen 6 is slechts zeer schematisch. In de praktijk zal 20 elk buisvormig omhulsel 7 een groot aantal schroeflijnvormig gewikkelde membranen 6 bevatten.

Voor de duidelijkheid is in fig. 2 een schroeflijnvormig gewikkeld stromingskanaal 20 weergegeven met daarin aangeduid de van bijzonder belang zijnde afmetingen a, b en 25 c; a is hierin de straal van het stromingskanaal, 27rb de afstand tussen twee windingen en c de straal van de schroef. Indien nu de verhouding tussen a, b en c binnen bepaalde grenzen blijft, zal er als er door het stromingskanaal 20 een axiale hoofdstroom wordt gevoerd een secun-30 daire stroming ontstaan.

Een vorm van deze secundaire stroming is weergegeven in fig. 3. Het hier weergegeven stromingsprof iel wordt bereikt als wordt voldaan aan de voorwaarde 35 b a. c * 1 0 < - -1 . - s 0,2 c b2+c2) Re* 1006502 - 6 - waarbij Re het Reynoldsgetal betrokken op de binnendiameter van het kanaal en de in het kanaal heersende axiale stroomsnelheid is. De secundaire stroming werkt stabiliserend op de stroming, hierdoor ligt in een schroeflijnvormig stro-5 mingskanaal het omslagpunt van laminaire naar turbulente stroming bij een hoger Re-getal dan in een recht stromings-kanaal. Bovendien vermindert de dikte van de hydrodynami-sche grenslaag. Hierdoor vindt een betere menging van de grenslaag met het fluïdum plaats en verloopt de stofover-10 dracht sneller. Zoals te zien wordt de secundaire stroming hier gevormd door twee wervels 31 met een aan elkaar tegengestelde draairichting, welke draairichting in hoofdzaak dwars op de richting van de hoofdstroom staat. De wervels 31 hebben hier dezelfde omvang. Dit wordt bereikt als in 15 het bijzonder wordt voldaan aan de voorwaarde b a. c * l 0 < - - . - s 0,1 c b2+c2 Re** 20

Als wordt voldaan aan de voorwaarde b a. c * 1 25 0,1 < - - . - s 0,2 c b2+c2 Re* zal de ene wervel groter zijn dan de andere wervel. Over de getoonde dwarsdoorsnede van het stromingskanaal kunnen vier 30 verschillende zones worden onderscheiden: twee zones A waar de beide wervels 31 langs de mem-braanwand 32 stromen; een zone B die ligt tussen de plaatsen waar de respectieve wervels 31 van de membraanwand 32 af stromen; 35 - een zone C die ligt tussen de plaatsen waar de respec tieve wervels 31 naar de membraanwand 32 toestromen; en een zone D die ligt in het centrale deel van het stromingskanaal.

Als gevolg van door de membraanwand 32 naar buiten 40 tredend permeaat ontstaan er gezien over de dwarsdoorsnede van het stromingskanaal concentratieverschillen in het 1006502 - 7 - achterblijvende fluïdum. De concentratie neemt hierbij toe van C naar A naar B en neemt af van B naar D naar C. Als gevolg van opmenging door de wervels 31 worden deze concen-tratieverschillen met voordeel weer grotendeels opgeheven.

5 Hierdoor kan eenvoudiger permeaat naar buiten treden, waardoor de permeaatopbrengst wordt vergroot.

Aldus is door het toepassen van schroeflijnvormig gewikkelde membranen in een op zich bekende inrichting voor het behandelen van een vervuild fluïdum een zeer hoge 10 permeaatopbrengst mogelijk. Dit geldt in het bijzonder als door de schroeflijnvormig gewikkelde membranen luchtbellen worden geleid die groter dan of gelijk aan de diameter van het stromingskanaal van de membranen zijn. Door het combineren van de in het schroeflijnvormig gewikkelde stromings-15 kanaal opgewekte secundaire stroming met de door het stromingskanaal gestuwde luchtbellen, is een bijzonder voordelige superponatie van stofoverdrachtbevorderende effecten verkregen.

1006502

Claims (6)

1. Inrichting voor het behandelen van een fluïdum, omvattende een filtermembraanmodule (2) die een omhulling (7) , met daarin opgenomen ten minste één buisvormig membraan (6) , en een op de ruimte tussen de omhulling (7) en het 5 membraan (6) aangesloten permeaatafvoer (4) omvat; gasver-deelmiddelen (8) die in verbinding staan met een gastoe-voersysteem (3) en aansluiten op een zijde van de filtermembraanmodule (2) ; fluidumtoevoermiddelen (10) die aansluiten op de gasverdeelmiddelen (8); en afvoermiddelen die 10 aansluiten op de andere zijde van de filtermembraanmodule (2); waarbij in bedrijf toegevoerd gas en te behandelen fluïdum in dezelfde richting langs de membraanwand door het stromingskanaal van het buisvormige membraan (6) stromen, met het kenmerk, dat het stromingskanaal van het buisvormi-15 ge membraan (6) zodanig schroeflijnvormig om een denkbeeldige as gewikkeld is dat er als er een axiale hoofdstroom in het stromingskanaal wordt bewerkstelligd, een secundaire stroming wordt opgewekt waarvan de stromingsrichting in hoofdzaak loodrecht op de hoofdstroom staat, waarbij de 20 gasverdeelmiddelen (8) een spuitmond (12) omvatten en de spuitmond (12) is ingericht om gasbellen af te geven met een diameter groter dan of gelijk aan de halve diameter van het stromingskanaal.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat meerdere buisvormige membranen (6) zijn voorzien die in elkaar getwijnd zijn.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, 30 dat de spuitmond (12) is ingericht om gasbellen af te geven met een diameter groter dan of gelijk aan de diameter van het stromingskanaal.

4. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, 35 met het kenmerk, dat het stromingskanaal een diameter heeft van 0,5-25 mm. 1006502 - 9 -

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het stromingskanaal een diameter heeft van 1,5-6 mm.

6. Inrichting voor het behandelen van een vervuild fluï-5 dum, omvattende een fluïdumtoevoer (5) ; een daarop aangesloten bio-reactor (1); een filtermembraanmodule (2) die een omhulling (7) , met daarin opgenomen ten minste één buisvormig membraan (6) , en een op de ruimte tussen de omhulling (7) en het membraan (6) aangesloten permeaataf- 10 voer (4) omvat, en die aan één zijde aansluit op de bio-reactor (1); gasverdeelmiddelen (8) die in verbinding staan met een gastoevoersysteem (3) en aansluiten op de andere zijde van de filtermembraanmodule (2); een opvanghouder (10) die aansluit op de gasverdeelmiddelen (8) en via een 15 omloopleiding (9) verbonden is met de bio-reactor (1) ; waarbij in bedrijf toegevoerd gas en te behandelen fluïdum in dezelfde richting langs de membraanwand door het stromingskanaal van het membraan (6) stromen, met het kenmerk, dat het stromingskanaal van het buisvormige membraan (6) 20 zodanig schroeflijnvormig om een denkbeeldige as gewikkeld is dat er als er een axiale hoofdstroom in het stromingskanaal wordt bewerkstelligd, een secundaire stroming wordt opgewekt waarvan de stromingsrichting in hoofdzaak loodrecht op de hoofdstroom staat. 1006502