PL173715B1 - Urządzenie membranowe do oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu i sposób oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie membranowe do oddzielania perme- a tu z wieloskladnikowego cieklego substratu, zawiera- jace uklad wielu mem bran z wydrazonych porowatych wlókien, przy czym otwarte konce tych wlókien sa za- mocowane wzgledem siebie plynoszczelnie, odpowie- dnio w dwóch glówkach, oraz srodki do zbierania perm eatu, znamienne tym, ze glówki (11, 41, 41', 61, 61', 141, 141', 151, 1 5 1 , sa usytuowane w odleglosci mniejszej od dlugosci laczacych je wlókien (12, 142) tak, ze wlókna (12, 142), w sparte jedynie n a glówkach (11, 41, 41', 61, 61', 141, 141', 151, 1 5 n , tworza wiazke (42, 62) wlókien (12, 142) o profilu lukowym, m ajaca swobode wychylen n a boki, przystosowana do zanurzenia bezposrednio w substracie, przy czym wlók- n a (12, 142) sa uformowane z m aterialu nieorgani- cznego lub z m atenalu zywicznego oraz materialem zywicznym sa zalane konce tych wlókien (12, 142) w glówkach (11, 41, 41', 61, 61', 141, 141', 151, 151) 9. Sposób oddzielania perm eatu z wieloskladniko- wego cieklego substratu, zawierajacego material cza- stkowy, znamienny tym, ze kontaktuje sie su b strat z wiazka wielu mem bran z wydrazonych porowatych wló- kien, o profilu lukowym, m ajaca swobode wychylen na boki, stosuje sie róznice cisnien n a m em branach w zakresie od okolo 0,7 kPa do okolo 345 kPa, w strefie polozonej bezposrednio pod wiazka wlókien rozprowadza sie pecherzyki gazu uderzajace w te wlókna 1 omywajace je, utrzymuje sie zasadniczo staly strumien gazu, zasad- niczo taki sam jak strumien równowagi osiagniety po rozpoczeciu procesu oraz gromadzi sie i odprowadza sie permeat. Fig 3 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie membranowe do oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu i sposób oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu.

Rozwiązanie znane z opisu patentowego US nr 5 104 535 dotyczy bezramowej struktury z wydrążonych włókien, która była utworzona bez zalewania końców włókien. Określenie włókna użyto tu dla oznaczenia w skrócie membran z wydrążonych włókien. Określenia struktura użyto tu dla oznaczenia warstwy z wielu włókien rozmieszczonych w odstępach od siebie w jednej płaszczyźnie. Włókna te są umocowane blisko swych części końcowych w dwóch przeciwległych identycznych dzielonych zaciskowych główkach, które były ruchome w dowolnym kierunku względem siebie. Główki te były wyposażone w rowki, w których były zamocowane końce włókien. Nazwano je główkami dzielonymi i zaciskowymi, ponieważ główki te były na końcach zaciskane (jak przy zaciskaniu amunicji) w takiej lub innej postaci zanim zestaw struktur mógł wykorzystywany.

Rozwiązanie według zgłoszenia patentowego US nr 07/845168 dotyczy zespołu bezramowych struktur szczelnie spojonych ze sobą wzdłuż swych granic przez późniejsze zalewanie w celu utworzenia wkładu do stosowania w płaszczu modułu, przy czym wkład ten był używany w taki sam sposób jak zespół komórek jest używany w modułach według stanu techniki. Określenie komórka użyto tu dla oznaczenia znanego zespołu włókien w ramce. Określenie struktura użyte zostało w zgłoszeniu patentowym US nr 07/845168 w takim samym wąskim sensie jak w opisie patentowym US nr 5 104 535 dla podkreślenia, że nie było żadnych stałych środków podparcia dla włókien poza usytuowanymi w odstępie główkami, w których trzymane były końce włókien. Inaczej mówiąc włókna w strukturze były niepodparte pomiędzy główkami, jak podano w opisie patentowym US nr 5 104 535, to znaczy bezramowe.

Dla umieszczenia struktury włókien przy korzystaniu ze struktur bezramowych albo według zgłoszenia patentowego US nr 07/845168, albo według opisu patentowego US nr 5 104 535, opierano się na tworzeniu zespołu struktur, by wytworzyć pożądane niewielkie naprężenie we włóknach w celu utrzymywania ich w zgodnym położeniu. Naprężenie takie tworzy uporządkowanie warstwowe włókien w kolejnych strukturach w zespole struktur, przy czym każda z warstw ma swe włókna liniowo usytuowane w odstępach od siebie w płaszczyźnie zawierającej oba zestawy końców włókien w jednej strukturze.

Moduł utworzony był z zastosowaniem kilku zalanych później wkładów, które były funkcjonalnie umieszczone w płaszczu modułu. Ponieważ włókna w każdej strukturze będą podlegały działaniu twardych warunków przepływu płynu w płaszczu, włókna stosowane w naszych poprzednich rozwiązaniach były stosunkowo krótkie, o długości w zakresie od 5 cm do 0,5 m.

Problem polegał na tym, że względny koszt eksploatacji modułu według naszych poprzednich wynalazków był stosunkowo wysoki, jeśli chodzi o ich użycie w bardzo dużych systemach, w których koszt na jednostkę objętości odprowadzanej fazy przechodzącej miał być możliwie jak najmniejszy. Próbując znaleźć skuteczne rozwiązanie tego problemu ulepszyliśmy koncepcję struktury bezramowej i zbudowaliśmy wokół niej zadziwiająco skuteczny system.

173 715

Sytuacja ta spowodowała dążenie do stosowania struktur i zarzucenia modułu. Jednakże głównym zadaniem naszych poprzednich wynalazków było zwiększenie do maksimum skuteczności modułowego urządzenia membranowego i uniknięcia problemów bezpośredniego zalewania końców włókien w poszczególnych strukturach oraz uzyskanie czystego oddzielenia końców zalanych włókien. W sposób zamierzony konfigurowaliśmy struktury dla montażu we wkład, z których kilka było sprzężone, by utworzyć stos do stosowania w płaszczu modułu. W tych ramach technicznych wydawało się nielogiczne rezygnowanie z zespołu oddzielnych struktur, ponieważ oznaczało to rezygnację z płaszcza modułu. Jednak zrobiliśmy to.

Ponieważ zrezygnowaliśmy z obu warunków naszych poprzednich wynalazków, mianowicie montowania poszczególnych struktur w stos lub wkład oraz ze stosowania modułu, prostota i skuteczność tego rozwiązania znalazły się w centrum zainteresowania.

Napierwszy rzut okajest oczywiste, że wykorzystanie obu istotnych warunków wstępnych dla działania modułu, mianowicie szybkiego przepływu substratu (zwanego również dopływem cieczy wieloskładnikowej) jak również stosunkowo wysokiego ciśnienia, przy którym jest on doprowadzany do modułu, nie może zapewnić rozwiązania tego problemu. Duża prędkość utrzymywała powierzchnie włókien w czystości, a wysokie ciśnienie utrzymywało duży strumień. Przez dopływ cieczy wieloskładnikowej rozumiemy przykładowo soki owocowe, które mają być klarowane lub stężane; wodę zawierającą cząstki ciał stałych; proteinowe ciekłe produkty mleczarskie, takie jak serwetka, itp. Określenie materiał cząstkowy użyte jest dla oznaczenia nadającego się do filtrowania materiału o wymiarach rzędu mikrometrów (od 1 do 44 gm) i o wymiarach submikrometrycznych (od 0,1 do 1 gm), który zawiera nie tylko cząstkowy materiał nieorganiczny, ale również martwe lub żywe, biologicznie aktywne mikroorganizmy, zawiesiny koloidalne, roztwory dużych cząsteczek organicznych, takich jak kwas fulwinowy i kwas huminowy oraz emulsje olejowe.

Ponadto problemy dotyczące zagadnień dynamiki płynów odnośnie działania bezmodułowej struktury bezramowej w stosunkowo nieturbulentnym substracie pod ciśnieniem atmosferycznym były zwiększane przez perspektywę wystawienia włókien na działanie żywych organizmów i drobnocząstkowego materiału nieorganicznego, przy czym co do obu wiadomo, że szybko osadzają się na wszystkich powierzchniach, które stykają się z każdym substratem zawierającym je.

Problemy te rozwiązywano przez stosowanie struktur bezramowych umieszczonych pływającą w substracie z pęcherzykami gazu czyszczącego włókna (zwanego również gazem płuczącym). Każda struktura zawiera przypadkową lub uporządkowaną obfitość bardzo długich włókien, prawie zawsze dłuższych niż 0,5 m, a często nawet o długości 8 m lub większej, zamocowanych w dwóch usytuowanych w odstępie główkach. Otrzymana wiedza mówi, że im dłuższe włókna, tym bardziej wrażliwe. Pogląd ten wynika z obserwowanych uszkodzeń modułów na skutek przepływu substratu przez włókna w module ze stosunkowo dużą prędkością.

Zastosowanie struktury z włókien w bezpośredniej obróbce aktywowanego szlamu w bioreaktorze opisane jest w artykule zatytułowanym Direct Solid-Liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in an Activated Sludge Aeration Tank, Kazuo Yamamoto i in., w Wat. Sci. Tech. wol. 21, Brighton str. 43-54, 1989. Podają oni Trzy zespoły membranowe z wydrążonych włókien (Mitsubishi Rayon Engineering Co., Ltd.), (należy zauważyć, ze każdy zespół jest pokazany jako posiadający trzy włókna na fig. 1 i 2) były zanurzone i zawieszone pionowo w reaktorze. Membrany były wykonane z polietylenu z wielkością porów 0,1 gm, co mieści się w zakresie mikrofiltracji.

Ponieważ włókna polietylenowe pływają, przypuszczalnie włókna te były przywiązane do pręta, tak aby były podwieszone pionowo do dołu w reaktorze. Podają oni Powietrze dostarczone było przy dnie reaktora z natężeniem przepływu powietrza 1,8 l/min (porównaj wiersze 8-9 od dołu na stronie 44 wspomnianego artykułu). Końce włókien w każdym zespole pokazano jako zamocowane w pojedynczej główce, do której przykładane jest podciśnienie, albo w sposób ciągły, albo w sposób przerywany, aby wyprowadzić fazę przechodzącą ze zwisających do dołu membran.

173 715

Nie ma żadnej informacji, jakie to było źródło powietrza lub jakie środki zastosowano do wprowadzania powietrza do reaktora. Nie podano również celu wprowadzania powietrza innego niż utrzymywanie mikroorganizmów.

Zawieszona do dołu konfiguracja włókien powodowała zatykanie się do pewnego stopnia natychmiast po rozpoczęciu filtracji i strumień stawał się nieczuły na różnicę ciśnień z upływem czasu (porównaj dół strony 46 cytowanego artykułu). W innym doświadczeniu zmiany w strumieniu i różnicy ciśnienia z czasem oznaczają, że początkowy strumień wynosił 2,5 x 10’⁶ m³/(m²s) (90 l/m² h), a różnica ciśnienia wzrosła do 100 kPa, osiągnięta w warunkach podciśnienia, przy czym strumień zmalał gwałtownie w ciągu 5 dni od rozpoczęcia doświadczenia. Zaobserwowano, że poważne zatkanie nastąpiło w ciągu pierwszych 5 dni. Wydawało się, że moduł ma korek szlamu. Płukanie zwrotne przy zastosowaniu czynnika wypływającego lub powietrza przeprowadzono na próbę kilkakrotnie, ale bez powodzenia. Chociaż po płukaniu zwrotnym osiągnięto niewielką poprawę, jednak strumień natychmiast powracał do poprzedniej wartości (porównaj koniec strony 47 - początek strony 48 wspomnianego artykułu).

Yamamoto i in. stwierdzili, że zatykanie może postępować przy małych stężeniach ciał stałych zawieszonych w zmieszanej cieczy (MLSS) przy stosowaniu dużej różnicy ciśnień. Prowadzi to do wniosku, że przy długotrwałej stabilnej eksploatacji nie można przykładać ciągłego podciśnienia. Gdy zatkanie raz wystąpi już w module membranowym, powoduje zwiększanie się różnicy ciśnień, a wzrost różnicy ciśnień powoduje z kolei coraz większe zatykanie, co w końcu powoduje nieodwracalne przerwanie działania (porównaj strona 48, drugi pełny paragraf wspomnianego artykułu).

Stosunkowo słabe wyniki otrzymane przez Yamamoto i in. spowodowane były głównie tym, że nie zdawali sobie oni sprawy z krytycznej ważności utrzymywania strumienia przez napowietrzanie pasma włókien od wewnątrz i od spodu pasma. Inaczej mówiąc, nie zdawali sobie oni sprawy z konieczności dokładnego przepłukiwania zasadniczo całych powierzchni włókien przez przepuszczanie pęcherzyków poprzez pasmo, by utrzymywać włókna omywane przez pęcherzyki. Wymaganie to staje się jeszcze wyraźniejsze, gdy zwiększa się liczba włókien w paśmie. Ponieważ Yamamoto i in. zawieszali włókna do dołu w swym reaktorze doświadczalnym, nie mogli napowietrzać swego pasma z trzech włókien od spodu łuku, który by wytworzyli, gdyby włókna były odwrócone w substracie.

Próby z zastosowaniem urządzenia Yamamoto i in. wykazują, że kiedy powietrze jest doprowadzane na zewnątrz pasma, strumień maleje znacznie szybciej w czasie tak krótkim jak 50 h, zgodnie z wynikami otrzymanymi przez nich.

Badania Yamamoto i in. z włóknami zawieszonymi do dołu były kontynuowane, a ostatnie osiągnięcia przedstawiono w artykule zatytułowanym Organie Stabilization and Nitrogen Removal in Membranę Separation Bioreactor for Domestic Wastewater Treatment przez C. Chiemchaisri i in. na konferencji na temat technologii membranowej w oczyszczaniu ścieków, Cape Town, RPA, 2-5 marca 1992. Polepszenia strumienia poszukiwano przez zapewnienie bardzo burzliwych warunków w strefie rozdzielania we współdziałaniu z napowietrzaniem strumieniowym zainstalowanym wewnątrz modułu membranowego, ale na zewnątrz zawieszonych włókien. Strefa rozdzielania wydaje się być w otwartej komunikacji płynowej z zawartością bioreaktora. Moduł ten był zawarty w głównym bioreaktorze, a zespół rozdzielania był zanurzony w bioreaktorze.

Dwie membrany z wydrążonych włókien, każda posiadająca pole powierzchni 0,3 m² i wsparta na ramie, były zawieszone wewnątrz zespołu rozdzielania tak, że włókna zwisały po każdej stronie łopatkowego mieszadła poniżej główki, w której włókna te były zatopione. Faza przechodząca była odprowadzana przez pompę ssącą w warunkach działania przerywanego, a mieszadło łopatkowe, napędzane przez silnik, zapewniało przepływ poprzeczny zmieszanej cieczy poprzez powierzchnię membrany. Kierunek obrotu łopatek, które obracały się z prędkością 290 obr/min, zmieniano co 10 s. Ponadto raz na 90 minut na czas 1 minuty włączano napowietrzanie strumieniowe, przy czym kierunek strumienia powietrza był promieniowy względem włókien, tak że powietrze było przedmuchiwane przez zawieszone włókna. Kombinacja powyższych warunków zapewniała duży strumień, ponieważ uniemożliwiała wzrost mikroorganizmów.

173 715

W powyższej publikacji Chiemchaisri oczywiste jest, że włókna są zawieszone do dołu i że istotny jest bardzo burzliwy przpływ wody w zmieniających się kierunkach. Konfiguracja ta nie pozwala na odprowadzanie fazy przechodzącej tylko na zasadzie grawitacji bez stosowania pompy ssącej. Wreszcie, z ekonomicznego punktu widzenia, wysokie koszty eksploatacji bioreaktora opisanego w artykule Chiemchaisri i in. nie są korzystniejsze niż eksploatowanie podobnego bioreaktora w połączeniu z półprzepuszczalnym modułem membranowym umieszczonym na zewnątrz.

Oczywiste jest, że zarówno publikacja Yamamoto i in. jak i publikacja Chiemchaisri i in. podaje, że przepływ powietrza przez powierzchnie zawieszonych włókien nie powoduje żadnego zahamowania dołączania się mikroorganizmów z substratu.

Urządzenie membranowe do oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu, zawierającego układ wielu membran z wydrążonych porowatych włókien, przy czym otwarte końce tych włókien są zamocowane względem siebie płynoszczelnie, odpowiednio w dwóch główkach, oraz środki do zbierania permeatu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że główki są usytuowane w odległości mniejszej od długości łączących je włókien tak, że włókna, wsparte jedynie na główkach, tworzą wiązkę włókien o profilu łukowym, mającą swobodę wychyleń na boki, przystosowany do zanurzenia bezpośrednio z substracie, przy czym włókna są uformowane z materiału nieorganicznego lub z materiału żywicznego, oraz materiałem żywicznym są zalane końce tych włókien w główkach.

Korzystnie każde wydrążone włókno ma średnicę zewnętrzną w zakresie od około 20 pm do około 3 mm, grubość ścianki w zakresie od około 5 pm do około 2 mm oraz jest wykonane z materiału złożonego z grupy obejmującej naturalne i syntetyczne polimery, w wielkość porów mieści się w zakresie od 0,001 pm do 1,0 pm.

' Główki mogą być zamontowane współpłaszczyznowo, wyjmowalnie.

Urządzenie może zawierać środki do rozprowadzania gazu umieszczone w strefie bezpośrednio poniżej wiązki włókien, posiadające kanały do rozprowadzania gazu.

W szczególności kanały do rozprowadzania gazu są dostosowane do wytwarzania pęcherzyków o przeciętnej średnicy w zakresie od około 1 mm do około 50 mm, mierzonej stosunkowo blisko włókien, przy czym pęcherzyki te stykają się z włóknami, utrzymują ich sprężystość i zabezpieczają zewnętrzne powierzchnie włókien zasadniczo przed powstawaniem osadów z materiału cząstkowego.

Korzystnie włókna mają pory od 0,001 pm do 0,1 pm.

Zespół membranowy może być umieszczony w zbiorniku przeznaczonym na substrat.

W szczególności każda główka jest masą litego syntetycznego materiału żywicznego, w której zatopionych jest co najmniej 100 części końcowych; przy czym każde wydrążone włókno ma zewnętrzną średnicę w zakresie od około 20 pm do około 3 mm oraz grubość ścianki w zakresie od około 5 pm do około 1 mm.

Korzystnie łukowy profil wiązki włókien jest zasadniczo paraboliczny, a środek do odprowadzania fazy przechodzącej stanowi pompa zdolna do wytwarzania podciśnienia około 100 kPa po stronie ssania.

Sposób oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu, zawierającego materiał cząstkowy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kontaktuje się substrat z wiązką wielu membran z wydrążonych porowatych włókien, o profilu lukowym, mającą swobodę wychyleń na boki, stosuje się różnicę ciśnień na membranach w zakresie od około 0,7 kPa do około 345 kPa, w strefie położonej bezpośrednio pod wiązką włókien rozprowadza się pęcherzyki gazu uderzające w te włókna i omywające je, utrzymuje się zasadniczo stały strumień gazu, zasadniczo taki sam jak strumień równowagi osiągnięty po rozpoczęciu procesu oraz gromadzi się i odprowadza się permeat.

Korzystnie oddziela się materiał cząstkowy wybrany z grupy złożonej z mikroorganizmów i drobnoziarnistych cząstek nieorganicznych.

Korzystnie wytwarza się pęcherzyki mające przeciętną średnicę w zakresie od około 1 mm do około 50 mm.

173 715

W jednym z wariantów stosuje się naaęźenie przzpływu gazu w zakresie od około 10 m³/24h/m² do 200 m³/224/m² oraz oddrowaazz sóii praincHa stosując różnicę ciśnień na membranie spowodowaną przez grawitację.

W innych z waπznió'ó' stosie sśę naa?żen^^ p^pp^w gazu w zakresie od okoto 10 m³/24h/m² do 200 πn/24h/rrn orazo0przwaaza sóę ppemmea stosϋjąc podciśnienie okofo 100 kPa.

W jeszcze innym z wariantów stosuje się natężenie przepływu gazu w zakresie od około 10 m3/24h/m2 do 200 m3/24h/m2 oraz odprowadza się permeat stosując podciśnienie większe niż 100 kPa.

Kończąc z konwencjonalnym stosowaniem silnego przepływu przy dużym ciśnieniu poprzez struktury w module przez montowanie główek bezramowej struktury w zbiorniku substratu i przez emożliwinnin swobodnego ruchu włókien w substracie zmniejsza się do minimum uszkodzenia włókien. Ponieważ główka mocuje wiązkę przynajmniej 10, korzystnie 50 - 50000 długich włókien rozmieszczonych w pętli, wiązka włókien jest również nazywana pasmem. Określenie wiązka odnosi się do wielu włókien rozmieszczonych przypadkowo w obfitości blisko siebie i spojonych zalewą żywiczną, tak aby powstała geometrycznie nieregularna granica obwodowa wokół skrajnych zewnętrznych obwodów skrajnych zewnętrznych włókien. W paśmie każde włókno może poruszać się swobodnie niezależnie od innych. Stwierdziliśmy, że pasmo włókien rozmieszczonych swobodnie jest zarówno trwałe jak i niezawodne w działaniu.

Określenie struktura jest tu użyte jak dotychczas, z tym wyjątkiem że odnosi się ono do wiązki długich włókien, z których każde jest dłuższe niż 0,5 m, przy czym przeciwległe końcowe części każdego włókna są uszczelnione w usytuowanych w odstępie główkach, poprzez które faza przechodząca ma być równocześnie odprowadzana. Najkorzystniej końce włókien są zalane bez uwzględniania położenia geometrycznego jednego włókna względem drugiego dopóki wszystkie włókna mają zasadniczo jednakowy kierunek poprzez jedną powierzchnię czołową każdej główki, przy czym otwarte końce włókien przechodzą przez przeciwległą drugą powierzchnię czołową każdej główki i zasadniczo żadne włókna nie stykają się ze sobą, przez co zapewniono płynoszczelność wokół każdego włókna w główce.

W szczególnym przykładzie wykonania, kiedy porowata lub półprzepuszczalna membrana jest w postaci rurki włoskowatej lub wydrążonego włókna i jest wykorzystywana do filtrowania, materiał membrany dzieli moduł na strefę doprowadzanego materiału i strefę bez doprowadzanego materiału zwaną strefą fazy przechodzącej. Doprowadzany materiał lub substrat, który jest wprowadzany albo zewnętrznie (przypływ z zewnątrz do wewnątrz), albo wewnętrznie (przepływ z wnętrza na zewnątrz), jest rozdzielany na strumienie fazy przechodzącej i koncentratu. Bezramowa struktura według przedmiotowego wynalazku jest ograniczona do stosowania w takich przypadkach, kiedy przepływ substratu jest z zewnątrz do wewnątrz w stosunkowo dużym zbiorniku o objętości większej niż 10 1, korzystnie większej niż 1000 1, takim jak płynący strumień, basen lub cysterna.

Najczęściej wiele struktur bezramowych wraz ze środkami gromadzenia fazy przechodzącej montuje się w zbiorniku pod ciśnieniem atmosferycznym, a faza przechodząca jest odprowadzana ze zbiornika.

W dużym zbiorniku lub bioreaktorze, gdzie stosuje się zestawy struktur bezramowych, nie odprowadza się żadnej innej cieczy poza fazą przechodzącą (zbiornik z martwym końcem, patrz fig. 5). Wiele struktur bezramowych usytuowanych podobnie obok siebie nazywa się zestawem struktur. Jeżeli zbiornik jest wykorzystywany w połączeniu z bioreaktorem (na przykład), faza prznchodzącajest usuwana, a część pozostającej zawartości (nazywana koncentratem) zbiornika zostaje zawrócona (patrz fig. 6).

Skuteczność systemu jest ograniczona do mikrofiltracji i ulęrafiltracji. Działanie tego systemu polega na umieszczeniu w odstępie od siebie główek bezramowej struktury w stosunku do źródła wystarczającego gazu czyszczącego, by utrzymywać strumień struktury i umożliwiać gromadzenie fazy przechodzącej z jednej tylko, ale korzystnie z obu główek, przez wykorzystywanie różnicy ciśnień na membranie w warunkach działania procesu. Różnica ciśnień

173 715 na membranie oznacza różnicę ciśnień na ściance membrany spowodowaną przez warunki procesu, w którym membrana ta działa.

Zależność strumienia od przepuszczalności i różnicy ciśnień na membranie określona jest przez następujące równanie.

J = k AP gdzie J = strumień; k = współczynnik przepuszczalności; AP = różnica ciśnień na membranie; a k = 1/pRm, gdzie μ = lepkość wody, zaś Rm - opory membrany.

Różnica ciśnień na membranie może być wytwarzana albo przez konwencjonalną pompę próżniową, albo korzystnie bez niej, jeśli różnica ciśnień na membranie jest wystarczająco mała w zakresie od 0,7 kPa do 101 kPa. Stosowania pompy próżniowej można uniknąć albo przez zastosowanie odpowiedniego słupa cieczy pomiędzy powierzchnią substratu a punktem, w którym faza przechodząca jest odprowadzana; albo przez zastosowanie pompy, ale nie pompy próżniowej (zwanej tu pompą niepróżniową), która wytwarza różnicę ciśnień netto po stronie ssania, albo dodatnią netto wysokość ssania (NPSH) odpowiednią dla zapewnienia różnicy ciśnień na membranie tworzonej w warunkach działania. Pompa niepróżniową może być odśrodkowa, wirnikowa, z przepływem krzyżowym, przepływowa lub inna. Ponadto, jak wyjaśniono dokładniej poniżej, kiedy przepływ fazy przechodzącej zostanie już zainicjowany przez pompę, może być już ona niepotrzebna, a faza przechodząca będzie nadal płynąć na zasadzie przepływu lewarowego. Przy działaniu w włóknami podlegającymi różnicy ciśnień na membranie do 101 kPa pompa próżniowa może odpowiednio pracować, jeśli zbiornik nie jest pod ciśnieniem; a w zakresie od 101 kPa do około 345 kPa, gdzie zbiornik jest pod ciśnieniem, ciśnienie wyższe od atmosferycznego wytwarzane jest przez słup cieczy; oraz przy dowolnej kombinacji powyższego, jeśli trzeba.

System nasz ogranicza się do stosowania bezramowej struktury z włókien, które są swobodne i nie zamocowane podczas działania, oczywiście za wyjątkiem główek. Takie nie zamocowane włókna przechylają się zasadniczo swobodnie w substracie, w którym są one rozmieszczone, oprócz główek, w których włókna są zamocowane, przy czym stopień przechylania jest określony przez swobodną długość włókien względem usytuowanych w odstępie główek i przez turbulencję substratu.

Swobodnie ruchome włókna przechylają się pomiędzy główkami ruchem krzywoliniowym, a ruch poszczególnych włókien w paśmie jest zasadniczo niezależny od ruchu innego włókna. Aby przechylać się pomiędzy usytuowanymi w odstępie główkami, włókna muszą być dostatecznie długie, by możliwy był ich ruch na boki, ewentualnie z pionowym ruchem falowym. Złożony ruch włókien może być wynikiem na przykład mieszania substratu lub prądów konwekcyjnych w substracie, kiedy włókna są wystarczająco długie w stosunku do odległości pomiędzy główkami usytuowanymi w odstępie. Kiedy duża liczba włókien w zakresie od 300 do 3000 lub więcej zastosowana jest w strukturze bezramowej, ruch jednego włókna wobec innych może być modulowany przez ruch innych, ale zasadniczo nie ma żadnego ograniczenia ruchu włókien w paśmie. Struktura bezramowa według wynalazku jest zatem traktowana jako zawierająca swobodnie przechylne włókna, których przeciwległe końce są zatopione w odstępach od siebie w dwóch usytuowanych w odstępie główkach, chociaż mniejsze korzystnie przeciwległe końce mogą być zatopione w odstępach od siebie tylko w jednej główce, która zapewnia wystarczającą przestrzeń dla obu zestawów końców.

Przypadkowo zaobserwowano, ze takie swobodnie przechylne włókna nie tylko zapewniają doskonałą ochronę przed powstawaniem osadów materiału cząstkowego z wynikowym utrzymywaniem silnego strumienia, ale również zapewniają generalnie lepszy bezpośredni kontakt z substratem i lepszą trwałość w odniesieniu do odporności na uszkodzenia powodowane przez oddziaływanie materiału cząstkowego.

Określenie główka użyto dla określonej części materiału, typowo ciągłej masy litej żywicy (plastiku) o dowolnych wymiarach, w której każda z części końcowych wielu włókien w paśmie włókien jest szczelnie zamocowana, aby uniemożliwić zanieczyszczanie przez substrat fazy przechodzącej w prześwicie włókien. Ze względu na to, że części końcowe włókien są łatwo zalewane utwardzaną żywicą z usytuowaniem poszczególnych włókien w odstępach od siebie,

173 715 jak opisano poniżej, włókna są najkorzystniej mocowane przez zalanie w ciekłej, naturalnej lub syntetycznej żywicy, korzystnie termoutwardzalnej, która po utwardzeniu tworzy główkę. Mniej korzystnie można zastosować każdy inny znany sposób mocowania przeciwległych części końcowych wiązki włókien w usytuowaniu w niewielkich odstępach tych włókien od siebie.

Kiedy przeciwległe części końcowe włókien w paśmie są mocowane w przeciwległych główkach, pierwszej i drugiej, w odstępie mniejszym niż około 30 cm w dużym zbiorniku, pasmo tworzy pętlę w kształcie Ω (końskiej podkowy). Kiedy główki są usytuowane w odstępie od siebie większym niż 30 cm, pasmo ma zasadniczo kształt n (odwróconej litery U), przy czym stopień spłaszczenia n zależy od tego, jak daleko główki są usytuowane od siebie. Każdy kształt jest traktowany tu jako zasadniczo paraboliczny.

Para główek z jednym pasmem lub zestaw wielu główek z pasmami, albo wiele zestawów jeden nad drugim ze środkami gromadzenia fazy przechodzącej (misą fazy przechodzącej) jest korzystnie zamontowane wyjmowalnie w dowolnie dużym zbiorniku substratu, czy to w substracie zamkniętym w zbiorniku lub basenie, czy w substracie nieograniczonym, takim jak płynący strumień, jak to opisano bardziej szczegółowo poniżej. Zależność geometryczna jednej główki i misy zbiorczej pary w stosunku do drugiej w zasadniczo bocznej płaszczyźnie nie jest istotna pod warunkiem, że pasmo ma swobodnie przechylne włókna, to znaczy włókna mogą swobodnie przechylać się przy każdym ruchu substratu, w którym są one stosowane. Kiedy stosuje się zestaw bezramowych struktur, zależność geometryczna jednej pary główek względem innej pary nie jest istotna pod warunkiem, że wszystkie pasma są wykorzystywane jak podano.

W specyficznym przykładzie, gdzie struktura bezramowa ze swobodnie przechylnych włókien jest używana w kombinacji ze źródłem gazu czyszczącego, takiego jak powietrze, do utleniania zmieszanej cieczy w substracie, większość, jeśli me całość, potrzebnego powietrza doprowadzana jest albo w sposób ciągły, albo w sposób przerywany, bezpośrednio pod włókna w paśmie. Korzystnie źródło wyprowadzanego gazu jest usytuowane stosunkowo blisko włókien, typowo mniej niż 2 m poniżej, tak aby wytwarzany był strumień stosunkowo dużych pęcherzyków o średnicy przynajmniej 1 mm, kiedy pęcherzyki te stykają się z włóknami i przepływają nad nimi i wokół nich. Takie napowietrzanie, jak stwierdzono, zapewnia fizyczną siłę uderzenia pęcherzyków we włókna, na skutek czego powierzchnie włókien są wystarczająco pozbawione dołączonych do nich mikroorganizmów i osadów cząstek nieorganicznych, by zapewnić stosunkowo duży i stabilny przepływ fazy przechodzącej przez wiele tygodni, jeśli nie miesięcy działania. Znaczenie tego ulepszenia zostanie lepiej docenione, kiedy zdamy sobie sprawę z tego, że powierzchnie włókien w konwencjonalnym module są czyszczone codziennie, a zwykle jeszcze częściej.

Ponieważ nasz system odchodzi od stosowania skorupy, nie ma żadnej pustej przestrzeni wewnątrz skorupy przeznaczonej do upakowania włóknami, a ponieważ gaz jest wprowadzany blisko i poniżej pasma włókien, nie ma żadnej konieczności utrzymywania dużej prędkości substratu przy powierzchni włókien, by utrzymywać powierzchnie włókien w stanie czystym. W rezultacie nie ma faktycznie żadnego ograniczenia liczby swobodnie przychylnych włókien, które mogą być użyte w strukturze bezramowej, przy czym praktyczne ograniczenie stawiane jest przez (i) możliwość niezawodnego zalania ich końców; oraz (ii) liczbę struktur, które mogą być rozmieszczone w zbiorniku, basenie lub jeziorze, przy czym liczba ta jest określona przez wielkość zbiornika wodnego, prędkość, z którą faza przechodząca ma być odprowadzana oraz koszty realizacji tego.

Typowo w strukturze bezramowej swobodnie przychylnych włókien stosuje się stosunkowo dużą liczbę długich włókien, przynajmniej 100, każde o długości przynajmniej 0,5 m. Kiedy włókna te mają stosunkowo małą różnicę ciśnień na membranie, system jest korzystnie eksploatowany z pompą niepróżniową do odprowadzania fazy przechodzącej. Jeżeli słup cieczy mierzony jako pionowa odległość pomiędzy poziomem substratu a poziomem, z którego odprowadzanajest faza przechodząca, jest większy niż różnica ciśnień na membranie z włókien, faza przechodząca będzie oddzielana od reszty substratu na zasadzie grawitacji bez konieczności stosowania pompy próżniowej. Pod określeniem pompa próżniowa rozumiemy pompę nadającą się do wytworzenia podciśnienia przynajmniej około 100 kPa.

173 715

Niezależnie od tego, czy stosowana jest pompa próżniowa, czy pompa innego typu lub czy faza przechodzącajest odprowadzana na zasadzie przepływu lewarowego, ważne jest, że włókna w paśmie ustawiają się łukowo w kształcie zasadniczo parabolicznym nad płaszczyzną poziomą przechodzącą przez poziomą linię środkową główki. Po zrozumieniu sposobu działania struktury według przedmiotowego wynalazku stanie się oczywiste, że ponieważ włókna w paśmie są typowo mniej gęste niż substrat, w którym są one stosowane, a więc pływają, niepraktyczne jest stosowanie struktury swobodnie przechylnych włókien zawieszonych poniżej poziomej płaszczyzny przebiegającej przez poziomą linię środkową główki.

W kilku ubiegłych dziesięcioleciach podstawowe zasady działania urządzeń membranowych zostały dobrze poznane. Nie odnosi się to do wykorzystywania tych zasad, a koncepcja stosowania bezramowej struktury z włókien, których przeciwległe końce są zamocowane w usytuowanych w odstępie główkach bez korzystania ze skorupy uszła uwagi fachowców. W odpowiednich warunkach systemu, jak przedstawiono na fig. 4-9, struktura bezramowa ze swym pasmem włókien w połączeniu ze środkami gromadzenia fazy przechodzącej jest zadziwiająco skutecznym urządzeniem membranowym, które może pracować z pompą odśrodkową o niskim NPSH (dodatnia wysokość ssania netto), nawet jeśli faza przechodząca jest odprowadzana z miejsca powyżej płaszczyzny poziomej przebiegającej przez poziomą linię środkową główki.

Ponieważ nie ma żadnego modułu w konwencjonalnym sensie, jedyne rozważania fizyczne, które mają wpływ na działanie struktury bezramowej w zbiorniku substratu, są to podstawowe rozważania dotyczące membrany z wydrążonych włókien i substratu. Rozważania takie obejmują właściwości przepuszczalności i zatrzymywania włókien, warunki przepływu substratu w procesie, takie jak ciśnienie, prędkość przepływu poprzez włókna, temperatura itd., właściwości fizyczne i chemiczne substratu oraz jego składników, względne kierunki przepływu substratu (jeżeli substrat płynie) i fazy przechodzącej, dokładność kontaktu substratu ze ściankami włókien i jeszcze inne parametry, z których każdy ma bezpośredni wpływ na sprawność struktury. Celem jest zwiększenie do maksimum sprawności struktury i zrealizowanie tego praktycznie i ekonomicznie.

Jest teraz wyraźnie widoczne, że kiedy pasmo struktury bezramowej jest swobodnie rozmieszczone jak tu opisano, wszelkie problemy związane z kanałowaniem materiału doprowadzanego ze względu na nierównomierne rozmieszczenie włókien są zasadniczo usunięte, ponieważ włókna są stale zawieszone i pływając przechylają się w filtrowanym substracie. Ponadto, ponieważ włókna są w jednakowym styku na swych oddzielnych powierzchniach, gdy przechylają się w substracie, struktura zapewnia wydajność filtrowania w oparciu o zwiększone do maksimum pole powierzchni włókien. Wydajność ta oparta jest zasadniczo na sumie pola powierzchni wszystkich włókien w paśmie. Ponadto, ze względu na łatwość, z którą substrat pokrywa powierzchnię włókien, mogą być one umieszczone jako gęsta wiązka w pojedynczej główce, dzięki czemu opłacalne jest stosowanie struktury o dużej powierzchni membrany do 1000 m² i więcej.

Włókna stosowane w strukturach według przedmiotowego wynalazku nie muszą mieć wąskiej krytycznej różnicy ciśnień na membranie, chociaż korzystne są włókna o małej różnicy ciśnień na membranie. Włókno, które działa przy małej różnicy ciśnień na membranie w zakresie od około 0,7 kPa do około 206 kPa, korzystnie 3,5 kPa do około 70 kPa może wytwarzać fazę przechodzącą tylko na zasadzie grawitacji, jeśli jest odpowiednio usytuowane w stosunku do miejsca, w którym faza przechodząca jest odprowadzana, przy czym im dłuższe jest włókno, tym więcej jest fazy przechodzącej.

Rutynowo wydrążone włókna są zalewane przy przeciwległych końcach w przeciwległych główkach, które są przeznaczone do wprowadzenia ich z zastosowaniem odpowiednich środków uszczelniących w cieczoszczelne sprzężenie z wewnętrzną ścianką obudowy konwencjonalnego modułu. Powierzchnia membrany, którą można zastosować w takim module, jest · ograniczona do rozmiaru główki i gęstości upakowania włókien w module. Ponieważ gęstość upakowania nie stanowi ograniczenia w strukturze bezramowej według przedmiotowego wynalazku i nie ma tu żadnego modułu, jest teraz wyraźnie oczywiste, że stosowanie struktury bezramowej będzie bardziej opłacalne niż modułu, który zapewnia taki sam przepływ fazy przechodzącej.

173 715

Przedmiotowy wynalazek umożliwia umieszczenie dużej liczby włókien przypadkowo względem siebie w każdej główce z organicznego syntetycznego materiału żywicznego. Nie ma żadnego powodu, by umieszczać włókna dokładnie przed zalaniem, przez co unika się licznych pułapek przy zalewaniu części końcowych włókien w żywicy, która może być utwardzana. Po zalaniu i przecięciu główki ostrzem w celu odsłonięcia otwartych końców włókien powierzchnia końcowa każdej główki okazuje się być otworowana przez otwarte końce włókien. Lita żywica tworzy uszczelnienie wokół zewnętrznych części końcowych każdego z włókna rozmieszczonych płasko w płaszczyźnie przekroju główki.

Ponadto nie ma konieczności walczenia z kształtem geometrycznym ramki, która ma wspierać każde rozmieszczenie włókien, ponieważ w strukturze bezramowej nie ma żadnej ramki.

Struktura bezramowa według przedmiotowego wynalazku jest najkorzystniej stosowana do oczyszczania ścieków w połączeniu ze źródłem gazu zawierającego tlen, który jest wprowadzany pęcherzykami w substrat poniżej i wewnątrz, korzystnie bezpośrednio pod tukiem włókien rozmieszczonych w substracie, aby specjalnie utleniać zmieszaną ciecz w aktywowanym szlamie, takim jak stosuje się w biologicznym oczyszczaniu ścieków. Stwierdzono, że dopóki wystarczająca ilość powietrza wprowadzana jest bezpośrednio pod górną część pasma lub przy podstawie każdej z usytuowanych w odstępie główek, aby włókna były stale omywane pęcherzykami, a włókna są sprężyście swobodnie przechylne w aktywowanym szlamie, tak aby tworzyły łukowy kształt (patrząc z boku) nad płaszczyzną, w której leżą części główkowe, uniemożliwione jest osadzanie się mikroorganizmów na powierzchniach włókien, podczas gdy faza przechodząca jest bezpośrednio odprowadzana z aktywnego szlamu i przez długi czas utrzymywany jest doskonały przepływ fazy przechodzącej. Ponieważ zasadniczo wszystkie części powierzchni włókien przechwytują kolejne unoszące się pęcherzyki, niezależnie od tego czy powietrze jest doprowadzane w sposób ciągły, czy przerywany, o włóknach tych mówi się, że są omywane pęcherzykami.

Ponadto odkryto obecnie, że bardzo małe pęcherzyki w zakresie od około 10 mm, ale mniejsze niż 1 mm średnicy są nieskuteczne, jeśli chodzi o zapobieganie osadzaniu się mikroorganizmów na włóknach. Wydaje się, że siła związana z takimi małymi pęcherzykami jest niewystarczająco albo do zniechęcenia mikroorganizmów do odpowiedniego początkowego przytrzymania się lub chwycenia na powierzchni włókien, albo do odłączania ich, jeżeli uda im się ustanowić taki chwyt.

Jak to będzie obecnie oczywiste, ponieważ większość substratu zanieczyszczona jest materiałem czątkowym o rozmiarach mikronowych i submikronowych, zarówno organicznym jak i nieorganicznym, powierzchnie włókien w dowolnym praktycznym urządzeniu membranowym muszą być utrzymywane w stanie czystym. W tym celu najkorzystniejszym zastosowaniem struktury bezramowej w charakterze urządzenia membranowego jest zespół w połączeniu ze środkami rozprowadzania gazu, które są typowo wykorzystywane do rozprowadzania gazu czyszczącego włókna, takiego jak powietrze lub powietrze wzbogacone w tlen, poprzez te włókna z wnętrza pasma i bezpośrednio pod włóknami.

Próby z zastosowaniem urządzenia Yamamoto i in. wykazują, że kiedy powietrze jest doprowadzane na zewnątrz pasma, strumień maleje znacznie szybciej w czasie tak krótkim jak 50 h, zgodnie z wynikami otrzymanymi przez nich. Jest to widoczne na fig. 1, gdzie wyniki otrzymane przez Yamamoto i in. są porównane z urządzeniem według przedmiotowego wynalazku, przy czym oba urządzenia wykorzystują zasadniczo identyczne włókna napowietrzane taką samą ilością powietrza zasadniczo w identycznych warunkach jak warunki używane przez Yamamoto i in. Jedyna różnica w każdej próbie polegała na tym, że powietrze w przypadku naszego urządzenia było doprowadzane poniżej i wewnątrz łuku utworzonego przez pasmo swobodnie przechylnych włókien.

Odkryto, że wzrost mikroorganizmów lub powstawanie osadów cząstek nieorganicznych na powierzchniach włókien stale omywanych pęcherzykami gazu czyszczącego włókna (gazu płuczącego), zwłaszcza gazu zawierającego tlen (powietrza płuczącego), jest zasadniczo niemożliwy, kiedy włókna są sprężyście swobodnie przechylne w strukturze bezramowej zanurzonej w substracie, poprzez którą pęcherzyki wznoszą się z wystarczającą fizyczną siłą

173 715 uderzenia (momentem i energią), by utrzymywać włókna zasadniczo pozbawione szkodliwych osadów; a zatem nieoczekiwanie duży strumień jest utrzymywany przez długi czas, kiedy faza przechodząca jest wytwarzana przez przepływ przez włókna z zewnątrz do wewnątrz.

Przez zamontowanie pary główek w odstępie od siebie w substracie w bezpośrednim styku z wieloma długimi włóknami w zespole przemywanym gazem, zawierającym bezramową strukturę i środki rozprowadzania gazu, faza przechodząca może być odprowadzana z substratu przez zadziwiająco długi czas skutecznie i wydajnie. Struktura bezramowa ma pole powierzchni, które jest przynajmniej > 1 m², a przeciwległe końce włókien są zamocowane w usytuowanych w odstępie od siebie, ale blisko, główkach, tak że wykorzystywane włókna przyjmują kształt zasadniczo paraboliczny w substracie i swobodnie przechylają się w nim. Struktura taka jest częścią urządzenia membranowego, które działa bez zamknięcia w skorupie modułu w substracie trzymanym w zbiorniku pod ciśnieniem w zakresie od 98 kPa do podwyższonego ciśnienia około 980 kPa. Włókna są dłuższe niż odległość dzieląca główki, w których końcowe części włókien są zatopione, tak że włókna wyginają się w łuk nad linią łączącą główki. Części końcowe włókien są zamocowane nie obok siebie w każdej główce, tzn. powierzchnia każdego włókna jest szczelnie oddzielona od powierzchni drugiego sąsiedniego włókna utwardzoną zalewą żywiczną. Jeżeli nie są umyślnie ustawione w regularny wzór geometryczny, otwarte końce włókien są przypadkowo rozmieszczone względem siebie w odprowadzającej fazę przechodzącą (zwykle dolnej) powierzchni czołowej główki, poprzez którą odprowadzana jest faza przechodząca. Całkowity kształt geometryczny zalanych włókien będzie określony przez formę ustawiania włókien, jeśli taka jest zastosowana do ustawiania poszczególnych włókien, ale na ogół poszczególne włókna wzdłuż obwodu formy są również nieregularnie rozmieszczone względem siebie.

Ogólnym celem przedmiotowego wynalazku jest zatem opracowanie nowego, ekonomicznego i zadziwiająco pozbawionego kłopotów urządzenia membranowego, które zawiera bezramową strukturę z wielu sprężyście, swobodnie przechylnych membran z wydrążonych włókien, posiadających razem pole powierzchni korzystnie w zakresie od 1 m2 do 1000 m2, korzystnie od 10 m2 do 100 m2, bez podparcia innego niż przez substrat i zamocowanych tylko w usytuowanych w odstępie główkach. W czasie działania to urządzenie membranowe jest połączone z misami fazy przechodzącej umieszczonymi, korzystnie wyjmowalnie, wewnątrz zbiornika o dowolnych rozmiarach, zawierającego substrat, przy czym zbiornik ten typowo ma objętość większą niż 100 1, zwykle większą niż 1000 l. Pewien składnik cieczy ma być selektywnie usuwany z substratu. Zastosowane są środki gromadzenia służące do zbierania i odprowadzania tego składnika cieczy jako fazy przechodzącej.

Kiedy pasmo włókien pomiędzy usytuowanymi w odstępie główkami struktury bezramowej jest zanurzone w substracie tak, aby tworzyć zasadniczo paraboliczny profil nad poziomą płaszczyzną przebiegającą przez poziomą linię środkową główek, a pasmo to jest stale omywane pęcherzykami wytwarzanymi nieprzerwanie lub w sposób przerywany przez środki rozprowadzania gazu, które są korzystnie usytuowane blisko względem włókien w strefie pod nimi, włókna są utrzymywane zasadniczo pozbawione cząstkowych osadów w ilości wystarczającej do szkodliwego oddziaływania na strumień w równowadze. Pęcherzyki wytwarzane są bezpośrednio pod pasmem i wewnątrz łukowego kształtu utworzonego przez pasmo powyżej środków rozprowadzania gazu, korzystnie w odstępie w zakresie od 1 cm do około 50 cm od włókien odpowiednio najbliższych i najdalszych w stosunku do środków rozprowadzania gazu, tak aby zasadniczo cała długość każdego włókna w paśmie była omywana przez pęcherzyki. Pasmo jest traktowane jako omywane gazem bezpośrednio nad środkami rozprowadzania gazu, które są korzystnie usytuowane pomiędzy rzędami włókien w każdej główce lub pomiędzy główkami i pod zasadniczo paraboliczną konfiguracją pasma.

Ogólnym celem przedmiotowego wynalazku jest zatem opracowanie zespołu czyszczenia włókien lub przepłukiwania gazem, który oddziela pożądaną fazę przechodzącą od dużej ilości wieloskładnikowego substratu zawierającego w zawiesinie w nim drobnoziarnisty materiał w zakresie od 0,1 pm do 44 p m przez filtrowanie, przy czym ten zespół czyszczenia włókien zawiera (a) bezramową strukturę z zatopionych włókien, zawierającą usytuowane w odstępie główki pierwszą i drugą, z których każda ma pierwsze i drugie przeciwległe części końcowe

173 715 odpowiednio przynajmniej 20 włókien zasadniczo swobodnie przechylnych w paśmie pomiędzy główkami w konfiguracji zasadniczo parabolicznej oraz (b) ukształtowane środki rozprowadzania gazu przystosowane do wytwarzania obfitości pęcherzyków pod włóknami, przy czym długość włókien jest większa niż odległość pomiędzy środkami główek. Środki rozprowadzania gazu mają otwory, które przy przepływie przez nie gazu z natężeniem przepływu w zakresie od 0,3 m³/24h/m² do 400 m³/24h/m2 (metr sześcienny na 24 godziny na metr kwadratowy pola powierzchni włókien) wytwarzają pęcherzyki o przeciętnej średnicy w zakresie od około 1 mm do około 50 mm lub nawet większe, korzystnie wyprowadzane stosunkowo blisko zarówno dolnej strefy przy podstawie pasma, jak i górnej strefy zawierającej resztę pasma, tak aby każde włókno w paśmie było stale omywane pęcherzykami i aby polepszyć odporność porów włókien na zatykanie ich osadami powstającymi z substratu.

Specyficznym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie wymienionego poprzednio zespołu przepłukiwania gazem, zawierającego nowe urządzenie membranowe i środki rozprowadzania gazu do stosowania w zbiorniku substratu, w którym w substracie rosną mikroorganizmy, przy czym zespół ten jest używany w połączeniu ze środkami do montowania główek w otwartym połączeniu płynowym ze środkami gromadzenia służącymi do zbierania fazy przechodzącej; środki do odprowadzania fazy przechodzącej; oraz wystarczająca ilość powietrza jest przepuszczana przez ukształtowane środki rozprowadzania gazu, by wytwarzać dość pęcherzyków płynących do góry poprzez pasmo wokół i pomiędzy włóknami, aby powierzchnie włókien były utrzymane zasadniczo pozbawione osadów z żywych mikroorganizmów jak również niewielkich cząstek nieorganicznych, które mogą być obecne w substracie; przy czym ten zespół przepłukiwania gazem usuwa problemy związane ze stosowaniem modułu, używanego według stanu techniki, zamiast pokonywania ich.

Odkryto ponadto, że system wykorzystujący rozmieszczone w odstępie główki i niepodparte pasmo włókien rozmieszczonych w substracie zawierającym materiał cząstkowy w konfiguracji zasadniczo parabolicznej, korzystnie w połączeniu z blisko umieszczonymi środkami rozprowadzania gazu w celu zmniejszenia do minimum zatykania membran mogą być wykorzystywane do odprowadzania fazy przechodzącej tylko na zasadzie grawitacji, tak że unika się kosztów pompy do odprowadzania fazy przechodzącej, pod warunkiem, że ciśnienie netto na stronie ssania odpowiadające pionowej wysokości pomiędzy poziomem substratu a miejscem usytuowania odprowadzania fazy przechodzącej zapewnia różnicę ciśnień na membranie z włókien w paśmie.

Ogólnym celem przedmiotowego wynalazku jest zatem opracowanie systemu do odprowadzania fazy przechodzącej z substratu, w którym gaz, zwłaszcza gaz zawierający tlen, typowo powietrze, wprowadzane jest w celu powstrzymywania wzrostu mikroorganizmów, przy czym system ten zawiera dowolnie dużą ilość substratu, bezramową strukturę z włókien, każde o długości większej niż 0,5 m, przy czym przeciwległe końce włókien są zasadniczo pozbawione styku ze sobą po zalaniu ich w usytuowanych w odstępie główkach rozmieszczonych w substracie bez podpierania podczas działania, oprócz wspierania przez substrat, oraz bez zamknięcia w skorupie modułu, przy czym przynajmniej jedna główka jest zamontowana tak, że włókna tworzą zasadniczo paraboliczny kształt nad płaszczyzną poziomą przechodzącą przez poziomą linię środkowąjednej główki; w kombinacji ze środkami do montowania usytuowanych w odstępie główek w otwartym połączeniu płynowym ze środkami gromadzenia służącymi do zbierania fazy przechodzącej i ze środkami odprowadzania fazy przechodzącej; oraz ukształtowane środki rozprowadzania gazu przeznaczone do wytwarzania pęcherzyków, najkorzystniej o rozmiarach w zakresie od 1 mm do 25 mm, z natężeniem przepływu w zakresie od 3 m3/24h/m² do 30 m3/24h/m², którą płyną do góry poprzez włókna struktury, na skutek czego włókna te są omywane pęcherzykami i hamowane jest dołączanie się rosnących mikroorganizmów oraz innego materiału cząstkowego do nich.

Odkryto ponadto tani proces obróbki wieloskładnikowego substratu pod ciśnieniem w zakresie od 98 kPa do 980 kPa, w szczególności np. wodnego strumienia zawierającego drobnoziarnisty materiał nieorganiczny, taki jak krzemionka, kwas krzemowy lub aktywowany szlam, kiedy substrat jest zamknięty w dużym zbiorniku lub stawie, przez zastosowanie zespołu bezramowej struktury z pasmem swobodnie przechylnych, niepodpartych włókien w otwartym

173 715 połączeniu płynowym ze środkami do odprowadzania fazy przechodzącej w kombinacji ze źródłem powietrza, które wytwarza pęcherzyki pod włóknami, korzystnie bezpośrednio pod nimi, oraz stosunkowo blisko nich.

Ogólnym celem przedmiotowego wynalazku jest zatem opracowanie procesu utrzymywania stosunkowo czystych powierzchni włókien w strukturze urządzenia membranowego podczas oddzielania fazy przechodzącej od substratu, gdzie proces ten zawiera zanurzenie struktury bezramowej sprężyście swobodnie przechylnych włókien w substracie, tak że pierwsza i druga główka bezramowej struktury są zamontowane poniżej niepodpartego pasma złożonego z wielu włókien zamocowanych w pierwszej i drugiej główce; przy czym włókna te mają różnicę ciśnień na membranie w zakresie od około 0,7 kPa do około 345 kPa, i długość wystarczająco większą niż bezpośrednia odległość pomiędzy pierwszą a drugą główką, tak aby kiedy włókna są wykorzystywane, powstawała zasadniczo paraboliczna konfiguracja włókien nad płaszczyzną poziomą przechodzącą przez poziomą linię środkową główki; utrzymywanie zasadniczo stałego strumienia zasadniczo takiego samego jak pierwotnie otrzymany strumień równowagi, co oznacza, że powierzchnie włókien są zasadniczo wolne od dalszego narastania osadów po osiągnięciu strumienia równowagi; gromadzenie fazy przechodzącej przez zamontowanie główek w otwartym połączeniu płynowym ze środkami do gromadzenia fazy przechodzącej; oraz odprowadzanie fazy przechodzącej.

Odkryto ponadto, że powyższy proces może być używany w działaniu aerobiologicznego reaktora, który został zmodernizowany przez zastosowanie urządzenia membranowego według przedmiotowego wynalazku.

Ogólnym celem wynalazku jest zatem opracowanie aerobiologicznego reaktora zmodernizowanego przez zastosowanie przynajmniej jednego urządzenia membranowego zawierającego strukturę w połączeniu ze środkami gromadzenia fazy przechodzącej, korzystnie wiele urządzeń membranowych, od 2 do 100, w zestawie lub wielu zestawów urządzeń membranowych jak również procesu działania reaktora bez występowania licznych ograniczeń narzucanych przez pomocniczy system oczyszczania.

Powyższe i dodatkowe cele i zalety wynalazku staną się lepiej zrozumiałe na podstawie następującego szczegółowego opisu, któremu towarzyszą schematyczne rysunki korzystnych przykładów realizacji wynalazku, na których to rysunkach podobne oznaczenia cyfrowe odnoszą się do podobnych elementów i gdzie:

Figura 1 jest wykresem zmiany strumienia w funkcji czasu dla porównania wyników otrzymanych przez Yamamoto i innych (w warunkach zmienionych, by wykorzystać wątpliwość co do zastosowanego postępowania eksperymentalnego, jak objaśniono poniżej) z wynikami otrzymanymi przy stosowaniu urządzenia membranowego według przedmiotowego wynalazku, stosując za każdym razem tę samą ilość powietrza i to samo pole powierzchni membrany.

Figura 2 jest widokiem perspektywicznym w rozłożeniu na części przedstawiającym schematycznie urządzenie membranowe zawierające strukturę bezramową pasma włókien nie podpartych podczas działania urządzenia, przy czym końce włókien są zatopione w usytuowanych w odstępie główkach, wraz z misą zbierania fazy przechodzącej i przewodem odprowadzania fazy przechodzącej. Przez nie podparte rozumie się nie podparte podczas działania urządzenia membranowego, za wyjątkiem substratu.

Figura 2A jest powiększonym szczegółowym widokiem z boku ścianki bocznej misy zbiorczej, pokazującym profil kanału u góry obwodu misy.

Figura 2B jest widokiem z dołu główki z pokazaniem przypadkowego rozmieszczenia w odstępach od siebie otwartych końców włókien w dolnej powierzchni czołowej główki.

Figura 3 jest widokiem perspektywicznym połączenia urządzenia membranowego (zespół struktury bezramowej z misą fazy przechodzącej) i środków rozprowadzania gazu jako kombinowanego zespołu płuczącego pojawiającego się przy stosowaniu w substracie, z pokazaniem parabolicznego łuku włókien sprężyście zawieszonych w substracie i środków rozprowadzania gazu usytuowanych pomiędzy główkami i bezpośrednio pod łukowymi włóknami, tak że pęcherzyki są wytwarzane w strefie pod włóknami.

Figura 3A jest szczegółem, bez zachowania skali, ilustracyjnie przedstawiającym środki rozprowadzania gazu wyprowadzające gaz pomiędzy rzędami włókien w główce.

173 715

Figura 4 jest widokiem perspektywicznym innego przykładu wykonania zespołu płuczącego z pokazaniem łukowych, otworowanych środków rozprowadzania gazu bezpośrednio pod podłużnym łukiem włókien, przy czym środki te są umieszczone tak, aby zachować korzystną odległość stosunkowo blisko włókien, by zapewnić, że będą one stale omywane pęcherzykami wytwarzanymi bezpośrednio pod nimi.

Figura 4A jest widokiem perspektywicznym zestawu wielu zespołów płuczących, takich jak pokazany na fig. 4, gdy są one wykorzystywane w dużym zbiorniku.

Figura 5 jest widokiem z boku konwencjonalnego zbiornika odstojnika przedstawiającym schematycznie jak kilka zespołów płuczących urządzenia membranowego i środki rozprowadzania gazu można wykorzystywać w odstojniku do zintegrowania działania membran z działaniem odstojnika.

Figura 6 jest widokiem z boku ilustrującym schematycznie jak zestaw urządzeń membranowych (pokazano tylko jedno) można wykorzystywać we wzniesionym zbiorniku do odprowadzania fazy przechodzącej bez stosowania pompy próżniowej.

Figura 7 jest widokiem z boku schematycznie ilustrującym jak zestaw urządzeń membranowych można wykorzystać w zagłębionym zbiorniku do wyprowadzania fazy przechodzącej bez stosowania pompy.

Figura 8 jest widokiem z boku ilustrującym schematycznie inny przykład wykonania, w którym zestaw urządzeń membranowych może być wykorzystywany w zagłębionym zbiorniku do odprowadzania fazy przechodzącej za pomocą pompy przepływowej, nie konwencjonalnej pompy próżniowej.

Figura 9 jest widokiem z boku ilustrującym schematycznie inny przykład realizacji, w którym zestaw zespołów zanurzony jest w zbiorniku, z tym że tylko jeden z kilku zespołów jest pokazany, jeden bezpośrednio za drugim, by utworzyć zestaw, w połączeniu ze środkami rozprowadzania gazu bezpośrednio pod każdą strukturą. Włókna są sprężyście zawieszone powyżej poziomej płaszczyzny przechodzącej przez poziomą linię środkową główki; faza przechodząca może być odprowadzana z zastosowaniem pompy próżniowej lub bez, zależnie od tego jak wysoko nad ziemią wsparty jest zbiornik.

Figura 9A jest widokiem z góry schematycznie ilustrującym jak główki pojedynczej struktury bezramowej z fig. 9 (innych nie pokazano) są zamontowane w stosunku do boków zbiornika.

Figura 10 jest widokiem z boku ilustrującym schematycznie inny przykład realizacji, w którym zespół płuczący może być zanurzony w zbiorniku w celu odprowadzania fazy przechodzącej z zastosowaniem pompy próżniowej lub bez niej w zależności od różnicy ciśnień na membranie z włókien i od tego jako wysoko nad ziemią wsparty jest zbiornik.

Figura 11 jest widokiem z boku schematycznie ilustrującym jeszcze inny przykład realizacji, w którym zespół płuczący jest zanurzony pod kątem ostrym w stosunkowo głębokim zbiorniku, aby wykorzystać dostępne miejsce i zmniejszyć do minimum wzrost mikroorganizmów na włóknach.

Figura 12 jest wykresem zmiany strumienia w funkcji czasu dla urządzenia membranowego skonstruowanego z ultrafiltracyjnymi membranami z wydrążonych włókien.

Figura 12A jest wykresem zmiany strumienia w funkcji czasu dla urządzenia membranowego skonstruowanego z mikrofiltracyjnymi membranami z wydrążonych włókien.

Struktura bezramowa według wynalazku może być stosowana w wybranym procesie oddzielania cieczy od cieczy, a bardziej ogólnie w różnych procesach oddzielania. Struktura ta jest specjalnie dostosowana do użycia w procesach mikrofiltracji i ultrafiltracji wykorzystywanych do oddzielania dużych cząstek organicznych, zemulsyfikowanych cieczy organicznych oraz koloidalnych lub zdyspergowanych ciał stałych, zwykle od wody. Typowe zastosowania są: (i) w bioreaktorzn membranowym do wytwarzania reakcji przenikającej, takiej jak oczyszczona woda i biomasa zawracana do obiegu; (ii) filtracja trzeciego stopnia ścieków w celu usunięcia zdyspergowanych ciał stałych oraz bakterii i wirusów chorobotwórczych; (iii) oczyszczanie strumieni wodnych, łącznie z filtrowaniem wody powierzchniowej w celu wytworzenia wody pitnej (usuwanie koloidów, długołańcuchowych kwasów karboksylowych i patogenów); (iv) oddzielanie przepuszczalnego składnika cieczy w bulionach biotechnologicznych;

173 715 (v) odwadnianie osadów wodorotlenków metali; oraz (vi) filtrowanie ścieków zawierających olej, m. in.

Uniknięto problemu związanego z użyciem modułu membranowego do selektywnego oddzielania jednego płynu od drugiego, zwłaszcza z zastosowaniem modułu w kombinacji z bioreaktorem, oraz towarzyszących kosztów eksploatacji takiego systemu. W takich okolicznościach, kiedy w kraju słabo rozwiniętym lub w ubogiej społeczności brak jest środków na moduły membranowe, najkorzystniejszy przykład realizacji przedmiotowego wynalazku dostosowany jest do użycia bez żadnych pomp. W takich okolicznościach, gdzie pompa jest korzystnie stosowana, zbędna jest pompa próżniowa, a odpowiednia siła napędzania zapewniana jest przez zwykłą pompę odśrodkową zdolną do wytworzenia po stronie ssania podciśnienia około 100 kPa. Włókna użyte do utworzenia pasma struktury mogą być wykonane z dowolnego konwencjonalnego materiału membranowego, pod warunkiem, że włókna są elastyczne. Korzystne włókna działają z różnicą ciśnień na mebranie w zakresie od około 3,5 kPa do około 175 kPa. Najkorzystniejsze są włókna, które zapewniają różnicę ciśnień na membranie w zakresie od 7 kPa do 69 kPa.

Korzystne włókna wykonane są z organicznych polimerów i ceramiki, izotropowe lub anizotropowe, z cienką warstwą lub naskórkiem na zewnętrznej powierzchni włókien. Niektóre włókna mogą być wykonane z plecionej bawełny pokrytej porowatym lateksem naturalnego kauczuku lub nierozpuszczalnym w wodzie polimerowym materiałem celulozowym. Korzystnymi polimerami organicznymi na włókna są polisulfony, polistyreny, łącznie z zawierającymi styren kopolimerami, takimi jak akrylonitrylostyren, butadienostyren i kopolimery styrenowinylobenzylohalidowe, poliwęglany, polimery celulozowe, polipropylen, polichlorek winylu, czteroftalan etylenu i podobne opisane w opisie patentowym US nr 4 230 463, na który przedmiotowe zgłoszenie powołuje się. Korzystne włókna ceramiczne produkowane są z tlenku glinowego przez E. I. duPond deNemours Co. i opisane są w opisie patentowym US nr 4 069 157.

Włókna wybierane są z punktu widzenia realizacji potrzebnych funkcji i są rozmieszczane w substracie, aby utworzyć nie podparty łuk lub pętlę, przy czym wymiary tego łuku lub pętli są określone przez długość pasma i rozstaw główek. Ogólnie paraboliczny łuk jest zwykle symetryczny, ponieważ główki są współpłaszczyznowo usytuowane w substracie, ale kształt łuku może być również niesymetryczny. Łuk jest asymetryczny, kiedy jedna główka jest usytuowana na niższym poziomie poprzecznie oddalona od drugiej. W żadnym przypadku struktura taka nie jest zamknięta w modułowej skorupie.

Typowo nie ma żadnego przepływu poprzecznego substratu poprzez powierzchnię włókien w zbiorniku końcowym. Jeżeli istnieje jakiś przepływ substratu poprzez pasmo w zbiorniku końcowym, to przepływ ten jest spowodowany napowietrzaniem zapewnianym pod pasmem oraz takim mieszaniem mechanicznym, jakie może być stosowane w celu utrzymania ciał stałych w zawiesinie. Jest większy przepływ przez pasmo w zbiorniku, do którego w sposób ciągły dopływa substrat, ale prędkość przepływu poprzez włókna jest zwykle zbyt słaba, by powstrzymywać rosnące mikroorganizmy przed mocowaniem się lub zawieszone cząstki, np. mikroskopijne cząstki krzemionkowe przed osadzaniem się na powierzchniach włókien.

W przypadku membran z wydrążonych włókien zewnętrzna średnica włókna wynosi przynajmniej 20 pm, a może wynosić nawet około 3 mm, przy czym typowo jest ona w zakresie od około 0,1 do 2 mm. Im większa jest średnica zewnętrzna, tym mniejszy jest potrzebny stosunek pola powierzchni na jednostkę objętości włókna. Grubość ścianki włókna wynosi przynajmniej 5 pm, ale może wynosić nawet 1,2 mm, typowo jest w zakresie od około 15% do około 60% zewnętrznej średnicy włókna, najkorzystniej 0,5 - 1,2 mm.

Przeciętna średnica przekroju poprzecznego porów we włóknie może zmieniać się w szerokim zakresie, ale od około 0,5 do 1000 nm. Korzystna średnica porów dla ultrafiltrowania składników doprowadzanego substratu jest w zakresie od około 0,5 nm do 100 nm, a dla mikrofiltracji w zakresie od 100 nm do 1000 nm.

Inaczej niż w konwencjonalnym module długość włókna w paśmie jest zasadniczo niezależna od wytrzymałości włókna lub jego średnicy, ponieważ pasmo jest znakowane zarówno przez pęcherzyki jak i przez substrat, w którym jest ono stosowane. Długość każdego włókna w paśmie jest korzystnie określona przez warunki, w których struktura ma działać.

173 715

Typowo włókna mają długość w zakresie od 1m do około 5 m w zależności od wymiarów bryły substratu (głębokość i szerokość), w którym struktura jest stosowana.

Materiałami na główki są najkorzystniej albo termoutwardzalne, albo termoplastyczne żywice syntetyczne, ewentualnie wzmocnione włóknami szklanymi, włóknami borowymi lub grafitowymi itp. Materiały termoplastyczne są korzystne do pracy przy stosunkowo niskiej temperaturze poniżej 1O0°C, przy czym są one wybierane tak, aby były wystarczająco kompatybilne z materiałem włókien, by tworzyć trwałe pasmo szczelne dla płynu. Takie materiały termoplastyczne mogą być krystaliczne, takie jak poliolefiny, poliamidy (nylon), poliwęglany itp. semikrystaliczne, takie jak polieteroeteroketon (PEEK) lub zasadniczo bezpostaciowe, takie jak polichlorek winylu (PCW) itp. Żywice termoutwardzalne są korzystne do pracy w wysokiej temperaturze i ze względu na łatwość użycia.

Liczba włókien w strukturze jest dowolna, typowo jest ona w zakresie od około 1000 do około 10 000, a korzystne pole powierzchni pasma jest w zakresie od 10 m² do 100 m².

Sposób mocowania włókien w każdej z główek nie jest bardzo ważny, a wybór zależy od materiałów główki i włókna oraz od kosztu stosowania sposobu innego niż osadzanie. Ważne jest jednak, aby każde z włókien było mocowane cieczoszczelnie w każdej główce. Można to spowodować po prostu nie wiążąc końcowych części włókien zbyt ciasno przed osadzeniem ich.

Na fig. 1 przedstawiono wyniki porównania dwóch przeprowadzonych prób, jedna z zastosowaniem wskazówek Yamamoto w jego publikacji z 1989 roku (krzywa 2), ale z użyciem aeratora, który wprowadzał powietrze z boku i kierował je promieniowo do wewnątrz, jak pokazano u Chiemchaisri i in. Druga próba wykorzystuje proces i bezramową strukturę według wynalazku (krzywa 1). Jedyne różnice w tych próbach opisano szczegółowo w przykładzie 3 poniżej. Jak pokazano, strumień w litrach na metr kwadratowy - godzina/kPa (konwencjonalny zapis Imh/kPa) otrzymany ze strukturą bezramową osiąga stan równowagi w ciągu czasu krótszego niż 50 h, natomiast strumień w replice Yamamoto nadal zmniejsza się. Jest oczywiste, że wyniki otrzymane w przypadku repliki Yamamoto są znacznie lepsze niż wykazywane przez niego, a wyniki ze strukturą bezramową są jeszcze lepsze. Dalsze szczegóły porównania podane są w ilustracyjnych przykładach.

Na fig. 2 przedstawiono w widoku po rozłożeniu na części urządzenie membranowe oznaczone ogólnie przez 10, zawierające jedną główkę 11 z pary główek, gdzie druga jest zasadniczo identyczna, misę zbiorczą 20 do zbierania fazy przenikającej i przewód 30 do odprowadzania fazy przenikającej. Pokazana główka jest prostokątna, ponieważ jest to kształt najdogodniejszy do wykonania, jeżeli chce się osadzić włókna 12 w żywicy, takiej jak żywica epoksydowa. Chociaż włókna 12 nie są pokazane jako zamknięte, tak jak byłoby normalnie, jest oczywiste, że włókna te nie stykają się ze sobą, ale są zdystansowane od siebie przez utwardzoną żywicę epoksydową usytuowaną pomiędzy nimi.

Do wytworzenia główki 11 można zastosować dowolny konwencjonalny sposób, przy czym nie stanowi to części przedmiotowego wynalazku, ale poniżej przedstawiono typowy sposób wytwarzania główki.

Wiązka włókien trzymana jest w oddalonych od siebie ramionach mocujących. Ramiona te przy swych końcach mają kołowe elementy zaciskowe, np. regulowany (za pomocą śruby) zacisk węża wyłożony taśmą gumową, która ściśle trzyma każdą stronę wiązki razem, tak że wiązka ta zwisa paraboliczną pętlą poniżej ramion. Pośrodku pomiędzy ramionami i poniżej nich w pobliżu wierzchołka parabolicznej pętli włókna są usytuowane w odstępach od siebie. Następnie prostokątną misę zawierającą nieutwardzoną, ciekłą żywicę osadzającą umieszcza się pod wiązką tak, że wszystkie włókna w pętli są wystarczająco zanurzone, by zapewnić, że kiedy żywica zostanie utwardzona, włókna będą pewnie osadzone. Żywica pokrywa każde włókno do głębokości około 1 cm - 5 cm, korzystnie 2-5 cm, po każdej stronie osi pętli. Kiedy żywica utwardzi się, włókna są osadzone w utwardzonym korpusie. Korpus ten rozcina się następnie w płaszczyźnie pionowej poprzez oś pętli, odsłaniając otwarte końce włókien.

Korpus ma ścianki przednią i tylną utworzone przez pionowe (oś z) krawędzie 11' i boczne (oś x) krawędzie 13', ścianki boczne utworzone przez krawędzie 11' i poprzeczne (oś y) krawędzie 13 oraz podstawę 13 utworzoną przez krawędzie 13' i 13. Spód tego korpusu odcina się następnie w płaszczyźnie poziomej ostrym ostrzem, odsłaniając otwarte końce włókien.

173 715

Miska zbiorcza 20 ma wymiary takie, aby ściśle przyjmowała podstawę 13 nad obszarem zbierania fazy przechodzącej w tej misie. Jest to korzystnie realizowane przez utworzenie prostokątnej misy posiadającej podstawę 23 o zasadniczo takiej samej długości i szerokości jak podstawa 13. Obwód misy 20 jest wyposażony w obwodowy kanał, jak pokazano na fig. 2a, gdzie ścianka 20' misy kończy się w sekcji 22 kanału posiadającej zasadniczo poziome odsądzenie 22 i pionową ściankę mocującą 22'.

Figura 2B jest widokiem z dołu dolnej powierzchni podstawy 13, z pokazaniem otwartych końców włókien 12', których stykanie się ze sobą jest uniemożliwione przez żywicę zalewającą. Przypadkowe rozmieszczenie włókien jest unikatowo oznaczone przez geometrycznie nieregularną obwodową granicę 14 (pokazana w kropkowanym zarysie), która ogranicza skrajne obwody przypadkowo rozmieszczonych, skrajnych zewnętrznych otwartych końców 12'.

Faza przechodząca przepływa z otwartych końców włókien na podstawę 23 misy 20 i wypływa ze strefy zbierania poprzez przewód 30 odprowadzania fazy przechodzącej, który może być umieszczony w dnie misy w otwartym połączeniu przepływowym z wewnętrzną częścią misy. Jeśli jest to potrzebne, przewód odprowadzający może być usytuowany w boku misy, jak to przedstawiono poprzez przewód 30'. Niezależnie do tego czy różnica ciśnień na membranie podczas działania powodowana jest tylko przez grawitację, czy też przez pompę, jest oczywiste, że pomiędzy obwodem główki 11 a obwodowym kanałem 22 misy 20 konieczne jest uszczelnienie dla cieczy. Uszczelnienie takie otrzymuje się za pomocą konwencjonalnych środków, takich jak odpowiednia uszczelka lub materiał uszczelniający, typowo żywica silikonowa, pomiędzy dolnym obwodem główki 11 a kanałem 22.

Będzie teraz oczywiste, że można skonstruować główkę o obwodzie kołowym, jeśli jest to potrzebne. Główki o kształtach geometrycznych posiadających jeszcze inne obwody (np. w kształcie elipsy) mogą być konstruowane w analogiczny sposób, jeśli to potrzebne, ale najkorzystniejsze są główki prostokątne.

Poszczególne włókna 12 (fig. 2) przebiegają zasadniczo równolegle do siebie w pobliżu każdej główki, a części końcowe tych włókien przechodzą przez główki tak, że otwarte końce 12' włókien są odsłonięte na dolnej powierzchni 13 główki. W paśmie odstęp pomiędzy środkami włókien w płaszczyźnie poziomej waha się od około 1,2 do około 5 zewnętrznych średnic włókna. Wybór odstępu pomiędzy włóknami w główce będzie określać gęstość upakowania włókien w pobliżu główek, ale rozważanie względnych położeń poszczególnych włókien w paśmie nie jest istotne, chociaż oczywiste jest, że im więcej jest włókien coraz ciaśniej upakowanych w każdej główce, tym mniejsza jest przestrzeń pomiędzy włóknami w paśmie.

Gęstość włókien w główce wybranajest tak, aby zapewnić maksymalny obszar membrany najednostkę objętości substratu bez szkodliwego oddziaływania na cyrkulację substratu poprzez pasmo. Zamiast montowania główek w misie zbiorczej ze skierowanym do dołu odpływem względem pływająco zawieszonego pasma, jak opisano, będzie teraz oczywiste, że główki z misami mogą być również montowane tak, że faza przechodząca wypływa bocznie w przeciwnych kierunkach lub nawet w tym samym kierunku bocznym, a pasmo może być nadal rozwinięte z profilem parabolicznym, jeśli włókna są wystarczająco długie. Widać jednak, że w każdym przypadku usytuowane odprowadzania fazy przechodzącej jest poniżej włókien i że najkorzystniejszy sposób zamontowania główek powoduje odprowadzanie fazy przechodzącej do dołu.

Chociaż pasmo rozwinięte w substracie ma kształt zasadniczo paraboliczny, nie ma ono żadnego kształtu konstrukcyjnego, a posiadany przez nie kształt ciągle zmienia się, przy czym stopień zmiany zależy od giętkości włókien, ich długości, całkowitych wymiarów pasma i stopnia ruchu nadawanego włóknom przez substrat i przez zawierający tlen gaz ze środków rozprowadzania gazu, jeżeli są one zastosowane. Pasmo nie ma również kształtu konstrukcyjnego zanim główki nie zostaną zmontowane z odpowiednimi misami na fazę przechodzącą, ponieważ każda z dwóch główek z misami może być przemieszczana w dowolnym kierunku względem drugiej, przy czym przemieszczenie to jest ograniczone tylko przez ich połączenie z włóknami.

173 715

Na fig. 3 przedstawiono typowy zespół, oznaczony ogólnie przez 40, do stosowania w zbiorniku, przy czym zespół ten zawiera wiązkę włókien 42 i środki 50 rozprowadzania gazu. Wiązka (której tylko jeden rząd pokazano w tym widoku z oczywistych względów) pokazana w tym widoku końcowym ma podłużny kształt prostokątny z nieregularnymi bokami ze względu na przypadkowe przemieszczenie włókien wzdłuż każdego boku. Ten prostokątny kształt może być kwadratowy lub dość wąski w zależności od stosunku liczby włókien w każdym poprzecznym rzędzie do liczby włókien w bocznym rzędzie. Prostokątny kształt jest utworzony z wieloma rzędami (pokazano tylko jeden) wielu włókien 42, typowo 10-50 rzędów na szerokości ’w’ wiązki, jeśli mierzyć wzdłuż bocznej osi x i z przynajmniej taką samą liczbą włókien w każdym rzędzie poprzecznym.

Jeżeli zatem jest około 100 włókien rozmieszczonych w niewielkich odstępach od siebie wzdłuż długości T podłużnej wiązki mierzonej wzdłuż osi y, i jest około 50 włókien w każdym rzędzie bocznym, wówczas w główce 41 zalane są części końcowe około 5 000 włókien. Przeciwległe części końcowe podłużnej wiązki włókien są zalane w główce 41' w sposób analogiczny jak pokazano w główce 41. Otwarte końce wszystkich włókien w główkach 41 i 41' są zwrócone do dołu do stref zbierania w misach zbiorczych 43 i 43', a każda główkajest szczelnie spojona wokół swego obwodu z obwodem każdej misy zbiorczej. Przewody odprowadzające 45 i 45' są połączone z głównym przewodem 46, poprzez który faza przechodząca zbierana w misach zbiorczych jest odprowadzana w sposób ciągły. Jeżeli faza przechodząca jest odprowadzana w tej samej płaszczyźnie, w której znajdują się przewody odprowadzające 45, 45' i przewód główny 46, a różnica ciśnień na membranie z włókien jest rzędu 35-75 kPa, główny przewód 46 może być dołączony do strony ssania pompy odśrodkowej, która będzie zapewniać odpowiednie ciśnienie na ssaniu netto.

Przy rozwinięciu w substracie zawierającym zdyspergowane i rozpuszczone materiały organiczne i nieorganiczne włókna przebiegają lukiem do góry w paśmie, które jest pływająco zawieszone w substracie, przy czym końce włókien są zakotwione w główkach. Jest tak dlatego, ponieważ (i) fazą przepuszczanąjest zasadniczo czysta woda, która ma ciężar właściwy mniejszy niż ciężar właściwy substratu, a większość polimerów, z których wykonane są włókna, również ma ciężar właściwy mniejszy niż 1, oraz (ii) włókna są unoszone przez pęcherzyki. Ważne jest, aby warunki te przeważały lub aby żadne włókno w paśmie nie nabywało właściwości zasadniczo parabolicznego podłużnego przebiegu łukowego, który otrzymywany jest wtedy, gdy główki mają wąski, prostokątny kształt.

W tym łukowym przejściu i bezpośrednio pod nim w płaszczyźnie poniżej poziomej płaszczyzny przechodzącej przez poziome, linie środkowe główek usytuowany jest przewód rozgałęźny 50 rozprowadzania powietrza. Przewód rozgałęźny 50 jest podzielony na dwie otworowane części 51 i 51' odpowiednio przy główkach 41 i 41', tak że kiedy powietrze wypływa poprzez otwory w każdej części 51 i 51', powstają pęcherzyki, które unoszą się przy sąsiednich częściach włókien i następnie przepływają przez pasmo.

Typ rozgałęźnego przewodu powietrznego nie jest ściśle krytyczny pod warunkiem, że przewód ten wytwarza pęcherzyki w korzystnym zakresie wielkości od około 1 mm do 25 mm, a droga wznoszących się pęcherzyków jest poprzecinana przez włókna znajdujące się powyżej przypadkowo wzdłuż zasadniczo całej długości włókien od wewnętrznej strony generalnie parabolicznego profilu włókien.

Jeśli jest to pożądane, każda część 51 i 51' może być umieszczona w górnej powierzchni każdej główki i włókna są zatopione wokół nich, dzięki czemu zapewniono, że kanały powietrzne w częściach 51 i 51' nie są zatykane zalewą.

Na fig. 3A pokazano w widoku z boku główką 41 spasowaną z misą 43 zbierania fazy przechodzącej, z której to misy przewód 45 odprowadza fazę przechodzącą. Cztery rzędy włókien 12, których zatopione części końcowe 12' otwierają się w misę 43, pokazano po każdej stronie przewodu 52 rozprowadzania gazu, który przebiega na długości rzędów wzdłuż podstawy włókien. W analogiczny sposób przewód rozprowadzania gazu jest usytuowany blisko podstawy przeciwległych części końcowych włókien w drugiej główce struktury. Gaz wychodzący z przewodu 52 i z odpowiedniego przewodu gazowego w przeciwległej podstawie włókien pasma skutecznie napowietrza całe pasmo.

173 715

Oczywiste jest, że na ogół włókna będą wystawać z górnej powierzchni każdej główki, a górna powierzchnia będzie powierzchnią wspierającą, oraz że dolna powierzchnia każdej główki będzie zawierać otwarte końce zatopionych włókien, tak że każda dolna powierzchnia będzie powierzchnią odprowadzającą fazę przechodzącą. Jednakże oczywiste jest również to, że każda powierzchnia główki może działać jako powierzchnia wspierająca włókna, a inna powierzchnia każdej główki może działać jako powierzchnia odprowadzania fazy przechodzącej, chociaż z oczywistych względów górna powierzchniajest dobrze dostosowana, by stanowiła powierzchnię wsperającą włókna, a dolna powierzchnia - powierzchnię odprowadzania fazy przechodzącej. Niezależnie od tego, które powierzchnie są wybrane dla każdej funkcji, oczywiste będzie, że faza przechodząca jest odprowadzana poprzez każdą z główek.

Powietrze może być dostarczane w sposób ciągły lub przerywany, przy czym lepsze wyniki zwykle uzyskuje się przy ciągłym przepływie powietrza. Ilość doprowadzanego powietrza zależy od typu substratu, od wymagań typu mikroorganizmów, jeśli są, oraz od podatności powierzchni włókien na zatkanie. Na ogół ilość doprowadzanego powietrza jest rzędu od 0,1 l/s/l - 10 l/s/l substratu, mierzona przy normalnej temperaturze i ciśnieniu, przy czym zawsze jest wystarczająca ilość powietrza do wytwarzania żądanego wzrostu mikroorganizmów.

Na fig. 4 przedstawiono schematycznie inny przykład wykonania zespołu oznaczonego ogólnie przez 60, który może być wykorzystywany do regeneracji dużego, głębokiego zbiornika, z którego faza przechodząca ma być odprowadzana bez użycia pompy. Typowo w zbiorniku, jak pokazano na fig. 4A, zastosowany jest zestaw zespołów umieszczonych obok siebie. Każdy zespół 60 z pasmem włókien 62 (dla przejrzystości rysunku pokazano tylko jeden rząd z wielu przypadkowo rozmieszczonych rzędów) jest rozwinięty pomiędzy główkami 61 i 61 w substracie ’S’ trzymanym w głębokim zbiorniku (nie pokazano), w którym utrzymywana jest głębokość około 4 metry, Jak poprzednio główki 61 i 62'są zamocowane cieczoszczelnie strefami zbierania w misach zbiorczych 63 i 63'. Każda misa ma przewody odprowadzające 65 i 65', które odchodzą od dna każdej misy, przy czym przewody te są połączone razem w celu odprowadzania fazy przechodzącej.

Ze względu na głębokość zbiornika długość (pomiędzy główkami) wybrana dla każdego włókna wynosi około 2 - 4 m, a wierzchołek każdego parabolicznego łuku jest usytuowany tuż pod powierzchnią substratu. Aby dostarczać sprawnie potrzebną ilość powietrza, przewód rozgałęźny rozprowadzania gazu w kształcie litery A oznaczony ogólnie przez 66, wykonany z porowatej rury, jest poprowadzony łukowo tak, że powietrze przechodzące przez porowatą rurę jest przepuszczane pęcherzykami poprzez pasmo ze stosunkowo bliskiego obszaru od 1 cm przy podstawie do około 50 cm przy wierzchołku. Przewód rozgałęźny 66 w kształcie litery A zawiera wiele poziomych (oś y) porowatych szczebli 67, które utrzymują parę porowatych główek gazowych 68 i 68' w kształcie litery A w odstępie od siebie.

Dzięki słupowi cieczy zapewnianemu przez wysokość włókien przy ich wierzchołku nad płaszczyzną, w której odprowadzana jest faza przechodząca, faza ta przepływa przez przewody odprowadzające 65 i 65' tylko na zasadzie grawitacji. Kiedy zbiornik jest opróżniony, przewód rozgałęźny w kształcie litery A wspiera długie włókna i zapobiega ich opadaniu na dno opróżnionego zbiornika.

Na fig. 4A pokazano w widoku perspektywicznym zestaw parabolicznych przewodów rozgałęźnych rozprowadzających powietrze, połączonych wspólnie z prostokątną rurową ramą 67, poprzez którą powietrze jest doprowadzane przewodem 68. Główki 41 i 41' każdej struktury są przymocowane do każdego przewodu rozgałęźnego rozprowadzającego powietrze, mającego kształt litery A, na jego zewnętrznej powierzchni, tak że włókna mogą swobodnie pływać i kołysać się, a przewody odprowadzające są połączone ze sobą (nie pokazano), przy czym im więcej zastosowanych jest struktur, tym większe jest natężenie przepływu fazy przechodzącej. Każdy zespół struktur jest następnie opuszczany do zbiornika i jeśli faza przechodząca ma być odprowadzana tylko na zasadzie grawitacji, połączenie z przewodami odprowadzającymi fazę przechodzącą, połączonymi ze sobą, wykonane jest poprzez ściankę boczną zbiornika.

Inny przykład realizacji wynalazku, w którym konwencjonalny osadnik jest regenerowany za pomocą wielu struktur, jest schematycznie przedstawiony w widoku z boku na fig. 5. Zbiornikiem odstojnikowym jest duży kołowy zbiornik 70 wyposażony w pionową, kołową,

173 715 zewnętrzną przegrodę 71, pionową, kołową, wewnętrzną przegrodę 72 i dno 73, które jest pochylone w kierunku do środka (wierzchołka) w celu odprowadzania gromadzącego się osadu. Przegrodami mogą być oddzielne, usytuowane w niewielkich odstępach od siebie prostokątne płyty umieszczone na okręgu wewnętrznym i zewnętrznym, ale korzystne są ciągłe przegrody cylindryczne (pokazane). Niezależnie od tego, jakie zastosuje się przegrody, są one usytuowane tak, że ich obwody dolne znajdują się w wybranym pionowym odstępie nad dnem. Doprowadzany materiał dopływa poprzez przewód zasilający 74 na dno zbiornika 70, aż poziom substratu wzniesie się powyżej zewnętrznej przegrody 71. Wiele struktur 75 rozmieszczone jest za pomocą odpowiednich środków montażowych w zewnętrznej pierścieniowej strefie 75' odprowadzania fazy przechodzącej (fig. 5A) utworzonej pomiędzy kołową zewnętrzną przegrodą 71 a ścianką zbiornika 70 na głębokości wystarczającej do zanurzenia swobodnie pływających włókien. Pomiędzy zewnętrzną kołową przegrodą 71 a wewnętrzną kołową przegrodą 72 utworzona jest strefa osadnikowa 71'. Wewnętrzna kołowa przegroda 72 tworzy pionowy, osiowy kanał 72', poprzez który substrat jest doprowadzany do zbiornika 70. Struktury tworzą kołowe przejście łukowe (patrz. rys. 5A) w strefie 75' odprowadzania fazy przechodzącej, a w tym przejściu łukowym umieszczony jest powietrzny przewód rozgałęźny 76 w taki sposób, aby zasadniczo cała powierzchnia każdego włókna w pasmach włókien stykała się z pęcherzykami, które ciągle omywają te włókna. Faza przechodząca jest odprowadzana poprzez przewód zbiorczy fazy przechodzącej (nie pokazano) przez bok zbiornika lub przez otwarty wierzchołek 78 w dnie zbiornika, poprzez który usuwany jest osad wierzchołkowy.

Faza przechodząca może być odprowadzana poprzez bok zbiornika, jeśli to potrzebne, przy zastosowaniu niewielkiego ciśnienia na ssaniu netto, mniejszego niż 2 m słupa cieczy, dla pompy odśrodkowej. Jeżeli przepływ fazy przechodzącej rozpocznie się już, może być on utrzymywany bez pompy na skutek zjawiska przepływu lewarowego dopóki poziom substratu w zbiorniku jest utrzymywany i faza przechodząca jest odprowadzana poniżej poziomu substratu.

Ponieważ gromadzenie się pęcherzyków powietrza w przewodzie odprowadzającym fazę przechodzącą mogłoby zatrzymać przepływ lewarowy, polegania na takim przepływie lewarowym można uniknąć przez podniesienie zbiornika substratu względem miejsca, gdzie faza przechodzącajest odprowadzana do ciśnienia atmosferycznego. Urządzenie do przeprowadzania tego jest przedstawione schematycznie na fig. 6, gdzie konwencjonalne napowietrzanie substratu dopływającego do zbiornika poprzez przewód zasilający (nie pokazano) odbywa się w dużym zbiorniku napowietrzającym 80, w którym poziom substratu jest zasadniczo napoziomie ziemi.

Podwyższony zbiornik 81 jest umieszczony na słupkach zbiornikowych 82 na takiej wysokości, że poziom substratu w zbiorniku 81 będzie 5 - 7 m nad poziomem ziemi. Studzienkowa pompa odśrodkowa 83 dostarcza uprzednio napowietrzony substrat przewodem 84 do zbiornika 81, który jest wyposażony w przelew 85 do zawracania substratu do zbiornika 80 poprzez przewód powrotny 86. Wiele zespołów 87 (pokazano tylko jeden) umieszczone jest w zbiorniku z odprowadzaniem powietrza do przewodu rozgałęźnego 89 rozprowadzającego powietrze, który doprowadza powietrze do poszczególnych rozdzielaczy powietrza (nie pokazano) pod każdym pasmem włókien, zapewniając przez to wtórne napowietrzenie substratu.

W ten sposób można zastosować stosunkowo niewielki zbiornik do zapewniania optymalnego napowietrzania nie tylko dla potrzeb mikrobów, ale również w celu utrzymania w czystości powierzchni włókien. Faza przechodząca jest odprowadzana z każdego z tych zespołów poprzez przewód 88, który doprowadza fazę przechodzącą do poziomu ziemi.

Inny przykład rozwiązania, który pozwala na uniknięcie stosowania pompy do odprowadzania fazy przechodzącej, jest przedstawiony schematycznie na fig. 7, gdzie duży, umieszczony w ziemi zbiornik 90 jest usytuowany w pobliżu krawędzi stoku 91. W sposób analogiczny do opisanego dla zespołów z fig. 4 powyżej wiele zespołów 92 (pokazano tylko jeden) rozmieszczone jest w zbiorniku i wyposażone w środki rozprowadzania powietrza (nie pokazano), które doprowadzają wystarczającą ilość powietrza pod każde pasmo włókien, aby zasadniczo cała powierzchnia wszystkich włókien w paśmie była omywana pęcherzykami. Faza przechodząca jest odprowadzana poprzez przewód zbiorczy 93, który wyprowadza fazę przechodzącą u podstawy 94 stoku wystarczająco poniżej poziomu substratu w zbiorniku, by przezwyciężyć działanie spadku” atmosferycznego. Spadek ten typowo wynosi 5 - 7 m.

173 715

Jeszcze inny przykład realizacji ilustrujący odprowadzanie fazy przechodzącej bez stosowania pompy ssącej pokazano na fig. 8, gdzie wiele zespołów 96 jest rozmieszczone w umieszczonym w ziemi zbiorniku 95, który jest napowietrzany za pomocą przewodu rozgałęźnego (nie pokazano) rozprowadzającego powietrze, który doprowadza powietrze pod każde pasmo włókien każdego zespołu. Strona ssania ttudzinakowej pompy 97 jest umieszczona w otwartym połączeniu płynowym z główką fazy przechodzącej (nie pokazano), która gromadzi fazę przechodzącą ze wszystkich zespołów 96 i odprowadza ją poprzez przewód 98.

Aby uniknąć stosowania studzienkowej pompy wewnątrz zbiornika, można umieścić odśrodkową pompę 99 w studzience 100 wywierconej w pobliżu zbiornika. W rozwiązaniu tym początkowo pompa musi przezwyciężyć tylko niewielki spadek wysokości powyżej poziomu substratu, na którym przewód po stronie ssania pompy tworzy pętlę. Po rozpoczęciu działania faza przechodząca jest dostarczana do pompy przez działanie przepływu lewarowego.

Na fig. 9 przedstawiono duży prostokątny zbiornik oznaczony ogólnie przez 110, posiadający przeciwległe pionowe ściany boczne 111 i 111' oraz dno 112. Ściany boczne 111 i 111' są usytuowane w odstępie od siebie około 3 m. Jedna z kilku struktur oznaczonych ogólnie przez 140 zawiera wydrążone włókna 142 zamocowane w przeciwległych główkach 141 i 141', które łączą się z misami 143 i 143' fazy przechodzącej. Jak pokazano włókna te przedstawione są w stosunkowo płaskich parabolicznych łukach, ponieważ długość włókien pomiędzy główkami jest mniejsza niż byłoby to normalnie stosowane dla zwiększenia do maksimum pola powierzchni membrany w dostępnej przestrzeni. Przyczyną skrócenia włókien jest chęć zmniejszenia do minimum splątania sąsiednich struktur, nie tylko tych po jednej stronie, ale również tych powyżej i poniżej, jeśli stosuje się wiele zestawów, jak pokazano na fig. 10.Misy 143 i 143' są wyminnain zamontowane za pomocą odpowiednich środków montażowych po bokach, tak że faza przechodząca jest odprowadzana do główek 145 i 145' fazy przechodzącej po każdej stronie, które łączą się tworząc odpływ 146 fazy przechodzącej.

W strefie bezpośrednio poniżej i usytuowanej stosunkowo blisko włókien znajdują się środki rozprowadzania powietrza oznaczone ogólnie przez 150. Typowo linia rozprowadzania powietrza będzie umieszczona bezpośrednio pod każdą strukturą, przy czym wszystkie linie są połączone rozgałęźnie ze środkami 150 rozprowadzania powietrza.

Oczywiste jest, że jeśli zbiornik jest na poziomie ziemi, słup cieczy będzie za mały dla spowodowania podciśnienia tylko na zasadzie grawitacji, a więc zastosowana będzie pompa do wytworzenia niezbędnego ssania. Pompa taka powinna być zdolna do pracy na sucho przez krótki czas i do utrzymywania podciśnienia po stronie ssania od -35 kPa do -70 kPa. Przykładami takich pomp przewidzianych znamionowo na 18,9 l/min przy 51 kPa są (i) pompy odśrodkowe z giętkim wirnikiem, np. Jabsco nr 30510 2003; (ii) napędzane powietrzem pompy membranowe, np. Wilden M2; (iii) pompy z postępującym wgłębieniem, np. Ramoy 3561; oraz (iv) pompy wężowe, np. Waukesba SP 25. Oczywiście im wyższe jest ciśnienie wytwarzane przez pompę, tym lepszy jest strumień, ale przy taniej eksploatacji koszt pompy próżniowej i jej działania zwykle jest nie do usprawiedliwienia.

Na fig. 9A pokazano widok z góry jednej struktury pokazanej na fig. 9 ze ścianką przednią 113 i ścianką tylną 113'. Ścianki boczne 111 i 111' pokazane są z przerwą, aby uwypuklić fakt, że typowo będzie tyle zespołów w zbiorniku, ile zbiornik ten może pomieścić, tak że zasadniczo cała powierzchnia zbiornika jest przykryta włóknami.

Ponieważ działanie systemu jest tak niedrogie, koszt zastosowania bardzo dużego pola powierzchni membrany może być usprawiedliwiony. Dla zainstalowania dodatkowej powierzchni membranowej w zbiorniku można zamontować drugi zestaw struktur.

Na fig. 10 pokazano trzy zestawy struktur 140, jedna nad drugą, co nadaje się szczególnie dobrze do głębokiego zbiornika, przy czym struktury i misy każdego zestawu są zamontowane przy bokach zbiornika, jedna struktura bezpośrednio za drugą. Jak poprzednio środki 150 rozprowadzania powietrza umieszczone są w dnie zbiornika bezpośrednio pod strukturami. Jeżeli dostępne jest powietrze wzbogacone w tlen, może być ono używane zamiast powietrza dla spełnienia zapotrzebowania rosnącej masy mikroorganizmów.

173 715

Na fig. 11 pokazano inny przykład realizacji zespołu w głębokim zbiorniku, w którym pojedyncza struktura 150 w włóknami dłuższymi niż szerokość lub średnica zbiornika może tworzyć odpowiednie pole powierzchni, a zestawy struktur pokazane na fig. 10 mogą nie być usprawiedliwione. Jak zaznaczono, struktura 150 jest pochyło umieszczona w zbiorniku z jedną główką i misą zbiorczą, razem oznaczonymi przez 151, zamontowanymi na jednej ściance przy dnie zbiornika i z drugą główką i misą zbiorczą 151 zamontowanymi poprzecznie na przeciwległej ścianie zbiornika, tak że płaszczyzna pozioma przechodząca przez poziomą linię środkową górnej główki 151' jest usytuowana w pionowym odstępie od płaszczyzny poziomej przechodzącej przez poziomą linię środkową dolnej główki 151. Jak poprzednio przewody 155 i 155' odprowadzania fazy przechodzącej są dołączone do mis zbiorczych i połączone dla odprowadzania poprzez przewód 156. Łukowe, porowate środki 152 rozprowadzania gazu są zamontowane bezpośrednio pod włóknami struktury 150, aby dostarczać gaz do płukania włókien i są dołączone przewodem 153 do źródła gazu.

W każdym z przedstawionych powyżej przykładów realizacji widać, że jeśli pompa jest w ogóle używana, nie jest to pompa próżniowa. Dzięki temu unika się kosztów pompy próżniowej, jej eksploatacji i konserwacji. Oczywiste będzie jednak, że jeśli pompa próżniowa jest zastosowana do wytwarzania podciśnienia większego niż 67 kPa lub nawet większego podciśnienia niż wytwarzane na zasadzie grawitacji, strumień będzie zwiększony, a w takich przypadkach, gdzie wymagany jest silny strumień, koszt pompy próżniowej może być usprawiedliwiony.

Następujące przykłady ilustracyjne wykorzystują wynalazek do obróbki strumienia ścieków zawierających submikronowej wielkości cząstki krzemionki, oraz w konwencjonalnym procesie z aktywowanym osadem. Inne przykłady realizacji wynalazku nakierowane na inny problem oddzielania będą wykorzystywać analogiczne struktury i procesy.

Przykład I - ultrafiltracja

Aktywowany osad zawierający hodowane mikroorganizmy przepływa z prędkością 20 l/dzień przy 25°C do zbiornika pilotowej oczyszczalni mieszczącego 80 l. Pojedyncza struktura bezramowa (pole powierzchni 1,1 m²) skonfigurowana jak pokazano na fig. 3 jest zanurzona w tym zbiorniku tak, że wierzchołek każdego z włókien jest tuż poniżej powierzchni cieczy w zbiorniku. Cała ilość cząstek ciała stałego zawieszonych w aktywowanym osadzie wynosi 17,5 g/l (1,72%), a lotne składniki stałe w zawiesinie wynoszą 15 g/l (1,48%).

Struktura bezramowa wykonana jest z pasma z 200 mikroporowatych, wydrążonych, ultrafiltracyjnych włókien polisulfonowych, mających średnicę zewnętrzną 2 mm, grubość ścianki około 1 mm, porowatość powierzchniową około 40% i wielkość porów około 0,07 pm,przy czym obie ostatnie właściwości fizyczne określane są przez graniczny ciężar cząsteczkowy PEG (poliglikolu etylenowego), który wynosi około 70.000. Przeciwległe końce włókien są zatopione odpowiednio w pierwszej i w drugiej główce. Każda główka jest półcylindryczną kształtką o długości 2,5 cm i średnicy 5 cm, wykonaną z żywicy epoksydowej, gdzie części końcowe włókien są zalane do przeciętnej głębokości około 1,5 cm. Przeciętna różnica ciśnień na membranie wynosi około 25 kPa.

Przewody odprowadzania fazy przechodzącej są dołączone do misy zbiorczej każdej główki i każdy z nich podlega podciśnieniu 34,5 kPa. Przewód rozprowadzania powietrza służy do wytworzenia pęcherzyków o średnicy od 1 mm do 5 mm, które są wypuszczane około 75 cm poniżej wierzchołka pasma. Natężenie przepływu powietrza jest najkorzystniej w zakresie od 40 m³/24h/m2 do 75 m³/24h/m2 · 0,57 m/h powietrza zużywane jest na 0,3 m2, co wystarcza nie tylko na potrzeby utleniania biomasy, ale również na przepłukiwanie gazem membrany lub płukanie powietrzem, jeżeli stosuje się powietrze.

Odprowadzana faza przechodząca ma średnią wartość <0,1 NTU (nefelometrycznych jednostek zmętnienia), a zatem jest zasadniczo przezroczysta dla nieuzbrojonego oka. Ilość fazy przechodzącej odprowadzanej podczas określonych interwałów jest zmierzona i wykreślona na fig. 12 jako strumień (litry/m2/godzinę, LMH) w funkcji czasu. Początkowo mierzy się ilość fazy przechodzącej odprowadzanej w interwałach po 6 h. Następnie interwały te stopniowo przedłuża się do '2 h, '4 h i wreszcie do około 48 h, jak to zaznaczono punktami na wykresie.

173 715

Widać, że strumień wynosi początkowo prawie 14 LMH, ale gwałtownie maleje pierwszego dnia do około 8 LMH. Następnie strumień pozostaje zasadniczo stały, jak to pokazuje stosunkowo niewielkie pochylenie krzywej zaczynające się od około 8 LMH po pierwszym dniu. Test kończy się wraz z końcem 19 dni.

Przykład II - mikrofiltracja

Test mikrofiltracji prowadzony jest z polisulfonowymi włóknami mikrofiltracyjnymi w drugiej strukturze posiadającej takie samo pole całkowitej powierzchni jak pierwsza struktura z przykładu I i w takich samych warunkach procesu, aby określić strumień w funkcji czasu.

Druga bezramowa struktura polisulfonowych mikrofiltracyjnych wydrążonych włókien umieszczona jest w tym zbiorniku pilotowego urządzenia co pierwsza struktura i poddawana jest takiemu samemu płukaniu powietrzem i natężeniu przepływu szlamu. Ta druga struktura ma włókna o średnicy zewnętrznej 1 mm, o grubości ścianki około 0,5 mm i o porowatości powierzchni około 40% przy średnicy porów około 0,1 pm, przy czym obie te ostatnie właściwości fizyczne są określone przez graniczny ciężar cząsteczkowy 100 000. Konfiguracja struktury jest analogiczna jak pierwszej struktury użytej w przykładzie I powyżej, aby miała takie samo całkowite pole powierzchni 1,1 m2. Użyto ten sam zbiornik pilotowego urządzenia co w przykładzie I.

Struktura bezramowa jest utworzona przez pasmo 200 polisulfonowych, mikroporowatych, wydrążonych włókien mikrofiltracyjnych o średnicy porów około 0,1 pm, obie wartości określone przez graniczny ciężar cząsteczkowy PEG wynoszący około 100.000. Przeciwległe końce włókien są zalane odpowiednio w pierwszej i w drugiej główce. Każda główkajest półcylindryczną kształtką o długości 45 cm i o średnicy 5 cm z żywicy epoksydowej, gdzie włókna są zalane do głębokości wystarczającej by ich otwarte końce wystawały z dna główki. Każda główka ma końce 400 włókien zalane w niej, ponieważ mniejsza średnica włókien, wynosząca 1 mm, daje połowę pola powierzchni włókien o średnicy 2 mm w przypadku pasma posiadającego takie samo całkowite pole powierzchni 1,1 m². Przeciętna różnica ciśnień na membranie wynosi około 25 kPa.

Przewody odprowadzania fazy przechodzącej są dołączonej do misy zbiorczej każdej główki i każdy z nich podlega podciśnieniu 34.5 kPa. Powietrze jest doprowadzane bezpośrednio pod pasmo z natężeniem przepływu 0,57 m³/h, co jest wystarczające nie tylko do spełnienia zapotrzebowania utleniania biomasy, ale również do płukania membrany powietrzem.

Odprowadzana faza przechodząca ma przeciętną wartość <0,5 NTU, co jest słabo widoczne okiem nieuzbrojonym. Jak poprzednio, ilość fazy przechodzącej odprowadzanej podczas określonych interwałów jest mierzona i została wykreślona na fig. 12A jako strumień (LMH) w funkcji czasu. Widać, że początkowo strumień wynosi 45 LMH, ale gwałtownie spada podczas pierwszego dnia do około 25 LMH. Następnie strumień pozostaje zasadniczo stały, jak to pokazuje stosunkowo płaskie pochylenie krzywej po pierwszym dniu, pokazujące strumień >20 LMH bez żadnych oznak spadku po trzech tygodniach, kiedy test zostaje zakończony.

Przykład III

Porównanie wyników otrzymanych z zespołem struktury bezramowej ze środkami rozprowadzania powietrza z wynikami otrzymanymi przy zastosowaniu zespołu skonfigurowanego według Yamamoto i innych w Wat. Sci. Tech, wol. 21, Brighton, str. 43 - 54, 1989:

To doświadczalne porównanie przeprowadzono przy użyciu dwóch zasadniczo identycznych struktur bezramowych w zasadniczo identycznych zbiornikach 80 l wypełnionych tym samym aktywowanym substratem szlamu. Jedyna różnica pomiędzy wymienionym doświadczeniem Yamamoto i innych a doświadczeniem zgłaszających są następujące: (i) konfiguracja włókien w doświadczeniu Yamamoto była odwrócona w stosunku do włókien w strukturze bezramowej; (ii) aby utrzymać odwróconą strukturę w strukturze Yamamoto i innych włókna były podwiązane do kratowej konstrukcji drucianej (aby utrzymywać włókna poniżej płaszczyzny zawierającej główki); oraz (iii) powietrze przy powtórzeniu doświadczenia Yamamoto i innych było wyprowadzane z aeratora, natomiast powietrze dla struktury bezramowej było wyprowadzane z dyfuzora z otworami 200 pm. Ilość wprowadzanego powietrza wzięta jest od Chiemchaisri i innych.

173 715

Pierwsza struktura bezramowa złożona z 280 oddzielnych włókien, każde o długości 0,75 m i o średnicy wewnętrznej (ID) 0,4 mm oraz o średnicy zewnętrznej (OD) 0,46 mm i o wielkości porów 0,04 gm, o granicznym ciężarze cząsteczkowym PEG wynoszącym 100 000 i o całkowitym polu powierzchni 0,3 m2, była podwieszona pod główką w pierwszym zbiorniku 80 l zawierającym 40 l substratu, przy czym włókna były łączone w odstępach od siebie w odwróconym kształcie zasadniczo parabolicznym (zwanym dalej odwróconym kształtem parabolicznym). Włókna były wykonane z polipropylenu Celgard (hydrofobowe, podobne do użytych przez Yamamoto i in.). Każda główka miała średnicę 5 cm i długość około 45 cm.

Zasilanie powietrzem według Yamamoto i in. zostało odtworzone za pomocą aeratora strumieniowego z trzema umieszczonymi w jednej linii aspiratorami (Venturiego), z których każdy miał maksymalną wydajność pompowania swobodnego powietrza 11,5 l/min przy prędkości poboru wody 6,5 l/min i każdy był wyposażony w perforowany, pionowy słup wylotowy z otworami o średnicy około 250 gm, poprzez które wyprowadzana była mieszanina wody i powietrza, tworząc pęcherzyki powietrza, które miały średnicę około 1 mm. Powietrze było doprowadzane pod ciśnieniem 300 kPa, a pęcherzyki były odprowadzane z boku zbiornika w kierunku do jego środka, skierowane ku strukturze bezramowej. Natężenie przepływu powietrza mierzone przepływomierzem wynosiło 34,5 l/min, tak że natężenie przepływu powietrza poprzez włókna wynosiło 2,05 m3/h/m2.

Druga identyczna struktura bezramowa umieszczona była w drugim zbiorniku tak, że włókna były rozmieszczone swobodnie przechylnie w substracie na kształt zasadniczo paraboliczny.

Powietrze dla drugiej bezramowej struktury w kształcie parabolicznym dostarczane było pod ciśnieniem 136 kPa za pomocą rurowego rozdzielacza powietrza posiadającego otwory 200 gm. Dla drugiej struktury zużywane było mniej powietrza, ponieważ większe pęcherzyki nie potrzebują tak silnego natężenia przepływu powietrza jak aerator strumieniowy. Natężenie przepływu powietrza mierzone przepływomierzem wynosiło 0,1 l/min, tak że natężenie przepływu powietrza poprzez włókna wynosiło 0,57 m/h/m .

Z fig. 1, gdzie wykreślono strumień w funkcji czasu działania dla dwóch przypadków, wynika, że strumień dla parabolicznej struktury bezramowej oznaczonej przez 1 i strumień dla odwróconej parabolicznej struktury 2 jest zasadniczo taki sam w każdym przypadku, jak tego należało oczekiwać. Jednakże po około 50 h widać, że strumień dla struktury parabolicznej osiąga równowagę, podczas gdy strumień dla odwróconej struktury parabolicznej nadal maleje. Świadczy to o tym, że nawet przy stosowaniu identycznej struktury włókna muszą być sprężyście przechylne i/lub że mniejsze pęcherzyki wytwarzane przez aerator strumieniowy nie mają siły dla skutecznego działania.

Oczywiste jest, że urządzenie membranowe i podstawowe procesy rozdzielania według wynalazku mogą być wykorzystywane do odzyskiwania i oddzielania wielu różnych przemysłowo ważnych materiałów, przy czym niektóre przedstawione ilustracyjnie przypadki obejmują otrzymywanie wody z wody gruntowej zawierającej mikronowe i submikronowe cząstki materiałów krzemionkowych, albo też odzyskiwanie rozpuszczalnika z rozpuszczalnika zanieczyszczonego farbą. W każdym zastosowaniu wybór membrany zależeć będzie od fizycznych właściwości materiałów i od potrzebnego rozdzielania. Wybór gazu zależeć będzie od tego, czy w substracie konieczny jest tlen. Do przepłukiwania gazowego włókien w substracie zawierającym wodę z krzemionką można użyć dwutlenku węgla.

W każdym przypadku ten prosty proces zawiera umieszczenie bezramowej struktury z wielu membran z wydrążonych włókien lub z włókien, z których każde ma długość >0,5 m, mających razem pole powierzchni >1 m2, w substracie, który nie jest zamknięty w modułowej skorupie, tak że włókna są zasadniczo swobodnie przechylne w substracie. Substrat jest typowo pod ciśnieniem nie większym niż atmosferyczne. Włókna mają niską różnicę ciśnień na membranie w zakresie od około 3,5 kPa do około 350 kPa, a główki, końcowe części włókien i końce włókien są umieszczone w odstępie od siebie, jak opisano powyżej, tak, że przez przyłożenie podciśnienia do dolnej powierzchni przynajmniej jednej z główek, korzystnie obu, faza przechodząca jest odprowadzana poprzez środki zbiorcze, w których każda główka jest zamontowana w połączeniu cieczoszczelnym. Zależnie od względnego usytuowania struktury i od miejsca, z

173 715 którego działa podciśnienie, faza przechodząca może być odprowadzana przez podciśnienie wytwarzane na zasadzie grawitacji.

Z powyższego wynika, że urządzenie membranowe według przedmiotowego wynalazku jest nakierowane zwłaszcza na wykorzystywanie membran posiadających różnicę ciśnienia na membranie w zakresie od około 0,7 kPa do około 345 kPa i że opis ten wyraźnie wykazuje, że membrana będzie miała pory o wielkości w zakresie od około 0,001 μm - 0,1 μm, przy czym będzie pewien obszar superpozycji pomiędzy membranami utrafiltracji i mikrofiltracji. Pierwsze są zasadniczo w zakresie od 0,001 μm do około 0,1 μm, a drugie (mikrofiltracja) w zakresie od około 0,1 μm do około 1,0 μm. Przy dolnym końcu zakresu widać będzie, że różnica ciśnień na membranie będzie dość duża, co wymaga stosowania pompy próżniowej i utrzymywania zbiornika pod podwyższonym ciśnieniem.

Po przedstawieniu ogólnego omówienia i specyficznych przykładów najlepszego sposobu skonstruowania i wykorzystywania urządzenia membranowego zawierającego bezramową strukturę z długich włókien w substracie, z którego określony składnik ma być wytwarzany jako faza przechodząca, z pokazaniem jak urządzenie to jest wykorzystywane w zespole ze środkami rozprowadzania gazu, i po przedstawieniu specyficznych przykładowych systemów i procesów, w których zespół taki jest wykorzystywany, jest zrozumiałe, że z powodu przedstawionych i omówionych specyficznych przykładów realizacji nie mogą powstać żadne niestosowne ograniczenia, a zwłaszcza że wynalazek nie ogranicza się do naśladowania przedstawionych tu szczegółów.

Fig 1

173 715

Fig 2A

Fig 2B

173 715

Fig 3

Fig 3A

173 715

Fig 4

Fig 4A

173 715

Fig 5

Fig 6

173 715

Fig 8

173 715

146

Fig 9A

Fig 9

146

Fig 10

173 715

Fig 11

173 715

fi
l

O 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

CZAS [hi

Fg 12 r

STRUMIEŃ [Imh]

5

100

200

300

CZAS lh)

400

500

600

Fig 12A

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 6,00 zł

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie membranowe do oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu, zawierające układ wielu membran z wydrążonych porowatych włókien, przy czym otwarte końce tych włókien są zamocowane względem.siebie płynoszczelnie, odpowiednio w dwóch główkach, oraz środki do zbierania permeatu, znamienne tym, że główki (11, 41, 41', 61, 61', 141,141', 151,151), są usytuowane w odległości mniejszej od długości łączących je włókien (12, 142) tak, że włókna (12,142), wsparte jedynie na główkach (11, 41, 41', 61,61', 141, 141', 151, 151'), tworzą wiązkę (42, 62) włókien (12, 142) o profilu łukowym, mającą swobodę wychyleń na boki, przystosowaną do zanurzenia bezpośrednio w substracie, przy czym włókna (12,142) są uformowane z materiału nieorganicznego lub z materiału żywicznego oraz materiałem żywicznym są zalane końce tych włókien (12,142) w główkach (11,41,41', 61,61', 141,141', 151,151).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każde wydrążone włókno (12,142) ma średnicę zewnętrzną w zakresie od około 20 pm do około 3 mm, grubość ścianki w zakresie od około 5 pm do około 2 mm oraz jest wykonane z materiału złożonego z grupy obejmującej naturalne i syntetyczne polimery, a wielkość porów mieści się w zakresie od 0,001 pm do 1,0 pm.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że główki (11,41,41', 61,61', 141,141') są zamontowane współpłaszczyznowo, wyjmowalnie.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera środki do rozprowadzania gazu umieszczone w strefie bezpośrednio poniżej wiązki (42, 62) włókien (1(2,142), posiadające kanały (51, 51', 67, 68, 68', 152) do rozprowadzania gazu.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że włókna (12, 142) mają pory od 0,001 pm do 0,1 pm.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zespół membranowy (40, 60, 75, 87, 92, 96,140) umieszczony jest w zbiorniku (70, 81, 90, 95, 110) przeznaczonym na substrat.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że każda główka (61, 61', 141, 141', 151,151') jest masą litego syntetycznego materiału żywicznego, w której zatopionych jest co najmniej 100 części końcowych, przy czym każde wydrążone włókno (12,142) ma zewnętrzną średnicę w zakresie od około 20 pm do około 3 mm oraz grubość ścianki w zakresie od około 5 pm do około 1 mm.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że łukowy profil wiązki (42,62) włókien (12, 142) jest zasadniczo paraboliczny, a środek do odprowadzania permeatu stanowi pompa zdolna do wytwarzania podciśnienia około 100 kPa po stronie ssania.
9. 9. Sposób oddzielania permeatu z wieloskładnikowego ciekłego substratu, zawierającego materiał cząstkowy, znamienny tym, że kontaktuje się substrat z wiązką wielu membran z wydrążonych porowatych włókien, o profilu łukowym, mającą swobodę wychyleń na boki, stosuje się różnicę ciśnień na membranach w zakresie od około 0,7 kPa do około 345 kPa, w strefie położonej bezpośrednio pod wiązką włókien rozprowadza się pęcherzyki gazu uderzające w te włókna i omywające je, utrzymuje się zasadniczo stały strumień gazu, zasadniczo taki sam jak strumień równowagi osiągnięty po rozpoczęciu procesu oraz gromadzi się i odprowadza się permeat.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że oddziela się materiał cząstkowy wybrany z grupy złożonej z mikroorganizmów i drobnoziarnistych cząstek nieorganicznych.
11. 11. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wytwarza się pęcherzyki mające przeciętną średnicę w zakresie od około 1 mm do około 50 mm.

    173 715
12. 12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że stosuje się natężenie przepływu gazu w zakresie od około 10 m³/24h/m² do 200 m³/24h/m² oraz odprowadza się permeat stosując różnicę ciśnień na membranie spowodowaną przez grawitację.
13. 13. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że stosuje się natężenie przepływu gazu w zakresie od około 10 m3/24h/m² do 200 m3/24h/m² oraz odprowadza się permeat stosując podciśnienie około 100 kPa.
14. 14. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że stosuje się natężenie przepływu gazu w zakresie od około 10 m3/24h/m2 do 200 m3/24h/m2 oraz odprowadza się permeat stosując podciśnienie większe niż 100 kPa.