PL214717B1 - Sposób napowietrzania modulów membranowych oraz urzadzenie do napowietrzania cieczy w zbiorniku - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób napowietrzania modułów membranowych oraz urządzenie do napowietrzania cieczy w zbiorniku zawierającym co najmniej jeden zanurzony moduł membranowy.

Wynalazek dotyczy zwłaszcza filtrowania płynów przez stosowanie czyszczących pęcherzyków powietrznych do oczyszczania lub ochrony przed zanieczyszczeniami membran w zanurzonym filtrze membranowym.

Zanurzone membrany są stosowane do obróbki płynów zawierających cząstki stałe, w wyniku której powstaje przefiltrowany płyn z małą zawartością cząstek stałych oraz zagęszczona nieprzefiltrowana substancja. Na przykład, zanurzone membrany są stosowane do odzyskiwania czystej wody ze ścieków oraz do pozyskiwania wody pitnej z jeziora lub zbiornika.

Membrany zazwyczaj stanowią część modułów zawierających samą membranę i głowicę przytwierdzoną do tej membrany. Moduły są zanurzone w zbiorniku z wodą zawierającą cząstki stałe. Ciśnienie przykładane na wskroś ścian membran powoduje przenikanie filtrowanej wody przez ściany membrany. Cząstki stałe są odrzucane przez membrany i pozostają w zbiorniku z wodą, gdzie są poddawane chemicznej lub biologicznej obróbce, lub są odprowadzane ze zbiornika.

Pęcherzyki powietrzne są wprowadzane do zbiornika przez aeratory zamontowane pod modułami membranowymi i połączone przewodami z dmuchawą powietrzną. Pęcherzyki powietrzne wznoszą się do powierzchni wody zbiornika i tworzą siłę nośną powodująca krążenie wody zbiornika wokół modułu membranowego. Gdy wielkość przepływu powietrza jest w pewnym efektywnym zakresie, wznoszące się pęcherzyki i woda zbiornika powodują wzbudzanie i czyszczenie membran, co uniemożliwia cząstkom stałym zawartym w wodzie zbiornika zapychanie porów w membranach. Ponadto, ma tu miejsce również transfer tlenu z pęcherzyków do wody zbiornika, które, w przypadku gdy mamy do czynienia ze ściekami, dostarczają tlen niezbędny dla wzrostu mikroorganizmów. Dmuchawa z reguły pracuje w trybie ciągłym, tak by minimalizować obciążenie silników dmuchawy i zapewniać, jeśli jest to wymagane, stałe dostarczanie powietrza dla wzrostu mikroorganizmów.

W typowych systemach napowietrzania, w przypadku konieczności zwiększenia stopnia czyszczenia operator zwiększa wielkość przepływu powietrza. Sposób ten powoduje jednak obciążenia w membranach i w silnikach dmuchawy, oraz powoduje zwiększenie ilości zużywanej energii, co znacznie zwiększa koszt całego procesu. Analogicznie, gdy wymagane jest mniejsze czyszczenie, operator zmniejsza wielkość przepływu powietrza w aeratorach. Sposób ten może jednak prowadzić do zmniejszania wielkości przepływu powietrza poniżej zakresu efektywnego, czego efektem może być niewystarczające czyszczenie. Alternatywnie, operator może zmniejszyć średnią wielkość przepływu powietrza przez doprowadzanie go w sposób przerywany. Sposób ten pozwala na utrzymanie wielkości przepływu powietrza w zakresie efektywnym, lecz wiąże się to ze zwiększonym kosztem dmuchaw powietrznych, które bardzo szybko zużywają się gdy są często włączane i wyłączane. Częstokroć, w przypadku takiego przerywanego trybu pracy dmuchawy łamane są warunki gwarancji.

Kolejny problem występujący w typowych systemach napowietrzających polega na tym, że woda jest wzbudzana do ruchu we względnie stałym torze recyrkulacji w zbiorniku. Tor recyrkulacji zawiera „strefy martwe, w których do wody zbiornika nie dochodzi krążąca woda ani pęcherzyki. Membrany w tych strefach martwych, lub części tych membran, nie są w sposób efektywny czyszczone i mogą pracować w wodzie o większej koncentracji cząstek stałych niż całość wody w zbiorniku. W związku z tym, te membrany, lub ich części, szybko zapychają się cząstkami stałymi.

Kolejny problem występuje w modułach, w których wnękowe membrany włókniste są zainstalowane z małym luzem, tak by umożliwiać ich poruszanie się i strząsanie uwięzionych cząstek stałych. Ruch wody w zbiorniku wspomaga przyjmowanie przez luźno zamocowane membrany pozycji zbliżonej do stabilnej, zwłaszcza w okolicach końców membran, co koliduje z pożytecznym ruchem włókien.

Kolejny problem występujący w obecnych systemach napowietrzających polega na tym, że często same aeratory z czasem zapychają się. Nawet jeśli doprowadzanie powietrza jest włączone, lokalne ciśnienie w pobliżu obwodu aeratora jest niskie i często woda zbiornika wcieka do aeratora. Gdy od czasu do czasu napowietrzanie jest zatrzymywane, na przykład w celu płukania wstecznego, ogólnego czyszczenia lub innych czynności konserwacyjnych, większa ilość wody zbiornika wcieka do systemu napowietrzania. Część wody zbiornika wchodząca do systemu napowietrzania paruje pozostawiając w systemie napowietrzania osad z cząstek stałych. W przypadku zastosowań zwłaszcza do oczyszczania ścieków, osadzone cząstki stałe mogą znacznie zmniejszyć wydajność systemu napoPL 214 717 B1 wietrzania lub zmusić operatora do czasowego przerywania filtracji w celu oczyszczenia lub wymiany aeratorów.

Sposób według wynalazku służy do napowietrzania modułów membranowych mających co najmniej jedną membranę filtrującą zanurzoną w cieczy zbiornika, za pomocą co najmniej jednego aeratora zamontowanego pod modułami membranowymi.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że moduły napowietrza się a membrany oczyszcza się i/lub chroni przed zanieczyszczeniami przepuszczając powietrze przez co najmniej jeden aerator i wytwarzając pod membranami pęcherzyki powietrza, przy czym przepływ powietrza przez co najmniej jeden aerator przełącza się w powtarzalnych cyklach o czasie trwania dłuższym niż 20 i krótszym niż 120 sekund tak, że w jednym cyklu natężenie przepływu (Rh) jest wyższe, a w drugim cyklu natężenie przepływu (Rl) jest niższe, przy czym niższe natężenie przepływu (Rl) stanowi mniej niż połowę wyższego natężenia przepływu (Rh).

Korzystnie, czas trwania powtarzalnych cykli wynosi od 20 do 60 sekund.

Ewentualnie, czas trwania powtarzalnych cykli wynosi od 20 do 40 sekund.

Niższe natężenie przepływu może oznaczać całkowity brak przepływu powietrza.

Korzystnie, w co najmniej jednym aeratorze, w którym panuje wyższe natężenie przepływu, powietrze przepuszcza się z prędkością powierzchniową wynoszącą od 0,013 do 0,15 m/s.

Korzystnie drugi zestaw aeratorów, rozmieszczony w płaszczyźnie poziomej między aeratorami pierwszego zestawu, odbiera powietrze o niższym natężeniu przepływu w czasie, gdy pierwszy zestaw aeratorów odbiera powietrze o wyższym natężeniu przepływu, a drugi zestaw aeratorów odbiera powietrze o wyższym natężeniu przepływu w czasie, gdy pierwszy zestaw aeratorów odbiera powietrze o niższym natężeniu przepływu.

Korzystnie, napowietrza się i oczyszcza się i/lub chroni moduły membranowe zawierające pasma wnękowych membran włóknistych.

Urządzenie według wynalazku służy do napowietrzania cieczy w zbiorniku i zawiera co najmniej jeden zanurzony w tej cieczy moduł membranowy, przy czym urządzenie zawiera sieć rozprowadzania powietrza zawierającą liczne oddzielne gałęzie, co najmniej jeden aerator zamontowany pod co najmniej jednym modułem membranowym, pozostający w łączności dla płynu z różnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza, oraz doprowadzenie powietrza dostarczanego z początkowym natężeniem przepływu, co najmniej jeden zawór tworzący zestaw zaworowy pozostający w łączności dla płynu z doprowadzeniem powietrza i mający oddzielne wyloty pozostające w łączności dla płynu z oddzielnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden zawór tworzący zestaw zaworowy jest mechanicznie lub elektrycznie połączony z automatycznym kontrolerem zestawu zaworowego, rozdzielającym początkowy przepływ powietrza między co najmniej jedną oddzielną gałąź sieci o wyższym natężeniu przepływu, a co najmniej jedną inną oddzielną gałąź sieci o niższym natężeniu przepływu, przy czym niższe natężenie przepływu jest mniejsze, niż połowa wyższego natężenia przepływu, ponadto kontroler przełącza co najmniej jedną gałąź między odbiorem powietrza o wyższym natężeniu przepływu a odbiorem powietrza o niższym natężeniu przepływu w powtarzalnych cyklach o odstępach nie dłuższych niż 120 sekund, zaś co najmniej jeden aerator związany z pierwszą oddzielną gałęzią sieci rozprowadzania powietrza jest umieszczony w płaszczyźnie poziomej między aeratorami związanymi z drugą oddzielną gałęzią sieci rozprowadzania powietrza tak, że sąsiednie aeratory pozostają w łączności dla płynu z różnymi oddzielnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza.

Korzystnie, moduły membranowe zawierają pasma wnękowych membran włóknistych.

Ewentualnie, moduły membranowe zawierają prostokątne pasma pionowo ustawionych wnękowych membran włóknistych, umieszczonych między górnymi i dolnymi głowicami, natomiast aeratory są aeratorami kanałowymi o długości w przybliżeniu takiej jak długość głowic prostokątnych pasm, i są zamontowane równolegle do głowic prostokątnych pasm.

Urządzenie do napowietrzania według wynalazku może być używane do napowietrzania modułów membran ultrafiltracyjnych i mikrofiltracyjnych zanurzonych w zbiorniku z wodą. Urządzenie to wykorzystuje zestaw zaworowy i kontroler zestawu zaworowego do dostarczania powietrza do licznych oddzielnych gałęzi sieci rozprowadzania powietrza. Poszczególne gałęzie sieci rozprowadzania powietrza są z kolei połączone z aeratorami umieszczonymi pod modułami membranowymi. Gdy doprowadzenie powietrza zapewnia stały wejściowy strumień powietrza, zestaw zaworowy i kontroler zestawu zaworowego rozdzielają i dystrybuują ten strumień powietrza między różne gałęzie sieci

PL 214 717 B1 rozprowadzania powietrza, tak że przepływ przez każdą gałąź ma zmienną wielkość, od wyższego natężenia przepływu do niższego natężenia przepływu w powtarzalnych cyklach.

Urządzenie do napowietrzania według wynalazku może być stosowane do zapewniania przerywanego napowietrzania modułów membranowych rozmieszczonych w licznych strefach filtrowania, przy czym każdemu z tych modułów odpowiada oddzielna gałąź sieci rozprowadzania powietrza. Urządzenie jest tak skonfigurowane i pracuje w taki sposób, by zapewniać napowietrzanie w założonym przedziale czasu po kolei w każdej strefie filtrowania. W innych przykładach realizacji urządzenie według wynalazku jest stosowane do zapewniania intensywnego napowietrzania grupy modułów membranowych. W jednym z takich przykładów realizacji urządzenie jest tak skonfigurowane i pracuje w taki sposób, by doprowadzać powietrze w danej gałęzi sieci rozprowadzania powietrza na przemian w dużej i małej ilości, w cyklach 120 sekundowych lub krótszych. W innym przykładzie realizacji aeratory związane z pierwszą gałęzią sieci rozprowadzania powietrza są rozstawione wraz z aeratorami związanymi z drugą gałęzią sieci rozprowadzania powietrza. Strumień przepływu o wyższym natężeniu przepływu powietrza przełącza się między pierwszą a drugą gałęzią sieci rozprowadzania powietrza w cyklach 120 sekundowych lub krótszych.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1A przedstawia schemat urządzenia według wynalazku z zanurzoną membraną, fig. 1B, 1C i 1D moduły membranowe zgodne z przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 2 - schematyczny widok rzutu urządzenia zgodnego z przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 3 - szereg wykresów ukazujących efekty pracy przykładu realizacji niniejszego wynalazku, fig. 4A, 4B i 4C - schematy zestawów zaworowych i kontrolerów zestawów zaworowych zgodnych z przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 5 - schematyczny widok rzutu modułów membranowych i urządzenia do napowietrzania zgodnych z przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 6 - schematyczny widok rzutu modułów membranowych i urządzenia do napowietrzania zgodnych z innym przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 7A - schematyczny widok rzutu modułów membranowych i urządzenia do napowietrzania zgodnych z jeszcze innym przykładem realizacji niniejszego wynalazku, fig. 7B, 7C i 7D - widoki z boku modułów membranowych i części urządzenia do napowietrzania zgodnych z rozwiązaniami alternatywnymi do przykładu realizacji z fig. 7A, fig. 8A i 8B - widoki z boku modułów membranowych i części urządzenia do napowietrzania według przykładu realizacji niniejszego wynalazku, na które oddziałuje urządzenie do napowietrzania, fig. 9A, 9B i 9C - aeratory według przykładu realizacji niniejszego wynalazku, fig. 10A, 10B i 10C - wykresy ukazujące wyniki testów wykonywanych na przykładach realizacji wynalazku, w których zastosowano dwie grupy aeratorów, fig. 11 - wykres ukazujący wyniki testów wykonywanych na przykładach realizacji wynalazku, w których zastosowano jedną grupę aeratorów.

Odnosząc się do fig. 1A, przedstawiono ogólny układ urządzenia z reaktorem 10. Opis reaktora 10 w tej sekcji znajduje zastosowanie ogólnie do różnych opisanych poniżej przykładów realizacji w takim stopniu, w jakim nie jest niespójny z opisem któregokolwiek z poszczególnych przykładów realizacji.

Reaktor 10 zawiera zbiornik 12, który jest na początku napełniany wodą zasilającą 14 przez wlot 16. Woda zasilająca 14 może zawierać mikroorganizmy, zawieszone cząstki stałe lub inną materię, wspólnie określane w niniejszym wynalazku jako cząstki stałe. Po wprowadzeniu do zbiornika 12 woda zasilająca 14 staje się wodą 18 w zbiorniku 12, która może charakteryzować się zwiększoną koncentracją różnych cząstek stałych, zwłaszcza w przypadku gdy reaktor 10 jest stosowany do przetwarzania ścieków.

W zbiorniku 12 zamontowany jest jeden lub więcej modułów membranowych 20, które mają jedną lub więcej głowic 22 pozostających w łączności dla płynu z przepuszczalną stroną jednej lub więcej membran 6. Membrany 6 w modułach membranowych 20 mają pory o rozmiarach z zakresu mikrofiltracji lub ultrafiltracji, korzystnie między 0,003 do 10 μm.

Moduły membranowe 20 są dostępne w różnych rozmiarach i konfiguracjach wraz z różnymi konfiguracjami głowic. Na przykład, membrany 6 mogą być wgłębionymi włóknami w jednej lub więcej głowicach 22, tak że prześwity wgłębionych włókien pozostają w łączności dla płynu z co najmniej jedną głowicą 22. Głowice 22 mogą mieć dowolny odpowiedni kształt, choć typowo mają prostokątną lub okrągłą powierzchnię, do której mocuje się membrany 6. Alternatywnie, membrany 6 mogą być płaskimi płatami, które są zazwyczaj ustawione pionowo w rozstawionych parach z głowicami 22, tak że wszystkie cztery boki pozostają w łączności dla płynu z powstałą w efekcie powierzchnią wewnętrzną. Moduł membranowy 20 może zawierać jedną lub więcej membran 6 mikrofiltracyjnych lub ultrafiltracyjnych, oraz wiele modułów membranowych 20 może być razem połączonych w celu

PL 214 717 B1 utworzenia większych modułów membranowych lub kaset, przy czym wszystkie takie konfiguracje będą określane jako moduły membranowe 20.

Fig. 1B, 1C i 1D przedstawiają moduły membranowe 20 zawierające prostokątne pasma 8. W każdym prostokątnym paśmie 8 między dwiema przeciwległymi głowicami 22 utrzymywane są wnękowe membrany włókniste 23. Końce każdej wnękowej membrany włóknistej 23 są otoczone zalewaną żywicą w celu wytworzenia wodoszczelnego połączenia między zewnętrzną stroną wnękowej membrany włóknistej 23 i głowicami 22, przy jednoczesnym zapewnieniu prześwitów we wnękowych membranach włóknistych 23 pozostających w łączności dla płynu z co najmniej jedną głowicą 22. Prostokątne pasma 8 mogą być ustawione w płaszczyźnie poziomej (fig. 1B), pionowej (fig. 1C) lub poziomo w płaszczyźnie pionowej (fig. 1D). W module membranowym 20 połączone są zazwyczaj razem liczne prostokątne pasma 8.

Choć w każdym prostokątnym paśmie 8 pokazano jeden rząd wnękowych membran włóknistych 23, typowe prostokątne pasmo 8 zawiera dużą ilość wnękowych membran włóknistych 23 o szerokości od 2 do 10 cm. Wnękowe membrany włókniste 23 zazwyczaj mają średnicę zewnętrzną od 0,4 do 4,0 mm oraz są upakowane z gęstością od 10 do 40%. Wnękowe membrany włókniste 23 mają zazwyczaj długość od 400 do 1800 mm i są zamontowane z luzem od 0,1 do 5%.

Odnosząc się nadal do fig. 1A, w czasie przepuszczania wody przez membrany zbiornik 12 jest napełniony wodą 18 do poziomu powyżej membran 6 w modułach membranowych 20. Filtrowana woda 24 przepływa przez ścianki membran 6 w modułach membranowych 20 pod wpływem działania ciśnienia przyłożonego na wskroś membran i gromadzi się przy głowicach 22, skąd jest transportowana do wylotu 26 przez linię 28. Ciśnienie na wskroś membran korzystnie jest wytwarzane przez pompę 30, która wytwarza częściowe podciśnienie w linii 28. Różnica ciśnień po obu stronach membrany może być różne dla różnych membran i różnych zastosowań, przy czym z reguły wynosi od 1 do 150 kPa. Filtrowana woda 24 może być również okresowo zawracana w kierunku przeciwnym przez moduły membranowe 20, tak aby wspomagać czyszczenie modułów membranowych 20.

W czasie filtrowania, membrany 6 odrzucają cząstki stałe, które pozostają w wodzie 18 zbiornika 12. Te cząstki stałe można usuwać na różne sposoby, na przykład przez doprowadzenie do fermentacji przez mikroorganizmy, w przypadku gdy reaktor 10 jest bioreaktorem, okresowe drenowanie zbiornika 12 lub ciągłe usuwanie części wody 18 zbiornika 12, przy czym ostatnie dwie z tych metod są realizowane przez otwieranie zaworu ściekowego 32 w przewodzie spustowym 34 na spodzie zbiornika 12.

Urządzenie do napowietrzania 37 obejmuje jeden lub więcej aeratorów 38, połączonych systemem rozprowadzania powietrza 40 i dystrybucyjną rurą rozgałęźną 51 ze źródłem powietrza 42, które zazwyczaj jest dmuchawą, jedną lub więcej, oraz wytwarza pęcherzyki 36 w wodzie 18 zbiornika 12. Aeratory 38 mogą być różnych typów, do których można zaliczyć różne aeratory, takie jak aeratory nasadkowe, lub po prostu otwory wydrążone w przewodach przymocowanych lub stanowiących część dystrybucyjnej rury rozgałęźnej 51. Pęcherzyki 36, korzystnie pęcherzykami powietrza, aczkolwiek jeśli to wymagane można je wytwarzać z innych gazów, takich jak tlen lub powietrze wzbogacone tlenem.

Aeratory 38 są umieszczone zasadniczo pod modułami membranowymi 20. Jeśli moduły membranowe 20 są wykonane z prostokątnych pasm 8 zawierających pionowe wnękowe membrany włókniste 23, korzystnie aeratory 38 są tak umieszczone, aby wytwarzać pęcherzyki w pobliżu krawędzi dolnej głowicy. W przypadku, gdy prostokątne pasmo 8 zawiera pionowe wnękowe membrany włókniste 23 ustawione w płaszczyźnie pionowej, aeratory 38 są korzystnie tak rozmieszczone, aby wytwarzały pęcherzyki w linii bezpośrednio pod płaszczyzną pionową. W przypadku gdy prostokątne pasmo 8 zawiera pionowe wnękowe membrany włókniste 23 ustawione w płaszczyźnie poziomej, aeratory 38 są korzystnie tak rozmieszczone, aby wytwarzały pęcherzyki równomiernie rozpraszane pod płaszczyzną.

Pęcherzyki 36 wchodzą w kontakt fizyczny z membranami 6 uderzając w membrany 6, co zapobiega zapychaniu ich oraz prowadzi do ich oczyszczenia. Ponadto, pęcherzyki 36 zmniejszają lokalną gęstość wody 18 zbiornika 12 w pobliżu modułów membranowych 20, co prowadzi do powstania siły nośnej powodującej, że woda 18 zbiornika 12 płynie do góry przez moduły membranowe 20. Efekt siły nośnej powoduje powstanie wzoru recyrkulacji 46, w którym woda 18 zbiornika 12 płynie do góry przez moduły membranowe 20 i dalej w dół wzdłuż boków lub innych części zbiornika 12. Pęcherzyki 36 zwykle rozrywają się przy powierzchni i nie podążają za wodą 18 zbiornika 12 w kierunku do dołu we wzorze recyrkulacji 46. Woda 18 zbiornika 12 może również płynąć na przykład zgodnie z ruchem od wlotu 16 do przewodu spustowego 34, przy czym taki przepływ nie znosi przepływu generowanego przez pęcherzyki 36.

PL 214 717 B1

Pęcherzyki 36 mają średnicę o średniej wielkości od 0,1 do 50 mm. Pojedyncze duże pęcherzyki 36 uważa się za bardziej efektywne w czyszczeniu lub zapobieganiu zapychaniu membran 6, lecz mniejsze pęcherzyki 36 wydajniej roznoszą tlen w wodzie 18 zbiornika 12, a do ich wytworzenia potrzeba mniejszej energii na poszczególny pęcherzyk 36. Pęcherzyki 36 o średnicy między 3 mm i 20 mm, a korzystnie między 5 i 15 mm, są odpowiednie w zastosowaniach do przetwarzania ścieków. Pęcherzyki 36 z opisanych powyżej zakresów zapewniają efektywne czyszczenie membran 6 i akceptowalny poziom roznoszenia tlenu w wodzie 18 zbiornika 12 bez powodowania powstawania nadmiernej piany w wodzie 18 zbiornika 12 przy powierzchni zbiornika 12. Gdy reaktor 10 jest używany do pozyskiwania wody pitnej lub do innych zastosowań, w których nie jest wymagane rozprowadzanie tlenu, pęcherzyki o rozmiarze między 5 i 25 mm są najbardziej korzystne.

Pęcherzyki 36 mogą być większe niż otwór w aeratorze 38, oraz są tworzone na bazie znanych czynników takich jak ciśnienie powietrza, wielkość przepływu i głębokość ustawienia aeratorów 38 pod powierzchnią wody 18 zbiornika 12. Jeśli aeratory 38 są umieszczone w pobliżu dna dużego zbiornika 12, takiego jak używane w przetwórniach komunalnych, to może być zastosowany aerator 38 z otworami o rozmiarze od 2 do 15 mm, a korzystnie od 5 do 10 mm. Zapewniane ciśnienie powietrza (względem ciśnienia atmosferycznego) jest z reguły określane jako wielkość słupa wody na głębokości, na której zanurzone są aeratory 38 (w przybliżeniu 10 kPa na metr), i powiększone o dodatkowe ciśnienie wymagane do uzyskania wymaganej wielkości przepływu powietrza przez aeratory 38. Zazwyczaj występuje spadek ciśnienia o wartości od 5 do 100 mm, a najczęściej od 10 do 50 mm, na wskroś otworów aeratorów 38. Część urządzenia do napowietrzania 37 umieszczone w pewnej odległości poniżej spodu otworów aeratorów 38 równej spadkowi ciśnienia są zasadniczo wolne od wody 18 zbiornika 12 w czasie pracy źródła powietrza 42, chociaż małe ilości wody 18 zbiornika 12 wciąż mogą wciekać do urządzenia do napowietrzania 37.

Na fig. 2 przedstawiono urządzenie do napowietrzania 237 obejmujące doprowadzenie powietrza 242 pozostające w łączności dla płynu z zestawem zaworowym 254, a zestaw zaworowy 254 jest kontrolowany przez kontroler 256 zestawu zaworowego 254. Zestaw zaworowy 254 pozostaje w łączności dla płynu z siecią rozprowadzania powietrza 240, zawierają liczne gałęzie, z których każda pozostaje w łączności dla płynu z różnymi rurami rozgałęźnymi 251, które są w łączności dla płynu z aeratorami kanałowymi 238. Mogą być również zastosowane inne typy aeratorów przy odpowiedniej modyfikacji rur rozgałęźnych 251 lub sieci rozprowadzania powietrza 240, przy czym jednak korzystne są aeratory kanałowe 238. Trzecia gałąź sieci rozprowadzania powietrza 240 i trzecia rura rozgałęźna 251 są zaznaczone liniami przerywanymi dla podkreślenia, że ilość różnych gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240 i rur rozgałęźnych 251 może wynosić dwa lub więcej, lecz korzystnie nie jest większa niż 15.

Doprowadzenie powietrza 242 jest źródłem sprężonego powietrza, typowo utworzonym przez jedną lub więcej dmuchaw powietrznych, które zapewnia doprowadzanie strumienia powietrza o prędkości początkowej do urządzenia do napowietrzania. Określenie „powietrze może oznaczać w niniejszym opisie również tlen, powietrze wzbogacone tlenem lub ozonem, lub azot, w którym to przypadku doprowadzenie powietrza 242 będzie zawierać oprócz dmuchawy powietrznej instalację do ozonowania lub nasycania tlenem. W niniejszym opisie określenie „powietrze należy rozumieć jako dowolny odpowiedni gaz. Ilość powietrza wprowadzaną przez doprowadzenie powietrza 242 najlepiej można określić jako sumę ilości powietrza dostarczanego do wszystkich aeratorów kanałowych 238 (które zostaną opisane poniżej) obsługiwanych przez to doprowadzenie powietrza 242. W korzystnym rozwiązaniu, doprowadzenie powietrza 242 dostarcza stałą w czasie ilość powietrza.

Poniżej zostaną opisane bardziej szczegółowo zestaw zaworowy 254 i kontroler 256 zestawu zaworowego. Ogólnie, zestaw zaworowy 254 i kontroler 256 zestawu zaworowego dzielą strumień powietrza z doprowadzenia powietrza 242 między gałęzie sieci rozprowadzania powietrza 240 w taki sposób, że w pewnym momencie niektóre gałęzie otrzymują powietrze w dużej ilości, a niektóre w małej ilości, oraz przełączają gałęzie sieci rozprowadzania powietrza 240, tak że odbierają one strumień o niższym lub wyższym natężeniu przepływu w powtarzalnych cyklach.

Przykład realizacji przedstawia fig. 3. W każdej z części a, b i c fig. 3 Rh oznacza wyższe natężenie przepływu powietrza, Rl oznacza niższe natężenie przepływu powietrza, natomiast punkty czasu od 0 do t3 powtarzają się w kolejnych cyklach. Cykl jest podzielony na trzy zasadniczo równe okresy: 0-t1, t1-t2 i t2-t3. W każdym z tych okresów, jedna gałąź systemu rozprowadzania powietrza 240 i związana z nią rura rozgałęźna 251 otrzymują powietrze na poziomie przepływu Rh, natomiast pozostałe z tych gałęzi otrzymują powietrze na poziomie przepływu Rl. Podobnie, każda gałąź systemu

PL 214 717 B1 rozprowadzania powietrza 240 i związana z nią rura rozgałęźna 251 otrzymują powietrze na poziomie przepływu Rh w jednym z trzech cykli oraz na poziomie przepływu Rl w dwóch z trzech cykli.

Wiele z zestawów zaworowych 254, które zostaną tutaj szczegółowo opisane, może zapewniać łagodne różnicowanie wielkości przepływu powietrza do rury rozgałęźnej 251, aczkolwiek korzystne jest, aby zmiana dokonywała się w gwałtowny sposób, jak to zasugerowano na fig. 3. Twórcy wynalazku stwierdzili, że gwałtowne zmiany powodują powstanie krótkiej wiązki bardzo dużych pęcherzyków 36, które zapewniają bardzo dobre czyszczenie i zapobieganie zapychaniu membran. Gwałtowne zmiany często powodują powstanie ostrego impulsu przepływu powietrza zaraz po przejściu poziomu przepływu z Rl do Rh, co wiąże się z powstaniem skoku ciśnienia. Ten skok ciśnienia musi być utrzymywany w określonych granicach odpowiednich dla urządzenia do napowietrzania 237 lub obecnych zaworów odcinających i tym podobnych urządzeń.

Ilość powietrza dostarczana do rury rozgałęźnej 251 lub gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240 zależy od różnych czynników, choć z korzyścią przede wszystkim zależy od prędkości powierzchniowej aeratorów kanałowych 238. Prędkość powierzchniowa przepływu powietrza jest wyznaczana jako wielkość przepływu powietrza do aeratorów kanałowych 238 w warunkach standardowych (1 atmosfera i 25 stopni Celsjusza) podzielona przez powierzchnię przekroju poprzecznego napowietrzania. Przekrój poprzeczny napowietrzania jest wyznaczany przez pomiar obszaru efektywnie napowietrzanego przez aeratory kanałowe 238. Prędkości powierzchniowe przepływu powietrza o wielkościach od 0,013 m/s do 0,15 m/s są korzystne w przypadku wyższego natężenia przepływu (Rh). Dmuchawy powietrzne stosowane do pozyskiwania wody pitnej mogą mieć rozmiar dobrany z dolnej części zakresu, natomiast dmuchawy powietrzne stosowane do przetwarzania ścieków mogą mieć rozmiar dobrany z górnej części zakresu.

Rl wynosi zazwyczaj mniej niż połowę Rh i często oznacza warunki odcięcia przepływu powietrza. W tym zakresie, niższe natężenie przepływu zależy od jakości wody zasilającej 14. Warunki odcięcia przepływu powietrza są uważane za najkorzystniejsze, lecz w przypadku niektórych rodzajów wody zasilającej 14, wnękowe membrany włókniste 23 w dużym stopniu zapychają się nawet w krótkim okresie napowietrzania o małej wielkości. W tych przypadkach, lepsze rezultaty osiąga się gdy niższe natężenie przepływu powietrza wynosi około połowę wyższego natężenia przepływu powietrza.

Nawiązując do fig. 4A, 4B i 4C, przedstawiono alternatywne przykłady realizacji zestawu zaworowego 254 i kontrolera 256 zaworu. Na fig. 4A, doprowadzenie powietrza 242 wdmuchuje powietrze do trójdrożnego zaworu 292, korzystnie zaworu kulkowego, którego dwa pozostałe otwory są połączone z dwiema rurami rozgałęźnymi 251. Kontroler 294 zaworu trójdrożnego na przemian otwiera przejście dla powietrza do jednej z rur rozgałęźnych 251, po czym przełącza przejście do następnej. Korzystnie, występuje pewne przesunięcie fazy o 180 stopni, tak że przejście dla powietrza do jednej z rur rozgałęźnych 251 otwiera się w czasie, gdy takie przejście do drugiej z rur rozgałęźnych 251 zamyka się. Zawór trójdrożny 292 może być mechanicznie sterowany za pomocą uchwytu 296 połączonego łącznikiem 298 z dźwignią 299 na kontrolerze 294 zaworu trójdrożnego 292, który jest jednostką napędową obracającą się z wymaganą prędkością obrotu dźwigni 299. Korzystnie, kontroler 294 zaworu trójdrożnego 292 jest elementem łączącym mikroprocesor i serwomechanizm lub zespół elektromagnetyczny, który to element może być łatwo konfigurowany do gwałtownego przełączania zaworu trójdrożnego 292.

Zgodnie z fig. 4B, doprowadzenie powietrza 242 wdmuchuje powietrze do łącznika 261, który dzieli przepływ powietrza na linię o niższym natężeniu przepływu 262 i linię o wyższym natężeniu przepływu 264. Zawór 266 w linii o niższym natężeniu przepływu 262 jest tak wyregulowany, że strumień w linii o niższym natężeniu przepływu 262 korzystnie jest mniejszy niż około połowa strumienia w linii o wyższym natężeniu przepływu 264. Kontroler 268, korzystnie będący regulatorem czasowym, mikroprocesorem lub jednym lub większą ilością silników, steruje zaworem 270 niższego natężenia przepływu, którym może być zawór elektromagnetyczny lub trójdrożny zawór kulowy, oraz zaworem 272 wyższego natężenia przepływu którym również może być zawór elektromagnetyczny lub trójdrożny zawór kulowy, tak że w pierwszym przedziale czasu (pierwsza część cyklu) powietrze w linii 262 o niższym natężeniu przepływu wpływa do rur rozgałęźnych 251, a powietrze w linii 264 o wyższym natężeniu przepływu wpływa do innej rury rozgałęźnej 251. W drugim przedziale czasu (druga część cyklu), zawór 270 niższego natężenia przepływu i zawór 272 wyższego natężenia przepływu są sterowane w taki sposób, że powietrze w linii 262 niższego natężenia przepływu wpływa do rury rozgałęźnej 251 przez przewód krzyżowy 274, a powietrze w linii 264 wyższego natężenia przepływu wpływa do innej rury rozgałęźnej 251 przez przewód wsteczny 276.

PL 214 717 B1

Zgodnie z fig. 4C, doprowadzenie powietrza 242 wdmuchuje powietrze do głowicy dmuchawy 260 połączonej zaworami podporządkowanymi 284 z rurami rozgałęźnymi 251. Każdy zawór podporządkowany 284 jest sterowany przez urządzenia podporządkowane 280, zazwyczaj przez zespół elektromagnetyczny lub serwomotor. Urządzenia podporządkowane są sterowane przez mikroprocesor 282 zaprogramowany do zamykania i otwierania zaworów podporządkowanych 284 zgodnie z trybem pracy systemu opisanym w tej sekcji i w przedstawionych poniżej przykładach realizacji.

Stosowanie urządzenia do napowietrzania 237 dla zapewniania wydajnego przerywanego napowietrzania zostanie opisane w nawiązaniu do przedstawionego przykładu realizacji, przy czym oczywiste jest, że wynalazek nie ogranicza się jedynie do tego przykładu realizacji. Odnosząc się do fig. 5, przedstawiono urządzenie do napowietrzania 237, które zapewnia przerywane napowietrzanie sześciu modułów membranowych 20 (zaznaczonych przerywanymi liniami) w zbiorniku filtracyjnym 412. Zbiornik filtracyjny 412 ma sześć stref filtracyjnych (również zaznaczonych liniami przerywanymi) odpowiadających sześciu modułom membranowym 20. Alternatywnie, strefy filtracyjne mogą być rozmieszczone w oddzielnych zbiornikach, tak że w każdym zbiorniku znajduje się jeden lub więcej modułów membranowych 20. Moduły membranowe 20 są stosowane do filtrowania względnie zanieczyszczonej wolnej wody powierzchniowej, takiej że odpowiednie jest stosowanie przerywanego napowietrzania.

Sieć rozprowadzania powietrza 240 obejmuje sześć różnych gałęzi, z których każda jest połączona z rurą rozgałęźną 251 w strefie filtracji. Każda rura rozgałęźna 251 jest z kolei połączona z aeratorami kanałowymi 238 zamontowanymi zasadniczo pod modułami membranowymi 20. Zestaw zaworowy 254 i kontroler 256 zestawu zaworowego mają taki układ i są tak sterowane, aby dostarczać powietrze z doprowadzenia powietrza 242 do sieci rozprowadzania powietrza 240 w cyklu 7,5 minutowym, w którym powietrze o wyższym natężeniu przepływu ilości jest po kolei dostarczane przez około 75 sekund do każdej z gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240. W czasie gdy dana gałąź sieci rozprowadzania powietrza nie przyjmuje powietrza o wyższym natężeniu przepływu, wówczas otrzymuje powietrze o niższym natężeniu przepływu. W związku z tym, każda rura rozgałęźna 251 otrzymuje powietrze o wyższym natężeniu przepływu przez 75 sekund co 7,5 minuty. Przy tym jednak doprowadzenie powietrza 242 pracuje w sposób ciągły oraz obsługuje sześć rur rozgałęźnych ma taki rozmiar jak dla jednej rury rozgałęźnej 251.

Korzystne jest, gdy płukanie wsteczne modułów membranowych 20 wykonuje się również w modułach membranowych w czasie ich napowietrzania. Moduły membranowe mogą być najłatwiej wstecznie płukane, gdy każdy moduł membranowy 20 jest obsługiwany przez swą własną pompę 30 permeatu i urządzenie do płukania wstecznego. W dużych systemach komunalnych urządzenie permeacyjne i płukania wstecznego mają wydajność ograniczoną zazwyczaj do około 8 do 11 megalitrów na dzień. W instalacjach średniej wielkości (to znaczy o wydajności rzędu 40 megalitrów na dzień) będzie występować pewna ilość modułów membranowych 20 obsługiwanych przez zestawy urządzeń permeacyjnych i do wstecznego płukania, które mogą być sterowane indywidualnie. W niektórych instalacjach płukanie wykonuje się w modułach membranowych 20 po kolei w celu zapewnienia równomiernego dostarczania permeatu 24 niezależnie od napowietrzania.

W badaniach pilotażowych prowadzonych na wodzie zasilającej 14 na przykład o mętności 0,3 w nefelometrycznej jednostce mętności i kolorze 3,9 w jednostkach True Colour, twórcy byli w stanie osiągnąć akceptowalną utrzymywaną przepuszczalność modułu membranowego przez zastosowanie 75 sekundowego napowietrzania o dużej wielkości 0,035 m/s prędkości powierzchniowej co każde 15 minut i 15 sekund. Przez pozostałą część cyklu nie występowało żadne napowietrzanie. Każdy cykl obejmował 15 minut przepuszczania przez moduły membranowe 20 i 15 sekund płukania wstecznego. 75 sekund napowietrzania było tak zsynchronizowane, że występowało przez 30 sekund przed impulsem wstecznym, w czasie impulsu wstecznego i 30 sekund po impulsie wstecznym. Opisywany test sugeruje, że jeśli cykliczne napowietrzanie jest tak ustawione w czasie, by zbiegać się w każdej rurze rozgałęźnej 251 z płukaniem wstecznym odpowiedniego modułu membranowego 20, wówczas około 12 modułów membranowych 20 może być obsługiwanych przez pojedyncze doprowadzenie powietrza 242 jako część urządzenia do napowietrzania 237.

Stosowanie urządzenia do napowietrzania 237 dla zapewniania intensywnego napowietrzania zostanie opisane z nawiązaniem do przedstawionego poniżej przykładu realizacji, przy czym oczywiste jest, że wynalazek nie ogranicza się jedynie do tego przykładu realizacji. Odnosząc się do fig. 6, przedstawiono urządzenie do napowietrzania 237, do zapewniania napowietrzania przełączanego między dwoma zestawami modułów membranowych 20 (zaznaczonych liniami przerywanym) w zbiorPL 214 717 B1 niku filtracyjnym 512. Zbiornik filtracyjny 512 ma dwie strefy filtracji (również zaznaczone liniami przerywanymi) odpowiadające dwóm zestawom modułów membranowych 20. Alternatywnie, strefy filtracji mogą być rozmieszczone w oddzielnych zbiornikach, tak że w każdym zbiorniku znajduje się jeden lub więcej modułów membranowych 20. Moduły membranowe 20 będą używane jako filtr dla bogatej w nieczystości wody powierzchniowej lub ścieków, tak że odpowiednie jest stosowanie intensywnego napowietrzania.

Sieć rozprowadzania powietrza 240 obejmuje dwie różne gałęzie, z których każda jest połączona z rurą rozgałęźną 251 w strefie filtracji. Każda rura rozgałęźna 251 jest z kolei połączona z aeratorami kanałowymi 238 zamontowanymi zasadniczo pod modułami membranowymi 20. Zestaw zaworowy 254 i kontroler 256 zestawu zaworowego 254 mają taki układ i są tak sterowane, aby dostarczały powietrze z doprowadzenia powietrza 242 do sieci rozprowadzania powietrza 240 w krótkim cyklu, w którym powietrze o wyższym natężeniu przepływu jest po kolei dostarczane przez połowę czasu do każdej z gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240. W czasie gdy dana gałąź sieci rozprowadzania powietrza 240 nie przyjmuje powietrza o wyższym natężeniu przepływu, wtedy otrzymuje powietrze o niższym natężeniu przepływu.

Korzystny całkowity czas cyklu może być różny zależnie od głębokości zbiornika filtracyjnego 512, rozwiązania modułów membranowych 20, parametrów procesowych i stanu przeznaczonej do przetwarzania wody zasilającej 14, choć korzystnie wynosi co najmniej 10 sekund (pięć sekund pełnego natężenia przepływu i 5 sekund niższego natężenia przepływu) gdy zbiornik filtracyjny 512 jest typowym zbiornikiem komunalnym o głębokości od 1 m do 10 m. Czas cyklu do 120 sekund (60 sekund pełnego natężenia przepływu, 60 sekund niższego natężenia przepływu) może być efektywny, lecz korzystnie cykl nie przekracza 60 sekund (30 sekund pełnego natężenia przepływu, 30 sekund niższego natężenia przepływu), gdy zbiornik filtracyjny 512 jest typowym zbiornikiem filtracyjnym.

Twórcy niniejszego wynalazku uważają, że krótkie cykle tworzą przejściowe przepływy w wodzie 18 zbiornika 12. W szczególności, powstaje lub jest wzmacniany efekt siły nośnej gdy natężenie przepływu zmienia się z Rl na Rh, powodując przyspieszenie wody 18 zbiornika 12. Krótko potem napowietrzanie i efekt siły nośnej są gwałtownie zmniejszane powodując, że woda 18 zbiornika 12 zwalnia. W przypadku bardzo krótkich cykli woda 18 zbiornika 12 przyspiesza lub zwalnia przez większą część cyklu i rzadko jest w stanie spokojnym. Uważa się, że powstawanie stojących stref w wodzie 18 zbiornika 12 jest wtedy niemożliwe i wzmacniany jest korzystny ruch wnękowych membran włóknistych 23. Na przykład, poziome wnękowe membrany włókniste 23, jak to pokazano w prostokątnych pasmach 8 na fig. 1B i 1D, przyjmują zasadniczo wklęsły do dołu kształt pod wpływem stałego napowietrzania i doświadczają ograniczonego ruchu przy swych końcach. W przypadku opisanego powyżej napowietrzania cyklicznego, napór na wnękowe membrany włókniste 23 jest cyklicznie zwalniany i, w pewnych przypadkach, mogą powstawać lokalne prądy płynące do dołu przez krótkie przedziały czasu. Końce poziomej wnękowej membrany włóknistej 23 doświadczają bardziej korzystnego ruchu i zapychają się wolniej. Ponieważ korzystne efekty można wiązać z powstawaniem przejściowego przepływu, uważa się, że czynniki które wymuszają przyspieszanie słupa wody ponad zestawem aeratorów kanałowych 238, takie jak głębokość zbiornika 12 lub osłanianie strumienia, mogą wpływać na modyfikację wymienionych powyżej korzystnych czasów trwania cyklu.

Stosowanie urządzenia do napowietrzania cyklicznego 237 do wspomagania przepływu poziomego w wodzie 18 zbiornika 12 zostanie opisane z nawiązaniem do przedstawionego poniżej przykładu realizacji, przy czym oczywiste jest, że wynalazek nie ogranicza się jedynie do tego przykładu realizacji. Odnosząc się do fig. 7, przedstawiono urządzenie do napowietrzania 237 do stosowania do napowietrzania modułów membranowych 20 w zbiorniku procesowym 612. Moduły membranowe 20 zostaną zastosowane do filtrowania względnie bogatej w zanieczyszczenia wody powierzchniowej lub ścieków, tak że korzystne jest stosowanie intensywnego napowietrzania.

Sieć rozprowadzania powietrza 240 zawiera dwie różne gałęzie połączone z dwiema różnymi rurami rozgałęźnymi 251, z których obie znajdują się w jednej strefie filtracji. Rury rozgałęźne 251 będą określane jako rura rozgałęźna 251a i 251b gdy tylko korzystne będzie ich rozróżnienie. Rury rozgałęźne 251 są połączone z aeratorami kanałowymi 238, tak że aeratory kanałowe 238 przymocowane do rury rozgałęźnej 251a są rozstawione na przemian z aeratorami kanałowymi 238 przymocowanymi do rury rozgałęźnej 251b. Jeden taki układ pokazano na fig. 7A, na której rura rozgałęźna 251a jest połączona z poziomo rozmieszczonymi aeratorami kanałowymi 238 umieszczonymi pod i między modułami membranowymi 20. Odnosząc się do fig. 7B, 7C i 7D, przedstawiono szereg wariantów przykładu realizacji z fig. 7A. Na fig. 7B rura rozgałęźna 251a i rura rozgałęźna 251b są połą10

PL 214 717 B1 czone na przemian z poziomo rozmieszczonymi aeratorami kanałowymi 238 umieszczonymi pod modułami membranowymi 20. Na fig. 7C, rura rozgałęźna 251a i rura rozgałęźna 251b są połączone na przemian z poziomo rozmieszczonymi aeratorami kanałowymi 238 umieszczonymi bezpośrednio pod modułami membranowymi 20. Na fig. 7C, rura rozgałęźna 251a i rura rozgałęźna 251b są połączone na przemian z poziomo rozmieszczonymi aeratorami kanałowymi 238 umieszczonymi bezpośrednio pod i między modułami membranowymi 20. W każdym z tych przypadków taki wzór może się powtarzać, gdy stosuje się więcej modułów membranowych 20.

Każda z rur rozgałęźnych 251a i 251b jest połączona z oddzielną gałęzią sieci rozprowadzania powietrza 240, które są z kolei połączone z zestawem zaworowym 254. Zestaw zaworowy 254 i kontroler 256 zaworu mają taki układ i są tak sterowane, aby dostarczać powietrze z doprowadzenia powietrza 242 do sieci rozprowadzania powietrza 240 w krótkim cyklu, w którym powietrze o wyższym natężeniu przepływu jest po kolei dostarczane przez połowę czasu do każdej z gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240. W czasie gdy dana gałąź sieci rozprowadzania powietrza 240 nie otrzymuje powietrza o wyższym natężeniu przepływu, wtedy otrzymuje powietrze o niższym natężeniu przepływu. Niższe natężenie przepływu korzystnie stanowi co najwyżej połowę wielkości wyższego natężenia przepływu, przy czym, gdy warunki na to pozwalają, przepływ o niższym natężeniu oznacza całkowity brak przepływu powietrza.

Korzystny całkowity czas cyklu może być różny zależnie od głębokości zbiornika filtracyjnego 612, rozwiązania modułów membranowych 20, parametrów procesowych i stanu przeznaczonej do przetwarzania wody zasilającej 14, choć korzystnie wynosi przynajmniej 2 sekundy (1 sekundę pełnego natężenia przepływu i 1 sekundę niższego natężenia przepływu) i mniej niż 120 sekund (60 sekund pełnego natężenia przepływu, 60 sekund niższego natężenia przepływu), gdy zbiornik filtracyjny 612 jest typowym zbiornikiem komunalnym o głębokości od 1 m do 10 m. Korzystnie, czas cyklu trwa od 20 do 40 sekund. Krótkie cykle, rzędu 10 sekund lub krótsze, mogą być nie wystarczające do utworzenia obszarów o różnych gęstościach w wodzie 18 zbiornika 12 w głębokim zbiorniku 12, ponieważ czas taki jest niewystarczający do umożliwienia pęcherzykom 36 wzniesienia się na wystarczającą odległość od dna zbiornika 12. Długie cykle, rzędu 120 sekund lub dłuższe, mogą prowadzić do tego, że niektóre części modułu membranowego 20 nie będą otrzymywać pęcherzyków 36 przez długie okresy, co może prowadzić do szybkiego ich zapchania. Jak to omówiono powyżej, korzystne efekty związane z niniejszym wynalazkiem mogą być wiązane z powstawaniem przejściowego przepływu oraz uważa się, że czynniki które wymuszają przyspieszanie słupa wody ponad zestawem aeratorów kanałowych 238, takie jak głębokość zbiornika 612 lub osłanianie strumienia, mogą wpływać na modyfikację wymienionych powyżej korzystnych czasów trwania cyklu.

W tym przykładzie realizacji, gdy aeratory kanałowe 238 połączone z rurami rozgałęźnymi 251a są przemieszane z aeratorami kanałowymi 238 przymocowanymi do rury rozgałęźnej 251b, powstają różne strefy o mniejszej i większej gęstości w wodzie 18 zbiornika 12 w strefie filtracji. Jak to opisano powyżej, twórcy wynalazku uważają, że te różnice powodują powstanie przepływów przejściowych w wodzie 18 zbiornika 12. Twórcy wynalazku uważają, że tam gdzie efektywne obszary ponad aeratorami kanałowymi 238 przymocowanymi do oddzielnych gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240 są wystarczająco małe, tworzy się przejściowy przepływ w kierunku poziomym między obszarami ponad aeratorami kanałowymi 238 przymocowanymi do różnych gałęzi sieci rozprowadzania powietrza 240. Odnosząc się do fig. 7A, 7B, 7C i 7D, przedstawiono moduły membranowe 20 o korzystnych rozmiarach jednego lub dwóch prostokątnych pasm 8.

Jako przykład, na fig. 8A i 8B przedstawiono moduły membranowe 220, wykonane z prostokątnych pasm 8 z ustawionymi pionowo wnękowymi membranami włóknistymi 23, napowietrzane przez urządzenie do napowietrzania 237 z aeratorami kanałowymi 238 umieszczonymi względem modułów membranowych 20 tak jak o pokazano na fig. 7D. Na fig. 8A i 8B, wielkość luzu wnękowych membran włóknistych 23 jest znacznie przesadzona dla większej jasności rysunku. Ponadto, pokazano jedynie dwie wnękowe membrany włókniste 23 dla każdego pionowego prostokątnego pasma 8, chociaż, jak to wspomniano powyżej, prostokątne pasmo 8 może w rzeczywistości zawierać wiele wnękowych membran włóknistych 23.

W stanie stałego napowietrzania trudno jest skłonić pęcherzyki 36 do penetracji pionowych prostokątnych pasm 8. Naturalna skłonność pęcherzyków 36 polega na wchodzeniu do obszarów o najmniejszym oporze, takich jak wokół modułów membranowych 220 lub przez szczeliny między modułami membranowymi 220, a wnękowe membrany włókniste 23 na zewnętrznej krawędzi pionowych prostokątnych pasm 8 mają znacznie większy kontakt z pęcherzykami 36. Ponadto, górne 10-20%

PL 214 717 B1 wnękowych membran włóknistych 23 jest często wyginane w ciasno zakrzywiony kształt w wyniku działania siły nośnej powietrza i porusza się jedynie nieznacznie. Mniejsza część spodu wnękowych membran włóknistych 23 może być również ciasno zakrzywiona przez prąd występujący wokół dolnej głowicy 22. W tych ciasno zakrzywionych obszarach, wnękowe membrany włókniste 23 szybciej się zapychają.

Jednakże w przypadku napowietrzania cyklicznego, powietrze o wyższym natężeniu przepływu jest przełączane między rurą rozgałęźną 251a i 251b. Gdy do rury rozgałęźnej 251a dostarczane jest więcej powietrza, wnękowe membrany włókniste 23 przyjmują kształt pośredni, tak jak to pokazano na fig. 8A, z pierwszym wzorem recyrkulacji lokalnej 380. Gdy więcej powietrza dostarczane jest do głowicy 251b, to wnękowe membrany włókniste 23 przyjmują kształt pośredni, tak jak to pokazano na fig. 8B, z drugim wzorem recyrkulacji lokalnej 382. Pod wpływem urządzenia do napowietrzania cyklicznego 237, wnękowe membrany włókniste 23 zmieniają swą pozycję między pozycjami pokazanymi na fig. 8A i 8B. W takim przypadku, część wnękowych membran włóknistych 23, która porusza się bardzo nieznacznie, ma zmniejszony rozmiar. Krążenie powoduje również powstanie przepływu wstecznego do i z prostokątnych pasm 8, co według twórców wynalazku wspomaga pęcherzyki 36 w głębszej penetracji w pionowych prostokątnych pasmach 8.

Odnosząc się do fig. 9A, przedstawiono aerator kanałowy 238. Aerator kanałowy 238 obejmuje wydłużony pusty korpus 302, który ma postać okrągłej rury o wewnętrznej średnicy z zakresu od 15 do 100 mm. Przez korpus 302 przechodzi szereg otworów 304 pozwalając powietrzu przechodzącemu przez aerator kanałowy na tworzenie pęcherzyków. Rozmiar, ilość i położenie otworów może być różnie dobierane, przy czym w przypadku prostokątnych pasm 8 korzystne są na przykład 2 otwory (po jednym z każdej strony) o średnicy od 5 do 10 mm, rozmieszczone co 50 do 100 mm wzdłuż korpusu 302, a doprowadzane do nich powietrze powoduje spadek ciśnienia w otworach o wielkości od 10 do 100 mm słupa wody na głębokości aeratora kanałowego 238.

Powietrze wchodzi do aeratora kanałowego 238 przez wlot 306. Na przeciwnym końcu aeratora kanałowego 238 znajduje się wylot 308. Najwyższy punkt na wylocie 308 jest umieszczony poniżej najniższego punktu na wlocie 306, a odległość w pionie między tymi punktami wynosi tyle, ile spodziewany spadek ciśnienia wody na głębokości aeratora kanałowego 238 w poprzek otworów 304. Minimalny spodziewany spadek ciśnienia wody na głębokości aeratora kanałowego 238 w poprzek otworów 304 korzystnie wynosi co najmniej tyle co odległość między górą otworów 304 i wewnętrznym spodem korpusu 302. Styk powietrze/woda 309 między powietrzem w aeratorze kanałowym 238 i wodą 18 otaczającą aerator kanałowy 238 zostanie umieszczony poniżej wewnętrznego spodu korpusu 302, lecz powyżej najwyższego punktu na wylocie 308. W ten sposób, woda 18 zbiornika 12 wchodząca do aeratora kanałowego 238 będzie wpływać do wylotu 308 i nie będzie gromadzić się w pobliżu otworów 304.

Odnosząc się do fig. 9B, przedstawiono inny aerator kanałowy 238, który jest korzystnie stosowany w przypadku względnie czystej wody 18 zbiornika 12. Korpus 302 ma prostokątny przekrój poprzeczny, który jest otwarty od dołu. Aerator kanałowy 238 może być oddzielnym elementem składowym lub może być zintegrowany z głowicami 22 modułu membranowego 20, w którym to przypadku spód dolnej głowicy 22 może służyć jako wierzch korpusu 302. Zakończenie korpusu 302 jest zamknięte nasadką 310, która może być częścią głowicy 22. Gdy spód korpusu 302 jest otwarty do wody 18 zbiornika 12, to woda 18 zbiornika 12, która wcieka do aeratora kanałowego 238, płynie z powrotem do zbiornika 12. W celu zapobieżenia tworzeniu się pęcherzyków 36 przy spodzie aeratora kanałowego 238, boki korpusu 302 rozciągają się poniżej spodu otworów 304 na odległość większą niż spodziewany spadek ciśnienia w poprzek otworów 304.

Odnosząc się do fig. 9C, przedstawiono tu jeszcze inny aerator kanałowy 238, podobny do aeratora kanałowego 238 z fig. 9B z wyjątkiem tego, co zostanie poniżej opisane. Gumowa tuleja 400, pokazana jako częściowo odcięta, pokrywa korpus 302 i ma szczeliny 402 odpowiadające otworom 304. Szczeliny 402 otwierają się do większego rozmiaru, gdy stosowany jest wyższy przepływ powietrza wtłaczanego do wlotu aeratora kanałowego 238. Odpowiednio, szczeliny 402 wytwarzają większe pęcherzyki 36 w przypadku pełnego natężenia przepływu powietrza i mniejsze pęcherzyki 36 w przypadku niższego natężenia przepływu powietrza.

Odnosząc się do fig. 9D, przedstawiono tu aerator kanałowy, który jest korzystnie stosowany w wodzie 18 zbiornika 12 względnie bogatej w cząstki stałe. Korpus 302 jest rurą o średnicy 32 mm. Otwory 304 mają średnicę 8 mm i są umieszczone o 30 stopni w górę od płaszczyzny poziomej. Otwory

PL 214 717 B1 spustowe 410, umieszczone przy spodzie korpusu 302 i mające zazwyczaj średnicę 16 mm, pozwalają na wyciekanie wody 18 zbiornika 12 z korpusu 302. Nakrywka 441 zakrywa zakończenie korpusu 302.

Aeratory kanałowe 238, takie jak opisane powyżej, mogą przyjmować pewną ilość wody 18 zbiornika 12, nawet w przypadku gdy przepływa przez nie powietrze, co powoduje, że po osuszeniu pozostaje pewna ilości nagromadzonych cząstek stałych. Gdy doprowadzenie powietrza jest przełączane między rurami rozgałęźnymi 251 tak jak to opisano powyżej, to aeratory kanałowe 238 są jednak na przemian zalewane i opróżniane. Wynikowe cykliczne moczenie aeratorów kanałowych 238 wspomaga ponowne zamoczenie i usunięcie cząstek stałych nagromadzonych w aeratorach kanałowych 238, oraz zapobiega wyschnięciu wody 18 zbiornika 12 i pozostawieniu osadu w aeratorach kanałowych 238. Jeśli jest to konieczne, zalewanie może być wspomagane przez wypuszczenie powietrza z odpowiedniej rury rozgałęźnej 251 przez otwarcie zaworu odpowietrzającego.

Przykłady realizacji podobne do wcześniej opisanych mogą być wykonywane w różnych konfiguracjach i mogą być obsługiwane różnymi sposobami zgodnymi z niniejszym wynalazkiem, którego zakres jest określony przez załączone zastrzeżenia.

Poniższe przykłady dotyczą modułów membranowych ZW 500 wytwarzanych przez ZENON

Environmental Inc. Każdy moduł membranowy ZW 500 zawiera dwa prostokątne pasma pionowych wnękowych membran włóknistych. Dla celów wyznaczania prędkości powierzchniowych, obszar prze₂ kroju poprzecznego napowietrzania każdego modułu membranowego ZW 500 wynosi około 0,157 m². Wszystkie zaprezentowane wielkości przepływu odpowiadają warunkom standardowym.

P r z y k ł a d 1

Kaseta z ośmioma modułami membranowymi ZW 500 zastosowano w zawiesinie bentonitowej przy zachowaniu zasadniczo stałych warunków procesowych, przy czym zmieniany był jedynie strumień i napowietrzanie. Obserwowano szybkość zapychania się membran dla dokonania oceny efek₃ tywności napowietrzania. Napowietrzanie prowadzono w kasecie o stałej wielkości 204 m³/h (to zna33 czy 25,5 m³/h na moduł), oraz w wielkości 136 m³/h zgodnie z cyklicznie różnymi warunkami pracy. ₃

W cyklicznych testach, całkowite doprowadzenie powietrza w wielkości 136 m³/h było przełączane między aeratorami umieszczonymi pod modułami i aeratorami umieszczonymi między i obok modułów ₃ w cyklach pracy pokazanych na fig. 10A. Napowietrzanie o wielkości 136 m³/h w 30 sekundowych cyklach (15 sekund wprowadzania powietrza do każdego zestawu aeratorów) okazało się w przybliże₃ niu tak samo efektywne jak niecykliczne napowietrzanie o wielkości 204 m³/h.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie takie jak opisano w przykładzie 1 przetestowano w zasadniczo stałych warunkach procesowych, przy czym zmiany wielkości przepływu powietrza przedstawia fig. 10B. W szczególno₃ ści, 70% całości przepływu powietrza w wielkości 136 m³/h miało miejsce w cyklu 20 sekundowym, tak że każda grupa aeratorów odbierała 70% całości przepływu powietrza przez 10 sekund i 30% całości przepływu powietrza przez kolejne 10 sekund. Jak pokazano na fig. 10B, okresowość 70% przepływu powietrza prowadziła do zmniejszenia szybkości zapychania przy dużym przepuszczanym strumieniu w porównaniu ze stałym napowietrzaniem przy takim samym całkowitym przepływie powietrza.

P r z y k ł a d 3

Dwa moduły membranowe ZW 500 użyto do wytwarzania wody pitnej z naturalnego doprowadzenia wody zasilającej. Parametry robocze były utrzymywane na stałych poziomach, a zmiany występowały jedynie w napowietrzaniu. Moduły najpierw używano przez około 10 dni przy niecyklicznym ₃ napowietrzaniu o wielkości 25,5 m³/h na moduł (przy całkowitym przepływie powietrza w systemie ₃ m³/h). W następnym okresie około trzech dni powietrze było cyklicznie przełączane z aeratorów w pobliżu jednego zestawu modułów do aeratorów w pobliżu innego zestawu modułów, tak że każdy ₃ moduł był napowietrzany w wielkości 12,8 m³/h przez 10 sekund, po czym następowała przerwa ₃ w napowietrzaniu na kolejne 10 sekund (przy całkowitym przepływie powietrza w systemie 12,8 m³/h).

W następnym okresie około 10 dni, moduły były napowietrzane w taki sposób, że każdy moduł był ₃ napowietrzany w wielkości 25,5 m³/h przez 10 sekund, po czym następowała przerwa w napowietrza₃ niu na kolejne 10 sekund (przy całkowitym przepływie powietrza w systemie 25,5 m³/h). W kolejnym okresie około 10 dni odtwarzano początkowy stan ze stałym przepływem powietrza. Jak pokazano na fig. 10C, w przypadku takiego napowietrzania, że każdy moduł był napowietrzany w wielkości ₃

25,5 m³/h przez 10 sekund i przez kolejne 10 sekund w ogóle nie napowietrzany (to znaczy napowietrzany jedynie połową całkowitego przepływu powietrza w systemie), przepuszczalność membrany ₂ ustabilizowała się na poziomie ponad 250 l/m²/h/bar, natomiast w przypadku niecyklicznego prze₂ pływu powietrza przepuszczalność membrany ustabilizowała się na poziomie jedynie 125 l/m²/h/bar.

PL 214 717 B1

Temperatura robocza zmieniała się między 17 a 24°C. W związku z tym, przepuszczalność przedstawiona na fig. 10C skorygowano, aby odzwierciedlać przepuszczalność, jaka byłaby obserwowana dla stałej temperatury roboczej wynoszącej 20°C.

P r z y k ł a d 4

Trzy moduły membranowe ZW 500 pracowały z różnymi strumieniami w bioreaktorze membra22 nowym. Jednostka 1 zawierała moduły pracujące przy 26 l/m^{1 2}/h i 51 l/m²/h. Jednostka 2 zawierała 2 2 2 moduły pracujące przy 31 l/m²/h i 46 l/m²/h. Jednostka 3 zawierała moduły pracujące przy 34 l/m²/h ₂ i 51 l/m²/h. Jednostki te najpierw przez około 10 dni doświadczały niecyklicznego napowietrzania 33 w wielkości 42,3 m³/h na moduł (przy całkowitym przepływie powietrza przez urządzenie 85 m³/h). ₂

Przepuszczalność zmniejszyła się i ustabilizowała na poziomie między 250 i 275 l/m²/h/bar dla jed22 nostki 1, między 200 i 225 l/m²/h/bar dla jednostki 2 oraz między 150 i 175 l/m²/h/bar dla jednostki 3. ₃

W drugim okresie około 14 dni, całkowity przepływ powietrza w systemie 61,2 m³/h stosowano przez sekund do aeratorów pod modułami i przez następne 10 sekund do aeratorów obok modułów. W tych ₂ warunkach, przepuszczalność zwiększyła się i ustabilizowała na poziomie między 350 i 375 l/m²/h/bar dla ₂ jednostki 1 oraz między 325 i 350 l/m²/h/bar dla jednostek 2 i 3.

P r z y k ł a d 5

Kasetę z sześcioma modułami ZW 500 zastosowano do przetwarzania ścieków. Przy zachowaniu na stałym poziomie wszystkich parametrów procesowych zmieniano jedynie napowietrzanie, oraz okre₃ sowo mierzono przepuszczalność modułów, jak to pokazano na fig. 11. W okresie A, 255 m³/h powietrza ₃ dostarczano do modułów w sposób ciągły i równomierny. W okresie B, 188 m³/h powietrza dostarczano przez 10 sekund do aeratorów pod modułami, a przez kolejne 10 sekund do aeratorów obok modułów.

W okresie C zastosowano te same warunki napowietrzania, lecz zmieniono jedynie osłanianie wokół ₃ modułów. W okresie D, 184 m³/h powietrza dostarczano przez 10 sekund do aeratorów w pobliżu pierwszego zestawu modułów, a przez następne 10 sekund do drugiego zestawu modułów. W okresie E, ₃

204 m³/h powietrza było dostarczane równomiernie do wszystkich modułów przez 10 sekund, po czym ₃ następowała przerwa w dostarczaniu powietrza przez kolejne 10 sekund. W okresie F, 306 m³/h powietrza dostarczano równomiernie do wszystkich modułów przez 10 sekund, po czym następowała przerwa ₃ w dostarczaniu powietrza przez kolejne 10 sekund. W okresie G, 153 m³/h powietrza dostarczano do aeratorów w pobliżu pierwszego zestawu modułów, a przez następne 10 sekund do aeratorów w pobliżu drugiego zestawu modułów.

P r z y k ł a d 6

Pojedynczy moduł membranowy ZW 500 użyto do filtrowania doprowadzenia wody powierzchniowej. Przy zachowaniu na stałym poziomie wszystkich parametrów procesowych zmianom poddawano warunki robocze i okresowo rejestrowano przenikalność modułu. Najpierw moduł pra33 cował ze stałym nasycaniem na poziomie (a) 20,4 m³/h i (b) 25,5 m³/h. Po początkowym spadku ₂ przepuszczalności nastąpiła stabilizacja, odpowiednio, na poziomie (a) około 200 l/m²/h/bar i (b) ₂ między 275 i 300 l/m²/h/bar. W pierwszym eksperymencie, napowietrzanie doprowadzano do modu₃ łu w wielkości 25,5 m³/h przez 2 minuty, a następnie wyłączano na kolejne 2 minuty. W tej próbie przepuszczalność zmniejszyła się gwałtownie i nie mogła być utrzymana na akceptowalnym poziomie. ₃

W drugim eksperymencie, napowietrzanie doprowadzano do modułu w wielkości 25,5 m³/h przez ₃ sekund, a następnie w wielkości 8,5 m³/h przez kolejne 30 sekund. W tej próbie przepuszczalność ₂ również początkowo zmniejszyła się, lecz następnie ustabilizowała się między 275 i 300 l/m²/h/bar.

Claims (10)

1. Sposób napowietrzania modułów membranowych mających co najmniej jedną membranę filtrującą zanurzoną w cieczy zbiornika, za pomocą co najmniej jednego aeratora zamontowanego pod modułami membranowymi, znamienny tym, że moduły (20) napowietrza się a membrany (6, 23) oczyszcza się i/lub chroni przed zanieczyszczeniami przepuszczając powietrze przez co najmniej jeden aerator (38, 238) i wytwarzając pod membranami pęcherzyki powietrza, przy czym przepływ powietrza (36) przez co najmniej jeden aerator (38, 238) przełącza się w powtarzalnych cyklach o czasie trwania dłuższym niż 20 i krótszym niż 120 sekund tak, że w jednym cyklu natężenie przepływu (Rh) jest wyższe, a w drugim cyklu natężenie przepływu (Rl) jest niższe, przy czym niższe natężenie przepływu (Rl) stanowi mniej niż połowę wyższego natężenia przepływu (Rh).

PL 214 717 B1

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czas trwania powtarzalnych cykli wynosi od 20 do 60 sekund.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że czas trwania powtarzalnych cykli wynosi od 20 do 40 sekund.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że niższe natężenie przepływu (Rl) oznacza całkowity brak przepływu powietrza.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że w co najmniej jednym aeratorze (38, 238), w którym panuje wyższe natężenie przepływu (Rh), powietrze przepuszcza się z prędkością powierzchniową wynoszącą od 0,013 do 0,15 m/s.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że drugi zestaw aeratorów, rozmieszczony w płaszczyźnie poziomej między aeratorami pierwszego zestawu, odbiera powietrze o niższym natężeniu przepływu (Rl) w czasie, gdy pierwszy zestaw aeratorów odbiera powietrze o wyższym natężeniu przepływu (Rh), a drugi zestaw aeratorów odbiera powietrze o wyższym natężeniu przepływu (Rh) w czasie, gdy pierwszy zestaw aeratorów odbiera powietrze o niższym natężeniu przepływu (Rl).

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że napowietrza się i oczyszcza się i/lub chroni moduły membranowe (6) zawierające pasma wnękowych membran włóknistych (23).

8. Urządzenie do napowietrzania cieczy w zbiorniku zawierające co najmniej jeden zanurzony w tej cieczy moduł membranowy, które zawiera sieć rozprowadzania powietrza zawierającą liczne oddzielne gałęzie, co najmniej jeden aerator zamontowany pod co najmniej jednym modułem membranowym, pozostający w łączności dla płynu z różnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza, oraz doprowadzenie powietrza dostarczanego z początkowym natężeniem przepływu, co najmniej jeden zawór tworzący zestaw zaworowy pozostający w łączności dla płynu z doprowadzeniem powietrza i mający oddzielne wyloty pozostające w łączności dla płynu z oddzielnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza, znamienne tym, że co najmniej jeden zawór tworzący zestaw zaworowy (254) jest mechanicznie lub elektrycznie połączony z automatycznym kontrolerem (256) zestawu zaworowego (254), rozdzielającym początkowy przepływ powietrza między co najmniej jedną oddzielną gałąź sieci o wyższym natężeniu przepływu (Rh), a co najmniej jedną inną oddzielną gałąź sieci o niższym natężeniu przepływu (Rl), przy czym niższe natężenie przepływu (Rl) jest mniejsze, niż połowa wyższego natężenia przepływu (Rh), ponadto kontroler (256) przełącza co najmniej jedną gałąź między odbiorem powietrza o wyższym natężeniu przepływu (Rh) a odbiorem powietrza o niższym natężeniu przepływu (Rl) w powtarzalnych cyklach o odstępach nie dłuższych niż 120 sekund, zaś co najmniej jeden aerator (38, 238) związany z pierwszą oddzielną gałęzią sieci rozprowadzania powietrza (240) jest umieszczony w płaszczyźnie poziomej między aeratorami związanymi z drugą oddzielną gałęzią sieci rozprowadzania powietrza (240) tak, że sąsiednie aeratory (38, 238) pozostają w łączności dla płynu z różnymi oddzielnymi gałęziami sieci rozprowadzania powietrza (240).

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że moduły membranowe (20) zawierają pasma wnękowych membran włóknistych (23).

10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że moduły membranowe (20) zawierają prostokątne pasma (8) pionowo ustawionych wnękowych membran włóknistych (23), umieszczonych między górnymi i dolnymi głowicami (22), natomiast aeratory (38) są aeratorami kanałowymi (238) o długości w przybliżeniu takiej jak długość głowic (22) prostokątnych pasm (8), i są zamontowane równolegle do głowic (22) prostokątnych pasm (8).