膜過濾器和用于過濾的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于過濾待過濾的液體的膜過濾器，其帶有向下開放的、能被氣體和液體穿流的底部件，所述底部件具有管狀的外罩和恰好一個位于所述外罩中的膜支架，其中，所述膜支架通過至少一個錨固點與所述外罩相連;帶有在上方固定在膜支架中的分別配備空腔的空心纖維膜，濾液能夠從待過濾的液體中過濾到所述空腔中；帶有在圓周上閉合的管，所述管連接在外罩上方并且包圍空心纖維膜;帶有用于使氣體進入底部件的進氣口；帶有用于使氣體進入底部件中的進氣口；帶有至少一個濾液收集室，所述濾液收集室與空心纖維膜的空腔相連，用于收集來自空心纖維膜的濾液;帶有至少一個用于使濾液從至少一個濾液收集室中排出的濾液出口 ；并且帶有至少一個向下開放的位于外罩與膜支架之間的流體腔，用于液體的穿流，所述流體腔在上方具有用于所述液體流出至管中的出口，其中，至少一個流體腔在穿過膜支架的每個截面中不僅鄰接外罩而且還鄰接膜支架，并且膜支架除了至少一個用于使液體從下向上穿流的流體腔之外完全封閉底部件。
[0002]此外，本發明還涉及一種用于在所述膜過濾器中過濾待過濾的液體的方法，其中，液體流入底部件、穿流過至少一個流體腔并且在此繞膜支架環流，氣體通過進氣口流入底部件，液體僅通過在底部件的上方的出口流出并且僅通過該出口流入管中，氣體在底部件的上方流出，流入管中，并且在管中上升并且由此形成液體在膜過濾器中的上行運動，上升的液體和氣體從外部沖洗空心纖維膜，在空心纖維膜的外側與空心纖維膜的空腔之間存在壓力差，基于所述壓力差使得濾液從液體中濾出并且流入空心纖維膜的空腔中，并且收集來自空腔中的濾液并且使濾液從膜過濾器中流出。
【背景技術】
[0003]由文獻W002/22244-A1公開了帶有上述技術特征的膜過濾器，其中一個發明人也參與了該申請。
[0004]已知的膜過濾器設計用于過濾富含固體的廢水，例如其在生物凈化設備中出現在膜生物反應器(MBR)中。在此，膜過濾器或者可以沉入凈化設備的槽中，或者可以在配備了輸入管路和輸出管路的情況下干式地樹立。用于過濾的驅動力在大多數情況下是通過施加在滲透側的負壓實現的，然而在干式樹立的方案中也可以通過較低的進料側(原水側)的過壓實現。
[0005]空心纖維膜具有小于5mm、通常為0.5至3mm的直徑，并且具有微過濾膜或超過濾膜的穿透性。也可以使用用于逆滲透或納米過濾的膜部件。
[0006]為了避免濾除材料堵塞膜過濾器，膜過濾器持續地或以周期性的間隔被沖洗。通常使用的用于物理沖洗膜過濾器的方法利用液體或氣體對膜部件滲透側逆流沖洗并結合對膜部件外側的氣泡沖洗進行。在結合對膜部件外側的氣泡沖洗的情況下，氣泡自下方進入膜過濾器中，氣泡隨后沿著空心纖維膜上升并且氣泡在待過濾的液體中運動。隨著氣泡的上升，還持續地形成了待過濾的液體的上行流動。由氣體和液體構成的兩相流體的剪力具有較高湍流，由此，頂部覆層從膜部件上剝落并且被沖掉。在膜生物反應器中，空氣通常被用作氣體。
[0007]當空心纖維膜被在周向上封閉的管包圍時，所謂的空氣提升栗效應、也即上升氣泡所引發的液體穿過膜過濾器的上行流動對空心纖維膜具有特別高的清潔效果，因為氣泡由此保持在膜過濾器中、也即保持在緊鄰空心纖維膜的附近。管的積極效果在文獻JP-2003-024937 和 US-2—6/0273007A1 的發明中有所描述。
[0008]在已知的膜過濾器的實施方式中，以沉浸式或干式樹立方式使用的膜過濾器的空心纖維膜固定在恰好一個膜支架中，所述膜支架通過6個錨固點與底部件的管狀的外罩相連。膜過濾器具有濾液收集室，空心纖維膜連接在所述濾液收集室中。空心纖維膜在上方各自單獨地封閉。
[0009]此外，在該膜過濾器中的底部件還具有進氣口，所述進氣口通過氣體管路連接在噴嘴件上，噴嘴件伸入空心纖維膜之間。通過噴嘴件使得膜支架上方的氣體在空心纖維膜之間進入待過濾的液體中。通過已進入氣體的空氣提升栗效應使得液體自下通過底部件中的錨固點之間的6個穿孔吸入。穿孔構成底部件中的流體腔，所述流體腔處于在膜支架與外罩之間。液體穿過模塊底部流入流體腔中并且在與從模塊底部上方進入的氣體混合之后與該氣體共同在膜過濾器中上升，隨后氣體和液體在上方從膜過濾器流出。特征在于，液體僅通過位于外罩與膜支架之間的6個穿孔、也即流體腔穿流過底部件。在底部件中不存在其他的用于使液體穿流的通道。也就是說膜支架除了流體腔之外封閉底部件。
[0010]該膜過濾器的其他特征在于，氣體和液體分離地引過空心纖維膜:液體通過外罩與膜支架之間的流體腔自膜支架的下方流向空心纖維膜，而氣體從噴嘴件的中心自膜支架的上方流向空心纖維膜。
[0011]在底部件中，尤其并聯的流體腔作為用于使液體穿流的小穿孔而易于被堵塞。如果在其中一個并聯的穿孔中出現沉積或橫截面變窄(例如由于懸浮的落葉或纖維狀化合物)，則在該穿孔中穿透性降低而且進一步堵塞的風險升高。多個小穿孔并聯的穿流的系統因此被認為在過程技術上是不穩定的:如果對于流體來說充分具有備選的流體路徑，那么在流體通道中一開始的堵塞本身發生加速并且導致相應的流體通道的完全堵塞。例如在已知的具有6個并聯穿孔的系統中，其中一個穿孔開始出現堵塞，則其余5個穿孔會補償降低的流通量。當該穿孔完全堵塞時，其他穿孔必須將其流通量僅提高20%。并聯的內徑穿流通道的堵塞風險隨著通道數量的減小而增加而隨著通道橫截面的增大而持續降低。
[0012]除了底部件中的穿孔的堵塞問題之外，在已知的緊鄰錨固點上方的膜過濾器中還存在其他問題。在錨固點的流動盲區中形成顆粒沉積的風險，所述顆粒例如會導致過濾器的部分堵塞。在湍流較小的流動區域中顆粒沉積的問題顯然對于膜生物反應器來說是特別嚴重的，因為在此待過濾的液體是泥漿，其中包含大量顆粒、毛發、纖維狀化合物和其他雜質，其易于沉積和堵塞。
[0013]已知膜過濾器的第三個問題在于在系統(其帶有在膜支架上方的中央噴嘴件)按比例放大的情況下不充分的氣體分配。集中在中心上升的氣泡需要導入距離，隨后氣泡增大其尺寸或者沿水平方向擴展，從而使氣泡達到整個集束直徑(Biindeldurchmesser)。隨著不斷增大的直徑，該導入距離邊長而且顯示為，膜集束的最大直徑被限制在至多10cm，所述膜集束能夠均勻充氣。更大的直徑會導致，下部夾緊部位附近的集束的外部區域只能通過已進入空氣的能量被不充分地清洗，并且由此易于堵塞。
[0014]在本發明的背景部分中文獻DE19811945A1還描述了一種膜過濾器，所述膜過濾器具有底部件，其帶有膜支架，空心纖維膜固定在所述膜支架中。而且其中一個發明人也參與了該申請。在此，膜過濾器和底部件被共同的管包圍。然而底部件的外罩沒有與膜支架相連。膜膜過濾器在膜支架與管之間具有流體腔，待過濾的液體穿流過所述流體腔。除了該流體腔之外，膜過濾器還具有其他用于使待過濾的液體和氣體進入內部的貫穿孔，然而所述貫穿孔沒有既鄰接膜支架又鄰接管。問題恰好在于這些并聯穿流的小貫穿孔，因為它們非常容易堵塞。
【發明內容】
[0015]本發明所要解決的技術問題在于，提供一種能夠降低堵塞傾向的膜過濾器。
[0016]基于已知的膜過濾器，根據本發明建議，底部件能夠按照從進氣口，通過至少一個流體腔、直至出口的順序被流通。氣體不像在已知的膜過濾器中那樣通過獨立的導氣管路從中央導入固定在膜支架中的空心纖維膜的中心，而是氣體與液體一起通過至少一個流體腔輸入到空心纖維膜的外部區域中。由此得到了用于降低膜過濾器堵塞傾向的多種優點。一方面，由氣體和液體構成的兩相流體的剪力也用于膜支架的清洗，而且另一方面，在膜部件的下部區域中氣體還進入膜集束的邊緣區域，從而在此處降低堵塞傾向。
[0017]在膜過濾器的該設計中有利的是，管包圍空心纖維膜的自由長度，也即其處于液體中的長度的至少50%。由此確保了，在管中的空氣提升栗效應形成在流體腔中足夠劇烈的流體，以便沖洗處于流體腔中的膜支架。
[0018]根據本發明的膜過濾器可以具有在水平截面中呈圓形的膜支架以及固定在所述膜支架上的密封地相鄰布置的空心纖維膜。然而帶有空心纖維膜的密封包裝的膜集束在圓形橫截面中被限定直徑。空心纖維模塊在膜生物反應器中的運行實際情況表現為，由液體和氣體構成的兩相流體的剪力隨著運行條件的不同而最大約為2.0-2.5cm地作用在空心纖維膜的集束中。因此具有圓形橫截面的膜集束的外徑被限制在約為4-5cm。
[0019]作為備選，膜支架具有矩形、多角形或任意其他形狀的橫截面。在非圓形的膜支架橫截面的設計方式中有利的是，外罩和管的外部形狀與膜支架的外部性狀相適配。如果膜支架或者底部件的外罩例如是矩形的，則有利的是，連接在外罩上的管也被設計為具有與外罩尺寸相類似的尺寸的矩形。
[0020]在尺寸變大的情況下有利的是，在膜支架中的至少一個流體腔具有伸入的隆起。由此，利用膜部件密封包裝的橫截面的寬度降低到能夠從外部通過由氣體和液體構成的兩相流體的剪力被沖洗的程度。所述隆起的最簡單的形狀是在單純的徑向上的隆起。基于以上限定，膜支架的直徑可以通過隆起例如增加到8-10cm。
[0021]在直徑變大的情況下，隆起的其他形狀和由此支架的其他幾何形狀也是可以考慮的，例如膜支架的三葉草形狀或能夠將多個圓形膜集束布置在內的膜支架。
[0022]在具有較大直徑的膜過濾器的有利設計方式中，膜支架具有指形件，所述指形件通過隆起構成，并且通過膜支架的錨固件相連。指形件優選平行布置。標志“指形件”的特征在此在于，在穿過膜支架的水平橫截面中，指形件具有統一的寬度。然而這并不意味著指形件在垂直方向上也具有統一的高度或者說也不意味著所述高度以某種方式與寬度相關。由此指形件提供了可能性，使得配備了空心纖維膜的區域的寬度可以設計為統一的而且自由選擇。被證實為有利的是，指形件的配備了膜部件的區域的寬度被設計為在2至5cm之間，因為這樣能夠確保指形件的配備了空心纖維膜的區域即使在夾緊部位附近也能被理想地沖洗。
[0023]有利的是，將錨固點的數量保持得盡可能低，因為由此用于待過濾的液體的流體通道的數量變小而且同時其流動橫截面變大。由此顯著降低了并聯流通的流體通道的堵塞問題。
[0024]帶有指形件的膜過濾器的設計中進一步有利的是，膜支架通過最多兩個錨固點與外罩相連，所述錨固件處于錨固件的延長部上。這主要對于底部件作為注塑件的制備是有利的。
[0025]在這種根據本發明的膜過濾器的有利的設計方式中，膜支架僅通過一個錨固點與外罩相連。在此情況下，所有穿流過膜過濾器的液體和氣體的量共同穿流過這一個流體腔并且隨后通過該流體腔的出口流向連接在底部件的外罩上方的管。通過空氣提升栗效應(其由在管中上升的氣體形成)可以使得這樣的系統在某種程度上被認為是強制流動的。也就是說，只要氣體在膜過濾器中上升，液體也自下通過底部件被吸入。也就是說，只要流體穿流過底部件，則流體通道就不被完全堵塞，而且由此在部分堵塞時也始終有能力通過流體的較高剪力對其自身進行自由沖洗。較高的剪力例如可以通過氣體量的提高和進而流體的湍流實現。能夠對部分堵塞的流體通道的自由沖洗的優點在多個并聯的內徑穿流通道中則不能實現。在這種系統中如果一個通道被部分堵塞，則該通道鑒于隨之降低的流通速度具有完全堵塞的趨勢。為了重新沖洗完全堵塞的流體通道，通常僅僅通過由氣體和液體構成的兩相流體對膜過濾器進行機械沖洗是不夠的。在此情況下，通常還需要對膜過濾器的化學強力清洗乃至手動的機械清洗。隨著并聯流體通道的數量的降低，提高了對部分堵塞的流體通道進行自由沖洗的可能性。因此選擇唯一一個流體通道是有利的。然而在根據本發明的膜過濾器中也為所述流體通道設置邊界。
[0026]在根據本發明的膜過濾器中僅僅一個錨固點的設置只在底部件的直徑不高于15-18cm時才具有意義。在更大的膜支架中出于穩定考慮有利的是，膜過濾器具有至少兩個相互對置的錨固點。在根據本發明的膜過濾器的設計中有利的是，通過一個錨固點連接濾液出口并且通過另一個錨固點連接進氣口。
[0027]出于制造技術原因，在根據本發明的在膜支架中帶有多個指形件的膜過濾器的設計中有利的是，在錨固件的兩側和在錨固件的區域中，指形件的配備有空心纖維膜的區域的寬度被設計為統一的，并且在此在錨固件上方指形件之間的小區域不配備膜部件。
[0028]為了避免在指形件之間錨固件的流動盲區中沉積固體顆粒，有利的是，在指形件之間錨固件的橫截面沿垂直方向沒有保持到出口，而是在出口之前變窄地延伸。這同樣適用于用于使膜支架與外罩相連的錨固點的設計。
[0029]在此情況下，膜支架在至少一個錨固點上方的各個水平截面中都相對于外罩完全分離。如果外罩同時至少達到膜支架的上端部，則膜支架在該水平截面中完全嵌入出口。在此，膜支架不一定必須在底部件上方是連續的，因為在膜支架帶有多個指形件而且指形件之間的錨固件沒有構成直到出口的示例中，在出口中的橫截面具