(57)【要約】  【課題】比較的に連続するガス流が供給される場合であっても、間欠的な気泡の流れを発生させる濾過膜システム用のガススパージャを提供する。  【解決手段】スパージャは、ガスポケットを収集するためのハウジングと、ポケットが十分な大きさに達した時にポケットから少なくとも一部のガスを放出するための導管とを有する。任意には、導管の出口を覆うカバーは放出されたガスを分割又は分配できる。大型スパージャは、複数の小型ユニット又は領域を備える。スパージャへのガスの供給は、膜システムの状態の変化に応じてより長い期間にわたって流量を変化させて、連続的な気泡のバースト間隔を変化させる。ガス供給管は、２以上のユニット又は領域の各々と連通する、異なる高さの２以上の出口を有してもよい。２以上のユニット又は領域間のガスの吐出は、同期させることができる。一組のユニット又は領域のうちの１以上が、より高い流量の供給ガスを受け入れてもよい。  【選択図】図１
2013503738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気泡を供給する装置であって、
ａ）チャンバを画成し、チャンバの内部とチャンバの外部とを連通する開口をチャンバの下に有するハウジングと、
ｂ）導管であって、チャンバの内部の第１開口と、チャンバの外部と連通する第２開口とを有し、第１開口から第２開口の方向へ導管の最下点まで下方に延在する部分を有する閉流路を画成する導管と
を備えており、
ｃ）チャンバがガスポケットと液体との界面より上にガスポケットを保持するように構成され、界面は導管内の第１開口の少なくとも下限から導管の最下点の上限に及ぶ可変高度を有する、装置。
【請求項２】
導管の第２開口は導管の最下点より上にある、請求項１記載の装置。
【請求項３】
導管の第２開口は第１開口上又はそれより上にある、請求項２記載の装置。
【請求項４】
導管の第１開口より上にチャンバにガスを吐出するための出口を有するガス供給管をさらに備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
導管の最下点の上限より下にチャンバにガスを吐出するための出口を有するガス供給管をさらに備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
導管の第２開口上に複数の穴を有するカバーをさらに備える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
第２開口が１〜１０ｃｍ2の面積を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
導管の第２開口の断面積は、関連するチャンバの水平方向断面積の少なくとも１０分の１未満である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
下部ポッティングヘッドを有する浸漬膜モジュールをさらに備え、請求項１記載の装置が下部ポッティングヘッドの下、横、又はそれと組合せて配置される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
下部ポッティングヘッドの下、横、又はそれと組合せて配置された請求項１記載の複数の装置を有する、請求項９記載のアセンブリ。
【請求項１１】
チャンバの各々にガスを吐出するための出口、又は出口に接続されたガス供給管を有する、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１２】
浸漬膜モジュール用のスパージャであって、
ａ）細長ハウジングであって、ハウジングの上部から下方に延在する壁を有し、開放底を備えたプレナムを画成するハウジングと、
ｂ）概してハウジング内に配置されてハウジングの長さに沿って置換配置された複数の導管であって、各々がハウジングの内部と連通する第１開口と、ハウジングの上部を通る第２開口と、第１及び第２開口管の最下点とを有する複数の導管と
を備える、スパージャ。
【請求項１３】
導管の第２開口上に穴を有するカバーをさらに備える、請求項１２記載のスパージャ。
【請求項１４】
ハウジング内の導管間に導管をハウジング内の個別領域に分離するデバイダを有する、請求項１２又は請求項１３記載のスパージャ。
【請求項１５】
カバー内の第２開口間にデバイダを有する、請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項記載のスパージャ。
【請求項１６】
ハウジングの領域の各々にガスを吐出するための、ハウジングの長さに沿ったガス分配管をさらに備える、請求項１４記載のガススパージャ。
【請求項１７】
ガス分配管は複数の下方に延在する管をさらに備え、少なくとも１つの下方に延在する管はハウジングの各々の領域と連通する、請求項１６記載のガススパージャ。
【請求項１８】
下方に延在する管の各々は異なる高さの少なくとも２つの開口を有する、請求項１７記載のガススパージャ。
【請求項１９】
ガス分配管は、ハウジングの１以上の領域に、もう１つの領域に放出されるガス流量に対してより多くのガス流量を放出するように構成される、請求項１６記載のガススパージャ。
【請求項２０】
ハウジングの壁の下縁部にスカロップを有する、請求項１２記載のガススパージャ。
【請求項２１】
デバイダを通るポートを有する、請求項１４記載のガススパージャ。
【請求項２２】
液体に浸漬した膜モジュールにガス散布するプロセスであって、
ａ）液体にスパージャを浸漬するステップであって、スパージャは、スパージャからの出口と、スパージャによって画成されたチャンバと連通し、液体中にガスポケットを保持するように構成された入口とを備えた導管を有し、導管は入口及び出口間に最下点を有するステップと、
ｂ）気泡を３０秒毎に少なくとも１回出口から発生させるのに十分な割合でスパージャにガスを供給するステップとを備える、プロセス。
【請求項２３】
出口から発生した後に気泡を拡散又は分配するステップをさらに備える、請求項２２記載のプロセス。
【請求項２４】
スパージャをモジュールの下、横、又はそれと組合せて配置するステップをさらに備える、請求項２２又は請求項２３記載のプロセス。
【請求項２５】
気泡が２〜２０秒毎に１回のバーストで出口から発生するような割合でガスがスパージャに供給される、請求項２２乃至請求項２４のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項２６】
膜システム動作パラメータを考慮して決定された割合でガスがスパージャに供給される、請求項２２乃至請求項２５のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項２７】
ステップａ）及びｂ）が第２のスパージャで繰り返され、第２のスパージャは、任意には第１のスパージャと一体的又は別個であり、気泡がほぼ同時にスパージャから発生するようにスパージャに供給されたガスがスパージャ間を流れる経路を提供する、請求項２２乃至請求項２６のいずれか１項記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガススパージャ、及び濾過膜の汚損を防止するためのガス研磨に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の背景技術の欄の記載は、以下のいかなる記載も従来技術又は技術常識であることを認めたものではない。
【０００３】
国際公開２０００／０２１８９０号には、送風機に接続された一組のエアレータと、弁と、繰返しサイクルで個々のエアレータに高速の空気流と低速の空気流とを交互に供給するように構成された制御装置とを有する水中膜モジュール用のエアレーションシステムが記載されている。一部のシステムでは、送風機、弁、及び制御装置は、全システムの空気流が一定であって、送風機が一定速度で作動することができると同時に、各々のエアレータが時間と共に変動する空気流を受け入れるように、２組以上のエアレータに同時だが交互に空気流を供給する。過渡流れ状態が槽水に生じ、これがデッドスペースの回避を助け、膜の汚損を洗浄又は防止する。国際公開２０００／０２１８９０号の開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【０００４】
以下の説明は、従うべきより詳細な説明を読者に紹介することを意図しており、いかなる請求項を限定又は規定することも意図していない。
【０００５】
国際公開２０００／０２１８９０号に記載された空気循環プロセスは、濾過膜システムを作動させるのに必要な空気又はその他のガス、従ってエネルギーを削減するのに非常に効果的であることがわかっている。国際公開２０００／０２１８９０号には、急速な弁運動によってかなり大きな気泡が短期間で生成されること、さらにはこれらのかなり大きな気泡が膜汚損を防止するのに特に有用である可能性がある旨記載されている。しかしながら、国際公開２０００／０２１８９０号には、急速な弁運動によってエアレーションシステム内で一時的な圧力急上昇が生じ、管理が必要になることも記載されている。以下、連続ガス流を供給するときに間欠的な気泡の流れを生じるガススパージャ（エアレータとも呼ばれる）について説明する。気泡の流れはかなり大きな気泡の短いバーストの形態とすることもできるが、急速な弁運動は必要とされない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開２０００／０２１８９０号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スパージャは、ガスポケットを収集するためのハウジングと、ポケットが十分な大きさに達した時にポケットから少なくとも一部のガスを放出するための導管とを有する。任意には、導管の出口を覆うカバーは放出されたガスを分配でき、ガスが最初により大きなほぼバルク形態で放出された場合、ガスを気泡又はより小さな気泡に分割することもできる。工業用膜モジュール又はカセット用としての大型スパージャは、複数の小型ユニット又は領域を備える。ガスの連続供給が一定の割合で供給される場合であっても、スパージャは時間と共に割合が変化する気泡の出力流を発生させる。任意には、出力流は概して不連続な周期の気泡流の形であり、さらに任意には大きな気泡の短いバーストの形である。例えば、気泡のバーストの継続時間は、連続的な気泡のバースト間隔の半分又は未満であることになる。
【０００８】
スパージャへのガスの供給は、一定期間にわたって継続してより多くの気泡の複数回のバーストを含む場合であっても、より長い期間にわたって流量を変化させてもよい。供給ガス流量の変化は、気泡のバースト出力の流量及び継続時間の著しい変化を引き起こさない。しかしながら、供給ガス流量の変化は連続的な気泡のバースト間隔を変化させる。本明細書に記載するガス供給管は、供給された空気が２以上のスパージャに流れ込むように２以上の出口を有する。２以上の出口は、異なる高さで配置される。そのようなガス供給管によって、より広い範囲の入力ガス流量が可能になると共に、ほぼ均等又は他の所望の配分の供給ガスを複数のスパージャに供給できる。
【０００９】
本明細書に記載するスパージャの運転方法では、供給ガス流量がシステム動作パラメータに応じて変化する。
【００１０】
本明細書に記載するエアレーションシステムでは、一組のスパージャのうちの１以上がより高い流量の供給ガスを受け入れる。より高い流量の供給ガスを受け入れる１以上のスパージャは、気泡の流れの出力量の増加が必要な膜システムの領域付近に配置される。
【００１１】
本明細書に記載する別のスパージャは、個別領域からの気泡のバーストの放出がほぼ同期するように流動的に接続された気泡放出用の個別領域を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】スパージャの部分断面側立面図を示す。
【図２】図１のスパージャの上面図を示す。
【図３】図１のスパージャの端面図を示す。
【図４】図１のスパージャの等角図を示す。
【図５】エアレーションプロセスの様々な段階で液体に浸漬した４つのスパージャの概略側面図を示す。
【図６】別のスパージャの上面図を示す。
【図７】別のスパージャの断面側面図を示す。
【図８】代替的な供給空気マニホルドを示す。
【図９】見る人に最も近い側を取り除いた別のスパージャの側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図４は、スパージャ１０を様々に図示する。スパージャ１０は、上面に囲まれた内部チャンバを画成するハウジング１２を有する。図示のハウジング１２は細長くその長さが幅の２倍以上であり、略逆「Ｕ字形」断面を有するが、その他の形状を用いることもできる。図示のハウジング１２は、一端に接続部１４を有する。接続部１４は、ガス供給マニホルド（図示せず）のポート内又はポート上に適合して、ガスをスパージャ１０に供給すると共に、スパージャ１０の一端を液体に浸漬した選択位置に保持できる。スパージャ１０の他端は、ハウジング１２から延在するピン１６によって液体に浸漬した選択位置に保持される。
【００１４】
コネクタ１４は、１以上の分配管１８に接続される。分配管１８は、ほぼスパージャ１０の長さに沿って延在し、それらの長さに沿ってガス出口２０を有する。ガス出口２０の寸法は、（ａ）分配管１８が正確に水平でない場合であっても、ガス出口２０からのガス流の均一分布を促進する損失水頭を発生させる、また（ｂ）ガス出口２０を通る十分な速度のガス流が分配管１８への液体の侵入を防止するように、ガス流量に対して十分に小さくされる。分配管１８は、図示のように、又は他の立面図において、スパージャ１０の底部付近に配置される。例えば、分配管１８はハウジング１２の上部に沿って配置され、常にガスポケットを収容する領域に出口２０を有する。さらに任意には、ハウジング１２の異なる部分が、ハウジング１２からさらに離れて配置されるガス供給マニホルドに接続された別個のガス管からガスを受け入れてもよい。
【００１５】
スパージャ１０は、その長さに沿って複数の吐出導管２２を有する。吐出導管２２は、ハウジング１２の上部内及び付近の領域と連通する第１出口２４と、ハウジング１２の外部に開口する第２出口２６とを有する。導管２２の少なくとも一部分は、第１開口２４と第２開口２６との間に下方に延在する。導管２２の別の部分は、第２開口２６に達する前に再び上方に延在する。導管２２を通ってハウジング１２から出るガスは、図示の略Ｊ又はＵ字形導管２２において見られるような、第１開口２４と第２開口２６との間の導管２２の最下点を通過しなければならない。第２開口２６は、１〜１０ｃｍ2又は３〜６ｃｍ2の領域を有することになる。導管２２と連通するガスポケットの断面積は、好ましくは１０倍以上、例えば２０〜３５倍以上、第２開口２６の面積よりも大きい。
【００１６】
隣接する導管２２は、例えばデバイダ２８によって、好ましくは互いに分離される。デバイダ２８は、一方の導管２２が、ガスがもう一方の導管２２からほとんど又は全く吐出されない程度までハウジング１２内のガスポケットを減少させるのを防ぐ。図示するようにハウジング１２内のガスポケットの最も低いと予想される範囲の下まで延在するソリッドデバイダ２８によって、異なる導管２２と関連するガスポケットが互いに流動的に分離される。スパージャ１０は、まるでそれが別個の小型スパージャであるかのように作用する。運転期間にわたって、異なる導管２２からスパージャ１０へのガス吐出のタイミングは、ガスが各々の導管２２から同時に吐出されないように変化又は分散させてもよい。しかしながら、個々の導管からのガス吐出のパターンは、ガスの短いバーストの後に続いて、ガスが吐出されない、又はほんの少量しか吐出されない期間を有するほぼ規則的な周期に従うようである。
【００１７】
カバー又は分配器３０は、ハウジング１２上に任意には設けることができる。カバー３０は、１以上の吐出導管２２からガスを受け入れて、カバー３０の穴３２から気泡の形でガスを吐出する。カバー３０は、導管２２毎に複数の穴３２を有してより広い水平領域にわたってガス流を分散させることができる。カバー３０は、必要に応じて導管２２から出るガスのバーストを気泡又はより小さな気泡に分割することもできる。図示のように、カバー３０は、ハウジング１２内にデバイダ２８とほぼ整列配置されたデバイダを有してそれらの気泡としてのガスを放出する導管２２付近の気泡の流れを保つ。任意には、穴３２をハウジング１２の長さに沿って、又はハウジング１２の幅にわたって、又はその両方に分布させて、気泡によって研磨する予定の１以上の浸漬膜モジュールに必要に応じて気泡の流れを行き渡らせることができる。モジュールは、槽内のスパージャ１０の上に配置される。任意には、モジュールの管板は膜の間で管板を通る通気道を有しており、カバー３０として機能する。さらに任意には、導管２２は、第２開口２６が管板より上に配置されるように膜モジュールの管板を通って延在する。この場合、カバー３０又はその他のディフューザを第２開口上及び管板より上に配置してもよい。これらの選択肢は、膜の間に気泡を吐出するのに必要であるような大きな幅又は直径を有する円形又は正方形ヘッダを備えたモジュールに役立つことになる。しかしながら、内部エアレーションを必要とせずに膜バンドルへの良好な気泡浸透を可能にするモジュールでは、任意のカバー３０を含むスパージャ１０をモジュールの管板の下に配置することが好ましい。モジュールのカセットの場合、スパージャ１０は、モジュールの下又はモジュール間のギャップより下に配置してもよい。モジュールからスパージャ１０を分離することによって、モジュール又はスパージャ１０を独立して取り外して洗浄又は保守を行なうことができ、スパージャ１０を複数又は既存のモジュールに利用でき、且つ様々なスパージャ１０の形状又は寸法をプロセス条件によって異なるモジュールで使用することが可能になる。
【００１８】
図示のカバー３０は、ハウジング１２の上部に気密シールを作ることなくハウジング１２を閉じる。しかしながら、図示の実施形態では、ハウジング１２及びカバー３０は共に、カバー３０とハウジング１２との間のギャップがハウジング１２の上部より下に配置されるように断面がドーム形状を有する。この構成では、本発明者によって検証されたガス流量ではカバー３０とハウジング１２との間のギャップを通ってガスが漏れることがない。カバー３０内に収容される容積は好ましくは小さく、例えばハウジング１２内の関連するエアポケットの容積の５０％以下、又は３３％以下である。これは、導管２２から出るガスの短いバースト特性を維持するのに役立つ。
【００１９】
液体３４に浸漬したスパージャ１０の動作を図５に概略的に示す。図５のパートＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、ガスがそこに供給されるにつれてスパージャ１０で起こる事象のシーケンスの４つの異なる時点におけるスパージャ１０を示す。シーケンスは状態ＡからＢ、Ｃ、Ｄに進行し、その後状態Ａに戻ってガスの供給がスパージャ１０に提供される限り繰り返す。図５のパートＡでは、導管２２は液体３４で一杯になっているが、ガスポケット３６はハウジング２２に閉じ込めることができる。パートＢでは、分配管１８からのガスがハウジング１２内に収集されて液体３４を移動させるにつれて、ガスポケット３６は大きさが大きくなる。液体３４は、ハウジング１２の底部の開口と導管２２とを通ってハウジング１２から出る。パートＣでは、膨張するガスポケット３６が導管２２の最下点の上限より下に広がった後、ガスをポケット３６から導管２２を通って流すための経路が形成され、ガスが例えば気泡３８でハウジング１２の外側に吐出される。パートＤでは、ガスが導管２２を通って流れ続け、液体３４がハウジング１２に再び入り、ポケット３６が小さくなる。パートＡに戻ると、ハウジング１２の内部の液体３４は最終的に導管２２に達し、導管２２があふれ、導管２２を通るガス流が停止する。それからプロセスを繰り返して、ガスが継続的に供給される場合であっても、個別の周期のガス吐出を行なう。ガス吐出の周期は、平均的な継続時間及び頻度に近くなる傾向がある。しかしながら、ガス吐出の正確なタイミング、容量、及び継続時間は、例えば液体又は他のスパージャ１０からのガスの吐出の波又はその他の運動によって、平均周辺の範囲内で変動する。
【００２０】
図１〜図４は一定の比率で描かれている。スパージャ１０は、８５ｍｍ幅、１３９ｍｍ高さ、及び７７０ｍｍ長さである。これらの寸法は実際的なスパージャの一例を示すために与えられているが、本発明はこれらの寸法に限定されない。図示のスパージャ１０は、通常はＧＥウォーター＆プロセステクノロジーによるＺｅｅＷｅｅｄ（登録商標）５００膜モジュールの下に設けられたエアレータチューブに取って代わり、同じ付属品を使用するように設計された。これらのモジュールは浸漬吸引駆動動作を目的としている。モジュールは、約２００〜５２５平方フィートの全表面積を有する多くの中空糸膜を有する。膜は、一対の細長いポッティングヘッドの間に垂直に配向される。モジュールは、平面図で略長方形であり、スパージャ１０の長さとほぼ同じ長さを有する。モジュールはカセット内に配設され、隣接するモジュール間の垂直ギャップによって分かれたフレーム内で複数のモジュールが並んで配置される。１つのスパージャ１０は全て第２のモジュールより約１〜１０ｃｍ下に配置され、モジュールと平行に配向される。穴３２は、モジュールの両側のギャップに気泡を案内するように位置決めされる。各々のスパージャ１０は、それより上のモジュールの両側に、且つそのモジュールの両側の隣接するモジュールの片側に気泡を提供する。約４立方フィート毎分で空気が供給される場合、図示のスパージャ１０は約８秒毎に約１又は２秒間続く気泡のバーストを放出する。スパージャ１０へのガス流の割合の増減は、あったとしても気泡のバーストの継続時間に対してはごくわずかしか影響しないが、バースト間隔は増減する。本書に示した値のプラスマイナス５０％の範囲内の寸法、寸法の比率、ガス流量、及びプロセスパラメータは、典型的な市販の浸漬吸引駆動膜用途に適していると予想されるが、その他の寸法、相対比率、及びガス流量もまた有効となる。その他の変形例もまた可能である。例えば、正方形又は円形スパージャ１０（任意にはそれらの形状に適したセクションに分割される）は、その他の形状のモジュールに使用できる。導管２２は、必要な経路を形成する様々な形状のうちの１つである。
【００２１】
図６及び図７は、２つのデバイダ２８と２つの隣接する領域の部分との間にスパージャ５０の１つの個別領域を含む代替的なスパージャ５０の断面を示す。スパージャ５０は、例えば２〜１０個の個別領域を有することになる。任意には、図示しないが、スパージャ５０は複数の個別ユニットから製造でき、各々が大まかに図示するような１つの領域を形成するように構成されるが、各々のユニットは１つの閉鎖端及び１つの開放端を有する。このようにして、任意の数のユニットを接続して所望の長さのスパージャ５０を形成できる。
【００２２】
代替的なスパージャ５０は、略長方形の開放底断面を備えたハウジング１２を有する。ツーパート吐出導管５２は、カップ５６によって囲まれる、ハウジング１２の上部に成形されたスパウト５４から形成される。カップ５６は、取付フランジ５８を手段としてスパウト５４を覆ってハウジング１２の上部に取り付けられる。取付フランジ５８はまた、カップ５６のリム６０をハウジング１２の上部から間隔を置いて配置して第１出口２４を形成する。スパウト５４の上部は、第２出口２６を形成する。ガスは、ポケットに蓄積してハウジング１２内の水をスパウト５４の底部より下に押した後、カップ５６のリム６０からカップ５４の底部及びその周囲まで下がってからスパウト５４を通って上方へＪ又はＵ字形経路を流れることによってハウジングから出る。カバーセクション６６は、カップ５６のフランジ５８も通過するボルト６４を収容するように配置された取付ラグ６２を手段としてハウジング１２に締結できる。ハウジング１２はデバイダ２８及びハウジング１２の端部（図示せず）によって個別領域に細分され、ツーパート吐出導管５２は各々の個別領域内に配置される。カバーセクション６６は図示するようにハウジング１２の各々の領域上に配置され、又は、より大きなカバーを、前述のように、任意には内部デバイダを備える複数の領域上に設けてもよい。スパージャ５０は、カップ５４及びカバーセクション６６のボルトを外した後、容易に洗浄される。様々なカップ５４は、有効な気泡バーストガス容量、ガス流量、又はバースト継続時間の選択を可能にする異なる形状又はリム６０高さで利用できる。
【００２３】
図８は、図７に示し、上記の第１スパージャ１０においても有用である入力ガス分配マニホルド４０の側面図を示す。分配マニホルド４０は、複数の立下り管４４に接続された水平導管４２からなっている。立下り管４４は、ガス分配マニホルド４０がスパージャ５０に設置された場合、少なくとも１つの立下り管４４がデバイダ２８によって画成されるスパージャ５０の各々の個別領域に配置されるように、水平導管に沿って離間配置される。同等のマニホルド構造を、スパージャ１０、５０のハウジング１２内に成形することもできる。
【００２４】
各々の立下り管４４は、スパージャ領域にガスを放出するための異なる高さの複数のガス出口２０を有する。各々の立下り管４４は、他の立下り管４４の各々の対応する出口２０と同じ寸法及び同じ高さの出口２０を有することになる。図示の各々の立下り管４０は、上部出口２０と、中央出口２０と、下部ガス出口２０として機能する底部開口４６とを有する。底部開口４６によって、入口ガス流量に応じて水が立下り管４４に入ることや立下り管４４から排出されることも可能になる。
【００２５】
作動中、入力ガス流量の第１範囲では、ガスが各々の立下り管４４の上部出口２０を通ってスパージャ５０に放出されるだけになる。上部出口２０の寸法は、第１範囲内の入力ガス流量で立下り管４４からガス流のほぼ均一な分配を提供するように選択される。入力ガス流量が増加するにつれて、立下り管４４内の水が下方に移動することになる。入力ガス流量の第２範囲では、中央出口２０もまたスパージャ５０にガスを放出することになる。中央出口２０の寸法は、上部及び中央出口２０を合わせた領域が第２範囲内の入力ガス流量で各々の立下り管４４からガス流のほぼ均一な分配を発生させるように選択される。入力ガス流量がさらに増加する場合、立下り管４４から底部開口４６を通してガスを吐出できる。底部開口４６によって、例えばシステムが保守又は点検のために一次的に停止している間に、出口２０を通って入るかもしれない水をマニホルド４０が排出することもできる。任意には、底部開口４６は、入力ガス流量が底部開口４６を通して空気を放出させる第３範囲内である場合、立下り管４４からガス流のほぼ均一な分配を発生させるように寸法決めすることができる。このようにして、入力ガス流量の範囲は、立下り管４４からガス流のほぼ均一な分配を依然として発生させながら適応させることができる。対照的に、上記のガス分配管１８に関しては、低い入力ガス流量では出口２０はガスの均一分配を提供するには大きすぎることになり、高いガス流量では出口２０はガス供給システム内の過度な損失水頭又はスパージャ１０内の発泡を発生させることがある。さらに、前述のガス分配管１８の端部から下方に延在する開放底管を追加することによって排水管を設けることができるが、単一の排水管からのガスの局所的なオーバーフローは望ましくないので、排水管は、高い入力ガス流量がガス分配管１８に適用される場合は非常に長くなければならない。
【００２６】
任意には、中央出口２０は省略してもよい。さらに任意には、上部出口２０は立下り管４４ではなく水平管４２に配置してもよい。しかしながら、立下り管４４に上部出口２０を配置することは、ガスのより均一な分配を維持するのに役立つと共に、スパージャ５０の隣接する領域は異なる時に気泡を吐出するので、スパージャ５０の一方の領域からもう一方へのマニホルドを通るガスの流れを減少させる。さらに任意には、マニホルド４０は、ガス入口弁を一時的に閉鎖すること、又はマニホルド４０の内部を大気に排気すること、又はその両方を行なうことによって、時々浸水させて蓄積した固形物を除去できる。マニホルド４０を浸水させた後、ガスを十分な圧力で供給して下部開口２０から外に気泡を出すことによって、固形物をマニホルド４０から締め出すことができる。マニホルド４０の洗浄は、一定の間隔で、又は、例えばガス供給システム内の背圧の増加によって詰まりに気づいた時に行なうことができる。
【００２７】
スパージャ５０へのガスの供給、従って気泡のバースト間隔は、膜システムの１以上の動作パラメータ又は性能パラメータを考慮して変化させることができる。考慮するパラメータは、例えば、抵抗力、膜貫通圧力、又は浸透性の１以上である。パラメータは、周期的、例えば、逆洗又は関連ステップによって区切られる一連の浸透ステップを有する濾過サイクル内の浸透ステップの初め又は終わりに、観測又は計算される。パラメータはまた、一連のサイクルの複数の測定値の移動平均、即ち値の変化傾向又は変化率である。パラメータを使用して、ガス供給流量を維持すべきか、増加させるべきか、又は減少させるべきかどうかを決定できる。
【００２８】
プロセスの一実施例では、１以上のパラメータのサンプルを周期的にとって、任意には数学的組合せ又は変換後に使用して、一連のポーリング間隔の各々において観測値Ｘを生成する。各々のポーリング間隔において、観測値Ｘは、膜システムの所望の動作の限界を表すように所定の上限閾値及び下限閾値Ａ及びＢと比較される。閾値Ａ及びＢは、システムの設計又は試験の際に設定してもよく、又は時間と共に調整してもよい。経時的な調整は、細孔径の変化、寿命、又は膜によって処理される水の蓄積量といった膜の状態の変化の原因となり得る。閾値に対する調整は、固形分又は温度等の処理される水の特性の変化を考慮して行なうこともできる。或いは、観測値Ｘは、閾値を設定するために仮定された状態を反映するように調整できる。例えば、観測された膜内の流束は、異なる水温を仮定して選択された閾値と比較する前に、濾過される水の温度に基づいて調整できる。
【００２９】
実施例のプロセスでは、観測値Ｘがポーリング間隔における上限閾値Ａを超えた場合、入力ガス供給量を所定の量、例えば５％又は１０％だけ増加させる。観測値Ｘが上限閾値と下限閾値との間であるか、それらのうちの１つと等しい場合、入力ガス流量は変化させない。観測値Ｘが下限閾値Ｂよりも低い場合、入力ガス流量を所定の量、例えば５％又は１０％だけ減少させる。或いは、観測値が最も近い閾値と異なる程度、又は閾値の過多量を使用して、入力ガス流量の必要な変化量を推定できる。好ましくは、最小入力ガス供給量もまた特定され、例えば、（ａ）ガスマニホルド４０の上部出口２０からの流れのほぼ均一な配分をもたらす最低入力ガス供給量と、（ｂ）膜容器内の混合等のその他のプロセス要件を満たす最低入力ガス供給量との大きい方によって定められる。
【００３０】
スパージャへの入力ガス流量の増減は、気泡のバーストの継続時間に対してはごくわずかしか影響しないが、バースト間隔は増減する。上記の制御方法によって、長期間、例えば一日以上にわたってバースト間隔が変動することになるが、バースト間隔は短期間、例えば１時間の動作の間中は一定になりやすい。あるバーストの開始から次のエアバーストの開始までに測定されるガスバースト間隔は、例えば２〜６０秒の間又は４〜２０秒の間で変動する可能性がある。入力空気流量はいつでも、下限閾値以上の性能を提供するために必要な最小値に近い。
【００３１】
任意には、スパージャ５０の領域間の空気の均一な分配を意図的に修正できる。例えば、最初と最後の立下り管４４はより大きな上部出口２０又は追加の上部出口２０を有する。更なる実施例では、２つの立下り管４４をスパージャ５０の最初と最後の領域に配置する。このようにして、より多くのガスがスパージャ５０の最初と最後の領域に供給されるため、これらの領域はより頻繁に気泡のバーストを放出する。更なる選択肢として、複数の離間配置されたスパージャ５０の平行配列を、各々のスパージャ５０が共通の入口ガス供給管に接続された膜モジュールのカセットの下に設けてもよい。最初と最後のスパージャ５０の全ての領域は、（中間のスパージャ５０に対して）より大きな又は追加の上部出口２０或いは２つの立下り管４４を有する。このようにして、外側のスパージャ５０はより大きなガス流量を受け入れ、中間のスパージャ５０よりも平均でより頻繁に気泡を吐出することになる。吐出頻度におけるこれらの意図的な特別な変更を使用して、１以上のスパージャ５０の出力をモジュール又はカセットの異なる領域の散布要求により適合させることができる。例えば、平面図で略長方形である大きなカセットでは、ガス気泡の均一な分配が、カセットの中心により強いエアリフト又は煙突効果をもたらす傾向がある。カセットの中心に対する最適時間平均流量の気泡は、カセットの周辺付近の膜の汚損を防止するのには十分ではないことになる。この場合、最初と最後のスパージャ５０、又はスパージャ５０の最初と最後の領域、又はその両方からより頻繁な気泡吐出を提供することによって、カセットの中心の気泡の流量を不必要に増加させることなく、周辺膜により大きな時間平均流量の気泡が供給される。導管５２の列からのより頻繁な吐出は、導管５２の列と連通する追加のガス分配管１８を追加することによって提供することもできる。そのような追加のガス分配管１８は、他のガス分配管１８又はマニホルド４０に対して垂直であってもよい。
【００３２】
図９を参照すると、ハウジング１２の下縁部は、ハウジング１２の側面に１以上の任意のスカロップ７０或いはその他の穴又は窪みを備えている。スカロップ７０は、スパージャ１０内のガスと水との界面の最低予想高度を表す低水位線７２より下に配置される。ガスポケットが低水位線７２まで膨張すると、導管２２が開放してガスを放出し、ガス−水界面の更なる低下を防ぐ。従って、ガスポケットは、通常はスカロップ７０の上部に達するまで下方に広がることはない。しかしながら、例えば毛髪、廃棄物、又は乾燥固形物の蓄積によって、導管２０が使用中に詰まるということはあり得る。導管２０が詰まった場合、ガスがスカロップ７０に達するまでガスポケットはスパージャ１０の詰まった領域内で発達することになる。スカロップ７０は、詰め物が除去されるまでスパージャ１０の詰まったセクションが通常のエアレータのように機能するように吐出点を形成する複数の気泡を発生させる。スカロップ７０からの気泡の存在は表面から見ることができ、導管２０が詰まっていることが示される。低水位線７２の高度は入力ガス流量に関連し、特に、入力ガス流量が増加すると下方に動く。スカロップ７０を使用して、非常に高い入力ガス流量におけるスパージャ１０からのガスのオーバーフローを制御することもできる。
【００３３】
図９は、デバイダ２８を通る任意のポート８０も示している。ポート８０は、低水位線７２の近くだが、少なくとも部分的にはそれより上に配置される。ポート８０は、領域のうちの少なくとも１つのガスポケットがポート８０まで下方に膨張した場合に、スパージャ１０の隣接する領域間に通気道を形成する。ポート８０によって、隣接する領域に気泡を放出寸前のスパージャ１０の領域からガスが移動できる。これにより、いずれかの個別領域のガスポケットが低水位線に達する前に、スパージャの複数の領域のガスポケットの大きさが均一になる。ポートを介してつながった全ての領域がポート８０まで広がるガスポケットを収容すると、全ての領域のガスポケットは、それらが低水位線７２に達し、ほぼ同時に気泡を放出するまで発達し続ける。
【００３４】
ポート８０がない場合、スパージャ１０の各々の領域は主に独立して作動する。スパージャ１０の領域はほぼ同じ寸法であってほぼ同じ入力空気流量を受け入れるので、スパージャ１０の各々の領域の充填及び放出サイクル時間はほぼ同じである。しかしながら、スパージャ１０の１つの領域の別の領域に対する、ガスの放出の正確な時間のわずかな差は、スパージャ１０の異なる領域が同時に気泡を放出しなくなるまで複数の充填及び放出サイクルにわたって蓄積する傾向がある。ポート８０に関しては、各々のガスポケットがポート８０の底部から水位線７２まで膨張するのにかかる時間に若干のばらつきがまだあるが、この時間のばらつきは小さく、スパージャ１０の複数の充填及び放出サイクルにわたって蓄積することはない。このことにより、スパージャ１０の隣接する領域からの気泡の放出の間の時間遅延が減少する。十分に大きなポート８０は、スパージャ１０の２以上の領域の間で気泡の放出をほぼ同期させることができる。しかしながら、ポート８０は、特にスパージャ１０が同じ高さでない場合、隣接する領域のガスポケットが低水位線７２に達することを防ぐために、一方の導管２０が他方の導管よりも早くガスを放出する可能性及びポート８０を介して十分な空気を引き込む可能性があるので、大きくしすぎるべきではない。任意には、ポート８０は、デバイダ２８の下縁部の窪みのような手段を形成するその他の通路によって、又はデバイダ２８の下縁部を低水位線７２より上に上げることによって、置き換えてもよい。さらに任意には、管を使用して隣接するスパージャ１０を接続して、スパージャ１０間の時間遅延を減少させることができる。
【００３５】
上記の説明にもかかわらず、スパージャ１０の異なる領域からの気泡バーストの同期が望ましいのか、又いつが望ましいのかは定かではない。しかしながら、本発明者は、気泡が静水に放出される時に大きな気泡の洗浄効果が大きくなるようであることに気づいた。従って、スパージャ１０又はスパージャ１０の上のモジュール内でエアリフト効果が生じるのを防ぐことが望ましい。スパージャ１０の異なる領域からの異なる時間の気泡バーストの吐出によって、そこでほとんどの時間スパージャ１０のどこかの部分からの気泡の流れが発生する場合、水はスパージャ１０上に配置された膜モジュールを通して持続的な上方速度を展開することになる。その場合、気泡の放出の同期によって、十分に長い期間気泡なしで水を次のバーストまでの間安定させ、膜洗浄を向上させることができる。
【００３６】
他の様々な装置及びプロセスもまた、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲内で製造又は使用することができる。例えば、特に限定されないが、上記の様々な実施例の装置の要素及びプロセスのステップは、実行可能な置換又は組合せにおいて全て組合せることができる。
【図１】
2013503738.tif 000003
【図２】
2013503738.tif 000004
【図３】
2013503738.tif 000005
【図４】
2013503738.tif 000006
【図５】
2013503738.tif 000007
【図６】
2013503738.tif 000008
【図７】
2013503738.tif 000009
【図８】
2013503738.tif 000010
【図９】
2013503738.tif 000011
【国際調査報告】
2013503738.tif 000012
2013503738.tif 000013
2013503738.tif 000014