МОДУЛЬ ФИЛЬТРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАПИЛЛЯРНЫХ МЕМБРАН
FILTRATION MODULE INCORPORATING CAPILLARY MEMBRANES

[0001] Настоящее изобретение относится к модулям фильтрации в направлении "снаружи вовнутрь", содержащим капиллярные мембраны и предназначенным для очистки воды или другой замутненной жидкости.
[0002] Модули фильтрации с капиллярными мембранами, как правило, используются для очистки воды. Обычно такие модули погружают в подлежащую очистке жидкость (например, сточные воды) и применяют фильтрацию в направлении снаружи вовнутрь, создавая в полых капиллярах трансмембранный перепад давления. При этом внутри (в полостях) капиллярных мембран создается более низкое давление.
[0003] В результате вышеописанного процесса в полостях капилляров образуется фильтрат. Однако, после отвода оставшихся снаружи сточных вод, на наружной поверхности капилляров остается прилипший осадок, что снижает эффективность последующей фильтрации. Подобные загрязнения удаляют с поверхности капилляров посредством, например, воздушной очистки (подавая на наружную поверхность капилляров пузырьки воздуха) и/или обратной промывки, и/или обратной импульсной промывки.
[0004] Пузырьки воздуха применяют также для создания на поверхности капиллярных мембран циркуляции сточных вод, способствующей равномерному перемешиванию примесей, содержащихся в сточных водах, и, как следствие, более эффективной фильтрации. Поднимающиеся пузырьки увлекают за собой обрабатываемую жидкость, создавая тем самым принудительный поток этой жидкости (осадка). Это позволяет достичь удовлетворительного распределения обрабатываемой жидкости по всему модулю.
[0005] Для эффективного использования воздушных пузырьков необходимо оптимизировать их доступ к капиллярным мембранам. В патентной заявке WO 2008/012221 описан модуль фильтрации с использованием капиллярных мембран, содержащий несколько вертикально расположенных плоских мембранных блоков (или капиллярных мембранных штор), соединенных с общим нижним коллектором. Каждый плоский мембранный блок соединен с отдельным верхним коллектором. Такая конструкция вертикального модуля с капиллярными мембранами позволяет улучшить циркуляцию воздушных пузырьков и сточных вод между капиллярными мембранами, уменьшить накапливание загрязнений, и, как следствие, повысить эффективность воздушной очистки капиллярных мембран.
[0006] Однако в подобных вертикальных конструкциях, где капиллярные мембраны закреплены с обоих концов (например, нижним и верхним коллектором) и где используются воздушные пузырьки, скорость потока смеси осадка и воздуха в некоторых зонах, особенно на верхнем участке, может быть очень высокой. Как следствие, турбулентность, неизбежно возникающая в этих зонах, может быть настолько интенсивной, что приведет к неблагоприятно раннему развитию усталости материала и связанному с этим сокращению сроку службы оборудования.
[0007] При этом уменьшение скорости потока за счет увеличения промежутков между соседними мембранными блоками нежелательно, поскольку при этом уменьшится удельная площадь мембран на единицу объема, и, следовательно, существенно возрастут размеры модулей.
[0008] В опубликованной патентной заявке Японии №10146520 описано устройство, содержащее решетки, образованные большим количеством половолоконных мембран, удерживаемых с двух концов коллекторными трубками. Полые волокна расположены параллельно потоку обрабатываемой воды, а решетки установлены так, что с обоих концов полых волокон коллекторные трубки соседних решеток располагаются в различных позициях в потоке обрабатываемой воды. За счет этого возрастает коэффициент наполнения половолоконных мембран и уменьшается засорение мембран взвешенными частицами.
[0009] Один из недостатков вышеуказанной конструкции состоит в том, что решетки образованы несколькими рядами половолоконных мембран, и засорение может происходить внутри решеток. Кроме того, возможно возникновение коалесценции пузырьков воздуха на входе в промежуток между соседними решетками, что будет препятствовать прохождению потока обрабатываемой воды через этот промежуток.
[0010] Таким образом, существует потребность в техническом решении, в котором отсутствуют вышеупомянутые недостатки.
[0011] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить улучшенный модуль фильтрации, содержащий капиллярные мембраны, лишенный недостатков известных устройств (модулей).
[0012] Дополнительной задачей изобретения является уменьшение турбулентности в зонах соединения капиллярных мембран с верхним коллектором.
[0013] Еще одной задачей изобретения является увеличение срока службы и/или уменьшение усталости материала капиллярных мембран в модуле фильтрации.
[0014] Для решения поставленных задач предложено устройство для фильтрации жидкостей, раскрытое в прилагаемой формуле изобретения.
[0015] В соответствии с первым аспектом изобретения предложено устройство для фильтрации жидкостей. Устройство содержит несколько мембранных штор, каждая из которых образована одним рядом капиллярных мембран. Помимо этого устройство содержит по меньшей мере один нижний коллектор, расположенный у нижнего конца мембранных штор (у нижнего конца капиллярных мембран) и соединенный с капиллярными мембранами по меньшей мере одной мембранной шторы. Кроме того, устройство содержит верхние коллекторы, причем для каждой мембранной шторы предусмотрен соответствующий отдельный верхний коллектор. Верхний коллектор расположен у верхнего конца мембранной шторы и соединен с ее капиллярными мембранами.
[0016] Мембранные шторы (и соответственно капиллярные мембраны) расположены так, что во время работы устройства находятся в вертикальном положении. Верхние коллекторы расположены на расстоянии друг от друга. Таким образом, мембранные шторы и верхние коллекторы не препятствуют движению вверх потока (обрабатываемой) жидкости и, возможно, пузырьков воздуха между мембранными шторами и между верхними коллекторами.
[0017] Верхние коллекторы расположены на расстоянии друг от друга, так что между ними имеются просветы, позволяющие выходить вверх (обрабатываемой) жидкости и, возможно, пузырькам воздуха из промежутков между мембранными шторами.
[0018] В соответствии с первым аспектом изобретения, верхние коллекторы по меньшей мере двух соседних мембранных штор расположены на разной высоте, причем капиллярные мембраны указанных соседних мембранных штор имеют разную длину.
[0019] Предпочтительно, чтобы нижние концы указанных соседних мембранных штор располагались на одинаковой высоте. Таким образом, нижние коллекторы указанных соседних мембранных штор тоже будут расположены на одинаковой высоте.
[0020] Предпочтительно, чтобы верхние коллекторы любых двух соседних мембранных штор располагались на разной высоте. Предпочтительно располагать верхние коллекторы на двух разных уровнях по высоте.
[0021] Предпочтительно, чтобы в двух соседних мембранных шторах, расположенных на разной высоте, самая верхняя точка нижерасположенного верхнего коллектора (или его верхняя сторона) находилась ниже самой нижней точки вышерасположенного верхнего коллектора (или его нижней стороны) в (ортогональной) проекции на вертикальную ось. Более предпочтительно, чтобы в проекции на вертикальную ось указанная самая верхняя точка располагалась на 5-100 мм ниже указанной самой нижней точки, более предпочтительно - на 10-100 мм ниже самой нижней точки и наиболее предпочтительно - на 20-100 мм ниже самой нижней точки.
[0022] Предпочтительно, чтобы верхние коллекторы располагались в направлении вертикальной оси в шахматном порядке. Иначе говоря, предпочтительным является расположение верхних коллекторов поочередно на двух или более уровнях высоты.
[0023] Предпочтительно, чтобы нижний коллектор был соединен с капиллярными мембранами нескольких соседних мембранных штор.
[0024] Предпочтительно, чтобы конструкция нижнего коллектора предусматривала возможность сбора и отведения фильтрата.
[0025] Предпочтительно, чтобы нижний коллектор был образован одной коллекторной камерой.
[0026] Предпочтительно, чтобы конструкция верхних коллекторов предусматривала возможность сбора и отведения фильтрата.
[0027] Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один верхний коллектор имел такую форму, чтобы его толщина на участках соединения с капиллярной мембраной была больше толщины на участках, где указанный коллектор образует перемычку между капиллярными мембранами.
[0028] Предпочтительно, чтобы боковая стенка по меньшей мере одного верхнего коллектора была выполнена гофрированной. Более предпочтительно, чтобы все боковые стенки были гофрированными. Гофрирование позволяет еще большее увеличить площадь, на которой сточные воды протекают между верхними коллекторами. Более предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна боковая стенка верхнего коллектора была гофрирована так, чтобы параллельно капиллярным мембранам проходили углубления и выступы. Предпочтительным расположением выступов является их расположение напротив капиллярных мембран. Предпочтительным расположением углублений является их расположение между капиллярными мембранами.
[0029] Предпочтительно, на участках соединения капиллярных мембран с верхним коллектором предусмотрено наличие эластомерного материала, охватывающего мембраны. Эластомерный материал предназначен для поглощения вибрации и/или колебаний капиллярной мембраны.
[0030] Предпочтительно, чтобы предложенное устройство содержало средства аэрации, расположенные между мембранными шторами.
[0031] Предпочтительно, чтобы капиллярные мембраны представляли собой мембраны для нано-, микро- или ультрафильтрации в направлении "снаружи вовнутрь".
[0032] Предпочтительно, чтобы предложенное устройство содержало от 2 до 50, более предпочтительно от 2 до 20 и наиболее предпочтительно от 3 до 8 мембранных штор.
[0033] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусмотрено использование или применение устройств согласно настоящему изобретению для погружной фильтрации, в частности, в мембранных биореакторах МБР (MBR).
[0034] В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложено устройство для фильтрации жидкостей. Устройство содержит несколько мембранных штор, каждая из которых образована одним рядом капиллярных мембран. Помимо этого устройство содержит по меньшей мере один нижний коллектор, расположенный с нижней стороны мембранных штор (у нижнего конца капиллярных мембран) и соединенный с капиллярными мембранами по меньшей мере одной мембранной шторы. Кроме того, устройство содержит верхние коллекторы, причем каждой мембранной шторе соответствует отдельный коллектор. Верхний коллектор расположен у верхнего конца мембранной шторы и соединен с ее капиллярными мембранами.
[0035] Мембранные шторы (и, следовательно, капиллярные мембраны) расположены так, что в ходе работы устройства находятся в вертикальном положении. Верхние коллекторы расположены на расстояниях друг от друга. Таким образом, мембранные шторы и верхние коллекторы не препятствуют движению вверх потока (обрабатываемой) жидкости и, возможно, пузырьков воздуха между мембранными шторами и между верхними коллекторами.
[0036] Верхние коллекторы расположены на расстоянии друг от друга, так что между ними имеются просветы, позволяющие выходить вверх (обрабатываемой) жидкости и, возможно, пузырькам воздуха из промежутков между мембранными шторами.
[0037] В соответствии с третьим аспектом изобретения, по меньшей мере один верхний коллектор имеет такую форму, при которой его толщина на участках соединения с отдельной капиллярной мембраной больше, чем толщина на участках, где он образует перемычку между капиллярными мембранами (т.е. на участках между соседними капиллярными мембранами).
[0038] Предпочтительно, чтобы стенка по меньшей мере одного верхнего коллектора была выполнена гофрированной. Более предпочтительно, чтобы все боковые стенки были гофрированными. Благодаря гофрированию увеличивается размер прохода для потока обрабатываемой жидкости и, возможно, пузырьков воздуха между верхними коллекторами. Более предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна боковая стенка верхнего коллектора была гофрирована так, чтобы параллельно капиллярным мембранам проходили углубления и выступы. Предпочтительным расположением выступов является их расположение напротив капиллярных мембран. Предпочтительным расположением углублений является их расположение между капиллярными мембранами.
[0039] Предпочтительно, чтобы в устройствах фильтрации согласно третьему аспекту изобретения указанные верхние коллекторы соседних мембранных штор располагались (по существу) на одинаковой высоте. Капиллярные мембраны соседних мембранных штор предпочтительно имеют (по существу) одинаковую длину. В данном контексте использование выражения «по существу» предполагает, что высота и длина являются примерно одинаковыми, с учетом допусков на изготовление и сборку, которые могут привести к максимальным отклонениям в высоте/длине максимум ±10 мм, предпочтительно максимум ±5 мм.
[0040] Таким образом, предпочтительно, чтобы нижние концы соседних мембранных штор располагались на одинаковой высоте. Таким образом, и нижний коллектор (или коллекторы) указанных соседних мембранных штор предпочтительно расположен на одинаковой высоте.
[0041] Предпочтительно, чтобы нижний коллектор был соединен с капиллярными мембранами нескольких соседних мембранных штор.
[0042] Предпочтительно, чтобы нижний коллектор был выполнен с возможностью сбора и отведения фильтрата.
[0043] Предпочтительно, чтобы нижний коллектор был образован одной коллекторной камерой.
[0044] Предпочтительно, чтобы каждая из капиллярных мембран была покрыта эластомерным материалом на тех участках, где она соединяется с верхним коллектором и/или с нижним коллектором. Покрытие эластомерным материалом способствует поглощению вибраций и/или колебаний капиллярной мембраны.
Краткое описание чертежей
[0045] На Фиг.1 показан вид сбоку устройства фильтрации в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения. На Фиг.2 показан вид спереди того же устройства.
[0046] На Фиг.3 показан модуль фильтрации, известный из уровня техники. На Фиг.3А показан вид сбоку верхней части модуля фильтрации, иллюстрирующий верхние коллекторы и мембранные шторы. На Фиг.3В показано сечение (вид сверху) по линии А-А модуля фильтрации, изображенного на Фиг.3А.
[0047] На Фиг.4 показан модуль фильтрации согласно первому аспекту изобретения. На Фиг.4А показан вид сбоку верхней части модуля фильтрации, иллюстрирующий верхние коллекторы и мембранные шторы. На Фиг.4В представлено сечение (вид сверху) по линии В-В модуля фильтрации, изображенного на Фиг.4А.
[0048] На Фиг.5 показан модуль фильтрации в соответствии с третьим аспектом изобретения. На Фиг.5А показан вид сбоку верхней части модуля фильтрации, в котором боковые стенки верхних коллекторов гофрированы (имеют волнистую форму) и где показаны верхние коллекторы и мембранные шторы (проходящие перпендикулярно плоскости чертежа). На Фиг.5В представлено сечение (вид сверху) по линии С-С модуля фильтрации, изображенного на Фиг.5А.
Подробное описание изобретения
[0049] Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что данные варианты не ограничивают объем изобретения, определяемый формулой изобретения. Упомянутые чертежи также не имеют ограничительного характера и представляют собой схематические изображения. Для большей наглядности некоторые элементы показаны на чертежах в увеличенном масштабе. Размеры и соотношения размеров элементов не находятся в строгом соответствии с фактическими величинами размеров и соотношений, достигаемых при осуществлении изобретения. Специалистам понятно, что возможны многочисленные варианты и модификации настоящего изобретения, не выходящие за границы объема его защиты. Таким образом, ниже описанные варианты осуществления изобретения не ограничивают его объем.
[0050] Слова «верхний», «нижний», «левый», «правый», «над», «под» и подобные им применяются в описании и формуле изобретения для наглядного пояснения сущности изобретения и не являются обязательными при обозначении относительного расположения элементов. При определенных обстоятельствах эти слова являются взаимозаменяемыми, поскольку устройство в соответствии с вариантами осуществления изобретения, описанными в данном документе, может функционировать и при иной пространственной ориентации элементов, отличной от описанной или проиллюстрированной в данном документе. Например, слова «слева» и «справа» (от элемента) указывают на расположение по противоположным сторонам этого элемента.
[0051] Следует отметить, что слово «содержит» не подразумевает, что следующее за ним перечисление конкретных средств носит исчерпывающий характер. Другими словами, данное слово не исключает возможность наличия других (помимо перечисленных) элементов или этапов. Таким образом, выражение «устройство, содержащее средства А и В» не должно интерпретироваться, так, что компонентами устройства являются только средства А и В. Такая формулировка означает лишь то, что в контексте настоящего изобретения средства А и В являются существенными компонентами указанного устройства.
[0052] В том случае, когда для указания количественных величин или результатов измерений используются числовые значения, при оценке этих значений следует принимать во внимание их возможные отклонения, вызываемые наличием примесей, особенностями методов измерений, человеческим фактором, статистическим разбросом и т.п.
[0053] При указании диапазона числовых значений, определяемого от нижней границы до верхней границы, подразумевается, что числовые значения, соответствующие нижней и верхней границам, входят в данный диапазон, если не оговорено иное.
[0054] Отдельные аспекты изобретения относятся к устройствам фильтрации (называемым ниже «модулями фильтрации»), содержащим ряды капиллярных мембран (называемых ниже «мембранными шторами»), которые в ходе работы устройства расположены вертикально и в которых капиллярные мембраны закреплены как нижними, так и верхними концами. Крепление капиллярных мембран осуществляется соединением их нижних концов с нижним коллектором и их верхних концов с верхним коллектором. Конструкция модулей фильтрации согласно изобретению позволяет использовать их для погружной фильтрации, при которой капиллярные мембраны полностью погружены в обрабатываемую жидкость.
[0055] Под мембранными шторами понимаются одиночные плоские блоки капиллярных мембран. В контексте настоящего изобретения выражения «плоский мембранный блок», «мембранная штора» и «мембранная плоскость» являются взаимозаменяемыми и обозначают соседнее расположение капиллярных мембран в одной плоскости. Таким образом, капиллярные мембраны в мембранной шторе последовательно укладывают друг к другу, сторона к стороне, одна позади другой, в одной плоскости, предпочтительно на некотором (отличном от нуля) расстоянии друг от друга. В результате мембранная штора образует одиночный ряд (или решетку) капиллярных мембран. Такая штора из капиллярных мембран может быть названа мембранной плоскостью.
[0056] Термин «штора» подразумевает, что капиллярные мембраны в таких модулях фильтрации в ходе работы устройства установлены вертикально (или подвешены к коллекторам). Таким образом, капиллярные мембраны и шторы в ходе работы устройства расположены обычно (по существу) параллельно вертикальной оси. То же справедливо и для верхних коллекторов. Однако (верхние) коллекторы могут находиться и под некоторым углом к вертикальной оси. Итак, капиллярные мембраны и шторы могут располагаться по существу вертикально, что подразумевает, что капиллярные мембраны могут образовывать угол с вертикальной осью предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0° до приблизительно 10° по абсолютной величине и более предпочтительно от приблизительно 0° до приблизительно 5° по абсолютной величине. Следует, однако, отметить, что форма участков капиллярных мембран, проходящих между верхними и нижними коллекторами (т.е. между верхней и нижней зонами крепления), может слегка отличаться от прямолинейной вследствие отсутствия натяжения.
[0057] Количество мембран в одной мембранной шторе может составлять от десяти до более тысячи. Количество мембранных штор может составлять от 50 до 500 на метр, в зависимости от наружного диаметра капилляров.
2
3
2
3
[0058] В целом плотность установки мембран определяется свободным пространством между капиллярными мембранами в одной и той же мембранной шторе и промежутками между соседними мембранными шторами. Чтобы обеспечить эффективную обработку осадка (воды), необходимо добиться оптимальной плотности мембран в модуле независимо от его конфигурации. Модули фильтрации, содержащие капиллярные мембраны, отличаются высокий удельной площадью мембран на единицу объема; типичное значение удельной площади для таких модулей составляет 500 м на объем 3,36 м (2,2 м высота, 0,9 м ширина и 1,7 м длина), или приблизительно 150 м / м.
[0059] Фильтрацию осуществляют, создавая более низкое давление (например, частичный вакуум) в зоне сбора фильтрата, а именно во внутренней полости капиллярных мембран.
[0060] Капиллярные мембраны, подходящие для применения в предложенных устройствах, могут представлять собой так называемые капиллярные мембраны типа "снаружи вовнутрь", описанные в документе WO 2006/053046. Капиллярные мембраны, подходящие для использования в предлагаемых устройствах, могут быть снабжены элементами жесткости и/или опорами, состоящими из слоя упрочняющего материала, например из волокнистого материала. Эти капиллярные мембраны могут представлять собой мембраны для нано-, микро- или ультрафильтрации (жидкостей, коллоидов, смесей твердого и жидкого веществ, например растворов макромолекул, или суспензий, например суспензий, включающих бактерии).
Предпочтительно, чтобы они были применимы для фильтрации снаружи вовнутрь. Вместе с тем изобретение не ограничивается использованием капиллярных мембран конкретных видов.
[0061] Наружный диаметр подходящих капилляров предпочтительно находится в диапазоне от 0,5 мм до 10,0 мм включительно, более предпочтительно от 1,0 мм до 8,0 мм и еще более предпочтительно от 2,0 мм до 5,0 мм, в том числе 2,0 мм, 2,1 мм, 2,2 мм, 2,3 мм, 2,4 мм, 2,5 мм, 2,6 мм, 2,7 мм, 2,8 мм, 2,9 мм, 3,0 мм, 3,1 мм, 3,2 мм, 3,3 мм, 3,4 мм, 3,5 мм, 3,6 мм, 3,7 мм, 3,8 мм, 3,9 мм, 4,0 мм, 4,1 мм, 4,2 мм, 4,3 мм, 4,4 мм, 4,5 мм, 4,6 мм, 4,7 мм, 4,8 мм, 4,9 мм и 5,0 мм.
[0062] Отдельные аспекты изобретения относятся, в частности, к модулям фильтрации, в которых используются воздушные пузырьки для очистки мембран и/или для поддержания циркуляции обрабатываемой жидкости (осадка). В связи с этим модули фильтрации могут содержать средства аэрации. Средства аэрации могут быть выполнены в виде перфорированных дисков или пластин, помещенных под модулями фильтрации. Как вариант, средства аэрации могут быть выполнены в виде перфорированных воздуховодов, предпочтительно расположенных между мембранными шторами. При этом пузырьки воздуха будут перемещаться вверх между мембранными шторами, в результате чего образуется смесь воздуха и осадка. На выходе из верхней части модуля смесь воздуха и осадка может встречать гидравлическое сопротивление. Фактически верхние коллекторы могут функционировать в качестве ограничителей траектории потока, поскольку их толщина больше наружного диаметра капиллярных мембран, что влечет за собой увеличение скорости потока. Изобретатели наблюдали возникновение в таких зонах слишком интенсивной турбулентности, которая подвергает капиллярные мембраны периодическим воздействиям, потенциально обладающим значительным импульсом. Таким образом, капиллярные мембраны могут подвергаться нежелательным чрезмерным вибрациям и/или колебаниям, что может стать причиной ранней усталости материала капиллярных мембран в зонах, смежных с зонами их крепления в верхнем коллекторе.
[0063] Для устранения данного недостатка предлагается усовершенствованная конструкция модуля фильтрации, содержащего капиллярные мембраны. Далее аспекты изобретения будут изложены на примере вариантов его осуществления, описанных со ссылками на прилагаемые чертежи.
[0064] Ниже описаны устройства фильтрации согласно первому аспекту изобретения со ссылкой на Фиг.1 и 2, где представлены соответственно вид сбоку и вид спереди предложенного модуля 1 фильтрации. Капиллярные мембраны 5 расположены отвесно, а их нижние концы герметически вставлены в (нижний) коллектор 3. Нижний коллектор 3 может представлять собой один коллектор для всех капиллярных мембран модуля 1 фильтрации. В альтернативном варианте может быть предусмотрено несколько нижних коллекторов.
[0065] Капиллярные мембраны 5 размещены в отдельных мембранных шторах 2. Каждая мембранная штора образует плоский слой. На Фиг.1 показаны четыре таких мембранных шторы 2, расположенные рядом. На Фиг.2 модуль представлен на виде спереди, где показаны две соседние мембранные шторы. Капиллярные мембраны в мембранной шторе расположены друг за другом (или рядом друг с другом, в зависимости от точки наблюдения), причем между соседними капиллярными мембранами имеются промежутки.
[0066] Верхние концы капиллярных мембран отдельной мембранной шторы 2 герметически вставлены в верхний коллектор 4. Каждая мембранная штора имеет свой собственный верхний коллектор 4, общий для всех капиллярных мембран этой шторы.
[0067] Нижний коллектор (или коллекторы) 3 или же верхние коллекторы 4, или же и те, и другие могут использоваться для сбора и отвода фильтрата. В варианте осуществления, показанном на Фиг.1 и 2, в качестве устройства для сбора фильтрата используется нижний коллектор. При этом нижние концы 13 капиллярных мембран открыты, образуя, таким образом, проход для жидкости из капиллярных мембран 5 в нижний коллектор (коллекторы) 3. Фильтрованная вода (фильтрат), вытянутая через стенки мембран, поступает через этот проход в коллекторную камеру 6. Нижний коллектор 3 имеет отверстие 18 для сообщения с коллекторной камерой 6 - с одной или с двух сторон, предназначенное для отвода фильтрата. Зона входа капиллярных мембран 5 в коллекторную камеру 6 герметизирована с использованием герметизирующего материала 9, например полиуретана, эпоксидной смолы, полибутадиеновой смолы или другого аналогичного материала.
[0068] В нижнем коллекторе могут быть предусмотрены опоры 7, удерживающие капиллярные мембраны вместе в процессе изготовления и не допускающие попадания герметизирующей смолы в устройство для сбора фильтрата 6 в ходе герметизации.
[0069] В общем случае верхние концы 14 капиллярных мембран защищены от проникновения воды с помощью герметизирующего материала 12, как показано на Фиг.1, благодаря чему в верхних коллекторах фильтрат и воздух не могут выходить из капиллярных мембран. В альтернативном варианте отдельные верхние коллекторы 4 могут иметь такую же конфигурацию, как и нижний коллектор (или коллекторы) 3, если эти верхние коллекторы также используются для сбора фильтрата. Их конструкция может также предусматривать возможность деаэрации верхних концов капиллярных мембран с удалением всех локальных включений воздуха, которые могли скопиться при работе устройства и которые могут вызвать локальное снижение проходимости фильтрата через мембраны.
[0070] В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, для сбора и отвода фильтрата могут использоваться только верхние коллекторы 4, а в нижнем коллекторе (коллекторах) 3 капиллярные мембраны закрыты (фильтрат в нижнем коллекторе не собирают и не удаляют из коллектора).
[0071] Таким образом, в предложенных модулях функцию устройства для сбора фильтрата может выполнять либо нижний, либо верхний коллектор, либо оба коллектора совместно.
[0072] Поскольку каждая капиллярная штора соединена со своим отдельным верхним коллектором, между наружными кожухами 16 верхних коллекторов соседних мембранных штор имеются проходы 15 для протекания сточных вод.
[0073] В рассматриваемом аспекте изобретения соседние (следующие друг за другом) верхние коллекторы 4, каждый из которых соединен с соседней (одной из следующих друг за другой) мембранной шторой 2, расположены на разной высоте. В данном случае под «высотой» понимается расстояние, измеренное по вертикальной оси от общей точки отсчета до одной и той же зоны верхних коллекторов, например до нижней или до верхней стороны верхнего коллектора. В предпочтительных вариантах осуществления разность высот между двумя следующими друг за другом (соседними) верхними коллекторами больше высоты h верхнего коллектора.
[0074] Терминами «соседний» и «следующий друг за другом» обозначено непосредственное следование элементов друг за другом. Таким образом, указание на соседние, или следующие друг за другом, верхние коллекторы означает, что верхние коллекторы расположены рядом и следуют непосредственно друг за другом так, что между ними не находится никакого третьего верхнего коллектора.
[0075] Под высотой h верхнего коллектора, как показано на Фиг.1 и 2, понимается вертикальный размер верхнего коллектора (т.е. размер верхнего коллектора по вертикальной оси от его нижней до его верхней стороны). Под толщиной t верхнего коллектора, как показано на Фиг.1, понимается размер верхнего коллектора по горизонтальной оси в боковой плоскости (плоскости чертежа на виде сбоку, показанном на Фиг.1). Длина l верхнего коллектора, как показано на Фиг.2, обозначает размер верхнего коллектора по горизонтальной оси во фронтальной плоскости (плоскости чертежа на виде спереди, показанном на Фиг.2).
[0076] Правильный подбор разности высот между соседними верхними коллекторами может снизить проявление турбулентности. Назовем тот из двух соседних верхних коллекторов, который располагается выше, более высоким верхним коллектором 41, а второй из них более низким верхним коллектором 42. Самая нижняя точка 43 более высокого верхнего коллектора 41 расположена предпочтительно на 5-100 мм выше самой верхней точки 44 более низкого верхнего коллектора 42, более предпочтительно - на 10-100 мм выше и наиболее предпочтительно - на 20-100 мм выше. Указанная самая нижняя точка может располагаться на нижней стороне более высокого верхнего коллектора. Указанная самая верхняя точка может располагаться на верхней стороне более низкого верхнего коллектора.
[0077] Если измерения выполняются от общей точки отсчета до одной и той же зоны верхних коллекторов (принимая, что верхние коллекторы имеют одинаковую высоту h), последнее положение может быть выражено следующим образом: разность ΔН высот между двумя соседними (следующими друг за другом) верхними коллекторами предпочтительно находится в диапазоне от h+5 мм до h+100 мм, где h определяют, как указано выше. Более предпочтительно, чтобы указанная разность ΔН высот находилась в диапазоне от h+10 мм до h+100 мм, и наиболее предпочтительно - в диапазоне от h+20 мм до h+100 мм. Величина разности ΔН высот может быть выбрана исходя из толщины t верхнего коллектора (или разности между t и наружным диаметром капиллярных мембран). Чем тоньше верхние коллекторы, тем меньше будет разность ΔН высот.
[0078] На Фиг.1 и 2 изображен один из примеров конфигурации модуля с расположением капиллярных мембран в шахматном (зигзагообразном) порядке, однако возможны и альтернативные конфигурации, например с чередованием трех уровней.
[0079] Возможны также варианты осуществления, в которых геометрическая форма более низких верхних коллекторов отличается от формы более высоких верхних коллекторов, например в целях максимизации площади проходов 15.
[0080] В вышеупомянутых аспектах настоящего изобретения, в соответствии с которыми некоторые из верхних коллекторов смещены по высоте, сужение потока в проходе 15 уменьшается или по меньшей мере часть сужения сдвигается, и все сужение в целом оказывается менее резким. Когда разность ΔН высот между соседними верхними коллекторами превышает высоту h верхнего коллектора (т.е., как видно на виде спереди, коллекторы совершенно не накладываются друг на друга), направленный вверх поток сточных вод испытывает сжатие только с одной стороны. Траектория движения этого потока проиллюстрирована на Фиг.3А и 4А, где она показана стрелками между мембранными шторами 2. На Фиг.3А показана ситуация, характерная для модулей известной конструкции, а на Фиг.4А - ситуация, соответствующая рассматриваемым аспектам настоящего изобретения. Как видно на Фиг.4А, площадь прохода 15 для сточных вод увеличена по сравнению с вышеописанной ситуацией, при фактически одинаковой удельной площади мембран.
[0081] Как следствие, турбулентность у верхних концов капиллярных мембран значительно уменьшается. Благодаря смещению коллекторов по высоте, при движении сточных вод и пузырьков воздуха вверх, на их пути не возникает резкого сужения прохода между двумя соседними шторами у верхних коллекторов, как в известной конструкции. Таким образом, удается избежать периодических импульсных воздействий на капиллярные мембраны, и, как следствие, увеличить срок службы капиллярных мембран.
[0082] Как показано на Фиг.1 и 2, в соответствии с рассматриваемым аспектом изобретения, капиллярные мембраны соседних мембранных штор имеют различную длину (т.е. расстояние между нижним и верхним коллекторами у соседних мембранных штор различно).
[0083] Этого можно достичь, располагая нижние концы соседних мембранных штор (участки соединения с нижним коллектором или коллекторами) на одинаковой высоте, а верхние концы (участки соединения с верхними коллекторами) - на разной высоте. Таким образом, различие в длине капиллярных мембран у соседних мембранных штор оказывается равным введенной выше разности ΔН высот.
[0084] Размещение верхних концов на разной высоте и расположение мембран в виде одиночных рядов позволяет обеспечить лучшие условия контакта между мембранами и обрабатываемой жидкостью, а также более благоприятный режим потока и увеличение срока службы мембран.
[0085] Кроме того, то факт, что соседние мембранные шторы имеют различную длину, не оказывает существенного влияния на плотность установки мембран и вместе с тем позволяет располагать нижние концы соседних мембранных штор на одинаковой высоте. Это снижает конструктивную сложность и облегчает сборку устройства, а также способствует созданию однородного потока обрабатываемой жидкости на входе в проходы между мембранными шторами.
[0086] Кроме того, расположение нижних концов мембранных штор на одинаковой высоте может облегчить встраивание средств аэрации, например воздуховодов 10, между мембранными шторами в их нижней части. Пузырьки воздуха могут вводиться непосредственно в проход между мембранными шторами, что позволяет равномерно распределять их по разным шторам. Благодаря этому можно избежать коалесценции воздушных пузырьков на входе в проход и связанного с этим нарушения его проходимости.
[0087] Следует отметить, что в нижней части обрабатываемая жидкость может входить в проходы между мембранными шторами с боков, где, благодаря отсутствию сужений, нарушение проходимости еще менее вероятно.
[0088] Верхние коллекторы и/или нижний коллектор (или коллекторы) могут быть закреплены на раме.
1
2
[0089] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство фильтрации, в котором верхние коллекторы имеют особую форму, обеспечивающую более широкий проход для смеси осадка и воздуха, обозначенный позицией 55 на Фиг.5. В соответствии с рассматриваемым аспектом по меньшей мере один верхний коллектор (из двух соседних) имеет такую форму, что его толщина t в местах 51, где он смыкается с капиллярной мембраной, больше толщины t в местах 52, где он образует перемычку между соседними капиллярными мембранами (одной мембранной шторы). Такая конструкция предусматривает, что верхние коллекторы 53 могут иметь гофрированные (с волнистой поверхностью) боковые стенки, как показано на Фиг.5. Это позволяет увеличить площадь прохода для смеси воздуха и осадка, имеющегося в промежутке между соседними коллекторами в направлении, параллельном капиллярам, не изменяя при этом удельную площадь мембран на единицу объема.
[0090] В альтернативном варианте осуществления данного аспекта в боковых стенках верхних коллекторов выполнены углубления на участках, находящихся между соседними капиллярными мембранами. Углубления направлены параллельно капиллярным мембранам. Наличие таких углублений обеспечивает достижение такого же результата, что и в варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг.5.
[0091] Верхние коллекторы с гофрированными стенками или содержащие углубления, выполненные в боковых стенках, имеют явные преимущества по сравнению с верхними коллекторами, имеющими плоские боковые стенки. Площадь поперечного сечения верхнего коллектора с гофрированными или волнистыми боковыми стенками значительно меньше, за счет чего имеется больше пространства для прохождения смеси воздуха и осадка.
[0092] Таким образом, в данном случае достигается эффект, аналогичный эффекту, получаемому при расположении верхних коллекторов в шахматном порядке: уменьшение сужения пространства, по которому проходит поток, позволяет избежать чрезмерной турбулентности и увеличить срок службы капиллярных мембран.
[0093] Гофрированная боковая стенка (или стенки) верхнего коллектора 53 имеет (имеют) предпочтительно синусоидальную форму. Такая стенка может иметь и другую волнообразную форму, предпочтительно такую, при которой она по меньшей мере частично повторяет форму капиллярных мембран. Предпочтительно, чтобы расстояние между впадиной и выпуклостью (минимумом и максимумом) на такой боковой стенке соответствовало половине наружного диаметра капиллярной мембраны.
[0094] Такой верхний коллектор можно изготовить, прикладывая два гофрированных листа из соответствующего материала (предпочтительно пластмассы) друг к другу с размещением их впадин и вершин напротив друг друга, чтобы листы расположились зеркально. В зазорах, образуемых между листами, можно уложить капиллярные мембраны. Листы можно приклеить друг к другу и к мембранам подходящим клеящим веществом.
1
2
[0095] Например, при наружном диаметре мембраны 4 мм для формирования верхнего коллектора могут использоваться гофрированные листы толщиной 0,3 мм. Толщина верхнего коллектора при этом составит приблизительно t=4,6 мм в тех местах, где верхний коллектор соединен с мембранами, и приблизительно t=0,6 мм на промежуточных участках. Благодаря этому значительно увеличивается площадь прохода между соседними верхними коллекторами по сравнению с вариантом, в котором верхние коллекторы имеют плоские боковые стенки (т.е. с постоянной толщиной t=4,6 мм).
[0096] В альтернативном варианте гофрированные верхние коллекторы могут изготавливаться литьем (в том числе под давлением) на поверхности капиллярных мембран.
[0097] На верхних участках верхних коллекторов может быть предусмотрен усиливающий элемент, например стержень или пруток. Усиливающий элемент соединяют с верхним коллектором в нескольких точках. Такой элемент может обеспечивать внешнюю фиксацию верхнего коллектора (например, к раме). Таким образом, такой усиливающий элемент придаст дополнительную жесткость коллектору, никак не препятствуя течению обрабатываемой жидкости.
[0098] Предпочтительно, чтобы верхние коллекторы 53 с гофрированной боковой стенкой (или стенками) были установлены на одинаковой высоте. В этом случае соседние мембранные шторы могут располагаться на одинаковой высоте и иметь одинаковую длину.
[0099] Такое расположение коллекторов в сочетании с размещением мембран в одиночных рядах обеспечивает улучшенный (т.е. больший по площади) контакт между поверхностью мембраны и обрабатываемой жидкостью и, благодаря этому, более высокую эффективность фильтрации, а также увеличенный срок службы капиллярных мембран.
[0100] Верхние коллекторы согласно рассматриваемому аспекту изобретения предпочтительно использовать в устройствах, в которых нижний коллектор соединен с несколькими мембранными шторами.
[0101] Там, где нижние части мембранных штор расположены на одинаковой высоте, предпочтительно, чтобы между мембранными шторами и, возможно, в нижний коллектор (или коллекторы) были встроены средства аэрации. Встраивание средств аэрации в нижний коллектор или между мембранными шторами позволяет вводить воздушные пузырьки непосредственно в поток, проходящий между мембранными шторами, и за счет этого равномерно распределять их между разными рядами.
[0102] В том предпочтительном варианте, когда нижний коллектор образован одной камерой для сбора фильтрата, обрабатываемая жидкость входит в проходы между мембранными шторами с боков, где, благодаря отсутствию сужений, нарушение проходимости менее вероятно.
[0103] Рассматриваемый аспект изобретения (в соответствии с которым боковые стенки верхних коллекторов имеют особую форму) может быть использован как дополнение к предыдущим аспектам или в качестве альтернативы им. В случае комбинации с упомянутым выше шахматным расположением верхних коллекторов можно предусмотреть, чтобы по меньшей мере более низкие верхние коллекторы были выполнены в соответствии с рассматриваемым аспектом изобретения.
[0104] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предложенных устройств, капиллярные мембраны на участках, которыми они вставлены в верхние коллекторы 4 и/или в нижний коллектор, покрыты демпфирующим, например эластомерным, материалом. Эластомерный материал может поглощать колебания капиллярной мембраны, вызываемые движением сточных вод и/или воздушных пузырьков. Таким образом, дополнительно к особому расположению верхнего коллектора и/или особой форме верхнего коллектора дальнейшее увеличение срока службы капиллярных материалов в модулях согласно настоящему изобретению может быть достигнуто за счет нанесения на капилляры демпфирующего, предпочтительно эластомерного, материала. Для этой цели подходят такие эластомерные материалы, как силиконовый каучук или полиуретаны, в частности, подходящие для литья. В наибольшей степени подходят для этой цели двухкомпонентные силиконы, более предпочтительно- силиконы, полученные поликонденсацией, например ASSYST 181 (компании Assyst BVBA, Бельгия). Предпочтительно, чтобы демпфирующий (эластомерный) материал имел после вулканизации твердость по Шору по шкале А (по дюрометру) в диапазоне от 10 до 40, более предпочтительно от 15 до 25.
[0105] Предпочтительно, чтобы демпфирующий материал был нанесен в виде непрерывного слоя под верхним коллектором (и/или над нижним коллектором), так, чтобы локально связывать капиллярные мембраны в мембранной шторе. Как альтернативный вариант, демпфирующий материал может быть нанесен отдельно на каждую капиллярную мембрану.
[0106] В соответствии с изобретением, предпочтительно, чтобы мембранные шторы 2 в модулях располагались на фиксированном расстоянии друг от друга (например, когда нижние и верхние коллекторы расположены на заданных промежутках друг от друга). Кроме того, отдельные капиллярные мембраны в одной шторе предпочтительно расположены на (по существу) равных расстояниях друг от друга.
[0107] При этом предпочтительно, чтобы капиллярные мембраны удерживались на достаточно больших регулируемых расстояниях друг от друга, что обеспечивает прекрасный доступ пузырьков воздуха и сточных вод к мембранам без угрозы возникновения препятствий их движению.
[0108] Устройство для фильтрации обрабатываемых жидкостей может содержать несколько модулей 1 фильтрации. Обычно их помещают рядом друг с другом в бак, через который во время работы устройства пропускают обрабатываемую жидкость.
[0109] При типичном применении устройства в качестве мембранного биореактора МБР (MBR) для поддержания движения сточных вод (обрабатываемой жидкости) вокруг капилляров и между ними и для предотвращения оседания твердых фрагментов или частиц, имеющихся в сточных водах, на дно бака мембранного биореактора применяют обработку пузырьками воздуха. Этот воздух нагнетается с нижней части модулей, очищая наружную поверхность капиллярных мембран за счет эффекта воздушной очистки. Как вариант, воздух (дополнительный) может нагнетаться через отверстия 11 воздуховода 10, расположенного между плоскими слоями 2 капилляров непосредственно над нижним коллектором 3. Воздуховоды могут быть предусмотрены в каждом из промежутков между плоскими слоями 2, как показано на Фиг.1. В альтернативном варианте воздуховоды 10 могут быть предусмотрены только в некоторых промежутках между шторами.