膜过滤器和用于过滤的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于过滤待过滤的液体的膜过滤器，其带有向下开放的、能被气体和液体穿流的底部件，所述底部件具有管状的外罩和恰好一个位于所述外罩中的膜支架，其中，所述膜支架通过至少一个锚固点与所述外罩相连;带有在上方固定在膜支架中的分别配备空腔的空心纤维膜，滤液能够从待过滤的液体中过滤到所述空腔中；带有在圆周上闭合的管，所述管连接在外罩上方并且包围空心纤维膜;带有用于使气体进入底部件的进气口；带有用于使气体进入底部件中的进气口；带有至少一个滤液收集室，所述滤液收集室与空心纤维膜的空腔相连，用于收集来自空心纤维膜的滤液;带有至少一个用于使滤液从至少一个滤液收集室中排出的滤液出口 ；并且带有至少一个向下开放的位于外罩与膜支架之间的流体腔，用于液体的穿流，所述流体腔在上方具有用于所述液体流出至管中的出口，其中，至少一个流体腔在穿过膜支架的每个截面中不仅邻接外罩而且还邻接膜支架，并且膜支架除了至少一个用于使液体从下向上穿流的流体腔之外完全封闭底部件。
[0002]此外，本发明还涉及一种用于在所述膜过滤器中过滤待过滤的液体的方法，其中，液体流入底部件、穿流过至少一个流体腔并且在此绕膜支架环流，气体通过进气口流入底部件，液体仅通过在底部件的上方的出口流出并且仅通过该出口流入管中，气体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体在膜过滤器中的上行运动，上升的液体和气体从外部冲洗空心纤维膜，在空心纤维膜的外侧与空心纤维膜的空腔之间存在压力差，基于所述压力差使得滤液从液体中滤出并且流入空心纤维膜的空腔中，并且收集来自空腔中的滤液并且使滤液从膜过滤器中流出。
【背景技术】
[0003]由文献W002/22244-A1公开了带有上述技术特征的膜过滤器，其中一个发明人也参与了该申请。
[0004]已知的膜过滤器设计用于过滤富含固体的废水，例如其在生物净化设备中出现在膜生物反应器(MBR)中。在此，膜过滤器或者可以沉入净化设备的槽中，或者可以在配备了输入管路和输出管路的情况下干式地树立。用于过滤的驱动力在大多数情况下是通过施加在渗透侧的负压实现的，然而在干式树立的方案中也可以通过较低的进料侧(原水侧)的过压实现。
[0005]空心纤维膜具有小于5mm、通常为0.5至3mm的直径，并且具有微过滤膜或超过滤膜的穿透性。也可以使用用于逆渗透或纳米过滤的膜部件。
[0006]为了避免滤除材料堵塞膜过滤器，膜过滤器持续地或以周期性的间隔被冲洗。通常使用的用于物理冲洗膜过滤器的方法利用液体或气体对膜部件渗透侧逆流冲洗并结合对膜部件外侧的气泡冲洗进行。在结合对膜部件外侧的气泡冲洗的情况下，气泡自下方进入膜过滤器中，气泡随后沿着空心纤维膜上升并且气泡在待过滤的液体中运动。随着气泡的上升，还持续地形成了待过滤的液体的上行流动。由气体和液体构成的两相流体的剪力具有较高湍流，由此，顶部覆层从膜部件上剥落并且被冲掉。在膜生物反应器中，空气通常被用作气体。
[0007]当空心纤维膜被在周向上封闭的管包围时，所谓的空气提升栗效应、也即上升气泡所引发的液体穿过膜过滤器的上行流动对空心纤维膜具有特别高的清洁效果，因为气泡由此保持在膜过滤器中、也即保持在紧邻空心纤维膜的附近。管的积极效果在文献JP-2003-024937 和 US-2—6/0273007A1 的发明中有所描述。
[0008]在已知的膜过滤器的实施方式中，以沉浸式或干式树立方式使用的膜过滤器的空心纤维膜固定在恰好一个膜支架中，所述膜支架通过6个锚固点与底部件的管状的外罩相连。膜过滤器具有滤液收集室，空心纤维膜连接在所述滤液收集室中。空心纤维膜在上方各自单独地封闭。
[0009]此外，在该膜过滤器中的底部件还具有进气口，所述进气口通过气体管路连接在喷嘴件上，喷嘴件伸入空心纤维膜之间。通过喷嘴件使得膜支架上方的气体在空心纤维膜之间进入待过滤的液体中。通过已进入气体的空气提升栗效应使得液体自下通过底部件中的锚固点之间的6个穿孔吸入。穿孔构成底部件中的流体腔，所述流体腔处于在膜支架与外罩之间。液体穿过模块底部流入流体腔中并且在与从模块底部上方进入的气体混合之后与该气体共同在膜过滤器中上升，随后气体和液体在上方从膜过滤器流出。特征在于，液体仅通过位于外罩与膜支架之间的6个穿孔、也即流体腔穿流过底部件。在底部件中不存在其他的用于使液体穿流的通道。也就是说膜支架除了流体腔之外封闭底部件。
[0010]该膜过滤器的其他特征在于，气体和液体分离地引过空心纤维膜:液体通过外罩与膜支架之间的流体腔自膜支架的下方流向空心纤维膜，而气体从喷嘴件的中心自膜支架的上方流向空心纤维膜。
[0011]在底部件中，尤其并联的流体腔作为用于使液体穿流的小穿孔而易于被堵塞。如果在其中一个并联的穿孔中出现沉积或横截面变窄(例如由于悬浮的落叶或纤维状化合物)，则在该穿孔中穿透性降低而且进一步堵塞的风险升高。多个小穿孔并联的穿流的系统因此被认为在过程技术上是不稳定的:如果对于流体来说充分具有备选的流体路径，那么在流体通道中一开始的堵塞本身发生加速并且导致相应的流体通道的完全堵塞。例如在已知的具有6个并联穿孔的系统中，其中一个穿孔开始出现堵塞，则其余5个穿孔会补偿降低的流通量。当该穿孔完全堵塞时，其他穿孔必须将其流通量仅提高20%。并联的内径穿流通道的堵塞风险随着通道数量的减小而增加而随着通道横截面的增大而持续降低。
[0012]除了底部件中的穿孔的堵塞问题之外，在已知的紧邻锚固点上方的膜过滤器中还存在其他问题。在锚固点的流动盲区中形成颗粒沉积的风险，所述颗粒例如会导致过滤器的部分堵塞。在湍流较小的流动区域中颗粒沉积的问题显然对于膜生物反应器来说是特别严重的，因为在此待过滤的液体是泥浆，其中包含大量颗粒、毛发、纤维状化合物和其他杂质，其易于沉积和堵塞。
[0013]已知膜过滤器的第三个问题在于在系统(其带有在膜支架上方的中央喷嘴件)按比例放大的情况下不充分的气体分配。集中在中心上升的气泡需要导入距离，随后气泡增大其尺寸或者沿水平方向扩展，从而使气泡达到整个集束直径(Biindeldurchmesser)。随着不断增大的直径，该导入距离边长而且显示为，膜集束的最大直径被限制在至多10cm，所述膜集束能够均匀充气。更大的直径会导致，下部夹紧部位附近的集束的外部区域只能通过已进入空气的能量被不充分地清洗，并且由此易于堵塞。
[0014]在本发明的背景部分中文献DE19811945A1还描述了一种膜过滤器，所述膜过滤器具有底部件，其带有膜支架，空心纤维膜固定在所述膜支架中。而且其中一个发明人也参与了该申请。在此，膜过滤器和底部件被共同的管包围。然而底部件的外罩没有与膜支架相连。膜膜过滤器在膜支架与管之间具有流体腔，待过滤的液体穿流过所述流体腔。除了该流体腔之外，膜过滤器还具有其他用于使待过滤的液体和气体进入内部的贯穿孔，然而所述贯穿孔没有既邻接膜支架又邻接管。问题恰好在于这些并联穿流的小贯穿孔，因为它们非常容易堵塞。
【发明内容】
[0015]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够降低堵塞倾向的膜过滤器。
[0016]基于已知的膜过滤器，根据本发明建议，底部件能够按照从进气口，通过至少一个流体腔、直至出口的顺序被流通。气体不像在已知的膜过滤器中那样通过独立的导气管路从中央导入固定在膜支架中的空心纤维膜的中心，而是气体与液体一起通过至少一个流体腔输入到空心纤维膜的外部区域中。由此得到了用于降低膜过滤器堵塞倾向的多种优点。一方面，由气体和液体构成的两相流体的剪力也用于膜支架的清洗，而且另一方面，在膜部件的下部区域中气体还进入膜集束的边缘区域，从而在此处降低堵塞倾向。
[0017]在膜过滤器的该设计中有利的是，管包围空心纤维膜的自由长度，也即其处于液体中的长度的至少50%。由此确保了，在管中的空气提升栗效应形成在流体腔中足够剧烈的流体，以便冲洗处于流体腔中的膜支架。
[0018]根据本发明的膜过滤器可以具有在水平截面中呈圆形的膜支架以及固定在所述膜支架上的密封地相邻布置的空心纤维膜。然而带有空心纤维膜的密封包装的膜集束在圆形横截面中被限定直径。空心纤维模块在膜生物反应器中的运行实际情况表现为，由液体和气体构成的两相流体的剪力随着运行条件的不同而最大约为2.0-2.5cm地作用在空心纤维膜的集束中。因此具有圆形横截面的膜集束的外径被限制在约为4-5cm。
[0019]作为备选，膜支架具有矩形、多角形或任意其他形状的横截面。在非圆形的膜支架横截面的设计方式中有利的是，外罩和管的外部形状与膜支架的外部性状相适配。如果膜支架或者底部件的外罩例如是矩形的，则有利的是，连接在外罩上的管也被设计为具有与外罩尺寸相类似的尺寸的矩形。
[0020]在尺寸变大的情况下有利的是，在膜支架中的至少一个流体腔具有伸入的隆起。由此，利用膜部件密封包装的横截面的宽度降低到能够从外部通过由气体和液体构成的两相流体的剪力被冲洗的程度。所述隆起的最简单的形状是在单纯的径向上的隆起。基于以上限定，膜支架的直径可以通过隆起例如增加到8-10cm。
[0021]在直径变大的情况下，隆起的其他形状和由此支架的其他几何形状也是可以考虑的，例如膜支架的三叶草形状或能够将多个圆形膜集束布置在内的膜支架。
[0022]在具有较大直径的膜过滤器的有利设计方式中，膜支架具有指形件，所述指形件通过隆起构成，并且通过膜支架的锚固件相连。指形件优选平行布置。标志“指形件”的特征在此在于，在穿过膜支架的水平横截面中，指形件具有统一的宽度。然而这并不意味着指形件在垂直方向上也具有统一的高度或者说也不意味着所述高度以某种方式与宽度相关。由此指形件提供了可能性，使得配备了空心纤维膜的区域的宽度可以设计为统一的而且自由选择。被证实为有利的是，指形件的配备了膜部件的区域的宽度被设计为在2至5cm之间，因为这样能够确保指形件的配备了空心纤维膜的区域即使在夹紧部位附近也能被理想地冲洗。
[0023]有利的是，将锚固点的数量保持得尽可能低，因为由此用于待过滤的液体的流体通道的数量变小而且同时其流动横截面变大。由此显著降低了并联流通的流体通道的堵塞问题。
[0024]带有指形件的膜过滤器的设计中进一步有利的是，膜支架通过最多两个锚固点与外罩相连，所述锚固件处于锚固件的延长部上。这主要对于底部件作为注塑件的制备是有利的。
[0025]在这种根据本发明的膜过滤器的有利的设计方式中，膜支架仅通过一个锚固点与外罩相连。在此情况下，所有穿流过膜过滤器的液体和气体的量共同穿流过这一个流体腔并且随后通过该流体腔的出口流向连接在底部件的外罩上方的管。通过空气提升栗效应(其由在管中上升的气体形成)可以使得这样的系统在某种程度上被认为是强制流动的。也就是说，只要气体在膜过滤器中上升，液体也自下通过底部件被吸入。也就是说，只要流体穿流过底部件，则流体通道就不被完全堵塞，而且由此在部分堵塞时也始终有能力通过流体的较高剪力对其自身进行自由冲洗。较高的剪力例如可以通过气体量的提高和进而流体的湍流实现。能够对部分堵塞的流体通道的自由冲洗的优点在多个并联的内径穿流通道中则不能实现。在这种系统中如果一个通道被部分堵塞，则该通道鉴于随之降低的流通速度具有完全堵塞的趋势。为了重新冲洗完全堵塞的流体通道，通常仅仅通过由气体和液体构成的两相流体对膜过滤器进行机械冲洗是不够的。在此情况下，通常还需要对膜过滤器的化学强力清洗乃至手动的机械清洗。随着并联流体通道的数量的降低，提高了对部分堵塞的流体通道进行自由冲洗的可能性。因此选择唯一一个流体通道是有利的。然而在根据本发明的膜过滤器中也为所述流体通道设置边界。
[0026]在根据本发明的膜过滤器中仅仅一个锚固点的设置只在底部件的直径不高于15-18cm时才具有意义。在更大的膜支架中出于稳定考虑有利的是，膜过滤器具有至少两个相互对置的锚固点。在根据本发明的膜过滤器的设计中有利的是，通过一个锚固点连接滤液出口并且通过另一个锚固点连接进气口。
[0027]出于制造技术原因，在根据本发明的在膜支架中带有多个指形件的膜过滤器的设计中有利的是，在锚固件的两侧和在锚固件的区域中，指形件的配备有空心纤维膜的区域的宽度被设计为统一的，并且在此在锚固件上方指形件之间的小区域不配备膜部件。
[0028]为了避免在指形件之间锚固件的流动盲区中沉积固体颗粒，有利的是，在指形件之间锚固件的横截面沿垂直方向没有保持到出口，而是在出口之前变窄地延伸。这同样适用于用于使膜支架与外罩相连的锚固点的设计。
[0029]在此情况下，膜支架在至少一个锚固点上方的各个水平截面中都相对于外罩完全分离。如果外罩同时至少达到膜支架的上端部，则膜支架在该水平截面中完全嵌入出口。在此，膜支架不一定必须在底部件上方是连续的，因为在膜支架带有多个指形件而且指形件之间的锚固件没有构成直到出口的示例中，在出口中的横截面具