фильтрующее устройство в виде полой волоконной мембраны и его применение при очистке сточных вод, а также мембранный биореактор

Формула изобретения

1. Фильтрующее устройство (1) для отделения частиц от жидкости посредством полых волоконных мембран (3), которые объединены в пучок (2) волокон, выполнены с возможностью протекания жидкости снаружи внутрь, и из которых отфильтрованную жидкость удаляют, по меньшей мере, из одного из их соответствующих концов (4), и в котором имеется газоподводящее устройство (5) для обтекания газом наружной поверхности полых волоконных мембран (3), отличающееся тем, что газоподводящее устройство (5) включает в себя носитель (6), наружная периферийная поверхность (7) которого выполнена, по меньшей мере, частично проницаемой изнутри наружу для газа, при этом пучок (2) волокон намотан на наружную периферийную поверхность (7) носителя (6).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная периферийная поверхность (7) имеет сквозные отверстия в виде дырок или шлицев или состоит из пористого материала и имеет преимущественно форму боковой поверхности цилиндра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная периферийная поверхность (7) носителя (6) имеет длину 1-100 см, преимущественно 5-70 см, и диаметр 1-40 см, преимущественно 5-20 см.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что носитель (6) содержит на одном торцевом конце патрубок (8) для газа, в частности сжатого воздуха.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концы (4) полых волоконных мембран (3) закреплены, по меньшей мере, в одной присоединительной головке (9), которая соединена с всасывающим патрубком (10) для удаления пермеата из полых волоконных мембран (3).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что первые концы (4) каждой полой волоконной мембраны (3) соединены с первой присоединительной головкой (9), а соответственно другие концы (4') полых волоконных мембран (3) - со второй присоединительной головкой (9').

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что присоединительная головка (9, 9') и газовый патрубок (8) расположены на противоположных торцевых концах носителя (6).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несколько полых волоконных мембран (3) объединены в пучок (2) волокон таким образом, что последний имеет поверхность фильтрования 0,1-10 м ², в частности 0,5-5 м².

9. Фильтрующий модуль (11), отличающийся тем, что он содержит несколько фильтрующих устройств (1) по п.1, в частности несколько фильтрующих устройств (1), расположенных вертикально рядом друг с другом стороной газоподвода вниз.

10. Модуль по п.9, отличающийся тем, что фильтрующие устройства (1) расположены таким образом, что образуется поверхность фильтрования 50-700 м ²/м³, в частности 100-400 м ²/м³.

11. Модуль по п.9, отличающийся тем, что фильтрующие устройства (1) содержат один общий подводящий трубопровод (12) для газа, преимущественно сжатого воздуха, и/или один общий отводящий трубопровод (13) для пермеата.

12. Применение фильтрующего модуля (11) по п.9, содержащего несколько фильтрующих устройств (1), согласно п.1, для очистки воды или сточных вод.

13. Способ очистки воды или сточных вод, включающий операции

подачу загрязненной биологически активным материалом воды (сточных вод) (22) в фильтрационный резервуар (14), в котором расположен, по меньшей мере, один фильтрующий модуль (11) по п.9, и

отвод очищенной от биологически активного материала воды, причем образовавшиеся на наружных поверхностях полых волоконных мембран (3) отложения удаляют с полых волоконных мембран (3) путем продувки газом через наружные периферийные поверхности (7) носителя (6).

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что газ подают периодически.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно перед фильтрационным резервуаром (14) включен контактор (15), и, по меньшей мере, часть отделенного в фильтрационном резервуаре (14) биологически активного материала возвращают в контактор (15).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что возвращаемое количество из фильтрационного резервуара (14) составляет 5-300 об.%, в частности 10-100 об.%, суточного притока неочищенных сточных вод.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что время пребывания возврата из фильтрационного резервуара (14) в контакторе (15) составляет 2-120 мин, в частности 20-90 мин.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что в зоне контактора (15), в который из фильтрационного резервуара (14) возвращают биологически активный материал, устанавливают соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) неочищенных сточных вод и возвращенным из фильтрационного резервуара (14) биологическим шламом (TS) 1-100 кг CSB/кг TS в сутки, предпочтительно 5-70 кг CSB/кг TS в сутки.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) в контакторе (15) снижают до такого значения, что после возврата сточных вод из контактора (15) в фильтрационный резервуар (14) в последнем устанавливается соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) 0,01-1 кг CSB/кг TS в сутки, преимущественно 0,02-0,6 кг CSB/кг TS в сутки.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что контактор (15) разделен, по меньшей мере, на два расположенные друг за другом резервуара (18, 19) с направлением течения от первого резервуара (18) к последнему резервуару (19), включенному перед фильтрационным резервуаром (14), подача неочищенных сточных вод и возврат биологически активного материала из фильтрационного резервуара (14) происходят соответственно в первый резервуар (18) контактора, а сточные воды возвращают из последнего резервуара (19) контактора в фильтрационный резервуар (14).

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что скорость течения внутри контактора (15) устанавливают 1-60 м/ч, в частности 10-40 м/ч.

22. Способ по п.15, отличающийся тем, что в контакторе (15) предусмотрены отклоняющие стенки для управления потоком жидкости.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что контактор (15) выполнен в виде поршневого проточного или трубчатого реактора.

24. Мембранный биореактор (16) с фильтрационным резервуаром (14), в котором находится мембранный фильтрующий блок (11), отличающийся тем, что дополнительно перед фильтрационным резервуаром (14) включен контактор (15) с, по меньшей мере, с одним резервуаром, оборудованным средством для подвода неочищенных сточных вод и средством для возврата биологически активного материала из фильтрационного резервуара (14).

25. Реактор по п.24, отличающийся тем, что контактор (15) разделен, по меньшей мере, на два расположенные друг за другом резервуара (18, 19) с направлением течения от первого резервуара (18) контактора к последнему резервуару (19) контактора, включенному перед фильтрационным резервуаром (14), при этом первый резервуар (18) контактора оборудован средством (20) для подачи неочищенных сточных вод и средством (21) для возврата биологически активного материала из фильтрационного резервуара (14).

26. Реактор по п.24, отличающийся тем, что контактор (15) рассчитан так, что в зоне, в которую из фильтрационного резервуара (14) возвращают биологически активный материал, устанавливают соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) неочищенных сточных вод и возвращенным из фильтрационного резервуара (14) биологическим шламом (TS) 1-100 кг CSB/кг TS в сутки, предпочтительно 5-70 кг CSB/кг TS в сутки.

27. Реактор по п.25, отличающийся тем, что соотношение между биохимической потребностью в кислороде и биологическим шламом уменьшается от первого резервуара (18) контактора к последнему (19).

28. Реактор по п.24, отличающийся тем, что контактор (15) разделен на 2-20, в частности 3-12, резервуаров.

29. Реактор по п.24, отличающийся тем, что соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) при возврате из контактора (15) в фильтрационный резервуар (14) имеет такое значение, что устанавливается соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) 0,01-1 кг CSB/кг TS в сутки, преимущественно 0,02-0,6 кг CSB/кг TS в сутки.

30. Реактор по п.24, отличающийся тем, что в контакторе (15) имеются отклоняющие стенки для управления потоком жидкости.

31. Реактор по п.24, отличающийся тем, что для контактора (15) предусмотрено продувочное устройство.

32. Реактор по п.24, отличающийся тем, что мембранный фильтрующий блок состоит, по меньшей мере, из одного фильтрующего модуля, выполненного по п.9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фильтрующему устройству для отделения частиц от жидкости посредством мембран в виде полых волокон, объединенных в пучок. Это фильтрующее устройство, а также фильтрующий модуль, в котором объединены несколько фильтрующих устройств, пригодны, в частности, для отделения биомассы от воды или сточных вод. Изобретение относится также к мембранному биореактору и к способу подготовки воды (сточных вод).

Использование мембранных фильтров для очистки воды или сточных вод, в принципе, известно. Применяемые для фильтрования пористые материалы состоят, например, из керамики или полимерных мембран, например из полиэтилена, полипропилена, полиэфирсульфона и т.п. В зависимости от области применения размер пор мембраны может лежать в диапазоне 0,001-1 мкм.

При мембранном фильтровании различают, в принципе, три способа, а именно "Dead end", "Crossflow" и "Submerged".

В способе "Dead end" очищаемую жидкость без дальнейшей циркуляции в периодическом режиме продавливают через мембрану. При этом задержанные мембраной частицы осаждаются на мембране и с течением времени работы приводят к засорениям и наростам на мембране. С течением времени работы необходимо поэтому для обеспечения постоянной пропускной способности увеличивать давление или наоборот, при постоянном давлении пропускная способность уменьшается. Для промышленного применения в области установок для подготовки питьевой воды или сточных вод этот способ фильтрования поэтому непригоден.

В способе "Crossflow" очищаемая жидкость рециркулируется вдоль поверхности мембраны и вследствие разности давлений между этой и противоположной сторонами мембраны продавливается через мембрану, причем отделяемые частицы задерживаются. Этот способ требует создания разностей давлений заметно выше 500 мбар. Кроме того, для отделения образующихся на мембране осаждений требуется рециркулировать большую долю еще не очищенной жидкости. Это приводит к значительным производственным расходам.

В способе "Submerged" мембрану погружают в очищаемую жидкость, и в случае выполненных из полых волокон мембран по принципу разрежения пермеат втягивается внутрь полого волокна и отводится внутри полого волокна. Разность давлений между наружным и внутренним пространствами мембраны в данном случае, однако, гораздо меньше, чем в случае фильтрования способом "Crossflow".

При мембранном фильтровании для обработки воды или сточных вод применяют обычно способ "Submerged", при котором мембрану погружают в очищаемую жидкость. Проблема при использовании мембранных фильтров в области очистки сточных вод состоит при этом в том, что за счет так называемого "Fouling" или "Bio-Fouling" на мембране образуются осаждения или выпадение химических веществ ("Scaling") [приводит к осаждениям на мембранах]. Поэтому уже предлагались различные способы и устройства для освобождения мембран от этих осаждений.

В US 6214231 В1 описана, например, фильтрующая установка с использованием выполненных в виде полых волокон мембран, далее называемые полые волоконные мембраны. Несколько полых волоконных мембран объединены при этом, по существу, в цилиндрический пучок волокон. Верхние и нижние концы полых волоконных мембран заделаны соответственно в удерживающее устройство. Таким образом, получают полый волоконный модуль. Несколько установленных рядом друг с другом фильтрующих модулей образуют фильтрующую кассету, помещаемую в очищаемую жидкость. С каждой кассетой соединен отсасывающий трубопровод для пермеата, который, в свою очередь, соединен с верхними держателями пучка мембран и отсасывает изнутри отдельных полых волоконных мембран очищенную от частиц жидкость. Для освобождения полых волоконных мембран от осаждений направление потока можно реверсировать. Жидкость, следовательно, под высоким давлением подают по отсасывающему трубопроводу внутрь полых волоконных мембран, и она проходит через них изнутри наружу, причем осаждения отделяются от поверхности мембран. Подобный способ означает, однако, прерывание нормального режима фильтрования и, тем самым, меньшую пропускную способность. Кроме того, этот способ не может воспрепятствовать осаждению загрязнений на мембране, а может устранить их в лучшем случае после их возникновения.

В US 6156200 А также описаны фильтрующие модули из пучков полых волоконных мембран, которые по своей конструкции, в принципе, соответствуют описанным в US 6214231 В1. Также здесь пучок волокон помещают вертикально в очищаемую жидкость. Держатель, в который заделаны нижние концы полых волоконных мембран, имеет газовыпускные отверстия, через которые газовые пузырьки поднимаются вверх вдоль наружной периферии полых волоконных мембран и при этом, с одной стороны, уменьшают образование осаждений на наружных поверхностях мембран, а с другой стороны, удаляют уже образовавшиеся осаждения.

Аналогичное устройство описано также в публикации WO 97/06880 А2. В ней, кроме того, упомянуто, что особенно хорошая очистка может быть достигнута за счет того, что волокна на 5-10% длиннее, чем расстояние между держателями, в которые заделаны концы волокон.

Описанные устройства для очистки мембранных волокон сжатым воздухом имеют, однако, тот недостаток, что для обеспечения эффективной очистки волоконных мембран требуются очень большие количества сжатого воздуха. Увеличенная подача сжатого воздуха в очищаемую жидкость может, однако, негативно влиять на другие параметры процесса, например значительно затруднять соблюдение заданных кислородных показателей.

Недостаток далее в том, что применяемые давления ограничены максимум до величины гидростатического давления в зоне помещенной волоконной мембраны. Кроме того, скорость подъема воздушных пузырьков задана не введенным объемом воздуха, а количеством возникающих пузырьков. Поэтому целенаправленное регулирование очищающего действия устройств принципиально невозможно.

Также мало удается равномерное распределение воздействия воздуха по длине полых волоконных мембран. По всей длине волокон, составляющей в большинстве случаев 1-2 метра, равномерная очистка описанными системами поэтому невозможна.

Приведенные публикации описывают к тому же лишь в общих чертах применение полых волоконных мембран для отделения биомассы в мембранных биореакторах. Внимание направлено при этом только лишь на отделение имеющейся биомассы, возникшей в виде биоциноза из имеющихся питательных веществ в соответствующих условиях окружающей среды. Механизмы, способствующие осаждению на поверхностях мембран, при этом, однако, не учитываются.

В рамках исследований, лежащих в основе этого изобретения, было, однако, обнаружено, что определенные условия окружающей среды оказывают значительное влияние на разделяющую способность мембран. В частности, было установлено, что определенные условия окружающей среды сильно способствуют биологическому росту на поверхности мембраны ("Bio-Fouling") и адгезии суспендированного материала. Один аспект изобретения состоит также в том, чтобы создать такие условия в фильтруемой среде, которые уменьшали бы "Bio-Fouling" и осаждения на поверхности мембраны.

Задачей изобретения является, таким образом, создание фильтрующего устройства, которое имело бы простую и компактную конструкцию и сохраняло бы в течение длительного периода времени высокую пропускную способность. В частности, имеющиеся в фильтрующем устройстве полые волоконные мембраны должны иметь возможность равномерной очистки по всей своей длине как можно меньшим количеством газа, и, наконец, в устройстве для очистки сточных вод должны быть созданы условия, с самого начала уменьшающие образование отложений на поверхности мембраны.

Решить задачу удается с помощью фильтрующего устройства по п.1, являющегося составной частью фильтрующего модуля по п.9. Изобретение относится также к применению фильтрующего устройства или фильтрующего модуля по п.10, к способу подготовки воды или сточных вод по п.13, а также к мембранному биореактору по п.24. Предпочтительные формы выполнения и варианты способа приведены в соответствующих зависимых пунктах.

В первом аспекте изобретение относится, следовательно, к фильтрующему устройству для отделения частиц от жидкости посредством соединенных в пучок полых волокон мембран. Полые волоконные мембраны выполнены с возможностью протекания жидкости снаружи внутрь, и отфильтрованную жидкость удаляют, по меньшей мере, из одного из их концов.

Фильтрующее устройство содержит к тому же газоподводящее устройство для обтекания наружных поверхностей полых волоконных мембран. Частью газоподводящего устройства является, согласно изобретению, носитель, наружная периферийная поверхность которого, по меньшей мере, частично проницаема для газа изнутри наружу. На эту наружную периферийную поверхность носителя намотан пучок волокон.

Эта конструкция фильтрующего устройства согласно изобретению обеспечивает, с одной стороны, компактное расположение, а с другой стороны, равномерный подвод газа по длине полых волоконных мембран. За счет использования газопроницаемого носителя и намотки пучка волокон на его наружную периферийную поверхность места выхода газа всегда находятся в непосредственной близости от наружных поверхностей полых волоконных мембран. Количество подводимого газа мало, так что практически не наблюдается негативных влияний из-за повышенного содержания кислорода или других вызванных газом нарушений.

Размер выходящих газовых пузырьков можно установить простым образом за счет выполнения наружной периферийной поверхности носителя. Например, наружная периферийная поверхность носителя может иметь сквозные отверстия в подходящем количестве и подходящего размера. Дырки или шлицы в наружной периферийной поверхности также пригодны, как и решетчатое или скелетное выполнение наружной периферийной поверхности. В зависимости от желаемого распределения выходящего газа сквозные отверстия могут быть предусмотрены в зоне всей наружной периферийной поверхности или только на ее отдельных участках. Для особенно тонкого распределения газовых пузырьков наружная периферийная поверхность носителя может также полностью или частично состоять из пористого материала. Выбор материала для носителя и его наружной периферийной поверхности особо не ограничен. Подходят, в принципе, любые материалы, стойкие к фильтруемой среде и к условиям фильтрования, например любые виды подходящих пластиков. В принципе, могут применяться также керамический материал или металлические материалы.

Также форма носителя и наружной периферийной поверхности особо не ограничена. Для намотки полых волоконных мембран особенно подходят наружные периферийные поверхности в форме цилиндрической боковой поверхности.

Размер носителя и его наружную периферийную поверхность соответственно согласуют с условиями применения. Для применения фильтрующего устройства согласно изобретению при очистке сточных вод подходящими оказались наружные периферийные поверхности носителя длиной 1-100 см, преимущественно 5-70 см, и диаметром 1-40 см, преимущественно 5-20 см.

Для подачи газа носитель имеет целесообразно на одном из своих торцевых концов соединительный элемент для газа. Предпочтительно в качестве газа использовать сжатый воздух. Для специальных применений, например фильтрование в анаэробных условиях, могут использоваться также другие газы, такие как азот и т.п.

Для того чтобы применяемые в фильтрующем устройстве согласно изобретению полые волоконные мембраны объединить в пучок волокон, концы полых волоконных мембран целесообразно закрепить, по меньшей мере, в одной соединительной головке. Она имеет целесообразно всасывающий соединительный элемент, который может быть соединен с насосом для отвода изнутри полых волоконных мембран очищенной жидкости. Выполнение соединительной головки и заделка концов полых волоконных мембран могут осуществляться, как это известно из уровня техники. Примеры приведены в упомянутых выше публикациях.

Согласно изобретению, можно закрепить оба конца полой волоконной мембраны в одной и той же соединительной головке. В качестве альтернативы можно также заделать оба конца половолоконной мембраны в отдельные соединительные головки. В обоих случаях закрепления целесообразно осуществлять намотку пучка волокон на наружную периферийную поверхность носителя таким образом, что все концы полых волоконных мембран были ориентированы в направлении всасывающего соединительного элемента. Всасывающий соединительный элемент находится при этом целесообразно в зоне торцевого конца, противоположного тому, на котором находится соединительный элемент для газа.

Длина, число и диаметр полых волоконных мембран зависят от желаемого применения. Для очистки сточных вод в мембранных биореакторах зарекомендовали себя такие фильтрующие устройства, в которых общая поверхность полых волоконных мембран имеет фильтрующую поверхность 0,1-10 м², в частности 0,5-5 м². В качестве полых волоконных мембран могут применяться, в принципе, любые полые волоконные мембраны, применяемые в уровне техники для целей фильтрования. Для очистки сточных вод пригодны, например, такие материалы, которые приведены в WO 97/06880 А2 и в упомянутых в ней публикациях. Согласно изобретению, это - полые волоконные мембраны предпочтительно из керамики, в частности алюминийоксидной керамики, и полимерные мембраны из полиэтилена, полипропилена, полиэфирсульфона или их смесей. Подходящие размеры пор лежат, например, в диапазоне 0,001-1 мкм. Условия создания давления могут соответствовать также описанным в WO 97/06880.

Несколько фильтрующих устройств согласно изобретению могут быть скомпонованы в один фильтрующий модуль, также являющийся объектом изобретения. Компоновка фильтрующих устройств в модуль может происходить, в принципе, описанным в уровне техники для аналогичных устройств образом. Например, фильтрующий модуль может иметь подходящие держатели, в которых в определенной ориентации по отношению друг к другу могут быть закреплены фильтрующие устройства. Предпочтительно, когда фильтрующие устройства устанавливают вертикально рядом друг с другом, причем сторона, по которой подводят газ, находится целесообразно внизу. Предпочтительно, когда в фильтрующем модуле располагают столько фильтрующих устройств, что получается фильтрующая поверхность 50-70 м ² на 1 м³ занятого пространства, в частности 100-400 м²/м ³.

Для параллельной работы содержащихся в фильтрующем модуле фильтрующих устройств целесообразно предусмотреть общий подводящий трубопровод для газа. Целесообразно иметь также общий отводящий трубопровод для очищенной жидкости, пермеата. Распределительные трубопроводы для газоподводящего трубопровода и отводящего пермеат трубопровода по отдельным фильтрующим устройствам могут быть предпочтительно интегрированы в удерживающие устройства для фильтрующих устройств.

Как уже сказано, фильтрующее устройство согласно изобретению и фильтрующий модуль особенно пригодны для подготовки воды или сточных вод, в частности для отделения биологических шламов в так называемых мембранных биореакторах.

Объектом изобретения является также способ подготовки воды или сточных вод, при котором загрязненную биологически активным материалом воду направляют в фильтрационный резервуар, в котором расположен, по меньшей мере, один фильтрующий модуль. Очищенную в фильтрующем модуле воду затем отводят. Осаждения, образовавшиеся в процессе фильтрования на наружных поверхностях полых волоконных мембран, удаляют путем продувки газом наружных периферийных поверхностей носителя. За счет небольшого расстояния между газовыпускными отверстиями и полыми волоконными мембранами, а также за счет равномерного газоподвода по длине указанных волоконных мембран получается прекрасное очищающее действие при очень малом объеме газа.

Продувка газом происходит преимущественно периодически или толчками. Этот пульсирующий подвод газа вызывает то, что при вертикально стоящем носителе находящийся в нем столб жидкости своей массой и гидравлическим сопротивлением противостоит газовому потоку. Это приводит к тому, что в непосредственной граничной зоне мембран возникает большая скорость течения и большая разность давлений. Вследствие этого хорошо отделяются образующиеся отложения и налеты.

Как уже сказано, в основе изобретения лежит также тот факт, что на возникновение отложений на поверхности мембраны сильно влияют условия, в которых осуществляют фильтрование. В рамках исследований, предшествовавших этому изобретению, было установлено, что в мембранных биореакторах не только отложение биомассы приводит к снижению разделяющей способности полых волоконных мембран. Именно при неблагоприятных условиях окружающей среды может заметно ухудшиться разделяющее действие мембран. Во-первых, при разложении биомассы в активном иле возникают сверхклеточные полимеры (EZB), количество которых в определенных физических стрессовых условиях значительно возрастает. EZB способствуют образованию наростов на поверхности мембраны ("Bio-Fouling"). При содержании EZB выше или ниже желаемого значения фильтруемость биомассы значительно снижается. Кроме того, в этих условиях суспендированные в активном иле частицы гораздо легче сцепляются с поверхностью мембраны. Во-вторых, было установлено, что определенные нитевидные организмы (например, бактерии типа Microthrix parvicella, Noccardia, тип 021N и т.д.) оказывают аналогичные негативные воздействия на пропускную способность полых волоконных мембран, что и EZB.

Другой аспект изобретения касается поэтому мер, посредством которых можно избежать влияния неблагоприятных условий окружающей среды, снижающих пропускную способность полых волоконных мембран в мембранных биореакторах. Соответствующий способ и специальный мембранный биореактор также являются объектами изобретения.

Решить упомянутую проблему удается за счет того, что перед фильтрационным резервуаром, содержащем фильтрующие устройства согласно изобретению, включен, по меньшей мере, один резервуар, к которому подают сильнозагрязненные сточные воды (ниже «неочищенные сточные воды»). Этот предвключенный резервуар называется ниже контактор. В этот контактор возвращают, по меньшей мере, часть биологически активного материала из фильтрационного резервуара. За счет этого образовавшиеся в активном иле микроорганизмы подвергают изменению окружающих условий. Эта смена нагрузки приводит к гибели, в частности, нитевидных организмов. Особенно эффективно, когда смену нагрузки повторяют многократно. По этой причине очищаемые сточные воды несколько раз подвергают циркуляции между контактором и фильтрационным резервуаром. Предпочтительно, если возвращаемое количество шлама из фильтрационного резервуара составляет 5-300 об.%, в частности 10-100 об.%, суточного циркулируемого количества неочищенных сточных вод. Время пребывания возвращаемой из фильтрационного резервуара количества жидкости в контакторе составляет целесообразно 2-120 минут, в частности 20-90 минут.

Кроме того, оказалось целесообразным обеспечить в резервуарах, включенных перед фильтрационным резервуаром, определенное соотношение между биомассой и органической нагрузкой. Согласно изобретению для этой цели обеспечивают определенное соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) неочищенных сточных вод и возвращенным из фильтрационного резервуара биологическим шламом (TS), а именно таким образом, что в зоне контактора, в который из фильтрационного резервуара возвращают биологически активный материал, в неочищенных сточных водах устанавливают соотношение 1-100 кг CSB/кг TS в сутки и предпочтительно 5-70 кг CSB/кг TS в сутки. Установление соотношения происходит целесообразно за счет соответствующего расчета контактора и/или пропускной способности его подводящих и отводящих трубопроводов.

Целесообразно соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) в контакторе понизить до такого значения, что после возврата сточных вод из контактора в фильтрационный резервуар в последнем устанавливается соотношение между биохимической потребностью в кислороде (CSB) и биологическим шламом (TS) 0,01-1 кг CSB/кг TS в сутки, преимущественно 0,02-0,6 кг CSB/кг TS в сутки. Если соотношение CSB/TS лежит в указанном диапазоне, то в фильтрационном резервуаре для мембранного фильтрования устанавливаются оптимальные условия. Образование отложений на поверхностях мембран значительно уменьшается.

Контактор может состоять только из одного резервуара. Предпочтительно, однако, когда контактор разделен, по меньшей мере, на два расположенных друг за другом резервуара, причем направление течения проходит от первого резервуара контактора до последнего резервуара, непосредственно включенного перед фильтрационным резервуаром, подача неочищенных сточных вод и возврат биологически активного материала из фильтрационного резервуара происходят соответственно в первый резервуар контактора, а сточные воды возвращают в фильтрационный резервуар из последнего резервуара контактора.

Приведенное выше максимальное соотношение CSB/TS имеет место, следовательно, в первом резервуаре контактора и уменьшается к последнему резервуару, откуда затем сточные воды возвращают в фильтрационный резервуар с особенно подходящими концентрациями EZB и заметно уменьшенной долей микроорганизмов. Таким образом, заметно снижается степень возникновения отложений на мембранах.

Предпочтительное число резервуаров контактора составляет 2-20, в частности 3-12. Снижение соотношения CSB/TS в этих резервуарах происходит преимущественно равными, по существу, ступенями.

Снижение соотношения CSB/TS достигается за счет биосорбции и внедрения органического материала. Таким образом, удаляется также большая часть свободных сверхклеточных полимеров, поскольку при использовании контактора они все больше связываются в виде хлопьев. При этом непосредственно с хлопьями активного ила также связываются большие количества трудно фильтруемых иначе органических макромолекул, причем сверхклеточные полимеры сильно способствуют этому процессу. Таким образом, получают значительно лучше фильтруемые суспензии.

Предпочтительно для флокуляции, если в контакторе не происходит перемешивания. Поэтому следует преимущественно отказаться от механического помешивания и смешивания. Вместо этого в контакторе имеются преимущественно отклоняющие стенки, в частности горизонтальные или вертикальные дефлекторы, которые служат для установления определенной скорости течения. Она лежит целесообразно в диапазоне 1-60 м/ч, преимущественно 10-40 м/ч. Особенно предпочтительно, если контактор или определенные части контактора выполнены в виде поршневого проточного или трубчатого реактора.

Кроме того, мембранный биореактор согласно изобретению может содержать дополнительные компоненты, обычные в уровне техники. Например, может быть предусмотрено вентиляционное устройство для контактора, с тем чтобы в зависимости от обрабатываемого субстрата можно было установить подходящие аэробные, анаэробные или неоксидные условия.

Мембранный биореактор согласно изобретению использует для фильтрования предпочтительно фильтрующие устройства или фильтрующие модули, однако не ограничен ими. Напротив, могут использоваться также другие мембранные фильтрующие блоки, например описанные в упомянутом выше уровне техники, или же плоскомембранные системы.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежей, на которых схематично изображают:

- фиг.1: фильтрующее устройство согласно изобретению при виде сверху;

- фиг.2: пучок полых волоконных мембран для использования в фильтрующем устройстве согласно изобретению по фиг.1;

- фиг.3: фильтрующий модуль согласно изобретению;

- фиг.4: мембранный биореактор согласно изобретению в сечении.

На фиг.1 при виде сверху изображено фильтрующее устройство 1 согласно изобретению. Фильтрующее устройство 1 включает газоподводящее устройство 5 с цилиндрическим, в основном, носителем 6. Наружная периферийная поверхность 7 носителя 6 имеет равномерно распределенные по ней сквозные отверстия, которые для наглядности здесь не показаны. В нижней торцевой зоне носителя 6 имеется ввод 8, через который внутрь носителя 6 подают сжатый воздух. Этот сжатый воздух выходит через отверстия на наружной периферийной поверхности 7 носителя 6 наружу. На наружную периферийную поверхность 7 намотан пучок 2 волокон. Этот пучок волокон показан здесь лишь схематично и ограничен участком наружной периферийной поверхности 7. В действительности же она равномерно намотана на всю наружную периферийную поверхность 7.

Пучок 2 волокон изображен на фиг.2 более подробно. Он состоит из множества тонких мембран 3 из полых волокон, имеющих, например, длину до 3 м. В пучок 2 объединено, например, столько полых волокон, состоящих из мембран 3, что получается фильтрующая поверхность 4 м². Соответствующие концы 4, 4' указанных мембран 3 закреплены на присоединительных головках 9, 9'. Для этого в присоединительных головках 9, 9' предусмотрены сквозные отверстия для концов 4, 4' волокон, в которых заделывают их. За счет заделки в присоединительные головки 9, 9' полые волоконные мембраны 3 остаются с обоих концов 4, 4' открытыми. Заделка может происходить известным само по себе образом, как это описано, например, в упомянутых выше публикациях.

Для намотки на носитель 6 одну из обеих присоединительных головок 9 или 9' надевают на один конец Т-образного всасывающего патрубка 10, который находится на одном торцевом конце носителя 6. Затем пучок 2 волокон наматывают на наружную периферийную поверхность 7 носителя 6 в направлении напорного патрубка 8, после чего снова назад в направлении всасывающего патрубка 10. Затем на второй конец Т-образного ввода надевают вторую присоединительную головку.

Несколько фильтрующих устройств 1 согласно изобретению могут быть объединены в один фильтрующий модуль 11, схематично изображенный на фиг.3. Фильтрующие устройства 1 устанавливают напорным патрубком 8 вниз в подходящем держателе (не показан). В фильтрующем модуле 11 все патрубки 8 фильтрующих устройств 1 присоединены к одному общему патрубку 12 для сжатого воздуха. Таким же образом все всасывающие патрубки 10 в верхней зоне фильтрующего устройства 1 соединены с общим отводящим трубопроводом 13 для пермеата, удаляемого из полых волоконных мембран 3 пермеата. Отводящий трубопровод 13 может быть соединен с подходящим насосом.

В способе согласно изобретению для очистки воды или сточных вод изображенный на фиг.1 фильтрующий модуль 11 устанавливают в фильтрационном резервуаре, в котором находится фильтруемая жидкость. Способ согласно изобретению следует пояснить на примере фиг.4 вместе с мембранным биореактором согласно изобретению.

Мембранный биореактор 16 служит здесь для очистки городских сточных вод активным шламом. Он включает в себя фильтрационный резервуар 14, заполненный предварительно очищенными сточными водами 22. В указанном резервуаре 14 находится несколько параллельных включенных фильтрующих модулей 11, каждый из которых включает в себя несколько фильтрующих устройств 1. Фильтрующие модули 11 соединены соответственно с отводящим трубопроводом 13 для отфильтрованного пермеата и с пневмопроводом 12 для подачи сжатого воздуха. По этому пневмопроводу 12 к отдельным фильтрующим модулям 11 и объединенным в них фильтрующим устройствам 1 подают сжатый воздух. Это происходит предпочтительно описанным периодическим, толчковым образом. Сжатый воздух попадает по подающему трубопроводу 12 к патрубкам 8 для сжатого воздуха отдельных фильтрующих устройств 1, а оттуда - внутрь носителей 6. Через сквозные отверстия на наружных периферийных поверхностях 7 фильтрующих устройств 1 сжатый воздух выходит равномерно и по большой поверхности. Он вызывает равномерное и очень эффективное отделение отложений, образовавшихся на поверхностях полых волокон, состоящих из мембран 3.

Пермеат, проникший внутрь полых волоконных мембран 3, удаляют из мембранного биореактора через всасывающие патрубки 10 отдельных фильтрующих устройств 1 и отводящий трубопровод 13. Отводящий трубопровод 13 может эксплуатироваться также в реверсивном режиме. Это происходит, когда следует произвести очистку жидкости посредством полых волоконных мембран, в частности с добавлением очищающих химикатов. Этот процесс обратной промывки, в принципе, известен и описан, например, в уже упомянутой публикации US 6214231 В1. Жидкость при повышенном давлении закачивают через трубопровод 13 и отдельные всасывающие патрубки 10 внутрь полых волоконных мембран 3, и она выходит наружу через поверхности мембран. Это приводит к отделению приставших к поверхности мембраны отложений. Благодаря очень эффективной очистке сжатым воздухом такие процессы обратной промывки в устройстве согласно изобретению требуются не очень часто.

Согласно другому аспекту изобретения очистка сточных вод может быть осуществлена также таким образом, что осаждения благодаря целенаправленно управляемым условиям уменьшают с самого начала в мембранном биореакторе 16. Для этой цели к фильтрационному резервуару 14 биореактора 16 согласно изобретению предвключен контактор 15. Контактор 15 разделен здесь вертикальной перегородкой 17 на дне реактора на две секции 18, 19. Контактор может включать в себя также только один резервуар. На практике обычно более двух резервуаров. Для наглядности здесь изображены, однако, только два резервуара. Первый 18 и второй 19 резервуары соединены между собой перепускным трубопроводом (не показан). Точно так же перепускной трубопровод имеется между вторым 19 и фильтрационным 14 резервуарами. В первый резервуар 18 контактора 15 ведут два подающих трубопровода, а именно трубопровод 20 для неочищенных сточных вод и трубопровод 21, с помощью которого материал из фильтрационного резервуара 14 можно рециркулировать в контактор, точнее в первый резервуар 18. Подаваемое количество из обоих подающих трубопроводов 20, 21 относительно заполняющего количества первого резервуара 18 контактора устанавливают путем соответствующего расчета резервуара контактора и мощности соответствующих подающим трубопроводам 20, 21 насосов (не показаны). Согласно изобретению регулирование происходит при этом таким образом, что в первом резервуаре 18 устанавливается соотношение от 1 до 100 кг биохимической потребности в кислороде неочищенных сточных вод из подающего трубопровода 20 на 1 кг возвращенного биологического шлама из подающего трубопровода 21. Предпочтительно регулирование подающих трубопроводов 20, 21 происходит таким образом, что возникает соотношение от 5 до 70 кг CSB на 1 кг возвращенного шлама в сутки.

Возвращаемое количество биомассы из фильтрационного резервуара 14 по трубопроводу 21 целесообразно устанавливать таким образом, что оно составляет 5-300 об.%, в частности 10-100 об.%, суточного притока неочищенных сточных вод. Скорость, с которой приток из фильтрационного резервуара 14 от контактора 15 возвращают в фильтрационный резервуар 14, составляет целесообразно 2-120 мин, преимущественно 20-90 мин. Скорость течения внутри контактора 15 устанавливается целесообразно 1-60 м/ч, в частности 10-40 м/ч. Для установления скорости течения и для лучшего перемешивания внутри контактора 15 могут быть размещены, например, горизонтальные или вертикальные дефлекторы. Для наглядности они здесь не показаны, однако, в принципе, сами по себе известны. Предпочтительно контактор выполнен со своими первым 18 и вторым 19 резервуарами в виде поршневого проточного или трубчатого реактора.

В течение времени пребывания биомассы в контакторе 15 доля сверхклеточных полимеров и труднофильтруемых органических макромолекул снижается за счет флокуляции. Присутствие сверхклеточных полимеров способствует при этом связыванию органических макромолекул с хлопьями активного шлама. В то же время также уменьшается концентрация микроорганизмов, поскольку они в высоконагруженных резервуарах, в которые их возвращают из фильтрационного резервуара 14, гибнут. Соответственно с возрастанием времени пребывания в контакторе 15 уменьшается также соотношение CSB/TS. Оно поэтому во втором реакторе 19 ниже, чем в первом реакторе 18. Сточные воды оставляют во втором реакторе 19 преимущественно до тех пор, пока при возврате сточных вод 22 из последнего резервуара 19 контактора в фильтрационный резервуар 14 в последнем не установится соотношение CSB/TS в диапазоне 0,01-1 кг CSB/кг TS в сутки и преимущественно 0,02-0,6 кг CSB/кг TS в сутки. При соблюдении этих значений в фильтрационном резервуаре 14 возникают условия, которые затрудняют образование отложений на полых волоконных мембранах 3. Наблюдается значительно лучшая фильтруемость сточных вод 22 по сравнению с обычной работой мембранных биореакторов. Пропускную способность по сравнению с обычными реакторами можно поэтому значительно повысить. Работы по обслуживанию и очистке требуются, напротив, намного реже.

Мембранный биореактор 16 согласно изобретению включает не только изображенное выполнение с фильтрующими модулями 11 согласно изобретению, но и такие мембранные биореакторы с другими выполнениями мембранных фильтрующих устройств. Например, можно использовать полые волоконные мембранные фильтрующие устройства, описанные в упомянутом выше уровне техники. Кроме того, можно использовать плоскомембранные фильтрующие устройства. К тому же мембранный биореактор 16 согласно изобретению может содержать другие, обычные в уровне техники составные части или устройства. Например, можно предусмотреть для контактора 15 продувочное устройство, с тем чтобы в зависимости от очищаемого осадка сточных вод обеспечить аэробные, неоксидные или анаэробные окружающие условия. Также могут использоваться мешалки для циркуляции сточных вод в отдельных резервуарах, если в настоящее время предпочтительно не предусматривать в контакторе 15 никаких мешалок.