DE69637128T2

DE69637128T2 - Membranfiltervorrichtung

Info

Publication number: DE69637128T2
Application number: DE69637128T
Authority: DE
Inventors: Mailvaganam Hamilton Mahendran; Carlos Brampton RODRIGUES; Steven Burlington Pedersen
Original assignee: Zenon Technology Partnership
Current assignee: Zenon Technology Partnership
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: US7615157B2; DE69636130D1; DE69636357D1; US20030164332A1; EP0846023B1; US8075776B2; US20070007207A1; EP0846023A2; DE69632422T2; DE69624492T2; CA2227692E; US20050092674A1; US6682652B2; DE69627397D1; US6964741B2; AU715364B2; WO1997006880A2; AU6652896A; US20070007206A1; US6620319B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranvorrichtung, die eine Verbesserung gegenüber einem rahmenlosen Array von hohlen Fasermembranen darstellt, und ein Verfahren zum Beibehalten sauberer Faserflächen während des Filterns eines Substrats zum Entnehmen eines Permeats, das auch Gegenstand des US-Patents Nr. 5,248,424 ist; und ein Verfahren zum Herstellen eines Kopfelements für einen Faserstrang. Der im Titel verwendete Ausdruck "vertikaler Strang" (nachstehend der Kürze halber "Strang" genannt) bezieht sich insbesondere auf eine integrierte Kombination aus Strukturelementen, einschließlich (i) mehreren vertikalen Faser von im wesentlichen gleicher Länge; (ii) zwei Kopfelemente, in die jeweils einander gegenüberliegende Anschlussbereiche der Fasern eingegossen sind, um deren Enden offen zu halten; und (iii) einer Permeat-Auffangeinrichtung, die an der Peripherie in flüssigkeitsdichtem Eingriff mit jedem Kopfelement gehalten wird, um Permeat von den Enden der Fasern aufzufangen. Die in der Hauptanmeldung verwendeten Ausdrücke sind in dem hierin enthaltenen Glossar zusammengefasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere relativ große Systeme zum Mikrofiltern von Flüssigkeiten und legt großen Wert auf die Einfachheit und Effizienz einer Konfiguration, bei der auf das Herstellen eines Moduls, in dem die Fasern eingeschlossen sind, verzichtet wird. Wie bei dem Patent '424 wird bei der neuartigen Konfiguration Luft, die nahe dem Basisteil eines Strangs austritt, auf effiziente Weise zum Erzeugen von Blasen in einem spezifischen Größenbereich und in einer Menge, die zum Waschen der Faser ausreicht, und zum Bewirken eines kontrollierten Schrubbens der Fasern aneinander ("Interfaser-Waschen") verwendet. Anders als bei dem im Patent '424 beschriebenen System verlaufen die Fasern in einem Strang vertikal und weisen keine bogenförmige Konfiguration über einer horizontalen Ebene durch die horizontale Mittellinie eines Kopfelements auf. Folglich verläuft der Pfad der aufsteigenden Blasen im wesentlichen parallel zu den Fasern und wird nicht von den Fasern eines vertikalen Strangs gekreuzt. Dennoch waschen die Blasen die Fasern.
Die beschränkt hin und her bewegbaren Fasern verheddern sich aufgrund ihrer definierten Länge nicht und scheuern sich nicht aneinander ab, wie es bei dem im Patent '424 beschriebenen Array wahrscheinlich ist. Die von einer Seite zur anderen erfolgende Verschiebung eines Zwischenbereichs jeder Faser innerhalb der "Beschränkungszone" oder "Blasenzone" wird durch die Faserlänge beschränkt. Die hier definierte Länge der Fasern minimiert (i) Scherkräfte, wenn die oberen Fasern in dem oberen Kopfelement gehalten werden, (ii) eine übermäßige Drehung des oberen Bereichs der Fasern sowie (iii) übermäßigen Abrieb zwischen den Fasern. Eine solche Hin- und Herbewegung einer Faser mit einer Verschiebung von einer Seite zur anderen unterscheidet sich von einer Vibration, die auftritt, wenn eine Faser gespannt ist, d. h. wenn die Länge der zum Substrat hin freiliegenden eingegossenen Faser nicht größer ist als der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten von die Fasern haltenden oberen und unteren Kopfelementen. Eine solche Vibration wird gemäß dem US-Patent Nr. 5,209,852 von Sunaoka et al in einem Prozess zum Aufspalten und Ablagern dichter Partikel durch Blasen induziert. Anders als bei Fasern, die gemäß dem im Patent '852 beschriebenen Prozess in dem Modul gehalten werden, besteht bei unserem neuartigen Strang keine Spannung in jeder Faser, da die einander gegenüberliegenden Seiten der Kopfelemente um einen Abstand, der kleiner ist als die Länge einer einzelnen Faser, voneinander beabstandet sind.
Die Verwendung eines Arrays von Fasern bei der direkten Behandlung eines aktivierten Schlamms in einem Bioreaktor ist in einem Artikel mit dem Titel "Direct Solid-Liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in an Activated Sludge Aeration Tank" von Kazuo Yamamoto et al in Wat. Sci. Tech., Vol. 21, Brighton, S. 43-54, 1989, und im Patent '424 beschrieben, und die Beschreibung ist durch Verweis enthalten, so als wäre sie vollständig hier aufgeführt. Die relativ schlechte Leistung, die von Yamamoto et al erzielt wurde, war hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass nicht erkannt worden ist, wie wichtig das Aufrechterhalten eines Stroms durch Versorgen eines Faserstrangs mit Luft von innerhalb und unterhalb des Strangs ist. Es ist nicht erkannt worden, dass es notwendig ist, im wesentlichen die gesamten Flächen mit den Strang durchströmenden Blasen zu waschen, um die Fasern mit Blasen überflutet zu halten. Diese Anforderung wird immer wichtiger, wenn die Anzahl von Faser in dem Strang steigt.
Tests, die mit der Vorrichtung von Yamamoto et al durchgeführt wurden, zeigen, dass sich, wenn die Luft außerhalb des Strangs bereitgestellt wird, der Strom über einen Zeitraum von nur 50 Std. viel schneller verringert, wodurch die von Yamamoto erzielten Ergebnisse bestätigt werden. Dies geht aus 1 hervor, die nachstehend genauer beschrieben wird und in der die grafischen Darstellungen Ergebnisse zeigen, die von Yamamoto et al und mit dem in dem Patent '424 beschriebenen Array sowie mit einem vertikalen Strang, bei dem die Kopfelemente rechteckig sind, erzielt worden sind, wobei bei allen drei Anordnungen identische Fasern unter im wesentlichen identischen Bedingungen verwendet wurden.
Die von Yamamoto et al durchgeführte Untersuchung mit nach unten hängenden Fasern wurde fortgesetzt, und jüngste Entwicklungen wurden in einem Artikel mit dem Titel "Organic Stabilization and Nitrogen Removal in Membrane Separation Bioreactor for Domestic Wastewater Treatment" von C. Chiemchaisri et al beschrieben und in einer Diskussion auf der Conference an Membrane Technology in Wastewater Management in Cape Town, Südafrika, am 2.-5. März 1992 vorgetragen und auch in dem Patent '424 beschrieben. Die Fasern wurden nach unten gehängt, und es war ein in alternierenden Richtungen hochturbulenter Wasserstrom wichtig.
Es ist offensichtlich, dass die Beschreibung in der Referenz sowohl von Yamamoto et al als auch Chiemchaisri et al gezeigt hat, dass der Luftstrom über die Flächen der hängenden Fasern wenig oder gar nichts dazu beigetragen, die Anlagerung von Mikroorganismen an dem Substrat zu hemmen.
Später wurde in der europäischen Patentanmeldung 0 598 909 A1 von Yamamori et al angestrebt, das Problem des Aufbaus auf den Fasern durch "Ausbreiten der hohlen Fasern in Form eines flachen Blatts" (siehe Seite 4, Zeilen 46-47) zu vermeiden, und es gibt keinen Hinweis darauf, wie die Fasern bei tatsächlicher Verwendung in einer ausgebreiteten Position gehalten werden. Ferner wird jedes Array in einem "Strukturelement zum Umschließen und Halten des Befestigungselements" gehalten (siehe Seite 3, Zeile 42 und Zeilen 51-52), was im Gegensatz zu dem Konzept eines rahmenlosen Arrays steht. 14 und 18 heben die horizontale Konfiguration hervor, in der das Array verwendet wird. Bezüglich des Bekämpfens des Aufbaus zeigt 13, wie die Fasern Mulden bilden würden, wenn das Array aus dem in Vibration zu versetzenden oder zu schüttelnden Behälter genommen würden. Ein dem Stand der Technik entsprechendes Modul ist in 16 dargestellt, in der beide Enden jeder Faser in ein zylindrisches Kopfelement eingegossen sind, wobei jede Faser eine Schlaufe bildet und die zur Schlaufe gebildeten Enden frei sind. Gemäß den in 17 aufgeführten Daten war die Verwendung des dem Stand der Technik entsprechenden zylindrischen Moduls, bei dem die zu Schlaufen gebildeten Enden frei in dem Substrat bewegbar waren, weniger effektiv als das in 1 gezeigte rahmenlose Array mit ausgebreiteten, zu Schlaufen gebildeten Fasern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung wird eine Membranfiltriervorrichtung zum Entnehmen von Permeat aus einem flüssigen Substrat bereitgestellt, wobei die Membranvorrichtung folgende Merkmale umfasst:
einen ersten festen Körper;
einen zweiten festen Körper;
eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen, die derart in die festen Körper eingegossen sind, dass die Peripherien der Membranen durch eine längliche rechteckige Form begrenzt sind, und derart, dass die Membranen offene Enden besitzen, die bündig mit einer Permeatabgabefläche eines oder beider fester Körper sind oder von derselben vorstehen; und
eine Permeatauffangeinrichtung zum Auffangen von Permeat, die in Fluidkommunikation mit der Permeatabgabefläche steht, wenn nur ein fester Körper eine Permeatabgabefläche aufweist, oder zwei Permeatauffangeinrichtungen, von denen eine mit einer Permeatabgabefläche verbunden ist und eine mit der anderen Permeatabgabefläche verbunden ist, wenn beide feste Körper eine Permeatabgabefläche aufweisen;
wobei
die Membranen, die festen Körper und die Permeatauffangeinrichtung(en) zusammen eine eintauchbare Anordnung bilden;
der erste feste Körper oben ist und in einer vertikal beabstandeten Beziehung oberhalb des zweiten festen Körpers angeordnet ist, wobei gegenüberliegende Flächen der festen Körper um eine vertikale Entfernung getrennt sind; und
die Membranen eine Länge von 0,1 % bis weniger als 5 % mehr als die vertikale Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Flächen der festen Körper aufweisen.
Weitere Merkmale dieser Membranfiltriervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 dargelegt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln von Wasser, das folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen einer Membranfiltriervorrichtung wie oben dargelegt;
b) Berühren von Oberflächen der Membranen mit Blasen; und
c) Auffangen von Permeat durch Anlegen eines Sogs an die Permeatauffangeinrichtung,

Wiederum ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Wasserbehandlungssystem, das folgende Merkmale aufweist:

a) ein Reservoir zum Enthalten von Wasser bei Umgebungsdruck;
b) eine Mehrzahl von Membranfiltriervorrichtungen wie oben dargelegt;
c) eine Saugquelle, die in Fluidkommunikation mit der Permeatauffangeinrichtung der Membranfiltriervorrichtungen entsteht, um Permeat aus den Lumen der Membranen zu entnehmen; und
d) ein Belüftungssystem zum Erzeugen von Blasen, die nach oben fließen und die Membranen berühren,

e) die Membranfiltriervorrichtungen Seite an Seite, jedoch voneinander beabstandet, zueinander angeordnet sind, wobei lange Seiten der länglichen rechteckigen Formen benachbarter Membranfiltriervorrichtungen allgemein parallel zueinander sind; und
f) das Belüftungssystem konfiguriert ist, um Blasen zu erzeugen, die zwischen den Membranfiltriervorrichtungen aufsteigen.

Weiter Merkmale dieses Wasserbehandlungssystems sind in den Ansprüchen 10 bis 14 dargelegt.
Es hat sich herausgestellt, dass aus keinem bekannten Grund Fasern, die mehr als 5 %, jedoch weniger als 10 % länger waren als der feste Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten der Kopfelemente eines vertikalen Strangs dazu neigten, an der Seite abzuscheren; und die 10 % längeren neigten dazu, in der Blasenzone zum verklumpen; und dass ein mit Gas gewaschener vertikaler Strang mit beschränkt hin und her bewegbaren Fasern eine optimale Konfiguration der Fasern bietet, durch die Blasen eines faserreinigenden Gases ("Waschgases"), wenn sie vertikal nach oben strömten, parallel zu und entlang den Faserflächen strömten. Bei einem Strang mit einem beliebigen gewünschten Flächenbereich im Bereich von ungefähr 0,1 m² bis 1000 m² oder mehr, der von dicht gepackten Fasern gebildet ist, sind Blasen in einer solchen Konfiguration effektivere Reinigungsmittel als Blasen, die von bogenförmigen Fasern, die den Pfad der aufsteigenden Blasen kreuzen, abgefangen werden. Es wird ein Vergleich zwischen Strängen mit unterschiedlichen Faserorientierungen durchgeführt. Blasen eines sauerstoffhaltigen Gases zum Fördern des Wachstums von Mikroben schaffen es unerwarteterweise nicht, ein Wachstum von Mikroben auf den Flächen sich hin und her bewegender Fasern zu bewirken, da die Flächen "vertikal luftgewaschen" werden. Ablagerungen lebender und/oder nicht lebender Partikel auf den Faserflächen werden minimiert, wenn die beschränkt hin und her bewegbaren Fasern mit in gleicher Richtung aufsteigenden Blasen überflutet gehalten werden, die mit einer Geschwindigkeit aufsteigen, die ausreicht, um eine physische Waschkraft (die Bewegkraft liefert die Energie) aufzubringen, mit der die Fasern im wesentlichen von schädlichen Ablagerungen frei gehalten werden. Somit wird in den Fasern ein unerwartet großer Strom über jedem Flächenbereich der Strangfaserfläche über einen langen Zeitraum aufrechterhalten.
Bei einer "gasgewaschenen Anordnung" mit einem Strang und einer Gasverteileinrichtung werden die Strangfasern in voneinander beabstandeten Kopfelementen festgehalten, so dass die Fasern, wenn sie in das Substrat eingesetzt sind, ein im wesentlichen vertikales Profil in dem Substrat annehmen und sich in der von mindestens einer Blasensäule gebildeten Blasenzone unabhängig voneinander hin und her bewegen. Die Faserlänge zwischen einander gegenüberliegenden Flächen von Kopfelementen, von denen sie vorstehen, liegt in einem kritischen Bereich, in dem sie mindestens 0,1 % (Prozent), jedoch weniger als 5 % größer ist als der Abstand zwischen diesen einander gegenüberliegenden Seiten. Normalerweise ist die Länge der Fasern um weniger als 2 % größer, im ty pischsten Fall um weniger als 1 % größer, so dass die Hin- und Herbewegung der Fasern innerhalb einer vertikalen Bewegungszone beschränkt ist, wobei die Peripherie dieser Zone von einer Bewegung der äußeren Strangfasern von einer Seite zur anderen definiert ist; und die Mehrzahl dieser Fasern bewegt sich in einer Zone, die geringfügig größer ist als diejenige Zone, die von einem Bereich definiert wird, den ein Kopfelement auf das andere projiziert. Obwohl der Abstand zwischen den Kopfelementen während des Betriebs fest ist, ist der Abstand vorzugsweise einstellbar, um eine optimale Faserlänge innerhalb der vorgenannten Bereiche zwischen den Kopfelementen zu erzeugen.
Bei kommerziellen Abwasseraufbereitungen aller Art liegen die Stränge typischerweise im Bereich von 30 m² bis 500 m²; bei anderen spezifischen Anwendungsfällen, wie z. B. bei der Wasseraufbereitung in einem zu Freizeitzwecken genutzten Fahrzeug, einem Aquarium für Wassertiere oder zum Herstellen einer feststofffreien Probe eines Fluids zu Analysezwecken, wird ein Strang mit einem viel kleineren Bereich von 0,1 m² bis 5 m², der als "selbständiger Ministrang" bezeichnet wird, mit seiner eigenen Gasversorgungseinrichtung und Permeat-Entnahmepumpe ausgebildet.
Permeat kann nur von einer, normalerweise der oberen, Permeat-Auffangeinrichtung (Wanne oder Endkappe), oder bei Strängen mit großem Flächenbereich von mehr als 200 m² von beiden (oberen und unteren) Wannen oder Endkappen entnommen werden. Bei der bevorzugtesten Variante wird Luft von einem in einer von mehreren Konfigurationen eingegossenen Luftrohr zwischen Strangfasern eingetragen, und zwar abhängig von der Konfiguration des Kopfelements in dem Strang oder der Konfiguration mehrerer Kopfelemente in einer Gruppe von Strängen. Vorzugsweise liefert das Luftrohr Luft zu einem Einblasrohr nahe dem Basisteil der Strangfasern und bildet gleichzeitig eine Beabstandungseinrichtung zum Positionie ren und Beabstanden des unteren Kopfelements in dem erforderlichen Abstand zu dem oberen Kopfelement. Das Einblasrohr ist Teil einer Gasversorgungseinrichtung, die Reinigungsgas liefert.
Ein neuartiges Verbund-Kopfelement ist für ein Bündel von Hohlfasermembranen oder "Fasern" vorgesehen, wobei das Verbund-Kopfelement einen geformten laminierten Körper mit beliebiger Form aufweist, der ein oberes Laminiermittel aus einem "fixierenden" (Gieß-) Material aufweist, das mit einem unteren Laminiermittel aus einem "flüchtigen" Gießmaterial laminiert ist. Die Anschlussbereiche der Fasern werden in das flüchtige Gießmaterial eingegossen, wenn dieses flüssig ist, wobei vorzugsweise ein im wesentlichen rechteckiges Parallelepiped (Quader) gebildet wird, in die die offenen Enden der Fasern (bis zum Eingießen) eingebettet und eingesteckt sind, wodurch die Fasern nahe beieinanderliegend im wesentlichen parallel zueinander gehalten werden. Die eingesteckten Enden der Fasern stehen nicht über die untere (hintere) Seite des unteren Laminiermittels vor, während die restlichen Längen der Fasern durch die obere Seite des unteren Laminiermittels verlaufen. Das obere Laminiermittel verläuft über eine Höhe entlang der Länge der Fasern, die ausreicht, um die Fasern in einer Beabstandung zueinander zu halten, die der Beabstandung im unteren Bereich gleich ist. Falls gewünscht, kann das Verbund-Kopfelement zusätzliche Laminiermittel aufweisen, z. B. ein "Polster"-Laminiermittel über dem fixierenden Laminiermittel zum Polstern jeder Faser um ihren eingebetteten Außenumfang; und ein "Dichtungs"-Laminiermittel als geeignetes Dichtungsmaterial, an der die Permeat-Auffangeinrichtung angebaut werden kann.
Obwohl für das Kopfelement eine beliebige Form gewählt werden kann, ist zur einfacheren Fertigung jedes Kopfelement eines Paars entweder als rechteckiges Parallelepiped (Qua der) oder zylindrische Scheibe ausgebildet. Rechteckige vertikale Fasern werden in rechteckige Kopfelemente eingegossen; zylindrische vertikal Fasern werden in zylindrische Kopfelemente eingegossen. Zur maximalen Raumausnutzung in einem Kopfelement werden die Fasern dicht in Reihen oder spiralförmig durch Aufrollen eines großen Arrays zu spiralförmigen Rollen gepackt, wobei jedes Ende der spiralförmigen Rolle direkt in eine zylindrische Harzabdichtungseinrichtung eingegossen wird. Eine solche Harzabdichtungseinrichtung ist typischerweise als rechteckige oder zylindrische Wanne oder Endkappe ausgebildet. Beide Kopfelementkonfigurationen können bei einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen, wie sie in den erläuternden Beispielen beschrieben sind, verwendet werden.
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
Die oben genannten und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den schematischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1 eine grafische Darstellung, in der die Veränderung des Stroms als Funktion der Zeit eingetragen ist, mit Darstellung dreier Kurven für drei Durchläufe mit drei unterschiedlichen Arrays, wobei in jedem Fall die gleiche Luftmenge, identische Membranen und der gleiche Membranflächenbereich verwendet wurden. Die von Yamamoto et al erzielten Ergebnisse sind als Kurve 2 (unter modifizierten Bedingungen, um fragliche Punkte hinsichtlich des angewandten Testverfahrens zu berücksichtigen, wie nachstehend erläutert) gezeigt; der mit der gasgewaschenen An ordnung aus dem Patent '424 erzielte Strom ist als Kurve 1 gezeigt; und der mit der erfindungsgemäßen gasgewaschenen Anordnung erzielte Strom ist als Kurve 3 gezeigt;
2 eine perspektivische Explosionsansicht, in der eine Membranvorrichtung mit Strangfasern, die zwischen den Kopfelementen nicht gehalten und nicht miteinander verbunden sind, schematisch dargestellt ist, wobei die Faserenden in ein unteres Kopfelement eingegossen sind, das bei Betrieb der Vorrichtung gezeigt ist, mit einer Permeat-Auffangwanne und einer Permeat-Entnahmeleitung;
2A eine vergrößerte Seitenansicht eines Ausschnitts einer Seitenwand einer Auffangwanne mit Darstellung des Profils einer Kopfelement-Festhaltestufe auf der Peripherie der Wanne;
2B eine Unteransicht des Kopfelements mit Darstellung eines beliebigen Musters offener Enden, die von der hinteren Seite eines Kopfelements vorstehen, wenn Fasern eingegossen sind, nachdem sie vor dem Eingießen in Reihen gestapelt und miteinander verklebt worden sind;
3 eine perspektivische Ansicht eines schematisch dargestellten Einzel-Arrays einer Reihe im wesentlichen koplanar angeordneter paralleler Fasern, die nahe ihren einander gegenüberliegenden Anschlussenden zwischen voneinander beabstandeten Karten befestigt sind. Typischerweise werden Mehrfach-Arrays zusammengebaut, bevor sie sequentiell eingegossen werden;
4 eine Endansicht eines Stapels von aneinander festgeklemmten Arrays, wobei gezeigt ist, dass die einzelnen Fasern (nur die letzte Faser jedes linearen Arrays ist sichtbar, die übrigen Fasern in dem Array liegen unmittelbar hinter der letzten Faser) jedes Arrays durch die Dicke eines mit einem Kleber versehenen Streifens voneinander beabstandet sind, wenn der Stapel vertikal in die Gießflüssigkeit gehalten wird;
5 eine perspektivische Ansicht mit schematischer Darstellung eines Strangs mit seinem fertigen Kopfelement, seiner Permeat-Auffangwanne und Doppel-Luftrohren, die alle einstückig mit dem Strang ausgebildet sind, wobei die Doppel-Luftrohre eine einstückig ausgebildete, entlang einem Außenrand der Strangfasern in das Kopfelement eingegossene Luftverteilleitung versorgen;
6 eine Seitenansicht eines fertigen einstückig ausgebildeten Kopfelements mit Darstellung von Einzelheiten einer in das Substrat eingetauchten Permeat-Wanne, wobei die Wände des Kopfelements auf dem unteren Teil eines Behälters ruhen und mehrere Luftrohre einstückig ausgeformte, entlang jedem Außenrand der Strangfasern in das Kopfelement eingegossene Luftverteilleitung versorgen;
7A eine perspektivische Ansicht mit schematischer Darstellung einer Luftsammelleitung, aus dem vertikale Luftrohre aufsteigen;
7B eine perspektivische Ansicht mit schematischer Darstellung einer rohrförmigen Luftsammelleitung mit einem querverlaufenden perforierten Bereich, der durch einander gegenüberliegende Anschluss-bereiche positioniert ist;
8 eine perspektivische Ansicht eines fertigen einstöckig ausgebildeten Kopfelements mit mehreren in ein gemeinsames Kopfelement eingegossenen Strängen, welches in eine einstückig angeformte Permeat-Auffangeinrichtung eingeformt ist, von der Luftrohre zwischen benachbarten Strängen und entlang der Außenperipherie der äußeren Stränge vertikal von dem Kopfelement aufsteigen;
9 einen nicht maßstabgetreuen Ausschnitt einer Gasverteileinrichtung, die Gas zwischen die Arrays in einem Kopfelement und wahlweise entlang den Seiten des unteren Kopfelements leitet;
10 eine perspektivische Ansicht mit schematischer Darstellung zweier Stränge in einer Gruppe, wobei die oberen Kopfelemente mit ihren Enden an der vertikalen Wand eines Tanks angebracht sind. Die Stränge bilden zusammen mit einer Gasverteileinrichtung eine "Gaswaschanordnung", die in das Substrat eingesetzt wird, wobei die Fasern im wesentlichen vertikal in dem Substrat hängen. Durch das Positionieren der Gaswascheinrichtung zwischen den unteren Kopfelementen (und wahlweise auf der Außenseite der Strangfasern) werden Massen (oder "Säulen") von Blasen erzeugt, die in gleicher Richtung wie die Fasern vertikal aufsteigen, wobei die Blasen die Außenflächen der Fasern waschen;
11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Waschanordnung mit Darstellung mehrerer Stränge (von denen nur zwei gezeigt sind), die in Reihe geschaltet sind, wobei eine Gasverteilein richtung zwischen aufeinanderfolgenden Strängen angeordnet ist und wahlweise eine weitere Gasverteileinrichtung vor und hinter den ersten bzw. letzten Strängen vorgesehen ist;
12 eine Seitenansicht mit schematischer Darstellung einer Gruppe von Strängen, die an der Wand eines Bioreaktors angebracht sind, wobei sämtliche Rohrverbindungen außerhalb der Flüssigkeit liegen;
13 eine Draufsicht des in 12 gezeigten Bioreaktors, in der gezeigt ist, wie mehrere Gruppen von Strängen um den Umfang des Bioreaktors positioniert sein können, um eine große Permeat-Entnahmezone zu bilden, während im mittleren Bereich eine Klärzone aus Leitblechen gebildet ist;
14 einen Querschnitt mit schematischer Darstellung eines zylindrischen Strangs mit einstückig mit den Endkappen ausgebildeten oberen und unteren Kopfelementen, wobei jeweils ein Faser-Array direkt in ein fertiges Kopfelement eingegossen ist, das an seiner Peripherie gegen die Wand der Endkappe ohne Dichtung abgedichtet ist;
14A eine Unteransicht eines eingegossenen Arrays, das als Rolle in einer Fasereinsetzform gehalten wird, bevor das Ende der Rolle in einen Ring eingegossen wird, um ein einstückiges Kopfelement zu bilden, in dem das Fasermuster spiralförmig ist;
14B eine Unteransicht einer Folgen von eingegossenen zylindrischen Arrays, die als "Ring-Arrays" bezeichnet werden, da die Enden in starren zylindrischen Ringen befestigt sind, wobei die Arrays mit jedem nachfolgenden Ring-Array, das über das vorhe rige geschoben wird, verschachtelt sind. Diese verschachtelten Ringe werden dann in einen Harzabdichtungsring eingegossen;
14C eine Unteransicht einer Folge planarer Arrays, deren Breite so gewählt ist, dass sie strangförmig (d. h. als aufeinanderfolgende Stränge in dem Harzabdichtungsring) gestapelt werden können, bevor der Stapel in den Ring eingegossen wird;
15 einen Querschnitt mit schematischer Darstellung eines zylindrischen Strangs und einstückig mit den Endkappen ausgebildeter Kopfelemente, wie in 14 gezeigt, mit der Ausnahme, dass Permeat nur von dem oberen Kopfelement entnommen wird;
15A eine perspektivische Ansicht eines kreuzförmigen Einblasrohrs mit einem mittig angeordneten Luftrohr und Einblasarmen;
16 eine Seitenansicht mit schematischer Darstellung eines zylindrischen Strangs, in dem zunächst ein ringförmiges Kopfelement ausgebildet wird. Das ringförmige Kopfelement wird dann von einer Endkappe umschlossen. Zusätzlich zu dem Permeatrohr wird ein starres Luftzuführrohr durch die obere Endkappe und das obere Kopfelement in den mittleren Bereich des Strangs eingesetzt, wobei der untere Bereich des Luftzuführrohrs in das untere Kopfelement eingegossen wird und somit als Beabstandungseinrichtung und gleichzeitig als Halterung für die obere Endkappe dient;
17 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Strangs, bei der das Permeatrohr konzentrisch in dem Luftzuführrohr angeordnet ist und beide nahe den unteren Enden in das untere Kopfelement eingegossen sind. Ports in dem unteren Ende des Luftzuführrohrs liefern Luft nahe dem Basisteil der Strangfasern;
18 ein Balkendiagramm mit Darstellung des durchschnittlichen Stroms über einen Zeitraum von 24 Std. für jede der drei unterschiedlichen Orientierungen des Strangs;
19 eine grafische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit, bis der Strom einen Gleichgewichtswert erreicht, und zwar für den gleichen Strang mit interner und externer Luftzufuhr;
20 eine grafische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit, bis der Strom einen Gleichgewichtswert erreicht, und zwar für Stränge mit identischem Flächenbereich, mit der Ausnahme, dass die Fasern einmal gespannt und einmal entspannt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vertikaler Strang und Arrays, die diesen bilden:
Der erfindungsgemäße Strang wird in Flüssig-Flüssig-Mikrofiltrationsverfahren zum Entfernen von festen Schwebestoffen im Mikron-, Submikron- und größeren Bereich, wie z. B. organischen Molekülen, emulgierten organischen Flüssigkeiten und Kolloid- oder Schwebestoffen, normalerweise aus Wasser verwendet. Typische Anwendungsbereiche sind unter anderem (i) in einem Membran-Bioreaktor zum Erzeugen von Permeat als gereinigtes Wasser; (ii) Filtern von sekundärem Abwasser von der Abwasseraufbereitung zum Entfernen von festen Schwebestoffen und krankheitserregenden Bakterien; (iii) Klären von Wasserströmen zum Herstellen von Trinkwasser (Entfernen von Kolloiden, langkettigen Karbonsäuren und Krankheitserregern); (iv) Abscheiden einer permeablen Flüssigkeitskomponente in biotechnischen Nährlösungen; (v) Entwässern von Metallhydroxidschlämmen; und (vi) Filtern von öligem Abwasser.
Typischerweise ist der Strang derart konfiguriert, dass sämtliche Verbindungen für in den Strang eintretende oder den Strang verlassende Fluide im oberen Kopfelement vorgesehen sind. Permeat wird bei der bevorzugtesten Variante durch ein das obere Kopfelement durchlaufendes Rohr entnommen, wenn (i) das untere Kopfelement kein Permeat auffängt (wie nachstehend erläutert); oder (ii) Permeat sich sowohl in dem oberen als auch in dem unteren Kopfelement ansammelt. Der Strang arbeitet vorzugsweise in einem Substrat, das sich in einem Behälter mit atmosphärischem Druck (1 bar) oder darüber befindet, in einem im Bereich von bis zu ungefähr 10 bar unter Druck stehenden Gefäß, ohne in dem Gehäuse eines Moduls beschränkt zu sein.
Ein oder mehrere Arrays sind in Kopfelemente eingegossen, deren obere (oder "vordere") und untere (oder "hintere") Flächen in horizontalen (x-y) Ebenen liegen. Anstelle eines einzelnen durchgehenden Arrays werden mehrere Arrays hergestellt und an den Enden aufeinanderfolgend miteinander verbunden, um ein viel größeres Array zu bilden, das ausdehnbar ist.
Der Betrieb des Strangs wird durch (a) die gewählte Faser, (b) die Menge an verwendeter Luft und (c) das zu filternde Substrat beeinflusst. Das Ziel ist das Filtern eines sich langsam bewegenden oder festgehaltenen Substrats in einem großen Behälter unter Umgebungs- oder erhöhtem Druck, jedoch vorzugsweise im wesentlichen unter Umgebungsdruck, und das Maximieren der Effizienz eines dieses (das Filtern) auf praktische und ökonomische Weise durchführenden Strangs.
Durch den Betrieb bei Umgebungsdruck, das Einbauen der einstückig ausgebildeten Kopfelemente des Strangs in einen Behälter des Substrats und das Ermöglichen einer eingeschränkten Bewegung der Fasern in der Blasenzone in einem Substrat wird eine Beschädigung der Fasern minimiert. Da in einem Kopfelement mindestes 10, vorzugsweise von 50 bis 50.000 Fasern festgehalten werden, von denen jede im wesentlichen mindestens 0,5 m lang ist, ist in einem Strang ein großer Flächenbereich für das Filtern des Substrats vorgesehen.
Fasern und wie diese dicht gepackt sind:
Die Fasern teilen einen Behälter in eine "Zuführzone" und eine Entnahmezone, die als "Permeatzone" bezeichnet wird. Der Zustrom von Substrat erfolgt außerhalb (als "von außen nach innen" erfolgender Strom bezeichnet) der Fasern, und das Substrat spaltet sich in "Permeat"- und "Konzentrat"-Ströme. Der erfindungsgemäße Strang oder eine Gruppe von erfindungsgemäßen Strängen wird bei der bevorzugtesten Variante für die Mikrofiltration mit "von außen nach innen" erfolgendem Strom verwendet. Obwohl mindestens ein Strang austauschbar in einem kleinen Behälter mit einem Volumen von bis zu ungefähr 10 l (Liter) und sogar bis zu ungefähr 100 l oder mehr angeordnet ist, wird eine Gruppe von Strängen vorzugsweise in einem relativ großen Behälter mit einem Volumen von mehr als 1000 l, wie z. B. einem strömendem Wasserlauf oder noch typischer einem Teich oder einem Tank verwendet. Bei der typischsten Variante wird eine Gruppe oder werden mehrere Gruppen von Auffangeinrichtungen für das Permeat in einen großen Tank mit atmosphärischem Druck eingebaut und wird Permeat aus dem Tank entnommen.
Die zum Herstellen des Strangs verwendeten Fasern können aus einem herkömmlichen Membranmaterial gefertigt sein, vorausgesetzt, dass die Fasern flexibel sind und einen für die Mikrofiltration durchschnittlichen Porenquerschnittsdurchmesser aufweisen, nämlich im Bereich von ungefähr 1000 Å bis 10000 Å. Typischerweise sind die Fasern 1 m bis ungefähr 5 m lang, je nach den Abmessungen des Substratkörpers (Tiefe und Breite), in den der Strang eingesetzt ist. Bevorzugte Fasern arbeiten bei einem Transmembran-Differentialdruck im Bereich von 7 kPa (1 psi)-69 kPa (10 psi) und stehen unter Umgebungsdruck, wobei das Permeat unter Einwirkung der Schwerkraft entnommen wird. Diese Fasern werden unter dem Gesichtspunkt der gewünschten Funktion ausgewählt, und die Abmessungen des Strangs werden von der Geometrie der Kopfelemente und der Länge der Fasern bestimmt. Es ist unnötig, eine Faser in einem modularen Gehäuse zu beschränken, und dies ist auch nicht der Fall.
Bei Hohlfasermembranen beträgt der Außendurchmesser ("AD") einer Faser mindestens 20 μm und kann bis ungefähr 3 mm groß sein, er liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 0,1 mm bis 2 mm. Je größer der AD, desto weniger wünschenswert ist das Flächenbereichsverhältnis pro Volumeneinheit der Faser. Die Faserwanddicke beträgt mindestens 5 μm und kann bis 1,2 mm groß sein, sie liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 15 % bis ungefähr 60 % des AD der Faser und bei der bevorzugtesten Variante im Bereich von 0,5 mm bis 1,2 mm.
In einem Einzel-Array kann eine beliebige Anzahl von Fasern vorhanden sein, typischerweise liegt die Anzahl im Bereich von ungefähr 1000 bis ungefähr 10000 für kommerzielle Anwendungen, und der bevorzugte Flächenbereich für einen Strang beträgt mindestens > 1 m², typischerweise von 10 m² bis 100 m². Der Mittenabstand benachbarter Fasern beträgt vorzugsweise 1,2- (1,2d) bis ungefähr 5-mal (5d) den AD 'd' einer Faser. Eine bevorzugte Mittenbeabstandung liegt zwischen ungefähr 1,5d und 2d. Die Packungsdichte von Fasern, d. h. die Anzahl von Fasern pro Flächeneinheit eines Kopfelements, liegt vorzugsweise im Bereich von 4 bis 50 Fasern/cm², je nach Faserdurchmesser.
Das spezielle Verfahren zum Befestigen der Fasern in jedem Kopfelement ist nicht kritisch, die Wahl hängt von den Materialien des Kopfelements und der Faser sowie den Kosten für die Anwendung eines anderen Verfahrens als das Eingießen ab. Es ist jedoch wichtig, dass jede Faser fluiddicht in jedem Kopfelement befestigt ist, um eine Verschmutzung des Permeats zu vermeiden. Dies erfolgt durch im wesentlichen vertikales, dicht beabstandetes und im wesentlichen konzentrisches Eingießen der Fasern.
Bevorzugte Fasern sind aus organischen Polymeren und Keramiken gefertigt, sie sind isotrop oder anisotrop und weisen eine dünne Schicht oder "Haut" auf der Außenfläche der Fasern auf. Die Fasern können aus geflochtenem Garn mit einer Abdeckung aus wasserunlöslichem Polymermaterial gefertigt sein, wie im US-Patent Nr. 5,472,607 beschrieben. Bevorzugte organische Polymere für Fasern sind Polysulfone, Polystyrole, einschließlich Styrol enthaltende Copolymere, wie z. B. Acylnitrilstyrol, Butadienstyrol und Styrolvinylbenzylhalogenid-Copolymere, Polycarbonate, Cellulosepolymere, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyethylenterephthalat und ähnliches, wie im US-Patent Nr. 4,230, 463 beschrieben; die Beschreibung ist durch Verweis enthalten, so als wäre sie vollständig hier aufgeführt. Bevorzugte Keramikfasern sind aus Aluminiumoxid von E. I. duPont de Nemour Co. gefertigt und im US-Patent Nr. 4,069, 157 beschrieben.
Kopfelement:
Ein einstückig ausgebildetes Kopfelement ist in eine Richtung relativ zu dem anderen verschiebbar, und zwar entweder in Längsrichtung (x-Achse) oder in Querrichtung (y-Achse), jedoch vor dem Eintauchen des Strangs zu Operationszwecken. Zur Verwendung eines Strangs werden die Kopfelemente vertikal voneinander beabstandet und parallel zueinander in einem Behälter angeordnet, z. B. durch Montieren eines Kopfelements über dem anderen gegen eine vertikale Wand des Behälters, die als Beabstandungseinrichtung dient. Dies gilt auch für das beabstandete Platzieren eines Kopfelements über dem anderen mit anderen Beabstandungseinrichtungen, wie z. B. Stäben, Stangen, Streben, I-Trägern, Kanälen und ähnlichem, zum Zusammenbauen mehrerer Stränge zu einer "Gruppe oder einem Büschel von Strängen" (der Kürze halber als "Gruppe" bezeichnet). Nach dem Zusammenbau zu einer Gruppe ist ein zwischen den eingegossenen Enden jeder einzelnen Faser liegendes Segment entweder entlang der x- oder der y-Achse verschiebbar, da die Fasern lose in dem Strang gehalten werden.
Bei der bevorzugtesten Variante wird jedes einstückig ausgebildete Kopfelement direkt in ein geeignetes Material eingegossen, aus dem das Kopfelement aus ausgehärtetem Gießharz nicht entfernt wird, wobei keine Dichtung (somit als "dichtungslos" bezeichnet) zwischen dem ausgehärteten Harz des Kopfelements und der Innenperipherie der Permeat-Auffangeinrichtung erforderlich ist. Wenn das einstückig ausgebildete Kopfelement klebend in einer Wanne oder "Endkappe" befestigt wird, um eine Permeat-Auffangzone zu bilden, ist wieder keine Dichtung erforderlich, obwohl eine verwendet werden kann, wenn das einstückig ausgebildete Kopfelement ausgebaut werden soll.
Das Fixiermaterial zum Fixieren der Fasern in einem fertigen Kopfelement (oder an einem fixierenden Laminiermittel) ist bei der bevorzugtesten Variante entweder ein wärmehärtbares oder thermoplastisches künstliches Harzmaterial, das wahlweise mit Glasfasern, Bor- oder Graphitfasern oder ähnlichem verstärkt ist. Thermoplastische Materialien können kristallin sein, wie z. B. Polyolefine, Polyamide (Nylon), Polycarbonate und ähnliches, halbkristallin sein, wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK), oder im wesentlichen amorph sein, wie z. B. Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan und ähnliches. Wärmehärtbare Harze umfassen normalerweise Polyester, Polyacetale, Polyether, Gussacrylate, wärmehärtbare Polyurethane und Epoxidharze. Bei der bevorzugtesten Variante handelt es sich bei einem "Fixier"-Material (so bezeichnet, weil es die Einbaustellen der Fasern relativ zu einander fixiert) um ein Material, das nach dem Aushärten über eine Dicke von ungefähr 2 cm im wesentlichen starr ist und aufgrund seiner Härte generisch als "Kunststoff" bezeichnet wird. Ein solcher Kunststoff weist eine Härte im Bereich von ungefähr Shore D 30 bis Rockwell R 110 auf und wird aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen, Phenolen, Acrylharzderivaten, Polycarbonat, Nylon, Polystyrol, Polypropylen und Polyethylen mit einem ultrahohen Molekulargewicht (UHMW PE) ausgewählt. Polyurethan, das bei Uniroyal Chemical Company unter dem Markennamen Adiprene^® und bei Air Products unter dem Markennamen Airthane^® erhältlich ist, und Epoxidharze, die als Epon 828 im Handel erhältlich sind, sind exzellente Fixiermaterialien.
Die daraus resultierende Membranvorrichtung weist auf: (i) einen vertikalen Strang aus einer Vielzahl von eingeschränkt hin und her bewegbaren Fasern, die zusammen einen Flächenbereich im Bereich von 1 m² bis 1000 m², vorzugsweise von 10 m² bis 100 m² aufweisen, und die nur in voneinander beabstandeten Kopfelementen angebracht sind; und (ii) eine Gaswascheinrichtung, die eine Säule von Blasen er zeugt, die innerhalb des und nahe dem Basisteil des Strangs aufsteigen und den Strang einhüllen. Die erzeugten Blasen haben einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 25 mm oder mehr. Eine Flüssigkeitskomponente wird selektiv aus dem Substrat entfernt.
Gaswaschanordnung:
Eine Gaswaschanordnung weist auf: (a) mindestens einen Strang oder eine Gruppe von gasgewaschenen Fasersträngen, die ein gewünschtes Permeat von einem größeren Körper eines Mehrkomponentensubstrats mit darin fein verteilten Partikeln mit einer Größe im Bereich von 0,1 μm-44 μm abscheiden, (b) wobei jeder Strang mindestens 20 Fasern mit oberen und unteren voneinander beabstandet eingegossenen Anschlussbereichen in dem oberen bzw. unteren Kopfelement aufweist, wobei die Fasern in einer Blasenzone eingeschränkt hin und her bewegbar sind, und (c) eine angepasste Gasverteileinrichtung zum Bewirken einer Verteilung vertikal aufsteigender Blasen in einer Säule über und sehr nahe der Oberseite des unteren Kopfelements, wobei die Länge der Fasern von mindestens 0,1 bis weniger als 5 größer ist als der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Seiten des Kopfelements. Die angepasste Gasverteileinrichtung weist Durchgänge auf, die kontinuierlich oder intermittierend von Gas durchströmt werden, und zwar mit einer Strömungsrate, die sich proportional zu der Anzahl von Fasern verhält. Die Strömungsrate liegt im wesentlichen im Bereich von 0,47-14 cm³/Sek. pro Faser (0,001-0,03 scfm/Faser) (Standard-ft³ pro Minute pro Faser), typischerweise im Bereich von 1,4-4,2 cm³/Sek./Faser (0,003-0,009 scfm/Faser). Bei einem Ministrang dient der Flächenbereich der Fasern nicht zum Definieren der Menge an verwendeter Luft, da die Luft im wesentlichen vertikal entlang der Länge jeder Faser strömt.
Die Gaswaschanordnung wird wie folgt verwendet: (i) zusammen mit einer vertikal einstellbaren Beabstandungseinrichtung zum Montieren der Kopfelemente in vertikalem Abstand zueinander und in offener Fluidverbindung mit (ii) einer Auffangeinrichtung zum Auffangen von Permeat; und (iii) ausreichend Luft zum Erzeugen von genug Blasen, die durch den Strang zwischen den und parallel zu den Fasern nach oben strömen, um die Faserflächen im wesentlichen frei von Ablagerungen lebender Mikroorganismen sowie kleinen nicht lebenden Partikeln zu halten, die in dem Substrat vorhanden sein können.
Mit überraschend wenig Reinigungsgas, das von einem zwischen den Fasern nahe ihren Basisteilen angeordneten Einblasrohr abgegeben wird, wird der im Gleichgewicht befindliche Strom über einen langen Zeitraum, typischerweise 50 Std. bis 1500 Std., aufrechterhalten. Das Einblasrohr einer Gasverteileinrichtung ist benachbart zu der Oberseite des unteren Kopfelements angeordnet, um eine Säule aufsteigender Blasen zu erzeugen, wobei die Fasern in der Säule von Blasen überflutet sind. Eine Gruppe von Strängen kann zusätzlich "gasgewaschen" werden, wobei ein oder mehrere Luftrohre zwischen den unteren Kopfelementen benachbarter Stränge angeordnet sind, bei der bevorzugtesten Variante auch benachbart zu den äußersten Fasern der ersten und letzten Stränge, so dass bei "n" Kopfelementen "n + 1" zusätzliche Luftrohre vorgesehen sind. Der Typ der Gas-(Luft-)Sammelleitung ist nicht kritisch, vorausgesetzt, dass sie Blasen in einem bevorzugten Größenbereich von ungefähr 0,1 mm bis 25 mm liefert, und zwar gemessen innerhalb eines Abstands von 1 cm bis 50 cm von den die Blasen erzeugenden Durchgängen entfernt.
Betrieb des Systems:
Der Betrieb des Systems ist von der Positionierung mindestens eines Strangs, vorzugsweise einer Gruppe, nahe einer Quelle für ausreichende Luft- oder Gasversorgung zum Aufrechterhalten eines gewünschten Stroms und zum Ermöglichen des Auffangens von Permeat von mindestens einem Kopfelement abhängig. Ein gewünschter Strom wird erreicht und erzeugt den angemessenen Transmembran-Differentialdruck der Faser unter Betriebsbedingungen.
Der Transmembran-Differentialdruck wird vorzugsweise mit einer herkömmlichen Nichtvakuumpumpe erzeugt, wenn der Transmembran-Differentialdruck ausreichend niedrig ist und im Bereich von 0,7 kPa (0,1 psi) bis 101 kPa (1 bar) liegt, vorausgesetzt, dass die Pumpe die erforderliche Ansaugung erzeugt. Eine Pumpe, die eine minimale Ansaugung erzeugt, kann verwendet werden, wenn eine ausreichende "Flüssigkeits-Druckhöhe" zwischen der Substratfläche und der Permeat-Entnahmestelle erzeugt wird. Wie nachstehend genauer erläutert ist ferner, wenn ein Permeatstrom von einer Pumpe erzeugt worden ist, die Pumpe nicht unbedingt erforderlich, da das Permeat aufgrund eines "Siphon-Effekts" weiter strömt. Es ist offensichtlich, dass bei Betrieb mit Fasern, die einem Transmembran-Differentialdruck im Bereich von bis zu 101 kPa (14,7 psi) ausgesetzt sind, eine Nichtvakuumpumpe in einem nicht unter Druck stehenden Behälter ausreichende Dienste leistet; und im Bereich von 101 kPa bis ungefähr 345 kPa (50 psi) wird ein von einer großen Flüssigkeits-Druckhöhe oder einem unter Druck stehenden Behälter erzeugter über dem atmosphärischen Druck liegender Druck verwendet.
Ein Verfahren zum Abscheiden von Permeat aus einem Substrat bei Aufrechterhaltung relativ sauberer Faserflächen in einem Array umfasst das Eintauchen eines Strangs aus einge schränkt hin und her bewegbaren, im wesentlichen vertikalen Fasern in das Substrat, so dass obere und untere Endkappen des Strangs übereinander angebracht sind, wobei eine Vielzahl von Fasern zwischen Kopfelementen befestigt ist und die einander gegenüberliegenden Anschlussbereiche der Fasern in offener Fluidverbindung mit mindestens einem Kopfelement eingegossen sind; das Arbeiten der Fasern bei einem Transmembran-Differentialdruck im Bereich von ungefähr 0,7 kPa (0,1 psi) bis ungefähr 345 kPa (50 psi), wobei die Länge der Fasern um mindestens 0,1 % bis ungefähr 2 % größer ist als der direkte Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Ober- und Unterseiten eines ausgehärteten Harzes in den Kopfelementen, damit die Fasern in eingesetztem Zustand einen im wesentlichen vertikalen Faserstrang bilden; das Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten Stroms, der im wesentlichen dem anfangs erzielten, im Gleichgewicht befindlichen Strom entspricht, der anzeigt, dass die Faserflächen im wesentlichen frei von einem weiteren Aufbau von Ablagerungen ist, wenn der im Gleichgewicht befindliche Strom erreicht ist; das Auffangen des Permeats; und das Entnehmen des Permeats.
Das oben beschriebene Verfahren kann bei Betrieb eines anaeroben oder aeroben Bioreaktors angewandt werden, der mit der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung nachgerüstet worden ist. Der anaerobe Reaktor ist ein geschlossenes Gefäß, und das Waschgas ist ein molekulares sauerstofffreies Gas, wie z. B. Stickstoff.
Ein aerober Bioreaktor kann mit mindestens einer gasgewaschenen Gruppe von vertikalen zylindrischen Strängen nachgerüstet werden, wobei jeder Strang aus 500 bis 5000 Fasern mit einer Länge von 1 m bis 3 m hergestellt ist, ferner mit einer Permeat-Auffangeinrichtung zum Betreiben des Reaktors ohne die zahlreichen Einschränkungen und Begrenzungen, die von einem sekundären Klärsystem auferlegt werden.
Typischerweise gibt es in einem auf einer Seite geschlossenen Tank keinen Kreuzstrom des Substrats über die Faserfläche. Wenn in einem auf einer Seite geschlossenen Tank ein Substratstrom durch den Strang vorhanden ist, ist der Strom auf die Luftzufuhr unterhalb des Strangs oder mechanisches Mischen, das angewandt wird, um die Feststoffe in der Schwebe zu halten, zurückzuführen. Generell gibt es einen größeren Strom und eine höhere Fluidgeschwindigkeit durch den Strang in einem Tank, in den ein Substrat kontinuierlich einströmt, die Fluidgeschwindigkeit über die Fasern ist jedoch generell zu unbedeutend, um wachsende Mikroorganismen daran zu hindern, sich abzulagern, oder Schwebestoffe, z. B. mikroskopisch kleine Kieselpartikel, daran zu hindern, sich auf den Faserflächen abzusetzen.
1 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs dreier Durchläufe, wobei bei einem die Erkenntnisse von Yamamoto aus der 89iger Veröffentlichung (Kurve 2) angewandt worden sind, jedoch ein eine Belüftungseinrichtung verwendet worden ist, die Luft von der Seite einbrachte und diese radial nach innen leitete, wie von Chiemchaisri et al dargestellt. Bei einem zweiten Durchlauf (Kurve 1) wird die in dem Patent '424 beschriebene gasgewaschene Anordnung verwendet, und bei dem dritten Durchlauf (Kurve 3) wird der hier beschriebene gasgewaschene Strang verwendet, mit der Ausnahme, dass die Kopfelemente rechteckige Parallelepipede (Quader) waren. Der mit einer Anordnung aus einem umgekehrten Parabol-Array mit einer Luftverteileinrichtung (Yamamoto et al), das in Wat. Sci. Tech. Vol. 21, Brighton, Seite 43-54, 1989, beschrieben ist, und einem Parabol-Array von Cote et al, das in dem Patent '424 beschrieben ist, erzielte Strom wird mit dem mittels des erfindungsgemäßen vertikalen Strangs erzielten Strom verglichen.
Der Vergleich betrifft die drei Anordnungen mit Fasern mit einer nominalen Porengröße von 0,2 μm mit im wesentlichen identischen Bohrungen und Flächenbereichen in 80 1-Tanks, die mit dem gleichen aktivierten Schlammsubstrat gefüllt sind. Die Unterschiede zwischen dem Experiment von Yamamoto et al und dem in dem Patent '424 beschriebenen Experiment sind in dem Patent '424 aufgeführt, und die Bedingungen des Vergleichs sind durch Verweis enthalten, so als wäre sie vollständig hier aufgeführt. Der hier verwendete vertikale Strang unterscheidet sich von dem in dem Patent '424 beschriebenen Strang nur in der vertikalen Konfiguration der 280 Fasern, von denen jede ungefähr 1 % länger war als der Abstand zwischen den voneinander beabstandeten Kopfelementen während des Betriebs. Die Strömungsrate der Luft für den vertikalen Strang beträgt 1,4 m³/Std./m² bei Verwendung eines Grobblasendiffusors.
In 1, in der der Strom, d. h. Liter pro Meter² pro Std. pro Druckeinheit (herkömmlicherweise als (Lmh/kPa) geschrieben) als Funktion der Betriebszeit der drei Anordnungen aufgeführt ist, zeigt diejenige Kurve, die mit dem Bezugszeichen 3 für den Strom bei vertikalem Strang bezeichnet ist, ungefähr den gleichen Strom wie der von dem Parabolstrang erzeugte Strom, der mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Es wird gezeigt, dass jeder Strom innerhalb von weniger als 50 Std. einen Gleichgewichtszustand erreicht, nach ungefähr 250 Std. zeigt sich jedoch, dass der von dem umgekehrten Parabol-Array erzeugte Strom abnimmt, die anderen beiden Anordnungen jedoch ein Gleichgewicht erreichen.
2 zeigt eine Explosionsansicht eines Bereichs einer Membranvorrichtung, die als "vertikaler Strang" 10 bezeichnet ist und ein unteres Kopfelement 11 eines Kopfelementpaars aufweist, wobei das andere (nicht gezeigte) obere Kopfelement im wesentlichen identisch ausgebildet ist; eine Auffangwanne 20 fängt Permeat auf, das über eine Leitung 30 entnommen wird. Das gezeigte Kopfelement ist ein rechteckiges Prisma, es kann jedoch auch zylindrisch ausgebildet sein, falls gewünscht. Obwohl die Fasern 12 dicht gepackt sind, stehen sie nicht miteinander in Kontakt, sondern werden von dem zwischen ihnen angeordneten ausgehärteten Harz voneinander beabstandet.
Wie gezeigt, befinden sich die offenen Enden der Anschlussbereiche 12' der Fasern in der gleichen Ebene wie die Unterseite des Kopfelements 11, da die Fasern auf herkömmliche Weise eingegossen sind und das Kopfelement geteilt ist, um die offenen Enden freizulegen. Ein spezifisches Eingießverfahren, bei dem die Wanne eines U-förmigen Faserbündels eingegossen wird, führt zum Ausbilden von zwei Kopfelementen. Dieses Verfahren ist in dem Patent '424 beschrieben (Sp. 17, Zeile 44-61); selbst das Schneiden der eingegossenen Fasern mit einem dünnen Hochgeschwindigkeits-Diamantmesser führt jedoch häufig zu einer Beschädigung der Fasern und zum Auslösen eines Zusammenbruchs der Umfangswand. Bei einem anderen herkömmlichen Verfahren zum Eingießen von Fasern, das im US-Patent Nr. 5,202,023 beschrieben ist, werden gebündelte Fasern mit ihren Enden in Harz oder Farbe getaucht, um zu verhindern, dass Harz während des Eingießvorgangs in die Bohrungen der Fasern eintritt. Die Enden der Bündel werden dann in Formen platziert, und es wird unausgehärtetes Harz zugegeben, um die Enden des Faserbündels damit zu sättigen und die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern in dem Bündel und der flexiblen Rohrleitung, in der das Bündel gehalten ist, zu füllen. Die ausgehärteten geformten Enden werden aus den Formen entnommen und die geformten Enden abgeschnitten (siehe überbrückende Spalten 11 und 12). Bei jedem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren werden durch das Zerlegen der Form die eingebetteten Fasern beschädigt.
Daher wird ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Kopfelements 11 in Form eines rechteckigen Prismas angewandt. Das Verfahren macht das Herstellen eines Verbund-Kopfelements mit zwei Flüssigkeiten erforderlich. Ein erstes flüssiges flüchtiges Material bildet im erstarrten (ausgehärteten) Zustand ein "flüchtiges Laminiermittel" des Verbund-Kopfelements; eine zweite Flüssigkeit aus einem nichtflüchtigen Fixiermaterial bildet ein "fixierendes Laminiermittel".
Die erste Flüssigkeit wird um Anschlussbereiche von Fasern gegossen, kühlt ab und erstarrt zu einem flüchtigen Laminiermittel; die Fasern in dem flüchtigen Laminiermittel werden dann erneut eingegossen, und zwar dieses Mal durch Gießen der zweiten Flüssigkeit über das feste flüchtige Laminiermittel.
Genauer gesagt umfasst das Verfahren zum Herstellen eines fertigen Kopfelements für Strangfasern folgende Schritte:
Herstellen eines Faserbündels in mindestens einem Array, das von einer Halteeinrichtung mit einer Dicke entsprechend einem gewünschten Seitenabstand zwischen benachbarten Fasern gehalten wird;
Halten des Bündels in einer ersten Flüssigkeit, wobei die Anschlussbereiche der Fasern eingetaucht bleiben, bis die Flüssigkeit zu einem ersten angepassten Laminiermittel erstarrt ist, vorausgesetzt, dass die erste Flüssigkeit nicht mit dem Fasermaterial reagiert;
Gießen einer zweiten Flüssigkeit über das erste angepasste Laminiermittel zum Einbetten der Fasern in einer gewünschten Tiefe und Erstarrenlassen der zweiten Flüssigkeit zum Bilden eines fixierenden Laminiermittels auf dem ersten angepassten Laminiermittel, wobei die zweite Flüssigkeit e benfalls im wesentlichen entweder nicht mit dem Material der Faser oder dem des ersten angepassten Laminiermittels reagiert;
wodurch ein Verbund-Kopfelement ausgebildet wird, in dem Anschlussbereiche der Fasern eingegossen sind, und zwar vorzugsweise in einem geometrisch regelmäßigen Muster, wobei das Verbund-Kopfelement ein Laminat aus einem flüchtigen Laminiermittel aus einem flüchtigen Material und einem angrenzenden fertigen Kopfelement in Form eines fixierenden Laminiermittels aufweist; und dann
Entfernen des ersten angepassten Laminiermittels ohne Entfernen eines Bereichs des fixierenden Laminiermittels, um die Enden der Faser offen zu halten und von der hinteren Seite des Kopfelements vorstehen zu lassen, wobei die offenen Enden einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Das schrittweise Vorgehen zum Herstellen eines Arrays mit dem neuartigen Kopfelement wird anhand eines in 3 gezeigten Arrays wie folgt beschrieben:
Die Fasern 12 werden mit einem scharfen Messer jeweils auf die gleiche Länge geschnitten, so dass einander gegenüberliegende Enden jeder Faser einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Fasern werden nebeneinander koplanar in einem linearen Array auf einer planaren Halteeinrichtung, wie z. B. Streifen oder Karten 15 und 16, angeordnet. Vorzugsweise sind die Streifen mit einem Kleber, z. B. einem handelsüblichen Polyethylen-Heißkleber, beschichtet, so dass die Fasern mit den Streifen und verklebt werden und einander gegenüberliegende Anschlussbereiche 12'' der Fasern sich über die Streifen hinaus erstrecken. Zwischenbereiche 12' der Fasern werden so auf den Streifen befestigt. Alternativ können die Streifen mit parallelen, voneinander beabstandeten Nuten versehen sein, die die Fasern im Passsitz aufnehmen. Die Streifen können flexibel oder starr sein. Wenn die Streifen flexibel sind, werden sie mit den angeklebten Fasern wiederum aufeinanderfolgend miteinander verklebt, um einen immer starrer werdenden Stapel für ein Kopfelement mit einer gewünschten Geometrie der eingegossenen Fasern zu bilden. Um ein Verkleben der Streifen zu verhindern, kann ein regelmäßiges Muster aus linearen Reihen durch Befestigen mehrerer Arrays mittels Gummibändern 18 oder anderen Klemmeinrichtungen auf starren Streifen in einem Stapel erreicht werden. Die Anschlussbereiche 12'' werden somit voneinander beabstandet gehalten, wobei der Mittenabstand benachbarter Fasern vorzugsweise im Bereich von 1,2- (1,2d) bis ungefähr 5-mal (5d) dem AD 'd' einer Faser liegt, besser noch im Bereich von 1,5d bis 2d. Vorzugsweise ist die Dicke eines Streifens ungefähr gleich wie oder relativ kleiner als der AD einer Faser, vorzugsweise liegt sie im Bereich von ungefähr 0,5d bis 1d, was dann der Abstand zwischen benachbarten Außenflächen der Fasern in aufeinanderfolgenden linearen Arrays wird.
Nach dem Ausbilden eines ersten Arrays werden zweite und dritte Arrays (die nicht gezeigt sind, da sie mit dem ersten Array im wesentlichen identisch sind) analog zu dem ersten Array hergestellt und auf dieses platziert. Es werden zusätzliche Arrays aufgebracht, bis die gewünschte Anzahl von Arrays zu einem Bündel zusammengefasst ist, und das Bündel wird vertikal gehalten, um den unteren Bereich des zuerst einzugießenden Bündels zu bilden.
4 zeigt schematisch eine rechteckige Gießwanne 17, deren Längen- und Breitenabmessungen im wesentlichen den Längs- (x-Achse) bzw. Quer- (y-Achse) Abmessungen des gewünschten Kopfelements entsprechen. Der untere Bereich des Bündels ist in eine erste Flüssigkeit eingetaucht, die auf einen mit L1 bezeichneten Pegel in der Wanne 17 ansteigt.
Bei der bevorzugtesten Variante wird ein flüssiges Wachs, vorzugsweise ein wasserlösliches Wachs mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 75 °C, wie z. B. ein Polyethylenglykol-(PEG-)Wachs, verwendet.
Die Tiefe, bis zu der die erste Flüssigkeit eingegossen wird, hängt davon ab, ob die Streifen 15 von dem fertigen Kopfelement entfernt werden oder in diesem verbleiben sollen.
A.
Als erstes wird das Eingießen von Strangfasern in die oberen und unteren Kopfelemente, aus denen die Streifen entfernt werden, dargestellt.

(1) Es wird ein erstes angepasstes Laminiermittel mit einer Dicke L1 (entsprechend der Tiefe, bis zu der die erste Flüssigkeit eingegossen wurde) von ungefähr 5-10 cm (flüchtig) hergestellt, so dass 12' und 12" voneinander beabstandet sind und die Faserenden eingesteckt sind.
(2) Die zweite Flüssigkeit, ein aushärtbares wasserunlösliches flüssiges Gießharz oder eine Reaktionskomponente des Harzes wird derart über die Fläche des flüchtigen Laminiermittels gegossen, dass sie die Fasern umgibt, und zwar so lange, bis die zweite Flüssigkeit auf einen Pegel L2 steigt. Sie erstarrt, um das fixierende Laminiermittel (die das fertige Kopfelement bildet) mit einer vom Pegel L1 zum Pegel L2 gemessenen Dicke (die Dicke wird als "L1-L2" gemessen und liegt typischerweise zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 5 cm) zu bilden, die die relativen Positionen der vertikalen Fasern aufrechterhält. Somit wird ein erstes Verbund-Kopfelement mit der kombinierten Dicke aus flüchtigem und fixierendem Laminiermittel gebildet.
(3) Analog zu der unmittelbar vorstehenden Beschreibung wird der obere Bereich des Bündels in ein zweites Verbund-Kopfelement eingegossen.
(4) Die Verbund-Kopfelemente werden aus ihren Gießwannen entnommen, und sie werden mit Heißluft angeblasen, um das flüchtige Laminiermittel zu schmelzen, wonach nur die fertigen Kopfelemente verbleiben, die jeweils eine Dicke von L1-L2 aufweisen. Das flüchtige Material wird dann wiederverwendet. Alternativ kann ein wasserlösliches flüchtiges Material in heißes Wasser platziert werden, um das Material aufzulösen, und dann wird das Material aus der Wasserlösung wiedergewonnen.
(5) Die von der hinteren Permeat-Ausgabeseite der Kopfelemente vorstehenden Enden der Fasern sind offen und behalten einen kreisförmigen Querschnitt bei.

B.
Als zweites wird das Eingießen ohne Entfernen der Streifen dargestellt.

(1) Die erste Flüssigkeit wird bis zu einem Pegel L1' unterhalb der Karten eingegossen, und zwar bis zu einer Tiefe im Bereich von ungefähr 1-2,5 cm und erstarrt, um ein flüchtiges Laminiermittel L1' zu bilden.
(2) Die zweite Flüssigkeit wird dann bis zur Tiefe L2 über das flüchtige Laminiermittel gegossen und erstarrt, um ein Verbund-Kopfelement mit einem fixierenden Laminiermittel mit einer Dicke von L1'-L2' zu bilden.
(3) Das Verbund-Kopfelement wird aus der Form genommen, und das flüchtige Laminiermittel wird entfernt, wobei die Anschlussbereiche 12'' von der hinteren Seite des fertigen Kopfelements vorstehen, wobei die hintere Seite dort gebildet wird, wo der Pegel L1' war. In den fertigen Kopfelemen ten mit einer Dicke von L1'-L2' sind die Streifen 15 eingebettet (zusammen mit den Gummibändern 18, falls verwendet).

C.
Als drittes wird das Eingießen zum Herstellen eines Polster-Laminiermittels mit eingebetteten Fasern auf den einander gegenüberliegenden (vorderen) Seiten der Kopfelemente, von denen die Streifen entfernt werden, dargestellt.
Die intermittierende Einschnapp-Bewegung der Fasern führt häufig zu einem Brechen der Fasern um ihren Umfang herum an der Grenzfläche zwischen Vorderseite und Substrat. Um der Härte des "fixierenden Laminiermittels" zu begegnen, wird ein "Polster-Laminiermittel" aus einem weicheren Material als dem des fixierenden Laminiermittels einstückig mit dem fixierenden Laminiermittel hergestellt, und zwar durch Gießen einer Polster-Flüssigkeit (so bezeichnet wegen ihrer Funktion im ausgehärteten Zustand) über das fixierende Laminiermittel bis zu einer Tiefe L3, wie in 4 gezeigt. Die Tiefe verleiht eine Elastizität um den Umfang herum, um das Risiko des Scherens zu minimieren. Eine solche Polster-Flüssigkeit ist im ausgehärtetem Zustand gummiartig, weist eine Härte im Bereich von ungefähr Shore A 30 bis Shore D 45 auf und besteht vorzugsweise aus einem Polyurethan- oder Silikon- oder einem anderen Material, das an dem fixierenden Laminiermittel haftet. Nach dem Entfernen des flüchtigen Laminiermittels weist das so hergestellte fertige Kopfelement die kombinierte Dicke des fixierenden Laminiermittels und des Polster-Laminiermittels, d. h. L1-L3, auf, wenn die Streifen 15 weggeschnitten sind.
D.
Als viertes wird das Herstellen eines Dichtungs-Laminiermittels dargestellt.
Das fertige Kopfelement wird vorzugsweise mit einer an der Peripherie angeordneten Dichtung in eine Permeatwanne 20 eingesetzt, wie in 2 gezeigt. Da es einfacher ist, die Wanne gegen ein Dichtungs-Laminiermittel als gegen eine nahe der Peripherie vorgesehene Dichtung abzudichten, bildet ein Dichtungsmaterial mit einer Härte im Bereich von Shore A 40 bis Shore D 45 ein gewünschtes Dichtungs-Laminiermittel, das einstückig mit der hinteren Seite des fertigen Kopfelements ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform, bei der die Streifen weggeschnitten sind, wird das flüchtige Laminiermittel wie oben beschrieben hergestellt und eine Dichtungs-Flüssigkeit (so bezeichnet, da sie im ausgehärteten Zustand eine Dichtung bildet) bis zu einer Tiefe L4 über die Fläche des flüchtigen Laminiermittels gegossen. Die Dichtungs-Flüssigkeit wird dann ausgehärtet. Durch Entfernen des flüchtigen Laminiermittels und Wegschneiden der Streifen 15 verbleibt das fertige Kopfelement mit einer kombinierten Dicke des Dichtungs-Laminiermittels (L1-L4), des fixierenden Laminiermittels (L4-L2) und des Polster-Laminiermittels (L2-L3), d. h. einer Gesamtdicke von L1-L3.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Sammelleitungen einstückig mit einem Kopfelement ausgebildet, um zu verhindern, dass die Wanne an dem Kopfelement mit einer Dichtungseinrichtung befestigt wird und eine oder mehrere Gasverteilleitungen nach dem Bilden des Strangs an einer optimalen Stelle nahe dem Basisteil der Strangfasern positioniert wird. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines "einstückig ausgebildeten einzelnen Strangs" 100 mit einem fertigen Kopfelement 101 und einer Permeat-Wanne 102 mit einem Permeat-Entnahmenippel 106, die einstückig ausgebildet sind, und vertikalen Luftrohren 103, die in das fertige Kopfelement eingebettet werden sollen. Die Luftrohre sind vorzugsweise auf beiden Seiten der Strangfasern mit den Zufuhr-Luftrohren 104 und 105 verbunden, die durch Durchführungen in den Wände der Wanne passend eingesetzt sind. Der Permeatnippel 106 wird dann eingesteckt und ein Array-Stapel vertikal in der Wanne gehalten, in der ein flüchtiges Laminiermittel gebildet wird, in das beide Enden der Fasern und der untere Bereich des vertikalen Luftrohrs 103 eingebettet sind. Dann wird ein fixierendes Laminiermittel über dem flüchtigen Laminiermittel ausgebildet, in dem die Fasern zur Bildung eines fixierenden Laminiermittels eingebettet sind, durch das die offenen Enden der Luftrohre 103 vorstehen. Das flüchtige Laminiermittel wird dann geschmolzen und durch den Nippel 106 abgezogen. Im Betrieb sammelt sich Permeat in der Permeat-Wanne und wird durch den Nippel 106 abgezogen.
6 zeigt einen Querschnitt eines einstückig ausgebildeten Einzelstrangs 110 mit einem weiteren einstückig angeformten fertigen Kopfelement 101 mit einer Dicke von L1-L2, jedoch ohne Polster-Laminiermittel, der auf ähnliche Weise hergestellt wird wie oben beschrieben. Eine Permeatwanne 120 mit nach außen konisch aufgeweiteten Seiten 120' und darin ausgebildeten querverlaufenden voneinander beabstandeten Durchgangsöffnungen wird zwischen Seitenwänden 111 und 112 vorgefertigt, so dass die Wanne beabstandet über dem unteren Teil des Behälters angeordnet ist.
Zwei Luftsammelleitungen 107, wie in 7A oder 7B gezeigt, sind benachbart zu der Permeatwanne 120 spiegelbildlich zueinander positioniert und gehalten, wobei die vertikalen Luftrohre 103 durch die Öffnungen in den Seiten 120' vorstehen und die Enden 104 und 105 von Durchgängen in den vertikalen Wänden auf beiden Seiten der Permeatwanne vorstehen. Der Permeat-Entnahmenippel 106 (6) ist zunächst provisorisch eingesteckt. Der Stapel von Streifen 15 ist zwischen den Luftrohren 103 vertikal in der Wanne 120 positioniert, welche bis zum Pegel L1 gefüllt ist, um ein flüchtiges Laminiermittel zu bilden, wobei der Pegel gerade unterhalb der unteren Ränder der Streifen 15 liegt, die nicht entfernt werden. Nach dem Erstarren sind die Anschlussbereiche der Fasern 12 in dem flüchtigen Laminiermittel eingebettet, und das flüchtige Laminiermittel füllt auch die Permeatrohre 106. Dann wird die zweite Flüssigkeit über die obere Fläche des flüchtigen Laminiermittels gegossen, bis die Flüssigkeit die Streifen 15 bedeckt, jedoch die oberen Enden der Luftrohre 103 offen lässt. Die zweite Flüssigkeit härtet dann aus, um das fixierende Laminiermittel des Verbund-Kopfelements zu bilden, das dann erwärmt wird, damit das flüchtige Material nach dem Herausziehen der Permeatdüse 106 durch diese entfernt wird.
7A zeigt eine perspektivische Ansicht mit schematischer Darstellung eines Luftsammelrohrs 107 mit vertikalen Luftrohren 103, die von einem querverlaufenden Kopfelementrohr aus nach oben verlaufen, von welchem die Zuführ-Luftrohre 104 und 105 in Längsrichtung vorstehen. Die Bohrung der Luftrohre, die entweder "Feinblasendiffusoren" oder "Grobblasendiffusoren" oder "Belüftungseinrichtungen" sein können, ist so gewählt, dass Blasen mit dem gewünschten Durchmesser unter Betriebsbedingungen erzeugt werden, wobei die Bohrung typischerweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegt. Blasen mit einem kleineren Durchmesser werden vorzugsweise mit einem perforierten querverlaufenden Rohr 103' eines Luftsammelrohrs 107', das Zufuhr-Luftrohre 104' und 105' aufweist, erzeugt, wie 7B gezeigt. In jedem Fall dienen die Blasen als mechanische Bürste.
Die Strangfasern für das obere Kopfelement des Strangs sind analog zu der oben beschriebene Weise in eine ähnliche Permeatwanne eingegossen, um ein fertiges Kopfelement zu bilden, mit der Ausnahme, dass keine Luftsammelrohre eingesetzt werden.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht im Querschnitt mit schematischer Darstellung einer Ausführungsform, bei der eine Gruppe aus zwei Strängen in eine einzelne, einstöckig ausgebildete fertige Kopfelementumfassung, die generell mit dem Bezugszeichen 120b bezeichnet ist, eingegossen ist. Der Ausdruck "Sammelleitungsumfassung" wird verwendet, da die Seitenwände 121 und 122 und die (nicht gezeigten) Endwände eine Vorlage umfassen, in die Luft eingetragen wird. Anstelle in einer Permeatwanne wird Permeat von einer Permeat-Sammelleitung aufgefangen, die für beide Fasern vorgesehen ist. Bei einer weiteren (nicht gezeigten) oberen Umfassung 120u, die ähnlich ausgeführt ist, mit der Ausnahme, dass sie als kanalförmige Flachboden-Wanne (als Umkehrung für die Verwendung als oberes Kopfelement) ohne eingeformte Luftrohre ausgebildet ist, sind die einander gegenüberliegenden Anschlussbereiche sämtlicher Strangfasern in die Wanne eingegossen. Für den Betrieb werden sowohl die untere als auch die obere Umfassung 120b und 120u mit ihren Strangfasern in einen Behälter des zu filternden Substrats abgesenkt. Die Seitenwände 121 und 122 brauchen nicht auf dem unteren Teil des Behälters zu ruhen, sie können auch auf einer Seitenwand des Behälters montiert sein.
Die Seitenwände 121 und 122 und die Endwände sind Teil einer einstückig ausgebildeten Anordnung mit einer die Wände verbindenden Plattform 123, und es sind miteinander ausgerichtete Steigrohre 124 in die Plattform eingeformt. Die Steigrohre ähneln einem umgekehrten Testrohr, dessen Durchmesser nur so groß zu sein braucht, dass ein Luftrohr 127 durch den oberen Teil 125 des umgekehrten Prüfrohrs eingesetzt werden kann. Wie dargestellt, sind vorzugsweise "n + 1" Reihen von Luftrohren für "n" Stapel von einzugießenden Arrays vorgesehen. Die zinnenförmige Plattform 123 weist Steigrohre 124 auf, zwischen denen Kanäle 128 und 129 liegen. Die Kanäle 128 und 129 sind jeweils breit genug, um einen Stapel von Faser-Arrays 12 aufzunehmen, und die Steigrohre sind breit genug, dass ausreichend lange Luftrohre 127 in diese einsetzbar sind, so dass die oberen offenen Enden 133 der Luftrohre von den oberen Flächen des Fixiermaterials 101 vorstehen. Die unteren Enden 134 der Luftrohre sind in einem Winkel geschnitten, um das Einste cken zu minimieren, und über der Fläche S des Substrats positioniert. Der Kanal 129 ist derart ausgeführt, dass er ein Permeat-Entnahmerohr 126 bildet, das einstückig mit der Plattform 123 ausgebildet ist. Die Seitenwand 122 ist mit einem Luftnippel 130 versehen, durch den Luft in die von den Wänden der Umfassung 120b und der Fläche S des Substrats unter der Plattform 123 gebildete Vorlage eingetragen wird. Jeder Stapel ist wie oben anhand von 6 beschrieben eingegossen, bei der bevorzugtesten Variante durch Bilden eines Verbund-Kopfelements aus flüchtigem PEG-Wachs und Epoxidharz um die Stapel von Arrays herum, die zwischen den Reihen von Steigrohren 124 positioniert sind, wodurch sichergestellt wird, dass sich die offenen Enden der Luftrohre oberhalb des Fixiermaterials aus Epoxidharz befinden, und Ausschmelzen des Wachses durch das Permeat-Entnahmerohr 126. Wenn Luft in die Umfassung eingetragen wird, wird die Luft durch die Luftrohre, die zwischen den Strängen und um die Stränge herum angeordnet sind, verteilt.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Strangs mit oberen und unteren Kopfelementen 41u bzw. 41b und in jedem zeigen die vorstehenden oberen und unteren Enden 12u'' und 12b'', dass die Seite des Kopfelements nicht zum Freilegen der Fasern geschnitten worden ist. Die Höhe der angrenzenden Zwischenbereiche 12u' bzw. 12b' entspricht der Tiefe des ausgehärteten Fixiermaterials.
Es ist offensichtlich, dass das wesentliche Merkmal des oben beschriebenen Eingießverfahrens darin besteht, dass ein flüchtiges Laminiermittel gebildet wird, in das die Öffnungen der Anschlussbereiche der Fasern eingebettet werden, bevor die an sie angrenzenden Zwischenbereichen 12u' und 12u'' und 12b' und 12b'' jeweils in einem fixierenden Laminiermittel des Kopfelements fixiert werden. Eine alternative Materialwahl besteht in der Verwendung eines flüchtigen Gieß-Verbundstoffs, der in einer nichtwässrigen Flüssigkeit löslich ist, in welcher das Fixiermaterial nicht löslich ist. Eine weitere Wahl besteht in der Verwendung eines wasserunlöslichen flüchtigen Materials, das auch in nichtwässrigen Lösungen unlöslich ist, die typischerweise als Lösungsmittel verwendet werden, wobei das flüchtige Material jedoch einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das endgültige Gießmaterial, das wasserlöslich oder nicht wasserlöslich sein kann.
Das flüchtige Material ist inert sowohl relativ zu dem Fasermaterial als auch zu dem endgültigen Gießmaterial, und das flüchtige Material und das Fixier-Material sind jeweils in dem anderen Material unlöslich. Vorzugsweise bildet das flüchtige Material einen Feststoff mit im wesentlichen glatter Fläche, ein kritischer Faktor ist jedoch, dass das flüchtige Material mindestens teilweise ausgehärtet sein muss, und zwar in ausreichendem Maße, dass die Form des Kopfelements beibehalten wird, und dass das Material ein Feststoff oberhalb der Temperatur bleibt, bei der das Fixiermaterial in die Kopfelementform eingetragen wird. Das flüchtige Laminiermittel ist im wesentlichen inert und in dem endgültigen Gießmaterial unlöslich, so dass das flüchtige Laminiermittel lösbar an dem fixierenden Laminiermittel haftet.
Das aus der Form genommene Kopfelement wird entweder erwärmt, oder es wird das Lösungsmittel extrahiert, um das flüchtige Laminiermittel zu entfernen. Typischerweise wird das Fixiermaterial bei einer ersten Aushärttemperatur zu einer festen Masse ausgehärtet, wobei die Temperatur nicht höher ist als der Schmelzpunkt oder Tg des flüchtigen Laminiermittels, vorzugsweise bei einer Temperatur unter ungefähr 60 °C; der Feststoff wird dann bei einer Temperatur nachgehärtet, die hoch genug ist, um das flüchtige Material zu schmelzen, jedoch nicht so hoch, dass das Aushärten des Fixiermaterials oder die Fasereigenschaften beeinträchtigt werden. Das flüchtige Material wird wie nachstehend beschrieben entfernt, wobei das Entfernverfahren von dem flüchtigen Material und der Aushärttemperatur des endgültigen Gießmaterials abhängt.
Gemäß 2 weist das Kopfelement 11 Vorder- und Rückwände auf, die von vertikalen (z-Achse) Rändern 11' und längsverlaufenden (x-Achse) Rändern 13' gebildet sind; Seitenwände, die von Rändern 11' und querverlaufenden Rändern 13'' (y-Achse) gebildet sind; und ein Basisteil 13, das von Rändern 13' und 13'' gebildet ist.
Die Auffangwanne 20 ist derart dimensioniert, dass sie das Basisteil 13 über einer Permeat-Auffangzone in der Wanne im Passsitz aufnimmt. Dies erfolgt durch Herstellen einer rechteckigen Wanne mit einem Basisteil 23 mit im wesentlichen gleichen Längen- und Breitenabmessungen wie die des Basisteils 13. Die Peripherie der Wanne 20 weist eine an der Peripherie ausgebildete Stufe auf, wie in 2A gezeigt, in der die Wand 20' der Wanne in. einem Stufenabschnitt 22 mit einer im wesentlichen horizontalen Schulter 22'' und einer im wesentlichen vertikalen Stützwand 22' endet.
2B zeigt eine Unteransicht der Unterseite eines Kopfelements 13 mit Darstellung der offenen Enden der Fasern 12', wobei durch Verwendung von Gießharz verhindert wird, dass diese sich berühren. Die geometrische Verteilung der Fasern bildet eine regelmäßige Peripheriegrenze 14 (gepunktet dargestellt), die die Peripherien der offenen Enden der äußersten Fasern begrenzt.
Permeat strömt von den offenen Enden der Fasern in das Basisteil 23 der Wanne 20 und verlässt die Auffangzone durch eine Permeat-Entnahmeleitung 30, die in dem unteren Teil der Wanne in offener Fluidverbindung mit dem Innenbereich der Wanne angeordnet ist. Wenn der Strang rückgewaschen wird, strömt Rückwaschfluid durch die Fasern und in das Substrat. Falls gewünscht, kann die Entnahmeleitung auf der Seite der Wanne positioniert sein, wie durch Leitung 30' dargestellt. Unabhängig davon, ob der Betrieb nur unter Einwirkung der Schwerkraft oder mittels einer Pumpe zum Erzeugen einer zusätzlichen Saugwirkung erfolgt, ist es offensichtlich, dass eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Peripherie des Kopfelements 11 und der an der Peripherie angeordneten Stufe 22 der Wanne 20 erforderlich ist. Eine solche Abdichtung erfolgt durch herkömmliche Mittel, wie z. B. eine geeignete Dichtung oder eine Dichtmasse, typischerweise ein Polyurethan- oder Silikonharz, zwischen der unteren Peripherie des Kopfelements 11 und der Stufe 22. Gemäß 2 strömt Permeat nach unten ab, es könnte jedoch auch von dem oberen Permeat-Port 45u in der oberen Permeatwanne 43u entnommen werden (siehe 9).
In 9 und 2A sind sechs Reihen von Fasern 12 auf beiden Seiten einer Gasverteilleitung 52 dargestellt, die die Länge der Reihen entlang dem Basisteil der Fasern kreuzt. Die eingegossenen Anschlussendbereiche 12b'' öffnen sich in die Permeatwanne 43b. Da die Bereiche 12u' und 12b' der einzelnen Fasern 12 eingegossen sind und die Fasern 12 vorzugsweise um 1 % bis 2 % länger sind als der feste Abstand zwischen den oberen und unteren Kopfelementen 41u und 41b, verlaufen die Fasern zwischen einander gegenüberliegenden Kopfelementen im wesentlichen parallel zueinander, sind jedoch insbesondere nahe dem Kopfelement parallel zueinander angeordnet. Auch die Anschlussendbereiche 12u'' und 12b'' der Fasern, die mit freiliegenden offenen Enden von den Kopfelementen vorstehen, werden parallel zueinander gehalten. Die Fasern stehen unterhalb der Unterseite des unteren Kopfelements 41b und oberhalb der Oberseite des oberen Kopfelements 41u vor. Die Wahl des Faserabstands in dem Kopfelement bestimmt die Packungsdichte der Fasern nahe den Kopfelementen, der Faserabstand ist jedoch nicht wesentlich, da der Abstand den Strom während des Betriebs nicht wesentlich beeinflusst.
Da sich die Faserlänge während des Betriebs normalerweise verändert, wobei der Umfang der Veränderung von der speziellen Faserzusammensetzung abhängt, und der Abstand zwischen den oberen und unteren Kopfelementen kritisch ist, ist es wünschenswert, die Kopfelemente derart zu montieren, dass eines in vertikaler Richtung relativ zu dem anderen einstellbar ist, wie durch Pfeil V angezeigt. Dies erfolgt durch Anbringen der Wanne 43u an einer Platte 19 mit vertikal voneinander beabstandeten Durchgängen 34, durch die ein Gewindebolzen 35 eingesetzt und mit einer Mutter 36 gesichert wird. Der Gewindebolzen 35 befindet sich in einem festen Befestigungsblock 37.
Die Faserdichte in einem Kopfelement wird vorzugsweise so gewählt, dass der maximale Membranflächenbereich pro Volumeneinheit des Substrats ohne Beeinträchtigung der Zirkulation des Substrats durch den Strang erreicht wird. Eine Gasverteileinrichtung 52, wie z. B. ein perforiertes Luftrohr, liefert Luft in den Strang, so dass Gas-(Luft-)Blasen nach oben steigen, wobei sie an den Außenflächen der Fasern hängen bleiben und diese somit auf effiziente Weise waschen. Falls gewünscht, können zusätzliche Luftrohre 52' auf beiden Seiten des Strangs nahe dem unteren Kopfelement 41b platziert sein, wie als Phantomdarstellung gezeigt, um eine zusätzliche Luftwaschleistung zu erzeugen. Ob Permeat durch den Port 45u aus dem oberen Kopfelement oder durch den Port 45b aus dem unteren Kopfelement oder aus beiden entnommen wird, hängt von der speziellen Anwendung ab, in sämtlichen Fällen weisen die Fasern jedoch im wesentlichen eine vertikal Orientierung auf.
Der vertikale Strang wird in ein Substrat eingesetzt, um ein im wesentlichen vertikales Profil anzunehmen, er weist jedoch keine strukturelle Form auf. Die Form, die er aufweist, verändert sich kontinuierlich, wobei der Grad der Veränderung von der Flexibilität der Fasern, ihrer Länge, den Gesamtabmessungen des Strangs und dem Bewegungsgrad ab, der den Fasern von dem Substrat sowie dem sauerstoffhaltigen Gas von der Gasverteileinrichtung verliehen wird.
10 zeigt eine typische Anordnung, die als "an der Wand montierte Gruppe" bezeichnet wird und die mindestens zwei nebeneinander angeordnete Stränge aufweist, die generell mit den Bezugszeichen 40 und 40' mit Fasern 42 und 42' bezeichnet sind; die Fasern 42 sind in die oberen und unteren Kopfelemente 41u bzw. 41b eingegossen; und die Fasern 42' sind in Kopfelemente 41u' und 41b' eingegossen; die Kopfelemente 41u und 41b sind mit Permeat-Auffangeinrichtungen 46u bzw. 46b ausgerüstet; die Kopfelemente 41u' und 41b' sind mit Permeat-Auffangeinrichtungen 46u' bzw. 46b' ausgerüstet; und die Stränge nutzen gemeinsam eine Gasverteileinrichtung 50. Eine "Gruppe" von Strängen wird typischerweise zum Nachrüsten eines großen tiefen Tanks benutzt, aus dem Permeat mittels einer Vakuumpumpe entnommen werden soll. In einem großen Behälter können mehrere Gruppen von Strängen nebeneinander in einem Tank liegend verwendet werden. Jeder Strang weist mehrere Reihen (von denen nur eine gezeigt ist) von Fasern 42 und 42' in oberen Kopfelementen 41u und 41u' und unteren Kopfelementen 41b bzw. 41b' auf, und Arme 51 und 51' der Gasverteileinrichtung 50 sind zwischen den unteren Kopfelementen 41b und 41b' nahe ihren Basisteilen angeordnet. Die oberen Kopfelemente 41u und 41u' sind an einem ihrer Enden mit Befestigungsklammern 53 und 53' und geeigneten Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben 54, an einer vertikalen Innenfläche der Wand W eines Tanks befestigt. Die Wand W dient somit als Beabstandungseinrichtung, die den Abstand zwischen den oberen und unteren Kopf elementen fixiert. Jedes obere Kopfelement ist mit einer Permeat-Auffangwanne 43u bzw. 43u' versehen, die mit Permeat-Entnahmeleitungen 45u und 45u' und mit einer Permeat-Sammelleitung 46u verbunden ist, durch die Permeat, das in die Auffangwannen gefiltert wird, kontinuierlich entnommen wird. Jedes Kopfelement ist um seine Peripherie herum abdichtend mit der Peripherie jeder anderen Auffangwanne verbindet.
Die in dieser perspektivischen Ansicht gezeigten Strangfasern (von denen aus Gründen der Klarheit nur ein Array gezeigt ist) haben die Form eines langgestreckten rechteckigen Parallelepipeds, dessen Seiten aufgrund der willkürlichen Verschiebung der Fasern von einer Seite zur anderen bei deren Hin- und Herbewegung unregelmäßig geformt sind, wenn es in ein Substrat eingetaucht ist. Eine langgestreckte rechteckige Parallelepiped-Form wird bevorzugt, da sie ein dichtes Packen von Fasern und dennoch ein ausgezeichnetes Waschen der Faserflächen mit Blasen ermöglicht. Bei dieser Form kann ein Strang mit 10 bis 50 Faser-Arrays über die Breite 'w' in Längsrichtung der Kopfelemente 41u, 41b und 41u', 41b' gebildet werden, wobei jedes Array Fasern aufweist, die entlang der Länge 'l' in Querrichtung jedes Kopfelements verlaufen. Luftrohre auf beiden Seiten eines Strangs reinigen die Fasern auf effektive Weise, wenn weniger als 30 Arrays zwischen den Luftrohren vorgesehen sind. Ein Strang mit mehr als 30 Arrays wird vorzugsweise ebenfalls von der Mitte aus mit Luft versorgt, wie durch das Luftrohr 52 in 9 dargestellt.
Somit werden, wenn ungefähr 100 Fasern nahe beieinanderliegend entlang der Länge 'l' in Querrichtung eines Arrays angeordnet sind und 25 Arrays in einem Strang in einem Kopfelement mit einer Breite 'w' in Querrichtung vorgesehen sind, die einander gegenüberliegenden Anschlussendbereiche von 2500 Fasern in die Kopfelemente 41u und 41b eingegos sen. Die offenen Enden sämtlicher Fasern in den Kopfelementen 41b und 41b' weisen nach unten in die Auffangzonen in den Auffangwannen 43b bzw. 43b', und diejenigen sämtlicher Fasern in den Kopfelementen 41u und 41u' weisen nach unten in die Auffangzonen in den Auffangwannen 43u bzw. 43u'. Die Entnahmenleitungen 45u und 45u' sind mit der Permeat-Sammelleitung 46u verbunden, durch die sich in den oberen Auffangwannen 43u und 43u' ansammelndes Permeat typischerweise kontinuierliche entnommen wird. Wenn der Permeatstrom groß genug ist, kann er auch über die Entnahmeleitungen 45b und 45b', die mit der Permeat-Sammelleitung 46b verbunden sind, von den Auffangwannen 43b und 43b' entnommen werden. Wenn Permeat in der gleichen Ebene entnommen wird, in der die Permeat-Entnahmeleitungen 45u, 45u' und die Sammelleitung 46u angeordnet sind, und der Transmembran-Differentialdruck der Fasern im Bereich von 35-75 kPa (5-10 psi) liegt, kann die Sammelleitung 46u mit der Saugseite der Zentrifugalpumpe verbunden werden, die eine angemessene erforderliche Zulaufhöhe (NPSH) erzeugt.
Generell wird das Permeat sowohl von den oberen als auch von den unteren Kopfelementen entnommen, bis sich der Strom auf einen so niedrigen Pegel reduziert, dass ein Rückspülen der Fasern erforderlich wird. Die Stränge können durch Einleiten eines Rückspülfluids durch die obere Permeat-Auffangsammelleitung 46u und Entfernen des Fluids durch die untere Sammelleitung 46b rückgespült werden. Typischerweise können 3 bis 30 Stränge zum Herstellen einer internen Fluidverbindung durch die Sammelleitungen, die Permeat-Entnahmeeinrichtung und die Fasern und zum Herstellen einer externen Fluidverbindung durch eine Luftsammelleitung miteinander gekoppelt werden. Da die Permeat-Entnahmeeinrichtung auch zum Rückspülen verwendet wird, wird sie generell als "Flüssigkeitszirkulationseinrichtung" und nur dann als Permeat-Entnahmeeinrichtung bezeichnet, wenn sie zum Entnehmen von Permeat verwendet wird.
Bei Einsetzen in ein Substrat mit schwebenden und gelösten organischen und anorganischen Partikeln bleiben die meisten organischen Polymere in vertikaler Position schwimmfähig. Die Fasern in dem Strang schwimmen in dem Substrat, wobei die Faserenden in den Kopfelementen verankert sind. Dies erfolgt deshalb, weil (i) das Permeat im wesentlichen reines Wasser mit einem kleinerer spezifischen Gewicht als das des Substrats ist und die meisten Polymere, aus denen die Fasern hergestellt sind, ebenfalls ein spezifisches Gewicht von weniger als 1 aufweisen, und (ii) die Fasern von Blasen, mit denen sie in Kontakt stehen, schwimmend gehalten werden. Fasern aus Keramik oder Glasfasern sind schwerer als Wasser.
Benachbart zu den Strängen verläuft eine Luftverteil-Sammelleitung 50 unterhalb des Basisteils des Faserbündels, vorzugsweise unterhalb der horizontalen Ebene durch die horizontalen Mittellinien der Kopfelemente. Das Sammelrohr 50 ist vorzugsweise in zwei perforierte Arme 51 und 51' unterteilt, die den Basisteilen der Kopfelemente 41b bzw. 41b' benachbart angeordnet sind, so dass bei Luftaustrag durch Löcher in jedem Bereich 51 und 51' Blasensäulen benachbart zu den Faserenden aufsteigen und danach entlang den Fasern durch die Stränge strömen. Falls gewünscht, können (nicht gezeigte) zusätzliche Bereiche verwendet werden, die den Basisteilen der unteren Kopfelemente benachbart sind, sich jedoch auf der Außenseite jedes unteren Kopfelements befinden, um zusätzliche Luftsäulen entlang den Außenflächen der Fasern zu erzeugen.
Der Typ der Gas-(Luft-)Sammelleitung ist nicht kritisch, vorausgesetzt, dass sie Blasen in einem bevorzugten Größenbereich von ungefähr 1 mm bis 25 mm liefert, und zwar gemessen in einem Abstand von 1 cm bis 50 cm von den Durchgängen entfernt, in denen sie erzeugt werden. Falls ge wünscht, kann jeder Bereich 51 und 51' in die obere Fläche jedes Kopfelements eingebettet sein und können die Fasern um den Bereich herum eingegossen sein, wodurch sichergestellt wird, dass die Luftdurchgänge in den Bereichen 51 und 51' nicht mit Gießmasse verstopft werden. Falls gewünscht, können zusätzliche Arme der Luftrohre auf jeder Seite jedes unteren Kopfelements angeordnet sein, so dass Fasern von jedem Kopfelement durch Säulen von beiden Querseiten aufsteigender Luft gewaschen werden.
Die Luft kann kontinuierlich oder intermittierend erzeugt werden, wobei bessere Ergebnisse generell mit einem kontinuierlichen Luftstrom erzielt werden. Die Menge an erzeugter Luft hängt von der Art des Substrats, den Anforderungen hinsichtlich der Art von Mikroorganismen und der Einsteckbarkeit der Faserflächen ab.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Anordnung, die als "freistehende Gruppe" von Strängen bezeichnet wird, von denen zwei mit dem Bezugszeichen 60 versehen sind. Die Gruppe wird als "freistehend" bezeichnet, da die Beabstandungseinrichtung zwischen den Kopfelementen mit den Strängen versehen ist, und zwar ist dies normalerweise so, weil das Befestigen der Stränge an der Wand eines Behälters weniger effektiv ist als das Platzieren der Gruppe in einem Abstand zu einer Wand. Im übrigen ist die Gruppe 60 analog zu der in 10 gezeigten, an der Wand montierten Gruppe ausgebildet.
Jede Gruppe 60 mit Fasern 62 (von denen aus Gründen der Klarheit nur eine einzige Reihe der mehreren, in regelmäßigem Abstand voneinander angeordneten vertikalen Arrays gezeigt ist) ist zwischen oberen und unteren Sammelleitungen 61u und 61b in einem Substrat 'S' eingesetzt. Die unteren Kopfelemente ruhen auf dem Boden des Behälters. Die oberen Kopfelemente sind an starren vertikalen Luftrohren 71 und 71' befestigt, durch die Luft in eine rohrförmige Luftsammelleitung eingetragen wird, welche generell mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist. Die Sammelleitung 70 weist auf: (i) die vertikalen rohrförmigen Arme 71 und 71'; (ii) einen unteren querverlaufenden Arm 72, der über die Länge des unteren Kopfelements 61b' perforiert und an diesem befestigt ist, wobei der Arm 72 mit einem längsverlaufenden rohrförmigen Arm 73 und wahlweise einem weiteren (nicht gezeigten) längsverlaufenden Arm 73', der auf der von den Kopfelementen entfernten Seite spiegelbildlich zu dem Arm 73 ausgebildet ist, in Verbindung steht; und (iii) querverlaufende Arme 74 und 74' in offener Verbindung mit 72 und 73, wobei die Arme 74 und 74' entlang den sichtbaren Querseiten der Kopfelemente 61b und 61b' perforiert sind und 74 und 74' mit dem rohrförmigen Arm 73' in Verbindung stehen können, wenn letzterer vorgesehen ist. Die vertikalen Luftrohre 71 und 71' haben auch die zusätzliche Funktion einer Beabstandungseinrichtung zwischen dem ersten oberen Kopfelement und dem ersten unteren Kopfelement inne, und da die übrigen Kopfelemente in der Gruppe in ähnlicher (nicht gezeigter) Weise durch starre Leitungen miteinander verbunden sind, werden die Kopfelemente in vertikaler Richtung und Querrichtung voneinander beabstandet gehalten. Da sämtliche Arme der Luftsammelleitung in offener Verbindung mit der Luftversorgung stehen, wird die gleichmäßige Luftverteilung vereinfacht.
Wie oben beschrieben, sind die Kopfelemente 61u und 61u' jeweils fluiddicht mit Auffangzonen in Auffangwannen 63u bzw. 63u' verbunden und weist jede Wanne Entnahmeleitungen 65u und 65u' auf, die mit längsverlaufenden Flüssigkeitsleitungen 81 und 81' verbunden sind. Analog dazu sind Kopfelemente 61b und 61b' jeweils fluiddicht mit Auffangzonen in Auffangwannen 63b bzw. 63b' verbunden und weist jede Wanne Entnahmeleitungen 65b und 65b' auf, die mit (nicht gezeigten) längsverlaufenden Leitungen 82 und 82' verbunden sind. Wie dargestellt, sind Entnahmeleitungen sowohl für die oberen als auch die unteren Kopfelemente und sowohl vor als auch hinter den Kopfelementen gezeigt. In vielen Fällen wird Permeat nur von einer oberen Sammelleitung entnommen, die nur auf einer Seite des oberen Kopfelements vorgesehen ist. Eine untere Sammelleitung ist zum Rückspülen vorgesehen. Das Rückspülfluid strömt typischerweise durch die obere Sammelleitung, durch die Fasern und in die untere Sammelleitung. Die zusätzlichen Sammelleitungen an den hinteren Enden der oberen und unteren Kopfelemente führen nicht nur zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Rückspülfluids, sondern bieten auch eine Halterung für die miteinander verbundenen Kopfelemente. Es ist offensichtlich, dass bei Nichtvorhandensein der hinteren oberen Verbindungsleitung 81' ein oberes Kopfelement, wie z. B. 61u, durch eine andere Verbindung mit dem Kopfelement 61u' oder eine Beabstandungsstrebe zwischen den Kopfelementen 61u und 61b von dem unteren Kopfelement beabstandet sein muss.
Bei dem dargestellten optimalen Durchfuhrmodus ist jedes obere Kopfelement mit starren PVC-Rohrnippeln versehen, die mittels Fittings, wie z. B. L-förmigen und T-förmigen Elementen, mit den oberen Leitungen 81 bzw. 81' koppelbar sind. Analog dazu ist jedes untere Kopfelement mit (nicht gezeigten) unteren Leitungen 82 und 82' verbunden, und/oder sind Beabstandungsstreben zum Verleihen einer zusätzlichen Steifigkeit vorgesehen, und zwar abhängig von der Anzahl von miteinander zu verbindender Kopfelemente. Permeat wird durch eine obere Leitung entnommen, und sämtliche Rohrverbindungen, einschließlich der Luftverbindung, befinden sich oberhalb des Flüssigkeitspegels in dem Behälter.
Die Faserlänge (zwischen den Kopfelementen) in einem Strang wird im wesentlichen derart gewählt, dass eine effiziente Verwendung einer ökonomischen Luftmenge erreicht wird, um einen optimalen Strom über einen langen Zeitraum aufrecht zuerhalten. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind unter anderem die Tiefe des Tanks, in den die Gruppe eingesetzt werden soll, die Positionierung der Flüssigkeits- und Luftsammelleitungen und das Konvektionsmuster in dem Tank.
14-17 zeigen spezifische Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen des zylindrischen vertikalen Strangs. 14 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt mit schematischer Darstellung eines vertikalen zylindrischen Strangs 210, der auf dem Boden F eines Tanks ruht, wobei der Strang zwei ähnlich ausgeführte obere und untere zylindrische Endkappen 221 bzw. 222 aufweist, die als Permeat-Auffangwannen dienen. Bohrungen 226 und 227 in den oberen und unteren Endkappen sind mit Permeat-Entnahmerohren 231 bzw. 232 versehen, die mit diesen in fluiddichter Verbindung stehen. Permeat, das durch die Rohre entnommen wird, wird in einer Permeat-Entnahmesammelleitung 230 zusammengeführt. In jede Endkappe ist ein fertiges oberes/unteres Kopfelement direkt eingeformt, wobei das obere Kopfelement 223 im wesentlichen identisch mit dem unteren Kopfelement 224 ausgeführt ist. Jedes Kopfelement wird durch Eingießen von Fasern 212 in ein Gießharz, wie z. B. einem Polyurethan- oder einem Epoxidharz, mit ausreichender Steifigkeit zum Halten und Abdichten der Fasern unter Betriebsbedingungen hergestellt. Eine handelsübliche Endkappe für ein Polyvinylchlorid-"PVC"-Rohr ist die bevorzugteste Variante; bei Strängen mit großem Flächenbereich werden größere Kopfelemente von handelsüblichen glasfaserverstärkten Endkappen für zylindrischen Tanks gebildet. Es ist wichtig, dass die Fasern einander nicht berühren, sondern durch ausgehärtetes Harz voneinander beabstandet sind. Es ist ferner wichtig, dass das ausgehärtete Harz unter Betriebsbedingungen des Strangs an den unteren Bereichen 212' jeder Faser haftet und diese gegen Fluidleckage abdichtet. Eine Sichtprüfung einer Abdichtung erfolgt an den Peripherien der Fasern, die an den oberen (vorderen) und unteren (hinteren) Seiten 223u bzw. 223b des oberen Kopfelements 223 und den vorderen und hinteren Seiten 224u bzw. 224b des unteren Kopfelements 224 abgedichtet sind. Es kann ein herkömmliches fertiges Kopfelement verwendet werden, bei dem die Enden 212'' der Fasern mit der Unterseite 224b (im wesentlichen in der gleichen Ebene) bündig sind. Beim optimalen Durchfuhrmodus stehen die offenen Enden 212'' der Fasern von der unteren (hinteren oder Boden-) Seite 224b vor, obwohl dies durch eine undurchsichtige Endkappe nicht zu sehen ist.
Das fertige obere Kopfelement 223 (das fixierende Laminiermittel) bleibt an der Peripherie der Endkappe 221 haften, wenn das flüchtige Laminiermittel durch eine Bohrung 226 im oberen Kopfelement entfernt wird; und analog bleibt das fertige untere Kopfelement 224 an der Peripherie der Endkappe 222 haften, wenn das flüchtige Laminiermittel durch eine Bohrung 227 entfernt wird.
Die Strangfasern 212 sind vorzugsweise in Arrays ausgebildet, die in einer geometrischen Konfiguration, wie z. B. einer spiralförmigen Rolle, gebündelt sind. Ein Kopfelement wird analog zu der Art und Weise hergestellt, die anhand von 4 beschrieben worden ist, und zwar durch Eingießen des unteren Endes der spiralförmigen Rolle. 14A, die eine Unteransicht der hinteren Seite 224b des Kopfelements 224 zeigt, ist eine Darstellung des spiralförmigen Musters von Öffnungen in den Enden 212'' der Fasern. Bevorzugt wird vor dem Aufrollen des Arrays zu einer Spirale ein Einblasrohr 240 (in 15A gezeigt) mit einem starren Luftzuführrohr 242 in das Array platziert, so dass beim Herstellen einer spiralförmigen Rolle das Luftzuführrohr mittig axial in der Rolle gehalten wird.
14B zeigt eine Unteransicht der hinteren Seite 224b mit einer weiteren Konfiguration, bei der eine Folge kreisförmiger Arrays mit immer größer werdendem Durchmesser aus gebildet ist, wobei jedes um einen kleinen vorbestimmten Betrag größer ist als das vorherige und die Arrays vorzugsweise klebend an dem jeweils nächsten nahe ihren oberen bzw. unteren Peripherien befestigt sind, um eine dichte zylindrische Fasermasse zu bilden. Bei einer solchen Fasermasse, die als eine Folge von kreisförmigen Ringen bezeichnet wird, wird jedes Array sowohl an einem angrenzenden Array mit einem nächstkleineren Durchmesser als auch einem angrenzenden Array mit einem nächstgrößeren Durchmesser befestigt, mit Ausnahme der innersten und äußersten Arrays, die die kleinsten bzw. größten Durchmesser aufweisen. Das Muster in dem Kopfelement 224 zeigt die Enden 212'' der Fasern nach dem Eingießen der ineinandergeschachtelten Arrays.
14C zeigt eine Unteransicht einer unteren (hinteren) Seite 224b mit mehreren Arrays, die in dem Kopfelement 224 saitenartig angeordnet sind. Die Arrays sind auf Streifenpaaren ausgebildet, von denen jedes eine Länge entsprechend seiner Position als Saite in einem Gießring aufweist, in den die Strangfasern eingegossen werden sollen. Das heißt, dass jedes Array auf Streifen mit abnehmender Breite ausgebildet ist, und zwar gemessen von dem mittleren Array aus, das auf einem Streifen mit einer Breite ausgebildet ist, die geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Gießrings, in den der Stapel eingegossen werden soll. Die Arrays sind in dem Ring gestapelt, wobei das breiteste Array in seiner Position dem Ringdurchmesser entspricht. Bei einer gewählten Faser 212 gilt, dass je größer der in einem Strang benötigte Flächenbereich ist, desto größer ist die Anzahl von Fasern in jedem Array, desto größer ist der Durchmesser des Rings und desto breiter ist jedes saitenartige Array. Die mehreren Arrays werden vorzugsweise durch Beschichten der Faserflächen mit einem Kleber vor dem Platzieren eines Streifens des nachfolgenden Arrays auf die Faser miteinander verklebt. Alternativ können die gebündelten Arrays mit einem Gummiband gehalten werden, bevor sie in den Gießring eingesetzt werden. Das daraus resultierende saitenartige Muster in dem Kopfelement 224 zeigt die Enden 212'' der Fasern nach dem Eingießen der ineinandergeschachtelten Arrays.
Ein Detail eines Einblasrohrs 240 ist in 15A gezeigt. Das sternenförmige Einblasrohr 240 mit radial nach außen vorstehenden rohrförmigen Armen 241 und einem mittig angeordneten Zuführansatz 242 liefert Luft, die in die rohrförmigen Arme geleitet und über Luftdurchgänge in den Wänden der Arme in das Substrat ausgetragen wird. Ein mit dem mittig angeordneten Zuführansatz 242 verbundenes Luftzuführrohr 244 liefert Luft zu dem Einblasrohr 240. Das untere Ende des mittig angeordneten Ansatzes 242 ist mit kurzen vorstehenden Nippeln 245 versehen, deren innere Enden mit dem Ansatz verlötet sind. Die äußeren Enden der Nippel weisen Gewinde auf. Der mittig angeordnete Ansatz und die Nippel sind leicht in die Mitte der Strangfasermasse einsetzbar. Nach dem mittigen Positionieren werden die Arme 241, die an einem Ende ein Gewinde aufweisen, mit den äußeren Enden der Nippel verschraubt.
Gemäß 14 ruht die untere Endkappe 222 auf dem Boden F eines Tanks nahe einer vertikalen Wand W, an der eine vertikale Befestigungsstrebe 252 mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie z. B. einer Mutter 253 und einer Schraube 254, befestigt ist. Eine U-förmige Klammer 251 steht seitlich von dem Basisteil der Befestigungsstrebe 252 vor. Die Arme der U-förmigen Klammer halten die Peripherie der oberen Endkappe 221, und um sicherzustellen, dass die Endkappe in ihrer Position verbleibt, wird sie mit einer (nicht gezeigten) rechtwinkligen Klammer und Befestigungsmitteln an der U-förmigen Klammer befestigt. Ein Schlitz in der Befestigungsstrebe 252 ermöglicht es, dass die U-förmige Klammer angehoben oder abgesenkt werden kann, so dass der gewünsch te Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Seiten 223b und 224u der oberen bzw. unteren Kopfelemente um einen gewünschten Betrag kleiner ist als die Länge einer eingegossenen Faser, und zwar gemessen zwischen diesen Flächen. Die Einstellbarkeit ist besonders dann wünschenswert, wenn sich die Faserlänge während des Betriebs normalerweise verändert.
Gemäß 14 wird, wenn gewünscht wird, Permeat nur von dem oberen Rohr 231 zu entnehmen, ein Permeat-Verbindungsrohr 233 (in Phantomdarstellung gezeigt) durch die Kopfelemente 223 und 224 in die Masse von Strangfasern 212 eingesetzt, wodurch die Permeat-Auffangzone 229 in der unteren Endkappe in offener Fluidverbindung mit der Permeat-Auffangzone 228 in der oberen Endkappe verbunden wird; und die Bohrung 227 wird mit einem Stopfen 225 verschlossen, wie in 15 gezeigt. Da es unter solchen Umständen unwichtig ist, wenn die unteren Enden 212'' der Fasern eingesteckt sind und die Permeat-Auffangzone 229 keine wesentliche Funktion ausübt, kann die Zone 229 mit Gießharz gefüllt werden.
16 zeigt einen Strang 270 mit oberen und unteren Endkappen, in die abgedichtete obere und untere Ring-Kopfelemente in oberen und unteren Ringen 220u bzw. 220b eingeformt sind, nachdem die Fasern in dem Strang auf Mängel geprüft worden sind. Ein starres Luftzuführrohr 245 wird wie oben beschrieben in der spiralförmigen Rolle positioniert, und das untere Ende der Rolle wird eingegossen, um ein unteres fertiges Kopfelement 274 zu bilden, in das das untere Ende 246 des Luftzuführrohrs eingegossen wird, wobei die Position der Arme 241 des Einblasrohrs gerade oberhalb der Oberseite 274u des Kopfelements 274 fixiert wird.
Auf analoge Weise wird ein oberes Kopfelement 273 in dem Ring 220u ausgebildet und das obere Ende 247 des Luftzuführrohrs 245 durch eine axiale Bohrung 248 in der oberen Endkappe 271 eingesetzt, die über den Ring 220u geschoben wird, dessen Außenperipherie mit einem geeigneten Kleber beschichtet wird, um den Ring 220u in der Endkappe 271 abzudichten. Die Peripherie des oberen Endes 247 ist in der Endkappe 271 mit einer beliebigen herkömmlichen Dichtmasse abgedichtet.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Strangs 280, bei der ein starres Permeatrohr 285 konzentrisch in einem starren Luftzuführrohr 286 gehalten wird, welches axial in die Strangfasern 212 zwischen einander gegenüberliegenden oberen und unteren Kopfelementen 283 und 284 eingegossen wird, die in oberen und unteren Ringen 220u und 220b angeordnet sind, welche wiederum in Endkappen 281 bzw. 282 abgedichtet sind. Zur einfacheren Herstellung ist das untere Ende 285b des Permeatrohrs 285 mit einem Passsitz in einer Buchse 287 angeordnet und dort abgedichtet. Die Buchse 287 und das Ende 285b werden dann in das untere Ende 286b des Luftzuführrohrs 286 eingesetzt und dort abgedichtet, so dass die ringförmige Zone zwischen der Außenfläche des Permeatrohrs 285 und der Innenfläche des Luftzuführrohrs 286 Luft zu dem Basisteil der Fasern leitet, jedoch kein Permeat in die ringförmige Zone eintreten lässt. Das Luftzuführrohr wird dann auf ein Array platziert, und das Array wird zu einer Spirale aufgerollt, die an jedem Ende mit Gummibändern gehalten wird. Das untere Ende der Rolle wird in einen Ring 220b platziert, und ein unteres Ring-Kopfelement wird wie oben beschrieben mit einem fertigen Kopfelement 284 ausgebildet. Vorzugsweise wird ein relativ starres Elastomer mit einer Härte im Bereich von 50 Shore A bis ungefähr 20 Shore D verwendet, und bei der bevorzugtesten Variante wird ein Polyurethan mit einer Härte im Bereich von 50 Shore A bis ungefähr 20 Shore D verwendet, und zwar gemessen wie in ASTM D-790 beschrieben, wie z. B. PTU-921 von Canadian Poly-Tech Systems. Zum Herstellen des oberen fertigen Kopfelements 283 wird das Luftzuführrohr, wie in 5 verwendet, im Passsitz durch einen in einer mittigen Bohrung in einer Platte vorgesehenen O-Ring eingesetzt, um einen Verlust von Gießharz aus dem Ring und von flüchtigem Harz und Endbearbeitungsharzen, die eines nach dem anderen in den Ring eingegossen und ausgehärtet werden, zu vermeiden. Das untere fertige Kopfelement 284 ist mit darin eingebetteten Zwischenbereichen 212b' ausgebildet, wobei die Anschlussbereiche 212'' von der hinteren Seite des Kopfelements vorstehen. Das obere fertige Kopfelement 283 ist mit darin eingebetteten Zwischenbereichen 212u' ausgebildet, wobei die Anschlussbereiche 212u'' von der Vorderseite des Kopfelements vorstehen. Wenn die fertigen Kopfelemente 283 und 284 hergestellt sind und die Fasern auf Mängel geprüft worden sind, wird das obere Ende 286u des Luftzuführrohrs 296 durch eine mittige Bohrung 288 in der oberen Endkappe 281 eingesetzt und in der Bohrung mit einer Dichtmasse oder einem Kragen 289 abgedichtet. Vorzugsweise sind das Permeatrohr 285, das Luftzuführrohr 286 und der Kragen 289 aus PVC gefertigt, so dass sie leicht miteinander verklebbar sind, um leckdichte Verbindungen herzustellen.
Wie dargestellt, kann Permeat durch das Permeatrohr 285 aus der Permeat-Auffangzone in der unteren Endkappe 282 und separat von der unteren Endkappe 281 durch einen Permeat-Entnahmeport 281p entnommen werden, der zum Anbringen an einem Rohr-Fitting mit einen Gewinde versehen sein kann. Alternativ kann der Permeatport 281p mit einem Stopfen verschlossen sein und kann Permeat durch das Permeatrohr 285 von beiden Endkappen entnommen werden.
Das obere Ende 285u des Permeatrohrs 285 und das obere Ende 286u des Luftzuführrohrs 286 werden durch ein T-Fitting 201 eingesetzt, durch das Luft dem Luftzuführrohr 286 zugeführt wird. Das untere Ende 201b eines der Arme des T-förmigen Elements 201 wird auf das Luftzuführrohr aufgeschoben und um das Luftzuführrohr herum abgedichtet. Das obere Ende 201u des anderen Arms wird in eine Reduzierbuchse 202 eingesetzt und um das Permeatrohr herum abgedichtet. Luft, die dem Einlass 203 des T-förmigen Elements 201 zugeführt wird, strömt die ringförmige Zone zwischen dem Permeatrohr und dem Luftzuführrohr hinunter und tritt durch einander gegenüberliegende Ports 204 in dem unteren Bereich des Luftzuführrohrs, gerade oberhalb der Oberseite 284u des unteren Kopfelements 284, aus. Vorzugsweise werden die Ports 204 mit einem Gewinde versehen, um die Enden der Arme 241 miteinander zu verschrauben, damit ein Einblasrohr gebildet wird, das Luft im wesentlichen gleichmäßig über die und oberhalb der Fläche 284u verteilt. Zusätzliche Ports können entlang der Länge des vertikalen Luftzuführrohrs vorgesehen sein, falls dies gewünscht ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Bioreaktor mit mehreren Gruppen von Strängen nachgerüstet, die schematisch in der Seitenansicht in 12 und der Draufsicht in 13 gezeigt sind. Der Klärtank ist ein großer kreisförmiger Tank 90 mit einem vertikalen kreisförmigen äußeren Leitblech 91, einem vertikalen kreisförmigen inneren Leitblech 92 und einem Boden 93, der sich zum Austragen von sich ansammelndem Schlamm in Richtung der Mitte (Scheitelpunkt) neigt. Alternativ können die Leitbleche einzelne nahe beieinanderliegende rechteckige Platten sein, die in äußeren und inneren Kreisen angeordnet sind, es werden jedoch (gezeigte) durchgehende zylindrische Leitbleche bevorzugt. Unabhängig davon, welche Leitbleche verwendet werden, werden diese derart angeordnet, dass sich ihre unteren Peripherien in einem gewählten vertikalen Abstand oberhalb des Bodens befinden. Zuführmaterial wird durch eine Zuführleitung 94 im Boden des Tanks 90 eingetragen, bis der Substratpegel oberhalb des äußeren Leitblechs 91 liegt.
Eine Gruppe 60 mehrerer Stränge 10, analog zu denen in der in 10 gezeigten Gruppe, von denen jeder Strang in 9 dargestellt ist, wird gegen die Peripherie der Innenwand des Bioreaktors mit geeigneten Befestigungsmitteln in eine äußere ringförmige Permeat-Entnahmezone 95' (13) zwischen dem kreisförmigen äußeren Leitblech 91 und der Wand des Tanks 90 in einer Tiefe eingesetzt, die ausreicht, um die Fasern einzutauchen. Eine Klärzone 91' ist zwischen dem äußeren kreisförmigen Leitblech 91 und dem inneren kreisförmigen Leitblech 92 ausgebildet. Das innere kreisförmige Leitbleich 92 bildet einen vertikalen axialen Durchgang 92', durch den Substrat in den Tank 90 geführt wird. Die Stränge bilden einen dichten Faservorhang in Form von radial verlaufenden, im wesentlichen planaren vertikalen Arrays, wie in 9 dargestellt, die zwischen oberen und unteren Kopfelementen 41u und 41b eingegossen sind. Permeat wird durch eine Sammelleitung 46u entnommen und Luft durch eine Luftsammelleitung 80 eingetragen, die entlang der Innenwand des Tanks verläuft und sich in Luftverteilarme zwischen benachbarten Kopfelementen verzweigt, einschließlich äußerer Verteilarme 84' auf beiden Seiten jedes unteren Kopfelements 41b an jedem Ende der Gruppe. Die Luftsammelleitung 80 ist zwischen Strängen in der Permeat-Entnahmezone 95' derart positioniert, dass Blasen im wesentlichen die gesamte Fläche jeder Faser berühren, welche kontinuierlich von Blasen überflutet ist. Da die Fasern im wesentlichen vertikal verlaufen, steht die Luft länger mit den Faserflächen in Kontakt, als es der Fall wäre, wenn sie bogenförmig verlaufen würden, und die Luft wird auf höchst effiziente Weise zum Aufrechterhalten eines starken Stroms über einen längeren Zeitraum als es andernfalls der Fall wäre verwendet.
Es ist offensichtlicht, dass, wenn sich der Tank auf Bodenniveau befindet, die Flüssigkeits-Druckhöhe zum Erzeugen der gewünschten Flüssigkeits-Druckhöhe allein unter Einwirkung der Schwerkraft unzureichend ist. Ohne einen adäquaten Siphon-Effekt kann eine Zentrifugalpumpe zum Erzeugen der erforderlichen Saugwirkung verwendet werden. Eine solche Pumpe sollte über einen kurzen Zeitraum trocken laufen können und auf der Saugseite ein Vakuum von 25,5 cm (10'') – 51 cm (20'') WS oder –35 kPa (–5 psi) bis –70 kPa (–10 psi) aufrechterhalten können. Beispiele für solche Pumpen mit einer Leistung von 18,9 l/Min. (5 gpm) @ 15'' WS sind (i) Zentrifugalpumpen mit flexiblem Laufrad, z. B. Jabsco^® #30510-2003; (ii) luftbetriebene Membranpumpen, z. B. Wilden^® M2; (iii) Pumpen mit progressivem Hohlraum, z. B. Ramoy^® 3561; und (iv) Schlauchpumpen, Z. B. Waukesha^® SP25.
Beispiel 1
Die Mikrofiltration eines aktivierten Schlamms bei 30 °C mit einer Konzentration von 25 g/l Gesamtschwebestoffanteil (2,5 % TSS) erfolgt mit einem Strang aus Polysulfonfasern in einem Pilotanlagentank. Die Fasern werden mit einer Strömungsrate von 12 CFM (0,34 m³/Min.) "luftgewaschen", wobei ein eingebauter Grobblasendiffusor Blasen mit einem Nenndurchmesser im Bereich von ungefähr 5 mm bis 25 mm erzeugt. Die Luft reicht nicht nur zum adäquaten Waschen, sondern auch für die Oxidationserfordernisse der Biomasse aus. Die Fasern haben einen AD von 1,7 mm, eine Wanddicke von ungefähr 0,5 mm und eine Oberflächenporosität im Bereich von ungefähr 20 % bis 40 % mit Poren mit einem Durchmesser von ungefähr 0,2 μm. Der Strang, der 1440 Fasern mit einem Flächenbereich von 12 m² aufweist, ist an der Wand des Tanks befestigt, wobei der vertikale Abstand der Kopfelemente ungefähr um 1 % kleiner ist als die Länge einer Faser in dem Strang, vorausgesetzt die Faser ist im ent spannten Zustand. Die einander gegenüberliegenden Enden der Fasern sind in obere bzw. untere Kopfelemente eingegossen, die jeweils ungefähr 41 cm lang und 10 cm breit sind. Das Fixiermaterial der Kopfelemente ist ein Epoxidharz mit einer Härte von ungefähr 70 Shore D mit zusätzlichen oberen und unteren Laminiermitteln aus weicherem Polyurethan (ungefähr 60 Shore A bzw. 30 Shore D) über und unter dem Laminiermittel aus Epoxidharz, und die Fasern sind in einer Tiefe eingegossen, die ausreicht, damit ihre offenen Enden von dem Boden des Kopfelements vorstehen. Der durchschnittliche Transmembran-Differentialdruck liegt bei ungefähr 34,5 kPa (5 psi). Permeat wird mit einer Pumpe, die eine Saugwirkung von ungefähr 34,5 kPa (5 psi) erzeugt, durch Leitungen entnommen, die mit der Auffangwanne jedes Kopfelements verbunden sind. Permeat wird mit einer Permeabilität von ungefähr 0,7 lm²h/kPa entnommen, was zu ungefähr 4,8 l/Min. Permeat mit einer durchschnittlichen Trübung von < 0,8 NTU führt, bei der es sich um eine Trübung handelt, die mit bloßem Auge nicht zu sehen ist.
Beispiel 2
Vergleich der Operation eines vertikalen Strangs (ZW 72) bei unterschiedlichen Orientierungen
Bei dem folgenden Vergleich sind drei Paare identischer Stränge mit gleichermaßen entspannten Fasern in unterschiedlicher Weise über Belüftungseinrichtungen in einem Bioreaktor positioniert (wie spezifiziert). Jedes Paar wird der gleichen von identischen Belüftungseinrichtungen zugeführten Luft ausgesetzt. Rechteckig, jedoch nicht quadratische Kopfelemente sind gewählt worden, mit denen bestimmt wird, ob es einen Unterschied zwischen zwei flachen horizontalen Orientierungen gibt, den es in einem horizontalen Strang mit zylindrischen Kopfelementen nicht geben würde.
Ein Paar identischer rechteckiger Stränge jeweils mit Kopfelementen, die 41,66 cm (16,4 Inch) lang (x-Achse), 10,16 cm (4 Inch) breit (y-Achse) und 7,62 cm (3 Inch) hoch (z-Achse) sind, in die 1296 Zenon^® MF200-Mikrofiltrationsfasern mit einem Nenn-Faserflächenbereich von 6,25 m² eingegossen sind, wurde in drei verschiedenen Orientierungen in einem Bioreaktor zum Aufbereiten von Haushaltsabwässern getestet. Die verwendeten Fasern sind die gleichen wie bei dem oben beschriebenen Beispiel 1. Der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Kopfelemente beträgt 90 cm (35,4 Inch), das ist ungefähr 2 % weniger als die Länge jeder in diese Kopfelemente eingegossenen Faser.
Bei einem ersten Test wurden die zwei (ersten und zweiten) Stränge, die jeweils in der gleichen Richtung entlang der Längsachse verliefen, mit einer 2,5 cm (1 Inch) dicken Beabstandungseinrichtung zwischen den Kopfelementen seitlich gestapelt, wobei die Kopfelemente jedes Strangs eine horizontale flache Orientierung (einen Bereich von 41,66 cm × 7,62 cm) aufwiesen und in einem Abstand von 7,62 cm (3 Inch) über dem Boden, auf dem die Belüftungseinrichtungen in Form von drei nebeneinanderliegenden linearen Rohren mit 3 mm (0,125'') großen Öffnungen angeordnet sind, positioniert sind. Der erste Strang, der direkt über den Belüftungseinrichtungen angeordnet ist, wird daher als "unterer Strang" bezeichnet.
Bei einem zweiten Test werden die gleichen ersten und zweiten Stränge jeweils um 90° um die Längs-, nämlich die x-Achse, gedreht und aneinander angrenzend nebeneinander platziert. Diese "horizontale 90°"-Orientierung (Bereich von 10,16 cm × 7,62 cm) ist so von den Belüftungseinrichtungen beabstandet wie beim vorangegangenen Test.
Bei einem dritten Test sind die ersten und zweiten Stränge nebeneinander in vertikalen Orientierungen platziert, wie in 9 gezeigt, mit der Ausnahme, dass keine innenliegende Belüftungseinrichtung vorhanden ist.
Bei jedem Test werden die Fasern in jeder Orientierung mit einer identischen Luftmenge versorgt. Permeat wurde mit einer Pumpe mit einer erforderlichen Zulaufhöhe (NPSH) von 0,3 bar (10'' Hg) entnommen. Die Bedingungen wurden konstant gehalten, bis beobachtet wurde, dass der für jeden Test erzielte Strom im wesentlichen konstant war, und dies war dann der Gleichgewichtswert. Nachdem dieser eingetreten war, wurde jeder Strang alle 5 Minuten 30 Sek. lang mit Permeat rückgepulst, um den Strom auf dem Gleichgewichtswert zu halten.
Die Testbedingungen für jeden der drei oben beschriebenen Durchläufe waren wie folgt:

TSS im Bioreaktor 8 g/l;

Temperatur der Biomasse 19 °C

Strömungsrate der Luft 0,2124 m³/Min./Strang;

Ansaughöhe an den Fasern 25,4 cm Hg
18 zeigt ein Balkendiagramm mit Darstellung des durchschnittlichen Stroms über einen Zeitraum von 24 Std. für jede Orientierung des Strangs wie folgt:

Orientierung Durchschnittlicher Strom 1/m²/Std. über 24 Std.

Horizontal flach 21,2 LMH

Horizontal 90° 17,8 LMH

Vertikal 27,7 LMH
Dadurch wird abschließend demonstriert, dass bei vertikaler Orientierung der Strangfasern der größte Gesamtstrom erzeugt wird.
Beispiel 3
Vergleich der Positionen der Belüftungseinrichtung innerhalb und außerhalb der Strangfasern:
Bei diesem Test wird der Unterschied in dem Strom in einem Bioreaktor für die Aufbereitung von Abwasser, das mit Ethylenglykol verschmutzt ist, gemessen, wobei der Unterschied davon abhängt, wie ein einzelner zylindrischer vertikaler Strang (ZW 172) mit einem Nenn-Flächenbereich von 16 m² mit 3,5 l/Min. (7,5 scfm) belüftet wird. Der Strang wird, wie in 16 gezeigt, um ein mittig angeordnetes PVC-Rohr mit einen AD von 7,5 cm herum ausgebildet, wobei die Fasern in einer ringförmigen Zone um die mittig angeordnete Halterung platziert sind und die radial Breite der ringförmigen Zone ungefähr 7,5 cm beträgt, so dass der AD des Strangs ungefähr 11,25 cm beträgt.
Bei einem ersten Test wird Luft in den Strang eingeleitet; bei einem zweiten Test wird Luft um die Peripherie des Strangs herum geführt. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, wird die Operation typischerweise durch in ausgewählten Zeitintervallen erfolgendes Rückpulsen des Strangs mit Permeat fortgeführt, wobei das Intervall davon abhängt, wie schnell die Fasern derart verschmutzen, dass der Strom wesentlich reduziert wird.
Die Prozessbedingungen, die über die Testzeitraum konstant gehalten wurden, waren wie folgt:

TSS 17 g/l

Temperatur der Biomasse 10,5°C

Strömungsrate der Luft 0,2124 m³/Min.

Ansaughöhe an den Fasern 25,4 cm Hg
Bei externer Belüftung:
Ein perforiertes flexibles Rohr mit Löchern mit einem Durchmesser von ungefähr 3 mm, die in ei nem Abstand von ungefähr 2,5 cm voneinander angeordnet waren, wurde um das Basisteil des Strangs ZW 72 gewickelt und derart orientiert, dass Luft in einer horizontalen Ebene ausgetragen wird, so dass Blasen von der Seite zwischen den Fasern in den Strang eintreten. Danach steigen die Blasen vertikal durch die Strangfasern auf. Der Austrag durch die Seite hilft dabei, die Löcher vor vorzeitigem Verstopfen zu schützen.
Bei interner Belüftung:
Die mittig angeordnete rohrförmige Halterung wurde als mittig angeordnetes Luftverteil-Sammelrohr zum Leiten von Luft in fünf 4''-Abschnitte eines 1/4''-Rohrs mit in 1''-Intervallen angeordneten 1/8''-Löchern verwendet, die an einem Ende mit einem Stopfen verschlossen sind und mit dem mittig angeordneten Rohr in offener Fluidverbindung stehen, wodurch ein speichenartiges Einblasrohr in der Faser an dem Basisteil gebildet wird. Die Anzahl von Löchern ist ungefähr gleich der Anzahl in der externen Belüftungseinrichtung, und die Strömungsrate der Luft ist die gleiche. Wie zuvor tritt Luft innerhalb des Strangs seitlich aus den Löchern aus, und die Luftblasen steigen innerhalb des Strangs vertikal nach oben und verlassen den Strang unterhalb des oberen Kopfelements.
19 zeigt eine grafische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit, bis der Strom einen Gleichgewichtswert erreicht. Danach kann der Strom durch in regelmäßigen Intervallen erfolgendes Rückpulsen aufrechterhalten werden. Die Darstellung zeigt, dass der im Gleichgewicht befindliche Strom bei externer Belüftung ungefähr 2,6 LMH beträgt, während der Strom bei interner Belüftung ungefähr 9,9 LMH beträgt, was ungefähr eine Verbesserung um das Vierfache darstellt. Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass, da bekannt ist, dass der Strom eine Funktion der Strömungsrate der Luft ist, wobei sämtliche anderen Bedingungen bei Normalbetrieb die gleichen sind, bei interner Belüftung mit dem gleichen Luftstrom ein größerer Strom erreicht wird.
Beispiel 4
Vergleich der Stränge, wobei einer hin und her bewegbare Fasern aufweist und der andere nicht:
Der entspannte Zustand der Fasern wird durch Verringern des Abstands zwischen den Kopfelementen eingestellt. Die Fasern sind im wesentlichen dann nicht entspannt (die Fasern sind gespannt), wenn die Kopfelemente in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Länge einer Faser zwischen ihren einander gegenüberliegenden eingegossenen Enden gleich ist. Ein einzelner Strang ZW 72 mit einem Nenn-Flächenbereich von 6,7 m² wird für jeden Test in einem Bioreaktor zum Aufbereiten von mit Ethylenglykol verschmutztem Abwasser verwendet. Eine Belüftung wie in 9 gezeigt (keine interne Belüftung) mit seitlicher Ausgabe von Luftblasen in die Strangfasern, durch die die Blasen nach oben steigen, wird bereitgestellt.
Bei dem ersten Test sind die Kopfelemente vertikal voneinander beabstandet, so dass die Fasern gespannt sind und sich nicht hin in her bewegen können.
Bei dem zweiten Test wurden die Kopfelemente einander um 2 cm angenähert, wodurch ein Durchhang von 2,5 % in jeder Faser entstand, so dass sich die entspannten Fasern hin und her bewegen konnten.
Wie zuvor waren die Prozessbedingungen, die über den Testzeitraum konstant gehalten wurden, wie folgt:

Feste Schwebestoffe 17 g/l

Temperatur der Biomasse 10,5 °C

Strömungsrate der Luft 0,2124 m³/Min.

Ansaughöhe an den Fasern 25,4 cm Hg
20 zeigt eine grafische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit, bis der Strom einen Gleichgewichtswert erreicht. Danach kann der Strom durch in regelmäßigen Intervallen erfolgendes Rückpulsen, wie zuvor im Beispiel 3, aufrechterhalten werden. Die Darstellung zeigt, dass der im Gleichgewicht befindliche Strom ohne Hin- und Herbewegung ungefähr 11,5 LMH beträgt, während er bei 2,5 % Durchhang ungefähr 15,2 LMH beträgt, was eine Verbesserung von ungefähr 3 % darstellt.
Beispiel 5
Filtration von Wasser mit einem vertikalen zylindrischen Strang zum Erhalt von geklärtem Wasser:
Es wird ein zylindrischer Strang, wie in 16 gezeigt, mit 180 cm langen Zenon^® MF200-Fasern hergestellt, die einen Flächenbereich von 25 m² in zylindrischen Kopfelementen mit einem Durchmesser von 28 cm bilden, welche in Endkappen mit einem AD von 30 cm ausgebildet sind. Es erfolgt eine Belüftung mit einer spinnenförmigen Einrichtung mit perforierten kreuzförmig angeordneten Armen, in denen Öffnungen mit einem Durchmesser von 3 mm (0,125'') vorgesehen sind, durch die Luft in einer Menge von ungefähr 10 Litern/Min. (20 scfm, Standard-ft³/Min.) austritt. Diese Faser wird in vier typischen Anwendungsfällen verwendet, und die Ergebnisse sind nachstehend aufgeführt. In jedem Fall wird Permeat mit einer Zentrifugalpumpe mit einer erforderlichen Zulaufhöhe von ungefähr 0,3 bar (10'' Hg) entnommen, und wenn ein Gleichgewicht erreicht ist, wird der Strang alle 30 Min. 30 Sek. lang mit Permeat rückgespült.
A. Filtration der Wasserfläche (Teich) mit 10 mg/l TSS:
Ergebnis – Permeat mit 0,0 mg/l TSS und einer Trübung von 0,1 NTU wird mit einer Rate von 2000 Litern/Std. (LPH) entnommen. Eine "5 Log"-Reduzierung (Reduzierung der Originalkonzentration um fünf Größenordnungen) von Bakterien, Algen, Giardia und Kryptosporidium kann erreicht werden, so dass Trinkwasser erhalten wird.
B. Filtration von Rohabwasser mit 100 mg/l TSS.
Ergebnis – Permeat mit 0,0 mg/l festen Schwebestoffen und einer Trübung von 0,2 NTU wird mit einer Rate von 1000 LPH (Liter/Std.) entnommen. Mehrerer solcher Stränge können bei einer umfassenden Aufbereitung von industriellem Abwasser in einer Gruppe verwendet werden.
C. Filtration einer Mineralsuspension mit 1000 mg/l TSS Eisenoxidpartikel:
Ergebnis – Permeat mit 0,0 mg/l festen Schwebestoffen und einer Trübung von 0,1 NTU wird mit einer Rate von 3000 LPH (Liter/Std.) entnommen. Ein großer Strom wird mit Mineralpartikel enthaltendem industriellen Abwasser aufrechterhalten.
D. Filtration von Fermentationsbrühe mit 10.000 mg/l Bakterienzellen:
Ergebnis – Permeat mit 0,0 mg/l festen Schwebestoffen und einer Trübung von 0,1 NTU wird mit einer Rate von 1000 LPH (Liter/Std.) entnommen. Die Brühe mit einer hohen Biomassenkonzentration wird zerstörungsfrei gefiltert, um das gewünschte Permeat zu erzeugen und lebende Zellen zur Wiederverwendung zu retten.
Beispiel 6
Ministrang für besondere Zwecke:
Die folgenden Beispiele zeigen die Verwendung eines Ministrangs für typische spezifische Anwendungen, wie z. B. Filtration von (i) Rohabwasser zwecks Erhalts von feststofffreien Wasserproben für kolorimetrische Analysen, (ii) Oberflächenwasser zur Verwendung in einem Freizeitfahrzeug ("Camping-Fahrzeug) oder Wohnwagen oder (iii) Wasser aus einem kleinen Aquarium für Fische oder andere Meerestiere.
Ein zylindrischer Ministrang wird wie in 16 gezeigt hergestellt, und zwar mit zylindrischen Kopfelementen mit einem AD von 5 cm (2'') und einer Dicke von 2 cm (0,75'') und 30 Fasern, die jeweils 60 cm lang sind, um einen Flächenbereich von 0,1 m² zu bilden. Der Strang wird an einem Basisteil befestigt, an dem auch ein Gebläse zum Austragen von Luft in einer Menge von 15 l/Min. bei 12 kPa (3 psi) durch ein Einblasrohr mit 1,6 mm (0,0625'') großen Öffnungen abnehmbar montiert ist, wobei die Luft die Fasern entlang durch den Strang nach oben strömt. Ferner ist eine peristaltische Pumpe, die ein Vakuum von 0,3 bar (10'' Hg) erzeugt, abnehmbar an dem Basisteil montiert. Bei jeder Anwendung wird der selbständige Strang mit einstückig ausgebildeter Permeatpumpe und Gasaustragseinrichtung zum Betrieb in ein zylindrisches Behältnis mit dem zu filternden Substrat platziert.
Die bei jeder Anwendung erzielten Ergebnisse (A)-(D) sind nachstehend aufgeführt:

(i) Das Rohabwasser enthält 100 mg/l TSS; Permeat mit 0,0 mg/l TSS und einer Trübung von 0,2 NTU wird mit einer Rate von 0,1 LPH entnommen.
(ii) Das entnommene Aquariumwasser enthält 20 mg/l TSS, einschließlich Algen, Bakterien, Pilzen und Fäkaliendendrit; Permeat mit 0,0 mg/l TSS und einer Trübung von 0,2 NTU wird mit einer Rate von 0,1 LPH entnommen.
(iii) Das entnommene Teichwasser enthält 10 mg/l TSS; Permeat mit 0,0 mg/l TSS und einer Trübung von 0,2 NTU wird mit einer Rate von 0,1 LPH entnommen.

GLOSSAR
Das folgende Glossar gibt die Ausdrücke in ungefährer Reihenfolge, in der sie in der Beschreibung verwendet werden an, um ihre Bedeutung in dem Zusammenhang, in dem sie verwendet werden, zu definieren.
"Array" – mehrere im wesentlichen vertikale Fasern von im wesentlichen gleicher Länge, wobei die einen Enden der Fasern nahe beieinander liegen, und zwar entweder linear in Querrichtung (hier die y-Achse), um mindestens eine Reihe und typischerweise mehrere Reihen äquidistanter Fasern zu bilden. Weniger bevorzugt ist eine Vielzahl von Fasern, die in einem willkürlichen Muster beabstandet angeordnet sind. Die einander gegenüberliegenden Enden der Fasern sind in einander gegenüberliegenden Kopfelementen abgedichtet, so dass das Substrat Permeat, das sich in einer Permeat-Auffangeinrichtung befindet, in welcher die Kopfelemente an der Peripherie abgedichtet sind, nicht verschmutzt.
"Bündel" – mehrere Elemente, die zusammengehalten werden, z. B. mehrere Arrays, bei denen es sich um einen Stapel planarer Arrays oder bogenförmiger oder kreisförmiger Arrays oder eine aufgerollte Spirale handelt.
"Gruppe" – wird der Kürze halber verwendet, um eine Gruppe von Strängen zu bezeichnen; in der Gruppe ist eine Reihe (oder andere Konfiguration) unterer Kopfelemente direkt unterhalb einer Reihe oberer Kopfelemente angeordnet.
"Zylindrischer Strang" – ein vertikaler Strang, bei dem die Permeat-Auffangeinrichtung eine zylindrische Konfiguration aufweist.
"Tank, der auf einer Seite geschlossen ist" – Tank oder Bioreaktor, aus dem keine andere Flüssigkeit als Permeat entnommen wird.
"Fasern" – der Kürze halber verwendet, um Hohlfasermembranen zu bezeichnen.
"Strom" – Strömungseinheit (Liter/Std.) durch eine Membran mit einer Flächenbereichseinheit (Meter²), der Strom ist in Lm²h oder LMH angegeben.
"Flüchtiges Material" – Material, das entweder (i) in einem Medium löslich ist, in dem die Fasern und das Fixiermaterial nicht löslich sind, oder (ii) dadurch fluidisierbar ist, dass es einen Schmelzpunkt hat (wenn das Material kristallin ist), der unter demjenigen liegt, bei dem die Fasern oder das Fixiermaterial beschädigt werden könnten; oder das Material hat eine Glasübergangstemperatur Tg (wenn das Material nicht kristallin ist), die unterhalb derjenigen liegt, bei der die Fasern oder das Material/die Materialien, die das nichtflüchtige Kopfelement bilden, beschädigt würden; oder (iii) sowohl löslich als auch fluidisierbar ist.
"Kopfelement" – fester Körper, in dem einer der Anschlussendbereiche jeder Vielzahl von Fasern in dem Strang abdichtend befestigt ist, um zu verhindern, dass das Substrat das Permeat in den Lumen der Fasern verschmutzt. Der Körper mit beliebigen Abmessungen ist aus einem Natur- oder Kunstharzmaterial gefertigt (thermoplastisch oder wärmehärtbar).
"Einstückig ausgebildetes Kopfelement" – Kombination aus Kopfelement und Permeat-Auffangeinrichtung, bei der das Kopfelement an der Peripherie fluiddicht mit der Permeat-Auffangeinrichtung verbunden ist.
"Einstückig ausgebildeter Einzelstrang" – ein Strang in einem einstückig ausgebildeten fertigen Kopfelement ist in der Permeatwanne oder Endkappe ausgebildet, wobei das Kopfelement darin abgedichtet wird.
"Ministrang" – selbständige gasgewaschene Anordnung eines Strangs mit einem Flächenbereich von weniger als ungefähr 5 m² in Kombination mit einem einstückig damit ausgebildeten Gasgebläse und einer einstückig damit ausgebildeten Permeatpumpe.
"Mehrkomponenten-Flüssigprodukt" – zu klärende oder konzentrierende Fruchtsäfte; Abwasser oder partikelhaltiges Wasser; proteinhaltige flüssige Molkereiprodukt, wie z. B. Käsewasser oder ähnliches.
"Nichtvakuumpumpe" – erzeugt eine erforderliche saugseitige Druckdifferenz oder eine erforderliche Zulaufhöhe (NPSH), die ausreicht, um den unter Betriebsbedingungen erzeugten Transmembran-Differentialdruck bereitzustellen; sie kann eine Zentrifugal-, Rotations-, Querstrom- oder Durchflusspumpe oder ein anderer Pumpentyp sein.
"Permeabilität" – Strom pro Druckeinheit, Lm²h/kPa; manchmal als spezifischer Strom bezeichnet.
"Permeat-Auffangeinrichtung" – Auffangbehälter unter einem Kopfelement, in dem sich Permeat ansammelt.
"Ring-Kopfelement" – Kopfelement mit zylindrischer Form.
"Rechteckiger Strang" – vertikaler Strang, bei dem die Permeat-Auffangeinrichtung die Konfiguration eines rechteckigen Parallelepipeds aufweist.
"Strang" – der Kürze halber verwendet, um entweder einen zylindrischen Strang oder einen vertikalen Strang oder beides mit mehreren Arrays zu bezeichnen, die in einander ge genüberliegende Kopfelemente eingegossen sind, wobei die Fasern eine kritisch definierte Länge relativ zu dem vertikalen Abstand zwischen den Kopfelementen des Strangs aufweisen. Die definierte Länge begrenzt die Bewegung der Fasern von einer Seite zur anderen in dem Substrat, in das sie eingesetzt sind, außer in der Nähe der Kopfelemente, in der nur eine vernachlässigbare Bewegung erfolgt.
"Strangfasern" – Fasern, die den zylindrischen Strang bilden.
"Vertikaler Strang" – integrierte Kombination aus Strukturelementen mit (i) einer Vielzahl von vertikalen Fasern von im wesentlichen gleicher Länge; (ii) zwei Kopfelementen, in die jeweils die einander gegenüberliegenden Anschlussbereiche der Fasern derart eingegossen sind, dass ihre Enden offen bleiben; und (iii) einer Permeat-Auffangeinrichtung, die an der Peripherie in fluiddichtem Eingriff mit jedem Kopfelement gehalten wird, um Permeat von den Enden der Fasern aufzufangen.
"Substrat" – Mehrkomponenten-Flüssigprodukt.
"Partikel" – filtrierbares Material mit einer Größe im Mikronbereich (von 1 bis ungefähr 44 μm) und Submikronbereich (von ungefähr 0,1 μm bis 1 μm), das nicht nur anorganische Partikel enthält, sondern auch tote und lebende biologisch aktive Mikroorganismen, Kolloiddispersionen, Lösungen aus großen organischen Molekülen, wie z. B. Fulvosäure und Huminsäure, und Ölemulsionen.
"Eingeschränkt hin und her bewegbar" – das Ausmaß, in dem sich Fasern in einer beschränkten Zone hin und her bewegen können, wobei das Ausmaß von der freien Länge der Fasern relativ zu den in festem Abstand zueinander angeordneten Kopfelementen und der Turbulenz des Substrats bestimmt wird.
"Array-Stapel" – mehrere Reihen von Arrays, die dicht gepackt sind, um nach dem Eingießen einen Strang zu bilden.
"Im wesentlichen konzentrisch" – beschreibt die Konfiguration, bei der einzelne Fasern entweder vertikal und beabstandet entlang dem Umfang eines um die vertikale Mittelachse gezogenen Kreises angeordnet sind, oder spiralförmig angeordnete aufeinanderfolgende Faserschichten, die typischerweise in der x-y-Ebene nahe beieinander liegen und nicht nur von der Mittelachse aus radial nach außen verlaufen, sondern auch entlang der Spirale in dieser Ebene, so dass sie in immer größer werdenden radialen Abständen zu der Mittelachse konzentrisch verteilt erscheinen.
"Transmembran-Differentialdruck" – Druckdifferenz über eine Membranwand, die von den Prozessbedingungen hervorgerufen wird, unter denen die Membran arbeitet.
"Nicht gehalten" – nicht gehalten, mit Ausnahme der Beabstandungseinrichtung zum Beabstanden der Kopfelemente.
"Vakuumpumpe" – kann eine Ansaughöhe von mindestens 75 cm Hg erzeugen.
"Beschränkungszone" (oder "Blasenzone") – eine Zone, durch die Blasen entlang den Außenflächen der Fasern nach oben steigen. Die Blasenzone wiederum wird von einer oder mehreren Säulen aus vertikal nach oben steigenden Blasen bestimmt, die nahe dem Basisteil eines Strangs erzeugt werden.

Claims

Eine Membranfiltriervorrichtung zum Entnehmen von Permeat aus einem flüssigen Substrat, wobei die Membranvorrichtung folgende Merkmale umfasst: einen ersten festen Körper (41u, 61u, 101); einen zweiten festen Körper (41b, 61b, 101); eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (12, 42), die derart in die festen Körper eingegossen sind, dass die Peripherien der Membranen durch eine längliche rechteckige Form begrenzt sind, und derart, dass die Membranen offene Enden besitzen, die bündig mit einer Permeatabgabefläche eines oder beider fester Körper sind oder von derselben vorstehen; und eine Permeatauffangeinrichtung (43u, 63u; 43b, 63u; 120b, 120u) zum Auffangen von Permeat, die in Fluidkommunikation mit der Permeatabgabefläche steht, wenn nur ein fester Körper eine Permeatabgabefläche aufweist, oder zwei Permeatauffangeinrichtungen (43u, 63u; 43b, 63u; 120b, 120u), von denen eine mit einer Permeatabgabefläche verbunden ist und eine mit der anderen Permeatabgabefläche verbunden ist, wenn beide feste Körper (41u, 61u, 101; 41b, 61b, 101) eine Permeatabgabefläche aufweisen; wobei die Membranen, die festen Körper und die Permeatauffangeinrichtung(en) zusammen eine eintauchbare Anordnung bilden; der erste feste Körper (41u, 61u, 101) oben ist und in einer vertikal beabstandeten Beziehung oberhalb des zweiten festen Körpers (41b, 61b, 101) angeordnet ist, wobei gegenüberliegende Flächen der festen Körper um eine vertikale Entfernung getrennt sind; und die Membranen (12, 42) eine Länge von 0,1 % bis weniger als 5 % mehr als die vertikale Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Flächen der festen Körper aufweisen.
Die Membranfiltriervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Membranen (12, 42) ein geflochtenes Garn, das mit einem wasserunlöslichen Polymermaterial bedeckt ist, aufweisen.
Die Membranfiltriervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Permeatauffangeinrichtung (43u, 63u; 43b, 63u; 120b, 120u) eine Einfassung aufweist, die über der Permeatabgabefläche abgedichtet ist, wenn nur ein fester Körper eine Permeatabgabefläche aufweist, oder zwei Einfassungen, wobei eine über jedem festen Körper abgedichtet ist, wenn beide feste Körper eine Permeatabgabefläche aufweisen.
Die Membranfiltriervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die ferner einen oder mehrere Permeatentnahmekanäle (46u) aufweist, die sich von der Permeatauffangeinrichtung (43u, 63u; 43b, 63u; 120b, 120u) nach oben erstrecken und angepasst sind, um mit einer Saugquelle verbunden zu sein.
Die Membranfiltriervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die ferner eine Gasverteilungseinrichtung (51, 122, 107, 84', 72) aufweist, die Durchgänge aufweist, die angepasst ist, um ein Gas in Blasen, die an den Membranen (12, 42) vorbei aufsteigen und in Kontakt mit den Membranen sind, abzugeben.
Die Membranfiltriervorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Durchgänge in einer Linie parallel zu einer längeren Seite der länglichen rechteckigen Form vorgesehen sind.
Ein Verfahren zum Behandeln von Wasser, das folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Membranfiltriervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; b) Berühren von Oberflächen der Membranen (12, 42) mit Blasen; und c) Auffangen von Permeat durch Anlegen eines Sogs an die Permeatauffangeinrichtung (43u, 63u; 43b, 63u, 120b, 120u).
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Membranen (12, 42) dauerhaft oder intermittierend mit Blasen berührt werden, während der Sog angelegt ist.
Ein Wasserbehandlungssystem, das folgende Merkmale aufweist: a) ein Reservoir (90) zum Enthalten von Wasser bei Umgebungsdruck; b) eine Mehrzahl von Membranfiltriervorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6; c) eine Saugquelle, die in Fluidkommunikation mit der Permeatauffangeinrichtung (43u, 63u; 43b, 63u, 120b, 120u) der Membranfiltriervorrichtungen entsteht, um Permeat aus den Lumen der Membranen (12, 42) zu entnehmen; und d) ein Belüftungssystem zum Erzeugen von Blasen, die nach oben fließen und die Membranen (12, 42) berühren, wobei e) die Membranfiltriervorrichtungen Seite an Seite, jedoch voneinander beabstandet, zueinander angeordnet sind, wobei lange Seiten der länglichen rechteckigen Formen benachbarter Membranfiltriervorrichtungen allgemein parallel zueinander sind; und f) das Belüftungssystem konfiguriert ist, um Blasen zu erzeugen, die zwischen den Membranfiltriervorrichtungen aufsteigen.
Das System gemäß Anspruch 9, bei dem das Belüftungssystem ferner konfiguriert ist, um Blasen bereitzustellen, die neben Außenseiten äußerer Membranfiltriervorrichtungen aufsteigen.
Das System gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das Belüftungssystem Gaskanäle (51, 72) aufweist, die jeweils einen horizontalen perforierten Abschnitt (51, 72) aufweisen.
Das System gemäß Anspruch 11, bei dem die horizontalen perforierten Abschnitte (51, 72) allgemein parallel zu den langen Seite der länglichen rechteckigen Formen sind.
Das System gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem mehrere Gaskanäle (51, 72) mit einer gemeinsamen Gassammelleitung (82) verbunden sind.
Das System gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Permeatauffangeinrichtungen (43u, 63u; 43b, 63u; 120b, 120u) mehrerer Membranfiltriervorrichtungen mit einer gemeinsamen Permeatsammelleitung (46, 81) verbunden sind.