本发明涉及生物反应器组件。
背景技术
许多冷却和过滤装置依赖于连续或半连续的进料水流动。当进料来源含有生物营养物时，经常会发生生物污垢。结果，这种装置经历了热交换效率的损失和/或不希望的压降。此外，当在紧密间隔的膜表面上发生生物污垢时，传质的整体效率受到不利影响。
通过将氧化剂(例如漂白剂)、杀生物剂或生物抑制剂引入进料水中可以减轻生物污垢。进料水还可用生物反应器预处理以降低否则将有助于下游装置的生物积垢的生物营养物。实例描述于us2012/0193287；us7045063、ep127243；和h.c.flemming等，desalination，113(1997)215-225；h.brouwer等，desalination，第11卷，第1-3期(2006)15-17。在这些实例中的每个中，进料水利用在应用的上游位置处的生物反应器预处理。还参见：us2012074995、gb1509712、jp2013202548、wo199638387、de3413551和de102012011816。
从进料水中去除生物营养物的新技术是期望的。特别地，新的生物反应器设计是期望的，包括适于以连续或半连续方式去除最可同化的生物营养物的那些。
技术实现要素：
在优选的实施例中，本发明包括用于处理进料流体(例如水)的生物反应器组件，其包括：
i)压力容器，其包括内周表面以及第一和第二端口，所述内周表面限定具有横截面积的内腔，所述第一和第二端口适于提供与所述内腔的流体通路，
ii)位于内腔内的多个生物反应器，其中每个生物反应器包括外周边和沿着生物生长表面从入口区域到出口区域延伸的流动通道，和
iii)流体流动路径，其适于连接到进料水来源并且从压力容器的第一端口沿着平行流动模式延伸到每个生物反应器，进入每个生物反应器的流动通道，并且从压力容器的第二端口流出。
在优选的实施例中，生物反应器以串联布置的方式定位在压力容器的内腔中。在另一个实施例中，可以使用包括具有多个生物反应器的多个压力容器的多个组件。
生物反应器组件可以用作下游操作中使用的水的预处理，包括加热或冷却(例如热交换器、加湿器、冷却塔等)和过滤(例如反渗透、纳米过滤、正向渗透、超滤、微滤、筒式过滤器、膜蒸馏、膜脱气等)装置。如果进料水中生物营养物没有减少，这种下游操作可能会经历显著的生物污垢，其可降低效率。
附图说明
附图不是按比例的，并且包括理想化的视图以便于描述。在可能的情况下，在附图和书面描述中使用相同的数字来表示相同或相似的特征。
图1是螺旋缠绕膜模块的透视局部剖视图。
图2a-b是超滤组件的各种实施例的横截面视图，所述超滤组件包括串联布置在压力容器内的多个螺旋缠绕膜模块。
图3a-b为螺旋缠绕生物反应器的正视图。
图3c为螺旋缠绕生物反应器的透视图。
图4-b是生物反应器组件的横截面视图，该生物反应器组件包括压力容器和多个平行对齐且平行流动布置的生物反应器。
图5a-d是生物反应器组件的横截面视图，所述生物反应器组件包括多个螺旋缠绕生物反应器，它们轴向对齐并以平行流动布置定位在压力容器内。在图5a-b所示的实施例中，生物反应器沿轴线(y)对齐，轴线(y)与压力容器的中心轴线(y′)重合；而在图5c-d所示的实施例中，生物反应器的对齐轴线(y)是平行的但偏离生物反应器的中心轴线(y′)。箭头描绘了通过组件的流体流动路径。
图6a是生物反应器组件的横截面，该生物反应器组件包括位于压力容器内的生物反应器，并示出了径向流动进料通道(68)。
图6b是适于在外周表面和中空中心导管之间径向流动的生物反应器的透视图。
图7a-d是显示生物反应器组件的替代实施例的横截面视图，所述生物反应器组件包括多个生物反应器，所述生物反应器具有多孔外周表面和从多孔外周表面延伸到中空中心导管的流体流动路径。
图8是本主题组件的实施例的示意图，其包括多个上游生物反应器组件、多个下游分离模块和任选的清洁组件。
具体实施方式
本发明包括可用于处理各种含水进料(例如微咸水、海水、废水等)的生物反应器组件，所述含水进料包括生物营养物(例如溶解和悬浮的生物物质)。生物反应器包括沿着生物生长表面从入口区域延伸到出口区域的流动通道。进入的进料流体进入入口区域并通过流动通道到达出口区域。生物生长表面(生长介质)为微生物提供了当它通过生物反应器时在进料流体中定殖和消耗生物营养物的平台。如将要描述的，生物生长表面的若干实施例是合适的，包括平片、颗粒等。入口区域和出口区域位于生长介质附近并且不必对应于进料流体可以进入和离开的生物反应器最外部尺寸。
在优选的实施例中，生物反应器组件包括至少一个并且优选地多个位于压力容器内腔内的生物反应器。压力容器包括第一和第二端口，其适于提供到内腔的流体通路。流体流动路径从第一端口延伸到生物反应器的入口区域并且通过生物反应器的流动通道并且从生物反应器的出口区域和压力容器的第二端口出来。流体流动路径适于连接到进料流体源。压力容器的内周表面限定内腔，该内腔优选地为圆柱形，并且生物反应器优选地包括圆柱形外周边。
虽然多个生物反应器可以以平行或串联布置定位在共同的压力容器内，但是流体流动路径优选地遵循通过生物反应器的平行流动模式。
在优选的实施例中，压力容器的内腔沿相对端之间的轴线(y′)延伸。内腔的至少15％(并且更优选地20％、25％或甚至30％)的横截面积(即沿轴线y′的垂直方向和沿轴线y′的任何位置截取的)——排除(可以位于测量横截面的点处的生物反应器的)流动通道的面积——是可接近流体流动路径的自由空间。这种布置提供了通过内腔的足够的流体流动，以向每个生物反应器供应具有减小的压降的平行的进料流体流动。
如将描述的，可以使用各种生物反应器配置。例如，生物反应器可包括中心中空导管、多孔圆柱形壳和颗粒或丝状生长介质；生长介质提供生物生长表面并在其间限定流动通道，该流动通道将中心中空导管和多孔圆柱形壳流体连接。在一替代性实施例中，生物反应器可包括具有两个相对的生物生长表面的平片和围绕轴线(y)螺旋缠绕的进料隔片，以形成圆柱形外周表面。平片可以是多孔的或无孔的，并且进料隔片在相邻的生物生长表面之间提供流动通道，其提供流体通过生物反应器而不穿过平片的路径。
生物反应器组件可以用作下游冷却/加热或过滤装置中使用的水的预处理-特别是易于生物污垢并且另外清洁困难或昂贵的那些。加热和冷却装置的实例包括：热交换器、加湿器和冷却塔。过滤装置的实例包括：反渗透、纳米过滤、正向渗透、超滤、微滤、膜蒸馏、膜脱气单元。生物反应器组件有助于预处理连续的水流并从水中除去最可同化的食物以防止或延迟下游装置中的生物污垢。在较大的处理组件内并联的多个生物反应器组件使得能够定期移除和清洁各个生物反应器组件，同时仍然向下游装置提供连续供应的预处理水，否则该下游装置将遭受结垢。
在优选的实施例中，下游装置是反渗透(ro)或纳米过滤(nf)装置，统称为“超滤”。超滤组件包括：a)高压容器，其包括进料口、浓缩口和渗透口，和b)多个串联布置的螺旋缠绕超滤膜模块，其位于高压容器内并且每个包括至少一个缠绕在渗透管周围的膜包封，渗透管形成至渗透口的渗透通道。利用这种布置，存在于进料流体中的生物营养物被生物反应器组件中存在的微生物消耗，并且不太可能在下游超滤组件中引起生物污垢。
超滤组件包括多个螺旋缠绕膜模块，这些膜模块以串联布置和连续流动模式定位在共同的(高)压容器内。在操作中，加压进料流体源(例如加压至0.1至1mpa的废水)沿着流体流动路径连续地通过生物反应器组件和超滤组件。沿着流体流动路径可以包括另外的过滤单元操作。例如，微过滤装置(平均孔径为0.1至10μm)或超滤装置(平均孔径为0.001至0.1μm)，例如，中空纤维膜模块或筒式过滤器(平均孔径为10-50μm)，可沿流体流动路径定位在包括在超滤组件和生物反应器组件之间以及进料流体源和生物反应器组件之间的位置。一个或多个生物反应器组件的各种组合可与一个或多个超滤组件一起使用。例如，单个生物反应器组件可以将预处理的流体供应到多个超滤组件，所述多个超滤组件以彼此平行的流动配置定位，或者以串联配置定位，其中来自第一(上游)超滤组件的渗透物或浓缩物被供应给下游的超滤组件。类似地，以平行流动配置布置的多个生物反应器可以供应一个或多个共同的下游超滤组件。
可用于本发明的螺旋缠绕超滤膜模块(“元件”)包括缠绕渗透收集管的一个或多个膜包封和进料隔片。用于形成包封的ro膜相对不可渗透几乎全部溶解盐并且通常阻挡超过约95％的具有单价离子的盐，如氯化钠。ro膜还通常阻挡超过约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。nf膜比ro膜更可渗透并且通常阻挡小于约95％的单价离子盐，同时阻挡大于约50％(并且常常大于90％)的二价离子盐，这取决于二价离子的种类。nf膜还通常阻挡在纳米范围内的粒子以及分子量大于约200到500道尔顿的有机分子。
代表性螺旋缠绕膜模块一般示出在图1中示出。模块(2)通过绕渗透收集管(8)同心地缠绕一个或多个膜包封(4)和(一个或多个)进料隔片(“进料垫片”)(6)形成。每个膜包封(4)优选地包括两个基本上矩形的膜片部分(10，10′)。膜片的每个部分(10，10′)具有膜或前侧(34)和支撑或后侧(36)。膜包封(4)通过覆盖膜片(10，10′)并对齐它们的边缘而形成。在优选的实施例中，膜片的部分(10，10′)围绕渗透通道隔片(“渗透间隔物”)(12)。这种夹层型结构例如通过密封剂(14)沿三个边缘(16，18，20)固定在一起，形成包封(4)，同时第四个边缘即“近端边缘”(22)邻接渗透收集管(8)，使得包封(4)的内部部分(和任选的渗透间隔物(12))与沿着渗透收集管(8)的长度延伸的多个开口(24)流体连通。模块(2)优选地包括由多个进料隔片(6)分开的多个膜包封(4)。在所示实施例中，膜包封(4)通过连接相邻定位的膜叶包的后侧(36)表面而形成。膜叶包包括自身折叠以界定两个膜“叶”的基本上矩形的膜片(10)，其中每个叶的前侧面(34)彼此面对，且折痕与膜包封(4)的近端边缘(22)轴向对准，即与渗透收集管(8)平行。示出了进料隔片(6)位于折叠的膜片(10)的面对的前侧(34)之间。进料隔片(6)有助于轴向方向(即与渗透收集管(8)平行)的进料流体流动通过模块(2)。虽然未示出，但是组件中还可以包括附加的中间层。膜叶包的代表性实例及其制造在us7875177中进一步描述。
在模块制造期间，渗透隔片(12)可以围绕渗透收集管(8)的圆周附着，其中膜叶包交织在其间。相邻定位的膜叶片(10，10′)的后侧(36)围绕其周边部分(16，18，20)密封，以封闭渗透隔片(12)以形成膜包封(4)。用于将渗透隔片附接到渗透收集管的合适的技术在us5538642中描述。将(一个或多个)膜包封(4)和(一个或多个)进料隔片(6)绕渗透收集管(8)同心地缠绕或“卷绕”以在相对端处形成两个相对的卷形面(30，32)，并且所得螺旋束保持在适当的位置，如通过胶带或其它装置。接着可修整卷形面(30，32)，并且密封剂可任选地在在卷形面(30，32)和渗透收集管(8)之间的接面处施用，如us7951295中描述。长玻璃纤维可绕部分构建的模块缠绕，并且施用并硬化树脂(例如液体环氧树脂)。在一替代性实施例中，如us8142588中所述，可以将胶带施加在缠绕的模块的圆周上。模块的端部可以装配有抗伸缩装置或端盖(未示出)，其被设计成防止膜包封在模块的入口和出口卷形端之间的压差下移动。代表性实例描述于：us5851356、us6224767、us7063789、us7198719和wo2014/120589。
图1中所示的箭头表示操作期间进料和渗透液(也称为“产物”或“滤液”)的近似流动方向(26，28)。进料流体从入口卷形面(30)进入模块(2)并流过膜片的前侧(34)并在相对的出口卷形面(32)处离开模块(2)。渗透液沿着渗透隔片(12)沿大致垂直于进料流的方向流动，如箭头(28)所示。实际的流体流动路径随结构和操作条件的细节而变化。
虽然模块可以有多种尺寸，但一个普通的工业ro组件可具有标准的8英寸(20.3厘米)的直径和40英寸(101.6厘米)的长度。对于典型的8英寸直径模块，绕渗透收集管缠绕26到30个单独的膜包封(即，对于具有约1.5英寸到1.9英寸(3.8em至4.8cm)的外径的渗透收集管)。还可使用较不常规的模块，包括描述于us8496825的那些。在优选的实施例中，生物反应器组件下游的至少一个螺旋缠绕超滤模块使用小于20密耳(0.508mm)或甚至小于15密耳(0.381mm)厚的进料隔片。
图2a-b示出了适用于本发明的超滤组件(38)的两个典型实施例。如图所示，组件(38)包括高压容器(40)，其包括进料口(42)、浓缩口(43)和渗透口(44)。包括位于压力容器(40)的侧面和端部的端口的组合的各种类似配置是已知的并且可以使用。多个螺旋缠绕膜组件(2、2’、2”、2”’、2””)串联地布置在压力容器(40)内。用于本发明的压力容器不受特别限制，但优选地包括能够承受与操作条件相关的压力的固体结构。由于操作期间使用的流体压力通常超过1.5mpa(例如，对于微咸水为1.6至2.6mpa，对于海水为6至8mpa)，用于超滤的压力容器在本文中称为“高”压容器。容器结构优选地包括腔室(46)，其内周边对应于将容纳于其中的螺旋缠绕膜模块的外周边。腔室的长度优选地对应于将顺序(轴向)装载的螺旋缠绕膜模块的合并长度。优选地，容器包含至少2至8个串联布置的螺旋缠绕膜模块，其各自的渗透管(8)彼此流体连通以形成通向渗透口(44)的渗透通路。流体流入进料口(42)并流出浓缩口和渗透口(43，44)通常用箭头表示。压力容器(40)还可包括在装载模块(2)之后密封腔室(46)的一个或多个端板(48，50)。压力容器的定向不受特定限制，例如可使用水平和垂直定向两者。适用的压力容器、模块布置和装载的实例描述于：us6074595、us6165303、us6299772、us2007/0272628和us2008/0308504。压力容器制造商包括明尼苏达州明尼阿波利斯(minneapolismn)的滨特尔(pentair)、加利福利亚州维斯塔(vistaca)的贝卡尔特(protec-arisawa)和以色列贝尔谢瓦(beersheva，israel)的belcomposite。
单独的压力容器或一起工作的容器组，每个配备有一个或多个螺旋缠绕膜模块，可被称作“串(train)”或“通道(pass)”。通道内的(一个或多个)容器可布置在一个或多个段中，其中每个段含有相对于进料流体平行操作的一个或多个容器。多个段串联布置，来自上游段的浓缩流体用作下游段的进料流体，而收集来自每一段的渗透物而不在通道内进一步重复处理。多通道超滤体系通过沿流体路径互连各个通道构建，如在us4156645、us6187200、us7144511和wo2013/130312中描述。
一种优选类型的生物反应器具有类似于上文关于膜模块描述的螺旋缠绕构造。然而，由于在生物反应器中没有发生流体分离，生物反应器优选地不包括膜包封。如图3a-c中最佳显示，适用的生物反应器(52)可包括具有两个相对的生物生长表面(56，56′)的平片(54)和围绕轴线(y)螺旋缠绕的进料隔片(58)，以形成圆柱形外周边(55)，其沿轴线(y)从第一端(60)处的入口区域(61)延伸到第二端(62)处的出口区域(63)，入口卷形面(64)位于第一端(60)附近，出口卷形面(66)位于第二端(62)附近。平片(54)可以是多孔的或无孔的，并且进料隔片(58)在相邻的生物生长表面(56，56′)之间提供流动通道，其提供流体流动路径以使流体通过生物反应器(52)而不穿过平片(54)。
具体关于在图3b中图解的实施例，平片(54)和隔片(58)绕中空导管(70)螺旋缠绕。导管(70)的内表面(71)优选地仅通过入口或出口卷形面(64，66)与平片和进料隔片流体连通。比较而言，图3a和3c中所示的实施例不包括中空导管。在未示出的替代性实施例中，中空导管可用固体棒替换。虽然在图3b中示出为包括中空导管(70)，但在其他实施例中，生物反应器的导管优选地是不可渗透的，因此被密封以防止与平片和进料隔片直接流体连通，除了通过导管的端部。
生物反应器(52)不起螺旋缠绕膜模块的作用，因为它们的平片不会将进料溶液分离成渗透物和浓缩物流。而是，流动通道(68)提供从入口区域(61)到出口区域(63)的直接路径，而不穿过平片(54)以产生渗透物。例如，在图3的实施例中，进料流体进入螺旋缠绕生物反应器(52)的入口卷形面(64)，沿着进料隔片(58)的流动通道(68)通过并经由出口卷形面(66)离开。然而，在一些实施例中，流过流动通道的进料可以通过中心导管(70)返回通过生物反应器。结合图5描述了这样的实施例，其中流体流在通过出口卷形面(66)之后进入导管(70)。在穿过生物反应器(52)时，液体(例如水)接触提供用于微生物驻留的平台的平片(54)。在进料中的营养物由微生物消耗，使得在进入下游螺旋缠绕膜模块之前，离开生物反应器的液体缺乏营养物。
进料隔片(58)优选地在相邻生物生长表面(56，56’)之间提供在0.1mm和1.5mm之间，更优选地在0.15mm和1.0mm之间的流动通道(68)。小于0.15mm的通道更容易被生物生长堵塞，使得通过流动通道的压降需要更频繁清除。大于1.0mm的通道在建立期望消耗生物营养物的生物生长时不太有效。螺旋缠绕生物反应器(52)可以由多于一个的重叠的平片和隔片制成，但是优选地使用至多两个由隔片(58)隔开的平片(54)。最优选地，每个生物反应器仅包括单个螺旋缠绕平片(54)。
生物生长表面被定义为与连接入口区域(61)和出口区域(63)的流动通道(68)相邻的那些表面。在图3中，生长表面与流动通道(68)相邻，流动通道(68)连接螺旋缠绕生物反应器(52)的入口卷形面(64)和出口卷形面(66)。为了在高流动速率下操作同时去除生物营养物的块体，接触流动通道的大面积的生物生长表面是期望的，同时仍然提供对流经生物反应器的最小阻力。优选地，流动通道的空隙容积(未被在生物生长表面之间的固体占据的容积)占生物反应器容积的至少65％(更优选地75％或甚至85％)。生物生长表面积与每个生物反应器的生物反应器容积的比率优选地在15cm-1和150cm-1之间(更优选地在20cm-1和100cm-1之间)。在其它实施例中，平片可提供生物生长表面，而可通过在包括凹槽或流动路径的隔片材料(例如织造材料等)之间的或借助于其的空间提供流动通道。
螺旋缠绕生物反应器(52)中使用的进料隔片(58)不受特别限制，并且包括结合螺旋缠绕膜模块在上面描述的进料隔片。期望的是相邻隔片的大部分平片不被与隔片接触堵塞。隔片的优选的结构包括相交点的厚度比其间丝束的平均厚度更大的网状片材材料。隔片可为平片的升高区域的集合，如通过压印步骤、通过将粘合剂线施加到平片或通过将恰当大小的核/壳球贴附到表面形成。在螺旋缠绕之后，进料隔片优选地在平片的相邻生物生长表面之间提供0.10mm到1.5mm，更优选地0.15mm到1.0mm的流动通道。当以片形式提供时，接近的进料隔片(58)和平片(54)部分可选择性地被结合在一起，例如沿其外周的部分或在其表面上的间断区域粘附在一起。类似地，相邻的生物生长表面可以被固定在某些位置以防止它们之间的相对运动，但仍允许通过流动通道的进料运动。这种结合增加了生物反应器的强度，防止了隔片的挤出并减轻了伸缩。
生物反应器(52)的平片(54)可以是不可渗透的。可选地，为了帮助清洁，相对的生物生长表面(56，56′)可通过多孔平片(54)的基体彼此流体连通。虽然不受特定限制，此可渗透平片可包括具有穿孔的大体不可渗透的片材、uf或mf膜、织造或非织造材料、纤维基体等。适合材料的实例描述于us5563069。然而，与描述于us5563069的一般设计不同，本发明的平片包括在通过进料隔片(58)分隔开的两个外面上的生物生长表面(56，56’)。而且，虽然平片(54)可以是可渗透的或不可渗透的，但是进料隔片(58)在相邻的生物生长表面(56，56′)之间提供流动通道(68)，其提供流体通过生物反应器(52)的路径，从入口区域(61)到出口区域(63)，而不穿过平片(54)。优选的材料包括具有大于0.1μm或大于10μm孔径的聚合物片。聚合物片还可包括尺寸大于10μm的大孔，这在清洁期间促进干扰流体进入污垢区。可适用的聚合物包括不限于聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺和聚偏二氟乙烯。因为本发明的生物反应器优选地在相对高流动速率下操作，所以平片厚度优选地小于隔片厚度。优选地，平片厚度小于1mm，更优选地小于0.5mm，小于0.2mm，或甚至小于0.1mm。生物反应器(52)中的平片(54)的厚度优选地小于下游超滤模块(2)中的膜包封(4)的厚度的25％。
在本主题生物反应器组件位于下游超滤组件的上游的实施例中，来自生物反应器(52)的平片(54)的展开长度优选地超过来自下游超滤模块(2)的膜包封(4)的展开长度至少三倍，更优选至少十倍。(在这种情况下，平片(54)和膜包封(4)的展开长度在垂直于中心轴线(分别地图1和3的x或y)的方向上测量。
螺旋缠绕生物反应器(52)的外周表面(55)优选是圆柱形的，并且可以以与上面关于螺旋缠绕膜组件描述的相同的方式完成，例如，胶带、玻璃纤维等。替代地，生物反应器可以被包在模制的、收缩包裹的或挤出的壳体(例如pvc或cpvc)中。可替代地或另外地，生物反应器可包括抗伸缩装置，其通常与螺旋缠绕膜模块结合使用。在一个实施例中，生物反应器包括与邻近螺旋缠绕膜模块互锁的端盖(参见例如us6632356和us8425773)。在另一个实施例中，为了防止已经由生物反应器处理的进料与未经处理的进料混合，端盖可以提供用于连接到压力容器内的收集室的密封件。在另一个实施例中，端盖可以提供用于连接到相邻生物反应器的密封件和/或锁定部件。
在本发明的生物反应器组件中使用的生物反应器可以采用不同的形式。图6中示出了图3的螺旋缠绕生物反应器的替代方案。在该实施例中，生物反应器包括多孔外表面(55)、中心中空导管(70)和相邻生物生长表面之间的流动通道(68)，其提供流体通过生物反应器(52)、从入口区域(61)到出口区域(63)的流动路径。径向流动由生物反应器的相对端上的端盖或密封件支持。在一个实施例中，组件可包括螺旋缠绕模块，其具有如前所述的片和进料隔片，但在周边和中心之间具有径向流动。在一替代性实施例中，图6中的多孔外表面(55)可以包围平片介质，如前所述的，或者用于支持生物生长的替代介质(67)(例如颗粒、纤维、网等)。除了阻止通过相对端的进料流以促进生物反应器内的径向流动之外，还可以使用端盖来进一步容纳介质。介质(67)提供生物生长表面，其限定了流动连接中心中空导管与周围多孔外表面的流动通道。在这些径向流动实施例中，生物反应器的入口(或出口)区域可以是多孔外表面或接近生物生长介质(67)和中空导管(70)的位置。生物反应器的出口区域(在此流动离开生长介质)是相对的。优选地，多孔外表面是入口区域，出口区域与中心中空导管相邻。
如图5和7所示，可以使用一个或多个间隔件(79)将生物反应器(52)在压力容器(73)内对准。多个间隔件可以将压力容器的内周表面(81)与生物反应器的外周表面(55)分开，并在它们之间形成环形流动路径。在另一个实施例中，尺寸小于压力容器内腔(84)的生物反应器可以通过重力搁置在其内表面上，并且容器内生物反应器的潜在运动受到位于生物反应器端部附近并与容器内围表面(81)接触的止动件的限制。在还其他实施例中，可以通过将中心中空导管连接到容器端部适配器来固定容器内生物反应器的位置。在一些实施例中，压力容器包括圆柱形内腔(84)，其具有圆柱形内周表面(81)和中心轴线y′。优选的实施例包括在压力容器的圆柱形内腔内的圆柱形生物反应器。在一些实施例中，压力容器的纵横比(长度/直径)大于20。在一些实施例中，生物反应器的纵横比(长度/直径)小于4。图5b显示了一个实施例，其中生物反应器的中心轴线(y)和压力容器的中心轴线(y′)重合。在图5a和5b中，生物反应器显示在压力容器内居中。相比之下，图5c和5d示出了相应的实施例，其中串联的生物反应器(52)通过间隔件(79)在压力容器(73)内偏心定位，使得y和y′平行但偏移。在一些情况下，这种偏心定位可以降低容器内进料流的总体阻力。生物反应器外表面(55)和容器内周表面(81)之间的最大和最小距离之间的比率优选地大于2。在任一情况下，多个间隔件(79)优选地将生物反应器与压力容器的内周表面分开。在某些情况下，可能需要提供耦合器或改进容器端部适配器，使得导管(70)可以偏心。间隔件(79)在生物反应器和压力容器之间形成流动路径，使得进入或离开容器的进料溶液可以在该“自由空间”内自由地运输到压力容器内生物反应器的至少一半以及可能全部。作为使用间隔件的另一种替代方案，可以使用穿过生物反应器并锚定到容器端部适配器的中心杆或管将较大直径压力容器内的多个较小直径的生物反应器固定在适当位置。
在优选的实施例中，生物反应器的横截面积始终为压力容器内腔横截面积的至少5％，更优选地小于10％(其中在沿着内腔长度的任何位置测量横截面积)。此外，在其相对的端部之间的压力容器的内腔的总横截面积的至少5％并且更优选地10％是自由空间(未被生物反应器、间隔件或其他结构占据)并且因此可接近到流体流动路径。这种布置提供了在容器中的不同串联排列的生物反应器之间分配流动的手段。
多个生物反应器可以在共同的压力容器内以平行(图4)或串联布置(图5)布置；然而，在任一情况下，通过生物反应器的流体流动路径优选地是平行流动模式。在优选的实施例中，流体流动路径平行通过上游生物反应器组件的生物反应器，但生物反应器以串联布置定位在圆柱形压力容器的圆柱形内腔中。
图4示出了生物反应器组件(72)的另一个实施例，其包括压力容器(73)，该压力容器限定由分隔器(78)分开的第一腔室(74)和第二腔室(76)，分隔器(78)包括与第一腔室(74)流体连通的第一端口(80)和与第二腔室(76)流体连通的第二端口(82)。生物反应器(52)可以是螺旋缠绕的并且在压力容器内以平行布置定位，其中每个生物反应器的入口卷形面(64)与第一腔室(76)流体连通，并且固定到每个生物反应器的出口卷形面(66)的端盖与第二腔室(78)流体连通。流体流动路径从流体进料源(未示出)延伸到压力容器(73)的第一端口(80)，进入第一腔室(74)，通过生物反应器(52)的入口卷形面(64)和出口卷形面(66)，进入压力容器的第二腔室(76)并从压力容器的第二端口(82)离开。图4a示出了多个生物反应器(52)，其配置用于轴向流动并且在生物反应器的相应端部附近具有入口区域(61)和出口区域(63)。为了比较，图4b中的生物反应器(52)适合于径向流动，并且示出为在生物反应器的外周表面(55)附近具有入口区域(61)。
图5和7示出了生物反应器组件(72)的实施例，其包括压力容器(73)，压力容器(73)包括具有第一端口(80)、第二端口(82)和内周表面(81)的内腔(84)。螺旋缠绕的生物反应器(52)以串联布置定位在压力容器(73)内。图5a和5c示出了实施例，其中在生物反应器(52)的一端处的开放腔(69)能够使离开卷形面的进料进入中心导管(70)。如这些图中的箭头一般所示，流体流动路径从流体进料源(未示出)延伸，穿过第一端口(80)并进入压力容器(73)的腔室(84)，通过入口卷形面(64)并且从生物反应器(52)的出口卷形面(66)出来，并从压力容器(73)的第二端口(82)出来。在图7a中，流体流动路径从流体进料源(未示出)延伸穿过第一端口(80)并进入压力容器(73)的腔室(84)，穿过生物反应器的外周表面(55)，进入中心导管(70)，并从压力容器(73)的第二端口(82)出来。与图4中所示的实施例一样，这些实施例中的流体流动路径通常遵循通过生物反应器的平行流动模式。(术语“平行”并不意指物理方向，而是指在重新组合之前，流体流动路径被分成通过不同生物反应器的两条或更多条等效(平行)路径。)在一个优选的实施例中，生物反应器(52)包括如图3b所示的中心导管(70)，其中生物反应器(52)的导管(70)彼此流体连通并且与出口(82)流体连通。
在图5a和7a中，生物反应器显示在压力容器内居中。图5b、7b和7d是垂直于生物反应器(y)和生物反应器压力容器(y′)的重合轴(y，y′)的横截面。相比之下，图5d和7c示出了相应的情况，其中串联的生物反应器(52)通过间隔件(79)在压力容器(73)内偏心定位，使得y和y′未对准。在某些情况下，这种偏心定位可能会降低容器内进料流的总体阻力。生物反应器的外周表面(55)与压力容器的内周表面(81)之间的最大和最小距离之间的比率优选大于2。在一些实施例中，接触生物反应器(52)的外周表面(55)的多个间隔件(79)将生物反应器(55)与容器内周表面(81)分开。在某些情况下，可能需要提供耦合器或改进容器端部适配器，使得渗透管可以偏心。
图7a-d示出了进料径向流过生物反应器(52)的实施例。类似于图6中所示的几何形状，生物反应器(52)可包括生物生长介质，其限定流动通道，该流动通道将中心中空导管(70)与周围的多孔外表面(55)流体连接。图7b、7c和7d示出了生物反应器内的径向进料流动通道(68)的变型。大致朝向(或替代地远离)图7b中的中心导管的相对随机的流动非常适合于填充颗粒、无规纤维材料或网状物。图7c中的大致螺旋形流动(由箭头表示)是具有螺旋缠绕片和进料隔片的生物反应器的更典型，但是当生物反应器被设计成主要产生径向流动而不是轴向流动时。例如，通过允许进料流过周边并使用端盖阻止进料流过相对端(60，62)(图6b中最佳显示)，可以有利于生物反应器内的径向进料流。
图5a、5c和7a各自描绘了串联布置在压力容器(73)内的四个生物反应器(52)。然而，优选的实施例包括串联装载在压力容器内的多于4个生物反应器，优选地容器内的多于8个生物反应器。利用较长的压力容器和较短的生物反应器模块，投资成本降低以向下游设备提供预处理水流(假设通过生物反应器的流速类似)。通过介质的路径长度较短的生物反应器也将具有较小的压降。最后，申请人还确定，生物反应器中生物生长的最大部分发生在最初的几英寸内。由于所有这些原因，允许平行流过串联布置的多个生物反应器的设计是特别有益的。
在优选的实施例中，进入和离开含有多个生物反应器的容器的进料流量可以比进入下游超滤容器的进料多至少四倍，即使归一化为两个压力容器(38，73)的横截面积。在通过容器的这些异常高的流速下，在生物反应器周围的环形区域和中心空心管道中可能存在大的压降。通过中央中空管道也可能有大的压降。此外，计算已经确定在这两个位置处容器的压降将不会抵消，并且可能导致通过容器不同位置的不同生物反应器的流量的大的变化。优选的是压力容器内生物反应器之间的水流量变化保持在小于2倍、优选小于1.5倍内。
虽然包含多个填充螺旋缠绕生物反应器的压力容器将最大化生物生长表面(介质)的结合，但生物反应器组件的优选的实施例包括压力容器内的多个平行生物反应器和在生物反应器的外周和压力的内腔的内周表面之间的沿流体流动路径的大量自由空间。
为了提供稳健的流体流动路径，生物反应器的外径优选地小于压力容器的内腔的直径。在更优选的实施例中，压力容器的内腔沿相对端之间的轴线(y′)延伸。内腔的至少15％(并且更优选地20％、25％或甚至30％)的横截面积(即沿轴线y′的垂直方向和沿轴线y′的任何位置截取的)——排除(可以位于测量横截面的点处的生物反应器的)流动通道的面积——是可接近流体流动路径的自由空间。这种布置提供了通过内腔的足够的流体流动，以向每个生物反应器供应具有减小的压降的平行的进料流体流动。
在另一个实施例中，与图5a、5c和7a中所示的实施例不同，通过生物反应器出口区域的预处理水从容器的两个不同端移除。(这类似于图2b中所示的超滤模块的几何形状，并且它导致中心中空管道内的压降减小的流动。但是，在这种情况下，由于较高流量的预期压降较大，因此可能更为显著。)与此相关，包含生物反应器的压力容器可包括三个端口，两个在相对的端部上，一个在中间。在另一个实施例中，通过对各个生物反应器不同地施加流动限制，可以减少容器内生物反应器之间的流动差异。例如，在中空导管中使用较小的孔用于流体通过将降低组件的能量效率(更大的压降)，但是它也将改善均匀性。类似地，在中空导管内提供限流器可用于减少来自较高流量的特定位置的流量。
图8示意性地示出了处理组件(86)的实施例，其包括多个生物反应器组件(72，72′)，其适于连接到加压进料流体源(88)并且定位在多个超滤组件(38)的上游。生物反应器组件(72，72′)内的生物反应器(52)可以以平行或串联布置定位压力容器(73)内。在一个实施例中，生物反应器(52)包括螺旋缠绕片(54)和进料隔片(58)。在另一个实施例中，生物反应器(52)包括中空中心导管(70)和含有介质(例如颗粒、纤维、网或间隔物、片)的多孔外表面(55)，其提供生物生长表面并限定流动通道，流动通道将中心中空导管与周围的多孔外表面流动连接。代表性的进料流体包括微咸水、海水和废水。组件可包括一个或多个泵(90，92)，用于产生期望的流体压力。优选地，泵(92)至少存在于用于生物反应器(52)的低压容器(73)和用于超滤膜模块(2)的高压容器(40)之间。组件(86)包括流体流动路径(通常由箭头指示)，其从流体进料源(88)延伸并进入低压容器(73)的第一端口(80)，通过生物反应器(52)并从第二端口(82)出来，进入高压容器(40)的进料口(42)，通过膜模块(2)并从浓缩物端口(43)和渗透物端口(44)中出来。来自多个超滤组件(38)的浓缩物(43′)和渗透物(44′)可以组合并任选地进行另外的处理，例如，用超滤组件(未示出)进一步处理。生物反应器组件(72)和超滤组件(38)可以通过标准管道、阀门、压力传感器等连接。在优选的实施例中，生物反应器组件和超滤组件的尺寸使得流过生物反应器组件的压降小于通过超滤组件的压降的10％(使用在25℃下使用纯水的无污垢组件和通过超滤组件的流速为15gfd在启动时测量)。在过滤系统的优选的实施例中，生物反应器组件内的生物生长表面的总面积大于在平行高压容器的后续阶段中的前头(串联的第一个)超滤模块中包含的膜面积的总和。超滤组件优选地在渗透物回收率为至少90％和更优选95％的条件下操作。由于上游生物反应器组件提供的生物污垢预防，这种高水平的渗透物回收操作是可持续的。
在图8所示的实施例中，阀(94)位于每个生物反应器组件(72)的第一和第二端口(80，82)附近。阀(94)允许生物反应器组件(72)与加压进料流体(88)和其他生物反应器组件(72′)的共同源隔离。以这种方式，单独的生物反应器组件(72)可以离线，而其他生物反应器组件(72′)保持运行，其中进料流体通过其中。在一些实施例中，便携式清洁系统可以连接到隔离的生物反应器组件(72)。在图8中，处理组件(86)包括任选的清洁组件(96)，其包括清洁流动路径，其从生物反应器组件(72)的第一端口(80)延伸通过清洁剂源(98)，至第二端口(82)并通过低压容器(73)内的各个生物反应器(52)以在第一端口(80)处离开组件(72)。
生物反应器组件(72)可在操作模式和清洁模式之间交替。在操作模式中，来自第一端口(80)的流体通过平行生物反应器(52)，从入口卷形面(64)到出口卷形面(66)，在其第二端口(82)离开生物反应器组件。清洁流动路径可以颠倒，或者可以使用流动方向的组合。清洁组件可包括单独的泵(100)和阀组件(102)。清洁组件(96)和相关的流动路径与超滤组件(38)隔离，并因此，可以使用更宽范围的清洁剂而不损害超滤组件(38)的膜的完整性。代表性的清洁剂包括ph小于2的酸溶液，ph大于12的碱性溶液，包括杀生物剂的溶液，在升高的温度(例如大于40℃、60℃或80℃)下的水溶液，和氧化剂，例如氯水溶液(例如至少10ppm、100ppm或甚至1000ppm的氯)。优选地，清洁流体具有在生物反应器内小于10秒(1秒到10秒)的平均滞留时间；更优选地在生物反应器内平均滞留时间小于5秒。
在清洁之后，可以冲洗生物反应器组件(72)，例如，用一种或多种清洁水、进料流体或包括微生物的接种溶液，其方式类似于关于清洁组件所述的方式。接种溶液可包括先前从生物反应器组件中提取的液体(例如在清洁之前或清洁期间)。在操作模式的至少一部分期间，还可投加营养物。在优选的实施例中，在操作模式中测量在生物反应器(52)或生物反应器组件(72)上的压差，并且通过测量的压差触发从操作模式到清洁模式的切换。优选地，在清洁模式之后，生物反应器组件(72)上的压差小于10psi(更优选地小于5psi)。在一个实施例中，在生物反应器上测量的压降超出10psi之后，或更优选地在它超出20psi之后，开始清洁模式。
已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下，已经将某些实施例、选择、范围、成分或其它特征表征为“优选的”。“优选的”特征的这类指定决不应被解释为本发明的必要或关键方面。例如，应当理解，螺旋缠绕生物反应器具有优点，但是各种替代配置可包括中空纤维、板和框架、颗粒填充床和流化床。对于其他几何形状，仍优选的是生物反应器是圆柱形的，延伸通过生物反应器的流动通道(68)的空隙容积为生物反应器容积的至少65％(更优选地75％或甚至85％)，并且每个生物反应器的生物生长表面积与生物反应器容积的比率优选地在15cm-1和150cm-1之间(更优选地在20cm-1和100cm-1之间)。
另外的实施例和特征描述于：us62/148365(pct/us15/051297)；us62/148348(pct/us15/051297)和us62/054408(pct/us15/051295)。前述专利和专利申请中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。