过滤介质、相关模块、过滤装置和方法与流程

本申请是申请日是2009年10月19日、申请号是200980149626.6、发明名称是“用于液体或气体的过滤/净化的过滤介质、相关反应器模块、过滤装置和方法”的中国发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2008年10月17日提交的美国临时专利申请No.61/106467的优先权，该专利申请的全部公开内容通过引用并入这里。

技术领域

本发明涉及过滤介质、相关模块、过滤装置和方法。

背景技术：

气体和液体材料的较大规模的生物净化/过滤需要对应地较大规模的包括过滤介质的净化/过滤装置。这种装置的设计和开发受到数个参数限制，例如，对大的特定表面面积过滤介质的需要(用于增加效率)，过滤介质在生物质和液体的组合载荷下塌陷或折叠的趋势，以及最小化该装置的占位面积的商业压力。已经建议由利用用于水流的间隔开的通道卷成“凝胶卷”构造的波纹状的细菌床组成的过滤介质用于下水道水的净化。其它现有技术装置使用外部结构来为反应器容器内的介质材料提供结构强度，例如过滤介质布置在其周围的“货车车轮”构造金属架或包覆过滤介质的网状支撑元件。然而，仅外部结构不能防止该介质的塌陷并且这种构造可能倾向于被过多的生物质堵塞。此外，脚手架状支撑结构占据反应器中的可以被“活的”介质填充的空间，从而侵蚀该系统的效率。

因此，本领域中仍然存在对过滤介质、模块和装置的需求，该过滤介质、模块和装置优化过滤活动的性能，包括优化质量传递(并且因此过滤/生物氧化效率的优化)，提供每单位体积介质更多的微生物的保持，并且提高过滤介质自身的“寿命期望”，从而与常规过滤设备相比，在更换或维护之前允许较长的使用(例如，垫子材料的塌陷或垫子堵塞有已经过度增生的生物质使其必要)。

技术实现要素：

本发明包括一种用于液体或气体材料的净化的过滤介质，该过滤介质包括垫子，该垫子具有第一表面和第二表面。第一表面或第二表面中的至少一个是大致非平面的。该垫子包括泡沫树脂，该泡沫树脂具有大约1磅/立方英尺(lbs/ft³)到大约3磅/立方英尺的密度和/或大约35磅(lbs)到大约150磅的压陷载荷挠度。

在本发明中也包括一种用于液体或气体材料的净化的过滤介质，该过滤介质包括至少两个垫子，每一个垫子具有第一表面和第二表面，其中第一表面或第二表面中的至少一个是大致非平面的，并且具有大致不一致的回旋轮廓。

用于液体和/或气体的过滤的装置也被包括，该装置包括一个或更多个反应器模块。该反应器模块包括过滤介质和可包括侧部、顶部和底部的大致柱形的腔室和/或大致矩形的腔室。该腔室另外包括基部，该基部从腔室的侧部朝着腔室的内部延伸，并且过滤介质布置在该腔室内。

也提供使用该过滤介质过滤气体或液体材料的方法，这是模块的制造方法。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解前述概要以及本发明的实施例的以下详细描述。然而，应当理解，本发明不限于示出的精确布置和手段。在图中：

图1A示出示例性腔室的透视图，过滤介质可以布置到该示例性腔室中以形成反应器模块；

图1B示出示例性反应器模块的纵向剖视截面(剖面A-A)；

图1C示出图1A的模块的透视图；

图2示出包括盖子和反应器模块的示例性装置的透视图；

图3示出包括盖子和反应器模块的不同的示例性装置的透视图；

图4A-图4B是示出垫子绕假想轴线X-X的缠绕或卷绕的示意图；

图5A-5G是用于垫子的非平面表面的数个示例性回旋轮廓的示意图以及在垫子上回旋的放置的平面图例子；

图6是包括反应器模块的装置的透视剖视图，该反应器模块具有布置成竖直堆叠的构造的过滤介质；

图7A-图7B是示出在7秒停留时间下的本发明的装置的H₂S去除性能的曲线图；并且

图8-图9是示出与本发明的气体过滤装置的停留时间相比的气味去除的图表。

具体实施方式

本发明提供一种过滤介质，该过滤介质可用于过滤各种液体或气体材料。过滤介质可植入有生物质(最经常的主要是自然界中的细菌或真菌(酵母)；经常是特定的菌株或菌株的混合物)，该生物质在气体或液体穿过该介质时氧化或分解气体或液体中的化合物。本发明的过滤介质、模块和装置被开发用来加强过滤活动的性能，包括质量传递的提高(并因此过滤/氧化效率的提高)和微生物到介质的粘附的改进(提供每单位体积的介质微生物的增加数量)以及提高过滤介质自身的“寿命期望”，从而与常规生物过滤介质和/或模块相比，允许在过滤介质的更换或维护(例如，垫子材料的塌陷或垫子堵塞有已经过度增生的生物质使其必要)之前的较长的使用。

本发明包括一种过滤介质，该过滤介质用于诸如废水的液体或气体材料的净化或过滤，或水、气体或其它排放物中的有气味的化合物的还原和消除。过滤介质包括垫子，该垫子具有第一表面和第二表面，并且可以为任何尺寸或形式。通常，可能希望该垫子具有大致矩形棱柱形式；然而，取决于垫子要装配到其中的模块或装置的最终用途和特性，尺寸、形状和形式可以变化。在实施例中，垫子具有大约1/4英寸到大约4英寸的厚度(即垫子的Z轴线的长度)，替代地，厚度为大约3/4英寸到大约3英寸，或大约1英寸到大约2英寸。在大多数应用中，垫子可以为1英寸厚或更厚。

如上所述，垫子的长度和宽度可以变化，但在大多数情况中，可能优选的是，垫子的长度尺寸大于宽度尺寸。例如，垫子的长度尺寸可以比宽度尺寸大大约2倍到大约35倍或者比宽度尺寸大大约400倍到大约750倍。在一些实施例中，垫子可以是任何形状，包括平面图多边形(不规则的或规则的)、圆形、矩形(包括正方形)、卵形、椭圆形或三角形。垫子的形式将根据选定的反应器腔室的形式而变化。

使用的一个或多个垫子可以是整体的或者可以由两个或更多个部分的垫子片一起形成以形成希望的几何形状。所述部分可以以任何方式，例如通过胶水、钉而彼此连接，它们可以缝合在一起或通过热熔合或热封接合。

在实施例中，垫子具有第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面中的至少一个是全部地或部分地非平面的。通过非平面，其意味着该表面当从侧部观察(即作为轮廓)时是不平坦的，而是回旋的并且呈现以空间上的至少两个不同的平面(“峰”和“谷”点)终止的表面，由此膨胀可用于细菌(生物质)粘附的垫子的表面面积。提供非平面特性的该结构通过如下面论述的它们的“回旋轮廓”来描述。

在一些实施例中，垫子可以在每一侧具有非平面表面。垫子可以是多层的；例如，它可以具有2到95层。作为例子，垫子可以由三个或更多个层组成，其中一个或全部两个外层具有非平面表面(即带有如上所述的回旋轮廓)。

垫子的表面中的至少一个具有不连续的回旋轮廓，即当在横截面中观察时，该表面是大致非平面的并且这种特性通过回旋设置到该表面，该回旋布置成使得当观察垫子的顺序的横截面时第一横截面的“峰”和“谷”沿垫子位于不同于后续横截面的“峰”和“谷”的位置中。回旋的该不一致的放置向正经过过滤器的材料提供湍流。这不同于具有一致波纹的泡沫垫子，其轮廓使得当观察这种垫子的顺序横截面时，它们就回旋的“峰”和“谷”的相对布置而言大致相同。

表面回旋可以采取随机回旋、有序的或图案化的回旋或这些回旋的任何组合的形式。例如，参考图5，表面的回旋轮廓可以是鸡蛋箱轮廓、正弦波轮廓(例如，短正弦波轮廓)、矩形轮廓、曲折的矩形轮廓、人字形轮廓、突出绒毛(指状突起)轮廓、复合绒毛、拖拉机轮轮廓或V形轮廓。在实施例中，垫子的第一表面和第二表面中的每一个均是非平面的，并且可具有相同的或不同的回旋轮廓。在一些实施例中，可能优选的是，选定的轮廓具有大约0.1英寸到大约2英寸或大约0.5英寸到大约1.5英寸的峰到谷的尺寸。

表面回旋可以以任何方式被防止或定位在垫子(51)的表面上以产生上述轮廓。例如，如图5中示出的，曲折的或波状的图案可以以均匀间隔开的方式纵向地放置在垫子表面上。替代地，回旋的放置(如在平面图中观察的)可以是随机的或有序的。至于非限制性例子，见图5。在实施例中，虽然也可使用其它布置，但是可能优选的是，回旋的表面被布置成使得产生的不一致通道取向成面对气体或液体的流束的路径。

垫子可包括泡沫树脂。该树脂可以是至少允许最小水平的细菌粘附的、在本领域中已知的或已开发的任何树脂。热塑性树脂可能是优选的。在一些实施例中，该树脂可以是例如酚醛树脂、氨基甲酸乙酯树脂、聚氨酯树脂、聚烯烃、尼龙、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚醚、聚酯和/或这种聚合物的共聚物和衍生物。该泡沫树脂可以是网状的或开孔泡沫树脂。

在一些实施例中，可能优选的是，该泡沫树脂是聚氨酯、酯聚氨酯或醚聚氨酯。这种泡沫树脂可以通过该领域中已知的任何手段制备。作为例子，如果选定的泡沫树脂是醚聚氨酯泡沫，则它可以例如通过首先借由将形成泡沫的化合物混合在一起形成蜂窝状聚氨酯泡沫而被制造，所述蜂窝状聚氨酯泡沫具有由至少一些线和至少一些单元窗口组成的网状物。

如本领域技术人员已知的，用于聚氨酯泡沫的配方按照份数通过每100份多羟基化合物的重量来表示。因此，例如，对于多羟基聚醚的按重量的每一个100份来说，根据本发明的泡沫配方包括：大约20.0到大约60.0份的按重量的异氰酸盐；大约1.5到大约5.0份的诸如水的发泡剂；大约0.20到大约4.0份的发泡催化剂；大约0.0到大约1.0份的凝胶催化剂；和大约1.0到大约3.0份的诸如硅树脂表面活性剂的稳定化表面活性剂。诸如染料、色素、着色剂、交联添加剂的其它添加剂也可以被包括到泡沫配方中。在泡沫形成成分已经混合在一起之后，优选地在大气温度和压力下允许泡沫升起和凝固。产生的泡沫具有优选地在大约8到大约50孔每线性英寸的范围中的孔径。进一步使泡沫成网状以去除任何单元窗口。该过程使得泡沫具有对流体流动最小的阻力。网状物通过使窗口熔化来实施，例如通过高温火焰前锋以将单元窗口或壁加热至聚合物的熔点之上来使窗口熔化。因此，通过小心地调节实施该过程的环境，可以熔化单元窗口而不会不利地影响或熔化骨骼线。当通过2英寸×2英寸×1英寸泡沫样品测量时，产生的泡沫将允许空气在每分钟大约10到大约50立方英尺的范围中流过泡沫。

与选定的泡沫树脂的类型无关，取决于垫子的特定的最终应用和必要的或希望的细菌粘附的希望水平，选定的一种或多种材料可以是大致疏水的或大致亲水的。取决于介质的最终应用，材料可以由于其固有能力而被选择以促进特定的希望的菌株的生长和/或阻碍其它不太希望的微生物的生长。在一些实施例中，希望的是，选定的材料适于维持细菌种群使得实际上至少90％，至少80％，至少70％，或者至少60％的过滤介质体积能够支撑生物质，由此提高每单位体积微生物数量，并且因此提高该系统的每单位体积效率。

在被过滤材料是气体的一些实施例中，可能优选的是，选定的材料具有至少大约99％，至少大约95％，至少大约90％，或至少大约85％的孔隙率，以方便气体渗透到细菌种群。

另外，垫子可以涂覆有提高细菌附着(和/或选择性地促进或阻碍特定微生物的生长)的材料和/或这种添加剂可以在凝固之前混合到泡沫树脂材料中。例如，泡沫树脂可以包含抗真菌的或不同地选择性抗菌的化合物。泡沫树脂可以涂覆有任何物质以改变或提高希望的性质。合适的涂料可包括丙烯酸聚合物和/或丙烯酸共聚物和乳液。

在实施例中，过滤介质的垫子构造为柱形形式(33)。参考图4A和4B，这可以通过将垫子(35)绕假定缠绕轴线X-X(29)卷绕或缠绕使得第一表面(25)在接触点(37)处接触第二表面而实现。表面之间的这种接触可以是连续的或不连续的接触。在可能是优选的实施例中，至少第一表面(25)是非平面的并且带有突出的回旋，并且垫子(35)被绕假设轴线X-X(29)缠绕使得第一表面(25)的突出的回旋存在于通过缠绕产生的同心层的外部(或内部，如果希望的话)。

施加的缠绕张力将根据所用的材料、回旋的类型、最终应用和其它因素而变化。然而，在实施例中，可能希望具有每泡沫宽度(英尺)大约1磅到大约40磅或每泡沫宽度(英尺)大约2磅到大约20磅的缠绕张力。在实施例中，缠绕张力可以为大约4磅/英尺。缠绕张力的修改允许由该介质产生并且被过滤的材料在经过介质时所遭受的湍流的调节。

在实施例中，垫子被以充分的缠绕张力卷绕使得形成第一表面(25)的至少一部分与第二表面的接触。如果卷绕的柱形形式(33)的层之间允许太多空间，则液体或气体材料可能以太高的速率穿过该介质而使质量传递不能处于最佳效率。在过滤介质用于从空气去除某些有气味的化合物的实施例中，当垫子卷绕成柱形形式时，可能希望保证垫子的第一表面和第二表面大致连续接触。优选地，垫子以避免形成通过过滤介质的大致任何直的管路或直接通道的方式缠绕。

在替代构造中，使用的垫子可以为多边形几何形状(诸如矩形)形式。大致类似尺寸的两个或更多个垫子可以以竖直堆叠体的方式布置在一起，例如，如图6中所示。在这种布置中，每一个垫子的每一个表面与相邻垫子的表面物理接触。垫子表面的接触程度可以通过添加或减小施加到垫子的水平压缩力被调节，该水平压缩力是沿大致横向于堆叠体的竖直轴线的轴线方向施加的压缩力。一旦单个松弛的垫子被组装在腔室内以形成反应器，该力就可以例如通过在插在腔室中之前将竖直堆叠体连线或捆绑在一起来施加，或者可以通过侧壁来施加。通过调节垫子表面之间的接触程度，可以在每一个反应器中优化通过介质的气体或液体的量和/或流量而与诸如垫子厚度、回旋的尺寸和形状、反应器的尺寸等的任何其它因素无关。

用于垫子的选定的泡沫树脂可具有一种或更多种机械特性，一旦垫子加载有生物质和流体重量，该机械特性就在过滤过程期间为垫子提供结构支撑。在实施例中，泡沫树脂具有选自大约1磅/立方英尺到大约3磅/立方英尺，替代地大约1.2磅/立方英尺到大约2.5磅/立方英尺，或者大约1.8磅/立方英尺的密度的至少一种机械特性。

另外地或替代地，可能优选的是，制成垫子的泡沫树脂具有适中的坚固性到高的坚固性。坚固性可以通过该领域中的数种方法/方案(包括确定给定材料的压陷载荷挠度)来量化。压陷载荷挠度(ILD)是以磅(lbs)为单位的使泡沫挠曲25％(按体积)所需的力。ILD是熟知的分析方法并且可以例如如ASTM D3574-95中指导的那样实施，ASTM D3574-95的内容通过引用并入这里。

在本发明的实施例中，泡沫树脂的机械特性中的一种是大约35磅到大约150磅、大约75磅到大约120磅、或大约85磅到大约105磅的压陷载荷挠度。虽然如果垫子具有充分的机械强度来承受在垫子放置到其中的特定应用中的生物质和/或添加的液体的载荷，则可能存在这些机械特性中的仅仅一个机械特性的存在性，但是可能合适的是，泡沫树脂既呈现较高的密度又呈现较大的坚固性(即，在上述参数内)。

密度和/或ILD的机械特性可以就整个垫子的泡沫树脂而言是一致的，或者该树脂可以被构想成或组装成使得机械特性从垫子的区域到区域变化。例如，如果垫子具有大致矩形棱柱的形式，可能希望泡沫树脂的机械特性存在为沿棱柱的X轴线(即，开始于第一表面上的点且终止于第二表面上的点的假想几何轴线)降低或增加的梯度。(为了清楚的目的，注意到，该几何轴线是垫子自身的轴线并且因此不同于上述缠绕轴线)。作为例子，泡沫树脂的ILD在第一表面处可以为大约100磅，然后沿几何的X轴线减小并且在第二表面处可以为大约25磅，或者泡沫树脂的孔径在第一表面处可以为大约4ppi到大约8ppi，沿几何X的轴线减小到第二表面处的大约25ppi到大约35ppi。替代地，垫子可以包括两个或更多个离散的泡沫树脂层，每一个层呈现不同大小的选定机械特性。在这种构造中，优选的是，形成柱形形式的最外(或最内)区域的垫子的层或部分是具有较大ILD和/或密度的层或部分。

泡沫树脂可以呈现其它机械或化学性质。泡沫树脂的标称孔径可以变化；它可以由特定最终应用或希望用途决定。在实施例中，泡沫树脂具有大约5孔每线性英寸(pores per liner inch:ppi)到大约70ppi、大约7ppi到大约35ppi或大约10ppi到大约25ppi的标称孔径。

泡沫树脂内的孔的标称分布也可以变化。然而，可能优选的是，孔分布是大约5到大约70，替代地，大约10到大约40。

垫子的泡沫树脂可以由纯的树脂制备。替代地，可能希望在树脂中包含各种添加剂以改善或修改性能、耐用性、水可流出性、处理和其它性质。例如，可能希望包括粘土、UV吸收剂或保护剂、杀真菌剂，抗菌成分(例如，如果对特定类型的不希望的细菌是选择性的)、着色剂、除臭剂、芳香剂、人造多羟基化合物及其组合。

本发明也包括一种用于液体或气体材料的过滤的装置。该装置可包括一个或更多个反应器模块。反应器模块包括过滤介质(如这里描述的)。在实施例中，反应器模块包括至少一个腔室。它可以为任何构造，诸如横截面为正方形，多边形或矩形或圆形。

本发明的给定装置可包括一个或更多个反应器模块，该反应器模块包含上述过滤介质并且可任选地包含盖子或覆盖件。在装置内，每一个反应器模块可以是相同的(即相同的泡沫和/或生物质类型和结构)。替代地，每一个反应器模块可以旨在去除或氧化特别的污染物并且因此必要地包含结构上不同的垫子和/或包含已经植入有已知的用来减少目标污染物的特定类型的微生物的垫子。该装置也可包括有助于该过程的效率的其它结构，诸如用于便于通过该装置的气体或液体的均匀分布的挡板；定位成允许该介质的润湿和/或其它物质到该介质的递送的喷嘴；和/或收集或消除系统。

参考图1A、图1B、图1C、图2和图3，本发明也包括用于液体和/或气体材料的过滤的装置(23)。装置(23)可包括一个或更多个反应器模块(13)和盖子(39)。在实施例中，反应器模块(13)包括以如上所述的任何变型的过滤介质(11)和腔室(1)。腔室(1)可以为大致柱形(即，当在Y-Z平面中观察时为大致圆形横截面)。该腔室包括一个或更多个侧部(7)、顶部(5)和底部(3)。该腔室(1)包括基部(9)，该基部从腔室(1)的内侧部(7)朝着腔室(1)的中心沿径向地延伸。基部(9)可以由任何合适的材料或材料的组合制成，所述材料包括金属、涂覆有或包覆有高密度聚乙烯的金属、聚丙烯或其它聚合物、聚合物、玻璃纤维加强的聚合物(诸如聚酯、尼龙、等聚酯、聚乙烯、间苯二甲酸树酯、邻苯二甲酸树脂(orthothalic resin)、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂和聚丙烯)和/或织物，并且基部(9)可以是大致对应于腔室(3)的直径的尺寸或者它可以是该尺寸的一部分，例如，它可以是“圆环式”构造、具有切口的基部、一系列叉或杆等。反应器腔室(3)和/或盖子(39)也可包括一个或更多个端口(15、19、21)，该端口用来传送液体或气体材料进出反应器模块。取决于要被过滤的材料的相(气体或液体)，该端口将用于不同的目的。如果过滤气体材料，入口端口可以在腔室的基部处位于过滤介质的下方，并且出口端口可以在腔室或盖子的上部分中位于过滤介质的至少一部分的上方。如果过滤诸如废水的液体材料，则可以使用相反的布置。

在一些实施例中，该模块可以包含一种或更多种介质(例如，在腔室内的层)。这种介质可以是相同的或者可以是不同的。例如，至少一种介质可以是本发明的介质并且其它的可以是另一种类型的介质，例如木炭、碳、木片、堆肥、玻璃纤维、纸、硅石和/或粘土。类似地，该装置可包括一个或更多个模块，每一个模块具有不同的介质或介质组。

在实施例中，基部(9)具有格栅、支撑梁、柱、线架或这些的组合的形式。选定的过滤介质(11)布置在腔室(3)内使得垫子(35)的缠绕轴线(29)大致平行于腔室(3)的侧部，并且过滤介质停留在基部(9)上的腔室(3)内。可任选地，间隔件可以放置在基部(9)和过滤介质(11)之间，和/或任何相邻地堆叠的介质之间。这种间隔件可以适于促进经受通过该介质的过滤的材料的均匀分布和/或在该材料中产生湍流。

在本发明的范围内也包括过滤气体或液体材料的方法。这种方法包括将气体或液体材料施加到上述过滤介质，优选地当这种介质布置在上述装置内时。

例如，如果要被过滤的材料是气体，则污浊空气通过端口(15)进入腔室(1)的底部，此后，在它以大致相等的向上流动速度流过过滤介质(11)的横截面之前，它在腔室(1)的底部中被均衡化。在空气流过过滤介质(11)时，空气中的有气味的和其它化合物被转移到把该化合物氧化至没有气味的化合物的微生物。过滤介质可以是分离的以在过滤介质之间包括均衡层。在空气流过过滤介质(11)时，可饮用的或大致清洁的废水流出物以均匀的流动分布被喷在过滤介质(11)的顶部上。该水用于去除氧化的微生物产物、死的微生物，提高化合物从空气到水和微生物的质量传递，并且保持微生物湿润以允许最佳生长。水流可以是间歇的或连续的。腔室(1)装配有顶(39)，并且已过滤的空气通过端口(21)离开顶(39)。

参考图6，示出了具有至少两个垫子的实施例，该至少两个垫子布置成竖直堆叠体(41)并且布置在矩形腔室(43)内，该矩形腔室具有四个壁(45、47、47’、49)和基部(不可见)。在一些实施例中，腔室(43)可包括多个竖直堆叠体(41)，该多个竖直堆叠体由它们之间的间隔件分开。图6示出一实施例，其中基部具有支撑竖直堆叠体(41)但允许滤出物(气体)穿过的结构。例如，基部可以为网格结构。图6的模块包括气体入口(53)，气体通过该气体入口进入集气室(55)，此后它穿过竖直堆叠体。在图6的特定装置中，该气体随后穿过包含过滤介质的另外的反应器模块(57)，该过滤介质由普通的活性炭、碳、活性氧化铝、木片、堆肥或其组合组成。

图6的竖直堆叠体中的单个垫子每一个均带有峰和谷回旋，该峰和谷回旋具有大约0.25英寸到大约0.75英寸的峰到谷的尺寸。腔室的侧壁47和47’在竖直堆叠体上施加大约3lb/ft到大约5lb/ft的压缩力。

参考图7(图7A和图7B)和图6，提供了显示本发明的效率和dpr去除能力的数据。在图7A和图7B中，示出的数据是以675cfm(立方英尺每分钟)被吹过反应器的空气的结果,这导致7秒的空床停留时间。借助气体记录仪(OdaLog)对进入反应器装置的空气的硫化氢(H₂S)浓度和通过排气烟囱离开反应器的空气的硫化氢(H₂S)浓度每10秒钟进行测量。图7A和图7B示出在7秒的空床停留时间下对于相同数据来说入口和出口H₂S浓度对时间、以及去除效率对时间的关系。

本领域技术人员将理解，可以对上述实施例作出改变而不偏离其广义的发明构思。因此，应当理解，本发明不限于公开的特别实施例，而是意图涵盖由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改。