CN101448562A - 用于带有浸入式隔膜的水过滤系统的、且包括设置有用于注入气体的机构和至少一个压力平衡系统的底板的曝气装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于带有浸入式隔膜(9)的水过滤系统的曝气装置，该装置被设计成大体上安装在所述隔膜(9)的下方。曝气装置包括底板(1)，该底板将上部腔室(11)与下部腔室(10)分隔开，其中，所述隔膜(9)被浸入到上部腔室中，下部腔室包括用于对被处理液体(12)进行供送的装置、以及用于供送曝气气体(6)的装置，所述底板(1)上设置有多个滤器(2)以及至少一个用于对所述上部腔室(11)与下部腔室(10)之间压力(5)进行平衡的系统；每个滤器(2)都具有基本上为管状的元件(13)，其穿过所述底板(1)，且其上部具有至少一个孔口(4)，而且，在所述的上部上安装了形成空气腔室的元件(3)。

Description

用于带有浸入式隔膜的水过滤系统的、且包括设置有用于注入气体的机构和至少一个压力平衡系统的底板的曝气装置
技术领域
本发明涉及水处理领域。更具体而言，本发明涉及一种用于注入气体的装置，其用于对浸没在被过滤介质中的过滤隔膜执行清通处理。
背景技术
按照现有的过滤技术，过滤系统包括垂直浸没的隔膜，这些隔膜成组地组合成基本为圆柱形、平行六面体、或矩形的模块。一般情况下，这些模块包括由有机材料制成的平面隔膜或中空的纤维隔膜，这些隔膜塞满了模块的至少一个端部处。
在从隔膜外部朝向隔膜内部的抽吸作用下，被处理的液体受到了过滤。
这些隔膜通常是微过滤隔膜或超过滤隔膜。
本发明特别适用于这样的装置：在该装置中，隔膜被布置在垂直位置上，但本发明也适用于隔膜被以水平位置浸入的过滤装置。
尤其是，这些浸入式隔膜系统被用于对水进行处理，使其适于作为饮用供水，其中的目的在于固留水中的悬浮污染物、或者阻止微观微生物(原生动物)—例如似隐孢菌类(cryptosporidium)或贾第鞭毛虫、细菌和/或病毒、或者固留粉末状的试剂或催化剂，其中的试剂或催化剂例如是活性碳粉末或矾土，在隔膜的上游位置，这些物质被注入到水处理管线中。
这种类型的隔膜还被用于浸没在膜生物反应器(常被称为“MBRs”)中，作为用于对由反应器中悬浮生物体量处理过的废水进行澄清的措施，并作为用于将生物体量保留在反应器中的措施。
隔膜模块通常被组合到一起来形成格架或箱盒，且为格架或箱盒的所有模块都设置了支撑件或共同的连接件。
在现有的浸入式隔膜过滤系统中，存在这样的问题：隔膜逐渐地会被所过滤的材料(其被称为泥渣)堵塞—特别是对于含有活化污泥的生物反应器中的浸没隔膜而言。
事实上，隔膜逐渐会被俘集在其表面上的泥渣所堵塞，甚至在严重阻塞的情况下，隔膜会被蓄积的泥渣和/或纤维材料所堵塞，其中的纤维材料或者是被纤维捆束所俘获(在使用中空纤维隔膜的情况下)，或者是阻堵在各个隔膜元件之间(在使用平面隔膜的情况下)。
这种堵塞状况需要执行清通操作，通常情况下是借助于反向过滤(或“反向清洗”)操作、利用渗透作用来进行，该操作使用或者不使用化学试剂，或者，通过对隔膜执行化学清洗来完成操作。
最为常见的情况是：在隔膜模块的下部部分处，按照连续或周期性的方式注入气体(一般是空气)，以此来对隔膜执行清通操作和/或延迟隔膜堵塞的发生。
所注入的气泡沿着纤维或平面隔膜以一定速度上升，这趋于阻止物质材料在隔膜上的沉积，进而减缓了过滤隔膜的堵塞速度。
这种效果的原因在于如下的事实：所注入气泡的上升形成了强烈的紊流，或多或少地对邻近的纤维进行扰搅，从而利用所注入空气的作用对纤维或平面隔膜执行了机械清理，这最终能延迟隔膜的堵塞。
人们已提出了各种方法来执行将这样的清通气体注入的操作。
按照一种现有的技术，气体被直接注入到位于下部填塞层下方的封闭腔室中，其中，在下部填塞层中，中空纤维的捆束被紧塞在一起，利用阀或经过调校的孔口口将空气在各个模块之间进行分配，而后，空气进入到设置在纤维捆束下部填塞层中的孔口中。
采用这种系统会引发注入孔口的迅速堵塞。事实上，每次停止注入气体时，被处理的部分介质就会进入到这些孔口中，而在重新恢复注入气体时，以这种方式带入的泥渣就会被干燥，从而导致了孔口的快速污染或阻塞。
按照另一种现有技术，要被过滤的介质和清通气体都是经设置在中空纤维捆束下部填塞层中的孔口注入的。
在理论上，这种系统实现了如下的优势：避免了在进入到孔口中的气体的作用下、沉积在孔口中的泥渣被干燥。
按照又一种现有技术，中空纤维的捆束被垂直地浸入到要被过滤的介质(例如是MBR的活化污泥)中，且利用设置有孔眼的管道将清通空气供送到各个模块的下方，其中的孔眼允许空气进行流动。
注入到模块下方的空气进入到模块中，然后在模块中沿着中空纤维上升，而后经侧旁或设置在模块上部填塞层中的类似孔口排出。
在这些现有技术中，这种气体注入模式的一个缺点在于：在泥渣/空气混合区域，由于泥渣(或大颗粒、纤维等物质，这些物质由要被处理的液体输送来)的沉积，位于隔膜捆束底部的注入孔口逐渐地被堵塞。
因此，这种现象将逐渐地导致对气体的分配变差，气体在每个模块底部或各个模块之间的分配成为不均匀的，最终将加速了那些受清通气体清理不佳的部分纤维捆束或平面隔膜出现堵塞。
为了解决上述的缺陷，现有技术提出了另一种技术方案，该方案被公开在专利公开文件FR-2869552中。
按照这种解决方案，清通气体注入装置与防止向上流动的装置相关联，从而可阻止要被处理的液体与注入装置相接触。
这些防上流装置可由如下部件组成：
-套管，其以紧密的方式安装在注入喷嘴上，并形成了至少一条可弹性变形的通道，其中，在喷嘴中，当清通气体的压力超过预定压力时，该通道的型廓分离开，而当清通气体的压力低于该预定压力时，通道的型廓是触接起来的；
-喷嘴安全阀，所述阀可在注入气体的开通位置与密封位置之间移动，且该安全阀与复位装置相联接。
在理论上，这种解决方案是有效的。
在实际情况中，在与被处理液体中或多或少带有腐蚀性的组成成分相接触的条件下，套管的可变形材料会发生变质。在此情况下，套管可能丧失一定的弹性，而且经过长时间以后，其弹性可能不再能完成紧密安装的作用，因而，其相对于注入喷嘴的保护功能也丧失了。
对这些阀而言，其自身也可能是被污染的目标，在阀处于密封位置时，这将易于造成严密性的丧失，长期来看，相对于由这些阀对喷嘴进行保护的预期目的，这种状况也会导致效能的丧失。
因而，可以看出，这些装置的功能都与套管和阀的如下共性方面相关联：它们的部件可以运动，从而它们可从保护位置改变为允许清通气体流过的位置。
但是，如上文介绍的那样，采用可动部件的设计将牵涉到保护装置出现性能恶化的风险，其中的保护装置包括所述的可动部件。
此外，在前述FR-2869552中公开的方案特别是针对于这样的过滤装置：在该装置中，至少在下部填塞层中，隔膜被紧塞到一起，且注入装置被设置成穿过所述填塞层。
但是，隔膜的填塞是一种特殊的技术，所以希望隔膜过滤装置能采用其它类型的设计。
作为普遍性的规律，对于浸入式隔膜过滤方法的正常工作很重要的隔膜清通气体会带来很大的额外成本，这是因为水处理工厂总能量消耗中的很大比例部分是由其消耗的。
如上所述，当前的大部分系统使用了穿孔的曝气斜坡；而经过一段时间后，曝气孔眼通常易于被堵塞，这就需要装配通常很复杂的曝气器清通系统。
因而，为了防止出现这种固体蓄积的情况，最好是保持足够大的孔眼尺寸，以防止孔眼出现堵塞，而这样作或者会导致空气消耗量的增大，或者会降低空气分配的均匀性。
按照现有解决方案的另一个已知缺陷，泥渣(混合有液体)通常是经单个入口供送到反应器中的，因而，其在反应器中的分布性差。在此情况下，解决方案是采用大的供送管道。但是，这样作被证明是高成本的解决方案。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的缺陷。
更具体而言，本发明的目的是为浸入式水处理系统提供一种隔膜曝气技术，该技术消除了现有技术的解决方案所遇到的、清通气体注入装置所存在的效能丧失现象。
本发明的目的还在于提供一种可保持其稳定性的技术。
本发明的目的还在于提供这样一种过滤装置：其能令人满意地在隔膜(中空纤维或平面纤维)的底部对清通气体进行分配。
本发明的另一个目的在于提供这样一种技术：其预计将能降低浸入式隔膜生物反应器的运行成本。
本发明的再一个目的在于提供一种过滤装置，其设计简单、且易于使用。
借助于本发明可实现上述目的、以及其它一些可从下文显现出的目的，本发明涉及一种用于水过滤系统的曝气装置，其中，该系统被用于浸入式隔膜生物反应器，该曝气装置被设计成大体上安装在所述隔膜的下方，所述曝气装置的特征在于：其包括底板，该底板将上部腔室与下部腔室分隔开，其中，所述隔膜被浸入到上部腔室中，下部腔室包括用于对被处理液体进行供送的装置、以及用于供送曝气气体的装置，所述底板上设置有多个滤器以及至少一个用于对所述上部腔室与下部腔室之间压力进行平衡的系统；每个滤器都具有基本上为管状的元件，其穿过所述底板，且其上部具有至少一个孔口，而且，在所述的上部上安装了形成空气腔室的元件。
按照这种方式，借助于本发明，获得了一种曝气装置，在该装置中，由于滤器的孔口从不与受处理的液体相接触，所以，滤器能持续地保持其效能。
在使用效果上，借助于带有气体、且将滤器孔口隔绝开的护罩，使得液体不与滤器的孔口相接触，因此，固体材料不会沉积到孔口上。因而，由这些沉积物造成的阻塞现象得以消除。
由于消除了滤器堵塞的风险、或者至少限制了这样的情况，所以能减小滤器孔口的直径，结果就是，可减小空气的分配量。按照这种方式，在确保了装置的效率至少等于现有技术方案效率的同时，还能限制与空气分配相关的能量消耗，因而降低了装备有本发明装置的设备的运行成本。
此外，与按照现有技术的解决方案相比，采用底板的设计能改善对清通气体的分布。
另外，对清通气体分布的优化控制有助于控制与气体分配所用能耗相关的成本。
此外，特别是与上文提到的、现有技术中的穿孔管道或紧塞曝气系统相比，根据本发明的装置还能降低曝气装置的制造成本，因而能降低配备有该曝气装置的反应器的成本。
按照一种有利的技术方案，用于供送曝气气体的所述装置通向所述下部腔室，用于对被处理的所述液体进行供送的所述装置通向远方区域，该区域远离用于供送曝气装置的所述装置，且位于该装置的下方，所述平衡系统包括至少一根管体，其在底板的下方沿朝向所述远方区域的方向突伸。
按照这种方式，就能在底板的下方获得空气薄层，在曝气过程中，该空气薄层特别是带来了如下的优点：防止任何液体经滤器向上上升。
当曝气操作被中断时，该空气薄层消失。但是，(例如借助于平衡管体而实现的)压力平衡状况能保留一定量的气体，这些气体被护罩所蓄留，围绕着滤器的孔口，防止任何液体经该孔口上升。
此外，在曝气过程中，如上文所述那样对平衡管体进行布置的方案能实现如下的可能性：保持着空气薄层，同时将被处理的液体从比空气薄层深的区域经底板供送上来。
有利地是，每个形成空气腔室的元件的下边缘都具有至少一个凹缺，最好是，每个形成空气腔室的元件都具有四个倒V形的凹缺，这些凹缺规则地分布在这些元件的下边缘上。
按照这种方式，借助于合适尺寸的凹缺，能形成中等尺寸和/或大尺寸的气泡，这将改善对隔膜的搅扰，因而改善对其的清通作用。
根据一种有利的解决方案，所述滤器被固定在所述底板上。
底板的使用可有利于曝气装置的维护操作，滤器可按照可拆卸的方式固定在底板上。滤器可被容易地进行更改或更换—例如如果需要改变空气流率的话。采用穿孔管体曝气装置是无法实现这一点的。
有利地是，所述滤器被均匀地分布在所述底板上。
可以清楚地认识到：按照这样的设计方式，清通气体能实现均匀地分配。
优选地是，所述系统包括多个管体，这些管体在所述底板上基本均匀地分布。
平衡管体还起到了这样的作用：向上部腔室供送被处理的液体，按照这种方式，能实现被处理液体在反应器中的均匀分配，从而能将液体均匀地分布到隔膜上(由此能防止某些隔膜所起作用大于其它隔膜的作用，因而导致非均匀性的能效损失)。
有利地是，所述平衡管体被对称地分布在所述底板上。
根据第一种实施方式，各个滤器的空气腔室都将各个对应管状元件的上部部分密封，所述孔口被设置在管体的侧壁上。
根据第二种实施方式，各个滤器的空气腔室都被设置为距离各个对应的管状元件有一定距离，所述孔口被设置在管体的轴线上。
按照另一个特征，曝气装置形成了独立的模块。
本发明还涉及一种用于水处理操作的浸入式隔膜系统，其包括上部腔室，在该腔室中安装了隔膜、用于供送曝气气体的装置、以及用于供送被处理液体的装置，该系统的特征在于：其设置有至少一个如上所述的曝气装置，用于供送曝气气体的所述装置与用于供送被处理液体的所述装置被设置在所述曝气装置所述底板的下方。
根据一种优选的实施方式，所述上部腔室包括至少一个带有穿孔的壁板，其中的穿孔构成了贯通壁板的通道。
附图说明
通过阅读下文对本发明两种优选实施方式的描述以及附图，可更加清楚地认识到本发明的其它特点和优点，其中，优选实施方式是作为示例性、但非限定性的实例，在附图中：
图1中示意性的剖视图表示了根据本发明的装置，图中该装置处于曝气阶段；
图2中的示意性剖视图表示了根据本发明的装置在处于曝气关闭阶段时的情形；
图3是根据本发明装置中的底板的示意性俯视图；
图4是根据本发明的装置中的滤器的剖视图，该滤器是根据第一实施方式的滤器；以及
图5是根据本发明的装置中的滤器的剖视图，该滤器是根据第二实施方式的滤器。
具体实施方式
如上所述，本发明的原理在于设计了一种用于浸入式隔膜反应操作的曝气装置，其为底板的形式，且带有至少一根压力平衡管体，其位于由底板分隔开的上部腔室与下部腔室之间，滤器被安装在底板上，在滤器中，孔口受到保护而不会接触到受处理的液体。
需要指出的是，不论所使用的隔膜系统是什么样的(平面隔膜、中空纤维隔膜或管状隔膜)，都能应用本发明，通过利用装备有滤器的曝气底板，能对所有的隔膜或部分隔膜、或者一个或多个模块执行曝气操作。
根据本发明的曝气系统能有效地限制隔膜的堵塞现象，除此之外，其主要的优点在于：尽管所使用的隔膜罐箱(上部腔室)内泥渣的浓度很高，但隔膜不会被堵塞。
图1和图2表示出了曝气底板的工作原理。
底板1是由混凝土板或用其它材料(例如PVC)制成的板件、以及滤器2和平衡管体5的交错结构构成的，其中，底板被布置在生物反应器中。
因而，反应器被底板1分隔成了上部腔室11和下部腔室10，上部腔室中具有隔膜9。
在曝气底板的下方，在下部腔室中，经过导管12对被处理的液体执行注入操作，同时，经导管6对空气执行注入操作。
平衡管体5能允许受处理的液体经底板1从下部腔室10自由地流向底板的上部腔室11。
滤器被用于对隔膜模块9执行曝气操作。
如图3所示，曝气滤器2在底板上是规则布置的，从而能利用空气向布置在底板上方的隔膜模块提供均匀的曝气作用。如果设置了多根平衡管体，则这些平衡管体也是规则分布的—例如为交错的分布形式。滤器和平衡管体可如图所示那样进行分布，并可根据应用情况对这些部件的数目和性质作重大的改变。
作为指标示例，滤器之间的相互分离距离约为200mm，管体5之间的分离距离约为300mm。在注入空气的过程中(见图1)，由各个滤器的曝气管孔口所造成的压力降能在底板的下方维持着空气薄层8(根据注入空气的流率，其厚度在1cm到30cm之间)，因而阻止任何液体在管体中上升。
所形成的空气腔室、以及位于其底部的小开孔使得空气能均匀地分配，此处，空气表现为大气泡7的形式。
当执行曝气操作时，平衡管体5还被用于使被处理的液体(例如用于隔膜生物反应器的活性污泥)形成均匀分布。在此情况下，利用重复循环操作将被处理液体注入到下部腔室中，然后使其流经平衡孔而到达隔膜模块中。
当停止执行曝气操作时(见图2)，空气薄层8消失，空气经孔口散逸出去，借助于平衡管体(如没有该平衡管体，仅在压力平衡作用下，被处理的液体就会被吸入到滤器中，因而与孔口相接触)，两个腔室(上部腔室11和下部腔室10)在压力方面达到平衡。
因而，一定量的空气仍然被蓄留在空气腔室的下方和曝气管体中，而管体的延伸长度达到空气腔室的整个高度。这就能防止被处理的液体与曝气管体的孔口之间发生任何接触，因而消除了发生任何堵塞的可能性。
此外，当曝气操作被关断时，可继续供应受处理的液体，且不会造成液体在曝气滤器中上升，所述滤器由被蓄留住的空气进行保护。
图4和图5更为详细地表示了滤器2的构造，滤器2是由中心管状元件13构成的，该元件的上部设置了孔口4，管体13的顶部安装了护罩3。
按照图5所示的实施方式，孔口4被设置在管体13的侧壁上，在此情况下，护罩3被直接安装在管体13的上端上，以便于对其进行封闭。
按照图4所示的实施方式，孔口4被设置在管体13的端壁131上，且大体上位于管体的轴线上。这样，护罩3就与管体13的端壁31分离开了。
应当指出的是：平衡管体5在底板1的下方延伸，由此使其下端通入到下部腔室10的一定区域中，该区域的深度基本上对应着用于供送受处理液体的导管12通入腔室处的深度。
按照这种方式，空气注入导管6被布置在导管12的上方，且与其距离一定距离，这样就能获得足够厚度的空气薄层8，以防止出现液体在滤器中上升的风险。
优选地是，空气注入导管6的开口直接位于底板1的附近。
包括根据本发明的如上所述装置的过滤装置可由独立的模块构成。
按照水处理设施的一种优选布局设计，所述设施包括几个装备有曝气装置的独立装置，且各个装置的上部腔室都通过流道14相互连通。

Claims (13)

1.一种用于带有浸入式隔膜(9)的水过滤系统的曝气装置，该装置被设计成大体上安装在所述隔膜(9)的下方，其特征在于：其包括底板(1)，该底板将上部腔室(11)与下部腔室(10)分隔开，其中，所述隔膜(9)被浸入到上部腔室中，下部腔室包括用于对被处理液体(12)进行供送的装置、以及用于供送曝气气体(6)的装置，所述底板(1)设置有多个滤器(2)以及至少一个用于对所述上部腔室(11)与下部腔室(10)之间压力(5)进行平衡的系统；每个滤器(2)都具有基本上为管状的元件(13)，该管状的元件穿过所述底板(1)，且该管状的元件的上部具有至少一个孔口(4)，而且，在所述的上部上安装了形成空气腔室的元件(3)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：用于供送曝气气体的所述装置(6)通向所述下部腔室(10)，用于对被处理的所述液体进行供送的所述装置(12)通向远方区域，该区域远离用于供送曝气装置的所述装置(6)，且位于该装置的下方，所述压力平衡管体(5)包括至少一根管体，该管体在底板(1)的下方沿朝向所述远方区域的方向突伸。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：每个形成空气腔室的元件(3)的下边缘都具有至少一个凹缺。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：每个形成空气腔室的元件(3)都具有四个倒V形的凹缺(31)，这些凹缺规则地分布在元件的下边缘上。
5.根据上述权利要求之一所述的曝气装置，其特征在于：所述滤器(2)被固定在所述底板(1)上。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：所述滤器(2)被均匀地分布在所述底板(1)上。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：其包括多个压力平衡管体(5)，这些管体在所述底板(1)上基本均匀地分布。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于：所述滤器(2)和/或所述压力平衡管体(5)被对称地分布在所述底板(1)上。
9.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：各个滤器(2)的空气腔室(3)都将各个对应管状元件(13)的上部部分密封，所述孔口(4)被设置在管体(13)的侧壁上。
10.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：各个滤器(2)的空气腔室(3)都被设置为距离各个对应的管状元件(13)有一定距离，所述孔口(4)被设置在管体的轴线上。
11.根据权利要求1到10之一所述的装置，其特征在于：该装置形成了独立的模块。
12.一种用于水处理操作的浸入式隔膜系统，其包括上部腔室(11)，在该腔室中安装了隔膜(9)、用于供送曝气气体的装置(6)、以及用于供送被处理液体的装置(9)，其特征在于：该系统设置有至少一个根据权利要求1到10之一所述的曝气装置，用于供送曝气气体的所述装置(6)与用于供送被处理液体的所述装置(12)被设置在所述曝气装置所述底板(1)的下方。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于：所述上部腔室(11)包括至少一个带有穿孔的壁板，其中的穿孔构成了贯通壁板的通道(14)。
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