CN102361682B - 过滤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相比过滤膜组件的曝气清洁所消耗的能量有助于最大化清洁效率并最小化曝气管的水平依赖性的过滤系统，所述过滤系统包括位于多个过滤膜组件下方的第一和第二曝气管，其中，第一和第二曝气管之间的距离和曝气孔的直径限制在预定范围内。

Description

过滤系统

技术领域

本发明涉及一种过滤系统，更具体地，涉及一种相比过滤膜组件的曝气清洁所消耗的能量有助于最大化清洁效率并最小化曝气管的水平依赖性的过滤系统。

背景技术

使用膜的分离方法比基于加热或相变的方法有很多优势。这些优势之一是水处理的可靠性高，因为通过调节膜孔的大小能够容易而稳定地达到所要求的水的纯度。此外，由于使用膜的分离方法不需要加热过程，因此，膜可以与对分离过程有用但会受到加热的负面影响的微生物一起使用。

中空纤维膜组件中的一种是浸入填充有待处理液体的水罐中的抽吸式中空纤维膜组件(或者可以称作内压式中空纤维膜)。负压作用到中空纤维膜内部，由此使得只有液体穿过每个膜的壁，而阻挡诸如杂质和泥渣之类的固体成分。该抽吸式中空纤维膜组件的优点在于，制造成本相对低并且由于不需要用于循环液体的设备从而降低安装和维护成本。然而，抽吸式中空纤维膜组件具有单位时间的流量受限的缺点。

与抽吸式中空纤维膜组件相反，有外压式中空纤维膜组件。对于外压式中空纤维膜组件，外部压力作用到待处理液体。虽然外压式中空纤维膜组件需要用于循环液体的设备，但是外压式中空纤维膜组件中单位时间的流量相对大于抽吸式中空纤维膜组件中单位时间的流量。

当利用过滤膜组件过滤悬浮有包括固体成分的污染物的液体时，过滤膜可以因污染物而容易地被污染，由此导致过滤膜的透水性低。这里，由于各种类型的污染物以各种方式污染过滤膜，因此必须用各种方法清洗过滤膜。根据清洗的目的，被污染的过滤膜的清洗方法可以大体被分为维持清洗和恢复清洗。

当过滤膜组件由于在水处理罐中长期使用而积累的污染物使膜的渗透性能严重下降时进行恢复清洗。恢复清洗的主要目的是恢复膜的渗透性能。

维持清洗的主要目的是保持过滤膜的良好的渗透性。维持清洗主要在水处理期间或水处理暂时停止之后经由诸如反流过程或曝气过程的物理清洗进行。物理清洗可以划分为反流过程和曝气过程。

反流过程通过使空气或水在水处理暂时停止期间反向流过膜而从膜表面除去杂质。曝气过程通过经由从位于膜下方的曝气管喷射的空气产生上升的空气泡并且使填充在水处理罐中的水上升和循环，而从膜表面除去杂质。

对于维持清洁的曝气过程，鼓风机通常用于喷射空气。在此情形中，由于为了过滤操作的曝气清洁需要持续驱动鼓风机，因此不可避免地导致巨大的能量消耗。然而，没有关于对比能量消耗最大化曝气效果的方法，即，最大化曝气效率的方法的研究。

对于喷射用于曝气清洁的空气的曝气管来说，由于喷射的空气的反作用，可能无法保持曝气管的初始水平状态。当曝气管未保持在用于曝气清洁的水平状态时，从曝气管喷射的空气集中朝向一个方向供应，由此难以均匀地清洁整个过滤膜。为了克服此问题，曝气管应该准确地保持在水平状态。然而，由于过滤系统因从曝气管喷射的空气而振动，因此几乎不可能使曝气管保持在水平状态。在这点上，即使曝气管在某种程度上未保持在水平状态，也需要研究最小化从曝气管喷射出的空气的集中供应的方法，即，最小化曝气管的水平依赖性的方法。

发明内容

技术问题

因此，本发明涉及基本避免因现有技术的限制和缺点所导致的一个或多个问题的过滤系统和方法。

本发明的一个方面提供一种过滤系统，其有助于获得对比过滤膜组件的曝气清洁所消耗的能量的最大的清洁效率。

本发明的另一方面提供过滤系统，其有助于最小化曝气管的水平依赖性。

本发明的其它优点、目的和特征将在下面的说明中部分地给出，并且对于本领域普通技术人员来说，部分地通过查阅下文或从实践本发明来了解而变得显而易见。通过在说明书和本文的权利要求以及附图中所具体指出的结构可以实现和获得本发明的目的和其它优点。

技术方案

为了达到这些目的和其他优点并与本发明的目的相一致，如在此具体和概括描述的，提供一种过滤系统，包括：多个过滤膜组件；第一曝气管，位于所述多个过滤膜组件下方；第二曝气管，紧邻所述第一曝气管，所述第二曝气管位于所述多个过滤膜组件下方，其中，所述第一曝气管包括多个第一曝气孔，所述多个第一曝气孔包括第一参考曝气孔，其中在所述第一曝气孔中所述第一参考曝气孔最靠近所述第二曝气管，其中，所述第二曝气管包括多个第二曝气孔，所述多个第二曝气孔包括第二参考曝气孔，其中在所述第二曝气孔中所述第二参考曝气孔最靠近所述第一参考曝气孔，并且其中，调节所述第一考曝气孔和第二参考曝气孔之间的距离以满足下述公式1：

[公式1]

0.9·2·(H+d)·tan(θ/2)≤D≤1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)

其中，“D”是所述第一参考曝气孔和所述第二参考曝气孔之间的距离(m)，“H”是过滤膜组件的高度(m)，“d”是所述第一参考曝气孔和所述过滤膜组件之间的距离(m)，“θ”是曝气角。

在本发明的另一方面，提供一种过滤系统，包括：过滤膜组件；第一曝气管和第二曝气管，所述第一曝气管和第二曝气管相邻，并且位于所述过滤膜组件下方；其中，所述第一曝气管包括多个第一曝气孔，所述多个第一曝气孔沿所述第一曝气管的纵向成列布置，其中，所述多个第一曝气孔包括在所述第一曝气孔中最靠近所述第二曝气管的第一参考曝气孔，其中，所述第二曝气管包括多个第二曝气孔，所述多个第二曝气孔沿所述第二曝气管的纵向成列布置，其中，所述多个第二曝气孔包括在所述第二曝气孔中最靠近所述第一参考曝气孔的第二参考曝气孔，并且其中，所述第一曝气孔之间的距离以及所述第二曝气孔之间的距离等于或小于所述第一参考曝气孔和所述第二参考曝气孔之间的距离。

在本发明的另一方面，提供一种过滤系统，包括：过滤膜组件；以及曝气管，包括多个曝气孔，所述曝气管位于所述过滤膜组件下方，其中，所述曝气孔的直径为5mm至7mm。

应该理解，前面的一般性描述和下面的具体描述都是示例性和说明性的，旨在提供对所主张的本发明的进一步说明。

有益效果

根据本发明的过滤系统，优化了曝气管之间距离，从而可以最大化清洁效率并在执行维持清洁或曝气清洁的同时最小化用于清洁的能量消耗。

此外，最小化了曝气管的水平依赖性，由此可以完整和均匀地清洁过滤膜。

附图说明

所包括的用于进一步解释本发明的附图，结合在说明书中并构成本说明书的一部分，阐明了本发明的实施例，并与所述描述一起用来说明本发明的原理。

图1图示了根据本发明一个实施例的示例性过滤系统；

图2和图3图示了曝气管中的曝气孔的示例性布置；

图4图示了曝气管之间的距离过大的过滤系统；

图5图示了曝气管之间的距离过小的过滤系统；

图6图示了曝气管之间的距离最佳的过滤系统；

图7是示出消耗的能量(换流器频率，Hz)随曝气孔所喷射的空气流量(L/min)的增加而变化的图表；

图8是在曝气管的直径为8mm的气孔设置为与水处理罐的底面成5°角的情况下当空气以400L/min的空气流量喷射时，对水的表面拍照所获得的照片图像；

图9是在曝气管的直径为5mm的气孔设置为与水处理罐的底面成5°角的情况下当空气以400L/min的空气流量喷射时，对水的表面拍照所获得的照片图像。

具体实施方式

对本领域技术人员显然的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种改进和变型。因此，本发明意在涵盖本发明的改进和变型，只要这些改进和变型落在所附的权利要求及其等同物的范围内。

在下文中，将参照附图描述根据本发明的过滤系统。

对于本发明的以下描述，过滤膜组件以中空纤维膜组件进行说明，但是不限于此类型。例如，本发明可以应用到各种过滤膜组件，包括扁平型组件和中空纤维膜组件。

本发明的技术构思可以同一地用于通过两端集水型和通过一端集水型，其中通过两端集水型使用两个联管箱(header)，以从中空纤维膜的两端收集渗透物，通过一端集水型使用一个联管箱，以从中空纤维膜的一端收集渗透物。

图1示出了根据本发明的一个实施例的示例性过滤系统。

如图1所示，根据本发明的过滤系统100包括多个过滤膜组件110。每个过滤膜组件110可以是使用一束中空纤维膜作为过滤膜的中空纤维膜组件，或者可以是使用扁平型膜作为过滤膜的扁平型组件。这里，中空纤维膜组件具有大的表面积。考虑到所占空间，中空纤维膜组件的水处理效率相对高于扁平型组件的水处理效率。

图1图示了浸入式过滤膜组件，其中，在过滤膜浸入水处理罐(未示出)中的待处理液体中的情况下执行过滤过程。对于浸入式过滤膜组件，负压作用在过滤膜内部，由此只有液体穿过过滤膜选择性地透入，从而从液体中分离杂质或诸如泥渣的固体物质。

根据本发明的一个实施例的过滤膜组件110可以是中空纤维膜组件。更具体地，根据本发明的一个实施例的过滤膜组件110可以是垂直型中空纤维膜组件或水平型中空纤维膜组件，在垂直型中空纤维膜组件中，中空纤维膜的纵向垂直于水处理罐的底面，在水平型中空纤维膜组件中，中空纤维膜的纵向平行于水处理罐的底面。

根据本发明的过滤膜组件110可以设置有与框架(未示出)结合的多个组件。通过多个过滤膜组件110获得的渗透水经由通用管道130供应到渗透水存储罐(未示出)。

当使用过滤膜组件110过滤悬浮有包括物体物质的污染物的污/废水时，过滤膜的表面被污染物污染，由此随着水处理的进行透水性会显著降低。因此，优选执行曝气过程的维持清洁以保持通过过滤膜组件110进行水处理的过滤膜的良好的渗透性。

为了执行用于防止过滤膜的表面被污染的曝气过程，根据本发明的过滤系统100进一步包括位于过滤膜组件110下方的多个曝气管120。多个曝气管120可以平行地布置。多个曝气管120经由通用管道140供应有来自空气源(未示出)(例如鼓风机)的空气。

多个曝气孔121形成在曝气管120中。引入曝气管的空气经由多个曝气孔121向上朝向过滤膜组件110喷射。

图2和图3图示了曝气管120中的曝气孔121的不同布置。

对于根据本发明第一实施例的曝气管120，如图2所示，曝气孔121沿曝气管120的纵向成直线布置。

如图3所示，根据本发明的第二实施例的曝气管120包括沿曝气管120的纵向成直线布置的多对曝气孔122。每对曝气孔122包括两个曝气孔122a、122b，其中两个曝气孔122a、122b与曝气管120的纵向垂直地成直线形成。因此，根据本发明的第二实施例的曝气管120能够朝过滤膜组件110喷射更多的空气，由此更加有利于形成防止过滤膜受污染的湍流。

根据本发明的过滤系统100的曝气管120可以仅设置有根据本发明第一实施例的曝气管120，仅设置有根据本发明第二实施例的曝气管120，或者设置有交替布置的根据本发明的第一和第二实施例的曝气管120。

如上所述，对于曝气过程的维持清洁，空气通过用于过滤过程的曝气管120连续喷出，由此导致巨大的能量消耗。因此，需要相比能量消耗最大化曝气效率。基于本发明人的研究，已知曝气效率与曝气管120之间的距离密切相关，这将参考图4至6进行说明。

图4图示了曝气管120之间的距离过大的过滤系统。图5图示了曝气管120之间的距离过小的过滤系统；图6图示了曝气管20之间的距离最佳的过滤系统。

在图4至图6中示出的曝气管120中，多对曝气孔122沿曝气管120的纵向成直线布置。通过曝气孔122a、122b喷射的空气在待处理液体中产生气泡，并且所述气泡以预定角度(在下文中，称作“曝气角”)朝向过滤膜组件110上升，由此从过滤膜的表面分离污染物。

如图4所示，当曝气管120之间的距离过大时，更具体地，互相挨着的相邻的曝气管120的曝气孔122a、122b之间的距离过大时，曝气管120的数量减少，从而使得在一定程度上有利于曝气能量。然而由曝气管120产生并朝向过滤膜组件110上升的气泡直到到达过滤膜组件110的最上端才与过滤膜组件110相遇。结果是，存在未与上升气泡接触的过滤膜。这意味着过滤系统的一些过滤膜易受污染，这导致随着水处理的进行渗透流速迅速下降。

如图5所示，当曝气管120之间的距离过小时，更具体地，互相挨着的相邻的曝气管120的曝气孔122a、122b之间的距离过小时，由曝气管120产生并朝向过滤膜组件110上升的气泡在到达过滤膜组件110的最上端之前重叠。因此，所有过滤膜都与来自曝气管120的上升气泡接触，从而有利于防止过滤膜被污染。然而，超过需要的气泡在到达过滤膜组件的最上端之前穿过上升气泡重叠的空间，从而导致能量浪费。

如图6所示，考虑到曝气效率，最优选的是与以预定曝气角度(θ)上升的气泡在它们到达过滤膜组件110的最上端时相遇。因此，根据允许误差为10％的本发明，如下调节相邻的曝气管120的曝气孔122a、122b之间的距离。

在位于过滤膜组件110下方的曝气管120中，两个相邻的曝气管120被称作第一和第二曝气管。

多个第一曝气孔122形成在第一曝气管120中，其中，多个第一曝气孔122包括第一参考曝气孔(h1)。第一参考曝气孔(h1)表示第一曝气孔122中最靠近第二曝气管120的曝气孔。此外，多个第二曝气孔122形成在第二曝气管120中，其中，多个第二曝气孔122包括第二参考曝气孔(h2)。第二参考曝气孔(h2)表示第二曝气孔122中最靠近第一参考曝气孔(h1)的曝气孔。

调节第一和第二参考曝气孔(h1、h2)之间的距离以满足下述公式1。

[公式1]

0.9·2·(H+d)·tan(θ/2)≤D≤1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)

其中，“D”是第一和第二参考曝气孔(h1、h2)之间的距离(m)；“H”是过滤膜组件110的高度(m)；“d”是第一参考曝气孔(h1)和过滤膜组件110之间的距离(m)；“θ”是曝气角。

根据本发明的一个实施例，过滤膜组件110的高度(H)为1.8m；第一参考曝气孔(h1)和过滤膜组件110之间的距离(d)为0.1m；曝气角(θ)为2.9°；第一和第二参考曝气孔(h1、h2)之间的距离(D)为0.096m。

在曝气管120的纵向上相邻的曝气孔122之间的距离可以等于或小于第一和第二参考曝气孔(h1、h2)之间的距离。在此情形中，由于从在曝气管120的纵向上相邻的曝气孔122产生的气泡在它们到达过滤膜组件110的最上端之前重叠，因此可以完全防止过滤膜被污染。在消耗的能量方面，即使在曝气管120中的曝气孔122的数量增加，消耗的能量的增加也可忽略不计。因此，即使在曝气管120的纵向上相邻的曝气孔122之间的距离等于或小于第一和第二参考曝气孔(h1、h2)之间的距离，消耗的能量也不会显著增加。

通过下面的试验，本发明人可以知道与曝气孔121、122的直径密切相关的用于曝气过程的能量消耗量。

首先，准备三种曝气管，它们的曝气孔直径分别为8mm、5mm和3mm。在每个曝气管中相邻曝气孔之间的距离都为100mm。在所有其他条件都保持相同的情况下，分别测量三种曝气管中消耗的能量(换流器频率，Hz)根据从通气孔喷射的空气流量(L/min)的增加的变化，其中，测量结果在图7的图表中示出。

如从图7的图表所知，从曝气孔喷出相同空气流量(例如以400L/min喷出空气)所需的能量，在曝气孔的直径为3mm时极大，在曝气孔的直径为8mm时上述能量最小。就是说，基于上述结果，考虑到能量的消耗量，优选提供具有直径不小于5mm的曝气孔的过滤系统。

如果曝气孔的直径过大，则曝气管的水平依赖性变大，从而不能确保对整个过滤膜进行均匀的清洗，下面将对此进行详细说明。

如上所述，间或地，由于所喷射空气的反作用，喷射用于曝气的空气的曝气管120可能不会保持在初始水平状态。如果曝气过程中曝气管120未保持水平状态，则从通气管喷出的空气集中供应到一个方向，从而不能实现对整个过滤膜的均匀清洗。

通过下面的试验可知，已知当曝气管未保持在水平状态时，从曝气管120喷出的空气的集中供应，即，曝气管120的水平依赖性与曝气孔121、122的直径大小密切相关。

首先，准备两种曝气管，它们的曝气孔直径分别为8mm和5mm。在每个曝气管中相邻曝气孔之间的距离都为100mm。在所有其他条件都保持相同的情况下，曝气管被设置为与水处理罐的底面约成5°角，然后空气以400L/min喷出。之后，对水的表面进行拍摄，在图8和图9中示出。

如从图8和图9可知，当空气在具有直径为8mm的曝气孔的曝气管设置为与水处理罐的底面约成5°角的情况下喷出时，喷射的空气集中朝向一个方向供应。同时，当空气在具有直径为5mm的曝气孔的曝气管设置为与水处理罐的底面约成5°角的情况下喷出时，喷射的空气仅以微小的集中倾向均匀地供应。

根据本发明，优选提供直径为5mm至7mm的曝气孔121、122，从而降低用于经由曝气孔121、122喷射相同空气流量所消耗的能量并最小化曝气管120的水平依赖性。

Claims (10)

1.一种过滤系统，包括：

多个过滤膜组件；

第一曝气管，位于所述多个过滤膜组件下方；以及

第二曝气管，紧邻所述第一曝气管，所述第二曝气管位于所述多个过滤膜组件下方，

其中，所述第一曝气管包括多个第一曝气孔，所述多个第一曝气孔包括第一参考曝气孔，其中在所述第一曝气孔中所述第一参考曝气孔最靠近所述第二曝气管，

其中，所述第二曝气管包括多个第二曝气孔，所述多个第二曝气孔包括第二参考曝气孔，其中在所述第二曝气孔中所述第二参考曝气孔最靠近所述第一参考曝气孔，并且

其中，调节所述第一参考曝气孔和第二参考曝气孔之间的距离以满足下述公式1：

[公式1]

0.9·2·(H+d)·tan(θ/2)≤D≤1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)

其中，“D”是所述第一参考曝气孔和所述第二参考曝气孔之间的距离m，“H”是过滤膜组件的高度m，“d”是所述第一参考曝气孔和所述过滤膜组件之间的距离m，“θ”是曝气角。

2.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述过滤膜组件是中空纤维膜组件。

3.如权利要求2所述的过滤系统，其中，所述中空纤维膜组件是垂直型中空纤维膜组件，在该中空纤维膜组件中，中空纤维膜的纵向垂直于水处理罐的底面。

4.如权利要求2所述的过滤系统，其中，所述中空纤维膜组件是水平型中空纤维膜组件，在该中空纤维膜组件中，中空纤维膜的纵向平行于水处理罐的底面。

5.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述过滤膜组件是扁平型组件。

6.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述第一曝气孔和所述第二曝气孔分别沿所述第一曝气管和所述第二曝气管的纵向成直线布置。

7.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述第一曝气孔包括多对第一曝气孔，每对都包括与所述第一曝气管的纵向垂直的成直线形成的两个所述第一曝气孔。

8.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述第二曝气孔包括多对第二曝气孔，每对都包括与所述第二曝气管的纵向垂直的成直线形成的两个所述第二曝气孔。

9.如权利要求1所述的过滤系统，其中，在所述第一曝气管的纵向上相邻的所述第一曝气孔之间的距离，以及在所述第二曝气管的纵向上相邻的所述第二曝气孔之间的距离等于或小于所述第一参考曝气孔和所述第二参考曝气孔之间的距离。

10.如权利要求1所述的过滤系统，其中，所述第一曝气孔和所述第二曝气孔中的每个的直径都为5mm至7mm。