CN103180031B - 过滤系统和过滤方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种过滤系统和过滤方法，它们能通过预处理工艺将过滤膜的污染最小化，并且，可以通过单个过滤单元使用过滤膜执行预处理过程和过滤过程，从而消除对用于预处理的单独空间和设备的需要。本发明的过滤系统包括向水中供应微细气泡的微细气泡供应单元。将待将由在过滤单元中形成的动态过滤层处理的水通过微细气泡的浮动供应到所述过滤单元，来进行预处理。

Description

过滤系统和过滤方法

技术领域

本发明涉及过滤系统和过滤方法，尤其涉及能避免对用于预处理的单独的和附加的空间以及设备的任何需要、防止过滤膜的污染、并且有效清洁被污染的过滤膜的过滤系统和过滤方法。

背景技术

与通过加热或相变进行分离的方法相比，使用过滤膜的分离方法具有很多优点。其中一个优点是工艺的高可靠性，通过控制过滤膜的微孔大小而实现这种可靠性，于是能稳定地得到期望质量的水。而且，由于过滤膜不需要加热处理，所以可以在使用可能会受到热的不利影响的微生物的水处理中方便地使用过滤膜。

然而，由于通过过滤膜执行过滤工艺，从而杂质会导致过滤膜的污染，因而降低过滤膜的渗透性。

虽然可以对过滤膜执行清洗（如反洗（backwashing）、曝气（aeration）及类似的方式）以解决过滤膜的污染问题，但是这类清洗的局限性在于：其是从已经被污染的过滤膜上去除杂质，因此其作用仅仅是事后补救。

因而，为彻底地最小化过滤膜的污染，可以想到的是，在用过滤膜过滤之前，执行作为先行手段的预处理，以从给水中去除相对大的固体物质。

然而，这样的预处理也很成问题，因为它需要单独的和附加的空间以及设备，因而增加了过滤成本。

发明内容

技术问题

因此，本发明涉及能防止现有技术的这些局限和缺点的过滤系统和过滤方法。

本发明的一个方面是提供一种过滤系统和过滤方法，能通过预处理最小化过滤膜污染、并且在单个过滤单元中使用过滤膜执行预处理和过滤，于是能避免对用于预处理的单独的和附加的空间以及设备的任何需要。

本发明的另一方面是提供一种过滤系统，能最大化地利用为了曝气清洗模块盒中的中空纤维膜而供应的微细气泡。

本发明的另外一个方面是提供一种过滤系统和过滤方法，不仅能够防止过滤膜污染本身而且能有效清洗已污染的过滤膜。

本发明的附加优点、目的和特征将在随后的说明书中加以阐述，对于本领域的技术人员而言，在研究了以下内容之后，其部分内容将会变得清楚，或者可以通过本发明的实施得以领悟。通过所撰写的说明书和本发明的权利要求书以及附图中所具体指出的结构，可以实现和获得本发明的这些和其它的优点。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种过滤系统，包括：过滤单元，为待将处理的给水提供空间；微细气泡供应器，为给水提供微细气泡；过滤膜，当所述微细气泡在给水中上升时接触到所述过滤膜；以及给水供应器，通过动态过滤层为所述过滤单元提供给水，当微细气泡的上升时所述动态过滤层形成在所述过滤单元中。

根据本发明的另一方面，提供了一种过滤系统，包括：模块盒，包括给水入口、微细气泡入口、以及滤出液出口；给水供应器，通过所述给水入口向所述模块盒内提供待将处理的给水；微细气泡供应器，通过所述微细气泡入口向所述模块盒中的给水提供微细气泡；在所述模块盒中的固定构件，所述固定构件将滤出液出口与给水的空间物理地阻隔开，于是阻止了所述给水通过所述滤出液出口从模块盒排出；在所述模块盒中的中空纤维膜，其中，所述中空纤维膜的两端都被装入到固定构件中并且是开口的，于是所述中空纤维膜与所述滤出液出口流体连通；以及泵，通过所述滤出液出口向中空纤维膜的内腔施加负压。

根据本发明的又一方面，提供了一种过滤方法，包括：预处理待将处理的给水；以及用过滤膜过滤被预处理过的给水，其中，所述预处理和所述过滤是在单个过滤单元中进行的。

上面提供的一般描述以及下面提供的详细描述仅仅是为了对本发明进行说明而提供，并且它们被解读为提供了在权利要求中限定的本发明的更详细说明。

技术效果

依据本发明，可以通过预处理将过滤膜的污染最小化。同时，在单个过滤单元中使用过滤膜执行预处理和过滤，于是能避免对用于预处理的单独的和附加的空间以及设备的任何需要。

而且，由于不但可以经济有效地防止过滤膜的污染，而且可以对曾经被污染的过滤膜执行伴随灭菌效果的清洗，所以本发明的过滤系统和过滤方法可以提高过滤膜的过滤能力并延长反洗周期和恢复清洗周期。

本发明的其他优点将在下面与相关的技术特征一起详细描述。

附图说明

当结合附图时，从下面的详细描述中，将能更清晰理解本发明的上述和其它目的、特征和其他优点，其中：

图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的过滤系统；

图2示意性地示出了根据本发明第二实施例的过滤系统；

图3示意性地示出了根据本发明第三实施例的过滤系统。

具体实施方式

本领域技术人员会领会到，在不脱离本发明的范围和思想内可以进行各种修改、添加和替换。因此，本发明包括所有落入本发明权利要求所描述范围内及其等同范围内的所有替换和修改。

这里使用的术语“正常气泡”定义为具有大于100μm直径的气泡。正常气泡在水中以较高的速度上升，在水面破裂，并最后消失。

这里使用的术语“微细气泡”定义为具有100μm或更小直径的气泡。微细气泡可以划分为具有1μm到100μm直径的微米气泡和直径小于1μm的纳米气泡。微米气泡在水中以相对低的速度上升，由此消失较慢。纳米气泡可以在水中停留数月。

下面，将参考附图详细描述依据本发明实施例的过滤系统和过滤方法。

图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的过滤系统。

如图1所示，本发明的第一实施例的过滤系统100包括为待将处理的给水提供空间的过滤单元110。过滤单元110可以是个水槽。

将过滤膜120浸入到过滤单元110中的给水中。过滤膜120可以是中空纤维膜或平板膜。将来自第一泵P1的负压施加到过滤膜120内部，于是仅有液体渗透过滤膜120，而将如杂质和污泥的固体成分从液体分离。换言之，将来自第一泵P1的负压施加到过滤膜120以产生滤出液。

本发明的过滤系统100包括为过滤单元110中的给水提供微细气泡的微细气泡供应器130。

本发明的微细气泡供应器130可以包括空气溶解单元131，它接收空气和部分通过过滤膜120产生的滤出液，并将空气溶解到滤出液中以产生溶解了空气的滤出液。

本发明的微细气泡供应器130还可以包括喷嘴132，它从空气溶解单元131接收溶解了空气的滤出液并将溶解了空气的滤出液喷出以产生微细气泡。如图1所示，喷嘴132可以布置在过滤单元110内部并在过滤膜120的下面。

另外，根据本发明的第一实施例的过滤系统100还可以包括正常气泡供应器140。正常气泡供应器140可以包括吹风机141和从吹风机141接收空气的曝气管142，并产生正常气泡。如图1所示，曝气管142可以布置在过滤单元110内部并在喷嘴132的下面。

本发明的过滤系统100包括为过滤单元110提供给水的给水供应器。给水过滤器可以包括用于存储给水的给水水箱160，以及用来将给水从给水水箱160运送到过滤单元110的第二泵P2。

下面，将详细描述本发明的第一实施例的过滤系统的过滤过程。

首先，使用泵P2将给水水箱160中的给水运送到过滤单元110。

喷嘴132将微细气泡喷入过滤单元110中的给水中。微细气泡可以是微米气泡、纳米气泡、或它们的混合。

微细气泡在给水中缓慢上升。此时，由于杂质和微细气泡间的吸附力和微细气泡的表面张力，给水中的杂质与微细气泡一起向水面上升。结果，在过滤单元110中给水的表面上或附近形成了包括微细气泡和各种杂质的动态过滤层150。

随着时间推移，新的微细气泡和杂质加入到动态过滤层150，并且已有的微细气泡消失。即，动态过滤层150的形状和大小是不断变化的。

在微细气泡中纳米气泡的比率越高，动态过滤层150越厚并越稳定。

如图1所示，根据本发明的第一实施例，正常气泡以相对高的速度从在喷嘴132下面的曝气管142向水面上升。快速上升的正常气泡引导微细气泡（特别是纳米气泡）上升。

同时，第一泵P1在过滤膜120的内部供应负压因而产生滤出液。部分产生的滤出液流向空气溶解单元131。空气溶解单元131通过另一路径接收空气，将空气溶解在滤出液中以产生溶解了空气的滤出液，并且接着将溶解了空气的滤出液供应给喷嘴132。

通过喷嘴132产生的微细气泡在上升时可能会接触或附着到过滤膜120的表面，因而阻止其他杂质附着在过滤膜120的表面。而且，因为随着时间推移，微细气泡（特别是纳米气泡）破裂并导致温度迅速上升，从而也能预期到会产生杀菌作用。上面描述的微细气泡的清洗和杀菌作用能够长时间保持过滤膜120的过滤能力。

同时，当使用第二泵P2将给水从给水水箱160运送到过滤单元110时，给水穿过动态过滤层150。由于在表面具有如粒状污染物和胶状物的污染物的微细气泡具有电动电势（zeta potential）时，这些微细气泡能与给水供应器供应的给水中的污染物相互作用，因而对给水执行第一次过滤，即预处理。

由于用上面所描述的系统和方法来执行预处理，从而可以使过滤膜120的污染最小化，并且可以在单个过滤单元110中使用过滤膜120执行预处理和过滤。

图2示意性地示出了根据本发明第二实施例的过滤系统。

如图2所示，依据本发明的第二实施例的过滤系统200包括为待将处理的给水提供空间的过滤单元210。过滤单元210可以是装有中空纤维膜的盒体。

使用第一固定构件241和第二固定构件242将过滤膜220固定在过滤单元210内。如图2所示，过滤膜220可以是中空的纤维膜。在过滤单元210的下部的第二固定构件242具有多个孔H，给水可以流过这些孔。

过滤系统200包括为过滤单元210提供给水的给水供应器。给水供应器可以包括用于存储给水的给水水箱260，以及用来将给水从给水水箱260运送到过滤单元210的第三泵P3。

随着通过第三泵P3加压的给水连续地供应到过滤单元210，仅有液体渗透过滤膜220，而将例如杂质和污泥的固体成分从液体分离。即，随着被第三泵P3加压的给水流入过滤单元210，液体渗透过滤膜220以产生滤出液。

根据本发明第二实施例的过滤系统200包括为过滤单元210中的给水提供微细气泡的微细气泡供应器230。

本发明的微细气泡供应器230可以包括空气溶解单元231，它接收空气和部分通过过滤膜220产生的滤出液，并将空气溶解到滤出液中以产生溶解了空气的滤出液。

微细气泡供应器230还可以包括喷嘴232，它从空气溶解单元231接收溶解了空气的滤出液并将溶解了空气的滤出液喷出，以产生微细气泡。如图2所示，喷嘴232可以布置在过滤单元210的外部，并且通过管道可以将微细气泡供应到过滤单元210的给水中。

下面，将详细描述本发明第二实施例的过滤系统200的过滤过程。

首先，当通过第三泵P3对过滤单元210加压时，给水水箱260中的给水流入过滤单元210。

将来自微细气泡供应器230的微细气泡提供到过滤单元210中的给水中。微细气泡可以是微米气泡、纳米气泡、或它们的混合。

微细气泡通过第二固定构件242的通孔H，并在给水中缓慢上升。此时，由于给水中的杂质和微细气泡之间的吸附力，给水中的杂质和微细气泡一起向水面上升。于是，在过滤单元210中的给水表面上（即第一固定构件241的正下方）形成了包括微细气泡和各种粒状污染物的动态过滤层250。

随着时间推移，新的微细气泡和杂质加入到动态过滤层250中，并且已有的微细气泡消失。即，动态过滤层250的形状和大小是不断变化的。

过滤膜220产生的部分滤出液流入空气溶解单元231。空气溶解单元231通过另外一个路径接收空气，将空气溶解在滤出液中以产生溶解了空气的滤出液，并且接着将溶解了空气的滤出液供应给喷嘴232。

通过管道将喷嘴232产生的微细气泡提供到过滤单元210中。当微细气泡在通过第二固定构件242的通孔H后在给水中上升时，微细气泡可能会接触或附着到过滤膜220的表面，因而阻止其他杂质附着到过滤膜220的表面。而且，因为随着时间推移，微细气泡（特别是纳米气泡）破裂并导致温度迅速上升，从而也能预期到会产生杀菌作用。上面描述的微细气泡的清洗和杀菌作用能够长时间保持过滤膜220的过滤能力。

当使用第三泵P3将给水从给水水箱260运送到过滤单元210时，给水穿过动态过滤层250。由于附着了污染物（如粒状污染物和胶状物）的微细气泡具有电动电势，这些微细气泡能与给水供应器供应的给水中的污染物相互作用，因而对给水执行第一次过滤，即预处理。

由于用上面所描述的系统以及方法来执行预处理，从而可以使过滤膜220的污染最小化，并且可以在单个过滤单元210中使用过滤膜220执行预处理和过滤。

同时，根据本发明的第二实施例的过滤系统200可能具有下述缺点。

首先，在过滤过程中，新的微细气泡和杂质不断加入动态过滤层250，同时，曾经在动态过滤层250中存在的微细气泡随着时间推移会消失。微细气泡的消散导致在过滤单元210中的第一固定构件241和动态过滤层250之间形成空气层。

空气层的形成导致部分过滤膜220被暴露到空气中。当高压的给水流入过滤单元210时，空气层的压力也增加。由此，空气穿透了暴露到空气中的那部分过滤膜220，并阻碍通过过滤膜220产生滤出液。

通过应用交叉流（cross-flow）形式，可以在一定程度上阻止空气层的形成，根据该形式，当给水流入过滤单元210时，将冷凝水和空气通过出口(未显示)从过滤单元210中同时排出。然而，交叉流形式的负担在于流入过滤单元210的给水的压力应该更高。

其次，在高压压缩空气时产生的微细气泡，即在高压下溶解进水中的空气，会跑出到正常压力下的大气中。因此，如果将这种微细气泡供应到过滤单元210的给水中，这种微细气泡可能被再次溶解到高压给水中并消失。即，如果将微细气泡供给到过滤单元210的给水中并由此处于高压状态下，则微细气泡很可能再次溶解到水中。结果，当将用微细气泡进行曝气清洗应用到压力型过滤时，会具有不能希望得到满意的曝气效果的缺点。

下面，将参考附图3详细描述根据本发明第三实施例的过滤系统，它可以避免和克服根据本发明的第二实施例的过滤系统200的缺陷。

图3示意性地示出了根据本发明第三实施例的过滤系统。

如图3所示，根据本发明第三实施例的过滤系统300包括模块盒310，作为为待将处理的给水提供空间的过滤单元。模块盒310包括给水入口311、微细气泡入口312、以及滤出液出口313。模块盒310还可以包括用于排出向给水的表面上升的污染物的第一出口314，以及用于排出当执行过滤时产生的冷凝水的第二出口315。

在模块盒310中存在固定构件340。固定构件340将滤出液出口313与给水的空间物理地分隔开，于是防止了在模块盒310中的给水通过滤出液出口313从模块盒310排出。

过滤系统300包括模块盒310中的中空纤维膜320。中空纤维膜320的两端都装入到固定构件340中。即，当模块盒310中存在中空纤维膜320时，中空纤维膜320被固定。中空纤维膜320的两端是开口的，从而中空纤维膜320可以与滤出液出口313流体连通。

如图3所示，由于固定构件340布置在模块盒310的下部，并且中空纤维膜320的两端都装入到固定构件340中，从而即使由于在过滤期间微细气泡消失而在模块盒310的上部形成了空气层时，也可以将全部中空纤维膜320维持在给水中而不被暴露在空气中。因而，可以防止因为中空纤维膜320中流入了空气而妨碍过滤。

依据本发明的第三实施例的过滤系统300还包括用于通过滤出液出口313对中空纤维膜320的内腔施加负压的泵P5。当通过泵P5施加负压时，仅有液体渗透过滤膜320，而将如杂质和污泥的固体成分从液体分离。通过滤出液出口313从模块盒310排出进入中空纤维膜320内腔的滤出液。

过滤系统300还包括通过给水入口311将待将处理的给水提供到模块盒310的给水供应器，以及通过微细气泡入口312将微细气泡提供到模块盒310的给水中的微细气泡供应器330。

给水供应器可以包括用于存储给水的给水水箱360和用于将给水从给水水箱360运送到模块盒310的泵P4。泵P4只提供将给水运送到模块盒310的压力水平。

即，与将压力相对高的给水供应给过滤单元的加压型过滤系统相反，在本发明的第三实施例的过滤系统300中，供应到模块盒310的给水的压力不是那么高，其中在过滤系统300包括为中空纤维膜320提供负压的泵P5来代替。在供应负压时，在中空纤维膜320的内部和外部之间产生了压力差，于是执行过滤过程。结果，能将微细气泡溶解到给水中的概率最小化，因为微细气泡被供应到压力不是那么高的给水中，并因此可以最大化地利用为曝气清洗在模块盒310中的中空纤维膜320而供应的微细气泡。

微细气泡供应器330可以包括空气溶解单元331，它接收空气和部分通过中空过滤膜320产生的滤出液，并将空气溶解到滤出液中以产生溶解了空气的滤出液；以及喷嘴332，它从空气溶解单元331接收溶解了空气的滤出液并将溶解了空气的滤出液喷出，以产生微细气泡。如图3所示，喷嘴332可以布置在过滤单元310的外部，并且通过分离管道可以将微细气泡供应到过滤单元310中的给水中。

下面，将详细描述根据本发明的第三实施例的过滤系统300的过滤过程。

首先，使用泵P4将给水水箱360中的给水运送到模块盒310中。

泵P5为中空纤维膜320的内腔供应负压，于是只有给水中的液体可以渗透中空纤维膜320，并且在给水中的杂质可以从液体分离。

通过过滤过程产生的部分滤出液流向空气溶解单元331，并且将其余滤出液通过滤出液出口313从模块盒310排出。空气溶解单元331通过另外一个路径接收空气，将空气溶解到滤出液中以产生溶解了空气的滤出液，并且接着将溶解了空气的滤出液供应给喷嘴332。

通过管道（未示出）以及微细气泡入口312将喷嘴332产生的微细气泡提供到模块盒310。微细气泡可以是微米气泡、纳米气泡、或者他们的混合。

当微细气泡在给水中缓慢上升时，部分微细气泡附着到中空纤维膜的表面，因而阻止其他污染物附着在中空纤维膜的表面。因为随着时间推移，微细气泡（特别是纳米气泡）破裂导致了温度迅速上升，也能预期到会产生杀菌作用。上面描述的微细气泡的清洗和杀菌作用能够长时间保持中空纤维膜320的过滤能力。

因为吸附力，在给水中的杂质附着到在给水中缓慢上升的部分微细气泡上，并与之一起向水面上升。于是，在过滤单元310中的给水表面上（接近模块盒310的上部）形成包括微细气泡和各种粒状污染物的动态过滤膜350。

随着时间推移，新的微细气泡和污染物加入到动态过滤层350中，并且已有的微细气泡同时消失，以在模块盒310上部形成空气层。

可选地，可以用这样的方式控制从给水供应器供应的给水供应量，在过滤过程中，将动态过滤层350的位置保持在比模块盒310的给水入口311低的位置。在这种情况下，即使在动态过滤层350中微细气泡消散，空气层总是存在于模块盒310的上部。而且，因为流过给水入口的给水首先穿过动态过滤层，所以可以使用动态过滤层350来执行给水的预处理。即，可以在单个模块盒310中执行使用动态过滤层350进行预处理和使用中空纤维膜320进行过滤。

下面将总结上述根据本发明的第一到第三实施例的过滤系统和过滤方法。

本发明的过滤方法包括预处理待将处理的给水，以及用过滤膜过滤预处理过的给水。其中，预处理和过滤是在单个过滤单元中进行的。

对给水进行预处理可以包括：在过滤单元中待将处理的给水的表面上形成动态过滤层，以及通过该动态过滤层向过滤单元内供应待将处理的给水。

动态过滤层的形成可以包括向给水供应微细气泡。微细气泡的供应可以包括：将空气溶解到通过过滤步骤产生的滤出液中，并且喷出溶解了空气的滤出液以产生微细气泡。

Claims (11)

1.一种过滤系统，包括：

过滤单元，为待将处理的给水提供空间；

微细气泡供应器，为所述给水提供微细气泡，所述微细气泡的直径为100μm或小于100μm；

过滤膜，当所述微细气泡在所述给水中上升时接触到所述过滤膜；以及

给水供应器，通过动态过滤层为所述过滤单元提供所述给水，当所述微细气泡上升时所述动态过滤层形成在所述过滤单元中。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：将所述微细气泡从所述微细气泡供应器运送到所述过滤单元中的所述给水的管道。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述微细气泡供应器包括：

空气溶解单元，将空气溶解到所述过滤膜产生的滤出液中；以及

喷嘴，从所述空气溶解单元接收溶解了空气的滤出液，将所述溶解了空气的滤出液喷出，因而产生所述微细气泡。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述喷嘴布置在所述过滤单元中。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括：在所述喷嘴下的曝气管，所述曝气管产生正常气泡，所述正常气泡的直径大于100μm。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过滤单元是包括给水入口、微细气泡入口、以及滤出液出口的模块盒，

其中，所述过滤膜是所述模块盒中的中空纤维膜，

其中，所述给水供应器通过所述给水入口将所述给水提供到所述模块盒，以及

其中，所述微细气泡供应器通过所述微细气泡入口将所述微细气泡提供到所述模块盒的所述给水中。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括：在所述模块盒中的固定构件，

其中，所述中空纤维膜的两端都被装入到所述固定构件中，

其中，所述固定构件将所述滤出液出口与所述给水的空间物理地阻隔开，于是阻止了所述给水通过所述滤出液出口从所述模块盒排出，并且

其中，装入在所述固定构件中的所述中空纤维膜的两端是开口的，于是所述中空纤维膜与所述滤出液出口流体连通。

8.根据权利要求7所述的系统，还包括：通过所述滤出液出口对所述中空纤维膜的内腔施加负压的泵。

9.一种过滤系统，包括：

模块盒，包括给水入口、微细气泡入口、以及滤出液出口；

给水供应器，通过所述给水入口向所述模块盒提供待将处理的给水；

微细气泡供应器，通过所述微细气泡入口向所述模块盒中的所述给水提供微细气泡，所述微细气泡的直径为100μm或小于100μm，因此随着所述微细气泡的上升能够在所述给水的顶部表面处形成动态过滤层；

在所述模块盒中的固定构件，所述固定构件将所述滤出液出口与所述给水的空间物理地阻隔开，于是阻止了所述给水通过所述滤出液出口从所述模块盒排出；

在所述模块盒中的中空纤维膜，其中，所述中空纤维膜的两端都被装入到所述固定构件中并且是开口的，于是所述中空纤维膜与所述滤出液出口流体连通；以及

泵，通过所述滤出液出口向所述中空纤维膜的内腔施加负压。

10.一种过滤方法，包括：

预处理待将处理的给水；以及

用过滤膜过滤被预处理过的给水，

其中，所述预处理和所述过滤是在单个过滤单元中进行的，

其中，所述预处理包括：

在所述过滤单元中的所述给水的表面上形成动态过滤层；以及

通过所述动态过滤层向所述过滤单元内供应所述待将处理的给水，

并且，其中，所述动态过滤层的形成包括向所述给水供应微细气泡，所述微细气泡的直径为100μm或小于100μm。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述微细气泡的供应包括：

将空气溶解到通过所述过滤产生的滤出液中；以及

喷出溶解了空气的所述滤出液以产生所述微细气泡。