CN104245081A - 利用局部反冲洗引入和预处理的集成单元 - Google Patents

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Abstract

过滤介质的局部反冲洗部分允许引入和预处理单元的简单且有效的设计以及其集成。罩子用于限制过滤介质的部分并使用来自相邻过滤介质的过滤的水作为反冲洗的水，通过抽吸局部地反冲洗它们。少量产生允许有效的污泥处理的废水。该设计能够使水在引入单元处进行预处理，简化了整个装置设计且防止破坏在引入单元外面生存的有机体。

Description

利用局部反冲洗引入和预处理的集成单元
技术领域
本发明涉及水处理领域，且更具体地，涉及过滤系统。
背景
水处理系统诸如海水淡化设施和渗透发电装置(由例如海水对河水的渗透压的差而产生能量的设施)包括用于将来自其源头(例如，海或河)的水传送到系统的引入单元、以及用于从被传送的水移除漂浮和溶解物质的预处理单元，以便制备水以用于主要的膜处理(membrane process)。
两种类型的引入单元是开放引入部和渗透引入部(或渗透廊道(infiltration gallery))。开放引入部将水从源头经管道直接吸入。开放引入部通常采用筛网(screen mesh)过滤掉大碎片并防止鱼或其他海洋生物被吸入泵中。然而，具有低于2cm的宽度的数以百万计的鱼类和其它小的海洋有机体被吸进管道中，导致对环境和设施两者相当大的破坏。对被困在引入筛中且淹没或窒息的大型水生有机体诸如鱼或蟹和被吸到引入系统中且被装置装备杀死的小型海洋有机体诸如鱼、鱼卵、幼虫或浮游生物都造成破坏。
渗透引入部或廊道通过水平排水系统的安装在海底建造。排水系统被置于天然过滤介质沙子中，且海水由沙子缓慢过滤。该介质由海浪和暴风雨天然地清理。水平排水系统将水传送到位于海岸上的泵站。渗透廊道尽管保护海洋环境，但只可安装在具有天然形成的沙子的区域中。另一个主要的限制是这些系统随着时间的推移堵塞，且清理它们是非常困难的，或在某些情况下是不可能的。堵塞的介质以两个数量级(例如从10m3/hr到0.1m3/hr)减少经过系统的吞吐量。
预处理单元采用由排水层支撑的过滤介质层。水引入到过滤介质上，并通过流经过滤介质进行预处理，由过滤介质去除漂浮和溶解物质。过滤介质由被去除的物质逐渐堵塞，并且定期的整体反冲洗用来清理过滤介质。整体反冲洗产生造成环境和技术问题的大量的废水。反冲洗过程还涉及中断过滤操作，且这也是主要的缺点。
这种整体反冲洗系统在图1A中阐述。图1A阐述了用于反冲洗过滤器90的现有技术的过滤清理方法，其用于将水91通过过滤介质92过滤到支撑过滤介质92的排水层96(下排水)中。该过滤清理方法使用反冲洗水的外部源头，反冲洗水经过整个过滤器90泵送以整体地反冲洗过滤器(见箭头)。反冲洗水然后在重力作用下通过排放通道132除去。大量的反冲洗水需要使用在过滤介质92上的高水位的水91(在图1中由H表示)的过滤操作以允许过滤介质的扩张，在此过程中污泥从过滤介质颗粒释放。由于基底必须支撑大的压力，所以大的水头必然有严重的结构影响。因此，现有技术的反冲洗系统受到严重的限制。明显地，该反冲洗的方法对于渗透引入部是不可应用的，由于其对于水源(诸如海或河)是开放的且使用反冲洗水的源头的污染是很难接受的。
简要概述
本发明的一个方面提供了反冲洗具有由排水层支撑的过滤介质层的过滤系统的方法。该方法包括：通过以下步骤按顺序反冲洗过滤介质的部分体积(ⅰ)一旦罩子(enclosure)的敞开的下端浸入过滤介质中，通过减小罩子的上部中的空气压力，使罩子下沉到过滤介质中直到罩子支撑在排水层上，以将过滤介质的部分体积包围在罩子内，(ⅱ)在通过在过滤系统中罩子外部的过滤介质的整体过滤的连续操作中，通过在罩子的上部产生抽吸，产生包围在罩子中的过滤介质的部分体积的局部反冲洗，其引起水流从罩子的上部通过管道系统到达排放结构，其中水流引入到从排水层过滤水的过滤介质的包围的部分体积的下端，其扩张包围的过滤介质并从其释放污泥到水流，以及(ⅲ)将罩子提升到过滤介质的表面之上以通过在罩子的上部中注入空气且增加空气压力来释放过滤介质的反冲洗的包围的体积，以使罩子漂浮在过滤介质上。
附图简述
为了更好地理解本发明的实施方式并展示实施方式可以如何实施，现将仅仅通过示例的方式参考附图，其中相同的数字表示完全对应的元件或部分。
在附图中：
图1B示意性地阐述了根据本发明的一些实施方式的在关于现有技术提出的局部反冲洗设备和方法背后的观点；
图2是阐述根据本发明的一些实施方式的用于水处理装置的集成的引入和预处理单元的示意框图；
图3A-3E示意性地阐述了根据本发明的一些实施方式的局部反冲洗设备在过滤系统内的操作；
图4A-4C示意性地阐述了根据本发明的一些实施方式的用于水处理装置的集成的引入和预处理单元，水处理装置具有用于局部反冲洗设备的支撑结构的各种配置；以及
图5是阐述根据本发明的一些实施方式的给水处理装置提供水以及反冲洗过滤系统的方法的示意流程图。
详细描述
现具体参考详细的附图，强调显示的细节是通过示例的方式且仅出于本发明的优选实施方式的阐述性讨论的目的，且为了提供被认为是本发明的原理和概念方面最有用且容易理解的描述而展现。在这点上，没有试图更详细地显示本发明的结构细节而是对本发明的基本理解所必须的，结合附图描述使得对于本领域技术人员而言，本发明的若干种形式可以如何在实践中实施是明显的。
在详细地解释本发明的至少一种实施方式之前，将要理解的是，本发明不局限于其应用到以下描述中阐述的或附图中图示的结构细节和组件的布置。本发明可应用于其他实施方式或者以各种方式实践或执行，且仅由所附权利要求限定。另外，将理解的是，本文采用的措辞和术语是用于描述的目的且不应被视为限制。
下面阐述了过滤系统和用于执行水处理单元(也包括水引入单元和水预处理单元)的局部或点反冲洗的设备，水处理单元使用过滤介质层(例如，使用沙子的沙过滤器)过滤水。该设备在过滤介质的表面上移动且在它的不同部分处连续地插入，以最终反冲洗过滤介质的整个体积。
该设备包括沉入到过滤介质中且包围过滤介质的一部分的罩子(可以支撑在桥、塔、起重机或者浮动平台上)。罩子支撑在过滤介质的底部处的排水结构上。使罩子下沉是通过降低在其上部的空气压力实施的。
一旦沉入到过滤介质中，则罩子的上部中的降低的空气压力用来启动罩子中的抽吸，抽吸扩张了过滤介质的被包围的部分且从其移除带有污泥的水。通过过滤的水从罩子外部的周围过滤介质进入罩子，水被供给到罩子中，作为整体连续在水处理单元中过滤(通过过滤系统中罩子外部的过滤介质)。罩子允许水位的局部上升，当在整个系统规模上看时，不产生大的水头，且因此不需要大规模的结构调整。的确，使用局部反冲洗允许在过滤介质上的水位降低，简化了整个系统的构造。
在带有污泥的水被移除之后，过滤介质的所包围的部分被允许沉淀，且罩子通过增加其上部的空气压力而提升离开过滤介质。基于该增加，罩子漂浮且移到过滤器的另一个区域。
因此，若干益处得以实现。第一，水处理装置的设计通过使用集成了引入和预处理功能代替具有两个单独单元的单一过滤系统被简化。第二，由于通过局部反冲洗设备和方法使较低的水头成为可能，所以过滤单元具有比现有技术的预处理单元好的设计。第三，反冲洗过程更有效，使用更少量的水，避免反冲洗水和纳污废水两者的大的外部蓄水池的使用，且允许在局部反冲洗过程中过滤系统的连续操作。第四，从源头引入水而不损害源头中生存的有机体是可能的，因为过滤系统是柔和的(没有强力的抽吸而是柔和流经过滤介质)，且还以有效的方式防止了阻塞。
以下附图图解地阐述了该系统和方法。
图1B示意性地阐述了根据本发明的一些实施方式的在关于现有技术(图1A)提出的局部反冲洗设备110和方法200(图5)背后的观点，且图2是阐述根据本发明的一些实施方式的用于水处理装置60的集成的引入和预处理单元100的示意框图。
参考图2，集成的引入和预处理单元100包括具有局部反冲洗设备110的过滤系统99，过滤系统99被配置成将来自水源70的水供应到水处理装置60。例如，水处理装置60可以是脱盐装置且水源70可以是海，或水处理装置60可以是渗透发电装置，当水源70分别是海(或洋)和河时，通过海水集成引入和预处理单元100接收海水且通过河水集成引入和预处理单元100接收河水。水处理装置60可以是任何其他类型的设施，例如，饮水器具设施、灌溉设施或从天然水体中移出水的任何其他系统。水处理装置60用由集成的引入和预处理单元100接收的水操作而不需要任何进一步的预处理。
用于过滤系统99的局部反冲洗设备110包括(图2)：罩子119，其用于实施局部反冲洗(见图3A-3E和5)；支撑结构105，其可移动地支撑罩子119，支撑结构105(见图4A-4C)被配置成将罩子119定位在表面上的指定位置处；气动系统140，其与罩子119的上部流体连通且配置成决定上部中的空气压力；管道系统133，其连接罩子119的上部与气动系统140以及用于接收在局部反冲洗过程中产生的带有污泥的废水的排放结构132；以及控制单元150，其连接到支撑结构105和气动系统140并配置成进行过滤介质92的连续的部分体积的局部反冲洗。
如图1B中阐述的且与现有技术(图1A)对照，系统100和方法200使用比现有技术系统小得多的量的水局部地反冲洗过滤介质92的部分。因此，过滤介质92上的水91的高水位H不是必需的且可以由过滤介质92上的水91的低得多的水位h代替，这是一个显著简化过滤器90的结构的事实。例如，现有技术的过滤器被建造成允许在1.5米过滤介质层92上的H＝3米的水91，然而提出的过滤器可以使用小于h＝1米水层操作。当水位降低时，增加泵143以使过滤的水通过排水层96移动到其目的地。
使用较小量的反冲洗水还允许使用过滤的水代替来自外部源头的水，且最显著地在实际的过滤过程中反冲洗过滤介质92的部分而无需中断整个过程。使用较小量的反冲洗水也不需要为了处理而建造用于接收带有污泥的反冲洗水的外部蓄水池。原则上，排放通道132可足以处理反冲洗水或可以从水流分离污泥且通过污泥处理单元55单独地处理污泥。而且，因为局部地实施反冲洗，所以其不限制整个过滤器尺寸，如实施整体反冲洗。尽管现有技术的过滤器被限制到约100m2，但提出的过滤系统99可以建造成大得多的尺寸，例如500-600m2。
实际的局部反冲洗在过滤介质92的有限的部分内实施，例如，被包围在罩子119中的部分，其被扩张以从过滤介质92释放污泥。其中带有污泥的水然后通过管道系统133移动到排放系统132。带有污泥的水的流动可以通过在三通阀135上面的气动系统140气动地启动，三通阀135防止水流到达气动系统140的空气泵(未显示)。管道系统133包括用于调节通过其的空气和水流的阀134，如以下解释的。
图3A-3E示意性地阐述了根据本发明的一些实施方式的局部反冲洗设备110在过滤系统内的操作。
用于过滤系统99的局部反冲洗设备110包括(图2)罩子119，罩子119具有敞开的下端且定位在过滤系统的过滤介质的表面上，过滤介质92由排水层支撑。
罩子119可以具有两个主要的位置：非活动位置117和插入位置118。在非活动位置117，罩子119的敞开的下端128插入过滤介质92上的水91中，例如，在支撑结构105诸如桥或起重机上。在插入位置118，罩子119的敞开的下端128插入到过滤介质92中，包围过滤介质92的一部分以用于反冲洗。在插入位置118，罩子119支撑在排水层96上且将过滤介质92的该部分与周围过滤介质92分离。罩子119被布置成水91在过滤器90中的连续过滤过程中反冲洗该部分，如以下解释的。气动系统140连接到罩子119的上封闭端127且布置成决定上封闭端127中的压力。
气动系统140通过阀134、135而连接到上端127和排出结构132，阀134、135调节往返罩子119的空气和水流。一旦水流建立(启动)，其连续不断，因为由罩子119和排放结构132之间的水位h的差导致的静水压力差。空气和水流的调节通过控制由控制单元150控制的阀134、135实施。气动系统140还布置成中断水流并增加上端127中的空气压力。
控制系统150通过以下步骤进行过滤介质92的连续的部分体积的局部反冲洗。这些步骤也在图5中阐述，是根据本发明的一些实施方式阐述给水处理装置60提供水以及反冲洗过滤系统99的方法200的示意流程图。
首先，罩子119定位在对应于过滤介质的部分体积的表面上的指定位置处，即，在将被反冲洗的位置上(步骤225)。定位可以通过将罩子119提升到表面上且然后通过在表面上拖动或滚动罩子119使其降低到过滤介质中或通过其他定位方法来实施。然后(图3A)，一旦罩子119的敞开的下端128浸入到过滤介质92中(图3E中的129E，代表前面的局部反冲洗过程的结束)，通过气动系统140减小罩子119的上部127中的空气压力(步骤232)，使罩子119下沉到过滤介质92中(步骤230)直到罩子119支撑在排水层96上(图3B)，以将过滤介质92的部分体积包围在罩子119内(步骤234)。在下沉过程开始时，下端128在过滤介质中且部分地由水129A填充，在下沉过程结束时，下端128由过滤介质129B的局部部分填充。为启动下沉步骤230，边缘109在过滤介质92内是有利的，以防止可能干扰该过程的过量水流。
包围在罩子119中的过滤介质92的部分体积的局部反冲洗然后在过滤系统中整体过滤的连续操作过程中(通过过滤系统中罩子外部的过滤介质)(步骤240)，借助于通过气动系统140产生抽吸(步骤242)而发生，抽吸启动水流从罩子119的上部127经过管道系统133到达排放结构132(步骤250)。
水流引入到过滤介质的被包围的部分体积中，来自排水层96的过滤水由过滤介质的其余部分过滤，围绕罩子119(步骤244)，其扩张所包围的过滤介质并从其释放污泥(步骤246)到流至排放结构132的水流(步骤250)。水流通过利用罩子119中的水位之间的高度差h(其可以局部地比过滤器90中的水位高)而保持(步骤252)。罩子119的敞开的下端128的边缘109(图3A)可成形为防止过滤介质流入到包围的部分体积129C中(图3C)。当边缘109支撑在排水层96的上层96A(排水层96的上层96A支撑过滤介质92并允许水流经收集水的下层96B)时，可以例如通过加宽边缘109而获得好的接触。而且，边缘109的外形可以设计成以非破坏方式将来自罩子119的力(重量和接触冲击)传递到上层96A。局部反冲洗通过水从排水层96流到所包围的过滤介质中实施，扩张所包围的过滤介质且由过滤介质颗粒除去污泥。因此，在通过罩子外部的过滤介质的其他部分的局部反冲洗过程中过滤的过滤水用于反冲洗所包围的过滤介质，而不需要外部水源。
扩张的过滤介质129C填充罩子119的大部分体积，且由于抽吸、水流入到罩子中和水流出罩子119而被搅动。随着污泥颗粒漂浮在水中且过滤介质下沉，搅动使污泥颗粒在重力作用下从过滤介质中分离。反冲洗的过滤介质的该部分可以被允许在罩子119移除前沉淀，以便防止可能降低局部反冲洗的效率的过滤介质92的水平混合。
最后，罩子119被提升高于过滤介质92的表面(步骤260)，以通过气动系统在罩子119的上部注入空气且增加空气压力(步骤262)来释放过滤介质的反冲洗的包围的体积，以使罩子119漂浮在过滤介质92上(步骤264)。一旦罩子119被移除，则沉淀的反冲洗过滤介质129D以高效率开始过滤水91。
部分体积的反冲洗可以以一天五次和每三个月一次之间的频率按顺序实施(步骤272)以反冲洗过滤介质92的整个体积，该频率取决于过滤器90和罩子119的尺寸、过滤介质的堵塞率、水吞吐量、操作技术参数等。
方法200还可以包括通过构建引入单元作为具有过滤介质92的过滤系统99(步骤210)来给水处理装置60提供水且应用局部反冲洗(步骤220)以维持过滤系统99是运转的。
图4A-4C示意性地图示了根据本发明中一些实施方式的集成的引入和预处理单元100，其用于具有用于局部反冲洗设备110的支撑结构105的各种配置的水处理装置60。
图4A图示了混凝土过滤器90，作为使用固定桥作为支撑结构105的过滤系统99(将罩子119连接到排放结构的管道系统未显示)。
图4B图示了使用浮桥作为支撑结构105的构建的过滤系统99(将罩子119连接到排放结构的管道系统未显示)。该构造可以例如通过挖掘和填充用于过滤器90的体积且然后将过滤器90带到与水源70接触来实施。
图4C图示了使用转桥作为支撑结构105的构建的过滤系统99(将罩子119连接到排放结构的管道系统未显示)。在图示的示例中，罩子成对安装在转桥上以获得高效的局部反冲洗。大量的罩子119可以和支撑结构105的任何配置一起使用且控制单元150可以调节以控制和管理任何数量的同时操作的罩子119。以相似的方式，罩子119可以通过起重机作为支撑结构105来支撑。
在实施方式中，过滤系统99可以是长形的且罩子119可以跨越过滤系统99的宽度，例如，具有图4A和4B中的桥105的宽度。在一些实施方式中，罩子119的敞开的下端128可以是小的，例如，具有0.1m2和10m2之间的面积以简化管道系统113、气动系统140、支撑结构105及其控制。
集成的引入和预处理单元100防止对水取自的地方的水体中的自然动物的破坏。由于引入通过过滤介质实施，不存在破坏有机体诸如鱼的敞开的管道或引入筛，且没有可以除去并杀死有机体的开放的快速流动的水体。
在以上描述中，实施方式是本发明的示例或实施例。“一种实施方式”、“实施方式”或“一些实施方式”的各种呈现没必要全是指相同的实施方式。
尽管本发明的不同特征可以在单独实施方式的背景下进行描述，但是特征也可单独或以任何合适的组合提供。相反，尽管本发明为清楚起见可在本文中分开的实施方式的背景下描述，但是本发明也可在单个实施方式中实现。
本发明的实施方式可以包括来自以上公开的不同实施方式的特征，且实施方式可以包含来自以上公开的其他实施方式的元素。本发明的元素在特定实施方式的背景下的公开不将作为限制其单独用于特定实施方式中。
而且，可以理解，本发明可以以各种方式实施或实践且本发明可以以除了以上描述中概述的实施方式之外的实施方式实现。
本发明不局限于那些图表或相应的描述。例如，流程不需要移动经过每个说明框或状态，或以与说明的和描述的完全相同的顺序进行。
除非另外定义，本文使用的技术和科学术语的含义将由本发明所属领域的任一普通技术人员普遍理解。
尽管本发明已经关于有限数量的实施方式进行描述，但是这些不应该被诠释为对本发明范围的限制，而是应该作为优选实施方式中的一些的示例。其他可能的变型、修改和应用也在本发明的范围之内，如由权利要求限制。

Claims (11)

1.一种用于过滤系统的局部反冲洗设备，包括：
罩子，其具有敞开的下端且定位在所述过滤系统的过滤介质的表面上，所述过滤介质由排水层支撑，
支撑结构，其可移动地支撑所述罩子，所述支撑结构被配置成将所述罩子定位在所述表面的指定位置处，
气动系统，其与所述罩子的上部流体连通且被配置成决定上部中的空气压力，
管道系统，其连接所述罩子的上部和所述气动系统以及排放结构，以及
控制单元，其连接到所述支撑结构和气动系统，并被配置成通过以下步骤进行所述过滤介质的连续部分体积的局部反冲洗：
一旦所述罩子的敞开的下端浸入过滤介质中，通过所述气动系统减小所述罩子的上部中的空气压力，使所述罩子下沉到所述过滤介质中直到所述罩子支撑在所述排水层上，以将过滤介质的所述部分体积包围在所述罩子内，
在通过在所述过滤系统中所述罩子外部的过滤介质的整体过滤的连续操作过程中，借助于通过所述气动系统产生抽吸，产生包围在所述罩子中的所述过滤介质的部分体积的局部反冲洗，该抽吸引起水流从所述罩子的上部通过所述管道系统到达所述排放结构，其中水流引入到从所述排水层过滤水的过滤介质的所包围的部分体积的下端中，扩张所包围的过滤介质且从其释放污泥到流至所述排放结构的水流，以及
提升所述罩子高于所述过滤介质的表面以借助于通过所述气动系统在所述罩子的上部注入空气并增加空气压力来释放过滤介质的反冲洗的包围的体积，以使所述罩子漂浮在所述过滤介质上。
2.如权利要求1所述的局部反冲洗设备，其中所述支撑结构是以下中的至少一种：固定桥、浮桥、转桥和起重机。
3.如权利要求1或2所述的局部反冲洗设备，其中所述罩子的敞开的下端具有0.1m2和10m2之间的面积。
4.如任一前述权利要求所述的局部反冲洗设备，其中所述过滤系统是长形的且所述罩子跨越所述过滤系统的宽度。
5.如任一前述权利要求所述的局部反冲洗设备，其中所述控制单元被安排成以每天五次和每三个月一次之间的频率按顺序反冲洗所述过滤介质的整个体积。
6.如任一前述权利要求所述的局部反冲洗设备，其中所述罩子的敞开的下端的边缘被成形为防止过滤介质流入到所包围的部分体积中。
7.如任一前述权利要求所述的局部反冲洗设备，其中所述罩子的高度比水相对于所述排水层在所述过滤介质上的高度大。
8.一种用于水处理装置的集成的引入和预处理单元，包括具有如权利要求1到7中任一项所述的局部反冲洗设备的所述过滤系统。
9.一种反冲洗过滤系统的方法，所述过滤系统具有由排水层支撑的过滤介质层，所述方法包括：按顺序反冲洗所述过滤介质的部分体积，每次反冲洗包括：
一旦罩子的敞开的下端浸入所述过滤介质中，通过减小所述罩子的上部中的空气压力，使所述罩子下沉到所述过滤介质中直到所述罩子支撑在所述排水层上，以将过滤介质的所述部分体积包围在所述罩子内，
在所述过滤系统中整体过滤的连续操作过程中，通过在所述罩子的上部产生抽吸，产生被包围在所述罩子中的所述过滤介质的该部分体积的局部反冲洗，该抽吸引起水流从所述罩子的上部通过管道系统到达排放结构，其中水流引入到从所述排水层过滤水的过滤介质的所包围的部分体积的下端中，扩张所包围的过滤介质且从其释放污泥到水流，以及
提升所述罩子高于所述过滤介质的表面，以通过在所述罩子的上部中注入空气且增加空气压力来释放过滤介质的反冲洗的所包围的体积，以使所述罩子漂浮在所述过滤介质上。
10.如权利要求9所述的方法，还包括实施所述部分体积的按顺序的反冲洗以便以一天五次和每三个月一次之间的频率反冲洗所述过滤介质的整个体积。
11.一种给水处理装置提供水的方法，包括建造引入单元作为具有过滤介质的过滤系统且应用如权利要求10所述的方法以保持所述过滤系统是运转的。
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