CN107207289A - 水处理系统以及水处理方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施例的水处理系统，包括：储存待处理水的罐；对所述待处理水进行过滤的交叉流式过滤膜组件；供应路，通过供应泵使所述待处理水经由所述供应路从所述罐供应到所述过滤膜组件；以及再循环路，通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水经由所述再循环路再循环到所述罐中，所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充，所述水处理系统还包括：气体输送路，所述惰性气体经由所述气体输送路从所述上部空间引入到所述供应路或所述过滤膜组件，以及压缩机，其设置在所述气体输送路中并对所述惰性气体加压。所述压缩机优选为水密压缩机。

Description

水处理系统以及水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理系统以及水处理方法。
背景技术
已知一种水处理系统，配置成通过使用过滤膜从含有油和悬浮固体的待处理水除去油和悬浮固体。在这样的水处理系统中，通过配置使得待处理水从过滤膜的一端侧沿平行于膜表面的方向供给，从过滤膜的另一端侧排出，即交叉流式过滤的系统，即使在处理如油田生产的水那样含有大量油和悬浮固体的待处理水的情况下，也可以减少过滤膜的堵塞。
此外，通过将气体与待处理水混合，可以通过气泡的洗涤效果来抑制过滤膜的堵塞。作为用于将气体与待处理水混合的方法，已经提出了一种使用吸引器(也称为喷射器)的方法，其通过待处理水的通路的压缩通过文丘里效应产生负压，并将气体吸入待处理水中(参照日本特开2009-148673号公报)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2009-148673号公报发明内容
发明内容
技术问题
在上述专利申请公报中公开的水处理系统中，通过吸引器吸入空气将气体引入待处理水中。然而，待处理水可能由于包含在水中的有机物质的分解而产生易燃气体，或者被溶解在待处理水中的易燃气体可能通过压力变化而气化。当将空气引入这样的待处理水中时，存在易燃气体可能在过滤膜组件内部爆炸的担忧。因此，上述专利申请公开的水处理系统可能不适用于能够产生易燃气体的待处理水。
本发明是在上述情况下进行的。本发明的目的是提供一种水处理系统和水处理方法，其中即使在能够产生易燃气体的待处理水被过滤时也可以防止爆炸。
根据为了解决上述问题而做出的本发明的实施例的水处理系统，包括：储存待处理水的罐；对所述待处理水进行过滤的交叉流式过滤膜组件；供应路，通过供应泵使所述待处理水经由所述供应路从所述罐供应到所述过滤膜组件；以及再循环路，通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水经由所述再循环路再循环到所述罐中。所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充。所述水处理系统还包括：气体输送路，所述惰性气体经由所述气体输送路从所述上部空间引入到所述供应路或所述过滤膜组件，以及压缩机，其设置在所述气体输送路中并对所述惰性气体加压。
根据为了解决上述问题而做出的本发明的实施例的水处理方法，包括以下步骤：通过供应路将待处理水从储存所述待处理水的罐供应到交叉流式过滤膜组件；将通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水再循环到所述罐中。在所述水处理方法中，所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充。所述水处理方法还包括以下步骤：通过压缩机对所述上部空间中的所述惰性气体进行加压，以将所述惰性气体引入所述供应路或所述过滤膜组件。
发明的有益效果
在根据本发明的实施例的水处理系统中，即使能够产生易燃气体的水被过滤，也可以防止爆炸。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的水处理系统的结构的示意图。
标记说明
1待处理水储存罐 2过滤膜组件 3过滤水储存罐 4供应路 5再循环路 6气体输送路 7处理水路 8反洗水路 9原水路 10排水路 11惰性气体供应单元 12悬浮物排出路 13沉淀物排出路 14过滤槽 15中空纤维膜 16上保持构件 17下保持构件 17a外框 17b固定部分 18供应泵19吸引器 20排出阀 21压缩机 22气液分离器 23密封水返回路 24冷却装置 25开关阀 26抽气泵 27反洗泵 28开关阀 29球阀 30气瓶 31供应阀 32气体供应路 33开关阀 34开关阀
具体实施方式
(本发明的实施例的说明)
根据本发明的实施例的水处理系统，包括：储存待处理水的罐；对所述待处理水进行过滤的交叉流式过滤膜组件；供应路，通过供应泵使所述待处理水经由所述供应路从所述罐供应到所述过滤膜组件；以及再循环路，通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水经由所述再循环路再循环到所述罐中。所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充。所述水处理系统还包括：气体输送路，所述惰性气体经由所述气体输送路从所述上部空间引入到所述供应路或所述过滤膜组件，以及压缩机，其设置在所述气体输送路中并对所述惰性气体加压。
在水处理系统中，罐在储存的待处理水的液面上方具有上部空间，上部空间被气密地填充惰性气体。在将惰性气体从上部空间引入供应路或过滤膜组件的气体输送路设置有对惰性气体进行加压的压缩机。因此，将惰性气体的气泡供应到过滤膜组件，通过气泡的洗涤效果能够抑制过滤膜的堵塞。此外，在水处理系统中，由于储存在罐中的待处理水的液面上方的空间，被气密地填充惰性气体，可以从封闭系统中消除气态氧，待处理的水通过该系统在罐和过滤膜组件之间循环。因此，根据水处理系统，即使由待处理水产生易燃气体，也可以通过保持气体中的低氧浓度来防止爆炸。
优选，压缩机是水密压缩机。即使从上部空间吸入的惰性气体含有水，由于水成为水密压缩机的密封水的一部分，所以作为压缩机的水密压缩机不太可能引起装置的问题。因此，在水处理系统中，将惰性气体稳定地供应到过滤膜组件，从而可以更可靠地防止过滤膜的堵塞，可以连续稳定地进行水处理。
优选，所述水处理系统还包括：位于所述气体输送路中所述水密压缩机的排出侧的气液分离器；和从所述气液分离器连通到所述水密压缩机的密封水返回路。结果，与惰性气体一起从水密压缩机泄漏的密封水可以由气液分离器收集并再循环到水密压缩机。因此，可以防止水密压缩机的密封缺陷，从而连续进行水处理。
优选，所述水处理系统，包括冷却装置，所述冷却装置设置在所述密封水返回路中，并冷却由所述气液分离器分离的水。当水处理系统包括设置在密封水返回路中并冷却由气液分离器分离的水的冷却装置时，可以抑制水密压缩机的温度升高，能够维持惰性气体的压缩效率。
优选，所述过滤膜组件的过滤水被用作所述水密压缩机的密封水。在水处理系统使用过滤膜组件的过滤水作为水密压缩机的密封水的情况下，不需要供应洁净水，不需要额外的管路等。因此，可以降低水处理系统的设备成本和运行成本。
优选，所述惰性气体通过所述气体输送路被引入所述供应路，所述待处理水的流速在所述惰性气体被引入所述供应路的点处为2.5m/s以上15.0m/s以下。当惰性气体通过气体输送路被引入供应路中，待处理水的流速在惰性气体被引入供应路处处于该范围内时，即使在压缩机的低排放压力下，也可以向过滤膜组件供应惰性气体的气泡。因此，在水处理系统中，设备成本降低，并且也可以降低运行成本。
优选，所述气体输送路连接至所述供应路，并且在所述气体输送路连接至所述供应路的部分设置有将所述惰性气体与所述待处理水混合的吸引器。在气体输送路连接到供应路，并在气体输送路连接到供应路的部分设置将惰性气体与待处理水混合的吸引器的情况下，水处理系统的压缩机可以具有低排放压力，从而可以降低设备成本。
优选，水处理系统，包括位于所述过滤水借以从所述过滤膜组件排出的通路中的抽气泵。当在过滤水从过滤膜组件排出的通路中设置抽气泵时，可以进行稳定的过滤。
根据本发明的实施例的水处理方法，包括以下步骤：通过供应路将待处理水从储存所述待处理水的罐供应到交叉流式过滤膜组件；将通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水再循环到所述罐中。在所述水处理方法中，所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充。所述水处理方法还包括以下步骤：通过压缩机对所述上部空间中的所述惰性气体进行加压，以将所述惰性气体引入所述供应路或所述过滤膜组件。
在水处理方法中，罐在储存的待处理水的液面上方具有上部空间，上部空间被惰性气体气密地填充，进一步提供从上部空间将惰性气体引入供应路或过滤膜组件的气体输送路，并且通过压缩机将上部空间中的惰性气体加压，将惰性气体引入供应路或过滤膜组件。结果，将惰性气体的气泡供给到过滤膜组件，通过气泡的洗涤效果能够抑制过滤膜的堵塞。此外，在水处理方法中，由于储存在罐中的待处理水的液面上方的空间，被气态地填充惰性气体，因此可以从封闭系统中消除气态氧，通过该系统使待处理水在罐和过滤膜组件之间循环。因此，根据水处理方法，即使由待处理水产生易燃气体，也可以通过保持气体中的低氧浓度来防止爆炸。
这里，术语“膜上游侧”是指过滤膜与待处理水接触的一侧，术语膜下游侧是指过滤膜与过滤水接触的一侧。术语“惰性气体”是指即使气体与油中的挥发性成分接触也不具有可燃性或爆炸性的气体，特别是具有氧体积含量为10％以下，优选为1％以下的气体。
(本发明的实施例的详细说明)
参考附图详细描述根据本发明的水处理系统的实施例。
图1所示的水处理系统是被配置为从包含油和悬浮固体的待处理水中除去油和悬浮固体的系统。通过水处理系统处理的待处理水的实例包括在油田等中生产的油田生产水。可以使用用砂滤器等预先处理的水作为待处理水。
图1所示的水处理系统主要包括：待处理水储存罐1，其储存包含油和悬浮固体的待处理水，并且在待处理水的液面上方具有上部空间，上部空间被气密地填充惰性气体；过滤膜组件2，其以交叉流式过滤待处理水；以及过滤水储存罐3，其储存由过滤膜组件2过滤过的过滤水(处理水)。
水处理系统还包括：供应路4，通过该供应路4将待处理水从待处理水储存罐1供给到过滤膜组件2；再循环路5，将通过了过滤膜组件2的膜上游侧的待处理水再循环到待处理水储存罐1；气体输送路6，通过该气体输送路6从待处理水储存罐1的上部空间将惰性气体引入供应路4；处理水路7，通过该处理水路7，过滤水从过滤膜组件2供应到过滤水储存罐3；以及反洗水路8，通过该反洗水路8，过滤水从过滤水储存罐3压送到处理水路7乃至过滤膜组件2。
水处理系统还包括：待处理水(以下可称为原水)从原水槽等(未示出)新供应到待处理水储存罐1的原水路9；用于从过滤水储存箱3溢出并排出过滤水的排水路10；被配置为将惰性气体引入待处理水储存罐1中的惰性气体供应单元11；排出待处理水储存罐1内待处理水中的悬浮物的悬浮物排出路12；以及排出在待处理水储存罐1内的待处理水中的沉淀物的沉淀物排出路13。
(待处理水储存罐)
待处理水储存罐1是气密容器。待处理水储存罐1通过使用金属或树脂形成，以具有能够承受内部压力的强度。特别是从强度、耐热性、耐化学性等的观点出发，用于形成待处理水储存罐1的材料优选为不锈钢，聚丙烯或丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS树脂)。待处理水储存罐1的外侧可以设置有加强构件，用于自支撑的腿构件等。
供应路4在与待处理水储存罐1的底部隔开的位置连接到待处理水储存罐1的侧壁，以防止待处理水储存罐1中的沉淀物流出。再循环路5和气体输送路6连接到待处理水储存罐1的上部，例如连接到待处理水储存罐1的顶壁。悬浮物排出路12在储存的待处理水的液面附近的位置连接到待处理水储存罐1的侧壁。沉淀物排出路13连接到待处理水储存罐1的底部。
储存在待处理水储存罐1中的水的量根据例如待处理的原水的量以及油和悬浮固体的含量适当选择。例如，当从供应路4供给到过滤膜组件2的待处理水量为240L/hr，并且从过滤膜组件2流向处理水路7的过滤水的量为80L/hr，则储存在待处理水储存罐1中的水的量可以为30L以上，200L以下。
待处理水储存罐1在储存的待处理水的液面上方具有上部空间，上部空间被惰性气体气密地填充。待处理水储存罐1的上部空间的体积与总内部体积之比的下限优选为1/4，更优选为1/3。待处理水储存罐1的上部空间的体积与总内部体积之比的上限优选为2/3，更优选为1/2。当上部空间的体积与待处理水储存罐1的总内部体积之比小于下限时，可能不能在系统中包围足够量的惰性气体，待处理水可能流入气体输送路6，并且可能不能将惰性气体稳定地供应到供应路4。另一方面，当上部空间的体积与待处理水储存罐1的总体积之比大于上限时，待处理水储存罐1的尺寸可能不必要地增加。
(过滤膜组件)
过滤膜组件2包括：填充待处理水的气密过滤槽14；多个中空纤维膜(过滤膜)15，其布置在过滤槽14的内部并保持在沿上下方向平行布置的状态；固定中空纤维膜15的上端的上保持构件16；以及固定中空纤维膜15的下端的下保持构件17。
(过滤槽)
过滤槽14是能够在膜上游侧压力高于大气压的加压状态下储存液体的容器。过滤槽14通常以立起的方式安装，并且是密封两端的气密的管状体。过滤槽14的平面形状没有特别限制，例如可以是圆形或多边形。此外，中空纤维膜15设置在过滤槽14的内部，以沿与过滤槽14的轴向相同的方向平行布置。
过滤槽14通过使用金属或树脂形成，以具有能够承受待处理水的压力的强度。特别是从强度，耐热性，耐化学性等观点出发，过滤槽14的材料优选为不锈钢，聚丙烯或丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS树脂)。过滤槽14的外侧可以设置有加强构件，用于自支撑的腿构件等。
供应路4连接到过滤槽14的下端，即中空纤维膜15在过滤槽14中平行布置的方向的一端侧。再循环路5连接在中空纤维膜在过滤槽14中平行布置的方向上的另一端侧，更具体地说，在略微低于上保持构件16的位置处的侧壁。通过这种结构，形成了待处理水储存罐1和过滤膜组件2之间待处理水循环的封闭系统。处理水路7连接到过滤槽14的上端。
更具体地说，在过滤膜组件2中，将含惰性气体的气泡的待处理水以加压状态引入到比中空纤维膜15的下端低的部分。已经供应到过滤槽14中的待处理水，与惰性气体的气泡一起沿着中空纤维膜15的外表面上升，并且从设置在中空纤维膜15的上端侧的再循环路5排出。此外，部分待处理水从中空纤维膜15的膜上游侧流向膜下游侧，成为过滤水，排出到处理水路7中。
在稳定运行时，过滤槽14的膜上游侧的压力例如在表压为10kPa以上且200kPa以下。过滤罐14的膜上游侧压力可以通过供应泵18的输出和引入待处理水储存罐1中的惰性气体的压力来调节。为了获得过滤槽14的膜上游侧压力，例如可以在再循环路5中设置节流阀或节流孔。过滤槽罐14的“膜上游侧压力”是指下保持构件17的上表面即中空纤维膜15的暴露区域的下端的压力，以及上保持构件16的下表面即中空纤维膜的暴露区域的上端的压力的平均值。
(中空纤维膜)
中空纤维膜15各自由具有圆筒状或管状的微滤膜或超滤膜形成，并且各自是允许水通过其内部的中空部分并且防止包含在待处理水中的油滴和颗粒悬浮固体的渗透的过滤膜。
每个中空纤维膜15包括圆筒形支撑层和设置在支撑层的表面上的过滤层。这种具有多层结构的中空纤维膜15能够实现透水性和机械强度，并且能够提高用气泡进行表面清洁的效果。
支撑层和过滤层各自优选由含有聚四氟乙烯(PTFE)作为主要成分的材料形成。当用于形成支撑层和过滤层各自的材料的主要成分是PTFE时，中空纤维膜15表现出良好的机械强度，即使当中空纤维膜的平均长度与平均外径的比率即纵横比高时，挠度也可以降低，并且中空纤维膜的表面不太可能受到例如用气泡洗涤的损害。支撑层和过滤层各自的材料可以任选地含有例如其它聚合物和添加剂。术语“主成分”是指质量含量最高的成分，优选质量含量为50％以上，更优选为90％以上的成分。
支撑层和过滤层各自的PTFE的数均分子量的下限优选为500000，更优选为2000000。支撑层和过滤层各自的PTFE的数均分子量的上限优选为20000000。当PTFE的数均分子量小于下限时，中空纤维膜15的表面可能被气泡洗涤而损坏，或者中空纤维膜15的机械强度可能变得不足。另一方面，当PTFE的数均分子量大于上限时，可能变得难以形成中空纤维膜15的孔。
支撑层可以是例如通过挤出PTFE获得的管。当使用这种挤出管作为支撑层时，支撑层表现出机械强度，并且可以容易地形成孔。该管优选在轴向上以50％以上且700％以下的膨胀率并且在周向上以5％以上且100％以下的膨胀率膨胀。
膨胀温度优选等于或低于管材料的熔点，例如为0℃以上且300℃以下。为了获得孔径比较大的多孔体，优选在低温下进行膨胀。为了得到孔径比较小的多孔体，优选在高温下进行膨胀。将膨胀的多孔体，固定两端以保持膨胀状态，同时在200℃以上且300℃以下的温度下热处理约1～30分钟，从而获得高尺寸稳定性。可以通过结合诸如膨胀温度和膨胀率的条件来调节多孔体的孔的尺寸。
形成支撑层的管可以通过例如将诸如石脑油的液体润滑剂与PTFE细粉混合，通过挤出等将所得混合物形成管，然后使管膨胀而获得。通过将管在保持在等于或高于PTFE细粉的熔点的温度下，例如在350℃以上且550℃以下的加热炉中保持约数十秒～数分钟，进行烧结，可以提高尺寸稳定性。
支撑层的平均厚度优选为0.1mm以上且3mm以下。当支撑层的平均厚度在该范围内时，机械强度和透水性可以平衡地赋予中空纤维膜15。
过滤层可以通过例如在支撑层周围卷绕PTFE片并进行烧结而形成。当使用片作为形成过滤层的材料时，可以促进膨胀，容易调节孔的形状和尺寸，并且可以减小过滤层的厚度。由于片被卷绕并烧结，所以支撑层和过滤层组合形成单个膜，并且可以使两层中的孔彼此连接以提高渗透性。烧结温度优选等于或高于形成支撑层的片和形成过滤层的管各自的熔点。
形成过滤层的片，可以通过例如(1)通过挤出树脂获得的未烧结成型体在熔点以下的温度下膨胀，然后进行烧结的方法，或者(2)将烧结树脂成型体缓慢冷却以提高结晶度，然后使所得成形体膨胀的方法来制造。优选地，片在纵向上以50％以上且1000％以下的膨胀率以及在横向上以50％以上且2500％以下的膨胀率膨胀。特别地，当横向的膨胀率在该范围内时，可以提高卷绕片时周向的机械强度，并且可以提高耐气泡表面清洁的耐久性。
当通过在形成支撑层的管周围卷绕片来形成过滤层时，优选在管的外周面上形成微细的凹凸。当在管的外周面上形成凹凸时，可以防止与片不对准，并且提高管与片之间的粘合性，防止过滤层由于气泡的清洗而与支撑层分离。片卷绕的次数可以根据片的厚度进行调节。次数可以是一次或多次。可以在管周围卷绕多个片。用于卷绕片的方法没有特别限制，并且片可以在管的圆周方向上卷绕，或者可以螺旋地卷绕。
微细的凹凸的尺寸(高度差)优选为20μm以上且200μm以下。微细的凹凸优选形成在管的整个外周面上，但可以部分地或不连续地形成。在管的外周面上形成微细的凹凸的方法的实例包括通过火焰进行表面处理，激光照射，等离子体照射和氟树脂的分散涂布等。优选用火焰进行表面处理，因为可以容易地形成凹凸而不影响管性状。
或者，可以使用未烧结的管和未烧结的片，并且在片卷绕于管之后，可以进行烧结以增强管与片之间的粘合性。
过滤层的平均厚度优选为5μm以上100μm以下。当过滤层的平均厚度在该范围内时，可以容易且可靠地赋予中空纤维膜15高的过滤性能。
中空纤维膜15的平均外径的下限优选为2mm，更优选为2.1mm。中空纤维膜15的平均外径的上限优选为6mm，更优选为4mm。当中空纤维膜15的平均外径小于下限时，中空纤维膜15的机械强度可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的平均外径大于上限时，中空纤维膜15的表面积与截面积之比降低，过滤效率可能变得不足，并且可能减小用一个气泡洗涤的表面积。
中空纤维膜15的平均内径的下限优选为0.5mm，更优选为0.9mm。中空纤维膜15的平均内径的上限优选为4mm，更优选为3mm。当中空纤维膜15的平均内径小于下限时，在中空纤维膜15内的过滤水排出时，压降可能增加。另一方面，当中空纤维膜15的平均内径大于上限时，中空纤维膜15的厚度减小，机械强度和防止杂质渗透的效果可能变得不足。
中空纤维膜15的平均内径与平均外径之比的下限优选为0.3，更优选为0.4。中空纤维膜15的平均内径与平均外径之比的上限优选为0.8，更优选为0.6。当中空纤维膜15的平均内径与平均外径之比小于下限时，中空纤维膜15的厚度超过必要地增加，并且中空纤维膜15的透水性可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的平均内径与平均外径之比大于上限时，中空纤维膜15的厚度减小，并且机械强度和防止杂质渗透的效果可能变得不足。
中空纤维膜15的平均长度的下限优选为1m，更优选为1.5m。中空纤维膜15的平均长度的上限优选为5m，更优选为4m。当中空纤维膜15的平均长度小于下限时，在从过滤膜组件2的下方供给气泡并上升到水面的期间，用一个气泡洗涤中空纤维膜15的表面积减少，清洗中空纤维膜15的效率可能会变得不够。另一方面，当中空纤维膜15的平均长度大于上限时，中空纤维膜15的挠度可能通过中空纤维膜15的自重而过度增加，并且例如在过滤膜组件2的安装过程中可操作性可能变得不足。中空纤维膜15的平均长度是指上保持构件16和下保持构件17之间的中空纤维膜15的暴露区域的平均长度，即从上保持构件16的下表面到下保持构件17的上表面的平均距离。
中空纤维膜15的平均长度与平均外径之比(纵横比)的下限优选为200，更优选为400。中空纤维膜15的纵横比的上限优选为3000，更优选为2500。当中空纤维膜15的纵横比小于下限时，可以用一个气泡洗涤的中空纤维膜15的表面积减小，因此清洁中空纤维膜15的效率可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的纵横比大于上限时，中空纤维膜15过度伸长，从而当中空纤维膜15沿上下方向伸展时，机械强度可能变得不足。
中空纤维膜15的孔隙率的下限优选为75％，更优选为78％。中空纤维膜15的孔隙率的上限优选为90％，更优选为85％。当中空纤维膜15的孔隙率小于下限时，透水性降低，过滤膜组件2的过滤能力可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的孔隙率大于上限时，中空纤维膜15的机械强度和耐洗涤性可能变得不足。孔隙率是指孔的总体积与中空纤维膜15的体积的比率，并且可以通过根据ASTM-D-792测量中空纤维膜15的密度来确定。
中空纤维膜15中的孔的面积占有率的下限优选为40％。中空纤维膜15中的孔的面积占有率的上限优选为60％。当孔的面积占有率小于下限时，透水性降低，过滤膜组件2的过滤能力可能变得不足。另一方面，当孔的面积占有率大于上限时，中空纤维膜15的表面强度变得不足，并且，例如中空纤维膜15可能被气泡洗涤而损坏。另外，孔的面积占有率是指中空纤维膜15的外周面(过滤层的表面)的孔的总面积与中空纤维膜15的表面积的比率，并且可以通过分析中空纤维膜15的外周面的电子显微镜照片来确定。
中空纤维膜15的平均孔径的下限优选为0.01μm。中空纤维膜15的平均孔径的上限优选为0.45μm，更优选为0.1μm。当中空纤维膜15的平均孔径小于下限时，透水性可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的平均孔径大于上限时，可能无法防止待处理水中包含的杂质渗透到中空纤维膜15中。平均孔径是指中空纤维膜15的外周面(过滤层的表面)上的孔的平均直径，并且可以通过孔径分布分析仪(例如，可从Porous Materials,Inc.获得的“多孔材料自动孔径分布测量系统”)来测量。
中空纤维膜15的拉伸强度的下限优选为50N，更优选为60N。当中空纤维膜15的拉伸强度小于下限时，耐气泡的表面清洁的耐久性可能变得不足。尽管中空纤维膜15的拉伸强度的上限没有特别限制，但是用当前技术可生产的中空纤维膜的拉伸强度的最大值为约150N。“拉伸强度”是指当在100mm的标距长度和100mm/min的测试速度下根据JIS-K7161(1994)进行拉伸试验时获得的最大拉伸应力。
通过将由下保持构件17保持的中空纤维膜15的数量N除以布置中空纤维膜15的区域的面积A来确定的中空纤维膜15的密度(N/A)的下限，优选为4个膜/cm2，更优选为6个膜/cm2。中空纤维膜15的密度的上限优选为15个膜/cm2，更优选为12个膜/cm2。当中空纤维膜15的密度小于下限时，过滤膜组件2的每单位体积的过滤效率可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的密度大于上限时，中空纤维膜15之间的距离减小，并且可能不能令人满意地清洁表面。术语“布置中空纤维膜的区域”是指在从中空纤维膜的轴向观察时，包括过滤膜组件2中的全部中空纤维膜15的假想多边形中的最小面积的假想多边形。
此外，假设中空纤维膜15是实心的，通过将由下保持构件17保持的中空纤维膜15的截面面积的总和S除以布置中空纤维膜15的区域的面积A而确定的中空纤维膜15的面积比率(S/A)的下限优选为20％，更优选为25％。中空纤维膜15的面积比率的上限优选为60％，更优选为55％。当中空纤维膜15的面积比率小于下限时，过滤膜组件2的每单位体积的过滤效率可能变得不足。另一方面，当中空纤维膜15的面积分数大于上限时，中空纤维膜15之间的距离减小，并且可能不能令人满意地清洁表面。
(上保持构件)
上部保持构件16是保持多个中空纤维膜15的上端，与中空纤维膜15的孔连通，形成与处理水路7连接的集水头的构件。这种集水头可以形成在上保持构件16的内部，也可以通过上保持构件16划分过滤槽14而将过滤槽14的上端部用作集水头。上保持构件16的外形没有特别限制，其截面形状可以是多边形，圆形等。
(下保持构件)
下保持构件17是保持多个中空纤维膜15的下端的构件。下保持构件17包括外框架17a和固定中空纤维膜15的下端并密封中空纤维膜15的下端的多个固定部分17b。固定部分17b例如是棒状的并且以一定间隔平行或基本上平行地布置，使得待处理水和惰性气体的气泡可以在固定部分17b之间通过。多个中空纤维膜15设置在每个固定部分17b的上侧。
一个中空纤维膜15的两端可以用上保持构件16和下保持构件17固定。或者，一个中空纤维膜15可以弯曲成U形，两个开口可以用上保持构件16固定，并且下端的折叠(弯曲)部分可以用下保持构件17固定。
外框架17a是用于支撑固定部分17b的构件。外框架17a的一侧的长度可以是例如50mm以上且200mm以下。此外，外框架17a的截面形状没有特别限制，可以是如矩形的多边形、或圆形。
固定部分17b的宽度(横向的长度)和固定部分17b之间的间隔没有特别限制，只要能够固定足够数量的中空纤维膜15，并且从供应路4供给的惰性气体的气泡能够通过即可。固定部分17b的平均宽度例如可以是3mm以上且10mm以下。固定部分17b之间的平均间隔可以是例如1mm以上且10mm以下。
上保持构件16和下保持构件17的材料没有特别限制，例如可以使用环氧树脂，ABS树脂，硅树脂等。
将中空纤维膜15固定到上保持构件16和下保持构件17中各自的方法没有特别限制，例如可以使用用粘合剂进行固定的方法。
为了便于过滤膜组件2的处理(例如，运输，安装和更换)，优选地，上保持构件16和下保持构件17通过接合构件接合在一起。接合构件的实例包括金属支撑杆和树脂壳体(外筒)。
(过滤水储存罐)
过滤水储存罐3是储存由过滤膜组件2过滤过的过滤水的容器。过滤水储存罐3可以是气密容器或者是与大气相通的容器。过滤水储存罐3被设置为用于保持过滤水用作反洗水，这将在后面描述，并临时储存过滤水，以便检查过滤水的水质。
过滤水储存罐3由金属或树脂制成。特别是从强度，耐热性，耐化学性等观点考虑，用于形成过滤水储存罐3的材料优选为不锈钢，聚丙烯或丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS树脂)。过滤水储存罐3的外侧可以设置有加强构件，用于自支撑的腿构件等。
过滤水储存罐3具有足够的容量将过滤水保持用作反洗水。反洗水的流量例如体积为过滤流量的2倍以上10倍以下。
(供应路)
供应路4主要由管道形成，并且将待处理水储存罐1连接到过滤膜组件2的下端。供应路4设置有：供给泵18，其输出待处理水；吸引器19，通过待处理水的通路压缩而通过文丘里效应产生负压，通过气体输送路6吸入惰性气体，并将惰性气体引入待处理水中；以及位于过滤膜组件2下方的排出阀20。
(供应泵)
供应泵18可以是能够输出待处理水的任何泵。供给泵18的排放压力例如为10kPa以上且1000kPa以下。
供应泵18的排放量，即，待处理水到过滤膜组件2的供应量，以中空纤维膜15的单位面积为基准，例如为20L/m2﹒hr以上且1000L/m2﹒hr以下。
(吸引器)
吸引器19通过待处理水的通路的截面积的压缩而通过文丘里效应产生负压，增加通过连接到气体吸入口并且后述的气体输送路6引入的惰性气体的量，并将惰性气体混入待处理水中。具体地说，吸引器19减小后述的压缩机21的负荷。
吸引器19优选地构造成将吸引的惰性气体剪切成非常小的气泡。例如，市售的微泡发生器可以用作产生非常小的气泡的吸引器。
过滤膜组件2中的惰性气体的气泡的平均直径的下限优选为1μm，更优选为10μm。过滤膜组件2中的惰性气体的气泡的平均直径的上限优选为30mm，更优选为15mm，进一步优选为10mm。当过滤膜组件2中的惰性气体的气泡的平均直径小于下限时，为了分解气泡，可能需要复杂的结构。另一方面，当过滤膜组件2中的惰性气体的气泡的平均直径大于上限时，通过气泡洗涤来抑制中空纤维膜15的堵塞的效果可能提供不充分。
通过吸引器19引入并与待处理水混合的单位体积的惰性气体的量(大气压在20℃下的体积)的下限优选为0.1NL/L，更优选为0.5NL/L。惰性气体的引入量的上限优选为5NL/L，更优选为2NL/L。当引入的惰性气体的量小于下限时，可能不能充分地抑制过滤膜组件2中的中空纤维膜15的堵塞。另一方面，当引入的惰性气体的量大于上限时，过滤膜组件2中的过滤水的量可能被限制，或者压缩机21需要大的容量，这可能不必要地增加设备成本。
吸引器19内待处理水的流速，即在与气体输送路6连接的供应路4的部分中待处理水的流速的下限，优选为2.5m/s，更优选为3m/s。在与气体输送路6连接的供应路4的部分中待处理水的流速的上限，优选为15m/s，更优选为10m/s。当在与气体输送路6连接的供应路4的部分中待处理水的流速小于下限时，引入惰性气体所需的压缩机21的容量可能过度增加。另一方面，当与气体输送路6连接的供应路4的部分中的待处理水的流速超过上限时，供应泵18的容量可能过度增加。
吸引器19的上游和下游之间的待处理水的压力差的下限，优选为供应泵18的排放压力的30％，更优选为40％。吸引器19的上游和下游之间的待处理水的压力差的上限，优选为供应泵18的排放压力的80％，更优选为70％。当在吸引器19的上游和下游之间待处理水的压力差小于下限时，吸引器19产生的负压可能变得不足。另一方面，当吸引器19的上游和下游之间待处理水的压力差超过上限时，待处理水可能不足够地供应到过滤膜组件2。
(排出阀)
在反洗期间，排出阀20打开以排出过滤膜组件2中的待处理水和反洗水。因此，排出阀20在过滤期间通常关闭。
(再循环路)
再循环路5主要由管道形成。在稳定运行期间，基本上从供应路4向过滤膜组件2与待处理水一起供应的所有惰性气体，通过再循环路5与待处理水一起返回到待处理水储存罐1。
(气体输送路)
气体输送路6主要由管道形成。气体输送路6的一端通向待处理水储存罐1的上部空间，气体输送路6的另一端与供给路4的吸引器19的气体吸入口连接。优选，该气体输送路6的一端配置成在从待处理水储存罐1的液面离开，使得通过再循环路5再循环的待处理水不溅到的位置，例如顶壁连通。
在水处理系统中，气体输送路6设置有：压缩机21，该压缩机21对被引入供应路4的吸引器19的惰性气体进行加压；以及设置在压缩机21的排出侧的气液分离器22。
水处理系统包括：从气液分离器22与压缩机21连通并将由气液分离器22分离的水再循环到压缩机21的密封水返回路23。密封水返回路23设置有冷却装置24，其冷却由气液分离器22分离的水。
(压缩机)
任何压缩机都可以用作压缩机21。在惰性气体可以含有待处理水滴的情况下，优选使用具有耐水混合性的压缩机。
这种具有耐水混合性的压缩机的例子是水密压缩机(水环泵)。水密压缩机具有以下结构。包括多个放射状布置的叶片的叶轮在存储密封水的圆筒形壳体中偏心地设置和旋转，由此通过离心力将密封水压在圆筒壁上，以用密封水层将叶轮的叶片之间的空间密封。因此，留在叶轮叶片之间的空间的体积随着旋转而改变，从而供应，压缩和排出气体。换句话说，水密压缩机是通过密封水的液面在叶轮的叶片之间沿径向的移动而吸入和排出气体的泵。可以使用的水密压缩机的实例包括可从Elmo Rietshle公司获得的液环泵“L系列”。
使用水密压缩机作为压缩机21，即使压缩机21吸水，由于本来使用密封水，因此也能够防止压缩机21的密封损坏等问题。此外，即使压缩机21大量吸入水分，水也与密封水混合，因此不会发生由于压缩机中的惰性气体的过度压缩引起的过载等问题。
当使用水密压缩机作为压缩机21时，优选使用过滤膜组件2的过滤水作为密封水。为此，可以提供用于将过滤水从处理水路7或反洗水路8供应到水密压缩机的管路。或者，在开启水处理系统时，操作人员可以通过使用任何容器从过滤水储存罐3中取过滤水，并将过滤水倒入水密压缩机的密封水供应口。当过滤膜组件2的过滤水用作压缩机21的密封水时，可以在水处理系统中制备密封水，因此不需要设置用于供应清洁水的管等。
压缩机21的排放压力的下限优选为10kPa，更优选为20kPa。压缩机21的排放压力的上限优选为500kPa，更优选为200kPa，进一步优选为100kPa。当压缩机21的排放压力小于下限时，引入的惰性气体的量可能变得不足。另一方面，当压缩机21的排放压力超过上限时，设备成本和运行成本可能不必要地增加。
(气液分离器)
气液分离器22分离并收集混入从压缩机21排出的惰性气体而泄漏的密封水。可以使用例如离心分离或惯性冲击的已知装置作为气液分离器22。
由气液分离器22分离和收集的密封水通过压缩机21的排放压力通过密封水返回路23返回到压缩机21。该结构确保了压缩机21中的密封水的量得以维持以稳定地供应惰性气体。
(密封水返回路)
密封水返回路23从气液分离器22的下部连接到压缩机21的密封水供应口。
由于从压缩机21泄漏的密封水被气液分离器22收集，并且通过密封水返回路23返回到压缩机21，因此能够防止由于压缩机21的密封水的不足引起的密封缺陷，以将惰性气体可靠地引入待处理水中。
(冷却装置)
冷却装置24包括冷却由气液分离器22分离的密封水的热交换器。通过要返回到压缩机21的密封水被冷却装置24冷却，压缩机21中的密封水的温度可以保持为低，以防止由于温度升高导致压缩机21的能力降低。
(处理水路)
处理水通道7主要由管道形成，并且设置有设置在反洗水路8连接到的位置的下游侧的开关阀25和抽气泵26。处理水路7的一端与过滤隔膜组件2气密连接，另一端在过滤水储存罐3内与大气相通。
(开关阀)
处理水通道7的开关阀25在稳定运行期间通常打开。然而，当通过使用后述的反洗水路8对过滤膜组件2进行反洗时，开关阀25关闭，从而可以防止用作反洗水的过滤水流回到过滤水储存罐3。
(抽气泵)
抽气泵26，经由处理水路7，从过滤膜组件2的上保持构件16中的集水头吸入从中空纤维膜15的膜上游侧到膜下游侧的过滤水，并将过滤水排出到过滤水储存罐3。
通过采用这样的抽吸过滤方法，其中通过使用抽气泵26从中空纤维膜15的内部抽吸过滤水，由于中空纤维膜15的堵塞状态引起的过滤水的量的变化减少，可以稳定地进行水处理。
主要由吸气泵26的吸入压力产生的中空纤维膜15的内部和外部之间的压力差的下限，优选为5kPa，更优选为10kPa。中空纤维膜15的内部和外部之间的压力差的下限优选为300kPa，更优选为100kPa。当中空纤维膜15的内部和外部之间的压力差小于下限时，可能不能获得足够量的过滤水。另一方面，当中空纤维膜15的内部和外部的压力差超过上限时，中空纤维膜15可能被损坏。
(反洗水路)
反洗水路8主要由管道形成，并且设置有：用于对存储在过滤水储存罐3中的过滤水进行压送的反洗泵27和设置在反洗泵27的下游侧(处理水路7侧)的开关阀28。
(反洗泵)
反洗泵27可以是能够对过滤水进行压送的任何泵。反冲洗泵27的排放压力例如为20kPa以上且300kPa以下。
(开关阀)
反洗水路8的开关阀28在过滤期间通常关闭以阻塞通路，以防止过滤水从处理水路7流入反洗水路8。反洗水路8的开关阀28在反洗期间保持打开，以使反洗水能够供应到过滤隔膜组件2。
(原水路)
原水路9主要由管道形成。在原水路9中布置有球阀(ball tap)29。球阀29调节原水路9中待处理水的流量，以保持储存在待处理水储存罐1的待处理水的液面的高度，并作为水处理系统的液位调节机构发挥功能。
(排水路)
排水路10主要由管道形成。存储在过滤水储存罐3中的过滤水引起溢流，从而保持储存在过滤水储存罐3中的过滤水的量不变。
(惰性气体供应单元)
惰性气体供应单元11包括：储存高压惰性气体的气瓶30；供应阀31；和连通气瓶30与待处理水储存罐1之间的气体供应路32。
(惰性气体)
使用氧气体积含量为10％以下，优选为1％以下，因此不允许易燃物燃烧的气体，作为由惰性气体供应单元11供应的惰性气体。为了防止微生物等产生氧气，在惰性气体中，具有生物活性的二氧化碳的体积含量更优选为1％以下。这种惰性气体的主要成分的实例包括氮和氩。特别优选廉价的氮。
在惰性气体供应单元11中，在水处理系统开始运行之前，打开供应阀31，用惰性气体填充待处理水储存罐1。在稳定运行期间，供应阀31通常是关闭的。在水处理系统中，当由于惰性气体泄漏到外部或者惰性气体逐渐溶解在待处理水中时，填充系统的惰性气体的量减少的情况下，惰性气体可以从惰性气体供应单元11补充。系统中惰性气体的减少可以通过例如感测待处理水储存罐1中的压力来确定。
水处理系统可以设置有排气路，当由惰性气体供给单元11填充惰性气体时，通过该排气路排出存在于待处理水储存罐1，过滤膜组件2，再循环路5等的内部的空气。当设置排气路时，可以排出系统内的空气并用惰性气体替换，可以更可靠地降低氧气浓度以防止爆炸。
(悬浮物排出路)
悬浮物排出路12主要由管道形成并设置有开关阀33。悬浮物排出路12用于通过打开开关阀33将储存在待处理水储存罐1中的待处理水的液面附近的悬浮物(例如，分离的油层)排出。
(沉淀物排出路)
沉淀物排出路13主要由管道形成并设置有开关阀34。沉淀物排出路13用于通过打开开关阀34排出储存在待处理水储存罐1的待处理水中的沉淀物(泥浆)。
(污水处理方法)
根据本发明实施例的污水处理方法通过使用图1中所示的水处理系统进行。
污水处理方法包括：从待处理水储存罐1向交叉流式过滤膜组件2供应待处理水的步骤(供应步骤)；使通过了过滤膜组件2的膜上游侧的待处理水再循环到待处理水储存罐1的步骤(再循环步骤)；以及通过压缩机21对待处理水储存罐1的上部空间中的惰性气体进行加压以将惰性气体引入供应路4的吸引器19的步骤(引入步骤)。
(优点)
在水处理系统和使用水处理系统的水处理方法中，待处理水储存罐1的上部空间被惰性气体气密地填充，惰性气体由压缩机21从上部空间引入供应路。结果，惰性气体的气泡被供应到过滤膜组件2，并且可以通过气泡的洗涤效果来抑制中空纤维膜15的堵塞。
此外，在水处理系统和水处理方法中，由于储存在待处理水储存罐1中的待处理水的液面以上的空间被惰性气体气密地填充，气态氧可以从在待处理水储存罐1和过滤隔膜组件2之间循环待处理水的封闭系统排出。因此，在水处理系统中，即使从待处理水产生易燃气体，也可以通过保持气体中的低氧浓度来防止爆炸。
在水处理系统中，可以通过用球阀29保持储存在待处理水储存罐1中的待处理水的液面的高度来保持待处理水储存罐1中的惰性气体的压力。因此，在水处理系统中，由于能够在不添加惰性气体的情况下将引入供应路4的惰性气体的量保持为一定，因此可以减少惰性气体的消耗。
由于水处理系统包括过滤水储存罐3，处理水路7和反洗水路8，通过使用过滤水储存罐3中储存的过滤水作为反洗水，可以对过滤膜组件2进行反洗。附着在中空纤维膜15上的油和悬浮固体通过反洗被除去并通过再循环路5返回待处理水储存罐1，从而可以恢复中空纤维膜15的过滤能力。
由于水处理系统包括惰性气体供应单元11，因此当惰性气体溶解在待处理水中或惰性气体从系统泄漏时，惰性气体可以容易地补充到系统中。
由于水处理系统包括悬浮物排出路12和沉淀物排出路13，待处理水储存罐1中从待处理水被分离的悬浮物和沉淀物可以适当排出，可以防止悬浮物和沉淀物被供应到过滤膜组件2。
(其他实施例)
应当理解，本文公开的实施例仅仅是说明性的，并且在所有方面都不是限制性的。本发明的范围不限于实施例的结构，由权利要求表示。本发明的范围旨在涵盖权利要求的等同物的含义和范围内的所有修改。
在水处理系统中，只要能够减少过滤膜的堵塞，则不需要在过滤期间不间断地将惰性气体引入气体输送路。惰性气体可以间歇地引入气体输送路。
在水处理系统中，由于基本上填充系统的惰性气体的量不降低，因此不需要频繁地供给惰性气体，可以省略惰性气体供应单元。
在水处理系统中，可以省略过滤水储存罐，并且可以构造水处理系统使得从过滤膜组件流出的过滤水直接排放到河流等中。在这种情况下，水处理系统可以被配置为使得例如可以将自来水等作为反洗水供应。
在水处理系统中，可以省略原水储存罐的液位调节机构。在这种情况下，储存在待处理水储存罐中的待处理水的量减少从过滤膜组件排出的过滤水的量。因此，可以使用批处理，即，当待处理水储存罐的液面降低到一定高度时处理完成，待处理水储存罐中剩余的浓缩的待处理水被转移到其他处理设备。其他处理设备的实例可以是用于进一步浓缩待处理水和将所得浓缩物作为工业废物处理的蒸发器。
水处理系统中的原水储存罐的液位调节机构可以是除了球阀以外的机构，例如液位传感器和控制阀的组合。
在水处理系统中，可以省略待处理水储存罐的悬浮物排出路和沉淀物排出路。
水处理系统的过滤膜组件可以包括中空纤维膜以外的过滤膜。除了中空纤维膜以外的过滤膜的实例包括多层平板膜，褶皱膜和螺旋膜。
在水处理系统的过滤膜组件中，过滤膜组件中的中空纤维膜的平行方向，即待处理水的水通过方向可以是横向。
在水处理系统中，从过滤膜的上游侧向膜下游侧通过的过滤水可以通过供应泵的压力排出，而不设置抽气泵。
水处理系统可以被配置为执行内部压力交叉流式过滤，其中包含惰性气体的气泡的待处理水在加压状态下通过中空纤维膜的内侧，并且从每个中空纤维膜的外侧的过滤层收集渗透了中空纤维膜的过滤水。
在水处理系统中，可以省略气液分离器和密封水返回路。在水处理系统包括气液分离器和密封水返回路的情况下，冷却装置也不是必需的。
在水处理系统中，惰性气体可以仅通过压缩机的排放压力被引入供应路，而不需要吸引器。
在水处理系统中，为了分解惰性气体的气泡，例如，挡板或叶片可以设置在连接到气体输送路的供应路的部分的下游侧或过滤膜组件下部。
在水处理系统中，气体输送路可以连接到过滤膜组件的过滤槽，使惰性气体的气泡直接吹入过滤膜组件。
工业适用性
本发明适用于过滤当分解时产生易燃气体的包含悬浮固体的待处理水、含有以高浓度溶解于其中的易燃气体的待处理水，如油田生产的水。

Claims (9)

1.一种水处理系统，包括：储存待处理水的罐；对所述待处理水进行过滤的交叉流式过滤膜组件；供应路，通过供应泵使所述待处理水经由所述供应路从所述罐供应到所述过滤膜组件；以及再循环路，通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水经由所述再循环路再循环到所述罐中，
其中，所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充，
所述水处理系统还包括：气体输送路，所述惰性气体经由所述气体输送路从所述上部空间引入到所述供应路或所述过滤膜组件，以及
压缩机，其设置在所述气体输送路中并对所述惰性气体加压。
2.根据权利要求1所述的水处理系统，其中，所述压缩机是水密压缩机。
3.根据权利要求2所述的水处理系统，还包括：
位于所述气体输送路中所述水密压缩机的排出侧的气液分离器；和
从所述气液分离器连通到所述水密压缩机的密封水返回路。
4.根据权利要求3所述的水处理系统，包括冷却装置，所述冷却装置设置在所述密封水返回路中，并冷却由所述气液分离器分离的水。
5.根据权利要求3或4所述的水处理系统，其中，所述过滤膜组件的过滤水被用作所述水密压缩机的密封水。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的水处理系统，其中，所述惰性气体通过所述气体输送路被引入所述供应路，所述待处理水的流速在所述惰性气体被引入所述供应路的点处为2.5m/s以上15.0m/s以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的水处理系统，其中，所述气体输送路连接至所述供应路，并且在所述气体输送路连接至所述供应路的部分设置有将所述惰性气体与所述待处理水混合的吸引器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的水处理系统，包括位于所述过滤水借以从所述过滤膜组件排出的通路中的抽气泵。
9.一种水处理方法，包括以下步骤：通过供应路将待处理水从储存所述待处理水的罐供应到交叉流式过滤膜组件；将通过了所述过滤膜组件的膜上游侧的待处理水再循环到所述罐中，
其中，所述罐具有位于所储存的待处理水的液面上方的上部空间，所述上部空间被惰性气体气密地填充，并且
所述水处理方法还包括以下步骤：通过压缩机对所述上部空间中的所述惰性气体进行加压，以将所述惰性气体引入所述供应路或所述过滤膜组件。
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