CN107428565A - 介质过滤器到膜重力过滤器的转换 - Google Patents

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Abstract

一种常规介质过滤器(如重力砂过滤器)转换成膜过滤器。介质被移除并且由浸入式膜模块替换。跨膜压力在没有吸入泵的情况下由静水头压差产生，由此产生膜重力过滤器(MGF)。优选的操作参数包括5‑20kPa的跨膜压力、每天1‑3次反洗以及10‑20L/m2/h的通量。膜以氯或另一氧化剂加剂量，优选以每周等同700分钟*mg/L或更少的Cl2。少氧化剂剂量被认为提供多孔生物膜或污垢层，而不显著地移除该层。可修改介质过滤器，使得反洗废水从罐的底部附近移除，而不是穿过膜模块上方的反洗槽。膜完整性测试可在罐在反洗之后清空的同时进行。

Description

介质过滤器到膜重力过滤器的转换
相关申请
本申请要求享有2015年4月17日提交的美国临时专利申请号62/ 149,070；2015年8月27日提交的62/210,915；以及2015年9月28日提交的62/233,812的权益，并且要求享有2015年5月13日提交的美国专利申请号14/711,060和2015年5月26日提交的14/721,549的优先权，所有这些都通过引用并入。
技术领域
本说明书涉及水处理和膜过滤。
背景技术
常规介质过滤器具有铺设在排水系统之上的介质床。市政饮用水厂中最常见的介质过滤器为重力砂过滤器，也称为快速砂过滤器，其中介质为砂。排水系统(也称为暗渠)可为例如覆盖在砾石或穿孔平台中(可选地覆盖有砾石层)的排水管道的网格。供给和反洗水槽横跨沙床上方的罐。从槽供给到罐中的水流动穿过砂床并且到暗渠中。床通过将水(以及可选的压缩空气)穿过排水管供给到槽中并且将反洗的水收集到槽中来定期地反洗。这种过滤器通常用于市政饮用水过滤设备。
膜过滤器将可渗透膜用于过滤水。在市政饮用水厂中，膜孔径通常在超滤或微滤范围内。在浸入式系统中，膜模块放置在开放的罐中，并且渗透物从膜的内部撤出。一个商业产品为由GE Water＆Process Technologies出售的ZeeWeedTM1000(也称为ZW 1000)模块。这些模块大体上如在美国专利6325928,Immersed Membrane Element and Module和美国专利6893568,Immersed Membrane Filtration System and Overflow Process中描述，它们通过引用并入本文。美国专利申请公开2006/0108275A1描述了用以将浸入式膜集成到现有的砂过滤器中的套件，并且将其通过引用并入本文。
发明内容
本说明书描述了浸入式膜过滤系统和操作的方法。系统可新构建，但是其在本文中将描述为常规重力砂过滤器到膜过滤器的转换。在该情况中，重力过滤器床的颗粒介质用浸入式膜替换。
在本文中描述的过滤过程中，浸入式膜在一个或更多个方面像快速砂过滤器一样操作。例如，膜可在没有渗透物泵的情况下操作。用以引起渗透物穿过膜的流的跨膜压力可选地由静水头差产生，例如在过滤期间的膜之上罐中的和在至大气的渗透物排放点处的水的自由表面之间的高度差。跨膜压力(TMP)可选地为20kPa或更小。由于过滤由重力驱动，所以设备可被称为膜重力过滤器(MGF)。可选地，膜也可以以类似于快速砂过滤器的反洗频率和回收率操作。
在本文中描述的另一过程中，水以20L/m2/h或更小的通量通过浸入式膜来过滤。膜被反洗，可选地每天不多于5次反洗。一天一次或更多次的反洗包括氯或另一种化学试剂，其剂量对增加生物膜或污垢层的孔隙率有效，而不显著地杀死或移除该层。例如，可存在每周剂量为700或更少(优选为500或更少)分钟*mg/L的Cl2。再生清洗可完全避免，或者避免至少达很长一段时间，如6个月或更长。
本文中描述的过滤系统具有与其渗透物撤出系统分离的罐排水系统。在与该系统一起使用的过程中，反洗水在反洗之后从膜模块下方的排水系统移除，而不是穿过膜模块上方的反洗槽。膜的完整性可选地在罐清空的同时测试。
可选地，过滤系统可包括吸附介质的床。吸附介质可位于膜模块上方，并且模块可构造成使得反洗水优先地从模块向上流动并且穿过吸附介质。本说明书中描述的过程包括以下步骤：反洗膜模块以及产生水穿过模块的向上流，可选地足以使吸附介质膨胀。可选地，这些步骤可在将罐排水的步骤之后。
附图说明
图1为通用介质过滤器(现有技术)的截面。
图2A为利用浸入式膜改造以在膜的顶部处制成具有渗透物收集器的膜重力过滤器的介质过滤器的截面。
图2B为利用浸入式膜改造以在膜的底部处制成具有渗透物收集器的膜重力过滤器的介质过滤器的截面。
图3为在使用膜重力过滤器来处理有和没有添加至反洗水的氯的地表水时示出随着时间的通量的曲线图。
图4为示出针对在图3的实验中使用的水随着时间的浊度和温度的曲线图。
图5为示出针对在通量和浊度范围内操作的膜重力过滤器的计算的水回收率的曲线图。
图6为膜过滤系统的示意性截面，特别是改造成膜重力过滤器的重力砂过滤器。
图7为吸附筒的轴测图。
图8A为另一种膜过滤系统的剖视轴测图。
图8B为图3A的部分的放大视图。
具体实施方式
通用高速介质过滤器1(备选地称为重力过滤器)的截面在图1中示出。在市政水过滤中，介质过滤器1典型地包含具有0.5-1.5m的介质床2，其具有一个或两个过滤介质。介质床2由暗渠系统3支承。在过滤期间，供给水4从介质床2上方添加，并且自由水表面维持在过滤水位5处。滤过水6收集在暗渠系统3中或下方。在定期反洗期间，反洗水7和可选的空气8向上流动穿过暗渠系统3和介质床2，并且自由水表面达到反洗水平8。反洗水9溢出和离开介质过滤器1。过滤可处于恒定流速(增加过滤压头)或下降速率(恒定过滤压头)。过滤压头通过改变过滤器中的水位或者通过在滤液侧施加压力损失来控制。反洗通过操作阀来开始，以反转穿过过滤器的流并且典型地通过位于床上方或过滤器箱的侧面上的槽排空脏的反洗水9。反洗可通过喷射空气，水平表面洗涤或者两者来辅助。
用于改造介质过滤器的膜可为可被浸入的任何微滤(MF)或超滤(UF)膜。模块可在平面视图中具有矩形截面，如来自GE Water＆Process Technologies的ZeeWeedTM 1000模块。矩形(可选为方形)模块可并排放置在网格中，并且占据接近整个罐占地表面面积。水可向上或向下流动穿过ZW1000模块。作为备选，模块可具有圆形截面，如Toray的HSU-1515、Memcor的CS以及Asahi的UHS-620A模块。给定它们的圆形几何形状，这些模块的网格在模块之间留下开放的竖直列。供给水通过模块的侧面进入，反洗水从模块的侧面退出，且可选的空气可通过模块的底部进入。
图2A和图2B示出了针对利用膜模块112改造介质过滤器1以产生膜重力过滤器110的两个选项。在这些情况下，膜模块112以最小的修改(例如不修改暗渠系统3)来替换图1的介质床2。如果介质过滤器1不包括用以增强反洗的空气喷射，则曝气网格可首先在膜模块112之下向下铺设。托盘或框架也可向下铺设到暗渠系统3上，以控制模块间距或者以其它方式协助于保持或调平膜模块112。在图2a中，膜模块112并排安装，以覆盖过滤器底板的整个表面区域。膜模块112可选地逐个安装或者以小单元安装(即，它们未预先组装成大的盒子)，以避免对起重机或其它重型升降装备的需要。膜模块112的渗透物端口接着连接于渗透物集管114，其包括水平地铺设在膜模块112的顶部上的横向区段。可存在若干排的膜模块112。在该情况下，渗透物集管114(例如在罐的端部处)的主体区段可用于将多个横向区段连接在一起。渗透物集管114以虹吸装置(未示出)穿过罐壁(如图2A中示出的)或者越过壁。作为备选，各个区段可穿过罐壁或者越过罐壁，并且连接于罐外部的主体区段。
利用在膜模块112上方的渗透物集管114，在膜的渗透物侧上释放的空气可利用渗透物排空。然而，可必须移除渗透物集管114，以替换膜模块112。在图2A中，渗透物集管114在安装膜模块112之前安装在暗渠系统3上。渗透物集管114位于膜模块112的下方。在该情况下，渗透物集管114不需要移动以移除膜模块112。然而，在膜的渗透物侧上释放的空气可不夹带在渗透物流中，并且可收集在膜模块114内部。为了移除收集的空气，与膜模块112的顶部连通的小管网络(未示出)可被添加，并且用于例如通过在反洗期间放出空气来移除空气。
介质过滤器1的管道也被重新构造，以便完成介质过滤器1成膜重力过滤器110的转换。例如，如图2A和图2B中示出的，暗渠出口管道116和供给水4管道切割并加盖，其中由前标记(“//”)指示。先前供给至介质过滤器1的顶部的供给水4被重新引导并且通过暗渠出口管道的第一部分116a供给至暗渠系统3中。膜渗透物集管114连接于暗渠出口管道的第二部分116b。可选地，反洗水入口118例如通过暗渠出口管道的第二部分116a连接于渗透物集管114。
关于这些变化，以前的介质过滤器1可现在操作为膜重力过滤器，可选地不改变介质过滤器1的其它物理特征或操作和控制方法。供给水4现在进入膜重力过滤器110穿过暗渠系统3，并且向上流动至膜模块112，以过滤死端。过滤压头118由横跨膜的静水头差提供，例如在渗透物排放点被浸没的情况下罐中的水位(过滤水平5)与渗透物排放点至大气的水平或渗透物收集罐中的水位之间的差。反洗可周期性地开始，例如一旦过滤压头118达到特定水平，或者在反洗(如果首先达到特定水平)之间的最大时间处。在反洗时，滤过水阀120被闭合，而反洗水阀112被开启。在反洗期间，供给流可选地继续中断，并且协助于例如通过溢流至槽来将逐出的固体作为反洗9从罐运载出。典型的介质过滤器的反洗网络设计成处理为滤液网络的2-4倍的流量。因此，使供给水4通过反洗网引入到膜重力过滤器110中不太可能限制供给水流量。
表1比较了针对常规浸入式膜系统与膜重力过滤器的典型操作参数。常规膜系统和膜重力过滤器的操作之间的一个差异与通量有关。污垢随着通量迅速地增长，可能以指数方式增长。以低通量操作仅需要低的跨膜压力，这实现了重力操作，即使在常规快速砂过滤器(例如2.5m或更小或2.0m或更小)中可得到的非常低的过滤压头的情况下。以低通量操作还可减少对至或接近介质过滤器(如快速砂过滤器)的典型的频率范围的反洗的需求。
表1 常规膜系统与膜重力过滤器的比较
。
如表1中指示的，重力膜过滤器可在没有再生化学清洗(也称为回收清洗)的情况下可选地操作。在再生化学清洗时，膜与化学清洗剂接触达长的时间，如15分钟或更长时间。再生化学清洗的目的在于杀死或移除生物膜或污垢层的大部分，并且例如在新的时候将膜渗透性恢复到膜的渗透性的20％内。在常规膜系统中，再生清洗典型地在周至月的基础上执行。然而，如以下进一步论述的，膜重力过滤器可无限期地操作，或者操作至少达很长一段时间或6个月或更长或12个月或更长，而无需再生化学清洗。在该操作模式中，膜渗透性从在新的膜时的渗透性降低，但是达到可接受的稳定状态。污垢或生物膜层允许达到稳定状态，而不是连续地移除成恢复接近新的膜渗透性。
一些最近的研究表明，在没有再生化学清洗的情况下，膜通量不会变为零，但是稳定在典型小于10L/m2/h的低值下。Peter-Varbanets等人(2010)由重力操作膜系统，无需随着TOC含量的增加对不同类型的水进行任何反洗、冲洗或化学清洗。通量在0.40-0.65m的水柱的过滤压力下稳定在4-10L/m2/h之间。稳定的通量随TOC增加而降低。他们证明了，生物膜的生物活性有助于稳定通量。在大约一周的操作之后，腔、通道以及树枝状结构的形成在污垢层中观察到。Derlon等人(2013)表明，通量在小于0.65m的水柱的过滤压力下在重力驱动过滤中稳定在8-10L/m2/h的范围内。它们将后生动物的活性及其对生物膜结构的影响与可实现的通量相互关联。在这两种情况下，稳定状态的通量在生物膜通过让更高的微生物发育来调理后实现。这些方法因此取决于如供给水中存在的有机物质的性质、任何抑制性化合物以及温度等因素。需要的因素难将以在市政水处理厂中持续地提供。此外，获得的通量不太可能足以允许膜重力过滤器提供与快速砂过滤器相同的产量。
在膜重力过滤器中，通量利用在反洗水中周期性地提供的低剂量氧化剂来改进。在不意图受理论的限制的情况下，发明者相信氧化剂在有效剂量下并未如在再生化学清洗时移除生物膜或污垢层，但是相反地，使生物膜或污垢层在类同于较高级微生物的活性的意义上更多孔。在并排实验中，1.5m的恒定头之下的重力膜过滤在每天5分钟的反洗中在有和没有少浓度氯(10mg/L)的情况下测试。化学剂量为350分钟*mg/L的CL2每周。供给水为从湖中抽取的地表水。膜模块为ZW 1000模块的中试规模变体，其具有带标称0.04微米孔径的水平定向的中空纤维超滤或微滤膜。图3的结果表明，没有氯的稳定状态通量仅为5 L/m2/h，而具有小剂量氯的稳定通量提高至12-14L/m2/h。由氯化反洗提供的低浓度和接触时间不足以清洗膜。然而，本发明者相信，氯在调理生物膜或污垢层方面为有效的，以使其更具渗透性。使污垢层或生物膜以每天(或其它)剂量的氧化剂调理预期比依靠较高级微生物更可控和可靠。
虽然其它氧化剂预期产生类似的结果，但是氯为水处理厂中的最常见的最终消毒剂，并且通常作为最终消毒剂恰好添加在介质过滤器下游。因此，膜重力过滤器中的反洗水中的小剂量氯不期望引起监管或健康问题。备选的最终消毒剂(如二氧化氯或氯胺)在反洗中的使用也为可能的。
图4示出了以上描述的实验中处理的供给水的随着时间的浊度和温度。如图4中示出的，图3中的结果在过滤平均为2-3NTU(其中峰值高达10NTU)的浊度的未净化地表水时获得。可能的是，更高的稳定状态通量可在凝结和沉降或其它常规预处理之后实现，其中供给水的浊度可降低至0.5NTU或更低。
如关于图3描述地测试的，但是其中氯化反洗仅持续达另外300天至总共400天。不存在膜在测试期间的任何时间的再生清洗。在冬季期间，供给水温度下降到2〜4摄氏度达大约75天。在该时间期间，平均通量粗略地降低至10 L/m2/h。通量在供给水加热回升至15摄氏度及以上之后增加至大约12-14 L/m2/h的范围。该中试系统在没有再生化学清洗的情况下操作达大约22个月。
图3中的通量结果建议，转换成膜重力过滤器的常规介质过滤器将提供至少相似的产量，而不增加占地面积(罐面积)。水质可典型地通过使用膜来改善，因为膜与介质过滤器相比具有低得多的截止值(MF/UF膜为0.01-0.1μm与介质过滤为5-10μm对比)。将介质过滤器转换成膜重力过滤器因此也可能增加过滤的水质，这可有益于下游处理过程，如反渗透。
进一步测试使用市售的ZW 1000模块来进行，以过滤地表水，其包括42m2(450平方英尺)和51 m2 (550平方英尺)的版本两者。在6个月的试验期内产生的通量典型范围为13-20L/m2/h。试验期间的供给水温度范围为大约4-26摄氏度，同时浊度范围为大约0.2到2NTU，但是其中频率飙到4或更大NTU。这些模块每8小时反洗。回收率为97-98％。罐填充有水至1m深。渗透物出口与罐的底部齐平，并且排放至大气压力，导致TMP为10kPa。化学剂量为350分钟*mg/L的CL2每周。膜在6个月试验期间没有回收清洗。
常规介质过滤器典型地设计成具有5-15m/h的过滤速度。如表2中示出的，这些吞吐量可通过利用膜改造来匹配或增加，即使在以低通量操作时。假设过滤器的占地面积的80％将利用模块覆盖来构建的表2。为12L/m2/h(针对原水)和16L/m2/h(针对沉降水)的设计通量被假设。ZW 1000模块的高度大约为685 mm(27英寸)，但可竖直堆叠。对于一些计算而言，两个ZW 1000模块的堆叠被假设，因为此类堆叠仍然在典型的快速砂过滤器中可得到的空间内。用于生成图2的计算表明了，这些设计条件可生成8-22m/h的过滤速度。
表2 能够利用不同模块实现的过滤速度的实例
。
膜重力过滤器可在不使用比常规过滤器显著更多的反洗的水的情况下操作。介质过滤器典型地在处理具有低浊度(<1NTU)的预处理(即，凝结和沉降)的水时具有>95％(通常大约98％)的回收率。针对在不同条件之下操作的膜重力过滤器的计算回收率在图5中示出。两个顶部曲线代表处理的沉降水，并且基于ZW-1000模块，其中表面面积为65m2，并且固体限度为20g/模块，并且假设1NTU = 1.5mg/L。假设将每天执行一次反洗，无论模块的固体限度是否达到。曲线的突然下降表示固体极限在不到一天内达到，并且附加的反洗在此时执行。对于为0.5NTU的浊度而言，典型的沉降水、回收率随着通量而增加，并且每天的单次反洗足以高达为17L/m2/h的通量。在为12 L/m2/h的通量下，回收率=98.3％。第二条曲线代表功能差的沉降器(浊度= 2NTU)。在为12L/m2/h的通量下，需要每天两次反洗，并且回收率为96.3％。两个底部曲线代表处理的原水(具有为10和20NTU的浊度)，并且基于ZW-1000模块，其中表面面积为46.5m2，固体限度为155g/模块。在12L/m2/h的通量下，将需要每天两次反洗，并且回收率将为94-95％。
为了总结以上的测试和计算，为大约10-15kPa的跨膜压力(TMP)通过罐中的水的自由表面的重力(静电)头差将膜相对于静水头保持抵靠渗透物出口来向膜重力过滤器提供。不存在渗透物泵。据估计，为大约15kPa(可能为20kPa)的稍高的TMP可在相对于生物膜的增加的通量或绝对压力变得太大之前使用，以维持预期的多孔生物膜。通量不超过20 L/m2/h，典型地不超过15 L/m2/h。膜每天反洗1到3次。每天一次反洗在反洗水中以10mh/L的Cl2进行。该反洗持续了大约5分钟。附加的反洗(如果有的话)不具有氯或任何其它清洗化学添加的。氯的总的每周剂量因此为大约350分钟*mg/L的Cl2，等同于大约732分钟*mg/L的NaOCl。超过预定最小值(即，每天一次)的反洗可由超过预定最大值的膜槽体中的固体浓度或浊度触发。
据估计，一天0.5到5次反洗之间的反洗频率可为可接受的。在其中不具有氧化剂的反洗可以可选地由膜外部的罐的冲洗来替换。如果每天将需要多于5次反洗或供给冲洗来维持罐中的期望供给水条件，则供给水可相反地预处理，使得每天不多于5次反洗或者每天不多于3次反洗被需要。据估计，700或更少(优选为500或更少)分钟*mg/L的Cl2的每周剂量将为可接受的，并且将提供多孔生物膜层而不显著地杀死生物膜层。最低的每周氯剂量估计为100分钟*mg/L的Cl2。膜的浸没深度(罐的自由水表面与最低活性膜区域之间的距离)小于5米，可选地小于2.5米或小于2.0米。可选地，膜可操作达6个月或更长，或12个月或更长，而无需再生清洗。在每周剂量为700分钟*mg/L或更少的Cl2下，使膜在没有再生清洗的情况下利用再生清洗操作达6个月将膜仅暴露于不超过18,200分钟*mg/L的Cl2。
膜重力过滤器可用于例如市政或工业饮用水过滤。系统可代替介质过滤器(如快速砂过滤器或其它常规过滤系统)使用。在以下的详细系统实例中，常规重力砂过滤器转换成膜重力过滤器。转换过程对常规过滤器及其操作模式作出一些改变，但是也使用一些现有构件。改变不必按照以下描述的顺序执行。以下描述的改变还必须针对不同类型的现有快速砂过滤器调节。
为了转换现有的过滤器，现存的砂和任何其它介质将被移除。膜模块例如通过将其支承在罐的底部上，在为现有暗渠的一部分的多孔平台上，或者在添加至罐的侧面或上边缘的支架上来添加至罐。典型地，需要多个盒子或膜模块。来自各个盒子的渗透物端口或管道连接于渗透物歧管。渗透物歧管连接于现有的清水池和现有的反洗水供应歧管。针对过滤的跨膜压力(TMP)可由相同的重力感应静水头差(用于通过前砂床来驱动过滤)产生。暗渠和清水池与反洗水供应歧管之间的先前连接被闭合。在某些情况下，这可通过将渗透物歧管从罐内部连接于现有通路(从暗渠至罐外部)来完成。在该情况下，不需要新的孔穿过罐壁。此外，如果现有的通路用于滤过水移除和反洗水供应两者，则能够操作成使渗透物歧管与清水池隔离的阀和能够操作成使渗透物歧管与反洗水供应歧管隔离的阀将已经就位。该选项也可用于将现有的暗渠与清水池和反水供应同时断开。作为备选，渗透物歧管可通过另一个开口穿过罐壁。例如，一些快速砂过滤器具有用于垫圈的罐壁渗透部，其将在膜系统中淘汰。该渗透部可优选在其大小增加之后用于渗透物歧管。在其它选项中，可使用全新的罐壁穿孔或在罐壁之上的虹吸管。在这些情况中，渗透物歧管通过隔离阀从罐外部连接于现有的清水池和现有的反洗水供应歧管。取决于如何进行这些连接(即，至组合的清水池和反洗集管，或至现有隔离阀上游或下游的单独的清水池和反洗集管)，一个或更多个隔离阀可需要添加或者可不需要添加。此外，这些连接可或可不将现有的暗渠与现有的清水池和反洗水供应同时断开。如果必须在以上描述的任何选项中，则穿过罐壁至暗渠的现有导管可作为单独的步骤闭合。在一些情况中，这可通过闭合现有的隔离阀来完成。作为备选，穿过罐壁至暗渠的现有导管可用作罐排水口。
对现有的快速砂过滤器罐的改变可选地包括在反洗之后添加待用于使罐排水的罐排水口。大体上，这通过将罐的底部连接于现有砂过滤器的现有反洗废水出口来实现。在一个选项中，现有的暗渠排放导管可与清流池和反洗水供应断开，并且相反地通过阀连接于反洗水通道。在另一选项中，新的开口优选在罐的底部处穿过罐壁，并且通过阀连接于反洗废水通道。例如，在反洗水通道由罐壁(与反洗废水通道共用)部分地形成的情况下，开口可制成穿过罐壁，并且装配有闸门。虽然该选项需要新的开口，但新的开口可比先前暗渠排放导管更大，以允许更快速的罐排水。
在以上的选项中，槽不再用于收集反洗水。槽可被移除或留在原位。如果槽留在原位，则供给水可通过槽引入至罐，这可促进更均匀的供给水分配。然而，将槽移除为优选的。这是因为槽占据了罐的深度的显著一部分，并且将槽移除可允许更多的膜模块添加至罐。例如，关于ZW 1000模块，在一些情况中，如果槽被移除，则可添加第二层模块。
在反洗水可从现有的槽移除时，更多固持的固体可通过在膜系统中使罐排水来从罐移除。利用沙床，使罐排水将捕获砂中的固持的固体，并且因此反洗水从床上方的槽排放。相比之下，具有固持的固体的水可竖直向下流动穿过膜模块，而不会在模块中捕获显著量的固体。
除了槽的可选的移除外，现有系统的供给水供应系统不需要修改。
可选地，吸附筒可在模块上方添加。吸附筒移除了可溶性污染物，并且还可提供一些深度过滤。例如，吸附筒可包含具有移除溶解的微污染物的潜力的颗粒吸附剂，如活性炭。
与系统一起使用的膜模块可为任何浸入式膜模块，优选在超滤或微滤范围内具有孔。一个适合的模块为由GE Water＆Process Technologies出售的ZeeWeedTM1000模块。这些模块具有悬挂在一对相对的竖直定向的矩形灌封头之间的水平中空纤维。护罩板在灌封头之间延伸。模块在平面图中具有矩形截面，具有用于供给水流动穿过模块的竖直流动路径。多个模块可设在公共框架中，以形成盒子。盒子可具有一层或更多层模块。如果存在多层，则模块在盒子中竖直地对准，使得竖直流动路径连续穿过盒子。
吸附筒(如果有的话)与膜在同一时间反洗。反洗水首先流动穿过膜，并且接着穿过吸附筒。罐中的水位随着反洗水添加而上升，并且在添加反洗水时，存在穿过吸附筒的水的总体向上流。如果槽不被移除并被用于反洗，则过量的反洗水通过槽离开罐。作为备选，在添加反洗水之后，开启阀(其可以可选地为门)，以使罐排水。
ZW 1000模块特别适合于与吸附筒一起使用。穿过这些模块的竖直流动路径由护罩板和灌封头束缚。曝气器管道(以及还可选为渗透物管道)部分地堵塞至模块的底部处的流动路径的进口。大多数供给水因此从上述模块进入模块(或竖直对准的其堆叠)，这激发供给水在达到模块之前穿过吸附筒。将吸附筒定位在模块上方并且将供给水从吸附筒上方添加至罐，也激发供给水在达到模块之前穿过吸附筒。当ZW 1000模块被反洗时，大多数反洗水在穿过膜之后向上升起离开模块(或堆叠)。这帮助在反洗期间增加水流动穿过吸附筒的向上速度，可选地至使吸附筒中的介质的床流化的点，以更好地释放捕获的固体。然而，其它模块也可使用。与可在上面描述的那些类似的效果可通过将竖直延伸的护罩围绕模块放置并且(如果必要)部分地阻塞向上穿过模块的底部或覆盖的区域的流，利用其它模块设计来实现。
穿过模块的向上流也可通过在反洗期间从模块下方提供气泡来增强。在一些情况中，现有的过滤器已经具有用于在反洗水中提供气泡的鼓风机。鼓风机优选相反地连接于设有模块的曝气器，并且设计用于利用气泡清洗膜。
可选地，氯可喷射在反洗水中，以有助于清洗膜或者维持其渗透性。具有适合于与膜重力过滤器一起使用的氯化反洗的膜操作过程的一个实例描述在介质过滤器成重力膜过滤器的转换(于2015年8月27日提交的美国临时专利申请序列号62/210,915)中，其通过引用并入本文。如果使用吸附筒，例如具有颗粒活性炭(GAC)的吸附筒，则吸附筒可有助于除去反洗水的氯，这可减轻供给水中的氯化副产物的形成。
过滤过程的实例将在下面描述。过程可与膜过滤系统(例如如以上或在下面更详细的实例中描述的改造系统)一起使用。过程以重复的循环操作。在下面的描述中，循环描述为以空的罐开始，由于过程为循环的，所以这是一个任意的起始点。
首先，供给水例如穿过现有或常规的供给分配系统来引入，以将罐填充至膜上方的水平。
其次，供给水被过滤，同时更多的供给水添加至罐。过滤阀(即，渗透物歧管与清水池之间的隔离阀)被开启，并且滤过水(渗透物)穿过膜产生。优选地，大多数供给水从上方，或以其它方式在流动穿过一个或更多个吸附筒之后进入膜模块。吸附筒(如果有的话)随着水流动穿过它们而移除微污染物。吸附筒中的一个或更多个筛网或吸附筒中的颗粒吸附介质或两者也可通过在较大的颗粒(如果存在于供给水中)达到膜之前移除较大的颗粒来保护膜。供给水通过膜过滤，流动穿过渗透物歧管并且离开罐，例如至清水池。
第三步骤涉及反洗(也称为反脉冲)膜以及反洗吸附筒(如果有的话)。为了开始反洗，供给流被中断并且反洗泵被启动。反洗泵将例如来自清水池的渗透物以(与渗透)相反的方向推动穿过膜。反洗膜的大多数渗透水通过模块的顶部离开，并且还反洗吸附筒。反洗优选通过将空气喷射在模块的底部处来增强。在反洗期间，颗粒介质可膨胀或流化，可选地填充吸附筒的整个体积。
第四步骤涉及使罐排水。如以上提及的，反洗水可备选地如在常规的快速砂过滤器中通过反洗槽排空，这将替换本示例性过程的第一和第四步骤。然而，优选的方法是使罐排水，因为这允许在循环的过滤步骤期间累积的固体的更接近完全移除。利用ZW 1000模块，大多数反洗水(即，大于50％，但可选地大于80％或大于90％)向上流动穿过1个或更多个竖直对准的模块和吸附筒(如果有的话)的堆叠。反洗水可接着通过在模块之间或在模块盒子之间流动穿过为该目的而提供的空间，向下流动至模块下方的反洗废水排空端口(也称为罐排水口)。例如，模块可仅占据罐的占地面积的80-90％。ZW 1000模块的设计还允许较少量的流(例如，大约10％)通过模块的底部离开，以使罐在罐排水时可更完全地清空并且更多的固体被移除。
过程接着返回至第一步骤并且重复。反洗的频率可使得总体回收率为95％或以上。这典型地导致每天反洗1至3次。
图1示出了设计为针对快速砂过滤器的改造的膜重力过滤器10的实例。砂从罐12移除，允许膜模块14放置在罐12中。在示出的实例中，模块14为ZW 1000模块，并且依靠在预先支承介质床的多孔平台16上。可选地，多孔平台16(或其它暗渠系统)可被移除，并且模块14可直接地支承在罐12的底部上。在另一选项中，多孔平台16中的孔17可被填充成，以在多孔平台16的高度处实际上提供罐底部。示出了膜模块14的两层，但是可以可选地存在更多(3或更多)或更少(1)层。模块14优选地覆盖罐12的占地面积的至少80％，但是仅一个模块14的盒子在图1中示出，以简化附图。可选的吸附筒18可卡扣或以其它方式附接于各个模块14的顶部。在另一选项中，模块14或吸附筒18可覆盖有在维护期间可向前行走的格栅。
模块14限定竖直流动通道，其在顶部处开启并且在底部处部分地开启。大多数(即，50％或更多)，但是优选80％或更多或90％或更多的供给水将从1个或更多个竖直对准的模块14的堆叠20的顶部进入堆叠20。大多数(即，50％或更多)，但是优选80％或更多或90％或更多的反洗水将从1个或更多个竖直对准的模块14的堆叠20的顶部离开堆叠20。模块14在堆叠20中具有在最低模块14的底部附近或下方的曝气器网格11。模块14的曝气器网格连接于空气供应网络15，其通向一个或更多个鼓风机，用于在反洗期间在膜外部提供气泡时使用。可选地，如果快速砂过滤器使用空气协助反洗，则空气供应网络15可连接于现有的空气供应系统的一个或更多个管道和鼓风机。
各个模块14的渗透物出口连接于渗透物和反脉冲集管22。渗透物和反脉冲集管22可在如示出的堆叠20的顶部处或在另一水平处，例如在堆叠20的底部处。在示出的实例中，利用在堆20的顶部处的渗透物和反脉冲集管22，以前用于重力过滤器中的垫圈的壁渗透部21可在适合的高度处并且可放大成适应渗透物和反脉冲集管22。作为备选，新的开口可在用于渗透物和反脉冲集管22的罐12中制成。在该情况中，垫圈渗透部被覆盖，填充或以其它方式闭合。可选地，渗透物和反脉冲集管22也装配有空气放出口27和化学剂量端口29。
渗透物和反脉冲集管22在罐外部连接于现有的暗渠出口24。现有的暗渠出口24中的隔离阀26被永久地闭合。作为备选，如果不存在便利定位的隔离阀26，则暗渠出口24可在两个端部上(例如在大约图1中示出的隔离阀26的地方处)切割和加盖。可选地，如果存在与罐12的底部连通的现有的罐排水管道25，则其可在整个罐被排水时为了在维护程序期间使用而留在原位。
渗透物和反脉冲集管22通过暗渠出口24连接于具有反洗阀34的反洗水导管30和具有滤过水阀32的滤过水导管28。这些管道连接可按需要修改，以利用现有的滤液以及反洗水阀和通道。
优选地，一个或更多个壁渗透部36在罐12的底部附近添加并且向供给和排水通道41开启。在一些情况中，供给和排水通道可与罐12集成铸造。供给和排水通道41通过罐排水阀38，可选地通过反洗废水连接器42与反洗废水通道40分离。反洗废水通道40先前从现有的过滤器中的槽44接收废弃反洗。尽管反洗水仍可通过槽44流动至反洗废水通道40，但是使壁渗透部36添加允许罐12在反洗期间或之后至少部分地排水，以从罐12移除大多数反洗的固体。可选地，渗透物和反脉冲集管22还可连接于反洗废水连接器42或者直接地连接于反洗废水通道40，以允许渗透物在工厂启动程序期间发送至排水口。
作为备选，罐排水口可通过将隔离阀26与罐12之间的暗渠出口24的部分连接于反洗废水通道40来提供。然而，在许多现有的快速砂过滤器中，反洗废水通道40不定位在暗渠出口24附近，并且因此较长的反洗废水连接器42将被需要。此外，新的壁渗透部36(或多个新的壁渗透部36)可大于现有的暗渠出口24(典型较小)的大小，这允许更快的罐排水。
不需要改变原供给水。图1示出了通过供给阀48连接于罐12和现有槽44的供给水导管46，但是其它供给系统也为可能的。例如，槽44可被移除。
吸附筒18在图2中更详细地示出。吸附筒18的水平截面大体上与模块14的水平截面相同。吸附筒18适于容易地附接于模块14并且从模块14移除。作为备选，吸附筒18可为更大的并且覆盖若干模块14。吸附筒18具有限定其周边的固体竖直壁50。在壁50的顶部和底部处的筛网52产生闭合的空间。筛网52可具有大约0.5mm的开口，否则按需要固持颗粒吸附介质54的床(例如，GAC，大小典型为大约1mm)，而不向流添加显着的阻力。可选地，吸附筒18仅填充有颗粒吸附介质54(在30-70％之间，优选为40-60％)，以允许用于床反洗期间的膨胀。GAC典型地使用，但是不同的吸附介质可被选择来优先移除不同的微污染物。
图3A和图3B示出了第二膜重力过滤器60。该系统类似于膜重力过滤器10，并且相同的附图标记用于表示相似或相同的部分。然而，在膜重力过滤器10与第二膜重力过滤器60之间存在两个主要区别。
一个区别在于，在第二膜重力过滤器60中，罐12与模制的混凝土反洗通道40共用共同的壁。壁渗透部36将罐12连接于反洗通道40，并且同时提供废弃反洗水连接器42。罐排水阀38由闸门设在壁渗透部36之上。接近孔17制成穿过多孔平台16，以接近闸门。作为备选，多孔平台16可完全移除。
第二个区别在于，反脉冲集管22由定位在罐12内部的适配器23连接于暗渠出口24。在示出的实例中，现有的暗渠在多孔板16之下由滤过水通道62组成。适配器23装配到暗渠出口24的开口端部中。作为备选，如果暗渠由覆盖在砾石中的管道网络组成，则砾石将被移除并且管道网络将在适配器23被装配之前从暗渠出口24切除。
可选地，膜完整性可在罐为空的时使用美国专利6,228,271(通过引用并入本文)中描述的方法来测试。该方法涉及非常少的停机时间，因为该方法可在罐在反洗之后排水以移除固体时执行。需要非常少的装备，并且存在损坏膜的风险很小。然而，发明者不知道该方法在完整大小膜过滤设备中的任何使用。这一切的原因可为，测试需要非常高的吸入压力，以发现以下大小的缺陷，该大小恰好足够大，以使关注的各种寄生虫(例如，隐孢子虫)在高通量系统中经过。然而，常规快速砂过滤器不完全移除这些寄生虫，并且相反地，典型地例如由臭氧或氯与下游消毒联接。此外，膜重力过滤器不以高通量操作。当将快速砂过滤器转换成膜重力过滤器时，膜完整性测试仅需要例如确定任何中空纤维膜是否破损，或者确认过滤器以3.5或更大的对数减小值(LRV)来操作。这些结果事实上可利用空的罐膜完整性测试来实现。
在空的罐膜完整性测试中，泵用于将吸力施加至膜的渗透物侧。较高的吸入压力增加测试的分辨率。测试在罐通过施加特定的吸入压力并且测量水流量来清空时进行。完美集成的系统将不产生任何流量。真正的系统将产生流量，其可借助于Yonge和Laplace方程在数学上转换成将产生相同流量的单个缺陷的大小。作为备选，流量可由下面复制的美国专利6,228,271中的方程将转换成对数减少值。
针对缺陷大小(d)的Young和Laplace方程：
。
泄漏流量：
。
对数减少值：
。
粘度校正系数：
。
压力校正系数：
。
流量测量必须在空气达到产生吸力的装置之前进行。例如，如图6中示出的，吸入泵50通过MIT阀52添加至渗透物集管22中。泵的速度增加，直到压力表54表明已经达到特定的测试吸入压力。MIT阀52接着开启，并且流量通过流量计56测量。可选地，吸入泵50可由向下延伸的管替换，以产生虹吸管。
将大型快速砂过滤器改造可需要1000或更多的ZW 1000模块，其以大约15 L/m2/h操作。渗透物集管包含大约2.4 m3的水。足以发现等于直径为3-4mm的单个孔的缺陷的测试将需要为大约0.5巴的吸入压力。在这些条件之下，足以将系统的LRV降低至3.5的缺陷将生成60-70m3/h的流，并且测试持续时间将限于2分钟。作为备选，由虹吸管施加的1.5m的吸入压力将足以发现等于直径为9-14mm的单个孔(取决于模块中的高度)的缺陷。在这些条件之下，足以将系统的LRV降低至3.5的缺陷将生成13-15m3/h的流，并且测试持续时间将限于10分钟。
没有泵的简单测试足以确定系统是否以至少3.5的LRV操作。在以上描述的条件之下，小于13m3/h的测试流量为“通过”，而13m3/h或更多的测试流量为“失效”。

Claims (23)

1.一种用于操作浸入式膜的过程，其包括以下步骤，
将水以20L/m2/h或更小的通量通过所述膜(14,112)来过滤；以及，
将所述膜利用包含氧化剂的水来反洗，以便将所述膜暴露于每周剂量为700分钟* mg/L或更少的如Cl2的氧化剂。
2.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，所述膜每天反洗不多于5次。
3.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，所述膜在至少6个月的时间段内不受再生回收清洗的处理。
4.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，包括由重力创建通过所述膜的不大于20kPa的跨膜压力。
5.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，包括将水以15L/m2/h或更小的通量通过所述膜来过滤。
6.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，包括将所述膜利用包含氧化剂的水来反洗，以便将所述膜暴露于每周剂量为500分钟*mg/L或更少的如Cl2的氧化剂。
7.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，所述氧化剂以对提供更多的多孔生物膜或污垢层有效的量加剂量而不显著地杀死或移除所述生物膜或污垢层。
8.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，还包括将包含所述膜的罐(12)在反洗之后排水。
9.根据权利要求8所述的过程，其特征在于，还包括在所述罐清空的同时执行所述膜的完整性测试。
10.一种将现有的快速砂过滤器转换成膜过滤系统的方法，其包括以下步骤，
将颗粒过滤介质(2)从所述现有的快速砂过滤器的罐(12)移除；
将浸入式膜模块(14,112)添加至所述现有的快速砂过滤器的所述罐；
将所述浸入式膜模块的渗透物出口连接于所述现有的快速砂过滤器的流出物导管(24)和反洗水供应管道(28)；以及，
将所述浸入式膜模块下方的所述罐中的开口(36)连接于所述现有的快速砂过滤器的反洗废水导管(42)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在所述罐和所述反洗废水导管的公共壁中创建开口。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括将可控制的门(38)装配至所述公共壁中的所述开口。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将所述浸入式膜模块的所述渗透物出口连接于所述现有的快速砂过滤器的现有的暗渠出口。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，至所述现有的快速砂过滤器的所述现有的暗渠出口的所述连接从所述罐内部制成。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将吸附筒(18)添加至所述罐。
16.一种过滤系统，其包括，
罐；
浸入式膜模块(14)，其在所述罐中；以及
吸附筒(18)，其在所述罐中。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述吸附筒位于所述浸入式膜模块上方或者附接于所述膜模块的顶部。
18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括限定穿过或围绕所述浸入式膜模块的竖直流动路径的护罩。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，从下方至所述竖直流动路径的开口比从上方至所述竖直流动路径的开口更堵塞。
20.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，包括在所述浸入式膜模块下方的罐排水口(25,36)。
21.一种将水过滤的方法，其包括以下步骤，
将浸入式膜模块(14)设在罐(12)中；
将吸附剂筒(18)设在所述罐中；
反洗所述浸入式膜模块，以便还提供穿过所述吸附剂筒的反洗水的向上流。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括将供给水从吸附介质上方添加至所述罐，其中所述吸附介质设在所述浸入式膜模块上方。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括将所述罐在反洗所述浸入式膜模块之后排水。
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