CN109641178B - 使用中空纤维膜元件进行过滤和反冲洗的方法 - Google Patents

使用中空纤维膜元件进行过滤和反冲洗的方法 Download PDF

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Abstract

一种操作过滤单元的方法，该过滤单元包括包含至少一个死端过滤元件的过滤容器，该过滤元件或每个过滤元件由多个中空纤维微滤膜或超滤膜构成，其中：在过滤期间，包含悬浮颗粒材料的进料水通过中空纤维的两端同时供给到中空纤维的内部，并且滤液通过过滤元件的出口被从中空纤维的外部去除；并且在反冲洗期间，反冲洗水通过过滤元件的出口被供给到中空纤维的外部，且在第一反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水从中空纤维的一端从中空纤维的内部排出；且在第二反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水从中空纤维的另一端从中空纤维的内部排出；并且其中第一反冲洗循环和第二反冲洗循环可以按任一顺序执行。

Description

使用中空纤维膜元件进行过滤和反冲洗的方法
技术领域
本发明涉及一种从水中去除悬浮固体的方法。
背景技术
国际专利申请公开号WO 03/051497涉及一种膜过滤器，该膜过滤器包括壳体，该壳体具有进料入口、透过液出口和设置在该壳体中的至少两个膜过滤器，其中，待过滤的流体经由进料入口被供给到膜过滤器，并且，透过液流(permeate stream)经由透过液出口排出，其特征在于，所述透过液出口和进料入口中的一个位于膜过滤器壳体的至少一端处，而另一个位于基本在膜过滤器壳体中间的位置处。根据图4的讨论，在图2的设备的反冲洗期间，透过液的反冲洗液在透过液出口3附近被供应，经由透过液导管5流过膜模块4，并经由进料入口2离开该设备。因此，流动方向被简单地颠倒了。
国际专利申请公开号WO 97/47375涉及一种使用微滤膜或超滤膜来过滤包含杂质的液体的膜过滤系统，该膜过滤系统包括压力容器，该压力容器包含两个或更多个膜过滤器元件，所述两个或更多个膜过滤器元件通过连接器连接在滤液侧并且在两端处被用端板封闭，其中在一个或两个端板中，布置有连接部(connections)以排出滤液或者供给反冲洗和/或清洁和/或消毒液体，并且其中，在该压力容器的两端处(要么在端板中，要么在该压力容器的侧壁中)，布置有连接部以供给待过滤的液体或者排出所述反冲洗和/或清洁和/或消毒液体以及杂质。WO 97/47375的膜过滤器系统的特征在于：在压力容器的侧壁中，在该压力容器的外端处的连接部之间布置有一个或多个附加的连接部，用于供给待过滤的液体或者排出所述反冲洗和/或清洁和/或消毒液体以及杂质。WO 97/47375的图4中示出了该膜过滤系统中出现的流动。待过滤的液体经由端部连接部和所述附加的连接部被供应。待净化的液体然后进入膜过滤器元件，并轴向地流过膜过滤器元件。滤液流过该膜，随后进入滤液排出管中并经由所述连接部离开压力容器。杂质留在膜过滤器元件中。通过颠倒流动方向来周期性地反冲洗该压力容器，以去除所积聚的杂质。反冲洗液体经由端板中的连接部被供给。该反冲洗液体流过膜，随后轴向地流过膜过滤器元件。包含杂质的反冲洗液体经由所述连接部和附加的连接部离开压力容器。然而，现在已经发现WO 97/47375的反冲洗方法在从中空纤维的内表面去除杂质方面可能不是高效的。
发明内容
在第一实施例中，本发明涉及一种操作过滤单元的方法，该过滤单元包括过滤容器，该过滤容器包含至少一个死端过滤元件，该过滤元件或每个过滤元件由多个中空纤维微滤膜或超滤膜构成，其中，每个中空纤维在其第一端和第二端处具有与该中空纤维的内部流体连通的第一入口和第二入口，并且所述过滤元件在其第一端和第二端中的一个处具有与中空纤维的外部流体连通的出口；其特征在于：
在过滤期间，包含悬浮颗粒材料的进料水通过所述中空纤维的第一入口和第二入口被同时供给到所述中空纤维的内部，并且滤液通过所述过滤元件的出口被从所述中空纤维的外部去除；并且
在反冲洗期间，反冲洗水通过所述过滤元件的出口被供给到所述中空纤维的外部，并且，在第一反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过所述中空纤维的第一入口被从所述中空纤维的内部排出；且在第二反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过所述中空纤维的第二入口被从所述中空纤维的内部排出。
所述过滤元件的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环能够按任一顺序依次执行。
尽管过滤元件可以具有单个出口，但优选的是所述过滤元件具有分别布置在其第一端和第二端处的第一出口和第二出口。因此，在过滤期间，滤液被从所述纤维的外部、同时从过滤元件的第一出口和第二出口去除。
可以设想，在反冲洗期间，在第一反冲洗循环中，反冲洗水可以通过过滤元件的第一出口供给到中空纤维的外部，并且，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水可以通过中空纤维的第一入口被从中空纤维的内部排出；且在第二反冲洗循环中，反冲洗水可以通过过滤元件的第二出口被供给到中空纤维的外部，并且包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水可以通过中空纤维的第二入口被从中空纤维的内部排出。再次提及，第一反冲洗循环和第二反冲洗循环能够按任一顺序执行。
在第二实施例中，本发明涉及一种过滤单元，该过滤单元包括过滤容器，该过滤容器包含至少一个死端过滤元件，该过滤元件或每个过滤元件由多个中空纤维微滤膜或超滤膜构成，其中，每个中空纤维在其第一端和第二端处具有与该中空纤维的内部流体连通的第一入口和第二入口，并且所述过滤元件在其第一端和第二端中的一个处具有与所述中空纤维的外部流体连通的出口；其特征在于：
(i)所述过滤元件的中空纤维的第一入口经由过滤容器中的第一专用进料端口与第一专用进料管线流体连通，并且所述过滤元件的中空纤维的第二入口经由过滤容器中的第二专用进料端口与第二专用进料管线流体连通；
(ii)所述过滤元件的出口经由过滤容器中的滤液端口与滤液管线流体连通；
其特征在于，第一专用进料管线和第二专用进料管线以及滤液管线各自具有设有致动器的阀，其中，这些致动器能够被独立地致动以使所述阀在打开位置和关闭位置之间移动；并且，
(a)在过滤期间，所述致动器使第一专用进料管线上的阀、第二专用进料管线上的阀和滤液管线上的阀移动到打开位置，使得包含悬浮颗粒材料的进料水分别经由第一专用进料端口和第二专用进料端口并分别通过所述中空纤维的第一入口和第二入口同时从第一专用进料管线和第二专用进料管线被供给到中空纤维的内部，并且，滤液被从纤维的外部去除并通过过滤元件的出口和滤液端口排出到滤液管线；并且，
(b)在反冲洗期间，通过所述致动器依次打开和关闭流动管线上的所述阀而使得滤液管线上的阀处于打开位置并且反冲洗水经由滤液端口通过过滤元件的出口从滤液管线供给到纤维的外部，过滤元件在两个循环中被反冲洗，并且，在第一反冲洗循环中，第一专用进料管线上的阀和第二专用进料管线上的阀分别处于打开位置和关闭位置，并且，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水经由第一专用进料端口通过所述纤维的第一入口被从中空纤维的内部去除并排出到第一专用进料管线；并且，在第二反冲洗循环中，第一专用进料管线上的阀和第二专用进料管线上的阀分别处于关闭位置和打开位置，并且，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水经由第二专用进料端口通过所述纤维的第二入口被从中空纤维的内部去除并排出到第二专用进料管线。
尽管过滤元件可以具有单个出口，但优选的是，所述过滤元件具有分别布置在过滤元件的第一端和第二端处的第一出口和第二出口。
合适地，所述过滤元件的第一出口和第二出口可以分别经由过滤容器中的专用的第一滤液端口和第二滤液端口分别与专用的第一滤液管线和专用的第二滤液管线流体连通。在专用的第一滤液管线和第二滤液管线的每一个上的阀设有致动器，这些致动器能够被独立地致动以使所述阀在打开位置和关闭位置之间移动。在过滤期间，在第一专用进料管线和第二专用进料管线上的阀以及第一专用滤液管线和第二专用滤液管线上的阀处于打开位置。
所述过滤元件可以在两个循环中被反冲洗。在第一反冲洗循环中，专用的第一滤液管线上的阀和专用的第一进料管线上的阀可以处于打开位置，而专用的第二滤液管线上的阀和专用的第二进料管线上的阀可以处于关闭位置，使得反冲洗水经由专用的第一滤液端口通过过滤元件的第一出口从专用的第一滤液管线被供给到中空纤维的外部，并且，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过中空纤维的第一入口被从中空纤维的内部去除，并经由专用的第一进料端口排出到专用的第一专用进料管线；并且在第二反冲洗循环中，专用的第一滤液管线上的阀和专用的第一进料管线上的阀处于关闭位置，而专用的第二滤液管线上的阀和专用的第二进料管线上的阀处于打开位置，使得反冲洗水经由专用的第二滤液端口通过过滤元件的专用的第二出口从专用的第二滤液管线被供给到纤维的外部，并且，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过中空纤维的第二端处的第二入口被从中空纤维的内部去除，并经由第二专用进料端口排出到第二专用进料管线。
每个过滤元件的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环能够按任一顺序依次执行。
应当理解，在过滤容器中布置有两个或更多个过滤元件的情况下，每个过滤元件可以具有专用的第一滤液管线和专用的第二滤液管线，并且每个过滤元件可以如上所述地被反冲洗。
替代地，所述过滤元件可以串联布置，使得存在第一滤液管线和第二滤液管线，所述第一滤液管线和第二滤液管线分别与这一系列过滤元件中的第一过滤元件的出口和最后一个过滤元件的出口流体连通。下面更详细地描述过滤元件的这种布置的反冲洗。
附图说明
图1示出了过滤期间的根据本发明的第一实施例的过滤单元。
图2示出了反冲洗期间的根据本发明的第一实施例的过滤单元。
图3示出了过滤期间的根据本发明的第二实施例的过滤单元。
图4示出了反冲洗期间的根据本发明的第二实施例的过滤单元。
图5示出了布置在机架中的根据本发明的多个过滤单元。
具体实施方式
定义
在以下描述中，引用了以下术语：
“进料水”是包含悬浮颗粒材料的水。
“反冲洗水”通常是滤液的一部分。
“滤液”是在进料水的过滤期间穿过过滤元件的膜的水。
“通量”是单位时间内每单位面积的膜表面产生的滤液的量。通常，通量以每小时每米升数(lmh)来表示。
“死端过滤单元”是包括至少一个过滤元件的过滤单元，该过滤元件由多个膜构成，其中所有待过滤的水(包含悬浮颗粒材料)穿过膜，使得颗粒材料在膜的进料侧积聚在该膜的表面上。在死端过滤单元中，通过用滤液(本文中被称为“反冲洗水”)周期性地反冲洗所述过滤元件，将积聚的颗粒材料从过滤元件排出。可以向反冲洗水周期性地或连续地添加用于对过滤元件的膜进行化学清洁和/或消毒的添加剂。
“中空纤维过滤元件”是包括多个中空纤维膜(在本领域中通常被称为“一束”)的过滤元件。典型地，中空纤维膜(下文中被称为“中空纤维”)平行地布置在形成于过滤元件的中心穿孔管或管与外圆柱形套筒之间的环形空间中。典型地，所述中空纤维具有被密封在过滤元件的第一末端件和第二末端件中的第一开口端和第二开口端。这些第一开口端和第二开口端是所述纤维的第一入口和第二入口。每个中空纤维的内部(即，由每个中空纤维的内壁包围的内部空间)是膜的进料侧，并且中空纤维的外部(中空纤维周围的外部空间)是膜的滤液侧。因此，每个中空纤维的壁包括微滤膜或超滤膜。在过滤元件的过滤期间或反冲洗期间，中空纤维周围的外部空间与中心穿孔管的内部流体连通。在过滤期间，滤液经由中心穿孔管的至少一个开口端离开过滤元件。在反冲洗期间，滤液经由中心穿孔管的至少一个开口端进入过滤元件。
“颗粒材料”是悬浮在进料水中的不溶性颗粒，并且包括胶体大小的颗粒。
“内部到外部的流动路径”是指在过滤期间、滤液通过膜的流动是从过滤元件的进料侧(中空纤维的内部)到滤液侧(中空纤维的外部)。在本发明的方法中，进料水同时从中空纤维的第一开口端和第二开口端(第一入口和第二入口)轴向地进入中空纤维的内部空间中，并且滤液穿过纤维的壁到达纤维周围的外部空间。
“外部到内部的流动路径”是指在反冲洗期间、反冲洗水通过膜的流动是从过滤元件的滤液侧(中空纤维的外部)到进料侧(中空纤维的内部)。反冲洗水从纤维周围的外部空间穿过纤维的壁，然后轴向地通过中空纤维的内部空间。在本发明的方法中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水在第一反冲洗循环中被从纤维的第一开口端(第一入口)去除，并在第二反冲洗循环中被从纤维的第二开口端(第二入口)去除。这些第一反冲洗循环和第二反冲洗循环能够以任一顺序依次执行。
超滤(UF)和微滤(MF)是分别用于使用UF膜和MF膜从进料水中去除悬浮(分散)的颗粒材料的膜过滤过程。
UF膜和MF膜都包括第一层和第二层，其中第一层是区分层(discriminatinglayer)，它拒绝悬浮颗粒材料穿过所述膜，并且第二层是多孔支撑介质，它为所述膜提供强度。UF膜典型地具有其孔径拒绝了粒径为0.01-0.001微米或更大的颗粒材料的区分层。MF膜典型地具有其孔径拒绝了粒径为0.1-10微米或更大的颗粒材料的区分层。因此，UF膜拒绝了比MF膜更细的颗粒材料。UF膜(截止值为0.01微米)被认为是对诸如细菌的微生物的有效屏障。UF膜也拒绝大分子有机物质，特别是分子量为150,000道尔顿或更大的大分子有机物质。这显著降低了布置在UF单元下游的任何反渗透或纳滤膜单元(nanofiltrationmembrane units)的膜上的生物生长的风险。
过滤单元典型地包括包含一个或多个过滤元件的过滤容器。典型地，过滤容器是圆柱形过滤容器，其具有圆柱形壁(即圆筒)、以及布置在该圆筒的第一端和第二端处的第一端盖和第二端盖。优选地，第一端盖和第二端盖是可拆卸的，从而允许维修和更换过滤元件。过滤容器中的端口可以位于圆柱形壁中或位于可拆卸端盖中。
机架是共用公共的阀门系统(valving)的一组过滤单元。“排(bank)”是一组过滤容器，它们形成机架的一部分，能够被隔离为一组以进行反冲洗或清洁。单个机架或两个或更多个机架可以安装在滑道(skid)上。
具体实施方式
从以下对本发明的优选实施例的描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显。
过滤容器可以包含单个过滤元件。在过滤容器包含单个过滤元件的情况下，第一进料端口和第二进料端口在过滤容器的第一端和第二端处或附近布置在过滤容器中。单个滤液端口可以在过滤容器的第一端和第二端中的一个处或附近布置在过滤容器中。优选地，第一滤液端口和第二滤液端口在过滤容器的第一端和第二端处或附近布置在过滤容器的壁中。典型地，单个过滤元件在进料端口和滤液端口之间布置在过滤容器中。
优选地，过滤容器可以包含布置成行(或系列)的多个过滤元件，其中在相邻过滤元件之间具有空间或间隙，并且在末端过滤元件(该行中的第一过滤元件和最后一个过滤元件)与过滤容器的第一端盖和第二端盖之间具有空间或间隙。合适地，过滤容器可以包含2至12个过滤元件，优选2至8个过滤元件，更优选2至6个过滤元件，例如2至4个过滤元件。在过滤容器包含多个过滤元件的情况下，第一进料端口和第二进料端口典型地在过滤容器的第一端和第二端处或附近布置在过滤容器中(在下文中被称为“端部进料端口”)。一个或多个附加的进料端口布置在过滤容器的壁中(在下文中被称为“侧面进料端口”)，其中在每个侧面进料端口的任一侧上均布置有单个过滤元件。因此，当有两个过滤元件时，在过滤容器的壁中的中央位置处存在单个附加的侧面进料端口，其中所述过滤元件布置在该侧面进料端口的两侧。第一端部进料端口和第二端部进料端口直接或间接地连接到第一专用进料管线和第二专用进料管线。类似地，该侧面进料端口或每个侧面进料端口直接或间接地连接到专用进料管线(在下文中被称为“侧面进料管线”)(即，每个侧面进料端口都有一个专用侧面进料管线)。可以在过滤容器的第一端和第二端中的一个处或附近在过滤容器中布置有单个滤液端口(在下文中被称为“端部滤液端口”)。该单个端部滤液端口可以直接或间接地连接到滤液管线。优选地，第一端部滤液端口和第二端部滤液端口在过滤容器的第一端和第二端处或附近布置在过滤容器中。第一端部滤液端口和第二端部滤液端口可以直接或间接地连接到专用的第一滤液管线和第二滤液管线。可选地，一个或多个附加的滤液端口可以布置在过滤容器的壁中(在下文中被称为“侧面滤液端口”)。该侧面滤液端口或每个侧面滤液端口可以直接或间接地连接到专用滤液管线(在下文中被称为“侧面滤液管线”)。
在过滤容器包含单个过滤元件的情况下，过滤元件使用第一反冲洗循环和第二反冲洗循环(即，两个反冲洗循环)进行反冲洗，该第一反冲洗循环和第二反冲洗循环可以按任一顺序依次执行。
在过滤容器包含多个过滤元件的情况下，对于所述多个过滤元件中的每一个过滤元件，都存在第一反冲洗循环和第二反冲洗循环(即，每个过滤元件有两个反冲洗循环)。包含在过滤容器中的所述多个过滤元件的反冲洗循环可以按任何顺序依次执行。还可以设想，包含在过滤容器中的所述多个过滤元件中的每一个过滤元件的第一反冲洗循环可以同时执行，使得包含所夹带的悬浮固体的反冲洗水被同时从所述多个过滤元件中的每一个过滤元件的多个中空纤维(在下文中被称为“一束中空纤维”)的第一入口去除。类似地，包含在过滤容器中的所述多个过滤元件中的每一个过滤元件的第二反冲洗循环可以同时执行，使得包含所夹带的悬浮固体的反冲洗水被同时从所述多个过滤元件中的每一个过滤元件的所述一束中空纤维的第二入口去除。所述过滤元件的这些同时进行的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环可以按任一顺序执行(即，第一反冲洗循环在第二反冲洗循环之前，或者反过来)。
在过滤容器包含四个或更多过滤元件(例如4至12个过滤元件)的情况下，过滤元件也可以按照两个或更多个子集被反冲洗，例如按照由两个或三个过滤元件构成的子集被反冲洗。这些子集可以按照任何顺序被依次地(相继地)反冲洗。例如，在两个子集的情况下，第一子集的过滤元件的反冲洗循环可以在第二子集的过滤元件的反冲洗循环之前完成(或反过来)。应当理解，过滤元件的每个子集的各个过滤元件的反冲洗循环可以按照任何顺序依次执行。替代地，每个子集的各个过滤元件的第一反冲洗循环可以同时执行。类似地，每个子集的各个过滤元件的第二反冲洗循环可以同时执行。
优选地，过滤单元包括圆柱形过滤容器，该圆柱形过滤容器包含至少一个圆柱形过滤元件，优选地，包括多个过滤元件。如上所述，该圆柱形过滤容器典型地包括在其第一端和第二端处具有第一端盖和第二端盖的圆筒。在该圆柱形过滤容器具有第一端部进料端口和第二端部进料端口以及第一端部滤液端口和第二端部滤液端口的情况下，第一端部滤液端口和第二端部滤液端口优选分别布置在第一端盖和第二端盖中，并且第一端部进料端口和第二端部进料端口优选分别布置在该圆筒的第一端和第二端处或附近。然而，也可以设想，第一端部进料端口和第二端部进料端口可以分别布置在第一端盖和第二端盖中，并且第一端部滤液端口和第二端部滤液端口可以分别布置在所述圆筒的第一端和第二端处或附近。
合适地，该圆柱形过滤容器的长度在约40至475英寸(1.0至12.1米)的范围内，优选在80至400英寸(2.0至10.2米)的范围内。合适地，该圆柱形过滤容器的内径在4至20英寸(0.10至0.51米)的范围内，例如，内径为4、6、8、9或16英寸(0.10、0.15、0.20、0.23和0.41米)。
优选地，包括圆柱形过滤容器的过滤单元与穿过该圆柱形过滤容器的纵向轴线在基本水平的平面内水平地布置。
典型地，该中空纤维过滤元件或每个中空纤维过滤元件也是圆柱形的。如上所述，多个中空纤维(一束中空纤维)典型地布置在形成于中心穿孔管和外圆柱形套筒之间的环形空间中，其中所述纤维的纵向轴线基本平行于所述中心穿孔管和外圆柱形套筒的纵向轴线。优选地，每个单独的中空纤维具有0.2至2mm的直径。该中空纤维过滤元件典型地具有10英寸至84英寸(0.25至2.13米)的长度，例如10、24、60或84英寸(0.25、0.61、1.02、1.52和2.13米)的长度，其中该中空纤维在所述元件的第一端和第二端之间延伸。通常，所述元件的直径略小于圆柱形过滤容器的内径，从而实现与圆柱形过滤容器内壁的水密配合(watertight fit)。如果需要，在过滤元件的圆柱形套筒的外壁与圆柱形过滤容器的内壁之间的环形空间中设置有环形密封件，以防止进料水围绕过滤元件的外部流动。
第一末端件和第二末端件设置在该过滤元件或每个过滤元件的所述一束中空纤维的第一端和第二端处，其中这些末端件典型地由硬化的聚合物材料形成，例如硬化的环氧树脂。第一末端件和第二末端件的外表面的特征在于中空纤维的多个开口端，而所述硬化的聚合物材料在中空纤维的外末端部分周围形成流体密封。因此，第一末端件和第二末端件的外表面中的、中空纤维的开口端分别对应于过滤元件的第一入口和第二入口。
合适地，中空纤维过滤元件的中心穿孔管在其第一端和第二端中的一个处具有单个开口端(出口)，或者优选地，在其第一端和第二端处分别具有第一开口端和第二开口端(分别为第一出口和第二出口)。在中心穿孔管具有单个开口端的情况下，该管的另一端是封闭的，例如通过端板封闭。在使用中，中心穿孔管与围绕中空纤维外部的外部空间流体连通。过滤元件的中心穿孔管还连接到布置在过滤容器中的至少一个滤液端口(要么在过滤容器的壁中，要么在端盖中)。在中心穿孔管具有单个开口端的情况下，典型地，它直接或间接地连接到单个滤液端口。在中心穿孔管具有第一开口端和第二开口端的情况下，典型地，第一开口端直接或间接地连接到第一滤液端口，并且第二开口端直接或间接地连接到第二滤液端口。
在过滤期间，包含悬浮颗粒材料的进料水被同时供给到该过滤元件或每个过滤元件的中空纤维的第一入口和第二入口(第一开口端和第二开口端)。滤液穿过中空纤维的壁，并通过中心穿孔管的开口端从该中空纤维过滤元件或每个中空纤维过滤元件中被去除。因此，在过滤期间，滤液的流动路径是从中空纤维的内部到外部。
在过滤期间、所述中空纤维过滤元件的内部到外部的流动路径比外部到内部的流动路径具有优势，因为通过该元件的主体的开放空间的滤液流不会受到与通过纤维内部的滤液流相关的压力损失。
本领域技术人员将会理解，中空纤维内部的压力随着离该纤维的第一入口和第二入口(第一开口端和第二开口端)的距离的增加而降低，使得压力朝向纤维的中间是最低的。膜通量由该膜两侧的局部压差(“跨膜压差”)驱动，并且等于纤维内部的压力减去滤液背压。由于沿纤维内部的压力损失，跨膜压力在纤维的第一入口和第二入口(第一开口端和第二开口端)处或附近是最高的，并且在纤维的中间处或附近是最低的。该膜两侧的局部压差导致不规则的膜通量(其中，通量随着跨膜压差的减小而减小)，使得在本发明的方法中，在纤维的第一开口端和第二开口端附近结垢最严重。纤维的内表面的结垢(由于颗粒材料的沉积)导致膜通量减小，使得第一有效过滤区和第二有效过滤区分别从纤维的第一开口端和第二开口端(第一入口和第二入口)沿纤维迁移。然而，由于跨膜压差的减小，随着第一有效过滤区和第二有效过滤区沿着纤维迁移，通过该膜的通量逐渐减小，使得中空纤维膜随着结垢水平的增加而变得不那么富有成效。
然而，将包含悬浮颗粒材料的进料水同时供给到中空纤维的第一开口端和第二开口端具有延长过滤循环的时长的优点(与通过纤维的一端引入进料水相比)。典型地，与通过纤维的单个开口端(在相同的进料压力下)供给进料水相比，通过纤维的第一开口端和第二开口端同时将进料水供给到纤维中使过滤循环的时长(time period)延长至少10％，优选延长至少20％。因此，其中进料水被供给到纤维的单个开口端的、过滤元件的过滤循环典型地在30至45分钟的范围内，优选为35至45分钟，而其中进料水通过纤维的第一开口端和第二开口端被同时供给的、过滤元件的过滤循环可以在35至60分钟的范围内，优选为45至60分钟，特别是50至60分钟。
在过滤期间，过滤容器可以在2至10巴表压、优选2至7.5巴表压、特别是2.5至3.5巴表压的范围内以相对低的进料水压力操作。这是因为向该过滤元件或每个过滤元件的中空纤维的第一开口端和第二开口端供给水使得沿纤维的压降最小，并且在中空纤维需要反冲洗之前也增加了中空纤维的颗粒负载(与仅从纤维的一端供给水相比)。典型地，在过滤期间，过滤容器能够以进料水到该过滤元件或每个过滤元件的中空纤维的第一入口和第二入口(第一开口端和第二开口端)的、在1.4至2.5m3/小时的范围内的流量操作。
然而，在过滤期间所述膜的不规则结垢和不规则的膜通量导致一个问题，即：当通过使穿过该膜的流动反向而进行反冲洗时，该过滤元件的中空纤维的所有内表面并非都将被同样好地反冲洗。这可能对过滤单元的生产率有负面影响。
本发明的反冲洗方法包括：在第一反冲洗循环中从过滤元件的所述一束中空纤维的第一入口(第一开口端)去除包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水，并在第二反冲洗循环中从过滤元件的所述一束中空纤维的第二入口(第二开口端)去除包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水，其中第一反冲洗循环和第二反冲洗循环按照任一顺序依次执行。在两个反冲洗循环中，反冲洗水的流动路径是从中空纤维的外部到内部。
中空纤维过滤元件的反冲洗期间的从外部到内部的流动路径导致反冲洗水从纤维的外部(外侧)穿过所述膜到达纤维的内部(内侧)，并且，在过滤期间沉积在纤维的内表面上的颗粒材料被提升离开该表面并变成被夹带在反冲洗水中。当与简单地使穿过过滤元件的流动反向相比时，从纤维的第一端并随后从纤维的第二端(或反过来)去除包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水会引起：
(1)改善了反冲洗水中的颗粒材料的夹带；并且
(2)降低了对反冲洗水的峰值需求。
在本发明的方法中使用的依次的(或相继的)反冲洗循环也允许减小滤液(该滤液的一部分用作反冲洗水)的罐的尺寸。当过滤单元位于海上的船舶或平台上时，滤液罐的尺寸的减小特别重要，因为这减少了过滤系统的重量和空间需求(其中滤液系统由滤液罐和多个过滤单元构成)。
在圆柱形过滤容器包含单个中空纤维过滤元件的情况下，中空纤维过滤元件的中心穿孔管的至少一端经由滤液端口直接或间接地与滤液管线流体连通，该滤液端口在过滤容器的第一端和第二端中的一个处或附近位于过滤容器的圆柱形壁(圆筒)中，或者位于第一端盖和第二端盖中的一个中。优选地，中空纤维元件的中心穿孔管的第一端直接或间接地与第一滤液端口流体连通，并且中心穿孔端口的第二端直接或间接地与分别布置在过滤容器的第一端和第二端处或附近的第二滤液端口(在下文中被称为“第一端部滤液端口和第二端部滤液端口”)流体连通。应当理解，在过滤期间，滤液从过滤容器通过滤液端口排出到滤液管线中，并从滤液管线排出到滤液罐；并且，在反冲洗期间，反冲洗水被从滤液罐供给到滤液管线，并通过滤液端口进入过滤容器中。
在圆柱形过滤容器包含多个圆柱形中空纤维过滤元件的情况下，过滤元件可以沿着圆柱形过滤容器的长度彼此间隔开地布置成一行。因此，在圆柱形过滤容器中的第一末端位置和第二末端位置处(即，在圆柱形过滤容器的第一端和第二端处)布置有第一末端过滤元件和第二末端过滤元件，并且可选地，在过滤容器中的中间位置处布置有一个或多个附加的过滤元件。进料端口分别在过滤容器的第一端和第二端(在下文中被称为“第一端部进料端口和第二端部进料端口”)处或附近布置在过滤容器中(要么在过滤容器的圆柱形壁中，要么在端盖中)，并且一个或多个附加的进料端口(在下文中被称为“侧面端口”)布置在过滤容器的圆柱形壁中，其中在每个侧面端口的任一侧上均布置有单个过滤元件。第一端部进料端口和第二端部进料端口和侧面进料端口中的每一个直接或间接地连接到专用进料管线(即，为每个进料端口提供一个专用进料管线)。这种布置允许进料水通过进料端口从进料管线同时引入到每个中空纤维过滤元件的第一入口和第二入口。
优选地，第一滤液端口和第二滤液端口分别布置在圆柱形过滤容器的第一端和第二端处或附近(在下文中被称为“第一端部滤液端口和第二端部滤液端口”)，并且直接或间接地连接到第一滤液管线和第二滤液管线。第一端部滤液端口和第二端部滤液端口可以分别布置在过滤容器的壁中或者第一端盖和第二端盖中，优选地，布置在端盖中。第一端部滤液端口和第二端部滤液端口可以分别经由第一连接器管构件和第二连接器管构件连接到第一末端过滤元件和第二末端过滤元件的中心穿孔管的末端。合适地，相邻过滤元件的中心穿孔管可以通过连接器管构件接合在一起，使得在过滤期间，滤液经由这些连接器管构件通过所述多个过滤元件的中心穿孔管流到第一端部滤液端口和第二端部滤液端口，在第一端部滤液端口和第二端部滤液端口处，滤液被分别排出到第一滤液管线和第二滤液管线中。在反冲洗期间，反冲洗水从第一滤液管线和第二滤液管线通过第一滤液端口和第二滤液端口经由连接器管构件被供给到过滤元件的中心穿孔管。
可选地，用于将相邻过滤元件接合的连接器管构件可以是T形件连接器管构件，其具有连接在相邻过滤元件的中心穿孔管之间的主管和与布置在过滤容器的壁中的附加滤液端口(“侧面滤液端口”)连接的分支管。侧面滤液端口直接或间接地连接到专用滤液管线。替代地，每个过滤元件的中心穿孔管可以在一端处例如用端板封闭，并且在其另一端处可以经由连接器管构件连接到圆柱形容器中的专用滤液端口。每个专用滤液端口直接或间接地连接到一个专用滤液管线。
需要所述连接器管构件在过滤期间将滤液与进料水分离，或者在反冲洗期间将反冲洗水与包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水(即，反冲洗废液)分离。因此，从连接器管构件中省略了穿孔。在过滤期间，进料水位于连接器管构件的外部。在反冲洗期间，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水(反冲洗废液)位于连接器管构件的外部。应当理解，上述进料管线和滤液管线均设有阀和用于该阀的致动器，使得进料管线和滤液管线上的阀可以独立地在打开位置和关闭位置之间移动。
在本发明的一个实施例中，在具有第一端盖和第二端盖的圆柱形过滤容器中布置有第一中空纤维过滤元件和第二中空纤维过滤元件，其中第一过滤元件在侧面进料端口的左侧，而第二过滤元件在侧面进料端口的右侧。该侧面进料端口居中地布置在过滤容器的壁中。在这种布置中，过滤容器还具有分别布置在过滤容器的左端和右端处或附近的第一端部进料端口和第二端部进料端口(以下分别称为“第一进料端口”和“第二进料端口”)。典型地，过滤容器具有分别布置在圆柱形过滤容器的左端和右端处或附近的第一滤液端口和第二滤液端口(以下分别称为“第一滤液端口”和“第二滤液端口”)。第一滤液端口和第二滤液端口通常分别布置在过滤容器的第一端盖和第二端盖中。典型地，管连接器构件连接在第一过滤元件和第二过滤元件的中心穿孔管之间。第一过滤元件和第二过滤元件的穿孔管的末端可以经由管连接器构件分别连接到第一滤液端口和第二滤液端口。第一进料端口和第二进料端口分别直接或间接地连接到第一进料管线和第二进料管线，而侧面进料端口直接或间接地连接到中央进料管线。第一滤液端口和第二滤液端口分别直接或间接地连接到第一滤液管线和第二滤液管线。进料管线和滤液管线中的每一个都设有阀。进料管线上的阀和滤液管线上的阀均设有致动器，该致动器可以被独立地致动，以在打开位置和关闭位置之间移动所述阀。
在过滤期间，进料管线上的阀和滤液管线上的阀处于打开位置(即，致动器已经将每个阀移动到打开位置)，使得进料水分别通过第一进料端口、第二进料端口和侧面进料端口从第一进料管线、第二进料管线和中央进料管线供给到过滤容器中，并且滤液分别通过第一滤液端口和第二滤液端口排出到第一滤液管线和第二滤液管线中。
在反冲洗期间，所述致动器使进料管线上的阀和滤液管线上的阀依次在打开位置和关闭位置之间移动，以提供四个反冲洗循环(每个过滤元件各两个反冲洗循环)，这四个反冲洗循环可以按任何顺序依次执行：
1.在循环A中，反冲洗水(滤液的一部分)从第一滤液管线通过第一滤液端口供给到第一过滤元件的中心穿孔管，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水(反冲洗废液)被从第一过滤元件的左端(即第一端)处的、中空纤维的开口端去除，并且随后通过第一进料端口排出到第一进料管线中(即，第一滤液管线上的阀和第一进料管线上的阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置)；
2.在循环B中，反冲洗水(滤液的一部分)从第一滤液管线通过第一滤液端口供给到第一过滤元件的中心穿孔管，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水(反冲洗废液)被从第一过滤元件的右端(即第二端)处的、中空纤维的开口端去除，并且随后通过侧面进料端口排出到中央进料管线中(即，第一滤液管线上的阀和中央进料管线上的阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置)；
3.在循环C中，反冲洗水(滤液的一部分)从第二滤液管线通过第二滤液端口供给到第二过滤元件的中心穿孔管，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水(反冲洗废液)被从第二过滤元件的左端(即第一端)处的、中空纤维的开口端去除，并且随后经由侧面进料端口排出到中央进料管线中(即，第二滤液管线上的阀和中央进料管线上的阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置)；并且
4.在循环D中，反冲洗水(滤液的一部分)从第二滤液管线通过第二滤液端口供给到第二过滤元件的中心穿孔管，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水(反冲洗废液)被从第二过滤元件的右端(即第二端)处的、中空纤维的开口端去除，并且经由第二进料端口从过滤容器排出到第二进料管线中(即，第二滤液管线上的阀和第二进料管线上的阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置)。
当存在不止两个过滤元件(且因此存在一个或多个附加的侧面进料端口)时，对于每个附加的过滤元件存在附加的两个反冲洗循环，其中包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水在第一循环中被从所述附加的过滤元件的第一端去除，并且随后在第二循环中被从所述附加的过滤元件的第二端去除(或者反过来)。
所述致动器响应于从控制器接收到的信号而以每个反冲洗循环的正确顺序打开和关闭位于流动管线上的阀。因此，所述阀在反冲洗期间的顺序打开和关闭由致动器自动执行。合适地，所述致动器可以是电动致动器、液压致动器或气动致动器。所述控制器可以包括控制软件，该控制软件将信号发送到致动器以按预定顺序打开和关闭所述阀。
合适地，每个反冲洗循环所花费的时间在10至60秒的范围内，优选15至45秒，优选约15至20秒。
优选地，每个过滤单元的过滤元件的反冲洗每30至120分钟、优选每45至90分钟、特别是每50至60分钟发生一次。
相比之下，过滤元件的反冲洗循环典型地每35至45分钟发生一次，在该反冲洗循环中，通过过滤元件的流动被反向，使得包含所夹带的颗粒的反冲洗水被从纤维的第一开口端和第二开口端(第一入口和第二入口)去除。
在本发明的方法中，在反冲洗期间反冲洗水(滤液的一部分)的进料压力通常在1.5至3.0巴表压的范围内。通常，在反冲洗期间通过过滤元件的反冲洗水的流量在40至50m3/小时的范围内(每个过滤元件)。
每个过滤元件执行两个单独的反冲洗循环减少了在过滤单元的过滤元件的反冲洗期间对反冲洗水的峰值需求(即，减少了反冲洗水到过滤单元的流量)。在过滤单元包括多个过滤元件的情况下，通过对过滤单元的每个过滤元件依次执行反冲洗循环，或者对过滤元件的子集同时执行第一反冲洗循环并然后对该子集执行第二反冲洗循环，进一步降低了在过滤单元的过滤元件的反冲洗期间对反冲洗水的峰值需求。因此，本发明的反冲洗方法优化了反冲洗水的进料压力和峰值流量，从而实现了通过纤维内部的更高纵向流速，这与在反冲洗循环期间存在反向流动(其中，包含所夹带的颗粒的反冲洗水被同时从中空纤维的第一开口端和第二开口端(第一入口和第二入口)去除)的、从外部到内部的反冲洗方法相比，增强了颗粒从纤维中的去除。
根据本发明的第二实施例的过滤单元可以布置在一个或多个机架中。机架的每个过滤单元均包括过滤容器，该过滤容器包含至少一个过滤元件。机架的过滤单元可以平行地布置成多行。典型地，每一行包括2至10个过滤单元，优选4至8个过滤单元，例如4至6个过滤单元。典型地，每个机架具有2至20行，优选5至15行，特别是10至12行。在过滤单元包括圆柱形过滤容器的情况下，每一行的过滤膜单元优选被水平地布置，其中每一行的每个过滤单元的圆柱形过滤容器的纵向轴线在大致水平平面内对齐。在这种情况下，这些行一个布置在另一个上。
在该机架的圆柱形过滤容器包含多个过滤元件的情况下，每个机架可以具有：第一进料集管，用于将进料水供给到布置在圆柱形过滤容器的第一端处或附近的第一进料端口，或者用于从第一进料端口排出包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水；第二进料集管，用于将进料水供给到布置在圆柱形过滤容器的第二端处或附近的第二进料端口，或者用于从第二进料端口排出包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水；以及一个或多个附加的进料集管，用于将进料水供给到布置在圆柱形过滤容器的壁中的一个或多个侧面端口，或者用于从所述一个或多个侧面端口排出包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水。如上所述，相邻过滤元件在圆柱形过滤容器的侧壁中布置在该侧面端口或每个侧面端口的任一侧上。每个机架还具有第一滤液集管和第二滤液集管，用于将滤液从分别布置在圆柱形过滤容器的第一端和第二端处或附近的第一滤液端口和第二滤液端口(典型地，分别在第一端盖和第二端盖中)排出，或者用于将反冲洗水供给到第一滤液端口和第二滤液端口。可选地，机架可具有一个或多个附加的滤液集管，用于将滤液从圆柱形过滤容器中的一个或多个侧面滤液端口排出或将反冲洗水供给到所述一个或多个侧面滤液端口。
第一进料集管、第二进料集管、附加进料集管、第一滤液集管、第二滤液集管和任何附加滤液集管典型地竖直布置(在下文中被称为“一组竖直集管”)。“竖直集管”是指集管的纵向轴线是大致竖直的。因此，竖直集管基本垂直于过滤单元的水平行。优选地，第一竖直进料集管和第二竖直进料集管分别布置在圆柱形过滤容器的第一端和第二端处或附近。优选地，第一竖直滤液集管和第二竖直滤液集管分别布置在圆柱形过滤容器的第一端和第二端处或附近。优选地，附加的竖直进料集管与圆柱形过滤容器中的侧面进料端口对齐。在每个过滤单元的圆柱形过滤容器具有单个中央侧面端口(其中第一过滤元件和第二过滤元件布置在该中央侧面端口的两侧)的情况下，该机架具有与圆柱形过滤容器的中央侧面端口对齐的单个附加的竖直进料集管。在机架具有附加的竖直滤液集管的情况下，该附加的竖直集管优选与过滤容器中的侧面滤液端口对齐。
优选地，竖直集管布置在机架的中点处，其中每一行的过滤单元的一部分布置在其任一侧上，从而形成第一排和第二排过滤单元。典型地，第一排和第二排的每一行均具有两到四个，优选两个或三个过滤单元。替代地，机架可以包括三排或更多排过滤单元，在这种情况下，存在一组或多组附加的竖直集管，其中在每组竖直集管的任一侧上均布置有一排过滤单元。合适地，公共进料集管可以与每组竖直集管的进料集管流体连通。类似地，公共滤液集管可以与每组竖直集管的滤液集管流体连通。公共滤液集管也可以与滤液罐流体连通，该滤液罐典型地被升高到多排过滤单元的上行之上。
典型地，机架的每一行可以设置有专用的第一进料管线、专用的第二进料管线和专用的附加(侧面)进料管线，用于分别从第一进料集管、第二进料集管和附加(侧面)进料集管分别通过过滤容器的第一进料端口、第二进料端口和侧面进料端口供给进料水。然而，也可以设想，机架的每一行的过滤单元可以在中空纤维膜的进料侧被结合在一起，使得进料水从第一过滤单元流到第二过滤单元和该行中的任何相继的过滤单元。通过经由进料连接器构件将每个过滤容器的端部空间(其中，“端部空间”是末端过滤元件和端盖之间的空间或间隙)和每个过滤容器的中央空间(其中，“中央空间”是相邻过滤元件之间的空间或间隙)连接在一起，过滤单元可以在中空纤维膜的进料侧被结合在一起，使得进料水在所述膜的进料侧从第一过滤容器流到第二过滤容器并且从第二过滤容器流到该行的任何相继的过滤容器。有利地，通过仅连接每个过滤容器的中央空间，机架的每一行的过滤单元可以在进料侧被结合在一起，在这种情况下，分别从第一进料集管和第二进料集管提供专用的第一进料管线和专用的第二进料管线，用于分别通过过滤容器的第一端部进料端口和第二端部进料端口供给进料水。
在机架包括第一排过滤单元和第二排过滤单元(在单组竖直集管的左侧和右侧)的情况下，可以为每排过滤单元的每一行提供单独的进料管线。替代地，在机架包括第一排过滤单元和第二排过滤单元的情况下，如上所述，每排的每一行的过滤容器可以在进料侧被结合在一起。有利地，在机架包括第一排过滤单元和第二排过滤单元的情况下，布置在每排的每一行中的过滤容器可以通过仅连接每个过滤容器的中央空间而在进料侧被结合在一起，使得进料水从附加(侧面)进料集管相继地流过每排的每一行的过滤单元。在这种情况下，还设置有专用的第一进料管线和专用的第二进料管线，它们分别从第一进料集管和第二进料集管通向每排的每一行的过滤容器的第一端部端口和第二端部端口。
在机架包括第一排过滤单元和第二排过滤单元(在单组竖直集管的左侧和右侧)的情况下，第一排的每一行的过滤单元典型地设置有专用的第一滤液管线和专用的第二滤液管线，滤液分别通过过滤容器的第一滤液端口和第二滤液端口从过滤容器排出到该第一滤液管线和第二滤液管线中。第一滤液管线和第二滤液管线随后将滤液分别排出到第一竖直滤液集管和第二竖直滤液集管中。类似地，第二排的每一行的过滤单元也设置有专用的第一滤液管线和专用的第二滤液管线，滤液分别通过过滤容器的第一滤液端口和第二滤液端口从过滤容器排出到该第一滤液管线和第二滤液管线中。这些另外的专用的第一滤液管线和第二滤液管线随后将滤液分别排出到第一滤液集管和第二滤液集管中。
合适地，滤液从该组集管或每组集管的第一滤液集管和第二滤液集管排出到公共滤液集管中，并从该公共滤液集管排出到用于容纳滤液(其一部分用作反冲洗水)的罐(在下文中被称为“滤液罐”)中，从而允许滤液流量的激增。因此，滤液罐不断被填充和排空。合适地，滤液罐的容量与对过滤元件的机架的峰值反冲洗要求相匹配。合适地，滤液罐布置在机架的上行之上。典型地，滤液罐的出口比机架的最下行的过滤单元的入口高至少30米，优选地，高至少35米。典型地，滤液罐的出口比机架的上行的过滤单元的入口高至少25米。将滤液罐升高到机架的上行之上具有以下优点：(a)为反冲洗循环提供静压头；和(b)确保过滤容器和相关的支管在过滤循环和反冲洗循环期间均保持充满液体。合适地，将滤液压力升压至某个值，该值提供足够的压力以将滤液通过公共滤液集管提升到滤液罐中。优选地，例如使用增压泵将滤液压力升压至比滤液罐的入口处的静压头高至少0.3巴，优选高0.3至1.5巴的值。典型地，滤液压力被升压至2.5-5巴表压范围内的值。
因此，可以看出，本发明的过滤系统可以包括至少一个机架的过滤单元、各种流动管线、各种集管和滤液罐。
应当理解，本发明的过滤系统的过滤单元的多个水平地堆叠的行可以被单独地隔离。然而，如果这些单元布置在具有两排或更多排的机架中，则在需要时，每排过滤单元可以独立于其他排被隔离，或者如果该过滤系统包括两个或更多个机架，则在需要时，每个机架的过滤单元可以独立于其他机架被隔离。
在一个或多个叠层中水平地堆叠的过滤单元的这种布置(在下文中被称为“过滤系统”)具有以下优点：
(a)机架的各个过滤单元可以容易地被隔离，以便检查或维护；并且
(b)与容器典型地只能成组被隔离的、现有技术的竖直地布置的系统相比，过滤单元的“在线”可用性更高，因为能够隔离各个单元或各个单元的组。
过滤单元的更高的“在线”可用性确保了用作下游反渗透单元或纳滤单元的进料水的滤液的恒定体积。因此，本领域技术人员将会理解，包括反渗透单元和可选的纳滤单元的脱盐设备或包括纳滤单元的硫酸盐还原设备(SRP)需要基本不含悬浮颗粒固体的、恒定体积的过滤后的进料水。因此，本发明的过滤系统可以布置在脱盐设备或SRP的上游。
优选地，过滤单元布置在两个或更多个机架中，每个机架包括多行水平地堆叠的容器(一行布置在另一行之上)，其中每个机架有单独的进料集管和滤液集管。这允许两个或更多个机架独立地操作，使得一个或多个机架可以过滤进料水，而一个或多个机架被用反冲洗水反冲洗。
可以看出，该机架的设计允许位于过滤容器中的相同位置处的过滤元件同时被反冲洗(其中每个过滤元件位置有两次反冲洗循环)。
有利地，机架的每个过滤容器具有相同数量的过滤元件，使得机架的每个过滤容器中的相同位置上的过滤元件的反冲洗循环可以同时执行。例如，如果在每个过滤容器中在中央侧面端口的任一侧上均布置有两个过滤元件，则可以对机架的每个过滤容器同时地并且按照任何顺序执行反冲洗循环A、B、C和D(如上所述)中的任一个。
位于过滤单元的整个机架(或一排过滤单元)的过滤容器中的相同元件位置处的一组元件的同时反冲洗降低了反冲洗水的“峰值流量”(与该机架的过滤容器的所有元件位置的同时反冲洗相比)，并通过将反冲洗水流集中到特定的一组过滤元件来优化反冲洗的功效。位于过滤单元中的相同位置处的一组过滤元件的同时反冲洗还提供了需要反冲洗水的较低峰值流量且因此需要较小的滤液罐的优点(与其中过滤容器中的所有位置上的过滤元件被同时反冲洗的传统反冲洗所需的罐尺寸相比，引起了重量的减少)。当包括多个过滤单元的过滤系统是位于海上的平台或船舶上的脱盐设备的一部分时，减轻该过滤系统的重量特别重要。此外，对位于过滤容器中的相同元件位置上的多组过滤元件的反冲洗降低了所需的反冲洗水的进料速率。
根据本发明的膜过滤系统可用于过滤各种进料水。示例包括河水、湖水、海水、河口水、含水层的水和采出的水(在开采设施中从原油和气态烃中分离出来的水)。
可选地，用于对过滤单元的膜进行化学清洁和/或消毒的一种或多种化学添加剂可以添加到反冲洗水中。合适的添加剂包括：(1)酸，例如有机酸(特别是柠檬酸)或质子酸(特别是盐酸)，用于从过滤系统中除去无机矿物垢；(2)以污染所述膜的有机物质为目标的碱，例如氢氧化钠或氢氧化钾；(3)氧化剂或消毒剂，例如次氯酸钠、氯气或过氧化氢，用于从所述膜上去除有机材料或生物膜；和表面活性剂，用于从膜上去除有机材料和惰性颗粒。典型地，当发现仅用水反冲洗过滤元件不能恢复过滤元件的生产率时，将添加剂添加到反冲洗水中。
典型地，每30至90天向反冲洗水中添加一次化学添加剂，以持续足够的时长来清洁所述滑道的过滤单元的所有元件位置。合适地，在清洁之后，仅用反冲洗水对过滤元件进行反冲洗，以从过滤单元中去除残余化学品。可选地，包含一种或多种化学添加剂的清洁水的一部分被再循环，例如，高达90％的清洁水可以被连续再循环到清洁罐中，而其余部分的清洁水被连续排出到废物中。典型地，化学添加剂被添加到再循环的清洁水中，以补偿被排出到废物中的化学添加剂和在清洁过滤单元的所述膜期间消耗的化学添加剂。
根据本发明的过滤单元可以用于过滤包含悬浮颗粒材料(悬浮颗粒和胶体)的水。然而，如上所述，取决于所述膜的孔径，除了颗粒和胶体之外，微生物(例如细菌)和大分子有机物质也可以被从进料水中过滤掉。
将参照以下附图来说明本发明。
图1示出了根据本发明的第一实施例的过滤单元，其包括圆柱形过滤容器1和圆柱形过滤元件2。端口3、3’和4布置在过滤容器1的壁中。过滤元件2包括平行地布置在形成于中心穿孔管6和外圆柱形套筒7之间的环形空间内的一束中空纤维5。该中心穿孔管在第一端处由端板密封，并经由连接器管8连接到端口4。阀9和9′分别布置在管线10和10′上，而阀11布置在管线12上。阀9、9’和11中的每一个都可以使用致动器(未示出)在打开位置和关闭位置之间被独立地致动。箭头示出了当过滤单元在过滤模式下操作时(其中阀9、9’和11处于打开位置)进料水和滤液的流动方向。因此，进料水从管线10和10’分别通过端口3和3’被供给到过滤元件2的第一端和第二端，并且滤液通过端口4排出到管线12。
图2中示出了图1的过滤单元的反冲洗循环。该过滤元件使用两个反冲洗循环进行反冲洗，这两个反冲洗循环可以按任何顺序操作。在循环A中，阀9和11打开而阀9’关闭，使得反冲洗水(滤液)从管线12通过端口4被供给到过滤容器1，并从位于过滤容器1的左端处的端口3被去除。在循环B中，阀9’和11打开而阀9关闭，使得反冲洗水(滤液)通过端口4进入该单元，并通过位于过滤容器1的右端处的端口3’离开该单元。在这些反冲洗循环中的每一个中，中空纤维元件以从外部到内部的流动路径操作，使得反冲洗水穿过中空纤维的壁进入中空纤维的内部，从而将颗粒从所述膜的内表面提升离开，并且，包含所夹带的颗粒的水在循环A中被从过滤元件2的左端(第一端)去除并在循环B中被从该过滤元件的右端(第二端)去除。
图3示出了根据本发明的过滤单元，其包括过滤容器1和两个中空纤维过滤元件2和2′。端部端口3和3’、中心端口3”以及端部端口4和4’布置在过滤容器1的壁中。过滤元件2和2’布置在中心端口3”的两侧。过滤元件2和2’包括布置在位于中心穿孔管6和6’与外圆柱形套筒7和7’之间的环形空间内的一束中空纤维5和5’。连接器管8和8’将过滤元件2和2’的中心穿孔管6和6’分别连接到端部端口4和4’，而连接器管8”连接在过滤元件2和2’的中心穿孔管之间。阀9、9′和9″分别位于管线10、10′和10″上，而阀11和11′分别布置在管线12和12′上。管线10、10’和10”分别直接或间接地连接到端口3、3’和3”，而管线12和12’分别直接或间接地连接到端口4和4’。所述阀中的每一个可以使用致动器(未示出)在打开位置和关闭位置之间被独立地切换。箭头示出了当过滤单元在过滤模式下操作时(其中每个阀9、9’和9”以及每个阀11和11’处于打开位置)进料水和滤液的流动方向。因此，包含悬浮颗粒材料的进料水流过管线10、10’和10”并分别经由端口3、3’和3”进入过滤容器，而滤液分别经由端口4和4’从过滤容器排出到管线12和12’中。
现在参考图4来描述图3的过滤膜单元的反冲洗循环。在这种情形中，存在四个可以按任何顺序操作的反冲洗循环。在循环A中，阀9和11打开而其余阀关闭。因此，反冲洗水(滤液)通过左端部端口4进入过滤容器1，并从位于该单元的左端附近的侧面端口3流出。在循环B中，阀9”和11打开而其余阀关闭，并且反冲洗水(滤液)通过左端部端口4进入过滤容器1并从中心端口3”流出。在循环C中，阀11’和9”打开而其余阀关闭，并且水通过右端部端口4’进入过滤容器1并从中心端口3”流出。在循环D中，阀9’和11’打开而其余阀关闭，并且反冲洗水通过右端部端口4’进入过滤容器并从位于该单元的右端附近的侧面端口3’流出。在这些反冲洗循环中的每一个中，过滤元件2或2’以从外部到内部的流动路径操作，使得滤液穿过中空纤维的壁进入中空纤维的内部，从而将颗粒从所述膜的内表面提升离开，并且，包含所夹带的颗粒的水被从过滤元件2或2’的单个端部去除。
图5示出了布置成十行的过滤单元21的机架20，一行在另一行上方，其中，每一行由四个过滤单元21构成。每个过滤单元包括圆柱形过滤容器，该圆柱形过滤容器包含布置在中央进料端口(未示出)的两侧上的第一圆柱形中空纤维过滤元件和第二圆柱形中空纤维过滤元件(未示出)。
该机架具有三个集管23，用于将包含悬浮颗粒材料的进料水供给到过滤单元，或者用于从过滤单元中取出包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水。该机架还具有两个另外的集管24，用于从过滤单元排出滤液或用于将反冲洗水供给到过滤单元。集管23和24基本竖直地布置在机架的中点处，其中，在该中点的任一侧均布置有每一行的两个过滤单元。集管23和24被设计成确保过滤单元在反冲洗期间保持被液体填充。支管25允许将每个过滤单元连接到集管23和24。

Claims (20)

1.一种操作过滤系统的方法，所述过滤系统包括至少一个过滤单元，其中，所述过滤单元包括过滤容器，所述过滤容器包含圆柱形的多个死端过滤元件，所述圆柱形的多个死端过滤元件被布置成一行，每个过滤元件由多个中空纤维微滤膜或超滤膜构成，其中，每个中空纤维在该中空纤维的第一端和第二端处具有与该中空纤维的内部流体连通的第一入口和第二入口，并且所述过滤元件在其第一端和第二端中的一个处具有与所述中空纤维的外部流体连通的出口；
其中，所述过滤元件的所述中空纤维的所述第一入口连接到所述过滤容器中的第一专用进料端口，并且所述过滤元件的所述中空纤维的所述第二入口连接到所述过滤容器中的第二专用进料端口，其中，所述第一专用进料端口和第二专用进料端口在所述过滤容器的所述第一端和第二端处或附近布置在所述过滤容器中，并且一个或多个侧面进料端口被布置在所述过滤容器中，在所述侧面进料端口或每个侧面进料端口的任一侧上均布置有单个过滤元件；
在过滤期间，包含悬浮颗粒材料的进料水分别经由所述第一专用进料端口和第二专用进料端口以及所述一个或多个侧面进料端口通过所述中空纤维的所述第一入口和第二入口被同时供给到所述中空纤维的内部，并且滤液通过所述过滤元件的所述出口被从所述中空纤维的外部去除；
其特征在于
在反冲洗期间，反冲洗水通过所述过滤元件的所述出口被供给到所述中空纤维的外部，并且，在第一反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过所述中空纤维的所述第一入口被从所述中空纤维的内部排出；且在第二反冲洗循环中，包含所夹带的颗粒材料的反冲洗水通过所述中空纤维的所述第二入口被从所述中空纤维的内部排出；并且其中，所述多个死端过滤元件中的每一个过滤元件具有所述第一反冲洗循环和第二反冲洗循环，并且其中，所述多个死端过滤元件的所述反冲洗循环按任何顺序依次执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过滤元件具有分别布置在所述过滤元件的所述第一端和第二端处的第一出口和第二出口；并且
在过滤期间，滤液同时通过所述过滤元件的所述第一出口和第二出口被从所述中空纤维的外部去除。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过滤单元的所述过滤容器包含第一过滤元件和第二过滤元件，所述第一过滤元件具有称为循环A和B的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环，所述第二过滤元件具有称为循环C和D的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环，其中：
(i)在循环A中，所述反冲洗水被供给到所述第一过滤元件的所述出口，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水被从所述第一过滤元件的所述第一入口去除；
(ii)在循环B中，所述反冲洗水被供给到所述第一过滤元件的所述出口，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水被从所述第一过滤元件的所述第二入口去除；
(iii)在循环C中，所述反冲洗水被供给到所述第二过滤元件的所述出口，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水被从所述第二过滤元件的所述第一入口去除；并且
(iv)在循环D中，所述反冲洗水被供给到所述第二过滤单元的所述出口，并且，包含所夹带的颗粒的反冲洗水被从所述第二过滤元件的所述第二入口去除；并且
其中，循环A至D按任何顺序依次执行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，按任一顺序，所述过滤元件中的每个过滤元件的所述第一反冲洗循环被同时执行且所述过滤元件中的每个过滤元件的所述第二反冲洗循环被同时执行。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过滤容器包含4至12个过滤元件，每个过滤元件具有第一反冲洗循环和第二反冲洗循环，并且所述过滤元件按照两个或更多个子集被反冲洗，每个子集包括至少两个过滤元件，并且，通过按任一顺序对过滤元件的每个子集同时执行所述第一反冲洗循环并且对过滤元件的每个子集同时执行所述第二反冲洗循环而以任何顺序相继地反冲洗所述两个或更多个子集。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过滤系统包括多个过滤单元，并且所述多个过滤单元的所述过滤容器各自包含位于所述过滤容器中的第一位置、第二位置和可选的相继位置处的多个过滤元件，每个过滤元件具有第一反冲洗循环和第二反冲洗循环，并且其中，通过以下方式来反冲洗所述过滤单元中的一些或全部：
对位于所述过滤容器的所述第一位置处的所述过滤元件同时执行所述第一反冲洗循环；
对位于所述过滤容器的所述第一位置处的所述过滤元件同时执行所述第二反冲洗循环；
对位于所述过滤容器的所述第二位置处的所述过滤元件同时执行所述第一反冲洗循环；
对位于所述过滤容器的所述第二位置处的所述过滤元件同时执行所述第二反冲洗循环；
对位于所述过滤容器的所述可选的相继位置或每个可选的相继位置处的所述过滤元件同时执行所述第一反冲洗循环；并且
对位于所述过滤容器的所述可选的相继位置或每个可选的相继位置处的所述过滤元件同时执行所述第二反冲洗循环；
其中，对位于所述过滤容器中的所述第一位置、第二位置和所述可选的相继位置处的所述元件同时进行的所述反冲洗循环按任何顺序依次执行。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对每个过滤单元的所述过滤元件的反冲洗每50至60分钟发生一次。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在过滤期间，用于所述过滤单元的所述进料水的压力在2至10巴表压的范围内，并且，到所述过滤元件或每个过滤元件的所述中空纤维的所述第一入口和第二入口的进料水的流量在1.4至2.5m3/小时的范围内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在反冲洗期间，用于所述过滤单元的所述反冲洗水的压力在1.5至3.0巴表压的范围内，并且，在所述第一反冲洗循环或所述第二反冲洗循环期间、所述反冲洗水到所述过滤元件或每个过滤元件的流量在40至50m3/小时的范围内。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述多个过滤单元被布置在包括两排或更多排过滤单元的机架中，并且这些排的过滤单元按任何顺序被依次反冲洗。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中将至少一种清洁化学品周期性地添加到所述反冲洗水中，其中，所述清洁化学品选自：(1)酸，用于从所述过滤系统中去除无机矿物垢；(2)以污染所述膜的有机物质为目标的碱；(3)氧化剂或消毒剂，用于从所述膜上去除有机材料或生物膜；和(4)表面活性剂，用于从所述膜上去除有机材料和惰性颗粒。
12.一种过滤单元，所述过滤单元包括过滤容器，所述过滤容器包含圆柱形的多个死端过滤元件，所述圆柱形的多个死端过滤元件被布置成一行，每个过滤元件由多个中空纤维微滤膜或超滤膜构成，其中，每个中空纤维在该中空纤维的第一端和第二端处具有与该中空纤维的内部流体连通的第一入口和第二入口，并且所述过滤元件在其第一端和第二端中的一个处具有与所述中空纤维的外部流体连通的出口；其中
(i)所述过滤元件的所述中空纤维的所述第一入口经由所述过滤容器中的第一专用进料端口连接到第一专用进料管线，并且所述过滤元件的所述中空纤维的所述第二入口经由所述过滤容器中的第二专用进料端口连接到第二专用进料管线，其中，所述第一专用进料端口和第二专用进料端口在所述过滤容器的所述第一端和第二端处或附近布置在所述过滤容器中；
(ii) 一个或多个侧面进料端口被布置在所述过滤容器中，在所述侧面进料端口或每个侧面进料端口的任一侧上均布置有单个过滤元件，并且其中，所述侧面进料端口或每个侧面进料端口连接到专用的侧面进料管线；并且
(iii) 所述过滤元件的所述出口经由所述过滤容器中的滤液端口连接到滤液管线；
其特征在于，所述第一专用进料管线和第二专用进料管线、所述滤液管线以及所述侧面进料管线各自具有设置有致动器的阀，其中，所述致动器能够被独立地致动以使所述阀在打开位置和关闭位置之间移动。
13.根据权利要求12所述的过滤单元，其中，所述过滤元件具有分别布置在所述过滤元件的所述第一端和第二端处的第一出口和第二出口，并且所述第一出口和第二出口分别经由所述过滤容器中的第一滤液端口和第二滤液端口分别直接或间接地连接到第一滤液管线和第二滤液管线，并且所述第一滤液管线和第二滤液管线具有设置有致动器的阀，所述致动器能够被独立地致动以使所述阀在打开位置和关闭位置之间移动。
14.根据权利要求12或13所述的过滤单元，其中，所述过滤容器包含2至12个圆柱形过滤元件，并且其中，第一滤液端口和第二滤液端口在所述过滤容器的所述第一端和第二端处或附近布置在所述过滤容器中。
15.根据权利要求14所述的过滤单元，其中，所述过滤元件在所述圆柱形过滤容器内被布置成一行，并且其中，每个过滤元件包括外圆柱形套筒、内穿孔管、以及平行地布置在形成于所述外圆柱形套筒和所述内穿孔管之间的环形空间内的多个中空纤维；并且其中，相邻过滤元件的所述穿孔管经由管状管构件连接在一起，并且所述行中的第一过滤元件的所述穿孔管的末端经由布置在所述过滤容器的所述第一端处或附近的第一滤液端口通过管状管构件连接到第一滤液管线，并且所述行的最后一个过滤元件的所述穿孔管的末端经由布置在所述过滤容器的所述第二端处或附近的第二滤液端口通过管状管构件连接到第二滤液管线。
16.根据权利要求15所述的过滤单元，其中，所述过滤容器包含布置在所述行中的第一过滤元件和第二过滤元件。
17.一种过滤系统，其包括控制器和至少一个根据权利要求12至16中的任一项所述的过滤单元，其中：
(a)在过滤期间，所述控制器指示所述致动器将所述第一专用进料管线上的所述阀、所述第二专用进料管线上的所述阀、所述侧面进料管线上的所述阀和所述滤液管线上的所述阀移动到打开位置；并且
(b) 在反冲洗期间，通过所述控制器指示所述致动器依次打开和关闭流动管线上的所述阀而使得所述滤液管线上的所述阀处于打开位置，所述过滤元件在两个循环中被反冲洗，并且，在第一反冲洗循环中，所述第一专用进料管线上的所述阀处于打开位置而所述第二专用进料管线上的所述阀处于关闭位置，且在第二反冲洗循环中，所述第一专用进料管线上的所述阀处于关闭位置而所述第二专用进料管线上的所述阀处于打开位置。
18.一种过滤系统，其包括控制器和至少一个根据权利要求16所述的过滤单元，其中：
(a)在过滤期间，所述控制器指示所述致动器将所述第一专用进料管线上的所述阀、所述第二专用进料管线上的所述阀、所述侧面进料管线上的所述阀、所述第一滤液管线上的所述阀和所述第二滤液管线上的所述阀移动到打开位置；并且
(b)在反冲洗期间，通过所述控制器指示所述致动器依次打开和关闭流动管线上的所述阀，所述过滤容器的所述第一过滤元件在称为循环A和B的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环中被反冲洗，并且所述过滤容器的所述第二过滤元件在称为循环C和D的第一反冲洗循环和第二反冲洗循环中被反冲洗，其中：
(i)在循环A中，所述第一滤液管线上的所述阀和第一进料管线上的所述阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置；
(ii)在循环B中，所述第一滤液管线上的所述阀和所述侧面进料管线上的所述阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置；
(iii)在循环C中，所述第二滤液管线中的所述阀和所述侧面进料管线中的所述阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置；并且
(iv)在循环D中，所述第二滤液管线上的所述阀和所述第二进料管线上的所述阀处于打开位置，而其余阀处于关闭位置；并且，
其中，所述循环A至D能够按任何顺序依次执行。
19.根据权利要求18所述的过滤系统，包括：布置在机架中的多个过滤单元；一组竖直集管，所述一组竖直集管包括第一竖直进料集管、第二竖直进料集管、附加竖直进料集管、第一竖直滤液集管、第二竖直滤液集管；以及滤液罐，其中
所述过滤单元在所述机架中以一行布置在另一行之上的方式水平地布置成多行，并且其中，所述第一竖直进料集管和第二竖直进料集管与所述多个过滤单元中的每个过滤单元的所述第一专用进料管线和第二专用进料管线流体连通，所述附加竖直进料集管与所述多个过滤单元中的每个过滤单元的所述侧面进料管线流体连通，并且所述第一竖直滤液集管和第二竖直滤液集管与所述多个过滤单元中的每个过滤单元的所述第一滤液管线和第二滤液管线流体连通，并且其中，所述第一竖直滤液集管和第二竖直滤液集管也与位于所述机架上方的所述滤液罐流体连通。
20.根据权利要求19所述的过滤系统，其中，所述机架包括一组或多组竖直集管，在所述组或每组竖直集管的任一侧上均布置有单排过滤单元，并且其中，各排过滤单元中的每一排能够被独立地隔离。
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