CN110049809A

CN110049809A - 介质过滤器到膜重力过滤器的转换

Info

Publication number: CN110049809A
Application number: CN201780077332.1A
Authority: CN
Inventors: J.卡德拉; D.塞尼奥尔; N.W.H.亚当斯
Original assignee: BL TECHNOLOGY Inc
Current assignee: BL TECHNOLOGY Inc
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-07-23
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: US20190232226A1; EP3525921A1; WO2018071090A1; AU2017341695A1; CN110049809B; KR20190062563A; KR102397012B1; AU2017341695B2; PH12019500800A1

Abstract

诸如重力砂过滤器的常规介质过滤器被转换成膜过滤器。介质被去除并被浸入式膜模块替换。在无吸入泵的情况下由静态水头压力差形成跨膜压力，从而形成膜重力过滤器(MGF)。膜渗透物穿过任选地与所述膜模块一起位于罐中的吸附介质床。利用渗透物定期地反洗所述膜，当所述渗透物返回到所述膜模块时，其绕过所述吸附介质。

Description

介质过滤器到膜重力过滤器的转换

技术领域

本说明书涉及水处理并且涉及膜过滤。

背景技术

常规介质过滤器具有铺设在排水系统上的介质床。市政饮用水设备中最常见的介质过滤器是重力砂过滤器，例如其中介质是砂的快速砂过滤器。排水系统（也称为地下排水管）可以是例如覆盖在砾石或穿孔平台（任选地覆盖有一层砾石）中的排水管道的格栅。供给和反洗水槽横跨砂床上方的罐。从槽供给到罐中的水流过砂床并进入到地下排水管中。通过使水和任选地压缩空气通过排水管道供给进来并将经反洗的水收集在槽中来定期地对床进行反洗。此类过滤器通常用于市政饮用水过滤设备中。

膜过滤器使用可渗透膜来过滤水。在市政饮用水设备中，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，并且从膜内部取出渗透物。一种商业产品是由GE Water& Process Technologies公司销售的ZeeWeed^TM 1000（也称为ZW1000）模块。这些模块大体如在美国专利6325928“浸入式膜元件和模块”以及美国专利6893568“浸入式膜过滤系统和溢出过程”中描述的那样，所述美国专利通过引用并入本文中。美国专利申请公开2006/0108275 A1描述了用于将浸入式膜集成到现有的砂过滤器中的工具包并且也通过引用并入本文中。

发明内容

本说明书描述了浸入式膜过滤系统和操作方法。该系统可以是新构造的，但是本文中将会将其描述为常规重力砂过滤器到膜过滤器的转换。在此情况下，用浸入式膜替换重力过滤床的颗粒介质。

处理单元具有膜模块，所述膜模块可以与吸附模块组合。膜模块具有多个各自通向两个灌封头的膜。吸附模块在壳体内部具有介质床，所述吸附模块具有入口和出口。吸附模块的入口连接到膜模块的第一灌封头。吸附模块的出口连接到渗透物集管（管道）。所述模块的第二灌封头连接到反洗集管（管道）。任选地，吸附模块与膜模块一起位于罐中，例如与至少一个膜模块堆叠。任选地，渗透物集管和反洗集管可以是共用管道。

在处理过程中，水穿过过滤膜。经渗透的水然后穿过吸附介质床。过滤被间歇性地中断以利用一些渗透水来反洗膜，所述渗透水流到膜而不返回穿过介质床。

附图说明

图1是通用介质过滤器（现有技术）的截面。

图2A是利用浸入式膜改装介质过滤器以制造成膜重力过滤器的截面，其中渗透物收集器在膜的顶部上。

图2B是利用浸入式膜改装介质过滤器以制造成膜重力过滤器的截面，其中渗透物收集器在膜的底部处。

图3是示出在有和没有添加到反洗水的氯的情况下在使用膜重力过滤器来处理地表水时的通量随时间的曲线图。

图4是示出在图3的实验中使用的水的浊度和温度随时间的曲线图。

图5是示出在通量和浊度的范围上操作的膜重力过滤器的所计算的水回收率的曲线图。

图6是膜过滤系统、特别是被改装成膜重力过滤器的重力砂过滤器的示意性截面。

图7是吸附筒的等轴测视图。

图8A是另一膜过滤系统的剖视等轴测视图。

图8B是图8A的一部分的放大图。

图9是示出膜模块和替代性吸附筒的示例的竖直截面。

具体实施方式

在图1中示出了通用高速介质过滤器1（替代地称为重力过滤器）的截面。在市政水过滤中，介质过滤器1通常包含具有0.5-1.5 m的介质床2，其具有一种或两种过滤介质。介质床2由地下排水管系统3支撑。在过滤期间，从介质床2上方添加供给水4，并且自由水表面被维持在过滤水位5处。经过滤的水6被收集在地下排水管系统3中或下方。在定期反洗期间，反洗水7和任选地空气8向上流过地下排水管系统3和介质床2，并且自由水表面达到反洗液位8。反洗水9溢出并离开介质过滤器1。过滤可以处于恒定流率（增加过滤水头）或下降的速率（恒定过滤水头）。通过改变过滤器中的水位或者通过在滤液侧上强加压力损失来控制过滤水头。通过操作阀来发起反洗，以使通过过滤器的流反向并且排空脏的反洗水9，通常通过位于床上方或过滤箱的侧面上的槽排空脏的反洗水9。可以通过注入空气、水平表面清洗或这两者来辅助反洗。

用于改装介质过滤器的膜可以是任何可浸入的微滤（MF）或超滤（UF）膜。模块可在平面图中具有矩形截面，诸如来自GE Water& Process Technologies公司的ZeeWeed^TM1000模块。矩形（任选地正方形）模块可并排放置在格栅中并且占据接近整个罐占用面积表面区域。水可以向上抑或向下流过ZeeWeed^TM 1000模块。替代地，模块可以具有圆形截面，诸如Toray公司的HSU-1515、Memcor公司的CS和Asahi公司的UHS-620A模块。给定它们的圆形几何形状，这些模块的格栅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离开，并且任选的空气可以通过模块的底部进入。

图2A和图2B示出了用于利用膜模块112来改装介质过滤器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（例如在修改地下排水管系统3的情况下）替换图1的介质床2。如果介质过滤器1不包括空气喷射（air sparging）来增强反洗，则曝气格栅可首先铺设在膜模块112下方。托盘或框架还可以铺设到地下排水管系统3上，以控制模块间距或者以其他方式辅助保持或调平膜模块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任选地逐个安装或以小单元安装（即，它们不预先组装成大的盒子）以避免对起重机或其他重型升降设备的需要。然后膜模块112的渗透物端口连接到渗透物集管114，渗透物集管114包括水平铺设在膜模块112的顶部上的侧向区段。可以存在若干排膜模块112。在那种情况下，可以使用渗透物集管114的主要区段（例如在罐的端部处）来将多个侧向区段连接在一起。渗透物集管114穿过罐壁（如图2A中所示）抑或以虹吸装置（未示出）越过所述壁。替代地，每个区段可以穿过或越过罐壁，并且连接到罐外部的主要区段。

在渗透物集管114在膜模块112上方的情况下，在膜的渗透物侧上释放的空气可以与渗透物一起被排空。然而，可能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之前被安装在地下排水管系统3上。渗透物集管114位于膜模块112下方。在此情况下，不需要移动渗透物集管114以移除膜模块112。然而，在膜的渗透物侧上释放的空气可能不被夹带在渗透物流中，并且可能被收集在膜模块114内部。为了去除所收集的空气，可以添加并使用与膜模块112的顶部连通的小管系统网络（未示出）来去除空气，例如通过在反洗期间排出空气。

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到膜重力过滤器110的转换。例如，如图2A和图2B中所示，地下排水管出口管道116和供给水4管道在由向前斜线号（“//”）指示的位置处被切割并被封端。先前供给到介质过滤器1的顶部的供给水4被重新引导并通过地下排水管出口管道的第一部分116a供给到地下排水管系统3中。膜渗透物集管114连接到地下排水管出口管道的第二部分116b。任选地，反洗水入口118例如通过地下排水管出口管道的第二部分116a连接到渗透物集管114。

利用这些改变，先前的介质过滤器1现在可以操作为膜重力过滤器，任选地不改变介质过滤器1的其他物理特征或操作和控制方法。供给水4现在通过地下排水管系统3进入膜重力过滤器110，并且向上流到膜模块112，以进行死端过滤。过滤水头118由跨越膜的静态水头差提供，例如罐中的水位（过滤液位5）与通向大气的渗透物排放点的液位或渗透物收集罐中的水位（如果渗透物排放点被淹没）之间的差。可以定期地发起反洗，例如一旦过滤水头118到达指定水平或在反洗之间的最大时间处，如果最先到达这两者中的其中之一就发起反洗。在反洗时，过滤水阀120关闭，并且反洗水阀112打开。在反洗期间，供给流任选地继续中断并且作为反洗液9例如通过溢出到槽来辅助将去除的固体从罐中载运出来。典型的介质过滤器的反洗网络被设计成处理是滤液网络的2-4倍的流率。因此，通过反洗网络将供给水4引入到膜重力过滤器110中不太可能限制供给水流率。

表1对常规的浸入式膜系统与膜重力过滤器的典型操作参数进行了比较。常规的膜系统和膜重力过滤器的操作之间的一个差异与通量相关。污垢随着通量的增长而迅速地增长，可能以指数方式增长。以低通量操作仅需要低的跨膜压力，这实现了甚至在常规的快速砂过滤器中可得的非常低的过滤水头（例如2.5 m或更低或者2.0 m或更低）的情况下的重力操作。以低通量操作还减少了对达到或接近介质过滤器（诸如快速砂过滤器）的典型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中所指示的，重力膜过滤器可以任选地在没有再生化学清洗（也称为回收清洗）的情况下操作。在再生化学清洗中，膜与化学清洗剂接触达很长的时间，诸如15分钟或更长时间。再生化学清洗的目的是杀死或去除生物膜或污垢层的显著部分，并且使膜渗透性恢复到例如所述膜为新时的渗透性的20%以内。在常规的膜系统中，通常在每周至每月的基础上执行再生清洗。然而，如下文进一步讨论的，膜重力过滤器可以在无再生清洗的情况下无限期地操作，或者至少持续6个月或更长时间或者12个月或更长时间的很长一段时间。在该操作模式中，膜渗透性从其为新时的渗透性降低，但是达到可接受的稳定状态。允许污垢或生物膜层达到稳态，而不是连续地被去除以恢复接近新的膜渗透性。

一些最近研究显示，在没有再生化学清洗的情况下，膜通量不会变为零，而是稳定在通常小于10 L/m²/h的低值处。Peter-Varbanets等人（2010）通过重力操作系统，而无需对具有增加的TOC含量的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水柱的过滤压力下稳定在4-10 L/m²/h之间。稳定的通量随TOC增加而降低。它们证明了，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，在污垢层中观察到腔、通道和树枝状结构的形成。Derlon等人（2013）显示，在小于0.65 m水柱的过滤压力下，在重力驱动的过滤中的通量稳定到8-10 L/m²/h的范围。它们使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关联。在这两种情况下，在通过让更高等的微生物发育来调节生物膜之后实现稳态的通量。因此，这些方法取决于若干因素：诸如供给水中存在的有机物质的性质、任何抑制性化合物和温度。所需的因素将难以在市政水处理设备中一致地提供。此外，所获得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，利用在反洗水中定期提供的低剂量的氧化剂来提高通量。在不意图受理论的限制的情况下，发明人相信，有效剂量的氧化剂并不像在再生化学清洗时那样去除生物膜或污垢层，而是使生物膜或污垢层在类似于更高等的微生物的活性的意义上更多孔。在并列实验中，在每天5分钟反洗中使用或不使用小浓度的氯（10 mg/L）的情况下测试1.5 m的恒定水头下的重力膜过滤。化学剂量为每周350分钟*mg/L（如Cl₂）。供给水是从湖中抽取的地表水。所述膜模块是ZeeWeed^TM 1000模块的中试规模变型，其具有带标称0.04微米孔径的水平取向的中空纤维超滤或微滤膜。图3中的结果显示，在没有氯的情况下所达到的稳态通量仅为5 L/m²/h，而在具有小剂量的氯的情况下，稳态通量提高到12-14L/m²/h。由含氯反洗液提供的低浓度和接触时间不足以清洗膜。然而，发明人相信，氯在调节生物膜或污垢层以使其更具渗透性方面有效。使污垢层或生物膜以每天（或其他）剂量的氧化剂调节预期比依赖于更高等的微生物更可控和可靠。

虽然其他氧化剂预期产生类似的结果，但是氯是水处理设备中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，不期望膜重力过滤器中的反洗水中的小剂量氯引起监管或健康问题。在反洗液中使用替代的最终消毒剂（诸如二氧化氯、过氧化氢或氯胺）也是可能的。

图4示出了在上述实验中处理的供给水的随时间的浊度和温度。如图4中所示，图3中的结果在过滤具有平均2-3 NTU的浊度（其中峰值高达10 NTU）的原地表水时获得。很可能的是，更高的稳态通量可能在凝结和沉降或其他常规预处理之后已经实现，其中，供给水的浊度可能降低到0.5 NTU或更低。

如关于图3所述地测试但其中含氯反洗仅持续达另外的300天至总共400天。在测试期间的任何时间处，不存在对膜的再生清洗。在冬季期间，供给水温度下降到2与4摄氏度之间达大约75天。在此时间期间，平均通量粗略下降到大约10 L/m²/h。通量在供给水加热回升到15摄氏度及以上之后增加到大约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，并且在所述22个月周期结束时并需要再生化学清洗。

图3中的通量结果表明，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，而不增加占用面积（罐面积）。通常可以通过使用膜来改善水质，因为膜与介质过滤器相比具有低得多的截止值（MF/UF膜的0.01-0.1 µm与介质过滤的5-10 µm对比）。因此，将介质过滤器转换成膜重力过滤器还很可能提高过滤的水品质，这可有益于下游处理过程，诸如反渗透。

使用商业上可获得的ZeeWeed^TM 1000模块来过滤地表水来进行另外的测试，其包括42 m²（450平方英尺）和51 m²（550平方英尺）两个版本。在6个月试验期内产生的通量通常范围为从13-20 L/m²/h。试验期间的供给水温度的范围为大约4-26摄氏度，而浊度的范围为从大约0.2至2 NTU，但是经常飙升到4或更大的NTU。这些模块每8小时反洗一次。回收率为97-98%。罐填充有水至1 m深。渗透物出口与罐的底部齐平并且排放到大气压力，从而导致10 kPa的TMP。化学剂量为每周350分钟*mg/L（如Cl₂）。在6个月试验期间，没有回收清洗膜。

利用单个700平方英尺模块在范围为从15至25 kPa的水头压力下操作来进行另外的测试。渗透循环为8小时长。回收率为98-99%。渗透循环之间的回冲以40 Lmh执行，其中3dcfm曝气持续5分钟。总的氯剂量为每周350分钟*mg/L （如Cl₂）。在一次试验中，通量在大致贯穿300天的操作期内的范围为从20-30 L/m²/h，并且在15、20和25 kPa的水头压力下的部分时间内为25 L/m²/h以上。在另一次试验中，通量在大致贯穿300天的操作期内的范围为20-40 L/m²/h，并且通常在25 L/m²/h以上，而水头压力为20或25 kPa。

常规的介质过滤器通常设计成具有5-15 m/h的过滤速度。如表2所显示的，即使在以低通量操作时，这些吞吐量也可通过利用膜改装来匹配或增加。假设过滤器的占地面积的80％将覆盖有模块来构建表2。假设假设12 L/m²/h（针对原水）和16 L/m²/h（针对经沉降的水）的设计通量。ZeeWeed^TM ZeeWeed^TM 1000模块为大约685 mm（27英寸）高，但可竖直堆叠。对于一些计算而言，假设堆叠两个ZeeWeed^TM 1000模块，因为这种堆叠仍然在典型快速砂过滤器中可用的空间内。用于生成图2的计算显示，这些设计条件可以生成8–22m/h的过滤速度。

表2 可借助不同模块实现的过滤速度的示例。

	GE Water	GE Water	GE Water	Toray	Toray	Asahi
								ZW-1000/700	ZW-1000/700	ZW-1000/700	HSU-1515	HSU-1515	UHS-620A
模块类型	矩形	矩形	矩形	圆形	圆形	圆形
							＃模块高	1	2	2
模块高度（m）	0.7	1.5	1.5	1.3	1.3	2.2
							模块占用面积（m<sup>2</sup>）	0.0735	0.0735	0.0735	0.0216	0.0216	0.04
模块表面积（m<sup>2</sup>）	65	65	65	20	20	50
							模块罐覆盖率	80％	80％	80％	80％	80％	80％
通量（L/m<sup>2</sup>/h）	12	12	16	12	16	16
							过滤速度（m/h）	8.5	17.0	22.6	8.9	11.8	16.0

膜重力过滤器可在不比常规过滤器使用显著更多的反洗的水的情况下操作。介质过滤器通常在处理具有低浊度(<1 NTU)的经预处理（即，凝结和沉降）的水时具有>95%（通常大约98%）的回收率。在图5中示出了针对在不同条件下操作的膜重力过滤器的计算回收率。两条顶部曲线代表处理沉降水，并且基于具有65 L/m²/h的表面面积和20 g/模块的悬浮固体极限的ZeeWeed^TM -1000模块，并且假设1 NTU = 1.5mg/L。假设无论是否已经达到模块的悬浮固体极限都将每天执行一次反洗。曲线的突然下降指示，在不到一天内达到悬浮固体极限，并且在此时执行额外的反洗。对于0.5 NTU的浊度（这是沉降水的特征）而言，回收率随通量而增加，并且每天单次的反洗足以达到17 L/m²/h的通量。在12 L/m²/h的通量处，回收率=98.3%。第二条曲线代表功能差的沉淀器（浊度=2 NTU）。在12 L/m²/h的通量下，需要每天两次反洗，并且回收率为96.3%。两条底部曲线代表处理原水（其具有10和20 NTU的浊度）并且基于具有46.5 L/m²/h的表面面积和155g/模块的悬浮固体极限的ZeeWeed^TM -1000模块。在12 L/m²/h的通量下，将需要每天两次反洗，并且回收率将为94-95%。

为了总结以上测试和计算，通过保持膜的罐中的水的自由表面相对于抵靠渗透物出口的静态水头的重力（静态）水头差向膜重力过滤器提供大约10-15 kPa的跨膜压力(TMP)。不存在渗透物泵。据估计，在增加的通量或对生物膜的绝对压力变得过大而无法维持预期的多孔生物膜之前可以使用大约15 kPa、可能20 kPa的略微更高的TMP。通量不超过20 L/m²/h，通常不超过15 L/m²/h。膜每天反洗1至3次。在反洗水中以10 mg/L（如Cl₂）进行每天一次反洗。该反洗持续大约5分钟。额外的反洗（如果存在的话）不具有氯或任何其他清洗化学添加。因此，氯的总的每周剂量为大约350分钟*mg/L（如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罐中的固体浓度或浊度触发。

据估计，在每天0.5与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液可任选地由膜外部罐的冲洗液替换。在将需要每天多于5次清洗事件（即，反洗或供给冲洗）来维持罐中的期望供给水条件的情况下，相反，可以预处理供给水，使得需要每天不多于5次清洗事件或不多于3次清洗事件。据估计，700或更少（优选为500或更少）分钟*mg/L（如Cl₂）的每周剂量将是可接受的，并且将提供多孔生物膜层而不会显著杀死生物膜层。估计最低的每周氯剂量为100分钟*mg/L（如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、任选地小于2.5米或小于2.0米。任选地，膜在无再生清洗的情况下可操作达6个月或更长时间，或者12个月或更长时间。在700分钟*mg/L或更少的Cl₂的每周剂量下，使膜在没有再生清洗的情况下利用再生清洗操作达6个月将使膜仅暴露于不超过18,200分钟*mg/L（如Cl₂）。

膜重力过滤器可以用于例如市政或工业饮用水过滤，用于废水过滤或工业非饮用水过滤。所述系统可以代替介质过滤器（诸如快速砂过滤器或其他常规的过滤系统）使用。在以下的详细系统示例中，常规重力砂过滤器被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的部件。所述改变不必按照下文描述的顺序执行。以下描述的改变可能还必须针对不同类型的现有快速砂过滤器调整。

为了转换现有的过滤器，去除现有的砂和任何其他介质。将膜模块添加到罐，例如通过将其支撑在罐的底部上处于现有地下排水管的一部分的多孔平台上，或者被添加到罐的侧面或上边缘的支架上。通常，需要多个盒子或膜模块。来自每个盒子的渗透物端口或管道连接到渗透物歧管。所述渗透物歧管连接到现有的清水池，并且连接到现有的反洗水供应歧管。用于过滤的跨膜压力（TMP）可由相同的重力引起的静态水头差（用于通过先前的砂床来驱动过滤）产生。地下排水管与清水池以及反洗水供应歧管之间的先前连接被关闭。在一些情况下，这可通过将渗透物歧管从罐内部连接到从地下排水管到罐外部的现有通路来完成。在此情况下，不需要新的孔穿过罐壁。此外，如果现有的通路用于经过滤的水的去除和反洗水供应两者，则能操作成使渗透物歧管与清水池隔离的阀以及能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。该选项还可用于使现有地下排水管与清水池和反洗水供应同时断开。替代地，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穿透部，其将在膜系统中淘汰。该穿透部可优选地在其大小增加之后用于渗透物歧管。在其他选项中，可使用全新的罐壁穿孔或罐壁上的虹吸管。在这些情况下，渗透物歧管通过隔离阀从罐外部连接到现有的清水池并且连接到现有的反洗水供应歧管。取决于如何进行这些连接（即，连接到现有隔离阀上游或下游的组合的清水池和反洗集管或单独的清水池和反洗集管），可能需要或可能不需要添加一个或多个隔离阀。此外，这些连接可或不可将现有的地下排水管与现有的清水池和反洗水供应同时断开。在上述任一选项中，如果需要，则可以作为单独的步骤关闭穿过罐壁到地下排水管的现有导管。在一些情况下，这可通过关闭现有的隔离阀来完成。替代地，穿过罐壁到地下排水管的现有导管可用作罐排水管。

对现有的快速砂过滤器罐的改变任选地包括添加罐排水管以用于在反洗之后使罐排水。一般来说，这通过将罐的底部连接到现有的砂过滤器的现有反洗废水出口来实现。在一个选项中，现有的地下排水管排放导管可以与清水池和反洗水供应断开，并且相反通过阀连接到反洗废水通道。在另一选项中，新的开口被制造成优选地在罐的底部处穿过罐壁，并且通过阀连接到反洗废水通道。例如，在反洗废水通道部分地由与反洗废水通道共用的罐壁形成的情况下，开口可制造成穿过罐壁并且装配有闸门。虽然该选项需要新的开口，但是新的开口可比先前的地下排水管排放导管更大，以允许更快速的罐排水。

在以上选项中，槽不再用于收集反洗废水。槽可以被去除或留在原位。如果槽留在原位，则供给水可以通过槽引入到罐，这可以促进更均匀的供给水分配。然而，去除槽是优选的。这是因为槽占据了罐的深度的很大一部分，并且去除槽可允许将更多膜模块添加到所述罐。例如，利用ZeeWeed^TM 1000模块，在一些情况下，如果去除槽，则可以添加第二层模块。

虽然可从现有的槽去除反洗废水，但是可通过使膜系统中的罐排水来从所述罐去除更多保留固体。利用砂床，使罐排水将捕获砂中的保留固体，并且因此从床上方的槽排放反洗废水。相比而言，具有保留固体的水可以竖直向下流过膜模块或者绕过膜模块，而不会在所述模块中捕获大量固体。

除任选的去除槽以外，现有的系统的供给水供应系统不需要修改。

任选地，吸附筒可添加在模块上方。吸附筒去除可溶性污染物，并且还可提供一些深度过滤。例如，吸附筒可包含具有去除溶解的微污染物的潜力的颗粒吸附剂，诸如活性碳。

与该系统一起使用的膜模块可以是任何浸入式膜模块，优选地具有在超滤或微滤范围内的孔。一个合适模块是由GE Water& Process Technologies公司销售的ZeeWeed^TM1000模块。这些模块具有悬挂在一对相对的竖直取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。所述模块在平面图中具有矩形截面，其具有用于供给水流过所述模块的竖直流动路径。可以在公共框架中提供多个模块以形成盒子。所述盒子可具有一层或多层模块。如果存在多层，则所述模块在盒子中竖直地对准，使得竖直流动路径连续穿过所述盒子。

吸附筒（如果存在的话）与膜在同一时间被反洗。反洗水首先流过膜，并且然后流过吸附筒。罐中的水位随着反洗水的添加而上升，并且在添加反洗水时，存在水穿过吸附筒的整体向上流动。如果槽不被去除并且被用于反洗，则过量的反洗水通过槽离开罐。替代地，在已经添加反洗水之后，打开阀（其可以任选地是门），以使罐排水。

ZeeWeed^TM 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限定。曝气管道（以及任选地还有渗透物管道）在模块的底部处部分地封闭到流动路径的入口。因此，大部分供给水从模块上方进入模块（或模块的竖直对准的堆叠），这促使供给水在到达模块之前穿过吸附筒。将吸附筒定位在模块上方并且将水从吸附筒上方向添加到罐还促使供给水在到达模块之前穿过吸附筒。当反洗ZeeWeed^TM 1000模块时，大部分反洗水在穿过膜之后向上上升离开模块（或堆叠）。这有助于增加在反洗期间流过吸附筒的水的向上速度，任选地达到使吸附筒中的介质床流体化的程度，以更好地释放所截留的固体。然而，还可以使用其他模块。通过将竖直延伸的护罩放置在模块周围并且（如果必要）部分地阻挡穿过模块的底部或被遮蔽区域的向上流动，可以利用其他模块设计来实现与上述那些效果类似的效果。

通过在反洗期间从模块下方提供的气泡也可以增强穿过所述模块的向上流动。在一些情况下，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。鼓风机优选地相反连接到设置有模块并且设计成用于利用气泡清洗膜的曝气机。

任选地，氯可注入反洗水中以有助于清洗膜或维持其渗透性。在于2015年8月27日提出申请的美国临时专利申请序列号62/210,915“介质过滤器到重力膜过滤器的转换”（其通过引用并入本文中）中描述了利用适合于与膜重力过滤器一起使用的含氯反洗液的膜操作过程的一个示例。如果使用吸附筒（例如具有颗粒活性碳（GAC）的吸附筒），则所述吸附筒可以有助于使反洗水脱氯，这可以减轻供给水中氯化副产物的形成。

下文将描述过滤过程的示例。所述过程可与膜过滤系统（例如如在上文或下文在更详细的示例中所描述的改装系统）一起使用。所述过程以重复的循环操作。在以下描述中，虽然所述循环被描述为以空罐开始，但是由于所述过程是循环的，所以这是任意的起始点。

首先，例如通过现有的或常规的供给水分配系统引入供给水以将罐填充到膜上方的液位。

其次，对供给水进行过滤，同时向罐添加更多的供给水。打开过滤阀（即，渗透物歧管与清水池之间的隔离阀），并且通过膜产生经过滤的水（渗透物）。优选地，大部分供给水从上方进入膜模块，或者在流过一个或多个吸附筒之后以其他方式进入膜模块。吸附筒（如果存在的话）在水流过它们时去除微污染物。吸附筒中的一个或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）到达膜之前去除较大的颗粒来保护膜。供给水通过膜被过滤，流过渗透物歧管并且流出罐，例如流到清水池。

第三步骤涉及反洗（也称为回冲）膜和反洗吸附筒（如果存在）。为发起反洗，中断供给流并启动反洗泵。反洗泵沿（与渗透）相反的方向例如从清水池推动渗透物穿过膜。反洗膜的大部分渗透水通过模块的顶部离开，并且还反洗吸附筒。优选地，通过在模块的底部处注入空气来增强反洗。在反洗期间，颗粒介质可以膨胀或流体化，任选地填充吸附筒的整个体积。

第四步骤涉及使罐排水。如上所述，反洗水可替代地通过如常规的快速砂过滤器中的反洗槽排空，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，因为这允许更大程度地几乎完全去除在循环的过滤步骤期间累积的固体。利用ZeeWeed^TM 1000模块，大部分反洗水（即，大于50%，但是任选地大于80%或大于90%）向上流过1个或更多个竖直对准的模块的堆叠和吸附筒（如果存在的话）。然后，反洗水可以通过流过出于此目的而提供在模块之间或模块的盒子之间的空间向下流到模块下方的反洗废水排空端口（也称为罐排水管）。例如，模块可仅占据罐的占用面积的80-90%。ZeeWeed^TM 1000模块的设计还允许更小量的流（例如约10%）通过模块的底部离开，使得可以更完全地清空所述罐，并且在罐排水时去除更多固体。

然后，所述过程返回到第一步骤并重复。反洗的频率可使得总回收率为95%或更多。这通常导致每天反洗1至3次。

图6示出了设计为快速砂过滤器的改装的膜重力过滤器10的示例。从罐12去除砂，从而允许膜模块14放置在罐12中。在所示示例中，模块14是ZeeWeed^TM 1000模块并且静置在先前支撑介质床的多孔平台16上。任选地，可以移除多孔平台16（或其他地下排水管系统），并且模块14可直接支撑在罐12的底部上。在另一选项中，可以填充多孔平台16中的孔17以实际上在多孔平台16的高度处提供罐底部。示出了膜模块14的两层，但是可以任选地存在更多（3或更多）或者更少（1）层。模块14优选地覆盖罐12的占用面积的至少80%，但是在图1中仅示出了模块14的一个盒子以简化附图。任选的吸附筒18可卡扣或以其他方式附接到每个模块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在其上行走的栅格。

模块14限定在顶部处开放并且底部处部分开放的竖直流动通道。大部分（即，50%或更多）、但是优选地80%或更多或者90%或更多的供给水从1个或更多个竖直对准的模块14的堆叠20进入堆叠20。大部分（即，50%或更多）、但是优选地80%或更多或者90%或更多的反洗水从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中的最低模块14的底部附近或下方具有曝气格栅11。模块14的曝气格栅连接到空气供应网络15，空气供应网络15通向用于在反洗期间在膜外部提供气泡时使用的一个或多个鼓风机。任选地，如果快速砂过滤器使用空气辅助反洗，则空气供应网络15可连接到现有的空气供应系统的一个或多个管道和鼓风机。

每个模块14的渗透物出口连接到渗透物和回冲集管22。渗透物和回冲集管22可处于堆叠20的顶部处（如图所示）或另一水平处，例如处于堆叠20的底部处。在所示示例中，在渗透物和回冲集管22处于堆叠20的顶部处的情况下，先前用于重力过滤器中的垫圈的壁穿透部21可以处于合适的高度处，并且可扩大以容纳渗透物和回冲集管22。替代地，新的开口可以制造在罐12中以用于渗透物和回冲集管22。在此情况下，垫圈穿透部被覆盖、填充或以其他方式关闭。任选地，渗透物和回冲集管22还装配有通气孔27和化学计量端口29。

渗透物和回冲集管22在罐外部连接到现有的地下排水管出口24。现有的地下排水管出口24中的隔离阀26永久地关闭。替代地，如果不存在方便定位的隔离阀26，则地下排水管出口24可以在两端上（例如在图1中所示的隔离阀26的位置周围处）被切割和加盖。任选地，如果存在与罐12的底部连通的现有的罐排水管25，则可以将其留在原位以供在罐排水时在维护程序期间使用。

渗透物和回冲集管22通过地下排水管出口24连接到具有反洗阀34的反洗水导管30，并且连接到具有过滤水阀32的过滤水导管28。这些管道连接可以根据需要修改，以利用现有的滤液以及反洗水阀和通道。

优选地，一个或多个壁穿透部36添加在罐12的底部附近，并且通向供给和排水通道41。在一些情况下，供给和排水通道可与罐12一体地铸造。供给和排水通道41通过罐排水阀38、任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接收废反洗液。虽然反洗水仍然可通过槽44流到反洗废水通道40，但是添加壁穿透部36允许罐12在反洗期间或之后至少部分地排水，以从罐12去除更多经反洗的固体。任选地，渗透物和回冲集管22还可连接到反洗废水连接器42或者直接连接到反洗废水通道40，以允许渗透物在设备启动程序期间发送到排水管。

替代地，可以通过将地下排水管出口24在隔离阀26与罐12之间的部分连接到反洗废水通道40来提供罐排水管。然而，在许多现有的快速砂过滤器中，反洗废水通道40并不位于地下排水管出口24附近，并且因此将需要更长的反洗废水连接器42。此外，新的壁穿透部36（或者多个新的壁穿透部36）可被制造得比现有的地下排水管出口24（通常较小）的大小更大，这允许更快的罐排水。

无需改变原水供给。图1示出，供给水导管46通过供给阀48和现有的槽44连接到罐12，不过其他供给系统也是可能的。例如，可以去除槽44。

在图2中更详细地示出了吸附筒18。吸附筒18的水平截面与模块14的水平截面大体相同。吸附筒18适于容易地附接到模块14并且容易地从模块14去除。替代地，吸附筒18可以更大并覆盖若干个模块14。吸附筒18具有限定其周边的结实的竖直壁50。壁50的顶部和底部处的筛网52形成封闭空间。筛网52可具有大约0.5 mm的开口，否则根据需要保留颗粒吸附介质54（例如，GAC，大小通常为约1 mm）的床，而不增加显著的流动阻力。任选地，吸附筒18仅在30-70%、优选地40-60%之间填充有颗粒吸附介质54，以允许所述床在反洗期间膨胀。通常使用GAC，但是可以选择不同的吸附介质以优先去除不同微污染物。

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指示类似或相同的部分。然而，在膜重力过滤器10与第二膜重力过滤器60之间存在两个主要差别。

一个差别在于，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共用公共的壁。壁穿透部36将罐12连接到反洗通道40，并且同时提供废弃反洗水连接器42。罐排水阀38由壁穿透部36上的闸门提供。接近孔17被制造成穿过多孔平台16，以给予到闸门的通路。替代地，可以完全移除多孔平台16。

第二个差别在于，回冲集管22通过位于罐12内部的适配器23连接到地下排水管出口24。在所示示例中，现有的地下排水管由多孔板16下方的过滤水通道62构成。适配器23装配到地下排水管出口24的开放端部中。替代地，如果地下排水管已经由覆盖在砾石中的管道网络构成，则将在装配适配器23之前去除砾石并且从地下排水管出口24切去管道网络。

任选地，可使用在美国专利6,228,271（其通过引用方式并入本文中）中描述的方法在罐为空时测试膜完整性。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去除固体时执行。需要非常少的装备，并且几乎没有损坏膜的风险。然而，发明人并不知道该方法在全尺寸膜过滤设备中的任何用途。其原因可能是，测试需要非常高的吸入压力来发现以下大小的缺陷：该大小恰好大到足以使各种所关注的寄生虫（例如隐孢子虫）在高通量系统中穿过。然而，常规的快速砂过滤器不完全去除这些寄生虫，并且相反地，通常与下游消毒（例如通过臭氧或氯）结合。此外，膜重力过滤器不以高通量操作。当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，或者确认过滤器正以3.5或更大的对数减小值（LRV）操作。这些结果实际上可以利用空罐膜完整性测试来实现。

在空的罐膜完整性测试中，使用泵向膜的渗透物侧施加吸力。更高的吸入压力增加测试的分辨率。所述测试在罐为空时通过施加规定的吸入压力并测量水流率进行。完美的集成系统将不产生任何流率。真实的系统将产生流率，所述流率可以通过杨－拉普拉斯方程在数学上转换成将产生相同流率的单个缺陷的大小。替代地，流率可通过下文再现的美国专利6,228,271中的方程式转换成对数减小值。

缺陷大小（d）的杨－拉普拉斯方程：

。

泄漏流率：

。

对数减少值：

。

粘度修正系数：

。

压力修正系数：

。

必须在空气到达产生吸力的装置之前进行流率测量。例如，如图6中所示，吸入泵50通过MIT阀52添加到渗透物集管22。增加泵速，直到压力计54显示已经达到规定的测试吸入压力。然后打开MIT阀52，并且通过流量计56测量流率。任选地，可以由向下延伸的管替换吸入泵50以产生虹吸管。

改装大型快速砂过滤器可能需要1000个或更多个以大约15 L/m²/h操作的ZeeWeed^TM 1000模块。渗透物集管包含约2.4 m³的水。足以发现直径等于3-4 mm的单个孔的缺陷的测试将需要大约0.5巴的吸入压力。在这些条件下，足以将系统的LRV降低到3.5的缺陷将产生60-70 m³/h的流，并且测试持续时间将被限于2分钟。替代地，由虹吸管施加的1.5m的吸入压力将足以发现直径等于9-14 mm的单个孔的缺陷（取决于模块中的高度）。在这些条件下，足以将系统的LRV降低到3.5的缺陷将产生13-15 m³/h的流，并且测试持续时间将被限于10分钟。

没有泵的简单测试足以确定系统是否正以至少3.5的LRV操作。在上文所描述的条件下，小于13 m³/h的测试流率是“通过”，而13 m³/h或更大的测试流率是“失效”。

图9示出了组件200，其具有膜模块214和吸附模块202。组件200可在上文所描述的任何系统或过程中使用。

膜模块214具有保持在两个灌封头216之间的多个膜218。膜218的内部通向两个灌封头216，并与其流体连通。在所示示例中，灌封头216竖直延伸，从而允许多个膜模块214堆叠在一起。塞子将最下部的模块214的灌封头216的一端密封在堆叠中。所示膜218是中空纤维膜，不过可以使用其他类型的膜。虽然模块214可以具有数十、数百或数千个膜218，但是仅示出了几个膜218以简化附图。还可以使用具有替代性构造的模块，尽管所示构造允许具有到单个渗透物集管管道222的连接的紧凑的堆叠组件。灌封头216之间的护罩221提供竖直通道，用于使供给水流过模块214。如所示的模块214类似于商业ZeeWeed™ 1000模块，但是具有两个渗透灌封头216。

吸附模块202具有入口224、出口226和任选的旁通管228。矩形管230（或例如侧壁、顶壁和底壁的等同组件）在连接到入口224、出口226和旁通管228时提供密封壳体。所述壳体容纳吸附介质（诸如颗粒活性碳）的介质床234。

吸附模块202可堆叠在膜模块214的顶部上。可以是吸附模块202或膜模块214的一体部分的连接器244将吸附模块202的入口224连接到膜模块214的灌封头216。吸附模块的出口226通过第一阀240连接到渗透物集管管道222。另一连接器244将另一灌封头216连接到旁通管228。旁通管228通过第二阀242连接到渗透物集管管道222。

在第一操作模式中，使用渗透物集管管道222来提取渗透物，例如如在上文所描述的任何系统或方法中那样，第一阀240打开，并且第二阀242关闭。渗透物250在供给水穿过膜218时形成，并且收集在右侧灌封头216中。然后，渗透物250流过入口224，进入到介质床234中（即，通过孔252），通过出口226并打开第一阀240，并且进入到渗透物集管管道222中。在该第一操作模式中，渗透物250通过在介质床234中的吸附而被处理。

在第二操作模式中，使用渗透物集管管道222来提取渗透物，例如如在上文所描述的任何系统或方法中那样，第一阀240关闭，并且第二阀242打开。渗透物250在供给水穿过膜218时形成，并且收集在左侧灌封头216中。然后，渗透物250流过旁通管228并且进入到渗透物集管管道222中。在该第二操作模式中，渗透物250不通过在介质床234中的吸附而被处理。当不需要吸附处理时，可以例如季节性地使用该操作模式。这可延长吸附介质的寿命，同时仍允许产生可接受的产物水。然而，第二操作模式的使用是任选的。

在第三操作模式中，渗透物集管管道222被用于使渗透物返回以用于反洗，例如如在上文所描述的任何系统或方法中那样，第一阀240关闭，并且第二阀242打开。渗透物250流过旁通管228，然后通过左侧灌封头216，并且通过膜218流出。这反洗膜218。然而，旁通管228的使用避免使介质床234中的细小材料流入到膜中。该第三操作模式在以第一或第二操作模式操作的时间段期间间歇地使用。

Claims

1.一种用于操作浸入式膜的过程，其包括以下步骤：

通过所述膜过滤水；

使经过滤的所述水流过吸附介质；以及，

利用经过滤的水反洗所述膜，其中，所述经过滤的水在其流回到所述膜以用于反洗时绕过所述吸附介质。

2.根据权利要求1所述的过程，包括定期地过滤水而不使所述经过滤的水流过所述吸附介质的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的过程，其中，所述经过滤的水在其流回到所述膜以用于反洗时通过包含所述吸附介质的模块中的导管。

4.一种过滤系统，包括，

罐；

所述罐中的浸入式膜模块(14)；以及，

所述罐中的密封吸附模块(202)。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述吸附模块位于所述浸入式膜模块上方，或者附接到所述膜模块的顶部。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述吸附模块的内部连接到所述膜模块的灌封头。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述吸附模块具有连接到所述膜模块的另一灌封头的旁通导管。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的系统，其包括连接到所述吸附模块的内部和所述膜模块的所述旁通导管的渗透和反洗管道。

9.一种用于操作浸入式膜的过程，包括以下步骤：

通过重力、任选地在25kPa或更低的水头压力下通过所述膜(14、112)过滤水；以及，

用含氧化剂的水反洗所述膜以便使所述膜暴露于700分钟*mg/L或更低的每周剂量的如Cl₂的氧化剂。

10.根据权利要求9所述的过程，其中，每天反洗所述膜不超过5次。

11.根据权利要求9或10所述的过程，其中，在至少6个月的周期内不使所述膜受再生恢复清洗处理。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的过程，包括通过重力形成从所述膜的一侧到另一侧的不超过25 kPa或不超过20 kPa的跨膜压力。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的过程，包括以20 L/m²/h或更大的通量通过所述膜过滤水。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的过程，包括用含氧化剂的水反洗所述膜，以便使所述膜暴露于500分钟*mg/L或更低的每周剂量的如Cl₂的氧化剂。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的过程，其中，以有效量投配所述氧化剂以提供更多孔的生物膜或污垢层，而不显著杀死或去除所述生物膜或污垢层。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的过程，还包括在反洗之后使包含所述膜的罐(12)排水。

17.根据权利要求16所述的过程，还包括在所述罐为空时执行膜的完整性测试。