CN112912079A - 包括玻璃珠微介质的多层介质床过滤器 - Google Patents

Abstract

公开了一种过滤器。过滤器包括：具有至少一个入口和至少一个出口的容器；包括多个介质层的介质床，介质床的最上介质层包括基本均匀的和球形的玻璃微介质，多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加；及被配置为引导一定量的空气通过多个介质层的空气分配器。还公开了用于处理水的系统。系统包括待处理的水源、本文所述的过滤容器，及流体连接到过滤容器出口的处理水出口。还公开了改造本文所述的过滤容器的方法。

Description

包括玻璃珠微介质的多层介质床过滤器

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2018年10月24日提交的标题为“MultilayerMedia Bed Filter Comprising Glass Bead Media(包括玻璃珠介质的多层介质床过滤器)”的美国临时申请第62/749,701号的优先权，该申请的公开内容通过引用全部并入本文以用于所有目的。

技术领域

本文中所公开的方面和实施方案一般涉及多层介质床过滤器的领域，并且特别是涉及高容量微介质多层介质床过滤器。

概述

根据一个方面，提供了一种过滤器。该过滤器可以包括：具有至少一个入口和至少一个出口的容器；包括多个介质层的介质床，该介质床的最上介质层包括基本上均匀的和球形的玻璃微介质，该多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加；以及被配置为引导一定量的空气通过多个介质层的空气分配器。

在一些实施方案中，玻璃微介质包括玻璃珠。

玻璃珠的直径可以是约0.1mm至0.4mm，诸如直径约0.1mm至0.2mm。

在一些实施方案中，玻璃珠包括光滑外表面。

玻璃珠的密度可以是约2.5g/mL。

根据另一个方面，提供了一种对介质过滤器进行改造的方法。该介质过滤器可包括可流体连接到水源的过滤容器，该过滤容器包括介质床，该介质床包括多个介质层，该多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加。该方法可包括将最上介质层从介质床中去除，并将包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质的介质安装到介质床中作为最上介质层。

玻璃珠的直径可以是约0.1mm至0.4mm，诸如直径约0.1mm至0.2mm。

玻璃珠的密度可以是约2.5g/mL。

根据另一个方面，提供了一种促进水处理的方法。该方法可包括：提供包括至少一个入口、至少一个出口、空气分配器和介质床的过滤容器，该介质床包括多个介质层，该多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加，其中最上介质层包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质；以及指示用户将过滤容器的入口连接到待处理的水源。

在一些实施方案中，该方法还可以包括指示用户将空气源连接到空气分配器。

在一些实施方案中，该方法还可以包括指示用户将一定量的空气引导通过空气分配器和多个介质层持续预定的时间段。

根据另一个方面，提供了一种用于处理水的系统，该系统可以包括：待处理的水源；过滤容器，其具有流体连接到待处理的水源的至少一个入口、至少一个出口和定位在过滤容器内的介质床，该介质床包括多个介质层，介质床的最上层包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质，多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加；以及流体连接到过滤容器出口的处理水出口。

玻璃珠的直径可以是约0.1mm至0.4mm，诸如直径约0.1mm至0.2mm。

玻璃珠的密度可以是约2.5g/mL。

在一些实施方案中，待处理的水源包括无机或有机污染物。

该系统的过滤容器还可以包括空气反冲洗系统，其包括定位在过滤容器内的空气分配器，该空气分配器具有可连接到空气源的入口。

在一些实施方案中，在过滤周期期间和/或当过滤容器的性能降低时，在预定的时间段从空气分配器输送一定量的空气。

附图简述

附图不意图按比例绘制。在附图中，在各种图中说明的每个相同或几乎相同的部件都由相似的数字表示。为了清楚起见，并不是每个部件都在每个附图中标出。在附图中：

图1A至图1B是通过包括多层介质床的过滤器进行过滤的和反冲洗该过滤器的框图。图1A是过滤的框图，并且图1B是反冲洗的框图。

图2A至图2F是本发明的过滤器的水平实施方案的附图。图2A和图2B是侧视图。图2C是俯视图。图2D和图2E是端部视图。图2F是透视图。

图3A至图3E是本发明的过滤器的垂直实施方案的附图。图3A是侧视图。图3B是俯视图。图3C和图3D分别是正视图和背视图。图3E是透视图。

图4是过滤容器的实施方案，该过滤容器包括具有多个层的介质床，该多个层的密度和介质颗粒直径从最上层到最下层增加。

图5A至图5B是硅微砂和玻璃珠微介质的图像，示出了在相同操作条件下反冲洗后残留的铁垢。图5A示出了硅微砂介质上的铁垢，并且图5B示出了玻璃珠微介质上的铁垢。

详细描述

本文中公开的实施方案提供了包括介质床(其包括多个介质层)的过滤器、使用所述过滤器的系统及它们的使用的过程。申请人发现，多层介质床过滤器具有基本上均匀的和球形的玻璃微介质作为多层介质床的最上层，并且介质的密度从顶部上的最细介质到底部上的最粗介质增加，与传统的硅砂微介质作为多层介质床的最上层相比，其过滤性能得到了改善，同时保留了硅砂微介质用于反冲洗的优点。基本上均匀的和球形的玻璃微介质可以使用空气进行反冲洗，而不会明显破坏介质床的介质层的分层，而且由于表面光滑和有光泽，比传统的硅砂微介质结垢更少，因此基本上均匀的和球形的玻璃微介质的外表面光洁度在反冲洗期间提供了改善的清洁。图1A和图1B中示出了过滤和反冲洗过程的总体方案。

使用空气进行该反冲洗将来自基本上均匀的和球形的玻璃微介质的污染物去除到基本上均匀的和球形的玻璃微介质上方和周围的液面中。当空气停止时，在基本上均匀的和球形的玻璃微介质上方的液体中的被空气流去除的污染物被注入介质上方的液体冲走，或通过流经介质床的不去除基本上均匀的和球形的玻璃微介质的液体流冲走。用维持分层的空气反冲洗从基本上均匀的和球形的玻璃微介质中释放出的污染物量明显大于单独使用液体反冲洗时释放出的污染物量，无论液体反冲洗使用的流速足以使基本上均匀的和球形的玻璃微介质悬浮还是低于悬浮流速。

申请人还发现，在反冲洗清洁周期期间，可以使用具有流经喷嘴的液体流的介质床过滤器，该喷嘴产生沿介质床的顶表面的流动，而不会引起介质的不利的位移，从而以良好的效率从介质床的表面去除污染物。通常的过滤器将无法使用原液入口喷嘴将污染物从基本上均匀的和球形的玻璃微介质的表面脱离，而不会有将基本上均匀的和球形的玻璃微介质送入流中和将基本上均匀的和球形的玻璃微介质中的一部分损失到反冲洗的风险。这样使用原料入口喷嘴在反冲洗周期开始时是有用的。可替代地或另外，这样使用原料入口喷嘴在已将污染物带入介质床上方的液面中的空气反冲洗之后是有用的。

本发明的过滤器包括具有至少一个入口和至少一个出口的容器、包括多个介质层的介质床、以及空气分配器，该空气分配器被配置为引导一定量的空气通过多个介质层。过滤器可以是压送式过滤器或高速过滤器。在过滤期间，可将待处理的水例如通过一个或多个泵送入过滤容器中。在过滤容器内，水在容器中与具有多个介质层的介质床接触之前可由配水头进行分配。一般来说，介质床的介质层充当基质以保留水中含有的固体污染物，诸如微粒无机物或有机物种类。过滤水从过滤容器中排出，用于其意图目的，诸如膜预过滤、HVAC冷却塔过滤、工艺水过滤、数据中心冷却回路、商业水上运动诸如娱乐池设施，或类似的大容量应用。

可用于本发明的过滤器包括水平过滤器和垂直过滤器两者。图2A至图2F和图3A至图3E中示出了水平过滤器和垂直过滤器的实施例，其中流体流经两个过滤容器的方向用箭头示出。在水平(图2A至图2F)和垂直(图3A至图3E)过滤器配置两者中，原水在原水入口202、302处进入过滤器200、300，通过过滤容器200、300内的介质(未示出)，并且处理水从处理水出口204、304排出。可用于本发明的过滤器包括在过滤容器200、300内的开口，诸如舷窗、舱口或其他类似结构，其允许根据需要维护过滤器和交换过滤介质。具有这些特征的过滤器在本领域中是已知的，例如，在WO 2014/012167和US 9,387,418中，这些专利申请的公开内容通过引用全部并入本文以用于所有目的。示例性过滤器包括但不限于

横流微砂亚微米过滤器(宾夕法尼亚州匹兹堡的懿华水处理技术公司(Evoqua Water Technologies LLC，Pittsburgh，PA))系列。

根据某些实施方案，介质床的多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加。在图4中示出了具有介质床的垂直过滤容器的示意图，该介质床具有多个介质层。如图4所示，过滤容器400包含多个层，并且水流流经介质床的层的方向用箭头表示。最细介质402，例如玻璃微介质，通常占据最上层，随着穿过垂直地设置在过滤容器内的各层而下降，一个或多个中间层404、406(诸如高密度陶瓷颗粒或聚合物珠)的粗度增加。因此，最粗介质408，诸如石榴石颗粒，通常占据最下层，并且可以由筛网支撑或可以不由筛网支撑。在一些情况下，最粗介质408停留在过滤容器的底部上，并且筛网与过滤容器的出口相关联。特别地，介质床的最上介质层可以包括基本上均匀的和球形的玻璃微介质，诸如玻璃珠，其具有类似于常规过滤介质诸如硅微砂的物理性质，诸如密度或直径。在US 2018/0099237中描述了具有包括微介质的最上层的多层介质床，该专利申请的公开内容通过引用全部并入本文以用于所有目的。

介质床的各种介质的各个层，诸如基本上均匀的和球形的玻璃微介质，例如玻璃珠，既不通常设置在特定边界内，也不由该特定边界精细地划定。因此，具有各种粒度的介质在过滤容器内的分布是近似的，并且通常遵循从每层的顶部到底部的逐渐过渡。除了由于过滤和可能的其他操作而产生的移位效应之外，应理解的是，在一些实施方式中，在每个原本可能可区分的层内，由于介质的粒径、密度和粗度的范围、变化和公差，所以实现按粒径将介质层进行完美分层通常甚至更难。因此，通常呈中间锥形区域的形式的非绝对边界可将各种介质分层分开。然而，尽管粒径的分布不理想，但是即使是非完美的分层也有助于确保微介质不会无意损失，无论是在过滤操作的过程中或在任何其他时间。

在使用中，污染物的沉积物，特别是大小超过最细介质的粗度的那些污染物，被捕获在介质床的最上层的表面上或上方，其中所述污染物通过介质床的进一步行进由此受到阻碍。在这种情况下，在介质床的最上表面处可能形成饼状物或结壳。大小与最上介质层的颗粒度类似或相当的其他污染物，可能在饼状物或结壳的进展的巩固之前穿透或具有最上层的顶部，并在通过所述最上层的某个行进距离内作为微粒被捕获或捕集。应理解，未捕获在最上层内的污染物不可能被捕获在包括连续的较粗介质的任何后续层中。

在一些实施方案中，过滤容器包括定位在容器内的空气分配器，该空气分配器被配置为引导一定量的空气通过介质床的多个介质层。空气分配器通常包括至少一个入口，该入口可连接到空气源，诸如压缩空气储罐或类似的空气源，并且在清洁周期诸如反冲洗期间，在整个多个介质层中提供基本上均匀的空气流。使多个介质层的颗粒流体化所需的泵送通过空气分配器的空气的速度取决于介质床的多个介质层中每种类型的颗粒的物理性质。用于过滤容器的合适的空气分配器是本领域中已知的。

过滤容器通常可连接到水源，并且在使用中流体地连接到水源。在一些实施方案中，待处理的水源可以包括用于人类或兽医应用的水，诸如饮用水或灌溉。通常，过滤容器可以定位在待处理的水源的附近。在一些实施方案中，介质过滤容器可以远离待处理的水源。

过滤容器的大小可以适合于处理70加仑/分钟(GPM)和2500加仑/分钟(GPM)之间的水。例如，介质过滤容器的大小可以设计成处理约70GPM、约100GPM、约250GPM、约500GPM、约1000GPM、约1500GPM、约2000GPM或约2500GPM。过滤器可以包括以串联或并联方式布置的多于一个容器。一般来说，过滤器容器的大小、数量和布置可随待处理的水源的规模而变化。

微介质颗粒，诸如基本上均匀的和球形的玻璃微介质，例如玻璃珠，可以用作多层介质床的最上层，以有利地实现更细的过滤层，使得可能捕集其大小随之更小的微粒。在本发明的上下文中，微介质通常是指直径小于0.40mm，和低至约0.20mm，并且优选地低至约0.10mm的过滤介质，由包括但不限于硅砂、玻璃、聚合物、石英、砾石、金属或陶瓷的材料制成。使用微介质，可以因此捕集以前无法过滤的污染物类别，诸如活生物体，在一些情况下使以前无法饮用的水可以饮用。术语“玻璃微介质”可以被理解为涵盖任何过滤玻璃或粒状介质，其具有优于本领域中已知和使用的最细颗粒介质的大小和过滤性质。特别地，申请人已发现，基本上均匀的和球形的玻璃微介质，例如玻璃珠，是用于本发明的过滤器和系统的示例性玻璃微介质。基本上均匀的和球形的玻璃珠传统上用于材料去除应用，诸如喷砂，并且容易从许多供应商获得，诸如Manus Abrasive Systems公司(加拿大安大略省密西沙加市(Mississauga，ON，Canada))。

当在微介质处使用基本上均匀的和球形的玻璃珠用于过滤器的最上层时，玻璃珠的直径可以从约0.1mm至0.4mm，诸如直径从约0.1mm至0.2mm，约0.15mm至0.25mm，约0.2mm至0.3mm，约0.25mm至0.35mm，或约0.3mm至0.4mm。可替代地或另外，基本上均匀的和球形的玻璃珠的直径可以根据已公布的标准(诸如MIL-SPEC喷珠性能标准(MIL-PRP-9954D))按整数大小分类。例如，#6基本上均匀的和球形的玻璃珠的直径约为0.25mm，而#8基本上均匀的和球形的玻璃珠的直径约为0.15mm。

在本发明的过滤器中，基本上均匀的和球形的玻璃珠的大小与用于横流亚微米过滤的通常微介质(即硅微砂)基本上相同或更小，并且可以在不重新配置过滤容器或其他部件的情况下交换所述硅微砂。当使用较小的基本上均匀的和球形的玻璃珠作为介质床中的最上层时，各个玻璃珠之间较小的空间允许更好地过滤较小的微粒，使得从过滤器排出的处理水更清洁。

基本上均匀的和球形的玻璃微介质的均匀度系数可以小于1.25。如本文中所使用的，“均匀度系数”是指60％的介质颗粒(按重量计)将从其中通过的筛孔尺寸开口除以10％的介质颗粒(按重量计)将从其中通过的筛孔尺寸开口的比率。在一些实施方案中，基本上均匀的和球形的玻璃珠的均匀度系数可以小于1.25、小于1.0、小于0.75、小于0.5或小于0.25。

基本上均匀的和球形的玻璃微介质，例如玻璃珠，由于其物理性质，对于用作多层介质床中的层(诸如最上层)是有利的。申请人已发现，与具有硅微砂作为多层介质床中的最上层的传统过滤器相比，使用基本上均匀的和球形的玻璃微介质作为多层介质床的最上层提供了改善的过滤性能，诸如更清洁的处理水和用于清洁介质的改善的反冲洗。

第一，可用于本发明的基本上均匀的和球形的玻璃珠具有与目前可用的过滤器中使用的硅微砂几乎相同的密度以用于反冲洗目的。与密度为2.7g/mL的硅微砂相比，可用于本发明的过滤容器的基本上均匀的和球形的玻璃珠的密度约为2.5g/mL。两种微介质的相当的密度引起了介质的可互换性，而无需重新配置过滤容器或其他部件。例如，由于基本上均匀的和球形的玻璃珠和硅微砂之间的密度类似，因此两种介质在反冲洗期间所产生的介质膨胀是类似的，从而突出了过滤容器的介质床中介质的可互换性。

第二，在反冲洗期间，在通常的反冲洗水速下，基本上均匀的和球形的玻璃珠的介质床膨胀较大。在反冲洗期间，介质床内的介质将被反冲洗流体(诸如空气或水)从它们的静止床位置移开。流体通过介质颗粒上方的这种机械作用去除被捕获的污染物，其中反冲洗的效率和效果取决于基本上均匀的和球形的玻璃珠的球度、圆度和表面光洁度以及用于反冲洗过滤器的水的与温度相关的粘度。对于本发明的介质床中的基本上均匀的和球形的玻璃珠，一英寸的介质床膨胀通常不足以在反冲洗期间使被捕获在基本上均匀的和球形的玻璃珠内的污染物脱离。改善的反冲洗可以通过基本上均匀的和球形的玻璃珠的膨胀来实现，即约2英寸至6英寸的介质膨胀，诸如3英寸，诸如4英寸，诸如5英寸或诸如6英寸。如果基本上均匀的和球形的玻璃珠的膨胀太高，诸如大于约6英寸，则当脏污的反冲洗水从过滤容器中冲出时，基本上均匀的和球形的玻璃珠中的一部分将损失。此外，基本上均匀的和球形的玻璃珠在反冲洗过程期间与过滤容器壁的壁效应(诸如壁摩擦)减小。相对于形状不规则的硅微砂颗粒，基本上均匀的和球形的玻璃珠的球度和外表面减小了反冲洗期间介质床流体化时珠与容器壁之间的摩擦，从而提高了介质床膨胀期间的反冲洗效率。

第三，基本上均匀的和球形的玻璃珠的硬度减少了清洁过程期间由损耗而造成的损失。例如，目前在过滤系统中使用的玻璃介质通常是回收的或粉碎的玻璃，其是易碎的。在反冲洗清洁过程期间，粉碎的玻璃介质可能破裂，减小其大小，并提高了在反冲洗液体从系统中冲出时较小碎片损失的可能性。玻璃珠，诸如可用于本发明的那些玻璃珠，具有与硅微砂基本上相当的硬度，并因此当基本上均匀的和球形的玻璃珠在反冲洗期间彼此接触时，它们不太可能断裂。

最后，可用于本发明的基本上均匀的和球形的玻璃珠具有光滑和有光泽的外表面光洁度。这种表面光洁度减少水中的污染物吸附到玻璃珠表面，因此减少介质结垢并延长过滤介质的使用寿命。例如，在用硅微砂过滤时，污染物诸如铁氧化物、脂肪和油脂往往会残留在微砂颗粒的表面上，最终使微砂结垢。相比之下，在过滤器的介质床被反冲洗时发生的介质膨胀期间，基本上均匀的和球形的玻璃珠的外表面光洁度比传统的硅微砂更能够脱去在单独玻璃珠之间捕获的污染物。这引起了更有效和更彻底的反冲洗、减少过滤器停机时间和较低的介质更换频率。

根据另一个方面，提供了一种用于处理水的系统。该系统包括：待处理的水源；过滤容器，其具有流体连接到待处理的水源的至少一个入口、至少一个出口和定位在过滤容器内的介质床；以及流体连接到过滤容器出口的处理水出口。在一些实施方案中，介质床包括多个介质层，介质床的最上层包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质，其中多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加。

该系统的过滤器适用于从待处理的水源中去除有机或无机污染物。待处理的水源中的有机污染物包括但不限于脂肪、油、油脂和生物物种，诸如藻类。待处理的水源中的无机污染物包括但不限于淤泥、粘土、砂和微粒重金属，诸如铁。在本发明的系统中，可以使用本发明的过滤器去除的其他有机和无机污染物是本领域中已知的。

在一些实施方案中，系统包括空气反冲洗系统，以便于使用空气反冲洗来清洁介质。空气反冲洗系统通常包括定位在容器内的空气分配器，其包括可连接到空气源(诸如压缩空气储罐或类似物)的至少一个入口。使多个介质层的颗粒流体化所需的泵送通过空气分配器的空气的速度取决于介质床的多个介质层中每种类型的颗粒的物理性质。用于过滤容器的合适的空气分配器是本领域中已知的。

过滤器的介质层将需要定期地清洁。由于污染物诸如污物和碎屑在过滤器的介质层内累积，滤容器的入口和出口之间的压力差通常增加。因此，一旦差压达到预定的阈值水平，如过滤容器的性能下降所指示的，通常对过滤器进行清洁。在一些实施方案中，系统可以包括压力传感器，其被配置为测量跨越过滤容器的水的差压。例如，压力传感器可以被配置为测量介质过滤容器的液体入口和液体出口之间的差压。因此，压力传感器可以是差压传感器。压力传感器可以是电子式的。压力传感器可以是数字式的或模拟式的。在一些实施方案中，一旦差压达到5psi，就可以清洁介质过滤容器。例如，一旦差压为至少7psi、10psi、12psi或15psi，就可以清洁介质过滤容器。在一些情况下，过滤器的性能可以通过测量排出水的性质来监测，诸如通过使用过滤或光学技术测量从处理水出口排出的处理水的浊度。

如上所述，本发明的系统中过滤器的清洁通常使用反冲洗执行。反冲洗通常涉及使水或其他介质(诸如空气)逆向流动通过过滤床的介质层，并将污水从过滤容器的出口(诸如反冲洗出口)排出。反冲洗过程可以连续地或间歇地(例如，循环地)执行，直到排出的水基本上是清洁的，压差已达到预定的水平，或基于过滤器的大小和过滤周期期间水的流速持续预定的时间段。反冲洗可以每天执行一次，每天执行多次，或根据需要执行。反冲洗可以根据需要执行一段时间，以排出容器中的污染物或将压差降低到工作范围。

在一些实施方案中，空气用于对过滤器的介质床的多个介质层进行反冲洗。空气反冲洗可以比液体反冲洗更有效地进行清洁。在这种情况下，可以降低介质床上方的液面，并且可以在介质下方引入空气以迫使液体和空气通过介质床，因此使介质混合并推进到介质床上方的液体中。然后，空气从过滤储库的顶部逸出，而介质床上方的液体则充满了污染物和介质的混合物。然后，悬浮的介质被重新分层以返回正常的介质床。这可以通过控制液体向上流经悬浮介质以引起按粒径归类的介质沉积来实现。介质床上方液体中的污染物可以被冲走。在US 2018/0099237中描述了用于包含具有微介质作为最上层的多层介质床的过滤器的基于液体和空气的反冲洗，该专利申请的公开内容通过引用全部并入本文以用于所有目的。

在本发明中，在基本上均匀的和球形的玻璃微介质包括过滤容器的介质床的最上层的情况下，控制反冲洗期间使用的流速是重要的，以减小介质床的层的去分层(de-stratification)和减少反冲洗水排出时基本上均匀的和球形的玻璃微介质的损失。常规过滤床介质分层中使用的液体流速对于基本上均匀的和球形的玻璃微介质来说太高了。申请人已发现在空气反冲洗期间，只要介质的密度随粒径增加，以便帮助分层，并且控制空气流以免产生混合，介质的层可以保持分层。在这种空气反冲洗期间，介质的下层不受扰乱，并且微介质可以保持在在下层上方的液体悬浮物中。可以组合低液面的液体反冲洗流，只要液体流不会导致基本上均匀的和球形的玻璃微介质被冲出过滤容器即可。较高的密度也有助于在分层期间保持基本上均匀的和球形的玻璃微介质与较大粒径的介质分离，并因此防止基本上均匀的和球形的玻璃微介质被捕获到其余介质中。当停止空气和液体反冲洗时，基本上均匀的和球形的玻璃微介质处于剩余的分层介质的顶部上。

用于反冲洗介质层的一定量的空气产生在介质床的多个层内移动的气泡；这些气泡引起基本上均匀的和球形的玻璃微介质与水层混合(该水层的液面在介质床顶部上方达到相对显著的高度)。基本上均匀的和球形的玻璃微介质与介质床中的其他介质保持分离。当气泡向上推入过滤容器内的水层中时，水的逆流向下流动，而不会像传统的空气反冲洗所见的那样产生强大的贯流。因此，这种动作起到了整体流动交换的作用，其中污染物从介质床逐渐向上流动，并因此被收集到液面和介质床顶部之间的水层中。起泡作用使粘附到基本上均匀的和球形的玻璃微介质颗粒或捕集在其间的污染物被提升到水层中。由于这种流动交换，因此当停止空气时，收集在水层中的污染物不会被捕获回到介质床的基本上均匀的和球形的玻璃微介质层中。相反，一旦确定介质床的内容物是清洁的，就会对混合在水层内的脏污内容物进行缓慢冲洗。虽然这种流速在实践中并不是不可察觉的，但重要的是要确保这种冲洗发生的流速足够轻柔，以免干扰介质床的最上的基本上均匀的和球形的玻璃微介质层，以及以免在这样做时干扰过滤器所需的整体分层。可替代地，在重新分层之后在水层中收集的污染物仅可以从介质的顶部进行，即通过经由入口注入清洁的水，并经由出口将污染的水冲出。

应理解，对介质床的最上层使用密度较低的微介质，对连续层使用密度增加的微介质，防止当空气反冲洗操作结束时所述层的去分层。气泡和它们所产生的流动不会干扰介质床的层或以其他方式使其去分层。因此，空气反冲洗清洁过程在最粗的下支撑介质层中引起的移动很小，但可以扰乱基本上均匀的和球形的玻璃微介质以及支撑该基本上均匀的和球形的玻璃微介质的较粗介质并引起基本上均匀的和球形的玻璃微介质以及支撑该基本上均匀的和球形的玻璃微介质的较粗介质的均一化。为了避免对基本上均匀的和球形的玻璃微介质的任何显著扰乱，在空气反冲洗之后，基本上均匀的和球形的玻璃微介质与下一个较粗介质分离并沉淀在其顶部上。这主要是通过为较粗的支撑介质选择比基本上均匀的和球形的玻璃微介质更高的密度来实现的。在空气反冲洗结束时加入低液面的液体逆流也有助于在沉淀过程期间将微介质与较粗的支撑介质分离。这种逆流不需要冒使基本上均匀的和球形的玻璃微介质通过过滤容器的顶部有任何损失的风险。反冲洗中的空气流可以减少，使得较粗的介质可以沉淀，同时使基本上均匀的和球形的玻璃微介质悬浮在上方。然后，当空气流停止时，基本上均匀的和球形的玻璃微介质和下一个最粗的介质之间不会发生混合。因此，避免了重新分层，而不会损失基本上均匀的和球形的玻璃微介质。

用于反冲洗介质床的介质层的一定量的空气可由定位在容器内(通常在介质层下方)的空气反冲洗系统的空气分配器输送到介质床。反冲洗介质床所需的一定量的空气可以在过滤周期期间的预定时间段输送。可替代地或另外，反冲洗介质床所需的一定量的空气可以基于过滤容器性能度量的一个或多个监测值来输送，诸如由压力传感器测量的跨越过滤容器的水的压差变化，或排出水的性质的测量，诸如由过滤或光学技术测量的浊度。

在一些实施方案中，该系统还可以包括可操作地连接到压力传感器的控制器。控制器可以是计算机或移动装置。控制器可以包括触摸板或其他操作界面。例如，控制器可以通过键盘和/或鼠标来操作。控制器可以被配置为在本领域普通技术人员已知的操作系统上运行软件。控制器可以电连接到电源。控制器可以数字连接到压力传感器。控制器可以通过无线连接来连接到压力传感器。控制器还可以可操作地连接到系统内的任何泵或阀，例如，以使控制器能够根据需要启动或终止清洁过程。

控制器可以被配置为响应于由压力传感器测量的差压来启动过滤容器的清洁过程。在一些实施方案中，控制器可以被配置为在阈值差压下启动清洁过程。阈值差压可以与介质过滤容器的劣化操作相关联。例如，阈值差压可以是5psi、7psi、10psi、12psi或15psi。控制器还可以被配置为在完成清洁过程时启动过滤容器的清洁操作。控制器可以被配置为在第二阈值差压下启动操作。第二阈值差压可以与介质过滤容器的清洁操作相关联。例如，第二阈值差压可以是12psi、10psi、7psi、5psi、3psi、1psi或小于1psi。可替代地或另外，控制器可以被配置为响应于来自处理水出口的排放水的浊度的增加而启动过滤容器的清洁过程，如通过过滤技术(诸如淤泥密度指数(SDI)测试)或光学技术测量的该浊度。可用于测量过滤器性能和启动使用反冲洗的清洁的其他度量是本领域中已知的。

根据另一个方面，提供了一种流体地改造包括如本文中所述的过滤容器的介质过滤器的方法。该方法可包括从介质床中去除最上介质层，并将包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质的介质安装到介质床中作为最上介质层。玻璃珠微介质可以是如本文中所述的玻璃珠，例如，玻璃珠具有约0.1mm至0.4mm的直径，约2.5g/mL的密度，以及光滑和有光泽的外表面。

根据另一个方面，提供了一种用过滤容器促进水处理的方法。该方法可以包括提供过滤容器，其包括至少一个入口、至少一个出口、空气分配器和如本文中所述的介质床。该方法还可以包括指示用户将过滤容器的入口连接到待处理的水源。

在一些实施方案中，促进水处理的方法还可以包括指示用户将空气源，诸如压缩空气储罐连接到空气分配器的入口。促进水处理的方法还可以包括指示用户在预定的时间段内引导一定量的空气通过空气分配器和多个介质层。

实施例

从下面的实施例中可以更好地理解这些和其他实施方案的功能和优点。这些实施例意图是说明性的，而不被认为限制本发明的范围。

实施例1：减少除铁应用中的介质结垢

下面的实施例用于研究除铁过程中的介质结垢。观察到在除铁应用时包括硅砂(D10≈0.15mm-D50≈0.23mm)的微介质迅速结垢。作为该问题的可能解决方案，通过将硅砂换成玻璃珠，在过滤器中使用了通常用于喷砂的玻璃珠(#8，D50≈0.18mm)。

玻璃珠的表面特性有利于在过滤器，诸如

横流微砂过滤器(宾夕法尼亚州匹兹堡的懿华水处理技术公司(Evoqua Water Technologies LLC，Pittsburgh，PA))的反冲洗周期期间改善介质的清洁。特别地，与标准

过滤单元中使用的硅砂微介质相比，玻璃珠的光滑和有光泽的外表面允许更好地去除过滤的铁。由于玻璃珠的光滑和有光泽的表面与硅砂微介质相比减少了结垢，因此玻璃珠的光滑和有光泽的外表面延长了玻璃珠的使用寿命并保持了过滤性能。如图5A至图5B所示，在包括如本文中所述的反冲洗周期的相同操作条件下，微砂介质(图5A)由于在反冲洗周期期间未被有效去除的铁开始结垢。相反，玻璃珠微介质(在图5B中示出为单个玻璃珠的放大图像)示出玻璃珠外表面上的铁含量减少，表明在反冲洗期间更彻底去除了整个最上介质层中的铁。

实施例2：反渗透(RO)前降低水的浊度

下面的实施例用于研究使用玻璃珠(#8，≈0.15mm)作为过滤系统中的顶部层来降低水中的浊度。该实施例的目标是降低通过SDI测试来测量的水的浊度，以最小化RO膜结垢，这需要对RO进行化学清洁并减少过滤周期范围。这样做的好处是增加了RO膜的使用寿命，因为它们需要的化学清洁频率较低。

玻璃珠的表面特性有助于在过滤器，诸如

横流微砂过滤器(宾夕法尼亚州匹兹堡的懿华水处理技术公司(Evoqua Water Technologies LLC，Pittsburgh，PA))的反冲洗周期期间改善介质的清洁。特别地，与标准

过滤单元中使用的硅砂微介质相比，玻璃珠的光滑和有光泽的外表面允许降低浊度。由于玻璃珠的光滑和有光泽的表面与硅砂微介质相比减少了结垢，因此玻璃珠的光滑和有光泽的外表面延长了玻璃珠的使用寿命并保持了过滤性能。此外，玻璃珠比硅砂微介质更小(0.15mm)，并且可以从水中去除更多的剩余颗粒，并且特别地可以去除在水中产生浊度的最小颗粒。

表1和表2呈现了源自经处理的市政水源的工艺水的降低的浊度(以比浊法浊度单位(NTU)测量)(表1)和淤泥密度指数(SDI)(表2)的比较数据。SDI是根据ASTM D4189-07协议，使用自动简易SDI测试设备计算的。在表1和表2中，出口A和B是指来自最上介质层为0.18mm玻璃珠微介质的过滤器的过滤容器出口，并且出口C和D是指来自最上介质层为0.25mm硅微砂介质的过滤器的过滤容器出口。表1和表2中呈现的数据是用单个入口歧管收集的，该入口歧管经由分配歧管向四个单独过滤容器的入口进料，每个容器的直径为36”，过滤能力为215-280gpm。为入口示出的数据在分配歧管上游的采样点收集。四个过滤容器中的每个都具有出口，其中处理水可以被抽取以用于测试；单独出口还向具有单个出口的下游出口歧管进料。

表1.对源自用微砂和玻璃珠微介质处理的市政水源的工艺水的浊度测量

表1中的数据是在2018年9月17日，在将容器A和B中的硅微砂最上介质层更换为玻璃珠微介质之前从4个过滤容器A-D的共同输出收集到的。使用原来的硅微砂介质层，容器A-D的总过滤系统在出口歧管处测量到进水的浊度降低了69％。在2018年9月19日，将容器B中最上层介质层换成玻璃珠微介质。通过具有玻璃珠微介质的容器B进行过滤，与含有硅微砂的容器C+D的浊度相比，浊度降低了71％，而容器C+D并没有降低进水的浊度。对于2018年9月19日的实验，进水的浊度是低的，并且这是由于悬浮微粒非常小。玻璃珠微介质之间形成的更有效的填充和更小的间隙空间允许更有效地捕集更小的微粒并随之降低浊度，而硅微砂不能捕集最小的微粒。

表2.对源自用微砂和玻璃珠微介质处理的市政水的工艺水的SDI测量

指定0.18mm的玻璃珠微介质；

(YYY)——X为以分钟为单位的时间；Y为以mL为单位的过滤容量；

指定超出范围的测量值。

ASTM D4189-07数据收集方法允许以5分钟的间隔收集SDI数据，诸如以5分钟、10分钟和15分钟的间隔，使用标准500mL水容量。ASTM D4189-07数据收集方法对压力敏感，并且如果由于过滤器堵塞导致压力超过一定阈值，则允许使用较小容量的水，诸如100mL的容量。

从表2的数据看出，玻璃珠微介质的整体过滤性能随着过滤水的时间量的增加而增加。例如，对于容器A中的玻璃珠微介质，在过滤30分钟后，SDI比进水降低7％，在过滤1小时后降低50％，并且在过滤2小时后降低73％。相反，微砂介质过滤器(容器C和D)的性能在整个过滤时间是稳定的，在过滤的前30-60分钟内变化最大，并且随着过滤进行，性能没有明显提高。与硅微砂介质相比，玻璃珠微介质表现出改善的SDI去除性能。

本文中使用的短语和术语是为了描述的目的，并且不应视为限制性的。如本文中所使用的，术语“多个”是指两个或多个项或部件。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“承载”、“具有”、“包含”和“涉及”，无论在书面描述还是在权利要求等中，都是开放性术语，其意思是“包括但不限于"。因此，使用此类术语的意思是涵盖此后列出的项及其等同形式，以及附加项。只有过渡性短语“由...组成”和“基本上由...组成”分别是与权利要求有关的封闭或半封闭的过渡性短语。在权利要求中使用序号术语诸如“第一””、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素，其本身并不意味着一个权利要求要素对另一个权利要求要素的任何优先权、领先或顺序，也不意味着其中执行方法的行为的时间顺序，而仅仅是用作标签来区分具有一定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但使用序号术语)的另一个要素，以区分权利要求要素。

因此描述了至少一个实施方案的若干个方面，应理解，对于本领域的技术人员来说，各种更改、修改和改善将容易发生。在任何实施方案中描述的任何特征可以被包括在任何其他实施方案的任何特征中或被任何其他实施方案的任何特征替代。此类更改、修改和改善意图成为本公开的一部分，并意图在本发明的范围内。因此，前述描述和图示仅是以实施例的方式进行的。

本领域的技术人员应该理解，本文中描述的参数和配置是示例性的，并且实际参数和/或配置将取决于其中使用所公开的方法和材料的具体应用。本领域的技术人员还应该认识到或能够使用不超过常规实验来确定所公开的具体实施方案的等同形式。

Claims (20)

1.一种过滤器，包括：

容器，其具有至少一个入口和至少一个出口；

介质床，其包括多个介质层，所述介质床的最上介质层包括基本上均匀的和球形的玻璃微介质，所述多个介质层的密度从所述最上介质层到最下介质层增加；以及

空气分配器，其被配置为引导一定量的空气通过所述多个介质层。

2.根据权利要求1所述的过滤器，其中，所述玻璃微介质包括玻璃珠。

3.根据权利要求2所述的过滤器，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.4mm。

4.根据权利要求3所述的过滤器，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.2mm。

5.根据权利要求2所述的过滤器，其中，所述玻璃珠包括光滑的外表面。

6.根据权利要求2-5所述的过滤器，其中，所述玻璃珠的密度为约2.5g/mL。

7.一种对介质过滤器进行改造的方法，所述介质过滤器包括能够流体地连接到水源的过滤容器，所述过滤容器包括介质床，所述介质床包括多个介质层，所述多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加，所述方法包括：

将所述最上介质层从所述介质床中去除；以及

将包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质的介质安装到所述介质床中作为所述最上介质层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.4mm。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.2mm。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述玻璃珠的密度为约2.5g/mL。

11.一种促进水处理的方法，所述方法包括：

提供包括至少一个入口、至少一个出口、空气分配器和介质床的过滤容器，所述介质床包括多个介质层，所述多个介质层的密度从最上介质层到最下介质层增加，其中所述最上介质层包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质；以及指示用户将所述过滤容器的入口连接到待处理的水源。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括指示所述用户将空气源连接到所述空气分配器。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括指示所述用户将一定量的空气引导通过所述空气分配器和所述多个介质层持续预定的时间段。

14.一种用于处理水的系统，其包括：

待处理的水源；

过滤容器，其具有流体连接到所述待处理的水源的至少一个入口、至少一个出口和定位在所述过滤容器内的介质床，所述介质床包括多个介质层，所述介质床的最上层包括基本上均匀的和球形的玻璃珠微介质，所述多个介质层的密度从所述最上介质层到最下介质层增加；以及

流体连接到过滤容器出口的处理水出口。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.4mm。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述玻璃珠的直径为约0.1mm至0.2mm。

17.根据权利要求14-16所述的系统，其中，所述玻璃珠的密度为约2.5g/mL。

18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述待处理的水源包括无机或有机污染物。

19.根据权利要求14所述的系统，还包括空气反冲洗系统，所述空气反冲洗系统包括定位在所述过滤容器内的空气分配器，所述空气分配器具有能够连接到空气源的入口。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，在过滤周期期间和/或当所述过滤容器的性能降低时，在预定的时间段从所述空气分配器输送一定量的空气。

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