CN117482596A - 具有改进的反洗的多层介质床过滤器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有改进的反洗的多层介质床过滤器。使用空气对多层介质床过滤器进行反洗而不显著地破坏介质层的分层，该多层介质床过滤器具有从位于顶部的最细介质到位于底部的最粗介质的增加的介质密度。当空气停止时，最细介质上方的液体中的通过空气流去除的污染物利用在介质上方注入的液体冲走，或者由通过介质的不去除最细介质的液体流冲走。利用维持分层的空气反洗保持在最细介质中的污染物的量显著小于单独使用液体反洗时的量，无论该液体反洗使用足以使微介质悬浮的流速还是比悬浮流速低的流速。

Description

具有改进的反洗的多层介质床过滤器

本申请是申请日为2016年06月01日，申请号为201680032356.0，发明名称为“具有改进的反洗的多层介质床过滤器”的申请的分案申请。

申请号为201680032356.0，发明名称为“具有改进的反洗的多层介质床过滤器”的申请要求于2015年6月2日提交的美国临时专利申请62/169,807的优先权。

技术领域

本申请涉及多层介质床过滤器反洗(backwash)方法和设备的领域，并且特别地涉及微介质多层介质床过滤器。

背景

多层介质床过滤器在本领域中是公知的。在申请人的于2014年1月23日公开的国际PCT专利申请公开WO2014/012167中，描述了各种用于过滤细颗粒(fine particle)的介质床过滤器，其包括这样的构造，该构造适于通过在介质的表面处提供合适的流动属性，使用微沙的顶层来改善过滤性能。这种流动属性的优点是介质收集细颗粒而不堵塞的能力的增加。

这种改进的性能导致在常规反洗期间去除被捕集的微粒和其他污染物的需求提高。在经历降低的性能之前在微沙已将污染物捕集在微沙层内较深处的情况下，在微沙介质内通过反洗去除污染物是更具挑战性的。

在去除由过滤器收集的污染物并且因此允许过滤器继续以良好效率过滤原始流体的常规反洗中，沿过滤器的反方向提供液体流。液体反洗典型地使介质床流化并将过滤介质粒子(filter media granule)和污染物送入过滤器腔室内的悬浮液中，其中介质和液体的分离在排出之前发生。如果可能的话，然后减少反洗流以允许过滤介质沉降并正确地分层。

在微沙的情况下，由于介质的小颗粒在相对低的液体流速下保持悬浮，因此从微沙中分离污染物是一种挑战。在这些情况下，流动在从介质中去除污染物方面可能不那么有效。

也已知使用空气进行介质去污。空气反洗在清洁方面可以比液体反洗更有效。在这种情况下，介质上方的液位可以被降低，并且空气可以被引入到介质下方以迫使液体和空气通过介质床，从而致使介质被混合并被推进到介质床上方的液体中。空气然后从过滤器储存器(filter reservoir)的顶部逸出，而介质床上方的液体填充有污染物和介质的混合物。处于悬浮的介质于是被重新分层以返回到正常的介质床。这可以通过受控液体流向上通过悬浮介质以致使介质的按照粒度分类的沉积来实现。介质床上方的液体中的污染物可以被冲走。

在微沙过滤器床介质的情况下，空气反洗是一个问题。虽然空气可以被有效地用于洗涤介质，但是鉴于使微沙悬浮所涉及的低得多的流速，针对较大的介质使用受控流速所实现的重新分层是一个问题。

概述

如本文使用的“微介质”被定义为是指有效直径小于0.40mm，且低至约0.20mm并且优选低至约0.10mm的细过滤介质，并且材料可以是硅砂、玻璃、塑料、石英、砾石、金属、陶瓷等。对于有效直径，可以理解，对于给定的介质可以存在一系列直径，并且有效直径可以是平均直径。例如，在微沙的情况下，0.22mm的平均直径可能具有从0.12mm变化到0.35mm的颗粒。在玻璃或聚合物介质的情况下，粒度可以具有更窄的范围。这种介质在捕集0.5微米至20微米的范围内的细污染物方面是有效的。

申请人已经发现，一种多层介质床过滤器可以使用空气被有效地反洗而不显著地破坏介质层的分层，该多层介质床过滤器具有微介质表面并且具有从位于顶部的最细介质到位于底部的最粗介质的增加的介质密度。使用空气用于这种反洗将污染物从微介质移除到微介质上方和周围的液面中。当空气停止时，微介质上方的液体中的通过空气流去除的污染物利用在介质上方注入的液体冲走，或者由通过介质的不去除微介质的液体流冲走。利用维持分层的空气反洗从微介质释放的污染物的量显著大于单独使用液体反洗时的量，无论该液体反洗使用足以使微介质悬浮的流速还是比悬浮流速低的流速。

申请人还已经发现，一种介质床过滤器可以在反洗清洁循环期间被使用以从介质床的表面以良好效率去除污染物，该介质床过滤器具有通过喷嘴的原始液体流，该喷嘴产生沿着介质床的顶表面的流，而没有介质的不利位移。典型的过滤器将无法使用原始流体入口喷嘴从微介质的介质床表面驱除污染物，而没有将微介质送入流中并使微介质失去反洗的风险。原始入口喷嘴的这种使用在反洗循环开始时是有用的。另外地或可替换地，在将污染物带入介质床上方的液位的空气流反洗之后，原始入口喷嘴的这种使用是有用的。

在下文的一个或更多个实施方案中可实现本公开的各方面。

1.一种介质床过滤器，包括：

储存器，所述储存器具有原始液体入口和过滤的液体出口；

具有多种密度的粒状材料的不同尺寸的分层过滤介质，其包括微介质的上层和密度随粒度增加的下层粒状材料，以便促进所述微介质的空气反洗而不使所述分层过滤介质去层化，并且不需要对所述分层过滤介质重新分类；

反洗空气分配器，其用于将空气向上注入通过所述分层过滤介质；

反洗排放部和空气阀。

2.根据实施方案1所述的过滤器，其中所述微介质包含沙粒子。

3.根据实施方案1所述的过滤器，其中所述微介质包含玻璃粒子。

4.根据实施方案1所述的过滤器，其中所述微介质包含聚合物粒子。

5.根据实施方案1至4中任一个所述的过滤器，还包括反洗空气流控制器，所述反洗空气流控制器是可调节的以设定有效洗涤所述微介质而不使所述分层过滤介质去层化的空气反洗流速。

6.根据实施方案5所述的过滤器，其中所述微介质的密度比所述下层粒状材料的密度小至少1g/mL。

7.根据实施方案6所述的过滤器，其中所述分层过滤介质包括直径在2.5mm至6mm的范围内的粒状材料的底层、直径在0.5mm至2mm的范围内的粒状材料的中间层、以及有效直径为0.1mm至0.4mm，优选0.1mm至0.2mm的微介质的顶层。

8.根据实施方案7所述的过滤器，其中所述中间层的密度为约4g/mL，并且所述顶层的密度小于3g/mL，优选地沙材料的所述顶层的密度为约2.7g/mL或者玻璃材料的所述顶层的密度为约2.5g/mL或者塑料材料的所述顶层的密度为约1.6g/mL。

9.根据实施方案6、7或8所述的过滤器，其中所述底层包括石榴石粒子。

10.根据实施方案1至9中任一个所述的过滤器，其中所述反洗空气分配器包括导管，所述导管围绕所述过滤的液体出口的筛网。

11.根据实施方案1至10中任一个所述的过滤器，还包括受控反洗空气供应部。

12.根据实施方案11所述的过滤器，还包括控制器，所述控制器用于自动地控制阀以对所述微介质进行空气反洗循环，所述空气反洗循环致使所述微介质与所述微介质的分散体混入所述微介质上方的一定体积的洗涤水中被限制在下部内，使得在空气反洗期间所述洗涤水的上部不包含微介质。

13.根据实施方案1至12中任一个所述的过滤器，其中所述原始液体入口包括原始液体分配喷嘴，所述原始液体分配喷嘴适于在所述分层过滤介质的大部分表面上引导原始液体入口流，还包括反洗液体入口，其中所述反洗液体入口是可控制地连接至所述原始液体分配喷嘴的，以冲刷所述分层过滤介质的表面上的积聚物，而不会使所述微介质分散，以通过所述反洗排放部去除所述积聚物。

14.一种介质床过滤器，包括：

储存器，所述储存器具有原始液体入口和过滤的液体出口；

过滤介质，所述过滤介质包括微介质；

原始液体分配喷嘴，所述原始液体分配喷嘴适于在所述过滤介质的大部分表面上引导原始液体入口流；

反洗排放部；

反洗液体入口；

其中

所述反洗液体入口是可控制地连接至所述原始液体分配喷嘴的，以冲刷所述过滤介质的表面上的积聚物，而不会使所述微介质分散，以通过所述反洗排放部去除所述积聚物。

附图简述

通过参照所附的附图对本发明实施方式的以下详细描述将更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了过滤罐内的介质床过滤器的典型现有技术部署。

图2示出了过滤罐内的介质床过滤器的典型现有技术部署，其示出了捕获的微粒和在介质床顶部结块的外皮(crust)。

图3示出了现有技术的部署，其图示了使用缓和水流的位于过滤罐内的沙过滤器介质床的液体反洗操作。

图4示出了现有技术的部署，其图示了使用空气流的沙过滤器介质床的反洗操作。

图5示出了过滤罐内的介质床过滤器的实施方式安装，其包括在该过滤器运行之后具有捕获颗粒的在介质床顶部的微介质介质层以及在介质床顶部的结块外皮。

图6示出了改进的反洗程序的实施方式，其中有限的空气流导致微介质云，该微介质云仅占据水层内并紧靠介质床上方的非常窄的区域，示出了来自微介质介质的污染物的伴随流。

图7示出了基于喷嘴和基于挡板的液体撇取器(nozzle-and baffle-basedliquid skimmer)的实施方式，该液体撇取器用于进行在介质床顶部聚积的结块外皮的撇取作用。

图8示出了介质床过滤器单元的实施方式的局部横截面，其图示了水平圆柱形罐，该水平圆柱形罐具有用于液体入口的四个喷嘴和挡板并且具有用于过滤的液体出口和反洗入口的底部圆柱形筛网，为了清楚起见未示出过滤介质。

详细描述

图1图示了部署在罐100内的多层介质床过滤器内的沙介质的典型配置。如本领域中已知的，介质床具有不同密度的介质。在这样的过滤器中，最细的介质110典型地占据最顶层，其中一个或更多个中间级112随着其下降通过竖直地布置在罐100内的各种层而增加粗糙度(coarseness)。因此，最粗的介质114典型地占据由筛网支撑的最底层。在一些情况下，介质114搁置在罐100的底部上，并且筛网与出口120相关。

将理解的是，将实施的各种层中的每一层的细介质、中间介质和粗介质的精确定义可以根据各种因素而变化，这些因素非限制地包括实践领域、行业、部署要求和政府法规。然而，为了上下文比较的目的，可以考虑诸如介质密度或介质直径的一种或更多种物理属性作为区分罐100内的介质的各种层的特性的选择。例如，密度为2.7g/mL的砾石或沙子可能被期望以实现最粗和最底部的层，密度在2.0g/mL至2.1g/mL之间的活性炭可以实现中间层，而密度范围在1.45g/mL与1.75g/mL之间的无烟煤可以实现最细和最顶部的层。本文中进一步列举了用于材料的额外可能性和特性。

介质的基本配置和操作原理

由于沙子的粒状结构性质，因此各种介质的单个层均既不是典型地布置在特定边界内也不是通过由特定边界精确定义而描绘的。具有不同晶粒大小(grain size)的介质在罐100内的分布因此是近似的并且典型地遵循从每层的顶部到底部的逐渐过渡。除了由于过滤和潜在的其他操作引起的转移效应之外，将理解的是，由于在每个以其他方式潜在可区分的层内的介质的粒度、密度和粗糙度的范围、变化和公差，因此在一些实现方式中实现介质层根据粒度的完美分层典型地甚至是更遥不可及的。因此，经常以中间锥形区域形式的非绝对边界可以将介质的各个分层分开。然而，尽管沙粒度的非理想配置，但即使不完美的分层也有助于确保沙介质不会无意地丧失，无论是在过滤操作过程中还是在任何其他时间。

在将各种尺寸的沙引入到罐100中之后，通过反转罐100内的流体的规则流来实现大致的分层。这样做致使较小的沙颗粒变得悬浮，其中依次更小的介质110漂浮到罐的顶部并且较粗的介质114朝向底部漂浮。结果，较细的微粒介质110在本文被进一步讨论，该较细的微粒介质朝向沙和水混合物的顶部沉降并且不妨碍细筛网116的操作。

较细的介质110用于捕获非常细微粒的沉积物，其中依次较粗的层112、114用于防止较细的沙110连同过滤的液体一起从罐100中冲走，或者可替换地防止较细的沙产生对于过滤的液体经过极细筛网116的过多阻力积聚。沙介质在机械吸附微粒方面的作用在本领域中是已知的并且本文中将仅进行简要描述；同样地，理解到筛网116在避免堵塞过滤的液体出口120正上游的区域中的作用以及当流体朝向所述筛网116滴流时逐渐且依次地增加介质110、112、114的孔隙率的概念。

将待过滤的原始液体经由原始液体入口118引入到罐100中。将理解的是，所述原始液体可以来自任何来源。其性质因此可以根据其中部署有过滤罐的环境以及特定的过滤目标而变化。因此，原始液体输入118不一定需要包括原始污水(raw sewage)，而是可以简单地由用于诸如清洁目的，例如来自工业过程的工业用水组成。可替换地，可以从HVAC系统引入含有灰尘和微量细菌的冷却水。

如图2所示，污染物的沉积物，特别是尺寸超过细介质110的粗糙度的那些污染物的沉积物因此被细介质110捕获在介质床的表面上或上方，其中所述污染物进一步行进通过介质床由此被阻止。可以在介质110的表面形成饼或外皮102。尺寸与细介质110层的颗粒度相似或者相当的其他污染物可以在外皮102的预先固结之前穿透或者具有层110的顶部并且作为微粒104被捕集或捕获在行进通过所述层的一定距离内。将理解的是，未被捕集在第一层内的污染物不可能被捕集在包含依次较粗的介质的任何后续层中。

具有与上述结构基本类似的结构的过滤器可以根据特定的进度表或在特定的时间段操作，直到其有效操作由于污染物的积累而受到阻碍，无论是作为在介质床上方形成的外皮102还是作为较细介质110层内捕获的微粒104的集合。在过量积累捕获的污染物之后，继续将原始液体118引入到过滤器中典型地导致受阻且低效的操作。称为反洗的过滤器维护程序典型地是在达到这种阻碍情况时采取的。当过滤器变得被污染物堵塞时，也可以使用将随着时间的推移增加的跨越过滤器的压降来检测这种情况。

常规沙过滤器中的常规液体流体反洗

如上所述，罐100内的流体的规则流动的逆转对于实现各种沙(或其他粒状材料)介质的分层(或重新分层)是有用的。在某些部署中，这可以通过反洗程序来完成。反洗可以涉及(参见图3)使清洁液体从筛网的出口侧(入口152)向上通过介质流动到反洗出口154。缓和流122可以容易地去除介质顶部上的沉积物，然而，去除细介质中的捕集的沉积物的能力受缓和流的限制。在有或者没有帮助去除污染物的添加剂的情况下，介质典型地需要“洗涤”，即机械作用。一种这样的动作是提供液体流以使介质处于部分悬浮。这避免了对机械搅拌器的需要。

在常规的反洗操作过程中可以使用不太缓和的流。

以更剧烈的方式124逆转流体流(来自在典型的过滤操作期间遵循的流体流)致使介质从它们在罐100内的通常位置和配置中暂时抬起。

逆流冲刷应当以足以在介质上施加动能的流速124来完成，使得介质不会在沙-水混合物内达到完全悬浮，并且当相对最细的介质110漂浮在依次较粗的介质112、114上方时悬浮形成。同样将理解的是，上述流速不能使最细的介质110作为经由反洗出口逸出的任何沙-水量的一部分被冲走和损失。

常规沙过滤器中的常规空气流体反洗

本领域中已知的相关反洗工艺涉及使用空气和液体逆流地冲刷(参见图4)。另外，一些沙过滤器部署可以实施基于液体的反洗程序和基于空气的反洗程序。然而，将理解的是，双反洗部署可能典型地不同时实施两种反洗变型。

在常规的过滤操作期间，罐100典型地填充有待过滤的液体，其中各种沙介质以上述方式大致且依次分层。在首次中断过滤器的操作之后进行空气反洗。罐100中液体的水平然后典型地通过经由过滤的液体出口120排出所述液体而被降低。为此目的，可以使用液位传感器(level sensor)来检测罐100中的水位何时已经降低到可接受的高度。前述的水平降低同样可以通过经由空气入口/出口160引入一定量的空气来进行，使得罐100内的空气腔162被形成并且相应体积的液体被挤出。空气可以从诸如泵或空气压缩机的任何合适的来源引入。一旦空气腔162已经形成并且罐100中的相对流体水平下降到足够的水平，则可以临时密封不必要地打开的入口和出口(包括但不限于过滤的液体出口120)并且可以开始沙介质自身的清洁。

为了清洁沙介质，将空气流126以与上面针对液体反洗描述类似的导致沙的湍流循环或混合的方式引入到罐中。同样地，寻求这样的湍流的目的是为了复制利用液体反洗看到的悬浮产生作用，但是没有将介质从罐100冲走的任何风险。这样做，反洗流体-在这种情况下典型地是空气-因此通过反洗流体入口152引入，从而在短时间内引起气泡170的扩散。将理解的是，因此实现的空气循环实施借此搅动介质的廉价和有效的机械手段。使用通过反洗流体入口152引入的空气来混合介质实现类似于由洗衣机内的搅拌器所实现的搅拌。此外，对于试图通过限制额外机械部件的成本和物理缺陷以及对可接近性的额外障碍来最大化畅通无阻地接近罐100的人来说，与例如经由机械臂或机动桨实施搅拌相反，随机化沙介质粒子直径和密度的基于空气的循环的有利使用是明显的。

未在图4中示出，细介质110和中等介质112由于空气反洗动作而基本上被均质化。在一些情况下，粗介质也可以被带入悬浮液中。均质化的介质可以通过使用如下所述的液体反洗工艺被分离或分层，从而恢复介质分层。

辅助清洁的洗涤剂/化学清洁剂

本领域中已知的一些实现方式实施反洗-无论是基于液体的变型还是基于空气的变型-其中有可能同时使用清洁剂和/或澄清剂以在所述反洗操作过程中不同地引发、加快或促进絮凝。

以类似于在洗衣服时使用肥皂的方式，除了反洗变型之外，操作者还可以选择他所选择的清洁剂。当肥皂从衣物纤维上去除油脂和污渍时，絮凝剂或表面活性剂可以在由上述基于液体或基于空气的搅动操作所产生的湍流过程中从沙介质去除絮状物或颗粒和污染物。

在空气反洗之后的液体反洗

将理解的是，在完成基于空气的反洗后，罐100内的均质化介质可以以混合状态沉降，其中如上所述的并且对于过滤器的操作是期望的介质层根据粗糙度的近似分层在很大程度上不存在。在基于空气的反洗之后，使用液体反洗(或一些使介质分层的其他干预)，以确保不同尺寸的沙介质的重新分层。如先前所讨论的，可以调整用于后者液体反洗的逆流速率，以确保基于推进的重新分层以及沙介质的围堵。一方面，因此必须适当地选择流速，以确保其足够强以将较小的沙颗粒推进到其在罐100内的相应较高点，同时在介质床的相应较低部分处留下较粗的沙颗粒。另一方面，流速一定不能如此强以至于无意地将沙介质从罐100中完全冲走。

微介质

沙介质颗粒可以根据各种标准以类似于其他土壤结构的方式在特定尺寸范围内分类。这种标准可以非限制性地根据技术领域、管理立法和/或实践领域来定义。微沙是沙的一个子类别，其中的介质粒度可能落入甚至更低的范围。因此，可以在介质床内使用微沙(图7)以有利地实现仍然更细的过滤器层128，从而使捕获尺寸相应更小的微粒成为可能。一类之前非可过滤的污染物，诸如活生物体，因此可能被捕获，从而在某些情况下使得先前不适合饮用的水适于饮用。虽然不存在“微沙”的单个精确的技术定义，但是“微介质”在上面被定义为是指有效直径小于0.40mm，且低至约0.20mm并且优选低至约0.10mm的细过滤介质，并且材料可以是硅砂、玻璃、塑料、石英、砾石、金属、陶瓷等，并且术语“微沙”可以被理解为涵盖任何过滤沙或粒状介质，其具有优于本领域中已知和使用的最细颗粒介质的尺寸和过滤性能两者。这种介质(以及其组成)的可能尺寸范围的选择在本文中以文字和表格形式提供。

微介质的缺点

不幸的是，在使用微介质(例如，在过滤器的最顶层)实现甚至更小的过滤器层中也存在缺点。较小的孔径典型地导致影响现有过滤系统的操作和维护两者的缺点。

问题：微介质的过早结皮

将理解的是，在介质床的最顶层的减小的孔径的情况下，例如需要更大的压力以迫使原始液体通过含有微介质的过滤罐。另外，与其最细层包含相对较粗的介质的现有技术系统相比，更多数量的污染物可能变得被捕集在包含微介质128的最顶层的一部分处或一部分内。每个可比较的时间段因此所捕集的污染物的数量越大，越频繁地或者快速地阻碍原始液体流通过过滤系统。防止外皮的形成和污染物在最顶层的一部分内的积累同样在操作上是重要的。随着外皮202(参见图5)和微粒204的积累加快，通过使用微介质而最初提供的孔隙率迅速下降，从而对于继续(尽管受到阻碍)的操作需要增加的压力。因此，过滤性能受损程度远远大于其最细介质较粗的常规沙过滤系统。因此，在常规的沙床过滤器上的微介质过滤器的情况下，对反洗清洁的需求变得更加频繁。

问题：微介质反洗

微介质的更精细的性质引入了相应范围的沙颗粒，与先前针对常规液体反洗所讨论的其更大的对应物相比，沙颗粒可能更加容易得多地被置于悬浮状态。结果，需要用于入口118、152流动流的可接受范围的更加警惕的管理。此外，部署人员和操作人员(或自动化控制系统)必须确保在反洗流体入口152处施加足够强以实现沙介质的悬浮的流速，而不会同样将沙(来自类似于常规所遇到的包含沙和水混合物的浆料105)从反洗流体出口154排出。这典型地意味着一定范围的反洗入口152液体流速，该流速更严格地限于(并且在数量和相应性能方面劣于)在没有微介质层的过滤系统实现方式中所见到的那些流速。较低的可用反洗流体入口流速同样损害维护人员适当地清洁沙介质的能力。因此，虽然常规沙的可接受使用的流速允许为该类过滤系统实现可接受的清洁水平，但当微介质作为过滤介质存在时可接受使用的显著较低的流速在大多数情况下会造成这样的限制，使得用这种介质进行反洗几乎是无用的。可接受的流速的较低范围是由于以下事实：即使当在入口152处使用显著较低的反洗流体的流速时，存在的小得多的微介质颗粒也可能经由从罐100排出而容易地损失。沙介质的较差的清洁例如可能在反洗过程中由存在于罐100内的所有类型的沙的混合引起，可能具有复合有害效果。

甚至在重新分层之后，这样的沙介质将保留，该沙介质在反洗(其中反洗流足够低使得不排出微沙范围的沙颗粒)一定量的来自之前处理的原始液体中的污染物之后沉降。将微介质纳入介质床的净效果-其中清洁性能由其孔隙率产生-因此可以导致过滤系统整体效能的严苛劣化。

另外，仅液体反洗，特别是在微介质的情况下，不会导致介质床的有效清洁。申请人使用其中微介质包含最细过滤层的罐进行首次试验。进行两次10分钟的反洗循环(其包括用于清洗系统以确保没有残留物保留的过滤循环)，申请人观察到清洁过程产生洗涤水，该洗涤水具有5比浊法浊度单位(NTU)的测量的峰值浊度，这表明介质被清洁。对表面介质的分析表明，高岭土仍然被捕集在介质中，这表明洗涤没有效果。本文进一步描述了随后的观察。

正如基于液体的微介质反洗程序的情况中一样，对于其中微介质是过滤介质的过滤系统应用常规的基于空气的反洗程序同样是有问题的并且受到物理考虑因素的损害。

常规的空气反洗具有收集润湿的沙颗粒105和污垢洗涤水140的浆料作为其目的。一旦空气鼓泡停止，沙(或介质)就沉降下来。然后可以通过反洗流体入口152引入清洁的水，以将污水冲走。

当在过滤介质内存在微介质128时浆料的沉降以明显慢于不存在微介质时的速率发生，从而导致用于微介质的相对较长的沉降时间。更重要的是，空气洗刷(souring)使微介质与较粗的支撑介质均质化，结果在空气洗刷之后微介质将保持与较粗的介质混合。这可能导致微介质损失进入较低的支撑介质和/或出口。因此需要去层化(destratification)。如上所述，微介质及其较低的支撑介质的去层化是一个问题。此外，随着沉降发生，存在微介质的沉降过程将更大数量的污染物集中到该最顶层中。因此，当存在微介质时，即使常规的空气反洗也会失败。可以相应地预期改进的空气反洗程序，其中鼓泡的强度和湍流提供足够的效果而不过度干扰过滤介质，同时实现污染物与过滤介质的分离。

微介质反洗解决方案

如图6所示的申请人提出的解决方案涉及使用一种微介质，该微介质的密度小于过滤器床介质中至少次最小粒度的密度。常规过滤器床介质分层中使用的液体流速对于微介质来说简直太高。申请人已经发现，介质的层可以在空气反洗期间保持分层，只要介质的密度随着粒度增加从而有助于分层并且控制空气流使得不产生混合。在该空气反洗期间，介质的较低层不受干扰，并且微介质可以保持在较低的层上方的液体悬浮液中。低水平的液体反洗流可以结合在一起，只要液体流不会使微介质从储存器中冲走。较高的密度还有助于在分层期间使微介质保持与较大粒度的介质分离，并且因此防止微介质被捕集到介质的其余部分中。当空气和液体反洗停止时，微介质位于剩余的分层介质的顶部上。

在实施方式中，空气流速可以典型地在40m³/m²/h与55m³/m²/h之间变化，例如对于0.15mm的微沙，55m³/m²/h的流速是合适的，即使例如当将用于特定应用的较大过滤介质与较大颗粒混合时或对于具有较大粘附性的微粒，高达60m³/m²/h的流速可能是期望的。空气可以通过流体入口152或不同的入口注入。可以设置空气流控制器(未示出)以设定所需的空气流，例如可以使用转子流量计或质量流量计或皮托管流量计来控制空气流。可以使用筛网116或者使用扩散器(未示出)来实现空气分配。后者的空气流导致鼓泡(即其使空气泡170在介质床内移动)，该鼓泡使微介质与液体(例如清洁水)层225混合，该液体层的液位220达到超过介质床的顶部的相当明显的高度。当空气流高时，微介质将与细介质110和可能的中等介质112均质化。

然而，介质110和112保持分层，而微介质128悬浮在水层225中。如上所述，也可以使用小的液体流(例如，升高液位220暂时更接近出口154的液体流)以保持微介质云240和微介质128与细介质110分离。

当气泡170向上推入罐100内的水层225中时，水的逆流向下流动，而不会产生在常规空气反洗中观察到的强大的通流。该动作因此操纵整体流动交换，其中污染物从介质床逐渐向上流动226，并且因此被收集到液位220和介质床顶部之间的水层225中。鼓泡170动作致使附着于或者捕捉在微介质颗粒之间的污染物被提升到水层225中。由于这种流动交换，当空气停止时，在水层225中收集的污染物不被捕集回到介质床的微介质层中。相反，一旦介质床的内容物被确定为清洁的，就完成在水层225内混合的污染内容物的缓慢冲刷。虽然这种流速实际上并不难察觉，但重要的是确保发生这种冲刷的流速足够缓和，以便不打乱介质床的最顶(微介质)层128，并且这样做不打乱过滤器所需的整体分层。可替换地，在重新分层之后被收集在水层225中的污染物可以仅从介质的顶部完成，即，通过经由入口例如使用原始流体入口喷嘴250(参见图7)注入清洁水，并且通过出口154冲走被污染的水。

将理解的是，对于介质床的最顶层使用较低密度的微介质，其中对于依次较大的颗粒具有增加的密度，在空气反洗操作结束时防止了层的去层化。空气泡170和它们产生的流并不打乱介质床的层或以其他方式使其去层化。

因此，空气反洗洗刷引起底部支撑介质的很小运动，该底部支撑介质是最粗的，但可能干扰并引起微介质128和支撑该微介质的较粗介质(细介质110)的均质化。为了避免介质的任何显著干扰，在空气反洗之后，微介质从较粗的介质分离并沉降在较粗的介质顶部上。这主要是通过与微介质相比为较粗的支撑介质选择更高的密度来实现的。在空气洗刷结束时添加低水平的液体逆向流也可以有助于在沉降过程期间从较粗的支撑介质分离微介质。这种逆向流不需要冒微介质通过过滤器的顶部的任何损失的风险。并且，可以减少反洗中的空气流，使得细介质110可以沉降，同时使微介质128悬浮在上面。于是，当空气流停止时，在微介质128和细介质110之间不发生混合。因此，在没有微介质损失的情况下避免了重新分层。

下表示出了用于实施方式的各种介质层的可能值：

在紧接本文所述的第一试验之后的第二试验中，申请人进行了基于空气的反洗。此试验涉及在美国南达科他州的工业场所实现68m3/h(每分钟300加仑)容量的过滤器。该工厂需要高质量的水以供给反渗透(RO)系统。该工厂在RO系统前使用超滤(UF)膜。已经观察到，UF膜非常迅速地结垢，并且无法清洗以恢复其原始流。因此，在UF膜之前的微沙过滤器被考虑以对水进行预处理，以改善水的可滤性并去除一些进入UF膜的悬浮固体。

使用两种水源，来自具有约15NTU至30NTU的浊度的湖的一种以及来自具有约100NTU(多至300NTU)的池塘的第二种被测量；此池塘将该工厂的所有废水转调至此，所以可以被循环利用，并且改善了工厂的水平衡。

由于流入物浓缩物是固体，因此过滤器以约200gpm(45m3/h)运行以优化过滤器的去除性能。

过滤器投入运行，并且由于悬浮固体浓缩物(suspended solidsconcentration)，大约每2小时触发许多仅水反洗(water-only backwash)。在运行两周后，4psi的介质压差无法被恢复。事实上，过滤器介质被弄脏，并且即使在连续几次水反洗后也无法被清洁。在此试验中，观察到测量的230NTU的峰值浊度。这表明在沙中存在大量的污染物，但是在第一次反洗后没有被收集。

然后预反洗空气洗刷投入运行，并且在仅两次反洗之后，过滤器可以在200gpm以4psi的过滤压差恢复其完全的清洁度。过滤器在连续的基础上以相同高负荷的有机悬浮固体运行约12周，并且可以每次以4psi的清洁过滤压差恢复其全部容量。

在进一步的测试中，NTU为11.19的原始水(其是浅黄色)使用Spectrex激光颗粒计数器(Laser Particle Counter)进行分析，具有2.98微米的平均粒度(标准偏差为2.51微米)和93,947/mL的总计数。微介质过滤器出口具有1.98的NTU(这基本上是清澈的)并且分析为具有27,155/mL的总颗粒计数，其中平均粒度为2.35微米(标准偏差为2.03微米)。

在此测试过滤器安装中，在反洗开始之前，过滤器达到17psi的压降。在反洗之前，NTU差值为约12NTU，并且在如上所述的空气洗刷反洗之后，压降变为6psi，其中NTU差值增加到约13NTU。当压差达到20psi并且NTU差值为21.4NTU-2.4NTU＝19NTU时，对于5psi的压差后空气洗刷反洗，其中21.3NTU-0.7NTU＝20.6NTU，重复该测试。当压差达到20psi并且NTU差值为17.8NTU-2.4NTU＝15.4NTU时，对于4psi的压差后空气洗刷反洗，其中17.8NTU-1.1NTU＝16.7NTU，再次重复此测试。

将理解的是，在不干扰分层情况下的微介质的空气反洗允许从微介质中快速去除污染物，并且因此减少在操作期间过滤器的停机时间。由于微介质在捕获0.5微米至20微米尺寸的污染物方面更有效，因此可能需要更频繁地清洁过滤器以维持过滤效率，并且通过介质的空气反洗来促进这种频繁的清洁，该介质具有允许空气反洗而不会损失过滤器介质床的分层的密度组成。

在反洗之后冲刷污水

污水通常通过经由过滤器床将清洁的水引入到罐100中来冲刷。在微介质的情况下，该流速必须非常低，使得不能迫使微介质处于悬浮并被冲走。因此，可以使用过滤器介质上方的额外入口。如果流动不干扰微介质，则可以使用原始液体入口118。同样地，冲刷可以通过以下开始：以适当的非常缓和流速通过反洗流体入口152将清洁的水引入罐中，从而避免产生(微介质240的或介质床内容物中的任一种的)云。适当的流速同样经受轻微的变化并且部分地由介质床内存在的最细层的直径决定。当存在直径为0.15mm的微介质时，15m³/m²/h的流速可能是合适的。流速可能略微更低，例如，对于直径为0.2mm的玻璃珠为13m³/m²/h。具有略微更大直径例如0.3mm的玻璃珠以及具有0.6mm直径的塑料粒子可以容许25m³/m²/h的流速。将理解的是，从任一入口118、152将清洁的水引导至介质床的表面是重要的第一步骤，随后所述水应当被排出。

在另一实施方式(图7)中，表面引导喷嘴250引导水通过挡板251离开，并且同样可以被实现用于冲走污水以及包在介质床的顶表面的污染物，特别是大微粒。以这种方式使用由挡板引导的一个或更多个喷嘴250用于反洗是清洁介质床的最顶层而不会无意地从罐100中冲刷相当数量的沙的特别有效的方式。挡板设计用于实现在介质床的表面进行撇取作用的水的流动。

在操作中，在采取任何其他清洁动作之前，如上所述的基于喷嘴250和挡板251的液体撇取器典型地运行完成。这样做提供了收集在介质床顶上所收集的外皮102、202或微粒104、204的益处。收集这样的顶层污染物作为在任何其他常规介质维护过程之前的工艺步骤显著且有利地排除了以下可能性：即这些污染物在任何随后的反洗过程之后沉降到(或变得被捕集到)微介质的最顶层中。此外，污染物可以以这种方式被有效地从介质床的顶部分散，而不会同时向包括所述介质床的顶部的微介质引入过度的搅动或湍流。尽管在常规操作期间过滤器的正常流速可以达到136m³/h(600gpm)，但来自挡板的流速可能为过滤器流速的大约一半，峰值为大约68m³/h(300加仑)。

另外，挡板的操作相对于本领域中已知的机械搅拌器有所改进。尽管搅拌器需要并涉及对特别复杂的额外机械部件的考虑，但操作挡板是有利的，因为利用了已经用于过滤工艺的物理设施。缺少与现有硬件兼容地结合的额外活动部件是进一步有利的品质，同时改进了常规液体反洗的效用缺点。

本文描述的解决方案的特别有利的效果涉及其提供的避免频繁使用清洁剂的可能性和益处。尽管在几分钟、几小时或几天内测量的时间范围上典型地需要反洗，但诉诸于添加表面活性剂或絮凝剂的需求可以典型地被避免，如果其不被减少至大约几个月单次使用。虽然特定的过滤系统部署的需求差异很大，但是洗涤剂的使用将典型地被限制于更罕见的情况，其中操作者有理由相信本文描述的反洗溶液不是有效的，和/或存在使用所述清洁剂清洁沙子的真正需要。在甚至更罕见的情况下，介质床的内容物完全需要更换。

图1至图7的描述可以涉及罐100的任何期望的几何形状。图8以横截面图示了水平布置的圆筒实施例。这种布置以紧凑的布置提供了大的介质表面。液体入口118通过T形接头经由罐顶部的侧端口进入，以馈给具有四个喷嘴的充气室，该四个喷嘴将原始流体输送至挡板251。可以使用用于将原始流体供给到罐中的任何合适的布置。在该实施方式中微介质设置在挡板251附近，使得原始流刺激微介质以改进过滤性能。作为一个实例，介质可以包括三种类型，即位于顶部的最细介质、位于中间的中等颗粒尺寸的介质和位于底部的粗介质。筛网116是与流出物出口120连通的网状材料的圆筒形管。筛网116可以在顶部封闭并在底部打开，以便从介质的底部收集过滤的液体。在筛网116的侧面是空气分配导管152’，该空气分配导管在粗介质中在筛网的水平处的空气中鼓泡。导管152’可以围绕筛网116，并且在3级介质的情况下，该导管可以靠近粗介质和中等介质之间的边界。以这种方式，空气的输送与过滤的液体的排空分开，然而，将理解的是，在一些情况下，空气可以出于反洗的目的被注入筛网116内部。当空气泡从导管152’朝向中等介质和细介质上升时，较低的介质还可以有助于均匀地分配空气泡。如上所述，空气反洗不会引起微介质与较粗介质的混合，使得需要介质的重新分层。

Claims (11)

1.一种介质床过滤器，所述介质床过滤器包括：

储存器，所述储存器具有原始液体入口和过滤的液体出口；

具有多种密度的粒状材料的不同尺寸的分层过滤介质，其包括微介质的上层和密度随粒度增加的下层粒状材料，以便促进所述微介质的空气反洗而不使所述过滤介质去层化，并且不需要对所述分层过滤介质重新分类；

反洗空气分配器，其用于将空气向上注入通过所述过滤介质；

反洗排放部和空气阀；

用于自动地控制液体反洗的控制器和用于将空气注入通过反洗流体入口的空气阀；

其中所述原始液体入口包括至少一个表面引导的原始液体分配喷嘴和挡板，

其中所述挡板被设置为平行且靠近所述过滤介质的最顶层的上表面；

其中表面引导喷嘴垂直于所述过滤介质的最顶层的上表面被引导并且适于利用所述挡板的上表面沿着所述过滤介质的最顶层的一部分表面并且在所述过滤介质的最顶层的一部分表面上引导原始液体入口流离开所述喷嘴；

其中所述反洗流体入口借助于所述控制器可连接至所述原始液体分配喷嘴，以冲刷所述过滤介质的最顶层的上表面上的积聚物，而不使所述微介质分散，从而通过所述反洗排放部去除所述积聚物；

其中所述微介质的密度比所述下层粒状材料的密度小至少1g/mL；并且

其中所述分层过滤介质的下层包括直径在2.5mm至6mm的范围内的下层粒状材料、直径在0.5mm至2mm的范围内的粒状材料的中间层、以及有效直径为0.1mm至0.4mm的微介质的上层。

2.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述微介质包含沙粒子。

3.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述微介质包含玻璃粒子。

4.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述微介质包含聚合物粒子。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的过滤器，还包括反洗空气流控制器，所述反洗空气流控制器是可调节的以设定有效洗涤所述微介质而不使所述过滤介质去层化的空气反洗流速。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的过滤器，其中所述微介质的上层具有0.1mm至0.2mm的有效直径。

7.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述中间层的密度为约4g/mL，并且所述上层的密度小于3g/mL，优选地沙材料的上层的密度为约2.7g/mL或者玻璃材料的上层的密度为约2.5g/mL或者塑料材料的上层的密度为约1.6g/mL。

8.根据权利要求6或7所述的过滤器，其中所述下层包括石榴石粒子。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤器，其中所述反洗空气分配器包括导管，所述导管围绕所述过滤的液体出口的筛网。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的过滤器，还包括受控反洗空气供应部。

11.根据权利要求10所述的过滤器，其中所述控制器被配置为自动地控制阀以对所述微介质进行空气反洗循环，所述空气反洗循环致使所述微介质与所述微介质的分散体混入所述微介质上方的一定体积的洗涤水中被限制在下部内，使得在空气反洗期间所述洗涤水的上部不包含微介质。