TWI523680B - 過濾系統及方法 - Google Patents

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TWI523680B TW102143108A TW102143108A TWI523680B TW I523680 B TWI523680 B TW I523680B TW 102143108 A TW102143108 A TW 102143108A TW 102143108 A TW102143108 A TW 102143108A TW I523680 B TWI523680 B TW I523680B
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Description

過濾系統及方法
本發明涉及過濾系統及方法，且更具體地，涉及能夠將能量消耗最小化的過濾系統及方法。
水處理的分離方法包括利用過濾膜的方法、利用熱或相變的方法等等。
利用過濾膜的分離方法相對於利用熱或相變的方法具有許多優勢。在該等優勢之其中之一為水處理的高度可靠性，因為藉由調節過濾膜的孔的大小可容易地且穩定地得到所需純度的水。此外，由於利用過濾膜的分離方法不需要加熱過程，因此該方法可以與對分離過程有用但加熱可能有不利影響的微生物一起使用。
在利用過濾膜的分離方法中，一種為利用中空纖維膜組件的方法，該中空纖維膜組件包含一束中空纖維膜。通常，中空纖維膜組件已被廣泛用在微濾及/或超濾領域，用於得到無菌水、飲用水、超純水等。近來，中空纖維膜組件擴展應用至廢水處理、化糞池中的固液分離、從工業廢水中移除懸浮固體(SS)、河水的過濾、工業用水的過濾、游泳池水的過濾等。
利用中空纖維膜的過濾系統根據其操作方式可以分為浸沒式過濾系統以及加壓式過濾系統。
第1圖示意地顯示了先前技術的浸沒式過濾系統。
如第1圖所示，先前技術的浸沒式過濾系統包含處理槽10。一般，處理槽10設置在地表面之下並且為一敞開式槽，內部通過它的上部分暴露於外部環境。
過濾裝置20設置於該處理槽中。該過濾裝置20包含複數個中空纖維膜。
欲處理的給水通過第一泵P1從給水槽30提供至處理槽10。過濾裝置20充分浸沒在自給水槽30提供的給水中，並且然後，第二泵P2為過濾裝 置20提供負壓。
更具體地講，由於第二泵P2提供負壓，該過濾裝置的中空纖維膜的腔變為真空狀態，這使得僅有純水而沒有雜質(以下，“滲透物”)通過該中空過濾膜並進入其腔。然後，由於由第二泵P2連續提供負壓，進入該中空纖維膜的腔中的滲透物流至滲透槽40。
然而，根據先前技術的浸沒式過濾系統，用於使中空纖維膜的腔變為真空狀態且將進入該腔內的滲透物轉進滲透槽40的第二泵P2所消耗的能量的量是巨大的。
因此，強烈需要找到一種方式來減小浸沒式過濾系統的操作之能量的量。
因此，本發明旨在提供一種能夠防止先前技術的這些限制和缺點的過濾系統及方法。
本發明的一方面在於提供一種能夠將能量消耗最小化的過濾系統。
本發明的另一方面在於提供一種能夠將能量消耗最小化的過濾方法。
對於本發明額外的方面和特點將在隨後的描述中闡明，部分內容將對於此領域具有技術者將在審視隨後的描述，或者可以藉由實施本發明瞭解到而顯而易見。本發明的目的和其他優點將藉由特別在描述中指出的結構和申請專利範圍說明實現和獲得。
依據本發明的一方面，提供一種過濾系統，包含：一處理槽；一第一泵，用於將欲處理的給水供應至該處理槽；一過濾裝置，該過濾裝置置於該處理槽中；以及一第二泵，用於為該過濾裝置提供一負壓，使得該過濾裝置能夠處理該給水以產生一滲透物，其中該處理槽係可密封的，從而在該處理槽裝滿該給水之後，通過該第一泵加壓該處理槽中的該給水。
依據本發明的另一方面，提供一種過濾方法，包含：將一過濾裝置設置在一處理槽中；將欲處理的給水供應至該處理槽；加壓該處理槽中的該給水；以及提供該過濾裝置一負壓。
可以理解的是，上文的概括說明和下文的詳細說明都具有示例性和解釋性，並意圖在於為本發明所提出的申請專利範圍作進一步的解釋說明。
根據本發明的過濾系統及方法，可將過濾操作所需的能量的量最小化，並因此可同時實現降低運行成本並保護環境。
本發明的其他優點連同相關技術特徵將在以下詳細描述。
100‧‧‧處理槽
110‧‧‧主體
120‧‧‧蓋
130‧‧‧進水管
140‧‧‧出水管
140a‧‧‧第一出水管
140b‧‧‧第二出水管
150‧‧‧排水管
200‧‧‧過濾裝置
210‧‧‧框架結構
211‧‧‧第一滲透管
211a‧‧‧出口
212‧‧‧第二滲透管
212a‧‧‧出口
213‧‧‧第一橫杆
214‧‧‧第二橫杆
215‧‧‧垂直杆
216‧‧‧垂直管
216a‧‧‧出口
220‧‧‧中空纖維膜組件
221‧‧‧第一頭部
221a‧‧‧第一出口
222‧‧‧第二頭部
222a‧‧‧第二出口
222b‧‧‧第二固定層
223‧‧‧中空纖維膜
230‧‧‧中間管
231‧‧‧出口
300‧‧‧給水槽
400‧‧‧滲透槽
P1‧‧‧第一泵
P2‧‧‧第二泵
P3‧‧‧第三泵
V‧‧‧排水閥
所附圖式其中提供關於本發明實施例的進一步理解並且結合與構成本說明書的一部份，說明本發明的實施例並且與描述一同提供對於本發明實施例之原則的解釋。圖式中：第1圖示意地顯示先前技術的過濾系統；第2圖示意地顯示根據本發明一實施例的過濾系統；第3圖為根據本發明一實施例之中空纖維膜組件的透視圖；第4圖為根據本發明一實施例之過濾裝置的透視圖；第5圖示意地顯示如何將第4圖的過濾裝置設置於處理槽中的方法；第6圖為根據本發明另一實施例之過濾裝置的透視圖；第7圖示意地顯示如何將第6圖的過濾裝置設置於處理槽中的方法；第8圖為根據本發明又一實施例之過濾裝置的透視圖；第9圖示意地顯示如何將第8圖的過濾裝置設置於處理槽中的方法；以及第10圖示意地顯示根據本發明再一實施例的過濾系統。
以下，參考附圖將詳細描述根據本發明實施例的過濾系統及方法。
第2圖示意地顯示了根據本發明一實施例的過濾系統。
如第2圖所示，本發明的過濾系統包含處理槽100、在處理槽100中的 過濾裝置200、含有欲供應至處理槽100的給水的給水槽300、用於儲存通過過濾裝置200所產生的滲透物之滲透槽400、用於將給水槽300中的給水供應至該處理槽400之第一泵P1、以及用於為過濾裝置200提供負壓之第二泵P2。第二泵P2為過濾裝置200提供負壓，使得過濾裝置200能夠處理給水以產生滲透物，並將所產生的滲透物轉送至滲透槽400。
本發明人注意到這樣的事實，在先前技術中，用於提供欲處理的給水至處理槽的泵所消耗的能量對實際過濾過程不做任何貢獻，本發明人研究找出利用由實際過濾過程之泵所消耗的能量的方式，並且最後實現本發明。
根據本發明，處理槽100是可密封的，從而在處理槽100裝滿給水之後，可通過第一泵P1加壓處理槽100中的給水。
此處所用的術語“密封處理槽”定義為除了自給水產生的滲透物由此排出的情況之外可防止通過給水入口進入其中的給水離開的處理槽。
本發明的“可密封處理槽”不需要總是保持密封，並且本發明的“可密封處理槽”包括能夠選擇性或暫時地打開的處理槽。例如，當不進行過濾過程時，處理槽100的某一部分能夠打開，用以將過濾裝置200置於處理槽100中，並且為了某種原因(例如，為了清潔過濾裝置200)，排水閥V可以打開以排除給水及/或污泥。
由於本發明的處理槽100是可密封的，即使在處理槽100裝滿給水之後，借助於第一泵P1，藉由進一步連續提供給水至處理槽100，處理槽100中的給水被加壓。給水所增加的壓力能夠引發過濾過程或者能夠用於過濾過程。因此，過濾裝置200利用相對低的負壓供應能夠產生滲透，並因此能夠減小第二泵P2所消耗的能量的量。
以下，參見第3圖和第4圖，將更詳細描述本發明的過濾裝置200。
本發明的過濾裝置200包含複數個中空纖維膜組件220。如第3圖所示，根據本發明一實施例的中空纖維膜組件220包含具有第一收集空間之第一頭部221、具有第二收集空間之第二頭部222、以及位於第一頭部221和第二頭部222之間之中空纖維膜223。
用於製造中空纖維膜223的聚合物樹脂包括聚碸樹脂(polysulfone resin)、聚醚碸樹脂(polyethersulfone resin)、磺化聚碸樹脂(sulfonated polysulfone resin)、聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)樹脂、聚 丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)樹脂、聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)、聚醯胺醯亞胺樹脂(polyamideimide resin)和聚酯亞胺樹脂(polyesterimide resin)的至少其中之一。
中空纖維膜223可為單層膜或複合膜。如果中空纖維膜223為複合膜，它可包含管狀編織物以及塗佈於該管狀編織物上的聚合物薄膜。該管狀編織物可有聚酯或尼龍製成。
中空纖維膜223的一端通過第一固定層(未顯示)固定至第一頭部221，並且其另一端通過第二固定層222b固定至第二頭部222。
中空纖維膜223的腔與第一頭部221和第二頭部222的第一收集空間和第二收集空間成流體連通。因此，當將負壓提供至中空纖維膜223的腔時，滲透物通過中空纖維膜223，經由該腔流入第一頭部221和第二頭部222的第一收集空間和第二收集空間，並然後通過第一出口221a和第二出口222a排出。
第4圖為根據本發明一實施例的過濾裝置200的透視圖。
如第4圖所示，本發明的過濾裝置200包含一框架結構210以及至少一中空纖維膜組件220，其中該等中空纖維膜組件220安裝在框架結構210中。
框架結構210包含與第一收集空間成流體連通之第一滲透管211以及與第二收集空間成流體連通之第二滲透管212。更具體而言，中空纖維膜組件220的第一頭部221和第二頭部222的第一出口221a和第二出口222a分別插入第一滲透管211和第二滲透管212的孔(未顯示)中。
框架結構210進一步包含第一橫杆213和第二橫杆214，該第一橫杆213和該第二橫杆214分別連接至相對於第一出口221a和第二出口222a的第一頭部221和第二頭部222的一端。
第一滲透管211和第二滲透管212以及第一橫杆213和第二橫杆214分別由三個垂直杆215和一個垂直管216支撐。第一滲透管211和第二滲透管212通過垂直管216相互流體連通。
第二泵P2經由第一滲透管211和第二滲透管212分別為中空纖維膜組件220的第一收集空間和第二收集空間提供負壓。
過濾過程係通過由第一泵P1提高的處理槽100中的給水的壓力以及由 第二泵P2為中空纖維膜223的腔所提供的負壓來實施。隨著過濾過程進行，通過中空纖維膜223的滲透物進入第一頭部221和第二頭部222的第一收集空間和第二收集空間。
根據本發明的一實施例，進入第一收集空間的滲透物直接前進至第一滲透管211，並且進入第二收集空間的滲透物在依次通過第二滲透管和垂直管216之後也進入第一滲透管211。進入第一滲透管211的滲透物通過出口211a排出過濾裝置200。
或者，分別進入第一收集空間和第二收集空間的滲透物在經由第一滲透管211和第二滲透管212轉入垂直管216之後通過垂直管216的出口(未顯示)從過濾裝置200排出。在這種情況下，垂直管216的出口可自該垂直管216伸出，平行於第一滲透管211和第二滲透管212，使得它能連接至處理槽100的出口管。
本發明的過濾裝置200可進一步包含通風單元(未顯示)，該通風單元設置於中空纖維膜組件220之下。從該通風單元噴出的空氣產生的氣泡在給水中上升，從而防止或減小中空纖維膜223的污染。該通風單元的結構或通風方法均不限制本發明。
本發明的過濾方法包含將過濾裝置200設置於處理槽100中；提供欲處理的給水至處理槽100；加壓處理槽100中的給水；以及為過濾裝置200提供負壓。
以下，參見第5圖將更詳細解釋本發明的過濾方法。第5圖示意地顯示了如何將第4圖的過濾裝置200設置於處理槽100中。
如第5圖所示，根據本發明一實施例的處理槽100包含具有上部分打開之主體110、打開或蓋合主體110之上部分的蓋120、用於接收來自給水槽300之給水的進水管130、用於將由過濾裝置200產生之滲透物排出處理槽100的出水管140、以及用於排出處理槽100中之給水及/或污泥的排水管150。
打開蓋120以將本發明一實施例的過濾裝置200設置在處理槽100中。然後，過濾裝置200插入處理槽100中。此時，第一滲透管211的出口211a連接至處理槽100的出水管140。
接著，蓋合蓋120，並且控制連接至排水管150的閥V以閉合排水管 150，使得處理槽100密封。儘管未顯示，一密封元件可插置於主體110與蓋120之間以防止任何洩漏。
然後，運行第一泵P1以將來自給水槽300之欲處理的給水經由進水管130提供至處理槽100。
由於本發明的處理槽100密封，即使在處理槽100填有給水之後，通過第一泵P1將給水進一步提供至處理槽100，使得處理槽100中的給水被加壓。
然後，運行第二泵P2以提供過濾裝置200負壓。更具體而言，在依次通過處理槽100的出水管140、第一滲透管211的出口211a以及第一頭部221和第二頭部222的第一收集空間和第二收集空間之後，來自第二泵P2的負壓提供至中空纖維膜223的腔。
如上所述，加壓過程期間增加的給水的壓力能夠引發過濾過程或者能夠用於過濾過程。因此，過濾裝置200能夠利用由第二泵P2提供來之相對低的負壓產生滲透，並因此可減小由第二泵P2消耗的能量的量。
以下，參見第6圖和第7圖將更詳細描述本發明另一實施例的過濾系統及方法。
第6圖為根據本發明另一實施例的過濾裝置200的透視圖，以及第7圖示意地顯示了如何將第6圖的過濾裝置200設置於處理槽100中的方法。
如第6圖所示，第6圖的過濾裝置200與第4圖的過濾裝置200相同，除了第一滲透管211和第二滲透管212的兩端以相互成流體連通的方式分別結合至第一和第二垂直管216之外，從而，由中空纖維膜組件220產生的滲透物能夠通過第一和第二垂直管216的出口216a排出過濾裝置200。
如第7圖所示，當將第6圖的過濾裝置200設置在處理槽100內時，第一和第二垂直管216的出口216a通過設置於其間的中間管230連接至處理槽100的出水管140。即，第一和第二垂直管216的出口216a插入中間管230，並且中間管230的出口231連接至處理槽100的出水管140。
在將過濾裝置200以上述方式置於處理槽100中之後，以與上述實施例相同的方式進行過濾過程。
以下，參見第8圖至第10圖將更詳細描述根據本發明又一實施例的過濾系統及方法。
第8圖為根據本發明又一實施例之過濾裝置200的透視圖。如第8圖所示，第8圖的過濾裝置200與第4圖的過濾裝置200相同，除了具有其各自出口211a、212a的第一滲透管211和第二滲透管212被四個垂直杆215支承且沒有垂直管以使它們相互成流體連通之外。
根據第8圖的過濾裝置，通過中空纖維膜223並在上部分進入第一頭部221的第一收集空間的滲透物僅通過第一滲透管211的第一出口211a從過濾裝置200排出。另一方面，通過中空纖維膜223並在下部分進入第二頭部222的第二收集空間的滲透物僅通過第二滲透管212的第二出口212a從過濾裝置200排出。
第9圖示意地顯示了如何將第8圖的過濾裝置200設置於處理槽100中的方法。如第9圖所示，處理槽100包含具有上部分打開之主體110、打開或蓋合主體110之上部分的蓋120、用於接收給水的進水管130、分別提供在主體110的上和下部分，用於將過濾裝置200產生的滲透物從處理槽100排出之第一出水管140a和第二出水管140b、以及用於排出處理槽100中的給水及/或污泥之排水管150。
首先，打開蓋120以將過濾裝置200設置在處理槽100中。然後，過濾裝置200插入處理槽100中。此時，第一滲透管211和第二滲透管212的第一出口211a和第二出口212a分別連接至處理槽100的第一出水管140a和第二出水管140b。
接著，蓋合蓋120，並且控制連接至排水管150的閥V以閉合排水管150，使得處理槽100密封。一密封元件(未顯示)可置於主體110與蓋120之間以防止任何洩漏。
以下，參見第10圖，將詳細解釋利用上述過濾系統的過濾方法。
首先，運行第一泵P1以將來自給水槽300之欲處理的給水經由進水管130提供至處理槽100。由於處理槽100係密封的，即使在處理槽100裝滿給水之後，通過第一泵P1將給水進一步提供至處理槽100，使得處理槽100中的給水被加壓。
然後，運行第二泵P2和第三泵P3以提供過濾裝置200負壓。更具體而言，在依次通過處理槽100的第一出水管140a、第一滲透管211的第一出口211a、第一滲透管211以及第一頭部221的第一收集空間之後，來自 第二泵P2的負壓提供至中空纖維膜223的腔。同時，在依次通過第二出水管140b、第二滲透管212的第二出口212a、第二滲透管212以及第二頭部222的第二收集空間之後，來自第三泵P3的負壓提供至中空纖維膜223的腔。
如上所述，加壓過程期間增加的給水的壓力能夠引發過濾過程或者能夠用於過濾過程。因此，該過濾裝置200能夠利用由第二泵P2和第三泵P3提供來之相對低的負壓產生滲透，並因此可減小由第二泵P2和第三泵P3消耗的能量的量。
同時，由於中空纖維膜組件220的第二頭部222位於處理槽100內相對較低的部分，因此，除了由第一泵P1提供的壓力以及由第三泵P3提供的負壓之外，基於勢能的水壓也可有助於過濾過程。因此，即使負壓(其低於經由第一頭部221的第一收集空間提供給中空纖維膜223的腔的負壓)經由第二頭部222的第二收集空間提供給中空纖維膜223的腔，也不會妨礙過濾裝置200的過濾過程。
因此，藉由第三泵P3提供負壓至中空纖維膜組件220的第二頭部222，可進一步減小過濾過程所需的能量的總量，其中該負壓小於由第二泵P2提供至中空纖維膜組件220的第一頭部221的負壓。
100‧‧‧處理槽
200‧‧‧過濾裝置
300‧‧‧給水槽
400‧‧‧滲透槽
P1‧‧‧第一泵
P2‧‧‧第二泵
V‧‧‧排水閥

Claims (5)

  1. 一種過濾系統，包含：一處理槽；一第一泵，用於將欲處理的給水供應至該處理槽；一過濾裝置，該過濾裝置置於該處理槽中；以及一第二泵及一第三泵，用於為該過濾裝置提供一負壓，使得該過濾裝置能夠處理該給水以產生一滲透物，其中該處理槽係可密封的，從而在該處理槽裝滿該給水之後，通過該第一泵加壓該處理槽中的該給水，其中該過濾裝置包含一中空纖維膜組件，該中空纖維膜組件包含：一第一頭部，該第一頭部具有一第一收集空間；一第二頭部，該第二頭部具有一第二收集空間；以及一中空纖維膜，該中空纖維膜位於該第一頭部和該第二頭部之間，其中，由於來自該第二泵的該負壓，該滲透物通過該中空纖維膜並經由該中空纖維膜的腔流入該第一收集空間和該第二收集空間，以及其中，該第二泵經由該第一收集空間為該中空纖維膜的該腔提供該負壓，以及該第三泵經由該第二收集空間為該中空纖維膜的該腔提供該負壓。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的過濾系統，其中該過濾裝置進一步包含一框架結構，並且該中空纖維膜組件安裝在該框架結構中。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述的過濾系統，其中該框架結構包含：一第一滲透管，該第一滲透管與該第一收集空間成流體連通；以及 一第二滲透管，該第二滲透管與該第二收集空間成流體連通。
  4. 一種過濾系統，包含：一處理槽；一第一泵，用於將欲處理的給水供應至該處理槽；一過濾裝置，該過濾裝置置於該處理槽中；以及一第二泵，用於為該過濾裝置提供一負壓，使得該過濾裝置能夠處理該給水以產生一滲透物，其中該處理槽係可密封的，從而在該處理槽裝滿該給水之後，通過該第一泵加壓該處理槽中的該給水，其中該過濾裝置包含一中空纖維膜組件，該中空纖維膜組件包含：一第一頭部，該第一頭部具有一第一收集空間；一第二頭部，該第二頭部具有一第二收集空間；以及一中空纖維膜，該中空纖維膜位於該第一頭部和該第二頭部之間，其中，由於來自該第二泵的該負壓，該滲透物通過該中空纖維膜並經由該中空纖維膜的腔流入該第一收集空間和該第二收集空間，其中，該過濾裝置進一步包含一框架結構，該中空纖維膜組件安裝在該框架結構中，該框架結構包含一第一滲透管，該第一滲透管與該第一收集空間成流體連通，以及一第二滲透管，該第二滲透管與該第二收集空間成流體連通，以及其中該第一滲透管和該第二滲透管相互成流體連通，並且該第二泵經由該第一滲透管和該第二滲透管為該第一收集空間和該第二收集空間提供負壓。
  5. 一種過濾方法，包含：將一過濾裝置設置在一處理槽中； 將欲處理的給水供應至該處理槽；加壓在該處理槽中的該給水；以及提供該過濾裝置一負壓，其中該過濾裝置包含一中空纖維膜組件，該中空纖維膜組件包含：一第一頭部，置於該處理槽中的該給水的表面，該第一頭部具有一第一收集空間；一第二頭部，置於該處理槽的底部，該第二頭部具有一第二收集空間；以及一中空纖維膜，位於該第一頭部和該第二頭部之間，其中，由於該負壓，一滲透物通過該中空纖維膜並經由該中空纖維膜的腔流入該第一收集空間和該第二收集空間，以及其中，經由該第一收集空間為該中空纖維膜的該腔所提供的負壓水平不同於經由該第二收集空間為該中空纖維膜的該腔所提供的負壓水平。
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