专利名称：采用浸入式膜的水过滤的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用浸入式膜的水过滤。
背景技术：
以下对本发明背景的描述并不是认可在此所述的任何信息在任何国家都可被引用作为现有技术或本领域普通技术人员公知常识的一部分。
浸入式膜是在渗透期间可以浸入在保持于环境压力下的液体，例如水中的过滤膜。已过滤的水或渗透液通过施加横跨膜的压差或膜供给或滞留液侧的液压头被提取通过膜到达膜的渗透液侧，其中横跨膜的压差通过泵的抽吸作用或虹吸作用产生，液压头通过将膜浸入在液体中一定深度而产生。多个膜通常被聚集成例如可被称为模块或箱的各种单元。膜可以是多种结构，例如平板或中空纤维。在美国专利No.5,192,456中描述了平板膜单元的实例。在美国专利No.5,639,373、No.6,790,360、No.6,555,005以及No.6,325,928中描述了中空纤维膜单元的实例。
在水过滤中，膜用于将供给水分成渗透液流和滞留液流。示例性应用包括过滤地下水或地表水以提供饮用水，以及过滤工厂流出的废水以在排放之前改善其质量。尽管在供给水中可能出现一定的生物活性，但供给水的生物处理不是废水处理的主要关注点。在水过滤中的供给水比用于废水处理的供给水趋于具有更低的固体含量。例如，供给水的总的悬浮固体含量的范围在0.005g/L或更少到大约0.1g/L。絮凝作用或其它化学或生物预处理可用于提高供给水的过滤性并且可以导致从絮凝罐流到膜罐的供给水具有高达大约0.2g/L的固体含量(TSS)。一些预处理不适于用在以下分工艺中其中周期性地将罐的水完全排掉，原因是化学品在它们完全使用之前就被浪费了或者因为化学剂的浓度必须保持在较窄的范围内。
在美国专利No.6,156,200中描述了水过滤工艺的一个实例。在该工艺中，对于满罐，每30分钟的抽吸时间段之后是回洗和空气冲洗步骤。每3-10个抽吸周期之后，罐就被完全排干并被再次填充。
在美国专利No.6,303,035中描述了水过滤工艺的另一些实例。在一个工艺中，过滤循环包括以下步骤将罐填充到膜以上的水位，将渗透液抽取通过膜同时罐内的水位于膜之上；然后给膜通气以除去膜上的固体以及回洗膜同时对罐进行排水。
在国际专利公开WO01/36075中描述了水过滤工艺的另一实例。膜模块被布置成基本上覆盖罐的横截面。过滤循环具有紧跟有稀释步骤的渗透步骤。在渗透期间，供给水基本上等于移走的渗透液。在稀释期间，利用冲洗气泡进行的通气与回洗和补给供给水中的一个或两个一起从模块下方进行。多余的罐内水大体上向上流过模块并从罐顶部的溢出区流出。
在美国专利No.6,375,848中描述了其它示例性工艺。一个工艺以多个重复的循环的方式进行。该循环以膜浸入在罐内水中开始。渗透液被泵送通过膜，同时以渗透液移走的流量增加供给水以保持膜被浸入。在2到5小时的渗透之后，罐中的排水阀打开并且供给水流的流量相应地提高以保持膜被浸入，并且渗透继续进行。排水阀打开25分钟，罐体积的100％到300％的水被排放掉。当罐内水的固体浓度降低至少60％时，排水阀关闭并且新的循环开始。在同一发明描述的另一工艺中，膜模块被浸入在罐内。供给水连续地进入罐内以保持膜被浸入。除了膜回洗的时间段外，渗透液穿过模块从罐中连续地流出。罐内水通过排水从罐中连续流出但其流量仅是供给水流量的20％。膜被连续通气以清洗膜并混合罐内的水。
可以通过取决于具体应用的各种参数中一个或多个来测量水过滤系统的性能。可以考虑的一个参数是回收率，它指每单位体积的供给水所产生的渗透液的比例。回收率越高，则必须被排放或进一步处理的滞留液的体积越低。可以考虑的另一参数是通气的能量成本。许多浸入式膜系统使用通气或空气冲洗以防止膜积垢。给膜单元通气所需的能量是一项重要的年度费用并且是膜系统寿命周期成本的主要部分。可以考虑的另一参数是膜的积垢率。膜积垢的速率影响膜单元在其需要被更换之前持续的时间以及保持该单元运行在可接受的渗透性或流量下所需的化学清洗或通气作用。膜积垢与许多因素有关，包括通气和回洗的有效性以及膜供给侧或滞留液侧的固体浓度。需要提供根据这些参数中的一个或多个运行良好的水过滤系统。
发明内容
本发明的一个目的是对现有技术进行改进，或至少对现有技术提供一种有效的替换方案。本发明的另一目的是提供一种使用浸入式膜对水进行过滤的工艺或装置。这种工艺或装置改善回收率、通气能量成本或膜积垢率中的一个或多个。以下的概括是要向读者介绍本发明，而不是要限定本发明，因为还可以对本申请文件的这一部分或其它部分，例如权利要求所述的装置元件或工艺步骤进行组合或变型。
一方面，本发明涉及一种用于对浸入式膜进行回洗从而减小每次回洗或稀释所排放的水的体积的方法。对于以分批模式运行的浸入式膜系统，在通过对膜罐排水而将水周期性地排放的情况下，在过滤循环时间(给罐排水事件之间的时间)和所排放的水体积之间存在一种关系。
tF=VBW×RQF(1-R)]]>其中tF＝过滤循环时间VBW＝所排放的水的体积QF＝(平均)净过滤流量R＝回收率(滤液/供给水)通过将所排放的水的体积降至最小，可以减少过滤循环时间，同时保持相同的系统回收率。更短的过滤循环时间通过减少膜积垢导致膜性能提高(因为如果新的循环以高度稀释的罐内水开始，则膜运行在平均固体浓度较低的水中)，并因此使膜系统以更高的通量设计和运行。可选地，所排放的水体积的降低使膜系统以更高的系统回收率运行，而不影响过滤循环时间和膜性能。虽然罐可以在两个循环之间被完全排空，但所排放的水体积也可以等于或小于罐的体积，并且可以通过在给罐排水之前使渗透液流回到罐内而对膜进行回洗。
另一方面，本发明涉及一种具有在回洗或给罐排水步骤之前的渗透液下降步骤的分批的膜过滤工艺。该工艺从对罐进行填充开始，然后渗透，同时增加供给水以保持位于罐内膜上方的大体恒定的水位。在该步骤之后，膜罐内的水位在渗透液下降步骤中下降到降低的水位，渗透液下降步骤包含减少或停止对膜罐进行供水但继续进行渗透，以降低膜罐内的水位。水位甚至可以降低到膜的一部分暴露于空气中的程度。然后对膜系统进行回洗以从膜孔中并从膜表面去除固体。可选择地，膜罐内降低的水位可以使得反向冲刷使膜纤维完全再次浸入，或者使得膜的一部分保持暴露于空气中。在回洗之后，可以给膜罐排水。可选地，在对罐进行排水之前可以使用第二渗透液下降步骤以再次降低水位。可以在水位已经下降之前或之后对膜进行回洗。利用或不利用第二渗透液下降步骤，膜的一部分都可以在给罐排水开始时暴露于空气中。膜纤维还可以在渗透液下降步骤或多个渗透液下降步骤、回洗步骤、给罐排水步骤中的一个或多个期间或者在这些步骤中的任意步骤之前或之间进行空气冲洗。这些步骤中的一些还可以与其它步骤重合。
另一方面，本发明涉及一种用于提高通气效率以防膜积垢的工艺。发明人已经观察到，尽管有常规的回洗、通气或化学清洗，但固体或污泥仍然可能积聚在膜纤维周围。特别地，污泥可能堆积在垂直纤维模块的下集管上方的一层中、上集管下方的一层中、或者这些或其它类型的模块的在普通的空气冲洗下难以与气泡接触的其它区域。用于减小污泥积聚在浸入在液体内膜纤维上的工艺包括将液体水位降低到膜的具有污泥积聚的区域或其附近，并在液面位于该水位处时提供一段时间的空气冲洗，以从膜纤维上去除污泥或固体。尽管本发明并不限于这一理论，但发明人相信在降低的水面处胀破的气泡所释放的能量能非常有效地去除模块的问题区域中的污泥或固体堆积。污泥可以通过其后将罐的剩余水排掉而直接从膜罐中移走，或者晚一点移走，例如在罐已经再次填充之后移走。
另一方面，提供了一种可选方案以对膜单元，特别是在上集管和下集管之间延伸或者从单个集管向下延伸的垂直中空纤维的元件进行通气。膜单元通常在罐被填充到单元的顶部或其上方的情况下进行通气。作为替代，罐的水位降低至某一水位附近，该水位在上集管或限制垂直向上流动通过单元的其它结构下方，例如上集管底部以下1厘米到10厘米或者2厘米到6厘米，同时对所述元件通气。这样有助于防止对膜的破坏，所述破坏有可能是由于在上升的气泡撞击上集管底部并侧向移动以从模块中逸出时的能量耗散所产生。但是在罐内水的表面处所释放的能量也能清洗膜的上部区域。
在一些实施例中，以上所述的工艺与过滤系统，例如具有渗透和稀释循环的一个系统的操作步骤相结合。
在其它方面，本发明提供了多种其它的过滤工艺。这些过滤工艺例如可以用在新的设备中或用作现有设备，例如具有连续通气的供给和排放设备的改进。在改进具有连续通气的现有的供给和排放设备之后，该工艺可以以可以接受的成本降低所需通气量以完成所述变化。例如，现有的供给和排放设备不能快速地排放大体积的水。因此，将这种设备转变成在渗透停止的同时将罐排空的成本是昂贵的。即使在新建造的设备中，在渗透步骤之间将罐的整个体积排放掉也会增加设备的成本，并且还会妨碍或阻止使用一些所需的预处理方法。因此，所描述的工艺是在渗透步骤之间并不将罐排空。
一方面，本发明提供了一种循环工艺，其中在很少或没有任何滞留液离开罐的渗透时间段之后，膜被反向冲刷和通气。在反向冲刷之后，排掉罐的一部分，例如罐的大约10％-25％的水。在这种部分排水期间通气可以继续进行，并且由于膜的大部分，例如75％或更大部分保持浸入而保持有效。在中空纤维竖直定位的情况下，模块的下部可能会更快地积垢并且不能通过部分排水来实现对这部分模块的通气。在部分排水之后，对罐进行再次填充并且开始下一循环中的渗透。
另一方面，本发明提供了一种具有大体上连续的废料排放的工艺。渗透大体上也是连续的，但例如为了回洗可以周期性地停止。在该回洗期间和在两次回洗之间间歇地进行通气。与连续的通气工艺相比，间歇地通气减少了所使用的空气量。
另一方面，本发明提供了一种除了用于周期性的回洗之外渗透大体上连续的循环工艺。在回洗期间进行通气并且通气可以在回洗后持续一段时间。在回洗期间提供从罐中流出的滞留液并且可以持续超过回洗和通气步骤，例如循环持续时间的四分之一或三分之一，但小于整个循环持续时间，例如循环持续时间的三分之二或二分之一或更少。滞留液流动的时机与从膜中释放出的固体通过通气和回洗被分散在罐内水中并更有可能在滞留液流中以更高浓度移走的时间段相一致。在每次循环中移走的滞留液体积提供了所要求的回收率并可以比罐体积小，例如小于罐体积的50％或在罐体积的5％-30％或5％-20％之间。
通过以上所述的任意工艺，过滤循环时间可以是45或40分钟或更少、30分钟或更少或者20分钟或更少。回收率可以至少是80％或者至少是90％或者在90％到95％之间。过滤流量是膜通量和表面面积的函数。膜通量可以是40L/m2/h或更大或者50L/m2/h或更大或者60L/m2/h或更大。对于每毛立方米的罐体积，膜表面面积可以是250m2或350m2或更大，或者750m2或更少。罐体积以一基准或设计水位测量，所述基准或设计水位可以是在罐刚好充满且罐内水大约处于膜单元顶部的水位。作为渗透液提取的水量可以是每小时5倍到70倍于罐体积或者每小时6倍到40倍于罐体积。罐滞留时间—移出一个罐体积的渗透液所需的时间，可以是在1.5分钟到10分钟之间，或者对于过滤中等或高固体含量的供给水的工艺在5分钟到10分钟之间，或者对于过滤低或中等固体含量的供给水的工艺在1.5到7.5分钟之间。该工艺可以是非再循环的。在回洗工艺中再次进入罐内的渗透液的量可以在罐体积的10％到40％或50％之间，或者在罐体积的20％到30％之间。对于包括罐体积的工艺计算，例如相对于罐体积，与移走的滞留液或渗透液的或者返回的回洗水的体积有关的计算、罐滞留时间以及相关的计算，膜单元自身所占据的体积从总的罐体积中减去。循环时间、渗透液移走量以及移走的滞留液的量是相关的并可以被选择以得到所需的回收率。
另一方面，本发明涉及一种在对罐进行填充步骤期间对膜单元进行通气的工艺。
在其它方面，本发明提供上述任意两个或多个方面所有可能的组合。从以下对示例性实施例的说明或权利要求中可以了解到本发明的其它方面。
现在参照附图对本发明的实施例进行描述。
图1是过滤装置的示意图。
图2、3和4表示出多种膜箱。
图5是根据本发明的实施例的工艺的流程图。
图6和7表示另一装置的侧视图和平面图。
图8是根据本发明的实施例的另一工艺的流程图；图9是根据本发明的另一实施例的另一工艺的流程图；图10是膜罐在图8所示的工艺开始处的示意图；图11是图10所示的膜罐处于图8所示的工艺的后续步骤处的示意图；以及图12是膜罐处于图9所示的工艺的一个步骤处的示意图。
图13、14和15是根据本发明其它实施例的工艺的示意图。
具体实施例方式
下文对膜单元、过滤装置元件以及总的分批的供给和排放工艺的总体描述适用于下面进一步描述的其它实施例，尽管该总体描述与任何特定实施例的描述都不一致。
现在参照图1到图4，示出了反应器10，其用于对具有固体的供给液进行处理，以产生固体浓度降低的已过滤的渗透液和固体浓度提高的滞留液。这种反应器10有许多潜在的应用并可以例如用于从诸如湖、井或水库的水源中形成可饮用的、市政或居住用水，用于废水的三重过滤，或者用于过滤工业用水。这种供给水通常包含胶体、悬浮固体、细菌以及其它颗粒或物质，它们必须被过滤掉，并且无论是否为固态都总体称为固体。反应器10可以各种方式变化，包括提供预处理阶段或后处理阶段。下文的描述用于介绍使用本发明的示例性系统而不是要将本发明限定于特定的反应器。
第一反应器10包括将待处理的供给水14从水源16通过入口18泵送到罐20的给水泵12，供给水在罐20内变成罐内水22。可选地，也可使用重力给水，其中用给水阀替换给水泵12。每个膜24具有不与罐内水22接触并且由于其在膜24内侧而不可见的渗透液侧，以及与罐内水22接触的滞留液侧。膜24可以是中空纤维膜24，对于中空纤维膜24的外表面是滞留液侧并且膜24的内腔是渗透液侧。
膜24连接成元件8。所示的元件8是可使用的一种膜单元的实例，尽管如此，本发明也可以使用其它的膜单元。在元件8中，每个膜24连接到一个或多个集管26上。每个集管26可以固定膜24的闭合端或闭合环路，或者可以固定膜24的开口端并有助于将膜24的开口端连接到渗透液收集通道上。膜24的开口端由封装材料环绕，以在膜24的外侧和集管26之间形成不漏水的连接，同时保持膜24的渗透液侧与至少一个集管26中的渗透液通道流体连通。集管26的渗透液通道通过渗透液阀34与渗透液收集器30和渗透液泵32连接。通过渗透液收集器30的渗透液流中带走的空气被收集在空气收集器70中，空气收集器70通常位于渗透液收集器30中的至少局部高点上。空气收集器70通过集气阀72周期性地排空空气或具有泵以排出空气，集气阀72可以例如在膜24回洗时打开以向大气排放空气。通过出口阀39在渗透液出口38处产生可供使用的已过滤的渗透液36。存储罐阀64可以周期性地打开以使渗透液36可以进入存储罐62。已过滤的渗透液36在用作饮用水之前需要后处理，但应该具有可以接受的胶体和其它悬浮固体含量。
在大型反应器10中，多个元件8可以组装在一起形成箱28，箱28可以连接在一起形成其它更大的膜单元。可以有多个渗透液收集器30、渗透液泵32或其它部件。在图2、3和4中示意性表示了箱28的实例。所示类型的每个元件8可以具有一束或多束1cm到10cm宽的中空纤维膜24。也可以使用其它类型的元件8和箱28或其它膜单元。膜24可具有微滤或超滤范围的平均孔径，例如在0.003微米到10微米之间或0.02微米到1微米之间。元件8也可以仅具有一个渗透集液管26，在这种情况下，没有通向其它集液管26的渗透线。集液管26还可以具有开口以使水或空气可以流过集液管26。
参照图3，例如，多个元件8连接到共用的渗透液收集器30上。膜24竖直地定位在竖直平面上。根据膜24的长度和罐20的深度，图3所示的多个箱28还可以一个叠放在另一个上。参照图2和4，元件8被示出处于可选的方位。在图2中，膜24被定位在水平面内，并且渗透液收集器30连接在一个叠放在另一个上的多个元件8上。在图4中，膜24水平地定位在竖直平面内。根据图4中集液管26的深度，渗透液收集器30也可以连接在一个叠放在另一个之上的这些多个箱28上。为了清楚起见，在图2、3和4中表示的箱28已经被简化，实际的箱28通常具有在一起更靠近的元件8、更多的元件8以及将它们固定在一起的框架。
箱28或其它膜单元可以由具有不同形状，例如圆柱形的元件8以及连接在单个集液管26上成圈纤维束或一端固定在集管26上而另一端松散的纤维束形成。类似的模块、单元或箱28也可以用管状膜替代中空纤维膜24形成。对于平板膜24，成对的膜24可连接以在膜之间形成闭合表面并使适当的管路可以与闭合表面的内部相连的集管或壳体上。这些单元中的几个可以连接在一起以形成平板膜箱。市售的中空纤维膜箱28包括由ZENON Environmental Inc.制造并以商标ZEE WEED销售的箱，例如ZEE WEED500或ZEE WEED1000产品。
为了不时地提供化学清洗，在化学品罐68内设置清洗用化学品，例如次氯酸钠、氢氧化钠或柠檬酸。在化学回洗阀66打开时，渗透液阀34、出口阀39以及回洗阀60都关闭。化学品泵67运行以推动清洗用化学品通过过化学回洗管69并且然后反方通过渗透液收集器30以及膜24的壁。在化学清洗结束时，化学品泵67断开并且化学品泵66关闭。优选地，化学清洗之后紧跟有渗透液回洗，以在渗透恢复之前清洁渗透液收集器30和膜24的清洗用化学品。化学清洗还可以通过用化学品溶液填充罐20并将溶液抽吸通过膜24来进行。
为了填充罐20，给水泵12将供给水14从水源16通过入口18泵送到罐20，供给水在罐20处变成罐内水22。当罐内水20的水位首次完全覆盖罐20内的膜24时，罐20就算满了，但罐20也可以在其它时候具有处于该水位以上的罐内水22，并且可以运行在位于满水位之上的设计水位的情况下。
为了进行渗透，渗透液阀34和出口阀39打开，并且渗透液泵32开启。相对于环绕膜24的罐内水22在膜24的渗透液侧上形成负压。所得到的横跨膜的压力可以在1kPa到100kPa之间，或者在20kPa到85kPa之间，该压力将罐内水22抽吸通过膜24(而后被称为渗透液36)，同时膜24滤除保留在罐内水22内的固体。因此，在渗透液出口38处产生可供使用的已过滤的渗透液36。存储罐阀64周期性地打开使渗透液36进入存储罐62以在回洗中使用。当已过滤的渗透液36从罐中移走时，在部分渗透时间或全部渗透时间期间，给水泵12可以运行以将罐内水22保持在覆盖膜24的水位处，例如罐的满水位或设计水位，从而解决渗透期间移走滞留液(如果有的话)的问题，或者移走泡沫(如果存在)或其它物质(如果存在)的问题。
为了回洗(可选地称为反向冲刷或反向冲洗)膜，在渗透停止时，回洗液阀60和存储罐阀64打开。渗透液泵32开启以将已过滤的渗透液36从存储罐62推动通过回洗管63直到集液管26并反向通过膜24的壁，由此除去一些连接在膜24上的固体。在回洗中，泵送通过一组膜24的壁的水的体积可以是保持膜24的罐20的体积的10％到40％之间，更经常是在20％到30％之间。在回洗结束时，回洗阀60关闭。作为采用渗透液泵32驱动回洗的可选方式，也可以在然后旁过渗透液泵32的回洗液管路63中设置分离的泵。借助于任一装置，回洗都可以持续15秒到1分钟。当回洗结束时，渗透液泵32然后断开并且回洗阀60关闭。回洗期间的流量可以是渗透液流量的1-3倍，并且可以以连续、间歇或脉冲形式提供。
为了提供冲洗空气(可选地称为通气)，供气泵50开启并且从进气口52通过空气分配管54将空气、氮气或其它合适气体吹送到位于膜元件8或箱28下方、之间或与它们一体的通气器56，并将气泡58分散到罐内水22中，气泡向上流经膜24。
所提供的冲洗空气的量取决于多个因素，但优选地与通过通气器56的气流的表观速度有关。气流的表观速度定义为在标准状态下(1个大气压和25度摄氏温度)流到通气器56的气流流量除以被通气器56有效冲洗的横截面积。可以通过操作供气泵50来提供冲洗空气，以产生与表观速度在0.005m/s到0.15m/s之间的气流相对应的空气。在空气冲洗步骤结束时，供气泵50断开。尽管空气冲洗在膜24完全浸入在罐内水22时最有效，但它在膜24的一部分暴露于空气中时仍然有用。空气冲洗在与回洗相结合时更有效。
有时也可以提供空气冲洗以将膜24附近的罐内水22中的固体分散。这种空气冲洗防止在渗透液提取通过膜24时靠近膜24的罐内水22过量地含有固体。对于这种空气冲洗，可以以0.005m/s到0.015m/s之间的气流表观速度连续地提供空气或者以0.005m/s到0.15m/s之间的气流表观速度间歇地提供空气，例如每1-15分钟提供5-180秒或每1-4分钟提供5-20秒。
为了从罐20中移走未过滤的罐内水22—这根据移走罐内水22的速度和程度可以称为排水、滤除、废液清除或排放，排水阀40打开以使然后包含有浓度提高的固体并被称为滞留液46的罐内水22从罐20通过滞留液出口42流到排水管44或另外的处理区。滞留液泵48可以开启以更快地给罐排水，但在许多设备中，罐只通过重力就足够快速排空，特别是在渗透期间需要废液排放的情况下。可能花2到10分钟将充满状态的罐20完全排干，以及用较少的时间对罐20进行部分地排水。还可以通过从罐20顶部溢流或通过在中间高度处的管道或其它导管从罐20中移走滞留液46。
在一般的过滤工艺中，罐内水22可以与其它罐或蓄水池再循环。可选地，基本上所有进入罐20的供给水14都可以作为渗透液36或滞留液46离开罐20，且滞留液46不返回到罐20中。为了实现本申请的目的，其中通过分批、供给和排放或另一工艺，基本上所有进入罐20的供给水14都作为渗透液36或不会回到罐20的滞留液46离开罐20的这些工艺被称为非再循环工艺。如果滞留液46不再进一步过滤，则非再循环工艺也可以被称为单程工艺。如果滞留液46在下游的反应器中再次过滤，但仍然不返回到罐20中，则该工艺也可以被称为多程系统的第一程。其中未过滤的罐内水22的大部分从罐20中移走并流回到水源16，或通过带有一些或全部被移走的罐内水22的一些其它通道回到罐20的工艺被称为再循环工艺。下文所述的所有实施例都是非再循环工艺，除非另有声明。但是，本发明的各方面也可以适用于再循环工艺，特别是供给水22在罐20和体积相似的水源16之间再循环的那些工艺。在工艺中，供给水14进入罐20并且仅有渗透液36离开罐20的时间段可以被称为死端过滤(dead end filtration)时间段。具有死端过滤时间段的工艺可以被称为死端工艺，虽然在其它时间段，例如稀释时间段中，滞留液46也可以离开罐20。为了本申请的目的，具有提取渗透液36但不提取滞留液46的主要时间段以及提取滞留液46但不提取渗透液36的另一较短时间段的循环工艺可以被称为分批或非连续工艺。在提取渗透液36的时间段中，如果不是为了本申请的目的，可以有死端过滤或再循环渗透，分批工艺被假定具有死端渗透时间段，除非另有声明。
非再循环分批过滤工艺的一个实例可以具有重复循环的浓缩或渗透以及稀释步骤。在浓缩步骤中，渗透液从最初具有较低固体浓度的一批新的罐内水22中提取。例如，如果罐20已经完全排干并再次填充，则罐内水22初始地具有与供给水14相同的固体浓度。当提取渗透液时，新的供给水14被引入，以替换被作为渗透液36提取的水。在可能持续10分钟到4小时或15分钟到40分钟或45分钟的该步骤期间，固体被膜24滤除并且不会与渗透液36一起从罐20中流出。在单程工艺中，没有任何滞留液46或其它移除物的流动或者罐内水22的再循环。结果，罐内固体的浓度提高到例如供给水14的浓度的2到100倍或5到50倍。该工艺然后进入稀释步骤。在持续时间为浓缩步骤的持续时间的1/50到1/5的稀释步骤中，通过移走未过滤的罐内水22使大量固体从罐20中快速移走，从而使固体浓度回到初始浓度。这可以通过排掉罐20的一部分水并用新的供给水14对其进行再填充来实现。为了有助于固体自己离开膜24，可以在稀释步骤之前或期间使用空气冲洗和回洗。新的循环通常在前面的稀释步骤结束时开始。但是，有些循环在新的反应器10首次投入运行时或在化学清洗或其它保养程序之后开始。
可选的工艺是非再循环的供给和排放或连续工艺。在供给和排放工艺的实例中，供给水14基本上连续地流入罐20中。渗透液36基本上连续地提取，但例如为了进行回洗有时也可以停止。滞留液46基本上连续地从罐中排放，并且在单程工艺中，不会返回到罐20中。滞留液46的平均流量可以是供给水14的流量的1％-20％。其余的供给水14可以作为渗透液36移走。罐内水22内的固体浓度可能高到供给水14的浓度的5-20倍的水平。在渗透期间可以连续地进行通气。
现在参照图5，利用浸入式膜过滤水的过滤工艺具有填充步骤100、平衡的渗透步骤102、渗透液下降步骤104、回洗步骤106、空气冲洗步骤108以及给罐排水步骤110。这些步骤形成了重复实施用于连续过滤的循环。每个步骤将在下文更详细地描述。
在填充步骤100中，给水泵12将供给水14从水源16通过入口18泵送到罐20，供给水在罐20处变成罐内水22。当罐内水22的水位完全覆盖罐20内的膜24时罐20就算被填充。
在平衡的渗透步骤102期间，排水阀40保持关闭。渗透液阀34和出口阀39打开并且渗透液泵32开启。相对于环绕膜24的罐内水22，在膜24的渗透液侧形成负压。所得到的横跨膜的压力将罐内水22抽吸通过膜24(而后被称为渗透液36)，同时膜24滤除留在罐内水22内的固体。因此，在渗透液出口38处产生可供使用的已过滤的渗透液36。存储罐阀64可以周期性地打开，使渗透液36进入存储罐62以在回洗中使用。当已过滤的渗透液36从罐中移走时，给水泵12运行以将罐内水22保持在覆盖膜24的水位上，例如罐的满水位或设计填充水位。泡沫或其它物质不定期地也会移走，但基本上是死端过滤。平衡的渗透步骤102可以持续15分钟到3个小时或者在15分钟到40或50分钟或者45分钟到90分钟之间。特别地，如果平衡的渗透步骤102持续45分钟或更长，则在平衡的渗透步骤102中可以有中间通气或回洗步骤。在平衡的渗透步骤102期间，膜24在所述工艺的渗透液下降步骤104或稀释步骤之前可以不时进行地回洗或空气冲洗，并且平衡的渗透步骤102在这种中间空气冲洗或回洗程序期间或之后持续进行。
在渗透液下降步骤104中，渗透液泵32继续运行，但给水泵12减速或者可选地停止。这样，产生了渗透液36但罐内水22的水位降低。罐内水22可以降低到膜24的最高部分的顶部或降低到膜24的一部分暴露给空气的位置。根据膜24或元件8的结构，将膜24的一部分暴露给空气可能意味着罐内水22的水位在一些整个膜24或元件8的下方但在另一些的上方，或者罐内水22的水位在一个或多个膜24或元件8的一部分的下方但在同一膜24或元件8的其它部分的上方。膜24的暴露部分也可以是膜24的全部，特别是在上膜24可以与渗透液泵30隔离的情况下。
降低罐20内的水位可以暂时降低最大的横跨膜的操作压力，并因此在一些情况下可以导致渗透液流的暂时减小。但是，过滤循环时间下降的益处可能超过液流暂时减少的益处。在膜24的一部分暴露给空气时进行渗透也会将一些空气抽吸到渗透液36中。这些空气被收集在空气收集器70中并不时地排放，且与吸入的空气量相比，空气收集器70足够大，这些空气不会妨碍装置或工艺的其它方面。但是，为了避免将过量的空气吸入到渗透液收集器70，在渗透液下降步骤104期间，横跨膜的压力可以保持在没有缺陷的膜24的起泡点以下，并且膜24的暴露于空气中同时与渗透液泵32相连的面积可以被限制到不超过罐20内总的膜面积的50％。监控渗透液下降步骤104期间收集在空气收集器70中的空气量。如果在一定时间内所收集的空气量超过基于通过湿孔扩散的合理量，则表示在膜24中存在缺陷并且如果必要，要对膜进行测试和维修。
为了结束渗透液下降步骤104，渗透液泵32和给水泵12断开，并且渗透液阀34和出口阀39关闭。给水泵12(如果在运行)可以停止。
在回洗步骤106中，如果不再给罐20排水则排水阀40关闭，回洗阀60和存储罐阀64打开。渗透液泵32开启以从将已过滤的渗透液36从存储罐62通过回洗管63推进到集管26并反向通过膜24的壁，从而排除连接在膜24上的一些固体。在回洗中，泵送通过一组膜24的壁的水的体积可以在保持膜24的罐20的体积的10％到40％之间，更经常是在20％到30％之间。回洗结束时，回洗阀60关闭。作为使用渗透液泵32来驱动回洗的可选方案，还可以在然后旁过渗透液泵32的回洗管路63中设置分离的泵。通过任一装置，回洗都可以持续15秒到1分钟，此后，回洗步骤106结束。渗透液泵32然后断开并且回洗阀60关闭。
回洗期间的通量可以是渗透液通量的1-3倍，并促使罐内水22的水位上升。可以将渗透液下降步骤104期间水位的降低以及回洗步骤106期间水位的升高安排成使得在回洗步骤106结束时膜24被完全浸入。例如，为了随后的通气步骤108，膜24可以被完全浸入。与其中膜24在平衡的渗透之后回洗并且然后给罐排水的工艺相比，这样减小了为稀释罐20而排放的罐内水22的体积。可选地，在渗透液下降步骤104中水位的降低可以超过回洗步骤106中水位的升高，使得膜24的一部分在回洗步骤106结束时保持暴露给空气。这样进一步减少了在给罐排水步骤110期间所排放的水的体积以及所使用的时间。但是，可以使通气步骤108的效率较低，并且因此将通气步骤移到或者将另一通气步骤108被增加到平衡的渗透步骤102结束之后或结束期间、平衡的渗透步骤102和渗透液下降步骤104之间或者在渗透液下降步骤开始期间，以包括使膜24完全浸入的时间。
在空气冲洗步骤108中，通过操作供气泵50以提供冲洗空气，从而从位于元件8或箱28下方、之间或与之一体的通气器56产生相当于0.005m/s到0.15m/s之间的气流表观速度的气泡2分钟。持续时间的强空气冲洗可以对膜24进行冲洗，以将固体从它们上面去除，并且通常将去除的固体分散到罐内水22中。在空气冲洗步骤108结束时，供气泵50断开。尽管空气冲洗步骤被示出在回洗步骤106之后，但它也可以被设置在步骤104-110中的任意步骤之前、期间或之间。尽管空气冲洗步骤108在膜24完全浸入在罐内水22内时最有效，但它在膜24的一部分暴露给空气时仍然有用。空气冲洗步骤108在与回洗结合使用合时更有效。例如，空气冲洗步骤108可以与回洗步骤106基本上同时开始并且在回洗步骤106停止时或停止之后停止。这样，空气冲洗在回洗的同时进行，此时空气冲洗对于给定水位最有效。
对于具有最小积垢性能的供给水14，作为稀释步骤一部分的空气冲洗就是全部所需。但是，对于具有较明显的积垢性能的一些供给水，也可以在平衡的渗透步骤102或渗透液下降步骤104期间设置平缓的空气冲洗，以分散膜24附近的罐内水22内的固体。这种平缓的空气冲洗用于防止靠近膜24的罐内水22在渗透液通过膜24提取时过量地含有固体。相应地，这种空气冲洗并不被看作是图5所示的循环中的空气冲洗步骤108的一部分。对于平缓的空气冲洗，可以以0.0005m/s到0.015m/s之间的气流表观速度连续地提供空气或者以0.005m/s到0.15m/s之间的气流表观速度间歇地提供空气。
在排水步骤110中，排水阀40打开以使包含有浓度提高的固体并被称为滞留液46的罐内水22从罐20通过滞留液出口42流到排水管44。滞留液泵48可以开启以更快地给罐排水，但在许多设备中，仅通过重力就可以使罐足够快地排空。排水步骤110可以在步骤104、106和108都被完成以后开始或者可选地可以在步骤104、106或108中任意步骤正在进行的同时或膜24的一部分暴露给空气的同时开始。在大多数工业或市政设备中，通常要花2到10分钟将罐20从充满状态完全排空，在水位已经降低时花的时间则少一些。
在具有渗透液下降步骤104的工艺的可选实施例中，参考图5所示的一些步骤以不同顺序实施或者多次实施。例如，在渗透液下降步骤104之后，给罐排水步骤110可以在回洗步骤106之前实施。然后可以在回洗步骤106之后增加第二给罐排水步骤110，或者排水阀40保持打开使得给罐排水步骤110在回洗步骤106期间持续进行。回洗步骤106和给罐排水步骤110还可以基本上同时进行或者部分地同时进行。在这些方法中，给罐排水步骤110所需的总时间可以被减少，尽管通气步骤108需要重新定位、补充或者实施得更长。
在其它可选实施例中，在回洗步骤106之后，可以在给罐排水步骤110之前实施第二渗透液下降步骤104。这样进一步减少给罐排水步骤期间所排放的水的体积。可以在部分或整个给罐排水步骤110期间实施第二渗透液下降步骤104。如果第二渗透液下降步骤104持续进行直至罐被排空，则对空气收集器70中空气收集量的监控提供了对所有膜24的完整性的测试。
在另一可选实施例中，渗透液下降步骤104和回洗步骤106的顺序颠倒。因此，在平衡的渗透步骤102之后，水位随着回洗步骤106而升高。这需要罐20具有提高的出水高度，但也提高了渗透液下降步骤104可利用的横跨膜的压力(TMP)。罐内水22还通过回洗步骤106稀释了固体，这样可以降低渗透液步骤104下降期间膜24的积垢。还可以在回洗步骤106期间中实施空气冲洗步骤108，其中对于整个回洗步骤106，膜24都完全浸入在罐内水中。这样可以提供非常有效的空气冲洗步骤108。
在另一可选实施例中，给罐排水步骤110在渗透液下降步骤104之后实施。回洗步骤106在给罐排水步骤110之后实施并成为下一批的填充步骤100的一部分。通过该实施例，在回洗步骤106期间被推离膜24的固体并不离开罐，直至下一循环的给罐排水步骤110。但是，对于给定长度的渗透液下降步骤104，所排放的水的体积非常小。空气冲洗步骤108在渗透液下降步骤104之前或期间、在回洗步骤106期间或者在平衡渗透步骤102之前或之后实施。
图6和7显示了第二反应器111。第二反应器111与反应器10的不同之处在于具有通过开口114与三个罐20中的每个连通的溢流区112或者诸如堰的溢流区，所述开口114可以是管、闸，并具有可操作地打开和关闭溢流区112和每个罐20之间的开口或管的回流阀116。开口114位于正常渗透水位A以上并且在水位处于罐20内的升高的水位B时使水可以从该罐20流到溢流区112。当打开时，回流阀116使水从溢流区112回流到膜罐20。尽管示出了三个膜罐20，但也可以有其它数量，例如1到10个膜罐与单个溢流区112相连。每个罐20具有图1所示的反应器10中与其相关的全部元件，但为了简化视图没有示出这些元件。每个罐20可以与其它罐分离地稀释，或者当需要时，如果溢流区112比所示的更大，则所有的罐20可以同时被稀释。
每个罐都经历过滤工艺循环。但是，这些循环的时机可以在罐20之间错开，使得一次仅有一个罐20需要使用溢流区112。这样，可以将溢流区112的大小定成用于第二反应器111中的一个罐20而不是所有罐20。
对于每个罐20，该工艺从如上所述的填充步骤100开始。之后紧跟有平衡的渗透步骤102，其中水位处于箱28以上但在溢流管114以下，例如在所示的线A处。回流阀116关闭。在平衡的渗透之后，实施回洗步骤106。这样促使水从罐20中上升到例如水位B，并溢流到溢流区112中。在该步骤期间，回流阀116可以打开或者关闭。如果回流阀116在该步骤期间保持打开，则溢流管114可以省去或者用延伸超过水位B的壁代替。在回洗步骤106之后，实施渗透液下降步骤104。回流阀116在该步骤期间打开以使溢流区112内的水可以回流到罐20。渗透液下降步骤104可以继续进行直至在罐20内达到所需的水位，例如水位C或在水回流阀116以下的另一水位，尽管如此也可以选择回流阀116以上的水位。然后实施排水步骤110，之后回到下一循环的填充步骤100，且利用供给水或第二回流来实施所述填充。回流阀116在填充步骤100之前关闭。也可以在所述工艺之前或期间，例如回洗步骤106期间一次或多次提供空气冲洗步骤108。该工艺的优点在于在排水步骤110期间排放的水的体积小于罐20的体积；可以在箱28完全浸入并被回洗的情况下实施空气冲洗步骤108；以及在实施渗透液下降步骤104的大部分过程中，都用回洗过的渗透液稀释罐20中的水。这种稀释与在回洗步骤106之后且存在回洗释放的固体的情况下实施渗透液下降步骤104的情形不同。
在具有渗透液下降步骤104的上述所有工艺中，都可以对罐20进行充分排水，以充分稀释罐20用于下一循环。例如，在下一循环的填充步骤100之前最后的给罐排水步骤110中，可以将罐20的水排放到满水位或设计填充水位的不到40％或不到10％的水位，或者排空。固体浓度可以降低使得下一循环开始时固体浓度是平衡的渗透步骤102结束时的固体浓度的40％或更少。
以下参考图8和图9描述附加或改进的工艺。尽管这些工艺可以用于任何类型的膜单元，但它们对于竖直定位在上集管和下集管26之间的中空纤维膜24或者仅从下集管26向上延伸的膜24特别有用。浸入式中空纤维膜过滤系统有时也会遇到由于固体在膜24上以及周围积聚而产生的一些工艺问题。固体可以积聚到它们开始脱水并形成被称为污泥的泥状物质的程度。在一些模块中，固体或污泥倾向于主要在某些位置积聚，例如直接积聚在具有上集管或纤维的松散的上端的垂直纤维模块中的下集管26之上。在本发明的一些实施例中，提供一种用于从纤维中去除固体，以基本上防止积聚的污泥堆积在纤维上或对由于大量污泥堆积而已经积垢的纤维进行清洗的工艺。
现在参照图8，以流程图示出一种工艺。该工艺提供了对罐进行部分排水并由此具有部分稀释的效果，同时仍然进行有效的通气，特别是对其中通气非常关键的膜24的下部进行通气，并且使通气和排水可以部分地同时进行。所述工艺包括初始化步骤1-1、渗透步骤1-2、停止渗透步骤1-3、排水和通气步骤1-4、停止排水步骤1-5、继续的通气步骤1-6以及对罐再填充步骤1-7。这些步骤可以只为了清洗膜而实施，可以与包含进一步给罐排水的另一工艺相结合，或者可以用于形成在过滤系统的分批操作期间频繁重复进行的浓缩和稀释循环的全部或一部分。以下参照图1-4、10和11更详细地对每个步骤进行描述。
在初始化步骤1-1中，给水泵12将供给水14从水源16通过入口18泵送到罐20，供给水在罐20处变成罐内水22。罐20填充到罐内水22的水位完全覆盖罐20内的一个或多个膜24的时候。
在渗透步骤1-2期间，渗透液36从罐20中抽取通过膜34。排水阀40可以关闭。渗透液阀34和出口阀39打开并且渗透液泵32开启。相对于环绕膜24的罐内水22，在膜24的渗透液侧形成负压。所得到的横跨膜的压力将罐内水22抽吸通过膜24(而后被称为渗透液36)，同时膜24滤除保留在罐内水22内的固体。因此，在渗透液出口38处产生可供使用的已过滤的渗透液36。存储罐阀64可以周期性地打开使渗透液36进入存储罐62。当已过滤的渗透液36从罐中移走时，给水泵12运行以将罐内水22保持在覆盖膜24的水位处。
每个循环，渗透步骤1-2可以持续15分钟到3个小时或更长、15分钟到40或45分钟、或者45到90分钟。特别地，如果渗透步骤1-2是45分钟或更长，则在渗透步骤1-2中可以有中间回洗或通气步骤。在渗透步骤1-2期间，固体可能在罐内水22内积聚并且膜24的渗透性随着膜24的积垢而降低。渗透步骤的结束由膜24降至预选的渗透性、经历的持续时间、已经达到的时间或时间和天、已经产生的渗透液的量或其它手段决定。此时，渗透步骤102结束。在停止渗透步骤1-3中，渗透液泵32和给水泵12断开，并且渗透液阀34和出口阀39关闭。
在步骤1-4，净化工艺随着给膜罐20排水的初始化而开始，并且同时开始通气。可选择地，通气开始可以在罐排干开始之前，或者给罐排水的开始可以在通气开始之前，尽管通气至少在液体水位处于模块28顶部或其附近时开始是优选的。
为了给膜罐20排水，排水阀40打开以使包含有浓度提高的固体并被称为滞留液46的罐内水22从罐20通过滞留液出口42流到排水管44。滞留液泵48可以开启以更快地给罐排水，但在许多设备中，仅通过重力就可以足够快速地将罐排空。在大多工业或市政设备中，通常要花2到10分钟，并且更经常是2到5分钟来完全排干罐20。在排水期间，通气继续进行。
参照图10，在步骤1-4之前，罐内水22被示出处于膜模块28上方水位A处。接着，如图11所示，当在步骤1-4期间进行排水时，较低水位B表示罐内水22的中间水位。随着罐20的排水，气泡在此处胀破的固-液分界面横穿膜24表面面积的一部分，这部分可以高达膜24表面面积的50％或更多，例如10％到30％之间。在此期间，仍然对于膜的浸入部分进行通气。在步骤1-5处，排水暂停或停止在水位C处，该水位可以在已知或怀疑在膜24上要形成污泥积聚的区域的适当水位附近。这样使得胀破气泡的能量能够冲洗液-气分界面附近的有效区域，优选地包括已知具有污泥问题的区域。可选地，水位C可以处于例如填充水位或设计水位的70％到90％之间的水位，该水位需要较少的排水就可以达到并保持膜模块28的较大部分，包括膜模块的底部被浸入。可选择地，还可以在与已知或怀疑要形成污泥积聚的区域相对应的一个或多个附加水位处暂停或停止排水。
通过具有供气泵50的通气系统49在步骤1-4或1-5中提供通气，所述供气泵将空气、氮气或其它合适气体从进气口52通过空气分配管54吹送到通常位于膜模块28下方的一个或多个通气器56，所述通气器将气泡58分散在罐内水22中。通气量可以是在平面图中模块28每平方米的面积传送10到60立方英尺每分钟(cfm)。气泡58对膜24的气泡通过的部分进行冲洗并上升到气-液分界面，在那里它们胀破，释放能量并在罐内水22内形成紊流。
可选择地，回洗还可以在步骤1-2到1-7中的任意步骤期间或之间进行或者在这些步骤的两个或多个处进行。例如，可以在步骤1-6内或在步骤1-3和1-4之间进行大约30秒的回洗。可以使用两种类型的回洗，即总体参照图1-4所述的渗透液或化学回洗。
如步骤1-6所示，在水位C处，通气持续进行时间段T1，该时间段T1可以在30秒到2分钟的范围内。接着，膜罐20在步骤1-7处被再次填充。可选择地，罐20的剩余液体中的一些或全部可以在步骤1-7之前被排掉以去除污泥并进一步稀释罐20。在给罐20进一步排水的同时可以继续进行通气。可选地，被去除的污泥可以在随后的稀释、步骤1-3到1-7的重复或滞留液排放期间移走。由于该方法可以用于向膜24的整个表面面积提供至少一定的通气，因此该方法可以用于替换在这一工艺中另外采用的其它通气步骤。T1可以根据该方法实施的频率而选定。例如，该方法的实施频率可以在一天2-100次到一周一次之间，在这种情况下T1被选定得更长以防止大的污泥堆积而不是移走现存的污泥堆积，并且T1可以是30秒到5分钟。如果该方法实施的频率较低，例如在一天一次到一周两次和每两个月一次之间，则T1可以更长，例如在2分钟到20分钟之间。例如，如果水位C在满水位或设计水位的70％到90％之间，则可以以3小时或更短的循环实施该方法，且排水阀40在渗透步骤1-2期间关闭。在这种情况下，给罐进行部分排水就与每个循环的不连续排放或部分稀释类似。T1可以是2分钟或更短，因为步骤1-6频繁进行。如果水位C更低，例如在下集管26附近，则可以以较长的循环时间实施该方法，并且在渗透步骤1-2期间排水阀40可以连续或周期性地打开，或者步骤1-2可以包含中间通气、回洗或稀释事件，以提供周期性中断的总体的供给和排放或分批工艺。在这种情况下，T1可以更长，例如高达20分钟或在2分钟到20分钟之间。当所述工艺对在此描述的另一工艺提供周期性中断时，例如在一天一次到一个月一次之间，T1也可以较长，例如在2分钟到20分钟之间。
当气泡上升通过罐内水22时，它们在膜24的表面上形成紊流和剪切力，其能一定程度地控制积垢和积淤。发明人还已经发现，当气泡到达在渗透期间通常处于膜纤维上方的液-气分界面时，它们在液-气分界面胀破时释放惊人的能量。在本发明的一些实施例中，在液-气分界面处胀破气泡所释放的能量用于防止膜纤维的积垢和/或清洗积垢的膜纤维。在这些实施例中，用于防止和/或清除污泥的工艺包含将水位调节到在其附近能观察到有大规模膜积垢和/或污泥堆积的水位以及通气一段时间，使得在液-气分界面处所释放的能量可以在重新填充膜罐并且继续进行渗透或继续将罐完全排干之前作用在污泥上。将水位调节到特定区域给这些特定区域提供了由气泡在液-气分界面胀破所导致的强化冲洗。通常，特定目标区域是那些易于堆积污泥的区域，例如具有或不具有上集管的膜单元的下集管正上方的区域，或者更小范围地，位于上集管正下方的区域。这种防止和/或清洗工艺有利于减少否则会积聚在膜纤维上的污泥量或去除已经积聚的污泥。而且，这种防止和/或清洗工艺可以使膜纤维用在可能发生严重和有害的污泥积聚的情况下。
现在参照图9，示出了用于防止膜罐20内膜纤维积垢或清洗膜纤维的第二工艺。该工艺包括初始化步骤2-1、渗透步骤2-2、停止渗透步骤2-3、液位调节步骤2-4、通气步骤2-5以及膜罐再填充步骤2-6。这些步骤可以仅为了清洗膜而实施，可以与包含对罐排水的另一工艺相结合进行或者可以用于形成在过滤系统的分批操作期间频繁重复实施的浓缩和稀释循环的全部或一部分。以下参照图12并继续参照图1-4更详细地对每个步骤进行描述。
步骤2-1到2-3分别与以上参照图8描述的步骤1-1到1-3相同。图9所示的方法的其它方面也与图8所示的方法相同或相似，所以不再重复。参照图12，以步骤2-4开始，膜罐2内的液位被降至污泥积聚的区域的顶部处或附近的液位E。液位E或在图11所示的一些实施例中的液位C可以在膜24底部的30厘米内，例如在垂直纤维模块28的下集管26顶部的30厘米内或在垂直纤维24的模块28的下集管26或唯一的集管26的20厘米或15厘米内。其它结构的模块28可能具有污泥积聚的其它区域。
在步骤2-5，可以进行一段时间T2的通气，T2可以在30秒-20分钟范围内。胀破的气泡提供足够的紊流，以有效地清洗液位E处的液-气分界面以下深度D的膜纤维。该深度取决于通气强度，并且在本实施例中，其可以达到液位E以下30厘米和/或足以达到膜24的底部或垂直纤维的模块的下集管或唯一集管的顶部。如果模块28存在多个易于积聚污泥或堆积固体的区域，则步骤2-4和2-5可以在不同的液位处重复一次或多次。在最后的通气步骤2-5之后，膜罐在步骤2-6，可选地在进一步或完全排干罐以立即移走被去除的污泥之后再次填充。由于该方法不对膜的整个表面区域通气，因此当在所述工艺的另一部分期间例如在步骤2-2期间或者步骤2-3或2-4之间进行影响整个膜表面区域的另一通气步骤时，可以使用该方法。T2准确的持续时间可以与T1相同，并按对T1所述的方式进行选择。在任一方法中，T1或T2也可以是可变的，或者这些方法可以相结合。例如，图8或图9中的方法可以以较短的T1或T2频繁实施，但是在同一工艺中，图8或图9的方法也可以以较低的频率以及较长的T1或T2实施。
还可以对这些工艺进行其它改进。例如，步骤1-4中的排水或步骤2-4中的液位调节可以是图5所示的步骤104中的渗透液下降步骤。另外，罐内水22可以是废水以及正在过滤以提供引用、市政或生产用水的水。另外，罐可以在步骤1-6或2-6之后再次填空，而无需排水到暂停水位以下，且污泥然后通过浓缩液排放或在下一稀释、清洗或给罐排水中去除。另外，本发明可以用于非分批工艺，例如通过步骤1-4或2-4将罐中的水排放到另外的蓄水池，然后从该蓄水池重新对罐进行填充，或者按照在给罐排水所能容许的频繁程度或由于其它原因所需的频繁程度来实施本发明。
图13-15表示另外的工艺。尽管被设计成用来改进连续通气的供给和排放系统，但这些工艺也可以应用于其它或新建的系统。
图13表示与图8所示相似并且可以在某些情况下可以在图8所示工艺的范围内实施的另一工艺。渗透在T0开始并持续到T1。T0和T1之间的时间例如可以是15分钟到40或45分钟，其可以是不提取滞留液的死端渗透。在T1，渗透停止并且反向冲刷和通气开始。反向冲刷和通气持续15秒到5分钟或30秒到90秒直至T2。在T2，回洗停止并且开始对罐部分排水或再次填充。在排水/再次填充期间，罐内水22的一部分，例如满体积或常规体积(例如在渗透期间存在的水的平均体积或设计体积)的5％或10％到25％之间、从罐20中排掉并且然后用新的供给水14替换。移走的量可以与所需的回收率有关。部分膜24在这些步骤期间暴露。这些步骤可能要花例如30秒到5分钟并在下一循环开始的T0处结束。通气可以继续进行直至在排水/再次填充步骤期间出现的时间T3。也可以在该工艺的再次填充步骤期间或此处所述的任意其它工艺的填充步骤中进行通气。通气可以在再次填充罐20开始之前或开始时结束。和图8所示的工艺一样，还可以在排水和再次填充之间有通气暂停时间段，或者填充可以在排水之后立即开始。与连续通气的供给和排放工艺相比，图12所示的工艺可以使所需通气的量降低90％-95％，同时仍然能处理中到高浓度的固体载荷，例如罐内水22或滞留液46中1000mg/L的总体悬浮固体(TSS)。尽管设备必须被改进或建造以提供快速地进行部分排水和再次填充，但与具有将罐完全排干和再次填充步骤的分批工艺相比，上述工艺需要较少的改进或较小的排水和给水能力。该工艺提供部分稀释，并且在固体通过反向冲刷和通气从膜24中释放之后或与此同时进行排水。
图14表示另一工艺。在T0处，膜被回洗和通气直至T1。T0和T1之间的时间可以例如是大约10秒到60秒或者大约15秒。反向冲刷和通气不必准确地同时发生或者持续如图所示的相同时间。在T1处，用于再悬浮的渗透和通气开始。如图所示，通气可以是间歇的，例如以如上所述的常规通气量每1-4分钟或大约每2分钟进行5-20秒或大约10秒。可选地，可以提供通气量降低的连续通气。通常在整个循环中提供基本上连续的排放或滤除。该循环可以持续例如10到20分钟或者大约15分钟。
与连续通气的供给和排放工艺相比，通气可以降低大约80％-85％。仅需要对通气系统做出改进。但是，该工艺可能导致中等或高固体浓度设备中的膜的通量降低或有时积聚淤泥，但是该工艺足以用于低到中等固体浓度的设备。
图15表示另一工艺。在T0处开始反向冲刷、通气和滤除。例如在10-30秒或大约15秒之后，即在T1处反向冲刷停止并且渗透开始。通气继续进行直至例如可以是T0之后大约60-120秒或大约90秒的T2。废料移走继续进行直至T3。在T3之后，废料移走停止同时渗透继续进行到下一循环的T0。T3被选定为在T2之后包括一段时间，此时废料中的TSS浓度由于反向冲刷和通气仍然保持较高，该段时间例如可以是T0之后大约5-10分钟或大约7.5分钟。选定废料的移走量或者延长T3以获得想要移走的体积的滞留液。可选地，如果直至T3废料移走都没有移走足够体积的罐内水，则滤除可以在T0之前再次开始。总的循环时间可以是例如大约10-20分钟或大约15分钟，并且可以在例如循环持续时间的大约2/3或1/2或更少的时间内提取废料。每次循环所移走的滞留液46的量可以是在罐20体积的5％到25％之间或者5％到10％之间。废料46的移走量可以是渗透液36的平均移走量的10％-20％。在整个循环上平均，滞留液46的走量可以是产生80％或90％到95％之间的回收量的量。渗透液36的移走量可以保持恒定，其中供给水14输入量变化以保持罐内水22基本上恒定的水位或者保持罐内水22的水位处于可以接受的范围内。可选地或另外地，可以有意使罐内水22的水位有一定程度的波动，例如在回洗期间上升，并且在滞留液46被提取并可能再次进入循环的时候下降。
与连续通气的供给和排放工艺相比，该方法可以使通气降低80％或更多。必须对设备或设计做出修正以便允许提高的废料流量，例如连续排放设备的设计流量的150％或两倍或更大，但那些修正比用于具有给满罐排水的分批工艺的修正要少。该工艺可以处理中等到高的固体载荷。
在以上关于图13-15的段落中，与连续通气的供给和排放工艺的比较假定连续通气的供给和排放工艺在整个渗透中以10秒开10秒关的周期使用通气。在絮凝(如果存在)之后，低固体含量具有小于5mg/L的供给TSS。在絮凝(如果存在)之后，高固体含量具有超过50mg/L的供给TSS。中间固体含量在这两者之间，例如在5mg/L到50mg/L之间或在5mg/L到25mg/L之间。
前述说明仅仅是示例性的实施例而并不限制本发明的范围，本发明可以以各种变型方案实施。
权利要求
1.一种分批膜过滤工艺，包括以重复循环实施的以下步骤(a)对罐进行填充以将膜浸入在罐中；(b)在步骤(a)之后，将渗透液提取通过膜同时增加供给水以保持膜被浸入；(c)在步骤(b)之后，提取渗透液同时减小或停止供给水流以降低罐内水位；(d)回洗膜；以及(e)在步骤(a)、(b)和(c)之后，给罐排水。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(d)在步骤(c)之后并在步骤(e)之前进行。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，在步骤(c)中，罐内水位被降低到膜的一部分暴露于空气中的程度。
4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，步骤(d)在步骤(c)之后进行，并且在步骤(d)期间所提供的水的体积将膜暴露于空气中的所述部分再次浸入。
5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于，当膜的所述部分被再次浸入时或之后利用空气冲洗膜。
6.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，步骤(c)在步骤(d)之后并在步骤(e)之前重复实施。
7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(d)在步骤(e)之后进行。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征在于，在步骤(d)之后，步骤(e)在回到下一循环的步骤(a)之前重复实施。
9.如权利要求8所述的工艺，其特征在于，步骤(c)在步骤(d)之后并在重复实施步骤(e)之前重复实施。
10.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤(c)、(d)或(e)中任意步骤之前、期间或之间利用空气冲洗膜。
11.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤(d)在步骤(c)之前实施。
12.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于，在通过渗透使水位降低而使膜的一部分暴露于空气中的时候开始给罐排水，或者回洗然后排水。
13.一种具有膜罐的反应器，所述膜罐具有膜模块和溢流区，所述溢流区通过从溢流区底部到所述罐的带阀通道与所述罐流体相连，使得溢流区能够将水排到所述罐中，所述通道位于膜模块顶部下方。
14.如权利要求13所述的反应器，其特征在于，所述反应器具有在罐和溢流区之间的通道，所述溢流区位于所述通道上方以及膜模块顶部上方。
15.一种用于从浸入在液体中的膜纤维模块中去除固体的工艺，所述工艺包括(a)将液体水位降低到与膜纤维的具有固体积聚的区域相对应的水位；以及(b)在液体处于与膜纤维的具有固体积聚的所述区域相对应的水位时，提供一段时间的通气。
16.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在步骤(b)之后将剩余液体排掉。
17.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在步骤(b)之后将膜纤维再次浸入。
18.如权利要求15-17中任意一项所述的工艺，其特征在于，权利要求1所述的步骤(b)处的液体水位处于竖直定位的纤维模块的集管附近，所述纤维从集管向上延伸。
19.如权利要求15-18中任意一项所述的工艺，其特征在于，权利要求15所述的步骤(b)处的水位在竖直定位的中空纤维模块的集管顶部的30厘米内，所述中空纤维从集管向上延伸。
20.如权利要求15-19中任意一项所述的工艺，其特征在于，步骤(b)进行大约30秒到20分钟之间。
21.如权利要求15-20中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述所有步骤在少于30分钟的时间内进行。
22.如权利要求15-21中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述所有步骤在少于15分钟的时间内进行。
23.如权利要求15-22中任意一项所述的工艺，其特征在于，权利要求15所述的所有步骤被包括在具有渗透和稀释循环的分批或过滤系统的有规律操作中，该分批过滤系统通过使用权利要求15所述的所有步骤来提供稀释。
24.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，在步骤(a)期间给所述膜通气。
25.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述工艺还在权利要求15所述的步骤(b)之后包括(c)将液体水位降低到与膜纤维的具有固体积聚的另一区域相对应的第二水位；以及(d)在液体处于第二水位时提供一段时间的通气。
26.如权利要求1-12中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括权利要求15或25所述的工艺。
27.如权利要求15-25中任意一项所述的工艺，其特征在于，通过提取多于任何输入供给水的渗透液而使液体水位降低。
28.一种使用浸入在罐内的膜的过滤工艺，所述工艺包括以下步骤(a)渗透；以及(b)在步骤(a)之后，对罐进行回洗、通气、部分排水以及重新填充，其特征在于，步骤(a)和(b)以重复循环的方式实施。
29.如权利要求28所述的工艺，其特征在于，渗透步骤是死端的。
30.如权利要求28或29所述的工艺，其特征在于，在步骤(b)中排出罐设计体积或填充体积的10％-25％。
31.如权利要求28所述的工艺，其特征在于，将所述罐的水部分地排到与膜的具有固体积聚的区域相对应的水位，并且在罐保持在该水位时给所述膜通气。
32.如权利要求28所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在步骤(a)之后并在给罐排水之前提取多于进入罐的任何供给水的渗透液。
33.一种浸入式膜过滤工艺，所述工艺包括以下步骤(a)渗透；(b)提取滞留液；(c)在步骤(a)之后回洗；以及(d)在步骤(a)期间间歇地进行通气。
34.如权利要求1-12或15-22中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在渗透的同时间歇地进行通气。
35.如权利要求33或34所述的工艺，其特征在于，在渗透的同时每1分钟到5分钟进行5秒到30秒的通气。
36.如权利要求33-35中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在回洗的同时进行通气。
37.如权利要求33所述的工艺，其特征在于，步骤(b)在步骤(a)期间进行。
38.一种过滤工艺，其包括以下步骤(a)渗透；(b)在步骤(a)之后，反向冲刷；(c)在步骤(b)期间通气并延长到步骤(a)的一部分中；以及(d)在步骤(a)的一部分期间，提取滞留液，其中，以上步骤以重复循环的方式实施。
39.如权利要求38所述的工艺，其特征在于，步骤(d)的一部分在步骤(a)的25％-60％期间实施。
40.如权利要求38或39所述的工艺，其特征在于，步骤(d)的一部分在步骤(b)期间实施。
41.如权利要求38所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在步骤(a)或(d)期间将水位降低到膜的一部分以下。
42.如权利要求38所述的工艺，其特征在于，在步骤(d)中排掉的体积小于罐的设计或填充体积。
43.如权利要求38所述的工艺，其特征在于，在步骤(d)中排掉罐的设计或填充体积的10％-25％。
44.如权利要求1-12或15-43中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺是非再循环工艺。
45.如权利要求1-12或15-44中任意一项所述的工艺，其特征在于，循环时间在15分钟到40或45分钟之间。
46.如权利要求46所述的工艺，其特征在于，循环时间是30分钟或更少。
47.如权利要求1-12或15-46中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述供给水具有0.05g/L或更小的TSS。
48.如权利要求1-12或15-47中任意一项所述的工艺，其特征在于，回收率至少是80％或90％。
49.如权利要求1-12或15-48中任意一项所述的工艺，其特征在于，膜通量是40L/m2/h、50L/m2/h或60L/m2/h或更大。
50.如权利要求1-12或15-49中任意一项所述的工艺，其特征在于，对于每立方米的罐体积，膜表面面积是250m2或350m2或更大。
51.如权利要求1-12或15-50中任意一项所述的工艺，其特征在于，在渗透期间，每小时提取至少6倍于罐体积的渗透液。
52.如权利要求1-12或15-51中任意一项所述的工艺，其特征在于，在渗透期间每小时提取罐体积的6到70倍。
53.如权利要求1-12或15-52中任意一项所述的工艺，其特征在于，在回洗中，再次进入罐的渗透液体积是罐体积的10％到40％或50％之间。
54.如权利要求1-12或15-53中任意一项所述的工艺，其特征在于，对具有从集管向下延伸的膜的中空纤维膜的元件进行通气，且水位保持在所述集管的底面以下1到10厘米之间。
55.如权利要求1-12或15-54中任意一项所述的工艺，其特征在于，在对罐进行完全或部分填充的同时进行通气。
56.如权利要求1-12或15-55中任意一项所述的工艺，其特征在于，供给水具有0.2g/L或更小的TSS。
57.如权利要求1-12或15-56中任意一项所述的工艺，其特征在于，滞留液具有1g/L或更小的TSS。
58.如权利要求1-12或15-57所述工艺的任意和所有可能的组合工艺。
59.基本上如上所述的任意浸入式膜过滤工艺。
全文摘要
描述了一种使用浸入式膜对水进行过滤的工艺和装置。在分批工艺中，渗透液被抽取同时供给水流减少或者在渗透循环结束时停止。在给罐排水以前，水位被降低到膜的一部分暴露于空气中的程度。在这一工艺和另外的工艺中，使液体水位降低以与膜纤维的具有固体积聚的区域相对应。在液体处于该水位时，提供一段时间的通气以从膜上去除至少一部分固体。在这些工艺或其它工艺中，罐在两个循环之间进行部分排水以稀释所述罐，在回洗期间通气并在渗透的同时间歇地通气，和/或在一部分渗透步骤工艺中，从罐中抽取滞留液。
文档编号B01D63/00GK1968735SQ200580006044
公开日2007年5月23日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月27日
发明者尼古拉斯·W·H·亚当斯, 曼温德尔·辛格, 弗雷泽·C·肯特, 皮埃尔·L·科特, 戴维·B·罗斯, 凯文·S·J·迪弗雷纳 申请人:泽农技术合伙公司