专利名称：高新利用脉冲气栓和全局通风进行的膜清洁技术
技术领域：
本公开涉及膜过滤系统，更具体地涉及用来有效地清洁该系统中使用的膜的设备和方法，这是通过用气栓(gas slug)冲洗并伴随对浸没着膜的进料容器中的进料进行全局通风来实现的。
背景技术：
膜对于废水处理的重要性正日益快速增长。现在众所周知的是，膜压力可以用来对污水进行有效三级处理，并提供优质排出物。然而，资金和运行成本可能令人望而却步。 随着沉浸式处理工艺的出现，在一个阶段中结合生物和物理处理工艺的膜生物反应器有望更加紧凑、高效和经济(在沉浸式处理工艺中，膜模块被浸入一个大进料罐中，并通过施加到膜的过滤侧的抽吸或通过重力自流进料来收集滤液)。由于它们的通用性，膜生物反应器的尺寸范围可以从家庭(诸如化粪池系统)到社区和大规模的污水处理。膜过滤处理工艺的成功很大程度上依赖于使用有效和高效的膜清洁方法。通常使用的物理清洁方法包括用液体渗透物或气体或其组合物逆流冲洗(逆流脉冲，逆流洗涤)， 用液体中气泡形式的气体擦洗或冲洗膜表面。典型地，在气体冲洗系统中，气体通常由鼓风机喷射到淹没膜模块的液体系统中，以形成气泡。这样形成的气泡然后向上行进，以擦洗膜表面，从而移去膜表面上形成的污垢物质。产生的剪切力很大程度上依赖于初始气泡速度、 气泡尺寸和气泡施加的合力。为了改进擦洗效果，可以供应更多的气体。然而，此方法会消耗大量的能量。而且，在高浓度固体环境中，气体分配系统可能会逐渐被脱水固体阻塞或者在气流意外停止时即被阻塞。而且，在高浓度固体环境中，在清洁滤液通过膜，剩下更高固体含量渗余物的过滤过程中，膜表面附近的固体浓差极化可能变得明显，导致渗透流通过膜的阻力增大。通过使用两相(气体-液体)流来清洁膜已解决了这些问题中的一些。循环地提供气泡的循环通风系统需要降低能耗，同时仍要提供充足的气体以有效地擦洗膜表面。为了提供这样的循环操作，此类系统通常要求复杂的阀门布置结构和控制装置，这更增加了初始系统成本，和随后复杂阀门和所需的切换布置结构的维护费用。循环频率也受到大型系统中运行的机械阀门的限制。而且，已经发现循环通风不能有效地恢复膜表面。
发明内容
本文公开的方案和实施例力求克服或至少改善现有技术中的一些缺点，或至少给公众提供一种有用的替代方式。根据本公开的一个方案，提供了一种膜过滤系统。膜过滤系统包括位于进料罐中的多个膜模块，所述膜模块中的至少一个具有位于其下集流管(header)下方的气栓发生器，所述气栓发生器被配置和布置成在膜模块中的所述至少一个内沿膜表面传送气栓；和全局通风系统，其被配置成独立于向所述气栓发生器提供气体的通风系统进行工作，所述全局通风系统被配置和布置成在整个所述进料罐中引起流体的全局循环流。在一些实施例中，所述系统进一步包括流速传感器，其被配置成监视来自所述多个膜模块的渗透流；和控制器，其与所述流速传感器连通，且被配置成响应从所述流速传感器接收的指示流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述流速传感器接收的指示流速小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。在一些实施例中，所述多个膜模块被布置在搁架中，并且所述全局通风系统包括气体扩散器，该气体扩散器被配置成在膜模块的搁架之间传送气体，并且在一些实施例中， 所述气体扩散器被配置成在同一搁架之间的相邻膜模块之间传送气体。在一些实施例中，所述气体扩散器被配置成在所述膜模块下方传送气体。在一些实施例中，所述控制器被配置成当所述流速大于约25升每平方米过滤膜表面面积每小时时，激活所述全局通风系统，并且在一些实施例中，所述控制器被配置成当流速小于大约25升每平方米过滤膜表面面积每小时时停用所述全局通风系统。在一些实施例中，所述系统进一步包括跨膜压力传感器，其被配置成监视所述膜模块中至少一个膜模块的膜上的压力；和控制器，其与所述跨膜压力传感器连通，且被配置成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。在一些实施例中，所述系统进一步包括进料流速传感器，其被配置成监视供给到所述进料罐中的进料的流速；和控制器，其与所述进料流速传感器连通，且被配置成响应从所述进料流速传感器接收的指示进料流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述进料流速传感器接收的指示进料流速小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。在一些实施例中，所述系统进一步包括定时器，其被配置成在选定时刻激活和停用所述全局通风系统。根据本公开的另一方案，提供了一种过滤方法。该方法包括使液体介质流入过滤容器中，所述过滤容器包括多个位于其中的膜模块，每个膜模块包括位于其下端下方的相关联的气栓发生器；从所述多个膜模块回收渗透物；周期性地将气栓从所述气栓发生器传送到与每个气栓发生器关联的所述膜模块中，所述气栓通过每个膜模块内的膜表面，以从其中移走污垢物；和响应从所述膜模块的渗透流、进入浸没所述膜模块的过滤容器中的进料流和所述膜模块中至少一个膜模块的膜上的跨膜压力中的至少一个中得到的信号，以启动、停用通过所述过滤容器的全局循环流。在一些实施例中，将气栓传送到所述多个膜模块中的每一个中的时间周期是随机确定的。在一些实施例中，所述方法进一步包括给每个气栓发生器提供基本恒定的气体供应。在一些实施例中，发起进料的全局循环流包括将气体引入到独立于所述气栓发生器操作的通风系统中。在一些实施例中，所述气栓发生器和所述通风系统被供应公共源的气体。在一些实施例中，启动进料的全局循环流进一步包括启动脉冲气体流。
在一些实施例中，启动进料的全局循环流包括将气体引入所述多个膜模块的相邻膜模块之间。在一些实施例中，所述气栓体积是随机的。在一些实施例中，将气栓释放到第一膜模块的时刻独立于将气栓释放到第二膜模块的时刻。
附图并未特意按比例绘制。附图中，各图所示的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字标示。为简明起见，可能未将每个组件都标示在每个附图中。附图中
图1是根据本发明一个实施例的膜模块的简化示意性横截面正视图； 图2示出了在脉冲激活阶段中的图1的模块； 图3示出了在完成了脉冲两相气体/液体流阶段后的图1的模块； 图4是根据本发明第二实施例的膜模块的简化示意性横截面正视图； 图5是图1实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的简化示意性横截面正视图； 图6是图1实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的另一实施例的简化示意横截面视图7示出了可用在一个或多个实施例中的计算机化控制系统； 图8是图1实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的局部剖除等视轴图； 图9是图8膜模块阵列的一部分的简化示意性横截面正视图； 图10是根据本发明第三实施例的水处理系统的简化示意性横截面正视图； 图IlA和IlB是膜模块的简化示意性横截面正视图，其图解说明了气栓发生器装置中的操作液位；
图12是图1实施例中所示类型的膜模块的简化示意性横截面正视图，其图解说明了气栓发生器中积累的污泥；
图13是膜模块的简化示意性横截面正视图，其图解说明了污泥去除过程的一个实施
例；
图14是根据一个示例的脉冲液体流动模式和所供应的空气流速随时间的曲线图； 图15是膜渗透性随时间的曲线图，其比较了使用气举装置和根据本文公开的一个实施例的气栓发生器装置的清洁效率；
图16示出了管中各种形式气流的示意性表示； 图17A和17B示出了在管中运动的气栓的侧立面图示；
图18示出了在示例中使用的测试膜模块的示意性等视轴图，以说明栓流的特性； 图19示出了在图18的测试模块中气泡直径与高度的视图； 图20是通过图18的测试装置中的膜纤维流动的气栓的立面照片； 图21A和21B示出了图18的测试装置以及一个与测试模块的玻璃壁相距20mm的平面， 在此平面上比较了 3个不同高度(Y)位置的实验和数值结果；
图22A-22C示出了在栓流的示例中模拟和实验值随时间变化的水速度的曲线图； 图23A-23C示出了图18的测试装置中在气体/液体流的脉冲中不同水平的气泡尺寸分布的曲线图；图24A-24C示出了图18的测试装置中在气体/液体流的脉冲中不同水平的气泡尺寸分布的曲线图25示出了图18的装置中空气流速与气体液体流的每个脉冲的平均时间跨度的曲线图；和
图26用照相机帧示出了在观察周期中气举装置的入口水流速随时间的曲线图。
具体实施例方式本发明在其应用中不应被限制到下文所述或附图所示的构造细节和部件布局方式。本发明能够具有其它实施例，而且能够以多种方式实施或执行。此外，本文所用措词和用语是出于描述的目的，不应认为是限制性的。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型在本文中的使用表示包括之后所列的项目和其等同项目以及另外的项目。根据本文公开的各个方案和实施例，提供了一种对进料罐或容器中的液体介质进行过滤的方法。液体介质例如可包括水、废水、溶剂、工业排水、待制备以用于人们消耗的流体、或各种形式的包括希望被分离组分的液体废流。本文公开的各个方案和实施例包括用于清洁浸入到液体介质中的膜模块的设备和方法。在一些方案中，膜模块被配置有随机产生的间歇或脉冲流体流，包括通过膜模块中的膜表面的气体形成的栓以从其中分离污垢物，降低固体浓度的极化。“气栓流”以及其它类型的两相气液流的含意在图16中进行了图解说明。与提供冲洗膜模块的气栓相结合，提供了全局通风系统，其被配置成在整个进料罐中引起进料液体的全局循环。参照附图，图1-3示出了根据一个实施例的膜模块布置结构。膜模块5包括安装于下灌注头(potting head)7中并从其延伸的多个可渗透中空纤维膜束6。在此实施例中，这些束被分开以在束6之间提供空间8。应认识到，可在模块5 中使用任何期望的膜布置结构。在下灌注头7中提供了许多开口 9，以使来自分配室10的流体由此通过，分配室10位于下灌注头7的下方。气栓发生器装置11被提供于分配室10下方，并与其流体连通。气栓发生器装置 11包括在其下端13开口的倒置气体收集室12和邻近其上端的进气端口 14。中央立管15 延伸通过气体收集室12，并流体连接到分配室10的底部，并在其下端16开口。立管15在其长度的半路提供有一个开口或几个开口 17。管槽18在开口 17下方的一个位置处在立管15周围向上延伸。在一些实施例中，每个膜模块不都配置气栓发生器装置，在其它实施例中，给多个膜模块提供来自相同气栓发生器装置的气栓。使用时，模块5被浸入液体进料19中，基本连续的受压气体源被施加到进气端口 14。本文使用的“基本连续”或“基本恒定”流表示除了流速有可能偶然暂时中断或减小外， 该流是连续的，同时模块处于运行中。气体逐渐离开倒置的气体收集室12中的液体进料 19，直到它到达开口 17的水平。在这点上，如图2所示，气体突破开口 17上的液体密封，从开口 17通过，向上通过中央立管15，产生流过分配室10并进入到膜模块5的底部中的气栓。在一些实施例中，气体的快速涌动还通过立管15的底部开口 16抽吸液体，产生高速的两相气体/液体流。气栓和/或两相气体/液体脉冲然后流过开口 9，冲洗膜6的表面。槽 18防止中间开口 17再次密封，允许在初始脉冲之后，气体/液体混合物连续流动一小段时间。
根据一些实施例，气体的初始涌动提供了液体传送的两个阶段，喷射和抽吸。喷射阶段发生在气栓一开始被释放到立管15时，产生很强的浮力，这种力排出气体和液体使其快速通过立管15，随后通过膜模块5，在膜表面上产生有效清洁动作。喷射阶段之后是抽吸或虹吸阶段，此时气体快速流出立管15会由于密度差产生暂时的压力降低，导致液体被抽吸到立管15的底部16中。因此，初始的两相气体/液体快速流动之后液体流动会降低，这还可以通过开口 17吸入更多的气体。在其它实施例中，是在没有伴随的抽吸或虹吸阶段的情况下产生气栓。然后用进料液体重新填充气体收集室12，如图3所示，此过程再次开始，使得在模块5中产生膜6的气栓或两相气体/液体清洁的另一脉冲。由于此过程的相对不可控的性质，脉冲通常频率和持续时间是随机的。图4示出了图1-3实施例的进一步改进。在此实施例中，提供了一种混合布置结构，其中除了脉冲气栓或脉冲两相气体/液体流外，稳定状态的气体供应在端口 20被通入立管15的上部或下部，以产生通过模块5的恒定气体/液体流，并补充以间歇脉冲气栓或两相气体/液体流。图5示出了联系图1-3的实施例描述的那类模块35和气栓发生器装置11的阵列。 模块5位于进料罐36中。操作中，每个气栓发生器11产生的气泡的脉冲对于每个模块5 是随机出现的，在进料罐36中产生脉冲气泡生成的总体随机分布。这在进料罐36中产生了液体进料的恒定但随机或无秩序的搅动。由每个气栓发生器装置释放的一系列气栓在本文中描述为周期性地出现。本文使用的用语“周期性地”产生的气体脉冲或“周期性地”释放的气体脉冲不局限于表示气体脉冲以恒定速度产生或释放。“周期”产生或释放还可包括在随机的时间间隔出现的产生或释放事件。已经观察到，进料罐36中脉冲气泡生成的整体随机分布在一些实施例中会破坏通过进料罐36的进料液体全局循环。进料液体的全局循环的中断在一些实施例中尤其明显，此时脉冲气泡的形式为气栓。在一些实施例中，优选的是进料循环通过进料罐，在向上方向上通过膜模块35的阵列，然后向下在邻近进料罐的壁的膜模块的阵列周围循环。此全局循环流是通过图6的箭头显示的。应该注意，图6是一个实施例的膜过滤设备的部分横截面，进料流实际上沿所示的壁以及此横截面示意图中没有表示的其它壁向下循环。在一些实施例中，希望保持此全局循环进料流，使得进料中的微粒和/或其它污染物比没有此循环流时更加均勻地分布在进料罐上。在其它实施例中，希望增大现有的循环进料流的速度，以促进进料罐中微粒和/或其它污染物更好地分布。在一些实施例中，全局循环进料流促进从膜纤维表面附近移去微粒和/或其它污染物。在一些实施例中，由于膜过滤系统工作在较高速的渗透通量，所以保持全局循环进料流变得十分重要。在较高的工作速率下(较高速的渗透通量)，微粒可能比在较低的工作速率下易于更快速地积累在膜纤维表面附近。 因此，更希望有一种诸如全局循环进料流的机构，操作以移去和/或重新分布这些微粒。如图6所示，在一些实施例中，气体扩散器，诸如具有若干通风口 62的通风管60 可被布置在膜模块5的阵列下方的进料罐36中。如图6所示，通风口被设置于所示的膜模块搁架的膜模块下方和相邻的膜模块之间。在可替代实施例中，通风口可被布置在通风管 60的下侧，而不是如图6所示的上侧。而且，在可替代实施例中，通风管不需要被定位在膜模块下方，而是可以被定位在膜模块的下端之上。应该注意到在图6中，只显示了一个搁架的膜模块5，但是在一些实施例中，多个搁架的膜模块5，例如20个搁架的膜模块，每个搁架有16个膜模块，每对搁架之间有通风管60可占据一个膜模块阵列35，以用来过滤来自进料罐36的进料。气体，诸如空气可从外部源，诸如鼓风机或压力罐(未示出)提供到通风管60。用于通风管60的气体来源可以与用于气栓发生器装置11的气体来源一样。在一些实施例中， 阀门和/或流量控制器(未示出)被用来在需要时将气体提供给通风管60，同时维持到达气栓发生器装置11的恒定或基本恒定的气流。在其它实施例中，通风管60和气栓发生器装置11从不同来源供应不同的多种气体和/或一种气体。在一些实施例中，通风管60被供应恒定的气流以产生气泡，气泡在膜模块5周围向上流动和/或通过膜模块5流动，引起或增加通过图6中的箭头所示的进料罐36的全局循环的进料流的流动速度。在其它实施例中， 到达通风管60的气流在通风管60的通风被激活时脉冲。在一些实施例中，到通风管60的气流可开通30分钟再关闭30分钟，并且在一些实施例中，此气流脉冲可以较高频率执行， 例如高达1分钟开通1分钟关闭的频率。给通风管的气体供应的开通时间和关闭时间不需要相同。在其它实施例中，当希望通风管60只在高操作速度的周期中供应通风气体时，可在渗透物回收出口 64提供流速传感器102以测量从过滤模块中回收的渗透流。流速传感器102可包括位于滤液去除管64中的桨轮类型的传感器，磁流量传感器，光流量传感器或现有技术中已知的其它任何形式的液体流量传感器。耦连到流速传感器102的控制器100 可被配置成只在渗透流量超过第一或预定阈值水平时，使气体供应到通风管60。在其它实施例中，控制器100会被配置成在已经从系统中回收规定量的渗透物后在前一全局通风周期之后，激活全局通风系统(使气体被供应到通风管60 )。在一些实施例中，控制器100可在激活给通风管60传送气体时，使给通风管60的气体供应是脉冲式的，如上文所描述的。在其它实施例中，测量进料入口管66中的进料流量的流量传感器104可附加或作为流量传感器102的替代以用来判断何时激活给通风管60的气体供应。在高于进料罐的正常进料输入的周期中，控制器100可被配置成当流量传感器104指示进料流量超过第一或特定阈值水平时激活给通风管的气流。以类似方式，控制器100可响应从传感器102和 /或104中的一个或两个接收的指示渗透物和/或进料流速已经降低到低于第二或预定水平以下的信号，终止给通风管60的气流。在一些实施例中，诸如在城市废水处理厂，进料流在一天中是变化的。例如，在低废水产生的时间中，诸如在深夜或凌晨，进料可以低速流入进料罐36中。在高废水产生的时间中，诸如在早上或晚上，进料可以较高速率流入进料罐36中。过滤系统可相应地被控制。例如，定时器可用来在指定时间激活和/或停用将气体传送到通风管60。这些时间在平日和周末和/或节假日可变化。在其它实施例中，定时器可被用来在以前激活全局通风系统后的限定的时间段已经过去之后，激活将气体传送到通风管60。在另外的实施例中，定时器可用来在另一事件诸如膜清洁或逆流冲洗周期已经发生或限定次数的逆流冲洗周期之后或其它事件已经发生的限定时间周期已经过去之后激活将气体传送到通风管60。在又一些实施例中，定时器可耦连到智能控制系统，例如利用人工智能的系统，在学习周期中， 此系统会监视在哪些条件(包括，例如渗透流量，进料流速，跨膜压力和/或时间)下全局通风系统被激活和或停用。一旦完成学习周期，控制器和/或定时器然后会响应于检测到它已学习的适当条件，自动地激活和/或停用全局通风系统。在一些实施例中，“正常”渗透通量率可被定义为大约25升每平方米过滤膜面积每小时(该单位通常称作“lmh”)。在一些实施例中，气体可在通量超过此“正常”速度时，被供应到通风管60。在一些实施例中，用于激活向通风管60的气体供应阈值渗透物通量水平可被设置为大约301mh。在其它实施例中，此阈值水平可以被设置得更高，诸如为401mh。在一些实施例中，进入进料罐中的进料的类似流速(例如，251mh，301mh，401mh)可用作启动进入通风管60气流的阈值水平。在一些实施例中，到通风管60的气流可在渗透通量率返回 “正常”时中止。在其它实施例中，给通风管60的气流可在渗透流速和/或进料供应速率降低到低于启动阈值水平一预定水平时被中止。例如，在一些实施例中，给通风管60的气流可在渗透通量率下降超过51mh时被中止，或者进料供应速率从气体供应被激活的流速， 或者在其它实施例中，当渗透物通量降低到低于启动阈值水平超过IOlmh时。在其它实施例中，当渗透物或进料流中的一个或两个增加超过基准线水平(诸如“正常”水平)指定百分比时，气体可被供应到通风管60。例如，全局通风系统可在渗透物或进料流中的一个或两个增加超过基准线水平的25%或者在其它实施例中增加超过50%时被启动。全局通风系统会在渗透物或进料流中的一个或两个返回基准线水平或者在其它实施例中，返回大于基准线水平的指定百分比，例如5%或10%时被停用。例如，根据过滤系统的规模，被处理的流体的类型或基于向(一个或多个)通风管60供应气体和预期的需求增加之间的能量权衡的计算，可设置不同的设置点，这些需求例如膜模块逆流冲洗的需求，同时在增加的渗透物和/ 或进料流速条件下操作。在其它实施例中，其它参数，诸如跨膜压力可用来触发给通风管60的气流的启动或停止。当进料过滤随着时间进行时，微粒浓度的增加可在过滤模块周围积累。此微粒的积累可阻塞膜模块中的膜部分，因此增大获得指定量的渗透流量所需的跨膜压力。在一些实施例中，一个或多个跨膜压力传感器被配置成监视一个或多个膜模块中的一个或多个膜纤维的跨膜压力，并当跨膜压力超过限定的设定点时向控制器100提供信号。响应于来自 (一个或多个)跨膜压力传感器的此信号，控制器开始向通风管60提供气流。来自通风管 60的气流引起或增强了通过容器的进料的全局通风，从膜模块上去掉或重新分布微粒，从而降低所观察到的跨膜压力。期望的用于启动或停止给通风管60的气流的设定点可设置在绝对水平或相对水平，例如在定义为超过在膜清洁和/或逆流冲洗周期(基准线水平)过滤过程中观察到的跨膜压力的百分比的水平。例如，用于启动给通风管60的气流的设定点在一个实施例中被设置在超过基准线水平大约20%，在其它实施例中，此设置点可被布置在更高水平，例如超过基准线水平大约50%。流向通风管60的气流在一个示例中可在跨膜压力返回到超过基准线水平大约10%时被中止，在另一示例中，可在跨膜压力返回超过基准线水平的大约25%时中止。在其它实施例中，用于启动或中止流向通风管60的气流的其它设定点可根据例如向通风管60提供气流相对于与提供充足的抽吸或压力以能够以特定水平的跨膜压力有效操作相关的成本之间的能量成本的平衡的审视使用。在一些实施例中，由通风管60供应的气体不渗透膜模块或者不接触其中的膜纤维。因为由通风管60供应的气体在膜模块之间的空间中向上流动时经受的流动阻力比流动通过模块时要小，所以可能出现这种情况。在一些实施例中，由通风管60供应的气体只被用来引起或增强了通过进料罐36的进料的全局循环流。这在有些实施例中尤为如此，在这些实施例中，膜纤维至少部分或全部被包围在膜模块的管子内部。在其它实施例中，由通风管60供应的气体不接触膜模块中膜纤维的表面，除了由来自气栓发生器装置11的气栓提供的能量之外，提供用于冲洗膜纤维表面的能量。供应到通风管60 (当被启动时)的气体量在一些实施例中与供应到气栓发生器装置11的气流相当。在其它实施例中，当被激活时流向通风管60的气流可能超过流向气栓发生器装置的气流，或者在其它实施例中，可能小于流向气栓发生器装置的气流。例如，在一个实施例中，流向气栓发生器装置U的气流可以是每个模块每小时大约4立方米，在被启动时，流向通风系统包括一个或若干通风管60的气流可以是每个模块每小时大约3立方米。在一些实施例中，采用气栓发生器装置11和通风管60两者的过滤系统使用的能量的量可以比同等过滤系统没有通风管60时用气栓发生器装置11操作产生相同量的渗透物所用的能量少。通风管根据上文描述可以提供进料通过过滤箱的全局循环，从膜模块附近去掉高浓度的微粒。因此，与没有通风管60的系统相比，在包括通风管60的系统中从膜中去除等量的微粒需要气栓发生器装置供应的气体较少。在包括通风管60的一些实施例中，为获得与没有通风管60的系统相当的膜清洁而需要供应给气栓发生器装置11的气体量可被降低大约25%。例如，向以气栓发生器装置11操作的系统中加入通风管60能够使供应到气栓发生器装置的气体从每模块大约4立方米每小时降低到每模块大约3立方米每小时，并获得等量的膜清洁。为了实现到通风管60的气流的启动和中止，在不同的实施例中，控制器100可监视来自膜过滤系统中各个传感器的参数。控制器100可以许多形式实现。监视计算机或控制器可接收来自传感器诸如传感器102和104的反馈，并且在一些实施例中，可接收来自附加传感器，诸如压力、跨膜压力、温度，PH，化学浓度或进料罐36、气栓发生器装置11或进料供应管道，渗透物管道或与过滤系统关联的其它管道中的液位传感器的反馈。在一些实施例中，监视计算机或控制器100为操作员产生输出，在其它实施例中，基于来自这些传感器的反馈自动地为过滤系统调节处理参数。例如，到达一个或多个膜模块5、一个或多个气栓发生器11和/或一个或多个通风管60的气体流速可以通过控制器100调节。在一个示例中，用于实现本文中公开的系统的计算机化的控制器100是使用如图 7中作为示例显示的一个或多个计算机系统700实现的。计算机系统700可以是例如通用计算机，诸如那些基于htel PENTIUM8或Core 处理器，Motorola PowerPC 处理器，Sun UltraSPARC 处理器，Hewlett-Packard PA-RISC 处理器或其它任何类型的处理或处理器的组合。可替代地，计算机系统可包括专门编程、专用硬件，例如专用集成电路(ASIC)或专门用于废水处理设备的控制器。计算机系统700可包括一个或多个处理器702，它们通常连接到一个或多个存储器装置704，存储器装置704可包括例如任何的一个或多个硬盘存储器，闪存装置，RAM存储器装置或用于存储数据的其它装置。存储器704通常用于存储控制器和/或计算机系统 700的操作过程中的程序和数据。例如，存储器704可用于存储一段时间内与任何一个传感器的测量参数相关的历史数据以及当前的传感器测量数据。软件，包括实现本发明的实施例的编程代码可存储在计算机可读和/或可写非易失性记录介质上，诸如硬盘驱动器或闪存，然后被复制到存储器704中，其中它可以被处理器702执行。此编程代码可以以多种编程语言中的任何一种语言编写，例如Java，Visual Basic, C，C#或C++，Fortran, Pascal, Eiffel, Basic, COBOL或其各种组合中的任何一种。计算机系统700的组件可通过互联机构706耦连，互联机构可包括一个或多个总线(例如在同一装置内集成的组件之间)和/或网络(例如在驻存在单独的离散装置上的组件之间)。互联机构通常能够在系统700的组件之间交换通信信息(例如数据和/或指令)。计算机系统700还可包括一个或多个输入装置708以及一个或多个输出装置710， 输入装置例如键盘、鼠标、跟踪球、扩音器、触摸屏，输出装置例如打印装置、显示屏或扬声器。计算机系统700可以以电子方式或其它方式链接到一个或多个传感器714，如上文讨论的，传感器可包括在本文中描述的过滤系统的实施例的任何一个或多个部分中的例如诸如通量、流速、压力、温度、PH、化学浓度或液位传感器。此外，计算机系统700可包含一个或多个界面(未示出)，它可以将计算机系统700连接到通信网络(除了可以由一个或多个系统 700的组件形成的网络之外，或作为该网络的替代)。此通信网络在一些实施例中形成用于过滤系统的过程控制系统的一部分。根据一个或多个实施例，该一个或多个装置710耦连到另一计算机系统或组件， 以便与计算机系统700通过通信网络通信。此配置允许一个传感器被定位在与另一传感器相当远，或允许任何传感器被定位在与任何子系统和/或控制器相当远，而仍在它们之间提供数据。尽管通过示例将计算机系统700显示为一种类型的计算机系统，在该系统上可以实践本发明的各个方案，应该认识到本发明的各个实施例不局限于以软件或在示例性显示的计算机系统上实现。实际上，例如不在通用计算机系统上执行的话，控制器或其组件或子部分可以可替代地以专用系统实现或作为专用可编程逻辑控制器(PLC)或以分布式控制系统实现。而且，应该认识到控制系统的一个或多个特征或方案可以以软件、硬件或固件或其组合实现。例如，可在计算机系统700上执行的算法的一个或多个分段可在单独的计算机上执行，这些计算机又可通过一个或多个网络通信。图8和9示出了根据本公开的膜过滤系统的另一实施例。图8是安装在进料罐36 中的包括多个搁架的膜模块5的膜模块组的等视轴图。进料罐的壁被切开，以显示膜模块组。图9示出了垂直于通风管60轴线的图8膜模块组一部分的横截面。在这些图中，可以看到通风管60基本被定位在膜模块组内膜模块下方和相邻的膜模块之间。在一些实施例中，还在外侧膜模块搁架和进料罐的壁之间提供(离进料罐的壁最近的膜模块搁架)通风管 60，使得外侧膜模块搁架在膜模块搁架的纵向轴线两侧具有通风管60。图10示出了在使用膜生物反应器的水处理系统中使用本发明的布置结构。在此实施例中，脉冲气栓或脉冲两相气体/液体流被提供于生物反应器罐21和膜罐22之间。这些罐通过倒放的气体收集室23耦连，气体收集室具有位于生物反应器罐21中的垂直延伸的壁M和位于膜罐22中的第二垂直延伸的壁25。壁M延伸到生物反应器罐21中的水的液位下方的深度比壁25延伸到膜罐22中水的液位下方的深度更深。在图10的示例中，深度的这个不同是由两个罐中水表面的不同液位来提供的。气体收集室23被生物反应器罐 21和膜罐22之间的连接壁分开，限定两个隔室27和观。气体，通常是空气通过端口四被提供到气体收集室23。膜过滤模块或装置30位于膜罐22中垂直壁25的下底端上方。使用中，气体在压力下通过端口四被提供到气体收集室23，导致室23中的进料液体的液位降低，直到它达到壁25的下端31。在此阶段，当产生两相气体/液体流的气泡通过膜模块30流过时，气体从隔室27通过壁25快速逃逸，通过膜罐22上升。在其它实施例中，产生气栓，而不是通过膜模块30的两相气体/液体流，或者除两相气体/液体流之外不产生气栓。气体的涌动还在气体收集室23的隔室观中产生气体的快速降低，导致另外的进料液体从生物反应器罐21虹吸到膜罐22中。气体通过端口四的流动可通过连接到气体源(未示出)的阀门(未示出)控制。阀门可通过诸如上文讨论的控制器100的控制器装置来操作。要认识到在上文的实施例中描述的脉冲气流和/或气栓发生装置可用作清洁设备或者与以各种已知膜配置的清洁设备结合，并不局限于具体所示的布置结构。气栓发生器装置可直接连接到膜模块或模块组件。在其它实施例中，可在气栓发生器装置和膜模块之间提供间隙，气栓发生器向膜模块供应气栓。气体，通常是空气在一些实施例中被连续供应到气栓发生器装置，脉冲的两相气体/液体和/或一系列气栓被生成用于膜清洁和表面更新。脉冲流在一些实施例中是通过气栓发生器装置使用连续的气体供应生成的，但是，要认识到在使用非连续的气体供应时，一系列气栓和/或两相气体/液体脉冲流还可以不同的脉冲模式生成。在一些实施例中，已经发现气栓发生器装置11内部的液位在图IlA和IlB所示的液位A和B之间波动。接近气栓发生器装置11内部的顶端，可以留有液体相位由于形成气袋而不能到达的空间37。当此气栓发生器装置11在高固体环境下操作时，诸如在膜生物反应器中操作时，泡沫和/或脱水污泥39可逐渐积累在气栓发生器装置11顶端的空间37 中，这最终可导致气流通道40堵住，导致降低的气栓形成和/或两相气体液体流脉冲或根本没有气栓或脉冲效应。图12图解说明了这种情形。已经找到了克服这种影响的几种方法。一种方法是找到操作过程中在所达到的上液位，在图IlA和IlB是液位A下方的一点的气体喷射点38。当液位达到气体喷射点38， 并且超过该点之后，气体产生液体喷溅41，它打碎了气栓发生器装置11上端附近可能的泡沫或污泥积累。图13示意性示出了此动作。溅射41的强度与气体喷射位置38和气体速度有关。此方法可以阻止污泥在气栓发生器装置11内部长期积累。另一种方法是周期性地在气栓发生器装置11内部排出气体，以使液位在操作过程中达到气栓发生器装置11内部的顶端空间37。在此情况下，气体喷射可以处于或接近气栓发生器装置11内部的最高点，使得可以排出所有或几乎所有气袋37。图IlA中显示的气体连接点38是一个示例。根据污泥特性，通风可以周期性地以不同频率执行，以防止气栓发生器装置内部产生永远干燥的环境。在气栓发生器装置11的操作中，图IlA中的液位A可以根据气体流速而变化。气体流速越高，在气栓发生器装置11内部形成的气体袋越少。相应地，可以使用的另一种方法是在操作过程中周期性地将更高的气流喷射到气栓发生器装置11中，以打碎脱水污泥。 根据装置的设计，此动作所需的气体流速通常在正常操作气体流速的30%左右，或要比它高很多。此较高的气体流速在一些工厂运行中通过例如将气体从其它膜罐传送到所选罐来获得，以暂时产生短的更高的气流，从而打碎脱水污泥。可替代地，备用鼓风机(未示出)可周期性地使用以持续一小段时间供应更多的气流。上文描述的方法可分别应用或以组合模式应用以得到长期稳定的操作，消除气栓发生器装置11内部的任何泡沫/污泥积累。示例
气栓发生器装置连接到由总长为1.6m、膜表面面积为38m2的中空纤维膜构成的膜模块。桨轮流量计被定位在立管下端以监视气举脉冲液体流速。图14示出了以7.8m7hr的恒定气流供应的脉冲液体流速的快照。此快照示出了进入模块的液体流动在最高值和最小值之间具有随机或偶然模式。从低到高液体流速的频率在大约1-4. 5秒的范围内。释放到模块的实际的气体流速并未测量，原因是它与液体混合，但流动模式预计与液体流动类似， 范围在不规则性质的高与低之间。通过气栓发生器和常规气举装置的膜清洁作用的比较是在膜生物反应器中进行的。膜过滤周期是12分钟过滤，然后是1分钟休息。在每个气体流速下，测试两个重复周期。两组测试之间的唯一差别是连接到模块的装置一常规气举装置相对于气栓发生器装置。膜清洁效率是根据过滤过程中渗透性降低来评估的。图15示出了在不同的空气流速下两个不同装置的渗透性曲线。从这些曲线图中显然用气栓发生器装置，膜的污垢形成速度较小，原因是它比常规的气举泵提供随时间变化更加稳定的渗透性。在通常的循环通风布置结构和本发明的气栓发生器之间执行另一个比较。空气流速对于气栓发生器是3m3/h，对于循环通风是6m3/h。测试10秒开通/10秒关闭和3秒开通 /3秒关闭的循环通风周期。选择10秒开通/10秒关闭的循环通风以模拟大规模工厂的实际运行，阀门最快打开和关闭是10秒。选择3秒开通/3秒关闭的循环通风以模拟气栓发生器装置工作范围内的频率。以近似301mh的正常通量测试性能，包括30分钟的长过滤循环。下面的表1总结了脉冲气举操作和两个不同频率的循环通风操作的测试结果。脉冲气举操作的短过滤和长过滤中渗透性的下降较循环通风操作不明显许多。尽管高频循环通风稍微提高了膜性能，但脉冲气举操作保持更稳定的膜渗透性，证明用脉冲气举布置结构可以获得更有效的清洁过程。表1 气体冲洗模式对膜性能的影响。
操作模式I脉冲气举|10秒开通/10秒关闭循环通风|3秒开通/3秒关闭循环通风
在 12 分钟过滤中膜渗透性下降 1.4-2. 21mh/bar 3. 3-61mh/bar_3. 61mh/bar_
在 30 分钟过滤中膜渗透性下降 |2. 5-4. 81mh/bar |lQ-121mh/bar\7. 61mh/bar上面的示例说明了可以用脉冲流发生装置实现有效的膜清洁方法。通过向脉冲流发生装置连续供应气体，产生随机或不规则的流动模式，以有效地清洁膜。每个循环流动模式在持续时间/频率、高低流动的强度和流量变化曲线上彼此不同。在每个循环中，流量连续地以不规则方式从一个值变成另一值。要认识到的是，尽管上文描述的实施例使用一系列气栓和/或脉冲气体/液体流， 但本发明在使用其它随机脉冲流体流，包括气体，气泡和液体时是有效的。使用气栓流和/或两相气体/液体栓流实现的膜冲洗在生物反应器(MBR)处理系统中有特殊应用，但是要认识到的是此栓流可以用在各种要求气体和/或两相气体/液体流的应用中，以对膜产生清洁作用。因此，本文中公开的实施例不局限于应用到MBR系统。 类似地，MBR应用通常要求使用气体，通常是含有氧气的空气，以便促进系统中的生物反应， 而其它膜应用可以使用除了空气之外的其它气体以提供清洁。相应地，所使用的气体类型不是严格挑剔的。
MBR流体处理是生物氧化与膜分离的一个组合过程。此技术已经用于工业和家庭废水处理。与其它一些流体处理技术相比，MBR具有一些优点，包括较小印迹，高产量和排出物的较佳纯度，较高的有机载荷和较低的污泥产生。为了进一步提高生产率和效率，同时保持稳定的工作性能，希望对浓差极化和随后的膜污垢形成的控制。已经证明有效的技术包括湍流加速器，纹波膜表面，脉冲流和旋涡产生。但是，已经证明喷射气泡是一种便宜有效的降低浓差极化因此提高中空纤维膜模块中的渗透物通量的方式。此外，在膜生物反应器过程中，气泡还可用于另一目的-作为氧气供应。根据进入气栓发生器中的空气和液体流速，以及液体的性质，空气和液体的混合物可采用宽光谱的流动模式。许多不同的流动模式图示于图16中。在MBR中，所采用的空气流速相对低，已经发现希望有气体栓流(也已知为栓塞流)。在这些空气-液体两相流系统中，已经发现对通量增加有贡献的几个机制
a)对液压条件和MBR系统中的渗透物通量的系统配置的实验研究表明两相(空气和液体)的渗透物通量交叉流量比单一相位(只有液体)的交叉流量高20-60%。希望具有较高的表面交叉流量，原因是在较高的速度幅值下，被搅动的污泥可以保持，膜表面可以被持续地冲洗，随后产生较高的过滤速度和较低风险的膜污垢形成。b)气栓气泡生成第二流量(或唤醒区)它帮助打碎块状层，随后促进膜表面附近的局部混合。栓流此外还产生稳定的在如图17A所示的栓和管壁之间流动的环形液体薄膜。 液体薄膜可以是促进质量传递的高剪切区。c)移动栓导致栓周围的液体中的脉冲压力，在其鼻部具有较高压力，在其尾部具有较低压力，这在图17B中清楚示出。这可能导致不稳定性和膜表面附近的浓度边界层的振动开始。为了说明MBR系统中栓流的有效性，使用数值和实验调查开展了一项研究，以确定两相(水-空气)MBR系统在栓流模式下的液压行为。微粒图像速度计(PIV)被用于实验， 计算的流体动力学(CFD)被选为数值工具。实验测量
实验设置清楚示于图18中。矩形罐50是由透明材料构造的。罐50的底部配备喷水器51，接近其上端配备溢流出口 52。纤维膜模块53位于罐50中。模块53的下端配置裙缘M和根据上文描述的实施例构造的气栓发生器55。在模块中提供多孔区56以使液体流向模块53并从模块53流出。用灌注材料57对纤维膜进行灌注。为了产生气栓流条件，使用上文描述的新的气栓发生器55来生成两相气体/液体流。此布置结构能够在良好控制的时间间隔产生气栓。使用图18所示的测试设置来进行实验测量；其中一个是使用PIV的流场测量，另一个是空气气泡尺寸分布和由高速照相机测量的轨迹。进行前一测量是为了提供针对CFD 模块细化的可靠准确的流量数据，而后一测量用作CFD建模的输入参数。使用典型的PIV实验设置，其由CXD照相机和高功率激光组成。双脉冲激光被用来照亮流动物对面的光片。同时，用微粒培育流场以分散激光，作为跟踪点工作。可采用快速连续的两帧的CCD照相机被设置成与光片的平面正交。在测量中，通过测试装置的侧面视窗进行，激光的第一脉冲照亮流动物，由微粒散射的光作为第一帧被照相机捕捉。在受控的时间间隔之后，激光的第二个脉冲再次照亮流动物。由微粒散射的光作为第二帧被照相机捕捉。各个微粒行进的位移是从两个捕获的帧计算的。知道照相机的曝光之间的时间， 然后估计出流动速度。为了测量气泡的大小，使用高速照相机。此照相机具有17μπι像素，它能够以降低的分辨率每秒捕捉高达250000帧。数值建模
为了复制实验观察结果，CFD模型集成了欧拉多相模型和多孔介质方案，并集成了垂直相依的过滤通量测量值。进行了栓流研究的暂态模拟。
模型几何形状和操作条件
基于实验原型，生成相应的CFD模型几何形状，如图21Α所示。执行基于图18模型几何形状的暂态模拟以复制两相气体/液栓流动现象。从实验结果已知，在4m7hr的空气冲洗流速下，要花4. 2秒生成一个气栓；3. 8秒为气体积累阶段，0. 4秒是气体脉冲阶段。为了模拟气栓生成的过程，在暂态模拟中使用依时间而定的质量和动量源项的阶跃函数。质量源的值为14. 62kg/m3s，动量源为8. 27N/m3，这是从表2中所列的操作条件计算出来的。这些条件对于模拟和实验是相同的。表1 用于数值模拟和实验的操作条件。_
权利要求
1.一种膜过滤系统，包括位于进料罐中的多个膜模块，所述膜模块中的至少一个膜模块具有位于其下集流管下方的气栓发生器，所述气栓发生器被配置和布置成在膜模块的所述至少一个中沿膜表面传送气栓；和全局通风系统，其被配置成独立于向所述气栓发生器提供气体的通风系统进行操作， 所述全局通风系统被配置和布置成在整个进料罐中引起流体的全局循环流。
2.根据权利要求1所述的膜过滤系统，进一步包括流速传感器，其被配置成监视来自所述多个膜模块的渗透流；和控制器，其与所述流速传感器连通，且被配置成响应从所述流速传感器接收的指示流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述流速传感器接收的指示流速小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。
3.根据权利要求2所述的膜过滤系统，其中所述多个膜模块被布置在搁架中，且其中所述全局通风系统包括气体扩散器，该气体扩散器被配置成在膜模块的搁架之间传送气体。
4.根据权利要求3所述的膜过滤系统，其中所述气体扩散器被配置成在同一搁架的相邻膜模块之间传送气体。
5.根据权利要求4所述的膜过滤系统，其中所述气体扩散器被配置成在所述膜模块的下方传送气体。
6.根据权利要求2所述的膜过滤系统，其中所述控制器被配置成当所述流速大于约 25升每平方米过滤膜表面面积每小时时，激活所述全局通风系统。
7.根据权利要求2所述的膜过滤系统，其中所述控制器被配置成当流速小于大约25 升每平方米过滤膜表面面积每小时时，停用所述全局通风系统。
8.根据权利要求1所述的膜过滤系统，进一步包括跨膜压力传感器，其被配置成监视所述膜模块中至少一个膜模块的膜上的压力；和控制器，其与所述跨膜压力传感器连通，且被配置成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。
9.根据权利要求1所述的膜过滤系统，进一步包括进料流速传感器，其被配置成监视供给到所述进料罐中的进料的流速；和控制器，其与所述进料流速传感器连通，且被配置成响应从所述进料流速传感器接收的指示进料流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统，并被配置成响应从所述进料流速传感器接收的指示进料流速小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。
10.根据权利要求1所述的膜过滤系统，进一步包括定时器，其被配置成在选定时刻激活和停用所述全局通风系统。
11.一种过滤方法，包括使液体介质流入过滤容器中，所述过滤容器包括多个位于其中的膜模块，每个膜模块包括位于其下端下方的相关联的气栓发生器；从所述多个膜模块回收渗透物；周期性地将气栓从所述气栓发生器传送到与每个气栓发生器关联的膜模块中，所述气栓通过每个膜模块内的膜表面，以从其中移走污垢物；和响应从所述膜模块的渗透流、进入浸没所述膜模块的过滤容器中的进料流、和至少一个膜模块的膜上的跨膜压力中的至少一个中得到的信号，以启动、终止通过所述过滤容器的全局循环流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将气栓传送到所述多个膜模块中每个膜模块中的时间周期是随机确定的。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括给每个气栓发生器提供基本恒定的气体供应。
14.根据权利要求13所述的方法，其中启动进料的全局循环流包括将气体引入到独立于所述气栓发生器操作的通风系统中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中用来自公共源的气体供应所述气栓发生器和所述通风系统。
16.根据权利要求14所述的方法，其中启动进料的全局循环流进一步包括启动脉冲气体流。
17.根据权利要求11所述的方法，其中启动进料的全局循环流包括将气体引入到所述多个膜模块的相邻膜模块之间。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述气栓的体积是随机的。
19.根据权利要求11所述的方法，其中将气栓释放到第一膜模块中的时刻独立于将气栓释放到第二膜模块中的时刻。
全文摘要
本申请的各种方案和实施例涉及用于处理流体的系统和方法，以及用于清洁流体处理中所用膜模块的系统和方法。本文公开了一种膜过滤系统及其操作方法。膜过滤系统包括位于进料罐中的多个膜模块和全局通风系统，所述膜模块中的至少一个具有位于其下集流管下方的气栓发生器，该气栓发生器被配置和布置成在膜模块中的所述至少一个内沿膜表面传送气栓，全局通风系统被配置成独立于将气体提供给气栓发生器的通风系统进行操作，该全局通风系统被配置和布置成在整个进料罐中引起了流体的全局循环流。
文档编号C02F3/12GK102481521SQ201080034176
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者J. 乔丹 E., 刘文军 申请人:西门子工业公司
