TW201306928A - 用於浸潤膜之脈衝通氣裝置 - Google Patents

Abstract

以藉由較長之停送空氣或低流率週期(其各自在5秒至40秒長之範圍內)分離之一系列送入空氣或高流率週期(其各自在0.5秒至20秒長之範圍內)同時對類似一卡匣或更大之一模組總成進行通氣。與複數個模組相關聯定位之複數個通氣器具備同時來自連接至所有該等通氣器之一共用空氣蓄積器或脈動器之一空氣叢發。可饋送連續空氣供應給該空氣蓄積器或脈動器一。可在一卡匣或機櫃中將該複數個模組連接在一起。該蓄積器或脈動器可位於含有膜之一水槽之外部。

Description

用於浸潤膜之脈衝通氣裝置

本發明係關於浸沒膜過濾，且特定而言係關於使用由一通氣系統產生之沖刷空氣氣泡來清潔或抑制一浸沒膜過濾器中之膜之積垢。

以下論述並非係下文所論述之任何內容為常識或可引證為先前技術之一認可。

舉例而言，在市政供水處理廠及污水處理廠中使用浸潤膜來過濾水。該等膜可係經製造而呈中空纖維膜模組之形式之微濾膜或超濾膜。在大型工廠中，將諸多模組浸潤在一敞濾槽中之待過濾水中及藉由抽吸而透過膜抽取經過濾水，亦稱為滲透物。在一典型過濾循環中，一滲透週期(舉例而言，在15分鐘至一小時內)後續接著一相對短之逆沖洗或鬆弛週期，且然後重複該循環。在污水廠中，且亦在某些供水廠中，在滲透期間藉助氣泡沖刷該等膜以清潔或抑制該等膜中之積垢。該等氣泡係根據貫穿過濾循環之滲透部分之大部分且可能全部以及可能亦在該循環之逆沖洗或鬆弛部分期間所應用之一通氣型態而提供。該通氣型態使用顯著量之能量，從而增加工廠之成本及環境影響。因此，已做出各種嘗試來減少該通氣型態所需之能量同時仍在該等膜中維持一可接受積垢率。

2000年4月20日公開之國際公開案第WO 2000/021890號中闡述一種循環通氣系統。在由GE Water and Process Technologies與其ZeeWeed^TM中空纖維膜模組一起使用之此系統之一版本中，透過一組控制閥將來自一或多個鼓風機之空氣分裂至兩組或四組通氣器中。該等閥又將空氣散佈至該等組通氣器。舉例而言，在兩組通氣器之情況下，可首先將空氣發送至一組通氣器且然後發送至另一組通氣器。將數個過濾模組一起連接在一框架中以提供一較大單元(稱為一機櫃或卡匣)。雖然在一卡匣下方通常存在數個通氣器，但所有此等通氣器皆係同一組通氣器之部分。在此情形中，該卡匣經歷一通氣型態，其中在重複循環中於一時間週期內提供氣泡，且然後於一時間週期內通常不提供氣泡。舉例而言，在兩組通氣器之情況下，可在每20秒中用10秒將氣泡提供至一卡匣。此亦稱為一10秒送入、10秒停送循環，或簡單地一10、10循環。在四組通氣器情況下，可在每40秒中用10秒或以一10、30循環將氣泡提供至一卡匣。在某些工廠中，閥組允許系統取決於(舉例而言)水之積垢品質或饋送流率之變化而在此兩個型態之間切換。

在由Siemens Water Technologies公司之Mempulse^TM系統中，每一模組具備一整合脈衝氣升泵。一機櫃或卡匣中之每一模組亦具有將其氣升泵連接至一共同供氣管之一空氣管子。空氣管子將空氣排放至脈衝氣升泵中之一倒杯中。一氣囊在該杯內部生長直至其向下延伸至一臨界高程為止，在該臨界高程點處將囊中之大部分空氣排放至一垂直通道中。該通道在其底端處敞開以汲入槽中之水，且其頂 部向模組之一下部灌注頭中之間隙敞開。在該通道中形成一氣升，且透過該等間隙將氣泡及水排放至該模組中。如在循環通氣系統中，該模組經歷實質上由一送入空氣-停送空氣循環組成之一通氣型態。雖然發明人不知曉商用系統中之循環之精確時序，但2008年12月18日公開之相關國際公開案第WO 2008/153818號提出一種大概2秒為夾帶有水之氣泡後續接著8秒為無氣泡的循環。

已證明循環通氣系統在抑制積垢中通常至少與連續通氣一樣有效同時僅需要一半空氣量。雖然Mempulse^TM系統避免使用受控閥，但有時污水中之固體物可使脈衝氣升泵積垢。若該等固體物確實積垢，則其位於模組之底部處將使氣升泵難以監視及維護。與一10-10循環或10-30循環相比，2-8循環似乎使用較少空氣，此乃因雖然在整個循環時間之一較小百分比內送入空氣，但在判定每一型態中使用多少空氣中亦將需要考量送入空氣時間中之氣流率(發明者並不知曉該氣流率)。

在國際公開案第WO 2008/153818號中，空氣循環系統之發明人注意到，在清潔膜時在一送入空氣週期之開始處產生之一大氣泡叢發可係特別有效的。雖然Mempulse^TM系統似乎可利用此一氣泡叢發，但若如此則系統之其他態樣減弱效應。特定而言，氣泡之某些能量花費在透過氣升泵汲取水上。此外，對於任何特定組之模組，不可使送入空氣週期同時開始。考量到一機櫃中各自具有其自身之氣升泵 之數個模組，氣升泵中之組件之大小或形狀之輕微變化或氣升泵上方水之深度之輕微變化或者槽中之水之運動之輕微變化將導致循環之輕微變化。一個氣升泵可根據一2-8循環操作，而另一者根據一2.1-8循環操作、另一者以1.9-8.1、另一者以2-8.1等等。一天中存在數千循環，且因此甚至一秒之十分之一之差將蓄積至其中一個氣升泵在另一氣升泵之停送空氣週期中釋放氣泡之點。舉例而言，考量一機櫃中之10個模組，平均2個氣升泵可始終在釋放氣泡。相對於模組之高度，模組之間的中心距極小(可能係五分之一或五分之一以下)，且因此上升穿過一個模組之水及空氣之一脈衝可能亦夾帶一毗鄰模組中之某些水。始終平均地自一機櫃中之2個氣升泵釋放空氣可能形成穿過該機櫃之一持續向上水流。然而，在空氣循環系統之背景中所觀察到之效應係為釋放至實質上靜止之水中之一氣泡叢發。將一氣泡叢發釋放至向上移動之水中不可能同樣有效。

在本文中所闡述之一方法中，將包括氣泡叢發之一通氣型態同時應用於與一過濾膜總成相關聯定位之一或多個通氣器，諸如膜模組之一機櫃或卡匣。藉由在壓力下於一充氣增壓室中蓄積氣體且然後將來自充氣增壓室之該氣體之一叢發釋放至一或多個通氣器來提供該等叢發。一或多個通氣器可將氣泡提供至一區域，該區域具有膜總成之高度之至少四分之一之一跨度。舉例而言，通氣型態可包括藉由較長之停送空氣或低流率週期(其各自在5秒至40秒長之 範圍內)分離之一系列送入空氣或高流率週期(其各自在0.5秒至4秒長之範圍內)。另一選擇係，亦可提供4秒至20秒之較長送入空氣週期。充氣增壓室可位於固持機櫃或卡匣之一槽之外部，且可饋送一連續氣體供應給該充氣增壓室。

在本文中所闡述之一設備中，與複數個膜模組相關聯之一或多個通氣器連接至一共用充氣增壓室之輸出側。可在一卡匣或機櫃中將該複數個模組連接在一起。充氣增壓室可位於含有該等膜之一水槽之外部。舉例而言，可自以一大體連續速度操作之一或多個空氣鼓風機饋送一連續氣體供應給充氣增壓室。可自一壓敏自動閥或自一受控閥提供氣體之釋放。

藉助於上文所闡述之方法或設備中之任一者，一通氣型態具備在時間上改變之一氣體流率。然而，產生流率之變化之充氣增壓室可位於膜槽中之污水之外部充氣增壓室未曝露於污水且可容易地監視及維護該充氣增壓室之處。此外，一單個充氣增壓室可將氣體供應至一模組總成(諸如，一卡匣或機櫃)下方之一組通氣器。與一機櫃或卡匣相關聯之該組通氣器皆可同時接收一空氣叢發。若該組通氣器相對於其浸沒深度具有一充分跨度，則可允許卡匣或機櫃之區域中之大部分水在叢發之間變得大體靜止。在一叢發之開始處，將氣泡釋放至靜止之水中，此最大化氣泡相對於水之速度。

現在將參考附圖以實例方式闡述本發明之一或多項實施例。

圖1展示一水處理系統2之一俯視圖。水處理系統2具有一或多個過濾槽4。若存在多個槽4，則其可平行地對準且由一分割壁3分離。每一槽4透過一入口6接受饋送水。可透過一滲透物抽取系統、一排水管及一回收導管中之一或多者自一槽4移除水，為簡化圖1未展示該滲透物抽取系統、該排水管及該回收導管，此乃因其係使用浸潤膜之一水處理系統之習用部件。

槽4具有圖1中以虛線展示之一或多個膜總成8。在過濾期間，使用膜總成8自槽4中之水抽取滲透物同時濾去餘留於槽4中直至其在一再循環管線中被溶解、排泄或移除為止之固體物。一通氣器總成10與每一膜總成8相關聯。通氣器總成10提供上升穿過相關聯膜總成8之氣泡以沖刷或清潔其膜。通氣器總成10可包含各種類型之複數個通氣器，包含(舉例而言)具有其中鑽有孔以發射氣泡之管之一網路，如將關於圖3更詳細地闡述。

為將空氣提供至通氣器總成10，透過一空氣入口12將空氣汲入至一組鼓風機14。由於鼓風機14可以一大體恆定速度操作，因此提供一大體恆定空氣流率。藉由關斷鼓風機14中之一或多者或減小該等鼓風機中之一或多者之速度，可提供一不同空氣流率。然而，頻繁地接通及關斷一鼓風機14或經常改變其速度可減少鼓風機14之壽命。因此，較佳的係，一次保持鼓風機14接通或關斷及以一恆定速度操 作該等鼓風機達至少一小時或一小時以上。另一選擇係，可提供系統以供應其他氣體，諸如氮氣、氧氣或富氧空氣或者沼氣。

氣體行進穿過一鼓風機出口管16到達一或多個歧管22。歧管22將氣體遞送至一或多個充氣增壓室30之一或多個入口26。氣體藉由增加壓力(視情況與充氣增壓室30之擴展一起)而蓄積於充氣增壓室30中。當自充氣增壓室30釋放氣體時，氣體流動穿過一充氣增壓室出口32到達通氣器總成10中之一或多者。如下文將進一步闡述，以叢發方式自充氣增壓室30釋放氣體，從而導致對應氣泡叢發自連接至充氣增壓室30之一或多個通氣器總成10發射。

圖2以一剖面端視圖展示圖1之水處理系統2。如所展示，儘管一膜總成8定位於一通氣器總成10上方，但通氣器總成10亦可與膜總成8整合。通氣器總成10藉由一進給管33而連接至一充氣增壓室出口32。充氣增壓室30位於槽之外部可到達充氣增壓室以在正常大氣壓力下進行維護及操作之處。自一通氣器總成10釋放之氣泡朝向槽4中之水之表面浮動。隨著其如此做，氣泡通過膜總成8以沖刷膜，因此清潔該等膜或降低其積垢率。

如圖1及圖2中所展示，通氣器總成10將氣泡提供至由覆蓋由通氣器總成跨過之一區域(在平面圖中)之水之一深度定義之一體積水。雖然一氣泡柱可隨著其上升而水平地擴展，但通氣器總成10之跨度11可被視為跨越該通氣器總成之水平距離，或更保守而言，在通氣器總成10之相對側上 之兩個開口之間的水平距離。若可沿跨越通氣器總成10而汲入之多個管線中之一者量測跨度11，則使用此等管線中之最小者來量測跨度11。若一組多個通氣器總成10連接至一共同充氣增壓室30，則將其視為一個總成且該跨度係橫跨該組所量測。

較佳地，跨度11相對於一或多個通氣器總成之浸沒深度在長度上係顯著的，該浸沒深度通常亦與膜總成8之高度相關。舉例而言，跨度11可係通氣器總成10之浸沒深度或一膜總成8之高度之四分之一或四分之一以上、或者三分之一或三分之一以上、或者二分之一或二分之一以上。上升穿過一個膜總成8之一氣泡柱可提升一毗鄰膜總成8中之水之程度部分地取決於該等氣泡上升穿過之垂直距離。相對於彼垂直距離提供一顯著跨度11抑制自一個通氣器總成10產生之氣泡導致水上升超過一毗鄰通氣器總成10。一膜總成8中之水可因此在來自其相關聯通氣器總成10之空氣叢發之間更接近於靜止。當將一氣泡叢發提供至一膜總成8時，將該等氣泡釋放至尚未具有一顯著向上速度之水中。除先前在國際公開案第WO 2008/153818號中所提及之注解之外，Masao Kondo等人之Reexamination of the Gas Sparging Mechanism for Membrane Fouling Control中亦論述了將氣泡釋放至靜止水(而非正上升之水)中之潛在益處。

在操作中，自一充氣增壓室30發射氣體，且以在重複循環中改變之一速率自一通氣器總成10提供氣泡。每一循環 可包含一週期，在該週期期間：在充氣增壓室30中蓄積氣體，後續接著氣體之一叢發之釋放。另一選擇係，可將一循環闡述為具有一「送入空氣」時間及一「停送空氣」時間。在叢發或送入空氣時間期間之流率可大體恆定或可上升至一峰值流率且然後再次下降。可存在蓄積階段或停送空氣時間之一急劇轉變，在該蓄積階段或停送空氣時間期間氣體之流動可完全停止。另一選擇係，送入空氣時間中之流率可逐漸降低，且可認為在來自一充氣增壓室30之出口32之氣流率係送入空氣時間中之峰值氣流率之10%或10%以下時出現空氣停送時間。叢發或送入空氣時間之持續時間可介於0.5秒與20秒之間或介於0.5秒與4秒之間。蓄積階段或停送空氣時間之持續時間可介於5秒與40秒之間。

在圖1所展示之系統2中，並非有意同步化來自各種充氣增壓室30之氣體叢發之時序。儘管通氣器總成10可同時發射其第一氣泡叢發，但不同通氣器總成1之循環可隨時間彼此岔開。然而，由於通氣器總成10相對於其浸沒深度之間距，每一膜總成8經歷主要由其相關聯通氣器總成10判定之氣泡及夾帶水之流動。

圖3更詳細地展示一通氣器總成10。通氣器總成10具有一管集箱管34。管集箱管34連接至圖2中所展示之進給管33且因此自充氣增壓室30之出口32接收氣體。複數個個別通氣器36自管集箱管34延伸。雖然所展示之通氣器36中之每一者實質上係具有提供於其側中以將氣泡釋放至水中之 孔38的管之一區段，但亦可使用其他類型之通氣器。

圖4更詳細地展示一膜總成8。膜總成8具有並排配置之複數個膜模組40。模組40可連接至彼此或連接至一共同框架(未展示)。複數個膜模組40中之每一者具有在兩個灌注頭44之間大體垂直定向之中空纖維膜42。膜42之端藉由允許將滲透物收集於之灌注頭44中之至少一者中一水密連接件而連接至灌注頭44。

一灌注頭44可具有連接至一或多個滲透物收集管48之一龍頭46。雖然為簡化圖2僅展示至模組40中之一者之滲透物連接件，但通常一總成8中之所有模組40將在某一點連接至一共同滲透物收集管48。滲透物收集管48連接至一滲透物泵50。當操作滲透物泵50時，在膜42中形成相對於環繞膜42的槽4中之水之一負壓力。所得跨膜壓力透過膜42汲取水。

亦可根據其他組態製造一膜總成8。舉例而言，垂直定向膜42之模組40可係圓形的或方形的且依列或柵格連接在一起以形成一總成8。模組40亦可具有水平定向之中空纖維膜42。可藉由將具有水平膜之模組40並排或依柵格放置或者藉由將該等模組堆疊於彼此之頂部上或者藉由兩種方式而將該等模組配置成一總成8。模組40亦可具有平坦薄片膜，且可藉由將該等模組並排或依柵格放置或者藉由將該等模組堆疊於彼此之頂部上或者藉由兩種方式而將模組40配置成一總成8。

圖5A至圖5D展示處於順序操作階段中之一充氣增壓室 30之一實例。圖5A至圖5D之充氣增壓室30具有一撓性膜52，撓性膜52具有連接至一入口26之一第一端54。撓性膜52之一第二端56連接至一出口32。一堵頭58提供於第二端56處。堵頭58及第二端56協作以形成防止空氣自撓性膜52離開直至達到撓性膜52內之一臨限壓力為止之一閥。當達到該臨限壓力時，第二端56擴展以使得釋放堵頭58與第二端56之間的密封件。

如圖5B中所展示，撓性膜52隨空氣在其中蓄積而擴展。在圖5C中，達到臨限壓力的撓性膜52中之空氣壓力導致第二端56擴展及藉助堵頭58釋放密封件。當此發生時，空氣繞過堵頭58且穿過出口32。自撓性膜52釋放一空氣叢發。隨著空氣自撓性膜52離開，撓性膜52收縮至其初始未經加壓狀態，如圖5D中所展示。堵頭58再次藉助第二端56形成一密封件且重複用空氣填充撓性膜52之過程。另一選擇係，可提供呈一大體剛性槽或儲液槽形式之一充氣增壓室30，且可在充氣增壓室30與出口32之間提供一較習用閥。該閥可經組態以在達到臨限壓力時自動敞開，且以保持敞開直至達到一較低臨限壓力為止。可使用一壓敏閥或藉由使用一壓力感測器、一控制器及一致動閥以機械方式將此完成。另一選擇係，該閥可由一計時器敞開，且保持敞開達一段預定時間週期。在其中當空氣達到一臨限壓力時釋放空氣之一情形中，可藉由控制至充氣增壓室30之氣體之流率或可能藉由自充氣增壓室30排出氣體或在氣體到達充氣增壓室30之前放出氣體來控制氣體叢發之頻率或時序。

此書面說明使用實例揭示本發明(包含最佳模式)，且亦使得熟習此項技術者能夠實踐本發明，包含製造及使用任何裝置或系統以及執行任何併入方法。本發明之可取得專利範疇由申請專利範圍定義，且可包含熟習此項技術者想到之其他實例。若此等其他實例具有並非不同於申請專利範圍之文字語言之結構性元件，或若其包含與申請專利範圍之文字語言具有非實質性差異之等效結構性元件，則其意欲在申請專利範圍之範疇內。

2‧‧‧水處理系統/系統

3‧‧‧分割壁

4‧‧‧過濾槽/槽

6‧‧‧入口

8‧‧‧膜總成/總成

10‧‧‧通氣器總成

12‧‧‧空氣入口

14‧‧‧鼓風機

16‧‧‧鼓風機出口管

22‧‧‧歧管

26‧‧‧入口

30‧‧‧充氣增壓室/共同充氣增壓室

32‧‧‧充氣增壓室出口/出口

33‧‧‧進給管

34‧‧‧管集箱管

36‧‧‧通氣器

38‧‧‧孔

40‧‧‧膜模組/模組

42‧‧‧中空纖維膜/膜/垂直定向膜

44‧‧‧灌注頭

46‧‧‧龍頭

48‧‧‧滲透物收集管/共同滲透物收集管

50‧‧‧滲透物泵

52‧‧‧撓性膜

54‧‧‧第一端

56‧‧‧第二端

58‧‧‧堵頭

圖1以俯視圖展示一水處理系統。

圖2以端視圖展示圖1之水處理系統。

圖3展示圖1之水處理系統之一通氣裝置。

圖4展示在一卡匣中連接之複數個膜模組。

圖5A至圖5D展示用於產生一氣體之叢發之一裝置。

2‧‧‧水處理系統/系統

3‧‧‧分割壁

4‧‧‧過濾槽/槽

6‧‧‧入口

8‧‧‧膜總成/總成

10‧‧‧通氣器總成

12‧‧‧空氣入口

14‧‧‧鼓風機

16‧‧‧鼓風機出口管

22‧‧‧歧管

26‧‧‧入口

30‧‧‧充氣增壓室/共同充氣增壓室

32‧‧‧充氣增壓室出口/出口

Claims (22)

1. 一種用於在一通氣週期期間將氣泡提供至浸潤於一槽中之水中之一過濾膜總成之方法，其包括以下步驟：a)在一充氣增壓室中蓄積氣體；b)將來自該充氣增壓室之該氣體之一叢發釋放至一組一或多個通氣器，該組一或多個通氣器與該浸潤過濾膜模組總成相關聯；其中在該通氣週期整個過程中連續不斷地重複步驟a)及步驟b)，且該一或多個通氣器將氣泡提供至一區域，該區域具有係該過濾膜總成之高度之至少四分之一之一跨度。
2. 如請求項1之方法，其中該一或多個通氣器包括用於排放氣泡之複數個開口，且該跨度係在沿跨越該一或多個通氣器之最短距離之一管線之相對側上間隔的一對該等開口之間所量測。
3. 如請求項1之方法，其中步驟a)具有介於0.5秒與20秒之間的一持續時間，且步驟b)具有介於5秒與40秒之間的一持續時間。
4. 如請求項3之方法，其中步驟a)具有介於5秒與20秒之間的一持續時間。
5. 如請求項1之方法，其進一步包括在步驟a)及步驟b)整個過程中將經加壓氣體之一供應饋送至該充氣增壓室之一步驟。
6. 如請求項1之方法，其中將該充氣增壓室定位於該槽中 之該水之外部。
7. 如請求項6之方法，其中該充氣增壓室包括一可擴展室。
8. 如請求項1之方法，其中該經浸潤過濾膜總成包括一起連接至一卡匣中之複數個相異模組。
9. 如請求項8之方法，其中該組一或多個通氣器包括複數個室，每一室具有用於排放氣泡之複數個開口，該複數個室中之每一者透過一共用歧管與該充氣增壓室流體連接。
10. 一種用於將氣泡提供至浸潤於一槽中之水中之一過濾膜總成之方法，其包括以下步驟：a)在一充氣增壓室中蓄積經加壓氣體；b)透過一歧管將來自該充氣增壓室之該氣體以叢發方式釋放至一組兩個或兩個以上通氣器，該組兩個或兩個以上通氣器與該經浸潤過濾膜模組總成相關聯。
11. 如請求項10之方法，其中步驟a)具有介於0.5秒與4秒之間的一持續時間，且步驟b)具有介於5秒與40秒之間的一持續時間。
12. 如請求項10之方法，其中在步驟a)中閉合該充氣增壓室與該一或多個通氣器之間的一導管且在步驟b)中敞開該導管。
13. 如請求項10之方法，其中將該充氣增壓室定位於該槽之該水之外部。
14. 如請求項10之方法，其中該充氣增壓室包括一可擴展 室。
15. 如請求項10之方法，其中該過濾膜總成包括一起連接至一卡匣中之複數個相異模組。
16. 一種用以將氣泡提供至浸潤於一槽之水中之一過濾膜總成之設備，其包括：a)複數個通氣器；b)一充氣增壓室，其連接至與該複數個通氣器流體連通之一入口及一出口；及，c)一閥，其在該充氣增壓室與該出口之間，該閥經組態成以叢發方式釋放來自該充氣增壓室之氣體。
17. 如請求項16之設備，其中該過濾膜總成包括在一卡匣中連接在一起之複數個相異模組。
18. 如請求項16之設備，其中該充氣增壓室定位於該槽中之該水之外部。
19. 如請求項16之設備，其中該充氣增壓室包括一可擴展室。
20. 如請求項16之設備，其中該閥經組態以回應於達到一臨限壓力的該充氣增壓室中之該氣體而敞開至該複數個通氣器之連通。
21. 如請求項20之設備，其中該充氣增壓室包括一可擴展室及一堵頭，其中該室及堵頭形成在該室處於低於該臨限壓力之一壓力下時防止空氣離開該室之一密封件，在達到該臨限壓力時釋放該密封件。
22. 如請求項16之設備，其包括在該出口與該複數個通氣器之間連通之一歧管。