超過濾和微過濾模件及系統的製作方法

2023-06-28 07:27:31 4

專利名稱：超過濾和微過濾模件及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及水淨化，更具體地涉及一種用於室內的薄膜水過濾系統，例如提供一種可靠的安全水供應而只有很少的維護。
背景技術：
最近爆發的在城市水供應中出現寄生胞囊例如隱孢殼屬(cryptosporidium)和Giardia Lambia而引起的疾病需要可以提供飲用水而無需擔心疾病的系統。大多數城市依賴用氯破壞這些病原體，這只能局部有效。一些水淨化系統使用紫外線消毒，但也使用氯，這項技術只能部分有效地殺滅水中的病原體，尤其是上述的寄生胞囊。
已經使用基於薄膜的技術來淨化水。但是，使用常規的薄膜容易汙染並需要頻繁化學清洗，這被認為對居住和商業使用不安全。出售小的可以處置的殼體專用於特定場合，例如廚房的水龍頭，但成本很高而且不能對整個居室提供防止汙染物的保護。
為了改進通過薄膜的滲透流以提供純淨水，已經採用了不同的技術。例如，美國專利4,921,610公開了由一系列化學清洗循環從薄膜去除固體的方法。在每次循環中從過濾流速中速度的減小以及時間和過濾損失中計算出清洗循環的最佳時間和方式。這由在每次施加一個壓縮液體和/或氣態回洗循環之後從過濾流速的減小率計算表示過濾流和時間之間關係並允許每次回洗循環中時間損失以及在每次回洗循環中損失的過濾量的公式計算得出、以及從過濾損失、時間損失以及過濾流速和時間之間的關係、流體和/或氣態回洗應用的最佳時間中計算而得出。
日本專利4-180887公開了使水從內側至外側通過一個中空紗薄膜並除了在處理時間外用過濾水衝洗薄膜內表面。生水導過一個頂口並在導過中空薄膜並經過一個底口之前過濾。而且還使用一個樹脂固定床以及活性碳。
美國專利4,414,113公開了一種利用反滲透(RO)技術從一種液體中去除分解的固體的方法和設備。要處理的液體導入包含多個放置在其中的過濾件的壓力容器中。過濾件具有纏繞在有小孔的中芯上的中空RO纖維，這樣在從過濾件外側向中芯的一個方向中流動。純滲透液體進入纖維的中芯中並且集中液體進入部件的中心中。
此方法和設備提供了當過濾件弄髒時對其的回洗。此外，一個外過濾隔膜可以圍繞部件的中空RO纖維施加，以去除否則會弄髒中空RO纖維的顆粒。
美國專利3,786,924公開了一種採用反滲透單元用於淨化水的水淨化系統。此系統產生兩個流束，一個純度很高，用於飲用和做飯等，而一個質量較低，用於衝廁所、澆草坪、灌溉花園等。此系統提供用於協調家用水系統中固有的水流變化的設備和技術，使其具有用於反滲透單元有效性能所需的恆定流速，對反滲透部件提供自動衝洗和回洗功能。
美國專利3,716,141公開了一種溶劑分離設備，用於通過使水在壓力下暴露給一種溶劑分離裝置而淨化水，溶劑分離裝置包括一個非活性位移泵，用於在水導入水分離裝置之前升高水壓，以及包括兩個尺寸預定的孔的裝置，用於保持所需的水壓和所需的水流速通過水分離裝置，並用於周期性地衝洗水分離裝置而不需要另外的調整以使系統回到正常的操作狀態。
美國專利3,992,301公開了一種自動衝洗和清洗系統，用於例如具有多個模件或薄膜的反滲透機的薄膜分離機。可以通過減小壓力使薄膜放鬆、通過注入空氣或惰性氣體以提供湍流、和/或通過注入可以包括化學清洗添加劑的衝洗液體而進行清洗。提供了泵、自動閥、以及壓力控制裝置，以及一個完整的時間操縱的電序列系統，其中所需的衝洗，清洗以及洗滌循環在一個周期間隔自動進行或響應於一個或多個優選狀況。
美國專利4,876,000公開了一種中空纖維過濾裝置，具有一個過濾殼，由一個水平件分隔成一個過濾的液體腔和一個過濾腔，而且多個過濾模件從水平件向下懸掛。每個模件包括多個中空纖維，纖維具有向過濾液體腔打開的上端以及具有向一個液體收集腔打開的下端，液體收集腔與過濾腔密封並設置成由一個導管與過濾液體腔連通，這樣利用纖維的全長過濾。
美國專利5,437,788公開了一種過濾組件，它包括一個分成第一腔和第二腔的殼體。一個過濾件設置在第一腔中，而一個導管設置在並向第二腔打開。一個排水孔將回洗液從第二腔導入過濾件或導管中。這樣在導管中的開口和過濾件的外部之間形成一個壓差，以迫使回洗液通過過濾件並從而清洗過濾件和/或從過濾件刷去一個預塗層。
美國專利5,053,128公開了一種製造一個分散和/或過濾設備的方法，設備包括一個外殼，外殼包括一個由兩個端蓋關閉的圓柱形開口主體並設有用於第一流的一個入口和出口以及至少一個用於第二流體的出口，所述第一流體適於流過設置在位於殼體中的兩個端壁之間的半滲透性中空纖維束的纖維，而所述第二流體適於通過用於第二流體的所述至少一個出口而從纖維外的空間中被去除。
美國專利5,059,374公開了一種將一個中空纖維薄膜分離模件封裝在一個殼體中的方法。
美國專利5,160,042公開了一種環形雙端中空纖維束，一個流體分離裝置包括環形雙端中空纖維束具備在中空纖維兩端都打開的孔，中空纖維嵌入封裝在一個具有多個開口的外殼中的兩個管片中，多個開口包括一個液體入口，一個非滲透出口和至少一個滲透出口，其中所述雙端中空纖維束裝在一個基本不可滲透的薄膜擋板中，只是入口區位於管片之間選定的區域中，並公開了用於分離液體混合物的方法。
儘管具有這些公開文本，仍需要適合室內、商業和工業應用的基於薄膜的過濾系統。即需要一種薄膜過濾系統，它可以以一種節省成本的方式對居室或研究機構長期提供可靠而安全的服務。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種適於家庭使用的基於薄膜的過濾系統。
本發明的另一個目的提供一種基於中空纖維薄膜的過濾系統，適於從城市水中去除寄生胞囊例如隱孢殼屬(cryptosporidium)和Giardia Lambia細菌例如大腸桿菌和病菌，以提供安全的飲用水。
本發明的還一個目的是提供一種改進的方法，它利用基於薄膜的過濾淨化城市水而飲用，其中可以方便地清洗薄膜以改進流量。而且本發明的還一個目的是提供一種改進的方法，用於例如使用微過濾或超過濾中空纖維薄膜淨化城市水的胞囊，以提供改進的回收。
本發明的再一個目的是提供一種改進的方法，用於使用微過濾或超過濾中空纖維薄膜淨化城市水，以用一種節省成本的方式對整個家庭提供長期的安全飲用水而不用清洗薄膜。
這些和其他目的從閱讀說明書，權利要求書和附圖而更顯而易見。
根據這些目的，提供了一種淨化供給水以從中去除包括懸浮固體雜質的方法，此方法使用水管壓力通過薄膜滲透水並回洗薄膜以去除收集在其上的固體。此方法包括提供一種由一個壁限定的腔體，壁具有一個內側並具有一個第一端和一個第二端。薄膜例如從超過濾和微過濾薄膜中選定的中空纖維薄膜在所述第一端和第二端之間延伸。一個供給水入口用於連接在一個水管上向所述腔體導入管路壓力下的供給水。設置一個滲透水出口將純淨水導入建築物中。通過使用所述管路壓力將水經過薄膜而在所述腔體中過濾所述水，以在所述薄膜內提供滲透水，並在所述薄膜外集中懸浮固體以提供集中水。在一個滲透收集器中收集來自所述薄膜的所述滲透水並分散所述滲透水用於使用。將一部分所述滲透水導入一個壓力罐體中，壓力罐體在管路水壓下收集滲透水，所述壓力罐體與所述滲透收集器液體連通。周期性地排乾所述腔體以去除集中水，與此同時從所述罐體用滲透水回洗所述薄膜，以從所述薄膜去除固體。同時繼續使供給水通過腔體以將包含來自腔體的固體的集中水衝洗至一個排放管。
還提供了一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路壓力使水滲透薄膜並從其之上去除收集的固體，所述系統包括一個具有第一端和第二端的腔體，一個用於連接到一個供給水管的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口。腔體包含從設置在所述腔體中並設置在所述第一端和所述第二端之間的超過濾和微過濾薄膜中選擇的中空纖維薄膜，所述中空纖維薄膜與所述滲透水出口流體連通並適於將水從所述腔體從其滲透到其腔中，以淨化水並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水。設置一個適於從所述腔中排出滲透水而重新進行分配的滲透水收集器。設置一個與所述滲透水收集器液體連通用於在管路壓力下在所述壓力罐體中儲存滲透水的膜片罐體，所述罐體適於用滲透水回洗所述薄膜。使用一個用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的壓力降低到管路水壓之下的閥裝置，所述閥裝置排乾和降低所述腔體中壓力，(i)用滲透水從所述膜片罐體激發所述薄膜的回洗，以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起去除，以及(ii)在所述周期性排乾集中水和回洗過程中用供給水衝洗所述腔體。系統可以通過打開排乾閥而手動排乾，或者系統可以通過關閉水入口閥並打開排乾閥而手動排乾。


圖1是一個用於淨化水的基於薄膜的系統的剖視圖，示出了本發明的一個過濾罐體和回洗罐體。
圖2是本發明的一個中空纖維薄膜模件以及通過其用於淨化的水流的剖視圖。
圖3a和b是中空纖維薄膜和用於將纖維定位在腔體2中的蜘蛛狀設置的俯視圖。
圖4是在腔體2中的一個底部蜘蛛設置。
圖5是一個水淨化系統的剖視圖，示出了一個過濾罐體和一個回洗罐體。
圖6是一個水淨化系統的剖視圖，示出了位於一個過濾罐體和一個回洗罐體之間的一個活性炭殼和氯分配裝置。
圖7是一個用於周期性排出和清洗過濾罐體和薄膜的控制圖。
圖8是一個圖表，示出從模件中排出水的氯的含量和時間的關係。
具體實施例方式
本發明提供一個用於室內淨化水的系統，以去除包括固體物質的微有機體和顆粒物質。其他可以去除的雜質包括一些重金屬以及鑄鐵、硫磺和錳。系統設計成可以在市政管路壓力或水管壓力上操作而不用使用額外的泵。此外，因為系統使用基於薄膜的技術，系統設計成可以使用管路水壓力提供回洗。
在圖1中使用本發明的一個實施例。在圖1的實施例中，示出一個罐體或腔體2，腔體2具有安裝在頂部6中的供水入口4。而且示出一個從底部10延伸用於去除用於衝洗的水的管道8。腔體2包含一個用於承載衝洗水的穿孔導管12並，併集中到排放管8。但是，集中或衝洗水可以使用一個在罐體2的周壁上的排放管而去除。腔體2包括超過濾薄膜或微過濾薄膜的薄膜(在圖1中未示出)，薄膜透過在管路水壓下的供給水，以提供可以收集在滲透收集罐體或集管14中滲透水。薄膜可以從可以進行回衝的平片薄膜、管狀薄膜或中空纖維薄膜中選擇。從薄膜或從滲透收集罐體14回收的滲透水沿管道16引導，用於從管道18通過建築物例如房屋、學校辦公室等分配，以提供一個能夠根據要求淨化水的系統。
為了回洗，一部分滲透水沿管道22導至一個膜片罐體20，管道22通過滲透罐體或集管14與過濾罐體2液體流通。使用管路水壓由膜片21在壓力下將一部分滲透水儲存在膜片罐體20中。為了衝洗和激發膜片20，提供一個排放電磁閥24，即為了清洗中空纖維薄膜的外表面，周期性的排放電磁閥24打開使滲透水通過管道8到達排放管，同時由於腔體2中的壓力減小，膜片罐體20將滲透水排入中空的纖維薄膜中並通過薄膜壁返回，迫使固體或存流的碎屑從孔中離開。同時，供給水衝洗纖維薄膜的外側或外殼側，將逐出的固體和存流的碎屑帶至排放管。當排放電磁閥24關閉時，壓力在腔體2內集聚到管路壓力並且供給水再一次滲透纖維薄膜。滲透水流回到建築物中。同時，膜片罐體20充有滲透水到達管路壓力，用於進行下一次衝洗循環。罐體2可以衝洗多次，因此根據淨化水的質量可以連續利用幾個回洗以改進通過薄膜的流速。通過使用在此利用的膜片罐體意味著可以包括任何具有用於為了回洗而保持壓力的裝置的罐體，例如一個利用保留空氣的在此稱為壓力罐體的罐體。
下面參見圖2，其中示出倉體或腔體2的一個優選實施例。其中相同的附圖標記表示與圖1相同的部件。即，供給水例如在管路壓力下的市政水通過連接在市政水管上的頂部或蓋6在入口4導入。蓋6可以螺紋連接、粘接或焊接在倉體2上，以提供一個防漏的安裝。在圖2所示的實施例中，示出中空纖維薄膜26基本豎直定位，薄膜26具有端部28，端部28端部封裝在腔體2的上部中的頂端或第一區29中。在一個實施例中，中空纖維薄膜26可以成束地設置在腔體2中。中空纖維薄膜26的束30成束設置或端部封裝在頂端29中。
圖3a和3b中所示的一個蜘蛛狀設置可以用在腔體2中，用於支撐蓋6和圍繞周邊34供水分配。在一個實施例中(見圖2)，供給水可以分散到頂端29和蓋6之間的腔40中並分散到其周邊42，在此通過壁通道44鄰近其壁導入腔體2中，以提供嚮導管12的一個基本徑向向內的流動。
可以在倉體2的底部或第二區46使用第二蜘蛛狀設置48(見圖4)。第二蜘蛛狀設置48具有徑向延伸的臂部50，臂部50從一個中轂54延伸到周邊或邊緣52。中空纖維膜片26封裝在頂端47中，以便可以將過濾到其中心或內腔的滲透水排出，以收集到滲透水收集罐體或集管14中。在周邊52第二蜘蛛狀設置48密封在倉體2的內壁上，以防止供給水或集中水漏入滲透水收集罐體14中以及其汙染。另外，導管12密封在蜘蛛狀設置48的轂54上，以防止供給水或集中水洩漏。如圖2所示，導管或部件12從底蓋10通過倉體2的中心延伸到頂部蜘蛛狀設置32。在導管12中，設有孔或開口56，用於在衝洗時從腔體2中排出供給水或集中水。儘管孔56示出位於導管12的下部上，但孔可以如所需向上延伸。這樣，當需要排乾腔體2時，供給水和集中水圍繞中空纖維薄膜通過孔56衝洗到導管12中並進入排放管8中(圖1)。可以理解導管12在壁7密封到底端10上，以防止漏入滲透水罐體或集管14中。
倉體2以及頂蓋和底蓋6，10可以由金屬或塑料製成，因為只有低壓例如管路壓力用於腔體2中。
為了在峰值流速下以約15psi的壓降(管路壓力)取得0.5至10加侖/分鐘的滲透流速需要200-1000英尺2的膜片表面積。這樣，足夠的中空纖維膜片束在所需長度下應該用於提供如此的流速。例如，圖3a示出8束中空纖維膜片。腔體2設有佔據腔體2的容積30-50％的纖維束。
為了提供飲用水，最好使用孔尺寸小於1μm、最好小於0.5μm的中空纖維膜片，膜片典型的孔尺寸位於0.001μm-0.1μm的範圍中。
中空纖維膜片分別從頂端47向頂端29基本豎直延伸。可以理解腔體2可以設置在水平位置，其中中空纖維膜片水平從頂端47延伸到頂端29。此外，過濾罐體可以位於頂部上而膜片罐體位於頂部上，其中用於供給水的入口位於例如罐體2的側面上。這樣，薄膜包括多個中空纖維，由此流量到達一個恆定的相對高的值。在每個頂端纖維的端部基本避免纖維對纖維的接觸。纖維可以操作，其中穿過薄膜的壓力差位於約0.1psi至約25psi的範圍中，優選的中空纖維具有在約0.2至20psi的範圍中的穿過薄膜的壓力差。管路壓力例如20至100足以克服優選的穿過薄膜的壓力。
優選的中空纖維由有機聚合物和各向同性或各向異性的陶瓷製成，其中一個薄層位於纖維的外表面上。一些纖維可以由編織的聚合物製成，聚合物上塗有一個滲透性的天然橡膠或一種不溶於水的纖維性聚合材料。用於纖維的優選有機聚合物是聚碸、聚苯乙烯、PVDF(聚偏二氯乙烯)和PAN(聚丙烯氰)，包括包含苯乙烯的共聚物，例如丙烯氰-苯乙烯、丁苯和苯乙烯-乙烯基苄基滷化物共聚物、聚碳酸酯、纖維素聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯，以及在美國專利4,230,463中所公開的物質，此公開文本在此作為參考。
對於中空纖維薄膜，一個纖維的外徑至少為20μm並可以大至3mm，通常在約0.3mm至2mm的範圍中。外徑越大，纖維每單位容積的表面積越小。纖維的壁厚至少為5μm並可以大至1.2mm，通常位於約為纖維外徑的15％至約60％的範圍中，最好在0.2mm至1.2mm之間。典型地，中空纖維的爆破壓力和壓縮壓力大於100psi。
在一個纖維中平均孔橫截面直徑可以變化很大，即在約10-10，000的範圍中。用於超過濾的優選孔直徑在約10-1,000的範圍中；而對於微過濾在1,000-10,000的範圍中。儘管參照中空纖維薄膜，但可以使用包括微過濾薄膜的任何薄膜，以提供在管路水壓力下的淨化水並周期性地清潔薄膜以延長薄膜的壽命。
為了本發明的目的，管路水壓可以在15-100psi的範圍內，以使水通過中空纖維薄膜滲透，從而提供淨化水。此外，在這些壓力下，系統能夠產生0.1-10gpm、通常為7gpm的峰值滲透水流速。
為了使薄膜系統取得這些流速，重要的是倉體2應該分散成膠狀物質雜質和懸浮固體。在此術語「集中」表示包含在倉體2中的供給水，這些供給水還沒有通過中空纖維薄膜26並與被薄膜排棄的固體或其他物質一起收集在外側或外殼一側上。可以理解在倉體2的外殼一側中的液體在操作時更易集中固體和雜質。這樣，為了在低壓下保持高流速，重要的是在某種程度根據水的質量周期性地從腔體2中分散或去除排棄物質，以避免在薄膜表面上集聚過多的固體和懸浮物以及流量的減低。根據本發明，通過使用排放電磁閥24打開排放管8而由供給水周期性地衝洗腔體2(圖1)，電磁閥24使供給水可以自由流入和流出腔體2，從而提供圍繞中空纖維薄膜26的供給水衝洗作用。供給水通過穿孔管12離開腔體12，從而分散腔體2中的固體集聚。可以理解打開排放管8用供給水衝洗腔體2具有減小腔體2中的壓力小於管路水壓至大約為常壓的效果。這樣，當腔體2中的壓力減小時停止滲透水流入中空纖維薄膜腔中。同時，隨著腔體2中的壓力減小和衝洗供給水至排放管8，在管路壓力下儲存在膜片罐體2中的滲透水流回到中空纖維膜片中並排出存留在薄膜外表面上的固體或顆粒物質。這樣，與回流混合衝洗的供給水與滲透水一起工作，以清洗中空纖維薄膜並分散或淨化倉體2。
應該注意一個重要因素是需要分散或淨化倉體2的時間量，尤其是當系統用於處理室內或辦公室建築物的水時，其中重要的是水的供應很少間斷。這樣，在頂部6供應供給水而在底部10抽回滲透水和集中水是此系統的一個有用的特徵。即，已經發現基本豎直安裝腔體2和薄膜26導致可以在容器2的下部56收集固體。這對衝洗目的很重要，因為在用供給水衝洗的過程中首先去除集中在下部56中的固體。這樣，可以迅速進行衝洗並減小衝洗和分散的過程。根據本發明，用水衝洗可以由0.5至3個單位體積的供給水、最好為0.5至1個單位體積的供給水完成。在本發明的另一個方面，供給水可以在罐體2的底部或側部導入而排水可以在頂部或側部導出，但這不是一個優選的實施例。
此外，為了用儲存在膜片罐體20中的滲透水回洗，可以從膜片罐體20由約0.25至0.75個體積的腔體2的滲透水實現回洗。儘管膜片罐體20的尺寸作成可以提供充足的回洗量，但是也可以將其尺寸作成可以提供額外的滲透水用於室內使用的腔體2的短期衝洗。即，當提供用於回洗中空纖維薄膜26的水時，在回洗過程中膜片罐體20可以提供在用於室內的壓力下的水。當使用井水供應系統時，膜片罐體可以已經存在，而且可以與過濾系統結合以提供回洗。
需要衝洗的供給水的體積根據供給水的質量和衝洗完成的頻率可以變化。這樣，最好用供給水衝洗至少每24小時進行一次。衝洗時間應該在非尖峰時間進行例如凌晨2點，這還具有高水管路壓力而增大回洗效率的優點。此外，可以根據水的質量採用幾個連續的衝洗/回洗。
分散倉體2的另一個重要的特徵在於需要用供給水進行衝洗和用滲透水進行回洗的時間。這樣，最好在小於3分鐘、通常小於1.5分鐘的時間內完成這種作用，以避免向建築物供應水的間斷。
可以理解，根據存留在薄膜上的固體的量可以關閉供給水排乾倉體2而不用使用滲透水的回流。不用回流排乾可以使流量增加50％，通常為10-35％。或者，倉體2可以由關閉供給水而排乾同時使用來自膜片罐體20的回洗或回流，以從薄膜去除固體。可以在15處提供一個空氣閥，以便當去除集中時增加空氣或當加入供給水時從罐體2中去除留存的空氣。
在本發明中，一種提供最小量的空氣以局部或完全移動存在於模件2中的水的方法是維持薄膜清潔的優選方法。在通常操作下，排出閥關閉而水根據需要過濾。如上所述，一些過濾水集聚在膜片罐體中。排乾閥可以以每周打開一次、一次三小時的頻率打開，優選的頻率是每天一次。這使供給水(見圖1)從模件2的外側頂部流到底部中心並通過排放管8排出，衝洗在過濾過程中集聚的固體或雜質。而且，這使模件中的壓力下降，導致水從膜片罐體通過纖維的腔回流並通過纖維壁返回。這樣分離在過濾過程中沉積在纖維壁上的膠狀固體和其他雜質。這樣這些雜質從過濾罐體2中被排出，因為排乾閥在產生回洗的同時打開。在一個預置時間後，排乾閥關閉而重新進行過濾。在過濾循環開始時重新填充回洗罐體並準備進行操作。使用者可以設置時間。可以根據需要在一個計數器上設置衝洗頻率。
回洗罐體20的尺寸應該做成使得至少模件2容積的1/3作為回洗供給。清洗方法可以從低汙染特性的水的模件回洗位移的約1/3至低壓供給的高汙染的水的大於5個模件位移的範圍中變化。例如，在具有高含量有機雜質和低供給壓力的未處理的表面水中，可能需要具有大量回洗位移的頻繁回洗或多次回洗，以保持可接受的產量。在本發明中，回洗和衝洗系統可以由上述的一個閥操作，它是閥24(圖1)或圖7中所示的「排乾閥」，從而提供一個用於家庭的非常簡便的系統。
根據本發明，可以使用一個多模件組件，用於大的設備，例如多單元的住所、商店、工廠以及研究所。在這些情況下，可以使用帶有一個單回洗罐體的上述簡單的結構，以同時維護所有模件的清潔。或者，每個模件組件可以與基於計數器的控制裝置並行設置，以便在一個時刻回洗和/或衝洗一個模件，從而確保向系統連續供應水。
下面參見圖5，圖5示出本發明的一個實施例，其中腔體或過濾罐體2由任何適當的裝置連到回洗罐體20上，所述裝置限定一個滲透水收集罐體或集管14。此實施例基本避免圖1中所示的管路並提供一個更緊湊的系統。在圖5中，供給水入口4示出在頂部6中。供給水通過入口4導入管道12中，管道12設有開口60，以將水導至與頂部6相鄰或接近的薄膜26的外殼一側，如圖5所示。罐體2設有一個位於罐體2壁上的排口62。排口62可以由一個閥或閥裝置控制，閥裝置可以包括一個由計數器控制的電磁閥，如圖1和7所示。薄膜26頂端封裝在頂端28中，如圖5所示。中空纖維薄膜26封裝在頂端47中，以使滲透水可以從中空纖維薄膜26的中心或腔中排出收集到集管14中。來自集管14的滲透水用過開口64分散到供應的建築物的管路中。膜片罐體20與集管14液體連通，以便從此而來的滲透水在管路壓力下進入膜片罐體20中並壓下膜片21，以在罐體2的排乾過程中提供回洗。液體流通可以由一系列位於部件23中的孔或開口(未示出)提供，液體在孔或開口中自由流動並不限制回洗操作。罐體2具有如圖所示模製在其一側上中的排口62，而且罐體20具有模製或結合在其中的開口64，用於分布滲透水。可應該理解可以在這些開口中連接或螺紋連接帶有所需閥的閥的適當的管件。
圖6的實施例與圖5相似，不同之處在於圖6的實施例具有一個位於過濾罐體2和回洗罐體20之間的活性碳罐體70。即，罐體70與罐體2和膜片罐體20都液體連通。活性碳罐體20具有一個開口72，用於連接到通過服務的建築物分配處理的滲透水的管件上。這樣，滲透水由活性碳或其他介質處理，以去除當其經過罐體70時的味道和氣味。將活性碳罐體70設置在過濾罐體2下遊大大延長了活性碳的使用壽命，因為在過濾罐體2中去除了顆粒和膠狀有機物質。這樣，在操作中，水通過入口4傳導並通過開口60分配。滲透水從中空纖維薄膜26的腔導至罐體70。滲透水通過一個固定板76流入筒芯74中，從而進入活性碳罐體70中並通過口72流出。一部分滲透水通過管件或中心筒芯74進入罐體20中，以在其中提供管路壓力下的水。管件74很有用，它可以使水回流至回洗薄膜26而在罐體2中薄膜26的回洗過程中不受活性碳顆粒的妨礙。即，回流液體可以旁路經過活性碳，對回流提供更大壓力。
如果需要，在回洗過程中可以使用一個氯分配器80，以便在清潔循環過程中對薄膜消毒。可以包含次氯酸鈉或次氯酸鈣溶液的氯分配器80例如可以位於管件74中，這樣可以在回流過程中分配在約0.2至5ppm範圍中的氯的量。氯對中空纖維薄膜消毒，控制在滲透一側微生物的生長，並減少在滲透無中需氧異氧物的含量。在另一個實施例中，分配器80可以包含固體次氯酸鈣。可以是一個柔性可壓縮葉片的分配器80可以使用一個毛細管或雙通閥，用於分配氯。這樣當在回流中大量的水在管件74中產生比在纖維腔入口大的高壓時使得可以在回流循環中排出氯，從而壓縮氯的容器並將氯分配到回流水中。在填充回流罐體20的過程中，水流反轉並且大會導入分配器中用於在下一個回流操作過程中排出。
為了化學清潔，薄膜容器2可以從組件中去除而清洗，以便當壓力降低到一個預定值例如15psi時薄膜恢復其滲透性。或者，可以由系統處理的水的總量決定化學清潔的時間。或者，可以通過導入清洗溶液清潔模件。使用的化合物取決於汙物的性質。
圖7示出用於周期性清洗罐體或模件2以及薄膜26的一個控制過程。在操作中，未處理的水通過一個入口閥導至罐體2，並且滲透水作為潔淨水通過一個出口閥導至服務的建築物。在水淨化過程中，回流罐體20在水管路壓力下填充並且出口閥保持在打開位置中。排乾閥保持在關閉位置。為了周期性排乾和清潔罐體2和薄膜26，計數器發出一個信號並打開自動排乾閥。這樣可以將集中物從罐體2中排出，同時中空纖維薄膜的外側或外殼一側由入口或未處理的水連續衝洗。與此同時，回流容器20從薄膜的表面排棄膠狀物質和顆粒。使用未處理的水將排棄的膠狀物質和顆粒從容器2中衝洗。在衝洗後，計數器關閉自動排乾閥，重新進行水淨化並且重新填注回流罐體20。可以進行許多排乾和淨化的變化。例如，可以排乾罐體2而不用入口水衝洗，而是使用回流通過關閉入口和出口閥並如圖7所示打開排乾閥而排乾罐體2，以便從模件或腔體2排乾集中物和回流。這種方法提供了改進的薄膜清洗並在高度渾濁的水中很有用，用於延長薄膜壽命。所有這些組合都落入本發明的範圍中。
儘管在圖1，5和6中所示的系統示出過濾罐體或腔體2位於頂部而膜片罐體20位於底部，但可以理解膜片罐體20可以位於頂部而過濾罐體2位於底部。或者，膜片罐體20可以位於過濾罐體2的側部。此外，儘管供給水入口示出位於過濾罐體的頂部，但它也可以在一個變化的實施例中位於側部，而且這些位置包含在本發明中。
另外，儘管活性碳罐體70示出位於罐體2和罐體20之間(圖6)，但可以理解活性碳罐體70可以位於罐體2的頂部或側部上，垂直將滲透水通過活性碳罐體70導入。將罐體70位於側部或頂部上具有如下優點，即用於罐體70中的活性碳筒可以方便地改變。此外，希望使用其他的淨化技術，例如離子交換樹脂等，從而便於筒或系統的變換。
儘管示出本發明採用一個單獨的淨化模件，但可以理解對於較大的設施例如醫院或公寓集中物可以採用幾個模件，而且模件可以串聯連接。這樣可以關閉一個模件使薄膜再生而例如不會使水流與服務的集中物相干涉。這種再生可以包括排乾模件而不用供給水衝洗會不用滲透水回洗，而且這對或者一個單獨的密件或者幾個模件包括在本發明的範圍中。
薄膜可以每24小時回流1-6次，滲透水使用0.2-2微或超過濾腔體容積同時排乾過濾腔。
以下的例子進一步示出本發明，並在實驗的基礎上在一個與圖7相似的設置中進行。在此設置中，在倉體2中過濾一個小時大約為在一個典型的北美家庭中操作一天。一個每小時一次的衝洗模式用於每小時清洗過濾器。這種序列與用於標準家庭的每天一次的衝洗相關聯。薄膜的衝洗設計成可以將包含排棄材料的集中水帶至排放管。為了在實驗室中實驗，使用一個由加拿大安大略Oakville的Zenon環境公司製造的200平方英尺面積的入口點(POE)超過濾(UF)過濾器。一個通常關閉的電磁排放閥用在過濾器未處理的一側上，而一個通常打開的電磁出口閥用在下遊，用於過濾器下遊的的處理水。一個計數器用於控制衝洗序列。
實驗#1在第一實驗中，出口閥或清潔水閥打開而排乾閥關閉。不使用回流。每個小時清潔水閥關閉而排乾閥打開一個周期，這樣使四個模件容積移動到排放管以從過濾器去除集中物或碎屑。在經過每小時衝洗一次的120小時操作後，UF過濾器的穿透薄膜壓力(TMP)從4.5psi的開始TMP到達約12psi。這對於延長使用基本不是很滿意。
實驗#2用於此實驗的設備與實驗#1相同(見圖1)，只是使用一個膜片或回流罐體。在管路壓力下接收過濾水的膜片罐體通過薄膜孔提供1/2的過濾器模件的回流水。過濾系統和清潔步驟與實驗#1相似，只是膜片罐體在衝洗過程中供應回洗水。即，為了衝洗或清洗UF過濾器，清洗水出口閥關閉，這樣可以模仿一個家庭非使用的階段。然後，當系統壓力接近水管壓力時膜片罐體接受水。當到達水管壓力時，模的排乾閥打開，以從密件中衝洗集中物。當打開排乾閥時，使在過濾器薄膜未處理水一側上的水壓下降。然後，膜片罐體中的高壓迫使過濾水通過薄膜返回，在過濾循環過程中排出任何存留在過濾孔中的顆粒。同時，要過濾的水流過薄膜，衝洗被排棄的顆粒和集中物至排放管。在實驗#2中每小時重複此循環400小時。測量TMP發現其值為10psi，它從開始的6psi增加4psi。這樣，可以看出回流大大改進了薄膜過濾的性能。
實驗#3此實驗同在實驗#2中一樣設置和進行，只是使用500平方英尺的UF過濾薄膜，並且回流設置成供應1/2模件的回流水。在操作370小時後，穿透薄膜壓力(TMP)到達10psi。在循環操作365小時後一個15psi的TMP是可以接受的。
實驗#4此實驗同在實驗#3中一樣設置和進行，只是每小時採用一個雙背對背的回流。此外，使用的膜片罐體在每次回流時提供約1/3的過濾器模件的容積。這樣，在第一次模件衝洗和回洗後，膜片罐體可以填充並且立即過濾器模件再次衝洗和回流。可以發現在每小時使用雙衝洗和回洗進行370小時循環操作後，TMP只到達8psi，這樣大大改進過濾操作的性能。
實驗#5此實驗同在實驗#3中一樣設置和進行，只是在每次回洗UF模件之前入口閥(見圖7)關閉。空氣釋放閥用於在UF模件的排出過程中提供空氣而在填充過程中排出空氣。在此實驗中，因為入口閥關閉，UF薄膜背回洗並且模件背排乾直到其變空。在排乾後，入口閥打開而模件和膜片重新被填充。每個循環使用此步驟導至在很長的操作過程中TMP基本不會增加。此過程延長了過濾器的操作壽命，並對很快就弄髒薄膜的高度渾濁的水很有用。而且，它在商業上對延長過濾器的壽命很有用。
實驗#6一個包括包含軟聚乙烯不滲透的可摺疊包的PVC壓力倉或包含約200ml的12％W/VnaOCl溶液的氣泡被動注入裝置安裝在一個處理Burlington自來水的9USGPM ZENON超過濾薄膜中。外部管件連接件從可摺疊包的外側連接到壓力容器的滲透一側上，並從可摺疊包的內側連接到纖維薄膜模件的滲透面上。後者包含控制從可摺疊包向模件纖維表面流動的毛細管。測量標明在每個模件衝洗過程中在兩個連接件之間存在每4秒約5psi的壓力差。在5psi下毛細管每秒配送0.18ml的12％的NaOCl。計算表明，在回洗/衝洗循環中總共在薄膜的滲透一側傳遞0.75ml的12％的NaOCl。回流/衝洗循環約50秒的過程，而且在此時間過程中USG至排放管。為了檢驗注入裝置的效果，在間隔排出樣品並分析自由氯。圖8中的數據顯示出在一個回洗/衝洗循環過程中由此被動裝置注入氯的有關排出水自由氯的成分的效果。在第48次循環採樣的排出水的樣品中，自由氯的水平在17秒中從0.11增加到0.19mg/l，進入循環後在循環的終端減小到0.13mg/l，這樣證實了在衝洗/回洗循環的開始裝置注入次氯酸鈉。
儘管根據優選實施例描述了本發明，但所附權利要求書包括了落入本發明範圍中的其他實施例。
權利要求
1.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路壓力使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端以及第一區和第二區的腔體，一個用於連接到一個供給水管上的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)設置在所述腔體中並適於使水通過其滲透的薄膜，以淨化水提供滲透水並在管路水壓下排棄固體而在所述腔體中提供集中水；(c)一個用於收集通過所述滲透水出口的所述滲透水進行分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器液體連通的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體適於用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的壓力降低到管路水壓之下的裝置，以及用於從所述壓力罐體由滲透水回洗所述薄膜以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起去除的裝置，所述用於回洗的裝置由所述排乾和降低所述腔體中壓力的裝置激發。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述薄膜是設置在所述第一和所述第二端之間的中空纖維薄膜，所述薄膜與所述滲透水出口流體連通並具有封裝在設置在所述腔體的所述第一區中一個第一頂端中的固定端和封裝在設置在所述腔體的所述第二區中一個第二頂端中的第二端，所述薄膜的所述第二端具有適於將滲透水排空到所述滲透收集器中的腔。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述薄膜是超過濾薄膜。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述薄膜是微過濾薄膜。
5.根據權利要求1-4任一所述的系統，其特徵在於，包括在激發用於排乾和回洗的裝置的過程中用供給水衝洗所述腔體的裝置。
6.根據權利要求1-4任一所述的系統，其特徵在於，壓力罐體設置在所述腔體之下。
7.根據權利要求1-4任一所述的系統，其特徵在於，所述薄膜束基本豎直設置在所述腔體中，並且所述集中水出口基本位於所述薄膜之下以便於排乾。
8.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端的腔體，一個用於連接到一個供給水管上的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)從設置在所述腔體中並設置在所述第一端和所述第二端之間的超過濾和微過濾薄膜中選擇的中空纖維薄膜束，所述中空纖維薄膜與所述滲透水出口流體連通並適於將來自所述腔體的水穿過所述中空纖維薄膜滲透到其腔中，以淨化水並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個適於從所述腔中排出滲透水而重新進行分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器液體連通用於在管路水壓下在所述壓力罐體中儲存滲透水的壓力罐體，所述壓力罐體適於用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的壓力降低到管路水壓之下的閥裝置，所述閥裝置排乾和降低所述腔體中壓力，(i)用來自所述膜片罐體的滲透水激發所述薄膜的回洗，以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起去除，以及(ii)在所述周期性排乾集中水和回洗過程中用供給水衝洗所述腔體。
9.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端的腔體，一個位於所述第一端中用於連接到一個供給水管上的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)設置在所述腔體中並設置在所述第一端和所述第二端之間的中空纖維薄膜束，所述中空纖維薄膜與所述滲透水出口流體連通並適於將來自所述腔體的水穿過所述中空纖維薄膜滲透到其腔中，以淨化水並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個適於從所述腔中收集水進行分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器連接的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體設置成用於用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)設置成用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的水壓降低到管路水壓之下的閥裝置，所述閥裝置排乾和降低所述腔體中壓力，用來自所述膜片罐體的滲透水激發所述薄膜的回洗，以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起去除。
10.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端的腔體，一個位於所述第一端中用於連接到一個供給水管上的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)設置在所述腔體中並設置在所述第一端和所述第二端之間的中空纖維薄膜束，所述中空纖維薄膜與所述滲透水出口流體連通並適於將來自所述腔體的水穿過所述中空纖維薄膜滲透到其腔中，以淨化水並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個適於從所述腔中收集水進行分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器流體連通的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體適於用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)一個設置成用於周期性地打開和關閉一個集中水出口閥以從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的水壓降低到管路水壓之下的控制器，而且通過降低所述腔體中的壓力激發所述壓力罐體而用所述滲透水回洗所述薄膜。
11.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端以及第一區和第二區的腔體，一個用於連接到一個供給水管的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)設置在所述腔體中並適於使水穿過滲透的薄膜，以淨化水提供滲透水，並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個連接到所述滲透水出口上用來收集滲透水並具有一個淨化水出口用於分配所述淨化水的活性碳罐體；(d)一個與所述活性碳罐體液體連通的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體設置成用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的水壓降低到管路水壓之下的閥裝置，所述閥裝置排乾和降低所述腔體中的壓力，用來自所述膜片罐體的滲透水激發所述薄膜的回洗，以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起去除。
12.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，設置一個氯源，與用滲透水的所述回洗一起將一個受控制量的氯導至所述中空纖維薄膜。
13.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有一頂部和一底部的腔體，一個位於所述腔中用於連接到一個供給水管的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)從設置在所述腔體中並基本在所述頂部和所述底部之間豎直延伸的超過濾和微過濾薄膜中選擇出的中空纖維薄膜束，所述中空纖維薄膜與所述滲透水出口流體連通並適於將來自所述腔體的水穿過所述中空纖維薄膜滲透到其腔中，以淨化水並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個適於從所述腔中收集滲透水進行重新分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器流體連通的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體適於用滲透水回洗所述薄膜；以及(e)一個設置成用於周期性地打開和關閉一個集中水出口閥以從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的水壓降低到管路水壓之下的控制器，通過降低所述腔體中的壓力激發所述壓力罐體而用所述滲透水回洗所述薄膜；以及(f)用於在排乾所述腔體並回洗所述薄膜的過程中用供給水衝洗所述腔體的裝置。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述滲透水收集器包含活性碳。
15.根據權利要求13或14所述的系統，其特徵在於，所述壓力罐體設置在所述腔體之下。
16.一種用於淨化供給水以從中去除包括固體雜質的系統，所述系統使用管路水壓使水滲透過薄膜並從薄膜上去除收集的固體，所述系統包括(a)一個具有第一端和第二端以及第一區和第二區的腔體，一個用於連接到一個供給水管上的供給水入口，一個滲透水出口和一個集中水出口；(b)設置在所述腔體中並適於使水穿過滲透的薄膜，以淨化水提供滲透水，並在管路水壓下排棄固體，從而在所述腔體中提供集中水；(c)一個用於通過所述滲透水出口收集滲透水用於分配的滲透水收集器；(d)一個與所述滲透水收集器液體連通的壓力罐體，所述壓力罐體適於在管路水壓下儲存滲透水，所述壓力罐體適於用滲透水回洗所述薄膜；(e)用於周期性地從所述腔體通過所述集中水出口排乾集中水並將所述腔體中的水壓降低到管路水壓之下的裝置，以及用來自所述壓力罐體的滲透水回洗所述薄膜以從所述薄膜排棄固體而在所述排乾過程中與所述集中水一起排出的裝置，所述用於回洗的裝置由所述用於排乾和降低所述腔體中的壓力中的裝置激發；以及(f)一個設置在所述壓力罐體和所述滲透水收集器之間的氯分配器，所述分配器包括一個包含一個氯源的柔性葉片，所述分配器適於將氯分配到用於回洗所述薄膜的滲透水中。
17.一種過濾水的裝置，包括(a)一個腔體，利用薄膜從內部將其分隔為一個供給側和一個滲透側；(b)連接在所述腔體供給側的供給水源；(c)通過一個閥連接在所述腔體供給側的排放管；(d)用於將水直接分配到使用地點的管路網和閥，所述管路網連接在所述腔體滲透側；以及(e)用於在加壓狀態下收集可變體積的滲透物的罐體，所述罐體連接在所述腔體供給側。
18.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述管路網的至少一些閥是根據需要控制的，以便將所述管路網在一個和多個使用地點暴露在空氣下。
19.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述供給水源將加壓下的供給水基本上連續地供應。
20.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述供給水在一個地點從所述供給水源進入所述腔體內，所述地點從供給水排出腔體的位置偏移到所述排放管，從而從供給水源通過所述腔體供應到排放管內的水流流過所述薄膜。
21.根據權利要求20所述的裝置，其特徵在於，所述供給水在供給水排出腔體的位置上方從供給水源進入腔體到達排放管。
22.根據權利要求17-21任一所述的裝置，其特徵在於，所述薄膜包括多個豎直取向的中空纖維。
23.根據權利要求17-21任一所述的裝置，其特徵在於，所述閥連接在一個定時器或控制器上，以周期地打開所述閥來允許供給水從供給水源流到所述排放管、和所述滲透水從所述罐體流到所述排放管中。
24.根據權利要求17-21任一所述的裝置，其特徵在於，所述罐體具有一個彈性能量儲存裝置。
25.根據權利要求17-21任一所述的裝置，其特徵在於，所述罐體是一個具有捕獲有大量空氣的罐體或是一個膜片罐體。
全文摘要
本發明涉及一種淨化水以從中去除包括懸浮固體的雜質的方法和設備，該方法適於使用管路水壓使水通過中空纖維薄膜滲透並回洗薄膜，以去除沉積在其上的固體。
文檔編號B01D63/02GK1618506SQ20041001205
公開日2005年5月25日 申請日期2000年9月29日 優先權日1999年9月29日
發明者西達耶特·胡薩因, 安德列斯·德雷斯納, 麥可·布萊爾, 亨利·貝曼 申請人:齊儂環境有限公司