超过滤和微过滤模件及系统的制作方法

专利名称：超过滤和微过滤模件及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水净化，更具体地涉及一种用于室内的薄膜水过滤系统，例如提供一种可靠的安全水供应而只有很少的维护。
背景技术：
最近爆发的在城市水供应中出现寄生胞囊例如隐孢壳属(cryptosporidium)和Giardia Lambia而引起的疾病需要可以提供饮用水而无需担心疾病的系统。大多数城市依赖用氯破坏这些病原体，这只能局部有效。一些水净化系统使用紫外线消毒，但也使用氯，这项技术只能部分有效地杀灭水中的病原体，尤其是上述的寄生胞囊。
已经使用基于薄膜的技术来净化水。但是，使用常规的薄膜容易污染并需要频繁化学清洗，这被认为对居住和商业使用不安全。出售小的可以处置的壳体专用于特定场合，例如厨房的水龙头，但成本很高而且不能对整个居室提供防止污染物的保护。
为了改进通过薄膜的渗透流以提供纯净水，已经采用了不同的技术。例如，美国专利4,921,610公开了由一系列化学清洗循环从薄膜去除固体的方法。在每次循环中从过滤流速中速度的减小以及时间和过滤损失中计算出清洗循环的最佳时间和方式。这由在每次施加一个压缩液体和/或气态回洗循环之后从过滤流速的减小率计算表示过滤流和时间之间关系并允许每次回洗循环中时间损失以及在每次回洗循环中损失的过滤量的公式计算得出、以及从过滤损失、时间损失以及过滤流速和时间之间的关系、流体和/或气态回洗应用的最佳时间中计算而得出。
日本专利4-180887公开了使水从内侧至外侧通过一个中空纱薄膜并除了在处理时间外用过滤水冲洗薄膜内表面。生水导过一个顶口并在导过中空薄膜并经过一个底口之前过滤。而且还使用一个树脂固定床以及活性碳。
美国专利4,414,113公开了一种利用反渗透(RO)技术从一种液体中去除分解的固体的方法和设备。要处理的液体导入包含多个放置在其中的过滤件的压力容器中。过滤件具有缠绕在有小孔的中芯上的中空RO纤维，这样在从过滤件外侧向中芯的一个方向中流动。纯渗透液体进入纤维的中芯中并且集中液体进入部件的中心中。
此方法和设备提供了当过滤件弄脏时对其的回洗。此外，一个外过滤隔膜可以围绕部件的中空RO纤维施加，以去除否则会弄脏中空RO纤维的颗粒。
美国专利3,786,924公开了一种采用反渗透单元用于净化水的水净化系统。此系统产生两个流束，一个纯度很高，用于饮用和做饭等，而一个质量较低，用于冲厕所、浇草坪、灌溉花园等。此系统提供用于协调家用水系统中固有的水流变化的设备和技术，使其具有用于反渗透单元有效性能所需的恒定流速，对反渗透部件提供自动冲洗和回洗功能。
美国专利3,716,141公开了一种溶剂分离设备，用于通过使水在压力下暴露给一种溶剂分离装置而净化水，溶剂分离装置包括一个非活性位移泵，用于在水导入水分离装置之前升高水压，以及包括两个尺寸预定的孔的装置，用于保持所需的水压和所需的水流速通过水分离装置，并用于周期性地冲洗水分离装置而不需要另外的调整以使系统回到正常的操作状态。
美国专利3,992,301公开了一种自动冲洗和清洗系统，用于例如具有多个模件或薄膜的反渗透机的薄膜分离机。可以通过减小压力使薄膜放松、通过注入空气或惰性气体以提供湍流、和/或通过注入可以包括化学清洗添加剂的冲洗液体而进行清洗。提供了泵、自动阀、以及压力控制装置，以及一个完整的时间操纵的电序列系统，其中所需的冲洗，清洗以及洗涤循环在一个周期间隔自动进行或响应于一个或多个优选状况。
美国专利4,876,000公开了一种中空纤维过滤装置，具有一个过滤壳，由一个水平件分隔成一个过滤的液体腔和一个过滤腔，而且多个过滤模件从水平件向下悬挂。每个模件包括多个中空纤维，纤维具有向过滤液体腔打开的上端以及具有向一个液体收集腔打开的下端，液体收集腔与过滤腔密封并设置成由一个导管与过滤液体腔连通，这样利用纤维的全长过滤。
美国专利5,437,788公开了一种过滤组件，它包括一个分成第一腔和第二腔的壳体。一个过滤件设置在第一腔中，而一个导管设置在并向第二腔打开。一个排水孔将回洗液从第二腔导入过滤件或导管中。这样在导管中的开口和过滤件的外部之间形成一个压差，以迫使回洗液通过过滤件并从而清洗过滤件和/或从过滤件刷去一个预涂层。
美国专利5,053,128公开了一种制造一个分散和/或过滤设备的方法，设备包括一个外壳，外壳包括一个由两个端盖关闭的圆柱形开口主体并设有用于第一流的一个入口和出口以及至少一个用于第二流体的出口，所述第一流体适于流过设置在位于壳体中的两个端壁之间的半渗透性中空纤维束的纤维，而所述第二流体适于通过用于第二流体的所述至少一个出口而从纤维外的空间中被去除。
美国专利5,059,374公开了一种将一个中空纤维薄膜分离模件封装在一个壳体中的方法。
美国专利5,160,042公开了一种环形双端中空纤维束，一个流体分离装置包括环形双端中空纤维束具备在中空纤维两端都打开的孔，中空纤维嵌入封装在一个具有多个开口的外壳中的两个管片中，多个开口包括一个液体入口，一个非渗透出口和至少一个渗透出口，其中所述双端中空纤维束装在一个基本不可渗透的薄膜挡板中，只是入口区位于管片之间选定的区域中，并公开了用于分离液体混合物的方法。
尽管具有这些公开文本，仍需要适合室内、商业和工业应用的基于薄膜的过滤系统。即需要一种薄膜过滤系统，它可以以一种节省成本的方式对居室或研究机构长期提供可靠而安全的服务。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种适于家庭使用的基于薄膜的过滤系统。
本发明的另一个目的提供一种基于中空纤维薄膜的过滤系统，适于从城市水中去除寄生胞囊例如隐孢壳属(cryptosporidium)和Giardia Lambia细菌例如大肠杆菌和病菌，以提供安全的饮用水。
本发明的还一个目的是提供一种改进的方法，它利用基于薄膜的过滤净化城市水而饮用，其中可以方便地清洗薄膜以改进流量。而且本发明的还一个目的是提供一种改进的方法，用于例如使用微过滤或超过滤中空纤维薄膜净化城市水的胞囊，以提供改进的回收。
本发明的再一个目的是提供一种改进的方法，用于使用微过滤或超过滤中空纤维薄膜净化城市水，以用一种节省成本的方式对整个家庭提供长期的安全饮用水而不用清洗薄膜。
这些和其他目的从阅读说明书，权利要求书和附图而更显而易见。
根据这些目的，提供了一种净化供给水以从中去除包括悬浮固体杂质的方法，此方法使用水管压力通过薄膜渗透水并回洗薄膜以去除收集在其上的固体。此方法包括提供一种由一个壁限定的腔体，壁具有一个内侧并具有一个第一端和一个第二端。薄膜例如从超过滤和微过滤薄膜中选定的中空纤维薄膜在所述第一端和第二端之间延伸。一个供给水入口用于连接在一个水管上向所述腔体导入管路压力下的供给水。设置一个渗透水出口将纯净水导入建筑物中。通过使用所述管路压力将水经过薄膜而在所述腔体中过滤所述水，以在所述薄膜内提供渗透水，并在所述薄膜外集中悬浮固体以提供集中水。在一个渗透收集器中收集来自所述薄膜的所述渗透水并分散所述渗透水用于使用。将一部分所述渗透水导入一个压力罐体中，压力罐体在管路水压下收集渗透水，所述压力罐体与所述渗透收集器液体连通。周期性地排干所述腔体以去除集中水，与此同时从所述罐体用渗透水回洗所述薄膜，以从所述薄膜去除固体。同时继续使供给水通过腔体以将包含来自腔体的固体的集中水冲洗至一个排放管。
还提供了一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路压力使水渗透薄膜并从其之上去除收集的固体，所述系统包括一个具有第一端和第二端的腔体，一个用于连接到一个供给水管的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口。腔体包含从设置在所述腔体中并设置在所述第一端和所述第二端之间的超过滤和微过滤薄膜中选择的中空纤维薄膜，所述中空纤维薄膜与所述渗透水出口流体连通并适于将水从所述腔体从其渗透到其腔中，以净化水并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水。设置一个适于从所述腔中排出渗透水而重新进行分配的渗透水收集器。设置一个与所述渗透水收集器液体连通用于在管路压力下在所述压力罐体中储存渗透水的膜片罐体，所述罐体适于用渗透水回洗所述薄膜。使用一个用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的压力降低到管路水压之下的阀装置，所述阀装置排干和降低所述腔体中压力，(i)用渗透水从所述膜片罐体激发所述薄膜的回洗，以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起去除，以及(ii)在所述周期性排干集中水和回洗过程中用供给水冲洗所述腔体。系统可以通过打开排干阀而手动排干，或者系统可以通过关闭水入口阀并打开排干阀而手动排干。


图1是一个用于净化水的基于薄膜的系统的剖视图，示出了本发明的一个过滤罐体和回洗罐体。
图2是本发明的一个中空纤维薄膜模件以及通过其用于净化的水流的剖视图。
图3a和b是中空纤维薄膜和用于将纤维定位在腔体2中的蜘蛛状设置的俯视图。
图4是在腔体2中的一个底部蜘蛛设置。
图5是一个水净化系统的剖视图，示出了一个过滤罐体和一个回洗罐体。
图6是一个水净化系统的剖视图，示出了位于一个过滤罐体和一个回洗罐体之间的一个活性炭壳和氯分配装置。
图7是一个用于周期性排出和清洗过滤罐体和薄膜的控制图。
图8是一个图表，示出从模件中排出水的氯的含量和时间的关系。
具体实施例方式
本发明提供一个用于室内净化水的系统，以去除包括固体物质的微有机体和颗粒物质。其他可以去除的杂质包括一些重金属以及铸铁、硫磺和锰。系统设计成可以在市政管路压力或水管压力上操作而不用使用额外的泵。此外，因为系统使用基于薄膜的技术，系统设计成可以使用管路水压力提供回洗。
在图1中使用本发明的一个实施例。在图1的实施例中，示出一个罐体或腔体2，腔体2具有安装在顶部6中的供水入口4。而且示出一个从底部10延伸用于去除用于冲洗的水的管道8。腔体2包含一个用于承载冲洗水的穿孔导管12并，并集中到排放管8。但是，集中或冲洗水可以使用一个在罐体2的周壁上的排放管而去除。腔体2包括超过滤薄膜或微过滤薄膜的薄膜(在图1中未示出)，薄膜透过在管路水压下的供给水，以提供可以收集在渗透收集罐体或集管14中渗透水。薄膜可以从可以进行回冲的平片薄膜、管状薄膜或中空纤维薄膜中选择。从薄膜或从渗透收集罐体14回收的渗透水沿管道16引导，用于从管道18通过建筑物例如房屋、学校办公室等分配，以提供一个能够根据要求净化水的系统。
为了回洗，一部分渗透水沿管道22导至一个膜片罐体20，管道22通过渗透罐体或集管14与过滤罐体2液体流通。使用管路水压由膜片21在压力下将一部分渗透水储存在膜片罐体20中。为了冲洗和激发膜片20，提供一个排放电磁阀24，即为了清洗中空纤维薄膜的外表面，周期性的排放电磁阀24打开使渗透水通过管道8到达排放管，同时由于腔体2中的压力减小，膜片罐体20将渗透水排入中空的纤维薄膜中并通过薄膜壁返回，迫使固体或存流的碎屑从孔中离开。同时，供给水冲洗纤维薄膜的外侧或外壳侧，将逐出的固体和存流的碎屑带至排放管。当排放电磁阀24关闭时，压力在腔体2内集聚到管路压力并且供给水再一次渗透纤维薄膜。渗透水流回到建筑物中。同时，膜片罐体20充有渗透水到达管路压力，用于进行下一次冲洗循环。罐体2可以冲洗多次，因此根据净化水的质量可以连续利用几个回洗以改进通过薄膜的流速。通过使用在此利用的膜片罐体意味着可以包括任何具有用于为了回洗而保持压力的装置的罐体，例如一个利用保留空气的在此称为压力罐体的罐体。
下面参见图2，其中示出仓体或腔体2的一个优选实施例。其中相同的附图标记表示与图1相同的部件。即，供给水例如在管路压力下的市政水通过连接在市政水管上的顶部或盖6在入口4导入。盖6可以螺纹连接、粘接或焊接在仓体2上，以提供一个防漏的安装。在图2所示的实施例中，示出中空纤维薄膜26基本竖直定位，薄膜26具有端部28，端部28端部封装在腔体2的上部中的顶端或第一区29中。在一个实施例中，中空纤维薄膜26可以成束地设置在腔体2中。中空纤维薄膜26的束30成束设置或端部封装在顶端29中。
图3a和3b中所示的一个蜘蛛状设置可以用在腔体2中，用于支撑盖6和围绕周边34供水分配。在一个实施例中(见图2)，供给水可以分散到顶端29和盖6之间的腔40中并分散到其周边42，在此通过壁通道44邻近其壁导入腔体2中，以提供向导管12的一个基本径向向内的流动。
可以在仓体2的底部或第二区46使用第二蜘蛛状设置48(见图4)。第二蜘蛛状设置48具有径向延伸的臂部50，臂部50从一个中毂54延伸到周边或边缘52。中空纤维膜片26封装在顶端47中，以便可以将过滤到其中心或内腔的渗透水排出，以收集到渗透水收集罐体或集管14中。在周边52第二蜘蛛状设置48密封在仓体2的内壁上，以防止供给水或集中水漏入渗透水收集罐体14中以及其污染。另外，导管12密封在蜘蛛状设置48的毂54上，以防止供给水或集中水泄漏。如图2所示，导管或部件12从底盖10通过仓体2的中心延伸到顶部蜘蛛状设置32。在导管12中，设有孔或开口56，用于在冲洗时从腔体2中排出供给水或集中水。尽管孔56示出位于导管12的下部上，但孔可以如所需向上延伸。这样，当需要排干腔体2时，供给水和集中水围绕中空纤维薄膜通过孔56冲洗到导管12中并进入排放管8中(图1)。可以理解导管12在壁7密封到底端10上，以防止漏入渗透水罐体或集管14中。
仓体2以及顶盖和底盖6，10可以由金属或塑料制成，因为只有低压例如管路压力用于腔体2中。
为了在峰值流速下以约15psi的压降(管路压力)取得0.5至10加仑/分钟的渗透流速需要200-1000英尺2的膜片表面积。这样，足够的中空纤维膜片束在所需长度下应该用于提供如此的流速。例如，图3a示出8束中空纤维膜片。腔体2设有占据腔体2的容积30-50％的纤维束。
为了提供饮用水，最好使用孔尺寸小于1μm、最好小于0.5μm的中空纤维膜片，膜片典型的孔尺寸位于0.001μm-0.1μm的范围中。
中空纤维膜片分别从顶端47向顶端29基本竖直延伸。可以理解腔体2可以设置在水平位置，其中中空纤维膜片水平从顶端47延伸到顶端29。此外，过滤罐体可以位于顶部上而膜片罐体位于顶部上，其中用于供给水的入口位于例如罐体2的侧面上。这样，薄膜包括多个中空纤维，由此流量到达一个恒定的相对高的值。在每个顶端纤维的端部基本避免纤维对纤维的接触。纤维可以操作，其中穿过薄膜的压力差位于约0.1psi至约25psi的范围中，优选的中空纤维具有在约0.2至20psi的范围中的穿过薄膜的压力差。管路压力例如20至100足以克服优选的穿过薄膜的压力。
优选的中空纤维由有机聚合物和各向同性或各向异性的陶瓷制成，其中一个薄层位于纤维的外表面上。一些纤维可以由编织的聚合物制成，聚合物上涂有一个渗透性的天然橡胶或一种不溶于水的纤维性聚合材料。用于纤维的优选有机聚合物是聚砜、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-乙烯基苄基卤化物共聚物、聚碳酸酯、纤维素聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯，以及在美国专利4,230,463中所公开的物质，此公开文本在此作为参考。
对于中空纤维薄膜，一个纤维的外径至少为20μm并可以大至3mm，通常在约0.3mm至2mm的范围中。外径越大，纤维每单位容积的表面积越小。纤维的壁厚至少为5μm并可以大至1.2mm，通常位于约为纤维外径的15％至约60％的范围中，最好在0.2mm至1.2mm之间。典型地，中空纤维的爆破压力和压缩压力大于100psi。
在一个纤维中平均孔横截面直径可以变化很大，即在约10-10，000的范围中。用于超过滤的优选孔直径在约10-1,000的范围中；而对于微过滤在1,000-10,000的范围中。尽管参照中空纤维薄膜，但可以使用包括微过滤薄膜的任何薄膜，以提供在管路水压力下的净化水并周期性地清洁薄膜以延长薄膜的寿命。
为了本发明的目的，管路水压可以在15-100psi的范围内，以使水通过中空纤维薄膜渗透，从而提供净化水。此外，在这些压力下，系统能够产生0.1-10gpm、通常为7gpm的峰值渗透水流速。
为了使薄膜系统取得这些流速，重要的是仓体2应该分散成胶状物质杂质和悬浮固体。在此术语“集中”表示包含在仓体2中的供给水，这些供给水还没有通过中空纤维薄膜26并与被薄膜排弃的固体或其他物质一起收集在外侧或外壳一侧上。可以理解在仓体2的外壳一侧中的液体在操作时更易集中固体和杂质。这样，为了在低压下保持高流速，重要的是在某种程度根据水的质量周期性地从腔体2中分散或去除排弃物质，以避免在薄膜表面上集聚过多的固体和悬浮物以及流量的减低。根据本发明，通过使用排放电磁阀24打开排放管8而由供给水周期性地冲洗腔体2(图1)，电磁阀24使供给水可以自由流入和流出腔体2，从而提供围绕中空纤维薄膜26的供给水冲洗作用。供给水通过穿孔管12离开腔体12，从而分散腔体2中的固体集聚。可以理解打开排放管8用供给水冲洗腔体2具有减小腔体2中的压力小于管路水压至大约为常压的效果。这样，当腔体2中的压力减小时停止渗透水流入中空纤维薄膜腔中。同时，随着腔体2中的压力减小和冲洗供给水至排放管8，在管路压力下储存在膜片罐体2中的渗透水流回到中空纤维膜片中并排出存留在薄膜外表面上的固体或颗粒物质。这样，与回流混合冲洗的供给水与渗透水一起工作，以清洗中空纤维薄膜并分散或净化仓体2。
应该注意一个重要因素是需要分散或净化仓体2的时间量，尤其是当系统用于处理室内或办公室建筑物的水时，其中重要的是水的供应很少间断。这样，在顶部6供应供给水而在底部10抽回渗透水和集中水是此系统的一个有用的特征。即，已经发现基本竖直安装腔体2和薄膜26导致可以在容器2的下部56收集固体。这对冲洗目的很重要，因为在用供给水冲洗的过程中首先去除集中在下部56中的固体。这样，可以迅速进行冲洗并减小冲洗和分散的过程。根据本发明，用水冲洗可以由0.5至3个单位体积的供给水、最好为0.5至1个单位体积的供给水完成。在本发明的另一个方面，供给水可以在罐体2的底部或侧部导入而排水可以在顶部或侧部导出，但这不是一个优选的实施例。
此外，为了用储存在膜片罐体20中的渗透水回洗，可以从膜片罐体20由约0.25至0.75个体积的腔体2的渗透水实现回洗。尽管膜片罐体20的尺寸作成可以提供充足的回洗量，但是也可以将其尺寸作成可以提供额外的渗透水用于室内使用的腔体2的短期冲洗。即，当提供用于回洗中空纤维薄膜26的水时，在回洗过程中膜片罐体20可以提供在用于室内的压力下的水。当使用井水供应系统时，膜片罐体可以已经存在，而且可以与过滤系统结合以提供回洗。
需要冲洗的供给水的体积根据供给水的质量和冲洗完成的频率可以变化。这样，最好用供给水冲洗至少每24小时进行一次。冲洗时间应该在非高峰时间进行例如凌晨2点，这还具有高水管路压力而增大回洗效率的优点。此外，可以根据水的质量采用几个连续的冲洗/回洗。
分散仓体2的另一个重要的特征在于需要用供给水进行冲洗和用渗透水进行回洗的时间。这样，最好在小于3分钟、通常小于1.5分钟的时间内完成这种作用，以避免向建筑物供应水的间断。
可以理解，根据存留在薄膜上的固体的量可以关闭供给水排干仓体2而不用使用渗透水的回流。不用回流排干可以使流量增加50％，通常为10-35％。或者，仓体2可以由关闭供给水而排干同时使用来自膜片罐体20的回洗或回流，以从薄膜去除固体。可以在15处提供一个空气阀，以便当去除集中时增加空气或当加入供给水时从罐体2中去除留存的空气。
在本发明中，一种提供最小量的空气以局部或完全移动存在于模件2中的水的方法是维持薄膜清洁的优选方法。在通常操作下，排出阀关闭而水根据需要过滤。如上所述，一些过滤水集聚在膜片罐体中。排干阀可以以每周打开一次、一次三小时的频率打开，优选的频率是每天一次。这使供给水(见图1)从模件2的外侧顶部流到底部中心并通过排放管8排出，冲洗在过滤过程中集聚的固体或杂质。而且，这使模件中的压力下降，导致水从膜片罐体通过纤维的腔回流并通过纤维壁返回。这样分离在过滤过程中沉积在纤维壁上的胶状固体和其他杂质。这样这些杂质从过滤罐体2中被排出，因为排干阀在产生回洗的同时打开。在一个预置时间后，排干阀关闭而重新进行过滤。在过滤循环开始时重新填充回洗罐体并准备进行操作。使用者可以设置时间。可以根据需要在一个计数器上设置冲洗频率。
回洗罐体20的尺寸应该做成使得至少模件2容积的1/3作为回洗供给。清洗方法可以从低污染特性的水的模件回洗位移的约1/3至低压供给的高污染的水的大于5个模件位移的范围中变化。例如，在具有高含量有机杂质和低供给压力的未处理的表面水中，可能需要具有大量回洗位移的频繁回洗或多次回洗，以保持可接受的产量。在本发明中，回洗和冲洗系统可以由上述的一个阀操作，它是阀24(图1)或图7中所示的“排干阀”，从而提供一个用于家庭的非常简便的系统。
根据本发明，可以使用一个多模件组件，用于大的设备，例如多单元的住所、商店、工厂以及研究所。在这些情况下，可以使用带有一个单回洗罐体的上述简单的结构，以同时维护所有模件的清洁。或者，每个模件组件可以与基于计数器的控制装置并行设置，以便在一个时刻回洗和/或冲洗一个模件，从而确保向系统连续供应水。
下面参见图5，图5示出本发明的一个实施例，其中腔体或过滤罐体2由任何适当的装置连到回洗罐体20上，所述装置限定一个渗透水收集罐体或集管14。此实施例基本避免图1中所示的管路并提供一个更紧凑的系统。在图5中，供给水入口4示出在顶部6中。供给水通过入口4导入管道12中，管道12设有开口60，以将水导至与顶部6相邻或接近的薄膜26的外壳一侧，如图5所示。罐体2设有一个位于罐体2壁上的排口62。排口62可以由一个阀或阀装置控制，阀装置可以包括一个由计数器控制的电磁阀，如图1和7所示。薄膜26顶端封装在顶端28中，如图5所示。中空纤维薄膜26封装在顶端47中，以使渗透水可以从中空纤维薄膜26的中心或腔中排出收集到集管14中。来自集管14的渗透水用过开口64分散到供应的建筑物的管路中。膜片罐体20与集管14液体连通，以便从此而来的渗透水在管路压力下进入膜片罐体20中并压下膜片21，以在罐体2的排干过程中提供回洗。液体流通可以由一系列位于部件23中的孔或开口(未示出)提供，液体在孔或开口中自由流动并不限制回洗操作。罐体2具有如图所示模制在其一侧上中的排口62，而且罐体20具有模制或结合在其中的开口64，用于分布渗透水。可应该理解可以在这些开口中连接或螺纹连接带有所需阀的阀的适当的管件。
图6的实施例与图5相似，不同之处在于图6的实施例具有一个位于过滤罐体2和回洗罐体20之间的活性碳罐体70。即，罐体70与罐体2和膜片罐体20都液体连通。活性碳罐体20具有一个开口72，用于连接到通过服务的建筑物分配处理的渗透水的管件上。这样，渗透水由活性碳或其他介质处理，以去除当其经过罐体70时的味道和气味。将活性碳罐体70设置在过滤罐体2下游大大延长了活性碳的使用寿命，因为在过滤罐体2中去除了颗粒和胶状有机物质。这样，在操作中，水通过入口4传导并通过开口60分配。渗透水从中空纤维薄膜26的腔导至罐体70。渗透水通过一个固定板76流入筒芯74中，从而进入活性碳罐体70中并通过口72流出。一部分渗透水通过管件或中心筒芯74进入罐体20中，以在其中提供管路压力下的水。管件74很有用，它可以使水回流至回洗薄膜26而在罐体2中薄膜26的回洗过程中不受活性碳颗粒的妨碍。即，回流液体可以旁路经过活性碳，对回流提供更大压力。
如果需要，在回洗过程中可以使用一个氯分配器80，以便在清洁循环过程中对薄膜消毒。可以包含次氯酸钠或次氯酸钙溶液的氯分配器80例如可以位于管件74中，这样可以在回流过程中分配在约0.2至5ppm范围中的氯的量。氯对中空纤维薄膜消毒，控制在渗透一侧微生物的生长，并减少在渗透无中需氧异氧物的含量。在另一个实施例中，分配器80可以包含固体次氯酸钙。可以是一个柔性可压缩叶片的分配器80可以使用一个毛细管或双通阀，用于分配氯。这样当在回流中大量的水在管件74中产生比在纤维腔入口大的高压时使得可以在回流循环中排出氯，从而压缩氯的容器并将氯分配到回流水中。在填充回流罐体20的过程中，水流反转并且大会导入分配器中用于在下一个回流操作过程中排出。
为了化学清洁，薄膜容器2可以从组件中去除而清洗，以便当压力降低到一个预定值例如15psi时薄膜恢复其渗透性。或者，可以由系统处理的水的总量决定化学清洁的时间。或者，可以通过导入清洗溶液清洁模件。使用的化合物取决于污物的性质。
图7示出用于周期性清洗罐体或模件2以及薄膜26的一个控制过程。在操作中，未处理的水通过一个入口阀导至罐体2，并且渗透水作为洁净水通过一个出口阀导至服务的建筑物。在水净化过程中，回流罐体20在水管路压力下填充并且出口阀保持在打开位置中。排干阀保持在关闭位置。为了周期性排干和清洁罐体2和薄膜26，计数器发出一个信号并打开自动排干阀。这样可以将集中物从罐体2中排出，同时中空纤维薄膜的外侧或外壳一侧由入口或未处理的水连续冲洗。与此同时，回流容器20从薄膜的表面排弃胶状物质和颗粒。使用未处理的水将排弃的胶状物质和颗粒从容器2中冲洗。在冲洗后，计数器关闭自动排干阀，重新进行水净化并且重新填注回流罐体20。可以进行许多排干和净化的变化。例如，可以排干罐体2而不用入口水冲洗，而是使用回流通过关闭入口和出口阀并如图7所示打开排干阀而排干罐体2，以便从模件或腔体2排干集中物和回流。这种方法提供了改进的薄膜清洗并在高度浑浊的水中很有用，用于延长薄膜寿命。所有这些组合都落入本发明的范围中。
尽管在图1，5和6中所示的系统示出过滤罐体或腔体2位于顶部而膜片罐体20位于底部，但可以理解膜片罐体20可以位于顶部而过滤罐体2位于底部。或者，膜片罐体20可以位于过滤罐体2的侧部。此外，尽管供给水入口示出位于过滤罐体的顶部，但它也可以在一个变化的实施例中位于侧部，而且这些位置包含在本发明中。
另外，尽管活性碳罐体70示出位于罐体2和罐体20之间(图6)，但可以理解活性碳罐体70可以位于罐体2的顶部或侧部上，垂直将渗透水通过活性碳罐体70导入。将罐体70位于侧部或顶部上具有如下优点，即用于罐体70中的活性碳筒可以方便地改变。此外，希望使用其他的净化技术，例如离子交换树脂等，从而便于筒或系统的变换。
尽管示出本发明采用一个单独的净化模件，但可以理解对于较大的设施例如医院或公寓集中物可以采用几个模件，而且模件可以串联连接。这样可以关闭一个模件使薄膜再生而例如不会使水流与服务的集中物相干涉。这种再生可以包括排干模件而不用供给水冲洗会不用渗透水回洗，而且这对或者一个单独的密件或者几个模件包括在本发明的范围中。
薄膜可以每24小时回流1-6次，渗透水使用0.2-2微或超过滤腔体容积同时排干过滤腔。
以下的例子进一步示出本发明，并在实验的基础上在一个与图7相似的设置中进行。在此设置中，在仓体2中过滤一个小时大约为在一个典型的北美家庭中操作一天。一个每小时一次的冲洗模式用于每小时清洗过滤器。这种序列与用于标准家庭的每天一次的冲洗相关联。薄膜的冲洗设计成可以将包含排弃材料的集中水带至排放管。为了在实验室中实验，使用一个由加拿大安大略Oakville的Zenon环境公司制造的200平方英尺面积的入口点(POE)超过滤(UF)过滤器。一个通常关闭的电磁排放阀用在过滤器未处理的一侧上，而一个通常打开的电磁出口阀用在下游，用于过滤器下游的的处理水。一个计数器用于控制冲洗序列。
实验#1在第一实验中，出口阀或清洁水阀打开而排干阀关闭。不使用回流。每个小时清洁水阀关闭而排干阀打开一个周期，这样使四个模件容积移动到排放管以从过滤器去除集中物或碎屑。在经过每小时冲洗一次的120小时操作后，UF过滤器的穿透薄膜压力(TMP)从4.5psi的开始TMP到达约12psi。这对于延长使用基本不是很满意。
实验#2用于此实验的设备与实验#1相同(见图1)，只是使用一个膜片或回流罐体。在管路压力下接收过滤水的膜片罐体通过薄膜孔提供1/2的过滤器模件的回流水。过滤系统和清洁步骤与实验#1相似，只是膜片罐体在冲洗过程中供应回洗水。即，为了冲洗或清洗UF过滤器，清洗水出口阀关闭，这样可以模仿一个家庭非使用的阶段。然后，当系统压力接近水管压力时膜片罐体接受水。当到达水管压力时，模的排干阀打开，以从密件中冲洗集中物。当打开排干阀时，使在过滤器薄膜未处理水一侧上的水压下降。然后，膜片罐体中的高压迫使过滤水通过薄膜返回，在过滤循环过程中排出任何存留在过滤孔中的颗粒。同时，要过滤的水流过薄膜，冲洗被排弃的颗粒和集中物至排放管。在实验#2中每小时重复此循环400小时。测量TMP发现其值为10psi，它从开始的6psi增加4psi。这样，可以看出回流大大改进了薄膜过滤的性能。
实验#3此实验同在实验#2中一样设置和进行，只是使用500平方英尺的UF过滤薄膜，并且回流设置成供应1/2模件的回流水。在操作370小时后，穿透薄膜压力(TMP)到达10psi。在循环操作365小时后一个15psi的TMP是可以接受的。
实验#4此实验同在实验#3中一样设置和进行，只是每小时采用一个双背对背的回流。此外，使用的膜片罐体在每次回流时提供约1/3的过滤器模件的容积。这样，在第一次模件冲洗和回洗后，膜片罐体可以填充并且立即过滤器模件再次冲洗和回流。可以发现在每小时使用双冲洗和回洗进行370小时循环操作后，TMP只到达8psi，这样大大改进过滤操作的性能。
实验#5此实验同在实验#3中一样设置和进行，只是在每次回洗UF模件之前入口阀(见图7)关闭。空气释放阀用于在UF模件的排出过程中提供空气而在填充过程中排出空气。在此实验中，因为入口阀关闭，UF薄膜背回洗并且模件背排干直到其变空。在排干后，入口阀打开而模件和膜片重新被填充。每个循环使用此步骤导至在很长的操作过程中TMP基本不会增加。此过程延长了过滤器的操作寿命，并对很快就弄脏薄膜的高度浑浊的水很有用。而且，它在商业上对延长过滤器的寿命很有用。
实验#6一个包括包含软聚乙烯不渗透的可折叠包的PVC压力仓或包含约200ml的12％W/VnaOCl溶液的气泡被动注入装置安装在一个处理Burlington自来水的9USGPM ZENON超过滤薄膜中。外部管件连接件从可折叠包的外侧连接到压力容器的渗透一侧上，并从可折叠包的内侧连接到纤维薄膜模件的渗透面上。后者包含控制从可折叠包向模件纤维表面流动的毛细管。测量标明在每个模件冲洗过程中在两个连接件之间存在每4秒约5psi的压力差。在5psi下毛细管每秒配送0.18ml的12％的NaOCl。计算表明，在回洗/冲洗循环中总共在薄膜的渗透一侧传递0.75ml的12％的NaOCl。回流/冲洗循环约50秒的过程，而且在此时间过程中USG至排放管。为了检验注入装置的效果，在间隔排出样品并分析自由氯。图8中的数据显示出在一个回洗/冲洗循环过程中由此被动装置注入氯的有关排出水自由氯的成分的效果。在第48次循环采样的排出水的样品中，自由氯的水平在17秒中从0.11增加到0.19mg/l，进入循环后在循环的终端减小到0.13mg/l，这样证实了在冲洗/回洗循环的开始装置注入次氯酸钠。
尽管根据优选实施例描述了本发明，但所附权利要求书包括了落入本发明范围中的其他实施例。
权利要求
1.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路压力使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端以及第一区和第二区的腔体，一个用于连接到一个供给水管上的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)设置在所述腔体中并适于使水通过其渗透的薄膜，以净化水提供渗透水并在管路水压下排弃固体而在所述腔体中提供集中水；(c)一个用于收集通过所述渗透水出口的所述渗透水进行分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器液体连通的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体适于用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的压力降低到管路水压之下的装置，以及用于从所述压力罐体由渗透水回洗所述薄膜以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起去除的装置，所述用于回洗的装置由所述排干和降低所述腔体中压力的装置激发。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述薄膜是设置在所述第一和所述第二端之间的中空纤维薄膜，所述薄膜与所述渗透水出口流体连通并具有封装在设置在所述腔体的所述第一区中一个第一顶端中的固定端和封装在设置在所述腔体的所述第二区中一个第二顶端中的第二端，所述薄膜的所述第二端具有适于将渗透水排空到所述渗透收集器中的腔。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述薄膜是超过滤薄膜。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述薄膜是微过滤薄膜。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，包括在激发用于排干和回洗的装置的过程中用供给水冲洗所述腔体的装置。
6.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，压力罐体设置在所述腔体之下。
7.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述薄膜束基本竖直设置在所述腔体中，并且所述集中水出口基本位于所述薄膜之下以便于排干。
8.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端的腔体，一个用于连接到一个供给水管上的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)从设置在所述腔体中并设置在所述第一端和所述第二端之间的超过滤和微过滤薄膜中选择的中空纤维薄膜束，所述中空纤维薄膜与所述渗透水出口流体连通并适于将来自所述腔体的水穿过所述中空纤维薄膜渗透到其腔中，以净化水并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个适于从所述腔中排出渗透水而重新进行分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器液体连通用于在管路水压下在所述压力罐体中储存渗透水的压力罐体，所述压力罐体适于用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的压力降低到管路水压之下的阀装置，所述阀装置排干和降低所述腔体中压力，(i)用来自所述膜片罐体的渗透水激发所述薄膜的回洗，以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起去除，以及(ii)在所述周期性排干集中水和回洗过程中用供给水冲洗所述腔体。
9.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端的腔体，一个位于所述第一端中用于连接到一个供给水管上的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)设置在所述腔体中并设置在所述第一端和所述第二端之间的中空纤维薄膜束，所述中空纤维薄膜与所述渗透水出口流体连通并适于将来自所述腔体的水穿过所述中空纤维薄膜渗透到其腔中，以净化水并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个适于从所述腔中收集水进行分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器连接的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体设置成用于用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)设置成用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的水压降低到管路水压之下的阀装置，所述阀装置排干和降低所述腔体中压力，用来自所述膜片罐体的渗透水激发所述薄膜的回洗，以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起去除。
10.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端的腔体，一个位于所述第一端中用于连接到一个供给水管上的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)设置在所述腔体中并设置在所述第一端和所述第二端之间的中空纤维薄膜束，所述中空纤维薄膜与所述渗透水出口流体连通并适于将来自所述腔体的水穿过所述中空纤维薄膜渗透到其腔中，以净化水并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个适于从所述腔中收集水进行分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器流体连通的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体适于用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)一个设置成用于周期性地打开和关闭一个集中水出口阀以从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的水压降低到管路水压之下的控制器，而且通过降低所述腔体中的压力激发所述压力罐体而用所述渗透水回洗所述薄膜。
11.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端以及第一区和第二区的腔体，一个用于连接到一个供给水管的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)设置在所述腔体中并适于使水穿过渗透的薄膜，以净化水提供渗透水，并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个连接到所述渗透水出口上用来收集渗透水并具有一个净化水出口用于分配所述净化水的活性碳罐体；(d)一个与所述活性碳罐体液体连通的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体设置成用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的水压降低到管路水压之下的阀装置，所述阀装置排干和降低所述腔体中的压力，用来自所述膜片罐体的渗透水激发所述薄膜的回洗，以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起去除。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，设置一个氯源，与用渗透水的所述回洗一起将一个受控制量的氯导至所述中空纤维薄膜。
13.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有一顶部和一底部的腔体，一个位于所述腔中用于连接到一个供给水管的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)从设置在所述腔体中并基本在所述顶部和所述底部之间竖直延伸的超过滤和微过滤薄膜中选择出的中空纤维薄膜束，所述中空纤维薄膜与所述渗透水出口流体连通并适于将来自所述腔体的水穿过所述中空纤维薄膜渗透到其腔中，以净化水并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个适于从所述腔中收集渗透水进行重新分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器流体连通的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体适于用渗透水回洗所述薄膜；以及(e)一个设置成用于周期性地打开和关闭一个集中水出口阀以从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的水压降低到管路水压之下的控制器，通过降低所述腔体中的压力激发所述压力罐体而用所述渗透水回洗所述薄膜；以及(f)用于在排干所述腔体并回洗所述薄膜的过程中用供给水冲洗所述腔体的装置。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述渗透水收集器包含活性碳。
15.根据权利要求13或14所述的系统，其特征在于，所述压力罐体设置在所述腔体之下。
16.一种用于净化供给水以从中去除包括固体杂质的系统，所述系统使用管路水压使水渗透过薄膜并从薄膜上去除收集的固体，所述系统包括(a)一个具有第一端和第二端以及第一区和第二区的腔体，一个用于连接到一个供给水管上的供给水入口，一个渗透水出口和一个集中水出口；(b)设置在所述腔体中并适于使水穿过渗透的薄膜，以净化水提供渗透水，并在管路水压下排弃固体，从而在所述腔体中提供集中水；(c)一个用于通过所述渗透水出口收集渗透水用于分配的渗透水收集器；(d)一个与所述渗透水收集器液体连通的压力罐体，所述压力罐体适于在管路水压下储存渗透水，所述压力罐体适于用渗透水回洗所述薄膜；(e)用于周期性地从所述腔体通过所述集中水出口排干集中水并将所述腔体中的水压降低到管路水压之下的装置，以及用来自所述压力罐体的渗透水回洗所述薄膜以从所述薄膜排弃固体而在所述排干过程中与所述集中水一起排出的装置，所述用于回洗的装置由所述用于排干和降低所述腔体中的压力中的装置激发；以及(f)一个设置在所述压力罐体和所述渗透水收集器之间的氯分配器，所述分配器包括一个包含一个氯源的柔性叶片，所述分配器适于将氯分配到用于回洗所述薄膜的渗透水中。
17.一种过滤水的装置，包括(a)一个腔体，利用薄膜从内部将其分隔为一个供给侧和一个渗透侧；(b)连接在所述腔体供给侧的供给水源；(c)通过一个阀连接在所述腔体供给侧的排放管；(d)用于将水直接分配到使用地点的管路网和阀，所述管路网连接在所述腔体渗透侧；以及(e)用于在加压状态下收集可变体积的渗透物的罐体，所述罐体连接在所述腔体供给侧。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述管路网的至少一些阀是根据需要控制的，以便将所述管路网在一个和多个使用地点暴露在空气下。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述供给水源将加压下的供给水基本上连续地供应。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述供给水在一个地点从所述供给水源进入所述腔体内，所述地点从供给水排出腔体的位置偏移到所述排放管，从而从供给水源通过所述腔体供应到排放管内的水流流过所述薄膜。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述供给水在供给水排出腔体的位置上方从供给水源进入腔体到达排放管。
22.根据权利要求17-21任一所述的装置，其特征在于，所述薄膜包括多个竖直取向的中空纤维。
23.根据权利要求17-21任一所述的装置，其特征在于，所述阀连接在一个定时器或控制器上，以周期地打开所述阀来允许供给水从供给水源流到所述排放管、和所述渗透水从所述罐体流到所述排放管中。
24.根据权利要求17-21任一所述的装置，其特征在于，所述罐体具有一个弹性能量储存装置。
25.根据权利要求17-21任一所述的装置，其特征在于，所述罐体是一个具有捕获有大量空气的罐体或是一个膜片罐体。
全文摘要
本发明涉及一种净化水以从中去除包括悬浮固体的杂质的方法和设备，该方法适于使用管路水压使水通过中空纤维薄膜渗透并回洗薄膜，以去除沉积在其上的固体。
文档编号B01D63/02GK1618506SQ20041001205
公开日2005年5月25日 申请日期2000年9月29日 优先权日1999年9月29日
发明者西达耶特·胡萨因, 安德列斯·德雷斯纳, 迈克尔·布莱尔, 亨利·贝曼 申请人:齐侬环境有限公司