ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФИЛЬТРА С НАПОЛНИТЕЛЬНОЙ СРЕДОЙ В МЕМБРАННЫЙ ГРАВИТАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2019 года по МПК B01D65/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к обработке воды и к мембранной фильтрации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычный фильтр с наполнительной средой имеет ложе наполнительной среды, уложенной поверх дренажной системы. Наиболее распространенным фильтром с наполнительной средой в городских станциях питьевой воды является гравитационный песочный фильтр, также называемый скорым песочным фильтром, в котором наполнительная среда представляет собой песок. Дренажная система (также называемая дреной) может представлять собой, например, сеть дренажных труб, покрытых гравием или перфорированной плитой, как вариант, покрытую слоем гравия. Желоба подаваемой и обратной промывочной воды пересекают резервуар над ложем песка. Вода, поданная в резервуар из желобов, протекает через слой песка в дрену. Ложе периодически промывают, подавая воду и, как вариант, - сжатый воздух - внутрь, через дренажные трубы и собирая воду обратной промывки в желобах. Этот тип фильтра обычно используется на городских фильтрационных станциях питьевой воды.

Мембранные фильтры для фильтрации воды используют проницаемую мембрану. В городских фильтрационных станциях питьевой воды размер пор мембраны обычно находится в диапазоне ультрафильтрации или микрофильтрации. В погружных системах мембранные модули помещают в открытый резервуар, а фильтрат выводится изнутри мембран. Одним таким коммерческим продуктом является модуль ZeeWeed™ 1000 (также обозначаемый ZW 1000), продаваемый компанией GE Water & Process Technologies. Эти модули в общем виде - такие, как описанный в патенте США № 6.325.928 «Погружной мембранный элемент и модуль» и в патенте США № 6.893.568 «Погружная система мембранной фильтрации и способ слива», которые включены в настоящее описание путем ссылки. Патентная заявка США 2006/0108275 A1 описывает комплект, предназначенный для встраивания погружной мембраны в имеющийся песочный фильтр, и также включена в настоящее описание путем ссылки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание раскрывает систему погружной мембранной фильтрации и способ ее эксплуатации. Система может быть построена "с нуля", но здесь она будет описана в виде преобразования обычного гравитационного песочного фильтра в мембранный фильтр. В этом случае гранулированная наполнительная среда ложа гравитационного фильтра заменена погружными мембранами.

В описанном здесь способе фильтрации погружные мембраны в одном или более отношениях работают как скорый песочный фильтр. Например, мембраны могут работать без фильтратного насоса. Трансмембранное давление, предназначенное для того, чтобы вызвать ток фильтрата через мембрану, как вариант, создается статической разностью столба жидкости, например, разницей по высоте между свободной поверхностью воды в резервуаре над мембранами во время фильтрации и в точке выпуска фильтрата в атмосферу. Трансмембранное давление (TMД), как вариант, составляет 20 кПа или менее. Поскольку фильтрация обусловлена гравитацией, то установка может быть названа мембранным гравитационным фильтром (МГФ). Как вариант, мембраны могут также работать с частотой обратной промывки и восстановления, почти такой же, как в скором песчаном фильтре.

В другом описанном здесь способе воду фильтруют через погружные мембраны при потоке⁰⁾ 20 л/м²/ч или менее. Как вариант, мембраны промывают не более 5 раз в день. Одна или более обратных промывок в день содержат дозу хлора или другого химического агента, эффективную для увеличения пористости биопленки или слоя биообрастания без уничтожения по существу или удаления этого слоя. Например, недельная доза агента может составлять 700 или менее, предпочтительно - 500 или менее мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте. При этом регенеративная очистка исключается либо полностью, либо по меньшей мере, в течение длительного периода времени, такого как 6 месяцев или более.

Описанная здесь система фильтрации имеет систему дренажа резервуара, отдельную от своей системы удаления фильтрата. В способе, используемом вместе с этой системой, вода обратной промывки после обратной промывки удаляется из дренажной системы под мембранными модулями, а не через желоба обратной промывки над мембранными модулями. Как вариант, когда резервуар является пустым, проверяется целостность мембран.

Как вариант, система фильтрации может включать ложе сорбционной среды. Сорбционная среда может быть расположена над мембранными модулями, а модули могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы вода обратной промывки, предпочтительно, протекала из модулей вверх и через адсорбционную среду. Способ, описанный в этом описании, включает в себя этапы обратной промывки мембранных модулей и создания восходящего тока воды через эти модули, как вариант, достаточные для увеличения объема адсорбционной среды. Как вариант, за этими этапами может следовать этап опустошения резервуара.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура. 1 представляет собой поперечное сечение типичного фильтра с наполнительной средой (предшествующий уровень техники).

Фигура 2A представляет собой поперечное сечение модифицированного фильтра с погружными мембранами для образования мембранного гравитационного фильтра с коллектором фильтрата над мембранами.

Фигура 2В представляет собой поперечное сечение модифицированного фильтра с погружными мембранами для образования мембранного гравитационного фильтра с коллектором фильтрата под мембранами.

Фигура 3 представляет собой график, показывающий поток во времени при использовании мембранного гравитационного фильтра для обработки поверхностной воды с добавлением и без добавления хлора в воду обратной промывки.

Фигура 4 представляет собой график, показывающий мутность и температуру во времени для воды, использованной в эксперименте по фигуре 3.

Фигура 5 представляет собой график, показывающий расчетный возврат воды для мембранных гравитационных фильтров, работающих в диапазонах потока и мутности.

Фигура 6 представляет собой схематичное поперечное сечение системы мембранной фильтрации, в частности гравитационного песочного фильтра, модифицированного в мембранный гравитационный фильтр.

Фигура 7 представляет собой изометрическое изображение адсорбционного картриджа.

Фигура 8А представляет собой разрез изометрического изображения другой мембранной системы фильтрации.

Фигура 8В представляет собой увеличенный вид части фигуры 3А.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фигуре 1 показано поперечное сечение типичного высокоскоростного фильтра 1 с наполнительной средой, альтернативно называемого гравитационным фильтром. В городской системе фильтрации воды фильтр 1 с наполнительной средой обычно содержит ложе 2 наполнительной среды в 0,5-1,5 м с одной или с двумя фильтрующими средами. Ложе 2 наполнительной среды поддерживается дренажной системой 3. Во время фильтрации подаваемая вода 4 добавляется сверху ложа 2 наполнительной среды, а открытая поверхность воды сохраняется на уровне 5 фильтруемой воды. Отфильтрованная вода 6 собирается в дренажной системе 3 или под ней. Во время периодической обратной промывки, вода 7 обратной промывки и, возможно, воздух 8, протекают вверх через дренажную систему 3 и ложе 2 наполнительной среды, а открытая поверхность воды достигает уровня 8 обратной промывки. Вода 9 обратной промывки изливается и выходит из фильтра 1 с наполнительной средой. Фильтрация может осуществляться при постоянной скорости тока (увеличение столба давления фильтрации) или с падающей скоростью (неизменный столб давления фильтрации). Столб давления фильтрации управляется посредством изменения уровня воды в фильтре, или же путем введения снижения давления на стороне фильтрата. Обратная промывка инициируется управлением клапанами на включение обратного тока через фильтр и удаление отработанной воды 9 обратной промывки, - обычно через желоба, расположенные над ложем или сбоку от фильтровочной коробки. Обратной промывке может способствовать подача воздуха, горизонтальная промывка поверхности или и то и другое.

Мембраны, используемые для модернизации фильтра с наполнительной средой, могут быть любыми микрофильтрационными мембранами (МФ) или ультрафильтрационными (УФ) мембранами, которые могут быть погружены. Модули могут быть модулями прямоугольного сечения в плане, такими как модуль ZeeWeed™ 1000 от компании GE Water & Process Technologies. Прямоугольные (как вариант, квадратные) модули могут быть размещены решеткой, вплотную один к другому, так, чтобы они занимали почти всю площадь поверхности резервуара в плане. Вода может протекать через модули ZW1000 либо снизу вверх, либо сверху вниз. Альтернативно, модули могут иметь круговое поперечное сечение, такое как у модулей HSU-1515 компании Toray, у модулей CS компании Memcor и у модулей UHS-620A от компании Asahi. Имея в виду их круговую геометрию, решетка этих модулей оставляет пустые вертикальные колонки между модулями. Подаваемая вода заходит через боковые стороны модулей, вода обратной промывки выходит через боковые стороны модулей, а возможный воздух может входить через нижнюю часть модулей.

Фигуры 2А и 2В показывают два возможных варианта модернизации фильтра 1 с наполнительной средой с мембранными модулями 112 для создания мембранного гравитационного фильтра 110. В этих случаях мембранные модули 112 заменяют ложе 2 наполнительной среды на фигуре 1 с минимальными изменениями, например, без изменения дренажной системы 3. Если фильтр 1 с наполнительной средой не включал в себя воздушное барботирование для улучшения обратной промывки, то сначала под мембранными модулями 112 может быть уложена аэрационная сетка. Кроме того, на дренажную систему 3 могут быть также уложены поддоны или рамы для управления межмодульным расстоянием или же для того, чтобы способствовать удержанию или горизонтированию мембранных модулей 112. На фигуре 2а мембранные модули 112 установлены рядом друг с другом, чтобы покрыть всю площадь поверхности пола фильтра. Как вариант, мембранные модули 112 устанавливают один за другим или в небольшие блоки (то есть их предварительно не собирают в большие кассеты) во избежание необходимости использования кранов или другого тяжелого грузоподъемного оборудования. Затем фильтратные отверстия мембранных модулей 112 подсоединяют к фильтратной магистрали 114, которая включает в себя отводную секцию, уложенную горизонтально поверх мембранных модулей 112. Может быть несколько рядов мембранных модулей 112. В этом случае для соединения нескольких боковых секций вместе, например, на конце резервуара, может использоваться центральная секция фильтратной магистрали 114. Фильтратная магистраль 114 либо проходит через стенку резервуара (как показано на фигуре 2A), либо идет поверх стенки в сифонной конфигурации (не показано). Альтернативно каждая секция может проходить через стенку резервуара или через нее и соединяться с центральной секцией вне резервуара.

Если фильтратная магистраль 114 проходит над мембранными модулями 112, то воздух, который выходит с фильтратной стороны мембран, может удаляться вместе с фильтратом. Однако для замены мембранного модуля 112 фильтратная магистраль 114 должна быть удалена. На фигуре 2А фильтратная магистраль 114 установлена на дренажной системе 3 раньше, чем установлены мембранные модули 112. Фильтратная магистраль 114 расположена ниже мембранных модулей 112. В этом случае для того, чтобы удалять мембранный модуль 112, убирать фильтратную магистраль 114 нет необходимости. Однако воздух, испускаемый с фильтратной стороны мембран, может не захватываться током фильтрата и может собираться внутри мембранного модуля 114. Чтобы удалять накопленный воздух, может быть добавлена сеть небольших труб в соединении с верхней частью мембранных модулей 112 (не показано), которая и используется для удаления воздуха, например, путем продувки воздуха во время обратной промывки.

Для того чтобы завершить преобразование фильтра 1 с наполнительной средой в мембранный гравитационный фильтр 110, трубопровод фильтра 1 с наполнительной средой также переконфигурирован. Например, как показано на фигурах 2А и 2В, труба 116 выпуска дренажной системы и труба подаваемой воды 4 разрезаны, и там, где обозначено косыми черточками с наклоном вправо ("//"), закрыты заглушкой. Подаваемая вода 4, которая раньше подавалась в верхнюю часть фильтра 1 с наполнительной средой, перенаправлена и подается в дренажную систему 3 через первую часть 116а выпускной трубы дрены. Фильтратная магистраль 114 мембраны подсоединена ко второй части 116b выпускной трубы дрены. Как вариант, впуск 118 воды обратной промывки соединен с фильтратной магистралью 114, например, через вторую часть 116а выпускной трубы дрены.

С этими изменениями бывший фильтр 1 с наполнительной средой теперь может работать как мембранный гравитационный фильтр, как вариант, - без изменения других физических характеристик фильтра 1 с наполнительной средой или способа эксплуатации и управления. Подаваемая вода 4 теперь поступает в мембранный гравитационный фильтр 110 через дренажную систему 3 и протекает вверх к мембранным модулям 112, чтобы окончательно фильтроваться. Столб 118 давления фильтрации образован разностью статического давления на мембране, например, разницей между уровнем воды в резервуаре (уровень 5 фильтрации) и уровнем точки выпуска фильтрата в атмосферу или уровнем воды в резервуаре сбора фильтрата, если точка выпуска фильтрата погружена в воду. Обратная промывка может инициироваться периодически, например, как только столб 118 давления фильтрации достигает заданного уровня или при наступлении момента максимальной продолжительности между обратными промывками, если он наступает раньше. Во время обратной промывки клапан 120 фильтрованной воды закрыт, а клапан 112 воды обратной промывки открыт. Во время обратной промывки подаваемый ток, как вариант, продолжается прерывисто, способствуя выносу вытесненных твердых частиц из резервуара во время обратной промывки 9, например, переливом их в желоб. Сеть обратной промывки типичного фильтра с наполнительной средой предназначена для работы со скоростью тока в 2-4 раза более высокой, чем сеть фильтрата. Соответственно, маловероятно, что ввод подаваемой воды 4 в мембранный гравитационный фильтр 110 через сеть обратной промывки ограничит скорость тока подаваемой воды.

В таблице 1 сравниваются типичные рабочие параметры обычной погружной мембранной системы с мембранным гравитационным фильтром. Одно различие между работой обычной мембранной системы и мембранным гравитационным фильтром относится к потоку. С увеличением потока быстро, возможно, экспоненциально увеличивается обрастание. Работа при низком потоке требует только низкое трансмембранное давление, которое делает возможным гравитационный механизм работы даже при очень низком столбе давления фильтрации, который имеется в обычном скором песочном фильтре, например, в 2,5 м или менее или в 2,0 м или менее. Кроме того, работа при низком потоке уменьшает необходимость в обратных промывках до или почти до диапазона частот, типичных для фильтров с наполнительной средой, таких как скорые песочные фильтры.

Таблица 1. Сравнение обычной мембранной системы

с мембранным гравитационным фильтром.

Параметр Обычная мембранная система Мембранный гравитационный фильтр Типичный поток, л/м²/ч 30-100 10-15, возможно, 20 Источник рабочего усилия Давление насоса Гравитация (разность статического давления) Трансмембранное давление, кПа 30-200 5-20 Интервал обратной промывки, ч 0,25-1,0 8-24 Обильная подача во время обратной промывки Да Возможна Восстановление 90-95% 95-98% Обратная промывка с воздухом Да Да Обратная промывка с химическим усилением Да Возможна Регенеративная химическая очистка Да Возможна

Как указано в таблице 1, мембранный гравитационный фильтр, как вариант, может работать в отсутствие регенеративной химической очистки, называемой также возвратной очисткой. При регенеративной химической очистке мембраны контактируют с химическим чистящим агентом в течение длительного времени, такого как 15 минут или более. Целью регенеративной химической очистки является уничтожение или удаление существенной части биопленки или слоя обрастания и восстановление проницаемости мембраны, например, до величины в 20% от проницаемости новой мембраны. В обычной мембранной системе регенеративная очистка обычно проводится на еженедельной или ежемесячной основе. Однако, как дополнительно описано ниже, мембранный гравитационный фильтр без регенеративной химической очистки может работать неограниченно долго или, по крайней мере, в течение продолжительного периода времени в 6 месяцев или более, или в 12 месяцев или более. В этом режиме работы проницаемость мембраны уменьшается относительно ее проницаемости, когда она новая, но достигает приемлемого устойчивого уровня. Слоям обрастания или биопленки позволяют достичь стабильного состояния, а не удаляют непрерывно, чтобы восстановить проницаемость почти новой мембраны.

Некоторые недавние исследования показали, что в отсутствие регенеративной химической очистки мембранный поток не стремится к нулю, а стабилизируется при низком значении, которое, как правило, составляет менее чем 10 л/м²/ч. Питер-Варбанец (Peter-Varbanets) и др. в 2010 г работали с мембранными гравитационными системами без обратной промывки, полоскания или химической очистки с водой разных типов с увеличением содержания общего органического углерода (ТОС). При этом потоки стабилизировались между величинами 4-10 л/м²/ч при давлении фильтрации в 0,40-0,65 м водяного столба. С увеличением TOC стабилизированные потоки уменьшались. Это свидетельствовало о том, что стабилизации потоков способствовала биологическая активность биопленки. Начиная, примерно, через неделю работы в слое обрастания наблюдалось образование полостей, каналов и дендритоподобных структур. Дерлон (Derlon) и др. в 2013 г. показали, что при гравитационной фильтрации при давлении фильтрации менее 0,65 м водяного столба поток стабилизируется в диапазона 8-10 л/м²/ч. Они связали активность многоклеточных организмов с их воздействием на структуру биопленки в устанавливающемся потоке. В обоих случаях установившийся поток был достигнут после того, как биопленке дали достичь состояния, при котором развились более высокие микроорганизмы. Поэтому эти методы зависят от таких факторов, как природа органического вещества, присутствующего в подаваемой воде, наличие любых ингибирующих соединений и температура. На городской станции по очистке воды эти необходимые факторы трудно обеспечивать постоянно. Кроме того, полученные потоки вряд ли были достаточными для того, чтобы мембранный гравитационный фильтр смог обеспечить такой же выход, что и скорый песочный фильтр.

В мембранном гравитационном фильтре поток улучшался при небольшой дозе окислителя, периодически добавлявшегося в воду обратной промывки. Не имея намерения быть связанными теорией, авторы изобретения считают, что окислитель - в эффективных дозах - не удаляет слой биопленки или обрастания, как при регенеративной химической очистке, а делает слой биопленки или обрастания более пористым в смысле, аналогичном активности более высоких микроорганизмов. В одновременно проводившемся эксперименте испытывалась мембранная гравитационная фильтрация при постоянном давлении в 1,5 м вд. ст. с небольшой концентрацией хлора (10 мг/л) и без него с ежедневной 5-минутной обратной промывкой. Химическая доза составляла 350 минут×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте в неделю. Подаваемая вода была поверхностной водой, взятой из озера. Мембранные модули представляли собой варианты пилотного масштаба модулей ZW 1000, которые имеют полые горизонтально ориентированные волоконные ультрафильтрационные или микрофильтрационные мембраны с номинальным размером пор 0,04 мкм. Приведенные на фигуре 3 результаты показывают, что достигнутый без хлора установившийся поток составлял всего 5 л/м²/ч, в то время как при небольшой дозе хлора установившийся поток увеличивался до 12-14 л/м²/ч. Низкая концентрация и контактное время, обеспеченные хлорированной обратной промывкой, были недостаточны для того, чтобы очистить мембраны. Однако авторы изобретения полагают, что хлор эффективен при кондиционировании биопленки или слоя обрастания, чтобы сделать его более проницаемым. Ожидается, что кондиционирование слоя обрастания или биопленки посредством ежедневной (или иной) дозы окислителя будет более управляемым и надежным, чем если просто полагаться на более высокие микроорганизмы.

Хотя ожидается, что другие окислители будут давать аналогичные результаты, на станции по очистке воды хлор является наиболее распространенным конечным дезинфицирующим средств общем, и его обычно добавляют сразу после фильтра с наполнительной средой в качестве конечного дезинфицирующего средства. Соответственно, небольшая доза хлора в воде обратной промывки в мембранном гравитационном фильтре, как ожидается, не приведет к проблемам, связанным с законодательным регулированием или здоровьем. Кроме того, при обратной промывке возможно использование альтернативного конечного дезинфицирующего средства, такого как двуокись хлора или хлораминов.

Фигура 4 показывает во времени мутность и температуру подаваемой воды, обработанной в вышеописанном эксперименте. Как показано на фигуре 4, результаты по фигуре 3 были получены при фильтрации сырой поверхностной воды, которая имела усредненную мутность в 2-3 NTU ("нефелометрическая единица мутности") с максимумами до 10 NTU. Вероятно, более высокий установившийся поток мог быть достигнут после коагуляции и осаждения или после другой обычной предварительной обработки, при которой мутность подаваемой воды могла быть уменьшена до 0,5 NTU или более.

Испытание, описанное со ссылкой на фигуру 3, но с хлорированной обратной промывкой, продолжалось следующие 300 дней, будучи доведено в общем до 400 дней. Во время эксперимента регенеративная очистка мембран не проводилась вообще. Зимой температура подаваемой воды в течение примерно 75 дней упала до 2-4 градусов Цельсия. За это время средний поток уменьшился до примерно 10 л/м²/ч. После того, как подаваемая вода снова нагрелась до 15 градусов Цельсия и выше, поток увеличился до величины около 12-14 л/м²/ч. Эта "пилотная" система работает уже около 22 месяцев без регенеративной химической очистки.

Полученный на фигуре 3 поток показывает, что обычный фильтр с наполнительной средой, преобразованный в мембранный гравитационный фильтр, обеспечит по меньшей мере аналогичный выход без увеличения занимаемой площади (площадь резервуара). Качество воды обычно можно улучшить посредством использования мембраны, так как мембрана по сравнению с фильтром с наполнительной средой имеет гораздо более низкую "отсечку" (0,01-0,1 мкм для мембран ультрафильтрации/микрофильтрации против 5-10 мкм для фильтра с наполнительной средой). Поэтому преобразование фильтра с наполнительной средой в мембранный гравитационный фильтр, кроме того, вероятно, приведет к увеличению качества фильтрованной воды, что может благоприятно сказаться на последующих процессах обработки, таких как обратный осмос.

Были проведены дополнительные испытания с использованием имеющихся на рынке модулей ZW 1000 для фильтрации поверхностной воды, включая как 42 м² (450 квадратных футов), так и 51 м² (550 квадратных футов) версии. Полученный в течение 6-месячного испытательного периода поток обычно составлял 13-20 л/м²/ч. Температура подаваемой воды во время экспериментальных процедур изменялась примерно от 4 до 26 градусов Цельсия, а мутность изменялась от 0,2 до 2 NTU, но с множественными выбросами до 4 или более NTU. Эти модули подвергались обратной промывке каждые 8 часов. Коэффициент восстановления составлял 97-98%. Резервуар заполнялся водой до высоты в 1 м. Выход фильтрата находился на уровне дна резервуара и выгружался до атмосферного давления, что давало трансмембранное давление в 10 кПа. Химическая доза составляла 350 м×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте в неделю. Мембраны во время 6-месячного испытания восстановительной чистке не подвергались.

Обычные фильтры с наполнительной средой предназначены, как правило, для скоростей фильтрации в 5-15 м/ч. Как показано в таблице 2, эти значения пропускной способности могут быть сделаны такими же или увеличены при модификации мембранами даже при работе с низким потоком. Таблица 2 была построена в предположении, что модулями будет покрыто 80% занимаемой площади фильтра. Предполагались расчетные потоки в 12 л/м²/ч (для сырой воды) и 16 л/м²/ч (для отстоявшейся воды). Модули ZW 1000 имеют высоту около 685 мм (27 дюймов), но могут устанавливаться один другой. Для некоторых вычислений предполагались штабели из двух модулей ZW 1000, поскольку такой штабель все еще не превосходит пространство, занимаемое типичным скорым песчаным фильтром. Расчеты, использованные для построения таблицы 2, показывают, что эти конструктивные условия могут давать скорости фильтрации в 8-22 м/ч.

Таблица 2. Примеры скоростей фильтрации, достижимых посредством разных модулей

Ge water Ge water Ge water Toray Toray Asahy Zw-1000/700 Zw-1000/700 Zw-1000/700 Hsu-1515 Hsu-1515 Uhs-620f Тип модуля Прямоугольный Прямоугольный Прямоугольный Круговой Круговой Круговой Кол. модулей по высоте 1 2 2 Высота модуля, м 0,7 1,5 1,5 1,3 1,3 2,2 Занимаемая площадь, м² 0,0735 0,0735 0,0735 0,0216 0,0216 0,04 Площадь поверхности модуля, м² 65 65 65 20 20 50 Покрытие резервуара модулем 80% 80% 80% 80% 80% 80% Поток, л/м²/ч 12 12 16 12 16 16 Скорость фильтрации, м/ч 8,5 17,0 22,6 8,9 11,8 16,0

Мембранный гравитационный фильтр может работать без использования значительно большего количества воды для обратной промывки, чем обычный фильтр. Фильтры с наполнительной средой при обработке предварительно подготовленной (то есть коагулированной и отстоявшейся) воды с низкой мутностью (менее 1 NTU) обычно имеют восстановление - более 95%, часто - около 98%. На фигуре 5 показан расчетное восстановление для мембранного гравитационного фильтра, работающего в различных условиях. Две верхние кривые представляют обработку отстоявшейся воды и основаны на модуле ZW-1000 с площадью поверхности в 65 м² при предельной величине твердых веществ в 20 г/модуль и в предположении, что 1 NTU=1,5 мг/л. При этом предполагалось, что каждый день будет выполняться одна обратная промывка, независимо от того, достигнут или нет предел по твердым веществам. Резкое падение кривой указывает, что предел по твердым веществам достигнут менее чем за один день, и что в это время была выполнена дополнительная обратная промывка. Для мутности в 0,5 NTU, типичной для отстоявшейся воды, восстановление с потоком увеличивается, а для потока вплоть до 17 л/м²/ч достаточно одной обратной промывки в день. При потоке 12 л/м²/ч восстановление равно 98,3%. Вторая кривая представляет плохо функционирующий отстойник (мутность=2 NTU). При потоке 12 л/м²/ч требуются две обратные промывки в день, а восстановление равно 96,3%. Две нижние кривые представляют обработку сырой воды (с мутностью в 10 и 20 NTU) и основаны на модуле ZW-1000 с площадью поверхности 46,5 м² и с пределом по твердым веществам в 155 г/модуль. При потоке 12 л/м²/ч требуются две обратные промывки в день, а восстановление при этом составляет 94-95%.

Суммируя вышеприведенные тесты и расчеты, - на мембранные гравитационные фильтры посредством разницы гравитационного (статического) столба свободной поверхности воды в резервуаре, содержащем мембраны, относительно статического столба на уровне выпуска фильтрата было обеспечено трансмембранное давление (ТМД) в около 10-15 кПа. Никакого фильтратного насоса не было. В соответствии с оценками, можно было бы использовать несколько более высокое ТМД в около 15 кПа, возможно, 20 кПа, прежде чем повышенный поток или абсолютное давление на биопленку станет слишком большим, чтобы поддерживать биопленку предполагаемой пористости. Поток не превышал 20 л/м²/ч, обычно не превышая и 15 л/м²/ч. Обратная промывка мембран осуществлялась 1-3 раза в день. Одна обратная промывка в день проводилась с дозой химического агента в воде обратной промывки в 10 мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте. Эта обратная промывка длилась около 5 минут. Дополнительные обратные промывки, если таковые проводились, не имели ни хлорных, ни каких-либо иных химических чистящих добавок. Таким образом, общая недельная доза хлора составляла около 350 мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте, что эквивалентно около 732 мин×мг/л в эквиваленте NaOCl. Обратные промывки, превышающие предопределенный минимум (то есть один раз в день), могут запускаться концентрацией твердых веществ или мутностью в мембранном резервуаре, превышающей установленный максимум.

В соответствии с оценками, может быть приемлемой частота обратных промывок между 0,5 и 5 обратными промывками в день. Обратные промывки, которые не содержат в себе окислителя, как вариант, могли бы быть заменены ополаскиванием резервуара снаружи мембран. В том случае, когда для поддержания желательных характеристик подаваемой в резервуар воды требуется более 5 обратных промывок или промывочных ополаскиваний в день, подаваемую воду вместо этого можно было бы подвергать предварительной обработке, такой, чтобы при этом требовалось не более 5 обратных промывок или не более 3 обратных промывок в день. В соответствии с оценками, приемлемой была бы недельная доза химических добавок в 700 или менее, предпочтительно - в 500 или менее мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте, которая обеспечивала бы пористый слой биопленки без по существу уничтожения слоя биопленки. Минимальная недельная доза хлора оценивается в 100 мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте. Глубина погружения мембран (расстояние между свободной водной поверхностью резервуара и самой низкой активной областью мембраны) составляет менее чем 5 метров, как вариант, - менее чем 2,5 метра, или менее чем 2,0 метра. Как вариант, мембраны без регенеративной очистки могут работать в течение 6 месяцев или более или в течение 12 месяцев или более. При еженедельной дозировке химических добавок в 700 мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте или менее работа мембран с регенеративной очисткой в течение 6 месяцев без регенеративной очистки будет обеспечивать на мембраны воздействие, не более чем в 18.200 мин×мг/л в хлорном (Cl₂) эквиваленте.

Мембранный гравитационный фильтр может использоваться, например, для городской или промышленной фильтрации питьевой воды. Система может использоваться вместо фильтра с наполнительной средой, такого как скорый песочный фильтр или вместо другой обычной системы фильтрации. В приведенном далее подробном примере системы обычный гравитационный песочный фильтр преобразован в мембранный гравитационный фильтр. Способ преобразования вносит в обычный фильтр и в режим его работы некоторые изменения, но при этом используются и некоторые из существующих компонентов. Изменения не обязательно должны осуществляться в описанном ниже порядке. Кроме того, эти описанные ниже изменения, могут быть скорректированы под различные типы существующего скорого песочного фильтра.

Чтобы преобразовать имеющийся фильтр, находящийся в нем песок и любой другой носитель удаляют. В резервуар вводят мембранные модули, например, опирая их на дно резервуара посредством пористой платформы, которая была частью имеющегося дренажа, или посредством скоб, прикрепленных к боковой стенке или к верхнему краю резервуара. Как правило, требуется множество кассет или мембранных модулей. Фильтратное отверстие или патрубок из каждой кассеты подключают к коллектору фильтрата. Коллектор фильтрата подсоединен к имеющемуся придонному отсеку фильтрата, а также к имеющемуся трубопроводу подачи воды обратной промывки. Трансмембранное давление (TMД) для фильтрации может быть создано с помощью той же самой обусловленной гравитацией разницей статического столба давления, который использовался для активизации фильтрации через бывшее песочное ложе. Старые соединения между дреной, придонным отсеком и трубопроводом подачи воды обратной промывки закрыты. В некоторых случаях это можно сделать подключением коллектора фильтрата изнутри резервуара к существующему проходу от дренажа к внешней части резервуара. В этом случае в стенке резервуара не требуется делать никакого нового отверстия. Кроме того, если имеющийся проход использовался и для отвода фильтрованной воды, и для подачи воды обратной промывки, то вентиль, выполненный с возможностью изоляции коллектора фильтрата от придонного отсека, а также клапан, выполненный с возможностью изоляции коллектора фильтрата от трубопровода подачи воды обратной промывки, уже будут находиться на месте. Эта возможность может использоваться также для одновременного отключения существующей дрены от придонного отсека и от источника подачи воды обратной промывки. Альтернативно, коллектор фильтрата может проходить сквозь стенку резервуара через другое отверстие. Например, некоторые скорые песочные фильтры имеют отверстие в стенке резервуара для проходной втулки, которая в мембранной системе использоваться не будет. Это отверстие может быть использовано, предпочтительно, после увеличения его размера под коллектор фильтрата. В других вариантах можно использовать полностью новое отверстие в стенке резервуара или сифон через стенку резервуара. В этих случаях коллектор фильтрата подсоединен с наружной стороны резервуара через изолирующие вентили к имеющемуся придонному отсеку и к имеющемуся трубопроводу подачи воды обратной промывки. В зависимости от того, как выполнены эти подключения (например, к объединенным придонному отсеку и магистрали обратной промывки или к раздельным придонному отсеку и к магистрали обратной промывки, до или после имеющихся изолирующих вентилей), можно добавлять или не добавлять один или более изолирующих вентилей. Кроме того, эти соединения могли бы (или не могли) одновременно отключать имеющуюся дрену от имеющегося придонного отсека и от источника подачи воды обратной промывки. Если необходимо, в любом из вышеописанных вариантов имеющийся трубопровод через стенку резервуара к дрене в качестве отдельного этапа может быть закрыт. В некоторых случаях это можно сделать закрыванием имеющихся изолирующих вентилей. Альтернативно, для опустошения резервуара мог бы быть использован имеющийся трубопровод через стенку резервуара к дрене.

Изменения в существующем резервуаре для скорого песочного фильтра, как вариант, включают в себя добавление дренажного резервуара с целью использования его для опустошения резервуара после обратной промывки. Вообще, это достигается подсоединением дна резервуара к существующему выпуску отработанной воды обратной промывки имеющегося песочного фильтра. В одном варианте имеющийся дренажный трубопровод дрены мог бы быть отсоединен от придонного отсека и от источника подачи воды обратной промывки воды и вместо этого через вентиль - подключен к каналу воды обратной промывки. В другом варианте в стенке резервуара, предпочтительно - на дне бака выполнено новое отверстие и через вентиль подсоединено к каналу воды обратной промывки. Например, в том случае, когда канал воды обратной промывки образован частично стенкой резервуара вместе с каналом отработанной воды обратной промывки, в стенке резервуара может быть выполнено отверстие, которое оснащено щитовым затвором. Хотя этот вариант требует новое отверстие, это новое отверстие может быть бóльшим, чем предшествующий дренажный трубопровод дрены, чтобы обеспечить более быстрое опустошение резервуара.

В вышеприведенном варианте желоба для сбора воды обратной промывки больше не используются. Эти желоба можно удалить или оставить на месте. Если желоба оставлены на месте, то по этим желобам подаваемая вода может вводиться в резервуар, что может способствовать более равномерному распределению подаваемой воды. Однако предпочтительно желоба удалить. Это связано с тем, что желоба составляют значительную часть высоты резервуара, и удаление желобов может позволить добавить в резервуар большее количество мембранных модулей. Например, если желоба удалить, то при использовании модулей ZW 1000 в некоторых случаях может быть добавлен второй слой модулей.

В то время как воду обратной промывки можно удалять посредством существующих желобов, более сильно удерживаемые твердые частицы можно удалять из резервуара мембранной системы осуществлением дренажа резервуара. При наличии песочного ложа при дренаже резервуара удерживаемые в песке твердые частицы захватываются, и таким образом вода обратной промывки испускается по желобам над песочным ложем. Вода же с удерживаемыми в ней твердыми частицами может протекать через мембранные модули вертикально вниз без значительных количеств твердых веществ, которые задержаны в модуле.

Кроме как необязательного удаления желобов, система подачи подаваемой воды существующей системы в изменении не нуждается.

Как вариант, над модулем можно добавить адсорбционный картридж. Этот адсорбционный картридж удаляет растворимые загрязнители и, кроме того, может также обеспечивать некоторую фильтрацию по глубине. Например, адсорбционный картридж может содержать гранулированный адсорбент, такой как активированный уголь, который обладает способностью удалять растворенные микрозагрязнители.

Используемые с системой мембранные модули могут быть любыми погружными мембранными модулями, предпочтительно с порами в диапазоне ультрафильтрации или микрофильтрации. Одним из подходящих модулей является модуль ZeeWeed™ 1000, продаваемый компанией GE Water & Process Technologies. Эти модули имеют полые горизонтальные волокна, подвешенные между парой противоположных вертикально ориентированных прямоугольных коллекторных головок. Между коллекторными головками продолжаются пластины желобов. Модули на виде в плане имеют прямоугольное сечение с вертикальным каналом тока, чтобы через модуль протекала подаваемая вода. В общей раме может быть установлено несколько модулей с образованием кассеты. Кассета может иметь один или несколько слоев модулей. Если имеется множество слоев, то модули в кассете выставлены по вертикали таким образом, чтобы вертикальный проточный канал через кассету был непрерывным.

Адсорбционные картриджи, если они используются, промываются в то же время, что и мембраны. Вода обратной промывки сначала протекает через мембраны, а затем через адсорбционные картриджи. По мере добавления воды обратной промывки уровень воды в резервуаре повышается, и при добавлении воды обратной промывки имеет место общий восходящий ток воды вверх через адсорбционные картриджи. Если желоба не были удалены и используются для обратной промывки, то избыточная вода обратной промывки выходит из резервуара по этим желобам. Альтернативно, после подачи воды обратной промывки для опустошения резервуара открывают вентиль (который при необходимости может быть затвором).

Модули ZW 1000 особенно пригодны для использования с адсорбционными картриджами. Вертикальный проточный канал через эти модули ограничен пластинами желобов и отводными коллекторами. Вход в проточный канал в донной части модуля частично перекрывают аэраторные трубы (и, как вариант, также и трубы фильтрата). Поэтому бóльшая часть подаваемой воды входит в модуль (или в их вертикально выставленные штабели) сверху модулей, что побуждает подаваемую воду, прежде чем она достигнет модулей, проходить через адсорбционные картриджи. Расположение адсорбционных картриджей над модулями и добавление подаваемой воды в резервуар сверху над адсорбционными картриджами также побуждает подаваемую воду, прежде чем она достигнет модулей, проходить через адсорбционные картриджи. Когда осуществляется обратная промывка модулей ZW 1000, бóльшая часть воды обратной промывки после прохождения через мембраны поднимается вверх из модуля (или из штабеля). Это помогает увеличить вертикальную скорость воды, протекающей через адсорбционные картриджи во время обратной промывки, как вариант, - до точки разжижения ложа в адсорбционных картриджах, для того чтобы лучше вывести захваченные твердые частицы. Однако могут использоваться и другие модули. Эффекты, подобные тем, что описаны выше, могут быть достигнуты посредством модулей других конструкций размещением вертикально продолжающихся желобов вокруг модулей и, при необходимости, - частичным блокированием восходящего тока в донной часть модуля или в ограниченной желобами области.

Восходящий ток через модули может быть также увеличен обеспечением пузырьков воздуха из нижних частей модулей во время обратной промывки. В некоторых случаях имеющийся фильтр уже имеет воздуходувку для подачи пузырьков в воду обратной промывки. Воздуходувку, предпочтительно, подсоединяют к модулям вместо аэраторов, которыми оснащены модули, и она предназначена для очистки мембран посредством пузырьков.

Как вариант, для того, чтобы способствовать очистке мембран или чтобы поддерживать их проницаемость, в воду обратной промывки можно вводить хлор. Один пример рабочего процесса мембраны с хлорированной обратной промывкой, пригодного для использования с мембранным гравитационным фильтром, описан в предварительной заявке на патент США номер 62/210.915 «Преобразование фильтров с наполнительной средой в мембранные гравитационные фильтры», поданной 27 августа 2015 года, которая включена сюда посредством ссылки. Если используется адсорбционный картридж, например, картридж с гранулированным активированным углем (ГАУ), то этот адсорбционный картридж может способствовать дехлорированию воды обратной промывки, что может уменьшить образование побочных продуктов хлорирования в подаваемой воде.

Ниже будет описан пример способа фильтрации. Этот способ может быть использован системой мембранной фильтрации, например, модифицированной системой, как она описана выше, или в приведенных ниже более подробных примерах. Способ осуществляют в повторяющемся цикле. В нижеприведенном описании рабочий цикл описывается как начинающийся при пустом резервуаре, хотя, поскольку способ является циклическим, началом является произвольная начальная точка.

Во-первых, вводится подаваемая вода, например, через существующую или обычную систему подачи воды - для заполнения резервуара до уровня выше мембран.

Во-вторых, по мере того, как в резервуар добавляется все больше подаваемой воды, подаваемая вода фильтруется. Открывается фильтрующий вентиль (т. е., изолирующий вентиль между фильтратным коллектором и придонным отсеком), и из мембран выходит фильтрованная вода (фильтрат). Предпочтительно, бóльшая часть подаваемой воды поступает в мембранный модуль сверху или - иначе - после протекания через один или более адсорбирующих картриджей. Адсорбирующие картриджи, если они есть, когда через них течет вода, удаляют микрогрязнители. Кроме того, один или более экранов адсорбционного картриджа или гранулированной адсорбционной среды в адсорбционных картриджах, или и то, и другое могут также защищать мембраны посредством удаления частиц бóльших размеров, если они присутствуют в поданной воде, прежде чем они достигнут мембран. Подаваемая вода фильтруется через мембраны, протекает через коллектор фильтрата и выходит из резервуара, например, в придонный отсек.

Третий этап включает в себя обратную промывку мембран (также называемую обратной пульсацией), а также обратную промывку адсорбционных картриджей, если они есть. Для начала обратной промывки ток подаваемой воды прерывается, и запускается насос обратной промывки. Насос обратной промывки толкает фильтрат, например, из придонного отсека через мембраны в обратном направлении (в направлении фильтрата). Бóльшая часть фильтратной воды, осуществляющей обратную промывку мембран, выходит через верхнюю часть модулей, и осуществляет также обратную промывку адсорбционных картриджей. Обратная промывка, предпочтительно, усиливается посредством подачи воздуха в нижнюю часть модуля. Во время обратной промывки гранулированная наполнительная среда может быть увеличена в объеме или разжижена, как вариант, заполняя весь объем адсорбционных картриджей.

Четвертый этап включает в себя дренаж резервуара. Как упоминалось выше, вода обратной промывки альтернативно может быть испущена через желоба обратной промывки, как в обычном скором песочном фильтре, что заменяет первый и четвертый этапы этого приводимого в качестве примера способа. Однако предпочтительный способ заключается в том, чтобы опустошить резервуар, поскольку это позволяет почти полностью произвести удаление твердых частиц, накопленных на этапе фильтрации этого цикла. При использовании модулей ZW 1000 бóльшая часть воды обратной промывки (то есть, более 50%, но как вариант, - более 80% или более 90%) протекает вверх через штабель из одного или более вертикально выставленных между собой модулей и адсорбирующих картриджей, если они имеются. Затем вода обратной промывки может стекать вниз в отсек эвакуации отработанной воды (также называемый дренажным резервуаром) под модулями, протекая через предусмотренные для этой цели промежутки между модулями или между кассетами модулей. Например, модули могут занимать только 80-90% от площади резервуара. Кроме того, конструкция модулей ZW 1000 разрешает также выход тока меньшей величины (например, около 10%) через донную часть модулей, так что резервуар может быть опустошен более полно, а когда резервуар опустошен - может быть удалено больше твердых веществ.

Затем способ возвращается к первому этапу и повторяется. Частота обратной промывки может быть такой, чтобы общий коэффициент восстановления составлял 95% или более. Обычно это обуславливает обратную промывку от 1 до 3 раз в день.

Фигура 1 показывает пример мембранного гравитационного фильтра 10, построенного как модификация скорого песочного фильтра. Песок из резервуара 12 удален, позволяя разместить в резервуаре 12 мембранные модули 14. В показанном примере модули 14 представляют собой модули ZW 1000, и они лежат на пористой платформе 16, которая ранее удерживала ложе наполнительной среды. Как вариант, эта пористая платформа 16 (или другая дренажная система) могла бы быть удалена, а модули 14 могут опираться непосредственно на дно резервуара 12. В другом варианте отверстия 17 в пористой платформе 16 могут быть заполнены, чтобы обеспечить, по существу, дно резервуара на высоте пористой платформы 16. Показаны два слоя мембранных модулей 14, но, как вариант, слоев может быть больше (3 или более) или меньше (1). Модули 14, предпочтительно, покрывают по меньшей мере 80% от занимаемой площади резервуара 12, но на фигуре 1 для упрощения чертежа показана только одна кассета модулей 14. Возможный адсорбционный картридж 18 может быть "прищелкнут" или иным образом прикреплен к верхней части каждого модуля 14. В другом возможном варианте модули 14 или адсорбционные картриджи 18 могут быть покрыты решетками, по которым во время технического обслуживания можно ходить.

Модули 14 определяют вертикальный проточный канал, который открыт сверху и частично открыт внизу. Бóльшая часть (то есть 50% или более), но предпочтительно 80% или более, или 90% или более подаваемой воды входит в штабель 20 из одного или более вертикально выставленных между собой модулей 14 через верхнюю часть штабеля 20. Бóльшая часть (то есть 50% или более), но предпочтительно 80% или более, или 90% или более воды обратной промывки выходит из штабеля 20 из одного или более вертикально выставленных между собой модулей 14 через верхнюю часть штабеля 20. Модули 14 имеют аэраторную решетку 11 около или ниже нижней части самого нижнего модуля 14 в штабеле 20. Аэраторные решетки модулей 14 подсоединены к сети 15 подачи воздуха, ведущей к одной или более воздуходувкам, используемым для генерации воздушных пузырьков снаружи мембран во время обратных промывок. Как вариант, если скорый песочный фильтр использовал облегченную воздушными пузырьками обратную промывку, то сеть 15 подачи воздуха можно подключить к одной или более трубам и воздуходувкам имеющейся системы подачи воздуха.

Фильтратный выпуск каждого модуля 14 подсоединен к коллектору 22 фильтрата и обратной пульсации. Коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации может находиться сверху штабелей стоек 20, как это показано, или на другом уровне, например, внизу штабелей 20. В показанном примере, в котором коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации находится сверху штабелей 20, отверстие 21 стенки, ранее в гравитационном фильтре использовавшееся для проходной втулки, может находиться на подходящей высоте, и оно может быть увеличено так, чтобы могло вмещать в себя коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации. Альтернативно, для коллектора 22 фильтрата и обратной пульсации в резервуаре 12 может быть выполнено новое отверстие. В этом случае отверстие для проходной втулки перекрывают, заливают или закрывают иным образом. Как вариант, коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации оснащают воздушным вентилем 27 и отверстием 29 для дозирования химикалий.

Снаружи резервуара коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации подсоединен к имеющемуся дренажному спуску 24. Изолирующий вентиль 26 в имеющемся дренажном спуске 24 постоянно закрыт. Альтернативно, если нет удобно расположенного изолирующего вентиля 26, то дренажный спуск 24 по обоим концам может быть обрезан и заглушен, например, около того места, где на фигуре 1 показан изолирующий вентиль 26. Как вариант, если имеется существующая дренажная труба 25 резервуара, которая сообщается с дном резервуара 12, то ее можно оставить на месте для использования во время процедур технического обслуживания, когда весь резервуар опустошен.

Коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации через дренажный спуск 24 подсоединен к трубопроводу 30 воды обратной промывки с вентилем 34 обратной промывки и к трубопроводу 28 фильтрованной воды с вентилем 32 фильтрованной воды. Эти соединения трубопроводов могут быть модифицированы в соответствии с необходимостью для использования имеющихся вентилей и каналов фильтрата и воды обратной промывки.

В стенке около дна резервуара 12, предпочтительно, дополнительно выполнено одно или более отверстий 36, открывающихся в канал 41 подачи и дренажа. В некоторых случаях канал подачи и дренажа может быть отлит как единое целое с резервуаром 12. Канал 41 подачи и дренажа посредством дренажного вентиля 38 резервуара отделен от канала 40 отработанной воды обратной промывки, как вариант, - через соединительный узел 42 отработанной воды обратной промывки. Канал 40 отработанной воды обратной промывки ранее в имеющемся фильтре получал отработанную воду обратной промывки из желобов 44. Хотя вода обратной промывки все еще могла бы течь в канал 40 отработанной воды обратной промывки по желобам 44, выполнение в стенке добавочных отверстий 36 позволяет, по меньшей мере, частично опустошать резервуар 12 во время или после обратной промывки для того, чтобы удалять из резервуара 12 большее количество вымытых обратной промывкой твердых частиц. Как вариант, коллектор 22 фильтрата и обратной пульсации также может быть подключен к соединительному узлу 42 отработанной воды обратной промывки или непосредственно к каналу 40 отработанной воды, чтобы фильтрат во время процедур запуска станции мог посылаться в дренаж.

Альтернативно, дренаж резервуара мог бы быть обеспечен посредством соединения части дренажного спуска 24 между изолирующим вентилем 26 и резервуаром 12 с каналом 40 отработанной воды обратной промывки. Однако во многих существующих скорых песочных фильтрах канал 40 отработанной воды обратной промывки не расположен вблизи дренажного спуска 24, поэтому потребовался бы более длинный соединительный узел 42 отработанной воды обратной промывки. Кроме того, новое отверстие 36 в стенке (или множество новых отверстий 36 в стенке) может быть выполнено бóльшим, чем размер имеющегося дренажного спуска 24, который, как правило, меньше, что позволяет ускорить опустошение резервуара.

Для подачи сырой воды никаких изменений не требуется. Фигура 1 показывает трубопровод 46 подаваемой воды, соединенный с резервуаром 12 через подающий вентиль 48 и имеющиеся желоба 44, но возможны и другие системы подачи. Например, желоба 44 могут быть удалены.

Адсорбционный картридж 18 более подробно показан на фигуре 2. Горизонтальное сечение адсорбционного картриджа 18, в основном, такое же, что и горизонтальное сечение модуля 14. Адсорбционные картриджи 18 выполнены с возможностью легкого присоединения к модулю 14 и удаления из него. Альтернативно, адсорбционный картридж 18 может быть бóльшим и может перекрывать несколько модулей 14. Адсорбционный картридж 18 имеет сплошные вертикальные стенки 50, определяющие его периметр. Экраны 52 вверху и внизу стенок 50 создают замкнутое пространство. Экраны 52 могут иметь отверстия в около 0,5 мм, в противном же случае, - какие требуются для удержания ложа гранулированной адсорбирующей среды 54 (например, ГАУ, как правило, размером около 1 мм) без создания значительного сопротивления току. Как вариант, адсорбционный картридж 18 заполнен гранулированной адсорбирующей средой 54 только на 30-70%, предпочтительно - на 40-60%, чтобы обеспечивать увеличение объема ложа во время обратной промывки. Для этого, как правило, используется ГАУ, но для того, чтобы удалять предпочтительно разные микрозагрязняющие вещества, может быть выбрана и другая адсорбирующая среды.

Фигуры 3А и 3В показывают второй мембранный гравитационный фильтр 60. Эта система похожа на мембранный гравитационный фильтр 10, и для обозначения одинаковых или идентичных частей используются одни и те же ссылочные позиции. Однако между мембранным гравитационный фильтром 10 и вторым мембранным гравитационным фильтром 60 есть два основных отличия.

Одно из отличий заключается в том, что во втором мембранном гравитационном фильтре 60 резервуар 12 имеет общую стену с литым бетонным каналом 40 обратной промывки. Отверстие 36 в стенке соединяет резервуар 12 с каналом 40 обратной промывки и одновременно обеспечивает соединительный узел 42 отработанной воды обратной промывки. Дренажный вентиль 38 резервуара обеспечивается щитовым затвором над отверстием 36 в стенке. В пористой платформе 16 выполнено отверстие 17 доступа для обеспечения доступа к щитовому затвору. Альтернативно, пористая платформа 16 могла бы быть полностью удалена.

Второе отличие заключается в том, что коллектор 22 обратной пульсации подсоединен к дренажному спуску 24 посредством переходника 23, расположенного внутри резервуара 12. В показанном примере имеющаяся дренажная система была образована из канала 62 фильтрованной воды под пористой платформой 16. Переходник 23 вставлен в открытый конец дренажного спуска 24. Альтернативно, если бы дренажная система была бы образована из покрытой гравием сети трубок, то гравий был бы удален, а сеть трубок, прежде чем устанавливать переходник 23, от дренажного спуска 24 была бы отрезана.

Как вариант, пока резервуар пуст, целостность мембраны может быть проверена, используя способ, описанный в патенте США 6.228.271, который включен сюда в качестве ссылки. Этот метод связан с очень малым временем простоя, поскольку его можно осуществлять, пока резервуар опустошают, для того чтобы удалить твердые частицы после обратной промывки. При этом требуется очень мало оборудования, и существует лишь небольшой риск повреждения мембран. Однако авторам изобретения ничего не известно о каком-либо использовании этого метода на станции фильтрации с полноразмерными мембранами. Причиной этого может быть то, что в системе с высоким потоком при испытаниях требуется очень высокое давление всасывания, чтобы обнаружить дефект достаточно большого размера для прохождения различных искомых паразитов, например Cryptosporidium. Однако обычный скорый песочный фильтр не полностью удаляет этих паразитов и вместо этого обычно прибегает к последующему обеззараживанию, например, посредством озона или хлора. Кроме того, мембранный гравитационный фильтр не работает при высоком потоке. При преобразовании скорого песочного фильтра в мембранный гравитационный фильтр требуется только проведение испытания мембраны на герметичность, например, для того, чтобы определить, нарушены ли какие-либо мембраны из полых волокон, или для того, чтобы подтвердить, что фильтр работает с величиной логарифмического уменьшения (ВЛУ) в 3,5 или более. На практике эти результаты могут быть получены посредством испытания на герметичность мембраны пустого резервуара.

При испытании на герметичность мембраны пустого резервуара для приложения усилия всасывания к стороне фильтрата мембраны используется насос. Более высокое давление всасывания увеличивает разрешение испытания. Испытание проводится тогда, когда резервуар пуст, прилагая заданное давление всасывания и измеряя скорость тока воды. Совершенно цельная система не будет давать никакой скорости тока. Реальная система будет давать скорость тока, которая посредством уравнения Юнга и Лапласа может быть математически преобразована в размер одного дефекта, который давал бы такую же скорость тока. Альтернативно, скорость тока может быть преобразована посредством нижеуказанных уравнений, приведенных в патенте США 6.228.271, к величине логарифмического уменьшения.

Уравнение Юнга и Лапласа для размера (d) дефекта:

Скорость тока утечки воды:

Логарифмическая величина уменьшения:

Коэффициент коррекции вязкости:

Коэффициент коррекции давления:

Измерение скорости тока должно производиться до того, как воздух достигнет устройства, производящего всасывание. Например, как показано на фигуре 6, к коллектору 22 фильтрата всасывающий насос 50 подсоединяется через вентиль 52 MIT. Скорость насоса увеличивают до тех пор, пока манометр 54 не покажет, что достигнуто заданное испытательное давление всасывания. После этого вентиль 52 MIT открывают и посредством измерителя 56 скорости измеряют скорость тока. Как вариант, всасывающий насос 50 может быть заменен продолжающейся вниз трубой, чтобы получился сифон.

Модернизация высокоскоростного песочного фильтра может потребовать 1000 или более модулей ZW 1000, работающих с подачей около 15 л/м²/ч. Фильтратный коллектор содержит около 2,4 м³ воды. Испытание, достаточное для того, чтобы обнаружить дефекты, равные одному отверстию 3-4 мм в диаметре, требует давления всасывания около 0,5 бар. При этих условиях дефекты, достаточные для того, чтобы уменьшить ВЛУ системы до 3,5, создают ток 60-70 м³/ч, а продолжительность испытания обычно ограничена 2 минутами. Альтернативно, приложенное сифоном давление всасывания 1,5 м вод. ст. было бы достаточным, чтобы обнаруживать дефекты, равных единственному отверстию диаметром 9-14 мм (в зависимости от высоты в модуле). В этих условиях дефекты, достаточные для того чтобы уменьшить ВЛУ системы до 3,5, будут создавать ток в 13-15 м³/ч, а продолжительность испытания при этом была бы ограничена 10 минутами.

Простой тест без насоса достаточен для определения, работает ли система с ВЛУ по меньшей мере 3,5 или нет. В вышеописанных условиях скорость тока при испытаниях менее 13 м³/ч есть «НОРМА», а скорость тока при испытаниях в 13 м³/ч или более - есть «НЕИСПРАВНОСТЬ».

Изобретение относится к обработке воды и к мембранной фильтрации. Способ эксплуатации погружных мембран, включающий этапы фильтрации воды через мембраны при потоке в 20 л/м²/ч или менее и обратной промывки мембран водой, содержащей окислитель, с тем, чтобы подвергнуть мембраны воздействию недельной дозы в 700 мин×мг/л окислителя, такого как хлор (Cl₂), или менее, при этом окислитель дозирован в количестве, эффективном для того, чтобы обеспечить более пористую биопленку или более пористый слой обрастания, по существу, без уничтожения или удаления биопленки или слоя обрастания. Заявлена также система фильтрации. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.

1. Способ эксплуатации погружных мембран, включающий этапы

фильтрации воды через мембраны (14, 112) при потоке в 20 л/м²/ч или менее и

обратной промывки мембран водой, содержащей окислитель, с тем, чтобы подвергнуть мембраны воздействию недельной дозы в 700 мин×мг/л окислителя, такого как хлор (Cl₂), или менее,

при этом окислитель дозирован в количестве, эффективном для того, чтобы обеспечить более пористую биопленку или более пористый слой обрастания, по существу, без уничтожения или удаления биопленки или слоя обрастания.

2. Способ по п. 1, в котором мембраны подвергают обратной промывке не более чем 5 раз в день.

3. Способ по п. 1, в котором мембраны не подвергают регенеративной восстановительной чистке в течение периода по меньшей мере в 6 месяцев.

4. Способ по п. 1, включающий создание через мембраны посредством гравитации трансмембранного давления в не более чем 20 кПа.

5. Способ по п. 1, включающий фильтрацию воды через мембраны при потоке в 15 л/м²/ч или менее.

6. Способ по п. 1, включающий обратную промывку мембран водой, содержащей окислитель, с тем, чтобы подвергнуть мембраны воздействию недельной дозы в 500 мин×мг/л окислителя, такого как хлор (Cl₂), или менее.

7. Способ по п. 1, дополнительно включающий опустошение резервуара (12), содержащего мембраны, после обратной промывки.

8. Способ по п. 7, дополнительно включающий проведение испытания на целостность мембран при пустом резервуаре.

9. Способ преобразования имеющегося скорого песочного фильтра в систему мембранной фильтрации, включающий этапы

удаления гранулированного фильтрующего наполнителя (2) из резервуара (12) имеющегося скорого песочного фильтра,

добавления в резервуар имеющегося скорого песочного фильтра погружных мембранных модулей (14, 112),

подсоединения фильтратных выпусков погружных мембранных модулей к сливному трубопроводу (24) и к подающему воду обратной промывки трубопроводу (28) имеющегося скорого песочного фильтра и

подсоединения отверстия (36) в резервуаре под погружными мембранными модулями к трубопроводу (42) отработанной воды обратной промывки имеющегося скорого песочного фильтра,

причем (а) отверстие выполнено в общей стенке резервуара и трубопровода отработанной воды обратной промывки или (б) фильтратные выпуски погружных мембранных модулей подсоединяют к имеющемуся дренажному спуску имеющегося скорого песочного фильтра.

10. Способ по п. 9, включающий установку управляемого затвора (38) в отверстие в общей стенке.

11. Способ по п. 9, в котором подсоединение к имеющемуся дренажному спуску имеющегося скорого песочного фильтра выполнено изнутри резервуара.

12. Способ по п. 9, включающий добавление в резервуар сорбционных картриджей (18).

13. Система фильтрации, содержащая

резервуар,

погружной мембранный модуль (14) в резервуаре и

сорбционный картридж (18) в резервуаре,

причем сорбционный картридж расположен над погружным мембранным модулем или прикреплен сверху мембранного модуля.

14. Система по п. 13, дополнительно содержащая желоба, определяющие вертикальный проточный канал через погружной мембранный модуль или вокруг погружного мембранного модуля.

15. Система по п. 14, в которой отверстие в вертикальный проточный канал снизу более закрытое, чем отверстие в вертикальный проточный канал сверху.

16. Система по п. 13, содержащая под погружным мембранным модулем дренажную трубу (25, 36) резервуара.

17. Способ фильтрации воды, включающий этапы

обеспечения погружных мембранных модулей (14) в резервуаре (12),

обеспечения сорбционных картриджей (18) в резервуаре,

обратной промывки погружных мембранных модулей, так чтобы, кроме того, обеспечить через сорбционные картриджи направленный вверх ток воды обратной промывки.

18. Способ по п. 17, включающий добавление подаваемой воды в резервуар сверху сорбционной среды, при этом сорбционную среду обеспечивают над погружными мембранными модулями.

19. Способ по п. 17, дополнительно включающий опустошение резервуара после обратной промывки погружных мембранных модулей.