利用脉冲气栓和全局通风进行的膜清洁 技术领域 本公开涉及膜过滤系统， 更具体地涉及用来有效地清洁该系统中使用的膜的设备 和方法， 这是通过用气栓 （gas slug） 冲洗并伴随对浸没着膜的进料容器中的进料进行全局 通风来实现的。
背景技术 膜对于废水处理的重要性正日益快速增长。现在众所周知的是， 膜压力可以用来 对污水进行有效三级处理， 并提供优质排出物。然而， 资金和运行成本可能令人望而却步。 随着沉浸式处理工艺的出现， 在一个阶段中结合生物和物理处理工艺的膜生物反应器有望 更加紧凑、 高效和经济 （在沉浸式处理工艺中， 膜模块被浸入一个大进料罐中， 并通过施加 到膜的过滤侧的抽吸或通过重力自流进料来收集滤液） 。由于它们的通用性， 膜生物反应器 的尺寸范围可以从家庭 （诸如化粪池系统） 到社区和大规模的污水处理。
膜过滤处理工艺的成功很大程度上依赖于使用有效和高效的膜清洁方法。 通常使 用的物理清洁方法包括用液体渗透物或气体或其组合物逆流冲洗 （逆流脉冲， 逆流洗涤） ， 用液体中气泡形式的气体擦洗或冲洗膜表面。 典型地， 在气体冲洗系统中， 气体通常由鼓风 机喷射到淹没膜模块的液体系统中， 以形成气泡。 这样形成的气泡然后向上行进， 以擦洗膜 表面， 从而移去膜表面上形成的污垢物质。 产生的剪切力很大程度上依赖于初始气泡速度、 气泡尺寸和气泡施加的合力。为了改进擦洗效果， 可以供应更多的气体。然而， 此方法会消 耗大量的能量。 而且， 在高浓度固体环境中， 气体分配系统可能会逐渐被脱水固体阻塞或者 在气流意外停止时即被阻塞。
而且， 在高浓度固体环境中， 在清洁滤液通过膜， 剩下更高固体含量渗余物的过滤 过程中， 膜表面附近的固体浓差极化可能变得明显， 导致渗透流通过膜的阻力增大。 通过使 用两相 （气体 - 液体） 流来清洁膜已解决了这些问题中的一些。
循环地提供气泡的循环通风系统需要降低能耗， 同时仍要提供充足的气体以有效 地擦洗膜表面。为了提供这样的循环操作， 此类系统通常要求复杂的阀门布置结构和控制 装置， 这更增加了初始系统成本， 和随后复杂阀门和所需的切换布置结构的维护费用。 循环 频率也受到大型系统中运行的机械阀门的限制。而且， 已经发现循环通风不能有效地恢复 膜表面。
发明内容
本文公开的方案和实施例力求克服或至少改善现有技术中的一些缺点， 或至少给 公众提供一种有用的替代方式。
根据本公开的一个方案， 提供了一种膜过滤系统。膜过滤系统包括位于进料罐中 的多个膜模块， 所述膜模块中的至少一个具有位于其下集流管 （header） 下方的气栓发生 器， 所述气栓发生器被配置和布置成在膜模块中的所述至少一个内沿膜表面传送气栓 ； 和 全局通风系统， 其被配置成独立于向所述气栓发生器提供气体的通风系统进行工作， 所述全局通风系统被配置和布置成在整个所述进料罐中引起流体的全局循环流。
在一些实施例中， 所述系统进一步包括 ： 流速传感器， 其被配置成监视来自所述多 个膜模块的渗透流 ； 和控制器， 其与所述流速传感器连通， 且被配置成响应从所述流速传感 器接收的指示流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统， 并被配置成响应从所述流 速传感器接收的指示流速小于第二量的信号以停用所述全局通风系统。
在一些实施例中， 所述多个膜模块被布置在搁架中， 并且所述全局通风系统包括 气体扩散器， 该气体扩散器被配置成在膜模块的搁架之间传送气体， 并且在一些实施例中， 所述气体扩散器被配置成在同一搁架之间的相邻膜模块之间传送气体。
在一些实施例中， 所述气体扩散器被配置成在所述膜模块下方传送气体。
在一些实施例中， 所述控制器被配置成当所述流速大于约 25 升每平方米过滤膜 表面面积每小时时， 激活所述全局通风系统， 并且在一些实施例中， 所述控制器被配置成当 流速小于大约 25 升每平方米过滤膜表面面积每小时时停用所述全局通风系统。
在一些实施例中， 所述系统进一步包括 ： 跨膜压力传感器， 其被配置成监视所述膜 模块中至少一个膜模块的膜上的压力 ； 和控制器， 其与所述跨膜压力传感器连通， 且被配置 成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力大于第一量的信号以激活所述全局通 风系统， 并被配置成响应从所述跨膜压力传感器接收的指示跨膜压力小于第二量的信号以 停用所述全局通风系统。 在一些实施例中， 所述系统进一步包括 ： 进料流速传感器， 其被配置成监视供给到 所述进料罐中的进料的流速 ； 和控制器， 其与所述进料流速传感器连通， 且被配置成响应从 所述进料流速传感器接收的指示进料流速大于第一量的信号以激活所述全局通风系统， 并 被配置成响应从所述进料流速传感器接收的指示进料流速小于第二量的信号以停用所述 全局通风系统。
在一些实施例中， 所述系统进一步包括定时器， 其被配置成在选定时刻激活和停 用所述全局通风系统。
根据本公开的另一方案， 提供了一种过滤方法。 该方法包括 ： 使液体介质流入过滤 容器中， 所述过滤容器包括多个位于其中的膜模块， 每个膜模块包括位于其下端下方的相 关联的气栓发生器 ； 从所述多个膜模块回收渗透物 ； 周期性地将气栓从所述气栓发生器传 送到与每个气栓发生器关联的所述膜模块中， 所述气栓通过每个膜模块内的膜表面， 以从 其中移走污垢物 ； 和响应从所述膜模块的渗透流、 进入浸没所述膜模块的过滤容器中的进 料流和所述膜模块中至少一个膜模块的膜上的跨膜压力中的至少一个中得到的信号， 以启 动、 停用通过所述过滤容器的全局循环流。
在一些实施例中， 将气栓传送到所述多个膜模块中的每一个中的时间周期是随机 确定的。
在一些实施例中， 所述方法进一步包括给每个气栓发生器提供基本恒定的气体供 应。
在一些实施例中， 发起进料的全局循环流包括将气体引入到独立于所述气栓发生 器操作的通风系统中。
在一些实施例中， 所述气栓发生器和所述通风系统被供应公共源的气体。
在一些实施例中， 启动进料的全局循环流进一步包括启动脉冲气体流。
在一些实施例中， 启动进料的全局循环流包括将气体引入所述多个膜模块的相邻 膜模块之间。
在一些实施例中， 所述气栓体积是随机的。
在一些实施例中， 将气栓释放到第一膜模块的时刻独立于将气栓释放到第二膜模 块的时刻。 附图说明 附图并未特意按比例绘制。附图中， 各图所示的每个相同或几乎相同的组件由相 同的数字标示。为简明起见， 可能未将每个组件都标示在每个附图中。附图中 ： 图 1 是根据本发明一个实施例的膜模块的简化示意性横截面正视图 ； 图 2 示出了在脉冲激活阶段中的图 1 的模块 ； 图 3 示出了在完成了脉冲两相气体 / 液体流阶段后的图 1 的模块 ； 图 4 是根据本发明第二实施例的膜模块的简化示意性横截面正视图 ； 图 5 是图 1 实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的简化示意性横截面正视图 ； 图 6 是图 1 实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的另一实施例的简化示意横截面 视图 ； 图 7 示出了可用在一个或多个实施例中的计算机化控制系统 ； 图 8 是图 1 实施例中示出的那种类型的膜模块的阵列的局部剖除等视轴图 ； 图 9 是图 8 膜模块阵列的一部分的简化示意性横截面正视图 ； 图 10 是根据本发明第三实施例的水处理系统的简化示意性横截面正视图 ； 图 11A 和 11B 是膜模块的简化示意性横截面正视图， 其图解说明了气栓发生器装置中 的操作液位 ； 图 12 是图 1 实施例中所示类型的膜模块的简化示意性横截面正视图， 其图解说明了气 栓发生器中积累的污泥 ； 图 13 是膜模块的简化示意性横截面正视图， 其图解说明了污泥去除过程的一个实施 例； 图 14 是根据一个示例的脉冲液体流动模式和所供应的空气流速随时间的曲线图 ； 图 15 是膜渗透性随时间的曲线图， 其比较了使用气举装置和根据本文公开的一个实 施例的气栓发生器装置的清洁效率 ； 图 16 示出了管中各种形式气流的示意性表示 ； 图 17A 和 17B 示出了在管中运动的气栓的侧立面图示 ； 图 18 示出了在示例中使用的测试膜模块的示意性等视轴图， 以说明栓流的特性 ； 图 19 示出了在图 18 的测试模块中气泡直径与高度的视图 ； 图 20 是通过图 18 的测试装置中的膜纤维流动的气栓的立面照片 ； 图 21A 和 21B 示出了图 18 的测试装置以及一个与测试模块的玻璃壁相距 20mm 的平面， 在此平面上比较了 3 个不同高度 （Y） 位置的实验和数值结果 ； 图 22A-22C 示出了在栓流的示例中模拟和实验值随时间变化的水速度的曲线图 ； 图 23A-23C 示出了图 18 的测试装置中在气体 / 液体流的脉冲中不同水平的气泡尺寸 分布的曲线图 ；
图 24A-24C 示出了图 18 的测试装置中在气体 / 液体流的脉冲中不同水平的气泡尺寸 分布的曲线图 ； 图 25 示出了图 18 的装置中空气流速与气体液体流的每个脉冲的平均时间跨度的曲线 图； 和 图 26 用照相机帧示出了在观察周期中气举装置的入口水流速随时间的曲线图。 具体实施方式
本发明在其应用中不应被限制到下文所述或附图所示的构造细节和部件布局方 式。本发明能够具有其它实施例， 而且能够以多种方式实施或执行。此外， 本文所用措词和 用语是出于描述的目的， 不应认为是限制性的。 “包括” 、 “包含” 、 “具有” 、 “含有” 、 “涉及” 及 其变型在本文中的使用表示包括之后所列的项目和其等同项目以及另外的项目。
根据本文公开的各个方案和实施例， 提供了一种对进料罐或容器中的液体介质进 行过滤的方法。液体介质例如可包括水、 废水、 溶剂、 工业排水、 待制备以用于人们消耗的 流体、 或各种形式的包括希望被分离组分的液体废流。本文公开的各个方案和实施例包括 用于清洁浸入到液体介质中的膜模块的设备和方法。在一些方案中， 膜模块被配置有随机 产生的间歇或脉冲流体流， 包括通过膜模块中的膜表面的气体形成的栓以从其中分离污垢 物， 降低固体浓度的极化。 “气栓流” 以及其它类型的两相气液流的含意在图 16 中进行了图 解说明。 与提供冲洗膜模块的气栓相结合， 提供了全局通风系统， 其被配置成在整个进料罐 中引起进料液体的全局循环。 参照附图， 图 1-3 示出了根据一个实施例的膜模块布置结构。
膜模块 5 包括安装于下灌注头 （potting head） 7 中并从其延伸的多个可渗透中空 纤维膜束 6。在此实施例中， 这些束被分开以在束 6 之间提供空间 8。应认识到， 可在模块 5 中使用任何期望的膜布置结构。在下灌注头 7 中提供了许多开口 9， 以使来自分配室 10 的 流体由此通过， 分配室 10 位于下灌注头 7 的下方。
气栓发生器装置 11 被提供于分配室 10 下方， 并与其流体连通。气栓发生器装置 11 包括在其下端 13 开口的倒置气体收集室 12 和邻近其上端的进气端口 14。中央立管 15 延伸通过气体收集室 12， 并流体连接到分配室 10 的底部， 并在其下端 16 开口。立管 15 在 其长度的半路提供有一个开口或几个开口 17。管槽 18 在开口 17 下方的一个位置处在立 管 15 周围向上延伸。在一些实施例中， 每个膜模块不都配置气栓发生器装置， 在其它实施 例中， 给多个膜模块提供来自相同气栓发生器装置的气栓。
使用时， 模块 5 被浸入液体进料 19 中， 基本连续的受压气体源被施加到进气端口 14。本文使用的 “基本连续” 或 “基本恒定” 流表示除了流速有可能偶然暂时中断或减小外， 该流是连续的， 同时模块处于运行中。气体逐渐离开倒置的气体收集室 12 中的液体进料 19， 直到它到达开口 17 的水平。在这点上， 如图 2 所示， 气体突破开口 17 上的液体密封， 从 开口 17 通过， 向上通过中央立管 15， 产生流过分配室 10 并进入到膜模块 5 的底部中的气 栓。在一些实施例中， 气体的快速涌动还通过立管 15 的底部开口 16 抽吸液体， 产生高速的 两相气体 / 液体流。气栓和 / 或两相气体 / 液体脉冲然后流过开口 9， 冲洗膜 6 的表面。槽 18 防止中间开口 17 再次密封， 允许在初始脉冲之后， 气体 / 液体混合物连续流动一小段时 间。
根据一些实施例， 气体的初始涌动提供了液体传送的两个阶段， 喷射和抽吸。 喷射 阶段发生在气栓一开始被释放到立管 15 时， 产生很强的浮力， 这种力排出气体和液体使其 快速通过立管 15， 随后通过膜模块 5， 在膜表面上产生有效清洁动作。喷射阶段之后是抽吸 或虹吸阶段， 此时气体快速流出立管 15 会由于密度差产生暂时的压力降低， 导致液体被抽 吸到立管 15 的底部 16 中。因此， 初始的两相气体 / 液体快速流动之后液体流动会降低， 这 还可以通过开口 17 吸入更多的气体。在其它实施例中， 是在没有伴随的抽吸或虹吸阶段的 情况下产生气栓。
然后用进料液体重新填充气体收集室 12， 如图 3 所示， 此过程再次开始， 使得在模 块 5 中产生膜 6 的气栓或两相气体 / 液体清洁的另一脉冲。由于此过程的相对不可控的性 质， 脉冲通常频率和持续时间是随机的。
图 4 示出了图 1-3 实施例的进一步改进。在此实施例中， 提供了一种混合布置结 构， 其中除了脉冲气栓或脉冲两相气体 / 液体流外， 稳定状态的气体供应在端口 20 被通入 立管 15 的上部或下部， 以产生通过模块 5 的恒定气体 / 液体流， 并补充以间歇脉冲气栓或 两相气体 / 液体流。
图 5 示出了联系图 1-3 的实施例描述的那类模块 35 和气栓发生器装置 11 的阵列。 模块 5 位于进料罐 36 中。操作中， 每个气栓发生器 11 产生的气泡的脉冲对于每个模块 5 是随机出现的， 在进料罐 36 中产生脉冲气泡生成的总体随机分布。这在进料罐 36 中产生 了液体进料的恒定但随机或无秩序的搅动。 由每个气栓发生器装置释放的一系列气栓在本 文中描述为周期性地出现。本文使用的用语 “周期性地” 产生的气体脉冲或 “周期性地” 释 放的气体脉冲不局限于表示气体脉冲以恒定速度产生或释放。 “周期” 产生或释放还可包括 在随机的时间间隔出现的产生或释放事件。 已经观察到， 进料罐 36 中脉冲气泡生成的整体随机分布在一些实施例中会破坏 通过进料罐 36 的进料液体全局循环。进料液体的全局循环的中断在一些实施例中尤其明 显， 此时脉冲气泡的形式为气栓。在一些实施例中， 优选的是进料循环通过进料罐， 在向上 方向上通过膜模块 35 的阵列， 然后向下在邻近进料罐的壁的膜模块的阵列周围循环。此全 局循环流是通过图 6 的箭头显示的。应该注意， 图 6 是一个实施例的膜过滤设备的部分横 截面， 进料流实际上沿所示的壁以及此横截面示意图中没有表示的其它壁向下循环。在一 些实施例中， 希望保持此全局循环进料流， 使得进料中的微粒和 / 或其它污染物比没有此 循环流时更加均匀地分布在进料罐上。在其它实施例中， 希望增大现有的循环进料流的速 度， 以促进进料罐中微粒和 / 或其它污染物更好地分布。在一些实施例中， 全局循环进料流 促进从膜纤维表面附近移去微粒和 / 或其它污染物。在一些实施例中， 由于膜过滤系统工 作在较高速的渗透通量， 所以保持全局循环进料流变得十分重要。 在较高的工作速率下 （较 高速的渗透通量） ， 微粒可能比在较低的工作速率下易于更快速地积累在膜纤维表面附近。 因此， 更希望有一种诸如全局循环进料流的机构， 操作以移去和 / 或重新分布这些微粒。
如图 6 所示， 在一些实施例中， 气体扩散器， 诸如具有若干通风口 62 的通风管 60 可被布置在膜模块 5 的阵列下方的进料罐 36 中。如图 6 所示， 通风口被设置于所示的膜模 块搁架的膜模块下方和相邻的膜模块之间。在可替代实施例中， 通风口可被布置在通风管 60 的下侧， 而不是如图 6 所示的上侧。而且， 在可替代实施例中， 通风管不需要被定位在膜 模块下方， 而是可以被定位在膜模块的下端之上。应该注意到在图 6 中， 只显示了一个搁架
的膜模块 5， 但是在一些实施例中， 多个搁架的膜模块 5， 例如 20 个搁架的膜模块， 每个搁架 有 16 个膜模块， 每对搁架之间有通风管 60 可占据一个膜模块阵列 35， 以用来过滤来自进料 罐 36 的进料。
气体， 诸如空气可从外部源， 诸如鼓风机或压力罐 （未示出） 提供到通风管 60。 用于 通风管 60 的气体来源可以与用于气栓发生器装置 11 的气体来源一样。在一些实施例中， 阀门和 / 或流量控制器 （未示出） 被用来在需要时将气体提供给通风管 60， 同时维持到达气 栓发生器装置 11 的恒定或基本恒定的气流。在其它实施例中， 通风管 60 和气栓发生器装 置 11 从不同来源供应不同的多种气体和 / 或一种气体。 在一些实施例中， 通风管 60 被供应 恒定的气流以产生气泡， 气泡在膜模块 5 周围向上流动和 / 或通过膜模块 5 流动， 引起或增 加通过图 6 中的箭头所示的进料罐 36 的全局循环的进料流的流动速度。在其它实施例中， 到达通风管 60 的气流在通风管 60 的通风被激活时脉冲。在一些实施例中， 到通风管 60 的 气流可开通 30 分钟再关闭 30 分钟， 并且在一些实施例中， 此气流脉冲可以较高频率执行， 例如高达 1 分钟开通 1 分钟关闭的频率。给通风管的气体供应的开通时间和关闭时间不需 要相同。
在其它实施例中， 当希望通风管 60 只在高操作速度的周期中供应通风气体时， 可 在渗透物回收出口 64 提供流速传感器 102 以测量从过滤模块中回收的渗透流。流速传感 器 102 可包括位于滤液去除管 64 中的桨轮类型的传感器， 磁流量传感器， 光流量传感器或 现有技术中已知的其它任何形式的液体流量传感器。耦连到流速传感器 102 的控制器 100 可被配置成只在渗透流量超过第一或预定阈值水平时， 使气体供应到通风管 60。在其它实 施例中， 控制器 100 会被配置成在已经从系统中回收规定量的渗透物后在前一全局通风周 期之后， 激活全局通风系统 （使气体被供应到通风管 60） 。 在一些实施例中， 控制器 100 可在 激活给通风管 60 传送气体时， 使给通风管 60 的气体供应是脉冲式的， 如上文所描述的。 在其它实施例中， 测量进料入口管 66 中的进料流量的流量传感器 104 可附加或作 为流量传感器 102 的替代以用来判断何时激活给通风管 60 的气体供应。在高于进料罐的 正常进料输入的周期中， 控制器 100 可被配置成当流量传感器 104 指示进料流量超过第一 或特定阈值水平时激活给通风管的气流。以类似方式， 控制器 100 可响应从传感器 102 和 / 或 104 中的一个或两个接收的指示渗透物和 / 或进料流速已经降低到低于第二或预定水 平以下的信号， 终止给通风管 60 的气流。
在一些实施例中， 诸如在城市废水处理厂， 进料流在一天中是变化的。例如， 在低 废水产生的时间中， 诸如在深夜或凌晨， 进料可以低速流入进料罐 36 中。在高废水产生的 时间中， 诸如在早上或晚上， 进料可以较高速率流入进料罐 36 中。过滤系统可相应地被控 制。例如， 定时器可用来在指定时间激活和 / 或停用将气体传送到通风管 60。这些时间在 平日和周末和 / 或节假日可变化。在其它实施例中， 定时器可被用来在以前激活全局通风 系统后的限定的时间段已经过去之后， 激活将气体传送到通风管 60。 在另外的实施例中， 定 时器可用来在另一事件诸如膜清洁或逆流冲洗周期已经发生或限定次数的逆流冲洗周期 之后或其它事件已经发生的限定时间周期已经过去之后激活将气体传送到通风管 60。 在又 一些实施例中， 定时器可耦连到智能控制系统， 例如利用人工智能的系统， 在学习周期中， 此系统会监视在哪些条件 （包括， 例如渗透流量， 进料流速， 跨膜压力和 / 或时间） 下全局通 风系统被激活和或停用。一旦完成学习周期， 控制器和 / 或定时器然后会响应于检测到它
已学习的适当条件， 自动地激活和 / 或停用全局通风系统。
在一些实施例中， “正常” 渗透通量率可被定义为大约 25 升每平方米过滤膜面积每 小时 （该单位通常称作 “lmh” ） 。在一些实施例中， 气体可在通量超过此 “正常” 速度时， 被供 应到通风管 60。 在一些实施例中， 用于激活向通风管 60 的气体供应阈值渗透物通量水平可 被设置为大约 30lmh。在其它实施例中， 此阈值水平可以被设置得更高， 诸如为 40lmh。在 一些实施例中， 进入进料罐中的进料的类似流速 （例如， 25lmh， 30lmh， 40lmh） 可用作启动进 入通风管 60 气流的阈值水平。在一些实施例中， 到通风管 60 的气流可在渗透通量率返回 “正常” 时中止。在其它实施例中， 给通风管 60 的气流可在渗透流速和 / 或进料供应速率 降低到低于启动阈值水平一预定水平时被中止。例如， 在一些实施例中， 给通风管 60 的气 流可在渗透通量率下降超过 5lmh 时被中止， 或者进料供应速率从气体供应被激活的流速， 或者在其它实施例中， 当渗透物通量降低到低于启动阈值水平超过 10lmh 时。在其它实施 例中， 当渗透物或进料流中的一个或两个增加超过基准线水平 （诸如 “正常” 水平） 指定百分 比时， 气体可被供应到通风管 60。例如， 全局通风系统可在渗透物或进料流中的一个或两 个增加超过基准线水平的 25% 或者在其它实施例中增加超过 50% 时被启动。全局通风系统 会在渗透物或进料流中的一个或两个返回基准线水平或者在其它实施例中， 返回大于基准 线水平的指定百分比， 例如 5% 或 10% 时被停用。例如， 根据过滤系统的规模， 被处理的流体 的类型或基于向 （一个或多个） 通风管 60 供应气体和预期的需求增加之间的能量权衡的计 算， 可设置不同的设置点， 这些需求例如膜模块逆流冲洗的需求， 同时在增加的渗透物和 / 或进料流速条件下操作。
在其它实施例中， 其它参数， 诸如跨膜压力可用来触发给通风管 60 的气流的启动 或停止。当进料过滤随着时间进行时， 微粒浓度的增加可在过滤模块周围积累。此微粒的 积累可阻塞膜模块中的膜部分， 因此增大获得指定量的渗透流量所需的跨膜压力。在一些 实施例中， 一个或多个跨膜压力传感器被配置成监视一个或多个膜模块中的一个或多个膜 纤维的跨膜压力， 并当跨膜压力超过限定的设定点时向控制器 100 提供信号。响应于来自 （一个或多个） 跨膜压力传感器的此信号， 控制器开始向通风管 60 提供气流。来自通风管 60 的气流引起或增强了通过容器的进料的全局通风， 从膜模块上去掉或重新分布微粒， 从 而降低所观察到的跨膜压力。期望的用于启动或停止给通风管 60 的气流的设定点可设置 在绝对水平或相对水平， 例如在定义为超过在膜清洁和 / 或逆流冲洗周期 （基准线水平） 过 滤过程中观察到的跨膜压力的百分比的水平。例如， 用于启动给通风管 60 的气流的设定点 在一个实施例中被设置在超过基准线水平大约 20%， 在其它实施例中， 此设置点可被布置在 更高水平， 例如超过基准线水平大约 50%。流向通风管 60 的气流在一个示例中可在跨膜压 力返回到超过基准线水平大约 10% 时被中止， 在另一示例中， 可在跨膜压力返回超过基准 线水平的大约 25% 时中止。在其它实施例中， 用于启动或中止流向通风管 60 的气流的其它 设定点可根据例如向通风管 60 提供气流相对于与提供充足的抽吸或压力以能够以特定水 平的跨膜压力有效操作相关的成本之间的能量成本的平衡的审视使用。
在一些实施例中， 由通风管 60 供应的气体不渗透膜模块或者不接触其中的膜纤 维。因为由通风管 60 供应的气体在膜模块之间的空间中向上流动时经受的流动阻力比流 动通过模块时要小， 所以可能出现这种情况。在一些实施例中， 由通风管 60 供应的气体只 被用来引起或增强了通过进料罐 36 的进料的全局循环流。这在有些实施例中尤为如此， 在这些实施例中， 膜纤维至少部分或全部被包围在膜模块的管子内部。 在其它实施例中， 由通 风管 60 供应的气体不接触膜模块中膜纤维的表面， 除了由来自气栓发生器装置 11 的气栓 提供的能量之外， 提供用于冲洗膜纤维表面的能量。
供应到通风管 60（当被启动时） 的气体量在一些实施例中与供应到气栓发生器装 置 11 的气流相当。在其它实施例中， 当被激活时流向通风管 60 的气流可能超过流向气栓 发生器装置的气流， 或者在其它实施例中， 可能小于流向气栓发生器装置的气流。例如， 在 一个实施例中， 流向气栓发生器装置 11 的气流可以是每个模块每小时大约 4 立方米， 在被 启动时， 流向通风系统包括一个或若干通风管 60 的气流可以是每个模块每小时大约 3 立方 米。
在一些实施例中， 采用气栓发生器装置 11 和通风管 60 两者的过滤系统使用的能 量的量可以比同等过滤系统没有通风管 60 时用气栓发生器装置 11 操作产生相同量的渗透 物所用的能量少。通风管根据上文描述可以提供进料通过过滤箱的全局循环， 从膜模块附 近去掉高浓度的微粒。因此， 与没有通风管 60 的系统相比， 在包括通风管 60 的系统中从膜 中去除等量的微粒需要气栓发生器装置供应的气体较少。在包括通风管 60 的一些实施例 中， 为获得与没有通风管 60 的系统相当的膜清洁而需要供应给气栓发生器装置 11 的气体 量可被降低大约 25%。 例如， 向以气栓发生器装置 11 操作的系统中加入通风管 60 能够使供 应到气栓发生器装置的气体从每模块大约 4 立方米每小时降低到每模块大约 3 立方米每小 时， 并获得等量的膜清洁。 为了实现到通风管 60 的气流的启动和中止， 在不同的实施例中， 控制器 100 可监 视来自膜过滤系统中各个传感器的参数。控制器 100 可以许多形式实现。监视计算机或控 制器可接收来自传感器诸如传感器 102 和 104 的反馈， 并且在一些实施例中， 可接收来自附 加传感器， 诸如压力、 跨膜压力、 温度， pH， 化学浓度或进料罐 36、 气栓发生器装置 11 或进料 供应管道， 渗透物管道或与过滤系统关联的其它管道中的液位传感器的反馈。在一些实施 例中， 监视计算机或控制器 100 为操作员产生输出， 在其它实施例中， 基于来自这些传感器 的反馈自动地为过滤系统调节处理参数。例如， 到达一个或多个膜模块 5、 一个或多个气栓 发生器 11 和 / 或一个或多个通风管 60 的气体流速可以通过控制器 100 调节。
在一个示例中， 用于实现本文中公开的系统的计算机化的控制器 100 是使用如图 7 中作为示例显示的一个或多个计算机系统 700 实现的。计算机系统 700 可以是例如通用 计算机， 诸如那些基于 Intel PENTIUM® 或 CoreTM 处理器， Motorola PowerPC® 处理器， Sun ® ® UltraSPARC 处理器， Hewlett-Packard PA-RISC 处理器或其它任何类型的处理或处理器的 组合。可替代地， 计算机系统可包括专门编程、 专用硬件， 例如专用集成电路 （ASIC） 或专门 用于废水处理设备的控制器。
计算机系统 700 可包括一个或多个处理器 702， 它们通常连接到一个或多个存储 器装置 704， 存储器装置 704 可包括例如任何的一个或多个硬盘存储器， 闪存装置， RAM 存 储器装置或用于存储数据的其它装置。存储器 704 通常用于存储控制器和 / 或计算机系统 700 的操作过程中的程序和数据。 例如， 存储器 704 可用于存储一段时间内与任何一个传感 器的测量参数相关的历史数据以及当前的传感器测量数据。软件， 包括实现本发明的实施 例的编程代码可存储在计算机可读和 / 或可写非易失性记录介质上， 诸如硬盘驱动器或闪 存， 然后被复制到存储器 704 中， 其中它可以被处理器 702 执行。此编程代码可以以多种编
程语言中的任何一种语言编写， 例如 Java， Visual Basic， C， C# 或 C++， Fortran， Pascal， Eiffel， Basic， COBOL 或其各种组合中的任何一种。
计算机系统 700 的组件可通过互联机构 706 耦连， 互联机构可包括一个或多个总 线 （例如在同一装置内集成的组件之间） 和 / 或网络 （例如在驻存在单独的离散装置上的组 件之间） 。互联机构通常能够在系统 700 的组件之间交换通信信息 （例如数据和 / 或指令） 。
计算机系统 700 还可包括一个或多个输入装置 708 以及一个或多个输出装置 710， 输入装置例如键盘、 鼠标、 跟踪球、 扩音器、 触摸屏， 输出装置例如打印装置、 显示屏或扬声 器。计算机系统 700 可以以电子方式或其它方式链接到一个或多个传感器 714， 如上文讨 论的， 传感器可包括在本文中描述的过滤系统的实施例的任何一个或多个部分中的例如诸 如通量、 流速、 压力、 温度、 pH、 化学浓度或液位传感器。此外， 计算机系统 700 可包含一个或 多个界面 （未示出） ， 它可以将计算机系统 700 连接到通信网络 （除了可以由一个或多个系统 700 的组件形成的网络之外， 或作为该网络的替代） 。此通信网络在一些实施例中形成用于 过滤系统的过程控制系统的一部分。
根据一个或多个实施例， 该一个或多个装置 710 耦连到另一计算机系统或组件， 以便与计算机系统 700 通过通信网络通信。此配置允许一个传感器被定位在与另一传感器 相当远， 或允许任何传感器被定位在与任何子系统和 / 或控制器相当远， 而仍在它们之间 提供数据。 尽管通过示例将计算机系统 700 显示为一种类型的计算机系统， 在该系统上可以 实践本发明的各个方案， 应该认识到本发明的各个实施例不局限于以软件或在示例性显示 的计算机系统上实现。 实际上， 例如不在通用计算机系统上执行的话， 控制器或其组件或子 部分可以可替代地以专用系统实现或作为专用可编程逻辑控制器 （PLC） 或以分布式控制系 统实现。 而且， 应该认识到控制系统的一个或多个特征或方案可以以软件、 硬件或固件或其 组合实现。例如， 可在计算机系统 700 上执行的算法的一个或多个分段可在单独的计算机 上执行， 这些计算机又可通过一个或多个网络通信。
图 8 和 9 示出了根据本公开的膜过滤系统的另一实施例。图 8 是安装在进料罐 36 中的包括多个搁架的膜模块 5 的膜模块组的等视轴图。进料罐的壁被切开， 以显示膜模块 组。图 9 示出了垂直于通风管 60 轴线的图 8 膜模块组一部分的横截面。在这些图中， 可以 看到通风管 60 基本被定位在膜模块组内膜模块下方和相邻的膜模块之间。在一些实施例 中， 还在外侧膜模块搁架和进料罐的壁之间提供 （离进料罐的壁最近的膜模块搁架） 通风管 60， 使得外侧膜模块搁架在膜模块搁架的纵向轴线两侧具有通风管 60。
图 10 示出了在使用膜生物反应器的水处理系统中使用本发明的布置结构。在此 实施例中， 脉冲气栓或脉冲两相气体 / 液体流被提供于生物反应器罐 21 和膜罐 22 之间。 这 些罐通过倒放的气体收集室 23 耦连， 气体收集室具有位于生物反应器罐 21 中的垂直延伸 的壁 24 和位于膜罐 22 中的第二垂直延伸的壁 25。壁 24 延伸到生物反应器罐 21 中的水的 液位下方的深度比壁 25 延伸到膜罐 22 中水的液位下方的深度更深。在图 10 的示例中， 深 度的这个不同是由两个罐中水表面的不同液位来提供的。气体收集室 23 被生物反应器罐 21 和膜罐 22 之间的连接壁分开， 限定两个隔室 27 和 28。气体， 通常是空气通过端口 29 被 提供到气体收集室 23。膜过滤模块或装置 30 位于膜罐 22 中垂直壁 25 的下底端上方。
使用中， 气体在压力下通过端口 29 被提供到气体收集室 23， 导致室 23 中的进料液
体的液位降低， 直到它达到壁 25 的下端 31。在此阶段， 当产生两相气体 / 液体流的气泡通 过膜模块 30 流过时， 气体从隔室 27 通过壁 25 快速逃逸， 通过膜罐 22 上升。在其它实施例 中， 产生气栓， 而不是通过膜模块 30 的两相气体 / 液体流， 或者除两相气体 / 液体流之外不 产生气栓。气体的涌动还在气体收集室 23 的隔室 28 中产生气体的快速降低， 导致另外的 进料液体从生物反应器罐 21 虹吸到膜罐 22 中。气体通过端口 29 的流动可通过连接到气 体源 （未示出） 的阀门 （未示出） 控制。阀门可通过诸如上文讨论的控制器 100 的控制器装 置来操作。
要认识到在上文的实施例中描述的脉冲气流和 / 或气栓发生装置可用作清洁设 备或者与以各种已知膜配置的清洁设备结合， 并不局限于具体所示的布置结构。气栓发生 器装置可直接连接到膜模块或模块组件。在其它实施例中， 可在气栓发生器装置和膜模块 之间提供间隙， 气栓发生器向膜模块供应气栓。 气体， 通常是空气在一些实施例中被连续供 应到气栓发生器装置， 脉冲的两相气体 / 液体和 / 或一系列气栓被生成用于膜清洁和表面 更新。 脉冲流在一些实施例中是通过气栓发生器装置使用连续的气体供应生成的， 但是， 要 认识到在使用非连续的气体供应时， 一系列气栓和 / 或两相气体 / 液体脉冲流还可以不同 的脉冲模式生成。 在一些实施例中， 已经发现气栓发生器装置 11 内部的液位在图 11A 和 11B 所示的 液位 A 和 B 之间波动。接近气栓发生器装置 11 内部的顶端， 可以留有液体相位由于形成气 袋而不能到达的空间 37。当此气栓发生器装置 11 在高固体环境下操作时， 诸如在膜生物 反应器中操作时， 泡沫和 / 或脱水污泥 39 可逐渐积累在气栓发生器装置 11 顶端的空间 37 中， 这最终可导致气流通道 40 堵住， 导致降低的气栓形成和 / 或两相气体液体流脉冲或根 本没有气栓或脉冲效应。图 12 图解说明了这种情形。
已经找到了克服这种影响的几种方法。 一种方法是找到操作过程中在所达到的上 液位， 在图 11A 和 11B 是液位 A 下方的一点的气体喷射点 38。当液位达到气体喷射点 38， 并且超过该点之后， 气体产生液体喷溅 41， 它打碎了气栓发生器装置 11 上端附近可能的泡 沫或污泥积累。图 13 示意性示出了此动作。溅射 41 的强度与气体喷射位置 38 和气体速 度有关。此方法可以阻止污泥在气栓发生器装置 11 内部长期积累。
另一种方法是周期性地在气栓发生器装置 11 内部排出气体， 以使液位在操作过 程中达到气栓发生器装置 11 内部的顶端空间 37。 在此情况下， 气体喷射可以处于或接近气 栓发生器装置 11 内部的最高点， 使得可以排出所有或几乎所有气袋 37。 图 11A 中显示的气 体连接点 38 是一个示例。根据污泥特性， 通风可以周期性地以不同频率执行， 以防止气栓 发生器装置内部产生永远干燥的环境。
在气栓发生器装置 11 的操作中， 图 11A 中的液位 A 可以根据气体流速而变化。气 体流速越高， 在气栓发生器装置 11 内部形成的气体袋越少。相应地， 可以使用的另一种方 法是在操作过程中周期性地将更高的气流喷射到气栓发生器装置 11 中， 以打碎脱水污泥。 根据装置的设计， 此动作所需的气体流速通常在正常操作气体流速的 30% 左右， 或要比它 高很多。 此较高的气体流速在一些工厂运行中通过例如将气体从其它膜罐传送到所选罐来 获得， 以暂时产生短的更高的气流， 从而打碎脱水污泥。可替代地， 备用鼓风机 （未示出） 可 周期性地使用以持续一小段时间供应更多的气流。
上文描述的方法可分别应用或以组合模式应用以得到长期稳定的操作， 消除气栓
发生器装置 11 内部的任何泡沫 / 污泥积累。
示例 气栓发生器装置连接到由总长为 1.6m、 膜表面面积为 38m2 的中空纤维膜构成的膜模 块。桨轮流量计被定位在立管下端以监视气举脉冲液体流速。图 14 示出了以 7.8m3/hr 的 恒定气流供应的脉冲液体流速的快照。 此快照示出了进入模块的液体流动在最高值和最小 值之间具有随机或偶然模式。从低到高液体流速的频率在大约 1-4.5 秒的范围内。释放到 模块的实际的气体流速并未测量， 原因是它与液体混合， 但流动模式预计与液体流动类似， 范围在不规则性质的高与低之间。
通过气栓发生器和常规气举装置的膜清洁作用的比较是在膜生物反应器中进行 的。膜过滤周期是 12 分钟过滤， 然后是 1 分钟休息。在每个气体流速下， 测试两个重复周 期。两组测试之间的唯一差别是连接到模块的装置—常规气举装置相对于气栓发生器装 置。膜清洁效率是根据过滤过程中渗透性降低来评估的。图 15 示出了在不同的空气流速 下两个不同装置的渗透性曲线。从这些曲线图中显然用气栓发生器装置， 膜的污垢形成速 度较小， 原因是它比常规的气举泵提供随时间变化更加稳定的渗透性。
在通常的循环通风布置结构和本发明的气栓发生器之间执行另一个比较。 空气流 3 3 速对于气栓发生器是 3m /h， 对于循环通风是 6m /h。测试 10 秒开通 /10 秒关闭和 3 秒开通 /3 秒关闭的循环通风周期。选择 10 秒开通 /10 秒关闭的循环通风以模拟大规模工厂的实 际运行， 阀门最快打开和关闭是 10 秒。选择 3 秒开通 /3 秒关闭的循环通风以模拟气栓发 生器装置工作范围内的频率。以近似 30lmh 的正常通量测试性能， 包括 30 分钟的长过滤循 环。
下面的表 1 总结了脉冲气举操作和两个不同频率的循环通风操作的测试结果。脉 冲气举操作的短过滤和长过滤中渗透性的下降较循环通风操作不明显许多。 尽管高频循环 通风稍微提高了膜性能， 但脉冲气举操作保持更稳定的膜渗透性， 证明用脉冲气举布置结 构可以获得更有效的清洁过程。
表1： 气体冲洗模式对膜性能的影响。操作模式 在 12 分钟过滤中膜渗透性下降 在 30 分钟过滤中膜渗透性下降 脉冲气举 1.4-2.2lmh/bar 2.5-4.8lmh/bar 10 秒开通 /10 秒关闭循环通风 3 秒开通 /3 秒关闭循环通风 3.3-6lmh/bar 3.6lmh/bar 10-12lmh/bar 7.6lmh/bar上面的示例说明了可以用脉冲流发生装置实现有效的膜清洁方法。 通过向脉冲流 发生装置连续供应气体， 产生随机或不规则的流动模式， 以有效地清洁膜。 每个循环流动模 式在持续时间 / 频率、 高低流动的强度和流量变化曲线上彼此不同。在每个循环中， 流量连 续地以不规则方式从一个值变成另一值。
要认识到的是， 尽管上文描述的实施例使用一系列气栓和 / 或脉冲气体 / 液体流， 但本发明在使用其它随机脉冲流体流， 包括气体， 气泡和液体时是有效的。
使用气栓流和 / 或两相气体 / 液体栓流实现的膜冲洗在生物反应器 （MBR） 处理系 统中有特殊应用， 但是要认识到的是此栓流可以用在各种要求气体和 / 或两相气体 / 液体 流的应用中， 以对膜产生清洁作用。因此， 本文中公开的实施例不局限于应用到 MBR 系统。 类似地， MBR 应用通常要求使用气体， 通常是含有氧气的空气， 以便促进系统中的生物反应， 而其它膜应用可以使用除了空气之外的其它气体以提供清洁。相应地， 所使用的气体类型 不是严格挑剔的。
MBR 流体处理是生物氧化与膜分离的一个组合过程。此技术已经用于工业和家庭 废水处理。与其它一些流体处理技术相比， MBR 具有一些优点， 包括较小印迹， 高产量和排 出物的较佳纯度， 较高的有机载荷和较低的污泥产生。 为了进一步提高生产率和效率， 同时 保持稳定的工作性能， 希望对浓差极化和随后的膜污垢形成的控制。已经证明有效的技术 包括湍流加速器， 纹波膜表面， 脉冲流和旋涡产生。但是， 已经证明喷射气泡是一种便宜有 效的降低浓差极化因此提高中空纤维膜模块中的渗透物通量的方式。此外， 在膜生物反应 器过程中， 气泡还可用于另一目的 - 作为氧气供应。
根据进入气栓发生器中的空气和液体流速， 以及液体的性质， 空气和液体的混合 物可采用宽光谱的流动模式。许多不同的流动模式图示于图 16 中。在 MBR 中， 所采用的空 气流速相对低， 已经发现希望有气体栓流 （也已知为栓塞流） 。在这些空气 - 液体两相流系 统中， 已经发现对通量增加有贡献的几个机制 ： a） 对液压条件和 MBR 系统中的渗透物通量的系统配置的实验研究表明两相 （空气和液 体） 的渗透物通量交叉流量比单一相位 （只有液体） 的交叉流量高 20-60%。希望具有较高的 表面交叉流量， 原因是在较高的速度幅值下， 被搅动的污泥可以保持， 膜表面可以被持续地 冲洗， 随后产生较高的过滤速度和较低风险的膜污垢形成。
b） 气栓气泡生成第二流量 （或唤醒区） 它帮助打碎块状层， 随后促进膜表面附近的 局部混合。栓流此外还产生稳定的在如图 17A 所示的栓和管壁之间流动的环形液体薄膜。 液体薄膜可以是促进质量传递的高剪切区。
c） 移动栓导致栓周围的液体中的脉冲压力， 在其鼻部具有较高压力， 在其尾部具 有较低压力， 这在图 17B 中清楚示出。这可能导致不稳定性和膜表面附近的浓度边界层的 振动开始。
为了说明 MBR 系统中栓流的有效性， 使用数值和实验调查开展了一项研究， 以确 定两相 （水 - 空气） MBR 系统在栓流模式下的液压行为。微粒图像速度计 （PIV） 被用于实验， 计算的流体动力学 （CFD） 被选为数值工具。
实验测量 实验设置清楚示于图 18 中。矩形罐 50 是由透明材料构造的。罐 50 的底部配备喷水 器 51， 接近其上端配备溢流出口 52。纤维膜模块 53 位于罐 50 中。模块 53 的下端配置裙 缘 54 和根据上文描述的实施例构造的气栓发生器 55。 在模块中提供多孔区 56 以使液体流 向模块 53 并从模块 53 流出。用灌注材料 57 对纤维膜进行灌注。
为了产生气栓流条件， 使用上文描述的新的气栓发生器 55 来生成两相气体 / 液体 流。此布置结构能够在良好控制的时间间隔产生气栓。
使用图 18 所示的测试设置来进行实验测量 ； 其中一个是使用 PIV 的流场测量， 另 一个是空气气泡尺寸分布和由高速照相机测量的轨迹。进行前一测量是为了提供针对 CFD 模块细化的可靠准确的流量数据， 而后一测量用作 CFD 建模的输入参数。
使用典型的 PIV 实验设置， 其由 CCD 照相机和高功率激光组成。双脉冲激光被用 来照亮流动物对面的光片。同时， 用微粒培育流场以分散激光， 作为跟踪点工作。可采用快 速连续的两帧的 CCD 照相机被设置成与光片的平面正交。在测量中， 通过测试装置的侧面 视窗进行， 激光的第一脉冲照亮流动物， 由微粒散射的光作为第一帧被照相机捕捉。 在受控 的时间间隔之后， 激光的第二个脉冲再次照亮流动物。由微粒散射的光作为第二帧被照相机捕捉。各个微粒行进的位移是从两个捕获的帧计算的。知道照相机的曝光之间的时间， 然后估计出流动速度。
为了测量气泡的大小， 使用高速照相机。此照相机具有 17μm 像素， 它能够以降低 的分辨率每秒捕捉高达 250000 帧。
数值建模 为了复制实验观察结果， CFD 模型集成了欧拉多相模型和多孔介质方案， 并集成了垂直 相依的过滤通量测量值。进行了栓流研究的暂态模拟。
模型几何形状和操作条件 基于实验原型， 生成相应的 CFD 模型几何形状， 如图 21A 所示。执行基于图 18 模型几 何形状的暂态模拟以复制两相气体 / 液栓流动现象。从实验结果已知， 在 4m3/hr 的空气冲 洗流速下， 要花 4.2 秒生成一个气栓 ； 3.8 秒为气体积累阶段， 0.4 秒是气体脉冲阶段。为了 模拟气栓生成的过程， 在暂态模拟中使用依时间而定的质量和动量源项的阶跃函数。质量 3 源的值为 14.62kg/m s， 动量源为 8.27N/m3， 这是从表 2 中所列的操作条件计算出来的。这 些条件对于模拟和实验是相同的。
表2： 用于数值模拟和实验的操作条件。参数 （单位） 纤维衬垫密度 （%） 水循环流速 （m3/hr/ 模块） 空气冲洗流速 （m3/hr/ 模块） 过滤通量 （l/m2/hr）
栓 20 2.46 4 25数学方程 为了模拟膜生物反应器单元中的水压分布， 对液压有显著影响的元素被列入考虑。实 验中所用的 MBR 系统使用栓流方式操作， 包括膜分离装置， 其中提供两个相位状态， 即水和 空气气泡。膜分离装置包括纤维束， 其对流动循环产生阻力。此外， 真空泵用来对膜产生过 滤。这些特征是相互独立的， 并通过结合以下方案表示为 CFD 模型 ： i. 欧拉多相模型被用来计算两相的混合行为， ii. 垂直相依的过滤通量的理论模型， iii. 考虑膜模块阻力对水循环的多孔介质模型， 和 iv. 通过实验测量的气泡直径曲线。
欧拉多相模型 在欧拉多相模型中， 质量、 动量和湍流动力的几组关联的基本守恒方程被用来模拟流 场以及水和空气的浓度分布。
a. 质量连续性方程 方程 （1） 表明相位 q 的不稳定质量连续性方程。
其中， t 是时间 （秒） ， 是流体的体积分数，是相位 q 的速度 （米 / 秒） ，表征相位 p 到 q 的质量传递 （kg/s） ，表征从 qth 到 pth 的质量传递， Sq 是源项或汇项。b. 动量守恒方程 对于相位 q， 不稳定动量平衡为其中，是 qth 相的压力 - 应变张量 （Pa） （见方程 （3） ） ，是相位之间的相互作用力， p 是所有相共有的压力 （Pa） ， g 是浮力 （m2/s） ，是相间速度。
这里和分别是相位 q 的剪切粘度和体积粘度 （kg/ms） 。c. 可实现的 混合物湍流模型 描述可实现 混合物湍流模型的 k（每个单位质量的湍流动能 （m2/s2） 和 （湍流动 2 3 能耗散率 （m /s ） ） ） 的方程如下 ：这里，是由于浮力产生的湍流动能，是由于平均速度梯度产生的湍流动（m2/s） 。 能， 是动粘滞率
混合物密度和速度是从以下式子计算的湍流速度是由如下式子计算的在这些方程中， 和
是常数，和分别是 k 和 的湍流普朗特数。垂直相依的过滤通量 在抽吸泵工作的实验中， 由于压降， 渗透物通量在纤维腔中行进， 过滤通量是垂直相依 的， 在纤维顶部具有较高跨膜压力， 在纤维底部具有较低跨膜压力。为了反映此现象， 通过 纤维上的压力差来计算垂直过滤通量。方程 （6） 示出了垂直相依的过滤通量。 过滤通量 =
这里， 过滤通量的单位为 kg/s， H 是高度， 单位为米。垂直相依过滤通量作为方程 （1） 的体积质量汇 Sq 被计算在内。此质量汇被加到多孔区， 以表示沿纤维方向的垂直相依过滤 通量。
多孔介质模型 多孔介质模型包括该模型中定义为多孔区的一个区域中的流动阻力 （见图 21A 和 21B） 。换言之， 多孔介质模型在控制动量方程中应用了一个额外的基于体积的动量汇 （momentum sink） ， 以模拟通过多孔区的压力损失。在此研究中， 以下模型用来表示流动阻 力。这里， Si 是第 i 个 （x， y 或 z） 动量方程的源项， D 和 K 是规定矩阵。方程 （7） 中的 第一项表示粘度主导的损失， 第二项是惯性损失项。 这些阻力是基于管箱假设计算的， 其类 似于 MBR 中所用的纤维束。
通过实验测量的气泡直径曲线 为了更好地将实验和模拟情况进行对比， 应用可变气泡尺寸。气泡尺寸曲线是通过高 速照相机实验确定的， 如图 19 所示。不过， 由于实验的局限性， 对于栓流方式， 从 Y=1.4m 到 Y=1.8 测量气泡直径。在 Y=1.4m 以下， 气泡直径假定为 3mm， 大于 Y=1.8m 时， 气泡直径假定 为 5mm。
如图 20 所示， 使用上文描述的通风装置来生成栓流状态。在此流量状态下， 进行 PIV 测量和 CFD 模拟， 沿距离玻璃壁 20mm 的三个不同位置提取这些结果， 如图 21B 所示。
图 22A-22C 分别示出了在 Y=1.532m， Y=1.782m 和 Y=1.907m 时沿距离壁 20mm 的 平面的模拟和测量水 Y 速度分量之间的比较。在图 22A-22C 中， 实线表示模拟结果， 虚线代 表实验测量结果。实验和模拟两者都示出了生成气栓的 5 个周期。每个周期示出了对于 Y=1.532m 和 Y=1.782m 的向下流动速度之后接着是向上的速度。对于 Y=1.907m， 在较强的 向下流动速度之后是较弱的向下流动速度。 通常， 在实验不确定性和模拟假设中， 在这三个 位置比较模拟和实验情况被认为是相对较好的。
图 23A-23C 示出了在气栓形成过程中在测试装置的顶部、 中部和底部测量的测量
气泡尺寸分布的曲线图。
图 24A-24C 示出了在气栓形成过程中在测试装置的顶部、 中部和底部测量的气泡 数相对于时间的曲线图。
图 25 示出了每次空气 / 气栓脉冲的平均时间跨度相对于气流速度。
图 26 示出了由通风机中的气栓流动产生的进入通风机中的入口水流动处的脉冲 的曲线图。这些帧表明由调整照相机获得的测量值。可以看出， 入口水或液体流随着气栓 的生成快速增加， 然后再次降低到较低或 0 流量， 直到产生下一气栓。
通过此研究， 从实验和模拟中观察到在栓流状态下工作相比在气泡流状态下工作 具有一些优点 ： a） 栓流是依时间而变的过程。在气体 / 空气栓生成的过程中， 膜周围的液体表现出流 动的不稳定性。这可能扰动集中边界层积累和微粒在膜表面附近的积累。
b） 流动不稳定性还提高了纤维的振荡。这是期望的， 原因是纤维束中纤维的运动 可具有许多作用， 包括纤维之间的碰撞， 这可能会腐蚀膜表面上的块状层。
c） 栓流在栓和管壁之间产生流动的稳定的环形液体薄膜。 液体薄膜可以是高剪切 区， 有助于磨掉管壁上的块状层。
d） 气体 / 空气栓大小比之前使用的通风气泡要大， 因此， 可能产生更强更长的微 弱区， 这可破坏质量传递边界层， 促进膜表面附近的局部混合。
e） 在栓流状态下工作要求比典型的气泡流动通风系统供应较少的空气。例如， 在 3 一些实施例中， 栓流通风系统会用每模块大约 4m /hr 的气体工作， 而典型的气泡流动状态 3 工作产生相似的通风水平则会以每模块 7m /hr 的气体操作。轻少的气体 / 空气消耗导致 较低的能量利用， 因此带来较低的操作成本。
利用如本文中描述的全局通风系统与上文描述的用来以气栓流动提供膜清洁的 设备的结合预期会提供另外其它优点。
测试已经表明整个箱中的微粒浓度的不均匀通过使用如本文中描述的全局循环 系统会明显降低。 全局循环系统在膜模块处建立向上流动区， 在搁架之间的空间中， 在箱周 围产生向下流动区。通过具有良好控制的流场， 微粒更均匀地分布在进料罐上。
过滤或进料容器中微粒分布一致性的增加预期使包括此过滤容器的过滤系统在 较低能量下操作， 其中进料容器中包括使用如上文所述的气栓流动膜清洁操作的过滤模 块。这是因为全局通风与气栓流动膜清洁的结合会提供比单独使用气栓流动清洁完成时， 另外积累的固体离开膜模块的重新分布。这使用较少气体来用于膜的栓流清洁， 以获得相 3 同量的膜清洁。例如， 如上文所述， 在利用每模块 4m /hr 的气栓流动清洁机构的过滤系统 中， 气栓清洁机制的气体消耗期望可降低到每模块 3m3/hr， 或者如果与全局通风系统结合 会降低更多。此外， 从膜模块近去掉固体会增加在逆流冲洗或其它清洁操作之间可操作模 块的时间量。通过向以气栓流动膜清洁操作的过滤系统中加入全局通风系统， 期望比只有 气体流动膜清洁的系统， 能量节约可共计至少大约 10% 或更多。
至此已经描述了本发明至少一个实施例的各个方案， 要认识到， 各种变化、 改动和 改进对本领域技术人员是很容易的。 这些变化、 改动和改进应被认为是本公开的一部分， 且 落入所附权利要求限定的本发明的范围内。因此， 前文的描述和附图只是作为示例。