一體化超濾和反滲透脫鹽系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】一體化超濾和反滲透脫鹽系統(tǒng)
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年2月15日提交的且題為“OPEN ARCHITECTURE, INTEGRATEDULTRAFILTRAT1N AND REVERSE OSMOSIS DESALINAT1N SYSTEMS WITH HIGH EFFICIENCYPROCESS FLOW”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列第61/765，571號(hào)的根據(jù)35 U.S.C § 119的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入本文。
[0003]聯(lián)邦資助研究的聲明
[0004]無。
[0005]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0006]無。
[0007]發(fā)明的
技術(shù)領(lǐng)域
[0008]本發(fā)明大體涉及水脫鹽的領(lǐng)域，所述水脫鹽使用多孔微濾或超濾(MF或UF)膜接著高壓反滲透(RO)膜，以用于鹽除去。本發(fā)明集中于新穎的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)允許使用市場(chǎng)上可用的范圍廣泛的UF膜和MF膜，使能夠?qū)崿F(xiàn)用于市場(chǎng)上的膜的開放式體系結(jié)構(gòu)方法。系統(tǒng)使用獨(dú)特的工藝流程技術(shù)，所述工藝流程技術(shù)允許使用預(yù)編程的配置基體操作多種膜配置，以用于其工序需求。系統(tǒng)還利用卓越的工藝流程，以能夠?qū)崿F(xiàn)MF膜和UF膜的高效率操作，利用減少的占地面積、膜的較長(zhǎng)壽命以及減少的能量的益處。
[0009]發(fā)明背景
[0010]在不限制本發(fā)明的范圍的情況下，結(jié)合用于水純化、特別地用于脫鹽的系統(tǒng)來描述其背景。膜通常用于水的純化，無論其是地表水(河流和湖泊)或是地下水(含水層)或工業(yè)和城市廢水(礦業(yè)的、金屬業(yè)的、染業(yè)的、化學(xué)的)或來自油氣提取或從海水或微咸水的鹽除去的采出水。
[0011]對(duì)于水純化應(yīng)用，膜是非常有效且能量友好的。膜被建造并且高度優(yōu)化以從進(jìn)料流出物中除去特定材料，例如，呈單價(jià)離子或二價(jià)離子形式的總?cè)芙夤腆w(TDS)比如NaCl、MgSO4, CaSO4，或其他高分子量材料，比如糖、化學(xué)品、有機(jī)分子和其他大分子。RO膜被優(yōu)化以截留Na+Cl-離子以用于有效脫鹽，而UF膜和MF膜被設(shè)計(jì)為截留亞微米顆?；蜉^高分子量的雜質(zhì)，并且保持可透過溶解的鹽。
[0012]脫鹽是從水中除去過量的鹽和其他雜質(zhì)的若干工藝的組合步驟。在脫鹽之后，海水、微咸水或地表水可以被轉(zhuǎn)化為適合于人類飲用和灌溉的淡水。目前，在美國(guó)，多于1，300個(gè)脫鹽設(shè)備是運(yùn)行的，產(chǎn)生超過5億加侖的水每天。關(guān)于脫鹽的現(xiàn)今的興趣集中于開發(fā)成本有效的方式，以在淡水的可用性受限制或正在變得受限制的地區(qū)中提供淡水。
[0013]在最近幾十年期間，膜脫鹽和水處理工藝已經(jīng)非?？焖俚匕l(fā)展，并且大部分新的設(shè)施采用反滲透(RO)技術(shù)。RO工藝使用半透膜和壓力以從水中分離鹽和其他雜質(zhì)。用于RO的膜具有聚合物基體，所述聚合物基體具有發(fā)生大部分分離的致密屏障層。膜能夠處理具有不同的鹽和雜質(zhì)濃度的水，所述濃度在總?cè)芙夤腆w(TDS)的50至50，000百萬分率(ppm，還被稱為毫克每升)的廣泛范圍內(nèi)。取決于鹽含量濃度，RO設(shè)備消耗約30瓦特小時(shí)的電力每加侖脫鹽的(海水)水或更少。在大部分情況下，膜被設(shè)計(jì)為僅允許水穿過此致密層，而防止溶質(zhì)比如鹽離子的經(jīng)過。這些膜能夠除去多達(dá)99.5%的鹽、顆粒、溶解的有機(jī)物和乳化油。該工藝需要在膜的進(jìn)料側(cè)上施加高壓，通常50-300psi用于地表水和微咸水，并且500-1，OOOpsi用于海水，以克服對(duì)應(yīng)于鹽濃度的滲透壓。RO膜系統(tǒng)通常使用比其他脫鹽技術(shù)比如熱蒸餾、離子交換和電滲析更少的能量，并且已經(jīng)在過去十年里導(dǎo)致總的脫鹽成本的降低。
[0014]現(xiàn)今，包括用于隨著時(shí)間貶值的脫鹽設(shè)備的資本支出、用于能量、膜、清潔化學(xué)品、系統(tǒng)維護(hù)和勞動(dòng)力的運(yùn)行支出，用于微咸水和海水RO設(shè)備的成本分別是大約$1/1000加侖產(chǎn)品和$3/1000加侖產(chǎn)品。
[0015]減少脫鹽的成本的持續(xù)努力已經(jīng)推動(dòng)大量的技術(shù)進(jìn)步。這些進(jìn)步包括具有范圍廣泛的材料和幾何結(jié)構(gòu)的深度的預(yù)處理MF/UF膜的發(fā)展。中空纖維膜(HFM)已經(jīng)發(fā)展為精選的幾何結(jié)構(gòu)，歸因于在結(jié)垢后，其容易清潔和再生。由內(nèi)而外和由外而內(nèi)的過濾幾何結(jié)構(gòu)兩者都存在于HFM中。除了兩種幾何結(jié)構(gòu)之外，若干膜材料組合物比如PVDF、PAN和PES也是可用的。由于幾何結(jié)構(gòu)和材料的大變化，膜制造商能夠?qū)τ糜诠潭üに嚵鞒淘O(shè)備的專有的設(shè)計(jì)和材料鎖定相對(duì)高的價(jià)格。價(jià)格可以在任何地方從$3/ft2的膜表面積到$10/ft2的膜表面積顯著地變化；然而，性能差異是非常有限的。通?？捎们铱梢杂扇舾晒旧a(chǎn)的膜傾向于價(jià)格較低，然而配置變化和材料變化仍然可以存在。最終用戶通常由于固定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而被鎖定，并且在替換周期期間選擇其他的膜類型具有有限的靈活性。
[0016]為了解決這樣的限制，我們已經(jīng)提出允許具有靈活的預(yù)處理UF/MF節(jié)段的開放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的新穎的工藝流程和控制策略，所述預(yù)處理UF/MF節(jié)段可以在相同的平臺(tái)上接受來自普通供應(yīng)商的包括由內(nèi)而外或由外而內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)的多種膜。控制系統(tǒng)能夠接受市場(chǎng)中具有最小變化的若干可商購的膜。
[0017]在優(yōu)化的脫鹽系統(tǒng)中，不允許RO膜經(jīng)受具有高水平的顆粒的流入水。使用淤泥密度指數(shù)(SDI)測(cè)量，進(jìn)料水必須維持在3SDI以下。為了實(shí)現(xiàn)顆粒的這種低水平，系統(tǒng)制造商提供一個(gè)或兩個(gè)梯級(jí)的微濾套筒(比如30um接著Ium)，所述微濾套筒被頻繁地替換，因?yàn)樗鼈冏兊米枞?。在通常在沿海區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的渾濁水中，這些過濾器需要頻繁的替換，并且直接影響RO的性能和正常運(yùn)行時(shí)間。
[0018]通過使用可以在被懸浮顆粒污染時(shí)被頻繁地回洗和周期性地再生并且能夠維持若干年的更實(shí)惠的MF膜和UF膜，最成本有效的脫鹽實(shí)施方式包括使用如上文討論的使用MF膜和UF膜的深度的預(yù)處理。
[0019]遺憾地，由于MF和UF的操作和維護(hù)的復(fù)雜性，特別地涉及其回洗、化學(xué)再生和周期性維護(hù)的復(fù)雜性，系統(tǒng)開發(fā)者常常將MF和UF提供為系統(tǒng)中單獨(dú)的部件。這顯著地增加了預(yù)處理的總成本，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)部件被加倍(一個(gè)用于UF，一個(gè)用于R0)，操作和維護(hù)兩個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)部件的勞動(dòng)力也被加倍，并且建立兩種單獨(dú)的控制策略和相關(guān)的軟件、中間界面所需要的資源增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
[0020]為了顯著地減少成本并且簡(jiǎn)化用UF/MF預(yù)處理脫鹽的操作，我們開發(fā)了具有單個(gè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)提供運(yùn)行方案的一體化UF/MF/R0系統(tǒng)，所述運(yùn)行方案進(jìn)一步支持膜上的開放式體系結(jié)構(gòu)并且允許此方法從小規(guī)模的裝于滑動(dòng)底板上的系統(tǒng)縮放到中等規(guī)?；虼笠?guī)模的商業(yè)系統(tǒng)。
[0021]討論某些定量的事實(shí)將是非常重要的:UF/MF過濾系統(tǒng)需要以高通量速率(與普通過濾的速率相比，通常約4-5倍(X)速率)周期性回洗。通常，UF/MF膜將以預(yù)先指定的過濾速率連續(xù)地產(chǎn)生滲透物持續(xù)20-30分鐘，隨后使用濾液水以約4x的之前過濾速率進(jìn)行反沖洗30秒至I分鐘。這導(dǎo)致UF/RO部件的總生產(chǎn)效率在80-85%的范圍中。
[0022]值得注意的是，在通常的海水脫鹽方案中，小尺寸(幾千加侖每天)的裝于滑動(dòng)底板上的RO系統(tǒng)的總效率受限于約30%，而對(duì)于中等尺寸(幾十萬加侖每天)的系統(tǒng)，所述總效率可以達(dá)到40%。這意味著，對(duì)于雙階段脫鹽方法，用于預(yù)處理UF/MF部件的總生產(chǎn)能力必須被定尺寸為RO部件的生產(chǎn)能力的2.5-4x。對(duì)于此方案，總的UF/MF效率的任何量的改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)的占地面積和總成本造成顯著影響。此外，UF/MF工藝的改進(jìn)的效率允許以減少的通量操作這些膜，這進(jìn)一步減少了膜上的結(jié)垢，導(dǎo)致較少清潔和維護(hù)的另外的益處。
[0023]使用新穎的工藝流程，我們將用于UF/MF膜的總效率改進(jìn)到接近97%，而其性能沒有任何犧牲。這用一體化MF/UF/R0系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是可行的，其中，我們利用來自RO的(還稱為RO濃縮的)最終的截留水用于UF/MF膜的反沖洗。
[0024]因?yàn)檫M(jìn)入RO子部件中的全部水已經(jīng)通過UF/MF子部件過濾，所以沒有可以傾向于污染UF的任何顆粒。在RO加壓分離期間，僅TDS濃度在RO截留中增加，因此，不希望在反沖洗期間引起UF/MF結(jié)垢。我們通常必須僅注意來自存在于水中的結(jié)垢物的可能結(jié)垢，并且只要PH不利于結(jié)垢產(chǎn)生條件。在其中存在結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)的條件下，在反沖洗期間，可以注入小量的降低pH的酸。由于接近10%的增加的生產(chǎn)能力，其轉(zhuǎn)化為在充分一體化UF/R0系統(tǒng)中預(yù)處理部件的占地面積的接近25-40%的減少。
[0025]除了 UF/MF預(yù)處理之外，流入物中大的懸浮顆粒和重的土壤/重金屬、沙粒的存在，商業(yè)供應(yīng)商將安裝另外的過濾部件，比如盤過濾(disk-filtrat1n)、濾袋過濾(sock-fiItrat1n)、篩過濾等等。我們實(shí)施了新穎的兩步順序的大顆粒過濾，其組合離心過濾器接著可拆除的篩過濾器，以解決重的和輕的漂浮的較大顆粒兩者。我們的策略允許重顆粒在其進(jìn)入篩過濾器之前沉降，并且允許輕的漂浮顆粒在篩過濾器中分離。這種組合策略保護(hù)UF/MF膜免受磨損性顆粒并且允許非常容易地維護(hù)篩過濾器。當(dāng)與盤過濾或其他篩過濾器相比較時(shí)，之前從未示出的組合策略顯著地減少為了滿足UF/MF膜的流入物要求而清潔水所需要的占地面積。
[0026]發(fā)明概述
[0027]開放式體系結(jié)構(gòu)脫鹽系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新特征-
[0028]I)離心分離器接著常用的篩分離器的相繼的組合，所述離心分離器用于除去重密度顆粒，所述常用的篩分離器用于除去比篩尺寸更大的低密度顆粒。篩分離器使用具有隔離閥的一對(duì)并行的篩，以允許在過程中替換阻塞的篩。
[0029]2)用于超濾分離節(jié)段的獨(dú)特的工藝流程，由內(nèi)而外或由外而內(nèi)配置的中空纖維膜可以被安裝在所述超濾分離節(jié)段處，同時(shí)其操作工藝順序通過控制系統(tǒng)中簡(jiǎn)單配置的復(fù)選框(check-box)來控制，允許使用范圍廣泛的超濾膜模塊。細(xì)節(jié)見圖1和圖2。
[0030]3)在超濾之后，滲透物被發(fā)送到中間儲(chǔ)存罐用于反滲透高壓部件使用，最終產(chǎn)生飲用質(zhì)量的水和濃縮的廢物流。濃縮的廢物流被儲(chǔ)存在另外的中間罐中，并且隨后用于反沖洗超濾膜，導(dǎo)致超濾生產(chǎn)效率的接近10-15%的增加連同減少的占地面積，而性能沒有任何損失。細(xì)節(jié)見圖1和圖2。
[0031]4) 一體化工藝方法，其中用于超濾的生產(chǎn)能力要求通過反滲透性能、反沖洗之間的時(shí)間、UF反沖洗之間的水生產(chǎn)能力和由反滲透消耗的水來反算。
[0032]5)膜配置依賴的反沖洗工藝選擇，具有兩種單獨(dú)的反沖洗順序和選擇兩種反沖洗工藝順序中的每種的頻率的選項(xiàng)。細(xì)節(jié)見圖1。
[0033]附圖簡(jiǎn)述
[0034]通過參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，可以獲取本實(shí)施方案及其優(yōu)點(diǎn)的更完整且更透徹的理解，其中:
[0035]圖1:允許選擇用于安裝的膜的由內(nèi)而外、由外而內(nèi)或交叉流配置的工藝控制軟件界面中的配置表格