专利名称：处理水流的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于处理包含溶解有机碳(dissolved organic carbon)和溶解盐(dissolved salt)的水流的方法(工艺或过程，process)和设备(工厂或装置，plant)。
背景技术：
许多水流包含可充当着色剂的化合物形式的溶解有机碳，使得水不适合使用、再循环或处理。重点关注的水流是制浆和造纸厂产生的废水(污水，effluent)。制浆和造纸工业产生大量的废水，会引起操作成本并且潜在地，如果得不到妥善处理会造成环境代价。 因此，来自这种工业的废水的处理已经受到极大关注和研究。通常，制浆和造纸厂废水是高度着色的，并且通常是褐色着色。美国专利 No. 6896806评述到，褐色废水本质上主要是有机的，其主要归属于在各种制浆和漂白操作期间形成的木质素降解产物形式的溶解有机碳。其他颜色赋予剂是木提取物、鞣酸类、树脂类以及(可能的)合成染料。这样的废水的硫酸根离子浓度也能很高。对于这样的废水，已经提出了一些可能的处理方案，尽管不可能容易地确定最有效的处理技术，特别是由于大多数提出的技术具有重大经济影响。US 5529697考察了大量用于处理制浆和造纸厂废水的选择方案，考虑了，尤其是， 使用氧化剂如臭氧和过氧化氢。过氧化氢需要非常长的接触时间以有效除去颜色。也已经考虑了臭氧，但需要高的成本和能量强度。US 5529697还评述到，已经研究了反渗透和电渗析法的方法(或工艺)，作为除去来自制浆厂运行的废液的颜色的潜在技术。然而，反渗透已经主要用于生产饮用水的脱盐。 已经发现，通过反渗透去除的有机污染物倾向于几种类型的污垢，使其对于去除有机物是无效的。进一步的问题，如US 5529697中确定的，包括膜的易碎性，以及与操作能够处理大量水的过滤系统相关联的成本引起的可能问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于处理水流的方法，其能够从废水流中符合要求地去除溶解有机碳和颜色，该废水流不必局限于制浆和造纸工业废水。鉴于该目的，本发明提供了一种用于处理包含溶解有机碳和溶解盐的水流的方法，包括使该水流经受反渗透处理步骤以产生经过处理的水流，其中，在反渗透步骤中处理水之前，该水流在至少一个预处理步骤中进行处理以减少送到(引导至，direct to)反渗透步骤的水中的溶解有机碳的量。预处理步骤的目的是降低送到反渗透步骤的水流中的溶解有机碳(“D0C”)的浓度，特别是以木质素化合物或木质素衍生化合物形式的有机碳(“D0C”)的浓度，其引起在该反渗透步骤中所使用的膜的有机和微生物污垢。尤其是，强着色的木质素化合物还具有高的需氯量(chlorinedemand)(每Img DOC需要大约l_2mg氯)，这在实践中，阻碍利用正常的反渗透生物污垢防护措施，如用氯胺进行处理。因此，实质性地或完全地减少污垢的风险，对利用主要用于除去溶解盐(脱盐)的水的最终处理的反渗透方法是重要的。在预处理步骤中可使用一组可能的方法，包括氧化，各种各样的离子交换方法包括磁性离子交换， 以及使用凝结剂。然而，经过研究，已经确定了它们中的几种的局限性。发现使用臭氧、过氧化氢和其他氧化剂进行氧化的成本对于大量水来说是禁止性的。使用凝结剂导致产生大量过量的污泥，造成整理和抛弃问题。因此，优选的预处理步骤是反直觉(counter intuitive)的，而另外介入的膜处理步骤有利地包括(或涉及)纳米过滤。虽然纳米过滤与反渗透(“R0”)是相似的方法，但存在差异。主要差异在于纳米过滤膜稍微比RO膜更“开放”。这意味着，小的单价离子(例如钠和氯)不会被纳米过滤膜很好地滤除，而多价离子(例如，硫酸盐)被适度地滤除。纳米过滤膜还可具有允许选择性分离某些物种的专化表面物理效应。可实现高达99%的DOC 滤除(去除，rejection) 0来自制浆和造纸废水的DOC回收可能局限于85%，高于其可能会发生不可接受的膜的有机污垢(污染，fouling)。可以在许多阶段进行纳米过滤。进一步预处理方法可以包括厌氧过程(厌氧处理或厌氧方法，anaerobic process)，但特别地，包括膜反应器，例如膜生物反应器(“MBR”)的厌氧过程，其允许仅除去一小部分的D0C，因为DOC的去除对于厌氧和好氧微生物消化过程(溶出过程，digestion process)是主要难处理的。这样的DOC可被称为滞留性抗生物活性(biorefractory) DOC( “rDOC”)，并且通常包括低分子量化合物。因此，来自MBR的滤液或渗透液，包含这样的抗生物D0C，由于上面讨论的实践中难以克服的污垢问题而不适合于直接送到RO脱盐处理阶段。然而，除了纳米过滤或其他中间处理步骤之外，可以使用这样的方法。确实，厌氧消化过程、MBR、中间处理和反渗透的组合允许处理一组可能的废水流，并且允许运行本发明的水处理方法的设备利用先进的水处理方案，处理生活废水流(如具有浅的难处理颜色的污水流)、工业废水流、以及生活废水流和工业废水流的组合。工业水流可以是来自制浆或造纸厂的水流。来自纳米过滤和反渗透步骤的浓缩物(浓缩液，concentrate)可以经受用凝结剂或氧化剂的处理，因为对于处理浓缩物的大量污泥和成本从管理和经济角度看在可接受的范围内。其他浓缩物处理方法也是可行的，包括另一个膜处理步骤，如纳米过滤步骤，或广泛的离子交换方法，包括磁性离子交换。除去溶解有机碳和颜色的预处理步骤的利用可以使得能够有效地去除颜色，并且有可能将脱盐、脱色的水再循环到工厂，如制浆厂或造纸厂，或者具有经济效益的其他应用。在进一步的方面中，本发明提供一种用于处理包含溶解有机碳和溶解盐的水流的 7jC处理设备(water treatment plant),包括(a)反渗透段；和(b)用于预处理要送到该反渗透段的水的至少一个预处理段，其中，预处理段降低送到反渗透段的水中的溶解有机碳的浓度。本发明的水处理方法和设备的优点包括以下(a)在除去大量抗生物的溶解有机碳之后，反渗透段可用于水的最终脱盐处理，而无需采取过度的措施以避免污垢或将污染等级降低到可接受的水平。尤其是，可采用常规的防垢处理。
(b)以能够将经过处理的水再循环到需要它的应用中的经济方式，可以降低抗生物的溶解有机碳浓度和颜色。(c)所述方法可适于处理组合的工业/生活废水流，即使与生活废水的特性相比， 在工业废水具有高溶解有机碳浓度和高颜色的情况下。
根据以下参考附图描述的优选实施方式，可以更充分地理解本发明的水处理方法和设备，其中图1是根据本发明的方法的一个实施方式进行操作(运行)的水处理设备的示意性方法流程图；和图2是示出了在图1的方法流程图中涉及的处理装置的方框图。
具体实施例方式现在参考图1，示出了水处理设备100，其包括两个厌氧反应器(ARl和AR2)，以产生经过处理的水和生物气体(沼气，biogas)。ARl和AR2将经过预处理的进水(influent water)供应到曝气池和膜生物反应器(“MBR”)系统(AB1/M0S1和AB2/M0S2)。厌氧反应器处理经过消化过程，通过专门废水管线从牛皮纸浆和造纸厂接收的作为生活污水和工业废水的组合的未处理进水。由微生物进行的厌氧消化通过添加微生物营养混合物协助，例如来自活性污泥或生污泥(primary sludge)的污泥流。应该提供充足的营养以便提供健全的生物质和可接受的生物消化，从而将可分解的有机碳(通常也被称为生化需氧量(“B0D”))降低到符合要求的水平。穿过并行操作的反应器ARl和AR2的总化学需氧量(“COD”)大约是25% -30%。 然而，进水组成有机物包括主要馏分(significant fraction)，溶解有机碳(“D0C”)馏分， 其给进水提供很强的褐色着色。在Pt/Co色度单位中进行测量，颜色可在500到8000色度单位范围内变化。该DOC馏分，包括木质素降解产物，大部分，对生物消化和过滤是难处理的，尽管在MBR系统中发生可测量的但程度不够的颜色去除。废水也是包含高水平的硫酸盐的盐水，并且可降解有机物通过硫酸盐还原(形成硫化物)的转化是指，可降解有机物的去除实际上在范围70% -90%内(如通过COD测量的)。来自厌氧反应器ARl和AR2的经过处理的废水分别穿过曝气池ABl和AB2。这些曝气池提供厌氧消化条件从而进一步处理该废水。混合液从曝气池ABl和AB2再循环到被称为膜操作系统(M0S1和M0S2)的超滤模块中。该MOS单元包括单个Memcor 超滤模块， 其每一个过滤该混合液而产生具有几乎不可检测水平的BOD的超滤液。每个组合的AB+M0S 系统包括膜反应器(“MBR”)，并且该超滤液可以被称为MBR滤液或渗透液。希望有可能将MBR渗透液直接传送到反渗透(“R0”)脱盐膜单元，以产生盐分和有机物很低的高质量再循环的水产品。然而，RO处理不能以实际的回收率进行，这是由于在 MBR渗透液中残余的生物学难处理或抗生物的溶解有机物(“rDOC”)导致的重度污垢，因此该MBR渗透液被高度着色。而且，该rDOC馏分具有非常高的需氯量，潜在地需要向水流中加入大大过量的100mg/l-氯作为抗生物污垢剂。这是一个不实用的量并且具有形成有毒有机氯化合物的风险。因此，除非去除rDOC，否则对于RO产生生物抑制性给水(biostaticfeedwater)(以防止生物污垢)是非常困难的。然而，水向制浆和造纸厂的再循环需要去除水中的溶解盐，对其非常适合RO处理。因此，在送到RO处理单元之前，MBR渗透液经受预处理步骤。为此，水处理设备100 包括纳米过滤处理单元20，用于从MBR渗透液除去D0C，从而产生对于进料到RO处理单元 30可接受的水质量。该纳米过滤处理单元20包括多个阶段，包括包含在压力容器(外壳) 内的螺旋卷绕膜元件。选择三到六个膜元件，所有这些元件在单个外壳内串联连接。纳米过滤单元阶段被划分为称为浓缩阶段(concentrate stage)的组。在每一个浓缩阶段，相对于进料/浓缩物流动的方向，外壳平行连接。为了进一步提高纳米过滤单元回收率，使用两个或更多个浓缩阶段，其中在每个阶段中的外壳的数量以大约2 1的比率在进料流动的方向上减少。在由于不可接受的污垢或DOC去除而排除大量候选(膜)的试验过程之后，对于纳米过滤阶段选择的膜是源自Dow Chemical Company (美国陶氏化学公司)的Filmtec NF 270聚酰胺薄膜复合膜。在过程中可以使用的另一种膜是具有大约1000道尔顿的截留分子量的 HYDRACoRe磺化聚醚砜(“SPES”)膜。这种膜可从Hydranautics (美国海德能公司)获得。关于膜的进一步信息可在以下论文中得到=Bartelset al.，Chemically Tolerant NF Membranes for Aggressive IndustrialApplications, Hydranautics,2006 年 6 月)。使用NF270膜导致以80%的回收率总体去除区域中98%的抗生物的溶解有机化合物。因此，纳米过滤预处理提供了适合进料到RO处理单元30的进水质量。反渗透(“R0”)处理单元30类似于纳米过滤单元段20进行构造，但是选择了不同的膜，选择具有高盐去除的聚酰胺膜。准备使用生物抑制剂，如氯胺，以防止或减少出现膜的污垢，以及在定期的(但或多或少常规的)基础上实施就地清洗(原位清洗，“CIP”) 例行程序，以防止污垢。通过在纳米过滤段20去除大多数耗氯rDOC，而有可能进行这样的常规清洁。RO处理单元30执行脱盐并允许产生可以再循环到制浆和造纸厂的水流，对于该厂的过程经济具有益处。对于本公开内容的技术人员，可以理解对本发明的水处理方法和设备的修改和变化。这样的修改和变化被认为是在本发明的范畴内。
权利要求
1.一种用于处理包含溶解有机碳和溶解盐的水流的方法，包括使所述水流经受反渗透处理步骤以产生经过处理的水流，其中，在所述反渗透步骤中处理水之前，所述水流在至少一个预处理步骤中进行处理以减少送到所述反渗透步骤的水中的溶解有机碳的量。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于降低送到所述反渗透步骤的水流中的木质素化合物或木质素衍生化合物形式的溶解有机碳(“D0C”)的浓度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述木质素化合物或木质素衍生化合物具有高需氯量(每Img DOC需要约Ι-aiig氯)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预处理步骤是膜处理步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述膜处理步骤包括纳米过滤。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述纳米过滤处理步骤中DOC的去除高达 99%。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，所述预处理步骤包括厌氧过程。
8 根据权利要求7所述的方法，其中，所述厌氧过程包括膜反应器，如膜生物反应器 (“MBR”)，其允许去除一小部分的D0C，而剩余部分主要是对厌氧和好氧微生物消化过程难处理的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述水流是工业水流，或生活污水和工业水流的组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述工业水流是来自制浆或造纸厂的水流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自所述预处理和反渗透步骤的浓缩物用凝结剂或氧化剂进行处理。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自所述预处理和反渗透步骤的浓缩物通过进一步的膜处理步骤或包括磁性离子交换的离子交换进行处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述进一步的处理步骤包括纳米过滤。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述经过处理的水进行再循环。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述经过处理的水流再循环到工厂。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述工厂是制浆或造纸厂。
17.一种用于处理包含溶解有机碳和溶解盐的水流的水处理设备，包括(c)反渗透段；和(d)至少一个预处理段，用于预处理要送到所述反渗透段的水，其中，所述预处理段降低送到所述反渗透段的水中的溶解有机碳的浓度。
18.—种基本上如前文所述的用于处理水流的方法。
19.一种基本上如前文所述的水处理设备。
全文摘要
一种用于处理包含溶解有机碳和溶解盐的水流的方法，包括在减少送到反渗透处理步骤的水中的溶解有机碳的量的预处理步骤之后，使水流经受反渗透处理步骤。优选的预处理步骤是膜处理步骤，如纳米过滤。所述方法能够处理包括生活污水和工业废水的混合物的复杂废水。经过处理的水可以进行再循环回收，以及采用所述方法的处理设备(100)形成本发明的另一个方面。
文档编号C02F1/44GK102232061SQ200880131345
公开日2011年11月2日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年9月30日
发明者安德鲁·霍德金森, 戴维·埃文斯 申请人:吉普斯兰中心地区自来水公司