膜过滤单元的优化管理方法及用于其实施的设备的制作方法

专利名称：：膜过滤单元的优化管理方法及用于其实施的设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及根据膜的沾污状态和/或温度的膜过滤单元的优化管理方法，其根据专利EP1239943实施膜的微凝聚(microcoagulation),it专利源自属于本中请人的专矛J中请W001/41906。
背景技术：
：微凝聚在于在膜的上游注射比使得排放液(effluent)的《电位为零的试剂剂量小30至80倍的凝聚试剂剂量。为排放液体例如尤其是地表水、废水或海水而保持微滤、超滤、納滤和反渗透(hyperfiltration)膜的水力性能是重大的技术和经济问题。具体地说，膜的水力性能由其渗透率表示，即在给定温度下在施加于膜两侧的1巴的归一化的压力差下通过膜的单位面积的排放液流人们将新膜用饮用水测得的渗透率称为初始渗透率或Lpi，该水的堵塞指数和温度必须是已知的。除了膜结构的破坏(本发明不涉及这一点)以外，影响膜的水力性能的两个参数是-待处理的排放液的温度，-膜的堵塞。温度温度对排放液特别是水的粘度的影响是公知的。因此，温度降低从而提高水的粘度使得水更难以通过膜。实际上，这表现为在排放液的温度下渗透率降低。应当指出，对于给定的跨膜压力，在例如20。c附近rc的偏差导致流量降低约2.5%。这是一个仅由本领域技术人员所面对的物理定律。在工业方面，这意味着，对于给定的生产流量，处理单元应当针对最冷的温度进行尺寸设计，也就是说，当这个最小温度小于2(TC时，应当因此提高安装的膜的表面积。应当指出，为了比较在不同温度下测量的渗透率，本领域技术人员建立了校正因子以消除温度的影响。因而，14)@1°参考=K*Lp@T。，其中K是排放液温度和参考温度的函数。这个参考温度通常固定在20。C或25°C。堵塞对于大量记载于文献中的通用术语"堵塞"，本领域技术人员指的是通过机械方式或化学方式提高膜的阻力的所有现象。这涉及表面的沉积(形成滤饼)，在膜上以及在膜的孔中的吸附现象，其中牵涉到水中所含不同物质悬浮物质和胶体、有机物和无机物的现象。实际上，这种堵塞涉及到-或者，在恒定施加的跨膜压力下，过滤流量降低，-或者，为保持恒定的过滤流量，施加的跨膜压力升高。在所有这些情况下，这种堵塞现象表现为膜的渗透率的降低，即膜的技术-经济效率的降低。对于本说明书的下文，本领域技术人员进行如下定义-Lpi:在第一次使用时膜的初始渗透率的值，-LpO:在实际运行条件下稳定的渗透率的值，它可以根据例如膜的沾污状态而变化。因此，对该堵塞的控制是被本领域技术人员完全确认的重要问题，本领域技术人员提出旨在防止堵塞的一些解决方案(预防措施)，该堵塞在发生时仅能通过补救措施进行消除。补救措施基本上是文献中详细说明的膜的化学洗涤。这些措施主要在于设置膜与洗涤溶液接触的阶段，该洗涤溶液可以含有酸类型和/或螯合剂、去污剂、氧化剂等类型的一种或多种化学试剂。在所有这些情况下，这些洗涤的实施、它们所涉及的生产停止以及导致的水的损失要求对设备留有余量以保证生产的额定流量，由此提高了投资和运行费用。此外，即使是为这些膜而设计，这些洗涤仍然是对膜具有侵蚀性的操作，这降低了它们的寿命。在工业方面，这些补救性阶段的起动受到膜的堵塞状态的控制，也就是说，例如，测量的渗透率低于所述膜的供应者设定的阈值。在变化方案中，这些补救措施可以预防性地以给定的频率实施，例如1次/月到l次/年。为了限制这些化学洗涤的频率，文献中描述了预防措施。它们主要依赖于以下现象-物理现象，例如施加超声或电场，-流体力学现象，即通过在膜表面附近产生湍流或不稳定条件(两相流、促进湍流或涡流)，-生物现象，例如^f吏用酶，-最后，化学现象，这或者为了在膜制造过程中改变膜的表面，或者直接在待处理的排放液中加入试剂以改变经处理的基质的结构。为了有效，所有这些预防措施应当连续实施，或者与精心选择的起动因子相联系，通常是排放液的质量，以抢先于堵塞现象的发生。这是因为，当堵塞已显现时(尤其是通过观察到渗透率的降低)，预防措施没有效果，只有补救措施才能恢复膜的水力性能。在不连续地实施预防措施的情况下，本领域技术人员使用待处理的排放液的质量分析传感器，以抢先于有利于膜堵塞的条件。这种策略并非没有困难，并且具有很多与排放液的质量分析传感器的使用相关的缺点-对指示有利于沾污的条件的质量参数的识别并不总是容易的，并且难于预测，-这些参数可根据排放液的性质、地点并随着时间而发生质量上和数量上的变化，-传感器的成本以及它们产生的信号的处理成本，_所述传感器的维护成本。本申请人拥有EP1239943和WO01/41906，其中记栽了用于改善膜的生产能力的化学微凝聚方法。这种膜微凝聚方法在于在膜的上游注射比使得排放液的^电位为零的试剂剂量X小30至80倍(在变化方案中为小40至60倍)的凝聚试剂剂量Y。也就是说，Y为X/30至X/80，在变化方案中为X/40至X/60。本领域技术人员已知，凝聚试剂对膜不具有任何清洁性能。根据EP1239943的微凝聚可以连续实施，但是这种实施不总是必需的，甚至不总是受欢迎的，并且在所有情况下，并不是在技术和经济方面最优化的。一方面，在不存在膜沾污风险的情况下，微凝聚的实施不是必需的，并且可产生不必要的试剂成本。另一方面，使膜与所述凝聚试剂接触可随着时间导致膜的降解。
发明内容本发明的目的尤其在于优化微凝聚的实施持续时间，并因此保持膜的寿命，这具有重要的纟支术和经济意义。本发明的目的在于根据膜设备的运行反馈(retourdemarche)，即仅根据渗透率的测量，优化膜微凝聚的实施的管理(预防措施)，并且不添加额外的排放液质量传感器或其他。仅仅使用通常以标准方式存在于膜设备上的传感器(测量温度、过滤流速和跨膜压力)。本发明的另一目的因而是优化微凝聚的实施以获得膜的随时间恒定的水力性能。对此，本发明描述了膜过滤单元的优化的、可靠的且安全的管理方法，并且提出了在温度T下等流量和/或等渗透率膜的新概念。如现有技术中所强调，校正到参考温度的渗透率的降低是膜沾污的证明。EP1239943所述的膜的微凝聚表现为预防性程序，但发明人已出人意料地发现，该微凝聚导致堵塞的膜的性能恢复。没有微凝聚的作用，堵塞的膜将需要补救性的洗涤阶段，即化学洗涤。这一特别出人意料的发现完全是新的。由此得到的膜微凝聚的实施的管理也是出人意料的，这在于提出使用补救措施的启动因子(观察沾污)以成功实施预防措施(膜的微凝聚)。根据本发明，实施膜微凝聚的膜过滤单元的优化管理方法包括至少-测量排放液的温度，-测量过滤流量("bit)，-并测量跨膜压力，该方法的特征在于-在膜的渗透率变得小于阈值时开始注射凝聚试剂，-并且，在膜的渗透率重新等于或大于降低前的渗透率的稳定值LpO达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。可以将膜的渗透率校正到参考温度，并且渗透率的阈值为所述参考温度下膜的初始渗透率的10至80%，而在校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于所述参考温度下降低前的渗透率的稳定值LpO达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。根据另一种可能性，该阈值对应于在固定的时间间隔(pas)上校正到参考温度的膜的渗透率的10至40%的降低，并且在校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于所述参考温度下降低前的渗透率的稳定值LpO时，停止凝聚试剂的注射。凝聚试剂的注射可以在排放液实际温度下的膜渗透率降低到低于阈值时开始，所述阈值为所述排放液温度下的膜初始渗透率Lpi的10至80%，并且在排放液实际温度下的膜的渗透率重新等于或大于排放液温度下降低前的渗透率的稳定值LpO时，停止凝聚试剂的注射。该阈值对应于在固定的时间间隔内排放液实际温度下的膜的渗透率的10至40%的降低，并且在排放液实际温度下的膜的渗透率重新等于或大于排放液温度下降低前的渗透率的稳定值LpO时，停止凝聚试剂的注射。该参考温度通常为20。C或25°C。对于渗透率变化的固定的时间间隔可以为10分钟至5天，优选10至60分钟。可以在膜的渗透率重新等于或大于并且维持等于或大于降低前的渗透率的稳定值LpO达大于12小时的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。本发明还涉及用于优化管理使用膜微凝聚的膜过滤单元的设备，该设备包括至少-测量排放液温度的装置(moyen),-测量过滤流量的装置，-以及测量跨膜压力的装置，以用于实施如上所述的方法，其特征在于-该设备包括与测量排放液温度的装置、测量过滤流量的装置以及测量跨膜压力的装置相连的凝聚试剂注射控制(commande)装置，这种控制装置被设计用于-确定膜的渗透率并将其与阈值比较，-当膜的渗透率变得小于阈值时，开始注射凝聚试剂，-并且，在膜的渗透率重新等于或大于降低前的渗透率的稳定值LpO达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。因此，由于膜的微凝聚的实施而使膜的性能在堵塞状态之前得到恢复和保持。本发明尤其提出在以下条件下起动微凝聚的实施-在参考温度下的膜的渗透率降低到低于固定的阈值。这个阈值有利地为所述参考温度下膜的初始渗透率值的10至80%,-和/或在给定的时间间隔内参考温度下的膜的渗透率显著降低。这个阈值有利地设定为在10分钟至5天的过滤时间间隔内所述参考温度下的渗透率值的10至40%。在排放液温度下的渗透率的降低表明-膜的沾污，-和/或温度的降低。除了实施膜微凝聚的出人意料的补救效果，发明人的另一个发现是膜的水力性能改善效果可以有利地用于补偿温度降低对膜的水力性能的负面影响，这是从未描述过的应用。对此，微凝聚的合理实施使得可以前所未有且出人意料地摆脱膜技术操作人员迄今为止所面对的基本物理定律。如此起动/控制的微凝聚的实施使得可以根据本发明消除排放液的堵塞性能升高和/或温度降低的负面影响。根据本发明优化的膜微凝聚的实施的管理因而可以获得恒定的水力性能，而不论是什么样的排放液堵塞性能变化和/或温度。根据本发明优化的膜微凝聚的实施的管理使得可以进行所述方法的相关的不连续运行，并且将所述方法的实施合理地限制在仅在需要其实施的周期内。为此，这种管理使得可以节约试剂并有利地保持膜的寿命。本发明的另一优点是不需要增加膜过滤设备中现存装置以外的任何装置，现存装置即用于测量排放液温度、过滤流量和跨膜压力的装置，由它们计算排放液温度下和/或参考温度下的渗透率。为此，本发明不产生额外传感器的投资费用和维护费用，也不需要根据排放液的性质对所述传感器进行总是很困难的选择，这些传感器对每个位置具有特异性，所述选择使操作复杂化。除了以上所述的布置以外，本发明还包括一些其它布置，将在以下对其参照实施方式的实例进行详细说明，这些实施方式参照附图进行说明，但绝不是限制性的，在这些附图中图1是实施本发明方法的一种设备的示意图，其中具有位于罩中的循环型膜。图2是实施本发明方法的一种设备的示意图，其中具有无罩的浸没式膜。图3是表明根据实施例1,随着时间变化，膜的水力性能和排放液的有机污染浓度的变化的图。图4是表明根据实施例2，膜的水力性能和排放液质量随时间变化的图。具体实施例方式在图1和2中，用相同的附图标记表示相同或类似的元件。在图l的设备中，将凝聚试剂在2处，在膜的上游，注射到待处理的水1中。然后将待处理的水-凝聚试剂的混合物用罩4中的膜过滤。该设备任选地包括再循环回路5。经处理的水3通过导管排出。在图2的设备中，将凝聚试剂在2处，在膜的上游，注射到待处理的水1中。然后将待处理的水-凝聚试剂的混合物用无罩的膜6过滤，该膜浸没在含有待处理的水的槽中。经处理的水3借助于泵P排放。在膜的上游注射到待处理的水1中的凝聚试剂的剂量Y比使得待处理的水1的C-电位为零的剂量X小30至80倍，在变化方案中小40至60倍。Y因而是X/30至X/80，在变化方案中是X/40至X/60。该设备包括控制(pilotage)单元U，它尤其由可编程自动装置或计算机构成。测量传感器与该单元U相连以向其传输运行参数信息。具体地说，该i殳备包括至少-排放液1的温度测量传感器7,-过滤流量传感器8，安装在经处理的水3的排放管道上，——个或多个跨膜压力测量传感器9。这些传感器的输出与单元U相连，单元U由所提供的测量结果确定膜的即时渗透率。安装在试剂2的供给管道上的阀10由单元U控制，该单元中安装有构成注射控制手段的程序，据此-当任选地校正到参考温度的膜的渗透率变得小于阈值时，通过打开阀10开始凝聚试剂的注射，所述阈值为所述参考温度下的膜的初始渗透率的10至80%,-并且当校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于降低前的渗透率的稳定值Lp0达确定的维持时间时，通过关闭阀10停止凝聚试剂的注射。该维持时间优选大于12小时。该参考温度通常为20或25°C。根据一种变化方案，该阈值对应于在固定的时间间隔内任选地校正到参考温度的膜的渗透率的10至40%的降低，并且在任选地校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于降低前的渗透率值LpO时，停止凝聚试剂的注射。用于起动微凝聚的实施的渗透率变化的固定时间间隔通常为10分钟至5天，有利地为10至60分钟。实施例1根据2(TC的渗透率测量进行的膜微凝聚的优化管理实施例。这个第一实施例涉及用工业超滤单元过滤岩溶水(eaukarstique),该单元的生产能力为2000mV天。使用位于罩中的空心纤维型膜，其初始渗透率Lpi为300L/h.m2.bar@20。C，根据ASTMD4189.95用堵塞指数(即SDI)为5%/分钟的饮用水测得。图3示出了有机污染浓度以及膜的水力性能随时间(横坐标，以小时表示)的变化。以L/h.m2.bar⑥20。C表示的渗透率位于纵坐标上，刻度表示于左侧。以L/h.i^⑥2(TC表示的流量位于纵坐标上，刻度表示于左侧。待处理的排放液在254nm处的UV吸收(nf1)位于纵坐标上，刻度表示于右侧，并由对应于测量周期的垂直条表示(24小时过程中的平均样本)。水源的特征汇总于下表1中，该水源是冷水(温度为8°C),低浊度，由于目前未确知的原因，在降雨期间有机污染突然升高。该污染由254nm处测得的UV吸收的非常显著的升高所表明，该吸收高于15nf1，该升高表明不饱和有机大分子浓度的升高。在降雨期间以外，UV254nm的测量值相对恒定于2至4nf'的水平。表1:排放液的特征<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>在降雨期间以外，膜的水力性能是稳定且令人满意的，对于施加的105-110L/h.m2@20°C的过滤流量，渗透率LpO为从170到175L/h.m2.bar@20°C,并且不需要实施膜的微凝聚方法。相反，在降雨期间，有机污染的突然升高导致膜的堵塞，具体表现为渗透率降低，而过滤流量保持恒定在105L/h.1112@20°(:且水温恒定在8°C。在这个实施例的范围内，在第108小时左右，起动微凝聚的实施，此时渗透率急剧降低到120L/h.012@20°(:的阈值，即-阈值相当于Lpi的34%(120/350),—或者170L/h.m2⑥20。C的稳定渗透率LpO在96小时内的30%的降低，对应于膜的显著堵塞。完全出人意料的是，观察到渗透率的快速恢复，在第150小时左右回到与水源劣化前的渗透率测量值LpO(即170-175L/h.m2.bar@20°C)相似的水平，而流量保持恒定且水源的有机污染水平仍然极度劣化。在渗透率基本为其降低前的稳定值LpQ的约100小时的维持时间后，停止微凝聚。完全出人意料的是，在运行约250小时将微凝聚的实施停止时，渗透率没有突然降低到此前观察到的最低水平。相反，观察到与未沾污的膜类似的沾污动力，这表明膜的微凝聚的实施带来的补救效果。在约第350小时再次实施微凝聚，再现对渗透率变化的类似影响。这种膜微凝聚的实施的管理在此处是特别相关的。这是因为，考虑到设备降低的尺寸，它是完全自动化的并且不向现场分派相关人员。而位于山区的设备是难于接近的。根据本发明的微凝聚实施的自动管理因而使得可以在没有人介入的情况下恢复和维持膜的水力性能，并且"消除"堵塞，该堵塞在没有本发明的情况下需要操作人员介入以进行化学洗涤。另外，考虑到设备的尺寸，用于调整所述方法实施的水源质量传感器的运行成本将对设备的成本产生显著影响。此外，所述这些传感器的维护将需要使用水源和不总是分派在该设备现场的专业人员。实施例2根据排放液的实际温度T下的渗透率@1测量进行的膜微凝聚实施的优化管理实施例。以下说明的实施例涉及用超滤中试单元进行的试验。使用Aquasource/^司的内皮(peauinterne)空心纤维有机膜模块。膜的初始渗透率Lpi为350L/h.m2.bar@20°C，即在温度校正后为约270L/h.m2.bar@10°C(根据ASTMD4189.95用SDI为6%/分钟的饮用水测得)。用塞纳河水进行实验，其水温天然地为20'C，并根据实验的需要用冷却装置定期将其冷却到l(TC。试验过程中塞纳河水的水质如下表2:试验过程中塞纳河水的特征<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>以下说明的实验结果由图4表示。在整个试验过程中，在膜上施加的流量是恒定的，并且固定于70L/h.m2@T。流量的测量点在图4中用叉号表示。温度的测量点用方块表示，而吸收的测量点用实心圆表示。渗透率的测量点用菱形表示。在图4中，时间位于横坐标上。以L/h.m2.bar(^T。C表示的渗透率位于纵坐标上，刻度表示于左侧。以L/h.n^(^T。C表示的流量位于纵坐标上，刻度表示于左侧。待处理的排放液在254nm处的UV吸收(nf1)位于纵坐标上，刻度表示于右侧。温度位于纵坐标上，刻度表示于右侧。在阶段l过程中，排放液的温度为20。C，膜是新的。由于水的性质，膜的渗透率从其350L/h.m2.bar⑥20。C的初始值Lpi自然降低，并稳定于250L/h.m2.bar⑥2(TC的LpO值，即在这种情况下为膜在20°C下的初始渗透率的#71%(250#0.71*350)。在阶段2过程中，将塞纳河水用冷却装置冷却到IO'C的温度。温度降低对水的粘度的影响导致渗透率逐渐降低约23%至25%，这符合现有技术，而塞纳河水的特征(特别是有机污染水平)保持恒定。渗透率测量值稳定在1901/h.m2.bar@T的水平。此时，在试验的阶段3过程中根据本发明实施膜的微凝聚。发明人观察到l(TC下膜的性能恢复到与2(TC下的排放液所获得的相类似的水平。在不存在微凝聚情况下20。C下的渗透率则类似于在微凝聚存在下10。C下的渗透率，即250L/h.m2.bar。在实验的这个时候，已将排放液的冷却停止，并且膜的微凝聚的实施暂停15天左右(阶段4)以等待水源质量的自然劣化。在阶段5过程中，这种劣化伴随着有机污染的升高而产生，COT值从3mgC/L升高到5mgC/L，UV254認吸收从3-4m^升高到5-7nf1。本发明人所确知的该水源的这种变化表明排放液的堵塞能力的实际升高。实际上，观察到渗透率的降低，并且此时进行的排放液的冷却进一步强化该渗透率的降低。当渗透率测量值达到110L/h.m2.bar@10。C的值时，即达到等于膜在l(TC下的初始渗透率Lpi的40%(110#0.4*270)的阈值时，根据本发明起动微凝聚。图4表明膜的渗透率在排放液温度下出人意料地恢复到250L/h.m2.bar@10°C，并且此后在试验的整个阶段6中，性能与用堵塞性较低的水在显著更高的温度下获得的性能保持相似。这个实施例表明根据排放液实际温度下的渗透率测量值对膜微凝聚实施的起动进行管理以消除和补偿堵塞和/或温度降低的影响的可能性。这种管理开创了用于使超滤单元的运行稳定的新前景，以及在整年过程中等流量和等渗透率运行的趋势。本发明不涉及生产过程的特定的停止，除了过滤/反向洗涤的交替进行。使用的凝聚试剂不是洗涤试剂，也不是具有氧化性能或消毒性能的试剂。权利要求1.实施膜微凝聚的膜过滤单元的优化管理方法，所述微凝聚在于在膜的上游注射比使得排放液的ζ电位为零的剂量小30至80倍的凝聚试剂剂量，所述方法包括至少-测量排放液的温度，-测量过滤流量，-并测量跨膜压力，其特征在于-在膜的渗透率变得小于阈值时开始注射凝聚试剂，-并且，在膜的渗透率重新等于或大于降低前的稳定值Lp0达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。2.权利要求1的方法，其特征在于将膜的渗透率校正到参考温度，并且渗透率的阈值为所述参考温度下膜的初始渗透率Lpi的10至80%，而在校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于该参考温度下降低前的稳定值LpO达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。3.权利要求l的方法，其特征在于，该阚值对应于在固定的时间间隔内校正到参考温度的膜的渗透率的10至40%的降低，并且在校正到参考温度的膜的渗透率重新等于或大于该参考温度下降低前的稳定值LpO时，停止凝聚试剂的注射。4.权利要求l的方法，其特征在于凝聚试剂的注射在排放液实际温度下的膜渗透率降低到低于阚值时开始，所述阈值为所述排放液温度下的膜初始渗透率Lpi的IO至80%，并且在排放液实际温度下的膜的渗透率重新等于或大于排放液温度下降低前的稳定值LpO时，停止凝聚试剂的注射。5.权利要求l的方法，其特征在于该阈值对应于在固定的时间间隔内排放液实际温度下的膜的渗透率的10至40%的降低，并且在排放液实际温度下的膜的渗透率重新等于或大于排放液温度下降低前的稳定值LpQ时，停止凝聚试剂的注射。6.权利要求2或3的方法，其特征在于参考温度为20或25。C。7.权利要求3或5的方法，其特征在于对于渗透率变化的固定的时间间隔为IO分钟至5天。8.权利要求7的方法，其特征在于对于渗透率变化的固定的时间间隔为10至60分钟。9.前述权利要求任意之一的方法，其特征在于，在膜的渗透率重新等于或大于并且维持等于或大于降低前的稳定值LpO达大于12小时的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。10.用于优化管理使用膜微凝聚的膜过滤单元的设备，该微凝聚在于在膜的上游注射比使得排放液的^电位为零的剂量小30至80倍的凝聚试剂剂量，所述设备包括至少-测量排放液温度的装置，-测量过滤流量的装置，-以及测量跨膜压力的装置，以用于实施根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于-该设备包括与测量排放液温度的装置(7)、测量过滤流量的装置(8)以及测量跨膜压力的装置(9)相连的凝聚试剂注射控制装置(U)，这种控制装置祐:设计用于-确定膜的渗透率并将其与阈值比较，-当膜的渗透率变得小于阈值时，开始注射凝聚试剂，-并且，在膜的渗透率重新等于或大于降低前的稳定值LpO达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。全文摘要本发明涉及实施膜微凝聚的膜过滤单元的优化管理方法，包括至少测量排放液的温度(7)，测量过滤流量(8)和测量跨膜压力(9)。当膜的渗透率变得小于阈值时开始注射凝聚试剂，并且在膜的渗透率重新等于或大于降低前的稳定值Lp0达确定的维持时间时，停止凝聚试剂的注射。文档编号B01D61/04GK101588858SQ200780049687公开日2009年11月25日申请日期2007年12月14日优先权日2006年12月19日发明者C·朗格莱申请人:得利满公司