出于工业意图用于处理水的系统的制作方法
【专利说明】出于工业意图用于处理水的系统
[0001] 本申请是母案为中国发明专利申请201180069717. 6的分案申请。
[0002] 本申请于 2011 年 9 月 12 日作为 Crystal Lagoons Corporation LLC，U. S.国家 公司（指定除美国外的全部国家的申请人）和Fernando Fischmann Τ·(智利公民）的PCT 国际专利申请提交，并且要求2011年3月30日提交的U.S.临时号61/469, 537和2011年 8月1日提交的U.S.发明号13/136,474的优先权，将各申请通过援引并入本文。 发明领域
[0003] 本发明涉及处理水的低成本方法和系统，其将用于工业过程中。本发明的方法和 系统纯化水和消除悬浮固体而不需要过滤全部水体积，而是仅仅过滤比常规水处理过滤系 统过滤的水流更少直至200倍的小部分。
【背景技术】
[0004] 高透明度的高微生物学品质水是稀缺资源，目前许多工业过程都需要它。为了获 得所述水而进行的处理带来大量投资和操作成本，而所述过程复杂且存在许多迄今并未得 以有效解决的问题。另外，所述过程消耗大量能量和化学品，从而严重损害环境。特别是， 除去水中包含的杂质尤其比如悬浮固体，金属，藻类和细菌，需要安装昂贵和复杂的过滤系 统，其过滤全部水体积从而带来高能耗、高化学和物质要求，以及阻碍该过程的其它资源。
[0005] -些重要过程需要高微生物学品质水，尤其比如预处理水用于反渗透脱盐过程， 处理水产业使用的水，处理且保持水用于饮用水工业，处理工业液体残留，或矿业。本发明 的很低成本的高微生物学品质且透明的水还能够用于需要高物理化学和微生物学品质水 的其它工业过程。
[0006] 脱盐
[0007] 存在几种原因以对目前的脱盐过程进行改善：该工业正在指数生长且在未来非常 重要。全世界的全体水中有97%是海水。对于其余3%的淡水，2. 1 %冰冻于两极，仅0.9% 可供人类使用，它们存在于河流、湖泊中或是地下水。人类消耗淡水的受限的可获得性是随 着全球人口增长和文化改变越来越明显的问题。约40%的世界人口已经受到由缺少淡水来 源所引起的问题的影响。
[0008] 从而，正如联合国环境计划（UNEP)已经警告的那样，在将来50年内几乎30亿人 会受严重缺水影响。另外，在1999年，UNEP确定水缺与全球变暖是新世界的最大问题。淡 水资源的消耗速度大于自然界能够重新补充的速度，并且地下水和表面水的污染和过度利 用导致可获得的天然资源的量和/或品质的下降。增加的人口、缺少新的淡水来源，以及增 加的人均用水量共同导致邻近水资源的国家间局部形式的恶化。全部上述原因，都需要找 到解决水可获得性问题的方案，不仅满足人类的未来要求，还避免水短缺能够导致的矛盾 冲突。
[0009] 方便地，海水是地球上最丰富的资源，实质上无穷尽的盐水来源总是可以加以利 用。因此，为了解决与淡水短缺有关的巨大问题，最佳方案是处理海水以提供大众消耗的淡 水。海洋中的海水的巨大可获得性引起对通过各种过程为水除盐并产生淡水的技术的研宄 和开发。实现该目的的世界上目前可获的最佳技术是脱盐工艺。目前，全世界约130个国 家都应用某种类型的脱盐工艺，并且据期望安装容量在2015将翻倍。
[0010] 应用最多的两种脱盐过程是：
[0011] 使用水蒸发，作为蒸馏过程，仅蒸发水分子，余下全部盐和溶解矿物。该过程称为 热法脱盐。
[0012] 使用特定膜，其允许进行反渗透过程，通过在半透膜上施加压力而将水与盐分开。 该过程称为反渗透。
[0013] 为了决定使用那一种过程，能耗是需考虑的重要因素。据估计用热法脱盐产生Im3 水的能量消耗是10至15kWh/m3,而用反渗透技术的过程使用约5kWh/m3。这因为热法脱盐 需要蒸发，因此相变过程需要更多能量，使得热法脱盐在能耗方面效率更低。目前的限制需 要使用技术来改善过程的总效率，所述技术符合社会所需的环境要求，并且最小化碳足迹 和环境影响。
[0014] 在提及的技术的发展方面，由于2005年反渗透脱盐工厂的全球安装容量已超过 热工厂的安装容量。在2015年，预计全世界脱盐容量分布是62%反渗透工厂和38%热法 脱盐工厂。实际上，在使用反渗透技术的脱盐工厂中产生淡水的全球容量在仅仅6年中已 增加超过300%。
[0015] 反渗透是这样的过程：通过仅仅允许水分子通过的半透膜，将压力施加至具有高 浓度盐的水流。因此，离开膜的另一侧的渗透物相应于具有低盐含量的高微生物学品质水。 在使用反渗透技术的脱盐工厂的操作中，存在2个主要阶段：
[0016] 1.水预处理
[0017] 2.脱盐阶段
[0018] 第二阶段，相应于反渗透过程本身，已被广泛研宄且已实现直至98%的效率 (General Electric HERO 系统）。
[0019] 用反渗透产生淡水的过程的第一阶段相应于在达到半透膜之前调理盐水，也称为 水预处理。该预处理步骤经历涉及反渗透膜有效操作需要的水质的主要问题。实际上，据 估计51%的反渗透膜的失败是由于低劣预处理，或者由于低劣设计或低劣操作，而30%的 失败是因为不适当给予化学品。目前的方法除了由于高失败率的低效率之外还具有很高成 本，由此驱动寻找解决这些问题的新方法的研宄。
[0020] 膜中出现的问题取决于进料水的特性，其污染位于预处理之前的过滤器和膜以及 反渗透膜。这些问题反映为膜的较短寿命和较高维护和清洁频率，导致较高操作和维护成 本。由于低劣水预处理引起的普遍问题分为2类：膜损害和膜阻塞。
[0021] 反渗透膜的损害主要由进料水中的各种化合物导致的膜物质氧化和水解引起。绝 大多数反渗透膜不能抵御通常加入脱盐过程以预防生物生长的现有浓度的残余氯。膜具有 高成本，因此应对其采取保持连续操作和实现最佳可能效能的全部可能预防措施；从而，水 在通过膜之前必须常常脱氯。最终，进料水的PH也应调节以利膜的最佳操作。此外，必须 除去溶解氧和其它氧化剂以预防膜损害。气体也影响膜的合适操作，因此应避免高浓度以 利最佳操作。目前的调节气体和氧化剂浓度的方法是很昂贵且效率低下。
[0022] 另一方面，反渗透膜的阻塞出于各种原因主要导致很低的效率，例如需要对进料 水施加较高压力以让其通过膜，主要停产时间由必须常常进行的维护和洗涤导致，以及过 程中所用设备的高替换成本。膜的阻塞由三个主要问题引起：生物污染，结垢和胶体污染。
[0023] 生物污染由细菌或藻类群落在膜表面生长引起。因为不能使用氯，存在发展生物 质膜的风险，从而阻止供水通过并降低系统效率。
[0024] 导致膜阻塞的又一主要问题是结垢，其最终导致膜阻断。结垢是指适度可溶盐在 膜上的沉淀和沉积。实际上，在某些操作条件下，进料水中存在的某些组分的溶解度界限可 被超过，导致沉淀。这些组分尤其包括碳酸钙，碳酸镁，硫酸钙，二氧化硅，硫酸钡，硫酸锶和 氟化钙。在反渗透单元中，最终阶段经受最高浓度的溶解盐，从而这是结垢现象首次开始出 现之处。由于沉淀的结垢被膜表面的浓度梯度现象所放大。
[0025] 颗粒或胶体污染导致的阻断发生在供给水含有大量悬浮颗粒和胶体物质的情况 下，需要频繁洗涤以清洁膜。颗粒在水中的浓度能够以不同方式测量和表示。最常用的参 数是浊度，出于合适的操作其必须保持在低水平。颗粒在膜表面的蓄积能够不利地影响进 料水流和反渗透膜的排斥特性。胶体污染由胶体颗粒在膜表面的聚集且形成饼状层引起。 渗透通量的降低一方面是由于饼状层的形成，另一方面是因为由阻塞的盐离子扩散引起的 膜表面中的高浓度盐，导致增加的渗透压，其降低净力脉冲（net force impulse)。为预防 胶体污染所监测的参数是淤泥密度指数（SDI)，和膜制造商建议SDIs为多至4。膜阻塞还 能够由于天然有机物（NOM)的污染而发生。天然有机物堵塞膜是因为：与天然有机物在孔 壁上吸附有关的孔变窄，在孔的开口处充当塞子的胶体有机物，或形成包衣膜表面的连续 凝胶层。该层导致极低的效率，因此应不惜代价地避免该层的堵塞。
[0026] 目前，在进入脱盐过程之前的水预处理一般包括下述步骤：
[0027] 1.氯化以降低粗水中的有机和细菌负载
[0028] 2.细砂过滤以降低混浊
[0029] 3.酸化以降低pH并降低石灰质过程
[0030] 4.用防垢剂抑制钙和钡结垢
[0031] 5.脱氯以除去残余氯
[0032] 6.膜制造商需要的颗粒过滤柱
[0033] 7.微滤（MF)，超滤（UF)和纳米过滤（NF)
[0034] 在上述预处理步骤中，采用砂滤器或更多复杂过滤步骤比如微滤、超滤或纳米过 滤的过滤步骤的花费导致高成本以及许多缺点。尤其是，如果预处理不适当，过滤器变得堵 塞有有机物，胶体，藻类，微生物，和/或幼体。此外，在工厂中处理中过滤总体积水以减少 混浊和除去颗粒的要求，在能量、实施和安装成本方面，以及在操作期间在过滤器维护和替 换方面强加严重限制。此外，目前的预处理系统效率很低且具有由待施行装置带来的高成 本，并且连续操作和维护任务成本很高且难以施行。
[0035] 总体来说，日渐稀少的淡水资源带来的全世界供给问题导致各种脱盐技术的设计 和实施。反渗透脱盐是用于应对日渐稀少的淡水资源的有希望技术，并且该技术预计会在 未来显著增多。然而，预处理进料水的成本有效和能量有效的装置导致反渗透脱盐工厂的 显著问题。需要有效技术，以低成本操作和能够产生足够用作脱盐过程中的原料的品质的 水。
[0036] 水产业
[0037] 水产业集中于养殖水生种类、植物和动物，从其获得尤其是食品、化学、和药物工 业的原料。水生种类生长在淡水或海水中，其中主要生长鱼类、软体动物、甲壳动物、大藻类 和微藻。由于工业增长，新技术的开发，和国际社会强加的环境规章，需要最小化水产业的 环