一体化超滤和反渗透脱盐系统的制作方法
【专利说明】一体化超滤和反渗透脱盐系统
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2013年2月15日提交的且题为“OPEN ARCHITECTURE, INTEGRATEDULTRAFILTRAT1N AND REVERSE OSMOSIS DESALINAT1N SYSTEMS WITH HIGH EFFICIENCYPROCESS FLOW”的美国临时专利申请序列第61/765，571号的根据35 U.S.C § 119的优先权，其通过引用并入本文。
[0003]联邦资助研究的声明
[0004]无。
[0005]相关申请的交叉引用
[0006]无。
[0007]发明的
技术领域
[0008]本发明大体涉及水脱盐的领域，所述水脱盐使用多孔微滤或超滤(MF或UF)膜接着高压反渗透(RO)膜，以用于盐除去。本发明集中于新颖的一体化系统设计，该设计允许使用市场上可用的范围广泛的UF膜和MF膜，使能够实现用于市场上的膜的开放式体系结构方法。系统使用独特的工艺流程技术，所述工艺流程技术允许使用预编程的配置基体操作多种膜配置，以用于其工序需求。系统还利用卓越的工艺流程，以能够实现MF膜和UF膜的高效率操作，利用减少的占地面积、膜的较长寿命以及减少的能量的益处。
[0009]发明背景
[0010]在不限制本发明的范围的情况下，结合用于水纯化、特别地用于脱盐的系统来描述其背景。膜通常用于水的纯化，无论其是地表水(河流和湖泊)或是地下水(含水层)或工业和城市废水(矿业的、金属业的、染业的、化学的)或来自油气提取或从海水或微咸水的盐除去的采出水。
[0011]对于水纯化应用，膜是非常有效且能量友好的。膜被建造并且高度优化以从进料流出物中除去特定材料，例如，呈单价离子或二价离子形式的总溶解固体(TDS)比如NaCl、MgSO4, CaSO4，或其他高分子量材料，比如糖、化学品、有机分子和其他大分子。RO膜被优化以截留Na+Cl-离子以用于有效脱盐，而UF膜和MF膜被设计为截留亚微米颗粒或较高分子量的杂质，并且保持可透过溶解的盐。
[0012]脱盐是从水中除去过量的盐和其他杂质的若干工艺的组合步骤。在脱盐之后，海水、微咸水或地表水可以被转化为适合于人类饮用和灌溉的淡水。目前，在美国，多于1，300个脱盐设备是运行的，产生超过5亿加仑的水每天。关于脱盐的现今的兴趣集中于开发成本有效的方式，以在淡水的可用性受限制或正在变得受限制的地区中提供淡水。
[0013]在最近几十年期间，膜脱盐和水处理工艺已经非常快速地发展，并且大部分新的设施采用反渗透(RO)技术。RO工艺使用半透膜和压力以从水中分离盐和其他杂质。用于RO的膜具有聚合物基体，所述聚合物基体具有发生大部分分离的致密屏障层。膜能够处理具有不同的盐和杂质浓度的水，所述浓度在总溶解固体(TDS)的50至50，000百万分率(ppm，还被称为毫克每升)的广泛范围内。取决于盐含量浓度，RO设备消耗约30瓦特小时的电力每加仑脱盐的(海水)水或更少。在大部分情况下，膜被设计为仅允许水穿过此致密层，而防止溶质比如盐离子的经过。这些膜能够除去多达99.5%的盐、颗粒、溶解的有机物和乳化油。该工艺需要在膜的进料侧上施加高压，通常50-300psi用于地表水和微咸水，并且500-1，OOOpsi用于海水，以克服对应于盐浓度的渗透压。RO膜系统通常使用比其他脱盐技术比如热蒸馏、离子交换和电渗析更少的能量，并且已经在过去十年里导致总的脱盐成本的降低。
[0014]现今，包括用于随着时间贬值的脱盐设备的资本支出、用于能量、膜、清洁化学品、系统维护和劳动力的运行支出，用于微咸水和海水RO设备的成本分别是大约$1/1000加仑产品和$3/1000加仑产品。
[0015]减少脱盐的成本的持续努力已经推动大量的技术进步。这些进步包括具有范围广泛的材料和几何结构的深度的预处理MF/UF膜的发展。中空纤维膜(HFM)已经发展为精选的几何结构，归因于在结垢后，其容易清洁和再生。由内而外和由外而内的过滤几何结构两者都存在于HFM中。除了两种几何结构之外，若干膜材料组合物比如PVDF、PAN和PES也是可用的。由于几何结构和材料的大变化，膜制造商能够对用于固定工艺流程设备的专有的设计和材料锁定相对高的价格。价格可以在任何地方从$3/ft2的膜表面积到$10/ft2的膜表面积显著地变化；然而，性能差异是非常有限的。通常可用且可以由若干公司生产的膜倾向于价格较低，然而配置变化和材料变化仍然可以存在。最终用户通常由于固定的系统设计而被锁定，并且在替换周期期间选择其他的膜类型具有有限的灵活性。
[0016]为了解决这样的限制，我们已经提出允许具有灵活的预处理UF/MF节段的开放式体系结构系统的新颖的工艺流程和控制策略，所述预处理UF/MF节段可以在相同的平台上接受来自普通供应商的包括由内而外或由外而内的几何结构的多种膜。控制系统能够接受市场中具有最小变化的若干可商购的膜。
[0017]在优化的脱盐系统中，不允许RO膜经受具有高水平的颗粒的流入水。使用淤泥密度指数(SDI)测量，进料水必须维持在3SDI以下。为了实现颗粒的这种低水平，系统制造商提供一个或两个梯级的微滤套筒(比如30um接着Ium)，所述微滤套筒被频繁地替换，因为它们变得阻塞。在通常在沿海区域中发现的浑浊水中，这些过滤器需要频繁的替换，并且直接影响RO的性能和正常运行时间。
[0018]通过使用可以在被悬浮颗粒污染时被频繁地回洗和周期性地再生并且能够维持若干年的更实惠的MF膜和UF膜，最成本有效的脱盐实施方式包括使用如上文讨论的使用MF膜和UF膜的深度的预处理。
[0019]遗憾地，由于MF和UF的操作和维护的复杂性，特别地涉及其回洗、化学再生和周期性维护的复杂性，系统开发者常常将MF和UF提供为系统中单独的部件。这显著地增加了预处理的总成本，因为控制系统部件被加倍(一个用于UF，一个用于R0)，操作和维护两个单独的系统部件的劳动力也被加倍，并且建立两种单独的控制策略和相关的软件、中间界面所需要的资源增加了系统的成本和复杂性。
[0020]为了显著地减少成本并且简化用UF/MF预处理脱盐的操作，我们开发了具有单个控制系统体系结构、同时提供运行方案的一体化UF/MF/R0系统，所述运行方案进一步支持膜上的开放式体系结构并且允许此方法从小规模的装于滑动底板上的系统缩放到中等规模或大规模的商业系统。
[0021]讨论某些定量的事实将是非常重要的:UF/MF过滤系统需要以高通量速率(与普通过滤的速率相比，通常约4-5倍(X)速率)周期性回洗。通常，UF/MF膜将以预先指定的过滤速率连续地产生渗透物持续20-30分钟，随后使用滤液水以约4x的之前过滤速率进行反冲洗30秒至I分钟。这导致UF/RO部件的总生产效率在80-85%的范围中。
[0022]值得注意的是，在通常的海水脱盐方案中，小尺寸(几千加仑每天)的装于滑动底板上的RO系统的总效率受限于约30%，而对于中等尺寸(几十万加仑每天)的系统，所述总效率可以达到40%。这意味着，对于双阶段脱盐方法，用于预处理UF/MF部件的总生产能力必须被定尺寸为RO部件的生产能力的2.5-4x。对于此方案，总的UF/MF效率的任何量的改进对系统的占地面积和总成本造成显著影响。此外，UF/MF工艺的改进的效率允许以减少的通量操作这些膜，这进一步减少了膜上的结垢，导致较少清洁和维护的另外的益处。
[0023]使用新颖的工艺流程，我们将用于UF/MF膜的总效率改进到接近97%，而其性能没有任何牺牲。这用一体化MF/UF/R0系统体系结构是可行的，其中，我们利用来自RO的(还称为RO浓缩的)最终的截留水用于UF/MF膜的反冲洗。
[0024]因为进入RO子部件中的全部水已经通过UF/MF子部件过滤，所以没有可以倾向于污染UF的任何颗粒。在RO加压分离期间，仅TDS浓度在RO截留中增加，因此，不希望在反冲洗期间引起UF/MF结垢。我们通常必须仅注意来自存在于水中的结垢物的可能结垢，并且只要PH不利于结垢产生条件。在其中存在结垢风险的条件下，在反冲洗期间，可以注入小量的降低pH的酸。由于接近10%的增加的生产能力，其转化为在充分一体化UF/R0系统中预处理部件的占地面积的接近25-40%的减少。
[0025]除了 UF/MF预处理之外，流入物中大的悬浮颗粒和重的土壤/重金属、沙粒的存在，商业供应商将安装另外的过滤部件，比如盘过滤(disk-filtrat1n)、滤袋过滤(sock-fiItrat1n)、筛过滤等等。我们实施了新颖的两步顺序的大颗粒过滤，其组合离心过滤器接着可拆除的筛过滤器，以解决重的和轻的漂浮的较大颗粒两者。我们的策略允许重颗粒在其进入筛过滤器之前沉降，并且允许轻的漂浮颗粒在筛过滤器中分离。这种组合策略保护UF/MF膜免受磨损性颗粒并且允许非常容易地维护筛过滤器。当与盘过滤或其他筛过滤器相比较时，之前从未示出的组合策略显著地减少为了满足UF/MF膜的流入物要求而清洁水所需要的占地面积。
[0026]发明概述
[0027]开放式体系结构脱盐系统具有以下创新特征-
[0028]I)离心分离器接着常用的筛分离器的相继的组合，所述离心分离器用于除去重密度颗粒，所述常用的筛分离器用于除去比筛尺寸更大的低密度颗粒。筛分离器使用具有隔离阀的一对并行的筛，以允许在过程中替换阻塞的筛。
[0029]2)用于超滤分离节段的独特的工艺流程，由内而外或由外而内配置的中空纤维膜可以被安装在所述超滤分离节段处，同时其操作工艺顺序通过控制系统中简单配置的复选框(check-box)来控制，允许使用范围广泛的超滤膜模块。细节见图1和图2。
[0030]3)在超滤之后，渗透物被发送到中间储存罐用于反渗透高压部件使用，最终产生饮用质量的水和浓缩的废物流。浓缩的废物流被储存在另外的中间罐中，并且随后用于反冲洗超滤膜，导致超滤生产效率的接近10-15%的增加连同减少的占地面积，而性能没有任何损失。细节见图1和图2。
[0031]4) 一体化工艺方法，其中用于超滤的生产能力要求通过反渗透性能、反冲洗之间的时间、UF反冲洗之间的水生产能力和由反渗透消耗的水来反算。
[0032]5)膜配置依赖的反冲洗工艺选择，具有两种单独的反冲洗顺序和选择两种反冲洗工艺顺序中的每种的频率的选项。细节见图1。
[0033]附图简述
[0034]通过参考结合附图进行的以下描述，可以获取本实施方案及其优点的更完整且更透彻的理解，其中:
[0035]图1:允许选择用于安装的膜的由内而外、由外而内或交叉流配置的工艺控制软件界面中的配置表格