水处理方法

专利名称：水处理方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种水处理方法，例如海水在脱盐过程之前的水处理或者淡水在纯化过程之前的水处理。本发明还涉及输入水的一些测量方法与水处理一些测量的比较的方法，以便确定用于成本有利的处理过程阶段的规范的阈值。
背景技术：
为了清除盐和其他溶解的物质，水处理正变得更重要和更广泛，低盐量的水的需求增长正在全球增长。淡化海水或者苦咸水以获得用于农业或者人类食用的淡水，或者净化淡水以获得用于医疗或者干净的工业用途的纯净水，这些仅仅是几个例子。当在净化过程中采用反渗透(RO)法时，通常在RO之前进行水处理，以试图从水中清除可能会淤塞和堵塞反渗透膜的污染物。RO膜堵塞过程的一个例子是水垢形成。水垢是在RO膜上形成的，因为水垢的成分通常是Ca和CO3中，在从反渗透过滤器喷出的浓缩流中超过它们的饱和水平。已知的用于减少水垢形成问题的方法包括:往水中添加软化剂(例如NaCl或者NaCO3形式的Na，它与水垢成分结合)，或者在薄片(例如沸石)上收集水垢的成分；这两种方法都优于离子交换方法。Tonelli等人(US 6，258，278)公开了一种使用脱碱和双通反渗透膜系统的制造高纯度水的方法，具有增强的膜寿命。该方法包括水在第一反渗透步骤之前的预处理的五个步骤。通常，为了克服堵塞反渗透膜的高昂代价问题，采用清除水垢成分的方法以致在被弃除的浓缩流中的这些成分的浓度在RO步骤期间是低于饱和水平，通常是接近于零，甚至可以忽略不计(相对于这些成分在所述未处理的水中的浓度)。导致反渗透膜堵塞的第二种类型`的过程是在未经处理的水中与以溶解形式存在的铁形成水垢。处理该问题的通常方法是通过使水富含溶解氧，氧与Fe离子结合产生水合氧化铁，然后通过沉积步骤或者过滤掉凝结的颗粒。然而，RO膜堵塞的另一个来源是来自在未处理的水中的生物材料。当带有这种生物活性材料的水被加压通过反渗透膜时，在浓缩弃除流中的浓缩的生物材料与一些溶解氧倾向于形成水垢并堵塞反渗透膜。现在，图1显示了常规的RO单元2，能够预先处理水的水垢，溶解诸如铁等金属，以及生物材料。原水流经入口 10进入到水槽12。水槽12被用于积聚和存储流入本系统的原水，并积聚和存储来自本系统的其他来源的过量的水，正如下面所解释的。水槽12可以进一步被用于溶解的金属(例如铁)的沉降，并用于在原水中的悬浮物质的凝结。从水槽12，水由泵14驱动流入沙过滤器16，它是用来捕获粗颗粒和凝结材料。泵20将氯气从Cl罐18泵入从沙过滤器16流出的水中，以便从水中清除生物活性材料。活性炭过滤器22被用于从水中吸附氯，以防止氯在RO膜上可能产生的不利影响(这些RO膜可被进一步用于下面的工艺)。从活性炭过滤器22流出的一些水被驱使通过管24流回到水槽12，以通过过滤器16和22提供几个循环的过滤，从而提高过滤质量。图1显示了根据上面所述的用于除垢的两个可能选项。根据可选方案1，从罐26由泵28经过管30将软化材料(如NaCl)加入水中。根据可选方案2，水流经水软化罐34，该罐包含水垢吸附剂(例如沸石)。从除垢器流出的水，可以通过方案I或者方案2，进入细过滤器36 (例如，5 [mu][eta] [iota]过滤器)来捕获所有可能堵塞反渗透膜的颗粒(这些反渗透膜通常在相邻的膜之间具有10 [mu] [pi] [iota]的内间距)。RO泵38驱动水在高压下进入反渗透过滤器40，纯水从那里流出通过流量计46流入RO储水罐48。弃除的水流出反渗透过滤器40，其中部分的水流出本系统通过流量计44进入排水管，而其余部分的水被返回通过流量计42进入RO循环。通过测量在RO过程的入口和出口的流量，流量计42、44和46可被用于监测RO过程。水从RO储水箱48循环流出，由泵52驱动通过紫外线辐射单元54，以便在水通过出口 50流出系统之前对水提供额外的清除。在RO储水箱48中的多余的水将回流到水槽12，通过管56再次通过该系统而被循环。需要明确的是，在这方面有许多专利，其中每个专利旨在分别改善水处理的现有技术，特别是改善RO处理工艺。一些感兴趣的美国专利的例子是:专利号6，332，960、6，607，668,6, 649，037,7, 374 ，655,7, 381，328,7, 578，919 以及它们各自引用的现有技术。从这些专利的普通回顾中，读者将更好地理解可选解决方案的新颖性的一些方面(例如，将进行对于本发明的详细说明)。现在，仍然长期需要在水处理领域寻求降低成本的方法，而这些方法又不能降低最终产品的水质。而且，在RO的实施例中，长期需要使用尽可能高效的分离膜。此外，对于其他水循环或者水处理系统，例如冷却塔或者加热系统或者类似装置，仍然长期需要减少水垢的积聚；因为水垢的积聚会降低这类系统的有用性和/或者运行寿命。

发明内容
本发明涉及一种水处理方法的多个具体实施方式
，用于基本上清除在水处理设备中形成的水垢，该方法包括以下步骤:(I)接受以水垢形成标准值(S) g/M3作为水垢形成的量，所述水垢形成是发生在水处理工艺设施中，从具有360 ppm总硬度、250ppm碱硬度、PH7.5、25摄氏度的每立方米水中形成水垢，所述水处理工艺设施是在规范化水流量条件下运行；(II)测量来自水源的水的总硬度(H) ppm、碱硬度(A) ppm、pH值(P)和温度(°C )摄氏度；(III)计算除垢目标(R)，采用公式 R=10*S* [ 1+ ((H-360) /360) + ((A-250) /250) + ((P-7.5) /7.5) + ((C-25) /25)]，其中，所述设施的尺寸是与在规范化水流量条件的运行成比例的；以及(IV)在水流入所述的水处理工艺设施之前，基本上清除来自水源的每立方米的所述水的R水垢量。在本发明的上下文中，“水垢”是指这样的材料，它离开水溶液会堵塞膜和管道；基本上等于水工程师的复杂技术公式，因而总水垢是从已知的复杂的公式乘以(总硬度+碱性硬度)得到的一个因子。总硬度基本上是溶解的钙；而碱硬度基本上是溶解的碳酸盐。因此，对于许多应用，测量总硬度实际上是测量溶解的钙，而测量碱硬度实际上是测量溶解的碳酸盐。教导实际总硬度和实际碱硬度化学的复杂性是超出本发明的范围之外的，因为最典型的专业水工程师已经知道有助于实际总硬度和实际碱硬度的其他物质的显著方面。另夕卜，请注意，在本发明中，符号“M3”的单位是“立方米”。
现在，本发明的具体实施例是基于许多(来自本发明人的)有关水垢在商用水处理设施内形成的经验观测结果。在本文中，典型的水处理设施可以包括那些进行反渗透水处理、水加热处理、水冷却处理和它们的类似处理。该观测结果本身是仅在水进入这些水处理设施之一之前，从所述水清除相对小部分的溶解水垢，导致由这些水在该系统中基本上没有水垢积聚。虽然本发明的目的是教导实用的实施例，但本发明的目的并不是提出水化学的一种新理论，不过所观察到的“没有水垢积聚”现象值得重视；特别是因为这可以有助于读者将本发明的非限制性示例性实施方式应用于增长的不同的水处理设施。然后，从概念上讲，水化学显然具有非常复杂的动力学，而这又意味着对于化学扰动水有一个延迟(时间延迟)以便在典型的水处理设施中产生水垢积聚响应。知道时间长度即将进入水处理设施中的水的样本量，以及知道关于水的一些基本因素和有关该设施将允许工程师在水进入该设施之前建立该水的适当的扰动程度；然后这又会导致使该水不能在该设施中留下水垢。然而，似乎有关于水动力的延迟的其它更复杂的方面，这反过来又可能导致其他物理化学“通路”造成在所述设施中形成水垢，这使得我们限制我们对于这个新发现的水动力学现象的期望值:(A)从约R/2至约5R，这是关于除垢目标(R)的一个数量级；或者(B)大于约0.1%但小于10%的溶解水垢。本发明总体上涉及一种水处理方法的具体实施方式
，它可以结合图2而得到更好地理解，该方法包括以下步骤:(I)接受水垢形成标准值一当水处理工艺设施的运行参数(如水流量的流速)有变化时，才需要进行修改；(II)测量来自水源的水一根据水源的变化(例如，温度变化或者在溶解成分水平的季节性变化等)，只需要重复测量；(III)计算除垢目标(R)—根据在水测量中的变化，只需要重新计算；以及(IV)在水流入所述的水处理工艺设施之前，基本上清除来自水源的每立方米的所述水的R水垢量——这可能偶尔产生一个反馈评价(例如，在所述设施中突然`出现一些水垢的形成，或者在水从所述设施中流出时)，这反过来会导致需要重新评估前面步骤中的至少一个步骤一在本文中所述的连续运行的水处理工艺设施中。现在，转到步骤(I)(图2的2100)，接受以水垢形成标准值(S)g/M3作为水垢形成的量，所述水垢形成是发生在水处理工艺设施中，从具有360 ppm总硬度、250ppm碱硬度、PH7.5、25摄氏度的每立方米水中形成水垢，其中所述水处理工艺设施是在规范化水流量条件下运行——涉及到对于水垢的特定期望值，该水垢是在标准的运行条件的这种处理工艺设施中形成的。例如，如果用于水处理设施的管道直径或者水的流速不同于经验的标准，则所述值(S)必须相应地修改。实际上，对于具有360 ppm总硬度、250ppm碱硬度、7.5 pH值和25摄氏度的校准立方米的水，有一个在所述设施内将积聚多少水垢量的经验期望值。对于目前的水工程师，这是一个已知的量值，如果采用未经处理的标准校准水，从所述设施的除垢(如清洁)程序可获得这个量值。对于大多数实际运行的水处理设施，这个值不是经验所知的，因为工程师已经假设水的预处理开始运作该设施，以优化关于运行效率、产量和运行成本的维护费用。现在，转到步骤(II)(图2的2200)，测量来自水源的水的总硬度(H) ppm、碱硬度(A)ρρπκρΗ值(P)和温度(C)摄氏度；以及应用普通测量技术来获得这些值。在本文中，水源测量是对于在进入水处理设施之前的水的测量。现在，转到步骤(III)(图2的2300)，计算一个除垢目标(R)，采用公式R=10*S*[1+ ((H-360) /360) + ((A-250) /250) + ((Ρ_7.5) /7.5) + ((C-25) /25)]，其中，所述设施的尺寸是与在规范化水流量条件的运行成比例的；以及在水源和水的校准标准之间积累比例差异的公式[((H-360)/360) + ((A-250)/250) + ((P-7.5)/7.5) + ((C-25)/25)]——然后它被加到数目(1)，并乘以水垢形成期望值(10*S)的一个量级的倍数。这里，水工程师凭借普通的专业知识必须根据在实际水处理设施和被用于提供水垢形成期望值(S)的水处理设施之间的差异来调整该公式。关于反渗透水处理设施、水冷却处理设施和水加热处理设施的实施例将在在下面的更详细的说明部分中进行阐述。不过，总有一些水处理设施，它们必须确定合适的水垢形成期望值——这个确定可能需要一些实验来收集一些实际数据。本发明的本质实际上在于:所述除垢目标(R)是显著小于任何迄今在现有技术中提出的目标，因此，我们假定，这种程度的新颖性可能合理地要求有时测量仍未正式在标准水工程手册中形成的量化值。现在，转到步骤(IV)(图2的2400)，在水进入所述水处理设施之前，基本上清除来自水源的每立方米水的关于R的水垢量。现在，如上所述，关于R的水垢量是:(A)约R/2至约5R，这是关于除垢目标(R)的一个数量级；或者(B)大于约0.1%至小于10%的溶解水垢。根据本发明的第一个显著实施例，所述接受中，所述水垢形成标准值(S)是0.2 g/M3 ;所述计算中，所述水处理工艺设施是反渗透(“R0”)工艺设施，所述规范化水流量条件是水以1.5米每秒的流速通过I米长、4英寸直径的渗透压分离管。这些方面构成用于本发明的标准化的基值，以及必须从该基值合适校正的偏差。目前，在市场上著名的商业RO水处理膜供应商是:DOW、HYDRANAUTICS、CSM、KOCH、TORAY、DESAL。作为将在RO膜领域产生的进一步进展，在如何使本发明最好地适合与这些进展的方面也会遇到更多的重视。这包括这些方面:例如，更长的管道，其他直径的管道，水流速的变化，以及类似的方面。根据本发明的第二个显著实施例，所述接受中，所述水垢形成标准值(S)是0.3 g/M3 ;所述计算中，水处理工艺设施是一种水冷却工艺设施，所述规范化水流量条件是1.5米每秒的水流速、300吨的制冷量，具有150 M3/小时循环，以获得5摄氏度温差。这些方面构成用于本发明的标准化的基值，以及必须从该基值合适校正的偏差。正如在RO领域中会有的进展和变化，同样类似的发展预期会发生在水冷却工艺中；例如，有可能是特殊的或者外来的添加剂加入到水中，以改善冷却性能。根据本发明的第三个显著实施例，所述接受中，所述水垢形成的标准值(S)是0.5g/M3;所述计算中，所述水处理工艺设施是水加热工艺设施，所述规范化水流量条件是对于60摄氏度的热温度输入，1.5米每秒的水流速，300，000千卡/kg的热量。这些方面构成用于本发明的标准化的基值，以及必须从该基值合适校正的偏差。已经指出的用于RO工艺和水冷却工艺中的因素也类似地基本适用于水加热工艺。根据本发明的另 一个实施例，清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤包括:采用活性氯清除一些生物活性材料，而代替清除功能上等同的部分R水垢。此外，根据本发明的又一实施例，清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤包括:清除溶解金属，而代替清除功能上等同的部分R水垢。转到本发明的又一实施例，清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤是通过电解方法来处理。不过，也有可能是互补的处理过程，例如改变温度，或者改变pH值，这反过来将要修改最佳R以及清除实际R。现在，本发明还涉及一种水处理方法的一些实施例，基本上如前面所描述和图示，其特征在于:仅在每批预定量的水进入到商业水流通处理工艺设施之前，从水量中清除大于0.1%但小于10%的溶解水垢量，从而基本上清除在水处理工艺设施中形成的水垢。


为了理解本发明以及看它如何实际运行，具体实施例包括现在将要描述的优选实施例，仅通过非限制性的例子，并参照以下的附图来阐述。此外，通过参照上述的发明内容和所附的附图，可获得对于本发明及其优点的更完整地理解，在这些附图中:
图1显示了传统的反渗透单元 的示意图。图2显示了本发明的一个基本实施例的示意图。图3显示了根据本发明的一些实施例的水处理系统的示意图。图4显示了根据本发明的一些实施例的另一种水处理系统的示意图。图5显示了一个图表，它显示水垢形成的取决因素。
具体实施例方式在本发明的一些实施例中的基本思想是:在早期步骤中预处理水或者将水处理为净化过程的水循环中的侧流，用于仅清除部分的(通常是小部分的)溶解的水垢，在后续的单元和在工艺中的过滤器中消除水垢的形成，特别是在RO步骤中消除水垢。在一些实施例中，在所述处理步骤中清除所述部分的水垢之后，水垢成分的量是高于其各自的饱和水平。然而，水垢是被基本上避免了，因为清楚了所述部分的水垢。下面的表I中给出了应用目标值R的计算的三个详细的例子，R值表示将被清除的水垢量。在所有这三个例子中，假设水处理设施的特征是具有水垢形成预期值S = 0.2gr/Μ3。在表中的B列显示了实施例1，它表示具有总硬度H = 360ΡΡΜ (正如在B列第I行所示)、碱硬度A = 250 PPM (B列第3行)、pH P = 7.5 (B列第5行)和温度T = 25摄氏度(B列第7行)的原水，是水的校准标准。第2行显示了第I行(总硬度)的值相对于校准标准的百分比，在实施例1中，该值显然是100。类似地，第4、6和8行分别显示了第3行(碱硬度)、第5行(pH)和第7行(温度)的值相对于它们的校准标准的百分比，这些值也都是
100。第9行显示了上述的物理性质的累积的与它们各自的校准标准(即总硬度360 ppm和碱硬度250ppm和pH值7.5和25摄氏度)的差值，以百分数表示，总计为O。第10行显示了对于将在水处理设施中从具有上述物理特性，即总硬度360 ppm和碱硬度250ppm和pH值
7.5和25摄氏度的每立方米的水中产生的水垢形成量的期望值S，其中，所述设施运行在规范化的水流量条件，对于实施例1，该值S = 0.2gr/M3。最后一行即第11行显示了目标值的结果，该值是R=10*S=2gr/M3。表I的C列显示了实施例2，它表示具有总硬度H = 420PPM (正如在C列第I行所示)、碱硬度A = 300 PPM (C列第3行)、pH值P = 8 (C列第5行)和温度T = 30摄氏度(C列第7行)的原水。在C列的第2、4、6和8行中显示的百分比分别是第1、3、5和7行的值相对于它们的校准标准的百分比，分别是116.7%、120%、106.7%和120%。第9行显示了累积的与校准标准的差值，它增加到63.4%。第10行显示了对于将在水处理设施内从具有上述物理性质，即总硬度420 ppm和碱硬度300ppm和pH值8和30摄氏度的每立方米水中形成的水垢量的期望值，其中，所述设施运行在规范化的水流量条件，对于实施例2，该值是0.2 * 1.634 = 0.327 gr/M3。在C列第11行即最后一行中显示了目标值的结果，该值是 R=10*0.327=3.27gr/M3。表I的D列显示了实施例3，它表示具有总硬度H = 300PPM(正如在D列第I行所示)、碱硬度A = 200 11(0列第3行)、？!1值？ = 7 (D列第5行)和温度T = 20摄氏度(D列第7行)的原水。在D列的第2、4、6和8行中显示的百分比分别是第1、3、5和7行的值相对于它们的校准标准的百分比，分别是83.3%,80%,93.3%和80%。行图9显示累积的差值从校准标准，这增加了 -63.4%。第9行显示了累积的与校准标准的差值，它增加到-63.4%。第10行显示了对于将在水处理设施内从具有上述物理性质，即总硬度300 ppm和碱硬度200ppm和pH值7和20摄氏度的每立方米水中形成的水垢量的期望值，其中，所述设施运行在规范化的水流量条件，对于实施例3，该值是0.2 * 0.366 = 0.0732 gr/M3。在D列第11行即最后一行中显示了目标值的结果，该值是R=10*0.0732=0.732gr/M3。表I
权利要求
1.一种用于基本上清除在水处理设备中形成的水垢的水处理方法，所述方法包括以下步骤: (I)接受以水垢形成标准值(S)g/M3作为水垢形成的量，所述水垢形成是发生在水处理工艺设施中，从具有360 ppm总硬度、250ppm碱硬度、ρΗ7.5、25摄氏度的每立方米水中形成水垢，所述水处理工艺设施是在规范化水流量条件下运行； (I I)测量来自水源的水的总硬度(H ) ppm、碱硬度(A ) ppm、pH值(P )和温度(°C )摄氏度； (III)计算除垢目标(R)，采用公式R=10*S*[1+ ((H-360)/360) + ((A-250)/250) + ((P-7.5) /7.5) + ((C-25) /25)]，其中，所述设施的尺寸是与在规范化水流量条件的运行成比例的；以及 (IV)在水流入所述的水处理工艺设施之前，基本上清除来自水源的每立方米的所述水的R水垢量。
2.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述接受中，所述水垢形成标准值(S)是0.2 g/M3 ;所述计算中，所述水处理工艺设施是反渗透工艺设施，所述规范化水流量条件是水以1.5米每秒的流速通过I米长、4英寸直径的渗透压分离管。
3.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述接受中，所述水垢形成标准值(S)是0.3 g/M3 ;所述计算中，水处理工艺设施是一种水冷却工艺设施，所述规范化水流量条件是1.5米每秒的水流速、300吨的制冷量，具有150 M3/小时循环，以获得5摄氏度温差。
4.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述接受中，所述水垢形成的标准值(S)是0.5 g/M3 ;所述计算中，所述水处理工艺设施是水加热工艺设施，所述规范化水流量条件是对于60摄氏度的热温度输入，1.5米每秒的水流速，300，000千卡/kg的热量。
5.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述测量中，总硬度的测量是溶解钙的测量。
6.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述测量中，碱硬度的测量是测量溶解碳酸盐的测量。
7.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量是从每立方米的水的R/2至5R的水垢量。
8.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量是清除大于0.1%但小于10%的溶解水垢。
9.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于，所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤包括:采用活性氯清除一些生物活性材料，而代替清除功能上等同的部分R水垢。
10.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤包括:清除溶解金属，而代替清除功能上等同的部分R水垢。
11.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤是通过电解方法来处理。
12.根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于:所述基本上清除来自水源的每立方米的水的R水垢量的步骤是包括电解方法。
13.一种用于基本上清除在水处理工艺设施中形成的水垢的水处理设备，所述设备包括:水流通导管，在所述水流入所述的水处理工艺设施之前，至少一个活性电化学改变元件从每立方米水中清除 R 水垢量，以致 R=10*S* [1+ ((H-360) /360) + ((A-250) /250) + ((P-7.5)/7.5) + ((C-25) /25)]，且(S)g/M3是在水处理工艺设施中形成的水垢量，如果它被直接接受为水垢形成标准值，所述水垢形成是从具有360 ppm总硬度、250ppm碱硬度、pH7.5、25摄氏度的每立方米水中形成水垢；所述水处理工艺设施是在规范化水流量条件下运行，以致对于进入所述管道的水，其各个物理性质，总硬度(H) ppm、碱硬度(A)ppm、pH值(P)和温度(°C)摄氏度是基本上等同于实际值。
14.一种水处理方法，基本上如前面所描述和图示，其特征在于:仅在每批预定量的水进入到商业水流通处理工艺设施之前，从水量中清除大于0.1%但小于10%的溶解水垢量，从而基本上清除在水处理工艺设 施中形成的水垢。
全文摘要
为了基本上清除在水处理工艺设施中形成的水垢，本发明提供了一种水处理方法，具有以下步骤接受以水垢形成标准值作为水垢形成的量，所述水垢形成是发生在水处理工艺设施中，从每立方米具有总硬度、碱硬度、pH、摄氏度的水中形成水垢，在所述水流入所述的水处理工艺设施之前，从来自水源的每立方米的水中基本上清除可计算的目标水垢量。基本上，在每批预定量的水进入到商业水流通处理工艺设施之前，从水量中清除大于0.1%但小于10%的溶解水垢量。
文档编号C02F9/00GK103080023SQ201180039736
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者戴维·施科泽 申请人:戴维·施科泽