本发明涉及一种使用至少一个用于捕获一种或多种离子的单元以及膜过滤单元来净化水的方法，其中，水流从源流出并被供给到前述用于捕获一种或多种离子的单元，其中，离开前述单元的水流被供给到前述膜过滤单元，在所述膜过滤单元中获得至少一股浓缩流和至少一股渗透流。此外，本发明涉及使用至少一个用于捕获一种或多种离子的单元以及膜过滤单元的水净化设备，所述水净化设备还包括必要的流入线路或供给线路以及排放线路或流出线路、泵以及阀。
背景技术：
在确定需要一定量的水之后待作出的第一个选择是在哪里获得水。饮用水公司多年来一直在认真选择饮用水源，使得可以以合理的成本生产高质量的饮用水。饮用水公司还以这种方式管理饮用水源，使得将来也可以使用它们。其中一个示例就是过滤沙丘中的水分，因为由于相比自然地补充，更多的淡水会从沙丘自然排放，所以这里的地下水可能会变得微咸。
咸残留流的排放通常只有在受纳水体的质量不受排放影响时才可能实现。这意味着原则上，应该将咸残留流中的浓度和污染物负荷与受纳水体中的相同物质的量和浓度进行比较。从实际经验可以清楚地知道，特别是浓缩物中的相对高浓度的盐即刻成为排放的问题。对于nf/ro浓缩物(回收率为80％)的排放，由于残留流的相对较大的体积，合适的受纳介质(例如海洋或河流)在合理距离内可用是很重要的。另外，浓缩物的组成和数量应该使得不会发生受纳水体的质量的显著损害。比nf/ro浓缩物(80％回收率)更咸的残余流由于相对较高的盐浓度是不被允许排放到内陆地表水中的。
对于nf/ro工艺，已知将阳离子交换器用作预处理，其中，诸如ca2+、ba2+、mg2+、sr2+(前述离子通常为结垢的组分)的离子被交换成na+或h+。由于大部分的二价阳离子是通过阳离子交换器从水相中去除的，因此在处理过的水中几乎不存在任何二价阳离子，因此利用这些组分进行结垢会发生地较慢。这些离子的去除还确保其不再对浓缩物的排放造成问题。当阳离子交换器用作nf/ro的预处理时，无可否认地，在nf/ro浓缩物旁边会有额外的咸废流：用过的再生物。一般来说，这种流的体积比浓缩物小得多，但其含有较高浓度的盐。将用过的再生物排放到淡(表面)水中是不可取的。
前述反渗透(reverseosmosis，ro)是一种净化技术，该净化技术在地表水的处理中应用于饮用水、脱矿物质水或工艺用水。使用地表水需要一些初步净化，以防止ro设备的膜通过结垢、颗粒和生物质生长而积垢。ro渗透物的后处理通常也是必要的。在生产脱矿物质水时，这种后处理通常包括使用离子交换技术来大量去除残留的盐。在通过ro制备饮用水的过程中，调节/再碳酸化(例如用大理石过滤或者添加石灰乳/co2)始终是必需的，并且需要额外的处理(紫外线消毒、添加二氧化氯等)以去除任何剩余的有机微污染物(活性炭过滤物)和致病的细菌和病毒。反渗透膜的一个缺点是在处理地表水时，它们可能会受到相当大的污染。由于地表水中存在营养物质(磷酸盐、硝酸盐/铵、溶解的有机碳)，并且由于地表水也含有溶解氧，因此，膜中的生物质快速生长，使得ro膜的供给间隔物可能堵塞。膜中的这种生物质的生长也被称为生物污染。
为了制备饮用水、脱矿物质水或工艺用水，使用地表水比地下水具有优势。特别地，地表水抽取后地下水位不降低，并且因此不会造成干旱。因此，地表水的取水许可通常比地下水的取水许可更容易被准予。
wo2017030941涉及这样的系统和方法：其中，处理包含溶解的单价离子和溶解的多价离子的水流，使得溶解的多价离子被选择性地保留并且溶解的单价离子被选择性地去除。已经认识到，注入具有相对高浓度的溶解的多价离子(例如二价离子)和相对低浓度的溶解的单价离子的水流可以有利地增强从油藏中回收油，在该方法中，油是从油藏中提取(即所谓的注水)，该方法涉及将水流注入油藏中以从油藏中的多孔岩石的孔隙置换油。
us2013126353涉及一种水处理系统，该水处理系统包括：离子交换装置，其适于接收待处理的供给水并产生多价阳离子耗尽(depleted)的溶液；电渗析装置，其适于接收多价阳离子耗尽的溶液以及产生脱盐流出物和盐浓缩溶液；双极性电渗析装置，其适于接收盐浓缩溶液并产生再生溶液；以及离子交换再生系统，其适于使再生溶液流过离子交换装置。根据这种水处理系统，离子交换单元将二价阳离子从供给水中去除到电渗析装置中，电渗析(electrodialysis，ed)装置内的盐浓缩溶液和电极室中的二价阳离子的浓度也降低，其中，主要由二价阳离子引起的结垢得到了减少。
au2009200113涉及一种用于生产饮用水的方法，所述方法包括利用第一处理工艺来处理经过二级和/或三级处理过的流出物以形成净化的液体；以及利用反渗透来处理净化的液体以提供饮用水，其中，利用反渗透来处理净化的液体的步骤还包括对来自所述反渗透的渗透物进行消毒以提供饮用水，或者，其中，利用反渗透来处理净化的液体的步骤还包括产生渗透物、对来自所述反渗透物中的渗透物进行消毒以产生消毒的渗透物、以及对消毒的渗透物进行再矿物化以提供饮用水。
ep0249925涉及一种通过电渗析盐溶液产生酸溶液和碱溶液的方法，该方法包括：使含矿物质的盐溶液连续循环通过电渗析堆叠机构以产生部分脱矿物质的盐溶液、酸溶液和碱溶液；将酸溶液引导至酸接收槽；将碱溶液引导至碱接收槽；将来自电渗析堆叠机构的部分脱矿物质的盐溶液引导至循环的含矿物质的盐溶液中；监控循环的含矿物质的盐溶液中的盐浓度；当循环的含矿物质的盐溶液的盐浓度下降到预定水平以下时，将循环的含矿物质的盐溶液的一部分引导通过含有饱和盐溶液的盐槽；以及将来自盐槽的溶液引导至循环的含矿物质的盐溶液中以增加其盐浓度。
以上讨论的文献都没有涉及净化水的方法，其中，特别是通过实施几乎闭环的循环获得了可以在制备饮用水中再利用的浓缩流。
以上讨论的文献都没有包括这样的水处理系统：其包含用于捕获一种或多种离子的单元和膜过滤单元。其中，离开用于捕获一种或多种离子的单元的水流被供给到膜过滤单元，并且在膜过滤单元中获得至少一股浓缩流和至少一股渗透流，其中，获得了源自原始水性材料的可以在制备饮用水的过程中再利用的浓缩流。
技术实现要素：
本发明的一个方面是提供一种净化水的方法，其中，在最终使用者处的任何石灰沉淀物的形成保持在最低限度。
本发明的另一方面是提供一种可持续的净化水的方法，其中，化学品的使用保持在最低限度。
本发明的另一方面是提供一种可持续的净化水的方法，其中，从待净化的水流获得具有富含离子含量的一股或多股残留流，并且这些残留流可以有益地再利用。
本发明的又一方面是提供一种净化水的方法，其中，特别是通过实施几乎闭环循环获得了可以有利地在制备饮用水的过程中再利用的浓缩流。
本发明的又一方面是提供一种净化水的方法，其中，将非源自水的添加剂(即水杂质)到在所述方法中获得的渗透流的添加保持在最小值、特别是零。
因此，本发明涉及一种使用至少一个用于捕获一种或多种离子的单元以及至少一个膜过滤单元来净化水的方法，其中，水流从源流出并被供给到前述用于捕获一种或多种离子的单元，其中，离开前述单元的水流被供给到所述至少一个膜过滤单元，并且在所述至少一个膜过滤单元中获得至少一股浓缩流和至少一股渗透流，其特征在于，前述捕获的一种或多种离子的至少部分被添加至前述渗透流，以获得富含一种或多种离子的渗透流。
使用前述方法实现一个或多个前述方面。首先，本发明使得待净化的水流可以被捕获一种或多种离子，然后，将如此捕获的离子再用于净化过程。术语“捕获一个或多个离子”在此是指去除一个或多个离子。此外，利用这样的操作工艺，可以以高回收率来操作膜过滤单元，使得仅获得小体积的浓缩流。在根据现有技术应用的膜过滤中，通常应用70％至80％的回收率，而在本方法中回收率为98％是可能的。如果400m3/小时的供给流被净化，那么根据现有技术应用的70％至80％的回收率，获得了280m3/小时至320m3/小时的渗透流以及120m3/小时至80m3/小时的浓缩流。在本方法中，对于像这样的供给流，获得了392m3/小时的渗透流和8m3/小时的浓缩流。因此，利用根据本发明的方法获得了低得多的浓缩流。
利用前述膜过滤单元获得的浓缩流可以根据本发明的方法有利地再利用，特别是通过将浓缩流供给至其中产生碱性流和酸性流的单元。除了高的nacl浓度，浓缩流通常还含有溶解的co2。现在，通过将浓缩流供给至双极性膜电渗析(bipolarmembraneelectrodialysis，bmed)单元，获得了主要包含nahco3的碱性流和主要包含hcl的酸性流。
本发明人发现待净化的水流所供给至的用于捕获一种或多种离子的单元随时间的流逝会被捕获的离子饱和。因此，期望执行所谓的前述用于捕获一种或多种离子的单元的再生步骤。在一个实施方式中，这种再生步骤通过将前述酸性流供给到用于捕获一种或多种离子的单元来实现。在所述再生步骤中，先前捕获的离子(特别是ca和mg)与主要包含hcl的前述酸性流接触，从而产生包含cacl2和mgcl2的水流。在一个实施方式中，所得到的主要包含cacl2和mgcl2的水流被引导至用于捕获一种或多种离子的另一单元(特别是阴离子交换器)。在所述单元中，水流中存在的cacl2和mgcl2转化为ca(hco3)2和mg(hco3)2。在一个实施方式中，将最后提到的水流添加至前述渗透流中以获得富含一种或多种离子的渗透流。结果是大体上的闭合回路，其中，浓缩流有利地用于将先前捕获的离子供回至渗透流中。
用于捕获一种或多种离子的另一单元(特别是阴离子交换器)随着时间的流逝也应该经历再生步骤，其中，特别地，可以使用前述碱性流。因此，期望的是，在所述再生步骤中，将碱性流供给至前述用于捕获一种或多种离子的其它单元。
特别地，在前述再生步骤中获得的水流例如被送到废水处理厂。
实际上，前述再生步骤将以一定的时间间隔执行，因此希望将前述碱性流和酸性流存储在例如缓冲槽中。然后，可以在任何期望的时刻执行预期的再生步骤。
可以提及以下作为用于捕获一种或多种离子的合适的单元：离子交换器、沸石、选自于结晶、沉淀、膜过滤和电渗析的操作的应用。
在本发明的一个实施方式中，待净化的水可以执行一种或多种预处理，所述预处理选自如下组：筛选、石灰浆软化、砂滤、微细过滤、超滤和活性炭过滤、或它们的一种或多种组合。筛子或滤网(也被理解为机械分离)的应用具有去除粗颗粒和藻类(>25μm)的目的。特别地，污泥反应器的应用具有去除ca、固体物质(solidsubstances，ss)、sio2、po4、贝类的目的，此外，提供一些消毒(ph>10.5)。特别地，砂滤、微细过滤和/或超滤被用于去除导致浑浊的成分。为了去除溶解的co2气体，期望执行所谓的塔通气。活性炭过滤被应用于用于降低形成生物膜的成分和溶解的有机碳的含量的预处理中。
从稳定性和容量的角度看，在特定的实施方式中，优选使用离子交换器作为用于捕获一种或多种离子的单元。所述离子交换器可以包括串联连接或并联连接的一个或多个离子交换器。并联布置提供执行连续操作的可能性，其中，一个单元经历再生，而另一个单元处于“运行中”。并联布置还在不中断生产的情况下提供对设备进行维护的可能性。
在使用离子交换器的特定的实施方式中，存在于待处理的水流中的离子(诸如ca2+、ba2+、mg2+、sr2+)将被交换成na+或h+。
在一个实施方式中，前述离子交换器被剥夺了捕获的离子，特别是通过用洗提剂冲洗离子交换器。因此，被捕获的离子从离子交换器中去除并出现在洗提剂中。通过离子交换器捕获的离子被洗提剂吸收，从而获得富有一种或多种离子的洗提液。此外，在特定的实施方式中，改变ph和/或温度是可取的。还存在这样的实施方式：在该实施方式中，使用非水物质，尤其是有机液体，即醇，例如甲醇。
目前，为了增加离子在洗提液中的浓度，在一个实施方式中，优选使洗提液经历分馏处理，其中，获得具有高于原始洗提液的离子含量的产品流。由此获得富有离子的产品流。
前述分馏处理优选选自共晶凝固、纳滤(nf)和梯度洗提、或其组合。在特定的实施方式中，沸石和结晶、沉淀和电渗析类型的处理也可以被提及作为合适的分馏处理。
在共晶凝固中，采用降低温度，直到特定的盐在它们的共晶凝固点结晶出。水中的不同的盐具有不同的共晶凝固点，其特征在于温度和盐浓度。当到达共晶凝固点时，和冰一样，盐也结晶出，基于密度差异将冰和盐晶体分离。在纳滤(nf)中，迫使待处理的水流在压力下通过半渗透膜。该膜就像过滤器，其例如允许水通过，但不允许“受到污染的”物质(尤其盐)通过，也不允许水中含有的重金属、细菌和病毒通过。在梯度洗提解决方案中，洗提剂的液体组成逐渐变化(即，随着时间变化)，例如通过使用具有可变的盐含量的水性盐溶液，使得离子交换器中吸收的离子随时间的变化分别地从离子交换器中“释放”。因此例如可以获得单独的水流，例如富含ca2+的水流、富含fe的水流等，这些水流在指定的时间内由例如100％的水至100％的乙醇单独地且可再生地捕获。因此通过期望的分馏处理，可以获得许多可被有利地再使用的部分流。可被提及的部分流为nh4、重金属、带正电的有机微污染物、有机成分和带正电的无机成分/复合物。
可以提及以下作为本申请中的一种或多种离子的示例：ca、mg、fe、mn和nh4。此外，我们还可以提及其它的带正电的离子和物质，例如存在于待净化的水流中的带正电的有机/无机成分。
如果本方法被应用于制备饮用水，则期望向前述渗透流中加入至少一种富有ca和mg的产品流，以获得富有ca和mg的渗透流。在这种实施方式中，将一定量的ca离子和mg离子加入到从膜过滤获得的渗透流中。由于没有沉淀物存在于富有ca和mg的得到的产品流中，故在“混合”后获得的渗透流(这里特指为富有ca和mg的渗透流)也将不显示任何沉淀。因此，终端用户将不会经历任何石灰问题。而且，没有水外来物质被加入到渗透流中。目前，富有ca和mg的产品流从待净化的原始水中获得。因此，其可以被说成是离子的天然来源(即待净化的原始水)。
如果本方法被应用于不要求饮用水质量的水的另一类型的终端用户，则产品流可以具有一些其它的待使用的组成，例如具有增加的fe含量的产品流。
在一个实施方式中，前述渗透流和/或前述富有一种或多种离子的渗透流可以经历一个或多个后处理步骤，该后处理步骤选自调节缓冲容量、调节酸度(ph)和调节饱和指数(si)。例如对于饮用水，在供水条例中，质量要求被划分成微生物参数、化学参数和各种指标(包括技术操作参数、感官/美学参数、和信号参数)。因此，根据要求和法律规范，在特定的实施方式中实施一个或多个后处理步骤。在后处理步骤中，通常采用活性炭过滤用于去除剩余的有机微成分。然而，也可以包括添加石灰乳作为在膜过滤单元之后的后处理步骤，也可以具有特别是为了提供消毒的uv处理。此外，在一个实施方式中，也期望增加所得到的纯净水的硬度，特别是通过加入化学成分或混合有其它水流来增加所得到的纯净水的硬度。
通过本方法获得的富有一种或多种离子的渗透流被送至一个或多个消费者单元，其中，消费者单元尤其通过中心管道网络被连接在一起，并且前述富有一种或多种离子的渗透流被送至该中心管道网络。一个或多个消费者单元尤其通过一个或多个分支管道被连接至前述中心管道网络。
可以提及以下作为待供给至至少一个膜过滤单元的水的示例：地表水、地下水、含盐地下水、天然地下水、浸润的地表水、浸润的海水、浸润的废水处理流出物、河岸渗滤水、废水、来自废水处理的流出物、海水和工艺用水，或其组合。
本发明中使用的膜过滤单元优选由一个或多个反渗透型的膜组成。
本申请中所规定的膜过滤单元可以由一个或多个微细过滤型、超滤型、纳米过滤型和反渗透型的膜组成，其中，可以使用管状、层状和螺旋卷绕状类型的膜。
膜过滤单元包括串联连接的膜、并联连接的膜、或其组合。
可以提及以下作为消费者单元的示例：房产，特别是家庭、商业楼宇和工业区，以及医院和保健机构。这些最后提到的消费者单元具有对于不含有病毒和细菌的水的特定需求，并且这种类型的水可通过本发明来制备。
本发明还涉及使用至少一个用于捕获一种或多种离子的单元和至少一个膜过滤单元的水净化设备，所述水净化设备还包括必要的流入线路和流出线路、泵和阀，其中，水流从源流出并被供给到前述用于捕获一种或多种离子的单元，其中，离开前述用于捕获一种或多种离子的单元的水流被供给到前述膜过滤单元，在所述膜过滤单元中获得至少一股浓缩流和至少一股渗透流，其特征在于，前述设备还包括：用于从前述用于捕获一种或多种离子的单元剥夺一种或多种捕获的离子的机构，以及用于将如此剥夺的一种或多种离子添加至前述渗透流的以获得富含一种或多种离子的渗透流的机构。
可以提及以下作为前述用于捕获一种或多种离子的单元：离子交换器、沸石、结晶单元、沉淀单元、膜过滤和电渗析，优选离子交换器。在一个实施方式中，前述用于捕获一种或多种离子的单元包括阳离子交换器。
在一个实施方式中，本设备还包括用于形成碱性流和酸性流的单元，所述单元还包括用于将前述酸性流供给到前述阳离子交换器的管道和用于从前述阳离子交换器中运走前述酸性流的管道。
在一个实施方式中，前述阳离子交换器包括排放管，所述排放管连接至用于捕获一种或多种离子的另一单元，特别是阴离子交换器。
在一个实施方式中，前述阴离子交换器具有供给管，前述碱性流经由所述供给管被供给至前述阴离子交换器。
在一个实施方式中，前述阴离子交换器包括连接到用于渗透流的管道的管道。
在一个实施方式中，前述设备包括一个或多个缓冲槽，所述一个或多个缓冲槽用于临时存储一股或多股流，特别是前述碱性流、酸性流和来自前述阴离子交换器的流出物流。
在一个实施方式中，用于捕获一种或多种离子的单元被连接至用于从前述单元剥夺一种或多种离子的机构，其中，特别地，前述用于剥夺一种或多种离子的机构被连接至分馏机构，特别地，所述分馏机构被连接至前述渗透流以获得富有一种或多种离子的渗透流。
前述分馏机构选自用于进行共晶凝固、纳米过滤(nf)和梯度洗提、或其组合的机构。在特定的实施方式中，也可以提及沸石、结晶单元、沉淀单元、膜过滤和电渗析。
本发明还涉及从待净化的水中流出且富有一种或多种离子的流的用途，即用于制备引用水，所述饮用水从前述待净化的水获得。
从待净化的水中流出且富有一种或多种离子的流的另一个用途是作为土壤改良剂。
在富有fe的流的情况下，需要考虑在例如废水处理中磷酸盐沉淀的用途以及在废水处理中通过结合h2s进行气味控制的用途。
富有ca和/或mg的流也可以用作在其中使用ca和/或mg的食品工业和其它工业、尤其造纸工业中ca和/或mg的来源。
附图说明
附图1和附图2示出了根据本发明的设备的示意图。为清楚起见，测量和控制系统、泵和阀已被省略，因为该领域的专家将容易地在略图中看出前述单元的位置。
具体实施方式
在图1中，用于净化水流的设备10包括原水水源1，例如地表水。待处理的原水2被送至用于捕获一种或多种离子的单元3，例如阳离子交换器。在操作期间离开单元3的水流4(由此剥夺出一种或多种离子)被送至膜过滤单元5，例如ro设备。该ro设备以高回收率操作，进而获得浓缩流16和渗透流6。渗透流6在单元7中经历后处理，所得到的经过后处理的水流8被送至单元9。在用于捕获一种或多种离子的单元3已经运行一定时间后，执行再生步骤，使得获得流11。流11富有来自单元3的离子，所述离子源自原水2。在单元12中，发生分馏以获得流15，一种或多种离子在流15中的含量高于其在流11中的含量。例如，流15为具有高含量ca和/或mg的流。在单元12中的分馏中，也获得其它流13，例如富有fe的流、富有nh4的流、和富有mn的流，这些流适于各种最终的应用14，例如适合作为土壤改良剂，而且也适合作为用于在例如废水处理工厂中磷酸盐的沉淀物的沉淀剂以及适合作为用于在废水处理工厂中通过结合h2s进行气味控制的沉淀剂。流15在单元9中与流8混合以获得富有一种或多种离子的渗透流10。流10被供给至终端用户且可经受任选的后处理步骤(未示出)。
尽管在附图中提及用于制备饮用水的设备，但是必须清楚的是，本发明不限于此。设备10还可以用于制备其它类型的水，例如工艺用水。
另外，应该注意到，本发明不限于分馏法的应用，在一个实施方式中，在单元3中获得的流11被直接添加至例如流6和/或流8。
此外，单元7的存在必须被视为是任选的，因为在特定的实施方式中，来自单元5的流6在与流11和/或单元9中的流15混合之后，可以被直接提供给最终用户。
图2示出根据本发明的设备20的示意图。在设备20中，待净化的水流22(例如厌氧地下水)从源21流出。待处理的原水22经由处于打开位置的阀24被引导至用于捕获一种或多种离子的单元23，例如阳离子交换器。在操作期间离开单元23并因此被剥夺了一种或多种离子的水流26被供给到膜过滤单元25，例如ro设备。在高回收率下操作ro设备，并获得浓缩流38和渗透流28。渗透流28可以被输送到一个或多个后处理单元(未示出)。在这种类型的操作(在其中产生了净化的饮用水的操作)中，阀24和阀27打开，而阀30和阀35仍处于关闭位置。
浓缩流38被供给到用于产生碱性流41和酸性流40的单元39，例如bmed，其中阀36因此打开。碱性流41存储在槽43中，酸性流40存储在槽42中。
一段时间之后，捕获的离子的饱和发生在阳离子交换器23中，使得再生步骤是所期望的。在再生模式中，通过关闭阀24来停止供应待处理的原水22，阀27也关闭。通过打开阀35来利用酸性流40清洗阳离子交换器23。利用处于打开位置的阀30，在该清洗步骤中获得的流出物29被引导到阴离子交换器31。在阴离子交换器31中，富含cacl2和mgcl2的流29被转化成流46，流46富含ca(hco3)2和mg(hco3)2。经由处于打开位置的阀33，流46被存储在槽47中。通过打开阀37，从槽47给料，之后，富含ca(hco3)2和mg(hco3)2的流46被添加至渗透流28，以获得饮用水48，饮用水48可以被供应给期望的最终用户。
一段时间之后，再生步骤对于阴离子交换器31也是所期望的，再生通过将碱性流41供给到阴离子交换器31中而发生。在该再生期间，阀34打开，而阀33和阀30关闭。在该再生步骤中获得的流出物45经由处于打开位置的阀32被输送到废水处理设备44。
尽管图2仅示出用于膜过滤单元25的单个单元，但是必须清楚的是，膜过滤单元25可以包括多个膜过滤单元。相同的推论适用于阴离子交换器31、阳离子交换器23和bmed39。因此，图2中的流程图清楚地示出有效的再矿化是可能的，其中已经存在于待处理的水中的矿物质被去除并被以期望的量再次与处理后的水混合。增加用于形成碱性流和酸性流的单元(例如bmed)和用于捕获离子的另一单元(阴离子交换器)意味着可以以有利的方式使用于捕获离子的两个单元(即阳离子交换器和阴离子交换器)执行再生步骤，用于所述再生步骤的必要化学物质在工艺本身中形成。因此，化学物质的额外给料是不必要的。此外，之前从待处理的水中去除的矿物质用于再矿化渗透流。