用于使用点/进水点水处理的系统和方法
【专利摘要】提供了一种利于使用浓缩液流用于其他非饮用用途的水处理系统和方法。本发明的实施例使用分布压力以驱动膜过程且被构造为与家庭管路串联，以使浓缩液直接通过处理系统(但绕过了处理机构)到达建筑物内的其他用处。在本系统的实施例中，仅是从水中提取饮用消费所需的净化水，其余的以相同的压力行进到它的预期目的地。
【专利说明】用于使用点/进水点水处理的系统和方法
[0001]通过引用任何在先申请的合并
[0002]根据37CRF1.57，在与本申请一起提交的申请数据表中标识的要求国外或国内优先权的任何和全部申请通过引用合并于此。本申请要求于2013年12月6日提交的第61/913，170号美国临时专利申请的权益。所述美国临时专利申请的内容通过引用被全部包含于此，并且在此明确作为本申请的一部分。
[0003]发明背景
技术领域
[0004]本申请涉及水处理和废水处理领域。更具体地，本申请涉及一种用于处理水和废水且将浓缩液流用作其他非饮用用途的膜系统。
【背景技术】
[0005]虽然有许多方法来去除水中的杂质，但是随着技术的提高以及水资源污染加剧，膜处理正变的更加普遍。膜处理需要提供半渗透膜两侧的压差。该压差允许相对较小的水分子流过膜，而使相对较大的污染物仍然留在高压侧。只要污染物比膜中的孔隙大，该污染物就可以被膜有效地过滤掉，并与浓缩液一起被去除。有些膜将尺寸排除和静电排斥结合在一起，例如反渗透膜和纳滤膜。
[000?] 不同的膜可用于不同的原水(raw water)源和处理目标。膜的分类一般分为四大类，通常由膜筛选出的污染物的尺寸来定义。这个尺寸可能与膜中的孔隙尺寸并不是紧密关联的。按照筛选出的材料的尺寸的递减顺序，这四大类膜包括:微滤(MF)膜(其能够筛选出原子量在约80000道尔顿到约10000000道尔顿之间的材料)；超滤(UF)膜(其能够筛选出原子量在约5000道尔顿到约400000道尔顿之间的材料)；纳滤(NF)膜(其能够筛选出原子量在约180道尔顿到约15000道尔顿之间的材料)；反渗透(RO)膜(其能够筛选出原子量在约30道尔顿到约700道尔顿之间的材料)。
[0007]通常在正压力(例如3到40镑/每平方英寸(psi))或者负(真空)压力下操作的MF膜系统和UF膜系统能够用于去除颗粒物和微生物。MF膜和UF膜可以称作“低压膜”。相反地，通常在比MF膜系统和UF膜系统更高的压力下操作的NF膜和RO膜能够用于将水溶液中的溶解固体(包括无机化合物和有机化合物)去除。NF膜和RO膜可以称作“渗透膜”。基于孔隙尺寸以及带相反电荷的污染物(诸如许多常见的溶解固体)的排斥，渗透膜一般都要被充电，以增加它们的排斥污染物的能力。在某种程度上，反渗透(RO)膜、纳滤(NF)膜以及超滤(UF)膜能够用于交叉流过滤系统中，该交叉流过滤系统在连续过程(与间歇过程相反)中以小于100%的回收率操作。
[0008]反渗透是一种膜过程，该膜过程充当去除95%至99%的溶解盐、无机分子以及有机分子的分子过滤器。渗透是当水或其他溶剂自发性地从低浓缩的溶液通过半渗透膜进入高浓缩的溶液时发生的自然过程。在反渗透中，通过向浓缩溶液(供给液)施加外部压力来克服自然渗透力。因此，使水的流动反向且从供给溶液中去除已淡化的水(渗透液)，从而留下更浓缩的盐溶液(浓盐水)。可通过添加第二道膜来进一步改进产品水质，借此将来自第一到的产品水馈送到第二道。在如通常在商业上所采用的反渗透过程中，在容器壳(例如螺旋卷绕式反渗透膜)中将经预处理后的海水加压到介于850到1200镑/每平方英寸(psi)(5861kPa到8274kPa)之间。海水接触膜的第一表面，然后通过施压，使饮用水渗透过膜而被收集于相对侧处。该过程中产生的浓缩浓盐水(其具有高达约两倍于海水的盐浓度)送回海洋中。
[0009]RO膜和NF膜可以由沉积在聚砜基或其他基底上的聚酰胺膜构成。RO膜或NF膜的一种常见形式是被紧密缠绕成螺旋状结构的薄膜复合平片膜。更常见的UF膜被设置为中空纤维膜，但也可被用在螺旋卷绕式元件中。通过紧密地将大面积的膜装配成小体积，螺旋元件有效地利用了压力容器中的体积。螺旋元件通常包括邻接穿孔管的背对背平片膜的叶片。在每一叶片的背对背平片膜之间是渗透承载片，该渗透承载片将螺旋元件周围的处理后的水(通过叶片)输送到中央穿孔收集管。给水间隔件被卷绕成螺旋状，以分离相邻的叶片(和/或防止同一叶片在卷绕时接触本身)。在叶片相对彼此卷绕之后，它们相近约0.5毫米至IJ0.8毫米(大约是与膜叶片一起卷起的物理供给(原水)间隔件的厚度)。给水间隔件保持膜叶片之间有足够的通道，以便加压的给水(feed water)可以在它们之间流动。
[0010]在先进的水处理领域甚至在非水分离应用中，螺旋卷绕式膜元件已变得无处不在。针对最常见的应用，已设计螺旋膜元件和许多支持组件，但是也有其他的应用要求与螺旋膜元件相配的组件的替代设计。具体而言，传统地用于螺旋卷绕式膜元件的压力容器被设计用于相串联的几个元件。
[0011 ]螺旋膜元件通常水平定位，当给水穿过膜一次时，留在容器的端部处的是浓缩液。然而，一次穿过模式对于螺旋膜系统是非必要的，因此针对再循环给水系统的替换容器设计是可能的。直径较大的容器可以以并行方式而不是串行方式排列螺旋元件。针对这些大的容器，进入压力容器内部是关心的问题，这是因为整个直径大小的开口将会是极其不便利的和昂贵的。这些大的容器通常具有大的开口和重的盖子。当需要进入大的开口时，需要昂贵的连接，并且重的盖子需要提升装置(例如叉车或起重机)。
[0012]污垢是与膜水处理相关的单个最大的维护问题。当水中的污染物附着到膜表面上和/或堵塞在膜的孔隙中时，污垢出现。污垢会在处理过程中造成压力损失，从而增加能量成本并减小系统性能。许多清洁方法已经开发出了去污垢膜，但它们是复杂的，并且需要显著的停工时间，而且它们经常无法完全恢复膜的流量。
【发明内容】
[0013]各实施例涉及用于使用点/进水点水处理的水处理系统和方法，该水处理系统和方法利于使用浓缩液流用于其他非饮用用途。
[0014]在第一方面，提供了一种水处理系统。所述系统包括:被构造为容纳包含膜污染物的一定体积的液体的容器，所述容器具有入口和渗透液出口，所述容器与给水管路串联安装;设置于所述压力容器中的膜元件，所述膜元件以约Imm到约8mm的间隔而间隔开的一个或更多个膜片;被构造为将一定量的防污染颗粒送入液体中的防污染装置，其中所述防污染颗粒被构造为涂覆在所述膜元件的膜表面上，以形成吸引且保留膜污染物的保护层同时允许渗透液通过所述膜元件;其中所述膜元件的膜片的间隔被构造为减少给水的纵向水头损失，以使浓缩液流维持预定的分布压力。在一些实施例中，所述膜元件为螺旋卷绕式膜元件。在一些实施例中，所述膜元件为反渗透膜元件或纳滤膜元件。在一些实施例中，防污染颗粒具有1mVg或更大的比表面积。在一些实施例中，防污染颗粒具有30m2/g或更大的比表面积。在一些实施例中，防污染颗粒具有500m2/g或更大的比表面积。在一些实施例中，防污染颗粒具有0.5mm或更大的主尺寸。在一些实施例中，防污染颗粒具有1.0mm或更大的主尺寸。在一些实施例中，防污染颗粒被构造为吸收具有Imm或更小的直径的膜污染物。在一些实施例中，所述防污染颗粒包括硅藻土。在一些实施例中，所述防污染颗粒包括活性炭。在一些实施例中，所述膜元件的至少一个膜片以至少3mm的间隔而间隔开。在一些实施例中，所述水处理系统进一步包括一定量的粒子，所述粒子被构造为抑制膜污染物在所述膜元件上集聚。在一些实施例中，所述粒子的体积为液体的体积的约0.5 %至1 %。在一些实施例中，所述粒子具有不小于约1.0g/ml的密度。在一些实施例中，所述粒子具有非球形状。在一些实施例中，所述粒子的主尺寸小于或等于螺旋卷绕式反渗透膜元件或螺旋卷绕式纳滤膜元件的至少一个的膜片之间的间隔的一半。
[0015]在第二方面中，提供了一种处理包含膜污染物的液体的方法。所述方法包括步骤:向容器供应包含膜污染物的液体;所述容器具有入口、渗透液出口以及设置在所述容器中的膜元件，所述容器与给水管路串联安装，所述膜元件具有以约Imm到约8mm的间隔而间隔开的至少一个膜片；涂覆所述膜元件的膜表面，以形成吸引且保留膜污染物的保护层同时允许渗透液通过所述膜元件;在所述膜元件上施加压差，以驱动穿过所述膜元件的过滤过程，其中所述膜片的间隔减少所述给水的纵向水头损失，以使给水管路或浓缩液流维持分布压力；将来自所述渗透液出口的渗透液收集到收集容器中，以使随着所述收集容器中的渗透液的体积增加，所述膜元件上的压差减小，从而放慢所述膜元件上的过滤处理。在一些实施例中，所述膜元件为螺旋卷绕式膜元件。在一些实施例中，所述膜元件为反渗透膜元件或纳滤膜元件。
[0016]另一实施例是基本上如本文所述的方法。
[0017]另一实施例是基本上如本文所述的系统。
【附图说明】
[0018]图1A至图1F示出了根据实施例的用于水处理系统的具有膜元件的压力容器；
[0019]图2A示出了根据实施例的具有膜元件的压力容器的侧视图；
[0020]图2B示出了图2A的压力容器的横截面图；
[0021 ]图3A示出了传统的螺旋卷绕式膜元件的横截面图；
[0022]图3B示出了根据实施例的可以用于使用点/进水点水处理的具有改进的间距的螺旋卷绕式膜元件的横截面图；
[0023]图4A是根据另一实施例的在两个膜元件之间的具有添加到给水中的粒子(pellet)的供给通道的示意性横截面图；
[0024]图4B是根据另一实施例的在两个膜元件之间的具有添加到给水中的防污染颗粒和粒子且具有涂覆在膜上的防污染颗粒层的供给通道的示意性横截面图；
[0025]图5是示出根据实施例的使用点/进水点水处理的方法的处理流程图；
[0026]图6是示出根据另一实施例的使用点/进水点水处理的方法的处理流程图；
[0027]图7是示出根据另一实施例的使用点/进水点水处理的方法的处理流程图；
[0028]图8是示出根据另一实施例的使用点/进水点水处理的方法的处理流程图；
[0029]图9是示出根据另一实施例的使用点/进水点水处理的方法的处理流程图。
【具体实施方式】
[0030]现在将参考几个实施例的附图来对本发明的特征、方面和优点进行描述，这些实施例意在落在在此公开的本发明的范围内。通过下面参考附图对实施例的详细描述，这些和其它实施例对本领域的技术人员而言变得显而易见，本发明并不局限于公开的任何具体的实施例。
[0031]传统的反渗透淡化厂将反渗透膜暴露到高压盐水中。该压力迫使水穿过膜同时防止(或阻碍)离子、选定的分子及微粒穿过所述膜。淡化过程通常在高压下操作，且因此需要有高的能量。在第3，060，119号(Carpenter)、第3，456，802号(Cole)、第4，770，775 号(Lopez)、第5,229,005号(Fok)、第5,366,635号(Watkins)及第6,656,352号(Bosley)的美国专利以及第2004/0108272号(Bosley)的美国专利申请中描述了各种淡化系统，它们的公开内容均以全文引用的方式并入本文中。
[0032]对于饮用水系统，分配系统或当地的水源进入建筑物的水的质量往往不足以供人类消费，需要对其进一步处理以安全地消费。目前，许多系统都执行这种处理但有大量的水浪费。这些处理系统经常使用交叉流膜来处理仅一小部分(低至5%)的水，而其余的水都被浪费掉。这种废弃流常被称为浓缩液流或盐水流。
[0033]系统通过提供装置和工艺有效地将浓缩液流用于建筑物内的其他非饮用用途来解决废弃流的问题。如今，传统的膜系统利用分配系统的压力来驱动处理过程，由此在低压力或无压力下收集所产生的两种水流。该系统利用分布压力来驱动膜过程，并被构造为与家庭管路串联，以使浓缩液通过处理系统(通过绕过处理机构)被输送到建筑物内的其他用处。在本系统的实施例中，只有饮用水消费所需的纯净水从水中提取出来，而剩余的水在同一压力下行进到其预定目的地。在一些实施例中，系统可与家用洗涤槽串联连接以净化或处理水以供饮用等，而剩余的水可用于洗涤餐具、手等。在其他实施例中，系统可安装在进入商业建筑(诸如公寓楼)的水供给源处。
[0034]提供了用于净化和/或淡化水以及利用浓缩液作为其他非饮用水使用的系统。该系统涉及将一个或更多个膜(例如纳滤(NF)膜或者反渗透(RO)膜)暴露到液体静压。膜经受压力，该压力足以克服施加在膜第一侧上的给水(或原水)的渗透压力与膜本身的跨膜压力损失的总和。
[0035]在优选的实施例中，一个或更多个膜单元位于被构造为储存将要处理的水的压力容器中。源水可以从储水箱中获得。膜单元具有给水侧和渗透侧。给水侧暴露于源水的水压力，而渗透侧暴露于渗透液储存箱且流体地连接到渗透液储存箱(例如贮水箱(bladdertank))。源水与贮水箱之间的压差驱动膜上的过滤过程。在一些实施例中，以“敞开”构造方式构造膜单元或元件，使相邻的膜元件比在传统的渗透膜系统间隔开更大的距离，而不利用设置在给水侧的相邻的活性膜表面之间的传统的连续给水间隔件。这样的构造既可以抑制膜上的细菌和/或颗粒的沉积，又可以比传统的系统减少纵向水头损失。在一些实施例中，膜元件在压力容器内竖直排列。
[0036]该系统涉及将一个或更多个膜(例如纳滤(NF)膜或者反渗透(RO)膜)暴露到压力容器中被保持压力的水中。容器压力可以根据选定的膜和处理目标进行调整。在使用渗透膜(去除部分溶解固体的膜)的实施例中，例如，所需的最小操作压力将是给水和渗透液的渗透压差、跨膜压力以及通过容器的纵向水头损失的总和。
[0037]该系统采用具有大的敞开的给水间隔件或无给水间隔的松散堆积的螺旋卷绕式膜元件，以使纵向通过该膜元件的压力损失忽略不计，并使将污染或堵塞该膜元件的颗粒或其他污染物通过该系统。该系统包括设置在压力容器内的独特的膜元件构造，并且具有集成在该容器中的实时防污染系统。在一些实施例中，加压的给水被栗入到容器中，并通过交叉流膜过程将给水分离成渗透液(permeate)和浓缩液(concentrate)。该膜可以包括纳滤膜或反渗透螺旋卷绕式膜。这样的构造避免了由于传统的给水间隔件而在给水流路中形成的“死区”。可以通过任何合适的手段来维持膜之间的间隔(以避免由于表面张力使膜片倾向于彼此吸引且减少水头损失)。在一些实施例中，可以在相邻的膜片的一个或更多个边缘之间设置额外的间隔件，以阻止膜朝向彼此塌陷。在一些实施例中，间隔件可以沿着膜元件的前缘设置，而水的循环沿流路帮助维持膜元件的间隔。在一些实施例中，相邻的膜片比传统的螺旋卷绕式膜元件间隔开更远的距离(例如，多至少约2毫米)。在其他实施例中，相邻的膜片间隔开至少约4毫米或者至少约6毫米或者至少约8毫米或者至少约10毫米。在没有传统的噗状给水间隔片时较大的间隔阻止了由于表面张力而使相邻的膜片相互吸引且接触。与传统的螺旋膜系统相比，较大间隔以及不存在传统的连续给水间隔件也显著减少了通过该系统的纵向水头损失。
[0038]优选实施例的系统利用了各种构造的膜模块。水(渗透液)穿过膜而进入到对其进行收集的封闭容积中。特别优选的实施例采用刚性分隔件来维持低压(渗透液)侧的膜之间的间隔;然而，可以采用能够维持两个膜片的分离的任何合适的渗透液间隔件构造(例如具有一定程度的柔韧性或可变形性的间隔件)。间隔件可以具有能够维持膜片之间的分离的任何合适的形状、形式或结构，例如正方形、矩形或多边形的截面(实心或至少部分地空心)、圆形截面，工字梁等等。间隔件可用来维持位于收集渗透液的空间中的膜片之间的分离(渗透液间隔件)，并且间隔件可以维持位于暴露到未净化或未经处理的水的区域中的膜片之间的分离(例如未净化水间隔件)。或者，可以采用不利用未净化水间隔件的构造。反而，通过将膜保持在适当位置的结构(例如支撑框架)来提供分离。还可以通过例如一系列间隔开的膨胀塑料介质(例如，球体)、波纹形塑料编织纤维、多孔整料、非编织纤维片等来提供分离。此外，通过一系列支撑件编排膜单元可实现分离。类似地，间隔件可以由任何合适的材料制作而成。适合的材料可以包括刚性聚合物、陶瓷、不锈钢、复合物、涂覆有聚合物的金属等等。如上文所述，间隔件或提供间隔的其它结构用在两个膜表面之间的收集渗透液的空间内(例如渗透液间隔件)，或用于暴露到未净化水的活性膜表面之间(例如未净化水间隔件)。
[0039]在一个实施例中，与传统的RO膜元件相比，该系统的膜元件构造有开口更大的供给通道。该系统牺牲了封装密度、每单位容器体积的单位膜面积，以节省水。在螺旋卷绕式元件中所用的给水间隔件通常是决定元件的封装密度的主要因素。开口更宽的供给通道优选地允许水穿过元件，而不会损失太多压力，同时也避免了常见于传统膜元件中的颗粒污染。压力优选地用于在建筑物中使用针对非饮用水负载的水。传统的紧密型螺旋卷绕式膜元件通常需要更大的压力来推动给水穿过元件，且非饮用水负载的流量和压力将会受限。
[0040]图3A和图3B示出了两个螺旋卷绕式膜元件的横截面的对比图。传统的元件17被设计用于最大封装密度，在横截面图中供给通道是不可见的。但是，在一个系统中使用的膜元件18具有更大的通道，且没有交叉组件阻挡它们。
[0041]在该系统中优选地使用的膜元件不同于传统的使用点(point-of-use)处理膜，因为它预期地显著降低了膜上的(纵向的)压差，以保持使混合了规律的分布水的浓缩液分布在整个建筑物中的压力。传统的使用点系统利用被构造为螺旋卷绕式元件的反渗透(RO)膜。为了空间利益，这些螺旋卷绕式元件通过活性膜表面之间的纤细的给水间隔件而被紧密地封装，而给水和浓缩液几乎没有流动的空间。紧密封装意味着水纵向地流过元件时损失大量的压力。由此产生的压力损失使得浓缩液的重新分配有问题。此外，如果通过系统供给的水没有被充分地预处理，则这种紧密地封装将堵塞膜或造成膜污垢。仅在更多的流动供给通过系统的情况下，这种污垢和堵塞会增加。
[0042]在一些实施例中，膜包括比微滤(MF)膜相对更紧密和更平滑的超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜和反渗透(RO)膜。由于具有比典型的微滤(MF)膜更小的孔隙尺寸，因此这些膜不会允许较大的污染物积纳在它们的孔隙中。此外，经常充电的NF膜和RO膜可以将给水流中不同含量的溶解固体去除。相比纳滤膜，RO膜通常能够去除更多的溶解固体。在一些实施例中，NF膜和RO膜的使用需要比MF膜更高的驱动压力，使得膜表面之间的流量更低以及吸引力更低，从而有助于实施例的抗污染特性。
[0043]可选择地，一个或更多个螺旋卷绕式膜单元可用在松散地卷曲的构造中，在该构造中重力或水流可使较高密度的浓缩液穿过该构造并远离膜表面。膜元件可替代地排列成使表面暴露最大化且使空间需求最小化的各种其它构造(平面、曲形、波纹形等等)。在优选构造中，这些元件竖直排列。被引入的容器压力迫使水穿过膜，且收集系统收集处理后的水并将其释放到压力容器的外部位置(诸如储水箱)。浓缩液可在无重大的压力损失的情况下而通向建筑物内的其它用处。优选实施例的系统中可以采用任何合适的渗透液收集构造。
[0044]图1A至图1F以及图2A和图2B示出的一个实施例包括竖直设置在压力容器或者具有圆形截面的元件外壳2中的膜筒I。在一些实施例中，膜元件是具有约8英寸的直径及约40英寸的高度的螺旋卷绕式纳滤膜元件或者螺旋卷绕式反渗透膜元件。在其他实施例中，在螺旋卷绕式构造中的膜元件的直径可以是从I到50英寸，例如，至少约I英寸、至少约2英寸、至少约3英寸、至少约5英寸、至少约6英寸、至少约7英寸、至少约9英寸、至少约10英寸或更大。在其他实施例中，膜元件的直径可以介于约I至3英寸之间、约2至4英寸之间、约4至6英寸之间、约6至8英寸之间、约8至10英寸之间以及约10至12英寸之间。在一些实施例中，膜元件的高度可以为至少约3英寸、约4英寸、约5英寸、约6英寸、约8英寸、约10英寸、约12英寸、约15英寸、约18英寸、约20英寸、约25英寸、约30英寸、约35英寸、约40英寸、约45英寸或者约50英寸。在其它实施例中，膜元件的高度可以介于约6至10英寸之间、约10至12英寸之间、约
12至15英寸之间、约15至20英寸之间、约20至25英寸之间、约25至30英寸之间、约30至35英寸之间、约35至40英寸之间或者约40至45英寸之间。压力容器2的尺寸被形成为容纳竖直构造形式的螺旋卷绕式膜元件I。在一些实施例中，压力容器的直径可以超过膜元件的直径约I英寸、约2英寸或者约3英寸。在一些实施例中，压力容器的直径可以是约2英寸、约3英寸、约4英寸、约5英寸、约6英寸、约10英寸、约12英寸或者约15英寸。在其他实施例中，压力容器的高度可以超过膜元件的高度约I英寸、约2英寸、约3英寸、约4英寸或约5英寸。
[0045]如图1A至图1B和图2A至图2B进一步所示，压力容器2可以被两个端部件3和4封住。优选地，这两个端部件3和4是相同的。端部件3和4可被构造有与圆筒状的压力容器2的上下开口处的螺纹匹配的螺纹，这样端部件3和4可以螺纹连接到或者粘附到压力容器2。端部件3和4中的每个期望具有允许液体流入压力容器2及从压力容器2流出的三个开口。如图1D所示，在端部件3和4的侧边的一个开口 5允许液体流入压力容器2及从压力容器2流出。开口 5可以连接到具有开口 6、7和8的腔室。在一个实施例中，开口 6允许液体流过膜元件I，开口 7允许渗透液从压力容器2流出，开口 8是排水口或空气释放口。图1D中所示的开口的构造是一个示例，这些开口在其他实施例中可以有其他的构造。
[0046]图2A示出了根据实施例的封装后的容器和膜构造。如图2A所示，来自进水管路10的水可以通过端部件3中的开口 5进入容器2。经处理后的水或者渗透液12可以通过开口 7离开容器2。渗透液可被储存在贮水箱中，以供将来使用。流过的或未经处理的或未净化的水14可通过端部件4中的开口 5离开容器2。该未经处理的或未净化的水14可以返回水源储水箱中，或者可以被输送回家用管道中以供使用。如图2B所示，如上所述，端部件3和4可以有开口，以允许进行连接，使源水(source water)进入压力容器2且使渗透液和浓缩液离开压力容器2。在一些实施例中，将进水连接件或配件33被构造为将直径为0.5英寸的进水管附着到压力容器，而出水连接件或配件38被构造为将压力容器附着到直径为0.5英寸的出水管。在一些实施例中，在正常操作的条件(60psi分布压力或源水压力)下，介于0.1psi和
0.3psi之间的浓缩液的小的水头损失是可以被预计到的，这是因为与进水连接件和出水连接件中的每个的截面面积相比，膜片之间的间隔宽且压力容器的截面面积大。在一些实施例中，压力容器的截面面积可以是约2倍、约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约8倍或约1倍于进水管配件(或进水连接件)和/或出水管配件(或出水连接件)的截面面积。在一些实施例中，膜中的间隔的总面积大约等于1.5英寸的进水管和/或出水管的截面面积。
[0047]给水污染物倾向于积纳在基于膜的处理系统中的膜的孔隙中。污染物颗粒还倾向于在膜表面上形成覆盖层(其可以是数几颗粒的深度)，这可能会阻挡渗透液穿过膜。在反渗透和纳滤系统中，相对较小(例如，按照直径为大约I微米或更小的顺序)的污染物颗粒是特别容易导致这种类型的膜污染。
[0048]在一些实施例中，防污染颗粒可以被添加到给水(和/或膜表面)中，以减少或抑制由污染物颗粒造成的膜污染。图4A和图4B示出了已经被增加到给水中的防污染颗粒。图4A示出了这样一个实施例中的供给通道的示意性横截面视图。在图4A所示的实施例中，粒子(pellet)730被添加到给水中，且与可能存在的任何污染物颗粒712—起悬浮在给水中。粒子730可被构造成:在粒子沿着箭头731所指示的大致方向与给水一起运动时，接触且松动和/或移走可能已经定居在膜722的表面上或邻近于膜722的表面的任何污染物颗粒712。粒子730可以有任何合适的形状，包括图4A所示的圆柱形。合适形状的其他示例包括:球形、非球形、细长形、椭圆体、立方形、长方形、棱柱形、棱锥形、圆锥形或不规则的形状。粒子可以具有任何合适的尺寸。在一些实施例中，粒子的主尺寸或平均总主尺寸可以是从约0.1毫米到约2毫米，例如，约0.1毫米、约0.2毫米、约0.3毫米、约0.4毫米、约0.5毫米、约I毫米、约
1.5毫米、约2毫米，或者其主尺寸大于这些数字中的任何一个、小于这些数字中的任何一个或者可在由这些数字限定的范围之内。在一些实施例中，粒子的主尺寸可以小于或等于膜722之间的距离的一半。例如，在一个实施例中，采用了约2.5毫米的膜间隔，该粒子的主尺寸可以例如小于或等于约1.25毫米。在一个实施例中，采用了约3.2毫米的膜间隔，该粒子的主尺寸可以例如小于或等于约1.6毫米。该粒子可以包括任何适合其预定目的的材料，例如塑料、陶瓷或其他材料。这些粒子可以是非渗透性的或者微渗透性的，它们可以是实心的或者空心的。这些粒子可以具有任何合适的密度，包括例如约0.9克/毫升的密度、约I克/毫升的密度、约1.2克/毫升的密度、约1.5克/毫升的密度，或者包括比这些数字中的任何一个都更大的密度，或者包括比这些数字中的任何一个都更小的密度，或者包括在由这些数字中的任何两个限定的范围之内的密度。
[0049]图4B是另一个实施例中的供给通道的示意性横截面视图。图4B示出的防污染颗粒726和粒子730被添加到给水中，且与已经存在的污染物颗粒712—起悬浮在给水中。图4B也示出了防污染颗污染物颗粒移走的功能。粒726的覆盖膜722的覆盖层728。在采用防污染颗粒和粒子抑制膜污染的实施例中，粒子能够起到将位于膜表面上的防污染颗粒以及采用这样的方法，粒子的添加可以促进防污染颗粒运动通过供给通道。粒子的添加还可以促进覆盖在膜表面上的防污染颗粒的持续更换。
[0050]在一些实施例中，防污染层可以形成在一个或更多个膜的表面上，以抑制或防止污染物颗粒覆盖在膜表面上形成不透水层而污染膜。在一些实施例中，防污染层可以包括多个防污染颗粒。在其它实施例中，防污染层可以包括吸附材料的连续层。在一些实施例中，防污染层可以在膜元件被安装到压力容器中之前形成在膜表面上。在其它实施例中，在处理过程中，通过提供防污染颗粒悬浮在给水中且使防污染颗粒附着并覆盖在膜表面上，防污染层可以自然地逐步建立。在膜表面上增加防污染层可以抑制或防止污染物颗粒覆盖在膜表面上形成非渗透性的或者不透水的覆盖层而污染膜。
[0051]图4A和图4B所示的膜722可以例如是渗透膜(即NF膜或RO膜)。添加到给水中的防污染颗粒726可以例如是硅藻土颗粒、活性炭颗粒或者为了预定目的而具有合适的孔隙率和/或比表面积的任何其他材料颗粒。该材料可以是相对惰性的，或者可以被选择为与特定的污染物(例如工业污染物)产生反应。在实施例中，能够被用作防污染颗粒的材料的其他示例包括粘土、皂土、沸石、珠光体。在一些实施例中，防污染颗粒可以被选择为具有孔隙率和/或比表面积，以便吸引并吸附特定的污染物颗粒，例如，直径例如约I微米或者更小的污染物颗粒。例如，在一些实施例中，防污染颗粒的直径(或主尺寸)可以是0.5微米或以上、I微米或以上、1.5微米或以上、2微米或以上，或者其直径(或主尺寸)比这些数字中的任何一个都大、比这些数字中的任何一个都小、或者在由这些数字中的任何两个限定的范围之内。另外在一些实施例中，防污染颗粒的比表面积可以是10平方米/克或以上、20平方米/克或以上、30平方米/克或以上、40平方米/克或以上、50平方米/克或以上、60平方米/克或以上、70平方米/克或以上、80平方米/克或以上、90平方米/克或以上、100平方米/克或以上、200平方米/克或以上、300平方米/克或以上、400平方米/克或以上、500平方米/克或以上、1000平方米/克或以上、1500平方米/克或以上，或者其比表面积比这些数字中的任何一个都大、比这些数字中的任何一个都小、或者在由这些数字中的任何两个限定的范围之内。除具有高的孔隙率和/或表面积的防污染颗粒之外或者可选地，在多个实施例中，吸收颗粒、高电荷颗粒、磁性颗粒或者其他颗粒可以被增加到给水中作为例如去除特定污染物的防污染颗粒。关于将防污染颗粒添加到给水和/或膜表面的更多的细节可在名称为“水处理系统及方法(WATER TREATMENT SYSTEMS AND METHODS)” 的第8,685，252号美国专利中找到，该美国专利的内容通过引用被全部包含于此。
[0052]在一些实施例中，浓缩液随着整个建筑物中非饮用水的每次使用而流出。以这种方式，几乎100%的水被有效地利用。虽然使用在建筑物中的用于其他用途的(非饮用的或非净化的)水将会具有浓度略微升高的由膜去除的成分，但很少或不浪费。然而，由于传统的饮用用途远比非饮用用途小，因此这种浓度升高可以是微不足道的。
[0053]例如，如果一个家庭一天使用I立方米的非饮用水及0.1立方米的饮用水，则膜将总溶解固体从600毫克/升减少到200毫克/升，由此得到的非饮用负载将接收到644毫克/升的总溶解固体(TDS)浓度。这一浓度仅比未被膜处理之前的浓度高44毫克/升(仅升了7.4%)。对于非饮用用途，这是无需担心的。这个例子假设非饮用负载比饮用负载的比率为10比I。在世界的许多地方，这个比率可能会更高，从而使得相应的浓缩液更稀。
[0054]在一些实施例中，该系统的构造也可以用于需求净化水且具有更大的次净化水负载的商业和工业场合中。这种次净化负载的订单量优选地应该是更高的净化负载的约2到10倍，以使浓度效应最小化。例如，餐厅中使用非净化水洗盘子，但需要净化水来做饭和饮用。可以使用的该系统的实施例的另一个示例是具有大的冷却水供给和废水流的工业企业。这种类型的企业通常也需要极少量的净化水添加到他们的锅炉中。在一些实施例中，该系统的各实施例可以每天处理5加仑到100加仑的水。在其他实施例中，该系统可以每天处理至少5加仑、至少15加仑、至少25加仑、至少30加仑、至少40加仑、至少50加仑、至少60加仑、至少75加仑、至少85加仑、至少100加仑、至少115加仑或至少125加仑的水。在用于商业用途的其他实施例中，例如在公寓或办公楼中，该系统可以每天处理至少150加仑、至少200加仑、至少300加仑或至少500加仑的水。
[0055]图5示出了根据实施例的处理水且收集用于非饮用用途的浓缩液的过程图。来自给水源处的被加压的源水大体上自由地流过包含在压力容器中的膜元件。膜的源水侧和膜的渗透液侧之间的压差导致渗透液流到膜的低压侧(渗透液侧)。源水11从分布系统(当地水源或者源水箱)进入系统中。源水11被输送到串联连接的包含螺旋卷绕式反渗透膜元件或螺旋卷绕式纳滤膜元件的膜容器12中。渗透水13被输送到饮用水用处15。被正常处置的浓缩液14输送到建筑物中的非饮用水负载16(即清洁房、洗衣房、厕所、淋浴房等)。虽然现有的技术可以收集用在非饮用水负载16处的浓缩液14，但是这些现有的技术需在小到没有压力的情况下才能这样做，也就是说，水被储存在容器中，然后通过其他的手段运动到非饮用水用处。该系统优选地保持了浓缩液的压力，并将浓缩液与额外的进入建筑物中且穿过膜元件的给水进行混合。在一些实施例中，由分配系统进入该系统的水的压力可以为约60ps i，而离开该系统的浓缩液的压力约为59psi。在其它实施例中，被该系统处理的源水的压力可以介于15psi和10psi之间、25psi和85psi之间或者50psi和70psi之间。在其它实施例中，被设计用于商业应用的系统处理的源水的压力是可以介于300psi和500psi之间。在一些实施例中，水头损失介于0.1psi和0.3psi之间。在其它实施例中，水头损失介于0.1psi和0.5psi之间，或介于0.5psi和Ipsi之间，或介于]^8；[和2口8；[之间，或介于2psi和4psi之间。术语“非饮用”用途可以指任何不需要净化水的用途。
[0056]图6示出了根据另一个实施例的处理水且收集用于非饮用用处的浓缩液的过程图。来自给水源处的被加压的源水502流入包含膜元件的压力容器504中。膜的给水侧和渗透液侧之间的压差驱使渗透液流到膜的低压侧(渗透液侧)。渗透液流506被容纳在储存箱或者其他的储存设备508中。可根据需要将储存在储存箱508中的水输送到需要或需求经处理或加工后的水的负载处。浓缩液512预期在与源水502相同的压力下被输送到非饮用负载。
[0057]在图7中示出了处理水且收集浓缩液用于其他非饮用水用处的过程图的另一个实施例。来自源水容器单元(例如，储存箱或分布系统402)的水从源水箱流到压力容器408 ο经处理后的水或渗透液409从压力容器408流出而流到贮水箱410。然后，这种经处理后的水或渗透液可以被直接输送到任何需要净化或处理后的水的用处412。浓缩液或者通过流体406预期在与源水404相同的或大体相同的压力下从压力容器408流出。与传统的水处理系统不同的是，该浓缩液虽然是废弃物，但可以被输送到不需要经处理或净化后的水的其他用处。在一些实施例中，例如如图6所示的实施例中，该浓缩液可以被转移回源水容器单元或储存箱402中，以与源水混合，而用于其他的非饮用用途。压力容器408还构造了排水器件414，该排水器件414可在膜被堵塞时清洁或清空压力容器408。根据实际应用，管路404、406、409、412和414可以包括阀门或其它流量调节装置和/或压力调节装置。
[0058]如上文所述，在系统中使用的膜可以进行预处理或者涂覆有防污染颗粒，以抑制或防止污染物附着到膜表面而造成膜污垢或膜堵塞。预期地是，在系统中使用的膜比传统的使用点或进水点系统所使用的膜需要更少的维护和清洁。膜上的防污染层可以充当类似于海绵的角色。首先，膜层是多孔的，水可以容易地穿过膜。当膜污染时，需要额外的压力来使水穿过膜。通常需要“休息周期”或其他的时间段来清除膜的堵塞。将渗透液或经处理后的水储存在贮水箱中为系统提供了自动的休息周期，以允许清除膜的堵塞。随着贮水箱的装填，膜元件的渗透液侧的压力增大。由于该系统依靠源水或给水与渗透液之间的压差来驱使水穿过膜，因此随着渗透液侧的压力增大，该压差减小。其结果是，穿过压力容器中的膜的表面的水的流动会放慢或停止。这种放慢使膜疏通的同时，将所需的维护最小化。
[0059]在图8中示出了处理水且收集用于其他未净化水用处的浓缩液的方法的过程图的另一个实施例。如图所示，来自给水源水箱或其他水源620的水通过水箱增压器或栗622输送。该增压器622能够增加给水的压力，并以升高后的压力将给水602输送到压力容器604。如上所述，渗透液606可以被储存在贮水箱608中。可从贮水箱608中抽取渗透液610，以用于饮用用途。如前所述，浓缩液612可用于其他非饮用用途。给水源(如储存箱620)、栗或增压器622以及包含膜元件的压力容器604可位于建筑物的外表面上，如标示出的墙壁607上。在一些实施例中，储存箱620、栗或增压器622和/或压力容器604可以安装到建筑物的屋顶上，而重力可以用于帮助渗透液和浓缩液从压力容器604流动。理想的是，使贮水箱608靠近渗透液的使用点。
[0060]在图9中示出了处理水且收集用于其他未净化水用处的浓缩液的方法的过程图的另一个实施例。在这个实施例中，两个压力容器804A、804B并行排列，以处理比单一压力容器和膜元件所可能处理的体积更大的水源给水801体积。水源给水801可以通过管路802A、802B输送到压力容器804A、804B。经处理后的水或渗透液806A、806B可以输送到两个独立的储存箱808A、808B，或者可以输送到单个储存箱。来自压力容器804A、804B的浓缩液流812A、812B可以一起输送用于非饮用用处814。在其它的实施例中，来自每个压力容器的浓缩液流可以彼此保持独立。
[0061]虽然已经在附图和前面说明中详细图示和描述了本公开，但这种图示和描述被理解为说明性或示例性而非限制性的。本公开不局限于公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域的技术人员在实践所要求保护的本公开时可以理解并实施所公开的实施例的各种变形。
[0062]在此引用的全部参考文献均以引用的方式并入本文中。由于以引用方式并入的公开案及专利或专利申请案与本说明书中所含有的揭示内容相矛盾，因此意图使本说明书取代和/或优先于任何此类矛盾材料。
[0063]除非另外定义，否则所有的术语(包括技术术语和科学术语)都被赋予本领域的普通技术人员所理解的通常和习惯的意思，并且除非这里明确地定义，否则所有的术语不被限制于特定的或专有的意思。应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时使用的特定术语不应当被认为暗示该术语在这里被重新定义而局限于包括本公开的特征或方面中与该术语相关联的任意具体特征。除非另有明确说明，否则本申请中(尤其是所附权利要求书中)使用的术语和短语及其它们的各种变形应当被理解为是开放式的，而不是限制性的。作为前述的示例，术语“包括”应被理解为是指“包括而不限于”、“包括但不限于”等;如本文使用的术语“包含”与“包括”、“含有”或“特征在于”同义且为包括式或开放式的，并且不排除另外的、未列举的元件或方法步骤;术语“具有”应被解释为“至少具有”；术语“包括”应被解释为“包括但不限于”；术语“示例”用于提供所讨论项目的示例性实例，而不是其中一个穷尽的或有限制的列表;形容词例如“已知的”、“一般的”、“标准的”和有相近意思的术语不应该被解释为描述的给定时期内的限制条款或有可能作为给定时期内的条款，而应该被理解为是包括已知的、一般的或现在或将来的任何时间可提供的或已知的标准技术;术语如“优选地”、“优选的”、“所需的”或“期望的”以及类似含义的词语的使用应被理解为意味着一些特征是关键的、必需的或甚至对本发明的结构或功能是重要的，但正相反，仅意图强调可用于或者可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。同样地，除非另有明确说明，与连词“和”连接的一组项目应被理解为要求在所述分组中存在那些项目的各个，而不应被理解为“和/或”。类似地，除非另有明确说明，与连词“或”连接的一组项目应被理解为要求在所述分组之中的互斥性，而不应被理解为“和/或”。
[0064]提供的数值范围，其应当被理解为上限值和下限值，并且在数值范围的上限值和下限值之间的每一中间值都包括在实施例中。
[0065]关于本文中基本上任何的复数和/或单数术语的使用，当适合上下文和/或申请时，本领域技术人员可以将复数转化为单数和/或将单数转化为复数。为清楚起见，本文可清楚地阐述各种单数/复数置换。不定冠词“一 (a)”或“一个(an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的几个项目的功能。相互不同的从属权利要求中记载的某些手段不意味着这些手段的组合不能用以获利。权利要求中的任何参考标号不应被理解为限制范围。
[0066]本领域的技术人员还将理解，如果所引入的权利要求叙述物的具体数字是有意图的，那么在权利要求中将会明确地叙述这个意图，在没有这种叙述时则没有这种意图。例如，为了帮助理解，所附权利要求可包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求叙述物。然而，这些短语的使用不应解释为暗示，通过不定冠词“一(a) “或“一个(an)”引入权利要求叙述物时将包含该所引权利要求叙述物的任何特定权利要求限于仅包含一个这样的叙述物的实施例，甚至当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一”或“一个”的不定冠词时也是如此(例如，“一”和/或“一个”应解释为表示“至少一个”或“一个或多个”)；对于用于引入权利要求叙述物的定冠词的使用来说同样如此。另外，即使明确叙述了所引权利要求叙述物的具体数字，本领域的技术人员也将认识到，这样的叙述应当解释为表示至少是所叙述的数字(例如，在没有其他修饰语的情况下，“两个叙述物”的纯粹叙述表示至少两个叙述物、或两个或更多个叙述物)。而且，在那些使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的习语的例子中，通常这样的结构意指本领域的技术人员所理解的该习语的意思(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”包括但不限于仅有A、仅有B、仅有C、有A和B、有A和C、有B和C、和/或有A、B和C等等的系统)。在那些使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的习语的例子中，通常这样的结构意指本领域的技术人员所理解的该习语的意思(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”包括但不限于仅有A、仅有B、仅有C、有A和B、有A和C、有B和C、和/或有A、B和C等的系统)。本领域的技术人员还将理解，无论是在说明书、权利要求还是附图中，给出两个或更多个备选项的实际上任何转折词和/或短语应理解为预期到包括这些项中的一个、这些项中的任意一个或两个项的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”这几种可能。
[0067]用于本说明书中的表示材料数量、反应条件等的所有数值均应理解为在所有情况下由术语“大约”或“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则说明书中所阐述的数字参数均为可依据试图获取的所需性质而变化的近似值。最起码，并非试图限制本申请的任何申请优先权中的任何权利要求的范围的等效内容的原则的应用，每一数字参数均应依据有效数字及普通舍入方法来加以解释。
[0068]此外，虽然为了清楚和理解目的，已经通过附图和实施例详细地描述了前述内容，但对本领域技术人员明显的是，可以实施一些改变和修改。因此，描述和示例不应被理解为将本发明的范围局限于这里描述的具体实施例和示例，应当清楚地理解，相反的是还包括属于本发明真实范围和精神的所有修改和替代。
【主权项】
1.一种水处理系统，包括: 压力容器，被构造为容纳一定体积的包含膜污染物的液体，所述压力容器具有入口和渗透液出口，所述压力容器与给水管路串联安装； 膜元件，设置于所述压力容器中，所述膜元件具有以约Imm到约8mm的间隔而间隔开的一个或更多个膜片； 防污染装置，被构造为将一定量的防污染颗粒送入到液体中，其中所述防污染颗粒被构造为涂覆在所述膜元件的膜表面上，以形成吸引且保留膜污染物的保护层同时允许渗透液通过所述膜元件； 其中，所述膜元件的膜片的间隔被构造为减少给水的纵向水头损失，以使浓缩液流维持预定的分布压力。2.根据权利要求1所述的水处理系统，其中，所述膜元件为螺旋卷绕式膜元件。3.根据权利要求1或2所述的水处理系统，其中，所述膜元件为反渗透膜元件或纳滤膜元件。4.根据权利要求1至3任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒具有10m2/g或更大的比表面积。5.根据权利要求1至4任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒具有30m2/g或更大的比表面积。6.根据权利要求1至5任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒具有500m2/g或更大的比表面积。7.根据权利要求1至6任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒具有0.5mm或更大的主尺寸。8.根据权利要求1至7任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒具有1.0mm或更大的主尺寸。9.根据权利要求1至8任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒被构造为吸收具有Imm或更小的直径的膜污染物。10.根据权利要求1至9任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒包括硅藻土。11.根据权利要求1至10任一项所述的水处理系统，其中，防污染颗粒包括活性炭。12.根据权利要求1至11任一项所述的水处理系统，其中，所述膜元件的一个或更多个膜片以至少3_的间隔而间隔开。13.根据权利要求1至12任一项所述的水处理系统，其中，所述水处理系统进一步包括一定量的粒子，所述粒子被构造为抑制膜污染物在所述膜元件上集聚。14.根据权利要求1至13任一项所述的水处理系统，其中，所述粒子的体积为液体的体积的约0.5%至10 %。15.根据权利要求1至14任一项所述的水处理系统，其中，所述粒子具有不小于约1.0g/ml的密度。16.根据权利要求1至15任一项所述的水处理系统，其中，所述粒子具有非球形状。17.根据权利要求1至16任一项所述的水处理系统，其中，所述粒子的主尺寸小于或等于螺旋卷绕式反渗透膜元件或螺旋卷绕式纳滤膜元件的一个或更多个膜片之间的间隔的约一半。18.—种处理包含膜污染物的液体的方法，其中，所述方法包括: 向容器供应包含膜污染物的液体，所述容器具有入口、渗透液出口以及设置在所述容器中的膜元件，所述容器与给水管路串联安装，所述膜元件具有以约Imm到约8mm的间隔而间隔开的一个或更多个膜片； 涂覆所述膜元件的膜表面，以形成吸引且保留膜污染物的保护层同时允许渗透液通过所述膜元件； 在所述膜元件上施加压差，以驱动所述膜元件上的过滤过程，其中所述膜片的间隔减少给水的纵向水头损失，以使给水管路或浓缩液流维持分布压力； 将来自所述渗透液出口的渗透液收集到收集容器中，从而随着所述收集容器中的渗透液的体积增加，所述膜元件上的压差减小，以放慢所述膜元件上的过滤过程。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述膜元件为螺旋卷绕式膜元件。20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述膜元件为反渗透膜元件或纳滤膜元件。21.—种基本上如本文所述的方法。22.一种基本上如本文所述的系统。
【文档编号】B01D61/02GK106061589SQ201480070005
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月5日
【发明人】米歇尔·肖恩·马德威, 冯殿轩, 柯蒂斯·罗斯
【申请人】智慧滤水系统有限责任公司