用于反冲洗陶瓷膜的系统和方法与流程

文档编号:14477942
研发日期:2018/5/19

本申请要求2015年6月19日提交的美国临时申请号为62/182,244的美国临时申请的优先权。该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

一种用于操作陶瓷膜的系统和相关方法。



背景技术:

已知了陶瓷膜相对于聚合物在寿命、高温稳定性、在高压下操作的能力以及耐各种化学品方面都有益处。然而,需要复杂且昂贵的系统才能有效地使用陶瓷膜。具体而言,这些系统或者使用了高压反向脉冲,优选地具有设计成在高于数巴的压力下,在极短时间内用压力波击打膜的系统,或者通过大量的重复循环连续地扫除保留在膜表面上的材料。这些导致在设计利用陶瓷膜的系统时成本过高且过于复杂。

聚合物中空纤维系统通常设计成不具有这些设计特征,但生产率非常低(每平方米的聚合物膜每小时通常产生50-100升的水)。由于聚合物膜更容易结垢和破损,因此其使用寿命较短,并且需要频繁更换(通常每3-10年更换一次)。尽管已知的陶瓷膜的使用寿命较长(15-25年),但缺乏反脉冲和/或交叉流动系统会妨碍利用陶瓷对设计成与聚合物膜一起使用的系统进行改造以利用其众多益处。

已经使用了聚合物和陶瓷膜来去除来自各种水域的多种污染物。聚合物系统通常由多个一起封装在包含20-100m2的膜面积的外壳中的中空纤维制成。其通常很少进行重复循环,并且更常见的是在一段时间内无重复循环,接着进行清洁反冲,其中将水流量以正向流动步骤的流量的0.2至2倍逆转。在一些情况下,将空气注入到膜的底部,并允许其在膜旁边上升以通过空气冲刷进一步去除污染物。

陶瓷膜的每个组件通常具有较小的有效面积,通常最高达到25m2。这些陶瓷膜通常包括具有沿膜长度向下延伸的多个进料通道的陶瓷块。由于通道的六角形排列,这种陶瓷膜有时被称为蜂巢式设计。通道涂有分离层,并且给水流入这些通道,同时经处理的水离开组件外部。通过陶瓷膜的低污垢表面可以实现,膜比聚合物运行得更积极,通常每平方米每小时100-500升,因此,每个组件产生相似量的水。与聚合物膜相比,这种较高的流量导致污垢在膜表面上更迅速地沉积。由于较高的反冲洗压力在去除污垢方面更有效,并且陶瓷膜对压力具有稳定性,因此可以使用将物质提升离开表面的高压反脉冲(通常为3-5巴(bar))和使水涌过进料侧以将物质扫入排放系统中的清洗步骤有效地去除这种保留的材料。以这种类型的死端或低交叉流操作模式运行的陶瓷系统通常具有典型地为每1至2小时的反向脉冲频率。需要如此长的时间来保持高系统回收率,其中每个脉冲使用的水增加。这种操作模式导致陶瓷系统设计发生一些重大改变(例如,WO2015/053622和US8083943)。由于在此步骤期间使大量的水涌过系统(反脉冲期间的流速通常是正向流动的流速的5-10倍),因此在渗透侧和排放侧两者上均需要使用相当大的管径来最小化管道中的压力损失,然后甚至可以将更少数量的膜组装到膜架中,产生许多与聚合物膜系统相比更小的膜架。通常使用反脉冲罐来提供高压下的反脉冲水,并且整个系统和管道设计成小心地避免渗透侧存在夹带的空气,这将减缓由于可压缩气体的存在而导致的压力积累。

替代地,一些陶瓷膜已经使用相对较大的重复循环速率来清除膜表面上的物质,并延长暴露于逆流之间的操作时间来进一步清洁膜。这需要更大的管道用于膜组件,并需要更大的泵来处理供给每个组件的流速的增加。通常,结果是为典型的陶瓷膜产品提供了更复杂的系统。



技术实现要素:

在一个或多个实施例中,一种方法包括以第一速率将给水以正向方向提供到陶瓷膜处理系统中,陶瓷膜处理系统包括至少一个陶瓷膜,和测定系统的生产周期数据,生产周期数据包括积累数据、进料压力数据和自上次反冲以来的时间中的一个或多个。该方法还包括基于先前流量维持事件的生产周期数据和效率测定最佳物理流量参数,进行包括加速清洁至少一个陶瓷膜的流量维持事件,进行包括以第二速率反冲洗陶瓷膜的流量维持事件,其中第二速率通常为第一速率的0.5-3倍,进行基于最佳物理流量参数的流量维持事件。

在一个或多个实施例中,陶瓷膜处理系统包括与至少一个阀流体耦接的泵,并且加速清洁至少一个陶瓷膜包括在打开阀之前使泵倾斜升高以建立陶瓷膜处理系统内的压力。

在一个或多个实施例中,加速清洁包括启动反冲洗中的起动力,并且通过关闭出口隔断阀来准备用于快速流动递送的起动力,维持起动反冲洗力直到供给给水停止流动。

在一个或多个实施例中,该方法还包括释放出口隔断阀以在给水补给停止之后允许第二流速快速上升,并且任选地继续反冲通过出口隔断阀持续预定的时间段。

在一个或多个实施例中,启动用于反冲洗的起动力包括关闭反冲洗泵出口隔断阀并且相对阀倾斜反冲洗泵,并且任选地倾斜升高包括在处理系统内倾斜升高到预定压力。

在一个或多个实施例中,启动反冲洗的起动力包括关闭反冲洗压力出口隔断阀,和相对出口隔断阀增加反冲洗罐驱动气体压力。

在一个或多个实施例中,该方法还包括在至少一个陶瓷膜之前将0.5-5ppm的凝结剂添加到给水中。

在一个或多个实施例中,将给水供给到陶瓷膜组件中仅以死端模式进行。

在一个或多个实施例中,将给水供给到陶瓷膜组件中仅以低交叉流模式进行。

在一个或多个实施例中,该方法还包括在进行流量维持事件之后跟踪组件回收率,并使用该数据来测定下一个流量维持参数。

在一个或多个实施例中,至少一个陶瓷膜的加速清洁包括平方步进反冲洗(square step backwash)速率增加。

在一个或多个实施例中,陶瓷膜处理系统包括至少一个包含一个或多个陶瓷膜的陶瓷膜组件,该膜组件具有至少一个给水输入。

处理系统还包括给水系统,该给水系统包括至少一个给水储存器、给水管路和给水泵。给水管路流体耦接在该至少一个给水储存器与陶瓷膜组件的给水输入之间。给水泵与位于至少一个陶瓷膜组件与给水储存器之间的给水管路耦接。

处理系统还包括渗透系统,其包括渗透管路和渗透物储存器。渗透管路耦接在至少一个陶瓷膜组件与渗透物储存器之间。渗透系统包括与渗透泵耦接的第二渗透管路以在下游泵送渗透物。

处理系统还包括至少一个反冲洗系统,其包括反冲洗管路和反冲洗泵。反冲洗管路耦接在渗透管路与渗透物储存器之间,其中反冲洗管路具有出口隔断阀。

处理系统具有加速的清洁模式,其中启动反冲洗泵直到来自给水储存器的正向流动停止并且反冲洗管路内的压力相对于出口隔断阀升高,并且释放出口隔断阀以实现至少一个膜的平方步进清洁功能。

处理系统还具有数据收集模式,其中收集关于积累数据、进料压力和先前反冲之间的时间的数据。

处理系统还具有数据评估和维持测定模式,其中评估来自数据收集模式的数据,并且从数据收集和数据评估测定最佳维持参数。

在一个或多个实施例中,在加速清洁模式中,相对阀将反冲洗罐驱动气体压力升高到选定的设定值。在一个或多个实施例中,在加速清洁模式中,相对出口隔断阀将反冲洗泵倾斜升高到选定的设定值。

通过参考本发明的以下描述以及附图或者通过实践本发明,本发明的这些和其它实施方式、方面、优势和特征将在以下描述中部分地进行陈述,并且将变得对本领域技术人员来说显而易见。通过在所附权利要求书及其等效物中特别指出的手段、程序和组合来实现并且获得本发明的方面、优势和特征。

附图说明

图1是根据一个或多个实施例的系统的一部分的方框图。

图2-4示出了根据一个或多个实施例的使用中的系统的数据。

图5示出了关于沉积量与流量、反冲/脉冲之间的时间以及固体负载量的表格。

图6示出了根据一个或多个实施例的使用平方步进反冲洗方法的反冲洗流速的图表。

具体实施方式

以下详细描述包含对形成详细描述的一部分的附图的参考。所述图式以说明的方式展示可以在其中实践设备的特定实施方式。充分详细地描述在本文还被称为“实例”或“选项”的这些实施方式以使得本领域技术人员能够实践本发明的实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下,可以组合所述实施方式、可以利用其它实施方式或者可以作出结构或逻辑改变。因此,将不在限制性意义上看待以下详细描述,并且本发明的范围是由所附权利要求书和它们的合法等效物来限定。

在此文献中,使用术语“一”以包含一个或一个以上,并且使用术语“或”来指非排他的“或”,除非另有指示。另外,将理解,本文所采用并且没有另外界定的措辞或术语仅用于描述的目的而不是限制的目的。

在本文件中,术语反冲和反冲洗可互换地用于描述净化水在相对于在低速率(0.5至3倍的正向流动)下的净化期间的水流的相反方向上的流动,其中驱动压力由泵产生。术语反脉冲用于描述净化水在相对于在高速率(5至10倍的正向流动)下的净化期间的水流的相反方向上的流动,其中驱动压力由加压储液器产生。

本文描述了一种系统和方法,其包括进行的高频反冲洗,并且在膜表面上积累大量物质之前。

图1示出了包括系统100的系统,系统100包括在陶瓷膜120的第一方向上的给水的输入。系统100还包括UF渗透物储存器,其具有通过反冲洗泵反冲洗陶瓷膜120的输出。渗透物储存器还具有用于超滤(UF)滤液的输出以用于再使用或进一步处理。在一个或多个实施例中,陶瓷膜以其中进料流速等于渗透流速的死端模式使用。在一个或多个实施例中,陶瓷膜以低交叉流模式使用,可以使用少量的交叉流,并且进料流速可以高达渗透流速的两倍。

在一个或多个实施例中,在陶瓷膜上进行低流量反冲以清洁膜。在一个或多个实施例中,低流量反冲以正向冲洗流量的0.5至3倍的速率进行。在一个或多个实施例中,低流量反冲以约每5-60分钟一次或更优选为约每10-30分钟一次的频率进行。在一个或多个实施例中,在至少一个陶瓷膜的表面上积累少于1700mg/m2的物质之前,或者在表面上积累1000-1700mg/m2的物质之前,或者甚至更优选为在表面上积累600mg/m2的物质之前进行反冲洗。图5示出了另外的选项。在一个或多个实施例中,在正向流动循环开始时进料压力上升至其压力的30%之前进行反冲洗。

高频率下的低流量反冲能够像反冲脉一样有效地从陶瓷膜上除去污染物。在优选的操作方法中,每次反冲除去沉积在表面上的物质的50-95%(去除效率),甚至更优选为75-97.5%去除。通过这种去除效率和相对低的反冲速率,排出流的浓度相对于进料流的浓度(浓度系数)为30-75,且甚至更优选为45-85。注意,排出物中测量的固体浓度可能与这些浓度系数不同,这是由于正向进料冲洗造成的体积变化。

在具有少量污垢沉积的陶瓷膜中,反冲的流动分布得到改进。反冲洗之间的较长时间具有增加系统可产生的水的量的益处,但这被在较短时间内提高的效率平衡。在基于特定水源的反冲洗之间优化该时间对于最有效的系统操作是有用的。

反冲的持续时间可以变化,并且可被最小化使得即使通过使用短持续时间的反冲洗的高频率反冲洗操作仍可保持高的系统回收率。优选地,反冲洗的持续时间小于30秒,甚至更优选它小于15秒。在低流量反冲洗之后,通过通道供给一些给水以将污染物扫入系统出口中。为了使用与用于正向流动操作相同的泵,优选的是,该流速不大于正向流速的3倍。甚至更优选地,该吹扫流量不大于正向流速的2倍。在一个或多个实施例中,以死端模式使用陶瓷膜。死端流量是一种其中在通过膜产生处理水的同时,进料流速大约等于处理水流速的方法。

在一个或多个实施例中,以死端模式使用陶瓷膜,并且可以使用少量的交叉流进料模式。交叉流操作是一种其中进料流速高于处理水流速,并且额外的进料流量在通过陶瓷膜中的进料通道之后离开组件的方法。在一个或多个实施例中,少量的交叉流是其中从组件的入口到出口观察到小于5psid的交叉流相关压力损失的一种。在另一个实施例中,交叉流被限制为小于渗透流速的两倍。

图2-4示出了结合本文描述的方法的系统的性能数据。图2显示了结合反脉冲的陶瓷系统的典型操作。给水源是河水,并且在膜之前立即将1ppm的聚合氯化铝添加到进料中。每60分钟,使用空气压力使过滤水从保持在5巴的压力储液器以相反方向流过膜。在每个循环中,净驱动压力增加,然后通过反脉冲恢复,导致在所示的时间段内的稳定操作。这说明以死端模式(dead end mode)的操作陶瓷膜的方式。

图3显示了使用对于陶瓷典型的频率下的反冲洗操作陶瓷系统60分钟。给水源是河水,并且在膜之前立即将1ppm的聚合氯化铝添加到进料中。每60分钟,使用用于正向操作的2倍流速操作的泵使过滤水以相反方向流过膜。在每个循环中,净驱动压力增加,然后通过反冲洗稍微降低。然而,由于其功效降低,关于在增加的压力下操作的每个循环都观察到不稳定的操作。这说明了使用反脉冲的原因,在陶瓷的典型处理时间下,低流量反冲洗不能充分恢复性能。

图4示出了使用本发明的高频反冲洗的陶瓷系统的操作,在这种情况下为20分钟。给水源是河水,并且在膜之前立即将1ppm的聚合氯化铝添加到进料中。每20分钟,使用用于正向操作的2倍流速操作的泵使过滤水以相反方向流过膜。在该实例中,在每个循环期间沉积较少的物质,如在20分钟循环内在相对小的压力增加中所见。令人惊讶的是,在该较短的循环时间下反冲洗效果很高,并且因此在所示的时间段内观察到稳定的操作。

图5示出了在包括沉积量与流量、反冲/脉冲之间的时间以及固体负载量的操作上的变化。

在一个或多个实施例中,一种方法,其包括以第一速率将给水供应到陶瓷膜处理系统中,陶瓷膜处理系统包括至少一个陶瓷膜,和测定系统的生产周期数据,生产周期数据包括积累数据、进料压力数据和自上次反冲以来的时间中的一个或多个。所述方法还包括基于先前流量维持事件的生产周期数据和效率测定最佳物理流量参数。

以下是如何测定最佳物理流量参数的实施例。清洁的膜具有100%的清洁水渗透率(CWP),并且最初的生产循环显示初始渗透率为(CWP的)80%,并且这被记录为膜清洁生产渗透率(CPP)。用于该第一生产循环的反冲洗泵压力被测定为反冲洗流量/CPP加管路损耗,并且泵速度由已知流量(来自已知反冲洗流量设定值)的泵曲线和计算的反冲洗压力测定。在长操作时间后,生产循环具有(CWP的)60%的初始渗透率,且反冲洗泵压力被测定为反冲洗流量/0.6*CWP加管路损耗,且反冲洗泵速度再次如前面所测定的,且泵速度设定值进入到反冲洗泵驱动中。来自先前反冲洗循环的反冲洗的实际流速以及性能恢复也可以被测量并用于优化下一个反冲洗循环的速度。在一个或多个实施例中,使用正排量反冲洗泵来设定固定的反冲洗流量,而不管压力/结垢速率。

所述方法还包括进行包括加速清洁至少一个陶瓷膜的流量维持事件,进行包括以第二速率反冲洗陶瓷膜的流量维持事件,其中第二速率通常为第一速率的0.5-3倍,进行基于最佳物理流量参数的流量维持事件。

在一个或多个实施例中,陶瓷膜处理系统包括与至少一个阀流体耦接的泵,并且加速清洁至少一个陶瓷膜包括在打开阀之前使泵倾斜升高以建立陶瓷膜处理系统内的压力。

在一个或多个实施例中,加速清洁包括启动反冲洗中的起动力,并且通过关闭出口隔断阀来准备用于快速流动递送的起动力,维持起动反冲洗力直到第一流停止流动。

在一个或多个实施例中,该方法还包括释放出口隔断阀以在第一流停止之后允许第二流速快速上升,并且任选地继续使第二流通过出口隔断阀持续预定的时间段。

在一个或多个实施例中,启动用于反冲洗的起动力包括关闭反冲洗泵出口隔断阀并且相对阀倾斜反冲洗泵,并且任选地倾斜升高包括在处理系统内倾斜升高到预定压力。

在一个或多个实施例中,启动反冲洗的起动力包括关闭反冲洗压力出口隔断阀,和相对出口隔断阀增加反冲洗罐驱动气体压力。

在一个或多个实施例中,该方法还包括在至少一个陶瓷膜之前将0.5-5ppm的凝结剂添加到给水中。

在一个或多个实施例中,将给水供给到陶瓷膜组件中仅以死端模式进行。

在一个或多个实施例中,将给水供给到陶瓷膜组件中仅以低交叉流模式进行。

在一个或多个实施例中,该方法还包括在进行流量维持事件之后跟踪组件回收率,并使用该数据来测定下一个流量维持参数。

在一个或多个实施例中,至少一个陶瓷膜的加速清洁包括平方步进反冲洗速率增加。

在一个或多个实施例中,陶瓷膜处理系统包括至少一个包含一个或多个陶瓷膜的陶瓷膜组件,所述膜组件具有至少一个给水输入。

处理系统还包括给水系统,该给水系统包括至少一个给水储存器、给水管路和给水泵。给水管路流体耦接在至少一个给水储存器与陶瓷膜组件的给水输入之间。给水泵与在至少一个陶瓷膜组件和给水储存器之间的给水管路耦接。

处理系统还包括渗透系统,其包括渗透管路和渗透物储存器。渗透管路耦接在至少一个陶瓷膜组件和渗透物储存器之间。渗透系统包括与渗透泵耦接的第二渗透管路以在下游泵送渗透物。

处理系统还包括至少一个反冲洗系统,其包括反冲洗管路和反冲洗泵。反冲洗管路耦接在渗透管路和渗透物储存器之间,其中反冲洗管路具有出口隔断阀。

处理系统具有加速的清洁模式,其中启动反冲洗泵直到来自给水储存器的正向流动停止并且反冲洗管路内的压力相对于出口隔断阀升高,并且释放出口隔断阀以实现至少一个膜的平方步进清洁功能。

处理系统还具有数据收集模式,其中收集关于积累数据、进料压力和先前反冲之间的时间的数据。

处理系统还具有数据评估和维持测定模式,其中评估来自数据收集模式的数据,并且从数据收集和数据评估测定最佳维持参数。在一个或多个实施例中,可编程逻辑控制器(PLC)用于维持测定模式以进行评估。为了实现优化的参数,速度控制器用于反冲洗泵,和/或在空气反冲洗系统上使用气压控制器,并且类似的控制用于其它驱动力机构。

在一个或多个实施例中,在加速清洁模式中,相对阀将反冲洗罐驱动气体压力升高到选定的设定值。在一个或多个实施例中,在加速清洁模式中,相对出口隔断阀将反冲洗泵倾斜升高到选定的设定值。

如图2和图6所示,平方步进反冲洗速率增加的意思是高效的物理流量维持事件。不论反冲洗速率或压力、反冲洗类型如何,应用平方步进反冲洗,并且向膜引入高能量近瞬时全速率输送方式的反冲洗流量而不是缓慢地倾斜升高通过膜的流量。平方步进反冲洗速率并不意图设定较高的峰值反冲洗速率,而是尽可能快地将峰值流速传递给膜,并在整个反冲洗时间内维持峰值流速,从而最大化反冲洗时间部分,在此期间膜被暴露于鸟嘴形反冲洗流量,但从峰值流速开始,而不是缓慢的爬坡速率,如图2和6所示。

在一个或多个实施例中,如下进行平方步进反冲洗。

在生产运行的最后一部分期间,启动反冲洗的起动力。在一个或多个实施例中,这通过关闭反冲洗泵220的反冲洗泵出口隔断阀222,并相对阀222使反冲洗泵220倾斜上升至在物理流量维持准备步骤期间形成的选定的设定值来进行。

在一个或多个实施例中,通过关闭反冲洗压力容器出口隔断阀222来启动用于反冲洗的起动力,并且相对阀222将反冲洗罐250驱动气体压力倾斜上升到在物理流量维持准备步骤期间形成的选定的设定值。在一个或多个实施例中,这可以针对其它驱动力机构重复,例如但不限于泵、空气或液压活塞。

在一个或多个实施例中,所述方法还包括将反冲洗驱动力保持在设定值直到生产或正向流动停止。生产停止或正向流动停止,快速打开反冲洗隔断阀以迅速释放流量,从而能实现流速以平方步进函数形式从零迅速上升到峰值流速。

该方法还允许以反冲方向流动,直到如在准备步骤期间选择的设定时间,然后关闭隔断阀以停止反冲洗流动。如有必要,还可能发生任何进料冲洗或物理流量维持事件。

生产重新开始,并且正向流动例如以第一速度重新开始。

用于维持或清洁的准备步骤包括收集生产前和维持后的数据,然后评估数据。

聚合物系统比陶瓷系统更普遍,因此系统制造商通常不熟悉陶瓷膜所要求的显著改变的设计。本文描述的实施例允许制造商使用更常见的组件来更经济地生产系统。

此外,由于操作流量和压力与用于聚合物膜的那些相匹配,因此包括泵、管道和控制装置的现有系统现在可用于运行陶瓷膜,同时提供更长寿命和改进的稳定性的益处。

该系统和方法允许用陶瓷膜改造聚合物系统并用高品质的商品组分构建系统。

应该理解,以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读和理解以上描述之后,许多其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。应该注意,可将在说明书的不同部分中讨论的或者在不同的附图中提及的实施例组合以形成本申请的另外的实施例。因此,应参照所附权利要求连同这种权利要求有权享有的等同物的全部范围确定范围。

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