CN102076434B - 用于盐水的预处理的过滤结构的消毒方法以及用于其实施的装置 - Google Patents

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Abstract

用于盐水、特别是海水的预处理的过滤结构(F)的消毒方法，该过滤结构在使用反渗透薄膜的水脱盐单元(1)的上游，根据该方法，通过向待预处理的水中加入杀菌剂而定期进行过滤结构的消毒操作，该过滤结构定期进行堵塞清除；在堵塞清除过程中进行过滤结构(F)的消毒操作，并且用于堵塞清除的液体由堵塞清除水溶液形成，该溶液的盐含量不同于待预处理的水的含量；在堵塞清除溶液向过滤结构(F)的注入的上游将杀菌剂加入(14)堵塞清除溶液中。

Description

用于盐水的预处理的过滤结构的消毒方法以及用于其实施的装置
技术领域
本发明涉及用于盐水、特别是海水的预处理的过滤结构(ouvragede filtration)的消毒方法，该过滤结构在使用反渗透薄膜的水脱盐单元的上游，该方法的类型是其中通过向待预处理的水中加入杀菌剂而定期进行过滤结构的消毒操作，该过滤结构定期进行堵塞清除。
杀菌剂通常由氧化剂构成，特别是氯或者二氧化氯。
本发明的目的尤其在于建立反渗透上游的预处理结构的消毒问题的解决方案，这是为了限制反渗透薄膜的生物污着(或生物污垢)，该生物污着与这些薄膜被生物膜的定殖有关。
背景技术
反渗透工艺在海水上的应用需要实施预处理以保护渗透薄膜免遭堵塞。堵塞可以与进料水中无机或有机溶解物质或颗粒的存在有关。反渗透薄膜的堵塞也可以与生物膜在薄膜本身上或在隔离物上的发育有关，该隔离物是使得可以保持最优水力条件的反渗透模块的组成成分。
这些预处理通常由使用颗粒或薄膜介质的过滤步骤组成，它与或者不与颗粒和有机物质的预凝聚有关以便有利于其分离。
由于水是富含微生物的介质，它在预处理结构、原水进料管、过滤结构中的通过可导致生物膜对表面的定殖。该生物膜是水的接种源(source d’ensemencement)，导致作为构成生物膜的微生物的代谢副产物的有机物质的释放(relargage)，并且，通过该生物膜的某些部分的脱离，可以重新使经过预处理的水富含颗粒，该颗粒可将反渗透薄膜堵塞。
为了限制结构的该定殖现象，通常使用杀菌剂进行消毒，该杀菌剂通常为氧化剂例如氯、二氧化氯或氯胺。在大部分海事结构中，主要为了供应发电厂或通过蒸馏工艺的脱盐设施，通过这些氧化剂之一的连续加入保护取水(prise d’eau)结构免遭微生物的定殖。该连续消毒通常通过使用更高的消毒剂残余以定期和随机方式进行的冲击氯化而进行强化，以便杀死更高级的生物体例如软体动物。
该连续氯化技术的主要缺点是由海水或半咸水中已存在的有机碳形成更容易被微生物吸收的溶解的有机碳。在通过反渗透进行的处理的上游，通常将杀菌剂残余物中和以保护这些薄膜免于与强氧化剂接触：微生物因此可以在生物可降解的有机碳的存在下在薄膜的表面上发育，尤其是因为营养物浓度高。通过使用氧化剂进行的连续消毒因此促进生物膜在反渗透薄膜上的发育，并因此促进其堵塞。
发明内容
为了克服进行预处理结构(尤其是过滤器)的有效消毒的这种困难，根据本发明，以上所定义类型的消毒方法的特征在于：
-在堵塞清除过程中进行过滤结构的消毒操作，
-并且用于堵塞清除的液体由堵塞清除水溶液形成，该溶液的盐含量不同于待预处理的水的含量，并且在堵塞清除溶液向过滤结构的注入的上游将杀菌剂加入堵塞清除溶液中。
堵塞清除水溶液的盐含量可以比待处理的水的盐含量高；该堵塞清除水溶液有利地由反渗透的排放物或浓缩物形成。
过滤器的堵塞清除也可以用盐含量小于待预处理的水的含量的水溶液进行。
用于预处理的过滤可以在颗粒材料过滤器、特别是双层过滤器中进行；堵塞清除因而对应于过滤结构的洗涤操作。
用于预处理的过滤可以在薄膜单元中进行，在这种情况下堵塞清除对应于反洗操作。
优选地，杀菌剂选自氯、二氧化氯或氯胺。
该方法因而基于洗涤或反洗模式过程中的消毒，它将消毒剂的作用与通过具有不同盐含量的堵塞清除水溶液形成的渗透冲击的作用相结合。
本发明还在于用于实施以上定义的方法的装置，其包含用于盐水、特别是海水的预处理的过滤结构，以及具有位于过滤结构下游的反渗透薄膜的水脱盐单元，该装置包含一组管和阀以定期进行过滤结构的堵塞清除操作，该装置的特征在于：
-它包含用于引入水溶液的设备，该水溶液作为堵塞清除过程中的洗涤液，其盐含量不同于待预处理的水的盐含量，
-以及在该洗涤液注入过滤结构之前将杀菌剂注入洗涤液的设备。
优选地，该装置包含反渗透单元的排放物和过滤结构之间的连接管，用于盐浓度比待预处理的水更高的洗涤溶液的注入。
用于预处理的过滤结构可以由颗粒材料过滤器、尤其是双层过滤器构成，或者由薄膜单元构成。薄膜单元可以具有浸没的薄膜或者加压壳中的薄膜。
该技术在其耦合原理(principe de couplage)和其实施中具有多个优点。
基于反渗透排放物的渗透冲击的使用使得可以通过使用以高流量连续可得的流体进行洗涤作用而降低装置的水损失。
杀菌剂例如氯、DBNPA(二溴氮川丙酰胺)或二氧化氯与基于超盐溶液(solution hypersaline)的渗透冲击的耦合使得可以出人意料地增强清理效率：发明人相信该效率的增强与杀菌反应物在生物膜中的扩散效率的增强有关。实际上，与低盐度溶液中的杀菌剂相关的超盐溶液的引入加上直接渗透作用导致杀菌剂的加速扩散。另外，杀菌剂对细菌细胞的作用与直接渗透作用的共同作用导致结构的消毒所需的CT(杀菌剂的浓度C×接触时间＝T)的降低。
该新的结构消毒装置或系统的实施在过滤器的定期堵塞清除步骤过程中、用水对颗粒介质过滤器的洗涤过程中或者薄膜过滤系统的反洗过程中进行。这使得可以避免已与杀菌剂接触并因此含有更高浓度的生物可降解有机碳的水被送入反渗透系统。与杀菌剂相关的杀菌超盐溶液与待消毒的介质之间、与砂过滤器或多层过滤器的颗粒介质之间或者与过滤薄膜、微滤薄膜、超滤(ultrafiltration)薄膜或超过滤(hyperfiltration)薄膜之间的接触时间可以根据系统的污染状态通过在润洗过程中简单地引入等待时间即暂停而进行调整。
杀菌剂的注入可以在润洗结束之前停止。该系统可以最后用经过滤或超滤的水润洗以去除超盐溶液。这种情况主要适用于在重新开始反渗透生产之前不需要熟化阶段的薄膜过滤系统。对于颗粒材料系统，通常通过排出进行熟化阶段，以去除可含有过量的颗粒、浊度、氧化剂或杀生物剂残余、过量的盐度以及生物膜氧化产物的初始水(premières eaux)。
附图说明
除了以上所述内容，本发明还在于一些将在下面参照实施方案更明确地涉及的其它内容，这些实施方案参照附图进行说明但绝不是限制性的。在图中：
-图1是实施本发明方法的装置的示意图，其具有封闭的颗粒材料过滤结构。
-图2是开放的过滤结构的示意性截面，其构成图1的过滤结构的可能的变化方案。
-图3是实施本发明方法的装置的简化示意图，其具有由浸没的薄膜构成的过滤结构，并且
-图4给出图3的过滤单元的变化方案，其具有加压壳中的薄膜。
具体实施方式
参见附图的图1，可以看到水(特别是海水)脱盐装置I，其包含具有反渗透薄膜的水脱盐单元1以及该单元上游的用于盐水的预处理的过滤结构F。
根据图1的实施例，过滤结构F由加压壳中的颗粒材料过滤器、尤其是双层过滤器2构成。根据图1，待处理的水通过配备有阀4的管3从上部到达过滤器2。经预处理的水通过管5从下部离开过滤器2，该管5通过阀6与泵7的入口相连。经预处理的水在压力下由泵7送入反渗透单元1中。已脱盐的经处理的水通过管8离开单元1。由盐浓度高的水构成的单元1的排放物(也称为超盐溶液)通过管9离开，进入形成储槽的池B中，该池在上部配备有溢流口。
为进行过滤器2的定期的堵塞清除操作，该装置包含用于将洗涤液注入过滤器2中的管10。管10通过阀11与泵P的出口相连。泵P的入口与池B相连以用于排放物的泵送。通过管12保证洗涤液的排出，该管12在阀4和过滤器2之间的管3上分出。该管12配备有阀13。
该装置另外包含在洗涤液注入过滤器2之前杀菌剂向洗涤液中的注入设备14。设备14可以由泵或者由筒-活塞(cylindre et piston)剂量计构成。注入设备14通过阀15与阀11和泵P之间的管10部分相连。
该装置的运行如下。
在通过反渗透的正常脱盐周期，阀4和6是打开的，而阀11、13和15是关闭的。待处理的水通过管3到达并进入过滤器2，以经历预处理。经预处理的水通过管5离开，并在压力下由泵7送入反渗透单元1中。已脱盐的经处理的水通过管8离开，而排放物通过管9离开。
当认为需要为过滤器2消毒时，在过滤器2的堵塞清除过程中进行消毒操作。将泵7停止，而将泵P开启。用于堵塞清除的洗涤液因而由反渗透单元的排放物形成，其盐含量不同于(即大于)待预处理的水的含量。通过阀15的打开和注入设备14的开启而将杀菌剂加入堵塞清除溶液中。杀菌剂有利地由氯或二氧化氯或氯胺构成。洗涤溶液通过其中阀13打开的管12排出。
作为变化方案，过滤器2的堵塞清除可以用盐含量小于待预处理的水的含量的水溶液进行。
杀菌剂例如氯或二氧化氯与通过盐浓度不同于待预处理的水的浓度的洗涤液形成的渗透冲击的耦合使得可以出人意料地增强消毒和清理的效率：该效率的增强看来与杀菌反应物在生物膜中的扩散效率的增强有关。另外，杀菌剂对细菌细胞的作用与直接渗透作用的共同作用导致结构的消毒所需的CT的降低。
图2示出了具有颗粒材料的开放过滤器2a的变化方案，其可以用于替代图1的过滤器2。待预处理的水通过管3a到达过滤器2a的下部。经预处理的水的离开通过管5a在上部进行，该上部与经预处理的水的收集槽G相连。
图3给出的装置中预处理过滤系统采取浸没在池17中的薄膜单元16的形式。该装置的与针对图1所述类似的其它元件用相同的附图标记表示，并且不再重复说明。
单元16的渗透物构成由管5收集的经预过滤的水。将排放口18设置在池17的下部以排放单元16的浓缩物。
在用反渗透单元1的排放液对薄膜的反洗过程中进行薄膜单元16的消毒操作，将杀菌剂14注入该反洗液中。
在该消毒操作过程中，将泵7停止，将阀6关闭，而将阀11和15打开。将泵P开启以通过排放液进行薄膜16的反洗，将杀菌剂通过设备14注入该排放液中。
图4给出了薄膜过滤系统的变化方案，根据该方案，薄膜单元形成加压壳19中的系统，而不是浸没在池中。
下面将给出本发明的实施例。
实施例1：应用于颗粒介质过滤器(图1的示意图)
根据属于同一申请公司的提交于2006年12月26日的法国专利申请No.06 11376，在具有双层颗粒材料过滤器的样机上进行同时消毒。使用的介质是在砂层上的无烟煤层。
将该过滤器用海水进料，该海水已预先通过加入氯化铁(3mg/L的FeCl3)进行凝聚并通过加入硫酸进行酸化以将pH值降低到对于该水的凝聚最优的值，该值在这种情况下为6.8。
在介质表面上施加的过滤速度为12m3/m2/h。可达到3.4m水柱的过滤床堵塞的过滤周期时长为22.5小时。过滤器的定期洗涤根据法国专利申请No.06 11376中所述的方法进行。在仅用水的润洗阶段(使用反渗透系统的浓缩物构成的超盐溶液进行)，将消毒剂氯以10mg/L的浓度注入，每天10分钟。CT因而为10×10×7＝700分钟.mg/L每周。
在不同的运行条件下监视过滤器的进料水中、经过滤的水中以及在过滤器中收集的生物膜中的细菌浓度：
-A：用经过滤的水对过滤器进行定期洗涤
-B：用添加了杀菌剂的经过滤的水对过滤器进行定期洗涤，该杀菌剂在这种情况下为活性氯浓度为10mg/L的氯
-C：用浓度为75g/L总盐度的反渗透浓缩物对过滤器进行定期洗涤
-D：用浓度为75g/L总盐度且添加了杀菌剂的反渗透浓缩物对过滤器进行定期洗涤，该杀菌剂在这种情况下为活性氯浓度为10mg/L的氯。
-E：用浓度为75g/L总盐度且添加了杀菌剂的反渗透浓缩物对过滤器进行定期洗涤，该杀菌剂在这种情况下为活性氯浓度为5mg/L的氯。在该情况下，杀菌剂的添加限于10分钟的总润洗时间中的5分钟。
表1给出了获得的结果(在一周的测试期间每个周期的平均结果)，其中UFC＝形成菌落的单元。
表1：总菌群计数
Figure BDA0000040322310000071
在情况A的过程中观察到过滤介质被生物膜的发育所污染。经过滤的水的细菌质量相对于待过滤的水降低，这是由于游离细菌和生物膜碎片的释放(relargage)。
情况B和C在过滤器洗涤溶液中加入杀菌剂或者使用超盐溶液以洗涤过滤器，这使得可以降低细菌在经过滤的水中的释放以及过滤介质表面存在的生物膜中的微生物的浓度。
实施本发明的情况D表明通过超盐溶液洗涤和加入杀菌剂的组合，非常显著地改善了消毒的效率。
情况A’重复情况A的条件，使得可以确认在没有超盐溶液且没有杀菌剂的洗涤条件下经过滤的水的细菌劣化和过滤器的定殖。
情况E的结果对应于相对于情况D除以2的CT，它仍然表明相对于情况B和C显著的杀菌活性。
实施例2：应用于薄膜过滤器的情况(图3)
将消毒方法应用于通过薄膜的过滤系统的运行。使用的系统是具有浸没的薄膜的系统，但是完全可以应用于加压壳系统。薄膜系统以海水的直接过滤模式运行，不加入反应物。试验期间施加的过滤流量为50L/m2/h。每30分钟通过与过滤方向相反的方向水的反向渗透进行反洗40秒。在注入5mg/L氯的情况下，CT因而为：
5×(40/60)×2×24×7＝1120分钟.mg/L
根据以下配置进行四个测试：
-W：用经超滤的水对过滤器进行定期反洗
-X：用添加了杀菌剂的经超滤的水对过滤器进行定期反洗，该杀菌剂在这种情况下为活性氯浓度为5mg/L的氯
-Y：用浓度为75g/L总盐度的反渗透浓缩物对过滤器进行定期反洗
-Z：用浓度为75g/L总盐度且添加了杀菌剂的反渗透浓缩物对过滤器进行定期反洗，该杀菌剂在这种情况下为活性氯浓度为5mg/L的氯。
表2：总菌群计数
Figure BDA0000040322310000091
在超滤的情况下，薄膜截留了超过6log的细菌，薄膜的截止阈值在此为0.03微米，远小于细菌细胞的直径。当仅用渗透物进行反洗时(情况W)，随着时间发生渗透物一侧的污染。该污染与反洗过程中细菌的侵入有关，该细菌在UF薄膜的渗透物一侧发育。
为进行薄膜的反洗而使用超盐溶液或加入杀菌剂使得可以限制该污染(情况X和Y)。
对于相同的接触时间，超盐水和杀菌剂这两个方案的耦合使得可以非常强烈地降低渗透物的污染(情况Z)。
情况W’对应于情况W，并且可以表明在既没有超盐溶液也没有杀菌剂的情况下运行一段时间后薄膜的渗透物一侧再次污染。

Claims (13)

1.用于盐水的预处理的过滤结构（F）的消毒方法，该过滤结构在使用反渗透薄膜的水脱盐单元（1）的上游，根据该方法，通过向待预处理的水中加入杀菌剂而定期进行过滤结构的消毒操作，该过滤结构定期进行堵塞清除，其特征在于：
-在堵塞清除过程中进行过滤结构的消毒操作，
-并且用于堵塞清除的液体由堵塞清除水溶液形成，该溶液的盐含量不同于待预处理的水的含量，并且在堵塞清除溶液向过滤结构的注入的上游将杀菌剂加入堵塞清除溶液中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述盐水是海水。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于堵塞清除水溶液的盐含量大于待处理的水的盐含量。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于堵塞清除水溶液由反渗透的排放物（9，B）形成。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于过滤器的堵塞清除用盐含量小于待预处理的水的含量的水溶液进行。
6.根据以上权利要求任意之一的方法，根据该方法，用于预处理的过滤在颗粒材料过滤器中进行，其特征在于堵塞清除对应于过滤结构（2，2a）的洗涤操作。
7.根据权利要求1至5任意之一的方法，根据该方法，用于预处理的过滤在薄膜单元（16，19）中进行，其特征在于堵塞清除对应于反洗操作。
8.根据权利要求1至5任意之一的方法，其特征在于杀菌剂选自氯、二氧化氯、DBNPA或氯胺。
9.用于实施权利要求1至4任意之一的方法的装置，其包含用于盐水的预处理的过滤结构（F），位于过滤结构下游的具有反渗透薄膜的水脱盐单元（1），以及一组管和阀，以定期进行过滤结构的堵塞清除操作，其特征在于：
-它包含具有反渗透薄膜的水脱盐单元（1）的排放物（9，B）和过滤结构（F）之间的连接管（10），以及泵（P），用于注入盐浓度比待预处理的水更高的洗涤溶液，
-以及在该洗涤液注入过滤结构之前将杀菌剂注入洗涤液的设备（14）。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于所述盐水是海水。
11.根据权利要求9的装置，其特征在于用于预处理的过滤结构由颗粒材料过滤器构成。
12.根据权利要求9的装置，其特征在于用于预处理的过滤结构由双层过滤器构成。
13.根据权利要求9的装置，其特征在于用于预处理的过滤结构由具有浸没的薄膜（16）或者加压壳中的薄膜（19）的单元构成。
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