CN102271790A - 用于提高总有机碳除去率同时保持最佳隔膜过滤器性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，其用于提高从未净化的、未处理的水中除去总有机碳(“TOC”)的除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。本发明如下来克服了现有技术水过滤系统的许多缺点：在水被引导通过所述的隔膜过滤器之前，控制该水的pH水平，以使得该水的颗粒电荷与隔膜过滤器的电磁表面电荷对准。将水的颗粒电荷保持在具体的隔膜过滤器的最佳电荷窗中，通过降低该隔膜过滤器的结垢速率而提高了该隔膜过滤器的性能。

Description

用于提高总有机碳除去率同时保持最佳隔膜过滤器性能的方法

发明背景

1.交叉引用的相关申请

本申请要求2008年10月22日申请的美国临时专利申请No.61/196918的优先权权益。其的技术内容在此以它们全部引入作为参考。

2.发明的技术领域

本发明涉及用于提高供水的总有机碳除去率同时优化隔膜过滤系统性能的方法。

3.相关领域说明

市政饮水和废水过滤设备越来越多地使用隔膜微滤或者超滤系统作为过滤地下水，表面水和废水源(“水源”)的手段。这样的过滤系统典型地使用半透膜装置来在水通过它们时过滤或者阻挡有机，无机和微观颗粒(particulate)。当源水在水压下通过隔膜过滤器阻隔层时，颗粒碎片(即，悬浮的固体和高分子量溶质)积聚在隔膜表面上，并且被从水中截留或者过滤出来，而水和低分子量溶质通过该隔膜。典型地，尺寸大于0.04-0.1微米的不溶性颗粒被过滤或者阻挡，而可溶性污染物或者小于0.04-0.1 微米的不溶性颗粒和离子通过该隔膜过滤器。

为了有效运行，重要的是将该隔膜过滤器保持洁净。该隔膜因此定期回洗，来除去积聚的颗粒。不容易在回洗过程中除去的积聚颗粒必须通过化学清洁技术来除去。这样的技术(通常称作就地清洗(clean in place, CIP)和/或化学维护清洗工序)包括将隔膜暴露于化学品例如苛性钠，次氯酸钠(氯)，不同的酸和其它化学产品，来除去积聚的有机和无机化合物。但是，化学清洁技术与单独的回洗相比耗费了多得多的时间。此外，化学清洁技术中所用的苛性化学品倾向于使得隔膜过滤器元件随着时间流逝而降解和劣化。

过滤隔膜的性能是通过流入的污染物的结垢速率来表示的。结垢是有机和无机颗粒积聚在隔膜表面上，其在定期回洗中不容易除去。随着隔膜过滤器元件的结垢速率的升高，更经常地需要化学维护清洗工序。大部分隔膜过滤系统的运行不使用超出上段所述的回洗和化学清洁之外的任何另外的清洁方法或者化学处理。因此，为了优化过滤隔膜的性能，令人期望的是使得过滤隔膜的结垢速率最小。

供水中一种类型的污染物(其增加了过滤隔膜的结垢速率)是总有机碳(“TOC”)。供水中TOC的水平从纯净的(pristine)(即，低水平的TOC)变化到非常污染(即，高水平的TOC)。较高水平的TOC导致了味道和气味问题以及形成了消毒副产物(“DBP”)例如卤代乙酸(“HAA”)和总三卤代甲烷(“TTHM”)。当氯与可溶性有机物反应时产生了HAA和TTHM，并且典型的是在水中的氯与水分配系统(例如集管，其将过滤的水传送到家庭和商业使用)中的可溶性 TOC反应时形成的。降低原料水中的TOC水平，特别是可溶性 TOC的水平减轻了味道和气味问题，并且使得DBP的形成最小。

TOC是由可溶性和不溶性化合物二者组成的。但是，单独的隔膜过滤仅仅除去了TOC的不溶性成分。用于除去TOC的可溶性成分的一种通常的方法包括将化学促凝剂引入到水流中，并且在隔膜过滤之前提供充分的混合和保持。金属盐基促凝剂与可溶性有机物经由称作“电荷中和”的方法进行反应，这造成一部分的可溶性有机化合物从溶液中沉淀出来，由此使得它们从水中滤出。这些促凝剂的金属基通常是铝或者铁。几种化学促凝剂可以提供这种化学反应，例如硫酸铝，氯化铁，硫酸铁，聚氯化铝和水合氯化铝。

通过促凝剂除去TOC可以通过调整水的pH来进一步提高。通常，pH越低，TOC除去率越高。例如，当将促凝剂加入到水流中，并且将pH化学抑制到期望的水平和保持(例如：pH ≈5.5)，则能够实现更高的TOC除去率水平。

现有技术的方法以前假定对于最佳的有机物除去率与最佳隔膜性能来说，pH设定点是相同的，但是这并不必然是正确的。最佳隔膜性能可以定义为连续的过滤，具有1)沿着该隔膜的最低的压力升高，该压力是作为跨隔膜压力(TMP)来测量的；和2)最低的化学清洁要求。

跨隔膜压力(TMP)通常是驱动液体流过交叉流动的隔膜的力的函数(TMP = {(供料压力+ 渗余物压力)/2} –渗透物压力)，而最低化学清洁要求是简单的使得隔膜的结垢速率最小化的函数。在过滤过程中，隔膜的供料侧处于比渗透物侧更高的压力下。这种压力差迫使液体通过该隔膜。因此，升高的TMP是隔膜结垢的指示。

现有技术的除去TOC的方法包括：1)在隔膜过滤之后建立一种方法例如颗粒活性炭(GAC)吸附，2)在隔膜过滤之前加入化学促凝剂，而不控制pH，3)在隔膜过滤之前，仅仅控制液-固分离器前面的pH，4)仅仅控制用于有机物除去的pH，5)在隔膜过滤之前建立离子交换方法，或者6)在隔膜过滤之后建立纳米过滤或者反渗透方法。因此，令人期望的是一种用于水过滤的改进的方法，其提高了TOC的除去率，同时优化了隔膜过滤器性能。

发明内容

本发明包括一种系统和方法，其用于提高从未净化的、未处理的水中的总有机碳(“TOC”)除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。本发明如下来克服了现有技术水过滤系统的许多缺点：控制电磁颗粒电荷，以通过降低隔膜的结垢速率来提高隔膜过滤器的性能。

结垢是有机和无机颗粒在隔膜表面上的积聚，其在定期回洗过程中不容易除去。已经发现这些颗粒以及隔膜表面具有微安电荷。当所述颗粒的电磁电荷与隔膜表面的电磁电荷对准(align)时，这里没有电磁吸引，并且所过滤的颗粒在回洗过程中易于从隔膜表面上除去。但是，当颗粒的电磁电荷没有与隔膜表面电荷对准时，该颗粒吸引到隔膜表面上，并且不易通过回洗除去，导致隔膜结垢。结垢速率可以归因于颗粒与隔膜表面之间的电荷差异。通过调整水的pH，这些颗粒的电磁电荷会发生改变，并且与隔膜表面电荷对准，由此降低了隔膜的结垢和提高了隔膜的性能。

在一种实施方案中，该系统包含两阶段方法，在其中在第二阶段中，在隔膜过滤之前通过调整加入水中的酸或者碱的量来控制水的电磁颗粒电荷。在该方法的第一阶段中，加入促凝剂，并且控制水的pH来实现在液-固过滤过程中最大的TOC的除去率。使用这种两阶段方法使得整个系统能够更有效地运行，并且进一步实现了最大的TOC除去率和最佳隔膜性能。

在第二实施方案中，本发明的系统包含单个阶段或者直接供料模式，在其中控制pH/电磁电荷水平，以使得添加有促凝剂的水可以绕过澄清器，并且直接去向隔膜过滤系统。在直接供料模式中，促凝剂是在混合系统之前添加的。所述水的pH和电磁颗粒电荷可以依靠pH控制，微安流动电流控制，具有温度校正和/或TMP/阻力/渗透性控制的pH控制来进行控制。这些控制机构中的任何一个或者组合可以用于通过调整酸或者碱添加水平来保持最佳的设定点。通常，将所述水的pH和电磁颗粒电荷保持在这样的水平，其实现了尽可能高的TOC除去率，同时优化了隔膜性能。

本发明的过滤系统可以进一步包括计算机化的主控制系统，其连续地监控所述过滤系统，并且基于多个标准来自动调整酸和碱添加水平和加入到水中的促凝剂的量。该主控制系统使得过滤系统在运行中能够精细调整，来提高从未净化的、未处理的水中除去总有机碳(“TOC”)的除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。

本发明上述的以及另外的特征和优点将从下面所撰写的详细描述中而变得显而易见。

附图说明

本发明的新颖特征可信特性是在所附的权利要求中阐述的。但是，本发明本身，以及优选的使用模式，其另外的目标和优点，将通过参考下面的示例性实施方案的详细说明以及结合附图的阅读而能够最好地理解，在其中：

图1是本发明隔膜过滤系统的第一实施方案的示意图；

图2是本发明隔膜过滤系统的第二实施方案的示意图；和

图3是本发明隔膜过滤系统的主控制板的示意图。

在该附图的不同图中使用时，相同的附图标记表示相同或者类似的部件。此外，当其中使用术语“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”、“上部”、“下部”、“端部”、“侧部”、“水平”、“垂直”和类似的术语时，它应当理解为这些术语仅仅涉及到附图所示的结构，并且仅仅用于便于描述本发明。

绘制全部的图仅仅是为了容易解释本发明的基本教导；将解释对于该附图的部件的数字、位置、关系和尺寸进行扩展来形成优选的实施方案，或者在已经阅读和理解了本发明下面的教导之后将是本领域技术人员能够想到的。此外，精确尺寸和尺寸比例来符合特定的力，重量，强度和类似要求同样也在已经阅读和理解了本发明下面的教导之后将是本领域技术人员能够想到的。

具体实施方式

本发明包括一种方法和系统，其用于提高从未净化的、未处理的水中的总有机碳(“TOC”)除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。本发明通过降低隔膜过滤器的结垢速率而提高了隔膜过滤器性能。

结垢是有机和无机颗粒在隔膜表面上的积聚，其在定期回洗过程中不容易除去。已经发现低压隔膜结垢可以由有机和无机颗粒与隔膜表面接触而引起。已经确定了这些颗粒以及隔膜表面具有微安电荷。另外还确定了颗粒的微安电荷并不总是与隔膜表面上的天然表面电荷对准的。

虽然过滤隔膜的表面电荷是相当恒定的，但是该电磁颗粒电荷更容易根据因素例如促凝剂剂量、pH变化、温度、粒度等等而变化。因此，重要的是控制或者“对准”隔膜表面电荷的颗粒电荷。用“对准”表示控制颗粒电荷，以使得它匹配隔膜表面电荷。根据本发明的系统和方法，这种对准是如下来实现的：控制酸或者碱供料来保持期望的颗粒电荷，以使得它匹配隔膜的表面电荷。当电磁颗粒电荷与隔膜表面电荷对准时，电磁吸引停止，并且过滤的颗粒在回洗过程中易于从隔膜表面上除去。但是，当电磁颗粒电荷不与隔膜表面电荷对准时，所述颗粒被吸引到隔膜表面上，并且发生了结垢。

结垢速率可以归因于颗粒和隔膜表面之间的电磁电荷的差异。通过调整水的pH，可以改变这些颗粒的电磁电荷，并且与隔膜表面的电磁电荷对准，由此降低隔膜的结垢和提高隔膜的性能。

根据本发明的方法和系统，控制该颗粒电荷，以使得所述颗粒的微安电荷与隔膜表面电荷对准，由此使得过滤的颗粒在回洗过程中易于从隔膜表面上除去。

例如，参考图1，描述了本发明隔膜过滤系统的第一实施方案。如图1所示，该隔膜过滤系统包含了两阶段系统，其提高从未净化的、未处理的源水中的总有机碳(“TOC”)除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。

在第一阶段中，将未净化的未处理的源水流10导入第一或者主混合槽14中，在这里向它中加入促凝剂，并且控制所述水的pH，以使得在液-固分离过程中除去最大水平的TOC。当该促凝剂彻底共混和所述水的pH稳定时，该第一阶段的水从主混合槽14流出，并且通过机械澄清器28。该澄清器28，或者液-固分离器，从水中分离了该化学絮凝的颗粒，并且将它们从系统中除去。在这个单元中除去了化学沉淀的TOC。

在第二阶段中，控制水的颗粒电荷来实现最佳隔膜过滤器性能。该第一阶段的水流过澄清器28，并且引入到次混合槽30中。在该次混合槽30中，监控所述水的颗粒电荷，并且将适量的酸或者碱加入到水中来保持最佳电荷窗(其是与隔膜表面的电磁电荷匹配的)。对该最佳电荷窗(其典型地处于低阴离子(-)范围中)进行选择，来与隔膜的天然表面电荷对准，以降低结垢。因此，该隔膜过滤器的电磁电荷取决于所使用的过滤器的类型。该颗粒电荷还会受到因素例如水中的紊流增加/降低，温度，电导率和颗粒的类型的影响。当水的颗粒电荷稳定时，所述水从次混合槽30中流出，并且行经低压隔膜过滤器50。该隔膜过滤器50除去了水中的颗粒，该颗粒大于隔膜的孔径。

另外，还可以监控水的pH，跨隔膜压力(“TMP”)，隔膜阻力，和隔膜渗透性来防止失控的化学品添加剂量。该隔膜过滤系统提供了在分配到家用和商业前的水消毒之前，最终的加工步骤。过滤的水典型地存储在清洁井中，向其中加入氯来防止分配系统的水中的生物生长。使用这种两阶段方法使得整个过滤系统能够更有效地运行。

重新参考图1，本发明隔膜过滤系统的第一实施方案将更详细地描述。将未净化的未处理的源水流10导入到主混合槽14中，该混合槽优选是钢质、玻璃纤维或者混凝土容器。该源水10然后基于多种因素来添加有效量的促凝剂，例如体积，TOC水平，分配系统滞留时间和温度。

例如，该系统可以包括流量计12，其监控进入主混合槽14的水的体积。该系统还可以包括TOC分析仪62和UV 254分析仪64，其进一步监控主混合槽14中的水。该TOC分析仪62测量了水中的TOC的量。UV 254分析仪64提供了对于这一部分的TOC的测量值，该部分的TOC是与氯的反应性最大的，并且导致形成了消毒副产物(“DBP”)。两种分析仪将水从主混合槽14中抽出，过滤该水，和提供测量，其模拟了聚沉，pH调整和过滤过程。简而言之，该测量模拟了将进入到分配系统中的水。

温度传感器44监控了所述系统中的水温。虽然在图1中将温度传感器44表示为用于测量次混合槽30中的水温，但是应当理解温度传感器44可以包含处于系统不同位置上的一种或多种温度监控器。例如，温度传感器44可以位于水处理系统的排出点，水处理系统的进入点，或者处于主混合槽14中。水温是在确定促凝剂和氯剂量中被认为是重要的变量，因为有机物和氯之间的反应随着温度升高而提高，在水中形成了更多的消毒副产物(“DBP”)。

基于多种因素(例如体积流量，TOC水平和温度)的分析，然后向源水10中加入有效量的促凝剂。在此处使用时，“有效量”的促凝剂表示足以引起水中的可溶性TOC颗粒沉淀的量。使用实际水样品的实验室模拟能够确定实现可溶性有机化合物所期望的沉淀(表示为所需要的TOC除去率%)所必需的促凝剂量和pH水平。例如，水处理设备通过实验室试验来确定目标的40%可溶性 TOC除去率将降低DBP形成到一定界限中，来符合联邦界限(Stage1 and Stage2 DBP Rule)。有效量的促凝剂典型的范围是1份/百万份(“ppm”)到50ppm，但是可以高到250ppm。较高剂量的促凝剂通常产生了较高的TOC除去率，但是这里存在着一个阈值，超过该阈值时不管剂量如何TOC除去率都会停止。能够使用的促凝剂的例子包括硫酸铝，聚氯化铝(polyaluminum chloride)，水合氯化铝(aluminum chlorhydrate)，硫酸铁和氯化铁。

在一种优选的实施方案中，图1所示的过滤系统进一步包括主控制板60，其收集和分析了来自流量计12，TOC分析仪62和UV 254分析仪64的输入，来确定待加入到主混合槽14的水中的促凝剂的有效量。来自流量计12，TOC分析仪62和UV 254分析仪64的测量数据典型地依靠无线或者电路电信号通讯被送到主控制板60。基于来自流量计12、温度传感器44、TOC分析仪62和UV 254分析仪64的输入数据，主控制板60使用了程序化的算法来计算待加入到主混合槽14的水中的促凝剂的有效量。主控制板60然后将电信号送到促凝剂添加系统16，来将有效量的促凝剂加入主混合槽14中。可选择的，该促凝剂可以在主混合槽14上游进一步添加。使用这种用于促凝剂添加的自动系统提供了对于促凝剂的准确计量，降低了所需的促凝剂的量，和通过避免促凝剂过量添加而降低了运行成本。

还监控了主混合槽14中水的pH。基于pH和TOC水平的分析，将适量的酸或者碱加入该水中来提高TOC从源水中的沉淀。

在一种优选的实施方案中，所述系统包括pH探头26，其将电信号送到主控制板60。该主控制板60使用来自pH探头26、TOC分析仪62和UV 254分析仪64的输入数据，来计算待加入到主混合槽14的水中的酸或者碱的适当量。

根据本发明的方法，主混合槽14中的水典型的添加有酸或者碱，来将pH保持在4.0-6.0标准单位。降低水的pH导致了更高的TOC除去率，因为可溶性 TOC除去率典型地随着pH抑制而升高。pH值对于絮凝有着深刻的影响，因为它改变了有机物的离子特性。该有机物的电荷对包围住它们的带正电荷的氢离子和带负电荷的氢氧根离子的浓度发生响应而变化。水中的有机物随着pH而变得带有更多的负电荷(即，“阴离子”)和随着pH降低而带有更多的正电荷(即，“阳离子”)。所以，有机物除去率随着pH抑制而提高。

例如，如果向含有有机物的源水中添加20ppm的促凝剂(酸性/阳离子的)，则实现了X量的絮凝/沉淀。但是，如果向该源水首先添加20ppm的促凝剂(酸性/阳离子的)，然后用酸抑制水的pH，则能够实现更高量的絮凝/沉淀(例如X +m)。氢氧根离子的浓度(其包围着它们和带有正电荷絮凝的颗粒(沉淀的金属/盐酸性促凝剂))变得更有效。通常，可溶性 TOC除去率随着pH抑制而增加。但是，这里存在着一个阈值，超过其时不管pH抑制多少，TOC除去都会停止。例如，当使用铝基促凝剂时，TOC除去水平在pH大约5.0标准单位时不再变化，当使用铁基促凝剂时，TOC除去水平在pH大约4.0标准单位不再变化。

主控制板60然后将电信号送到主酸/碱添加系统18，来将适量的酸或者碱加入到主混合槽14中。因为在这个阶段所期望的pH是低时，因此主酸/碱添加系统18通常将需要将酸加入主混合槽14中。能够使用的酸的例子是硫酸或者磷酸。

所述的水，促凝剂和酸或者碱然后在主混合槽14中混合。该主混合槽14可以包含具有单个混合器20的单个混合区(如图1所示)，或者包含具有多个混合器22，24的多个混合区(如图2所示)。还可以在固体接触澄清器的提升管中使用混合器，因此降低了对于主混合系统的要求。本说明书证实了对于混合和保留的需要。本作者承认这里存在着可选择的方式来实现这种目的，而无需这种混合槽。该混合器优选是垂直安装的桨叶类型搅拌器。参考图2，当使用多个混合区时，第一区包含了快速混合器22，其快速地混合水来快速分散促凝剂，和第二区含有慢速絮凝或者熟化混合器24，其促进了化学沉淀颗粒的絮凝。将水在主混合槽14中保持足够的时间，来将促凝剂完全共混到该水中和将pH稳定到所期望的点。在主混合槽14中典型的保留时间是1分钟-30分钟。

现在参考图1，当促凝剂完全共混和水的pH稳定时，第一阶段的水从主混合槽14流出，并且行经机械澄清器28。该澄清器28或者液-固分离器从水中分离了化学絮凝的颗粒，并且将它们从系统中除去。在这种单元中发生了化学沉淀的TOC除去。澄清器28可以是几种类型之一，包括斜板沉降器，重力澄清器，固体接触澄清器，淤浆层澄清器(sludge blanket clarifier)，或者溶解的空气浮选单元。每种类型的澄清器具有取决于原料水源品质的益处。

该水然后从澄清器28中流出，并且导入次混合槽30中。该次混合槽30，类似于主混合槽14，可以包含具有单个混合器34的单个混合区(如图1所示)，或者具有多个混合器22，24的多个混合区(如图2所示)。

在次混合槽30中，监控水的颗粒电荷，并且将适量的酸或者碱加入到该水中来保持最佳电荷窗，以匹配隔膜表面的电磁电荷。选择该最佳电荷窗(其典型地处于低的阴离子(-)范围中)来与隔膜的天然表面电荷对准，以降低结垢。因此，目标的电磁电荷可以根据所用的过滤器类型而变化。聚合物隔膜过滤器的制造商可以使用不同的隔膜材料(例如聚偏氟乙烯“PVDF”，聚醚砜“PES”等等)，其能赋予不同的表面电荷特性。另外，不同的制造技术毫无疑问将产生具有不同的表面电荷特性的隔膜。因为所期望的电磁电荷范围处于低的阴离子范围，因此通常需要添加碱。添加碱将阴离子引入水中，并且通过使得负荷有更多的阴离子(-)电荷而影响颗粒的电磁电荷。能够使用的碱的例子是苛性钠或者苏打灰。该颗粒电磁电荷也会受到因素例如水中的紊流增加/降低，温度，电导率和颗粒类型的影响。

例如，水源中的颗粒几乎总是带有阴离子电荷。因此，紊流越高，整体电荷越高。相反，加入促凝剂将作为带有阳离子电荷的絮凝的颗粒而沉淀。较高或者较低的剂量将抵消天然存在的阴离子电荷。所形成的电荷因此取决于天然存在的颗粒电荷和“所引入的”絮凝物电荷。温度也会改变颗粒电荷。随着温度降低，整个阴离子颗粒电荷也将降低。但是，微安流动电流监控器测量了流动的水流的电荷，而不管紊流，电导率或者温度如何变化。

例如，在一种实施方案中，次混合槽30的水的颗粒电荷优选是通过微安流动电流监控器40来监控的，其显示了所述水中的颗粒的微安电荷。该颗粒的电磁电荷可以通过其它装置来监控，例如颗粒电荷分析仪或者ζ电势分析仪。每种装置通过不同的方法测量了颗粒电磁电荷，并且使用了不同的标准和单元。例如，在本申请中所给出的全部特定数字基于通过由Milton Roy Company所制造的微安流动电流监控器所进行的测量。实际的数字将取决于用于测量电磁电荷的装置而变化。

流动电流监控器40将电信号送到主控制板60，其确定了适量的酸或者碱来加入到水中，来将电荷保持在-9.8到-9.4微安。应当理解这种电荷读数可以根据制造商的不同而变化，并且取决于方法校准。选择这种最佳电荷窗来匹配隔膜表面的电磁电荷。主控制板60将电信号送到次酸/碱添加系统32，来将适量的酸或者碱加入到次混合槽30中。

所述水和酸或者碱在次混合槽30中混合。当该水的颗粒电荷稳定时，该水从次混合槽30中流出，并且通过低压隔膜过滤器50。该隔膜过滤器50从水中除去颗粒，该颗粒大于隔膜的孔径，其典型的是0.04 –0.1微米。该隔膜过滤系统提供了在水消毒和分配到家用和商业之前，最终的加工步骤。虽然仅仅提到了隔膜过滤器，但是常规的过滤器也可以用于本发明中。

低压隔膜过滤器是通过下面的模式来运行的：用于压力基隔膜过滤系统的供料压力模式或者用于浸没或者真空基隔膜过滤系统的真空压力模式。在供料压力模式中，该隔膜过滤系统使得水在直接供料压力下通过该隔膜。在真空压力模式中，该隔膜过滤系统在真空下牵引水通过该隔膜。该过滤运行可以通过时间间隔(过滤的分钟数)来设定或者该运行可以通过升压或者结垢确定。

在水通过隔膜过滤器50之后，将该水存储在清洁井70中。将氯加入到该清洁井70的水中。在分配系统之前，需要将氯消毒引入到水流中来防止该过滤供水的生物生长或者污染。所述系统可以进一步包括清洁井水平仪66，其监控该清洁井70中的水和将信息经由电信号提供到主控制板60，来确定水在该分配系统中的保留时间。该保留时间是重要的，因为受控制的化合物例如HAA和THM的消毒副产物(DBP)的形成是随着时间变化而发生的。在该分配系统中的保留时间越长，这些受控制的化合物的形成越多。

图1所示的本发明的系统可以进一步包括这样的装置，其用于控制加入到清洁井70的水中的氯的量。例如，基于来自温度传感器44、TOC分析仪62、UV 254分析仪64和清洁井水平仪66的输入信号，该主控制板60可以确定需要加入到清洁井70的水中的氯的量。主控制板60将电信号送到氯添加系统68中，来加入所需量的氯。

图1所示的本发明的系统可以进一步包括保护系统，其中监控次混合槽30中的水的pH，来确保该次混合槽30中的水的pH保持在最佳pH窗中。

例如根据本发明的方法和系统，通过pH探头42来监控次混合槽30中的水的pH。pH探头42将电信号送到主控制板60，其确定了该水的pH是否处于最佳pH窗中。如果该水的pH处于预定的上限或者下限pH值(其对应于最佳pH窗)之外，则主控制板60发送电信号来关闭主和次酸/碱添加系统18，32，直到收到pH读数处于最佳pH窗内为止。与这样的故障保险系统相一致，可以用关闭促凝剂、酸和碱供料系统来触发警报。另外，操作者在手工重新启动所述系统之前将典型地检查整个系统。最佳电磁电荷和pH窗取决于水源和所用的促凝剂类型。通常，最佳pH窗处于大约7.0-8.0标准单位中，但是其取决于所用的水和促凝剂的特性。最佳电磁电荷窗还可以根据所用的金属/盐促凝剂类型(例如铝或者铁基)而轻微变化。

该保护系统还可以包括用于监控隔膜过滤器50性能的机构。当颗粒电荷或者pH处于对于最有效的隔膜性能来说最佳窗之外时，隔膜性能立即降低。例如，如果对于给定的水流来说，所期望的颗粒电荷是-9.7微安和相应的pH是7.3，并且已经通过试验确定了温度变化，其改变了颗粒电荷落入到7.1-7.4的pH值，pH下限6.9和pH上限7.6可以并入到该主控制中。脱离这种预定范围的pH测量值应当是这样指示，即，在这里化学品添加量可能是有问题的。作为故障保险措施，所述系统会触发一个警报，并且关闭化学品供给。

也可以通过隔膜性能传感器46来监控隔膜过滤器50的跨隔膜压力(“TMP”)、隔膜阻力和隔膜渗透性。该隔膜性能传感器46将电信号送到主控制板60，其确定了TMP、隔膜阻力或者隔膜渗透性是否处于预定的条件中。例如，如果已经确定了在正常的工作条件下，该系统经历了比如说0.2 psi/天的可接受的TMP升高，则作为故障保险措施，超过0.5psi/天的TMP升高速率将触发警报，并且关闭化学品供给。当TMP、隔膜阻力或者隔膜渗透性处于该预定条件之外时，主控制板60关闭次酸/碱添加系统32，直到接收到处于预定条件中的测量值为止。

在该方法的第二阶段中控制颗粒电荷和监控pH、TMP、隔膜阻力和隔膜渗透性提高了该隔膜过滤系统的性能。具体地，所获得的优点是更高的隔膜过滤速率，更长的隔膜过滤间隔，较少的隔膜回洗废物和由此的节水，较低的隔膜化学清洁要求，以及更长的隔膜寿命。

重新参考图2，将更详细地描述本发明隔膜过滤系统的第二实施方案。图2所示的隔膜过滤系统的实施方案包含单阶段或者直接供料模式过滤方法。与第一实施方案相反，该直接供料模式不包括澄清器元件。在该直接供料模式中，水绕过澄清器，并且直接去往隔膜过滤系统。如上面的涉及到该两阶段方法的第一阶段的段落中所公开的，可以将水的pH降低到低达4.5-5.0标准单位，来实现最高的TOC除去率。但是，在这种pH和颗粒电荷水平，如果水绕过澄清器，并且直接供给到隔膜上，则在该隔膜上的结垢速率将大大提高。所以，在该直接供料模式中，水的pH和颗粒电荷必须保持在这样的水平，其达到了尽可能高的TOC除去率，同时优化了隔膜性能。

如图2是直接供料模式实施方案的示意图所示，未净化的、未处理的源水流10被导入到混合槽14中，在这里基于多种因素例如体积、TOC水平和温度而向它中加入了有效量的促凝剂。该体积可以依靠流量计12来测量，其监控了流入混合槽14的源水10的体积。该TOC水平可以依靠前述的TOC分析仪62和UV 254分析仪64来测量。该温度可以依靠温度传感器44来测量。

还依靠微安流动电流监控器40监控了混合槽14的水的颗粒电荷。混合槽14中的水然后用适量的酸或者碱添加，来将该水的颗粒电荷保持在对于隔膜过滤器50来说最佳的电荷窗中。一旦混合槽14中水的电磁电荷稳定了，并且促凝剂完全分散，则将水通过隔膜过滤器50，其从水中滤出了絮凝物和不溶性颗粒。

图2所示的系统还可以包括保护系统用于防止失控的化学品添加，包含用于监控混合槽14中水的pH的pH探头42，和隔膜性能传感器46，其监控了该隔膜的TMP、隔膜阻力和隔膜渗透性。应当接受任何用于发现pH、TMP、隔膜阻力或者隔膜渗透性处于预定值之外的测量值，该系统可以关闭直到接收到可接受的测量值为止。

在图2所示的过滤系统的一种优选的实施方案中，该系统进一步包括主控制板60，其收集和分析来自流量计12、TOC分析仪62和UV 254分析仪64的数据输入，来确定待加入到混合槽14的水中的促凝剂的有效量。来自流量计12，TOC分析仪62和UV 254分析仪64的测量数据典型地依靠无线或者电路电信号通讯被送到主控制板60。基于来自流量计12、温度传感器44、TOC分析仪62和UV 254分析仪64的输入数据，主控制板60使用了程序化的算法来计算待加入到混合槽14的水中的促凝剂的有效量。

例如，流量计12将关于进入混合槽14的水的体积的电信号送到主控制板60中。温度传感器44、TOC分析仪62和UV 254分析仪64监控了混合槽14中的水，并且将它们的测量数据经由电信号送到主控制板60。基于来自流量计12、温度传感器44、TOC分析仪62和UV 254分析仪64的数据，主控制板60使用了程序化的算法来计算待加入到混合槽14的水中的促凝剂的有效量。主控制板60然后将电信号送到促凝剂添加系统16，其将有效量的促凝剂加入混合槽14中。

主控制板60还可以用来监控和将混合槽14中的水的颗粒电荷保持在最佳电荷窗中。例如混合槽14中的水的颗粒电荷是通过微安流动电流监控器40来监控的。微安流动电流监控器40将电信号送到主控制板60，其计算了待加入到水中来将颗粒电荷保持在最佳电荷窗中的酸或者碱适当的量。主控制板60将电信号送到酸/碱添加系统18中，来将适量的酸或者碱加入混合槽14中。

混合槽14可以包含具有单个混合器20的单个混合区(如图1所示)，或者优选包含具有多个混合器22，24的多个混合区(如图2所示)，来彻底混合水、促凝剂和酸或者碱。该混合器优选是垂直安装的、桨叶类型的搅拌器。参考图2，当使用多个混合区时，第一区典型地包含了快速混合器22，其快速混合水来快速分散促凝剂，和第二区含有慢速絮凝或者熟化混合器24，其促进了化学沉淀颗粒的絮凝。一旦混合槽14中的水的电磁电荷稳定了，并且促凝剂完全分散了，则将处理过的水立即引导通过隔膜过滤器50，其将絮凝物和不溶性颗粒从水中滤出。

主控制板60也可以用于在水前进通过所述系统时监控该水的pH水平，并且监控隔膜性能数据，来自动保护过滤系统免于失控的化学品添加。例如，主控制板60可以经由来自pH探头42(其测量了主混合槽14中的水的pH)和隔膜性能传感器46(其测量了隔膜的TMP、隔膜阻力和渗透性)的电信号来监控测量数据。如果收到了处于pH、TMP、隔膜阻力或者隔膜渗透性的预定值之外的测量值，则主控制板60关闭酸/碱添加系统18，直到收到可接受的测量值为止。

在通过隔膜50过滤之后，该过滤的水可以导向清洁井70来临时存储。清洁井水平仪66监控了清洁井70中的水，并且提供关于水在分配系统中的保留时间的信息。基于来自温度传感器44、TOC分析仪62、UV 254分析仪64和清洁井水平仪66的输入数据，可以计算所需的氯的量，以使得氯添加系统68能够将必需量的氯分配到清洁井70中。

在一种优选的实施方案中，主控制板60被用于监控、计算和分配必需量的氯到清洁井70中，来保持安全饮水。例如清洁井水平仪66监控了清洁井70中的水，并且通过电信号将关于水在分配系统中保留时间的信息提供到主控制板60。基于来自温度传感器44、TOC分析仪62、UV 254分析仪64和清洁井水平仪66的输入数据，主控制板60计算了所需的氯的量，并且将电信号送到氯添加系统68中，来将必需量的氯送入清洁井70中。

参考附图(特别是图3)，主控制板60使得本发明的方法自动化，来控制在过滤方法过程中加入的促凝剂、酸或者碱和氯的量。基于在整个方法中来自分析仪的输入数据，主控制板60计算了TOC除去率所需的实际的促凝剂剂量，来将卤代乙酸(“HAA”)和三卤代甲烷(“THM”)的消毒副产物形成保持到低于规定限度。主控制板60还可以确定是否需要pH调整以及相结合的促凝剂添加，计算将颗粒电荷保持在最佳电荷窗中所需的酸或者碱剂量，和计算将分配系统保持在规定的残留物限度中所需的实际的氯或者消毒剂。

在一种实施方案中，主控制板60包含了用于接收电信号的接收器。电信号典型的是4-20mA信号，虽然其它传输手段也是可能的。主控制板60接收了来自流量计12、pH探头26，42、温度传感器44、微安流动电流监控器40、隔膜性能传感器46、TOC分析仪62、UV 254分析仪64和清洁井水平仪66的信号。氯残留分析仪同样也可以任选地提供输入信号。

基于该输入数据，通过数学公式或者编程到主控制板60中的算法来确定待加入的促凝剂、酸或者碱、和氯的适当的量。该数学公式或者算法基于实验室模拟，该实验室模拟使用了变化的促凝剂(变化的浓度)和变化的pH水平来确定了TOC除去率。另外，还可以进行这样的实验室模拟，其模拟了DBP的形成和测量了HAA和TTHM在某温度随着时间变化的形成。这种试验和模拟，以及TOC除去和DBP“原位”形成，可以提供代入所述公式/算法中所必需的信息，主控制板使用该信息来加入促凝剂，设定pH和加入氯。主控制板60的发射器然后将电信号送到促凝剂添加系统16，酸/碱添加系统18，32，和氯添加系统68，来将适量的各自的化学品加入水中。

主控制板60还保护以抵抗这样的可能性，即，在控制pH和颗粒电荷中过量加入酸或者碱。pH，TMP，隔膜阻力和隔膜渗透性的默认设定点存储在主控制板60中。当收到处于这些设定点之外的测量值时，主控制板60经编程来关闭酸和碱添加，直到获得处于设定点中的可接受的测量值为止。例如，如果最佳隔膜性能窗pH是7.2-7.5标准单位，则当pH测量为处于这种窗口之外时，主控制板60将不允许pH添加系统来添加。

现在对本领域技术人员来说很显然这里已经描述了改进的隔膜过滤系统和方法。其提高了总有机碳除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。

虽然这里本发明已经经由优选的实施方案进行了描述，但是很显然可以使用其它的改变和改进，而不脱离其主旨和范围。例如，上述用于使得TOC除去率和隔膜过滤性能最大化的方法还可以包括控制水中的其它成分例如碱度调整，改变两阶段化学促凝剂的类型，和粉末化活性炭(“PAC”)添加。其它工艺可以加入到所述方法中例如在该方法之前的离子交换和在该方法之后的粒状活性炭吸附或者所述的方法可以是用于饮用水过滤的孤立方法。该方法的灵活性允许使用更新类型的液-固澄清器和更新的、更先进的隔膜材料。

上述发明公开了一种系统和方法，其用于提高从未净化的、未处理的水中除去TOC的除去率，同时保持最佳隔膜过滤器性能。虽然本发明已经进行了具体表示和描述，但是本公开不打算限制本发明的范围。这里所使用的术语和表述是作为说明性术语使用的，而非限制；并因此，这里不打算排除等价物，而是相反，其目的是覆盖任何和全部的能够使用的等价物，而不脱离本发明的主旨和范围。本领域技术人员将理解可以在其中进行不同形式的改变和调节，而不脱离本发明的主旨和范围。

Claims (22)

1.方法，该方法用于优化从水中除去总有机碳(TOC)的除去率，同时提高隔膜过滤器的性能，该方法包括：在所述水被引导通过所述的隔膜过滤器之前，调整所述水的pH水平，以使得所述水的颗粒电荷与所述隔膜过滤器的电磁表面电荷对准。

2.权利要求1的方法，其中所述的调整步骤包括：使用微安流动电流监控器测量所述水的颗粒电荷，和向所述水添加酸或者碱来将所述水的颗粒电荷保持在所述隔膜过滤器的最佳电荷窗中。

3.权利要求2的方法，其中所述最佳电荷窗的范围是-9.8到-9.4微安。

4.权利要求2的方法，进一步包括在所述的调整步骤之前，将有效量的促凝剂分散到所述水中，其中所述的有效量的促凝剂是基于所述水的体积、TOC水平和温度来确定的。

5.权利要求4的方法，进一步包括在所述的促凝剂分散步骤之前，抑制所述水的pH。

6.权利要求5的方法，其中所述抑制所述水的pH包括：向所述水添加酸或者碱，来将pH保持在4.0-6.0标准单位。

7.权利要求6的方法，进一步包括：在所述的调整步骤之前，但是在所述的促凝剂分散步骤之后，引导所述水通过机械澄清器装置。

8.权利要求4的方法，其中所述有效量的促凝剂另外基于所述隔膜的最佳电荷窗。

9.权利要求1的方法，进一步包括：使用连接到所述隔膜的传感器来监控隔膜过滤器的性能测量值，和当所述的性能测量值超过预定值时防止所述水被引导通过所述的隔膜过滤器。

10.权利要求9的方法，其中所述隔膜过滤器性能数据包括：所述隔膜的跨隔膜压力的测量值。

11.权利要求9的方法，其中所述隔膜过滤器性能数据包括所述隔膜的阻力的测量值。

12.权利要求9的方法，其中所述隔膜过滤器性能数据包括所述隔膜的渗透性的测量值。

13.隔膜过滤系统，用于优化从水中除去总有机碳的除去率同时提高隔膜过滤器的性能，该系统包含：

第一混合槽，其用于在所述水被引导通过所述隔膜过滤器之前，保持所述水；

微安流动电流监控器，其用于测量在所述第一混合槽中的所述水的颗粒电荷；

pH探头，其用于测量所述的第一混合槽中所述水的pH；和

机构，其用于在所述水被引导通过所述的隔膜过滤器之前，调整所述水的pH水平，来使得所述水的所述颗粒电荷与所述隔膜过滤器的电磁表面电荷对准。

14.权利要求13的隔膜过滤系统，其中所述的用于调整pH水平的机构包含酸/碱添加系统，其是得自所述的微安流动电流监控器和所述的pH探头的响应性测量值。

15.权利要求13的隔膜过滤系统，进一步包括促凝剂添加机构，用于将促凝剂加入到在所述的第一混合槽中的所述水中。

16.权利要求15的隔膜过滤系统，进一步包括混合装置，用于将所述的促凝剂分散到所述水中。

17.权利要求15的隔膜过滤系统，进一步包括：

用于确定所述的第一混合槽中水的体积的机构；

用于分析所述水中TOC的量的机构；和

用于测量所述水的温度的机构；

控制装置，其用于确定供促凝剂添加机构加入到所述水中的促凝剂有效量；

其中所述的控制装置基于所述的混合槽中所述水的体积、TOC水平和温度，来确定所述促凝剂的有效量。

18.隔膜过滤系统，用于优化从水中除去总有机碳的除去率同时提高隔膜过滤器的性能，该系统包含：

第一混合槽，用于接收来自源的未净化的、未处理的水，所述的第一混合槽包括：

a) 促凝剂添加机构，用于将促凝剂分配到所述第一混合槽中的水中，和

b) 主酸/碱添加系统，用于调整所述的第一混合槽中水的pH水平；

流体连接到所述的第一混合槽的澄清器装置，所述的澄清器经配置以接收来自所述的第一混合槽的水，并且从所述水中过滤出化学絮凝的颗粒；和

流体连接到所述的澄清器装置的第二混合槽，所述的第二混合槽经配置以接收来自所述的澄清器装置的水，并且将水导向所述的隔膜过滤器，所述的第二混合槽包括；

a) 微安流动电流监控器，其用于测量所述的第二混合槽中水的颗粒电荷，和

b) 次酸/碱添加系统，其用于调整所述的第二混合槽中的水的pH水平，

其中，在将水导向所述的隔膜过滤器之前，所述的次酸/碱添加系统基于来自所述的微安流动电流监控器的测量值，来调整所述的第二混合槽中水的pH水平，以将所述水的颗粒电荷保持在所述的隔膜过滤器的最佳电荷窗中，该颗粒电荷与所述的隔膜过滤器的电磁表面电荷对准。

19.权利要求18的隔膜过滤系统，进一步包括连接到所述的隔膜过滤器的隔膜性能传感器，其监控隔膜性能数据，并防止当所述的隔膜性能数据超过预定值时水被引导通过所述的隔膜过滤器。

20.权利要求19的隔膜过滤系统，其中所述的隔膜性能传感器测量所述的隔膜过滤器的跨隔膜压力、隔膜阻力和隔膜渗透性。

21.权利要求18的隔膜过滤系统，其中所述的第一和第二混合槽中的每一个进一步包括至少一个混合器元件。

22.权利要求18的隔膜过滤系统，其中所述的第一混合槽进一步包含：

c) 用于确定所述的第一混合槽中的水体积的机构，

d) 用于分析所述水中TOC量的机构，和

e) 用于测量所述水温度的机构；

其中通过所述的促凝剂添加机构分配到所述水中的促凝剂的量基于所述的第一混合槽中所述水的体积、TOC水平和温度。

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