CN102471103A - 水处理装置和水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水处理装置，该装置包括：第一膜过滤装置，其中采用平均孔径大于或等于1μm的过滤膜；第二膜过滤装置，其通过使用微滤膜或超滤膜来处理经所述第一膜过滤装置过滤的水；以及反渗透膜过滤装置，其用于处理经所述第二膜过滤装置过滤的水。本发明特别提供一种水处理装置，其中将未经亲水化处理的疏水性聚合物膜用作所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜。本发明还提供了可由这些水处理装置实施的水处理方法。

Description

水处理装置和水处理方法
技术领域
本发明涉及采用反渗透膜的水处理装置和水处理方法。更具体而言，本发明涉及这样的水处理装置，其具有利用反渗透膜的水处理部(means)和作为水处理部预处理的悬浮物除去部，并且本发明涉及通过采用该水处理装置实现的水处理方法。
背景技术
反渗透(RO)膜为具有直径为约0.1nm至0.5nm的超细孔的半透膜。使溶有杂质(如，盐)的原水与反渗透膜的一侧接触并使纯水与另一侧接触，产生了渗透压，使得纯水透过反渗透膜渗透至原水侧。然而，当向原水侧施加超过渗透压的压力时，原水中的水分子选择性地穿过反渗透膜至纯水侧，从而可获得杂质(如，盐)已被除去的纯水。因此，采用反渗透膜的水处理系统已被用作从原水中除去杂质(如，盐)的装置，并且被广泛用于脱盐处理(如，海水淡化)、以及其它地下水、排水和水的循环。
许多情况下，采用反渗透膜的水处理系统的原水包含由粗颗粒形成的悬浮物。因此，为了抑制反渗透膜被悬浮物所污染，通常在利用反渗透膜装置进行处理之前设置从原水中除去悬浮物的预处理装置。该预处理装置包括：砂滤、采用具有比反渗透膜的孔更大的孔的膜进行的过滤(例如，微滤(microfiltration，MF)或超滤(ultrafiltration，UF))、或它们的组合等。
这里砂滤是指通过将原水引入设置有过滤材料(所述过滤材料由多层砂子(アンスラサイト、硅砂等)和支持砂砾形成)的滤床，并使原水穿过该过滤材料从而除去悬浮物的方法。微滤是指通过使原水穿过微滤膜(其包括直径大于或等于约100nm(0.1μm)且小于1000nm(1μm)的孔)从而除去悬浮物的方法。超滤是指通过使原水穿过超滤膜(其包括直径为约1nm至100nm的孔)从而除去悬浮物的方法。
具体而言，采用反渗透膜并具备预处理装置的水处理系统可以包括：利用反渗透膜对通过一次或两次或多次砂滤而被预处理过的水进行过滤(也称为反渗透膜过滤)的系统；利用反渗透膜对通过微滤或超滤而被预处理过的水进行过滤的系统；另外还有，通过将上述提到的预处理方法组合而获得的方法，例如，利用反渗透膜对在砂滤后进行微滤或超滤而被预处理过的水进行过滤的系统(非专利文献1)，等。
引用列表
非专利文献
非专利文献1：Fukuoka District Waterworks Agency，“Mechanismof Desalination，”[在线]，[于2009年7月17日检索]，因特网<URL：http://www.f-suiki.or.jp/seawater/facilities/mechanism.php>
发明内容
技术问题
然而，上述砂滤存在问题，如：由于使用滤床而需要较大安装面积，以及由于安装需要大规模土木工事而需要高安装费用。另外，在砂滤中，只能除去悬浮物中直径大于或等于约1μm的颗粒，而不能除去更小的颗粒。因而，必须加入絮凝剂以充分除去悬浮物，从而导致处理成本的增加。
另一方面，在通过微滤或超滤进行的预处理中，可除去小颗粒并可充分除去悬浮物。然而，存在每单位膜面积的流量(流束)低的问题。相应地，为了获得大量处理，必须增加膜面积。因此，必须增大进行微滤或超滤的装置(组件)的尺寸，或者必须增加该装置的数量，从而导致安装成本的增加。
在海水中存在约1ppm至若干ppm的名为透明胞外聚合物颗粒(TEP，transparent exopolymer particle)的粘合性物质，其是由浮游生物和微生物在细胞外分泌的。TEP包括糖类作为主要成分，并且其为颗粒尺寸为约1μm至200μm的可变形颗粒。由于有机颗粒(如，TEP)会变形，所以不能通过砂滤充分除去该有机颗粒。另外，当有机颗粒经微滤膜或超滤膜直接过滤时，该有机颗粒粘附到膜表面并扩散，从而导致微滤膜或超滤膜的淤积(阻塞)。
本发明旨在解决上述现有技术问题。换言之，本发明的目的在于提供采用反渗透膜的水处理装置和水处理方法，其中不需要大的安装面积，并且每单位膜面积的处理流量(流束)高。反言之，本发明的目的在于提供这样的水处理装置和水处理方法，其中可在较小设备上获得相同处理量，并且由此可降低安装成本。另外，本发明的目的在于提供这样的水处理装置和水处理方法，其中悬浮物和有机颗粒(如，TEP)可被有效除去，而无需加入絮凝剂。
解决方案
本发明的发明人为了解决上述问题而进行了研究，结果发现，在利用反渗透膜对通过微滤(以下称为“MF”)或超滤(以下称为“UF”)预处理过的水进行过滤的水处理装置(系统)中，将使用平均孔径大于或等于1μm的过滤膜(以下称为LF膜)进行的预处理作为所述MF或UF的前段，由此使得不再需要大的安装面积，采用小的设备即可获得大量的处理，并且悬浮物和有机颗粒(如，TEP)可通过预处理被充分除去而无需加入絮凝剂。由此，本发明的发明人完成了本发明。
换言之，上述目的是通过这样一种水处理装置(权利要求1)实现的，该装置包括：第一膜过滤装置，其中采用平均孔径大于或等于1μm的过滤膜；第二膜过滤装置，其通过使用微滤膜(以下称为“MF膜”)或超滤膜(以下称为“UF膜”)处理经第一膜过滤装置过滤的水；以及反渗透膜过滤装置，其用于处理经第二膜过滤装置过滤的水。
在该水处理装置中，首先将原水(待处理液)供给至第一膜过滤装置并穿过LF膜。使经第一膜过滤装置处理的液体穿过采用MF膜或UF膜的第二膜过滤装置。将经第二膜过滤装置处理的液体进一步供给至反渗透膜过滤装置。在第一膜过滤装置中，LF膜从原水中除去了以下粗颗粒：所述粗颗粒的尺寸等于或大于对应LF膜平均孔径的尺寸，并且还捕获了有机颗粒(如，TEP)。从而减少了原水中的悬浮物和有机颗粒(如，TEP)。另外，当液体穿过MF膜或UF膜时，悬浮物中的细颗粒和有机颗粒(如，TEP)被除去。在将液体供给至反渗透膜过滤装置之前，悬浮物和有机颗粒(如，TEP)被充分除去。
由于LF膜具有大于或等于1μm的平均孔径，因此与MF膜或UF膜相比，每单位膜面积的流量(流束)可增大。反言之，可采用更小的设备来获得所期望的处理量。
另外，由于LF膜除去了待处理液中的悬浮物的粗颗粒，并有效捕获了有机颗粒(如，TEP)，因此后续阶段中MF膜或UF膜的阻塞得到抑制。
这里，过滤膜(如，LF膜)的平均孔径是指由泡点法(气流法)确定的孔径。具体而言，假设P(Pa)代表采用异丙醇基于ASTM F316所测量的IPA泡点值(压力)，γ代表液体的表面张力(dynes/cm)，并且B代表毛细常数，则该孔径是指通过下式示出的直径d(μm)。下式同样也适用于MF膜、UF膜等的平均孔径。
d＝4Bγ/P
LF膜的平均孔径越小，可除去越小的颗粒，并且在预处理中除去悬浮物和有机颗粒(如，TEP)的速率增强。另一方面，LF膜的平均孔径越小，每单位膜面积的流量(流束)越小。因此，考虑每单位膜面积的流量(流束)以及除去悬浮物和有机颗粒(如，TEP)的期望速率来选择最佳孔径。
另外，采用LF膜的第一膜过滤装置不需要大安装面积，与采用砂滤的情况的安装面积相比，可显著减小安装面积。特别是通过将由LF膜形成的中空纤维膜组件用作第一膜过滤装置，可进一步减小该安装面积。另外，与采用砂滤情况的设备成本相比，可显著降低安装用的设备成本。
换言之，根据该方法可获得以下效果：
1)可增加每单位膜面积的流量(流束)。
2)不需要大的安装面积。
3)通过采用MF膜或UF膜进行处理，可除去原水中的极细颗粒，并可充分除去悬浮物。因此不需要加入絮凝剂。因此，还可降低运行成本。
4)与只采用MF膜或UF膜进行反渗透膜过滤的预处理的情况相比，可减少达到相同处理量所需的过滤膜总面积。从而可使装置总体上更紧凑，并且可降低设备成本并减少安装面积。
换言之，MF膜或UF膜中存在每单位膜面积的流量(流束)低的问题，因此必须增加膜面积以获得相同处理量。通过在MF或UF之前采用LF膜进行处理，由于LF膜除去了悬浮物中的相对粗的颗粒并降低了有机颗粒(如，TEP)的含量，因此可降低MF膜或UF膜的过滤负荷，并且可减少获得相同处理量所需的MF膜或UF膜面积。由于获得该效果所需的LF膜面积通常远小于MF膜或UF膜的总面积，因此即使考虑LF膜是必要的，也可减少膜的总面积。从而，可降低装置(组件)的尺寸和装置的数量，并且可降低安装成本。
根据权利要求2的发明涉及根据权利要求1所述的水处理装置，其中上述LF膜为未经亲水化处理的疏水性聚合物膜。
当LF膜为由疏水性材料(如，聚四氟乙烯(以下称为PTFE)膜)制成的聚合物膜(疏水性聚合物膜)时，其与待处理液(如，海水)的相容性变低，并且每单位膜面积的处理流量(流束)变低。当MF膜或UF膜为疏水性聚合物膜(如，PTFE膜)时，该问题更为显著。相应地，优选采用由亲水性材料(如，聚醚砜(PES)和聚砜(PS))制成的聚合物膜(亲水性聚合物膜)来增强处理流量(流束)。然而，即使当采用机械强度和耐化学品性优异的疏水性聚合物膜(如，PTFE膜)时，也可通过用亲水性液体处理LF膜、MF膜或UF膜的方法，或通过用于使构成LF膜、MF膜或UF膜的材料亲水化的亲水化工艺，来提高处理流量(流束)。因此，当采用疏水性聚合物膜时，优选进行该处理或工艺。
采用亲水性液体处理LF膜、MF膜或UF膜的方法可包括在待处理液穿过该膜之前，使LF膜、MF膜或UF膜与亲水性醇接触，并用亲水性醇覆盖膜表面(包括孔内)的方法。该亲水性醇可包括乙醇、丙醇等，并且特别优选使用异丙醇。使LF膜、MF膜或UF膜与亲水性醇接触的方法可包括：使亲水性醇穿过LF膜、MF膜或UF膜的方法，将LF膜、MF膜或UF膜浸入亲水性醇中的方法等。另外，当LF膜、MF膜或UF膜为PTFE膜时，使构成膜的材料亲水化的亲水化工艺可包括(例如)用亲水性化合物(如，乙烯醇)桥接PTFE膜表面的方法。
如上所述，优选使用亲水性聚合物膜或经亲水化处理的疏水性聚合物膜作为LF膜、MF膜或UF膜，以提高每单位膜面积的处理流量(流束)。另一方面，优选使用未经亲水化处理的疏水性聚合物膜作为LF膜，以抑制处理流量(流束)随时间推移的降低。权利要求2相当于其优选方式。
本发明的发明人已经发现，他们的研究表明，当采用未经亲水化处理的疏水性聚合物膜作为LF膜时，可进一步抑制处理流量(流束)随时间推移的降低。换言之，当采用未经亲水化处理的疏水性聚合物膜作为LF膜时，与采用亲水性聚合物膜或经亲水化处理的疏水性聚合物膜作为LF膜的情况相比，尽管开始过滤时处理流量(流束)可能降低，但在过滤操作期间处理流量(流束)随时间推移的降低变小。
通过在MF膜或UF膜的前段提供LF膜，由MF膜或UF膜阻塞引起的处理流量(流束)随时间推移的降低得到抑制。然而根据待处理液的类型，某些情况下即使设置了LF膜，也不能充分抑制处理流量(流束)随时间推移的降低。该问题出现在(例如)待处理液中具有高含量的有机颗粒(如，TEP)时。即使在这种情况下，当将未经亲水化处理的疏水性聚合物膜用作LF膜时，抑制由MF膜或UF膜阻塞引起的处理流量(流束)随时间推移的降低的效果依然显著，并且抑制随时间推移的降低的效果进一步增强。需要指出的是，除PTFE膜外，疏水性聚合物膜可包括聚偏二氟乙烯(PVdF)膜、聚乙烯(PE)膜等。
根据权利要求3的发明涉及根据权利要求1或2所述的水处理装置，其中所述MF膜或UF膜为亲水性聚合物膜或经亲水化处理的疏水性聚合物膜。如上所述，为了提高处理流量(流束)，优选采用由亲水性材料制成的聚合物膜(亲水性聚合物膜)作为MF膜或UF膜，或优选进行使构成MF膜或UF膜的材料亲水化的亲水化工艺。
根据权利要求4的发明涉及根据权利要求1至3中任意一项所述的水处理装置，其中所述LF膜为PTFE膜。
根据权利要求5的发明涉及根据权利要求1至3中任意一项所述的水处理装置，其中所述LF膜为聚偏二氟乙烯膜或聚乙烯膜。
对LF膜的材料不作特别限定，只要该材料可形成平均孔径大于或等于1μm的均匀孔，并且具有充足的机械强度以承受在过滤期间所施加的压力、使液体穿过膜而进行的逆洗，等即可。优选使用的材料可包括：PTFE、氟树脂(如，聚偏二氟乙烯膜)、聚乙烯等。特别是，PTFE具有优异的机械强度，并且还容易形成高孔隙率的平均孔径为2μm至5μm的均匀孔。另外，PTFE具有优异的耐化学品性。因此更优选使用PTFE。
根据权利要求6的发明涉及根据权利要求1至5中任意一项所述的水处理装置，其中所述的LF膜为平均孔径大于或等于1μm且小于10μm的过滤膜。尽管对LF膜平均孔径的上限不作特别限定，但当平均孔径超过10μm时，除去悬浮物和减少有机颗粒(如，TEP)的效果被认为是不充分的。因此优选小于10μm的平均孔径。另外，容易制备平均孔径小于或等于约5μm的LF膜。另一方面，为了获得高的每单位膜面积的处理流量(流束)，优选平均孔径大于或等于2μm的LF膜。因此，优选平均孔径大于或等于2μm且小于或等于5μm的LF膜。
根据权利要求7的发明涉及水处理方法，该方法包括：粗滤步骤，其中通过LF膜(平均孔径大于或等于1μm的过滤膜)来过滤原水；精滤步骤，其中通过MF膜或UF膜来过滤经粗滤步骤过滤的水；以及反渗透膜处理步骤，其中通过反渗透膜来处理经精滤步骤过滤的水。根据权利要求7的发明是通过从方法角度诠释根据权利要求1的发明而获得的。通过LF膜(粗滤步骤)的过滤、以及通过MF膜或UF膜的过滤(精滤步骤)如上所述。此外本方法中所使用的LF膜、MF膜和UF膜亦如上所述。
根据权利要求8的发明涉及根据权利要求7所述的水处理方法，其中所述LF膜为未经亲水化处理的疏水性聚合物膜。根据权利要求8的发明是通过从方法角度诠释根据权利要求2的发明而获得的。如上所述，优选将未经亲水化处理的疏水性聚合物膜用作LF膜，以抑制处理流量(流束)随时间推移的降低。
本发明的有益效果
根据本发明可提高每单位膜面积的处理流量(流束)，因此可采用小的设备获得所期望的处理量。另外，不需要大的安装面积，并且与砂滤情况的安装面积相比，该安装面积可显著减少。此外，不需要加入絮凝剂。因此，采用本发明的水处理装置和水处理方法的水处理系统的运行成本能够得以降低。
附图的简要说明
图1为示出本发明水处理装置的一个例子的示意图。
图2为示出用于本发明的水处理装置和水处理方法的采用LF膜的第一膜过滤装置的示意性剖视图。
图3为示出实验数据1中过滤时间、过滤流束和差压的关系的图。
图4为示出实验数据1中过滤时间、过滤流束和差压的关系的图。
图5为示出实验数据2中过滤时间和过滤流束的关系的图。
图6为示出实验数据3中过滤时间和过滤流束的关系的图。
图7为示出实验数据4中过滤时间和过滤流束的关系的图。
图8为示出实验数据5中过滤时间和过滤流束的关系的图。
图9为示出实验数据5中总流量和过滤流束的关系的图。
图10为示出实验数据6中过滤时间和过滤流束的关系的图。
图11为示出实验数据7中过滤时间和过滤流束的关系的图。
具体实施方式
接下来将参考附图描述本发明的实施方式。然而本发明的范围不限于该实施方式，可在不损害本发明的主旨的情况下对本发明进行各种修改。
图1为示出本发明水处理装置的一个例子的示意图。图1所示的装置相当于权利要求1的水处理装置。
首先，如图1实线箭头所示，将原水用泵P1注入采用LF膜的第一膜过滤装置，并穿过第一膜过滤装置中的LF膜。从而除去了悬浮物中相对粗的颗粒，并且还捕获了有机颗粒(如，TEP)。该步骤相当于权利要求7中的粗滤步骤。通常将第一膜过滤装置的工作压力设定为小于或等于100kPa。
对第一膜过滤装置的结构不作特别限定，并且为了提高膜的处理性和物理耐久性，例如可采用扁平LF膜夹在框架之间的具有扁平膜结构的元件。然而为了在相同装置尺寸中进一步增加过滤膜的面积，优选采用包括中空纤维LF膜的元件。图2示出采用中空纤维膜的元件的例子。
可(例如)通过以下方法来制备优选用作LF膜的膜(即，由PTFE制成并且包括直径为2μm至5μm的均匀孔的膜)，所述方法包括：通过乳液聚合法制备PTFE粉末，将该PTFE粉末与一部分经悬浮聚合法获得的PTFE粉末混合，将该粉末混合物塑形成膜，加热并熔融该粉末混合物，然后拉伸所得的膜。当未混合通过悬浮聚合法所得的PTFE粉末时，很难制备出平均孔径为2μm至5μm且通过拉伸具有优异机械强度的膜。考虑到所需平均孔径和机械强度，可适当调整通过悬浮聚合法所得的PTFE粉末的混合比。
为了提供机械强度，也可使用下述复合膜作为LF膜，所述复合膜是通过将平均孔径大于或等于1μm的上述多孔膜与具有更大孔的多孔体组合得到的。另外，橡胶聚合物如聚丁二烯、乙烯-丙烯橡胶和氯丁橡胶可用作该多孔体的材料。
需要指出的是，在使用过滤膜(如，LF膜)时，悬浮物进入并阻塞孔，从而导致过滤流量降低和过滤压力升高。因此，需要在合适的时间清洁膜并除去阻塞孔的悬浮物。相应地，采用LF膜的第一膜过滤装置优选包括清洁并除去通过使原水穿过膜从而阻塞孔的悬浮物的装置。
已知的用于清洁过滤膜的方法有：通过使气体以与过滤时的液体流动方向相反的方向穿过过滤膜的清洁方法(空气逆洗)、通过使水以与过滤时的液体流动方向相反的方向穿过过滤膜从而进行逆洗的清洁方法(以下称为“使液体穿过膜而进行的逆洗”)、通过注入化学溶液来清洁膜的方法(化学溶液清洁)、通过在膜上施加超声波的清洁方法(超声波清洁)等。
化学溶液清洁存在的问题例如：清洁需要的时间长、需要进行废液处理和需要化学溶液成本。化学溶液清洁根据化学溶液的类型还存在安全性问题。因此期望不使用化学溶液的清洁方法。使液体穿过膜而进行的逆洗不具有该问题，并且清洁效率优异。因此广泛采用使液体穿过膜而进行的逆洗。由于LF膜的平均孔径大于或等于1μm，因此通过采用使液体穿过膜而进行的逆洗，LF膜具有易于清洁并且易于除去粘附在膜表面或进入并阻塞膜孔的悬浮物的特征。
当将使液体穿过膜而进行的逆洗与超声波清洁联合使用时，该易于清洁的特征尤其突出。换言之，通过在LF膜上同时进行使液体穿过膜而进行的逆洗和超声波清洁，可有效除去孔的阻塞，从而使过滤流量恢复到与过滤步骤开始时的水平相同的水平。该清洁具体是通过以下步骤进行的：使LF膜与用于清洁的液体(通常为不含悬浮物的水)接触、对上述液体施加差压以产生与过滤时的流动方向相反的流动、并且同时通过与LF膜接触的液体施加超声波至LF膜。
图1的例子中的第一膜过滤装置提供了采用使液体穿过膜而进行的逆洗来清洁LF膜的装置。换言之，如图1的虚线箭头所示，通过泵P2向采用LF膜的第一膜过滤装置中注入逆洗用水，并且该逆洗用水以与过滤时的方向相反的方向穿过第一膜过滤装置中的LF膜。从而清洁并除去了阻塞LF膜孔的悬浮物。优选使用不含悬浮物的水作为逆洗用水。
如上所述，通过将使液体穿过膜而进行的逆洗与超声波清洁组合，易于清洁的效果变得非常显著。由此，充分清洁是可能的，可排除化学清洁或可降低由化学清洁引起的负荷。因此第一膜过滤装置中优选采用超声波振荡装置，并且在使液体穿过膜而进行的逆洗进行的同时施加超声波。
如图中虚线箭头所示，将逆洗后穿过LF膜的含悬浮物的水作为逆洗排水排出。
如图中实线箭头所示，将流出第一膜过滤装置的水通过泵P3注入采用MF膜或UF膜的第二膜过滤装置，并使水穿过第二膜过滤装置中的MF膜或UF膜。从而除去悬浮物中的细颗粒。该步骤对应于权利要求7中的精滤步骤。
第二膜过滤装置通常配置有采用MF膜或UF膜的膜元件、抗压容器等。通过提供第二膜过滤装置，即使在不使用絮凝剂的情况下，也可通过预处理充分除去悬浮物和有机颗粒(如，TEP)。
许多情况下，MF膜在小于或等于200kPa的工作压力下工作，而UF膜在小于或等于300kPa的工作压力下工作。
尽管不作特别限定，MF膜或UF膜包括聚丙烯腈多孔膜、聚酰亚胺多孔膜、PES多孔膜、聚苯硫醚砜多孔膜、PTFE多孔膜、PVdF多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜等。特别是，PTFE多孔膜具有优异的机械强度、耐化学品性等，因此优选该PTFE多孔膜。类似于上述LF膜，该PTFE多孔膜也可用作复合膜。
如图中实线箭头所示，将流出第二膜过滤装置的水通过泵P5注入反渗透膜过滤装置，并使水穿过反渗透膜。从而除去溶解的盐等。该步骤对应于权利要求7中的反渗透膜过滤步骤。
反渗透膜过滤装置通常配置有反渗透膜元件、抗压容器等。通常反渗透膜过滤装置的工作压力为0.1MPa至15MPa，该工作压力根据待处理液的类型等适当地选择。当海水淡化或工业废水等作为原水时，在相对高的压力下使用反渗透膜过滤装置。通常将聚合物材料(如，醋酸纤维素基聚合物、聚酰胺、聚酯、聚酰亚胺以及乙烯基聚合物)用作反渗透膜的材料。另外对于反渗透膜的结构，可采用不对称膜和其它复合膜，其中不对称膜至少在膜一侧具有致密层，并且具有孔径从致密层到膜内或另一侧表面逐渐增加的小孔。
如图中实线箭头所示，获得流出反渗透膜过滤装置的水作为处理液，并将其用于各种应用，所述的处理液不含悬浮物和杂质(如，盐)。
在图1的例子中，第二膜过滤装置和反渗透膜过滤装置都具有类似于第一膜过滤装置的清洁膜的装置。换言之，如图1虚线箭头所示，在第二膜过滤装置中通过泵P4或在反渗透膜过滤装置中通过泵P6注入逆洗用水，水以与过滤时的方向相反的方向穿过膜，从而对膜进行了清洁(使液体穿过膜而进行的逆洗)。逆洗后，如图中虚线箭头所示，该水作为逆洗排水被排出。在第二膜过滤装置和反渗透膜过滤装置中，均设置了超声波振荡装置，并在使液体穿过膜而进行的逆洗的同时施加超声波可获得更充分地清洁。从而可排除化学清洁或可降低由化学清洁引起的负荷。
类似于LF膜，中空纤维膜、扁平膜等可任意用作第二膜过滤装置中的MF膜或UF膜以及反渗透膜过滤装置中的反渗透膜。
在第一膜过滤装置、第二膜过滤装置和反渗透膜过滤装置中，通常将多个膜组件(其中均含有膜元件)并排提供从而获得大处理流量。另外也可串联提供多个膜组件，从而更完全除去悬浮物、盐等。
图2为示出采用图1例子中的LF膜的第一膜过滤装置的示意性剖视图。在图中，第一膜过滤装置包括采用LF膜的中空纤维膜组件1、中空纤维膜组件1的外壳2、位于中空纤维膜组件1中的原水侧3和过滤水取出部4、以及由LF膜形成的中空纤维膜5。(尽管图中仅示出了三个中空纤维膜5，但通常在中空纤维膜组件中提供更多个中空纤维膜。)
P1和P2(分别对应于图1中的P1和P2)代表泵，并且B1和B2代表阀门。另外，超声波振动子21和22作为施加超声波的装置被设置在中空纤维膜组件1中，它们分别连接至中空纤维膜组件1外部的超声波振荡器23。超声波被施加至LF膜所浸入的液体，并以该液体作为媒介被施加至LF膜上。因此在充满该液体的中空纤维膜组件1中提供了超声波振动子21和22。需要指出的是尽管图2的例子中设置了位于不同方向的两个超声波振动子21和22，但可以仅放置两个超声波振动子21和22中的一个。图2中的粗箭头代表当LF膜除去原水中的悬浮物并捕获有机颗粒(如，TEP)时的水流。
首先通过泵P1向原水加压，然后被加压的原水穿过管11、阀门B1和管13至中空纤维膜组件1的原水侧3。此时，超声波振动子21和22不运转。
供给原水侧3的原水通过泵P1被加压，从而由于差压，如图2的粗箭头所示，原水穿过中空纤维膜5(LF膜)。当原水穿过中空纤维膜5时，中空纤维膜5捕获并除去原水中的相对粗的悬浮物。另外，中空纤维膜5还捕获原水中的有机颗粒(如，TEP)，从而降低了有机颗粒的含量。穿过中空纤维膜5的过滤水流过中空纤维膜5的中空部分、过滤水取出部4、管14、阀门B2和管16，并作为其中相对粗的悬浮物已除去且有机颗粒(如，TEP)的含量已降低的处理液流出。如图1所示，流出的处理液通过泵P3被注入第二膜过滤装置。
在采用使液体穿过膜而进行的逆洗等清洁LF膜的情况下，阀门B1和B2的方向改变，操作泵P2而不是泵P1，通过泵P2将压力施加至逆洗用水，并且被加压的逆洗用水穿过管15、阀门B2、管14和中空纤维膜组件1的过滤水取出部4至中空纤维膜5的中空部分。由于逆洗用水被加压，其从过滤水取出部4穿过中空纤维膜5到达原水侧3。此时，洗去了阻塞中空纤维膜5的孔的悬浮物。
另外在洗涤同时，操作超声波振荡器23以及超声波振动子21和22并向中空纤维膜5施加超声波。从而阻塞中空纤维膜5的孔的悬浮物可被更充分的洗去，并且通过简单清洁，中空纤维膜5的孔内状态可达到类似于过滤起始时的状态(几乎没有阻塞)。
穿过中空纤维膜5的清洁水(也含有阻塞孔的悬浮物)穿过中空纤维膜组件1的原水侧3和管13。另外，由于阀门B1的方向改变，清洁水穿过阀门B1和管12并作为逆洗排水而排出。
尽管已经描述了采用LF膜的第一膜过滤装置，但在第二膜过滤装置和反渗透膜过滤装置中待处理液以及逆洗用水的流动类似于第一膜过滤装置中的流动。
实施例
实验数据1
图3为示出了当用膜面积为36m2、平均孔径为0.1μm(100nm)的UF膜(其为未经亲水化处理的PTFE膜，但是该PTFE膜经过了异丙醇处理。该未经亲水化处理的PTFE膜在下文中称为“疏水性PTFE膜”。)过滤浊度为0.1NTU的海水时，过滤时间和过滤流束的关系(图3中实线所示)、以及过滤时间和差压的关系(图3中虚线所示)的图。工作压力为50kPa。图4示出了当首先使用膜面积为7m2、平均孔径为2μm的LF膜(其为疏水性PTFE膜并经过异丙醇处理)过滤海水，并用与上述UF膜相同且膜面积为36m2、平均孔径为0.1μm(100nm)的UF膜过滤流出水时，过滤时间和过滤流束的关系(图4中实线所示)、以及过滤时间和差压的关系(图4中虚线所示)。工作压力为50kPa。需要指出的是单位NTU(Nephelometric TurbidityUnit，比浊法浊度单位)代表福尔马肼浊度(Formazin Turbidity)，其为采用福尔马肼作为标准溶液来测量散射光时的测量单位。在1L纯水中溶解1mg的福尔马肼获得的溶液具有1NTU。需要指出的在过滤海水之前进行使异丙醇穿过过滤膜的工艺。这些也同样适用于下述实验。
比较图3和4，两种情况下过滤时间约30min时过滤流束变得稳定。然而当过滤流束变得稳定时，比较图3和图4的过滤流束，发现图4中得到的流束比图3中得到的流束大1.6倍。换言之，图4中只需图3中约60％的膜面积即可获得相同处理量。尽管图4需要LF膜，即使考虑LF膜的面积，也只需要图3中约70％的膜面积。根据该结果，当预处理为采用LF膜和UF膜的两阶段处理时，与只采用UF膜进行预处理的情况相比，膜面积可降低约30％。因此可减少设备的安装面积并降低安装成本。
需要指出的是当在预处理中进行砂滤时，需要宽大的滤床(例如非专利文献1中描述的设备，其具有每天淡化50,000吨浊度为0.1NTU的海水的能力，而预处理中砂滤所需的滤床的面积超过10,000m2)。因此，显然图4中设备的安装面积远小于当在预处理中进行砂滤时的安装面积。
实验数据2
图5为示出在工作压力为50kPa下，使用平均孔径为5μm的LF膜(LF-A)和平均孔径为3μm的LF膜(LF-B)(均具有50μm的膜厚度、均为疏水性PTFE膜且均经过了异丙醇处理)过滤其中加入了50ppm淀粉颗粒的纯水时，过滤时间和过滤流束的关系的图。两种情况下过滤流束都随过滤时间降低，即使过滤时间为约15min时仍获得了超过10m/d的过滤流束。该实验结果表明，在平均孔径3μm的LF膜以及平均孔径5μm的LF膜中，与上述平均孔径2μm的LF膜一样，获得了高的每单位膜面积的处理流量(流束)，并且这些LF膜可用于反渗透膜过滤的预处理。
实验数据3
图6为示出了在工作压力为50kPa下，使用平均孔径为2μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的LF膜(其为疏水性PTFE膜并经过异丙醇处理)过滤其中加入了平均粒径为12μm的50ppm二氧化硅颗粒的纯水时，过滤时间和过滤流束的关系的图。过滤时间为15min和30min时，进行使水穿过膜的逆洗，并在过滤时间为45min时进行化学溶液清洁。使水穿过膜而进行的逆洗和化学溶液清洁的条件如下：
使水穿过膜而进行的逆洗：90kPa，1min
化学溶液清洁：NaOH(1％)+NaClO(200ppm)，1h
实验数据4
图7为示出了当在与实验数据3中相同条件下进行过滤时，在过滤时间为15min时，在与实验数据3中相同的条件下进行使液体穿过膜的逆洗，此外，在过滤时间为30min、45min、60min和75min(如图7中空箭头所示)时，在与实验数据3中相同的条件下进行使液体穿过膜的逆洗，并同时施加超声波而得到的过滤时间和过滤流束的关系的图。施加超声波的条件为50kHz、100W和30sec。
从图6和图7中显而易见的是，可采用使液体穿过膜而进行的逆洗来恢复过滤流束。然而，通过在进行使液体穿过膜而进行的逆洗的同时施加超声波清洁LF膜，过滤流束可恢复至过滤起始时的水平。
实验数据5
在工作压力为50kPa时采用后述的过滤系统1、2或3过滤Maishima海水(大阪县大阪港口获得的海水：海水中含2ppm的浮游生物、4ppm的TEP、1ppm的有机悬浮物以及3ppm的无机悬浮物，其被假定为待处理的平均水样)。图8为示出此时过滤时间和过滤流束的关系的图，并且图9为示出总的过滤流量和过滤流束的关系的图。
过滤系统1：只采用亲水性MF膜进行过滤(不经LF膜预处理)
过滤系统2：采用疏水性LF膜过滤，然后采用亲水性MF膜过滤
过滤系统3：采用亲水性LF膜过滤，然后采用亲水性MF膜过滤
需要指出的是过滤系统1至3中所用的LF膜以及MF膜的形状、构造和材料如下所述：
·疏水性LF膜：(POREFLON TB-2311200：商品名)
平均孔径为2μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的中空纤维膜
材料：疏水性PTFE膜(未经亲水化处理)
·亲水性LF膜：(POREFLON WTB-2311200：商品名)
平均孔径为2μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的中空纤维膜
材料：亲水性PTFE膜(通过用乙烯醇桥接PTFE膜的表面而获得)
·亲水性MF膜：(POREFLON WTB-2311/005：商品名)
平均孔径为0.1μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的中空纤维膜
材料：亲水性PTFE膜(通过用乙烯醇桥接PTFE膜的表面而获得)
以下事实在图8和9中是清楚的。
1)当只采用亲水性MF膜进行处理而不用LF膜预处理时，处理流量(流束)随着时间的推移显著降低。这可能是由于待处理液中的悬浮物和有机颗粒(如，TEP)阻塞了MF膜。
2)当采用疏水性LF膜进行预处理，然后采用亲水型MF膜进行处理时，与只采用亲水性MF膜进行处理或采用亲水性LF膜进行预处理后采用亲水性MF膜处理的情况相比，处理流量(流束)随时间推移的降低显然较小。该系统允许长时间的持续过滤。这可能是由于疏水性LF膜有效捕获了待处理液中的有机颗粒(如，TEP)，以及流出LF膜的有机颗粒(如，TEP)引起的MF膜的阻塞降低。
3)当采用亲水性LF膜进行预处理，然后采用亲水性MF膜进行处理时，与只采用亲水性MF膜进行处理时相比，处理流量(流束)随时间推移的降低受到抑制。然而该降低远大于采用疏水性LF膜进行预处理然后采用亲水性MF膜进行处理时的降低。这可能是由于亲水性LF膜捕获的待处理液中的有机颗粒(如，TEP)少于通过疏水性LF膜捕获的有机颗粒(如，TEP)，以及由有机颗粒(如，TEP)引起的MF膜的阻塞相对较大。
实验数据6(参考例)
在工作压力为50kPa时采用后述的过滤系统4或5过滤Maishima海水(大阪县大阪港口获得的海水)。图10为示出此时过滤时间和过滤流束的关系的图。
过滤系统4：采用疏水性PVdF膜过滤，然后采用亲水性MF膜过滤
过滤系统5：采用疏水性PTFE膜过滤，然后采用亲水性MF膜过滤
需要指出的是过滤系统4和5中采用的疏水性PVdF膜、疏水性PTFE膜和亲水性MF膜如下所述：
·疏水性PVdF膜：标称孔径为0.05μm，并且未经亲水化处理的PVdF膜(采用由Toray工业公司制备的组件：Torayfil HFS-1010)
·疏水性PTFE膜：
标称孔径为0.1μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的中空纤维膜
材料：未经亲水化处理的PTFE膜
·亲水性MF膜(POREFLON WTB-2311/005：商品名)
标称孔径为0.1μm并且外径为2.3mm、内径为1.1mm、长度为20cm的中空纤维膜
材料：亲水性PTFE膜(通过用乙烯醇桥接PTFE膜的表面而获得)
过滤系统4和过滤系统5均为两阶段水处理系统，并且在第二阶段过滤系统4与过滤系统5在采用亲水性MF膜进行过滤这一点上相同。然而在第一阶段采用的过滤膜中，过滤系统4不同于过滤系统5，过滤系统4中采用疏水性PVdF膜，而过滤系统5在第一阶段中采用的过滤膜为疏水性PTFE膜。然而如图10所示，得到了几乎相同的过滤流量，并且在过滤系统4和过滤系统5中过滤流量随时间降低的程度也相同。
在多阶段水处理系统的第一阶段中，采用疏水性PTFE膜(未经亲水化处理)的优异效果在上述实验数据5等有所描述。然而，图10的结果示出了当采用其它疏水性过滤膜(如疏水性PVdF膜)替代疏水性PTFE膜时，也获得了相似的优异效果。
实验数据7
在工作压力为50kPa时采用后述的过滤系统6或7过滤Maishima海水(大阪县大阪港口获得的海水)。图11为示出此时过滤时间和过滤流束的关系的图。
过滤系统6：采用疏水性LF膜过滤，然后采用疏水性PVdF膜过滤
过滤系统7：采用疏水性PVdF膜过滤
需要指出的是过滤系统6中使用的疏水性LF膜与实验数据5中所用的疏水性LF膜(POREFLON TB-2311200：商品名)相同，并且过滤系统6和7中使用的疏水性PVdF膜与实验数据6中使用的疏水性PVdF膜相同。
两种情况下过滤系统6与过滤系统7中所用的疏水性PVdF膜相同。然而过滤系统6不同于过滤系统7的地方在于，在过滤系统6的前一阶段采用疏水性LF膜(疏水性PTFE膜)进行过滤，而在过滤系统7中采用疏水性PVdF膜进行单阶段处理而不进行前一阶段的处理。如图11所示，过滤系统6和过滤系统7在液体穿膜的起始几乎具有相等的过滤流量。然而，在过滤系统6(其中在前一阶段采用疏水性PTFE膜进行处理)中过滤流量随时间推移的降低小于在过滤系统7(其中不进行前一阶段的处理)中过滤流量随时间推移的降低。换言之，采用疏水性PTFE膜在前一阶段进行处理抑制了过滤流量随时间推移的降低。
实验数据5(比较过滤系统2和过滤系统1)也示出了采用疏水性PTFE膜在前一阶段进行处理抑制了过滤流量随时间推移的降低。然而在实验数据5中的过滤系统2，在第二阶段采用亲水性膜进行过滤。另外在本实验中，在第二阶段采用疏水性膜进行过滤。换言之，本实验表明，即使在第一阶段和第二阶段都采用疏水性过滤膜时，仍可获得抑制过滤流量随时间推移的降低的效果。
附图标记
1中空纤维膜组件；2外壳；3原水侧；4过滤水取出部；5中空纤维膜；11、12、13、14、15、16管；21、22超声波振动子；23超声波振荡器；P1、P2、P3、P4、P5、P6泵；B1、B2阀门

Claims (8)

1.一种水处理装置，包括：
第一膜过滤装置，其中采用平均孔径大于或等于1μm的过滤膜；
第二膜过滤装置，其通过使用微滤膜或超滤膜来处理经所述第一膜过滤装置过滤的水；以及
反渗透膜过滤装置，其用于处理经所述第二膜过滤装置过滤的水。
2.根据权利要求1所述的水处理装置，其中
所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜为未经亲水化处理的疏水性聚合物膜。
3.根据权利要求1或2所述的水处理装置，其中
所述微滤膜或超滤膜为亲水性聚合物膜或经亲水化处理的疏水性聚合物膜。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的水处理装置，其中
所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜为聚四氟乙烯膜。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的水处理装置，其中
所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜为聚偏二氟乙烯膜或聚乙烯膜。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的水处理装置，其中
所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜为平均孔径大于或等于1μm且小于10μm的过滤膜。
7.一种水处理方法，包括：
粗滤步骤，其中通过平均孔径大于或等于1μm的过滤膜来过滤原水；
精滤步骤，其中通过微滤膜或超滤膜来过滤经所述粗滤步骤过滤的水；以及
反渗透膜处理步骤，其中通过反渗透膜来处理经所述精滤步骤过滤的水。
8.根据权利要求7所述的水处理方法，其中
所述的平均孔径大于或等于1μm的过滤膜为未经亲水化处理的疏水性聚合物膜。
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