CN102548907B - 用于提高普通反渗透系统的性能的闭环淡化改进 - Google Patents

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Abstract

改进技术利用常规RO的加压盐水对闭环淡化(CCD)设备进行供给；其中，此外，进行进一步淡化以达到期望的回收水平。图4中例示的应用是改进单元，其包括加压泵(BP2)，其用于升高入口进料压力；循环泵(CP)，其用于在压力容器(M)中的膜(E)之上产生交叉流从而使RO高效淡化；启动阀(AV)，其与部分开启手动阀(MV)以在不停止淡化的情况下用新鲜进料对高盐浓缩物进行定期更换；止回(NR)阀装置，其用于控制系统内的流动方向；和监测设备，诸如电导率(CM)和流量(FM)的监测设备。用新鲜进料对高盐浓缩物进行的定期更换以期望的系统高电导率开始，并以期望的系统低电导率结束，同时继续进行淡化。

Description

用于提高普通反渗透系统的性能的闭环淡化改进
技术领域
本发明涉及用于提高普通反渗透(RO)系统的性能的闭环淡化改进(CCDR)设备。
背景技术
闭环淡化(CCD)是非常规RO技术，其首次于八十年代晚期由Szuz等人在美国专利第4,983,301号和Bartt在美国专利第4,814,086号中报告，其借助两个侧箱连续发生。最近，在PCT公开WO 2005/01683000A2中报告了带有单个容器的连续CCD技术，且更近一些，在PCT公开WO2006/001007A2中报告了无需容器的连续CCD方法。
故意以低回收率和相当大的水和能量浪费进行一些普通咸水反渗透(BWRO)应用，诸如生产用于医疗透析的低盐渗透物。本发明描述了一种独特的闭环淡化改进(CCDR)设备，其被设计为容易与普通BWRO系统结合来提高其性能。
发明内容
本发明描述了一种新型CCDR单元，其由从普通BWRO系统接收的加压废盐水(此后称为“加压进料”)供给，其中普通BWRO系统执行连续的两步连贯顺序淡化处理；其中第一步经历大部分时间，涉及通过一个膜模块或一个以上膜模块(各自带有并行连接的进口和出口)与新鲜加压进料混合的循环浓缩物的闭环淡化(CCD)；第二步涉及塞流淡化(PFD)处理，据此在期望的回收率水平下由新鲜的加压进料更换闭环中的盐水；且由整合的CCDR单元产生的渗透物或者循环至普通BWRO系统的入口或添加至其渗透产物中。如果CCDR单元入口处的进料压力不足，则在所述单元入口处的加压泵能够使用于实现期望的淡化回收率水平的适当的压力达到。
通过借助于用于使加压废盐水从普通BWRO单元的出口至本发明的CCDR单元的入口的传导管线以及用于使渗透物从后者至前者的入口进料管线的传导管线、或可选地用于将后者所产生的渗透物与前者结合一起的传导管线实现了普通BWRO单元与本发明的CCDR单元的整合。
本发明的整合的BWRO-CCDR系统能够增强进料源回收伴生物，以及提高渗透物质量并降低能量要求。
附图说明
图1是示出了在系统中BWRO单元和CCDR单元整合以提高渗透物质量的示意流动图。
图2是示出了在系统中BWRO单元和CCDR单元整合以提高淡化回收率的示意流动图。
图3是在闭环淡化操作模式期间CCDR单元的示意图。
图4是在闭环淡化操作模式期间带有渗透物加压泵的CCDR单元的示意图。
图5是在闭环淡化操作模式期间带有进料加压泵的CCDR单元的示意图。
图6是在闭环淡化操作模式期间带有渗透物加压泵和进料加压泵的CCDR单元的示意图。
具体实施方式
图1和图2中描述的本发明的系统提出了在整合系统中向普通咸水反渗透(BWRO)单元增加闭环淡化改进(CCDR)单元，从而提高回收率并提高渗透物的质量。通过传导管线将图1中描述的系统中的CCDR单元和BWRO单元连接在一起，使得后者的加压盐水成为对前者的进料，且前者的渗透物成为对后者的部分进料。图2中描述的本发明的系统与图1中的系统的不同之处在于一些渗透物传导管线，原因是在前者系统(图2)中，CCDR单元和BWRO单元的渗透物结合在一起；然而，在后者系统(图1)中，CCDR单元的渗透物成为对BWRO单元的部分进料。图1和图2中所示的两个本发明的系统均允许获得高的淡化回收率，其中前者系统(图1)特别用于生成高质量渗透物，且后者系统(图2)用于作为用于现有淡化回收率差的BWRO系统的多级回收加压器。
图1和图2中描述的整合的BWRO-CCDR系统包括现有技术的任何普通BWRO单元，其通过所示的传导管线与本发明的CCDR单元耦接。本发明的权利要求具体涉及新的CCDR单元及其与普通BWRO单元整合成与后者的系统相比大大提高了性能的系统。因此，本发明的核心涉及这样的系统，其中CCDR单元接收来自普通BWRO单元的加压进料，其中由CCDR单元产生的渗透物或者根据图1中描述的系统作为对BWRO单元的部分进料被再循环，或可选地根据图2中描述的系统与BWRO单元产生的渗透物结合。图1和图2中描述的系统中的CCDR单元根据闭环淡化(CCD)原理进行大部分时间，其中加压进料和渗透物的流速相同(100％回收率)；且根据塞流淡化(PFD)原理进行部分时间以能够使废盐水从CCDR单元的闭环排出，且其由新鲜加压进料更换，同时以降低的淡化回收率继续淡化。由于来自BWRO单元的加压盐水流成为CCDR单元的主要能源，所以与孤立的BWRO单元的性能相比，图1和图2中描述的整合系统能够实现更高的进料源回收率，提高渗透物质量并极大地节省能量。
图3中所示的实施方式中的CCDR单元包括带有一个膜元件(E)和一个元件隔网(spacer)(S)的单一模块(M)；循环泵(CP)，其用于通过闭环导管(CC)使加压浓缩物从模块出口(MO)循环至模块入口(MI)；加压进料(PF)导管，其用于使新鲜加压进料经由位于模块入口(MI)上游的进料入口(PFI)进入闭环；止回阀装置(NR1、NR2和NR3)，其用于在单元的各个部件中保持期望的流动方向；启动双向阀装置(AV)，其能够使新鲜进料临时更换所述闭环中的废盐水；手动阀装置(MV)，其能够在打开AV释放盐水时在CCDR单元的所述闭环中获得期望的压力降；监测装置，例如再循环的浓缩物的流量计(FM)和导电仪(CM)；以及控制装置，其能够使所述CCDR单元以期望的淡化回收水平有效并高效地自动启动。在优选实施方式中(图3)，CP的主要功能是抵消模块入口和出口之间的压力降，以及能够控制膜交叉流，从而使浓差极化的不利影响最小化。
图1和图2中描述的整合系统的CCDR单元为图3中所示的优选实施方式在以下情况下的应用：从BWRO单元接收的加压盐水的进料流具有能够达到期望的回收水平的足够的压力。图3中的优选实施方式假设在近大气压下生成并输送渗透物，而无需加压装置。
图1中描述的整合系统的CCDR单元为图4中所示的优选实施方式在以下情况下的应用：供应至所述系统的BWRO单元的进料处于中度压力(例如，2-5巴)下。在所述CCDR单元的渗透物出口管道(PO)上安装加压泵(BPI)(图4)的目的在于将渗透物压力升高至图1所示的系统的BWRO单元的期望入口压力。
图1和图2中描述的整合系统的CCDR单元为图5中所示的优选实施方式在以下情况下的应用：从BWRO单元接收的加压盐水的进料流的压力不足以能够达到期望的回收水平；因此，需要加压装置(BP2)。图5中的优选实施方式假设在近大气压力下生成并输送渗透物，而无需渗透物加压装置。
图1中描述的整合系统的CCDR单元为图6中所示的优选实施方式在以下情况下的应用：需要通过加压装置(分别为BP2和BP1)来升高至所述单元的进料压力以及升高来自所述单元的渗透物压力。
图1-图2中所示的整合系统的操作方法按照如下来进行：通过阀门装置V将来自普通SWRO单元的加压盐水流完全转移至CCDR的入口，从而启用后者单元中的所有功能的操作。相反，通过阀门装置V停止加压盐水流入CCDR单元自动终止了该单元的操作。图1-图2中所示的整合系统的CCDR单元(图3-图6)历时大部分时间，100％回收率的闭环淡化操作模式具有进料流(Q进料)和渗透物流(Q渗透物)相同(Q进料＝Q渗透物)，且该模式通过简短的塞流淡化步骤(Q进料＝Q渗透物+Q盐水)进行，据此闭环中的盐水在降低的淡化回收率下被新鲜加压进料更换，当再循环的浓缩物的导电率达到固定的预定高值(这证明达到了期望回收率)时，通过临时打开阀门AV来使盐水从CCDR单元的闭环中排出，且将在固定的预定低导电率值(其证明排出的盐水完全被新鲜加压进料更换)下进行该阀门的关闭。因此，根据检测的再循环的浓缩物导电率(CM)和其高预定设定值和低预定设定值来完全控制阀门AV的启动。
图1-图2中所示的整合系统中的图3-图6中的优选实施方式的本发明CCDR单元是非自动的，原因是其完全依赖于从系统的BWRO单元供应的加压进料。因此，新的发明方法暗示普通BWRO单元作为对CCDR单元的加压进料源，其中CCDR单元执行两步连贯顺序处理，即经过大部分时间的100％回收率的闭环淡化操作模式以及短暂间隔的降低回收率塞流淡化，其中降低回收率塞流淡化临时进行以使盐水从闭环中排出并被新鲜的加压进料(其为BWRO单元的废盐水)更换。简言之，本发明的方法可被视为单级BWRO单元与多级淡化能力的CCDR单元之间的整合，以达到具有能源效率的高回收率。本发明的CCDR单元和整合的系统给出了一种升级现有低效BWRO系统的有效方法。
应理解，图1-图6中所示的本发明单元、设备和方法的优选实施方式的设计为示意性的且简化的，并不应被视为限制本发明。在实践中，根据本发明的淡化单元和设备必要时根据具体要求可包括多个附加管线、分支、阀门和其它装置和设备，但仍然落入在本发明和权利要求的范围内。
图3-图6中描述的优选实施方式示出带有单个膜元件和隔网的单个模块单元设备，这是出于表达的简化、清晰、一致和方便的目的。应理解，根据本发明的总体设计既不限制也不局限于每个模块仅具有一个膜元件的单个模块设备和/或设备。具体地，应理解，本发明的设备和方法的CCDR单元可包括一个以上模块，其中模块带有并行连接至闭环传导管线的进口和出口，且每个模块包括一个或一个以上带有或不带隔网的膜元件。
由循环系统完成通过图3-图6中所示的本发明的单元的闭环进行的浓缩物再循环。应理解，根据本发明的循环系统可包括单个循环泵，或可替换地若干个循环泵，其可通过并联和/或串联同时应用。
对于本领域中那些熟练的技术人员显而易见的是，本发明的淡化方法可由不同设计的模块化单元和/或非模块化淡化设备操作，如上述已经关于本发明的设备和/或单元所解释的，只要此类设备和/或单元包括带有一个模块或一个以上模块的传导管线的闭环，所述模块具有与闭环并行连接的入口和出口，其中每个模块包含一个膜元件或一个以上膜元件；循环系统；带有或不带有加压泵的加压供料传导管线；渗透物收集管线；位于闭环传导管线中用于排出盐水的阀门装置；盐水去除线；压力、流动和导电率的监测设备；和整个系统据此连续运行的控制设备。
尽管上述关于具体的实施方式已经描述了本发明，但是显而易见的是，在不背离本发明的更广范围的情况下，本领域的那些熟练技术人员可做改变和修改，因此，所附权利要求意指将落入本发明真正精神范围内的所有这种改变和修改涵盖在其范围内。
对于反渗透领域的技术人员显而易见的是，本发明的系统、单元和方法通常可用于提高任何普通BWRO系统的供料源回收率和渗透物质量，并特别用于升级现有BWRO系统，其包括用于医疗透析和/或其他各种反渗透应用的这种系统，以获得更好质量的渗透物，同时较低能量要求。
实施例
通过根据图1中描述的设计的系统例示了本发明的设备和方法的优选实施方式，所述系统包括用于医疗透析(MD)的该类的普通BWRO系统，其具有用于咸水(如试验条件下的15巴净驱动压力(NDP))的规则膜元件，该规则膜元件对在近大气压力下以2.5m3/h的流速供应的400ppm盐浓度的供料源以50％淡化回收率来操作。例示系统中的整合闭环淡化改进(CCDR)单元是图3中描述的设计，其包括带有用于咸水(如ESPA2+)的单个低能量膜元件和位于单个元件的长度方向上的隔网的模块(8″)；循环流速为7.1m3/h的循环泵(CP)；循环的浓缩物的流量计(FM)监测器；由SS316制成的压力线(1.5″)；由从导电率监测器(CM)接收的信号操作的电启动阀(AV)；和止回阀(NR1、NR2和NR3)，其用于在图3中描述的CCDR单元中将流动控制在期望的方向上。
例示的CCDR单元(图3)接收来自系统(图1)中的BWRO单元的800ppm盐浓度的固定压力供料(～14巴)的稳定流(1.25m3/h)，并进行连续的两步连贯顺序的淡化处理，其中具有100％回收率和14ppm的平均渗透盐浓度的延长闭环淡化间隔(每次约23分钟)；以及约20％回收率和5ppm的平均渗透盐浓度的短暂的塞流淡化间隔(每次约3分钟)，在塞流淡化期间排出盐水并用新鲜供料再补给闭环。该两步连贯顺序处理证明了系统中的CCDR单元的总回收率为89％，且用于排放盐水对单元中的阀门装置AV的启动(图3)，以用于表示7,272ppm的再循环浓缩物盐浓度的导电率开始盐水的排放，并以用于表示约1,000ppm的再循环浓缩物盐浓度的导电率结束。
在26分钟的两步连贯顺序的处理期间，通过图3中描述的设计的CCDR单元，图1中描述的系统中的BWRO单元的供料量要求为1,083.3升，其中平均盐浓度为约14ppm的479.2升来自系统的CCDR单元，而盐浓度为400ppm的604.1升的供料来自外部源。简言之，提供而作为图1中的BWRO单元的供料的混合物的平均盐浓度为229.3ppm而不是400PPM；因此，由示例系统供应的用于医疗透析的渗透物的盐浓度为约2.8ppm，而不是普通BWRO系统的5.0ppm。
在26分钟的两步连贯顺序的步骤期间，由图3中描述的设计的CCDR单元排放的盐水量为约50升，或闭环中的浓缩物量为约50升，且这暗示了外部源的总回收率为91.7％。

Claims (9)

1.一种用于对从普通咸水反渗透BWRO单元接收的加压盐水进行进一步淡化的闭环淡化改进单元，包括：
闭环，包括一个淡化模块，或一个以上淡化模块，每个所述淡化模块各自具有通过传导管线并行连接的进口和出口，每个所述淡化模块包括一个或多个膜元件；以及带有循环装置的闭环传导管线，所述循环装置用于使浓缩物从所述一个或一个以上淡化模块的出口循环至其入口；
用于将来自所述BWRO单元的所述加压盐水供应至所述改进单元的所述闭环的传导管线；
用于使渗透物从所述改进单元至所述BWRO单元的入口的传导管线，以使所述渗透物与所述BWRO单元的外部进料源混合；
第一阀门装置，位于所述改进单元的所述闭环传导管线中，用于实现从所述淡化模块的出口至其进口的流动，并在不停止淡化的情况下，从所述改进单元内的所述淡化模块的出口将盐水临时排放；
位于所述第一阀门装置的出口的传导管线，用于将来自所述改进单元的所述闭环的盐水临时排放，该传导管线中设置有为手动阀装置的第二阀门装置，用于在打开所述第一阀门装置排放盐水时在所述闭环中获得期望的压力降；
传感器，用于测量所述改进单元的所述闭环中的循环浓缩物的导电率，以跟踪所述闭环中的淡化回收率；以及
监测和控制系统，用于使期望回收率的连续闭环淡化处理能够在所述改进单元内经两步连贯顺序处理进行，其中闭环淡化经过大部分时间，以及以期望的淡化回收水平进行临时盐水排放和新鲜进料补给。
2.一种整合系统，包括：
普通咸水反渗透BWRO单元，所述BWRO单元具有入口、加压盐水出口以及渗透物出口；
根据权利要求1所述的改进单元，以及
加压泵。
3.根据权利要求2所述的整合系统，其中用于来自所述改进单元的渗透物的所述传导管线与由所述BWRO单元产生的渗透物结合。
4.根据权利要求2所述的整合系统，其中所述BWRO单元能够应用于以下应用中的任一种：医疗透析、高质量渗透物以及用于家用、工业和农业应用的水供应的升级。
5.根据权利要求2所述的整合系统，其中所述加压泵位于所述传导管线中，以在从所述BWRO单元向所述改进单元的所述闭环供应加压盐水时，在所述供应的压力不足以使所述改进单元达到期望的淡化回收率的情况下，能够增加所述供应的压力。
6.根据权利要求2所述的整合系统，其中所述加压泵位于从所述改进单元至所述BWRO单元的入口的渗透物的所述传导管线中，用于在压力下进行供应时，使所述渗透物与所述BWRO单元的外部进料源混合。
7.一种用于对从普通咸水反渗透BWRO单元接收的加压盐水进行进一步淡化的方法，所述BWRO单元具有入口、加压盐水出口以及渗透物出口，所述方法包括：利用传导管线将根据权利要求1所述的改进单元连接至所述BWRO单元，使得所述BWRO单元的整个加压废盐水变为所述改进单元的进料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中来自所述改进单元的渗透物构成所述BWRO单元的进料的部分。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述改进单元的渗透物和所述BWRO单元的渗透物结合。
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