CN103842057A - 用于提高渗透驱动膜系统中的通量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过促进和控制在膜的表面上的生物薄膜的生长来改进渗透驱动膜系统中的通量。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月3日提交的美国临时专利申请序号61/514,661的权益和优先权；所述临时专利申请的整个公开内容特此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及改进渗透驱动膜系统中的通量，并且更具体地涉及促进和控制在所述膜的表面上的生物薄膜的生长以便防止膜积垢。
背景技术
传统上，膜表面已被处理或以另外的方式制造以便抵抗在其上形成生物薄膜。参见例如，美国专利公布号2007/0251883，所述专利的公开内容特此以引用的方式整体并入本文。在膜上形成生物薄膜已被认为是积垢的一种形式，并且通过例如减少系统的通量而对膜系统的运行有害。
发明内容
总体上，促进膜表面(例如，进料和/或透过侧)上的选择类型的生物薄膜的生长可以为其中使用膜的工程化的系统提供有益服务。这些有益服务可以包括：可能以另外的方式穿过膜表面的进料组分(例如，小分子不带电的有机物)的氧化；在膜表面上产生平滑均匀的表面，其可以防止积垢；以及将以另外的方式在膜表面上生水垢的矿物质减少。在一种情况下，防止或至少减少在膜表面上积垢可以帮助维持更高和/或更恒定的通量水平。通常，本文使用的积垢是指可以减少通量或以另外的方式有害影响膜的各种类型的膜污染并且包括：结晶积垢(矿物质生水垢或由于在溶液产品中过量而引起的矿物质沉积)、有机积垢(溶解的腐殖酸、油、油脂等的沉积)、颗粒和胶体积垢(粘土、淤泥、微粒腐殖物质、碎片以及二氧化硅的沉积)以及微生物积垢(微生物的生物积垢、粘附和累积以及生物薄膜的形成)。在一些实施方案中，选择类型的生物薄膜的形成可以抑制或防止有害生物薄膜的形成。
一方面，本发明涉及一种促进或稳定渗透驱动膜系统中的通量率的方法。所述方法包括以下步骤：提供具有进料侧和透过侧的正向渗透膜，将进料溶液引入至正向渗透膜的进料侧，将汲取溶液引入至正向渗透膜的透过侧，以及促进正向渗透膜的进料侧或透过侧的至少一个上的选择生物薄膜(例如，与不希望的生物薄膜相反的希望的生物薄膜，所述不希望的生物薄膜可能倾向于以另外的方式在膜上形成，但没有给予有益作用)的生长。例如，膜的进料侧可以天然地或被修改以便形成用于具体生物薄膜的支撑结构。可以促进一种或多种类型的生物薄膜的生长以便适合具体应用，例如以便防止生水垢。在一个实施方案中，汲取溶液包括至少一种选择营养物以便帮助生物薄膜的形成。所使用的溶液可以是水性或非水性的以便适合具体应用。
在前述发明的各种实施方案中，促进生物薄膜的生长的步骤包括将至少一种营养物引入至进料溶液以便优先与一种或多种微生物反应，所述一种或多种微生物可以存在于进料溶液中或可以被添加至进料溶液或汲取溶液。在一个实施方案中，至少一种营养物经由反向输送穿过正向渗透膜而从汲取溶液引入至进料溶液。可选地或另外地，至少一种营养物可以被直接引入至进料溶液或汲取溶液的源。可以例如手动穿过容纳进料溶液或汲取溶液的腔室或包含膜的壳体中的插孔或其它开口引入至少一种营养物。在一个实施方案中，可以经由带计量装置(例如，阀门)的料斗添加营养物和/或微生物，所述料斗可以控制的方式引入至少一种营养物和/或微生物。至少一种营养物/微生物可以例如液体或粉末的形式引入。用于引入至少一种营养物/微生物的装置还可以包括搅拌器或用于使营养物/微生物混合在所选择的溶液内以用于相对均匀分散的其它类型的仪器。用于引入至少一种营养物/微生物的装置还可以包括带相关传感器和开关的控制系统，所述控制系统可以监测任何汲取溶液、进料溶液以及膜的状态或特征(例如，通量率或材料)并且控制至少一种营养物或其它物质的引入以便促进和/或控制例如基于所测量的状态或特征的生物薄膜的生长。
此外，促进生物薄膜的生长的步骤还可以包括控制例如在汲取溶液或进料溶液中的至少一种营养物/微生物的浓度。至少一种营养物实质上可以是任何有机或非有机材料，包括例如基于石油的物质、氨基酸、碳、氧、维生素、糖、硝酸盐、磷酸盐等。微生物可以选自下组，所述组包括例如细菌、蛋白质、古细菌(archea)、原生动物、真菌以及藻类或其组合。促进生物薄膜的生长的步骤还可以包括将二氧化碳引入(例如，注射)到进料溶液中的步骤。另外地，还可以将热量引入到进料溶液中以便促进生物薄膜的生长。方法还可以包括控制生物薄膜的生长的步骤，通过例如周期性的或连续的空气洗刷或更高速率流动以便减小膜厚度。营养物的数量和/或品质也可以影响生物薄膜的生长。另外，各种类型的杀生物剂(例如，抗微生物剂、氧化的和非氧化的杀微生物剂)可以被引入至系统以便控制生物薄膜的生长。促进生物薄膜的生长的步骤可以包括使开放基质生物薄膜生长。
另一方面，本发明涉及一种用于促进渗透驱动膜系统中的通量的系统。系统包括：正向渗透膜，其具有透过侧和进料侧；进料溶液的源，其与正向渗透膜的进料侧处于流体连通；汲取溶液的源，其与正向渗透膜的透过侧处于流体连通，以及装置，其用于将至少一种选择营养物引入至正向渗透膜的进料和/或透过侧以便促进在正向渗透膜的表面(例如，进料侧)的至少一部分上的选择生物薄膜的生长。在一些实施方案中，用于引入至少一种营养物的装置可以包括用于引入除了至少一种营养物以外或替代所述至少一种营养物的至少一种微生物的装置。
在各种实施方案中，汲取溶液包括以至少1:1的摩尔比的氨和二氧化碳。至少一种营养物可以包含氨离子。至少一种微生物可以选自下组，所述组包括细菌、蛋白质、古细菌、原生动物、真菌以及藻类或其组合。用于引入至少一种营养物和/或微生物的装置可以包括与进料溶液的源和/或汲取溶液的源处于连通的装置。在将至少一种营养物引入至汲取溶液的源的情况下，至少一种营养物经由穿过正向渗透膜的反向输送行进至所述正向渗透膜的进料侧。在以液态形式引入至少一种营养物的情况下，装置可以与进料溶液或汲取溶液的源处于流体连通。系统还可以包括用于例如经由注射到进料溶液中而将二氧化碳引入至正向渗透膜的进料侧的装置。
在各种实施方案中，可以例如手动穿过容纳进料溶液或汲取溶液的腔室或包含膜的壳体中的插孔或其它开口或带计量装置的料斗或其它已知的可以控制的方式引入至少一种营养物和/或微生物的分散机构来引入至少一种营养物和/或微生物。至少一种营养物/微生物可以例如液体或粉末的形式引入。用于引入至少一种营养物的装置还可以包括搅拌器或用于使营养物/微生物混合在所选择的溶液内以用于相对均匀分散的其它类型的仪器。用于引入至少一种营养物/微生物的装置还可以包括控制系统，所述控制系统可以监测任何汲取溶液、进料溶液以及膜的状态或特征(例如，通量率或材料)并且控制至少一种营养物或其它物质的引入以便促进和/或控制生物薄膜的生长。
在一些实施方案中，营养物源可以包括出于此特定目的引入至进料溶液的存在于进料溶液源中的有机物质(例如，甲醇)，或引入到汲取溶液(或其组分)的有机物质，其中它将穿过膜扩散至进料侧表面并且生物薄膜可以氧化它们(例如，氨和氨离子)。在一个实例中，可以产生生物薄膜以便防止生水垢，其中在生物薄膜上形成的矿物质将通过生物薄膜而减少并且再溶解。所述过程将通过来自汲取溶液的氨所拉离出的电子来推进，所述汲取溶液作为“反向盐通量”扩散穿过膜。在一个实施方案中，选择一种或多种营养物以便促进来自通常可以被发现在盐水中的细菌的生物薄膜的形成，所述细菌氧化离子和硫化合物作为它们的能量源并且产生浸出试剂用于溶解金属(例如，化能无机自养细菌，如铁氧化细菌或硝化细菌)。在此情况下，膜表面上的生物化学反应可以防止不可逆的生水垢。可选地或另外地，化学配体或其它抗生水垢类型的物质可以反向流出穿过膜以便释放或防止某些积垢层粘附至膜的进料侧。
连同本文公开的本发明的优点和特征，这些和其它目的通过参考以下描述和附图将变得清楚。此外，应该理解本文描述的各种实施方案的特征不是相互排斥的并且可以在各种组合和排列中存在。
附图说明
在附图中，贯穿不同的视图，相似的参考符号通常指相同的部分。同样，附图不必按比例绘制，相反，重点通常在于图示本发明的原理并且不旨在作为本发明的限制的定义。出于清楚的目的，可以不在每个附图中标记每一个部件。在以下描述中，本发明的各种实施方案参考以下附图来描述，其中：
图1是根据本发明的一个或多个实施方案的系统的示意图；
图2是图示根据本发明的一个或多个实施方案的方法的不同步骤的流程图；并且
图2A是图示图2的方法的步骤之一的各个子步骤的流程图。
具体实施方式
图1描绘了用于改进渗透驱动膜系统中的通量的一个可能的系统10。系统10包括膜系统12，所述膜系统12可以包括一个或多个正向渗透膜或膜组件。各种膜系统和它们相关的部件被公开在美国专利号6,391,205和7,560,029；以及PCT公布号WO2009/155596、WO2011/053794和WO2011/059751中，所述专利的公开内容特此以引用的方式整体并入本文。可以用于所公开的系统中的各种膜被描述在美国专利公布号2011/0036774和2011/0073540中，所述专利的公开内容特此以引用的方式整体并入本文。也可以使用标准的膜。
第一溶液的源14(又称为进料溶液)与膜系统12处于流体连通。进料溶液正常地可以包含可以用来形成生物薄膜的各种微生物或可以被添加至进料溶液以便帮助选择生物薄膜的生长的特定物质(例如，细菌)。系统10还包括第二溶液的源16(又称为汲取溶液)，所述第二溶液的源16也与膜系统12处于流体连通。汲取溶液可以包括一种或多种营养物或可以被添加至汲取溶液的其它物质(例如，微生物)。一种或多种营养物可以被反向输送穿过膜系统12至膜的进料侧，其中它们将优先与选择微生物反应并且促进在膜的进料侧的表面的至少一部分上的选择生物薄膜的生长。在一些实施方案中，替代有益生物薄膜形成或除了有益生物薄膜形成以外可以选择营养物或其它物质以便阻止某些类型的积垢层的形成。
通常，膜系统12包括被浸入在腔室或一些类型的壳体内的一个或多个膜。壳体可以包括用于将营养物引入至膜的透过侧和/或进料侧的装置。进料溶液的源和汲取溶液的源14、16可以是安置于邻近膜腔室的腔室或膜系统组件的部分。可选地或另外地，进料溶液的源和汲取溶液的源14、16可以位于远处并且溶液经由例如泵、装设阀门以及任何必要的管道设备被输送至膜系统12。系统10可以进一步包括用于将微生物或营养物引入至进料溶液的装置18和/或用于将微生物和/或营养物引入至汲取溶液的装置20。
选择一种或多种营养物以便与进料溶液中的一种或多种具体微生物反应，以使得当进料溶液被引入至膜的进料侧时，微生物将开始使其自身附接至膜的进料侧的表面，从而开始生物薄膜的形成。在一些实施方案中，选择微生物被引入至进料溶液以便促进选择生物薄膜的生长。微生物将在膜的表面上形成一种基质，所述基质抵抗了膜的积垢(例如，通过排斥或消耗可能存在于进料溶液中的其它物质)，从而维持穿过膜系统12的更一致的通量。通常，生物薄膜的形成可以略微减小膜系统的初始通量率，但是因为生物薄膜防止或至少减少了膜的积垢，所以通量水平并没有像针对典型膜积垢将会发生的那样陡然下降。
图2描绘了可以执行的各种步骤，以便进行促进渗透驱动膜系统中的通量的方法100。方法100包括提供正向渗透膜的初始步骤102，其中膜具有进料侧和透过侧，并且然后以任何顺序将进料溶液引入至正向渗透膜的进料侧104并且将汲取溶液引入至正向渗透膜的透过侧106。最后，方法100包括促进在正向渗透膜的进料侧上的生物薄膜的生长108。方法可以包括如图2A中所示的关于促进生物薄膜的生长的另外步骤。
如在图2A中所示，此类另外的步骤包括以下的一种或多种：引入至少一种营养物110、引入至少一种微生物112、和/或将二氧化碳引入至进料溶液114。促进生物薄膜的生长的步骤108还可以包括控制前面提到的物质的引入速率和/或浓度水平116。可以控制引入速率和浓度水平以便例如控制生物薄膜的生长速率或其结构或维持生物薄膜处于最优水平。另外地，方法可以包括控制生物薄膜的生长的步骤118，所述步骤118可以包括将另外的物质引入至进料和/或汲取溶液以便影响生物薄膜的形成。例如，可以添加一种物质至进料溶液以便阻止超过最优水平的生物薄膜的生长。
本文描述的各种系统可以通过经由常规管道工程技术来相互连接，并且可以包括任何数目的部件(如泵、阀门、传感器、计量器等)和其组合以便监测和控制本文描述的各种系统和方法的运行。可以连同控制器或控制系统使用各种部件，以便例如调节或管理系统的部件的至少一个运行参数，如但不限于启动阀门和泵，以及调节一个或多个流体流动流的性质或特征。
控制系统可以与至少一个传感器处于电连通，所述至少一个传感器被配置为检测系统的至少一个运行参数，如浓度、流速、pH水平、压力或温度，并且通常可以被配置以便相应于传感器所产生的信号调节一个或多个运行参数。控制系统通常包括促进至少一种输出信号产生的算法，所述至少一种输出信号通常基于任何表现和目标或希望的值(如设定点)中的一种或多种。根据一个或多个具体方面，控制系统可以被配置以便接收任何流或部件的任何测量的性质的表现，并且对任何系统部件产生控制、驱动或输出信号以便减小测量的性质离目标值的任何偏差。
本领域普通技术人员应该领会，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数和/或配置将取决于其中使用本发明的系统和方法的具体应用。本领域普通技术人员仅使用常规实验还应该认识到或能够确定本发明的具体实施方案的等效物。因此，应该理解，本文描述的实施方案仅通过实例的方式呈现并且所述实施方案在所附权利要求书及其等效物的范围内，与所确切描述相比，本发明可以另外的形式实践。
Claims (16)
1.一种促进渗透驱动膜系统中的通量的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有进料侧和透过侧的正向渗透膜；
将进料溶液引入至所述正向渗透膜的进料侧；
将汲取溶液引入至所述正向渗透膜的透过侧；以及
促进在所述正向渗透膜的表面上的生物薄膜的生长。
2.如权利要求1所述的方法，其中促进生物薄膜的生长的步骤包括将至少一种营养物引入至所述进料溶液以便优先与其中存在的一种或多种微生物反应。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述汲取溶液包含所述至少一种营养物，所述至少一种营养物经由反向输送穿过所述正向渗透膜而从所述汲取溶液引入至所述进料溶液。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一种营养物被直接引入至所述进料溶液。
5.如权利要求2所述的方法，其中促进生物薄膜的生长的步骤包括控制所述至少一种营养物的浓度。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一种营养物包含氨离子。
7.如权利要求2所述的方法，其中促进生物薄膜的生长的步骤包括将至少一种微生物引入至所述进料溶液。
8.如权利要求1所述的方法，其中促进生物薄膜的生长的步骤包括将二氧化碳引入到所述进料溶液中的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括控制所述生物薄膜的生长的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其中促进生物薄膜的生长的步骤包括使开放基质生物薄膜生长。
11.一种用于促进渗透驱动膜系统中的通量的系统，所述系统包括：
正向渗透膜，其具有透过侧和进料侧；
进料溶液的源，其与所述正向渗透膜的进料侧处于流体连通；
汲取溶液的源，其与所述正向渗透膜的透过侧处于流体连通；以及
装置，其用于将至少一种营养物引入至所述正向渗透膜的进料侧以便促进在所述正向渗透膜的表面的至少一部分上的生物薄膜的生长。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述汲取溶液包含以至少1:1的摩尔比的氨和二氧化碳。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述至少一种营养物包含氨离子。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述用于引入至少一种营养物的装置包括与所述进料溶液的源处于连通的装置。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述用于引入所述至少一种营养物的装置包括与所述汲取溶液的源处于连通的装置，其中所述营养物经由穿过所述正向渗透膜的反向输送而行进至所述正向渗透膜的进料侧。
16.如权利要求11所述的系统，其进一步包括用于将二氧化碳引入至所述正向渗透膜的进料侧的装置。
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