CN105026018A - 带有浓缩液分级和浓缩液再循环、可转换的级或两者的膜过滤系统 - Google Patents

带有浓缩液分级和浓缩液再循环、可转换的级或两者的膜过滤系统 Download PDF

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Abstract

带有反渗透(RO)或纳米过滤(NF)元件的膜过滤系统适于提供来自难处理的废水的高回收。系统具有多个级。系统构造成提供浓缩液分级。末级还具有浓缩液再循环。布置系统的阀和泵使得流动的顺序和再循环泵可有时在第一级和末级之间转换。

Description

带有浓缩液分级和浓缩液再循环、可转换的级或两者的膜过滤系统
技术领域
本说明书涉及膜过滤，例如反渗透或纳米过滤。
背景技术
反渗透(RO)和纳米过滤(NF)膜典型地以元件(也称为膜组件)的形式使用，诸如螺旋卷式元件、空心纤维元件或管状元件。典型地在1到8个之间的许多个元件串联地安装在压力容器(备选地称为壳体)中，其带有进液口、浓缩液出口、以及渗透液出口。多个压力容器可并联地连接在一起以在过滤系统中形成体(备选地称为级)。过滤系统的各级共同地称作膜阻碍。
过滤系统可具有以各种构造连接在一起的多个级。在浓缩液分级(备选地称为多级阵列)中，供水首先被泵送入元件的第一级中。来自各个上游级的浓缩液被供给到各个下游级。末级的浓缩液接口配备有浓缩液阀门。穿过膜阻碍的流动和压力由进给泵和浓缩液阀门控制。渗透液从各个级流动至公共的渗透液主水道。浓缩液分级增加渗透液回收。带有例如80%或更多的高回收率的过滤系统典型地具有至少两个级。
发明内容
虽然浓缩液分级增加系统的回收率，但是浓缩液的流量在各个级中下降。对于一些类型的废水，在高回收过滤系统中的流量可不足以防止末级中的污堵。
在本说明书描述的过滤系统中，两个或更多个级连接在一起以便提供浓缩液分级。末级具有构造成提供浓缩液再循环的再循环泵和导管。在另一个过滤系统中，布置系统的阀和导管来允许给水流动穿过第一级的一部分和末级的顺序被转换。该部分可以是整个第一级或者小于整个第一级。优选地，有或没有流动的顺序转换，系统在最后接收浓缩液的级中提供浓缩液分级和浓缩液再循环。
在本说明书描述的过滤过程中，给水分成渗透液和第一浓缩液。第一浓缩液分成渗透液和第二浓缩液。第二浓缩液部分的一部分被回收并与第一浓缩液混合。在另一个过程中，流动的顺序有时在过滤系统的第一级的一部分和末级之间转换。该部分可以是整个第一级，或者是小于整个第一级的一部分。优选地，在各个顺序中，系统实施具有浓缩液分级和浓缩液再循环两者的过滤过程。
附图说明
图1是过滤系统的示意性的过程流程图。
图2是第二过滤系统的示意性的过程流程图。
图3是第三过滤系统的示意性的过程流程图。
具体实施方式
参考图1，过滤系统10处理给水12以产生流出物14。过滤系统具有进给泵22、第一级16、末级20、再循环泵24和盐水26。系统10优选地还具有一个或更多个中间级18。在系统10中，末级20可称为第三级，但是在其它系统中末级20可以是第二级、第四级或另一个级。而且在系统10中，中间级18可称为第二级、但是其它系统中中间级可包括第二级、第三级、第四级或更多的级。
各个级包括一个或更多个膜过滤元件的组，膜过滤元件例如是纳米过滤或反渗透元件。级中的多个元件典型地在压力容器中串联地提供。较大的级可包括并联地用水管连接的多个压力容器，例如带有连接至8个压力容器中的每一个的入口的进液歧管、连接至8个压力容器中的每一个的浓缩液出口的浓缩液歧管、以及连接至8个压力容器中的每一个的渗透液出口的渗透液歧管。第一级16优选地大于(即，具有更多的相同大小的元件)中间级18。末级20优选地大于中间级18。第一级16优选地至少与末级20一样大。
过滤系统还具有阀V1至V9和构造成提供下面描述的流动路径的各种管道。阀V1至V9可在完全打开和完全关闭的位置之间移动。然而，阀V9优选地是可设置到各种中间位置的节流阀。穿过膜阻碍的流动和压力由进给泵22或阀V9或它们两者来控制。
在所示的第一构造中，阀V1、V3、V5和V7是打开的。阀V2、V4、V6和V8是关闭的。阀V9是至少部分地打开来以选择的流量提供流出的盐水。系统10还可在带有阀V1、V3、V5和V7关闭、阀V2、V4、V6和V8打开、以及阀V9至少部分地打开的第二构造中运转。在两种构造中，盐水26的流量优选地是给水22的流量的20%或更少。给水22的80%或更多回收为渗透液14。
在第一构造中，进给泵22将给水12泵送至第一级16。第一级渗透液28产生并变成流出物14的一部分。第一级浓缩液30也产生并流动至中间级18。流动穿过中间级18的进液侧的第一级浓缩液30分成第二级渗透液32和第二级浓缩液34。第二级渗透液32变成流出物14的一部分。第二级浓缩液34流动至再循环泵24。再循环泵24将第二级浓缩液34泵送至末级20。第三级渗透液36产生并变成流出物14的一部分。第三级浓缩液38部分地作为盐水26排出，并且部分地返回至再循环泵24的进液侧。由此第三级浓缩液38的一部分再循环至第三级20。总之，系统10运转带有在级16、18、20之间浓缩液分级并带有在末级20中浓缩液再循环。
在第二构造中，系统10再次运转带有在级16、18、20之间浓缩液分级并带有在最后接收浓缩液的级中浓缩液再循环。然而，在该情况下第三级20首先接收给水12；浓缩液分级的方向是从第三级20至第二级18至第一级16；以及第一级16运转带有浓缩液回收，备选地称为进液和流出。
再循环泵24和流动的顺序在当阀从第一构造移动至第二构造时在穿过第一级16和末级20之间转换。然而，优选地，穿过级16、18、20的进液侧的流动的方向在当阀从第一构造移动至第二构造时不改变。虽然一些元件和压力容器可构造用于可逆的流动，但是其它的具有仅运转带有沿一个方向的流动或者优化用于沿一个方向的流动的诸如盐水密封件或渗透液收集器的构件。在带有多个中间级的系统中，在中间级之间的流动的顺序也优选地在当阀从第一构造移动至第二构造时不改变。元件、或管路或泵系统的相对数目也可优化用于在多个中间之间沿一个方向的流动。
浓缩液分级的使用允许高回收率，例如80%或更多或者在85%至95%之间。在末级中的浓缩液再循环增加穿过末级的流量以有助于抑制污堵。因为第一和第二级在合理的进液侧浓缩液运转，所以总体渗透液质量保持较高。再循环泵的成本和能量消耗限于末级所需要的。然而，在一些情况中，末级可仍然污堵。至少有时转换流动的顺序允许末级被用给水冲洗以有助于进一步抑制、或在一些情况中移除污堵。特别地，尽管有浓缩液再循环，但是在很难处理的废水中的一些可溶的有机化合物可导致末级中的污堵。然而，有时使末级暴露至未浓缩的给水将有机物污堵层从末级冲洗。在系统10中，末级20可与第一级16转换并接收未浓缩的给水12高达系统10的运转时间的一半。
为了便于转换，第一级16和第二级20优选地是相同大小，或至少大约相同的大小。如果第一级16显著地大于末级20，那么末级可与小于整个第一级16的第一级16的一部分转换。在该情况下，该部分优选地是与末级20相同大小，或至少大约相同的大小。例如，与末级20转换的第一级16的一部分(可以是整个第一级16或小于整个第一级)可具有许多个元件或压力容器或两者，其在末级20中相应的数目或多个数目的25%内。
系统10可用来处理多种多样的给水12。然而，系统10特别地适于提供来自很难处理的废水的高(80%或更多)回收。给水12可具有200mg/L或更多的化学需氧量(COD)。难处理的废水包括例如垃圾渗滤液、炼焦厂废水、反渗透盐水和冷却塔排污水。可选地，回收可进一步通过处理盐水来增加，例如用热蒸发器、结晶器、零液体排放器(ZLD)或物量-化学处理系统。
示例
在第一示例中，三级纳米过滤(NF)系统10设计用于以大于200mg/L的化学需氧量(COD)、90m3/h的渗透液流量、以及90%回收来处理工业排出物。系统10布置为如在图1中所示。进给泵22是额定为100m3/h的输出和110m水头的高压泵。再循环泵24额定为110m3/h的输出和40m水头。
系统具有126个标称8英寸(20cm)NF螺旋卷式元件，其插入21个压力容器。各个压力容器串联地保持6个元件。系统具有三个级16、18、20。第一级16和末级20各自具有并联地用水管连接的8个压力容器。中间级具有并联地用水管连接的5个压力容器。
第一和末级16、18是同一的，并且再循环泵24和流动的顺序可在它们之间转换。在一个阀构造中，如在图1中所示，阀V1、V3、V5和V7是打开的，并且阀V2、V4、V6和V8是关闭的。给水12通过高压进给泵22泵送入第一级16，来自第一级16的浓缩液供给至中间级18，并且来自中间级18的浓缩液穿过再循环泵24供给至末级20。在第二阀构造中，其中第一级16和末级20转换，阀V2、V4、V6和V8打开，并且阀V1、V3、V5和V7关闭。给水12通过高压泵来泵送入末级20，来自第三级20的浓缩液供给至中间级18，并且来自中间级18的浓缩液穿过再循环泵24供给至第一级16。在两种构造中，阀V9是运转来控制浓缩液流动的控制阀。在所有的级中实现每NF元件的6-8m3/h的高交叉流量的浓缩液。
在第二示例中，在图2中显示，第二系统40设计用于以超过200mg/L的COD、90m3/h的渗透液流量、以及95%回收来处理工业排出物。第二系统40具有四个级16、18、19和20。第一级分成两个部分，第一部分16A和第二部分16B。再循环泵24和流动的顺序可在末级20和第一级16的第一部分16A之间转换。当转换时，第一级16的第一部分16A最后接收浓缩液，并且末级20首先与第一级的第二部分16B并联地接收给水。
进给泵22是额定为100m3/h的输出和110m水头的高压泵。第二系统还具有额定为40m3/h的输出和30m水头的增压泵46和额定为56m3/h的输出和40m水头的再循环泵24。
NF系统具有138个标称8英寸(20cm)NF元件，其插入23个压力容器。各个压力容器串联地保持6个元件。第一级16具有八个压力容器。这些压力容器中五个并联地用水管连接并组成第一部分16A。剩余的三个压力容器并联地用水管连接并组成第二部分16B。第一中间级18具有并联地用水管连接的六个压力容器。第二中间级19具有并联地用水管连接的三个压力容器。末级20具有并联地用水管连接的五个压力容器。第一部分16A和第三级20是同一的以有助于在它们之间的转换。第二部分16B始终接收直接来自进给泵22的给水12。
当阀构造成如图2中显示的第一构造时，阀V1、V3、V5和V7是打开的，并且阀V2、V4、V6和V8是关闭的。给水12通过进给泵12泵送入第一级16的第一部分16A和第二部分16B。来自第一级16的浓缩液供给至第一中间级18，然后穿过增压泵46供给至第二中间级。来自第二中间级19的浓缩液穿过再循环泵24供给至末级20。当阀构造成第二构造时使得第一部分16A和末级20转换，阀V2、V4、V6和V8是打开的，并且阀V1、V3、V5和V7是关闭的。给水12通过高压泵22来泵送入末级20和第二部分16B。来自末级20和第一部分16B的浓缩液供给至第一中间级18，然后穿过增压泵46供给至第二中间级。来自第二中间级19的浓缩液穿过再循环泵24供给至第一部分16A。阀V9用作控制阀以控制两种构造中的浓缩液流动。
可选地，虽然未在图2中显示，但是第二系统40的阀和导管可改变，使得有时第一级16的另一个选择的部分最后接收浓缩液，并且末级20与剩余的第一级并联地首先接收给水。然而，期望与末级20转换的第一级16的部分具有与末级20相同数目的元件和压力容器，使得再循环泵24和第二系统40在两个构造中作为一个整体工作良好。在第二系统20中，作为优化系统设计的结果，第一级16不具有末级20的压力容器的两倍的压力容器。尽管第一级16的八个压力容器中的五个与末级20转换的交替将会是可能的，但是因为转换流动的顺序的主要目的是允许末级20有暴露至未浓缩的给水12的一个时段，所以该复杂性是典型地不合理的。如果第一级16碰巧具有两倍的元件和压力容器20，第一级16的部分与末级20转换的交替将更容易。然而，在多数情况中，将末级20与第一级16中的任一部分16A、16B转换的能力将验证改变各个级中的元件和压力容器的数目的最佳选择。这些意见假设末级20中的污堵可通过将末级20暴露至未浓缩的给水12达系统运转时间的一半或更少来充分地控制。如果不能，那么系统可被修改以允许运转的方法使得第一级16的压力容器超过运转时间的一半来最后接收浓缩液，但它们之间的交替的系统导致各个单独的压力容器最后接收浓缩液少于运转时间的一半。
在第三示例中，在图3中显示，第三系统42设计用于以超过200mg/L的COD、90m3/h的渗透液流量、以及90%回收来处理工业排出物。再循环泵24用于末级20。第三系统42类似于图1的系统10，但没有允许第一级16和末级20的顺序能被反转的阀和导管。
第三系统42具有126个标称8英寸(20cm)NF元件，其插入21个压力容器。各个压力容器串联地保持6个元件。高压进给泵22是额定为100m3/h的输出和110m水头。再循环泵24是额定为110m3/h的输出和40m水头。第三系统42具有三个级16、18、20。第一级16和末级20各自具有并联地用水管连接的8个压力容器。中间级18具有并联地用水管连接的5个压力容器。给水12通过高压进给泵22泵送入第一级16的进液入口。来自第一级16的浓缩液供给至中间级18的进液入口。来自中间级18的浓缩液穿过再循环泵24供给至第三级20的进液入口。
该书面描述使用示例以公开本发明并使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任意装置或系统以及执行任意并入的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。

Claims (19)

1. 一种膜过滤系统，包括：
a)第一级；
b)末级；
c)进给泵；
d)再循环泵；
e)盐水出口；以及，
f)导管组，其适于连接：所述进给泵的出口侧至所述第一级的入口；所述第一级的浓缩液出口至所述再循环泵的入口；以及所述再循环泵的出口至所述末级的入口；所述末级的浓缩液出口至所述盐水出口且至所述再循环泵的所述入口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第一中间级，其中所述导管组将所述第一级的所述浓缩液出口穿过所述第一中间级的进液侧连接至所述末级的所述入口。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括第二中间级，其中所述导管组将所述第一中间级的浓缩液出口穿过所述第二中间级的进液侧连接至所述末级的所述入口。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括在所述第一中间级和所述第二中间级之间的浓缩液增压泵。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一级大于所述第一中间级，并且所述末级大于所述第一中间级。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括阀组，其中所述阀组和所述导管组适于在所述第一级的一部分和所述末级之间选择性地转换流动的顺序。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，第一级的所述部分在相同数目的并联的压力容器中具有相同数目的过滤元件。
8.根据权利要求6或7中的任一项所述的系统，其特征在于，(a)所述第一级是与所述末级大约相同大小，并且所述第一级的所述部分是整个第一级，或者(b)所述第一级大于所述末级，并且所述第一级的所述部分小于所述整个第一级但与所述末级大约相同大小。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其特征在于，所述阀组和所述导管组适于选择性地将所述进给泵的出口侧连接至所述末级的所述入口或所述浓缩液出口。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的系统，其特征在于，所述阀组和所述导管组适于选择性地将所述再循环泵的所述出口连接至所述第一级的一部分的所述入口或所述浓缩液出口。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的系统，其特征在于，所述阀组和所述导管组适于选择性地连接：所述进给泵的所述出口侧至所述末级的所述入口；所述末级的所述浓缩液出口至所述再循环泵的所述入口；所述再循环泵的所述出口至所述第一级或所述第一级的一部分的所述入口；所述第一级或所述第一级的所述部分的所述浓缩液出口至所述盐水出口且至所述再循环泵的所述入口。
12.一种膜过滤系统，包括：
a)第一级；
b)末级；
c)进给泵；
d)盐水出口；以及，
e)导管和阀的组，其适于提供从所述进给泵穿过所述第一级和所述末级至所述盐水出口的流动，并且适于使在所述第一级的一部分和所述末级之间的流动的顺序能够选择性地转换，
其中，当所述流动的顺序转换时穿过级的流动的方向不反转。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括再循环泵，其中所述导管和阀的组适于使所述再循环泵能够选择性地连接至所述第一级的所述部分或所述末级。
14.一种处理给水的过程，包括使所述给水流动穿过带有在所述级之间的浓缩液分级和所述末级中的浓缩液再循环的膜过滤的多个级的步骤。
15.根据权利要求14所述的过程，其特征在于，还包括使所述给水周期性地流动穿过带有流动的顺序和浓缩液再循环在所述第一级的一部分和所述末级之间转换的膜过滤的所述多个级的步骤。
16.一种处理给水的过程，包括使所述给水流动穿过膜过滤的多个级的步骤，其中流动的顺序有时在第一级的一部分和末级之间转换，而不反转流动穿过所述第一级的所述部分或所述末级的进液侧的方向。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的过程，其特征在于，所述级包括标称8英寸的螺旋卷式膜组件，并且穿过各个级的所述进液或浓缩液流量至少是6m3/h。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的过程，其特征在于，所述过程以80%或更多的回收率运转。
19.根据权利要求14至18中的任一项所述的过程，其特征在于，所述给水具有至少200mg/L的化学需氧量。
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