CN105939970B - 使用电渗析从盐水中除去矿物质的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用阻垢剂处理包含多种矿物质的盐水流的方法。所述盐水流由废水处理系统提供。所述方法还包括将所述经过处理的盐水引导至第一纳米过滤以由所述经过处理的盐水产生NF渗透流和NF非渗透流；将所述第一NF非渗透流引导至设置在下游的矿物质除去系统并且从所述第一NF非渗透流除去所述多种矿物质以产生第一溢出流。所述第一溢出流包含所述多种矿物质的至少一部分。所述方法还包括使所述第一溢出流的一部分到达盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统。所述方法进一步包括将所述第二盐水流引导至设置在所述HCl和NaOH产生系统内并且与所述第二NF系统流体联接的第一电渗析(ED)系统。所述第一ED系统可由所述第二盐水流产生HCl和NaOH。

Description

使用电渗析从盐水中除去矿物质的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请受益于2013年11月25日提交的标题为“System for Removing Mineralsfrom a Brine Using Electrodialysis”的美国临时专利申请号61/908,318以及2014年10月10日提交的标题为“Mineral Recovery System”的美国临时专利申请号62/062,657的优先权，这两个临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。
背景
本文所公开的主题大体上涉及矿物开采且更具体地说使用电渗析从盐水中除去矿物质的系统和方法。
在美国(例如，美国西南部，包括新墨西哥州、加利福尼亚州南部以及德克萨斯州的部分)和全世界有若干区域部分归因于这些地理位置的干旱气候而经历饮用水供应不足。因为水源有限，所以对创新技术和用于饮用水与农业两者的替代供水的需要为重要的。用于获得替代饮用水源的一种方法使用脱盐系统来产生饮用水。
脱盐工艺涉及从海水、农业径流水以及/或者含盐地下水盐水中除去盐来产生饮用水。脱盐可使用一类过滤法(诸如纳米过滤和反渗透)来将原料流分离成脱盐水流和尾流。尾流可含有各种盐和在脱盐工艺之后留下的其他物质。实际上，通过脱盐来处理所产生的尾流可能导致土壤退化和地下水污染。因此，尾流的替代和创新的用途可使得处理尾流的不希望的结果减少。
一种此类替代用途涉及处理尾流以除去有价值的矿物质。特定而言，内陆含盐水和海水可能富含硫酸盐、镁、钙以及其他矿物质。主要呈石膏形式的硫酸盐具有多种商业用途，包括但不限于建筑材料(例如，干壁或石膏纤维板(sheetrock))、护肤霜、洗发剂以及牙印模膏剂。此外，在农业生产中可使用石膏作为肥料和/或土壤调节剂。还可以氧化镁(例如，氧化镁)形式提取镁，其由于其防火能力用于耐火材料工业中并且作为泻药中的成分用于医学领域中。当这些矿物质的传统矿藏被耗尽时，从替代来源提取它们的能力代表有价值的商业机会以及用于减小由含盐量高的废物流处理所引起的环境影响的手段。
用于除去矿物质的现有程序常常展现次佳的效率。举例来说，蒸发池需要大面积的陆地并且常常产生具有极小商业价值的低纯度混合盐。此外，由蒸发工艺产生的废混合盐固体可浸出到地下水供给系统中。其他提取方法涉及处理含盐水或海水脱盐设备中产生的尾流。然而，对于尾流来说，当前的采矿程序可能不会有效地发挥作用。
如上文所描述，脱盐系统可采用纳米过滤和反渗透中的一种或其组合来促进脱盐和除去工艺。在最初分离饮用水流与尾流之后，可通过矿物质除去系统进一步处理尾流。举例来说，可执行各种沉淀技术来促进从溶液中除去所溶解的矿物质。然而，尾流中的高盐浓度可能增加许多这些有价值的矿物质的溶解度并且因此降低这些矿物质可能沉淀析出的效率。未充分除去这些矿物质可能对矿物质除去系统本身具有负面影响。举例来说，未完全除去石膏可能导致过滤和/或反渗透膜结垢，由此降低这些膜的寿命和渗透通量。频繁更换和修复此类矿物质除去系统组件，除欠佳的提取效率之外，还可能导致增高的矿物质除去成本，从而促成对进一步优化矿物质除去系统的需要。
此外，现有程序可能不足以从矿物质中移除杂质。此类杂质(包括砷、硼酸以及二氧化硅)的无效移除可能在除去的矿物质中产生不希望的杂质并且由于膜结垢而降低矿物质除去设备的生产率。因此，改善的矿物质除去系统可促成更高纯度的有价值矿物质，减少杂质，增加效率，并且增加矿物质除去系统的组件的寿命。
概述
在第一实施方案中，一种方法包括用阻垢剂处理包含多种矿物质的第一盐水流以产生经过处理的盐水。第一盐水流由废水处理系统提供。所述方法还包括将经过处理的盐水引导至设置在废水处理系统下游并且与其流体联接的第一纳米过滤(NF)系统，从而在第一NF系统中由经过处理的盐水产生第一NF渗透流和第一NF非渗透流，将第一NF非渗透流引导至设置在第一NF系统下游并且与其流体联接的矿物质除去系统，并且从第一NF非渗透流中除去所述多种矿物质，以在矿物质除去系统中产生第一溢出流。第一溢出流包含所述多种矿物质的至少一部分。所述方法还包括使第一溢出流的第一部分到达设置在矿物质除去系统下游并且与其流体联接的盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统。HCl和NaOH产生系统包括第二NF系统，其可接收第一溢出流的第一部分并且可由第一溢出流的第一部分产生第二盐水流。所述方法进一步包括将第二盐水流引导至设置在HCl和NaOH产生系统内并且与第二NF系统流体联接的第一电渗析(ED)系统。第一ED系统可由第二盐水流产生HCl和NaOH。
在第二实施方案中，一种系统包括第一纳米过滤(NF)系统，其可由来自水处理系统的第一盐水流产生第一NF渗透流和第一NF非渗透流；以及设置在第一纳米过滤系统下游并且与其流体联接的矿物质除去系统。矿物质除去系统可接收第一NF非渗透流并且输出溢出流。所述系统还包括盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统，其包括设置在矿物质除去系统下游并且与其流体联接的第二NF系统；以及第一电渗析(ED)系统。第二NF系统可接收来自矿物质除去系统的溢出流以产生第二盐水流，而第一ED系统可接收第二盐水流以产生HCl和NaOH。
在第三实施方案中，一种系统包括盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统，其包括可由第一盐水流产生NF渗透流和NF非渗透流的纳米过滤(NF)系统；以及在NF系统下游并且与其流体联接的第一电渗析(ED)系统。第一ED系统可接收NF渗透流并且可产生第二盐水流。所述系统还包括流体联接至HCl和NaOH产生系统并且可输出第一盐水流的矿物质除去系统。矿物质除去系统包括可从在废水处理系统中产生的第三盐水流中除去矿物质的矿物质除去部分。矿物质除去系统还包括流体联接至矿物质除去部分和NF系统的溢流罐。溢流罐可接收来自矿物质除去部分的溢出流并且可将至少一部分溢出流引导至NF系统以产生NF渗透流和NF非渗透流。
在第四实施方案中，系统包括流体联接至废水处理系统的离子交换软化器。第一离子交换软化器可接收来自废水处理系统的第一盐水流并且从第一盐水流中除去多种矿物质以产生包括所述多种矿物质的第二盐水流和第三盐水流。所述系统还包括设置在离子交换软化器下游并且可接收第二盐水流并且产生氯化钠(NaCl)盐水流的矿物质除去系统；以及设置在矿物质除去系统下游并且与其流体联接的酸和烧碱产生系统。酸和烧碱产生系统包括第一电渗析(ED)系统，其可接收来自矿物质除去系统的NaCl盐水流并且由NaCl盐水流产生盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)。所述系统还包括第二ED系统，其设置在离子交换软化器的下游并且酸和烧碱产生系统的上游。第二ED系统流体联接至离子交换软化器以及酸和烧碱产生系统，并且第二ED可产生来自第三盐水流的脱盐水和ED浓缩流。第二ED系统可将ED浓缩流引导至酸和烧碱产生系统。
在第五实施方案中，一种方法包括将来自水处理系统的废水盐水流引导至设置在矿物质除去系统上游的第一离子交换软化器。废水盐水流包括多种矿物质。所述方法还包括经由第一离子交换软化器由废水盐水产生第一软化盐水流和第一氯化物盐水流。第一氯化物盐水流包括多种矿物质的第一部分，而第一软化盐水流包括多种矿物质的第二部分。所述方法还包括将第一氯化物盐水流供应至矿物质除去系统以回收多种矿物质的第一部分；将第一软化盐水流供应至第一电渗析(ED)系统，其可产生第二软化盐水流；并且经由在第一ED系统下游并且与其流体联接的酸和烧碱产生系统由第二软化盐水流产生盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)。
在第六实施方案中，一种方法包括经由设置在矿物质除去系统上游的离子交换软化器从第一盐水流中除去多种矿物质。第一盐水流从废物处理系统输出，离子交换软化器包括树脂，并且树脂包含酸部分和中性部分。所述方法还包括使第一盐水流中的碳酸氢盐与离子交换软化器内的树脂的酸部分反应以产生二氧化碳，并且经由离子交换软化器由第一盐水流产生软化盐水流和第二盐水流。第二盐水流包括所述多种矿物质并且被引导至矿物质除去系统，而软化盐水流包括二氧化碳并且被引导至可产生脱盐水的电渗析(ED)系统。
附图简述
当参考附图阅读以下详细说明时，本公开的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中在所有图式中相同的符号表示相同的部件，其中：
图1为水处理系统的一个实施方案的框图，其中根据本公开的数个方面，水处理系统包括水除去设备，所述水除去设备具有矿物质除去系统和盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统；
图2为图1的矿物质除去设备的一个实施方案的框图，其中矿物质除去设备使用化学添加剂来处理所述矿物质除去系统上游的盐水流；
图3为图2的矿物质除去设备的一个实施方案的框图，其中所述HCl和NaOH产生系统包括纳米过滤(NF)系统、电渗析(ED)系统以及蒸发器部分；
图4为图3的蒸发器部分的一个实施方案的框图，其中蒸发器部分具有预浓缩蒸发器；
图5为图1的矿物质除去设备的一个实施方案的框图，根据本公开的数个方面，矿物质除去设备在所述矿物质除去系统的上游具有离子交换软化器；
图6为图5的矿物质除去设备的另一实施方案的框图，其说明根据本公开的数个方面的HCl和NaOH产生系统；并且
图7为根据本公开的数个方面使用图5和6的水处理系统来除去矿物质和产生HCl和NaOH的方法的一个实施方案的流程图；
发明详述
以下将描述本公开的一个或多个特定实施方案。试图提供对这些实施方案的简明描述，在本说明书可能未描述实际实现方式的所有特征。应了解，在如在任何工程设计或设计项目中开展任何此类实际实现方式时，必须做出许多实现方式特异性决定以实现开展者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关约束，一种实现方式与另一种实现方式之间的特定目标可不同。此外，应了解，此类开展工作可能为复杂并且费时的，但尽管如此对于享有本公开权益的普通技术人员来说仍将为进行设计、装配以及制造的常规举措。
当介绍本发明的各个实施方案的元素时，冠词“一个(种)(a/an)”、“该”以及“所述”意在指存在一个(种)或多个(种)所述元素中。术语“包含”、“包括”以及“具有”旨在为包括性的并且意味着可存在除所列元素外的其它元素。
如下文详细论述，所公开的实施方案包括水处理系统(例如脱盐系统)，其被配置成使水(例如海水、农业径流水以及/或者含盐地下水)脱盐并且回收从脱盐水提取的矿物质。在水脱盐工艺中，使用离子分离系统从否则可能被弃去的尾流(例如，纳米过滤和反渗透非渗透流)中提取矿物质(例如，钙、镁、钠以及硫酸盐)。可回收所提取的矿物质作为工业级产品用于商业用途。在水脱盐和矿物质回收期间，矿物质可导致用于使水脱盐的系统组件(例如，纳米过滤(NF)系统、电渗析系统、反渗透系统等)结垢。这可能部分归因于停止运作和维护而增加系统的操作成本。举例来说，可能需要从系统组件移除在系统组件上形成的垢，并且可能需要更换系统膜。因此，可能有利的是溶解和/或移除生垢化合物来缓解系统组件的结垢。
图1为水处理系统10的一个实施方案的框图，所述水处理系统可使用化学添加剂来缓解在使水脱盐期间所用的系统组件的结垢。举例来说，水处理系统10可为水脱盐系统、废水处理系统、水净化系统、油和气盐水处理系统或任何其他适合的水处理系统的一部分。在所说明的实施方案中，使用水处理系统10来从馈料流产生脱盐水并且从馈料流中除去矿物质。举例来说，可使用水处理系统10来产生高纯度农业级石膏(CaSO·2H2O)(例如，以干重计约大于97重量％(wt％)石膏)、工业级烧碱(例如，以干重计约大于97wt％氢氧化钠(NaOH))、适合于工业的氧化镁耐火材料的工业级氢氧化镁(Mg(OH)2)(例如，以灼烧后计或以灼烧后氧化物计约大于98wt％MgOH)、工业级氯化钠(NaCl)(例如，以干重计约大于99.9wt％NaCl)、用于商业用途的缩HCl(例如，约10wt％至22wt％)以及/或者来自地下盐水的脱盐水(例如，约小于1克/升(g/L)(百万分之1000(ppm))总溶解固体(TDS))、海水脱盐废盐水以及/或者含盐水脱盐废盐水。此外，水处理系统10可使用石膏沉淀、氢氧化镁沉淀中、电渗析(ED)以及/或者软化和纳米过滤(NF)的一种或多种的组合来从盐水中除去作为工业级产品的矿物质和/或大体上减少(或消除)废盐水流。
在所说明的实施方案中，水处理系统10包括被配置成接收馈料流14的预处理系统12。馈料流14可来源于任何适合的水源。举例来说，馈料流14可来源于地下水、海水、含盐水等。此外，馈料流14可含有各种元素和/或化合物。举例来说，馈料流14可含有NaCl、硫酸盐(SO4)、钙(Ca)、镁(Mg)以及/或者二氧化硅(硅石或SiO2)。在某些实施方案中，馈料流14可含有约0.50g/L(500ppm)至约3.00g/L(3,000ppm)NaCl、约0.10g/L(100ppm)至约1.50g/L(1,500ppm)SO4、约0.01g/L(10ppm)至约0.80g/L(800ppm)Ca和Mg以及/或者约0.01g/L(10ppm)至约0.30g/L(300ppm)SiO2。此外，在某些实施方案中，馈料流14可具有在约5与9之间的pH值范围。举例来说，馈料流14可具有约8的pH值。
预处理系统12接收馈料流14并且从馈料流14中除去固体物质(例如，细粒16)，诸如铁(Fe)和锰(Mn)。预处理系统12将经过预处理的馈料流18提供至第一反渗透(RO)系统20。第一RO系统20接收经过预处理的馈料流18并且产生脱盐水流28。在某些实施方案中，脱盐水流28可包括SiO2。此外，脱盐水流28可具有约7.5的pH值。此外，第一RO系统20将盐水流30提供至矿物质除去系统32。在某些实施方案中，脱盐水流28可为第一RO系统20的输出物的约70％至约90％，而盐水流30可为第一RO系统20的输出物的约10％至约30％。举例来说，在一些实施方案中，脱盐水流28可为第一RO系统20的输出物的约80％，而盐水流30可为第一RO系统20的输出物的约20％。如可理解，虽然所说明的实施方案使用第一RO系统20，但是其他实施方案可使用NF系统替代第一RO系统20。
矿物质除去系统32可为矿物质除去设备34的一部分。矿物质除去设备34被配置成从盐水流30中除去矿物质、元素以及/或者化合物。如可理解，可从任何适合的来源和/或系统提供盐水流30至矿物质除去设备34。在某些实施方案中，盐水流30可包括大量的盐，诸如NaCl、硫酸钠(Na2SO4)、钙(Ca)以及/或者镁(Mg)。如上文所论述，处理盐水流30(例如，化学或机械地)可缓解盐的结垢(沉淀)。换句话说，如下文更详细论述，可将盐水流30用化学添加剂处理，从而增加结垢组分在盐水流30中的溶解度，并且/或者软化盐水流30以减少硬度和二价化合物。矿物质除去系统32可提供包括脱盐水的一个或多个可能含有SiO2的脱盐流36。此外，一个或多个脱盐流36可包括消毒剂和/或氧化剂。可经由消毒剂流38将消毒剂和/或氧化剂提供至预处理系统12。
可向矿物质除去系统32中提供基于石灰的物质40(例如，石灰、生石灰、白云石灰岩等)以促进从盐水流30中除去矿物质。在操作期间，矿物质除去系统32可被配置成从盐水流30中除去任何适合的矿物质、元素以及/或者化合物。举例来说，矿物质除去系统32可视盐水流30的矿物质含量而定提供石膏流46(例如，农业级石膏)、盐流50(例如，工业级氯化钠)、氢氧化镁流54(例如，工业级氢氧化镁)、溴流58、草碱流62以及/或者其他矿物质流。
矿物质除去系统32可产生其他料流，其可被收集用于商业用途和/或在水处理系统10的下游工艺中加以利用。在某些实施方案中，矿物质除去系统32可将一个或多个输出流64提供至HCl和NaOH产生系统66。举例来说，矿物质除去系统32可将NaCl盐水提供至HCl和NaOH产生系统66。HCl和NaOH产生系统66可依次经由离子分离工艺(例如，ED工艺)和蒸发工艺产生浓缩HCl。此外，矿物质除去系统32可接收来自HCl和NaOH产生系统66的一个或多个输入流68。一个或多个输入流68可为矿物质除去系统32提供由HCl和NaOH产生系统66产生的HCl和/或烧碱(例如，NaOH)。此外，HCl和NaOH产生系统66可产生不由矿物质除去系统32使用的烧碱溶液70(例如浓缩工业级NaOH)和/或浓缩工业级HCl产物溶液72(例如为出售而制备的)。
矿物质除去设备34还包括加热和动力产生系统74。加热和动力产生系统74可包括天然气发动机和/或锅炉。加热和动力产生系统74可被配置成接收燃料76。燃料76可为任何适合的燃料，诸如天然气、合成天然气(例如，合成气)或其组合。加热和动力产生系统74可如箭头80所指示向HCl和NaOH产生系统66提供动力、蒸汽、热水、任何适合的被加热的流体等。此外，加热和动力产生系统74可接收来自HCl和NaOH产生系统66的冷却的流体流82(例如，冷却水)。如所说明，加热和动力产生系统74还可以如箭头84所指示为矿物质除去系统32提供动力。另外，加热和动力产生系统74可如箭头90所指示为另一系统和/或第一RO系统20提供动力88。
图2为矿物质除去设备34的一个实施方案的框图，所述矿物质除去设备被配置成用缓解结垢的化学添加剂处理盐水流30。如上文所论述，盐水流30包括矿物质，诸如NaSO4、SiO2、钙以及镁，其在脱盐期间在系统组件上形成垢。因此，在某些实施方案中，在脱盐之前将盐水流30加热并且用HCl处理。举例来说，在所说明的实施方案中，被加压至约100磅/平方英寸表压(psig)与约150psig之间的盐水流30流经换热器96，所述换热器使用在HCl和NaOH产生系统66中被加热的水来将盐水流30加热至约30℃与约40℃(约90°F与约100°F)之间。在加热之前或之后，将盐水流30用稀HCl 101(例如，低于约1wt％HCl)处理，所述稀HCl如箭头102所示是在第一纳米过滤(NF)系统104和HCl吹洗系统106中产生。在某些实施方案中，如下文参考图3更详细论述，第一NF系统104可形成HCl和NaOH产生系统66的一部分。HCl100将盐水流30的pH值调节至小于约5。盐水流30的增加的温度和降低的pH值使二氧化硅(SiO2)的溶解度增加，由此使下游系统组件(例如，纳米过滤和电渗析系统)中的二氧化硅结垢减少。此外，HCl 100与盐水流30中的碳酸氢盐反应并且产生可溶性CO2气体，由此从盐水流30中除去碳酸氢盐。除HCl 100之外，可将阻垢剂108添加至盐水流30中。阻垢剂108可使硬度和二价化合物/元素以及其他矿物质(例如，NaSO4)的结垢减少。阻垢剂108的非限制性实例包括石膏硫酸钡阻垢剂，诸如Hypersperse MDC706(GE Water and ProcessTechnology)、Vitec 7000(Avista Technologies Inc)；任何其他适合的阻垢剂以及其组合。可将盐水流30、HCl 100以及阻垢剂108在混合器(例如，静态混合器)中混合，以提供大体上均匀的混合(例如，以产生大体上均质的混合物)。在某些实施方案中，可在热交换器96下游将盐水流30用第一过滤器110过滤。第一过滤器110可除去可能已存在于盐水流30中或在加热和用HCl 100和/或阻垢剂108处理期间形成的任何粒子(例如，氟化钙或硫酸钡)。过滤器(例如，第一过滤器110)可为4至6微米筒式过滤器。然而，可使用任何其他适合的过滤器来除去粒子。
在加热、化学处理以及过滤之后，可将盐水流30馈送至第二纳米过滤(NF)系统116。在所说明的实施方案中，第二NF系统116包括NF单元118和120。NF单元118、120可为单级或多级单元。举例来说，在一个实施方案中，NF单元118、120可为两级、三级、四级或更多级NF单元。在其他实施方案中，NF单元118、120可为单级NF单元。在另一个实施方案中，NF单元118、120可为单级和多级NF单元的组合。举例来说，NF单元118可为二级NF单元，而NF单元120可为一级NF单元。NF单元118、120将盐水流30分离成含有氯化钠(NaCl)的低压渗透流(例如，在约5psig与约20psig之间)和具有硬度和二价化合物/元素(例如，Ca、Mg以及SO4)的浓缩流。在所说明的实施方案中，NF单元118产生第一NF渗透流124和第一NF浓缩流126。第一NF浓缩流126被馈送至NF单元120，而第一NF渗透流124被馈送至反向电渗析(EDR)馈料罐128。类似地，NF单元120由第一NF浓缩流126产生第二NF渗透流130和第二NF浓缩流132。然而，不同于第一NF渗透流124，第二NF渗透流130可具有不希望的量的钙、镁以及/或者硫酸盐。因此，第二NF渗透流130或料流130的一部分被循环回来成为第一NF单元118的馈料(例如，第一级NF馈料)以降低NF渗透流124中的钙、镁以及硫酸盐的浓度。在具有三级NF系统的实施方案中，第三级渗透物被循环回来成为第一级NF馈料。
含有钙、镁以及硫酸盐的第二NF浓缩流132被馈送至矿物质除去系统32以产生石膏46和氢氧化镁54。举例来说，第二NF浓缩流132被馈送至石膏除去系统140。此外，还使来自第一NF系统104的第三NF浓缩流134到达石膏除去系统140。石膏除去系统140回收来自第二NF浓缩流132的Ca和SO4，由此产生石膏46。石膏除去系统140可包括混合器142、沉降器146以及第二过滤器148，从而促进从第二NF浓缩流132中除去石膏46。料流132中的Ca和SO4在石膏除去系统140中反应以沉淀出石膏46。在某些实施方案中，料流132中的约50％至约70％SO4被除去。混合器142(例如，湍流混合器)中存在石膏46晶种可促进石膏沉淀动力学，由此能够进行快速石膏沉淀。此外，在某些实施方案中，混合器142可具有大于约2小时的滞留时间。因此，大滞留时间(例如，大于约1小时)与湍流混合和大固体含量(例如，大于约10wt％)组合，可使得能够形成具有100微米或更大的平均粒度的石膏晶体。较大的石膏晶体可促进在沉降器146中石膏46的除去。混合器142可在约3与约5之间的pH值下操作以降低添加至盐水流30中的阻垢剂108的有效性，由此促进石膏46的沉淀。
在沉降器146中，石膏晶体沉降并且将饱和的几乎不含固体的溶液倾析掉。在某些实施方案中，可将NaOH 150添加至沉降器146中。NaOH 150可使pH值从混合器142增加至约8至约9之间。在沉降器146中碱性的pH值可使得二氧化硅以硅酸镁形式沉淀。此外，碱性的pH值还可以导致痕量的铁以氢氧化铁(例如，Fe(OH)3)和硅酸铁形式沉淀，由此促进石膏46的沉降。富含镁(例如，氯化镁(MgCl2))的石膏沉降器溢出流154被馈送至溢流罐156。在某些实施方案中，可将来自第一NF系统104的第三NF渗透流158与石膏沉降器溢出流154组合以冲淡石膏沉降器溢出流154并且减少在下游装置中石膏的结垢。举例来说，石膏沉降器溢出流154可具有约105％与约110％之间的石膏饱和度(约3,000mg/L至约8,000mg/L的溶解石膏)，并且含有痕量的细粒石膏固体(约1ppm与约10ppm之间的石膏固体)。因此，可使用第三NF渗透流158来稀释石膏沉降器溢出流154以使石膏饱和度降至100％以下，并且溶解任何细粒石膏固体以防止下游装置中的结垢。因此，在溢流罐156和其他下游系统组件中石膏46的沉淀可减少。
可使沉降器残渣(例如，沉降的石膏46)到达水力旋流器和过滤器(例如，第二过滤器148)以洗涤(例如，用脱盐产物水)石膏46并且使其浓缩成可出售的经过洗涤的滤饼。在某些实施方案中，滤饼可包括约70wt％至约100wt％的石膏46。举例来说，滤饼可包括约90wt％的石膏46。因此，石膏46是作为石膏除去系统140的输出物160而提供。可将沉降器残渣的一部分馈送至混合器142以维持为沉淀石膏46所需的固体加载量。来自第二过滤器148的滤液被再循环至沉降器146。
溢流罐156将第一溢出部分162引导至HCl和NaOH产生系统66。举例来说，在所说明的实施方案中，溢流罐156将第一溢出部分162馈送至第一NF系统104。第一NF系统104可使用第一溢出部分162来产生第三NF浓缩流134和第三NF渗透流158。因此，来自稀NaCl流163的水输出到稀酸流102提供矿物质除去系统32中的水平衡。第二溢出部分164被馈送至氢氧化镁除去系统168。如上文所论述，石膏沉降器溢出流154富含镁。通过NF系统116和104在第二NF浓缩流132和第三NF浓缩流134中盐水流30中的镁以在约5与约15之间的系数浓缩。因此，氢氧化镁除去系统168除去并且回收第二溢出部分中的镁。类似于石膏除去系统140，在某些实施方案中，氢氧化镁除去系统168还可以包括混合器、沉降器以及过滤器以促进氢氧化镁54从第二溢出部分164中除去。在一些实施方案中，氢氧化镁除去系统168可被配置成除去第二溢出部分164中的约90至98％的Mg。
可使用类似于石膏除去系统140的布置(例如，混合器142、沉降器146、过滤器148等)来产生经过洗涤的氢氧化镁滤饼和低镁废盐水。可将来自氢氧化镁除去系统168的过滤器的溢出物馈送至沉降器，并且用烧碱(例如NaOH)处理。烧碱与MgCl2反应以产生氢氧化镁54。氢氧化镁沉降器的pH值被维持在约10与约11之间，使得过量氢氧化物(OH-)得以减少。可将氢氧化镁沉降器混合器部分中的固体维持在约4wt％至约15wt％之间，以增加晶体生长位点的数目，并且由此增加氢氧化镁晶体尺寸并且减少镁废盐水中的细粒。镁沉降器溢出流170可被馈送至溢流罐156，并且作为第二溢出部分164的一部分通过氢氧化镁除去系统168再循环，并且/或者作为第一溢出部分160的一部分被馈送至HCl和NaOH产生系统66，如下文参考图6详细论述。在某些实施方案中，可将HCl 100添加至料流170中以使pH值降至约6.5与约8.5之间并且溶解任何夹带的氢氧化镁细粒。可将HCl 100添加至溢流罐156上游的料流170中或可添加至溢流罐156中。
如上文所论述，第二NF系统116还产生第一NF流124，并且将其引导至EDR馈料罐128。第一NF渗透流124可包括约0.5wt％与约1.0wt％之间的氯化钠(NaCl)。NaCl可在EDR馈料罐128的下游被HCl和NaOH产生系统66使用，以产生HCl 72、100以及NaOH 70、150。在将第一NF渗透流124馈送至EDR馈料罐128之前，将第一NF渗透流124在空气吹提器178中脱气，由此从第一NF渗透流124中除去CO2 180并且产生脱气盐水流184。如上文所论述，可将盐水流30用HCl 100处理，以将碳酸氢盐转化成CO2 180，由此从盐水流30中除去碳酸氢盐。吹提器178将经过脱气的盐水流184引导至EDR馈料罐128以便进一步处理。
虽然在EDR馈料罐128中，可将经过脱气的盐水流184用氧化剂186处理以促进从第一NF渗透流124中除去砷(As)，并且在EDR馈料罐128中产生低氯残留(例如，小于约0.5mg/L的氯)。举例来说，盐水流30可具有溶解的砷。如果砷呈还原亚砷酸盐形式(H2AsO3)，那么第二NF系统116可能不除去盐水流30中的砷。添加氧化剂186(例如，次氯酸钠)通常导致砷的氧化，由此产生砷酸盐(AsO4H3)。如下文参考图3所论述，砷酸盐可离子化并且在下游被除去。
EDR馈料罐128如箭头192所示将经过脱气的盐水流184输出至第一电渗析(ED)系统190(例如，反向ED系统)，所述第一电渗析(ED)系统从经过脱气的盐水流184中除去盐，诸如NaCl。因此，第一ED系统190产生至少一部分的脱盐流36和第一ED盐水流196(具有约4wt％与约7wt％之间的NaCl)。脱盐流36满足饮用水质量标准并且可与由第一RO系统20产生的脱盐水28组合用于在整个系统10中的各个工艺中。脱盐水28可包括二氧化硅(例如，在约百万分之50(ppm)与约150ppm之间)。如下文更详细论述第一ED盐水流196被馈送至HCl和NaOH产生系统66以使得能够产生浓缩工业级HCl和浓缩工业级NaOH(例如，HCl 72、100以及烧碱溶液70)。
在某些实施方案中，可使用经过脱气的盐水流184的一部分来冲洗第一ED系统190中的电极。电极冲洗水可被再循环回到EDR馈料罐128。可使用联接至EDR馈料罐128的空气鼓风机来排出电极冲洗水中的氢和氯。排出的氢和氯蒸气198可被馈送至气体洗涤器200。气体洗涤器200可使用NaOH 150(例如，在约3wt％与约5wt％之间的NaOH)来吸收蒸气198中的氯，由此将NaOH 150转化成次氯酸钠(例如，氧化剂186)。可使至少一部分的次氯酸钠如箭头202所示到达EDR馈料罐128。不被馈送至EDR馈料罐128的次氯酸钠(例如，氧化剂186)可用于其他系统工艺中和/或作为商业产品而被收集。
如上文所论述，HCl和NaOH产生系统66由第一ED盐水流196产生HCl 72、100以及NaOH 70、150。图3为矿物质除去设备34的一个实施方案的框图，所述矿物质除去设备被配置成在HCl和NaOH产生系统66中产生HCl 72、100以及NaOH 70、150。为便于讨论图3，已省略矿物质除去设备34的某些特征。在所说明的实施方案中，第一ED盐水流196被馈送至多床离子交换系统210。第一ED系统190可将第一ED盐水流196引导至ED盐水馈料罐212，所述ED盐水馈料罐如箭头214所示将第一ED盐水流196提供至多床离子交换系统210。同时，在ED盐水馈料罐212中，第一ED盐水流196可与产生于第一NF系统104中的第二ED盐水流216(具有约4wt％与约7wt％之间的NaCl)混合。
多床离子交换系统210包括第一离子交换软化器220(例如，由Midland，Michigan的The Dow Chemical Company制造的AmberliteTM IRC747)和第一吸收器224。在操作期间，第一离子交换软化器220从料流214(例如，ED盐水流196、216)中除去在NF系统104、116中未除去的残余硬度化合物/元素(例如，钙和镁)。第一离子交换软化器220产生第一软化盐水流230和氯化钙(CaCl2)盐水234。举例来说，第一离子交换软化器220包括吸收二价离子(例如，钙和镁)的树脂，由此从料流214中除去二价离子。可将第一离子交换软化器220用HCl100(例如，约5wt％至约8wt％之间的HCl)和NaOH 150(例如，约3wt％与约5wt％之间的NaOH)处理，以使树脂再生(例如，释放所吸收的钙和镁)，并且产生CaCl2盐水234。CaCl2盐水234可作为商业产品出售。在某些实施方案中，可在再生步骤之间(例如，添加HCl 100和NaOH 150之间)使用软化盐水流230的一部分来冲洗第一离子交换软化器220。所得到的用过的冲洗盐水可被引导至ED盐水馈料罐214。在将用过的冲洗盐水馈送至ED盐水馈料罐214之前可使用NaOH 150将其pH值调节至约6与约8之间。
第一软化盐水流230可具有痕量的砷酸盐和二氧化硅。因此，第一软化盐水流230被馈送至第一吸收器224。如上文所论述，氧化剂186将来自盐水流30的砷转化成在EDR馈料罐128中的砷酸盐。在约5的pH值下，砷酸盐离子化并且第一ED系统190从料流192中除去砷酸盐。因此，第一ED盐水流196可能含有砷酸盐和二氧化硅。第一吸收器224除去来自第一软化盐水流230的残留砷酸盐和二氧化硅。第一吸收器224包括多个离子交换床(诸如由Lanxess制造的Lewatit FO36)，其吸收来自第一软化盐水流230的砷酸盐和二氧化硅。以此方式，多床离子交换系统210产生第二软化盐水流236，所述第二软化盐水流可用于产生HCl72、100以及NaOH 70、150。第一吸收器224可用NaOH 150定期再生。NaOH 150与砷酸盐和二氧化硅反应以形成富含砷酸钠和硅酸钠的盐水240。可将盐水240馈送至砷回收罐242。在砷回收罐242中，可将盐水240用HCl 100中和并且用氯化铁(FeCl3)处理，由此产生砷酸铁、硅酸铁以及氢氧化铁沉淀。第一吸收剂床在约5与约6之间的pH值下操作以使砷除去最大化。第二吸收剂床可在约8与约9之间的pH值下操作(在添加NaOH流150的情况下)以使二氧化硅除去最大化。主要含有硅酸钠的由第二床的再生产生的盐水可任选被馈送至石膏除去系统140，以使二氧化硅与石膏一起以硅酸镁形式沉淀并且减小砷酸铁固体的体积。
第二软化盐水流236可被馈送至第二RO系统248(例如，海水反渗透系统)。第二RO系统248将第二软化盐水流236浓缩，由此产生第一氯化钠(NaCl)盐水流250。举例来说，第二软化盐水流236可具有约5wt％与约7wt％之间的NaCl。第二RO系统248可产生第一NaCl盐水流250(具有约8wt％NaCl)和补充水254。补充水254可用于系统10的各个工艺。举例来说，补充水254可用作系统10的冷却塔补充和日常供水(utility water)。
第一NaCl盐水流250可被引导至NaCl馈料罐，所述NaCl馈料罐将料流250泵送至第二ED系统256。第二ED系统256可包括具有第一EDBM 258和第二EDBM 260的电渗析双极性膜(EDBM)堆(例如，由GE Power and Water of Trevose，PA制造的Electromat电渗析和双极性电渗析)。EDBM 258、260各自具有盐水隔室264、酸隔室266以及烧碱隔室268。在操作期间，氢离子(H+)和氯离子(Cl-)在酸隔室266中累积。类似地，钠离子(Na+)和氢氧化物(OH-)在烧碱隔室268中累积。以此方式，隔室266、268分别产生HCl 100(具有约4wt％与约8wt％之间的HCl)和NaOH 150(具有约4wt％与约8wt％之间的NaOH)。如下文详细论述，HCl 100和NaOH 150可被馈送至联接至第二ED系统256的蒸发器部分276，以产生具有约15wt％与约35wt％之间的HCl的浓缩HCl(例如，浓缩工业级HCl 72)和具有约20wt％与约50wt％之间的NaOH的浓缩NaOH 150(例如，浓缩工业级NaOH 70)。此外，可使用HCl 100和NaOH 150的一部分来调节系统10内的各种料流和各种化合物的pH值。
来自EDBM 258、260各自的盐水隔室264的第三ED盐水流280(具有约3wt％与约5wt％之间的NaCl)可被馈送至第一NF系统104内的第三ED系统284。第三ED盐水流280可被馈送至第三ED系统284的浓缩区，由此增加第二ED盐水流216的NaCl浓度。举例来说，如上文所论述，第一NF系统104接收来自溢流罐156的第一溢出部分162。第一溢出部分162被馈送至第一NF系统104内的NF单元290。NF单元290从第一溢出部分162中除去残留钙、镁以及硫酸盐，由此产生料流158和第四NF浓缩流292(例如，NaCl盐水)。第四NF浓缩流292被馈送(例如，从馈料罐)至第三ED系统284。第三ED系统284从第四NF浓缩流292中除去NaCl并且产生具有约低于1wt％的NaCl的稀NaCl 294。稀NaCl 294可与HCl 100(例如，来自蒸发器部分276的具有约16wt％的HCl的吹洗HCl)混合以产生料流102。如上文所论述，可将盐水流30用HCl 100(例如经由料流102)处理，以在第二NF系统116的上游将碳酸氢盐转化成可溶性CO2180。在另一个实施方案中，使用第三RO替代第三ED系统284。料流292被馈送至第三RO，第三RO渗透物为稀NaCl流294，并且将第三RO浓缩物与料流280至混合以产生料流216。
第三ED系统284产生具有约4wt％与约6wt％之间的NaCl的NaCl盐水(例如，第二ED盐水流216)。然而，在某些实施方案中，通过将第三ED盐水流280馈送至第三ED系统284的浓缩物侧来避免第二ED盐水流216的再循环。第二ED盐水流216被馈送至ED盐水馈料罐212并且再循环穿过第二ED系统256，以促进在蒸发部分276中产生浓缩工业级HCl 72和浓缩工业级NaOH 70。
在所说明的实施方案中，蒸发器部分276包括HCl蒸发器300和NaOH蒸发器302。蒸发器300、302分别使HCl流100和NaOH流150浓缩，由此产生浓缩工业级HCl 72(约15wt％至约20wt％之间的HCl)和浓缩工业级NaOH 70(约30wt％与约50wt％之间的NaOH)。如应注意，可将浓缩工业级HCl 72和NaOH 70的一部分稀释以产生HCl 100和NaOH 150。在某些实施方案中，HCl蒸发器300为机械蒸气再压缩(MVR)蒸发器系统，而NaOH蒸发器302为真空蒸发器。
在其他实施方案中，HCl蒸发器300为蒸馏单元，而NaOH蒸发器302为三效反向流蒸发器。举例来说，图4为HCl和NaOH产生系统66的一个实施方案，所述HCl和NaOH产生系统使用蒸馏单元和降膜式蒸发器来浓缩HCl和NaOH，由此产生浓缩工业级HCl 72和浓缩工业级NaOH 70。在所说明的实施方案中，HCl 100和NaOH 150被馈送至预浓缩蒸发器308(例如，四效降膜式蒸发器)。预浓缩蒸发器308包括NaOH第一效310、NaOH第二效312、HCl第一效316以及HCl第二效318。NaOH 150依次被馈送至NaOH第二效312和NaOH第一效310。类似地，HCl100依次被馈送至HCl第二效318和HCl第一效316。蒸汽320被馈送至NaOH第一效310并且循环穿过效312、316以及318，以蒸发HCl 100和NaOH 150中的水的一部分，由此预浓缩NaOH和HCl。馈送至NaOH第一效310的蒸汽320可在约690千帕(kPa)(100磅/平方英寸(psi))与约1103kPa(160psi)之间并且具有约160℃(320°F)与约190℃(375°F)之间的温度。当蒸汽320流经效310、312、316、318时，蒸汽320的压力降至约413kPa(60psi)与约7kPa(1psi)之间，并且蒸汽320的温度降至约150℃(300°F)与约37℃(100°F)之间。来自HCl第二效318的蒸汽320被馈送至直接接触式冷凝器322，其使用冷却水流324来冷凝蒸汽320和少量HCl蒸气(在蒸汽320中低于约0.1体积％(vol％))，以产生含有冷凝的蒸汽和HCl的返回的冷却水流325。因此，预浓缩蒸发器308使NaOH 150的浓度从约7wt％NaOH增加至约15wt％NaOH，而HCl100的浓度则为从约7wt％HCl增加至约15wt％HCl。与蒸汽320的流动相比较，HCl 100和NaOH 150的反向流动降低NaOH粘度，降低HCl到冷却水中的损失(例如，来自最低浓度HCl效的蒸气(HCl第二效318)被引导至直接接触式冷凝器322)，并且可减少预浓缩蒸发器308的馈料分配器中的闪蒸。可使用真空泵(例如，液环真空泵)从直接接触式冷凝器322中除去不可冷凝的组分。在某些实施方案中，可使用来自预浓缩蒸发器的热冷凝物来预加热NaOH150。然后，可将冷凝物馈送至冷却器并且再循环以穿过HCl和NaOH产生系统66。
在预浓缩之后，NaOH第一效310将预浓缩NaOH流326馈送至NaOH蒸发器302，在NaOH蒸发器中NaOH被浓缩以产生具有约40wt％至约50wt％NaOH的浓缩NaOH流330和NaOH冷凝物332。如下文所论述，NaOH冷凝物332可在HCl和NaOH产生系统66中再循环(例如，被馈送至第二ED系统256)。类似于预浓缩蒸发器308，NaOH蒸发器302也可为反向流多效蒸发器。关于上文所论述的效310、312，NaOH蒸发器302可类似于预浓缩蒸发器308进行操作。浓缩NaOH流330可具有在料流326浓缩(蒸发)期间可能已经沉淀的固体NaCl。因此，NaOH蒸发器302可将浓缩NaOH流330馈送至离心机334。离心机334除去所沉淀的NaCl并且产生浓缩工业级NaOH70。可使用来自第二RO 248的第一NaCl盐水流250的一部分335将由离心机334除去的盐再溶解，由此除去所沉淀的NaCl并且产生离心机NaCl盐水流336。可将离心机NaCl盐水流336与料流250组合并且再循环穿过第二ED系统256。(参见图3)
HCl第一效316将预浓缩HCl流340馈送至HCl蒸发器300。HCl蒸发器300可为多塔蒸馏单元。举例来说，在所说明的实施方案中，HCl蒸发器300包括第一蒸馏塔342和第二蒸馏塔346。塔342、346可在不同压力下操作以促进在蒸馏期间与水形成共沸物的HCl(例如HCl浓度为约15wt％至约20wt％)的分离。举例来说，第一蒸馏塔342可为在约13kPa(2psi)与约27kPa(4psi)之间操作的真空塔，而第二蒸馏塔346可在约345kPa(50psi)与约485kPa(70psi)之间操作。可使用重沸器来蒸发塔342、346底部的水和HCl。第一蒸馏塔342产生HCl冷凝物348(约0.01wt％与约0.1wt％之间的HCl)和浓缩HCl流350(约20wt％与约30wt％之间的HCl)。如下文所论述，HCl冷凝物348可在HCl和NaOH产生系统66中再循环(例如，被馈送至第二ED系统256)。料流340中的不可冷凝的物质(例如，空气和氢氟酸(HF))可通过真空泵(例如，液环真空泵)来除去。补充水254和NaOH 150(例如约4wt％NaOH)可与不可冷凝的物质混合以产生氟化钠吹洗流354。如图3中所示，可将氟化钠吹洗流354引导至石膏除去系统140。吹洗流354中的NaF可与石膏除去系统140中的可溶性钙(例如，尚未沉淀的钙)反应以在石膏晶体上形成氟化钙(CaF2)，由此从盐水流30中除去氟化物。
浓缩HCl流350被馈送至第二蒸馏塔346以产生具有约35wt％HCl的HCl 72。此外，第二蒸馏塔346产生HCl吹洗物360(含有约5wt％与约15wt％之间的HCl)，其如箭头362所示被再循环至第一蒸馏塔342。将HCl吹洗物360的一部分364从再循环的料流362中除去以将HCl吹洗物360中的非挥发性盐(NaCl和NaHSO4)杂质吹洗出来，所述杂质可在第二蒸馏塔346中沉淀析出。部分364可被引导至第三ED系统284并且与稀NaCl 294组合(参见图2和3)。
回到图3，来自NaOH蒸发器302的NaOH冷凝物332被馈送至第二EDBM单元260的烧碱隔室268。类似地，HCl冷凝物348被馈送至第二EDBM单元260的酸隔室266。冷凝物332、348分别产生NaOH补充物368和HCl补充物370。NaOH补充物368和HCl补充物370如箭头374、378所示被馈送至第一EDBM单元268中其各自的隔室(例如，烧碱隔室268和酸隔室266)。以此方式，第一EDBM单元268产生HCl 100和NaOH 150。
本发明实施方案还包括废水处理系统，例如系统10，其使用软化器来从矿物质除去系统32上游的盐水流30中除去硬度化合物(例如钙和镁)。举例来说，图5为矿物质除去设备34的一个实施方案的框图，所述矿物质除去设备被配置成降低盐水流30的盐度。如先前所描述，矿物质除去系统32接收来自第一RO系统20的盐水流30。如可理解，盐水流30可能含有各种硬度元素和/或化合物。举例来说，盐水流30可含有各种盐和矿物质，诸如但不限于NaCl、SO4、Ca、Mg以及/或者SiO2。在某些实施方案中，盐水流30可含有约3.0g/L(3,000ppm)至约8.0g/L(8,000ppm)NaCl、约3.0g/L(3,000ppm)至约8.0g/L(8,000ppm)SO4、约0.1g/L(100ppm)至约0.4g/L(400ppm)Mg、约0.2g/L(200ppm)至约0.6g/L(600ppm)Ca以及/或者约0.05g/L(50ppm)至约0.2g/L(200ppm)SiO2。此外，在某些实施方案中，盐水流30可具有在约4与约8之间的pH值范围。举例来说，盐水流30可具有约6的pH值。
在所说明的实施方案中，盐水流30流经第二离子交换软化器386(例如，由Midland，Michigan的The Dow Chemical Company制造的AmberliteTM IRC747)，在其中大部分(例如，约大于99％)的硬度矿物质被除去。举例来说，第二离子交换软化器386从盐水流30中除去二价阳离子(例如，Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Sr2+以及Ba2+)，由此降低盐水流30的硬度。在操作中，第二离子交换软化器386内的树脂吸收盐水流30的二价离子以产生第三软化盐水流388。第三软化盐水流388可具有约小于0.015g/L(15ppm)的Ca、Mg、Sr以及Ba。盐水流30中的铁(Fe)和锰(Mn)保持在还原二价态(例如，Fe(II)和Mn(II))，使得它们可作为溶解的物质被除去，而不存在软化器树脂结垢。盐水流30还可含有碳酸氢盐(HCO3)。如下文所论述，第二离子交换软化器386可将碳酸氢盐转化成CO2 180。CO2 180可在第三离子交换软化器388下游的空气吹提器178中被除去，由此产生脱气软化盐水流390。在某些实施方案中，在空气吹提器178中使用多个层级以使实现低CO2残留(例如，小于约2ppm CO2)。低CO2残留可抑制当第三软化盐水流388的pH值增加时在各个下游盐水处理步骤期间再形成碳酸盐和发生结垢。如下文详细论述，脱气软化盐水流390经过脱盐以产生脱盐水28。
在脱气之前，可将第三软化盐水388用热交换器96加热至约32℃(90°F)与约50℃(122°F)之间。热交换器96可使用来自HCl和NaOH产生系统66内的烧碱蒸发器的真空蒸气来加热第三软化盐水388。在某些实施方案中，可使第三软化盐水388在空气吹提器178的上游和热交换器96的下游与HCl 100(例如，约6wt％与约8wt％之间的HCl)混合。HCl 100可使第三软化盐水388的pH值降至小于约4，由此将任何残留碳酸氢盐转化成CO2。如应注意到，HCl100可由HCl和NaOH产生系统66产生。
在软化盐水流30期间，第二离子交换软化器386可变得用二价离子(例如，硬度矿物质)饱和。因此，可将第二离子交换软化器386用HCl 100处理以从软化器树脂除去已吸收的二价离子，由此使软化器树脂再生。用HCl 100处理第二离子交换软化器386产生软化器氯化物盐水流392，其包括硬度和二价离子(例如，Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Sr2+、Ba2+以及SO4 2-)以及氯化钠(NaCl)。如下文详细论述，软化器氯化物盐水流392被馈送至矿物质除去系统32以便除去矿物质。除添加HCl 100之外，还可将第二离子交换软化器386用NaOH 150(例如，约0.1wt％与约4wt％之间)处理。NaOH 150可在用HCl 100使软化器树脂再生(例如，除去硬度二价物质)之后中和第二离子交换软化器386的至少一部分。举例来说，NaOH 150通过将软化器树脂的一部分从酸形式(H+)393转化成钠形式(Na+)394来中和树脂。因此，在某些实施方案中，软化器树脂可呈分别为393、394的酸形式和钠(例如，中性)形式两者。钠形式394可经由Na与二价元素(例如，Ca和Mg)之间的离子交换从盐水流30中除去硬度和二价离子物质，而酸形式393可将盐水流30中的碳酸氢盐转化成CO2 180。因此，在第二离子交换软化器386下游可能不需要添加额外的HCl 100来除去碳酸氢盐。
NaOH 150的浓度可至少部分基于盐水流30中的碳酸氢盐的量进行调节。举例来说，如果盐水流30中碳酸氢盐的浓度高(例如，大于约200mg/L(200ppm))，那么可降低NaOH150的浓度使得较少的软化器树脂被中和。换句话说，通过向第二离子交换软化器386中添加较不浓的NaOH 150，树脂中较少的酸形式393可被中和成钠形式394。因此，在具有高浓度的碳酸氢盐的盐水流中在软化器树脂中更多的酸可用于将碳酸氢盐转化成CO2。类似地，如果碳酸氢盐浓度低(例如，小于约50mg/L(50ppm))，那么可使用更高浓度的NaOH 150(例如，约4wt％与5wt％之间)或更高流速来中和更大部分的软化器树脂。由第二离子交换软化器386的中和而产生的流出物基本上为脱盐水。举例来说，NaOH 150中的钠离子被软化器树脂吸收，而NaOH 150中的氢氧化物离子(OH-)与软化器树脂中的酸(H+)反应以产生脱盐水流出物(例如，一个或多个脱盐水流36)。脱盐水流出物可与脱盐水流28组合。
如上文所论述，脱气软化盐水流390经过脱盐以产生脱盐水28。虽然硬度和二价生垢化合物/元素被除去，但脱气软化盐水流390可能仍含有杂质和其他生垢化合物，诸如二氧化硅(SiO2)和硫酸钠(Na2SO4)。与图2中的实施方案相比之下，此特定实施方案中的第二NF系统116在空气吹提器178的下游。因此，使脱气软化盐水流390到达第二NF系统116，其从脱气软化盐水流390中除去一种或多种其他生垢物质(例如，SO4)。可在第一NF单元120的上游使脱气软化盐水流390与阻垢剂108混合。阻垢剂108可缓解在脱气软化盐水流390中二氧化硅的沉淀。阻垢剂108的非限制性实例包括膦酸酯，诸如1-羟基亚乙基1，1-二磷酸(HEDP)或其他专有的二氧化硅阻垢剂配制品Vitec 4000(Avista Technologies Inc)、GenesysSI(Genesys International Ltd)。另外，在某些实施方案中，可将NaOH 150添加至脱气软化盐水流390中。NaOH 150将脱气软化盐水流390的pH值调节至约4以上。举例来说，NaOH150可使脱气软化盐水390的pH值增加至约4与约7之间。pH值增加可引起脱气软化盐水390内的某些化合物的沉淀。因此，可在将脱气软化盐水390馈送至第二NF系统116之前将其过滤。举例来说，可通过第一过滤器110过滤脱气软化盐水390。第一过滤器110可除去在脱气软化盐水390的pH值调节期间所形成的沉淀固体(例如，氢氧化铁)。在某些实施方案中，第一过滤器110可为2-8微米滤筒。然而，可使用任何其他适合的过滤器尺寸来除去固体。
第二NF系统116可包括2至4级反渗透和纳米过滤膜，如上文所论述，其从脱气软化盐水流390中除去硫酸盐。因此，第二NF系统116可产生具有低于约20％的硫酸盐的第一软化NF渗透流396。如下文详细论述，可使第一软化NF非渗透流398到达矿物质除去系统32。第一软化NF渗透流396可包括约80％或更多的二氧化硅和氯化物以及残留硫酸盐。因此，使第一软化NF渗透流396到达第一ED系统190以便除去氯化物和残留硫酸盐，由此产生脱盐水28。脱盐水28包括大部分的来自盐水流30的二氧化硅(例如，大于约80％)。
除具有氯化物和残留硫酸盐之外，第一软化NF渗透流396还可以包括砷(As)。举例来说，如上文所论述，盐水流30可因矿物质除去系统32上游的含盐地下水处理而具有溶解的砷。NF单元116不除去溶解的砷。因此，为满足饮用水标准，可将第一软化NF渗透流396用氧化剂186(例如次氯酸钠或其他适合的氧化剂)加以处理。在某些实施方案中，可在第一NF系统116上游将氧化剂186添加至脱气软化盐水流390中。氧化剂186氧化砷并且产生砷酸盐(H2AsO4 -)。视软化NF渗透流396的pH值而定，可用HCl 100或NaOH 150调节pH值，使得第一软化NF渗透流396具有约5的pH值。在pH值5下，砷酸盐呈离子形式(例如，AsO4 3-)。因此，可通过第一ED系统190除去呈离子形式的砷酸盐。可使第一ED盐水流196经由HCl和NaOH产生系统66到达矿物质除去系统32(例如，作为补充水流)，在所述HCl和NaOH产生系统中其被分离成HCl产物流72、NaOH产物流70、吹洗硫酸钠氯化钠流399以及脱盐水流400和401。料流400使第一ED盐水流196中的NaCl和SO4的浓度降低。通过在料流30被馈送至NF系统116中之前除去盐水流30中的硬度和二价化合物/元素，ED系统190可利用非选择性膜来产生脱盐水流36。非选择性膜通常与离子选择性膜(例如，单价选择性膜)相比具有较低的成本。因此，与在整个系统中采用离子选择性膜并且不具有软化器(例如第一离子交换软化器386)的系统相比，可降低系统10的总操作和维护成本。
如上文所论述，矿物质除去系统32接收软化器盐水流392、第一软化NF非渗透流398、吹洗硫酸钠氯化钠蒸汽399以及脱盐水流401。矿物质除去系统32从相应料流392、398以及401中除去矿物质(例如，硬度和二价化合物/元素、氯盐以及硫酸盐)，由此产生石膏46、镁54以及其他化合物(例如，盐50、溴58以及草碱62)。举例来说，在所说明的实施方案中，料流392被引导至氢氧化镁除去系统168。在操作期间，氢氧化镁除去系统168被配置成以氢氧化镁54的形式回收Mg。可在氢氧化镁除去系统168的上游将料流392用烧碱(例如，所述NaOH 150)和氧化剂186处理。氧化剂186将铁物质Fe2+氧化至Fe3+。NaOH 150将料流392的pH值调节至约5与约7之间，这使得氢氧化铁(Fe(OH)3)能够形成和沉淀析出。可通过经第三过滤器404过滤料流392来除去氢氧化铁。
在某些实施方案中，可将过滤后的料流392用额外的烧碱处理以使pH值增至约8与约10之间，由此沉淀锰并且产生工业级锰。在其他实施方案中，可通过在过滤之前，更确切地说在第三过滤器404中过滤之前将料流392的pH值调节至约8与约10之间而在单一步骤中沉淀锰和铁。而不是以两步工艺进行，例如首先将pH值调节至约5与约7之间以沉淀析出氢氧化铁，然后在第三过滤器404中过滤料流392，随后在第三过滤器404中过滤料流392之后将pH值调节至约8与约10之间。
第三过滤器404可通过添加HCl 100(例如，约5wt％与约20wt％之间的HCl)而定期再生。HCl 100溶解铁和锰，由此使第三过滤器404再生。含有溶解的铁，并且在某些实施方案中含有锰的酸化过滤器流出物406可被馈送至石膏除去系统140。可在石膏除去系统140中使用酸化过滤器流出物406作为凝结剂或可被浓缩并且作为商业凝结剂出售。使过滤后的盐水流408到达氢氧化镁除去系统168。当在氢氧化镁除去系统168中时，将过滤后的盐水流408用石灰40或来自HCl和NaOH产生系统66的约7wt％与12wt％之间的烧碱(例如，NaOH150)加以处理。举例来说，当在过滤后的盐水流408中Ca/SO4摩尔比小于约1时，可将过滤后的盐水流408用石灰40处理。换句话说，当在过滤后的盐水流408中SO4的浓度超过Ca的浓度时。相比之下，当过滤后的盐水流408中Ca/SO4摩尔比大于约1时，可将过滤后的盐水流408用NaOH 150处理。石灰40和NaOH 150使Mg(OH)2 54能够沉淀析出，由此从盐水流30回收Mg(OH)2 54(约50wt％至约70wt％之间的Mg(OH)2)。回收的Mg(OH)2 54可作为工业级产品出售。
在氢氧化镁除去系统168中回收镁之后，将盐水流出物流412引导至石膏除去系统140。石膏除去系统140从盐水流出物流412回收Ca和SO4以产生石膏46。在Ca/SO4比率大于1的实施方案中，可将盐水流出物流412用HCl 100(约6wt％与约8wt％之间的HCl)处理以将盐水流出物流412的pH值调节至约7与约8之间。pH值调节后的盐水流出物流412的至少一部分被馈送至第四ED系统414。第四ED单元414可提取盐水流出物流412中的一部分钙，由此产生具有约15wt％与约35wt％之间的CaCl2的氯化钙(CaCl2)盐水234。可使CaCl2盐水234变得可用作商业产品。含有剩余氯化钙、硫酸钠以及氯化钠的ED稀料流418被馈送至石膏除去系统140以便除去Ca和SO4以产生石膏46。
石膏除去系统140可包括混合器142、沉降器146以及第二过滤器148，从而促进从盐水流(例如，ED渗透流418)中除去石膏46。在某些实施方案中，如上文所论述，在石膏除去系统140的上游，可将料流418用氧化剂186处理，以将任何残余砷转化成砷酸盐。料流418中的Ca和SO4在石膏除去系统140中反应以沉淀石膏46。在某些实施方案中，约50％至约70％的SO4从料流418中除去。在中性pH值(例如约6至约8的pH值)下操作的混合器142(例如，湍流混合器)中存在石膏46晶种可促进石膏46沉淀动力学，由此实现快速石膏沉淀。石膏54粒子可形成悬浮液并且，因此可与水更好地混合。因此，当在混合器142中时，可将料流418用酸化过滤器流出物406处理以使石膏46粒子凝结(结块)，并且促进石膏粒子与水分离。举例来说，如上文所论述，酸化过滤器流出物406包括氢氧化铁，其可用作凝结剂。
除石膏沉淀之外，不溶性氟化钙(CaF2)也在混合器142中沉淀析出，由此从料流418中除去大部分的氟化物；由此使下游ED系统中的氟化物结垢减少。在沉降器146中，石膏晶体沉降并且将饱和的几乎不含固体的溶液倾析掉。将少量的软化盐水419再循环至沉降器溢出物中，以增加石膏溶解度并且冲淡盐水流，由此使下游单元中的结垢减少。可使沉降器残渣到达水力旋流器和第二过滤器148，以洗涤(例如，用脱盐产物水)石膏46并且使其浓缩成可出售的经过洗涤的滤饼。在某些实施方案中，滤饼可包括约70wt％至约100wt％的石膏46。举例来说，滤饼可包括约90wt％的石膏46。因此，石膏46是作为石膏除去系统160的输出物160而提供。来自水力旋流器的微细固体溢出流再循环至混合器142作为晶种。来自第二过滤器148的滤液被再循环至沉降器142。在某些实施方案中，将沉降器146的流出物用硫酸氢钠(NaHSO4)处理以除去任何残余氧化剂186。举例来说，可使NaHSO4与次氯酸钠反应以产生SO4和氯化物。
石膏除去系统140可以石膏46形式除去约60％至约75％的来源于料流418的钙，并且产生第二NaCl盐水流420。第二NaCl盐水流420还包括在用NaHSO4处理来自第二过滤器148的滤液和来自沉降器146的流出物期间产生的SO4和氯化物。第二NaCl盐水流420还可以包括在除去系统140、168中未除去的残余的镁和钙。举例来说，第二NaCl盐水流420可含有小于约5-9g/L的石膏54和小于约0.4g/L的氯化镁。因此，盐水流420在到达矿物质除去系统32内的阻垢剂回收ED系统428之前被馈送至第三离子交换软化器424。类似于软化器220、386，第三离子交换软化器424从盐水流420中除去残余的镁和钙，由此产生第四软化盐水流430。以此方式，可将通常用于电渗析系统中的离子选择性电渗析膜用更高成本效率的非选择性ED膜代替。将第三离子交换软化器424用HCl 100和NaOH 150处理，并且产生氯化物盐水流432(例如，CaCl2、MgCl2)，并且将其与第三过滤器404下游的料流408组合以促进钙和镁的回收。
第四软化盐水流430以及HCl和NaOH产生系统66的硫酸钠和氯化钠吹洗流399被引导至第三NF系统436。第三NF系统436使硫酸盐能够从第四软化盐水流430中除去，并且产生具有大于约40g/L的NaCl的第二软化NF渗透流438和第二软化NF非渗透流440。第二软化NF非渗透流440可包括约50g/L与70g/L之间的总溶解固体，其包括Ca和SO4。因此，第二软化NF非渗透流440被引导至石膏除去系统140以按石膏46形式回收Ca和SO4。在某些实施方案中，可在第三NF系统436的上游将第四软化盐水流430与第一软化NF非渗透流398组合。在馈送至第三NF系统436之前，可将料流398、430用HCl 100(约5％wt％与约8wt％之间的HCl)中和并且用第四过滤器442(类似于过滤器110、404)过滤。第四过滤器442可大体上阻止石膏垢传送至第三NF系统436。在某些实施方案中，可将第四软化盐水流430的一部分再循环至石膏沉降器146。再循环的盐水可冲淡沉降器146的流出物并且使石膏回收系统140中的石膏结垢减少。
除具有高浓度的NaCl之外，第四软化器流出物流430还包括阻垢剂108。可能需要回收和再循环在整个系统10中所用的阻垢剂108。回收和再循环阻垢剂108可通过降低与购买阻垢剂108相关的成本来降低系统10的总操作成本。因此，使第四软化器流出物流430的一部分446、第二软化NF渗透流438以及脱盐水流401到达阻垢剂回收ED系统428以便回收阻垢剂108。在所说明的实施方案中，阻垢剂回收ED系统428包括第一级ED单元448、第二级ED单元450以及第三级ED单元452。然而，如应了解，阻垢剂回收ED系统428可包括更多或更少个层级。举例来说，阻垢剂回收ED系统428可包括一个、两个、三个、四个、五个或更多个ED层级。ED单元448、450以及452可使用阳离子和阴离子选择性膜或非选择性膜来从第二软化NF渗透流438中除去残余的砷酸盐、钙以及镁。举例来说，第二软化NF渗透流438被馈送至浓缩物侧，而软化器流出物流430的部分401被馈送至第一级ED单元448的稀液侧，并且第一级ED单元448将氯化钠(NaCl)和残余的砷酸盐从软化器流出物流430的部分401萃取至第二软化NF渗透流438中。第一级ED单元448可在约4至约7的pH值下操作。更高的pH值使砷能够电离以产生砷酸盐，由此促进从第二软化NF渗透流438中除去砷。在第一级ED单元448的操作pH值下，第二软化NF渗透流438中的二氧化硅为非离子的。因此，第一级ED单元448可能不除去二氧化硅。因此，第一级ED浓缩流456可包括约小于100ppm的二氧化硅。
具有阻垢剂108的第一级ED稀料流458被馈送至第二级ED单元450。如下文参考图6详细论述，第一级ED浓缩流456被引导至HCl和NaOH产生系统66并且用于产生HCl和NaOH(例如，HCl 72、100以及NaOH 70、150)。在某些实施方案中，可通过添加HCl 100(约6wt％与约8wt％之间的HCl)来调节第一级ED稀料流458的pH值。举例来说，第一级ED稀料流458的pH值可降至小于约3。以此方式，可将在第二软化器192上游添加的氯化铁(Fe(III)Cl3)从阻垢剂108中释放，并且可在第三级ED单元452中回收阻垢剂108。
第一级ED稀料流458包括氯化物盐，诸如但不限于氯化钙、氯化镁、氯化铁等。第二级ED单元450(例如，混合的氯化物萃取ED)使用阴离子单价选择性渗透膜从第一级ED稀料流458萃取大部分(例如，约65％至80％)的氯化镁、氯化钙以及氯化钠，以产生第二级ED稀料流460和第二级ED浓缩流462。料流462可为浓的氯化镁、氯化钙以及氯化钠盐水(例如，约3至25wt％)。第二级ED浓缩流462可与软化器盐水流392组合并且循环回去穿过除去系统140、168。因为第二级ED浓缩流462可具有增加浓度的钙和镁，所以可如箭头400所示将来自HCl和NaOH产生系统66的补充水馈送至第二级ED单元450，以稀释第二级ED浓缩流462并且缓解系统140、168中的结垢。
第三级ED单元452接收第二级ED浓缩流460并且使用非选择性膜来从第二级浓缩流460中除去残余的Na2SO4并且回收阻垢剂108。类似于第二级ED单元450，第三级ED单元452也可以接收来自HCl和NaOH产生系统66的补充水400以稀释从第三级ED单元452输出的硫酸钠盐水468。第三级ED单元452将硫酸钠盐水468引导至石膏除去系统140。第三ED单元452还产生再生的阻垢剂流454。再生的阻垢剂流454可被引导至系统10的各种料流和/或组件，使得阻垢剂108可被系统10(例如，在NF系统116、436中)再使用。在某些实施方案中，再生的阻垢剂108可被提供作为工业级商业产品。
图6为HCl和NaOH产生系统66的一个实施方案，其可被矿物质除去设备34用来产生HCl和NaOH(例如，HCl 72、100以及NaOH 70、150)。如上文所论述，HCl和NaOH产生系统66接收来自ED系统190、468的料流196、456。HCl和NaOH产生系统66包括接收第一ED盐水流196的第一吸收器224。如上文所论述，第一ED盐水流196可包括砷。第一吸收剂224可从第一ED盐水流146中除去砷。在将第一ED盐水流196馈送至第一吸收器224之前，可将料流196用硫酸氢钠(NaHSO3)处理。硫酸氢钠与用于在第二NF系统116上游氧化砷的残余氧化剂186反应。举例来说，硫酸氢钠与残余氧化剂186(例如，次氯酸钠)反应产生非氧化性氯化物和硫酸盐物质，由此阻止下游离子交换树脂和膜被残余氧化剂186氧化。第一吸收器224可使用一次性单次使用吸收剂(例如，对于低砷含量盐水)或可再生吸收剂(例如，对于高砷含量盐水)。在第一吸收器224使用可再生的吸收剂的实施方案中，吸收剂可用NaOH 150和NaCl盐水(例如，来自第一级ED浓缩物456)定期再生。可将第一富砷流472与氯化铁溶液(FeCl3)混合以产生砷酸铁。可使用第五过滤器476从第一富砷盐水流472中除去砷酸铁，由此产生过滤后的贫砷流478。过滤后的贫砷流478为大于约98％NaCl。使过滤后的贫砷流478循环回去穿过第一吸收器224，此举从可再生的吸收剂除去另外的砷。
第一吸收器浓缩盐水流480被馈送至第四NF系统482，其从第一吸收器浓缩盐水流480中除去大于约90％的残余硫酸盐、大于约75％的残余钙和镁以及小于约25％的氯化物。第四NF系统482可包括至少2个NF层级。第三NF渗透流484被馈送至第二RO系统248，而第三NF非渗透流486被引导至矿物质除去系统32。第三NF非渗透流486包括来自第一ED盐水流196的残余硫酸盐、钙、镁以及氯化物，其在矿物质除去系统32中作为石膏46和Mg(OH)2 54而被回收。在某些实施方案中，第三NF非渗透流486在第三NF系统436的上游与第四软化盐水流430混合。在其他实施方案中，第三NF非渗透486被馈送至阻垢剂回收ED系统428。
第三NF渗透流484具有低硫酸盐含量(例如，约0.1-0.5g/L(100-500ppm))和超过约3％的氯化物(例如，约40g/L(40,000ppm)至60g/L(60,000ppm)的NaCl)。因此，可使用第三NF渗透流484来产生HCl 72、100以及NaOH 70、150。举例来说，第二RO系统248将第三NF渗透流484分离成第一NaCl盐水流250(例如，具有约75g/L与约115g/L之间的NaCl)和补充水254(例如，具有小于约1g/L(100ppm)的NaCl的低盐度RO渗透流)。第一NaCl盐水流250中的NaCl为具有高于约99wt％的NaCl的高纯度NaCl。因此，根据国家卫生基金会(NationalSanitation Foundation，NSF)标准60(NSF 60)，可使用第一NaCl盐水流250来产生符合NSF60的烧碱(例如，NaOH 70、150)和HCl(例如HCl 72、100)。因为系统10被配置成在操作期间产生符合NSF 60的NaOH和HCl，所以可降低与购买符合NSF 60的NaOH和HCl相关的成本。
补充水254(例如，补充水399、400)可用于系统10内的若干工艺中。举例来说，在一个实施方案中，补充水254可如箭头400所示被馈送至阻垢剂回收ED系统428(例如，第二和第三级ED单元450和452)。在某些实施方案中，补充水254可如箭头399所示被馈送至第一ED系统190。此外，补充水254可被馈送至ED系统190和428。补充水254还可用作冷却塔补充物和其他非饮用水用途(例如，洗涤水、灌溉等)。
HCl和NaOH产生系统66还包括第一和第二EDBM单元258、260以及第三EDBM单元490(例如，由GE Power and Water of Trevose，PA制造的Electromat电渗析和双极性电渗析)，其如上文参考图3所论述使得能够产生HCl 72、100以及NaOH 70、150。EDBM单元258、260以及490可为包括盐水部分264、酸部分266以及烧碱部分268的三种细胞膜。在所说明的实施方案中，EDBM单元258接收来自第二RO系统248的第一NaCl盐水流250。除接收第一NaCl盐水流250之外，EDBM单元258还接收来自EDBM单元490(例如，补充EDBM)的补充HCl 370(具有约0.5wt％至约4wt％的HCl)和补充NaOH 368(具有约0.5wt％至约4wt％的NaOH)以促进产生HCl 100和NaOH 150。在EDBM单元258(例如，输出EDBM)内，从第一NaCl盐水流250萃取氯化物以产生第一HCl流492(例如，约4wt％至约7wt％的HCl)和第一NaOH流494(例如，约5wt％至12wt％的NaOH)。HCl流492被馈送至HCl蒸发器300，而NaOH流494被馈送至NaOH蒸发器302(例如，真空蒸发器)。可将第二ED盐水流280与第一浓缩物盐水流480组合以缓解残余硫酸盐的累积。
蒸发器300、302分别使HCl流492和NaOH流494浓缩，由此产生浓缩工业级HCl 72(约15wt％至约20wt％之间的HCl)和浓缩工业级NaOH 70(约30wt％与约50wt％之间的NaOH)。如应注意到的，HCl流492和NaOH流494的至少一部分分别可用于向系统10的各种料流和组件中提供HCl 100和NaOH 150。在某些实施方案中，HCl蒸发器300为机械蒸气再压缩(MVR)蒸发器系统。MVR蒸发器系统包括冷凝器和压缩机。在HCl流492浓缩期间，HCl蒸发器300产生水蒸气。水蒸气和HCl可形成共沸物，导致在水蒸气中存在HCl。因此，来自第二RO系统248的补充水254的一部分可如箭头496所示被馈送至HCl蒸发器300。补充水496的部分可用作用于从水蒸气中除去HCl的洗气水。从水蒸气中除去HCl可缓解不希望的HCl对蒸发器300的其他组件(例如压缩机)的影响。在某些实施方案中，可使用过的洗气水498(具有约小于1wt％的HCl)到达EDBM 260的酸部分266并且用作用于产生第二HCl流500的补充酸。第二HCl流500可被馈送至EDBM 490的酸隔室266，由此促进产生向EDBM 258提供的补充HCl370。在其他实施方案中，用过的洗气水498可形成HCl 100的一部分。
类似于蒸发器300，NaOH蒸发器302(例如，真空蒸发器)在NaOH流494浓缩期间产生水蒸气流502。水蒸气流502可被馈送至热交换器96以加热吹提器178上游的第三软化盐水流388。在热交换器96中转移热量之后，冷凝的水蒸气可被馈送至EDBM 258作为补充水。
如上文所论述，使第一级ED浓缩流456到达HCl和NaOH产生系统66以促进产生HCl72、100以及NaOH 70、150。第一级ED浓缩流456可具有大量的NaCl(例如约30g/L(30,000ppm)与约60g/L(60,000ppm)之间的NaCl)，其可由EDBM单元258、260以及490用于产生HCl和NaOH。因此，第一级ED浓缩流456可被馈送至EDBM单元490。EDBM单元490可使用第一级ED浓缩流456以产生被馈送至EDBM单元258的HCl补充物370和NaOH补充物368。然而，在将第一级ED浓缩流456馈送至EDBM单元490之前，可将第一级ED浓缩流456用氧化剂186处理以使砷酸盐离子化并且实现第二吸收器506中的砷酸盐的除去。第二吸收器506类似于上文所论述的第一吸收器224进行操作。第二吸收器506可在约5与约6之间的pH值下进行操作。第二吸收器506中的pH值与约1分钟与约5分钟之间的滞留时间组合可使料流456中的二氧化硅(约0.01g/L(100ppm)二氧化硅)的共吸收降至最低。在某些实施方案中，可将料流456用硫酸氢钠(NaHSO4)处理以在除去第二吸收器506中的砷之前除去残余氧化剂186。第二富砷流508与第一富砷流472组合并且如上文所论述被馈送至第五过滤器476以产生贫砷流478。第三NaCl盐水流510被馈送至EDBM单元490，由此分别产生HCl和NaOH补充流368和370，以及第二EDBM盐水流512。EDBM单元490的部分266、268还接收来自EDBM单元260的第二HCl流500和补充水254(如箭头514所示)以及来自NaOH蒸发器302的烧碱冷凝物。
第二EDBM盐水流512(具有约15g/L与约50g/L之间的NaCl)被馈送至EDBM单元260(例如，内部NaOH消耗EDBM)。另外，EDBM单元260的酸部分266接收来自HCl蒸发器300的用过的洗气水498以使得能够产生第三HCl流500。在EDBM单元260的烧碱部分268中馈入在EDBM260的盐水隔室264中产生的第三EDBM盐水流520。第三EDBM盐水流520可具有小于约5g/L(5,000ppm)的NaCl，并且使得能够产生用于使软化器386、424再生并且用于调节系统10内的各种料流的pH值的NaOH 150。
本发明的实施方案还包括一种在第二NF单元116和矿物质除去系统32的上游使用软化器386从盐水流30中除去硬度和二价元素/化合物的方法。HCl和NaOH产生系统66可馈送HCl和NaOH以使软化器386再生并且使得能够回收硬度和二价元素/化合物。以此方式，可部分归因于在ED系统190、428中使用较不昂贵的非选择性(与成本更高的离子选择膜相比)；阻垢剂108的回收；以及符合NSF 60的HCl和NaOH(例如，HCl 72、100以及NaOH 70、150)的产生而降低系统10的操作成本。图7为方法530的流程图，根据该方法废水处理系统(例如，上文所描述的废水处理系统10)可从盐水流(例如，盐水流30)中除去硬度和二价元素、回收阻垢剂(例如，阻垢剂108)并且产生HCl和NaOH(例如，HCl 72、100以及NaOH 72、150)。在某些实施方案中，如上文参考图5所描述，第一RO系统20为第二离子交换软化器386供应盐水流30以产生第三软化盐水流388和软化器盐水流392(方框532)。第二离子交换软化器386从盐水流30中除去Ca、Mg、Fe、Mn、Sr、Ba以及其他硬度化合物。此外，第二离子交换软化器386将碳酸氢盐转化成CO2。因此，可使系统10中所用的HCl 100的量减少。举例来说，一般来说，将盐水流30用HCl处理以将碳酸氢盐转化成CO2。然而，因为第二离子交换软化器386被配置成将碳酸氢盐转化成CO2，可能不需要用HCl处理盐水流30，由此降低HCl用量。
方法530还包括用阻垢剂108处理第三软化盐水流388(方框534)，并且将第三软化盐水流388引导至第二NF系统116和第一ED系统190，以产生脱盐水28和第一ED盐水流196(方框538)。在某些实施方案中，第三软化盐水流388包括二氧化硅(SiO2)，其可在第二NF系统116中在第三软化盐水流388脱盐期间引起结垢。因此，可将第三软化盐水流388用阻垢剂108处理以缓解结垢。第二NF系统116从第三软化盐水流388中除去硫酸盐(SO4)，并且第一ED系统190从第三软化盐水流388中除去大于95％的NaCl，由此产生脱盐水28和第一ED盐水流196(NaCl盐水)。因为在第二离子交换软化器386中大多数的硬度和二价化合物(例如，大于98％)被除去，所以第一ED系统190可使用较不昂贵的非选择性膜来使水(例如，来自盐水流30)脱盐。
方法530进一步包括将软化器盐水流392馈送至矿物质除去系统32并且回收硬度和二价元素/化合物(方框542)。举例来说，软化器盐水流392被馈送至氢氧化镁除去系统168以从软化器盐水流392中回收镁，由此产生氢氧化镁54。来自氢氧化镁除去系统168的溢出物被馈送至石膏回收系统140以回收钙和硫酸盐，由此产生石膏46。氢氧化镁54和石膏46可作为工业级产品出售。
方法530还将第一软化NF非渗透流398供应至矿物质除去系统32并且回收阻垢剂108以产生NaCl盐水(例如，第一级ED浓缩流456)(方框546)。回收的阻垢剂108可在整个系统10中再循环，由此降低与购买阻垢剂108相关的成本。在某些实施方案中，阻垢剂108可作为工业级阻垢剂出售。
方法530还包括将来自第一ED系统190和阻垢剂回收ED系统428的NaCl盐水流(例如，第一ED盐水流196和第一级ED浓缩流456)供应至HCl和NaOH产生系统66，以产生HCl和NaOH(例如，HCl 72、100以及NaOH 70、150)(方框548)。举例来说，如上文参考图6所论述，HCl和NaOH产生系统66包括系统482、248以及EDBM单元258、260、490，其促进产生HCl、72、100以及NaOH 70、150。由HCl和NaOH产生系统66产生的HCl 72、100以及NaOH 70、150的品质符合NSF 60。产生的HCl和NaOH可在整个系统10中再循环(例如，HCl 100和NaOH 150)和/或可作为高纯度浓缩工业级HCl 72和NaOH 70出售。因为系统10可使用由HCl和NaOH产生系统66产生的HCl 100和NaOH 150，所以可降低与购买符合国家卫生基金会(NSF)标准60的HCl和NaOH相关的成本。
方法530进一步包括将HCl 100和NaOH 150引导至软化器386、424，以产生浓缩氯化物盐水流110并且使软化器386、424再生(方框550)。以此方式，系统10可继续除去硬度和二价化合物并且回收硬度和二价化合物作为工业级产品。
如上文所描述，水处理系统10的某些实施方案在纳米过滤和电渗析系统的上游使用离子交换软化器(例如软化器386、424)来产生软化盐水流(例如，料流388、486)。以此方式，可在纳米过滤和电渗析之前从盐水流中除去硬度和二价离子，并且使得能够在电渗析系统(例如，ED系统190、428)中使用较低成本的非选择性膜。此外，离子交换软化器可将盐水流(例如，盐水流30)中的碳酸氢盐转化成CO2，由此降低系统10所用的HCl的量(例如，在处理盐水流30以将碳酸氢盐转化成CO2 180时)。另外，水处理系统10可回收阻垢剂(例如，阻垢剂108)并且将其再循环并且产生符合NSF的HCl和NaOH。因此，可降低与购买阻垢剂、HCl以及NaOH相关的成本。因此，也可以降低系统10的总操作费用。
虽然本文仅已说明和描述了本公开的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应了解，随附权利要求书旨在覆盖属于本公开的真正精神范围内的所有此类修改和变化。

Claims (39)

1.一种方法，所述方法包括：
用阻垢剂处理包括多种矿物质的第一盐水流以产生经过处理的盐水，其中所述第一盐水流由废水处理系统提供；
将所述经过处理的盐水引导至设置在所述废水处理系统下游并且与所述废水处理系统流体联接的第一纳米过滤(NF)系统；
在所述第一NF系统中由所述经过处理的盐水产生第一NF渗透流和第一NF非渗透流；
将所述第一NF非渗透流引导至设置在所述第一NF系统下游并且与所述第一NF系统流体联接的矿物质除去系统；
从所述第一NF非渗透流中除去所述多种矿物质，以在所述矿物质除去系统中产生第一溢出流；其中所述第一溢出流包括所述多种矿物质的至少一部分；
使所述第一溢出流的第一部分到达设置在所述矿物质除去系统下游并且与所述矿物质除去系统流体联接的盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统，其中所述HCl和NaOH产生系统包括第二NF系统，所述第二NF系统被配置成接收所述第一溢出流的所述第一部分并且由所述第一溢出流的所述第一部分产生第二盐水流；
将所述第二盐水流引导至设置在所述HCl和NaOH产生系统内并且与所述第二NF系统流体联接的第一电渗析(ED)系统，其中所述第一ED系统被配置成由所述第二盐水流产生HCl和NaOH；以及
将所述第一NF渗透流引导至设置在所述HCl和NaOH产生系统上游并且与所述HCl和NaOH产生系统流体联接的第二ED系统，其中所述第二ED系统被配置成由所述第一NF渗透流产生第三盐水流并且将所述第三盐水流输出至所述HCl和NaOH产生系统。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法包括在所述HCl和NaOH产生系统内将所述第三盐水流与所述第二盐水流组合。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法包括将所述第一溢出流的第二部分引导至氢氧化镁除去系统，所述氢氧化镁除去系统被配置成从所述第一溢出流的所述第二部分中除去镁并且产生第二溢出流。
4.如权利要求3所述的方法，所述方法包括将所述第二溢出流与所述第一溢出流组合。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法包括将所述第二盐水流引导至设置在所述第一ED系统上游的离子交换软化器，并且由所述第二盐水流产生氯化钙盐水流和第一氯化钠盐水流。
6.如权利要求5所述的方法，所述方法包括将所述第一氯化钠盐水流引导至所述第一ED系统并且产生第二氯化钠盐水流。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法包括将所述第二氯化钠盐水流引导至所述第二NF系统，以及将所述第二氯化钠盐水流与所述第二盐水流组合。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述阻垢剂包括石膏阻垢剂、硫酸钡阻垢剂或其组合。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法包括过滤所述第一NF系统上游的所述经过处理的盐水流。
10.如权利要求1所述的方法，所述方法包括在设置在所述矿物质除去系统内的石膏除去系统中产生所述第一溢出流。
11.一种系统，所述系统包括：
第一纳米过滤(NF)系统，所述第一纳米过滤系统被配置成由来自水处理系统的第一盐水流产生第一NF渗透流和第一NF非渗透流；
矿物质除去系统，所述矿物质除去系统被设置在所述第一纳米过滤系统下游并且与所述第一纳米过滤系统流体联接，其中所述矿物质除去系统被配置成接收所述第一NF非渗透流并且输出溢出流；
盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统，所述HCl和NaOH产生系统包括第二NF系统以及第一电渗析(ED)系统，所述第二NF系统设置在所述矿物质除去系统下游并且与所述矿物质除去系统流体联接，其中所述第二NF系统被配置成接收来自所述矿物质除去系统的所述溢出流以产生第二盐水流，并且所述第一ED系统被配置成接收所述第二盐水流以产生HCl和NaOH；以及
第二ED系统，所述第二ED系统流体联接至所述第一NF系统并且流体联接至所述HCl和NaOH产生系统，其中所述第二ED系统被配置成接收所述NF渗透流以产生第三盐水流并且将所述第三盐水流输出至所述HCl和NaOH产生系统。
12.如权利要求11所述的系统，所述系统包括与所述矿物质除去系统和所述第二NF系统流体联接的溢流罐，其中所述溢流罐被配置成将所述溢出流的第一部分引导至所述第二NF系统，并且将所述溢出流的第二部分引导至所述矿物质除去系统。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述矿物质除去系统包括石膏除去系统和氢氧化镁除去系统，其中所述石膏除去系统被配置成接收所述第一NF非渗透流并且产生所述溢出流的所述第一部分，并且所述氢氧化镁除去系统被配置成接收来自所述溢流罐的所述溢出流的所述第二部分。
14.如权利要求11所述的系统，所述系统包括设置在所述HCl和NaOH产生系统内的馈料罐，其中所述馈料罐与所述第一ED系统和所述第二ED系统流体联接，并且所述馈料罐被配置成接收所述第二盐水流和所述第三盐水流。
15.如权利要求14所述的系统，所述系统包括与所述馈料罐流体联接的反渗透系统，其中所述反渗透系统被配置成接收所述第二盐水流和所述第三盐水流以产生氯化钠盐水流。
16.如权利要求11所述的系统，所述系统包括设置在所述HCl和NaOH产生系统内的离子交换系统，其中所述离子交换系统被配置成接收所述第一盐水流并且产生氯化钙盐水和氯化钠盐水。
17.一种系统，所述系统包括：
盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)产生系统，所述HCl和NaOH产生系统包括：
纳米过滤(NF)系统，所述NF系统被配置成由第一盐水流产生NF渗透流和NF非渗透流；
第一电渗析(ED)系统，所述第一ED系统在所述NF系统下游并且与所述NF系统流体联接，其中所述第一ED系统被配置成接收所述NF渗透流并且产生第二盐水流；以及
矿物质除去系统，所述矿物质除去系统与所述HCl和NaOH产生系统流体联接并且被配置成输出所述第一盐水流，其中所述矿物质除去系统包括：
矿物质除去部分，所述矿物质除去部分被配置成从在废水处理系统中产生的第三盐水流中除去矿物质；以及
溢流罐，所述溢流罐与所述矿物质除去部分和所述NF系统流体联接，其中所述溢流罐被配置成接收来自所述矿物质除去部分的溢出流，并且将所述溢出流的至少一部分引导至所述NF系统，以产生所述NF渗透流和所述NF非渗透流。
18.如权利要求17所述的系统，所述系统包括反渗透(RO)系统和第二ED系统，所述RO系统设置在所述HCl和NaOH产生系统内并且与所述第一ED系统流体联接，所述第二ED系统设置在所述HCl和NaOH产生系统内，其中所述RO系统被配置成接收所述第一盐水流并且将所述第一盐水流引导至所述第二ED系统以产生HCl和NaOH。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述第一ED系统和所述第二ED系统为流体联接的，并且其中所述第二ED系统被配置成产生第四盐水流并且将所述第四盐水流引导至所述第一ED系统，并且其中所述第四盐水流与所述第一盐水流组合。
20.一种系统，所述系统包括：
离子交换软化器，所述离子交换软化器与废水处理系统流体联接，其中所述离子交换软化器被配置成接收来自所述废水处理系统的第一盐水流，并且从所述第一盐水流中除去多种矿物质，以产生第二盐水流和第三软化盐水流，所述第二盐水流包括所述多种矿物质，其中所述多种矿物质包括二价离子；
矿物质除去系统，所述矿物质除去系统被设置在所述离子交换软化器下游，并且被配置成接收所述第二盐水流并且产生氯化钠(NaCl)盐水流；
酸和烧碱产生系统，所述酸和烧碱产生系统被设置在所述矿物质除去系统下游并且与所述矿物质除去系统流体联接，其中所述酸和烧碱产生系统包括第一电渗析(ED)系统，所述第一电渗析(ED)系统被配置成接收来自所述矿物质除去系统的所述NaCl盐水流并且由所述NaCl盐水流产生盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)；以及
第二ED系统，所述第二ED系统被设置在所述离子交换软化器的下游和所述酸和烧碱产生系统的上游，其中所述第二ED系统与所述离子交换软化器和所述酸和烧碱产生系统流体联接，并且所述第二ED系统被配置成产生来自所述第三软化盐水流的脱盐水和ED浓缩流，其中所述第二ED系统被配置成将所述ED浓缩流引导至所述酸和烧碱产生系统。
21.如权利要求20所述的系统，所述系统包括在所述矿物质除去系统内的阻垢剂回收系统，其中所述阻垢剂回收系统被配置成产生所述NaCl盐水流。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述阻垢剂回收系统包括多个ED单元。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述阻垢剂回收系统与所述第一ED系统流体联接并且将所述NaCl盐水流馈送至所述第一ED系统。
24.如权利要求20所述的系统，所述系统包括设置在所述离子交换软化器下游的纳米过滤(NF)系统，其中所述NF系统与所述离子交换软化器、所述第二ED系统以及阻垢剂回收系统流体联接，并且其中所述NF系统被配置成将NF非渗透流引导至所述阻垢剂回收系统以产生所述NaCl盐水流，并且将NF渗透流引导至所述第二ED系统以产生所述脱盐水和所述ED浓缩流。
25.如权利要求20所述的系统，其中所述第二ED系统包括非选择性膜。
26.如权利要求20所述的系统，其中所述离子交换软化器包括树脂，所述树脂包括酸部分和中性部分，并且所述酸部分被配置成从所述第一盐水流中除去碳酸氢盐。
27.如权利要求20所述的系统，所述系统包括设置在所述矿物质除去系统内的第一矿物质除去部分，其中所述第一矿物质除去部分与所述离子交换软化器流体联接并且被配置成接收所述第二盐水流，并且其中所述第一矿物质除去部分被配置成从所述第二盐水流中除去所述多种矿物质的第一部分，以产生包括所述多种矿物质的第二部分的第四盐水流，并且所述第一矿物质除去部分包括氢氧化镁除去部分。
28.如权利要求27所述的系统，所述系统包括所述矿物质除去系统内的第二矿物质除去部分，其中所述第二矿物质除去部分被配置成从所述第四盐水流中除去所述多种矿物质的所述第二部分，并且所述第二矿物质除去部分包括石膏除去部分。
29.一种方法，所述方法包括：
将来自水处理系统的废水盐水流引导至设置在矿物质除去系统上游的第一离子交换软化器，其中所述废水盐水流包括多种矿物质和碳酸氢盐；
经由所述第一离子交换软化器产生第一软化盐水流，其中所述第一离子交换软化器被配置成从所述废水盐水流中除去所述多种矿物质的第一部分，并且所述第一软化盐水流包括所述多种矿物质的第二部分；
再生所述第一离子交换软化器以除去所述多种矿物质的所述第一部分，从而产生第一氯化物盐水流，其中所述第一氯化物盐水流包括所述多种矿物质的所述第一部分，其中所述多种矿物质的所述第一部分包括二价离子；
将所述第一氯化物盐水流供应至所述矿物质除去系统以回收所述多种矿物质的所述第一部分；
经由在所述第一离子交换软化器和第一电渗析(ED)系统之间延伸的流动路径将所述第一软化盐水流引导至所述第一电渗析(ED)系统，其中所述流动路径延伸不穿过所述矿物质除去系统，并且其中所述第一电渗析(ED)系统被配置成产生第二软化盐水流；以及
经由在所述第一ED系统下游并且与所述第一ED系统流体联接的酸和烧碱产生系统由所述第二软化盐水流产生盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)。
30.如权利要求29所述的方法，所述方法包括将所述HCl和NaOH供应至所述第一离子交换软化器，以使所述第一离子交换软化器再生并且产生所述第一氯化物盐水流，其中所述第一离子交换软化器包括被配置成从所述废水盐水流中除去所述碳酸氢盐的酸部分和被配置成从所述废水盐水流中除去所述多种矿物质的所述第一部分的中性部分，并且其中所述HCl从所述中性部分中除去所述多种矿物质的所述第一部分。
31.如权利要求29所述的方法，所述方法包括将所述HCl和NaOH供应至设置在所述矿物质除去系统内的第二离子交换软化器以再生所述第二离子交换软化器，其中所述第二离子交换软化器被配置成接收第二氯化物盐水流，所述第二氯化物盐水流从第一盐水流在所述矿物质除去系统中产生，并且所述第二离子交换软化器被配置成从所述的第二氯化物盐水流中除去所述多种矿物质的第三部分，并且其中所述HCl被配置成从所述第二离子交换软化器内的树脂中除去所述多种矿物质的所述第三部分，并且所述NaOH被配置成中和所述树脂。
32.如权利要求29所述的方法，所述方法包括将所述第一氯化物盐水流供应至所述矿物质除去系统，并且从所述第一氯化物盐水流中回收石膏和氢氧化镁，其中所述多种矿物质的所述第一部分包括所述石膏和所述氢氧化镁。
33.如权利要求29所述的方法，所述方法包括用阻垢剂处理所述第一软化盐水流以产生经过处理的软化盐水流，并且将所述经过处理的软化盐水流引导至沿所述流动路径设置在所述第一ED系统上游的纳米过滤(NF)系统，其中所述NF系统产生NF非渗透流和NF渗透流，其中所述NF渗透流经由所述流动路径被馈送至所述第一ED系统以产生所述第二软化盐水流。
34.如权利要求33所述的方法，所述包括在设置在所述矿物质除去系统中的阻垢剂回收系统中从所述NF非渗透流中回收所述阻垢剂，其中所述阻垢剂回收系统包括第二ED系统。
35.如权利要求29所述的方法，所述方法包括经由所述第一离子交换软化器将所述废水盐水流中的所述碳酸氢盐转化成二氧化碳。
36.如权利要求29所述的方法，所述方法包括：由所述矿物质除去系统中的所述第一氯化物盐水流产生氯化钙盐水，其中所述多种矿物质的所述第一部分包括钙，并且其中所述氯化钙盐水具有介于20重量％(wt％)与30重量％之间的氯化钙。
37.一种方法，所述方法包括：
经由设置在矿物质除去系统上游的离子交换软化器从第一盐水流中除去多种矿物质，所述第一盐水流包括所述多种矿物质和碳酸氢盐，其中所述第一盐水流从废物处理系统输出，所述离子交换软化器包括树脂，并且所述树脂包括酸部分和中性部分；
使所述第一盐水流中的所述碳酸氢盐与所述离子交换软化器内的所述树脂的所述酸部分反应以产生二氧化碳；
经由所述离子交换软化器由所述第一盐水流产生软化盐水流，其中所述软化盐水流包括所述二氧化碳并且经由在所述离子交换软化器和电渗析(ED)系统之间延伸的流动路径所述软化盐水流被引导至所述电渗析(ED)系统，其中所述流动路径延伸不穿过所述矿物质除去系统，并且其中所述电渗析(ED)系统被配置成产生脱盐水；
将盐酸(HCl)供应至所述离子交换软化器，以使所述树脂再生并且产生第二盐水流，其中所述第二盐水流包括从所述第一盐水流中除去的所述多种矿物质，其中从所述第一盐水流中除去的所述多种矿物质包括二价离子；并且
将所述第二盐水流引导至所述矿物质除去系统。
38.如权利要求37所述的方法，所述方法包括用经由设置在所述ED系统和所述离子交换软化器下游并且与所述ED系统和所述离子交换软化器流体联接的酸和烧碱产生系统产生的氢氧化钠中和所述树脂的一部分，其中所述氢氧化钠的至少一部分由从所述ED系统输出的所述软化盐水流产生，并且其中所述酸和烧碱产生系统将所述氢氧化钠引导至所述离子交换软化器。
39.如权利要求37所述的方法，所述方法包括在所述ED系统的上游用阻垢剂处理所述软化盐水流，以及在所述矿物质除去系统中回收所述阻垢剂。
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