CN110520209A - 用于预防污垢的集成反渗透和膜清洁系统 - Google Patents

用于预防污垢的集成反渗透和膜清洁系统 Download PDF

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Abstract

一种集成系统，该系统包括具有膜清洁(MC)装置的闭合回路脱盐(CCD)单元，其中MC装置经常(每天一次或几天一次)被短暂(≤8分钟)激活，以从膜表面去除在经过的时间间隔期间产生的污垢和/或结垢沉积物，从而避免它们的累积和CIP需求。MC在已知的渗透液中使用不同的试剂溶液以连接线路工序进行，从而影响从膜表面去除常见污垢和/或结垢成分，例如有机和/或生物有机物质和/或无机结垢成分(包括二氧化硅和含有金属氢氧化物或有机物质的聚合二氧化硅涂层)。在不存在干扰金属离子(例如Ca)的情况下，通过短暂暴露于渗透液中的稀释的氢氟酸溶液，从膜表面除去含二氧化硅的沉积物。MC工序包括反渗透(RO)和直接渗透(DO)原理，前者使得清洁试剂与膜表面有效接触，后者用于使用渗透液对半透膜进行由内到外的反冲洗。完全计算机化的发明系统应该能够在它们积聚之前定期地在早期阶段近乎完美地去除膜表面上的所有污垢和/或结垢成分，从而预防CIP需求并且避免由于不可去除的污垢成分积聚导致的不可逆的膜损伤。

Description

用于预防污垢的集成反渗透和膜清洁系统
技术领域
本发明涉及反渗透脱盐的污垢和结垢预防。
发明系统：集成系统包括闭合回路脱盐(CCD，close circuit desalination)单元，该CCD单元具有膜清洁(MC，membrane cleaning)装置，用于短暂(约5分钟)去除膜表面上的污垢和/或结垢沉积物以避免它们的累积以及对CIP的需求。
背景技术
在过去60年中，反渗透(RO，reverse osmosis)已成为世界上应用最广泛的膜技术，适用于各种应用，如淡盐水(BWRO，brackish water)和海水(SWRO，seawater)的淡化、家庭和工业用水的处理、家庭和工业废水的处理和回收等。RO技术大致分为连续塞流脱盐(PFD，plug flow desalination)工艺和非连续闭合回路脱盐(CCD，close circuitdesalination)工艺，它们的设计特征和操作原理完全不同。
连续PFD工艺(以下称为常规RO)将典型RO单元入口处的固定加压进料流分成出口处的两个流，一个为非加压渗透液(permeate)，另一个为加压盐水(brine)。PFD的回收率取决于压力容器内部的线性元件(头到尾)的数量，其特征在于，单级SWRO-PFD单元的回收率为40％至50％，每个SWRO-PFD单元具有包含7或8个元件的模块；BWRO-PFD单元的回收率为75％至90％，每个BWRO-PFD单元具有包含6个元件的模块，所述模块分别设置在两级配置和三级配置的滑架(skid)中。PFD中的能量消耗效率取决于：通过所谓的能量回收装置(ERD，energy recovery device)从经处理的加压盐水流出物流中回收能量的能力，所述能量回收装置用作压力交换器。
与PFD相比，最近设想的CCD方法涉及固定低压和可变压力条件下的批次CCD工艺，该工艺通过连续顺序技术连续进行，例如使用接合/脱离的侧导管(Efraty，PCT/IL2004/000748；例如，US7,628,921)或使用通过CCD工序(sequences)之间的进料来更换盐水的短暂PFD步骤(Efraty，PCT/IL2005/000670，例如US7,695,614和US8,025,804)。CCD装置包括单级RO滑架(每个滑架具有并联的包含3或4个元件的模块)，以及从所述滑架的出口到入口的闭合回路浓缩物回收管线，其中，在滑架入口处用新鲜加压进料稀释回收浓缩物。CCD在固定流量和可变压力条件下进行，具有选定的CCD操作设定点的进料流量(＝渗透流量)、错流(cross-flow)和批次顺序回收率，或其等效物，如在选定批次顺序回收率处回收浓缩的通量(flux)、模块回收率和最大施加压力或最大电导率。在线选择和/或改变操作设定点可实现CCD工艺的高性能灵活性和广泛优化手段。CCD的回收率是进料源成分所允许的最高值，并且该工艺的进行具有低能量需求，因为在未释放任何加压盐水的情况下，施加的压力随着回收而升高。
商业RO膜可根据其预期应用提供不同的规格，耐用的膜性能需要偶尔进行膜清洁，即进行所谓的“原位清洗”(CIP，clean in place)，去除膜表面上的污垢沉积物。IUPAC将膜污垢定义为“由于悬浮或溶解物质在其外表面、孔隙开口处或孔隙内沉积而导致膜性能损失的过程”，因需要停止脱盐以支持冗长有效的CIP操作，膜污垢是RO技术的最大缺点。如果不能及时去除污垢和/或结垢成分，那么它们随后的去除会变得更加困难或不可能，并且由于不可逆的损害，这可能导致膜性能的严重损失。因此，必须制定可靠的在线监测数据标准，以便在对膜造成不可修复的不可逆损害之前，发出CIP需求的警告。具有不同设计特征和操作原理的PFD和CCD方法在它们的污垢和结垢倾向(propensity)以及确定CIP需求的方法方面也存在差异。
常规RO技术的RO故障发生率(％)归因于机械损伤(3％)、膜降解(18％)、颗粒物污垢(14％)、有机污垢(12％)、凝结剂污垢(4％)、生物污垢(34％)、二氧化硅结垢(10％)和其他无机结垢(5％)，如CaCO3、CaSO4、Ca3(P04)2、BaSO4、Sr SO4以及氢氧化镁、氢氧化铁和氢氧化铝。膜污垢(79％)占每5次RO故障中的4次，生物污垢(34％)是主要污垢原因，并且与有机污垢(12％)一起占每4次RO故障中的3次。常规RO技术的污垢和结垢倾向增加，与需要增加在线元件数量以实现更高的回收率有关，以及与模块中尾部元件所通过的通量和错流降低有关。常规RO系统的CIP需求由归一化渗透流量下降10％和/或归一化盐通道增加5％至10％和/或Δp(模块入口-出口压力差)增加10％至15％来指示——Δp与压力容器内的流动摩擦起源(flow friction origin)的压力损失有关，其中螺旋缠绕膜元件内通道阻塞增加，表现为Δp更大。
与常规RO工艺相比，连续顺序批式(consecutive sequential batch)CCD的设计特征和操作原理不同，导致低污垢和结垢倾向，无任何生物污垢。在CCD中，在受控的错流和浓差极化因子(concentration polarization factor)下，短模块(每个模块具有3或4个元件)内的回收浓缩物的频繁大盐度变化为细菌生长和增殖创造了不利条件，表明没有生物污垢。此外，在可控错流的低浓差极化条件下，将回收浓缩物与入口处的新鲜加压进料混合到CCD模块，导致出现第一个结垢迹象，接近特定来源的最高可达到的回收率，之后根据PCT/IL2005/000670技术，在CCD工序之间的短暂PFD步骤期间冲洗盐水，从压力容器中去除所有颗粒物质，包括少量结垢颗粒(如果形成)。所述CCD工艺中的PFD盐水冲洗步骤在降低的施加压力(高于进料的渗透压但低于更换盐水的渗透压)下进行，这产生了与所接收进料的RO脱盐和更换盐水的直接渗透(DO，direct osmosis)的连接线路(tie-line)，从而在每个CCD工序之后用渗透液对膜进行由内到外的反冲洗。典型螺旋缠绕商业元件内的两个平行半透(semi-permeable)表面的一小部分的示意图显示：在CCD条件下的渗透液流动方向(图1A)和通过RO→DO反转进料的PFD盐水更换期间的渗透液流动方向(图1B)。因此，所述CCD工艺中频繁的PFD步骤期间的清洁效果，还包括用新鲜进料更换盐水期间的膜的由内到外的DO反冲洗，这有助于从膜表面除去破裂沉积物，并且从元件内部中去除其碎屑和其他不良颗粒物质。
在US7,658,852B2(Igal Liberman)和US7,563,375B2(Boris Liberman)中公开了常规RO工艺中半透膜的在线DO反冲洗方法，其通过进料的短暂盐度变化进行净驱动压力操纵。通过增加渗透压超过进料溶液的渗透压来对膜进行反冲洗是文献中公开的另一种膜反冲洗技术(Sagiv等，EDS会议，拉奎拉，意大利，2004年11月15日至17日，第150页至151页，摘要号934)。
RO膜表面上的常见沉积物包括有机和/或生物有机物质和/或无机结垢成分，包括二氧化硅和含有金属氢氧化物或有机物质的聚合二氧化硅涂层。多年来，RO膜清洁(MC)通过所谓的“原位清洗”(CIP)方法开发了广泛和多样的化学清洁方法，该方法要求RO工厂一次停止6至12小时。硫酸钡和二氧化硅是最难从膜表面去除的沉积物，而硫酸钡问题的重要性较小，因为常见的进料源中存在的钡通常是微量的；考虑到许多进料源中具有相对较高的二氧化硅丰度，因此二氧化硅的结垢问题是主要且普遍存在的问题。一个值得注意的公开(Mukherjee等，J.Mem.Sci.，97(1994)231-249)描述了暴露于氢氟酸(5-15wt％)长达35天后SW30HR商业元件的性能(通量和NaCl排斥)，并且该研究揭示了通量极大增强而NaCl排斥不改变。这些发现表明：合理使用氢氟酸作为去除膜表面二氧化硅沉积物的有效清洁试剂，条件是在不存在会形成不溶性氟化物(例如CaF2)的金属离子的情况下选择性地进行此种处理。
本发明描述了CCD和常规RO工艺中预防污垢的集成反渗透(RO)和膜清洁(MC)系统(RO-MC)。所述集成系统中每天一次以下的短暂MC工序，应该能够在污垢的萌芽阶段(embryonic stage)从膜表面去除污垢，从而避免污垢积累以及预防CIP操作需求。
发明内容
本发明描述了集成反渗透(RO)和膜清洁(MC)系统(RO-MC)，重点在于RO闭合回路脱盐(CCD)系统，该系统在固定流量和可变压力条件下操作，其中，短暂(例如约8分钟)MC工序以预定的间隔(例如每天一次或几天一次)用不同的适当试剂进行，以便在萌芽阶段从膜表面去除污垢，从而避免对CIP的需求，并预防因污垢积累而对膜造成的不可逆损害。本发明RO-MC系统的MC装置包括由系统中RO单元供料的渗透罐和具有泵和阀装置的输送系统，以使渗透液及其不同的膜清洁溶液以连接线路顺序到达元件内的膜表面，有效去除所有污垢。在短暂的MC操作模式期间，停止RO，并且元件内的膜根据污垢的性质依次暴露于一个接一个的不同的清洁溶液。MC操作在相对低的施加压力(pa)和用电解质(例如NaCl)改性的清洁溶液的渗透压(π)下进行，以在MC工序的不同步骤中产生温和的反渗透(pa>π)或直接渗透(pa>π)或无渗透(pa＝π)。在温和的反渗透条件下，MC促进清洁试剂和膜表面之间的接触；而在直接渗透条件下，此种操作通过膜内外反冲洗来进行，并促进膜表面污垢层的破坏。
本发明的集成RO-MC系统应该能够实现持久的RO而无需CIP，而且每日渗透生产率(daily permeate productivity)的损失很小(<0.5％)，而常规CIP程序的生产率损失大幅增加。本发明的集成RO-MC系统首次提供了近乎零污垢和/或结垢(不论污垢类型如何)的脱盐前景。虽然本发明的RO-MC系统不限于特定的RO方法，但是具有短模块的单级滑架的CCD装置预期具有它的最高效率，每个短模块通常具有3-4个元件，其中清洁过程发生在一小段元件上。与CCD相比，常规RO使用更长的模块，每个模块通常为6-8个元件，这意味着MC需要每级6-8个线性元件、每两级12个元件和每三级18个元件配置，持续时间增加而效果下降。
附图说明
图1A显示了CCD期间典型螺旋缠绕元件中两个平行的半透膜表面之间的通道，其中箭头指示了渗透液流动方向。
图1B显示了CCD的PFD冲洗期间典型螺旋缠绕元件中两个平行的半透膜表面之间的通道，其中箭头指示了渗透液流动方向。
图2A显示了CCD操作模式期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述MC系统为停用状态(inactive)——箭头所示流动方向。
图2B显示了PFD盐水更换操作模式期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述MC系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(0)显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(1)显示了使用第一种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(2)显示了使用第二种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(3)显示了使用第三种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(4)显示了同时使用第一种清洁溶液和第二种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(5)显示了同时使用第一种清洁溶液和第三种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图2C(6)显示了同时使用第二种和第三种清洁溶液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图3A显示了CCD操作模式期间，集成CCD-MC发明系统的配置，其中所述MC系统包括服务泵，所述MC系统为停用状态-箭头指示的流动方向。
图3B显示了PFD盐水更换操作模式期间，集成CCD-MC发明系统的配置，其中所述MC系统包括服务泵，此时所述MC系统为停用状态-箭头指示的流动方向。
图3C显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成CCD-MC发明系统的配置，其中所述MC系统包括服务泵，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图4A显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成RO-MC发明系统的配置，其中所述RO系统是具有侧导管的CCD单元，此时所述CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图4B显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成RO-MC发明系统的配置，其中所述RO系统是具有侧导管的CCD单元，所述MC系统包括服务泵，此时CCD系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图5A显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成RO-MC发明系统的配置，其中所述RO系统是常规PFD系统，此时所述RO系统为停用状态——箭头所示流动方向。
图5B显示了使用渗透液的RO滑架的膜清洁期间，集成RO-MC发明系统的配置，其中所述RO系统是常规PFD系统，所述MC系统包括服务泵，此时所述RO系统为停用状态——箭头所示流动方向。
具体实施方式
本发明涉及反渗透(RO)单元和膜清洁(MC)装置(RO-MC)的集成系统，其在RO和/或DO条件下，通过使用不同MC试剂的短暂(≤8分钟)MC工序(sequences)预防污染，该工序以所需的时间间隔(例如，每天一次或几天一次)自动进行，以便在早期阶段从膜表面去除新产生的污垢沉积物；从而预防污垢积累并规避对CIP的需求。所述集成RO-MC系统中的RO适用于常规RO单元或CCD单元，单级配置的后一系统和由短模块制成的滑架预期具有更大的清洁效果，每个短模块具有3或4个元件数；其中，MC过程应该是容易和快速的(≤8分钟)。所述集成系统的操作在交替的基础上进行，RO模式经历超过99.5％的时间，这意味着为预防膜污染且避免对CIP的需求，每日渗透生产率损失是可忽略的。在具有带有分级模块的常规RO单元的系统的情况下，每个模块具有六个元件数，MC清洁效率预期从头部元件下游开始下降，作为具有清洁需求的增加的元件数量线的函数。
图2A和2B→图2C(0)、2C(1)、2C(2)、2C(3)、2C(4)、2C(5)和2C(6)显示了本发明的具有RO单元的集成系统的优选实施方式，它基于PCT/IL2005/000670的CCD技术，其揭示了设计特征、部件、线路、阀装置、监测装置和操作配置，包括工艺中每个步骤的流动方向。图2(AB)中的发明系统配置显示激活的(active)CCD单元和待用的(passive)MC单元；而图2C(0、1、2、3、4、5和6)中的发明系统配置涉及激活的MC装置和待用的CCD单元。所述发明系统的设计特征包括：进料管线(feed line)，该管线连接到具有变频驱动装置的高压泵(HPvfd)；致动阀装置(AV1)，该AV1位于所述高压泵上游的所述进料管线上；防垢剂(AS)和酸(AC)的输送单元，每个输送单元包括储存罐、到输送泵的管线以及位于AS和AC的供应管线上的止回阀装置(CV，check-valve)(连接到AV1上游的所述进料管线)；加压进料管线，该管线从所述HPvfd到所述RO滑架的入口；加压浓缩物回收管线，该管线从所述滑架的出口到入口；具有变频驱动装置的循环泵(CPvfd)，该CPvfd位于所述浓缩物回收管线上；所述CPvfd下游的所述浓缩物回收管线的管线延伸部分，具有致动阀装置(AV3)和所述AV3下游的具有可调节开启机构的手动阀装置(MV)；非加压渗透液管线，该管线从所述滑动出口到渗透罐(A)的底部；渗透液输送管线，该管线从所述A到顾客；具有致动阀装置(AV2)的渗透液输送管线，该管线从所述A到所述MC装置，所述MC装置包括三个试剂输送单元【RDU-1、RDU-2和RDU-3)；每个单元包括试剂罐、试剂管线，该试剂管线到输送泵，然后通过止回阀装置到所述MC管线】；所述MC管线的连接部分，该连接部分具有止回阀(check-check)装置，其连接到所述进料管线，所述进料管线连接到所述HPvfd上游和所述AV1下游的所述CCD单元。
图2中发明系统的优选实施方式还包含用于工艺控制和性能评估的在线监测方式，包括例如所述进料管线中的温度(TF)、电导率(EF)、pH和流量/体积(FHP)；所述滑架的所述浓缩物回收管线的入口(Pi)处压力和出口(Po)处压力；所述浓缩物回收管线中的电导率(ECR)和流量/体积(FCR)；来自所述滑架的所述渗透液管线中的电导率(EP)和从A到顾客的所述渗透液输送管线中的电导率(EPA)。
图2中发明系统的优选实施方式的性能通过两个完全可控的模式进行；其中一个具有短暂PFD步骤的连续CCD工序用于在每个工序之后通过进料更换盐水，另一个短暂(≤8分钟)MC工序每天一次或几天一次，从而从膜表面去除污垢和/或结垢沉积物和预防它们的累积。通过试剂输送单元(RDU-1、RDU-2和RDU-3)，使不同效力清洁试剂的渗透液和渗透液溶液以特定输送速率按预定顺序连续进入所述滑架中的膜元件，来进行MC；因此，在元件内部形成有效的MC连接线路，以去除在经过的时间段内在膜表面产生的所有沉积物(取决于污垢类型，每天一次或几天一次)。MC工序期间，所述试剂的选择、试剂的浓度和输送速率将取决于特定进料源的污垢和/或结垢成分的类型。优选实施方式的性能步骤概述于图2A→图2C(6)，重点在于关于阀位置、流动方向、驱动控制和监测装置的激活配置。
图2A公开了CCD工序期间所述集成系统的配置，所述CCD工序由选定操作设定点的固定进料流速和渗透液流速(QHP＝QP)、错流(QCP)和所需批次回收率(R)来控制，所述R由连续监测的进料(ΣVHP)和渗透液(ΣVP)累积量来确定。在经历大多数时间(≥90％)的CCD期间，HP和CP泵均根据其选定设定点来运行，并且脱盐以固定的通量和模块回收率进行[MR＝100×QHP/(QHP+QCP)＝100×QP/(QP+QCP)]至所需的批次顺序回收率[R＝100×(ΣVP)/(ΣVHPVi)，其中Vi为闭合回路的固有体积]，这是下一阶段的启动信号。CCD使用激活的AS和AC试剂输送单元和待用的MC装置来进行，其中阀装置的位置和流动方向如图2A所示。
图2B公开了在每个CCD工序之后通过新鲜进料更换PFD盐水的步骤期间所述集成系统的配置。在所述PFD步骤(经历≤10％的时间)期间，仅HP泵以不同于CCD的选定流速设定点运行，具有激活的AS和AC输送单元、待用的CP和MC装置，其中阀位置和流动方向如图2B所示。在该阶段期间，期望的最小施加压力通过所述手动阀装置(MV)的打开选择来实现。在该阶段期间，推荐的最小压力设定应低于更换盐水的渗透压，以便能够通过直接渗透(DO)使短暂渗透液反冲洗通过半透膜。当来自所述RO滑架的闭合回路的更换盐水的监测体积(FCR)略微超过所述闭合回路的固定固有体积(Vi)时，该阶段终止，恢复新的CCD工序。
图2C(0→6)公开了MC工序期间所述系统的配置，如果每天进行一次，则MC工序经历小于0.5％的时间。MC工序的启动开始于限定时间间隔(一天或几天)的最后PFD盐水更换步骤的终止信号，所述工序期间的步骤持续时间由定时器控制，该定时器还在MC工序完成后触发CCD的恢复。MC操作模式期间，RO停止，所述RO滑架仅在预定的MC工序期间接收渗透液，该渗透液具有和/或不具有来自试剂输送单元(RDU-1、RDU-2和RDU-3)的清洁试剂的渗透液溶液，所述预定的MC工序由每个试剂输送单元的流速和持续时间的输送步骤点确定。MC工序期间，可以交替或同时致动试剂输送单元，以实现最大MC效果。根据预定的MC选定工序，MC模式以选定的HPvfd流速在相对低的施加压力(pmin)下进行，其中通向所述RO滑架的特定输送试剂的渗透压(π)满足反渗透的条件(RO：π<pmin)或直接渗透的条件(DO：π>pmin)或均不满足(π＝pmin)。例如，如果图2C中所述RDU单元中的一个包含浓缩电解质溶液(例如，RDU-1，NaCl)，那么与每一个剩余RDU单元同时受控的致动将限定所述RO滑架入口处的渗透压，从而使得MC能够在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下进行。图2中优选实施方式的所述MC装置的MC前景如下：
图2C(0)：在RO条件下，使用渗透液进行所述RO滑架中的膜表面清洁。
图2C(1)：在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，用所述RDU-1单元输送的电解质渗透液溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，其中精确MC条件由所选施加压力和所述电解质溶液输送的流速确定。
图2C(2)：在特定条件下，在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，用所述RDU-2单元中所选MC溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，所述特定条件由所述RDU-2单元中所选施加压力和输送MC溶液的流速确定。
图2C(3)：在特定条件下，在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，用所述RDU-3单元中所选MC溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，所述特定条件由所述RDU-3单元中所选施加压力和输送MC溶液的流速确定。
图2C(4)：在特定条件下，在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，同时用所述RDU-1和RDU-2单元中所选清洁溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，所述特定条件由所述RDU-1和RDU-2单元中所选施加压力和流速确定；其中，前一单元提供电解质溶液，从而能够进行渗透压修正。
图2C(5)：在特定条件下，在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，同时用所述RDU-1和RDU-3单元中所选清洁溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，所述特定条件由所述RDU-1和RDU-3单元中所选施加压力和流速确定；其中，前一单元提供电解质溶液，从而能够进行渗透压修正。
图2C(6)：在特定条件下，在RO或DO条件下或在它们不存在的情况下，同时用所述RDU-2和RDU-3单元中所选清洁溶液进行所述RO滑架中的膜表面清洁，所述特定条件由所述RDU-2和RDU-3单元中所选施加压力和流速确定。
在图2中，根据发明集成系统的优选实施方式的MC步骤的有效性在于：在此类沉积物变得更大和需要大量CIP程序来去除或者甚至可能导致膜的不可逆损坏之前，仅需要从膜表面去除少量的污垢和结垢沉积物。RO膜表面上的常见污垢沉积物通常包含有机和/或生物有机物质和/或无机结垢成分(包括例如二氧化硅和含有金属氢氧化物或有机物质的聚合二氧化硅涂层)。如果所述沉积物处于萌芽阶段，可以用温和的试剂在温和条件下有效去除它们，例如，用柠檬酸去除碳酸钙和金属氧化物；用pH为约10的氢氧化钠和/或Na-EDTA(乙二胺四乙酸钠盐)和/或STPP(三聚磷酸钠)溶液去除钙、锶和钡的硫酸盐以及有机和/或无机/有机污垢；以及用稀释的氢氟酸或氟硅酸去除二氧化硅和/或聚合的二氧化硅沉积物。
集成RO-MC系统的MC模式在低施加压力下使用渗透液和渗透液清洁溶液来进行；用于此目的的足够加压装置可以在所述渗透液贮存器(A)的出口处设置控流装置(SPvfd)的低压服务泵，其中所述渗透液贮存器(A)具有直接连接到所述RO滑架的入口的进料管线，避开了主要的RO压力泵(HPvfd)。如图3(A-C)所示，在发明系统情况下的MC操作期间，通过所述CCD-MC系统的改进的优选实施方式，使用服务泵(SPvfd)代替HPvfd；其中，所述MC操作通过完全类似于图2C(0)→图2C(6)所示的步骤来进行；图3A和3B分别描述了其激活的CCD和PFD脱盐模式期间所述改进系统的操作配置，而包括专用服务泵(SPvfd)的所述MC装置保持闲置状态。图3C描述了MC模式期间所述改进系统的操作配置，同时停止脱盐，显示了通过类似于未改进系统的图2C(0)的步骤用渗透液进行膜表面清洁。所述改进系统的其他MC步骤通过完全类似于所述未改进系统的图2C(1)→图2C(6)所述的那些步骤来进行。
图4(AB)显示了该发明CCD-MC集成系统的优选实施方式改进，其中所述CCD单元包括根据PCT/IL2004/000748的侧导管，显示了通过HPvfd主泵(图4A)的接合或通过代替的服务泵(SPvfd)(图4B)的MC配置。图4(AB)中的操作配置描述了使用渗透液的膜表面的激活的MC模式，同时通过类似于未改进系统的图2C(0)的步骤停止脱盐。所述改进系统的其他MC步骤通过完全类似于所述未改进系统的图2C(1)→图2C(6)所述的那些步骤来进行。
该发明集成RO-MC系统不限于CCD单元，并且可以应用于常规RO单元，并且图5(AB)显示了通过所述单元中的主泵(HP)(图5A)或通过代替的服务泵(SPvfd)(图5B)的此种集成。图5(AB)中的操作配置描述了用渗透液进行膜表面清洁的激活的MC模式，同时通过类似于未改进系统的图2C(0)中的步骤暂时停止脱盐。所述改进系统的其他MC步骤通过完全类似于所述未改进系统的图2C(1)→图2C(6)所述的那些步骤来进行。单级(例如用于海水)或两级或三级(用于淡盐水)的常规RO单元包括长模块(每个模块具有6或8个元件数)，与短模块(每个模块具有3或4个元件数)相比，长模块通常由CCD技术使用，此种差异可能表明集成RO-MC系统效率更高(其中RO单元是CCD类型)。
本领域技术人员将理解，该发明集成RO-MC系统可包括不同类型的RO单元与MC单元的组合，用于定期清洁膜表面以预防污垢和结垢沉积物，并且图2、图3、图4和图5中的该发明系统的优选实施方式是示意性和简化的，其不应视为对本发明的限制，而是作为本发明的许多不同实施方式的几个示例。实际上，根据本发明方法的系统可以根据具体要求包括许多另外的线路、分支、阀和其他装置和设备而仍然在本发明的权利要求的范围内。
本领域技术人员将理解，用于加压进料、提高进料压力、回收浓缩物、试剂输送单元、流量操作和pH以及温度、压力、流量/体积、电导率的在线监测设备的装置包括普通的商业部件，例如压力泵、循环泵、阀装置或几个此类部件(视需要，同时并联或串联施加)。还应理解，所引用监测装置及其发送到计算机控制板的信号对于所述系统内的特定部件以及整个系统的致动和控制是必不可少的。
本领域技术人员显然知晓，发明系统的设计不受模块数量和/或每个模块的元件数量和/或每个所述RO滑架中模块和元件的类型的限制，也不受MC单元中的试剂输送单元的数量的限制。因此，所述发明系统也适用于大规模脱盐设备，用于清洁膜表面的沉积物，从而避免对CIP的需求。
虽然上文已针对特定实施方式描述了本发明，但本领域技术人员显然知晓，在不脱离本发明的情况下，可以对本发明进行更广泛的变化和修改，因此，所附权利要求旨在包含落入本发明真实精神范围内的所有此类变化和修改。
实施例
根据图2的集成RO-MC系统由以下制成：CCD单元，该CCD单元具有单个ME4(E＝ESPA2-MAX)模块，模块设计有65升固有体积；以及MC单元，该MC单元具有30％NaCl(RDU-1)、pH＝10的30％Na-EDTA(RDU-2)和30％HF(RDU-3)的三个可控试剂输送单元。MC操作期间的假定流动压力条件：在1.5bar的渗透液输送泵处，4.0m3/h(66L/min)；RDU-2泵的流速为7.2L/min，用于将Na-EDTA清洗液输送到3％所述试剂的膜上；以及RDU-3泵的流速为0.217L/min(217mL/min)，用于将HF清洗液输送到0.1％所述试剂的膜(π＝1.25bar，基于Ka＝6.8×10-4)。NaCl渗透压修正的RDU-1的选定流速如下：0.314L/min(314mL/min)，用于将0.1875％NaCl改性溶液输送至膜(π＝1.5bar，相当于施加的压力(1.5bar))，以避免RO或DO；0.327lpm(327mL/min)，用于将0.15％NaCl改性溶液输送到π＝1.2bar的膜；以及0.656L/min(656mL/min)，用于将0.3％NaCl改性溶液输送到π＝2.4bar的膜。
所示实施例涉及处理后生活污水脱盐回收率为95％的CCD系统中的污垢和结垢预防，其中盐水(14,500ppm TDS)中的主要污垢成分包含：500ppm Ca、4,400ppm S04、170ppmSiO2以及140ppm TOC。通常，无该发明MC系统的所述应用需要每月进行一次CIP，其中膜活性有所损失；而在发明系统的情况下，每两天一次使用MC单元8分钟，能避免对CIP的需求并预防膜活性丧失。
在MC操作模式期间，停止脱盐，整个MC工序期间以4.0m3/h(66L/min)的流速和1.5bar致动渗透液输送泵至MC单元，这表示了模块每分钟的全部固有体积(65升)。将MC试剂输送至膜表面的工序按以下步骤进行：
第1步：致动RDU-1泵70秒，流速为656mL/min，在DO条件下(π-Pap≈13psi)清洗膜内外的经过残留物。
第2步：致动RDU-2泵135秒，流速为7.2L/min，同时使用RDU-1，流速为327mL/min，使得在温和RO条件下(Pap-π≈4psi)用3％Na-EDTA清洗溶液(pH≈10)进行膜清洁，以去除有机污垢和无机涂层(包括膜表面的二氧化硅)。
第3步：致动RDU-1泵70秒，流速为656mL/min，在DO条件(π-Pap≈13psi)下，清洗膜内外中前一步骤的残留物。
第4步：致动RDU-3泵135秒，流速为217mL/min，使得在温和RO条件下(Pap-π≈4psi)用0.1％HF清洗溶液进行膜清洁——渗透压为0.1％HF(π＝1.25bar)，基于Ka＝6.8×10-4和在25℃下的范特霍夫。该工序中的此步骤用于进一步去除膜表面的二氧化硅、聚合二氧化硅和铁氧化物。
第5步：致动RDU-1泵70秒，流速为656mL/min，在DO条件下(π-Pap≈13psi)清洗膜内外中前一步骤的残留物。
上述480秒(8分钟)持续时间的连接线路MC工序仅是鉴于膜表面预计污垢成分的说明性示例。具体地，MC步骤的数量和用于MC的试剂应考虑污垢沉积物的性质和去除它们的有效试剂。例如，在高二氧化硅污垢倾向的情况下，MC方法应更加依靠大于0.1％浓度的HF清洁溶液以及更长的膜表面接触时间。

Claims (8)

1.一种集成RO-MC系统，其中，所述系统包括反渗透脱盐单元，即，RO脱盐单元，所述RO脱盐单元具有膜清洁装置，即MC装置，用于避免污垢沉积物在膜表面上累积以及需有“原位清洁”程序CIP，所述系统包括：
所述系统的RO单元，所述RO单元包括：单个模块或多个模块的RO滑架，所述模块的入口和出口并联连接；进料管线，所述进料管线连接到所述RO单元的加压装置，具有防垢剂AS和酸AC的输送单元；渗透液管线，所述渗透液管线设在所述RO滑架到渗透罐的底部、阀装置和控制装置之间，使得脱盐能在限定的流量、压力和回收条件下进行，其间有短暂停歇，各持续规定时间以便膜清洗；
所述系统的MC清洁装置，所述MC装置包括：渗透液输送管线，所述渗透液输送管线通过阀装置从所述渗透罐装置的底部连接至具有可控流量压力装置的所述RO滑架中的模块；一个以上MC试剂输送单元即RDU单元，所述RDU单元连接至通向所述RO滑架的所述MC渗透液输送管线，各所述RDU单元包括试剂进料罐和具有可控泵及阀装置的管线，所述管线在规定时间段以选定流速，通过所述MC装置中的所述渗透液管线，将MC试剂输送到所述RO滑架上的膜；
可编程计算机装置，所述计算机装置定义以下内容：在所述MC装置停用状态下的所述RO单元中的流量和压力条件及RO单元的选定的操作持续时间；激活所述MC装置并使所述RO单元短暂停歇，以便实施清洁程序；所述渗透液输送管线的预定流速和压力的可控MC程序，所述渗透液输送管线通向所述RO滑架，用于通向所述渗透液管线的各连接的RDU单元，所述RDU单元可以在预定时间段交替或同时致动；终止所述MC程序并恢复所述系统中所述RO单元的脱盐，直至下一次预定的MC清洁程序；视需要，通过在线监测指定管线中的电导率、pH、压力、pH、流量/体积的方式进行的所述系统性能的评价方式。
2.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述RO单元的所述加压装置还在短暂停止脱盐以进行膜清洁时，适用于在通向所述RO滑架的所述渗透液输送管线内部产生流量和压力条件；或者，通过服务泵装置即SP装置代替所述RO单元的加压装置，在通向所述RO滑架的所述渗透液输送管线内部产生流量和压力条件。
3.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述系统中的所述RO单元指闭合回路脱盐单元即CCD单元，所述CCD单元在固定流量和可变压力条件下进行连续批次脱盐工序，其中，全部浓缩物从所述RO滑架的出口回收至入口，并在RO滑架的入口处与加压进料混合，其中加压进料流速和渗透液流速相等。
4.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述系统中的所述RO指开路连续塞流脱盐单元，其中，在所述RO滑架入口处的固定加压流动流在RO滑架的出口处分成加压盐水流和非加压渗透液流。
5.根据权利要求1所述的集成系统，其中，各所述试剂输送单元向所述MC装置的所述渗透液管线提供不同的试剂，其中一个试剂输送单元包含浓缩电解质溶液，例如NaCl，用于在具有选定的施加压力pa的所述MC装置的所述渗透液管线内部进行渗透压π修正，从而能够在反渗透即pa>π和/或直接渗透即pa<π的条件下或在不存在上述两个条件即pa＝π的条件下用特定试剂进行MC工序，所述条件由净驱动压力NDP＝pa-π操作确定。
6.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述在线监测方式包括：所述进料管线中的温度TF、电导率EF、pH和流量/体积FHP；所述浓缩物回收管线中的所述RO滑架的入口处压力Pi和出口处压力Po之差值ΔP＝Pi-Po；其中，还监测电导率ECR和流量/体积FCR，以及从所述RO滑架到所述渗透罐Epa的所述渗透液管线中的电导率以及从渗透罐到顾客的所述渗透液输送管线中的电导率。
7.前述权利要求中任一项所述的集成RO-MC系统的致动，其中，所述致动通过以下步骤进行：
7.1在所述MC装置停用状态下，通过所述RO单元进行脱盐；
7.2由来自所述可编程计算机装置的信号在所选时间间隔之后激活所述MC系统而不是所述RO系统，例如，所选时间间隔为每天一次或几天一次；
7.3由所述MC装置使用不同清洁试剂进行短暂的MC工序，同时停止所述RO装置，所述工序中的每个步骤在预定的所选RO或DO条件下或在所述条件不存在下进行，其中，整个所述MC工序，包括所述试剂输送单元的致动顺序、它们的流速和操作时间间隔，完全由所述可编程计算机装置控制；
7.4由所述可编程计算机装置确定：所述MC工序完成后即结束，并恢复所述RO单元的脱盐。
8.使用前述权利要求中任一项所述的MC试剂进行所述MC工序，用于在沉积物萌芽阶段从膜表面去除有机和/或无机沉积物，包括二氧化硅和含有金属氢氧化物或有机物质的聚合二氧化硅涂层：
8.1通过渗透液溶液清洗所述RO滑架内元件的膜表面，其中，渗透液溶液具有渗透压π略高于所选施加压力pa的电解质，例如NaCl，从而产生非常温和的直接渗透条件即DO条件亦即π≥pa，以在暴露于特定清洁溶液之前对膜表面进行由内到外的清洁作用；
8.2使所述RO滑架的元件中的膜表面经受渗透液溶液，所述渗透液溶液的渗透压比所选施加压力高得多，即π>pa，从而产生强DO的由内到外反冲洗作用，这将有助于污垢沉积物从所述膜表面脱离和去除；
8.3在温和的RO条件即π<pa下，在高至10的高pH下，使所述RO滑架的元件中的膜表面经受氢氧化钠和/或乙二胺四乙酸钠即钠-EDTA和/或三聚磷酸钠和/或十二烷基苯磺酸钠和/或类似试剂的渗透液物溶液，从而促进从所述膜表面去除有机和/或生物有机和/或某些无机残留物涂层；
8.4在温和的RO条件即π<pa下，使所述RO滑架的元件中的膜表面经受氢氟酸或氟硅酸或二氟化铵的稀释的渗透液溶液，从而促进从所述膜表面去除二氧化硅和/或聚合二氧化硅涂层残留物；
8.5使所述RO滑架的元件中的膜表面经受膜元件内部通道的无试剂的渗透液洗涤，并通过π>>pa的DO的强渗透反冲洗作用进行补充，从而去除所述MC工序期间使用的清洁试剂的所有残留痕迹物。
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