用於提高總有機碳除去率同時保持最佳隔膜過濾器性能的方法

2023-05-09 01:55:36

專利名稱：用於提高總有機碳除去率同時保持最佳隔膜過濾器性能的方法
技術領域：
本發明涉及用於提高供水的總有機碳除去率同時優化隔膜過濾系統性能的方法。3.相關領域說明
市政飲水和廢水過濾設備越來越多地使用隔膜微濾或者超濾系統作為過濾地下水，表面水和廢水源(「水源」)的手段。這樣的過濾系統典型地使用半透膜裝置來在水通過它們時過濾或者阻擋有機，無機和微觀顆粒(particulate)。當源水在水壓下通過隔膜過濾器阻隔層時，顆粒碎片(即，懸浮的固體和高分子量溶質)積聚在隔膜表面上，並且被從水中截留或者過濾出來，而水和低分子量溶質通過該隔膜。典型地，尺寸大於0. 04-0. 1微米的不溶性顆粒被過濾或者阻擋，而可溶性汙染物或者小於0. 04-0. 1微米的不溶性顆粒和離子通過該隔膜過濾器。為了有效運行，重要的是將該隔膜過濾器保持潔淨。該隔膜因此定期回洗，來除去積聚的顆粒。不容易在回洗過程中除去的積聚顆粒必須通過化學清潔技術來除去。這樣的技術(通常稱作就地清洗(clean in place, CIP)和/或化學維護清洗工序)包括將隔膜暴露於化學品例如苛性鈉，次氯酸鈉(氯)，不同的酸和其它化學產品，來除去積聚的有機和無機化合物。但是，化學清潔技術與單獨的回洗相比耗費了多得多的時間。此外，化學清潔技術中所用的苛性化學品傾向於使得隔膜過濾器元件隨著時間流逝而降解和劣化。過濾隔膜的性能是通過流入的汙染物的結垢速率來表示的。結垢是有機和無機顆粒積聚在隔膜表面上，其在定期回洗中不容易除去。隨著隔膜過濾器元件的結垢速率的升高，更經常地需要化學維護清洗工序。大部分隔膜過濾系統的運行不使用超出上段所述的回洗和化學清潔之外的任何另外的清潔方法或者化學處理。因此，為了優化過濾隔膜的性能，令人期望的是使得過濾隔膜的結垢速率最小。供水中一種類型的汙染物(其增加了過濾隔膜的結垢速率)是總有機碳(「T0C」)。 供水中TOC的水平從純淨的(pristine)(即，低水平的T0C)變化到非常汙染(即，高水平的T0C)。較高水平的TOC導致了味道和氣味問題以及形成了消毒副產物(「DBP」)例如滷代乙酸(「HAA」)和總三滷代甲烷(「TTHM」)。當氯與可溶性有機物反應時產生了 HAA和 TTHM，並且典型的是在水中的氯與水分配系統(例如集管，其將過濾的水傳送到家庭和商業使用)中的可溶性TOC反應時形成的。降低原料水中的TOC水平，特別是可溶性TOC的水平減輕了味道和氣味問題，並且使得DBP的形成最小。TOC是由可溶性和不溶性化合物二者組成的。但是，單獨的隔膜過濾僅僅除去了 TOC的不溶性成分。用於除去TOC的可溶性成分的一種通常的方法包括將化學促凝劑引入到水流中，並且在隔膜過濾之前提供充分的混合和保持。金屬鹽基促凝劑與可溶性有機物經由稱作「電荷中和」的方法進行反應，這造成一部分的可溶性有機化合物從溶液中沉澱出來，由此使得它們從水中濾出。這些促凝劑的金屬基通常是鋁或者鐵。幾種化學促凝劑可以提供這種化學反應，例如硫酸鋁，氯化鐵，硫酸鐵，聚氯化鋁和水合氯化鋁。通過促凝劑除去TOC可以通過調整水的pH來進一步提高。通常，pH越低，TOC除去率越高。例如，當將促凝劑加入到水流中，並且將PH化學抑制到期望的水平和保持(例如pH 5. 5)，則能夠實現更高的TOC除去率水平。現有技術的方法以前假定對於最佳的有機物除去率與最佳隔膜性能來說，pH設定點是相同的，但是這並不必然是正確的。最佳隔膜性能可以定義為連續的過濾，具有1)沿著該隔膜的最低的壓力升高，該壓力是作為跨隔膜壓力(TMP)來測量的；和幻最低的化學清潔要求。跨隔膜壓力(TMP)通常是驅動液體流過交叉流動的隔膜的力的函數(TMP = {(供料壓力+滲餘物壓力)/2}-滲透物壓力)，而最低化學清潔要求是簡單的使得隔膜的結垢速率最小化的函數。在過濾過程中，隔膜的供料側處於比滲透物側更高的壓力下。這種壓力差迫使液體通過該隔膜。因此，升高的TMP是隔膜結垢的指示。現有技術的除去TOC的方法包括1)在隔膜過濾之後建立一種方法例如顆粒活性炭(GAC)吸附，2)在隔膜過濾之前加入化學促凝劑，而不控制pH，;3)在隔膜過濾之前，僅僅控制液-固分離器前面的PH，4)僅僅控制用於有機物除去的pH，5)在隔膜過濾之前建立離子交換方法，或者6)在隔膜過濾之後建立納米過濾或者反滲透方法。因此，令人期望的是一種用於水過濾的改進的方法，其提高了 TOC的除去率，同時優化了隔膜過濾器性能。

發明內容
本發明包括一種系統和方法，其用於提高從未淨化的、未處理的水中的總有機碳 (「T0C」)除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。本發明如下來克服了現有技術水過濾系統的許多缺點控制電磁顆粒電荷，以通過降低隔膜的結垢速率來提高隔膜過濾器的性能。結垢是有機和無機顆粒在隔膜表面上的積聚，其在定期回洗過程中不容易除去。 已經發現這些顆粒以及隔膜表面具有微安電荷。當所述顆粒的電磁電荷與隔膜表面的電磁電荷對準(align)時，這裡沒有電磁吸引，並且所過濾的顆粒在回洗過程中易於從隔膜表面上除去。但是，當顆粒的電磁電荷沒有與隔膜表面電荷對準時，該顆粒吸引到隔膜表面上，並且不易通過回洗除去，導致隔膜結垢。結垢速率可以歸因於顆粒與隔膜表面之間的電荷差異。通過調整水的PH，這些顆粒的電磁電荷會發生改變，並且與隔膜表面電荷對準，由此降低了隔膜的結垢和提高了隔膜的性能。在一種實施方案中，該系統包含兩階段方法，在其中在第二階段中，在隔膜過濾之前通過調整加入水中的酸或者鹼的量來控制水的電磁顆粒電荷。在該方法的第一階段中， 加入促凝劑，並且控制水的PH來實現在液-固過濾過程中最大的TOC的除去率。使用這種兩階段方法使得整個系統能夠更有效地運行，並且進一步實現了最大的TOC除去率和最佳隔膜性能。在第二實施方案中，本發明的系統包含單個階段或者直接供料模式，在其中控制 PH/電磁電荷水平，以使得添加有促凝劑的水可以繞過澄清器，並且直接去向隔膜過濾系統。在直接供料模式中，促凝劑是在混合系統之前添加的。所述水的PH和電磁顆粒電荷可以依靠PH控制，微安流動電流控制，具有溫度校正和/或TMP/阻力/滲透性控制的pH控制來進行控制。這些控制機構中的任何一個或者組合可以用於通過調整酸或者鹼添加水平來保持最佳的設定點。通常，將所述水的PH和電磁顆粒電荷保持在這樣的水平，其實現了儘可能高的TOC除去率，同時優化了隔膜性能。本發明的過濾系統可以進一步包括計算機化的主控制系統，其連續地監控所述過濾系統，並且基於多個標準來自動調整酸和鹼添加水平和加入到水中的促凝劑的量。該主控制系統使得過濾系統在運行中能夠精細調整，來提高從未淨化的、未處理的水中除去總有機碳(「T0C」)的除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。本發明上述的以及另外的特徵和優點將從下面所撰寫的詳細描述中而變得顯而易見。


本發明的新穎特徵可信特性是在所附的權利要求中闡述的。但是，本發明本身，以及優選的使用模式，其另外的目標和優點，將通過參考下面的示例性實施方案的詳細說明以及結合附圖的閱讀而能夠最好地理解，在其中
圖1是本發明隔膜過濾系統的第一實施方案的示意圖； 圖2是本發明隔膜過濾系統的第二實施方案的示意圖；和圖3是本發明隔膜過濾系統的主控制板的示意圖。在該附圖的不同圖中使用時，相同的附圖標記表示相同或者類似的部件。此外，當其中使用術語「頂部」、「底部」、「第一」、「第二」、「上部」、「下部」、「端部」、「側部」、「水平」、「垂直」和類似的術語時，它應當理解為這些術語僅僅涉及到附圖所示的結構，並且僅僅用於便於描述本發明。繪製全部的圖僅僅是為了容易解釋本發明的基本教導；將解釋對於該附圖的部件的數字、位置、關係和尺寸進行擴展來形成優選的實施方案，或者在已經閱讀和理解了本發明下面的教導之後將是本領域技術人員能夠想到的。此外，精確尺寸和尺寸比例來符合特定的力，重量，強度和類似要求同樣也在已經閱讀和理解了本發明下面的教導之後將是本領域技術人員能夠想到的。
具體實施例方式本發明包括一種方法和系統，其用於提高從未淨化的、未處理的水中的總有機碳 (「T0C」)除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。本發明通過降低隔膜過濾器的結垢速率而提高了隔膜過濾器性能。結垢是有機和無機顆粒在隔膜表面上的積聚，其在定期回洗過程中不容易除去。 已經發現低壓隔膜結垢可以由有機和無機顆粒與隔膜表面接觸而引起。已經確定了這些顆粒以及隔膜表面具有微安電荷。另外還確定了顆粒的微安電荷並不總是與隔膜表面上的天然表面電荷對準的。雖然過濾隔膜的表面電荷是相當恆定的，但是該電磁顆粒電荷更容易根據因素例如促凝劑劑量、PH變化、溫度、粒度等等而變化。因此，重要的是控制或者「對準」隔膜表面電荷的顆粒電荷。用「對準」表示控制顆粒電荷，以使得它匹配隔膜表面電荷。根據本發明的系統和方法，這種對準是如下來實現的控制酸或者鹼供料來保持期望的顆粒電荷，以使得它匹配隔膜的表面電荷。當電磁顆粒電荷與隔膜表面電荷對準時，電磁吸引停止，並且過濾的顆粒在回洗過程中易於從隔膜表面上除去。但是，當電磁顆粒電荷不與隔膜表面電荷對準時，所述顆粒被吸引到隔膜表面上，並且發生了結垢。結垢速率可以歸因於顆粒和隔膜表面之間的電磁電荷的差異。通過調整水的pH， 可以改變這些顆粒的電磁電荷，並且與隔膜表面的電磁電荷對準，由此降低隔膜的結垢和提高隔膜的性能。根據本發明的方法和系統，控制該顆粒電荷，以使得所述顆粒的微安電荷與隔膜表面電荷對準，由此使得過濾的顆粒在回洗過程中易於從隔膜表面上除去。例如，參考圖1，描述了本發明隔膜過濾系統的第一實施方案。如圖1所示，該隔膜過濾系統包含了兩階段系統，其提高從未淨化的、未處理的源水中的總有機碳(「T0C」)除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。在第一階段中，將未淨化的未處理的源水流10導入第一或者主混合槽14中，在這裡向它中加入促凝劑，並且控制所述水的PH，以使得在液-固分離過程中除去最大水平的 TOC0當該促凝劑徹底共混和所述水的pH穩定時，該第一階段的水從主混合槽14流出，並且通過機械澄清器觀。該澄清器觀，或者液-固分離器，從水中分離了該化學絮凝的顆粒， 並且將它們從系統中除去。在這個單元中除去了化學沉澱的T0C。在第二階段中，控制水的顆粒電荷來實現最佳隔膜過濾器性能。該第一階段的水流過澄清器觀，並且引入到次混合槽30中。在該次混合槽30中，監控所述水的顆粒電荷， 並且將適量的酸或者鹼加入到水中來保持最佳電荷窗(其是與隔膜表面的電磁電荷匹配的)。對該最佳電荷窗(其典型地處於低陰離子(_)範圍中)進行選擇，來與隔膜的天然表面電荷對準，以降低結垢。因此，該隔膜過濾器的電磁電荷取決於所使用的過濾器的類型。 該顆粒電荷還會受到因素例如水中的紊流增加/降低，溫度，電導率和顆粒的類型的影響。 當水的顆粒電荷穩定時，所述水從次混合槽30中流出，並且行經低壓隔膜過濾器50。該隔膜過濾器50除去了水中的顆粒，該顆粒大於隔膜的孔徑。另外，還可以監控水的pH，跨隔膜壓力(「TMP」)，隔膜阻力，和隔膜滲透性來防止失控的化學品添加劑量。該隔膜過濾系統提供了在分配到家用和商業前的水消毒之前，最終的加工步驟。過濾的水典型地存儲在清潔井中，向其中加入氯來防止分配系統的水中的生物生長。使用這種兩階段方法使得整個過濾系統能夠更有效地運行。重新參考圖1，本發明隔膜過濾系統的第一實施方案將更詳細地描述。將未淨化的未處理的源水流10導入到主混合槽14中，該混合槽優選是鋼質、玻璃纖維或者混凝土容器。該源水10然後基於多種因素來添加有效量的促凝劑，例如體積，TOC水平，分配系統滯留時間和溫度。例如，該系統可以包括流量計12，其監控進入主混合槽14的水的體積。該系統還可以包括TOC分析儀62和UV 2M分析儀64，其進一步監控主混合槽14中的水。該TOC分析儀62測量了水中的TOC的量。UV 2M分析儀64提供了對於這一部分的TOC的測量值， 該部分的TOC是與氯的反應性最大的，並且導致形成了消毒副產物(「DBP」)。兩種分析儀將水從主混合槽14中抽出，過濾該水，和提供測量，其模擬了聚沉，pH調整和過濾過程。簡而言之，該測量模擬了將進入到分配系統中的水。
溫度傳感器44監控了所述系統中的水溫。雖然在圖1中將溫度傳感器44表示為用於測量次混合槽30中的水溫，但是應當理解溫度傳感器44可以包含處於系統不同位置上的一種或多種溫度監控器。例如，溫度傳感器44可以位於水處理系統的排出點，水處理系統的進入點，或者處於主混合槽14中。水溫是在確定促凝劑和氯劑量中被認為是重要的變量，因為有機物和氯之間的反應隨著溫度升高而提高，在水中形成了更多的消毒副產物 (「DBP」)。基於多種因素(例如體積流量，TOC水平和溫度)的分析，然後向源水10中加入有效量的促凝劑。在此處使用時，「有效量」的促凝劑表示足以引起水中的可溶性TOC顆粒沉澱的量。使用實際水樣品的實驗室模擬能夠確定實現可溶性有機化合物所期望的沉澱(表示為所需要的TOC除去率％)所必需的促凝劑量和PH水平。例如，水處理設備通過實驗室試驗來確定目標的40%可溶性TOC除去率將降低DBP形成到一定界限中，來符合聯邦界限(Stagel and Stage2 DBP Rule)。有效量的促凝劑典型的範圍是1份/百萬份 (「ppm」)到50ppm，但是可以高到250ppm。較高劑量的促凝劑通常產生了較高的TOC除去率，但是這裡存在著一個閾值，超過該閾值時不管劑量如何TOC除去率都會停止。能夠使用的促凝劑的例子包括硫酸鋁，聚氯化鋁(polyaluminum chloride)，水合氯化鋁(aluminum chlorhydrate)，硫酸鐵和氯化鐵。在一種優選的實施方案中，圖1所示的過濾系統進一步包括主控制板60，其收集和分析了來自流量計12，TOC分析儀62和UV 2M分析儀64的輸入，來確定待加入到主混合槽14的水中的促凝劑的有效量。來自流量計12，TOC分析儀62和UV 2M分析儀64的測量數據典型地依靠無線或者電路電信號通訊被送到主控制板60。基於來自流量計12、溫度傳感器44、T0C分析儀62和UV 254分析儀64的輸入數據，主控制板60使用了程序化的算法來計算待加入到主混合槽14的水中的促凝劑的有效量。主控制板60然後將電信號送到促凝劑添加系統16，來將有效量的促凝劑加入主混合槽14中。可選擇的，該促凝劑可以在主混合槽14上遊進一步添加。使用這種用於促凝劑添加的自動系統提供了對於促凝劑的準確計量，降低了所需的促凝劑的量，和通過避免促凝劑過量添加而降低了運行成本。還監控了主混合槽14中水的pH。基於pH和TOC水平的分析，將適量的酸或者鹼加入該水中來提高TOC從源水中的沉澱。在一種優選的實施方案中，所述系統包括pH探頭沈，其將電信號送到主控制板 60。該主控制板60使用來自pH探頭26、TOC分析儀62和UV 254分析儀64的輸入數據， 來計算待加入到主混合槽14的水中的酸或者鹼的適當量。根據本發明的方法，主混合槽14中的水典型的添加有酸或者鹼，來將pH保持在 4. 0-6.0標準單位。降低水的pH導致了更高的TOC除去率，因為可溶性TOC除去率典型地隨著PH抑制而升高。pH值對於絮凝有著深刻的影響，因為它改變了有機物的離子特性。該有機物的電荷對包圍住它們的帶正電荷的氫離子和帶負電荷的氫氧根離子的濃度發生響應而變化。水中的有機物隨著PH而變得帶有更多的負電荷(即，「陰離子」)和隨著pH降低而帶有更多的正電荷(即，「陽離子」)。所以，有機物除去率隨著pH抑制而提高。例如，如果向含有有機物的源水中添加20ppm的促凝劑(酸性/陽離子的)，則實現了 X量的絮凝/沉澱。但是，如果向該源水首先添加20ppm的促凝劑(酸性/陽離子的)， 然後用酸抑制水的PH，則能夠實現更高量的絮凝/沉澱(例如X +m)。氫氧根離子的濃度(其包圍著它們和帶有正電荷絮凝的顆粒(沉澱的金屬/鹽酸性促凝劑))變得更有效。通常，可溶性TOC除去率隨著pH抑制而增加。但是，這裡存在著一個閾值，超過其時不管pH 抑制多少，TOC除去都會停止。例如，當使用鋁基促凝劑時，TOC除去水平在pH大約5. 0標準單位時不再變化，當使用鐵基促凝劑時，TOC除去水平在pH大約4. 0標準單位不再變化。主控制板60然後將電信號送到主酸/鹼添加系統18，來將適量的酸或者鹼加入到主混合槽14中。因為在這個階段所期望的pH是低時，因此主酸/鹼添加系統18通常將需要將酸加入主混合槽14中。能夠使用的酸的例子是硫酸或者磷酸。所述的水，促凝劑和酸或者鹼然後在主混合槽14中混合。該主混合槽14可以包含具有單個混合器20的單個混合區(如圖1所示)，或者包含具有多個混合器22，24的多個混合區(如圖2所示)。還可以在固體接觸澄清器的提升管中使用混合器，因此降低了對於主混合系統的要求。本說明書證實了對於混合和保留的需要。本作者承認這裡存在著可選擇的方式來實現這種目的，而無需這種混合槽。該混合器優選是垂直安裝的槳葉類型攪拌器。參考圖2，當使用多個混合區時，第一區包含了快速混合器22，其快速地混合水來快速分散促凝劑，和第二區含有慢速絮凝或者熟化混合器M，其促進了化學沉澱顆粒的絮凝。 將水在主混合槽14中保持足夠的時間，來將促凝劑完全共混到該水中和將pH穩定到所期望的點。在主混合槽14中典型的保留時間是1分鐘-30分鐘。現在參考圖1，當促凝劑完全共混和水的pH穩定時，第一階段的水從主混合槽14 流出，並且行經機械澄清器觀。該澄清器觀或者液-固分離器從水中分離了化學絮凝的顆粒，並且將它們從系統中除去。在這種單元中發生了化學沉澱的TOC除去。澄清器觀可以是幾種類型之一，包括斜板沉降器，重力澄清器，固體接觸澄清器，淤漿層澄清器(Sludge blanket clarifier)，或者溶解的空氣浮選單元。每種類型的澄清器具有取決於原料水源品質的益處。該水然後從澄清器28中流出，並且導入次混合槽30中。該次混合槽30，類似於主混合槽14，可以包含具有單個混合器34的單個混合區(如圖1所示)，或者具有多個混合器22，24的多個混合區(如圖2所示)。在次混合槽30中，監控水的顆粒電荷，並且將適量的酸或者鹼加入到該水中來保持最佳電荷窗，以匹配隔膜表面的電磁電荷。選擇該最佳電荷窗(其典型地處於低的陰離子㈠範圍中)來與隔膜的天然表面電荷對準，以降低結垢。因此，目標的電磁電荷可以根據所用的過濾器類型而變化。聚合物隔膜過濾器的製造商可以使用不同的隔膜材料(例如聚偏氟乙烯「PVDF」，聚醚碸「PES」等等)，其能賦予不同的表面電荷特性。另外，不同的製造技術毫無疑問將產生具有不同的表面電荷特性的隔膜。因為所期望的電磁電荷範圍處於低的陰離子範圍，因此通常需要添加鹼。添加鹼將陰離子引入水中，並且通過使得負荷有更多的陰離子(_)電荷而影響顆粒的電磁電荷。能夠使用的鹼的例子是苛性鈉或者蘇打灰。該顆粒電磁電荷也會受到因素例如水中的紊流增加/降低，溫度，電導率和顆粒類型的影響。例如，水源中的顆粒幾乎總是帶有陰離子電荷。因此，紊流越高，整體電荷越高。相反，加入促凝劑將作為帶有陽離子電荷的絮凝的顆粒而沉澱。較高或者較低的劑量將抵消天然存在的陰離子電荷。所形成的電荷因此取決於天然存在的顆粒電荷和「所引入的」絮凝物電荷。溫度也會改變顆粒電荷。隨著溫度降低，整個陰離子顆粒電荷也將降低。但是， 微安流動電流監控器測量了流動的水流的電荷，而不管紊流，電導率或者溫度如何變化。
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例如，在一種實施方案中，次混合槽30的水的顆粒電荷優選是通過微安流動電流監控器40來監控的，其顯示了所述水中的顆粒的微安電荷。該顆粒的電磁電荷可以通過其它裝置來監控，例如顆粒電荷分析儀或者ζ電勢分析儀。每種裝置通過不同的方法測量了顆粒電磁電荷，並且使用了不同的標準和單元。例如，在本申請中所給出的全部特定數字基於通過由Milton Roy Company所製造的微安流動電流監控器所進行的測量。實際的數字將取決於用於測量電磁電荷的裝置而變化。流動電流監控器40將電信號送到主控制板60，其確定了適量的酸或者鹼來加入到水中，來將電荷保持在-9. 8到-9. 4微安。應當理解這種電荷讀數可以根據製造商的不同而變化，並且取決於方法校準。選擇這種最佳電荷窗來匹配隔膜表面的電磁電荷。主控制板60將電信號送到次酸/鹼添加系統32，來將適量的酸或者鹼加入到次混合槽30中。所述水和酸或者鹼在次混合槽30中混合。當該水的顆粒電荷穩定時，該水從次混合槽30中流出，並且通過低壓隔膜過濾器50。該隔膜過濾器50從水中除去顆粒，該顆粒大於隔膜的孔徑，其典型的是0. 04 -0.1微米。該隔膜過濾系統提供了在水消毒和分配到家用和商業之前，最終的加工步驟。雖然僅僅提到了隔膜過濾器，但是常規的過濾器也可以用於本發明中。低壓隔膜過濾器是通過下面的模式來運行的用於壓力基隔膜過濾系統的供料壓力模式或者用於浸沒或者真空基隔膜過濾系統的真空壓力模式。在供料壓力模式中，該隔膜過濾系統使得水在直接供料壓力下通過該隔膜。在真空壓力模式中，該隔膜過濾系統在真空下牽引水通過該隔膜。該過濾運行可以通過時間間隔(過濾的分鐘數)來設定或者該運行可以通過升壓或者結垢確定。在水通過隔膜過濾器50之後，將該水存儲在清潔井70中。將氯加入到該清潔井 70的水中。在分配系統之前，需要將氯消毒引入到水流中來防止該過濾供水的生物生長或者汙染。所述系統可以進一步包括清潔井水平儀66，其監控該清潔井70中的水和將信息經由電信號提供到主控制板60，來確定水在該分配系統中的保留時間。該保留時間是重要的，因為受控制的化合物例如HAA和THM的消毒副產物(DBP)的形成是隨著時間變化而發生的。在該分配系統中的保留時間越長，這些受控制的化合物的形成越多。圖1所示的本發明的系統可以進一步包括這樣的裝置，其用於控制加入到清潔井 70的水中的氯的量。例如，基於來自溫度傳感器44、T0C分析儀62、UV 2 分析儀64和清潔井水平儀66的輸入信號，該主控制板60可以確定需要加入到清潔井70的水中的氯的量。主控制板60將電信號送到氯添加系統68中，來加入所需量的氯。圖1所示的本發明的系統可以進一步包括保護系統，其中監控次混合槽30中的水的PH，來確保該次混合槽30中的水的pH保持在最佳pH窗中。例如根據本發明的方法和系統，通過pH探頭42來監控次混合槽30中的水的pH。 PH探頭42將電信號送到主控制板60，其確定了該水的pH是否處於最佳pH窗中。如果該水的PH處於預定的上限或者下限pH值(其對應於最佳pH窗)之外，則主控制板60發送電信號來關閉主和次酸/鹼添加系統18，32，直到收到pH讀數處於最佳pH窗內為止。與這樣的故障保險系統相一致，可以用關閉促凝劑、酸和鹼供料系統來觸發警報。另外，操作者在手工重新啟動所述系統之前將典型地檢查整個系統。最佳電磁電荷和PH窗取決於水源和所用的促凝劑類型。通常，最佳PH窗處於大約7. 0-8. 0標準單位中，但是其取決於所用的水和促凝劑的特性。最佳電磁電荷窗還可以根據所用的金屬/鹽促凝劑類型(例如鋁或者鐵基)而輕微變化。該保護系統還可以包括用於監控隔膜過濾器50性能的機構。當顆粒電荷或者pH 處於對於最有效的隔膜性能來說最佳窗之外時，隔膜性能立即降低。例如，如果對於給定的水流來說，所期望的顆粒電荷是-9. 7微安和相應的pH是7. 3，並且已經通過試驗確定了溫度變化，其改變了顆粒電荷落入到7. 1-7. 4的pH值，pH下限6. 9和pH上限7. 6可以併入到該主控制中。脫離這種預定範圍的PH測量值應當是這樣指示，S卩，在這裡化學品添加量可能是有問題的。作為故障保險措施，所述系統會觸發一個警報，並且關閉化學品供給。也可以通過隔膜性能傳感器46來監控隔膜過濾器50的跨隔膜壓力(「TMP」)、隔膜阻力和隔膜滲透性。該隔膜性能傳感器46將電信號送到主控制板60，其確定了 TMP、隔膜阻力或者隔膜滲透性是否處於預定的條件中。例如，如果已經確定了在正常的工作條件下， 該系統經歷了比如說0.2 psi/天的可接受的TMP升高，則作為故障保險措施，超過0.5psi/ 天的TMP升高速率將觸發警報，並且關閉化學品供給。當TMP、隔膜阻力或者隔膜滲透性處於該預定條件之外時，主控制板60關閉次酸/鹼添加系統32，直到接收到處於預定條件中的測量值為止。在該方法的第二階段中控制顆粒電荷和監控pH、TMP、隔膜阻力和隔膜滲透性提高了該隔膜過濾系統的性能。具體地，所獲得的優點是更高的隔膜過濾速率，更長的隔膜過濾間隔，較少的隔膜回洗廢物和由此的節水，較低的隔膜化學清潔要求，以及更長的隔膜壽命。重新參考圖2，將更詳細地描述本發明隔膜過濾系統的第二實施方案。圖2所示的隔膜過濾系統的實施方案包含單階段或者直接供料模式過濾方法。與第一實施方案相反， 該直接供料模式不包括澄清器元件。在該直接供料模式中，水繞過澄清器，並且直接去往隔膜過濾系統。如上面的涉及到該兩階段方法的第一階段的段落中所公開的，可以將水的PH 降低到低達4. 5-5. 0標準單位，來實現最高的TOC除去率。但是，在這種pH和顆粒電荷水平，如果水繞過澄清器，並且直接供給到隔膜上，則在該隔膜上的結垢速率將大大提高。所以，在該直接供料模式中，水的PH和顆粒電荷必須保持在這樣的水平，其達到了儘可能高的TOC除去率，同時優化了隔膜性能。如圖2是直接供料模式實施方案的示意圖所示，未淨化的、未處理的源水流10被導入到混合槽14中，在這裡基於多種因素例如體積、TOC水平和溫度而向它中加入了有效量的促凝劑。該體積可以依靠流量計12來測量，其監控了流入混合槽14的源水10的體積。 該TOC水平可以依靠前述的TOC分析儀62和UV 2M分析儀64來測量。該溫度可以依靠溫度傳感器44來測量。還依靠微安流動電流監控器40監控了混合槽14的水的顆粒電荷。混合槽14中的水然後用適量的酸或者鹼添加，來將該水的顆粒電荷保持在對於隔膜過濾器50來說最佳的電荷窗中。一旦混合槽14中水的電磁電荷穩定了，並且促凝劑完全分散，則將水通過隔膜過濾器50，其從水中濾出了絮凝物和不溶性顆粒。圖2所示的系統還可以包括保護系統用於防止失控的化學品添加，包含用於監控混合槽14中水的pH的pH探頭42，和隔膜性能傳感器46，其監控了該隔膜的TMP、隔膜阻力和隔膜滲透性。應當接受任何用於發現pH、TMP、隔膜阻力或者隔膜滲透性處於預定值之外的測量值，該系統可以關閉直到接收到可接受的測量值為止。在圖2所示的過濾系統的一種優選的實施方案中，該系統進一步包括主控制板 60，其收集和分析來自流量計12、T0C分析儀62和UV 254分析儀64的數據輸入，來確定待加入到混合槽14的水中的促凝劑的有效量。來自流量計12，T0C分析儀62和UV 2M分析儀64的測量數據典型地依靠無線或者電路電信號通訊被送到主控制板60。基於來自流量計12、溫度傳感器44、T0C分析儀62和UV 254分析儀64的輸入數據，主控制板60使用了程序化的算法來計算待加入到混合槽14的水中的促凝劑的有效量。例如，流量計12將關於進入混合槽14的水的體積的電信號送到主控制板60中。 溫度傳感器44、T0C分析儀62和UV 254分析儀64監控了混合槽14中的水，並且將它們的測量數據經由電信號送到主控制板60。基於來自流量計12、溫度傳感器44、T0C分析儀62 和UV 254分析儀64的數據，主控制板60使用了程序化的算法來計算待加入到混合槽14 的水中的促凝劑的有效量。主控制板60然後將電信號送到促凝劑添加系統16，其將有效量的促凝劑加入混合槽14中。主控制板60還可以用來監控和將混合槽14中的水的顆粒電荷保持在最佳電荷窗中。例如混合槽14中的水的顆粒電荷是通過微安流動電流監控器40來監控的。微安流動電流監控器40將電信號送到主控制板60，其計算了待加入到水中來將顆粒電荷保持在最佳電荷窗中的酸或者鹼適當的量。主控制板60將電信號送到酸/鹼添加系統18中，來將適量的酸或者鹼加入混合槽14中。混合槽14可以包含具有單個混合器20的單個混合區(如圖1所示)，或者優選包含具有多個混合器22，24的多個混合區(如圖2所示)，來徹底混合水、促凝劑和酸或者鹼。該混合器優選是垂直安裝的、槳葉類型的攪拌器。參考圖2，當使用多個混合區時，第一區典型地包含了快速混合器22，其快速混合水來快速分散促凝劑，和第二區含有慢速絮凝或者熟化混合器M，其促進了化學沉澱顆粒的絮凝。一旦混合槽14中的水的電磁電荷穩定了，並且促凝劑完全分散了，則將處理過的水立即引導通過隔膜過濾器50，其將絮凝物和不溶性顆粒從水中濾出。主控制板60也可以用於在水前進通過所述系統時監控該水的pH水平，並且監控隔膜性能數據，來自動保護過濾系統免於失控的化學品添加。例如，主控制板60可以經由來自PH探頭42 (其測量了主混合槽14中的水的pH)和隔膜性能傳感器46 (其測量了隔膜的TMP、隔膜阻力和滲透性)的電信號來監控測量數據。如果收到了處於pH、TMP、隔膜阻力或者隔膜滲透性的預定值之外的測量值，則主控制板60關閉酸/鹼添加系統18，直到收到可接受的測量值為止。在通過隔膜50過濾之後，該過濾的水可以導向清潔井70來臨時存儲。清潔井水平儀66監控了清潔井70中的水，並且提供關於水在分配系統中的保留時間的信息。基於來自溫度傳感器44、T0C分析儀62、UV 2 分析儀64和清潔井水平儀66的輸入數據，可以計算所需的氯的量，以使得氯添加系統68能夠將必需量的氯分配到清潔井70中。在一種優選的實施方案中，主控制板60被用於監控、計算和分配必需量的氯到清潔井70中，來保持安全飲水。例如清潔井水平儀66監控了清潔井70中的水，並且通過電信號將關於水在分配系統中保留時間的信息提供到主控制板60。基於來自溫度傳感器44、 TOC分析儀62、UV 254分析儀64和清潔井水平儀66的輸入數據，主控制板60計算了所需
12的氯的量，並且將電信號送到氯添加系統68中，來將必需量的氯送入清潔井70中。參考附圖(特別是圖幻，主控制板60使得本發明的方法自動化，來控制在過濾方法過程中加入的促凝劑、酸或者鹼和氯的量。基於在整個方法中來自分析儀的輸入數據，主控制板60計算了 TOC除去率所需的實際的促凝劑劑量，來將滷代乙酸(「HAA」)和三滷代甲烷(「THM」)的消毒副產物形成保持到低於規定限度。主控制板60還可以確定是否需要 PH調整以及相結合的促凝劑添加，計算將顆粒電荷保持在最佳電荷窗中所需的酸或者鹼劑量，和計算將分配系統保持在規定的殘留物限度中所需的實際的氯或者消毒劑。在一種實施方案中，主控制板60包含了用於接收電信號的接收器。電信號典型的是4-20mA信號，雖然其它傳輸手段也是可能的。主控制板60接收了來自流量計12、pH探頭沈，42、溫度傳感器44、微安流動電流監控器40、隔膜性能傳感器46、TOC分析儀62、UV 2M分析儀64和清潔井水平儀66的信號。氯殘留分析儀同樣也可以任選地提供輸入信號。基於該輸入數據，通過數學公式或者編程到主控制板60中的算法來確定待加入的促凝劑、酸或者鹼、和氯的適當的量。該數學公式或者算法基於實驗室模擬，該實驗室模擬使用了變化的促凝劑(變化的濃度)和變化的PH水平來確定了 TOC除去率。另外，還可以進行這樣的實驗室模擬，其模擬了 DBP的形成和測量了 HAA和TTHM在某溫度隨著時間變化的形成。這種試驗和模擬，以及TOC除去和DBP 「原位」形成，可以提供代入所述公式/ 算法中所必需的信息，主控制板使用該信息來加入促凝劑，設定PH和加入氯。主控制板60 的發射器然後將電信號送到促凝劑添加系統16，酸/鹼添加系統18，32，和氯添加系統68， 來將適量的各自的化學品加入水中。主控制板60還保護以抵抗這樣的可能性，S卩，在控制pH和顆粒電荷中過量加入酸或者鹼。pH，TMP，隔膜阻力和隔膜滲透性的默認設定點存儲在主控制板60中。當收到處於這些設定點之外的測量值時，主控制板60經編程來關閉酸和鹼添加，直到獲得處於設定點中的可接受的測量值為止。例如，如果最佳隔膜性能窗PH是7. 2-7. 5標準單位，則當pH測量為處於這種窗口之外時，主控制板60將不允許pH添加系統來添加。現在對本領域技術人員來說很顯然這裡已經描述了改進的隔膜過濾系統和方法。 其提高了總有機碳除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。雖然這裡本發明已經經由優選的實施方案進行了描述，但是很顯然可以使用其它的改變和改進，而不脫離其主旨和範圍。例如，上述用於使得TOC除去率和隔膜過濾性能最大化的方法還可以包括控制水中的其它成分例如鹼度調整，改變兩階段化學促凝劑的類型，和粉末化活性炭(「PAC」)添加。其它工藝可以加入到所述方法中例如在該方法之前的離子交換和在該方法之後的粒狀活性炭吸附或者所述的方法可以是用於飲用水過濾的孤立方法。該方法的靈活性允許使用更新類型的液-固澄清器和更新的、更先進的隔膜材料。上述發明公開了一種系統和方法，其用於提高從未淨化的、未處理的水中除去TOC 的除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。雖然本發明已經進行了具體表示和描述，但是本公開不打算限制本發明的範圍。這裡所使用的術語和表述是作為說明性術語使用的，而非限制；並因此，這裡不打算排除等價物，而是相反，其目的是覆蓋任何和全部的能夠使用的等價物，而不脫離本發明的主旨和範圍。本領域技術人員將理解可以在其中進行不同形式的改變和調節，而不脫離本發明的主旨和範圍。
權利要求
1.方法，該方法用於優化從水中除去總有機碳(TOC)的除去率，同時提高隔膜過濾器的性能，該方法包括在所述水被引導通過所述的隔膜過濾器之前，調整所述水的PH水平， 以使得所述水的顆粒電荷與所述隔膜過濾器的電磁表面電荷對準。
2.權利要求1的方法，其中所述的調整步驟包括使用微安流動電流監控器測量所述水的顆粒電荷，和向所述水添加酸或者鹼來將所述水的顆粒電荷保持在所述隔膜過濾器的最佳電荷窗中。
3.權利要求2的方法，其中所述最佳電荷窗的範圍是-9.8到-9. 4微安。
4.權利要求2的方法，進一步包括在所述的調整步驟之前，將有效量的促凝劑分散到所述水中，其中所述的有效量的促凝劑是基於所述水的體積、TOC水平和溫度來確定的。
5.權利要求4的方法，進一步包括在所述的促凝劑分散步驟之前，抑制所述水的pH。
6.權利要求5的方法，其中所述抑制所述水的pH包括向所述水添加酸或者鹼，來將 PH保持在4. 0-6. 0標準單位。
7.權利要求6的方法，進一步包括在所述的調整步驟之前，但是在所述的促凝劑分散步驟之後，弓I導所述水通過機械澄清器裝置。
8.權利要求4的方法，其中所述有效量的促凝劑另外基於所述隔膜的最佳電荷窗。
9.權利要求1的方法，進一步包括使用連接到所述隔膜的傳感器來監控隔膜過濾器的性能測量值，和當所述的性能測量值超過預定值時防止所述水被引導通過所述的隔膜過濾器。
10.權利要求9的方法，其中所述隔膜過濾器性能數據包括所述隔膜的跨隔膜壓力的測量值。
11.權利要求9的方法，其中所述隔膜過濾器性能數據包括所述隔膜的阻力的測量值。
12.權利要求9的方法，其中所述隔膜過濾器性能數據包括所述隔膜的滲透性的測量值。
13.隔膜過濾系統，用於優化從水中除去總有機碳的除去率同時提高隔膜過濾器的性能，該系統包含第一混合槽，其用於在所述水被引導通過所述隔膜過濾器之前，保持所述水； 微安流動電流監控器，其用於測量在所述第一混合槽中的所述水的顆粒電荷； PH探頭，其用於測量所述的第一混合槽中所述水的pH ；和機構，其用於在所述水被引導通過所述的隔膜過濾器之前，調整所述水的PH水平，來使得所述水的所述顆粒電荷與所述隔膜過濾器的電磁表面電荷對準。
14.權利要求13的隔膜過濾系統，其中所述的用於調整pH水平的機構包含酸/鹼添加系統，其是得自所述的微安流動電流監控器和所述的PH探頭的響應性測量值。
15.權利要求13的隔膜過濾系統，進一步包括促凝劑添加機構，用於將促凝劑加入到在所述的第一混合槽中的所述水中。
16.權利要求15的隔膜過濾系統，進一步包括混合裝置，用於將所述的促凝劑分散到所述水中。
17.權利要求15的隔膜過濾系統，進一步包括 用於確定所述的第一混合槽中水的體積的機構； 用於分析所述水中TOC的量的機構；和用於測量所述水的溫度的機構；控制裝置，其用於確定供促凝劑添加機構加入到所述水中的促凝劑有效量；其中所述的控制裝置基於所述的混合槽中所述水的體積、TOC水平和溫度，來確定所述促凝劑的有效量。
18.隔膜過濾系統，用於優化從水中除去總有機碳的除去率同時提高隔膜過濾器的性能，該系統包含第一混合槽，用於接收來自源的未淨化的、未處理的水，所述的第一混合槽包括a)促凝劑添加機構，用於將促凝劑分配到所述第一混合槽中的水中，和b)主酸/鹼添加系統，用於調整所述的第一混合槽中水的pH水平；流體連接到所述的第一混合槽的澄清器裝置，所述的澄清器經配置以接收來自所述的第一混合槽的水，並且從所述水中過濾出化學絮凝的顆粒；和流體連接到所述的澄清器裝置的第二混合槽，所述的第二混合槽經配置以接收來自所述的澄清器裝置的水，並且將水導向所述的隔膜過濾器，所述的第二混合槽包括；a)微安流動電流監控器，其用於測量所述的第二混合槽中水的顆粒電荷，和b)次酸/鹼添加系統，其用於調整所述的第二混合槽中的水的pH水平，其中，在將水導向所述的隔膜過濾器之前，所述的次酸/鹼添加系統基於來自所述的微安流動電流監控器的測量值，來調整所述的第二混合槽中水的PH水平，以將所述水的顆粒電荷保持在所述的隔膜過濾器的最佳電荷窗中，該顆粒電荷與所述的隔膜過濾器的電磁表面電荷對準。
19.權利要求18的隔膜過濾系統，進一步包括連接到所述的隔膜過濾器的隔膜性能傳感器，其監控隔膜性能數據，並防止當所述的隔膜性能數據超過預定值時水被引導通過所述的隔膜過濾器。
20.權利要求19的隔膜過濾系統，其中所述的隔膜性能傳感器測量所述的隔膜過濾器的跨隔膜壓力、隔膜阻力和隔膜滲透性。
21.權利要求18的隔膜過濾系統，其中所述的第一和第二混合槽中的每一個進一步包括至少一個混合器元件。
22.權利要求18的隔膜過濾系統，其中所述的第一混合槽進一步包含c)用於確定所述的第一混合槽中的水體積的機構，d)用於分析所述水中TOC量的機構，和e)用於測量所述水溫度的機構；其中通過所述的促凝劑添加機構分配到所述水中的促凝劑的量基於所述的第一混合槽中所述水的體積、TOC水平和溫度。
全文摘要
一種系統和方法，其用於提高從未淨化的、未處理的水中除去總有機碳(「TOC」)的除去率，同時保持最佳隔膜過濾器性能。本發明如下來克服了現有技術水過濾系統的許多缺點在水被引導通過所述的隔膜過濾器之前，控制該水的pH水平，以使得該水的顆粒電荷與隔膜過濾器的電磁表面電荷對準。將水的顆粒電荷保持在具體的隔膜過濾器的最佳電荷窗中，通過降低該隔膜過濾器的結垢速率而提高了該隔膜過濾器的性能。
文檔編號B01D61/00GK102271790SQ200980151974
公開日2011年12月7日 申請日期2009年10月22日 優先權日2008年10月22日
發明者A. 麥克勞德 G. 申請人:西門子工業公司