專利名稱：用于處理飲用水的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于處理飲用水的方法和裝置，尤其是涉及一種在單個(gè)處理池中利用可再生離子交換樹脂與浸沒式膜過濾器的組合的處理方法。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
可以通過多種方法對(duì)原水進(jìn)行處理和凈化，以便使它適于飲用。給定水流的特定污染物適于使用特定的處理方法。離子交換樹脂用于水處理系統(tǒng)中，以便除去可溶解的化合物，其中某些化合物是有機(jī)物。微過濾和超過濾膜用于除去微粒。對(duì)于包含這兩種化合物的水流，必須先采用第一種處理，然后采用第二種處理。需要采用兩個(gè)分離的步驟將花費(fèi)較多時(shí)間，需要附加設(shè)備，并且增加了處理系統(tǒng)的總成本。因此，需要有一種改進(jìn)的飲用水處理系統(tǒng)，它能夠除去微粒和可溶解有機(jī)化合物，且該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相比具有成本效益和時(shí)間效益。
Benedek的美國專利No.6027649公開了一種在單個(gè)反應(yīng)器池中利用ZEWEED浸沒式膜過濾器與絮凝劑組合處理飲用水的方法，該浸沒式膜過濾器與絮凝劑在反應(yīng)器池中混合，并利用空氣泡保持懸浮。絮凝劑將成為有機(jī)物、顏料、細(xì)菌、胞(cyst)和其它雜質(zhì)的去除劑。使用由Benedek所述的絮凝劑需要使pH值保持在5-9的范圍內(nèi)。這需要向原水中添加酸或堿，以便保持所需的pH值范圍。盡管Benedek介紹了使用絮凝劑與膜過濾器組合的單個(gè)池，但是為了除去有機(jī)物而使用絮凝劑還需要隨后處置剩余的絮凝劑。因此，不僅必須合適處置剩余的絮凝劑，而且必須向反應(yīng)器池提供新的凝結(jié)劑，以便形成所需的絮凝劑。Benedek還公開了優(yōu)選是向反應(yīng)器池添加活性炭，以便除去溶解的有機(jī)物。不過，與絮凝劑一樣，這也產(chǎn)生了處置剩余的活性炭的問題，并需要向反應(yīng)器池中補(bǔ)充新的活性炭。
Daly的美國專利No.6120688涉及一種水的凈化方法，該方法也利用ZEWEED膜過濾器。尤其是，Daly介紹了首先利用ZEWEED過濾器進(jìn)行微粒去除，隨后利用反向滲透作用來過濾水。盡管Daly消除了在Benedek專利中的絮凝劑和活性炭的處置問題，但是Daly專利需要兩個(gè)處理步驟，這增加了設(shè)備的尺寸和所需成本。
本發(fā)明用于克服一個(gè)或多個(gè)上述問題。
發(fā)明簡介本發(fā)明的第一方面是一種用于處理飲用水的方法。原水提供給處理池。離子交換樹脂添加到處理池中，以便形成原水/離子交換樹脂混合物。處理過的水通過膜過濾器從處理池中排出。優(yōu)選是，離子交換樹脂是磁性離子交換樹脂。該磁性離子交換樹脂利用高磁場梯度的過濾器而與原水/離子交換樹脂混合物分離。然后，優(yōu)選是使該分離的離子交換樹脂進(jìn)行再生，然后重新供給處理池。離子交換樹脂可以在外部逆流塔中進(jìn)行再生。也可選擇，該再生步驟通過向處理池中添加鹽溶液而在該處理池中進(jìn)行。然后，再生的離子交換樹脂再與原水/再生離子交換樹脂混合物分離。
本發(fā)明的另一方面是用于處理飲用水的裝置。該裝置包括用于接收原水的處理池。離子交換樹脂供給源與該處理池可操作地相連，以便向處理池中的原水提供離子交換樹脂。膜過濾器可操作地與處理池相連，以便使微粒物質(zhì)與通過該膜過濾器從處理池排出的處理過的水分離。該裝置還可以包括樹脂分離器，該樹脂分離器可操作地與處理池相連，以便從離子交換樹脂/原水混合物中除去離子交換樹脂。在本實(shí)施例中，離子交換樹脂優(yōu)選是磁性離子交換樹脂，樹脂分離器優(yōu)選是高磁場梯度的過濾器。優(yōu)選是，樹脂再生器接收由分離器除去的離子交換樹脂，以便通過使用鹽溶液而使該離子交換樹脂再生。優(yōu)選是，還提供有傳送器，用于將再生的離子交換樹脂傳送給離子交換樹脂供給源。樹脂分離器可以是外部逆流塔，它使用鹽溶液來再生離子交換樹脂。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，在處理池中提供有充氣器，以便攪動(dòng)在處理池中的離子交換樹脂/原水混合物。
本發(fā)明的、用于處理飲用水的裝置和方法在單個(gè)池中組合了兩種分離處理技術(shù)，以便在單個(gè)處理過程中除去可溶解污染物和微粒。該裝置和方法使用離子交換樹脂，該離子交換樹脂可以從原水/離子交換樹脂混合物中分離，然后再生，以便重新使用。該方法既延長了離子交換樹脂的使用壽命，同時(shí)減小了現(xiàn)有技術(shù)的水處理系統(tǒng)中遇到的浪費(fèi)和處置問題。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明的飲用水處理系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的簡化示意圖，其中，樹脂的再生通過逆流塔進(jìn)行。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的簡化示意圖，其中，樹脂的再生在處理池中進(jìn)行。
圖4是表示基本的水處理過程的示意圖。
圖5是表示本發(fā)明的膜/樹脂處理的示意圖。
圖6A是表示再生處理柱床容積對(duì)接觸器樹脂濃度的控制效果的曲線圖，其中采用了圖1中所示的處理的數(shù)學(xué)模型。
圖6B是表示再生樹脂接觸時(shí)間對(duì)接觸器液壓滯留時(shí)間的控制效果的曲線圖，其中采用了圖1中所示的處理的數(shù)學(xué)模型。
圖6C是表示再生處理柱床容積對(duì)樹脂回收的控制效果的曲線圖，其中采用了圖1中所示的處理的數(shù)學(xué)模型。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明本發(fā)明的飲用水處理方法組合了兩種獨(dú)立的技術(shù)，以便在單個(gè)處理過程中除去天然有機(jī)物質(zhì)和微粒。該方法如圖1、2和3所示。參考圖1，來自原水池6中的原水在重力下或泵7的作用下引向處理池14。吸收離子交換樹脂通過泵送系統(tǒng)11而從樹脂儲(chǔ)存容器10添加到處理池14，該處理池14包含浸沒式膜過濾器12。合適的浸沒式過濾器是ZEEWEED膜(ZENON Environmental公司，加拿大安大略省)。該離子交換樹脂從水中除去溶解的天然有機(jī)物質(zhì)，而膜過濾器除去微粒。池14通過由充氣系統(tǒng)13進(jìn)行的充氣而進(jìn)行攪動(dòng)，以便使離子交換樹脂懸浮。處理過的水利用由泵15產(chǎn)生的真空(外側(cè)/內(nèi)側(cè))而從膜過濾器12的空心纖維膜向管路17抽出，處理過的水可以在該管路17中進(jìn)行消毒、儲(chǔ)存和分配。
離子交換樹脂具有用于吸附材料的有限容量。當(dāng)達(dá)到該容量時(shí)，樹脂必須丟棄或再生。在處理過程中，在處理池14中形成高濃度的離子交換樹脂，且該離子交換樹脂可以通過重力或泵16而除去。然后，用過的離子交換樹脂送向樹脂分離器18，在該樹脂分離器8處，離子交換樹脂從剩余的水中析出。然后，離子交換樹脂在再生儲(chǔ)器20中進(jìn)行再生。通常，通過用高濃度的鹽溶液進(jìn)行處理而進(jìn)行再生。再生的樹脂可以通過返回泵22由管路23A返回到處理池14中，或者通過管路23B傳送給離子儲(chǔ)存容器10。
在優(yōu)選實(shí)施例中，離子交換樹脂是磁性離子交換樹脂，例如由澳大利亞的Orica Watercare制造的MIEXDOC。優(yōu)選是，每升水使用大約20mL的MIEXDOC樹脂。這時(shí)，樹脂可以通過使用高磁場梯度過濾器(HGMF)23(只在圖2和3中表示，但是它也可以是圖1中的系統(tǒng)的一部分)而可選擇地從膜過濾器池中除去，該高磁場梯度過濾器23使樹脂與池中的水和其它微粒分離。
參考圖2，在另一實(shí)施例中，樹脂的再生通過逆流塔24來實(shí)現(xiàn)，在該逆流塔24中，鹽溶液通過該逆流塔向上泵送，以便從樹脂中除去有機(jī)物質(zhì)。再生的樹脂從柱的底部除去，并能夠通過管路30送回處理池。廢鹽水通過管路32進(jìn)行處理。
參考圖3，在另一實(shí)施例中，膜過濾器室被隔開，加入鹽，并通過來自空氣攪拌系統(tǒng)13的空氣而進(jìn)行攪拌，以便進(jìn)行再生。這時(shí)，除去池中的溶液，并通過HGMF23通向樹脂儲(chǔ)池34。
在任何情況下，再生的樹脂都流回膜池中，且對(duì)廢鹽水進(jìn)行合適處置。
因?yàn)閮?yōu)選實(shí)施例的離子交換樹脂為磁性，它傾向于在處理池14中聚集和沉淀。為了克服該趨勢(shì)，空氣攪動(dòng)系統(tǒng)13使該磁性離子交換樹脂保持懸浮狀態(tài)。該空氣攪動(dòng)系統(tǒng)允許處理池中的樹脂濃度明顯更高。合適的充氣裝置是SWEETWATER線性活塞空氣泵，可由Aquatic Eco-Systems公司(Apopka，florida)購得。
為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)了以樹脂的質(zhì)量平衡表示的數(shù)學(xué)模型，以便確定在使用ZEEWEED膜和MIEXDOC樹脂的處理池中的滯留時(shí)間和吸附濃度。為了比較，還對(duì)只采用MIEXDOC樹脂且沒有膜的基本處理方法進(jìn)行建模(下文稱為“基本方法”)?；痉椒ǖ闹等绫?所示，模型的值如表2所示，并在圖4中示意表示?；痉椒?0包括處理或接觸池42，原水通過管道44加入該處理池42內(nèi)，離子交換樹脂從樹脂供給裝置46加入該接觸池42內(nèi)。樹脂供給裝置46接收來自新樹脂供給裝置48的新樹脂以及來自再生器50的再生樹脂。分離器52用于使離子交換樹脂與原水分離，隨后合適保留在處理池中，同時(shí)處理過的水通過管道54輸出。分離的離子交換樹脂通過管道54傳送給再生器50，而再生的樹脂通過管道58傳送給樹脂供給裝置。
每天處理過的水的量TW為1百萬加侖或3785000升，與加入系統(tǒng)的原水量RW以及從池中輸出的水量OF相同。分離器下溢量SU是離開分離器的水量，等于從池中的流出量乘以樹脂濃度，再減去樹脂損失量，然后除以樹脂濃度30％(v/v)，或者SU＝(OF*RC-OF*RC*RL)/0.3。送入再生的樹脂RG等于流出量乘以樹脂濃度乘以下溢再生的百分?jǐn)?shù)，再減去樹脂損失量，或者RG＝OF*RC*U-OF*RC*U*RL?；厥諛渲琑R從分離器返回接觸池，等于流出量乘以樹脂濃度減去樹脂損失量，再減去送去再生的量，或者RR＝OF*RC-OF*RC*RL-RG。返回樹脂供給裝置的再生樹脂的量等于回收樹脂的量。供給池中的新鮮樹脂是新樹脂和再生樹脂的組合。新鮮樹脂F(xiàn)R等于必須添加的樹脂量，以補(bǔ)償在處理池外的各階段的樹脂量，或者FR＝OF*RC-RR。新樹脂VR等于必須添加的樹脂的總量，以補(bǔ)償樹脂損失，或者VR＝OF*RL。
再生時(shí)的樹脂接觸時(shí)間CTR是濃縮物乘以樹脂濃度，并考慮到樹脂損失和送去再生的下溢量，或者RCR＝RI/[OF*RC-OF*RC*(1-RL)*U]。在接觸池中的樹脂總量RI等于在接觸池中的處理過的水的量乘以接觸時(shí)間CT乘以樹脂滯留時(shí)間，或者RI＝RW*CT*RT。再生處理柱床容積BV是再生時(shí)的樹脂接觸時(shí)間乘以原水量除以接觸池中的樹脂總量，或者BV＝RCR*RW/RI。樹脂滯留時(shí)間RT是在接觸池中的樹脂總量除以流出量、樹脂損失和樹脂濃度的乘積，或者RT＝RI/(OF*RL*RC)。
表1-用于基本方法模型中的值

表2-基本方法模型

使用表3中的值的模型是采用了使用膜和離子交換樹脂的本發(fā)明方法(下文稱為膜/樹脂方法)。該模型的值如表4所示，并在圖5中示意表示。簡單地說，示意圖5A表示了包括膜過濾器63的膜處理池62。原水通過管道64進(jìn)入膜處理池，在該膜處理池中，原水與來自樹脂供給裝置66的樹脂混合。通過膜過濾器63抽出的水作為處理過的水在管道68處離開。離子交換樹脂/原水混合物通過管道70從膜處理池抽出到樹脂分離器72。廢水在管道74處排出，以便合適處置。分離的樹脂通過管道76傳送給再生器78，以便進(jìn)行再生。再生的樹脂通過管道80傳送給樹脂供給裝置66，在該樹脂供給裝置66處，再生樹脂可以與來自新樹脂供給裝置82的新樹脂混合，或者和新樹脂一起進(jìn)行補(bǔ)充。
該模型基于處理過的水流量TW為1百萬加侖每天或378500L/天。濃縮物從處理池流向樹脂分離器。濃縮物定義成處理過的水的量乘以通過隔膜合適的損失量MR，或者C＝TW*(1-MR)。進(jìn)入池中的原水等于3785000L/天加上回收的濃縮物的量C。處理過的濃縮物TC從系統(tǒng)中排出，等于從濃縮物中損失的樹脂量，或者TC＝C*RC*RL。分離器下溢量是離開樹脂分離器的水量。分離器下溢量SU等于送入樹脂分離器的濃縮物乘以樹脂濃度，再考慮樹脂損失量，并除以樹脂濃度30％(體積/體積)，或者SU＝[C*RC*(1-RL)]/0.3。分離器下溢量分成兩個(gè)部分將再生的樹脂RG和回收到處理池的樹脂RR。RG是在濃縮物中的樹脂，并考慮到樹脂損失和送去再生的下溢U，或者RG＝C*RC*(1-RL)U?；厥盏臉渲琑R是分離器下溢減去要再生的樹脂，或者RR＝[C*RC*(1-RL)-(C*RC*U)]-RG。送向樹脂供給裝置的再生樹脂與將再生的樹脂相同。送入池中的新鮮樹脂是新樹脂和再生樹脂的組合。新鮮樹脂F(xiàn)R等于必須添加的樹脂量，以補(bǔ)償在處理池外的各階段的樹脂量，或者FR＝C*RC-RR。新樹脂VR等于在處理池外的各階段的樹脂總量減去再生樹脂的量，或者VR＝FR-RG。再生時(shí)的樹脂接觸時(shí)間CTR是接觸池中的樹脂總量除以濃縮物乘以樹脂濃度，并考慮到樹脂損失和送去再生的下溢量，或者RCR＝RI/[C*RC*(1-RL)*U]。在接觸池中的樹脂總量RI等于在接觸池中的原水量乘以接觸時(shí)間CT乘以樹脂滯留時(shí)間，或者RI＝RW*CT*RT。再生處理柱床容積BV是再生時(shí)的樹脂接觸時(shí)間乘以處理過的水的量除以接觸池中的樹脂總量，或者BV＝RCR*RW/RI。樹脂滯留時(shí)間RT是在接觸池中的樹脂總量除以處理濃縮物，或者RT＝RI/TC。
表3-用于膜/樹脂處理中的值

表2-基本方法模型

表5中的兩個(gè)方法的比較結(jié)果表示了本發(fā)明的方法的改進(jìn)。
表5-基本方法和膜/樹脂方法的結(jié)果比較

再生時(shí)的樹脂接觸時(shí)間從5小時(shí)增加到10.5小時(shí)。再生步驟中的處理柱床容積量也從1668增加到2002。在接觸池中的樹脂總量從473L大大增加到828L。因?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)計(jì)允許樹脂回收多次，樹脂接觸時(shí)間將明顯高于水保留時(shí)間、HRT(要處理的水在處理系統(tǒng)中的保留時(shí)間)。樹脂滯留時(shí)間也從21天大大增加到175天。同時(shí)，新鮮樹脂劑量從0.61mL/L減小至0.50mL/L，新樹脂的量也從0.0060mL/L減小到0.0012mL/L。
圖6A、6B和6C中還表示了當(dāng)輸入變化時(shí)膜/樹脂方法模型的輸出。圖6A表示了再生處理柱床容積對(duì)接觸器樹脂濃度的控制效果。圖6B表示了再生樹脂接觸時(shí)間對(duì)接觸器液壓滯留時(shí)間的控制效果。圖6C表示了再生處理柱床容積對(duì)樹脂回收的控制效果。
采用本發(fā)明的某些或所有有利原理的裝置可以廣泛用于特定系統(tǒng)中。圖1、2和3的水處理系統(tǒng)是典型的和示意性的，并不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍和實(shí)現(xiàn)方式的選定。
權(quán)利要求
1.一種用于處理飲用水的方法，包括a)將原水提供給處理池；b)將離子交換樹脂添加到處理池中，以便形成原水/離子交換樹脂混合物；以及c)使處理過的水通過膜過濾器從處理池中排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中離子交換樹脂是磁性離子交換樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括充分?jǐn)噭?dòng)原水/離子交換樹脂混合物，以便使離子交換樹脂保持懸浮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使離子交換樹脂與原水/離子交換樹脂混合物分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括利用高磁場梯度的過濾器而使離子交換樹脂與原水/離子交換樹脂混合物分離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括使該離子交換樹脂進(jìn)行再生。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括將再生的離子交換樹脂供給處理池。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中再生步驟在外部逆流塔中進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中再生步驟通過向處理池中添加鹽溶液而在該處理池中進(jìn)行。
10.一種用于處理飲用水的裝置，包括用于接收原水的處理池；離子交換樹脂供給源，該離子交換樹脂供給源與該處理池可操作地相連，以便向處理池中的原水提供離子交換樹脂；膜過濾器，該膜過濾器可操作地與處理池相連，以便使微粒物質(zhì)與通過該膜過濾器從處理池排出的處理過的水分離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括樹脂分離器，該樹脂分離器可操作地與處理池相連，以便從離子交換樹脂/原水混合物中除去離子交換樹脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中離子交換樹脂是磁性離子交換樹脂，樹脂分離器是高磁場梯度的過濾器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，還包括樹脂再生器，該樹脂再生器接收由分離器除去的離子交換樹脂；
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，還包括用于將再生的離子交換樹脂從樹脂再生器傳送給離子交換樹脂供給源的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，還包括樹脂分離器是外部逆流塔，它使用鹽溶液來再生離子交換樹脂。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括在處理池中的充氣器，用于攪動(dòng)在處理池中的離子交換樹脂/原水混合物。
全文摘要
一種用于處理和凈化飲用水的裝置和方法，在單個(gè)處理池(14)中組合使用了離子交換樹脂和膜過濾器(12)。該離子交換樹脂從處理池(14)中除去離子交換樹脂，并在柱(24)中進(jìn)行再生，以便重新使用。
文檔編號(hào)B01D61/16GK1473068SQ01818596
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者保羅·米勒, 安東尼·G·梅爾斯, G 梅爾斯, 保羅 米勒 申請(qǐng)人:Ch2M希爾公司