[发明专利]带有灭菌进料垫片的错流过滤装置

说明书

技术领域

本发明总体而言涉及水过滤装置。本发明尤其涉及一种包括灭菌进料垫片(biocidal feed spacer)的错流水过滤装置。

背景技术

在饮用水生产领域，即在水处理应用方面例如水净化和排水处理方面，分离膜正在取代传统的砂滤和絮凝沉淀，并且用于改善被处理水的水质。一般说来，在处理水和改善水质方面，反渗透过滤系统是最常用的分离膜系统之一。

尽管反渗透是一种有效的水处理手段，但其从水中去除溶解的颗粒的能力也需要代价。流入的水中含有的细菌被反渗透系统的半透膜拦截并由此积聚在膜的表面。细菌通常每30到60分钟就会倍增，并且其增长是对数级的。例如，一个细菌细胞在24小时内会形成1600万的细菌。细菌爆炸性的增长会导致膜的积垢，由此减少通过膜的水流量并对膜的过滤性能产生不利影响。

此外，积垢的膜需要更高的操作压力，这相应地增加了操作费用并导致反渗透工艺中使用的过滤膜的寿命更短。已经通过各种尝试来清洁这种积垢的膜，使用化学药剂清洗反渗透膜需要占反渗透装置总操作时间的约20％，由此导致工艺整体效率的显著降低。标准的积垢系数对于反渗透膜、超滤膜和微滤膜通常分别为约30％、80％和90％。积垢率是在使用基于膜的工艺来设计水处理厂时最重要的考量指标之一。

积垢的膜难于清洗并且降低了过滤出水的水质。由于膜上的细菌生长，在膜的上游表面形成胶状生物膜。该生物膜非常难以去除，除非使用会损伤膜的化学强氧化剂。生物膜保护细菌免受常规清洗和消毒步骤的影响，并导致细菌在膜上形成穿透。细菌的穿透也同样会沿着膜上的缺陷产生。通常会在48到72小时内在膜的下游侧检测到细菌。随着菌群在膜的下游侧繁殖并形成生物膜，膜的下游侧随时间明显脱色或变黑。这样的生物积垢也可导致局部出现极端pH值从而进一步损害膜。因此，当传统的半透膜过滤器单独使用时，几乎不能提供超纯(即，无菌的)水。在很多情况下，反渗透、超滤、纳滤、和微滤工艺之后必须抛光过滤器以清除水中的细菌。

水过滤器膜遭受的生物积垢问题是本领域所熟知的。为解决这一问题的尝试包括向水中添加消毒剂，例如氯或氯胺。但是过滤器膜，如聚酰胺复合膜非常易于受到氧化损坏，由此大部分的氧化剂，例如氯，就不能使用在基于膜的工艺中。另一种手段是向膜表面添加一些抗菌添加剂。例如Patil的美国专利号US6,540,915公开了将各种抗菌剂加入适用于反渗透、超滤、纳滤和微滤的聚合物膜。然而，这些膜的表面非常复杂并且对于添加剂组分非常敏感，这些外来化学品(如，抗菌剂)的介入会降低膜的排盐性和渗透性。

反渗透过滤器还通常制成“封闭端”过滤过滤器或者“错流”过滤过滤器。在封闭端过滤过滤器中，所有的进料溶液(即，待过滤的水)通过过滤介质。其结果是所有的颗粒和溶解的溶质被保留在过滤介质上面或过滤介质内。这导致在过滤介质表面上滤饼的累积(浓差极化)，影响了封闭端过滤器的整体效率和效能以及过滤介质的生物积垢。

在错流过滤中，设计成将进料溶液在一定压力(例如，大于进料溶液的渗透压的压力)下横向流过过滤介质表面，并由此驱动一定百分比的进料溶液穿过过滤介质。错流过滤方法允许过滤具有更高含固量的进料溶液，因为这些固体会被冲洗通过过滤介质表面到另一边并沉积在那里，正如在封闭端过滤工艺中那样。进料溶液的这种通过过滤介质的流动也会影响错流过滤的过滤介质变得象封闭端过滤器那样积垢。

由于错流过滤器的螺旋缠绕设计的特性，这样的过滤器通常在工程上只允许单向流动穿过系统。这样，过滤器的螺旋缠绕设计就不能允许使用水或空气搅动的反冲洗冲刷其表面来去除固体。由于积累的材料不能从膜表面去除，这样的错流过滤器系统容易积垢并失去生产能力。相应地，仍然需要一种水分离装置例如反渗透错流过滤器，其能够在克服上述的水处理过程中的生物积垢问题。

发明概述

本发明提供一种水过滤系统，其能够减少水过滤系统产生的生物积垢量。为减少例如反渗透、超滤、纳滤和微滤系统的水过滤系统的生物积垢量，本发明为错流过滤装置提供包括一种或多种广谱灭菌剂的灭菌进料垫片。

根据第一个方面，本发明提供一种错流过滤装置，包括：多孔中心管；和螺旋缠绕在该多孔中心管上的半透膜，该半透膜包括：可渗透的载体，贴近该可渗透的载体的膜，和贴近该膜的进料垫片，其中该进料垫片包括至少一种灭菌剂。

根据第二个方面，本发明提供一种错流过滤装置，包括：多孔中心管；缠绕在该多孔中心管上的至少一个可渗透的载体，紧贴在该至少一个可渗透的载体上的至少一个膜层；和紧贴在该膜上的至少一个进料垫片，其中该进料垫片包括至少一种灭菌剂。