[发明专利]用于控制膜结垢的方法、组合物和系统

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请依照35U.S.C.119要求分别于2009年11月10日和2010年8月2日提交的美国临时申请号61/259,936和61/369,801的权益，其内容通过提述完整地并入本文。

涉及序列表

本申请包含计算机可读形式的序列表，其通过提述并入本文。

技术领域

本发明提供了用于在膜过滤系统中，特别是水或废水处理工艺中改善渗透性和通量的方法和组合物。

发明背景

膜生物反应器(MBR)系统对于水和废水处理日益成为更加广泛使用的解决方案。尽管用于水处理和纯化的膜系统已经使用了数十年，采用MBR系统作为对于水和废水处理的广泛使用的解决方案常常被忽略，而是使用更加传统的生物处理厂。此种忽略的一个重要原因是，相对于常规处理系统而言，MBR系统常常更加昂贵。然而，产品的更高纯度和减少的足迹(footprint)使得MBR系统的采用更加理想。

MBR系统通常包括一种或多种生物反应器，如厌氧、缺氧和有氧反应器，继以一个或多个膜罐(membrane tank)，其中每个罐含有一个或多个膜模块。将水或废水通过重力送料(gravity feed)或由泵产生的吸力导入所述膜模块。在此过程中，所述膜滤出污染物和其他固形物，并产生渗透物。

膜过滤工艺的一个主要缺点是膜趋于结垢。随着膜的结垢，膜的渗透性降低，而整个工艺的效率降低。通常认为膜结垢的速率基本上随着通量的增加呈指数增加。对于该现象的研究得出了临界通量理论(theory ofcritical flux)。尽管临界通量通过多种方式描述，临界通量的通常定义为在通量之下，渗透性的衰减认为是可忽略的。因此，控制该通量，优选维持其处于或低于临界通量，减少了渗透性衰减的速率，并使得膜系统可持续运作。

即便膜系统在处于或低于临界通量率下运行，膜结垢仍然发生，且必须采用清洗膜的方法。在膜系统如MBR中，常常使用气体吹扫(air scouring)来持续清洗膜，并协助维持渗透。气体吹扫在膜表面产生涡流和剪切力以协助减少结垢和饼层聚集(cake layer buildup)。然而，气体吹扫显著地增加了操作成本(operating cost)，并且对于维持充足的临界通量率并不完全有效。

亦使用其他物理-机械和/或化学膜清洗或处理方法来去除结垢材料并维持膜渗透性。最广泛使用的物理-机械方法包括回洗、振动(vibration)和气体吹扫。这些方法极其消耗能量，且并不适用于所有膜类型。

化学清洗或处理方法包括用促凝剂和/或聚合物预处理，和用防垢剂(antiscalant)、杀生物剂和/或清洗产品如NaOCl或柠檬酸处理。无机或有机酸、苛性钠或次氯酸钠亦常常用于化学清洗方法。然而，由于系统操作时间的损失，膜预期寿命的减少和清洗化学品的大量消耗，频繁的化学清洗是昂贵的。

物理清洗方法如气体吹扫对于从膜去除整块固体最为有效，所述固体造成的结垢有时称作“临时”或“可逆”结垢。化学清洗方法对于去除更加顽固的结构物质是有效的，所述物质造成的结垢有时称作“不可逆”或“永久”结垢。然而，化学清洗无法去除所有的永久或不可逆结垢物质，并且膜仍保持残余的阻力(residual resistance)。该残余的阻力或“无法恢复的”结垢是在膜上多年积聚的结垢，并最终限制膜的寿命。

亦常常使用上述提及的方法的组合，如化学增强的回洗，通常作为每日清洗措施。每周清洗措施可包括用更高化学浓度清洗，而较不常用的常规清洗可包括甚至更强力的化学清洗，其对于膜的寿命具有显著的不利作用。