CN105246835A

CN105246835A - 水处理装置的操作方法

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Publication number: CN105246835A
Application number: CN201480030433.XA
Authority: CN
Inventors: 谷口雅英; 前田智宏; 高畠宽生
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2016-01-13
Also published as: JPWO2014192619A1; SG11201509720TA; JP6201998B2; ZA201508709B; WO2014192619A1

Abstract

本发明涉及操作水处理装置的方法，其包括：预处理单元X以将第一待处理水A预处理成处理水A0；膜分离单元Y以将处理水A0分离成渗透物A2和浓缩物A3；和膜分离单元Z以将混合水B1分离成渗透物B2和浓缩物B3，其中混合水B1包含浓缩物A3和处理浓缩物A3得到的处理水A4中的至少一种，以及第二待处理水B和处理待处理水B得到的处理水B0中的至少一种，其中如果浓缩物B3的水质指数C_B3或浓缩物B3的处理水B4的水质指数C_B4超过预定阈值，则本方法包括进行选自预定的8种方法的至少一种方法。

Description

水处理装置的操作方法

技术领域

本发明涉及使用半透性膜单元处理海水、河水、地下水或污水的处理水以得到淡水的水处理装置的操作方法。具体而言，本发明涉及实现低成本和稳定操作的水处理装置的操作方法。

背景技术

随着目前变得严重的水环境劣化，水处理技术变得越来越重要，特别地，非常广泛地应用使用分离膜的技术。

饮用水、工业用水、农业用水等主要通过河水、湖水等的净化而得到。然而，中东开发了蒸发和其它这类海水脱盐技术，在那里水资源是缺乏的，且石油基热资源是丰富的。对海水脱盐的需要不仅在中东，而且在热资源不丰富的其它地区日益提高。自1990年起使用了使用低功耗半透性膜(特别地，反渗透膜)的脱盐方法，在地方如加勒比岛和地中海构建了大量装置并操作。

反渗透膜设备涉及以压能排放浓海水，并且通常使用用能量回收单元的压力回收以降低所述功率。

反渗透技术的目前进展导致改进的可靠性和低成本，且能量回收技术的相当改进能够构建许多反渗透海水脱盐装置。

还使用反渗透膜开发和改进了海水脱盐方法本身。

顾名思义，反渗透膜为由于膜表面上的浓度差，通过相对于渗透压施加压力而用于得到淡水的膜。有效分离压力为通过从操作压力中减去基于进料水浓度的渗透压而得到的压力。

专利文件1和非专利文件1公开了其中在操作中间提高操作压力以相对于稍后阶段的集中高渗透压有效地提取淡水的技术。非专利文件2公开了处理成本降低的技术，其中将渗透水用纳滤膜处理两次，所述纳滤膜具有比反渗透膜更大的分离尺寸且通常认为不适于海水脱盐。非专利文件3公开了使用河水和海水以改进能量效率的处理成本降低的方法。这些技术中的一些实际上已投入实际应用中。

然而，使用海水作为待处理水的方法要求关于渗透压量的另外压能，并且通常涉及非常高的能量成本。方法还涉及高设备成本，因为用于海水脱盐装置的元件要求对抗高压海水的抗压性和抗腐蚀性。

通常废污水的再使用作为另一技术吸引了注意。

意欲再使用污水或污水的处理水的低压反渗透膜以具有改进性能如改进的膜表面亲水性、改进的电荷控制和改进的光滑性以降低微生物附着并抗有机物污染的产品的形式开发(例如由TorayIndustries，Inc.生产的TML系列；非专利文件6)。再使用污水的方法也已投入实际应用，如非专利文件4和5所述。

然而，再生污水的浓缩水包含大量杂质，特别是有机物质，因为它是浓缩水，并且是在将浓缩水从系统中排出时必须注意的。

具体而言，当浓缩水不满足要求，例如关于排放到环境中的水的质量标准时，需要降低其浓缩比，或者需要在处理以满足排放水质量标准或者其它这类要求以后排放浓缩水。

作为对策，目前提出通过将海水与污水或低压反渗透膜的浓缩水混合而降低渗透压的方法作为用于其中具有较低渗透压的水如污水和河水不容易得到的环境中的新技术(专利文件2以及非专利文件7和8)。

特别地，通过将低压反渗透膜的浓缩水混合而降低渗透压的非专利文件7和8的方法由于其能够与常规海水脱盐方法相比极大地降低所需能量而是高度预期的。

背景技术文件

专利文件

专利文件1：JP-A-8-108048

专利文件2：JP-A-2003-285058

非专利文件

非专利文件1：HiroyukiYamamura等人，“DevelopmentofLow-EnergyandLow-CostReverseOsmosisMembraneSeawaterDesalinationTechnique”，Membrane，23(5)，第245-250页(1998)。

非专利文件2：R.C.Cheng等人，“ANovelApproachtoSeawaterDesalinationUsingDual-StagedNanofiltrationProcess”，AWWAAnnualConference(2005.6)。

非专利文件3：J.S.S.Chin等人，“IncreasingWaterResourcesthroughDesalinationinSingapore：PlanningforaSustainableFuture”，Proc.IDAWorldCongress，Dubai，2009。

非专利文件4：AntoniavonGottberg等人，“Kuwait’sgiantmembraneplantstartstotakeshape”，Desalination&WaterReuse13(2)(1996)30-34。

非专利文件5：C.Koh等人，“ChangiNEWater：ConceptualizationthroughOperationofSingapore’sFifthandLargestNEWaterFacility”，Proc.IDAWorldCongress，Dubai，2009。

非专利文件6：TakeharuInoue等人，“LowFoulingReverseOsmosisMembraneforSewageWater”，Membrane，27(4)，第209-212页(2002)。

非专利文件7：YasukiSekine等人，“StartofSupplyingProductWaterinSeaandFreshWaterandSewageWaterReuseIntegrationSystem(WaterPlaza)”，The14thWaterEnvironmentSymposiumProceedings(2011)。

非专利文件8：P.Glueckstern，“Designandoperationofmedium-andsmall-sizedesalinationplantsinremoteareas，Newperspectiveforimprovedreliability，durabilityandlowercosts”，Desalination122(1999)123-140。

发明概述

本发明待解决的问题

然而，通过将海水与污水或低压反渗透膜的浓缩水混合而降低渗透压的方法还使用与海水等混合的再生污水的浓缩水，因此如同常规方法中仍涉及浓缩水中的大杂质的问题。

具体而言，当将低压反渗透膜的浓缩水与海水等直接混合以产生海水-混合水并使海水-混合水再次通过高压反渗透膜以提取淡水时，浓缩水变得进一步浓缩并随着其中包含的所有杂质从系统中排出。海水-混合水的浓缩水因此还具有超过排放水质量标准的可能性，如同低压反渗透膜的浓缩水的情况。

因此，本发明的目的涉及操作水处理装置以由多种待处理水得到处理水的方法，其中可以以低成本稳定地操作。特别地，本发明意欲提供在使用半透性膜操作水处理装置以产生淡水中对环境无害的操作方法。

解决问题的方法

为解决上述问题，本发明具有以下构造<1>至<17>。

<1>操作水处理装置的方法，其包括：预处理单元X以将第一待处理水A预处理成处理水A0；膜分离单元Y以将处理水A0分离成渗透水A2和浓缩水A3；和膜分离单元Z以将混合水B1分离成渗透水B2和浓缩水B3，其中混合水B1包含浓缩水A3和浓缩水A3的处理水A4中的至少一种，以及第二待处理水B和待处理水B的处理水B0中的至少一种，如果浓缩水B3的水质指数C_B3或浓缩水B3的处理水B4的水质指数C_B4超过预定阈值，则方法包括进行选自以下方法(1)-(8)的至少一种方法：

方法(1)：降低膜分离单元Y中渗透水A2的回收率R_Y；

方法(2)：降低膜分离单元Z中渗透水B2的回收率R_Z；

方法(3)：改变混合水B1中浓缩水A3和处理水A4中的至少一种与待处理水B和处理水B0中的至少一种的混合比；

方法(4)：在将浓缩水A3与待处理水B和处理水B0中的至少一种混合以前对至少一部分浓缩水A3进行吸附处理或分解处理；

方法(5)：在排出浓缩水B3以前对至少一部分浓缩水B3进行吸附处理或分解处理；

方法(6)：生产作为包含处理水A4、处理水B0和第三待处理水C的混合水的混合水B1；

方法(7)：生产作为包含处理水A4、处理水B0和一部分处理水A0的混合水的混合水B1；和

方法(8)：使至少一部分浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

<2>根据<1>的操作水处理装置的方法，其中水质指数C_B3或水质指数C_B4的阈值通过生物需氧量、化学需氧量、总有机碳、总氮、总磷或吸光测定法描述。

<3>根据权利要求<1>或<2>的操作水处理装置的方法，其中水质指数C_B3或水质指数C_B4由下式表示：

C_A3×100/(100-R_Z)，或

C_A4×100/(100-R_Z)，

其中C_A3为浓缩水A3的水质指数，C_A4为处理水A4的水质指数，且R_Z为膜分离单元Z中渗透水B2的回收率(％)。

<4>根据权利要求<1>至<3>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(1)或(2)中，使选自由浓缩水A3、浓缩水B3和处理水B4组成的组的至少一种的流速保持在预定范围内。

<5>根据权利要求<1>至<4>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(3)中，

测定浓缩水A3的水质指数C_A3(＝C_A0×100/(100-R_Y))或处理水A4的水质指数C_A4(＝C_A0×100/(100-R_Y))，并测量第二待处理水B的水质指数C_B或处理水B0的水质指数C_B0，

当水质指数C_A3或水质指数C_A4大于水质指数C_B或水质指数C_B0时，降低浓缩水A3或处理水A4的流速相对于第二待处理水B或处理水B0的流速的比；和

当水质指数C_A3或水质指数C_A4小于水质指数C_B或水质指数C_B0时，提高浓缩水A3或处理水A4的流速相对于第二待处理水B或处理水B0的流速的比。

<6>根据权利要求<1>至<5>中任一项的操作水处理装置的方法，其中进行方法(4)和方法(5)。

<7>根据权利要求<1>至<6>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在进行方法(4)或(5)以前使浓缩水A3或者浓缩水B3经受澄清处理。

<8>根据权利要求<1>至<7>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(6)中，确定待处理水C的供应量使得膜分离单元Z的操作压力不超过预设阈值。

<9>根据权利要求<1>至<8>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(7)中，渗透水A2的流速通过混入的处理水A0的量降低。

<10>根据权利要求<1>至<9>中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(8)中，进行化学处理，同时使浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

<11>根据权利要求<1>至<10>中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A和待处理水C中的至少一种具有比待处理水B的渗透压更低的渗透压。

<12>根据权利要求<1>至<11>中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A的水质指数C_A高于待处理水B的水质指数C_B，且待处理水B具有比待处理水A的盐浓度更高的盐浓度。

<13>根据权利要求<1>至<12>中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A包含污水或污水的处理水，且待处理水B包含海水。

<14>根据权利要求<1>至<13>中任一项的操作水处理装置的方法，其中预处理单元X为包括生物处理和固体-液体分离处理组合的单元。

<15>根据权利要求<1>至<14>中任一项的操作水处理装置的方法，其中膜分离单元Y和膜分离单元Z中的至少一个为半透性膜单元。

<16>根据权利要求<1>至<15>中任一项的操作水处理装置的方法，其中膜分离单元Z具有比膜分离单元Y的最大操作压力更高的最大操作压力。

<17>根据权利要求<1>至<16>中任一项的操作水处理装置的方法，其中将一部分处理水A0混入浓缩水B3和处理水B4中的至少一种中。

发明优点

根据本发明操作水处理装置的方法，当由多种待处理水得到处理水时，可以以低成本稳定地操作装置，同时观察到关于排放水的环境质量标准。

附图简述

[图1]图1为显示能够进行本发明方法(1)-(3)的水处理装置操作方法的一个实施方案的示意性流程图。

[图2]图2为显示能够进行本发明方法(1)-(5)的水处理装置操作方法的一个实施方案的示意性流程图。

[图3]图3为显示能够进行本发明方法(1)-(3)和(6)的水处理装置操作方法的一个实施方案的示意性流程图。

[图4]图4为显示能够进行本发明方法(1)-(3)和(6)-(8)的水处理装置操作方法的一个实施方案的示意性流程图。

[图5]图5为显示能够进行本发明方法(1)-(8)的水处理装置操作方法的一个实施方案的示意性流程图。

进行本发明的模式

下面参考附图描述本发明的优选实施方案。然而，应当指出，本发明不受以下实施方案限制，并且可在本发明的要旨内以各种改进执行。

图1为显示能够进行本发明方法(1)-(3)的水处理装置(淡水生产装置)操作方法的一个实例的示意性流程图。

本发明涉及水处理装置的操作方法，其包括：预处理单元X以将第一待处理水A预处理成处理水A0；膜分离单元Y以将处理水A0分离成渗透水A2和浓缩水A3；和膜分离单元Z以将混合水B1分离成渗透水B2和浓缩水B3，其中混合水B1包含浓缩水A3和浓缩水A3的处理水A4中的至少一种以及第二待处理水B和待处理水B的处理水B0中的至少一种。该方法适于在浓缩水B3的水质指数C_B3或浓缩水B3的处理水B4的水质指数C_B4超过预定阈值时操作水处理装置。

在水处理装置中，彼此不同的第一待处理水A和第二待处理水B分别通过第一待处理水管线1和第二待处理水管线21处理。

根据需要，待处理水A临时储存在第一待处理水罐2中，然后通过第一进水泵3在预处理单元X(第一预处理单元4)中处理，并排出处理水A0。处理水A0通过进料泵5和压力泵6送入膜分离单元Y(第一膜分离单元7)中。

稍后与预处理单元X一起描述在预处理单元X中将待处理水A处理成处理水A0的方法。

在膜分离单元Y中，将通过进料泵5抽送以供入膜分离单元Y中的处理水A0或者为处理水A0的进料水A1(在下文中，处理水A0和进料水A1被认为是相同的)分离成渗透水A2和浓缩水A3。渗透水A2储存在第一产物水罐10中。此处，渗透水A2和浓缩水A3的流速以及渗透水A2与浓缩水A3的流速比可通过压力泵6的输出和阀V1的孔控制。

具体而言，作为基本控制，目标流速和目标流速比可通过提高压力泵6的输出以提高总流速，以及通过降低阀V1的孔以提高渗透水A2的流速比而实现。

将浓缩水A3和通过处理浓缩水A3而得到的处理水A4中的至少一种与待处理水B和通过处理待处理水B而得到的处理水B0中的至少一种混合以产生混合水B1。混合水B1还可包含第三待处理水C。

混合水B1通过在图1中的混合罐25中混合而得到。然而，混合可在例如来自各个管线的不同水并入其中的宽管线中进行，并且混合的形式不受限制，条件是得到混合水B1。

因此得到的混合水B1通过第二压力泵26送入膜分离单元Z(第二膜分离单元27)中，并分离成渗透水B2和浓缩水B3。

将浓缩水A3处理成处理水A4的方法可通过例如吸附或分解进行。吸附处理的实例包括在活性炭、凝聚剂或离子交换树脂上吸附。分解处理的实例包括通过用臭氧加速氧化、超临界氧化或电解降低分子量的处理。

将待处理水B处理成处理水B0的方法可以为用于将浓缩水A3处理成处理水A4的相同方法。

渗透水B2储存在第二产物水罐28中。渗透水B2和浓缩水B3的流速以及渗透水B2与浓缩水B3的流速比可通过压力泵26的输出和阀V7的孔控制，如同膜分离单元Y的情况。

此处，可提供能量回收单元29以回收浓缩水B3的压能。

能量回收单元29不特别受限，并且可选自从常规反向泵和培尔顿式水轮机至更有效的单元如涡轮增压器和压力交换单元的宽范围单元。如果可降低膜分离单元Z的操作压力波动，则可在这些单元中容易地保持高能量回收效率

降低操作压力波动从能量回收的观点看是非常有效的，在不能保持对抗压力或流速波动的高效率的反向泵和培尔顿式水轮机中特别如此。

浓缩水B3从系统中排出。可预先将浓缩水B3处理并作为处理水B4排出。将浓缩水B3处理成处理水B4的方法可使用用于将浓缩水A3处理成处理水A4的相同方法。

在本发明中，待处理水A为污水、工业废水或者包含受污染河水、地下水或湖水作为主要组分的污水或者该污水的处理水。优选，待处理水A比稍后描述的待处理水B更加受污染。

如本文所用，“主要组分”指以最高体积百分数包含在内的组分。

污染程度可基于有意义的水的水质指数值发现。优选，待处理水A的水质指数C_A高于待处理水B的水质指数C_B。优选待处理水B具有比待处理水A的盐浓度更高的盐浓度。

稍后描述水质指数。

通过使用上述水作为待处理水A，将膜分离单元Y的浓缩水A3和/或其处理水A4与待处理水B和/或其处理水B0混合，并将混合物在高压下处理。用于海水脱盐和其它这类应用的高压半透性膜提供比通常实践的再使用污水更理想的阻塞性能，并且在改进产物水的总质量方面是更优选的。

在本发明中，待处理水B优选为包含海水、高浓度盐水或微咸水作为主要组分的水。具体而言，待处理水A优选包含污水或污水的处理水，且待处理水B优选包含海水。

通过待处理水A与待处理水B对比，待处理水A优选具有比待处理水B的渗透压更低的渗透压。在下文所述方法(6)中，优选待处理水A和第三待处理水C中的至少一种具有比待处理水B的渗透压更低的渗透压。这样，待处理水B的渗透压可通过由膜分离单元Y分离的浓缩水A3和/或待处理水C降低，并且可降低膜分离单元Z的操作压力。这使得可降低膜分离单元Z的操作压力。

考虑上述用途，优选使膜分离单元Z的最大操作压力高于膜分离单元Y的最大操作压力，因为膜分离单元Z暴露于具有较高盐浓度的水下并涉及较高的渗透压，因此要求高压操作。

膜分离单元和预处理单元描述于下文中。

用于本发明方法的水处理装置包括预处理单元X、膜分离单元Y和膜分离单元Z作为基本组件。膜分离单元Y和膜分离单元Z不特别受限，条件是可进一步提纯通过预处理单元X处理的处理水。

膜分离单元Y和膜分离单元Z优选使用半透性膜单元，例如纳滤膜和反渗透膜，其容许分离比可用微滤膜和超滤膜分离的那些更小的分子。还优选以提高的表面电荷改进分离性能的荷电超滤膜。

从再生产物水的良好质量的观点看，优选膜分离单元Y和膜分离单元Z中的至少一个为半透性膜单元。

膜形状不特别受限，并且可以为例如平板膜或中空纤维膜。

当包含污水或污水的处理水的水用作待处理水A时，膜分离单元Y优选具有对抗有机物质的优异抗积垢性。具体而言，优选使用抗积垢分离膜，例如由TorayIndustries，Inc生产的反渗透膜TML系列。

当包含海水的水用作待处理水B时，膜分离单元Z可以为意欲用于海水的常用反渗透膜。也可使用意欲用于盐水的相对低压反渗透膜，条件是可通过将待处理水B与其它水混合而对膜分离单元Z保持低操作压力。

在本发明水处理装置中，与膜分离单元Y和膜分离单元Z连接的压力泵或管道的抗压性优选设计用于使膜分离单元Z比膜分离单元Y的最大操作压力更高。围绕膜分离单元Z的元件的材料也优选具有较高的腐蚀耐久性，因为膜分离单元Z暴露于较高的盐浓度下。

具体而言，优选膜分离单元Z比膜分离单元Y使用具有更高腐蚀耐久性(耐腐蚀性)的高级不锈钢。更具体而言，对于围绕膜分离单元Y的元件，优选使用具有正常耐腐蚀性的不锈钢，例如SUS304L和SAF2304，或者具有稍微改进的耐腐蚀性的不锈钢，例如SUS316和SUS317，并且对于围绕膜分离单元Z的元件，优选使用具有进一步改进的耐腐蚀性的不锈钢，例如SUS316L和SUS317L，或者高级不锈钢如SAF2507、SUS836L、SUS890L、SUS329J3L和SUS329J4L。

膜分离单元Z的浓缩水B3通常释放到环境中，并且必须满足水处理装置安装的国家、州府、城市和其它位置指定的排放水质量标准。日本的排放水质量标准部分地规定120mg/L的生物需氧量(BOD)最大值和10mg/L的可溶性铁最大值。

下文基于其中待处理水A包含污水或污水的处理水且待处理水B包含海水的情况描述本发明水处理装置操作方法。

待处理水A通常包含高于阈值的量的由排放水质量标准指定的组分。这些组分优选在预处理单元X中除去。

预处理单元X不特别受限，并且可选自化学处理(例如絮凝沉降或压力浮选)、物理固体-液体分离处理(例如沉淀罐、筛分、砂过滤、膜过滤和离心分离)、生物处理及其组合。

在这些中，鉴于膜分离单元Y上的负载，优选预处理单元X为包括生物处理和固体-液体分离处理(物理处理)组合的单元，其能够降低有机物质浓度和悬浮固体浓度。

通过预处理单元X处理待处理水A可产生满足排放水质量标准的处理水A0。

用于处理待处理水B和待处理水C的预处理单元24和34也不特别受限，并且可适当地选自化学处理、物理处理、生物处理及其组合，如同预处理单元4的情况。

生物处理的典型实例为活性污泥法。活性污泥法为使用活性污泥中包含的微生物将有机物质、氮、磷和其它污染物分解的方法。

活性污泥通常用于例如废水的排放。活性污泥法以约2,000mg/L至5,000mg/L的污泥浓度和待处理水A通常1小时至24小时的停留时间操作。稍后描述的膜生物反应器以约2,000mg/L至20,000mg/L的污泥浓度和待处理水A通常1小时至24小时的停留时间操作。

每种情况下，操作条件可根据待处理水A的性能适当地选择。从可降低通过膜生物反应器处理的液体中所含磷和可溶性有机物质的观点看，还优选安装用于加入凝聚剂的装置并将凝聚剂加入包含活性污泥的待处理水A中。

使生物处理以后的中间处理水经受固体-液体分离处理以得到清澈的处理水。

在常规技术中，重力沉淀分离代表固体-液体分离处理的一种最方便的方法。该方法是适合的，因为它总是无能量的。然而，该方法要求大的沉淀面积，并且取决于水质，可能导致沉淀失败以及处理水质的劣化。

目前更优选的提供更有利的固体-液体分离性能的方法是通常称为膜生物反应器方法的技术，其中在预处理罐13中通过使用活性污泥法将水处理，并通过如图5所述使用例如微滤膜或超滤膜的第一预处理单元4将处理水处理。

术语“微滤膜”或“超滤膜”通常不以明确的定义使用。如本文所用，这些术语遵循IUPAC定义。具体而言，微滤膜定义为具有等于能够除去0.1μm或更大粒度的颗粒的压力的驱动力的分离膜。超滤膜定义为具有通常0.001-0.1μm的孔径大小的膜。

用微滤膜或超滤膜分离生物处理水可通过使用各种方法进行，包括压滤，其中将水用压力泵供入膜分离单元中，和浸渍过滤，其中将膜分离单元浸入生物处理罐中以通过吸滤分离水。

从处理包含高浓度的活性污泥的水的观点看，优选使用浸渍过滤方法，其可以稳定的操作并且涉及相对较低的能量成本。用于浸渍过滤方法的膜不限于特定膜，例如中空纤维膜和平板膜。然而，鉴于它的简单单元结构和对高浓度处理的合适性，优选使用平板膜。

在其中微滤膜或超滤膜用作预处理单元X的情况下，待处理水A中的悬浮固体可几乎100％除去。然而，难以使有机物质浓度为零。因此，在用膜分离单元Y处理处理水A0的情况下，存在使浓缩水A3中目标物质的浓度提高至超过排放水质量标准指定浓度的可能性。

在这种情况下，将浓缩水A3直接排到环境中可能导致环境问题，并且可使浓缩水A3经受氧化处理或者再循环至如JP-A-2002-306930所述用于预处理的无水处理单元中。然而，在本发明的水处理装置中，由于浓缩水A3和/或处理水A4作为与待处理水B和/或处理水B0的混合物处理，浓缩水A3中的目标物质不以高浓度直接排放到环境中，同时保持浓缩水A3的目标物质浓度。

将浓缩水A3和/或处理水A4与待处理水B和/或处理水B0混合，通过混合罐25供入膜分离单元Z中，并分离成渗透水B2和浓缩水B3。具体而言，由浓缩水A3和/或处理水A4带来的目标物质在膜分离单元Z中进一步浓缩，并作为浓缩水B3或处理水B4排放。在图1中，浓缩水A3和处理水A4都无区别地表示为A4，待处理水B和处理水B0都无区别地表示为B0，且浓缩水B3和处理水B4都无区别地表示为B4。相同的符号也用于图2-5中。

包含在浓缩水B3或处理水B4中的目标物质的最大浓度(在下文中也称为“水质指数”)C_B3或C_B4可由下式表示。

[算式1]

C_{B 3} = \frac{(\frac{100 \cdot C_{A 0} \cdot F_{A 0}}{100 - R_{Y}} + C_{B 0} \cdot F_{B 0}) \cdot \frac{100}{100 - R_{Z}}}{F_{A 0} + F_{B 0}}

在式中，C_A0表示处理水A0中的水质指数[mg/L]，C_B0表示处理水B0中的水质指数[mg/L]，F_A0表示预处理水A0中的水质指数[m³/d]，F_B0表示预处理水B0中的水质指数[m³/d]，R_Y表示膜分离单元Y中的渗透水A2的回收率[％]，且R_Z表示膜分离单元Z中渗透水B2的回收率[％]。

处理水A0和处理水B0的水质指数可通过使用例如在线传感器或离线测量仪器测定。

在将浓缩水B3处理成处理水B4时的水质指数C_B4由上述用于C_B3的相同式表示，条件是该处理不改变对水质指数而言有意义的物质的浓度。当水质指数而言有意义的物质的浓度取决于处理改变时，C_B4通过使用例如在线传感器或离线测量仪器测定。

在本发明中，如果排放到环境中的浓缩水B3或者处理水B4的水质指数C_B3或C_B4超过预定阈值(排放水质量标准)，则水处理装置操作方法进行选自以下方法(1)-(8)的至少一种。

<方法(1)-(3)>

方法(1)：降低膜分离单元Y中渗透水A2的回收率R_Y(＝渗透水A2的流速/处理水A0的流速×100(％))。

方法(2)：降低膜分离单元Z中渗透水B2的回收率R_Z(＝渗透水B2的流速/混合水B1的流速×100(％))。

方法(3)：改变混合水B1中浓缩水A3和处理水A4中的至少一种与待处理水B和处理水B0中的至少一种的混合比。

在方法(3)中，浓缩水A3的水质指数C_A3(＝C_A0×100/(100-R_Y))或处理水A4的水质指数C_A4(＝C_A0×100/(100-R_Y))通过使用在线传感器或离线测量仪器测定，并测量第二待处理水B的水质指数C_B或处理水B0的水质指数C_B0。当水质指数C_A3或水质指数C_A4大于水质指数C_B或水质指数C_B0时，优选降低浓缩水A3或处理水A4相对于第二待处理水B或处理水B0的流速比。

相反，当水质指数C_A3或水质指数C_A4小于水质指数C_B或水质指数C_B0时，优选提高浓缩水A3或处理水A4相对于第二待处理水B或处理水B0的流速比。

这样，待排放到环境中的浓缩水B3或处理水B4可具有改进的水质指数。即，可降低目标物质浓度。

作为具体方法的一个实例，如图1所示，使用第二水质指数传感器36监控涉及排放标准的水质指数(C_B3和/或C_B4)。当该指数超过预设值时，膜分离单元Y和膜分离单元Z中至少一个的回收率借助控制单元41降低。另一方面，当水质指数为足够小的时，可提高回收率以提高渗透水流速。视情况而定，可提高或降低待处理水的流速以进行调整。

以该控制，可通过膜分离得到清澈的渗透水，同时可防止浓缩水B3或处理水B4超过排放水质量标准。在方法(1)或(2)中，优选将膜分离单元Y的浓缩水A3、膜分离单元Z的浓缩水A3和处理水A4中至少一种的流速保持在预定范围内。这些流速优选设置在预定范围内，因为当太小时，它导致膜分离单元内的浓差极化或者加速污染物的沉积，当太大时，它导致膜分离单元内部过多的压力损失或损害。

即，必须注意取决于待处理水A或者待处理水B的量，方法可涉及在其应用中的困难，除非调整(提高或降低)待处理的总量。

<方法(4)和(5)>

作为降低排放浓度的另一方法，可提到以下方法。

方法(4)：在将浓缩水A3与待处理水B和处理水B0中的至少一种混合以前对至少一部分浓缩水A3进行吸附处理或分解处理。

方法(5)：在排放浓缩水B3以前对至少一部分浓缩水B3进行吸附处理或分解处理。

吸附的具体实例包括在活性炭、凝聚剂或离子交换树脂上吸附。分解处理的实例包括通过用臭氧加速氧化、超临界氧化或电解降低分子量的处理。

在方法(4)中，由浓缩水A3处理的水可与处理水A4相同。在方法(5)中，由浓缩水B3处理的水可与处理水B4相同。

通过膜分离单元Y或者膜分离单元Z的浓缩水A3或B3可能包含一定浓度的痕量悬浮固体、可能由于长期操作产生的锈、微生物和水垢。这些材料可干扰吸附或分解处理。因此，优选在进行方法(4)或(5)以前通过使浓缩水A3或B3经受澄清处理而除去这些材料。

图2显示方法(4)或(5)的程序的一个实例。在图2中，膜分离单元Y的浓缩水A3中和膜分离单元Z的浓缩水B3中的目标物质浓度通过第一提纯单元12和第二提纯单元37降低。提纯单元12和37可通过阀V4、V5、V8和V9控制。具体而言，当不需要降低浓度时，阀V4和V8完全关闭，而过多的目标物质浓度可通过逐步打开阀V4和V8中的至少一个而降低。

其操作方法不特别受限，并且可根据这类因素如处理成本和操作性而适当地选择。

由于安全原因，优选优先操作第一提纯单元12，并在单独的第一提纯单元12的能力不足以充分降低水质指数C_B3或C_B4时操作第二提纯单元37。还优选进行方法(4)和方法(5)。

这样，第二提纯单元37可用作第一提纯单元12的后援，并且可降低目标物质对膜分离单元Z具有不利影响的可能风险。另一优点是除去不同于目标物质的物质可降低膜分离单元Z上的负载，因此预期贡献于改进渗透水B2的质量。

<方法(6)>

还提到将第三待处理水C加入混合水中的以下方法(6)。

方法(6)：生产作为包含处理水A4、处理水B0和第三待处理水C的混合水的混合水B1。

第三待处理水C优选为包含少量目标物质或者不包含目标物质的水。

图3显示方法(6)的程序的一个实例。

在图3中，待处理水C通过第三待处理水管线31，并根据需要借助第三预处理单元34加入混合罐25中。

然而，可将待处理水C加入第二待处理水罐22中，由此与待处理水B混合，最后与处理水A4混合，或者可加入第一待处理水罐2中，由此与待处理水A混合，最后与处理水B0混合。作为选择，可将待处理水C直接加入管线中，其中代替在罐中混合，使处理水A4、处理水B0或者处理水A4和B0的混合水进入以产生混合水B1。即，加入待处理水C的方法和位置不受限，条件是得到包含处理水A4、处理水B0和待处理水C的混合水B1。

降低回收率R_Y或R_Z的方法(1)或(2)降低渗透水A2或渗透水B2的量。相反，方法(6)可通过降低对膜分离单元Z的浓缩比的限制而保持渗透水量。因此，当可提供具有低浓度目标物质的待处理水C时，方法(6)是非常理想的。

具体而言，当监控浓缩水B3或处理水B4的第二水质指数传感器36产生超过设定值的值时，混合罐25中的目标物质浓度可借助控制单元41通过操作第三进水泵33和阀V6和/或通过调整第二进水泵23的输出而降低。

当膜分离单元Z具有高操作压力时，例如当待处理水B包含海水作为主要组分时，优选确定待处理水C的供应量使得膜分离单元Z的操作压力不超过预设阈值。

关于膜分离单元的最大操作压力，单元或组件的耐压性由厂商设定。膜渗透通量的最大值也由厂商根据厂商说明设定。

<方法(7)>

下面描述方法(7)。膜分离单元Y的浓缩水A3中所含目标物质基本由在膜分离单元Y中浓缩的处理水A0(进料水A1)产生，并且需要降低处理水A0(进料水A1)中目标物质的浓度以降低浓缩水A3中目标物质的浓度。即，目标物质需要在预处理单元X中除去。

尽管在预处理单元X具有足够的脱除性能时不产生问题，当预处理单元X的脱除性能不充分时，目标物质在膜分离单元Y中变得浓缩。当预处理单元X的脱除性能不充分时，可进行以下方法(7)。

方法(7)：生产作为包含处理水A4、处理水B0和一部分处理水A0的混合水的混合水B1。

具体而言，代替使所有处理水A0在膜分离单元Y浓缩，仅供入一部分预处理水A0作为混合水。这使得可降低混合罐25中的目标物质浓度(水质指数可改进)。

如同方法(6)中，加入一部分处理水A0的方法和位置在方法(7)中不受限制，条件是得到包含一部分处理水A0、处理水A4和处理水B0的混合水B1。

在方法(7)中，优选如上所述保持浓缩水A3的流速。更方便地，优选通过绕过混合罐25中的处理水A0的量，即通过混入的处理水A0的量降低渗透水A2的流速。

<方法(8)>

本发明水处理装置操作方法也可进行下文所述方法(8)。

方法(8)：使至少一部分浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

该方法是非常理想的，因为它使至少一部分浓缩水A3再循环至第一待处理水罐2中，并在预处理单元X中再处理，由此降低浓缩水A3的浓度和目标物质浓度

图4显示方法(7)和(8)的程序的一个实例。在图4中，通过绕过膜分离单元Y而将一部分处理水A0送入混合罐25中。目标物质浓度可通过提高绕过的量而降低。其流速通过阀V3控制。

在方法(8)中，一部分浓缩水A3通过通向第一待处理水罐2的再循环管线8再循环至待处理水罐2中，并在预处理单元X中再处理，由此降低目标物质浓度。

当预处理单元X的处理性能不足时，需要再循环，并且当再循环时，预处理单元X的处理效率可通过使浓缩水A3再循环通过作为支持处理单元提供的化学处理单元11而改进。即，优选进行化学处理，同时使浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

例如，当预处理单元X包括生物处理时，处理水A0和浓缩水A3包含在生物处理以后保持未分解的持久性物质，且生物降解性可通过进行加速氧化如通过臭氧或过氧化氢，或者化学处理如化学分解而改进。化学处理的强度可通过适当地调整处理条件如温度、停留时间和化学浓度而改变。

还优选将一部分处理水A0混入浓缩水B3和处理水B4中的至少一种中作为将浓缩水B3或者处理水B4的水质指数C_B3或C_B4保持在预定值以下的方法。当待处理水A为污水且其量大于能够通过膜分离单元Y处理的水量时，这是特别优选的。

当该水中的目标物质浓度低于浓缩水B3或者处理水B4中的时，即当水具有比C_B3或C_B4更好的水质指数时，除待处理水A外，也可将第二待处理水B、处理水B0、第三待处理水C或从系统中排出的任何其它水加入浓缩水B3或者处理水B4中。

图5显示能够进行所有方法(1)-(8)的程序的水处理装置的一个实例。在图5的实例中，预处理单元X涉及预处理罐(生物处理罐)13，且第一预处理单元4浸没在罐中。

如本发明中所用水质指数的实例包括排放水质量标准中所述材料以及在排放到环境中时具有导致环境污染的潜在风险的材料的那些。特别优选用作水质指数的有通过常用于排放水质测量中的BOD(生物需氧量)、COD(化学需氧量)、TOC(总有机碳)、T-N(总氮)、T-P(总磷)或吸光测定法指定的那些。

特别优选能够容易地再现检测水质指数的吸光测定法，即使准确性不像由离线测量方法提供的那些一样高。由于吸光测定法不意欲用于包含在水中的组分的直接量化，浓度的粗略评估可有效地通过预先根据有意义的参比物质的浓度产生标准曲线而得到。

当待处理水A、B和C中的任一种为工业废水时，水可能包含各种危险物质和有毒物质。当一定程度地控制危险物质和有毒物质的组分时，还优选关注这类组分监控水质。

危险物质和有毒物质的具体实例包括除草剂、杀菌剂、放射性材料、病毒、病原体、砷、氰和汞。当关于这些目标监控水质时，根据目标组分适当地选择检测器。

在本发明中，水质指数监控点最优选为直接监控待从系统中排出的浓缩水B3或处理水B4。然而，还非常理想地在水处理装置中的最高浓度点处监控水质指数。

具体而言，当目标物质主要包含在待处理水A中时，代替或者除浓缩水B3的水质指数C_B3或处理水B4的水质指数C_B4外，可监控水质指数C_A3或C_A4，如图5所示，因为高目标物质浓度导致浓缩水A3或处理水A4的高浓缩。水质指数C_A3或C_A4可通过第一水质指数传感器14监控。

当代替本发明中应监控的水质指数C_B3或C_B4，监控水质指数C_A3或C_A4时，水质指数C_B3或C_B4可通过使用下式由待与待处理水B或处理水B0混合的浓缩水A3或者A4的水质指数C_A3或C_A4以及膜分离单元Z中渗透水B2的回收率R_Z得到。

C_A3×100/(100-R_Z)，或

C_A4×100/(100-R_Z)

基于使用上述式得到的水质指数C_B3或C_B4进行选自本发明方法(1)-(8)的至少一种方法也是一个优选的实施方案。

在图5中，监控浓缩水A3。然而，当浓缩水A3经受用提纯单元12澄清处理时，优选在澄清处理以后监控浓缩水A3的水质指数。

当混合水B1不包含浓缩水A3而是处理水A4且将浓缩水A3处理成处理水A4提供理想的水质指数时，用水质指数传感器监控处理水A4的水质指数C_A4。

在本发明水处理装置操作方法中，当待处理水B的溶质浓度与海水的一样高时，膜分离单元Z的操作压力在温度或待处理水B的渗透压的影响下倾向于波动。操作压力的波动要求压力泵的宽输出控制，并且由于提高的压力泵尺寸或其它控制功能，导致高成本。

在用本发明水处理装置进行方法(6)中，因此优选通过将处理水A4、处理水B0和待处理水C的混合比调整在不导致待从系统中排出的浓缩水B3或处理水B4的目标物质浓度(水质指数)方面的问题的范围内而降低待供入膜分离单元Z中的混合水B1的温度和渗透压波动。

这样，可降低膜分离单元Z的操作压力波动。

当海水用作待处理水B时降低膜分离单元Z的操作压力波动的一个具体实例描述于下文中。

膜分离单元Z的操作压力随着待处理水B的浓度提高或者随着水温降低而提高。因此，优选通过提高浓缩水A3、处理水A4或待处理水C的比例而降低渗透压，由此提高有效压力并降低操作压力波动。

这在能量方面是有效的，因为它能够降低压力泵26的输出波动，并消除或者使提供导致能量损失的具有输出控制功能如昂贵逆变器和控制阀的压力泵26的需求最小化。

尽管详细以及参考其具体实施方案描述了本发明，本领域技术人员了解可不偏离其精神和范围地作出其中的各种改变和改进。

本申请基于2013年5月27日提交的日本专利申请No.2013-111007，并通过引用将其全部内容并入本文中。

工业应用

本发明涉及操作水处理装置以由多种待处理水得到处理水的方法，更具体而言，涉及操作装置以由包含待排放到环境中的目标物质的待处理水如污水以及由具有高盐浓度的海水得到淡水的方法。

在操作水处理装置的方法中，将在污水处理和再使用以后得到的浓缩废水混入海水中，并设置操作条件使得在提取淡水以后包含在浓缩水中的目标物质的监控浓度不超过一定值。该装置与目标物质脱除单元一起使用。因此，可降低环境的排放水负载，并且水处理装置，特别是使用半透性膜生产淡水的水处理装置可以以低成本稳定地操作。

参考数字和符号描述

1：第一待处理水管线

2：第一待处理水罐

3：第一进水泵

4：第一预处理单元

5：进料泵

6：压力泵

7：第一膜分离单元

8：再循环管线

9：第一渗透水管线

10：第一产物水罐

11：化学处理单元

12：第一提纯单元

13：预处理罐(生物处理罐)

14：第一水质指数传感器

21：第二待处理水管线

22：第二待处理水罐

23：第二进水泵

24：第二预处理单元

25：混合罐

26：第二压力泵

27：第二膜分离单元

28：第二产物水罐

29：能量回收单元

31：第三待处理水管线

32：第三待处理水罐

33：第三进水泵

34：第三预处理单元

36：第二水质指数传感器

37：第二提纯单元

38：集中排水

41：控制单元

V1-V9：阀

Claims

1.操作水处理装置的方法，其包括：

预处理单元X以将第一待处理水A预处理成处理水A0；

膜分离单元Y以将处理水A0分离成渗透水A2和浓缩水A3；和

膜分离单元Z以将混合水B1分离成渗透水B2和浓缩水B3，其中混合水B1包含浓缩水A3和通过处理浓缩水A3得到的处理水A4中的至少一种，以及第二待处理水B和通过处理待处理水B得到的处理水B0中的至少一种，

如果浓缩水B3的水质指数C_B3或浓缩水B3的处理水B4的水质指数C_B4超过预定阈值，则本方法包括进行选自以下方法(1)-(8)的至少一种方法：

方法(1)：降低膜分离单元Y中渗透水A2的回收率R_Y；

方法(2)：降低膜分离单元Z中渗透水B2的回收率R_Z；

方法(8)：使至少一部分浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

2.根据权利要求1的操作水处理装置的方法，其中水质指数C_B3或水质指数C_B4的阈值通过生物需氧量、化学需氧量、总有机碳、总氮、总磷或吸光度描述。

3.根据权利要求1或2的操作水处理装置的方法，其中水质指数C_B3或水质指数C_B4由下式表示：

C_A3×100/(100-R_Z)，或

C_A4×100/(100-R_Z)，

4.根据权利要求1-3中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(1)或(2)中，使选自由浓缩水A3、浓缩水B3和处理水B4组成的组的至少一种的流速保持在预定范围内。

5.根据权利要求1-4中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(3)中，

6.根据权利要求1-5中任一项的操作水处理装置的方法，其中进行方法(4)和方法(5)。

7.根据权利要求1-6中任一项的操作水处理装置的方法，其中在进行方法(4)或(5)以前使浓缩水A3或者浓缩水B3经受澄清处理。

8.根据权利要求1-7中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(6)中，确定待处理水C的供应量使得膜分离单元Z的操作压力不超过预设阈值。

9.根据权利要求1-8中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(7)中，渗透水A2的流速通过混入的处理水A0的量降低。

10.根据权利要求1-9中任一项的操作水处理装置的方法，其中在方法(8)中，进行化学处理，同时使浓缩水A3再循环至预处理单元X中。

11.根据权利要求1-10中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A和待处理水C中的至少一种具有比待处理水B的渗透压更低的渗透压。

12.根据权利要求1-11中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A的水质指数C_A高于待处理水B的水质指数C_B，且待处理水B具有比待处理水A的盐浓度更高的盐浓度。

13.根据权利要求1-12中任一项的操作水处理装置的方法，其中待处理水A包含污水、废水或者污水或废水的处理水，且待处理水B包含海水。

14.根据权利要求1-13中任一项的操作水处理装置的方法，其中预处理单元X为包括生物处理和固体-液体分离处理的组合的单元。

15.根据权利要求1-14中任一项的操作水处理装置的方法，其中膜分离单元Y和膜分离单元Z中的至少一个为半透性膜单元。

16.根据权利要求1-15中任一项的操作水处理装置的方法，其中膜分离单元Z具有比膜分离单元Y的最大操作压力更高的最大操作压力。

17.根据权利要求1-16中任一项的操作水处理装置的方法，其中将一部分处理水A0混入浓缩水B3和处理水B4中的至少一种中。