检查纳米过滤或反渗透组件或此组件系统的完整性的方法

摘要

本发明涉及一种控制处理供应流体的纳米过滤或反渗透组件系统或检测活的微生物的泄漏的方法，每个组件包括纳米过滤或反渗透膜和连接所述膜的接合点，所述方法包括以下步骤：在所述供应流体中选择一种溶解化合物，该化合物的数量较大但通常被所述膜强截留，在所述系统一组件的下游区测量所述化合物的浓度值，将此测量值与参考值对比，和当所述测量值大于所述参考值时认为所述系统的该区存在缺陷。

说明书

本发明涉及一种适用于检查纳米过滤或反渗透组件(例如在溶液的处理或分离和浓缩中，特别是在水处理领域中使用的那些组件)系统的完整性的方法。

利用膜的水净化技术有日益增加的许多各种容量的工业实施。膜过滤技术领域交叠，但一般分为：

-微滤，在约0.5μm孔径区域内，

-超滤，在约10nm孔径区域内，

-纳米过滤，有约1nm或250道尔顿的截留能力(实际上目前市场上出售的纳米过滤膜为200至300道尔顿)，

-反渗透，低于1nm。

纳米过滤可除去大部分溶解的有机污染物和某些矿物离子。更特别地，它能够除去“表观”尺寸相当大的可溶性有机矿物和某些矿物离子。因此，纳米过滤与反渗透的领域交叠。纳米过滤也称为“低压反渗透”或“超微滤”。

由于其截留界限极低，纳米过滤确保完全没有微生物。

不过，在工业装置中，纳米过滤膜安装在纳米过滤组件内，这些纳米过滤组件本身依靠装配能确保要求的生产量的大量组件完成。因此，即使纳米过滤固有地在膜水平不透细菌和病毒，但大量组件的装配可能包括连接缺陷，从而不能确定所述组件的不渗透性。

此外，组件有缺陷或坏构造(膜的胶接差、膜中未检测出的洞等)的可能性经常存在。

有两种常用于在组件内安放纳米过滤膜的构型：

-所谓“螺旋”构型，将由隔离物隔开的平板型膜片卷绕在收集滤液(即已通过所述膜的将被处理的流体部分，与浓缩液相对，浓缩液是未通过这些膜而且其中所述杂质被膜阻止而提浓的流体部分)的管上。

-所谓“中空纤维”构型，其中所述膜以毛细纤维束形式出现。

无论何种构型，所述组件(对于工业水处理装置而言一般直径8英寸、长40英寸)都在所谓“压力管”内彼此相连(原则上串联)。完备的纳米过滤系统可包含并联安装的几个压力管，通常固定在元件(或导板)上，或者甚至最常见的是包含几个单元(或级)，每个单元由多个管形成。

实践中出现的问题在于检查起源在于膜本身或接合点的、导致直接来自膜的脏侧(浓缩液)的流体通过刺破的膜或有缺陷的接合点进入干净侧(滤液)的组件或由多个组件构成的系统的完整性缺陷。

因此，有两类主要的适用于单独使用模型的检查方法，即检测纳米过滤或反渗透组件完整性的变型的方法。

·进行生产水即滤液的质量控制的方法(特别地通过测量电导率或通过细菌学的分析)，

·用物理方法进行泄漏检查的方法(例如测量生产量或测量低压)。

这些方法在单独使用的而且一般放在测试床上的过滤组件上进行；不能用于确定与操作系统内有关的缺陷的位置。

还可引用WO99/44728中提出的通过噪声测量检查泄漏的方法，但该方法既不适用于反渗透也不适用于纳米过滤，后两种方法需要以膜的切向流方式操作。这是因为此方式采用较高的压力和速度，因而不能区别泄漏的噪声与环境噪声。

也存在适用于组件总系统的方法；这些方面原则上利用所述系统产生的水的电导率的测量结果。因此，对于通过反渗透使海水脱盐而言，电导率的测量结果一般是不够的。而对于纳米膜系统而言，系统产生水的电导率的测量结果不能以需要的精度检测缺陷。这是因为纳米过滤本来就允许大量盐如钙、氯化物、硝酸盐等通过，不能归因于系统完整性的缺陷。

本发明的目的是依靠一种能在不停止生产的情况下检测通过纳米过滤或反渗透组件或由多个此种组件形成的系统中的泄漏特别是活的微生物(如细菌、病毒、原生动物、特别是隐孢子虫属和贾第虫属)的泄漏的方法来减轻已知方法的缺点，此检测能假连续地进行，即以常规方式、仅仅在几分钟内、以简单可靠的方式、通过测量试样浓度来实施。

实际上本发明是基于以下发现：普遍地可在将被过滤流体中选择一种化合物，在不存在任何泄漏的情况下该化合物在滤液中的浓度通常极低，但在膜或连接接合处出现破损的情况下其浓度非常迅速地增加以致在所述膜或所述接合处破损时其浓度比活病菌的浓度更快地增加。

这是因为纳米过滤或反渗透膜不适用于除去悬浮物。相反，这些方法必须供给不溶解颗粒含量已经极低的水。当进料中不存在颗粒时，因此不能采用与悬浮物有关的测量来检测泄漏(浊度、计数颗粒、悬浮物等)。

不过，纳米过滤或反渗透膜用于分离溶解物。截留的分子尺寸范围从有机大分子延伸至离子。作为膜的分离能力的函数确保溶解物的分离多少(反渗透的分离能力很大，纳米过滤的分离能力不大)。

对于反渗透膜而言，所有种类盐的截留率都大于90％。对于纳米过滤范围的大多数“敞开”膜而言，盐的截留率是进料水质(唐南效应)、盐浓度、其水合作用、及其尺寸的函数。最近代的纳米过滤膜通常允许例如大于50％的碳酸钙和碳酸氢钙通过膜。对于这些膜而言，生产的水中总盐量的测量结果(例如电导率)不能检测泄漏。

不过，某些多价离子如硫酸根和铁总是极好地被膜截留，不管它们是纳米过滤还是反渗透膜。系统中出现泄漏时，这些多价离子的浓度将因此比完好体系中的高。

对于大多数“敞开”纳米过滤膜而言，以％表示的可分析化合物的通过率的可能范围示于表1中，以纳米过滤用于给定天然水为例，给出可鉴别的各种化合物通过纳米过滤膜的程度表示。该表中，化合物的通过率用公式表示如下：

通过率(％)＝100×(滤液中所述化合物的浓度/浓缩液侧所述化合物的浓度)

浓缩液侧所述化合物的浓度定义为管的进料和管的浓缩液之间的平均值。

值得注意的是可以鉴别供给膜的水中存在的但通常被膜以高比例截留的化合物，从而在发生浓缩液/滤液泄漏时能检测该化合物，而且该化合物很容易在现场测量。甚至普遍地可以鉴别所述供应水中大量存在而且被所述膜强截留(可能通过率最低)的化合物。

易于测量的离子或化合物如氯化物和碳酸氢盐的通过率可能太高。此外，某些化合物的通过率与水的pH关系很大，可以碳酸形式通过的碳酸盐化合物尤其如此，同样，酸式分子硅酸或硼酸也以与它们的离子形式大不相同的酸形式通过所述膜。

然而，硫酸根离子有许多优点：

-天然地存在于海水和地表水中，

-是强酸性离子，不管水的pH如何，其形式保持不变，

-测量其浓度快速而且要求不高，

在膜的进料中通常加入硫酸调节pH，也使膜浓缩侧的硫酸根离子量进一步增加。

此外，已能证实，在纳米过滤或反渗透膜泄漏的情况下，在可检测量的微生物通过膜或连接接合处缺陷之前可首先检测出化合物如硫酸盐。

因此，本发明提供一种检查适用于处理供应流体的纳米过滤或反渗透组件系统的完整性和检测活的微生物的泄漏的方法，每个组件包括纳米过滤或反渗透膜和这些膜的连接接合点，所述方法包括以下步骤：

·在所述供应流体中选择一种溶解化合物，该化合物的数量较大但通常被所述膜强截留，

·在所述系统一组件的下游区测量所述化合物的浓度值，

·将此测量值与参考值对比，和

·当所述测量值大于所述参考值时认为所述系统的该区存在缺陷。

优选地，当所述系统包括至少一组并联安装的组件时，所述方法包括以下步骤：

·在所述组的每个组件的相似下游区测量所述溶解化合物的浓度值，

·对比每一组件的这些测量值，

·确定这些值中最小的那些，将至少近似等于那些最小值的一个值定为参考值，

·当所述并联安装的组件之一的测量值大于所述参考值时认为该组件中存在缺陷。从而可在没有预先给定参考值的情况下检测出现所述情况的并联安装的组件之一包含缺陷。

当然，这也适用于所述并联安装的组件均成为一系列组件的一部分的情况。因此，根据本发明另一优选方面，前面所定义的一般方法特征在于所述系统包括多个并联安装的组件系列，所述方法包括以下步骤：

·在每一系列的相似区测量所述溶解化合物的浓度值，

·对比每一系列的这些测量值，

·确定这些值中最小的那些，将至少近似等于那些最小值的一个值定为参考值，

·当这些系列之一的测量值明显大于所述参考值时认为该系列中存在缺陷。

有利地，为确定所述系列中包含所述缺陷的元件，本发明方法的特征在于还包括以下步骤：

·在沿所述组件系列选择的多个区域内测量所述溶解化合物的浓度值，

·对于测量的给定区域的每一浓度值，取基本上等于测量的位于紧邻所述给定区域上游的区域或者在没有上游区的情况下位于紧邻其下游的区域的浓度值的参考值，和

·当所述测量值大于相关参考值时认为给定区域内存在缺陷。

后一情况下，沿所述组件系列选择的区域包括每个组件下游的至少一个区域和连接一组件与下一组件的每个接头的一个区域是有利的。从而实际上测试所述系列的每个元件。

在一种有利的方式中，为获得代表所考虑的整个组件系列的测量结果，在取自包含来自所述系列每一组件的流体的区域的流体试样中测量所述溶解化合物的浓度值。

上述方法与其中缺陷的任何预先检测无关地用于一系列组件，其中所述方法的特征在于所述系统包括至少一个系列组件，所述方法包括以下步骤：

在沿所述组件系列选择的多个区域内测量所述溶解化合物的浓度值，

·对于测量的给定区域的每一浓度值，取基本上等于测量的位于紧邻所述给定区域上游的区域或者在没有上游区的情况下位于紧邻其下游的区域的浓度值的参考值，和

·当所述测量值大于相关参考值时认为给定区域内存在缺陷。

在此情况下，与几个组件系列的情况一样，有利地，本发明方法的特征在于沿所述组件系列选择的区域包括每个组件下游的至少一个区域和连接一组件与下一组件的每个接头的一个区域。

优选地，当所述系统包括至少一个系列组件时，在取自包含来自所述系列每一组件的流体的区域的流体试样中测量所述溶解化合物的浓度值。

从结合表1给出的解释清楚地可见，选择硫酸盐作为测量其浓度的化合物是特别有利的。

本发明的目的、特征和优点将从结合附图通过非限制性举例说明给出的以下描述中体现，其中：

图1a是沿在第二和第三组件之间的连接处有泄漏的纳米过滤系统第一级的一系列组件或管的硫酸盐浓度分布(mg/l)，

图1b是沿在第三和第四组件之间的连接处有缺陷的所述系统第二级的一系列组件或管的硫酸盐浓度分布(mg/l)，

图1c是沿在第一和第二组件的连接处和在第三和第四组件的连接处有缺陷的所述系统第三级的一系列组件或管的硫酸盐浓度分布(mg/l)，

图2a是第三级的28根加压管的电导率的图示，

图2b是与图2a相同的加压管出口处硫酸盐浓度(mg/l)的图示，

图3示出沿5个组件形成的管的硫酸盐浓度(mg/l)的变化，

图4示出所述系统的所述管的滤液中的细菌学分析，和

图5示出所述系统的所述单元或级的滤液中的细菌学分析。

下面在一优选实施方案中(关于包含多个相继级(或单元)的系统)描述本发明，其中每个级(或单元)由并联安装的管形成，每个管包含多个组件(所考虑的例子中为6，另一典型值为7)，目的是检查所述纳米过滤或反渗透膜系统的完整性和检测活的微生物(如细菌、病毒、原生动物、特别是隐孢子虫属和贾第虫属)通过由卷绕(螺旋)膜片或中空纤维膜和接合处构成的组件的泄漏。所述方法包括以下步骤：

·在由所述滤液管和所述内部接头构成的最小装配单元(一般一个压力管配备有5至7个通过接头联接的组件)中取水样，

·将所述硫酸根离子或任何其它强截留化合物的值与位于所述系统相同水平(也称为级)的其它管的值对比。图3中给出一例。

·如果所取水样的强截留化合物(优选硫酸盐)浓度在具有低浓度强截留化合物的所述管的范围内，则所述管没有完整性缺陷，(例如参见图2b，第32号管的情况)。

·如果所取水样的强截留化合物(优选硫酸盐)浓度大于具有低浓度强截留化合物的所有管，则继续进行能检测有缺陷组件或有缺陷接合点的探测操作，如下一点中所述，

·借助探测器，沿由所述滤液管和所述内部接头构成的装配单元取多个水样，

·按照例如NFT90-040标准或任何其它现场方法(可商购的成套工具)测量所述水样中强截留化合物(优选硫酸盐)的浓度。

·描绘出沿管的纵向浓度分布(见图1a、1b、和1c)。

沿所述管的纵向浓度分布遵循图3中所示轮廓。所述纵向参考分布可在硫酸盐浓度最低的管上测量或计算。

根据所述操作，可预见不同的应用，特别地列举以下应用。

例如，上述方法适用于Mery-sur-Oise的纳米过滤设备，该设备包括8条纳米过滤生产线，每条生产线生产17500m³水/天，包括1140个纳米过滤组件，每个组件约37m²。所述纳米过滤组件被插入压力管中，每个管6个组件。因而所述Mery-sur-Oise设备中有1520个压力管。所述组件布置在如下三个纳米过滤级中：

-第一级接收硫酸盐浓度在约50和100mg/l之间的待处理水，

-第二级接收来自第一级的浓缩液，

-第三级接收来自第一级的浓缩液，

在所述1520个压力管的滤液中硫酸盐浓度的系统测定能纠正装配差错，其基本组成如下：

1.置换11个变平或磨损的互连接头，

2.安装20个遗漏(missing)的接头

3.安装4个遗漏的连接器

4.更换四个损坏的膜元件。

如果它们未被纠正，这些装配差错可能导致所述压力管的浓缩液和滤液室之间的流体密封差，使浓缩液流入管的滤液收集器。所述浓缩液可能载有不想要的化合物，如上述所有细菌。

这些装配差错不能通过所述压力管生产的水的电导率测量结果检测，因为纳米过滤本来就允许某些离子(如氯离子、钙离子和碳酸氢根离子)通过，所述管的滤液的电导率比通过反渗透生产的高。图2a中给出一个例子，其中28根管的一个单元(第三级)已经过电导率测量。与所述单元的其它管相比，没有一个管有异常的电导率。

相反，相同管的滤液中硫酸盐的测量结果显示，第22、33、61、62和72号管是异常的，它们正产生硫酸盐浓度明显较高的水(参见图2b)。

表2和图3示出当探测单元4的第61号压力管时硫酸盐的结果，所述硫酸盐泄漏位于第一膜的供料接头处。水温为4℃。

为校正流体密封缺陷在运转期间在压力管的出口处按NFT90-414标准进行的水的细菌学测量可说明当所述管有异常的硫酸值(如图2b中所示与所述单元的其它管相比)时，可能出现细菌泄漏。

来自所述NFT90-414标准的分析结果有可对试样进行对比的任意额定值，评定标准如下：

存在大肠杆菌状菌落阳性：

-额定值10＝1个菌落

-额定值20＝2个菌落

-额定值30＝3个菌落，等

不存在大肠杆菌状菌落阳性而且不存在非病原体干扰菌丛：

-额定值0

不存在大肠杆菌状菌落阳性但存在非病原体干扰菌丛(腐生菌)：

-额定值1＝0至10个腐生菌

-额定值2＝11至50个腐生菌

-额定值3＝51至100个腐生菌

-额定值4＝大于100个腐生菌

-额定值5＝覆盖了培养基。

当结果包括阳性大肠杆菌反应和腐生菌时将所述额定值加在一起，例如额定值23相当于两个大肠杆菌状菌落以及53个腐生菌。

所述细菌学测量结果只能统计地整理分析，因为既然在100ml试样上取样，那么所述阳性反应以及阴性反应可能有偏差(污染)。

图4中给出校正前后在管的滤液中进行的135个试样的结果。

在Mery-sur-Oise应用的由28或54个管构成的单元中，流体密封不绝对的一或多个管的结论示于图5中。

表1：

    化合物     通过率 通过率太高 pH的函数 天然水中 存在量低 分析精度   不够      铝    10％-50％     ×     ？    ×    ×    钡，锶    10％-50％     ×    ×    ×      钙    10％-60％     ×    氯化物    50％-80％     ×    电导率    20％-60％     ×    有机碳     0-20％     ×    ×      铜     0-5％    ×    氟化物     30％-50％     ×      铁     0-5％    ×    ×   碳酸氢盐    10％-60％     ×    ×      钾    40％-70％     ×    ×      镁    10％-40％     ×      锰    最高40％     ×    ×      钠    50％-80％     × 亚硝酸铵和硝     酸铵    50％-80％     ×    ×    ×    磷酸盐     0-20％     ？    ×    ×    氧化硅    最高80％     ×    ×    ×    硫酸盐     低于5％

表2：第1号膜第4单元第62号管

                                              水温：4℃

       位置  探头伸入长度(mm)    硫酸盐(mg/1)    取样起点         0  输入接头始端        509        80  输入接头末端        725       150    膜1中间        1200        21   接头1始端        1635        10   接头1末端        1782         8    膜2中间        2216         2   接头2始端        2651         1   接头2末端        2798         3    膜3中间        3232         2   接头3始端        3667         0   接头3末端        3814         1    膜4中间        4248         2   接头4始端        4683         0   接头4末端        4830         1    膜5中间        5264         0   接头5始端        5699         4   接头5末端        5846         2    膜6中间        6280         0  输出接头始端        6747         1  输出接头末端        6926         3    滤液末端        7045         2