CN101932528A - 用于处理废水的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于处理废水的方法。该方法包括使用反渗透处理膜来使废水流浓缩，以及使浓缩的流蒸发，以至少产生蒸馏物和固体。

Description

用于处理废水的方法和系统
发明背景
本发明的领域大体涉及工业废水处理系统，且更具体而言涉及处理气化过程废水或灰水泄料的系统。
工业过程水典型地分类为黑水或灰水。黑水是可包含高水平的悬浮固体和溶解气体的过程水。为了重新使用水，将黑水转化成灰水，以便于由降低悬浮固体、压力和温度的过程重新使用。因此，灰水与黑水相比包含更少的悬浮固体和溶解气体。灰水的一部分被泄出，以减少可不利地影响工业过程的污染物。这种废水或灰水泄料可由诸如气化系统的工业应用产生。
黑水和灰水是通常用来描述气化过程中的水流的术语。来自气化系统的灰水的特性取决于气化器给料和/或气化过程操作状况，且这种灰水可包含氨、氯化物和甲酸盐。气化灰水还可包含其它成分，例如碱和碱土金属、二氧化碳、悬浮固体、过渡金属和其它反应性物质，例如硅石和硫化物。已知的气化灰水具有从约5.5至约8的pH范围，且在排到废水处理系统中时可具有约180°F的温度。如果灰水处于更低的pH区域中，则该灰水可为腐蚀性的，且因而，灰水可在废水处理系统内的构件上引起磨损。
用于与灰水一起使用的至少一种已知的废水处理系统处理灰水泄料或废水，以在水排到排水口之前移除有害的污染物。可在氨气提器(stripper)柱中处理废水，以移除氨。可在硫回收单元(SRU)中处置气提的氨蒸气。对从氨气提器中排出的水进行进一步的处理，以在被排出之前符合环境要求。例如，可使用生物处理过程从废水中移除甲酸盐。如果排出的水不符合规格，废水就存储在存储罐中，以便于在最终处置之前进行进一步的测试。
用于气化灰水泄料或废水的另一种已知的废水处理系统使用满流零液体排放(ZLD)过程。ZLD过程是不产生废液排放流的过程。已知的废水ZLD过程包括降膜蒸发器、强制循环蒸发器和鼓式干燥器，以产生用于处置的固体废物，以及产生用于在气化过程中重新使用的水。在至少一些已知的ZLD过程中，在将废水引导到降膜蒸发器之前对废水进行预处理。更具体而言，对废水进行预处理可包括净化处理和/或过滤处理。但是，这种已知的ZLD过程系统中的处理构件需要使用抗腐蚀的材料。另外，由于蒸发系统中的结垢的原因，这种已知的ZLD过程可使用另外的蒸汽来蒸发废水。来自动力设备内的蒸汽否则可能会被用来产生动力。因而，就资金和运营费用两者而言，已知的ZLD过程系统可能是昂贵的。
发明简述
在一方面，提供了一种用于处理废水的方法。该方法包括使用反渗透处理膜来使废水流浓缩，以及使该浓缩的流蒸发，以至少产生蒸馏物和固体。
在另一方面，提供了一种用于处理废水的系统。该废水处理系统包括分离系统，该分离系统包括反渗透膜。分离系统构造成以便降低废水的流量。该废水处理系统还包括用于接收来自分离系统的减少的废水流的蒸发系统。
在又一方面，提供了一种用于处理废水的分离系统。该分离系统包括包含基于聚合物薄膜的过滤机构的第一膜，以及包含反渗透膜材料的第二膜。该第二膜有利于降低废水的流量。
附图简述
图1是用于合成气发生系统的一种示例性气化的示意图。
图2是可与图1所示的用于合成气发生系统的气化一起使用的一种示例性废水处理系统的示意图。
图3是可与图1所示的用于合成气发生系统的气化一起使用的一种备选的废水处理系统的示意图。
发明详细描述
图1是用于合成气发生系统10的一种示例性气化的简图。合成气发生系统10大体包括用于分离空气14以产生气化器氧气16的空气分离单元(ASU)12，以及用于准备含碳燃料20和水22以产生气化器燃料24的含碳燃料准备单元18。ASU12和燃料准备单元18以流动连通的方式联接到气化器26上，该气化器26通过气化器氧气16和燃料24的部分氧化过程来产生气体/固体混合物28。该气体/固体混合物28包括主产物合成煤气(“合成气”)和副产物，该副产物可包括固体，例如炉渣和未燃烧的碳。气化器26以流动连通的方式联接到合成气冷却器30上，该合成气冷却器30使气化/固体混合物28冷却成经冷却的气体/固体混合物32。锅炉给水34供给到合成气冷却器30中，以产生用于在下游单元中使用的蒸汽36。合成气冷却器30以流动连通的方式联接到气体/液体/固体分离装置38上，经冷却的气体/固体混合物32在该分离装置38处被分离成原始合成气40(气体)、黑水42(液体)和炉渣44(固体)。炉渣44是可被重新使用和/或在现场外处置的副产物。
通过经由合成气洗涤器48、合成气冷却系统50和酸性气体移除系统52处理原始合成气40序列(serial)来将原始合成气40转化成洁净的合成气46。更具体而言，合成气洗涤器48从原始合成气40中洗涤掉颗粒，以产生经洗涤的合成气54，且产生用于在气体/液体/固体分离装置38中使用的水56。合成气冷却系统50冷却经洗涤的合成气54，以产生将被引导到酸性气体移除单元52的低温合成气58，且产生用于分别在冷凝物气提器64和气体/液体/固体分离装置38内进行处理的冷凝物60和62。冷凝物气提器64从冷凝物60中气提氨，以产生用于在合成气洗涤器48中使用的经气提的冷凝物66，且产生用于在下游单元中进行处理和/或处置的副产物氨气68。酸性气体移除系统52从低温合成气58中移除酸性气体70，以产生洁净的合成气46。酸性气体70是可在下游单元中处理和/或处置的副产物。洁净的合成气46是合成气发生系统10的主产物，且洁净的合成气46可用于动力产生、化学品生产和/或其它用途。
将来自气体/液体/固体分离装置38的黑水42引导到黑水处理单元72。黑水处理单元72将黑水42分离成用于在灰水处理单元74中进行处理的灰水78，以及具有高浓度的悬浮固体的流80，其中，可在燃料准备单元18中重新使用流80。灰水处理单元74处理灰水78，以产生用于在合成气洗涤器48中使用的相对较低悬浮固体的灰水76和作为废水的相对较高悬浮固体的灰水170。如果需要的话，与黑水42或灰水78和/或170相比具有更少的悬浮固体的灰水76可与补充水82结合，且在合成气洗涤器48中被用作用于原始合成气40的洗涤水。灰水78的一部分作为废水或灰水泄料170排到废水处理系统100，以降低污染物聚集，污染物聚集可不利地影响合成气发生系统10。
系统100是废水处理系统，该废水处理系统与至少一个废水源(例如，诸如合成气发生系统10的灰水处理系统74)流动连通。化学品存储器84和工厂蒸汽系统86与废水处理系统100流动连通，以分别将化学品和蒸汽供应到废水处理系统100，如下面更加详细地描述的那样。
图2是可与合成气发生系统10(在图1中显示)一起使用的一种示例性废水处理系统100的示意图。在该示例性实施例中，废水处理系统100包括预处理系统102、分离系统104、氨气提系统106、蒸发系统108和干燥系统110。预处理系统102接收来自例如合成气发生系统10(在图1中显示)的废水170，且处理废水170，从而(例如)软化和/或过滤废水170。更具体而言，预处理系统102包括软化系统112和/或过滤器系统114。
为了软化废水170，预处理系统102在软化系统112处接收来自化学品存储器84的化学品116。例如，这种化学品116包括但不限于包括钙、石灰、苛性碱和/或镁化合物，以通过减少废水170内的硬化物质和一些金属值来软化灰水170。如本文所用，术语“苛性碱”指的是氢氧化物离子源。另外，如本文所用，术语“硬化物质”指的是其中包含溶解矿物和/或离子(例如钙、重碳酸盐、钠、氯化物和/或镁离子)的物质。在该示例性实施例中，石灰和/或苛性碱是碱化剂，而镁化合物则用来减少硅石。通过软化废水170，有利于减少硬化物质。因而，在下游操作中降低了在系统100中处理的废水积垢的可能性，因为水170包含更少的趋向于粘附到处理系统100内的表面上以及/或者腐蚀该表面的硬化物质。对于结垢可能性低的废水170，可从预处理系统102中省略软化过程和/或软化系统112。
另外，在该示例性实施例中，预处理系统102在过滤器系统114处使用例如聚合物(例如凝结剂和/或凝聚剂)多介质过滤器来过滤废水170，以从废水170中移除悬浮固体。更具体而言，在该示例性实施例中，将有机凝结剂和/或有机凝聚剂(例如但不限于二烯丙基二甲基胺氯化铵(diallyldimethylamine)(DADMAC)聚合物)供应到预处理系统102，以有利于通过例如凝结和/或凝聚废水170内的固体来从废水170中移除固体。然后预处理系统102将经预处理的废水172排到分离系统104，且将淤积物118排到处置单元。如本文所用，术语“淤积物”指的是在处理过程中产生的、还没有经历稳定过程的聚集的和/或集中的固体。因而，在该示例性实施例中，预处理系统102有利于从废水中移除硬化物质、形成结垢的物质、硅石、金属氧化物和无机物质中的至少一种。或者，预处理系统102通过使得废水处理系统100能够如本文所描述的那样起作用的任何适当的方式来处理废水170。在一个实施例中，从废水处理系统100中省略了预处理系统102。
在该示例性实施例中，分离系统104接收经预处理的废水172，且对水172执行浓缩处理。更具体而言，在该示例性实施例中，分离系统104包括第一膜系统120和第二膜系统122。在一个实施例中，分离系统104包括热交换器，以有利于保持操作温度和/或膜完整性。各个膜系统120和122包括足以处理被引导通过废水处理系统100的废水量的若干个膜。在该示例性实施例中，第一膜系统120包括基于聚合物薄膜的过滤机构，例如已经由聚偏二氟乙烯(polyvinlyidinedifluoride)材料、聚砜(polysuflone)材料、聚醚砜材料和/或任何其它适当的UF聚合物制成的超滤(UF)膜。或者，第一膜系统120包括纳米滤(NF)膜、微滤(MF)膜和/或任何其它适当的过滤膜。在该示例性实施例中，第一膜系统120有利于通过在经预处理的废水172进入第二膜系统122之前调节经预处理的废水172来减少和/或消除第二膜系统122的积垢。为了在废水进入第一膜系统120之前调节废水172，将来自化学品存储器84的化学品126添加到经预处理的废水172中。例如，化学品126包括但不限于酸、苛性碱、凝结剂、凝聚剂和氯。由第一膜系统120移除的污垢物构成相对小的流121，该流121返回到预处理系统102，以与废水170一起进行另外的处理。
在该示例性实施例中，第二膜系统122包括反渗透(RO)处理膜。RO过程是使用超过渗透压力的压力来强制溶剂通过膜的分离过程。膜将溶质保持在一侧上，且允许经净化的溶剂穿过其中。因而，溶剂被迫通过第二膜系统122内的膜从高溶质浓度的区域流到低溶质浓度的区域。在该示例性实施例中，经预处理的废水172包含溶剂和溶质，溶剂是净化水124，溶质是溶解的和悬浮的固体，而在废水处理系统100中被进一步处理的浓缩废水174是具有浓缩溶质的溶剂。更具体而言，在该示例性实施例中，第二膜系统122包括基于聚酰胺化学产品的任何适当的“微成水”膜，例如但不限于AK微咸水膜。在一个备选实施例中，第二膜系统122包括RO处理膜，该RO处理膜基于聚酰胺、聚磺酰胺(polysuflonamide)、醋酸纤维素和/或使得废水处理系统100能够如本文所描述的那样起作用的任何其它适当的化学产品。在一个实施例中，第二膜系统122包括不止一个RO处理膜，其中，RO处理膜是串联的，以有利于处理废水172，当废水172流过处理系统100时，该废水172具有波动的量的总溶解固体。在这种实施例中，第二膜系统122可包括第一级RO处理膜和第二级RO处理膜，增压泵位于这两级之间。或者，第二膜系统122可包括反向电渗析(EDR)过程，其使用电能来使离子移动到高溶质浓缩废水174的区域中。
在该示例性实施例中，在分离系统104的操作期间，分离系统104对经预处理的废水172执行分离过程。更具体而言，分离系统104从经预处理的废水172中分离出净化水124和浓缩废水174，且降低通过废水处理系统100的废水的流量。在一个实施例中，第二膜系统122内的膜以约60％至约80％的回收率操作，从而使得流入量的约60％至约80％作为渗透物被回收，而流入量的约20％至约40％作为浓缩物被抛弃。例如，如果经预处理的废水172的初始流量为约1000加仑/分钟(gpm)，则以70％回收率操作时，约700gpm的净化水124作为回收的渗透水返回到合成气发生系统100，而约300gpm的浓缩废水174作为待通过后面的单元操作(例如蒸发操作)来处理的抛弃物或浓缩物从分离系统104中排出。因而，与已知的水处理系统相比，更少废水流入废水处理系统100内的后面的系统中。净化水124可被引导到合成气发生系统10，以便于在系统10内重新使用。或者，净化水124可存储在氮气覆盖的经处理的废料储罐或未被覆盖的经处理的储水罐中。
在一个实施例中，可由于典型地存在于灰水中的经常出现的、微溶的盐(例如磷酸钙、硅石、硅酸盐、碳酸钙和/或可导致结垢和/或积垢的任何其它盐)而导致第二膜系统122内的膜结垢。在该示例性实施例中，为了有利于防止第二膜系统122在经预处理的废水172的浓缩期间积垢，例如结垢，在经预处理的废水172进入第二膜系统122之前，将化学品126应用于经预处理的废水172。更具体而言，从化学品存储器84中将诸如防垢化学品(在本文中也称为“防垢剂”)和/或pH调节物的化学品126应用于分离系统104。防垢剂可包括但不限于包括膦酸酯和/或有效地阻止RO膜上的积垢的类型的专门聚合物。更具体而言，在该示例性实施例中，防垢剂的化学性质对于防止积垢是有效的，同时与第二膜系统122内的膜的化学性质相容，从而使得防垢剂不会产生可对第二膜系统122内的膜的操作有害的积垢条件。例如，选择防垢剂，以防止第二膜系统122内的膜的积垢，而不会通过与膜化学产品反应而产生积垢条件。另外，在该示例性实施例中，还通过在废水172进入第二膜系统122之前对经预处理的废水172进行pH调节来有利于最小化和/或防止第二膜系统122内的膜的积垢。或者，不在RO过程之前应用防垢剂和/或pH调节物。在又一个备选实施例中，可使用化学消毒和/或紫外线氧气的辅助过程来有利于防止和/或最小化第二膜系统122内的膜的生物积垢。
在该示例性实施例中，将浓缩废水174从分离系统104引导到氨气提系统106。化学品128(例如苛性碱化学品)从化学品存储器84供应到氨气提系统106。另外，蒸汽130(例如来自工厂蒸汽系统86的蒸汽)供应到氨气提系统106，以有利于增强化学品128与浓缩废水174之间的反应，且有利于从浓缩废水174中移除和/或气提氨。例如，氨气提系统106将氨蒸气132排到处置单元，且将气提器底部沉积物176排到蒸发系统108中。如本文所用，术语“气提器底部沉积物”指的是与进入处理系统100的废水170相比包含减少量的氨和/或减少量的被上游过程移除的其它成分的水。气提器底部沉积物可包含原来在初始废水170中的可溶化学物质，例如氯化物和甲酸盐。另外，虽然本文描述了气提氨，但是可使用任何适当的除氨方法(例如诸如提取)来从废水172中移除氨。
在蒸发系统108内，使用蒸汽134和/或化学品136来使气提器底部沉积物176内的水蒸发。在该示例性实施例中，蒸发系统108是热蒸发系统，例如降膜蒸发器，其使用受加热的表面来使气提器底部沉积物176内的液体蒸发。经蒸发的气提器底部沉积物176在本文中称为蒸发器卤水178。在一个实施例中，蒸发系统108具有化学蒸气压缩机。在该示例性实施例中，将诸如苛性碱化学品、防沫化学品和/或酸性化学品的化学品136从化学品存储器84供应到蒸发系统108，且将蒸汽134从例如工厂蒸汽系统86供应到蒸发系统108。更具体而言，在该示例性实施例中，苛性碱化学品可用来调节蒸发器卤水178的pH，且可按需要供应防沫化学品。气提器底部沉积物176、蒸汽134和化学品136之间的相互作用产生可在合成气发生系统10内重新使用的蒸馏物138，且产生在废水处理系统100内被进一步处理的蒸发器卤水178。如本文所用，术语“蒸馏物”指的是基本没有污染物和/或杂质的水。然后将蒸发器卤水178从蒸发系统108引导到干燥系统110。在一个备选实施例中，蒸馏物138可存储在氮气覆盖的经处理的废料储罐或未被覆盖的经处理的储水罐中。
在该示例性实施例中，干燥系统110使蒸发器卤水178干燥和/或结晶成例如水蒸汽140和盐晶体混合物142。在该示例性实施例中，将蒸汽146从例如工厂蒸汽系统86供应到干燥系统110，以使蒸发器卤水178变干。干燥系统110可包括结晶器、离心机、鼓式干燥器、喷雾干燥器和/或使得废水处理系统100能够如本文所描述的那样起作用的任何干燥和/或结晶系统。更具体而言，在该示例性实施例中，干燥系统110包括干燥器148和结晶器150。结晶器150包括在干燥系统110中，以使用例如离心机来从液体中分离出盐结晶混合物142，例如氯化物和甲酸盐。经分离的液体的一部分返回到结晶器150，而经分离的液体的另一部分则作为放出(purge)卤水152从干燥系统110中放出来。在该示例性实施例中，放出卤水152在气化器26(在图1中显示)内重新使用。干燥器148使蒸发器卤水178直接变干成盐混合物142，并且因而，干燥器148不排出放出流。干燥系统110可产生可被引导到气化器26的放出物152，以及被引导到处置单元的固体，例如盐混合物142。
图3是可与合成气发生系统10(在图1中显示)一起使用的一种备选的废水处理系统200的示意图。如上所述，废水处理系统200基本类似于废水处理系统100(在图2中显示)，不同的是氨气提系统106在分离系统104的上游，而非在分离系统104的下游(如上所述)。因而，同样的构件用相同的参考标号指示。更具体而言，在该示例性实施例中，在废水在分离系统104内浓缩之前，在氨气提系统106中从经预处理的废水172中移除和/或气提氨。将由氨气提系统106产生的气提器底部沉积物176排到分离系统104中，且将浓缩废水174从分离系统104排到蒸发系统108中。
上述系统和方法有利于为废水提供ZLD过程。具体而言，上述分离系统有利于降低待气提、蒸发和/或干燥的废水的流量。通过降低通往这种气提系统、蒸发系统和/或干燥系统的废水的流量，与满流ZLD系统相比，上述分离系统有利于降低被引导到气提系统、蒸发系统和/或干燥系统的蒸汽的量。因而，在上述废水处理系统中，不是将蒸汽引导到气提系统、蒸发系统和/或干燥系统，而是可将蒸汽引导到蒸汽涡轮机，以产生功率。另外，因为上述分离系统降低了废水的流量，所以与处理全部的废水流的蒸发系统和/或干燥系统相比，可降低蒸发系统和/或干燥系统的大小。
此外，上述分离系统有利于对与废水处理系统流动连通的其它系统提供水。例如，废水处理系统处理由气化系统产生的灰水，且使经处理的水作为例如气化补充水返回到气化系统。因为上述废水处理系统通过浓缩降低了废水处理系统内的水的流量且将经处理的水供应回产生废水的系统，所以上述系统和方法有利于降低与废水产生系统(例如气化系统)相关联的资金和/或操作成本。
以上详细描述了用于处理废水的方法和系统的示例性实施例。该方法和系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可独立地以及与本文描述的其它构件和/或步骤分开来使用系统的构件和/或方法的步骤。例如，方法和/或系统也可与其它废水处理系统和/或方法结合起来使用，且不限于仅与本文描述的气化系统一起实践。相反，可结合许多其它水处理应用来实现和使用示例性实施例。
虽然可在一些图中显示本发明的各实施例的具体特征，而在其它图中没有显示，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它图中的任何特征来参照和/或要求保护图中的任何特征。
虽然已经根据各具体实施例来对本文所述的方法和系统进行了描述，但是本领域技术人员将了解，可利用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本文描述的方法和系统。

Claims (20)

1.一种用于处理废水的方法，所述方法包括：
使用反渗透处理膜来使废水流浓缩；以及
使该浓缩的流蒸发，以至少产生蒸馏物和固体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在使所述废水流浓缩之前对所述废水进行预处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对废水进行预处理进一步包括使废水软化和使废水凝结中的至少一种，以有利于从废水中移除硬化物质、形成结垢的物质、硅石、金属氧化物和无机物质中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对废水进行预处理进一步包括过滤废水流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从所述废水流中气提至少氨。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述浓缩的流变干，以至少产生蒸馏物和固体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在使所述废水流浓缩后从所述废水流中气提至少氨。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在使所述废水流浓缩之前，从经预处理的流中气提至少氨。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少使用反渗透处理膜来使废水流浓缩进一步包括使用过滤膜和所述反渗透处理膜来使废水流浓缩。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少使用反渗透处理膜来使废水流浓缩进一步包括使由气化过程产生的灰水流浓缩。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
从所述废水中产生可重新使用的水；以及
将所述可重新使用的水引导到产生所述废水的系统。
12.一种用于处理废水的系统，所述系统包括：
包括反渗透膜的分离系统，所述分离系统构造成以便降低废水的流量；以及
用于接收来自所述分离系统的减少的废水流的蒸发系统。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成以便在所述废水进入所述浓缩系统之前处理所述废水的预处理系统。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述预处理系统包括过滤器系统和软化系统中的至少一个。
15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成以便从所述废水中气提至少氨的氨气提系统。
16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成以便至少使浓缩的废水流变干以至少产生蒸馏物和固体的干燥系统。
17.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述分离系统包括过滤膜和反渗透处理膜。
18.一种用于处理废水的分离系统，所述分离系统包括：
包括基于聚合物薄膜的过滤机构的第一膜；以及
包括反渗透膜材料的第二膜，所述第二膜有利于降低废水的流量。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述过滤聚合物包括超滤膜、纳米滤膜和微滤膜中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括构造成以便降低至少所述第二膜的积垢的防垢化学品。
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