CN102701493A - 一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统及工艺方法。系统包括原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、浓盐水箱、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱；其中原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱之间依次通过管道或管道和泵相连接，浓盐水箱通过管道与电渗析盐水分离装置相连接。经过本发明的工艺处理，不仅可以获取高质量的精制盐或盐化工的原料和高品质的淡水，同时避免了SWRO浓盐水对海域生态环境的负面影响，还可以大幅度降低海水制盐与海水淡化的成本，特别是对于我国北方缺水地区具有很好的使用价值。

Description

一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统及工艺方法

技术领域

本发明涉及一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统及工艺方法，特别涉及海水淡化、海水制盐、反渗透浓水排放系统及工艺方法。

背景技术

我国淡水资源严重短缺，特别是我国北方地区，如天津、北京、河北、山东、河南、辽宁、陕西和甘肃等地缺水问题更为严重。在《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》中明确提出：大力推进再生水、矿井水、海水淡化和苦咸水利用。因此，将海水淡化作为水资源的开源增量技术，已成为十分紧迫的任务。

相比南水北调，对于我国北方沿海地区，海水淡化更具有现实价值。在我国国家政策和规划先行的背景下，未来我国的海水淡化市场面临着巨大的机遇。

海水淡化是指脱除海水中的盐分，使处理后的水满足相应用水需求的处理工艺。当前适于产业化的海淡方法主要有蒸馏法（热法）和反渗透法（膜法）两种。

蒸馏法包括多级闪蒸法、多效蒸馏法和蒸汽压缩法等，其中多级闪蒸和多效蒸馏可以利用电厂或其他工厂的低品位蒸汽，是两种先进的热法，在世界各地有着大量的大规模应用。

相比于热法，反渗透法海淡（SWRO）具有更高的脱盐率和更低的能耗。在水质相对较好的领域也有着比较成熟的应用。随着世界上膜技术的逐渐发展和膜产品的不断更新换代，产品价格的持续下降，膜法海淡在一次性投资和运行成本上有着越来越明显的优势。

对于反渗透法海水淡化而言，会产生大量的浓海水。按照目前的反渗透海水淡化处理工艺，每生产1吨淡化水，同时会产生1.2吨以上的浓盐水，浓盐水的盐度由原海水的3.5%升高到6%以上。大量浓海水的直接排放，会对周边海域的水质造成较大的影响，因此，在生产获得淡化水的同时，必需同时考虑浓海水的排放方式以及浓海水的有效利用。

而以海水为原料制取食盐则是另一种开发利用海洋资源的有效途径。海水制盐的方法，主要有三种：即太阳能蒸发法(盐田法)、冷冻法和电渗析法。盐田法是一种历史悠久的制盐方法，也是目前仍沿用的普遍方法。这种方法是在岸边修建很多像稻田一样的池子，用来晒盐。制盐的过程包括纳潮，制卤、结晶、采盐、贮运等步骤。盐田制盐受环境影响很大，海水的盐度、地理位置、降雨量、蒸发量等等因素，都会直接影响盐的产量，而且这种方法占用的土地和人力资源也比较大，需要加以改进。冷冻法制盐，是地处高纬度国家采用的一种生产海盐的技术，像俄罗斯、瑞典等国家，多用此法制盐。当海水冷却到海水冰点(-1.8℃)时海水就结冰，而海冰里基本上是纯水，很少有盐，去掉水分，就等于晒盐法中的水分蒸发，剩下浓缩了的卤水就可以制盐了。电渗析法制盐,日本从20世纪70年代开始采用电渗析法(ED)制取食盐，并逐步推广到澳洲、南美和中东地区应用。这种方法有占地面积小、厂址不受自然条件限制、生产不受气候影响、制得的盐纯度高、装置易实现自动化操作、投资少等优点，具有广泛的发展前途。

电渗析法（ED）海水制盐也是采用膜法分离技术，它通过具有选择性的离子膜，在装置通电的情况下，可将海水中的钠离子和氯离子进一步浓缩分离，将海水分为浓海水和淡海水两部分，ED的浓盐水含盐量可达到15%以上，NaCl纯度高，用于制取高端精制盐和高品质食用盐，可填补我国在高端盐制品方面的空白；ED的淡盐水的含盐量由原海水的35000mg/l降低到26000mg/l左右，若作为反渗透海水淡化的给水，可以大大降低制水能耗和成本，同时SWRO产生的浓海水的含盐量较低，避免了对海域和环境的影响。

因此，将膜法制盐工艺与膜法海水淡化技术相耦合，既可以降低制盐成本，也可以降低海水淡化系统的运行电耗，降低制水成本，同时也有效避免了浓盐水对周边海域的环境污染问题，可谓一举数得。是一条缓解我国北方地区缺水现状，并得到高品质食盐以弥补我国精制盐制造短板的有效途径。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高效率的膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其包括原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、浓盐水箱、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱；其中所述原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱之间依次通过管道或管道和泵相连接，所述的浓盐水箱通过管道与所述的电渗析盐水分离装置相连接。

上述膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统中，具体为所述超滤装置通过管道与所述超滤水箱相连接；所述超滤水箱通过泵和管道与所述电渗析盐水分离装置相连接；所述的电渗析盐水分离装置与浓盐水箱和淡盐水箱之间分别通过管道相连接，所述淡盐水箱通过泵和管道与所述海水反渗透淡化装置相连接，所述海水反渗透淡化装置通过管道与所述产水箱相连接。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的超滤装置采用中空纤维超滤膜。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的电渗析盐水分离装置采用一价离子选择透过膜对海水中的一价离子进行浓缩。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的海水反渗透淡化装置采用卷式反渗透膜。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的海水反渗透淡化装置还包括能量回收系统。

本发明的另一目的是提供一种高效率的膜法海水制淡水-制盐原料耦合工艺方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合工艺方法，包括如下步骤：

（1）储存在原水箱里的经过预处理的海水通过超滤装置进行过滤，去除掉几乎所有的悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及胶体、大分子有机物等，并储存于超滤水箱；

（2）经步骤（1）处理过的海水再经过电渗析盐水分离装置进行一价离子浓缩，所述的电渗析盐水分离装置采用的是一价离子选择透过膜；

（3）经步骤（2）处理得到的淡盐水储存到淡盐水箱，淡盐水作为海水淡化的原水再经过反渗透淡化装置，去除掉绝大部分盐分，得到淡水并储存于产水箱；

（4）经步骤（2）处理得到的浓盐水作为精制盐或盐化工的原料，储存于浓盐水箱；

（5）经步骤（3）处理，海水反渗透淡化装置产生的浓水分散排放到附近海域。

所述预处理可以采用气浮过滤或混凝沉淀+砂滤等，去除掉大部分悬浮物、胶体和部分有机物等。

本发明的优点是：

本发明是将经过预处理的海水首先采用超滤装置对海水进行处理，去除掉几乎所有悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及胶体、大分子有机物等；然后经过电渗析装置利用一价离子选择透过膜将海水中的一价离子进行浓缩，得到高浓度NaCl溶液的同时，也可得到含盐量相对较低的淡盐水作为反渗透进水；再通过反渗透工艺去除淡盐水中的盐分得到淡水。通过本发明系统和工艺的处理，一方面可以得到精制盐或盐化工的原料，另一方面可以得到淡水，同时反渗透处理产生的浓水TDS较低，一般不超过45000ppm，直接排放不会对周边海域和环境造成影响，对于我国北方地区开发利用海洋资源，提取淡水和高品质食盐方面具有很好的应用价值。

下面通过实施例和附图对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为本发明的工艺流程图。

附图标记说明：

0 经过预处理的海水            1 原水箱

2 超滤装置                    3 超滤水箱

4 电渗析盐水分离装置          5 浓盐水箱

6 淡盐水箱                    7 海水反渗透淡化装置

8 产水箱                      9 反渗透浓水排放

具体实施方式

如图1所示，为本发明膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统的示意图，其包括原水箱1、超滤装置2、超滤水箱3、电渗析盐水分离装置（电渗析装置）4、浓盐水箱5、淡盐水箱6、海水反渗透淡化装置（反渗透装置）7和产水箱8；其中，经过预处理的海水0存储于原水箱1中，原水箱1通过泵和管道与超滤装置2相连接；超滤装置2通过管道与超滤水箱3相连接；超滤水箱3通过泵和管道与电渗析盐水分离装置4相连接；电渗析盐水分离装置4与浓盐水箱5和淡盐水箱6之间分别通过管道相连接，淡盐水箱6通过泵和管道与海水反渗透淡化装置7相连接，海水反渗透淡化装置7通过管道与产水箱8相连接,海水反渗透淡化装置7通过管道进行反渗透浓水排放9。

超滤装置2采用中空纤维超滤膜，电渗析盐水分离装置4采用一价离子选择透过膜对海水中的一价离子进行浓缩，海水反渗透淡化装置7采用卷式反渗透膜。

进一步地，海水反渗透淡化装置7还包含能量回收系统。

如图2所示，为本发明膜法海水制淡水-制盐原料耦合工艺的工艺流程图，其包括如下步骤：

（1）将海水输送到预处理系统，同时在进水中投加杀菌剂（如次氯酸钠）、混凝剂（如聚合氯化铝或三氯化铁）和助凝剂（如聚丙烯酰胺），进行气浮过滤或混凝沉淀和砂滤处理；

经过预处理的海水储存在清水箱(即原水箱)中，然后经给水泵和管路输送到两个超滤（UF）装置中进行超滤，去除掉几乎所有的悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及胶体、大分子有机物等，并储存于超滤水箱；超滤装置采用中空纤维超滤膜，如PVDF中空纤维外压式超滤膜，型号为SMT600-P50，平均孔径0.1μm，有效膜面积50m²；

（2）经步骤（1）处理过的海水经给水泵和管路输送到电渗析（ED）盐水分离装置，进行一价离子浓缩，电渗析盐水分离装置采用一价离子选择透过膜，如共使用300对单片膜面积为0.25m²的电渗析膜，可以使海水中的钠离子、氯离子等一价离子浓缩于浓盐水侧并排出，而含有其他离子的淡盐水从淡盐水侧排出；

（3）经步骤（2）处理得到的淡盐水储存到淡盐水箱，淡盐水作为海水淡化的原水依次经提升泵、SWRO高压泵及管路输送到海水反渗透淡化（SWRO）装置，同时在进水中投加阻垢剂和还原剂，经过海水反渗透淡化装置处理，去除掉绝大部分盐分，得到淡水并储存于产水箱；海水反渗透淡化装置采用卷式反渗透膜，如采用有效膜面积为400ft²的卷式反渗透超低压海水膜，有效分离层材质为芳香聚酰胺，对淡盐水做进一步的盐水分离；

（4）经步骤（2）处理得到的浓盐水储存于浓盐水箱，作为精制盐或盐化工的原料；

（5）经步骤（3）处理，海水反渗透淡化装置产生的浓水分散排放到附近海域。

海水反渗透淡化装置还可包含能量回收系统。采用功交换式的能量回收装置可以利用反渗透浓水的残余压力通过高效率的功交换对反渗透进水增压，从而降低整个反渗透系统的能耗。如图2所示，能量回收装置的淡盐水侧分别与SWRO提升泵泵出口支管道和增压泵入口管道相连接；浓水侧分别与反渗透高压浓水管道和浓水排放管道相连接。

经过预处理的海水进入超滤（UF）系统，可以去除掉几乎所有悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及胶体、大分子有机物等；经过UF处理的海水进入电渗析（ED）盐水分离装置，将海水中的钠离子和氯离子浓缩，浓盐水作为精制盐或盐化工的原料，淡盐水作为海水淡化的原水进入后续处理；淡盐水进入海水反渗透（SWRO）淡化装置，去除掉绝大部分盐类，得到淡水；SWRO浓水的总含盐量低于45000ppm，通过分散排放不会对周边海域和环境造成影响。所以，经过本发明的工艺处理，不仅可以获取高质量的精制盐或盐化工的原料和高品质的淡水，同时避免了SWRO浓盐水对海域生态环境的负面影响，还可以大幅度降低海水制盐与海水淡化的成本，特别是对于我国北方缺水地区具有很好的使用价值。

北京市新能源及海水淡化技术创新示范项目中采用了本发明的系统和工艺技术。本海水淡化项目按功能块可分为：海水前处理部分、超滤过滤部分、浓海水提取部分、反渗透脱盐淡化部分。

1．设计基础

（1）海水水质

备注：本项目采用中国渤海湾海水，水质如上表所示，其中总溶解固体最大按35000mg/L考虑，最低海水水温（考虑换热），按10℃以上进行设计。

（2）产品水水质

最终产品水水质达到《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》。

（3）公共设施条件

基地：基地占地面积约800m²，其中厂房面积约600m²；

取水：取水量为550m³/d；

电源：频率：50Hz；电压380V/220V；

用电负荷：生产用电约90kwh，其他用电约30kwh；

气源：来自于项目内工艺装置。

（4）项目规模

海水淡化产水量：200吨/日；

浓盐水分离装置处理能力：50吨/日；

超滤系统过滤水量：480吨/日；

预处理系统处理水量：550吨/日；

2．处理工艺和设备

（1）海水预处理部分。

由于原海水悬浮物含量变化频繁，变化范围较大，同时考虑赤潮的发生，因此在进行膜过滤之前，有必要首先对海水进预过滤等处理，以去除海水进水中的悬浮物、油、油脂、胶体、有机物或者其它能够堵塞、损坏、污染后续超滤膜和反渗透膜的物质。

在海水中投加杀菌剂、混凝剂、助凝剂，经过预处理系统处理后，经过预处理的海水0存储在原水箱1中。

前处理部分设计参数：

处理水量：550m³/d

自用水率：<2％

出水水质：悬浮物：<3mg/l；

          浊度：<5NTU；

COD去除率：20—50%。

（2）超滤（UF）部分。

超滤装置可以基本去除进水中的悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及部分胶体、大分子有机物等，其出水SDI₁₅小于3的指标，有效地保证了后续反渗透装置的稳定运行。

经前处理部分处理的净化水经UF给水泵进入后续超滤装置进行过滤，滤后水进入超滤产水箱暂存，在超滤装置之前设置保安过滤器，以防止漏砂对超滤膜的损害以及超滤装置产水量的影响。

超滤装置设置2套，每套100%出力规模，超滤回收率设计为90%，既可以采用死端过滤运行方式，也可以采用错流过滤运行方式。另外，系统设置一套超滤反洗及EFM/CIP化学清洗的辅助系统，水源来自超滤或反渗透产水箱。超滤装置的过滤、气/水混合反洗及化学清洗均采取自动控制方式，不但保证系统运行安全，同时减少操作强度，减少人员操作成本。

超滤系统设计参数：

净产水量：            10m³/h/套

装置数量：            2套

平均净产水通量：      >50L/(m²h)

回收率：              >90%

允许清洗PH值范围：        1-13

产品水浊度：              <0.2NTU

产品水SDI：               <2.5

（3）海水浓盐水分离部分

海水盐水分离装置（ED技术）也是采用膜法分离技术，它通过具有1-1价选择性的离子分离膜，在装置通电的情况下，可将海水中的钠离子和氯离子进一步浓缩分离，将海水分为浓海水和淡海水两部分，ED的浓盐水含盐量可达到15%以上，NaCl纯度高，用于制取高端精制盐和高品质食用盐或盐化工的原料；ED的淡盐水的含盐量由原海水的35000mg/l降低到26000mg/l左右，作为反渗透海水淡化的给水，可以大大降低制水能耗。

设计ED装置1套，回收率约90%，通过ED给水泵将超滤的产水送入ED装置，其中占进水水量10%的浓盐水作为精制盐或盐化工原料；另外90%经过了ED部分脱盐的淡盐水，作为海水淡化的给水，进入ED产水箱暂存。

（4）反渗透海水淡化（SWRO）部分

海水淡化反渗透装置具有极高的脱盐能力，是本项目中最主要的脱盐装置。海水淡化反渗透系统按2列配置，包括反渗透给水泵、高压泵、能量回收装置及增压泵、海水反渗透装置、反渗透冲洗和清洗系统、反渗透加药系统。

海水淡化反渗透设计参数：

系统产水量：            100m³/d×2

系统回收率：            45%--50%

系统进水量：            223--200m³/d×2

设计列数：              2列

膜平均设计水通量：      16L/m²h

产水水质：              达到《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》。

3．结论

（1）本系统和工艺经过对海水的预处理与超滤处理，去除掉悬浮物、油脂、颗粒、细菌、病毒以及部分胶体、大分子有机物，使处理后海水满足进入电渗析和反渗透的要求。

（2）经过电渗析设备，利用一价离子选择透过膜可以高效将海水中的氯离子和钠离子等一价离子浓缩，从而得到浓盐水作为精制盐或盐化工原料，并且降低淡盐水的含盐量。

（3）出自电渗析装置的淡盐水进入反渗透装置进行脱盐处理即可得到淡水。

（4）本系统和工艺将膜法制盐工艺与膜法海水淡化技术相耦合，既可以降低制盐成本，也可以降低海水淡化系统的运行电耗，降低制水成本，同时也有效避免了浓盐水对周边海域的环境污染问题，可谓一举数得。在利用海水提取淡水和高品质食盐方面具有很好的应用价值。

Claims (7)

1.一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其包括原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、浓盐水箱、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱；其中所述原水箱、超滤装置、超滤水箱、电渗析盐水分离装置、淡盐水箱、海水反渗透淡化装置和产水箱之间依次通过管道或管道和泵相连接，所述的浓盐水箱通过管道与所述的电渗析盐水分离装置相连接。

2.如权利要求1所述的膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其特征在于：所述的超滤装置采用中空纤维超滤膜。

3.如权利要求1所述的膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其特征在于：所述的电渗析盐水分离装置采用一价离子选择透过膜对海水中的一价离子进行浓缩。

4.如权利要求1所述的膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其特征在于：所述的海水反渗透淡化装置采用卷式反渗透膜。

5.如权利要求1所述的膜法海水制淡水-制盐原料耦合系统，其特征在于：所述的海水反渗透淡化装置还包括能量回收系统。

6.一种膜法海水制淡水-制盐原料耦合工艺方法，包括如下步骤：

（1）储存在原水箱里的经过预处理的海水通过超滤装置进行过滤，去除掉悬浮物、颗粒、细菌、病毒以及胶体、大分子有机物，并储存于超滤水箱；

（2）经步骤（1）处理过的海水再经过电渗析盐水分离装置进行一价离子浓缩，所述的电渗析盐水分离装置采用的是一价离子选择透过膜；

（3）经步骤（2）处理得到的淡盐水储存到淡盐水箱，淡盐水作为海水淡化的原水再经过反渗透淡化装置，去除掉绝大部分盐分，得到淡水并储存于产水箱；

（4）经步骤（2）处理得到的浓盐水作为精制盐或盐化工的原料，储存于浓盐水箱；

（5）经步骤（3）处理，海水反渗透淡化装置产生的浓水分散排放到附近海域。

7.如权利要求6所述的膜法海水制淡水-制盐原料耦合工艺方法，其特征在于：所述预处理为气浮过滤或混凝沉淀和砂滤处理。

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