CN103212300B - 一种全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海水淡化和水处理技术领域，涉及一种全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，将经过前处理的海水输送至超滤装置原水进水口，并与用超滤循环泵输送的超滤循环浓水混合后进入超滤装置过滤，得到的超滤产水进入密闭的超滤产水缓冲罐，再由低压泵输送，一部分经过保安过滤器后由高压泵加压经过一个止回阀后进入纳滤/反渗透装置；剩余部分超滤产水进入能量回收装置，与纳滤/反渗透装置的浓水进行能量交换后由增压泵输送进入纳滤装置/反渗透装置，制得纳滤/反渗透产水，能量交换之后的纳滤/反渗透浓水则流入超滤清洗水箱中，多余浓水通过超滤清洗水箱上部溢流口排放；其工艺可靠，操作简便，能耗较低，经济和社会效益良好，环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于海水淡化和水处理技术领域，涉及一种利用纳滤/反渗透海水软化技术的外排浓盐水对超滤膜进行清洗并实现海水淡化的方法，特别是一种全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法。
背景技术：
全膜法是近年来出现的一项新的海水淡化技术，即将超滤(UF)作为预处理过程，其产水再通过纳滤(NF)或反渗透(RO)进行进一步的分离，进而作为工业或生活用水。超滤是一种压力驱动膜过滤过程，主要依靠筛分机理分离水中颗粒物质和大分子有机物，超滤膜的孔径为0.002—0.1微米，截留分子量(MWCO)为1000-500000道尔顿，溶解物质和比超滤膜孔径小的物质能透过滤膜；比超滤膜孔径大的物质不能透过超滤膜从而被截留下来，随浓缩液排放，因此产水(透过液)中只含有离子和小分子物质，而胶体物质、颗粒、细菌和病毒被超滤膜去除。在全膜法海水淡化工艺中，超滤作为预处理部分一般有两种过滤模式：一种是错流过滤，经过前处理的海水以错流的方式连续流过膜表面，一部分水过滤通过超滤膜，截留的杂质则以浓水流股连续排出，这种过滤的水回收率一般仅为80％左右；另一种是死端过滤模式，在过滤周期内没有浓水排出，全部过滤，而在清洗周期则清洗膜面积累的污染物，此种方式的超滤水回收率超过90％，甚至可达到97％，但超滤膜污染严重，超滤膜通量下降速率较快；为了降低超滤膜污染，死端过滤方式往往采用死端过滤和浓水回流的工艺处理原海水，在这种工艺的过滤模式下，浓水回流并与进水汇合，连续地冲刷超滤膜表面，阻止微粒在膜面积的堆积，从而大幅度降低超滤膜污染，增加超滤膜通量，与错流过滤模式相比，这种过滤模式的超滤水回收率可以达到90％以上，但由于在过滤周期内没有浓水排出，传统的超滤死端过滤和浓水循环工艺通常需要定期频繁地利用经过前处理的海水进行正冲洗，并利用超滤产水进行反冲洗，从而维持超滤系统的长期稳定运行,保证超滤膜的使用寿命。每次正冲洗的前处理海水用量和反冲洗的超滤水用量很大，以90％的超滤水回收率计，则有10％的超滤产水作为反冲洗水外排，从而增加了制水成本。这也是预处理过程在总成本中占比较大的比重的原因之一。
中国专利申请号CN200710116124.6公开了一种放大反渗透浓水做超滤冲洗水设备，利用反渗透浓水冲洗超滤装置，由于反渗透浓水拥有的一定压力，当其通过喷射装置时，产生负压，从反渗透水箱中吸水，从而使出口水量增加，强化冲洗效果，这种装置的优点是避免了超滤清洗水泵由于时启时停而引起的泵的损坏，同时可以回收利用低压的反渗透浓水；中国专利申请号CN200920313445.X公开了一种自动清洗连续错流超滤装置，当系统检测到出水压力降低到特定的数值时，启动反洗程序，逐个关闭阀门，逐支进行反洗，反洗进水为其它超滤组件的产水，这种装置的优点是可以进行完全自动运行，连续运行避免中断产水；这些专利是开发新的装置实现利用反渗透浓水作为超滤清洗用水，但目前大型反渗透装置为了降低能耗，一般均采用能量回收装置，其浓水压力能经过回收之后，压力基本上降低至0.01MPa以下，已无法再通过喷射装置驱动清洗设备，而利用其它超滤组件的产水逐支反洗超滤膜时依然会降低超滤水的回收率，因此实际过程中难以使用。
全膜法海水淡化(或软化)过程中，纳滤或反渗透作为超滤的后续处理过程，其水回收率一般均低于60％，而且浓水一般不加利用而直接排放；由于浓水是经过超滤预处理的，已经去除了藻类、微生物，大分子量有机物等，其水质指标除离子浓度外其它基本上与超滤产水一致，完全符合超滤反洗用水的要求，而且浓水的含盐量较高，具有一定的杀菌效果，本发明提供一种在全膜法海水淡化过程中利用纳滤或反渗透的浓水作为超滤的正冲洗和反洗用水的方法，可节省超滤产水的用量，具有很好的市场应用前景。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种在全膜法海水淡化过程中利用纳滤或反渗透的浓水作为超滤的正冲洗和反洗用水的方法，减少超滤产水的用量，缩小甚至取消超滤的产水水箱，减小投资成本和运行费用，减少占地面积，延长超滤膜的使用寿命和运行周期，降低超滤膜的污染速率。
为了实现上述目的，本发明针对超滤+纳滤/反渗透的全膜法海水淡化(软化)工艺，为实现利用纳滤/反渗透浓水清洗超滤膜，采用的具体工艺步骤为：
超滤过程采用超滤浓水循环的死端-错流相结合的过滤方式，用超滤低压泵将经过前处理之后的海水输送至超滤装置原水进水口，并与用超滤循环泵输送的超滤循环浓水混合后进入超滤装置，过滤除去水中的微量悬浮物质、大分子有机物、残留油分、藻类和细菌等，得到的超滤产水进入密闭的超滤产水缓冲罐，再由低压泵输送，一部分经过保安过滤器后由高压泵加压经过一个止回阀后进入纳滤/反渗透装置；剩余部分超滤产水进入能量回收装置，与纳滤/反渗透装置的浓水进行能量交换后由增压泵输送进入纳滤装置/反渗透装置，制得纳滤/反渗透产水，能量交换之后的纳滤/反渗透浓水则流入超滤清洗水箱中，多余浓水通过超滤清洗水箱上部溢流口排放。
本发明所述的超滤装置采用模块化设计，每个模块包括多只超滤膜元件，过滤和清洗均按模块依次进行，每一个超滤模块的周期包括过滤和清洗两个过程，每周期内过滤10～30分钟，清洗1～3分钟，过滤过程采用超滤浓水循环的死端-错流相结合的过滤方式，在过滤的过程中没有浓水外排；清洗过程将超滤浓水外排，并清洗膜面，包括浓水反洗、气洗、浓水正冲、原水正冲四个步骤，其中浓水反洗、气洗、浓水正冲所需要的冲洗用水由纳滤/反渗透浓水提供。
本发明所述的超滤膜清洗过程，利用电磁阀控制分配每一组超滤模块的运行和清洗的时间，实现在反洗泵不停止运行的情况下，依次清洗每一组超滤模块；每一组模块的清洗依次包括浓水反洗，气洗、浓水正冲、原水正冲四个步骤。第一步：浓水反冲洗，关闭本组模块的超滤进水阀、循环阀、产水阀和正冲洗阀，将本组模块的超滤反冲洗阀打开，分别控制上浓排水阀和下浓排水阀的开启时间，直接从中间清洗水箱抽取能量交换之后的纳滤/反渗透浓水作为反洗水从产水管进入超滤膜组件，反洗超滤膜20～100秒，实现对超滤膜的清洗；第二步：气洗，关阀本组模块的下浓排水阀，打开本组模块的压缩空气进气阀，压缩空气从产水管进入超滤膜元件，由产水侧穿过超滤膜丝进入浓水侧冲洗10～30秒，从上浓排水管排出；第三步：浓水正冲，打开本组模块的冲洗进水阀，关闭本组模块的压缩空气进气阀、产水阀、下浓排水阀，超滤清洗泵直接从中间清洗水箱中抽取能量交换之后的纳滤/反渗透浓水，从底部进水管进入超滤膜元件，冲洗超滤膜20～100秒，从上浓排水管排出；第四步：原水正冲，关闭本组模块的超滤正冲阀、反洗阀、进气阀，同时打开本组模块的超滤进水阀和浓水置换阀，将经过前处理的海水输送至超滤装置，正冲3～5秒后，打开循环阀，关闭浓排阀，在一定压力下过滤5～20秒，将超滤产水侧的冲洗浓水置换排出，之后，关闭置换阀，超滤模块恢复正常运行，在第四步时，下一模块依次开始清洗，循环实现超滤膜的清洗。
本发明所述的超滤膜浓水反洗和气洗两个过程，或采取加药的方式，将化学清洗剂通过计量泵注入清洗水泵出口管路。
本发明所述的密闭超滤产水缓冲罐，起到超滤产水水箱的作用，可通过顶部排气阀排出系统中存在的气体，同时又能起到缓冲作用，使超滤产水与纳滤/反渗透的需水相匹配。
本发明所述的海水前处理过程采用电解制氯杀菌、叠片式自清洗过滤器过滤或砂滤和多介质过滤器过滤等物理前处理；超滤膜采用亲水性聚砜、聚丙烯或聚偏氟乙烯等耐污染超滤膜，超滤膜的截留分子量越小对有机物的去除率越大，超滤产水就越有利于纳滤膜的运行，超滤膜的截留分子量为2万～8万道尔顿，操作压力为0.03～0.3MPa；超滤产水缓冲罐设有自动排气系统，耐压为0.6MPa，超滤产水缓冲罐平衡压力使超滤产水稳定，稳定的超滤产水作为纳滤/反渗透过程的进水；超滤清洗水箱的容积满足正常运行过程中在一个清洗周期内的超滤膜正冲洗和反洗所需要的水量，超滤清洗水箱的箱体底部设有排空阀，用于排空清洗水箱内所有液体，清洗水箱的箱体最上部设有溢流管，使多余的浓水直接排放。
本发明与现有技术相比，一是反渗透或纳滤的水回收率一般低于60％，其浓水流量很大，可以满足超滤膜清洗用水的水量要求；二是反渗透或纳滤浓水均为经过超滤处理后的水，其藻类、微生物和大分子量有机物含量及浊度等非常低，完全符合超滤反洗液的要求；三是纳滤/反渗透浓水的含盐量较高，具有一定的杀菌效果，并且这种清洗过程是周期性地(大约20分钟左右)改变超滤膜表面的水盐度，可有效防止超滤膜表面的细菌生长；四是以纳滤/反渗透浓水代替经过前处理的海水和超滤产水，节约大量经前处理的海水和超滤产水，从而降低原海水的处理成本，并可适当地减小前处理系统和超滤预处理的规模，降低投资成本和运行成本；五是由于清洗过程中不使用超滤产水作为反洗用水，因此全部超滤产水都可作为纳滤/反渗透进水，增加了纳滤/反渗透的供水量；或在确保纳滤/反渗透供水量的前提下，可以降低超滤膜的运行压力，从而可减轻超滤膜的污染；六是运行中不再需要传统的超滤产水中间水箱，装置占地面积和装置总重量大幅度减小，提高了在海上平台及对占地面积有特殊需求条件下使用的适应性；七是装置采用模块化设计，对于多组模块构成的超滤系统，在整个清洗过程中，超滤清洗泵和超滤低压泵均不停止运行，使得超滤装置连续运行，确保其中一组模块清洗，而其它模块进行产水；其工艺可靠，操作简便，能耗较低，经济和社会效益良好，环境友好。
附图说明：
图1为本发明涉及的超滤-纳滤/反渗透工艺流程原理示意图，其中包括循环泵1，超滤膜组件2，产水缓冲罐3，低压泵4，高压泵5，增压泵6，能量回收装置7，纳滤/反渗透膜组件8，纳滤/反渗透浓水箱9，清洗水泵10，进水阀A1、A2，正冲阀B1、B2，反洗阀C1、C2，下排阀D1、D2，循环阀E1、E2，产水阀F1、F2，上排阀G1、G2，进气阀J1、J2和置换阀K1、K2。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例为100m3/d的超滤+纳滤全膜法海水淡化装置，超滤膜采用8组中空纤维膜组件，日处理水量为240m3，超滤采用死端过滤+浓水循环的操作模式，一个周期包括过滤、浓水反洗、气洗、浓水正冲、原水正冲五个过程，其中过滤运行时间为20分钟，超滤产水2660L；超滤产水进入密闭的超滤产水缓冲罐，通过顶部排气阀排出系统中存在的气体，同时起到缓冲作用，使超滤产水与纳滤/反渗透的需水相匹配，之后，超滤产水由低压泵输送，其中50％经过保安过滤器后由高压泵加压经过一个止回阀后进入纳滤/反渗透装置；剩余50％超滤产水进入能量回收装置，与纳滤/反渗透装置的浓水进行能量交换后由增压泵输送进入纳滤装置/反渗透装置，制得纳滤/反渗透产水，能量交换之后的纳滤/反渗透浓水每个周期内产生的总量为1330L，该水量远大于超滤清洗所需水量，纳滤浓水进入体积为500L的中间清洗水箱中，多余浓水通过超滤清洗水箱上部溢流口排放。用纳滤浓水作为超滤正冲和反冲用水，超滤清洗步骤如下：
(1)浓水反洗，从浓水箱抽取纳滤/反渗透浓水，将化学清洗剂通过计量泵注入清洗水泵出口管路，反洗超滤膜65秒，反洗需水量325L；
(2)气洗，气洗过程的方式为气水反洗，气体从储气罐进入超滤膜气洗25秒,反洗需水量80L；
(3)浓水正冲，从浓水箱抽取纳滤/反渗透浓水正冲洗超滤膜30秒，正冲需水量83L；
(4)原水正冲，原海水正冲洗超滤膜5秒置换原水侧浓水，产水10秒置换产水侧浓水，原水正冲需水量41.5L。
相比传统超滤膜清洗用水方案，用纳滤浓水清洗超滤膜每个周期可节约400L的超滤产水和41.5L前处理海水，每天节约前处理海水量为5.4m3，占总海水需水量的百分比为3.12％；每天节约的超滤产水量为25m3，占超滤膜产水量的百分比为15.2％。
实施例2：
如图1所示，超滤装置包括进水阀A1、A2，正冲阀B1、B2，反洗阀C1、C2，下排阀D1、D2，循环阀E1、E2,产水阀F1、F2，上排阀G1、G2，进气阀J1、J2，置换阀K1、K2，总循环泵1，以第1组超滤为例，产水过程：打开A1、E1、F1，关闭B1、C1、D1、G1、J1和K1，第1组产水操作，超滤装置产水进入产水缓冲罐3，通过顶部排气阀排出系统中存在的气体，然后经过中间水泵将超滤产水一部分直接输进高压泵5，经过加压输进纳滤膜组件，另一部分进入能量回收装置7，交换能量后经增压泵6输进纳滤膜组件，经过纳滤膜分离后，纳滤浓水进入能量回收装置7，经过能量交换后排入纳滤浓水箱9，纳滤产水进入后续处理工艺，纳滤浓水箱9中的浓水经过清洗水泵10输送回超滤装置用于清洗，当超滤装置运行时，其中一组模块进行清洗，其它组模块进行产水，每一组模块的清洗过程包括四步：浓水反洗，气洗、浓水正冲、原水正冲四个步骤。以第1组进行清洗操作，其它组(用第N组表示)进行产水操作为例，说明清洗过程：
1、浓水反洗：将化学清洗剂通过计量泵注入清洗水泵出口管路，关闭A1、B1、E1、F1、G1、J1和K1，打开C1和D1对超滤膜下部进行反洗，关闭A1、B1、D1、E1、F1、J1和K1，打开C1、G1对超滤膜上部进行反冲洗；
2、气洗：关闭A1、B1、D1、E1、F1和K1，打开J1、G1对超滤膜进行气洗；
3、浓水正冲：关闭A1、C1、D1、E1、F1、J1和K1，打开B1、G1用纳滤浓水对超滤膜进行正冲洗；
4、原水正冲：关闭B1、C1、D1、E1、F1、J1和K1，打开A1、G1将超滤进水侧的冲洗浓水置换排出，打开E1、K1，关闭G1将超滤产水侧的冲洗浓水置换排出；进行第4步操作时，下一组模块依次开始冲洗；原水正冲之后，第1组超滤模块恢复产水操作。
Claims (5)
1.一种全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，其特征在于具体工艺步骤为：超滤过程采用超滤浓水循环的死端-错流相结合的过滤方式，用超滤低压泵将经过海水前处理过程之后的海水输送至常规的超滤装置原水进水口，并与用超滤循环泵输送的超滤循环浓水混合后进入超滤装置，过滤除去水中的微量悬浮物质、大分子有机物、残留油分、藻类和细菌，得到的超滤产水进入密闭的超滤产水缓冲罐，再由低压泵输送，一部分经过保安过滤器后由高压泵加压经过一个止回阀后进入纳滤/反渗透装置；剩余部分超滤产水进入能量回收装置，与纳滤/反渗透装置的浓水进行能量交换后由增压泵输送进入纳滤装置/反渗透装置，制得纳滤/反渗透产水，能量交换之后的纳滤/反渗透浓水则流入超滤清洗水箱中，多余浓水通过超滤清洗水箱上部溢流口排放；其超滤膜清洗过程中，利用电磁阀控制分配每一组超滤模块的运行和清洗的时间，实现在反洗泵不停止运行的情况下，依次清洗每一组超滤模块；每一组模块的清洗依次包括浓水反洗、气洗、浓水正冲、原水正冲四个步骤；第一步：浓水反冲洗，关闭本组模块的超滤进水阀、循环阀、产水阀和正冲洗阀，将本组模块的超滤反冲洗阀打开，分别控制上浓排水阀和下浓排水阀的开启时间，直接从中间清洗水箱抽取能量交换之后的纳滤/反渗透浓水作为反洗水从产水管进入超滤膜组件，反洗超滤膜20～100秒，实现对超滤膜的清洗；第二步：气洗，关闭本组模块的下浓排水阀，打开本组模块的压缩空气进气阀，压缩空气从产水管进入超滤膜元件，由产水侧穿过超滤膜丝进入浓水侧冲洗10～30秒，从上浓排水管排出；第三步：浓水正冲，打开本组模块的冲洗进水阀，关闭本组模块的压缩空气进气阀、产水阀、下浓排水阀，超滤清洗泵直接从中间清洗水箱中抽取能量交换之后的纳滤/反渗透浓水，从底部进水管进入超滤膜元件，冲洗超滤膜20～100秒，从上浓排水管排出；第四步：原水正冲，关闭本组模块的超滤正冲阀、反洗阀、进气阀，同时打开本组模块的超滤进水阀和浓水置换阀，将经过前处理的海水输送至超滤装置，正冲3～5秒后，打开循环阀，关闭浓排阀，在压力下过滤5～20秒，将超滤产水侧的冲洗浓水置换排出，后关闭置换阀，超滤模块恢复正常运行，在第四步时，下一模块依次开始清洗，循环实现超滤膜的清洗。
2.根据权利要求1所述的全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，其特征在于所述的超滤装置采用模块化设计，每个模块包括多只超滤膜元件，过滤和清洗均按模块依次进行，每一个超滤模块的周期包括过滤和清洗两个过程，每周期内过滤10～30分钟，清洗1～3分钟，过滤过程采用超滤浓水循环的死端-错流相结合的过滤方式，在过滤的过程中没有浓水外排；清洗过程将超滤浓水外排，并清洗膜面，包括浓水反洗、气洗、浓水正冲、原水正冲四个步骤，其中浓水反洗、气洗、浓水正冲所需要的冲洗用水由纳滤/反渗透浓水提供。
3.根据权利要求1所述的全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，其特征在于所述的超滤膜浓水反洗和气洗两个过程，或采取加药的方式，将化学清洗剂通过计量泵注入清洗水泵出口管路。
4.根据权利要求1所述的全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，其特征在于所述的密闭超滤产水缓冲罐，起到超滤产水水箱的作用，通过顶部排气阀排出系统中存在的气体，同时又能起到缓冲作用，使超滤产水与纳滤/反渗透的需水相匹配。
5.根据权利要求1所述的全膜法海水淡化中超滤膜清洗方法，其特征在于所述的海水前处理过程采用电解制氯杀菌、叠片式自清洗过滤器过滤、砂滤或多介质过滤器过滤的物理前处理；超滤膜采用亲水性聚砜、聚丙烯或聚偏氟乙烯耐污染超滤膜，超滤膜的截留分子量越小对有机物的去除率越大，超滤产水就越有利于纳滤膜的运行，超滤膜的截留分子量为2万～8万道尔顿，操作压力为0.03～0.3MPa；超滤产水缓冲罐设有自动排气系统，耐压为0.6MPa，超滤产水缓冲罐平衡压力使超滤产水稳定，稳定的超滤产水作为纳滤/反渗透过程的进水；超滤清洗水箱的容积满足正常运行过程中在一个清洗周期内的超滤膜正冲洗和反洗所需要的水量，超滤清洗水箱的箱体底部设有排空阀，用于排空清洗水箱内所有液体，清洗水箱的箱体最上部设有溢流管，使多余的浓水直接排放。
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