CN103936202B

CN103936202B - 一种苦咸水淡化方法及其装置

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Publication number: CN103936202B
Application number: CN201410181808.4A
Authority: CN
Inventors: 宋跃飞; 周建国; 李铁梅
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2014-05-04
Filing date: 2014-05-04
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2034-05-04
Also published as: CN103936202A

Abstract

本发明公开了一种苦咸水淡化方法及其装置。本发明的技术方案要点为：一种苦咸水淡化方法，包括清洗过滤处理、超滤处理、增压处理、反渗透淡化处理、反渗透浓水纳滤软化处理、纳滤浓水能量回收处理、纳滤浓水用于超滤反冲洗处理、超滤反冲废水排放处理、产品水矿化再碳酸化处理、产品水杀菌和改善口感处理以及净水排出等步骤。本发明还公开了该苦咸水淡化装置。本发明有效地解决了现有膜法苦咸水淡化工艺中大量添加化学药剂所带来的高生产成本、产水回收率低所带来的经济性差和产品水没有深度后处理所带来的健康饮用性差等问题。

Description

一种苦咸水淡化方法及其装置

技术领域

本发明属于苦咸水淡化技术领域，具体涉及一种苦咸水淡化方法及其装置。

背景技术

全球水平衡中，地下苦咸水含量占地下水资源量的一半以上，这类非常规水资源被认为在不久的将来，是一种潜在重要的可供替代的饮用水水源。资料显示，在非常规水资源淡化饮用比例中，海水淡化、苦咸水淡化和废水再处理分别占利用总量的58%、22%和5%。广大内陆地区，积极推进苦咸水和微咸水等非常规水资源的开发利用，提高水资源的利用效率，可以在存量资源不变的条件下，有效增加新的水资源供给量，这是缓解广大地处内陆的半干旱和干旱地区水资源供需矛盾的重要途径。

苦咸水淡化的水回收率是影响其成本的主要因素，传统反渗透苦咸水淡化工程的系统回收率一般为40%-75%，回收率是反渗透系统设计中一个非常关键的参数，决定着进水处理系统（取水、预处理系统和高压泵）的尺寸和排向环境的浓盐水量。提高系统回收率，意味着能够降低进水处理系统的水量、降低耗电量和化学药品的用量，最终降低成本，同时也大量减少浓盐水的排放量，从而降低对环境污染的潜能。但系统回收率的提高需要较高的操作压力，由此带来较快的膜污染和频繁的膜元件清洗与更换，因此，研发在不加剧膜污染的条件下进一步提高苦咸水淡化系统回收率的方法，对于大幅度降低产水成本具有重要的意义。

公开号为CN 102329019 A的专利公开了一种超低压苦咸水淡化膜分离装置，提出苦咸水经过精密过滤器过滤后，再进入超滤膜过滤，超滤透析液进入第一级纳滤（或低截留率反渗透）膜进行处理，第一级的纳滤产水再进入第二级反渗透膜系统，第二级透析液为合格的淡水，该方法具有设备运行压力极低、苦咸水淡化效果好且设备运行成本低等优点，但是该工艺本质上属于两级，所以系统产水回收率不会太高，且由于两级纳滤-反渗透法去除掉给水中钙、镁、锌、锶等人体必需的矿物质和微量元素，长期饮用该纯净产水，不利于人体健康。

公开号为CN 201284253 Y的专利公开了一种两级纳滤膜苦咸水淡化系统装置，其优点是操作压力低、能耗小和处理效率高，公开号为CN 101973655 A 的专利公开了一种水淡化处理工艺及装置，该发明提供混絮凝处理、预滤处理、超滤处理和逆渗透处理四级处理即可实现淡化处理，淡化处理工艺简单、淡化成本较低，上述两种工艺的缺点是苦咸水淡化系统产水回收率较低，由此导致产生大量体积的外排浓缩液，以及预处理阶段化学药剂的添加带来严重的环境污染问题。

另外，公开号为CN 101781041 A、CN 1552643 A、CN 202499735 U和CN 102863095 A的专利分别公开了苦咸水的脱盐淡化方法或装置，这些方法一方面，系统产水回收率较低，经济性差，另一方面，产品水后处理过程中没有考虑到人体必需的矿物质和微量元素，忽视了由此带来的人体健康隐患。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种具有超低压、低能耗、大通量、离子选择性高和疏松型的纳滤膜元件进行苦咸水软化预处理的苦咸水淡化方法及其装置，该方法有效地解决了现有膜法苦咸水淡化工艺中大量添加化学药剂所带来的高生产成本、产水回收率低所带来的经济性差和产品水没有深度后处理所带来的健康饮用性差等问题。

本发明的技术方案为：一种苦咸水淡化方法，其特征在于包括以下步骤：（1）原水经过自清洗叠片过滤器处理后进入超滤装置，超滤产水经过反渗透高压泵输送进入反渗透装置；（2）反渗透浓水直接进入高离子选择性的纳滤装置，进行软化处理，选择性地去除反渗透浓水中非碳酸盐的成垢阴离子SO₄ ²⁻，截留率≥96%；（3）反渗透浓水进入纳滤装置之前由能量回收装置将压力传递给纳滤进水，纳滤浓水经过能量回收装置将压力传递给纳滤进水后作为超滤装置的反冲洗用水回收利用，超滤浓水经达标检测后外排；（4）纳滤产水作为补充水与超滤产水混合后经反渗透高压泵输送进入反渗透装置；（5）反渗透产水经地下水混合装置掺入处理后的地下水后，流经方解石过滤床层补充人体所需的微量矿物元素，并调节产水pH值至弱碱性，过滤产水分别经过臭氧发生器杀菌消毒和活性炭装置吸附过滤，达到饮用水的水质标准，即为终端产品饮用水。

本发明所述的自清洗叠片过滤器采用一串相同精度的螺旋式叠片叠放在一起并用活塞压紧，螺旋式叠片之间的沟槽棱边形成多组交叉和不规则通路下的沟道过滤单元，过滤时，螺旋式叠片的进水空腔和不规则通路导致水的紊流，截留原水中的杂质，过滤盘面为20μm，去除原水中粒径>20μm的悬浮颗粒物和藻类。

本发明所述的超滤装置采用错流操作方式，超滤产水回收率>95%，超滤过程中程序控制运行周期30min，反冲洗45s，超滤装置采用亲水性好、耐污染且截留分子量较小的中空纤维或陶瓷超滤膜组件，超滤膜截留分子量为5000-50000道尔顿的物质，超滤膜的操作压力范围为0.03-0.3MPa，去除过滤水中的微量悬浮物大分子有机物藻类和细菌，得到超滤产水的SDI₁₅<2.0，浊度<0.1NTU。

本发明所述的反渗透装置采用一段式反渗透操作，多个压力容器并联，每个压力容器由一支或多支膜元件串联，反渗透装置使用苦咸水膜，其产水回收率≥80%，反渗透膜元件在含盐量为1.0-3.0g·L⁻¹的低盐度进水条件下，操作压力≤4.5MPa，对各价态无机离子的截留率均≥99.5%。

本发明所述的纳滤装置采用一段式纳滤操作，多个压力容器并联，每个压力容器由一支或多支纳滤膜元件串联，所述的纳滤膜元件对苦咸水中二价离子和一价离子的选择性为5-20，对SO₄ ² ⁻离子截留率≥98%，脱盐率<30%，纳滤装置操作压力≤1.7MPa，纳滤产水回收率≥60%。

本发明所述的超滤膜、纳滤膜和反渗透膜的操作温度能够适应苦咸水的温度随季节的变化，超滤、纳滤和反渗透的操作温度范围为0-60℃。

本发明所述的反渗透产水经地下水混合装置掺入处理后的地下水后，达到镁、钠、硫酸根和余氯非碳酸盐硬度值的等级匹配，方解石过滤床层处理后的产水LSI值为正值，产水pH范围为7.5-8.5。

本发明所述的臭氧发生装置杀菌后余氯量为0.3-1.0mg·L⁻¹，所述的活性炭装置中活性炭空隙微孔比表面积的分配≥95%，活性炭装置处理后的终端产水中残余氯浓度<0.05mg·L⁻¹、总有机碳TOC<0.05mg·L⁻¹、挥发性有机物VOC_S<1.0×10⁻²mg·L⁻¹，口感较好。

本发明所述的苦咸水淡化装置，其特征在于包括原水箱、增压泵、自清洗叠片过滤器、超滤装置、反渗透高压泵、反渗透装置、地下水混合装置、方解石过滤床层、臭氧发生装置、活性炭装置、纳滤装置、能量回收装置、超滤反冲洗水箱、超滤反冲洗排放装置、终端产水箱和连接各部分的管路，原水箱的出水口与增压泵的进水口连接，增压泵的出水口与自清洗叠片过滤器的进水口连接，自清洗叠片过滤器的出水口与超滤装置的进水口连接，超滤装置的出水口与反渗透高压泵的进水口连接，反渗透高压泵的出水口与反渗透装置的进水口连接，反渗透装置的产水与地下水混合装置连接，该过程流经方解石过滤床层，地下水混合装置的出水口与臭氧发生装置的入水口连接，臭氧发生装置的出水口与活性炭装置的入水口连接，活性炭装置的出水口与终端产水箱连接，反渗透装置的浓水与纳滤装置的进水口连接，纳滤装置的产水口与反渗透高压泵的进水口连接，纳滤装置的浓水与能量回收装置的入水口连接，能量回收装置的出水口与超滤反冲洗水箱的入水口连接，超滤反冲洗水箱的出水口与超滤装置的反冲洗管路连接，超滤装置的反冲洗后用水与超滤反冲洗排放装置连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：（1）采用自清洗式叠片过滤器的膜前预处理工艺，避免了传统的絮凝沉淀过程带来的化学药品消耗和沉淀排放对环境造成的污染，操作管理简单，运行过程中不需要日常消耗品诸如滤芯和滤袋等，运行费用低且产水水质稳定；

（2）采用错流超滤操作方式，既能够提供满足纳滤反渗透要求的进水，降低膜污染的程度，同时超滤产水回收率大于95%，有利于进一步提高系统产水回收率，降低生产成本；

（3）由于反渗透组件部分进水经过纳滤软化处理，从而大幅降低进水中二价成垢离子浓度，保证了反渗透装置可以在不导致膜面结垢的情况下，其产水回收率≥80%；

（4）采用的纳滤膜有高的离子选择性，能够在较低的操作压力和较小的能耗时达到把无机成垢离子特别是SO₄ ² ⁻离子浓度下降至两个数量级以下，为后续反渗透装置大幅度提高回收率提供了保障；

（5）外排纳滤浓盐水使用能量回收装置，将纳滤浓盐水的压力能交换至纳滤进水，进一步保证了纳滤进水（反渗透浓水）不需要增压泵即可完成软化分离过程；

（6）外排纳滤浓水用于超滤膜组件的反冲用水，实现废水资源的二次利用；

（7）反渗透产水中掺混入适量处理后的地下水并流经方解石过滤床层，补充人体所需微量矿物元素和改善产水pH值至7.5-8.5；

（8）过滤产水经过臭氧发生装置杀菌消毒处理后，≥99.9%的细菌被杀死，同时有效降低水体的有机负荷；

（9）活性炭装置处理后的终端产品水中残余氯浓度<0.05mg·L⁻¹、TOC和VOC_S残留浓度均降至较低值，口感较好。

附图说明

图1是本发明苦咸水淡化装置的结构示意图。

图面说明：1、原水箱，2、增压泵，3、自清洗叠片过滤器，4、超滤装置，5、反渗透高压泵，6、反渗透装置，7、地下水混合装置，8、方解石过滤床层，9、臭氧发生装置，10、活性炭装置，11、纳滤装置，12、能量回收装置，13、超滤反冲洗水箱，14、超滤反冲洗排放装置，15、终端产水箱。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

一种苦咸水淡化装置，包括原水箱1、增压泵2、自清洗叠片过滤器3、超滤装置4、反渗透高压泵5、反渗透装置6、地下水混合装置7、方解石过滤床层8、臭氧发生装置9、活性炭装置10、纳滤装置11、能量回收装置12、超滤反冲洗水箱13、超滤反冲洗排放装置14、终端产水箱15和连接各部分的管路，原水箱1的出水口与增压泵2的进水口连接，增压泵2的出水口与自清洗叠片过滤器3的进水口连接，自清洗叠片过滤器3的出水口与超滤装置4的进水口连接，超滤装置4的出水口与反渗透高压泵5的进水口连接，反渗透高压泵5的出水口与反渗透装置6的进水口连接，反渗透装置6的产水与地下水混合装置7连接，该过程流经方解石过滤床层8，地下水混合装置7的出水口与臭氧发生装置9的入水口连接，臭氧发生装置9的出水口与活性炭装置10的入水口连接，活性炭装置10的出水口与终端产水箱15连接，反渗透装置6的浓水与纳滤装置11的进水口连接，纳滤装置11的产水口与反渗透高压泵5的进水口连接，纳滤装置11的浓水与能量回收装置12的入水口连接，能量回收装置12的出水口与超滤反冲洗水箱13的入水口连接，超滤反冲洗水箱13的出水口与超滤装置4的反冲洗管路连接，超滤装置4的反冲洗后用水与超滤反冲洗排放装置14连接。

实施例1

参照图1，选择的苦咸水为含盐量为1.0-3.0g·L⁻¹的地下微咸水，具体步骤包括：启动增压泵，把原水箱中的给水依次泵入自清洗叠片过滤器和超滤装置，由于地下苦咸水天然地经过了多空介质的过滤作用（砂质、粘土和岩石等），给水中的许多颗粒物质和一些有机物被除去。高精度自清洗叠片过滤装置去除原水中粒径>20μm的悬浮颗粒物胶体和藻类，超滤装置采用错流操作方式，保证超滤产水回收率≥95%，为最大限度地提高系统产水回收率提供了可能，超滤产水SDI₁₅<2.0，浊度<0.01NTU，超滤膜截留分子量为20000的物质，超滤过程中程序控制运行周期30min，反冲洗45s。

超滤产水进入反渗透高压泵，保持反渗透进水压力为4.4MPa，保持反渗透进水流量为1000L·h^-1不变，反渗透装置对苦咸水中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ²⁻、HCO₃ ⁻、TDS和总硬度的截留率分别为99%、99.2%、99.4%、95%、99.2%和99.4%，反渗透单支膜压降小于0.1MPa，反渗透浓水直接进入高离子选择性的纳滤装置，纳滤膜操作压力保持为1.55MPa，纳滤产水回收率为64%，且纳滤装置对非碱性成垢阴离子SO₄ ²⁻和TDS的截留率分别为98.5%和24.1%，对一价盐如氯化钠和氯化钾的截留率为16.3%，纳滤膜元件产水中二价阴离子的总含量范围≤40mg·L^-1。纳滤膜浓水经能量回收装置回收能量交换至纳滤进水（即反渗透浓水），能量回收率达85%，进一步增加了反渗透浓水直接进入纳滤装置的可行性。经过回收能量后的纳滤浓水进入超滤反冲洗水箱，反冲洗后的废水通过超滤反冲洗排放装置进行达标检测排放。反渗透装置在上述实验条件下的系统产水回收率为82%，反渗透产水进入地下水混合装置并流经方解石过滤床层，补充人体所需微量矿物元素和改善产水pH值至7.8，地下水混合装置产水经过臭氧发生装置杀菌处理后，出水细菌总数为7.9cfu·mL⁻¹，臭氧发生装置产水进入活性炭装置，粒径介于10-24目的颗粒占总颗粒数的90%以上，比表面积为960m²·g⁻ ¹，填充密度为0.45g·cm⁻³，经活性炭装置改善口感后产品水中VOC_S残留浓度为10μg·L⁻¹，无任何异味的爽口饮用水，进入终端产水箱。

实施例2

参照图1，保持反渗透进水压力为4.5MPa，保持反渗透浓水流量为800 L·h^-1不变，反渗透装置对苦咸水中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ²⁻、HCO₃ ⁻、TDS和总硬度的截留率分别为98.8%、99.1 %、99.3%、94.7%、99%和99.3%，反渗透单支膜压降小于0.1Mpa，反渗透浓水直接进入高离子选择性的纳滤装置，纳滤膜操作压力保持为1.7MPa，纳滤产水回收率为60%，且纳滤装置对非碱性成垢阴离子SO₄ ²⁻和TDS的截留率分别为98.3%和22.8%，对一价盐如氯化钠和氯化钾的截留率为15.9%，纳滤膜元件产水中二价阴离子的总含量范围≤45mg·L⁻¹，反渗透装置在上述实验条件下的系统产水回收率为80%。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims

1.一种苦咸水淡化方法，其特征在于包括以下步骤：（1）原水经过自清洗叠片过滤器处理后进入超滤装置，超滤产水经过反渗透高压泵输送进入反渗透装置，其中自清洗叠片过滤器采用一串相同精度的螺旋式叠片叠放在一起并用活塞压紧，螺旋式叠片之间的沟槽棱边形成多组交叉和不规则通路下的沟道过滤单元，过滤时，螺旋式叠片的进水空腔和不规则通路导致水的紊流，截留原水中的杂质，过滤盘面为20μm，去除原水中粒径>20μm的悬浮颗粒物和藻类；（2）反渗透浓水直接进入高离子选择性的纳滤装置，进行软化处理，选择性地去除反渗透浓水中非碳酸盐的成垢阴离子SO₄ ²⁻，截留率≥96%；（3）反渗透浓水进入纳滤装置之前由能量回收装置将压力传递给纳滤进水，纳滤浓水经过能量回收装置将压力传递给纳滤进水后作为超滤装置的反冲洗用水回收利用，超滤浓水经达标检测后外排；（4）纳滤产水作为补充水与超滤产水混合后经反渗透高压泵输送进入反渗透装置；（5）反渗透产水经地下水混合装置掺入处理后的地下水后，流经方解石过滤床层补充人体所需的微量矿物元素，并调节产水pH值至弱碱性，过滤产水分别经过臭氧发生器杀菌消毒和活性炭装置吸附过滤，达到饮用水的水质标准，即为终端产品饮用水。

2.根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的超滤装置采用错流操作方式，超滤产水回收率>95%，超滤过程中程序控制运行周期30min，反冲洗45s，超滤装置采用亲水性好、耐污染且截留分子量较小的中空纤维或陶瓷超滤膜组件，超滤膜截留分子量为5000-50000道尔顿的物质，超滤膜的操作压力范围为0.03-0.3MPa，去除过滤水中的微量悬浮物大分子有机物藻类和细菌，得到超滤产水的SDI₁₅<2.0，浊度<0.1NTU。

3. 根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的反渗透装置采用一段式反渗透操作，多个压力容器并联，每个压力容器由一支或多支膜元件串联，反渗透装置使用苦咸水膜，其产水回收率≥80%，反渗透膜元件在含盐量为1.0-3.0g·L⁻¹的低盐度进水条件下，操作压力≤4.5MPa，对各价态无机离子的截留率均≥99.5%。

4. 根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的纳滤装置采用一段式纳滤操作，多个压力容器并联，每个压力容器由一支或多支纳滤膜元件串联，所述的纳滤膜元件对苦咸水中二价离子和一价离子的选择性为5-20，纳滤装置操作压力≤1.7MPa，纳滤产水回收率≥60%。

5. 根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的超滤装置、纳滤装置和反渗透装置的操作温度范围为0-60℃。

6. 根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的反渗透产水经地下水混合装置掺入处理后的地下水后，达到镁、钠、硫酸根和余氯非碳酸盐硬度值的等级匹配，方解石过滤床层处理后的产水LSI值为正值，产水pH范围为7.5-8.5。

7. 根据权利要求1所述的苦咸水淡化方法，其特征在于：所述的臭氧发生装置杀菌后余氯量为0.3-1.0mg·L⁻¹，所述的活性炭装置中活性炭空隙微孔比表面积的分配≥95%，活性炭装置处理后的终端产水中残余氯浓度<0.05mg·L⁻¹、总有机碳TOC<0.05mg·L⁻¹、挥发性有机物VOC_S<1.0×10⁻²mg·L⁻¹。