CN105417801A - 一种正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的方法及系统，该方法包括二级出水预处理、正渗透膜分离和汲取液再生三个阶段，二级出水预处理阶段将城市污水处理厂的二级出水利用微滤膜膜孔的机械隔滤作用去除悬浮物，正渗透膜分离阶段使得二级出水被浓缩，NaCl水溶液被稀释，汲取液再生阶段收集得到淡水并将被浓缩的NaCl水溶液实现再生回用；该系统包括二级出水预处理池、正渗透分离池和汲取液再生器。本发明将正渗透分离技术与电渗析技术结合起来，一方面可以从被稀释的汲取液中回收淡水资源，另一方面可以实现汲取液的再生利用，保证了在正渗透分离过程中在汲取液一侧维持稳定且较高的汲取液浓度，保证较高的膜通量，降低了电渗析过程中结垢的可能性。

Description

一种正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种应用正渗透及电渗析技术以污水处理厂二级出水为原料生产淡水的方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

针对目前淡水资源短缺的现状，将污水处理厂的出水经深度处理后回用于生活杂用、工业生产或农业生产过程，可以在一定程度上缓解水资源短缺的问题，具有很好的社会效益和环境效益。目前污水处理厂采用的深度处理方法主要是混凝/沉淀/过滤法或超滤/反渗透处理技术等。混凝/沉淀/过滤法得到的出水水质欠佳，无法为用户提供良好的供水水质；超滤/反渗透双膜法的出水水质较好，但反渗透过程中能耗大、运行成本高、膜易污染、运行成本高。

由于正渗透技术作为渗透压驱动的膜分离过程，具有无需额外施加压力即可实现，耗能低，并且对许多污染物几乎完全截留，分离效果好的特点，因而将正渗透技术用于污水的深度处理过程，从污水中提取优质的淡水资源具有良好的发展前景。由于氯化钠(NaCl)具有较高的渗透压且没有结垢的危险，因而，将其用作正渗透分离过程的汲取液，既可以获得较高的膜通量及较高的水回收率，又不易造成正渗透膜的污染。在正渗透分离的过程中，随着膜分离过程的进行，原料液中的水分逐步扩散到汲取液一侧，使得汲取液被稀释，渗透压下降，膜通量下降。为了保证在正渗透分离过程中具有稳定的膜通量以及从汲取液中回收淡水，需要采取一定的措施来对被稀释的汲取液进行处理，将在正渗透分离过程中扩散到汲取液中的水分回收，同时将汲取液浓缩，从而实现汲取液的再生。

发明内容

针对现有污水处理技术无法提供良好水质的问题，为从污水中有效提取淡水资源，实现污水的再生回用，缓解淡水资源短缺的问题，本发明提供一种能够从污水厂二级出水中回收淡水的正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的方法，同时提供一种实现该方法的系统。

本发明的正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的方法，包括二级出水预处理、正渗透膜分离和汲取液再生三个阶段，具体过程如下所述：

(1)二级出水预处理阶段：

将城市污水处理厂的二级出水通过负压抽吸错流通过微滤膜，利用微滤膜膜孔的机械隔滤作用去除悬浮物；悬浮物去除率达95％以上。

所述微滤膜的膜孔径为0.01μm～10μm。

(2)正渗透膜分离阶段：

经过预处理的二级出水流入正渗透膜的一侧作为原料液，以质量浓度30‰～50‰的NaCl水溶液作为汲取液；在正渗透膜中由于二级出水的含盐量(2‰～3‰)与NaCl水溶液的含盐量(30‰～50‰)不同，因此两者的渗透压不同，使得正渗透膜的两端存在渗透压差；在渗透压差的作用下，二级出水(原料液)中的水分子向NaCl水溶液(汲取液)一侧扩散，二级出水中的盐离子及有机物分子留在原料液一侧，使得二级出水(原料液)被浓缩，NaCl水溶液(汲取液)被稀释；

(3)汲取液再生阶段：

使被稀释的NaCl水溶液进入交替间隔排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在直流电场的作用下，NaCl水溶液中的Na⁺离子和Cl^-作定向迁移，这样在一部分阳离子交换膜和阴离子交换膜之间得到淡水(含离子很少)，在另一部分阳离子交换膜和阴离子交换膜之间得到浓缩的NaCl水溶液(聚集大量离子)，将浓缩的NaCl水溶液输送回正渗透分离阶段作为汲取液，实现汲取液的再生回用。

实现上述方法的正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的系统，采用以下技术方案：

该系统，包括二级出水预处理池、正渗透分离池和汲取液再生器；二级出水预处理池内设置有微滤膜，微滤膜将预处理池分为两侧，一侧上部设置有二级出水进水管，另一侧底部设置有原料液引入管，原料液引入管上连接有抽吸泵；正渗透分离池内设置有正渗透膜，正渗透膜将正渗透分离池分割为原料液一侧和汲取液一侧，原料液一侧的底部与原料液引入管连接，且该侧上部设置有浓缩水回流管；汲取液一侧的上部设置有汲取液引入管，下部设置有稀释汲取液排出管，稀释汲取液排出管上连接有加压泵；

汲取液再生器内部通过穿孔配水板分割成底部配水槽和上部分离室两部分，底部配水槽与稀释汲取液排出管连接，分离室的两端设有石墨电极板，石墨电极板通过导线与直流电源连接，分离室中阳离子交换膜和阴离子交换膜自左至右交替排列，左端石墨电极板与最左端的阳离子交换膜之间的空间以及右端石墨电极板与最右端的阴离子交换膜之间的空间形成极室，由左侧阳离子交换膜和右侧阴离子交换膜之间隔成的隔室记为奇数隔室，由左侧阴离子交换膜和右侧阳离子交换膜之间隔成的隔室记为偶数隔室，在奇数隔室的上端设有与汲取液引入管连接的再生汲取液排出管，在两侧极室上端设有与汲取液引入管连接的极水排出管，在偶数隔室的上端设有淡化水排出管。

城市污水处理厂的二级出水通过二级出水进水管进入二级出水预处理池，在抽吸泵的抽吸下，二级出水透过微滤膜进入微滤膜的另一侧，二级出水中的悬浮物被微滤膜所截留，不能透过膜。预处理后的二级出水通过原料液引入管进入正渗透分离池中作为正渗透过程的原料液，浓度为30‰～50‰的NaCl水溶液作为正渗透过程的汲取液由汲取液引入管进入正渗透膜的另一侧，在渗透压差的作用下，原料液中的水分子透过正渗透膜进入到汲取液一侧，使汲取液NaCl溶液被稀释，原料液二级出水被浓缩。被浓缩的二级出水通过浓缩水回流管送至污水处理厂生物池进行处理。在加压泵的作用下，被稀释的汲取液通过稀释汲取液排出管进入汲取液再生器。在外加电场的作用下，稀释汲取液中的Na⁺和Cl^-进行定向迁移，其中Na⁺向电极负极方向运动，Cl^-向电极正极方向运动。由于汲取液再生器中交错排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜的选择透过性(阳离子交换膜只能透过阳离子，阴离子交换膜只能透过阴离子)，偶数隔室中的阴阳离子不断透过膜进入相邻的奇数隔室中，使得偶数隔室中的NaCl水溶液浓度逐渐降低，得到淡化水，奇数隔室中NaCl水溶液浓度逐渐升高，得到浓缩的NaCl溶液。将偶数隔室中的液体用淡化水排出管引出，得到本发明拟得到的产品水供给用户；将奇数隔室中的液体用再生汲取液排出管引出，由石墨电极板和膜围成的极室中的液体用极水排出管引出，得到被浓缩再生的汲取液；再生的汲取液通过汲取液引入管重新输送回正渗透分离池的汲取液侧。

本发明将正渗透分离技术与电渗析技术结合起来，具有如下优势：(1)利用正渗透膜的选择透过性实现污水的提纯处理，可以得到优质的淡水；(2)利用电渗析技术实现被稀释的汲取液的浓缩，一方面可以从被稀释的汲取液中回收淡水资源，另一方面可以实现汲取液的再生利用，保证了在正渗透分离过程中在汲取液一侧维持稳定且较高的汲取液浓度，保证较高的膜通量；(3)在正渗透分离的过程中二级出水中的有机物、氮、磷及其他无机物均被截留在原料液一侧，只有水分子可以透过正渗透膜进入汲取液一侧，被稀释的汲取液中不含有机物、Ca²⁺、Mg²⁺等污染物质，因而降低了电渗析过程中结垢的可能性。

附图说明

图1是本发明正渗透与电渗析协同从污水中提取淡水的系统的结构原理示意图。

其中：1、二级出水预处理池，2、正渗透分离池，3、汲取液再生器，4、直流电源，5、电源开关，6、微滤膜，7、正渗透膜，8、阳离子交换膜，9、阴离子交换膜，10、二级出水进水管，11、原料液引入管，12、抽吸泵，13、汲取液引入管，14、稀释汲取液排出管，15、底部配水槽，16、浓缩水回流管，17、加压泵，18、再生汲取液排出管，19、淡化水排出管，20、石墨电极板，21、穿孔配水板，22、极水排出管。

具体实施方式

本发明采用正渗透与电渗析技术相结合，利用正渗透技术从污水中回收淡水，然后，利用电渗析技术实现汲取液的浓缩及再生。

本发明的正渗透同电渗析协同从污水中提取淡水的系统，如图1所示，包括二级出水预处理池1、正渗透分离池2和汲取液再生器3。二级出水预处理池1内设置有竖置的微滤膜6，微滤膜6将预处理池1分为左右两侧，左侧上部设置有二级出水进水管10，右侧底部设置有原料液引入管11。正渗透分离池2内设置有竖置的正渗透膜7，正渗透膜7将正渗透分离池2分割为原料液一侧和汲取液一侧，原料液一侧的底部与原料液引入管11连接，原料液引入管11上连接有抽吸泵12，且该侧上部设有浓缩水回流管16，汲取液一侧的上部设置有汲取液引入管13，下部设置有稀释汲取液排出管14，稀释汲取液排出管14上连接有加压泵17。汲取液再生器3的下部设置有穿孔配水板21，穿孔配水板21将汲取液再生器3分成容积不等的上下两部分，上部为分离室，下部为底部配水槽15。底部配水槽15与稀释汲取液排出管14连接。分离室左右两侧设置有石墨电极板20，在分离室中设置有多组竖置的阳离子交换膜8和阴离子交换膜9，阳离子交换膜8和阴离子交换膜9自左至右间隔交替排列，将分离室分成多个隔室，一个阳离子交换膜8与一个阴离子交换膜9之间的空间为一个隔室，自左至右依次为第一隔室、第二隔室、第三隔室、……等等，每个奇数序列的隔室上部设置有再生汲取液排出管18，每个偶数序列的隔室上部设置有淡化水排出管19。左侧石墨电极板20与阳离子交换膜8以及右侧石墨电极板20与阴离子交换膜9围成的空间为极室，两个极室上部设置有极水排出管22。极水排出管22和再生汲取液排出管18均与汲取液引入管13连接。分离室两侧的石墨电极板20通过导线与直流电源4连接，左边的石墨电极板同电源的正极相连，右边的石墨电极板同电源的负极相连。直流电源4连接电源开关5。

上述系统通过正渗透同电渗析协同从污水中提取淡水的方法，包括二级出水预处理、正渗透膜分离和汲取液再生三个阶段。是在正渗透分离池2中利用正渗透膜7的选择透过性以及由于原料液和汲取液渗透压不同在正渗透膜7两侧造成的渗透压差，使得原料液二级出水中的水分子透过正渗透膜7进入汲取液NaCl水溶液一侧。然后，被稀释的汲取液NaCl水溶液进入汲取液再生器3，在外加电场的作用以及离子交换膜的选择透过性的作用下，Na⁺和Cl^-发生定向迁移，在不同的隔室中分别形成淡水和NaCl的浓缩液，从而得到产品水淡水和被浓缩的汲取液。具体的过程如下所述：

1.在二级出水预处理池1中对二级出水进行预处理

城市污水处理厂的二级出水通过二级出水进水管10进入二级出水预处理池1，在二级出水预处理池1内装有膜孔径为0.01μm～10μm的微滤膜6。在抽吸泵12的抽吸下，二级出水透过微滤膜6进入微滤膜的另一侧，二级出水中的悬浮物被微滤膜6所截留，不能透过膜。

通过预处理，利用微滤膜膜孔的机械隔滤作用可以去除二级出水中95％以上的悬浮物，二级出水中的悬浮物浓度可以达到10mg/L以下。

2.在正渗透分离池2中进行二级出水的分离提纯处理

经预处理后的二级出水通过原料液引入管11进入正渗透分离池2中。正渗透膜7为选择透过性膜，只允许水分子透过，其他分子不能透过。正渗透膜7的一侧为二级出水，作为正渗透过程的原料液。浓度为30‰～50‰的NaCl水溶液从汲取液引入管13进入正渗透分离池2中正渗透膜7的另一侧，作为正渗透过程的汲取液。由于汲取液的盐浓度大于原料液的盐浓度，因而汲取液的渗透压高于原料液的渗透压，使得正渗透膜组件两侧存在渗透压差。在渗透压差的作用下，原料液中的水分子透过正渗透膜7进入到汲取液一侧，使得汲取液(NaCl水溶液)被稀释。原料液中的其它组分不能透过膜，被截留在原料液一侧，使得原料液中的其它组分被浓缩。

在此阶段，汲取液NaCl溶液经稀释后，浓度降到15‰～25‰之间，二级出水被浓缩至原体积的1/3～1/4之间。

3.在汲取液再生器3内进行淡化水的回收和汲取液的浓缩

在正渗透分离池2中被稀释的汲取液NaCl水溶液通过稀释汲取液排出管14进入汲取液再生器3下部的底部配水槽15，通过穿孔配水板21进入上部分离室内由阳离子交换膜8和阴离子交换膜9所隔成的一个个隔室中。分离室中竖置的阴阳离子交换膜具有选择透过性，阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。在外加电场的作用下，进入分离隔室中的NaCl中的Na⁺和Cl^-发生定向迁移，Na⁺向阴极迁移、Cl^-向阳极迁移。由于阴阳离子交换膜的选择透过性，奇数序号隔室中的Na⁺向阴极迁移的过程中遇到右侧阴离子交换膜的阻隔作用，Na⁺不能透过阴离子交换膜，被截留在奇数序号隔室中；奇数序号隔室中的Cl^-向阳极迁移的过程中遇到左侧阳离子交换膜的阻隔作用，Cl^-不能透过阳离子交换膜，被截留在奇数序号隔室中，因此奇数序号隔室中的阴阳离子均不能向外扩散。偶数序号隔室中的Na⁺向阴极迁移的过程中遇到右侧的阳离子交换膜，阳离子交换膜可以允许阳离子透过，因此，Na⁺透过膜进入右侧的奇数序号隔室中，使得偶数序号隔室中的Na⁺浓度降低；偶数序号隔室中的Cl^-向阳极迁移的过程中遇到左侧的阴离子交换膜，阴离子交换膜可以允许阴离子透过，因此，Cl^-透过膜进入左侧的奇数序号隔室中，使得偶数序号隔室中的Cl^-浓度也降低；随着电渗析过程的进行，偶数序号隔室中的阴阳离子的浓度不断降低，逐渐得到淡化水。由于奇数序号隔室中的阴阳离子均不能向其他隔室迁移，而偶数序号隔室中的阴阳离子不断从偶数序号隔室中迁移进入奇数序号隔室，使得奇数序号隔室中的NaCl浓度逐渐升高，NaCl被浓缩。经过电渗析后，进入汲取液再生器3中的浓度为15‰～25‰的NaCl水溶液，在奇数序号隔室中可以被浓缩至30‰～50‰，这一NaCl水溶液通过奇数序号隔室上部的再生汲取液排出管18同汲取液引入管13连接，并通过汲取液引入管13重新被输送回正渗透分离池2右侧的汲取液侧作为汲取液。由石墨电极板20同阳离子交换膜8和阴离子交换膜9所围成的极室中的极水通过极室上部的极水排出管22同汲取液引入管13连接。偶数序号隔室中得到的淡化水作为本发明拟得到的淡水，通过偶数序号隔室上部的淡化水排出管19排出系统并送至用户使用。

Claims (3)

1.一种正渗透同电渗析协同从污水中提取淡水的方法，其特征是，包括二级出水预处理、正渗透膜分离和汲取液再生三个阶段，具体过程如下所述：

(1)二级出水预处理阶段：

将城市污水处理厂的二级出水通过负压抽吸错流通过微滤膜，利用微滤膜膜孔的机械隔滤作用去除悬浮物；

(2)正渗透膜分离阶段：

经过预处理的二级出水流入正渗透膜的一侧作为原料液，以质量浓度30‰～50‰的NaCl水溶液作为汲取液；在正渗透膜中由于二级出水的含盐量与NaCl水溶液的含盐量不同，因此两者的渗透压不同，使得正渗透膜的两端存在渗透压差；在渗透压差的作用下，二级出水中的水分子向NaCl水溶液一侧扩散，二级出水中的盐离子及有机物分子留在原料液一侧，使得二级出水被浓缩，NaCl水溶液被稀释；

(3)汲取液再生阶段：

使被稀释的NaCl水溶液进入交替间隔排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在直流电场的作用下，NaCl水溶液中的Na⁺离子和Cl^-作定向迁移，这样在一部分阳离子交换膜和阴离子交换膜之间得到淡水，在另一部分阳离子交换膜和阴离子交换膜之间得到浓缩的NaCl水溶液，将浓缩的NaCl水溶液输送回正渗透分离阶段作为汲取液，实现汲取液的再生回用。

2.根据权利要求1所述的正渗透同电渗析协同从污水中提取淡水的方法，其特征是，所述微滤膜的膜孔径为0.01μm～10μm。

3.一种正渗透同电渗析协同从污水中提取淡水的系统，包括二级出水预处理池、正渗透分离池和汲取液再生器；其特征是：

二级出水预处理池内设置有微滤膜，微滤膜将预处理池分为两侧，一侧上部设置有二级出水进水管，另一侧底部设置有原料液引入管，原料液引入管上连接有抽吸泵；正渗透分离池内设置有正渗透膜，正渗透膜将正渗透分离池分割为原料液一侧和汲取液一侧，原料液一侧的底部与原料液引入管连接，且该侧上部设置有浓缩水回流管；汲取液一侧的上部设置有汲取液引入管，下部设置有稀释汲取液排出管，稀释汲取液排出管上连接有加压泵；

汲取液再生器内部通过穿孔配水板分割成底部配水槽和上部分离室两部分，底部配水槽与稀释汲取液排出管连接，分离室的两端设有石墨电极板，石墨电极板通过导线与直流电源连接，分离室中阳离子交换膜和阴离子交换膜自左至右交替排列，左端石墨电极板与最左端的阳离子交换膜之间的空间以及右端石墨电极板与最右端的阴离子交换膜之间的空间形成极室，由左侧阳离子交换膜和右侧阴离子交换膜之间隔成的隔室记为奇数隔室，由左侧阴离子交换膜和右侧阳离子交换膜之间隔成的隔室记为偶数隔室，在奇数隔室的上端设有与汲取液引入管连接的再生汲取液排出管，在两侧极室上端设有与汲取液引入管连接的极水排出管，在偶数隔室的上端设有淡化水排出管。