CN106082397A - 一种同步污水再生和海水淡化的系统及方法 - Google Patents

一种同步污水再生和海水淡化的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同步污水再生和海水淡化的系统及方法，通过增压泵将原料液输送到压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，由排出管回到原料液罐中；通过增压泵将汲取液罐中的海水输入到反渗透膜组件中，经反渗透后浓缩的海水由浓水排出管直接送入压力协同渗透膜组件中；在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差和外加压力共同作用作为驱动力，促进污水中的水分透过正渗透膜进入海水中，最后稀释的海水回到汲取液罐中，同时反渗透产生淡水。本发明工艺简单，膜污染较轻，能耗低，产水量高和高质量水等特点，且同时利用污水和海水资源。

Description

一种同步污水再生和海水淡化的系统及方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，更具体地，涉及一种压力协同渗透和反渗透技术相结合的同步污水再生和海水淡化处理的系统及方法。
背景技术
城市污水回用，是将城市污水深度处理再生后加以回用到生产系统或生活杂用，具有开源节流的双重作用，是水资源有效利用的重要形式之一，作为城市可靠的第二水源。众所周知，地球表面72％被水覆盖，绝大部分的水资源以海水形式存在，而淡水资源仅占水资源总量的0.5％，可直接利用的只有1％的淡水，海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径之一。然而传统的城市污水再生并不能和海水淡化实现同步。
近几年正渗透(Forward Osmosis，FO)由于其低能耗、低膜污染、设备简单等特点正被广泛应用于废水回用或水的纯化、海水或苦咸水淡化、石油、发电、食品医药等领域，它还可以与反渗透(Reverse Osmosis，RO)联用弥补反渗透原料液浓度不可过高的缺陷。在FO-RO工艺中，FO主要作为RO的前处理，具有双重膜处理污水、低膜污染和节能等优点，相比于单独RO海水淡化，由于FO装置、膜等导致成本增加，因此唯有提高FO水通量，才能使得FO-RO工艺更加经济可行。然而FO膜的水通量受到膜材料、浓差极化(ICP和ECP)、网格垫片和盐返混等限制。压力协同渗透(Pressure assited osmosis，PAO)是在原料液侧施加一定压力，通过渗透压与压力共同作用，已被证明是提高现有FO膜的水通量的方式，有助于FO更好的应用于工业上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压力协同渗透和反渗透技术相结合的同步污水再生和海水淡化的处理方法，以更为简单的工艺、高水通量和较低的能耗实现污水的再生和海水的淡化处理。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，包括存储于原料液罐的废水、存储于汲取液罐的海水、压力协同渗透膜组件及反渗透膜组件，汲取液罐内的海水输入到反渗透膜组件中，经反渗透膜组件反渗透后产生的淡水另外收集，产生的浓缩的海水则输入到 压力协同渗透膜组件的高渗透压侧，废水则输入到压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差作为驱动力，促进污水中的水分透过压力协同渗透膜组件中的正渗透膜进入海水中，稀释的海水回流至汲取液罐中，污水则回流至原料液罐。
优选地，所述海水及所述废水经由各自的增压泵分别输入到所述反渗透膜组件及所述压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，则在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差及外加压力共同作用作为驱动力。
优选地，所述压力协同渗透膜组件包括两个相同的有机玻璃，两个有机玻璃间设有正渗透膜。
优选地，所述正渗透膜包括活性层及支撑层，所述废水对着活性层，所述浓缩的海水朝向支撑层。
优选地，所述污水为渗透压低于30～45g/L的海水渗透压的废水。
优选地，在所述反渗透膜组件用于排出所述浓缩的海水的排出管线上设置相应的能量回收装置，优选地，将能量回收装置回收的能量用于海水的前处理、后处理。
优选地，所述压力协同渗透膜组件为板式压力协同渗透膜组件或卷式压力协同渗透膜组件，所述压力协同渗透膜组件中的正渗透膜为聚酰胺正渗透膜或三醋酸纤维素正渗透膜；
所述反渗透膜组件为板式反渗透膜组件或卷式反渗透膜组件，所述反渗透膜组件中的反渗透膜为芳香聚酰胺膜或醋酸纤维素膜。
优选地，所述压力协同渗透膜组件施加压力范围为1～10bar。
本发明的另一个技术方案是提供了一种同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，过程如下：
原料液侧：以污水作为原料液，通过增压泵将原料液罐中的污水输入到压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，由排出管回到原料液罐中；
汲取液侧：以海水作为汲取液，通过增压泵将汲取液罐中的海水输入到反渗透膜组件中，经反渗透后浓缩的海水经反渗透浓水排出管直接送入压力协同渗透膜组件中，在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差和外加压力共同作用作为驱动力，促进原料液中的水分透过正渗透膜进入海水中，最后稀释的海 水回到汲取液罐中。
优选地，对海水进行前处理后再送入所述汲取液罐中；由所述反渗透膜产出的淡水根据需要进行进一步的后处理。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明的同步污水再生和海水淡化的处理方法，是以低渗透压的污水作为原料液，高渗透压的海水作为汲取液，利用海水和污水的渗透压差和原料液侧的施加压力作为驱动力，以提高压力协同渗透的水通量，使得污水中的更多的水分回用到海水中，加大了海水的稀释，从而降低了海水的渗透压，进而降低反渗透所需能耗，促使反渗透有更高的产水量；同时由于反渗透的浓缩汲取液作用，保证了压力协同渗透过程中汲取液所需的渗透压，且利用反渗透浓盐水的排放的流体状态，减少了压力协同渗透汲取液侧的泵的使用，工艺简单，膜污染较轻，能耗低，产水量高和高质量水等特点，且同时利用了污水和海水资源。
附图说明
图1为本发明的利用压力协同渗透-反渗透技术相结合的同步污水再生和海水淡化的处理方法的工艺流程图；
图2中为本发明实施例1运行过程中PAO水通量和RO产水量变化图；
图3为本发明实施例1中的原料液、汲取液和最终产水的电导率变化图；
图4为本发明实施例2运行过程中PAO水通量和RO产水量变化图。
图例说明：
1-压力协同渗透膜组件，2-原料液罐，3-汲取液罐，4-反渗透膜组件，5-产水收集罐，6、7-增压泵，8、9、11-止水阀1，10、12、13-压力表。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的工艺包括原料液罐2、汲取液罐5、压力协同渗透膜组件1、反渗透膜组件4、增压泵、产水收集罐5。其中：
原料液罐2用来装作为原料液的污水。污水为城市生活污水处理厂的二级废水或三级废水等渗透压低(低于30～45g/L的海水渗透压)的废水。原料液罐2在压力协同渗透膜组件1的低渗透压侧。
汲取液罐3用于盛放作为汲取液的海水。本领域技术人员还可以对海水进行前处理后再送入汲取液罐3中。汲取液罐3在压力协同渗透膜组件1的高渗透压侧。
压力协同渗透膜组件1和反渗透组件4的材质和形式无特殊要求。压力协同渗透膜组件1可为板式或卷式膜，压力协同渗透膜组件1中的正渗透膜为聚酰胺正渗透膜或三醋酸纤维素正渗透膜。反渗透膜组件4为板式或卷式膜，反渗透膜组件4中的反渗透膜为芳香聚酰胺膜和醋酸纤维素膜。
在本具体实施方式中，压力协同渗透膜组件1由两个相同的有机玻璃组成，内部包括正渗透膜，正渗透膜朝向为原料液对着活性层，汲取液朝向支撑层。原料液进液管通过增压泵6与原料液罐2和压力协同渗透膜组件1连接，压力协同渗透膜组件1的出液管与原料液罐2相连。原料液经增压泵6进入到压力协同渗透膜组件1内部，经压力协同渗透后的浓缩的原料液经出液管返回到原料液罐2。压力协同渗透过程中的施加压力应保证该压力在所述压力协同渗透膜组件承受范围内。压力协同渗透膜组件1施加压力范围为1～10bar。
反渗透膜组件4内部包括反渗透膜。反渗透膜组件4的汲取液进液管通过增压泵7与汲取液罐3相连，反渗透膜组件4的浓水排出管与压力协同渗透膜组件1串联，压力协同渗透膜组件1的汲取液出液管与汲取液罐3相连。作为汲取液的海水经过增压泵7进入反渗透膜组件4内部，经过反渗透后的浓缩的海水进入压力协同渗透膜组件1内部，经压力协同渗透后返回到汲取液罐3。反渗透膜组件4产水(淡水)由产水收集罐5收集储存，产水也可根据需要进一步的后处理。
本发明还可在反渗透膜组件4的浓海水排出管线上设置相应的能量回收装置(压力交换器，如涡轮机、离心泵和叶片泵等)，对反渗透浓海水的排出进行能量回收利用，回收的能量回收可用于海水的前处理、后处理等。
实施例1
本实施例中，采用某城市生活污水处理厂二沉出水为原料液；模拟海水为汲取液。(具体模拟海水配方：NaCl 25.726g/L；MgC l22.26g/L；MgSO43.248g/L； CaCl21.153g/L；NaHCO40.198g/L；KCl 0.721g/L)。原料液体积为1L，汲取液体积为0.6L；所述压力协同渗透膜组件为平板膜组件(美国HTI公司的商业化TFC-ES膜)，膜组件由两个相同的有机玻璃做成，水流通道长为80mm，宽为30mm，深为3mm，膜运行方式为活性层朝向原料液侧，支撑层朝向汲取液侧，膜有效面积为24cm2，其原料液侧施加压力为4bar；原料液流速为1.4L/min，汲取液(浓水)流速为0.6L/min；所述反渗透膜组件为平板膜组件(陶氏公司的BW30级LCLE-4040反渗透膜)，有机玻璃膜外壳，膜有效面积24cm2，浓水流通道为80mm，宽度为30mm，膜所对凹槽深度5mm，膜背面为光滑的不锈钢滤板镶嵌于有机玻璃中，操作压力8bar，由增压泵提供。
原料液放置在电子天平上，由电脑记录天平数据并保存用于计算压力协同渗透膜水通量。通过测量汲取液、最终产水中的电导率值变化计算脱盐率。
本发明的实施例中用于处理再生水和模拟海水时，随着运行时间的增加，正渗透过程中水通量逐渐下降，RO产水量从1.63L/m2h增加到4.15L/m2h。其12小时后脱盐率达到94.8％。整个系统对TN、TP和TOC的去除率分别达到98.1％、98.4％和99.6％。
表1 污水基本性质
实施例2
本实施例中，采用某城市生活污水处理厂二沉出水为原料液；杭州湾海域海水为汲取液。所述压力协同渗透膜组件为平板膜组件(美国HTI公司的商业化TFC-ES膜)，膜组件由两个相同的有机玻璃做成，水流通道长为80mm，宽为30mm，深为3mm，膜运行方式为活性层朝向原料液侧，支撑层朝向汲取液侧，膜有效面积为24cm2，其原料液侧施加压力为4bar；；原料液流速为1.4L/min，汲取液(浓水)流速为0.6L/min；所述反渗透膜组件为平板膜组件(陶氏公司的BW30级LCLE-4040反渗透膜)，有机玻璃膜外壳，膜有效面积24cm2，浓水流通道为80mm，宽度为30mm，膜所对凹槽深度5mm，膜背面为光滑的不锈钢 滤板镶嵌于有机玻璃中，操作压力8bar，由增压泵提供。
原料液放置在电子天平上，由电脑记录天平数据并保存用于计算压力协同渗透膜水通量。通过测量汲取液、最终产水中的电导率值变化计算脱盐率。
本发明的实施例中用于同步处理再生水和杭州湾海域海水时，随着运行时间的增加，PAO过程中水通量逐渐下降，RO产水量从5.02L/m2h增加到7.27L/m2h。其12小时后脱盐率达到97.8％。整个系统对二沉出水的TN、TP和TOC的去除率分别达到98.2％、97.5％和99.8％，对色度和浊度去除达到99％以上。
表2 污水和海水基本性质

Claims (10)

1.一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，包括存储于原料液罐的废水、存储于汲取液罐的海水、压力协同渗透膜组件及反渗透膜组件，汲取液罐内的海水输入到反渗透膜组件中，经反渗透膜组件反渗透后产生的淡水另外收集，产生的浓缩的海水则输入到压力协同渗透膜组件的高渗透压侧，废水则输入到压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差作为驱动力，促进污水中的水分透过压力协同渗透膜组件中的正渗透膜进入海水中，稀释的海水回流至汲取液罐中，污水则回流至原料液罐。
2.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述海水及所述废水经由各自的增压泵分别输入到所述反渗透膜组件及所述压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，则在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差及外加压力共同作用作为驱动力。
3.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述压力协同渗透膜组件包括两个相同的有机玻璃，两个有机玻璃间设有正渗透膜。
4.如权利要求3所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述正渗透膜包括活性层及支撑层，所述废水对着活性层，所述浓缩的海水朝向支撑层。
5.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述污水为渗透压低于30～45g/L的海水渗透压的废水。
6.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，在所述反渗透膜组件用于排出所述浓缩的海水的排出管线上设置相应的能量回收装置，优选地，将能量回收装置回收的能量用于海水的前处理、后处理。
7.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述压力协同渗透膜组件为板式压力协同渗透膜组件或卷式压力协同渗透膜组件，所述压力协同渗透膜组件中的正渗透膜为聚酰胺正渗透膜或三醋酸纤维素正渗透膜；
所述反渗透膜组件为板式反渗透膜组件或卷式反渗透膜组件，所述反渗透膜组件中的反渗透膜为芳香聚酰胺膜或醋酸纤维素膜。
8.如权利要求1所述的一种同步污水再生和海水淡化的系统，其特征在于，所述压力协同渗透膜组件施加压力范围为1～10bar。
9.一种同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，过程如下：
原料液侧：以污水作为原料液，通过增压泵将原料液罐中的污水输入到压力协同渗透膜组件的低渗透压侧，由排出管回到原料液罐中；
汲取液侧：以海水作为汲取液，通过增压泵将汲取液罐中的海水输入到反渗透膜组件中，经反渗透后浓缩的海水经反渗透浓水排出管直接送入压力协同渗透膜组件中，在压力协同渗透过程中，利用海水与污水的渗透压差和外加压力共同作用作为驱动力，促进原料液中的水分透过正渗透膜进入海水中，最后稀释的海水回到汲取液罐中。
10.如权利要求9所述的一种同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，对海水进行前处理后再送入所述汲取液罐中；由所述反渗透膜产出的淡水根据需要进行进一步的后处理。
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