CN107486020A - 一种正渗透‑膜蒸馏一体化的水处理装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种正渗透‑膜蒸馏一体化的水处理装置及其应用，属于微污染水源水处理技术领域。包括原水槽、正渗透单元、汲取液槽、循环槽、加热器、膜蒸馏单元和冷却水槽，正渗透单元包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元，汲取液槽包括电导率仪，循环槽包括加热器、液位控制器和温度控制器，膜蒸馏单元包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，原水槽与低渗透压单元循环连接，汲取液槽与高渗透压单元循环连接，循环槽与汲取液槽循环连接，热料液室与循环槽循环连接，冷却水室与冷却水槽循环连接。本发明所述装置设有正渗透单元和膜蒸馏单元，安装方便，操作简单，对水中的污染物具有很好的去除效果，在实际生活中有广阔的应用前景。

Description

一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置及其应用
技术领域
本发明属于微污染水源水处理的技术领域，特别涉及一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置及其应用。
背景技术
正渗透是一种自然现象，它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程。同时，也是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术，是目前世界膜分离领域的热点之一。然而，正渗透技术在实际水处理过程中，需要大量的含高浓度盐分的汲取液，以驱动正渗透。如果能实现汲取液的循环使用，将对正渗透技术的优化升级和推广应用具有很大的促进作用。
膜蒸馏技术是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以气体的形式通过膜孔，从而实现分离的目的。膜蒸馏技术无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程即可运行。但是，膜蒸馏技术的研究多数处于试验阶段，所用的物料一般都是简单的水溶液，对一些成分复杂的水源水处理效果不稳定。这使得膜蒸馏在实际应用前景大打折扣，不利于膜蒸馏的推广和应用。
因此，需要一种新的技术方案以解决以上技术的一些问题。
发明内容
解决的技术问题：
为解决现有技术的不足，本发明提出一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置及其应用，既能有效处理微污染原水，也能循环利用汲取液；具有安装方便，操作简单，处理效果好等优点。
技术方案：
一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，所述装置包括原水槽、正渗透单元、汲取液槽、循环槽、加热器、膜蒸馏单元和冷却水槽；
所述原水槽包括水泵a，所述正渗透单元依次包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元和水泵b，所述原水槽底部出水口通过水泵a与低渗透压单元底部进水口相接，原水槽顶部进水口与低渗透压单元顶部出水口相接；
所述汲取液槽包括电导率仪、水泵c，所述汲取液槽底部进水口通过水泵b与高渗透压单元底部出水口相接，所述汲取液槽顶部出水口与高渗透压单元顶部进水口相接，所述电导率仪一端设于汲取液槽内，另一端通过水泵c与汲取液槽顶部进液管相接；
所述循环槽包括加热器、液位控制器、水泵d、温度控制器和水泵e，所述加热器设于循环槽底部，所述液位控制器一端设于循环槽内部、另一端通过水泵d与循环槽底部进液管相接，所述温度控制器一端设于循环槽内部、另一端与加热器相接，所述循环槽顶部出液口与汲取液槽顶部进液口相接，所述循环槽底部进液口与汲取液槽底部出液口相接；
所述膜蒸馏单元依次包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，所述热料液室顶部出液口与循环槽顶部进液口相接，所述热料液室底部进液口通过水泵e和循环槽底部出液口相接；
所述冷却水槽包括水泵f，所述冷却水槽底部进水口通过水泵f与冷却水室底部出水口相接，所述冷却水槽顶部出水口与冷却水室底部进水口相接。
作为优选，所述原水槽中原水为微污染水源水。
作为优选，所述正渗透膜为致密性亲水膜，材料为醋酸纤维素或聚酰胺。
作为优选，所述汲取液槽中汲取液为氯化镁、氯化钙、氯化钠和氯化钾水溶液中的一种或几种。
作为优选，所述疏水微孔膜为疏水性PVDF膜。
本发明另一个技术方案为所述的装置在微污染水源水处理中的应用。
具体应用步骤如下：
步骤一.打开水泵a，将原水槽中的原水通入正渗透单元中低渗透压单元，同时打开水泵b，在高渗透压单元通入汲取液槽中汲取液，使原水和汲取液在正渗透膜两侧形成错流；
步骤二. 当汲取液槽中的电导率仪低于设定值时，开启水泵c，将循环槽中的浓缩液导到汲取液槽中，实现汲取液的循环利用；
步骤三. 将从汲取液槽中稀释后汲取液泵入循环槽，打开加热器，加热后的液体通入膜蒸馏单元的热料液室，同时打开水泵f，将冷却水槽中的冷却水通入膜蒸馏单元的冷却水室，在疏水微孔膜膜两侧蒸气压差的作用下，热料液室中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，进入冷却水室，最终进入冷却水槽。
作为优选，所述步骤一中相对错流速为0.5~3 cm/s。
有益效果：
1、本发明将正渗透的渗透压驱动过程和膜蒸馏过程优势互补来处理污水，这样既能有效处理微污染水，也缓解了汲取液回收困难等问题；结合了正渗透和膜蒸馏技术的一体化水处理技术，具有安装方便，操作简单，处理效果好等优点。
2、本发明中膜蒸馏技术能够高效的回收正渗透汲取液，通过膜蒸馏技术，实现正渗透汲取液的循环使用，优化了正渗透技术，更加有利于正渗透技术的推广与应用。
附图说明
图1为本发明所述水处理装置的工艺流程图；
其中各数字代表含义代表如下: 1.原水槽；2.正渗透单元；3.汲取液槽；4.循环槽；5.加热器；6.膜蒸馏单元；7.冷却水槽；8a.水泵a；8b.水泵b；8c.水泵c；8d.水泵d；8e.水泵e；8f.水泵f；9.电导率仪；10.液位控制器；11.温度控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，所述装置包括原水槽1、正渗透单元2、汲取液槽3、循环槽4、加热器5、膜蒸馏单元6和冷却水槽7。
所述原水槽1中原水为微污染水源水，所述原水槽1包括水泵a 8a，所述正渗透单元2依次包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元和水泵b 8b，所述正渗透膜为致密性亲水膜，材料为醋酸纤维素，所述原水槽1底部出水口通过水泵a 8a与低渗透压单元底部进水口相接，原水槽1顶部进水口与低渗透压单元顶部出水口相接，正渗透膜两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入高渗透压单元，从而完成污染物与水的分离。
所述汲取液槽3包括电导率仪9、水泵c 8c，所述汲取液槽3中汲取液为氯化镁溶液，浓度为428g/L，所述汲取液槽3底部进水口通过水泵b 8b与高渗透压单元底部出水口相接，所述汲取液槽3顶部出水口与高渗透压单元顶部进水口相接，所述电导率仪9一端设于汲取液槽3内，另一端通过水泵c 8c与汲取液槽3顶部进液管相接，所述汲水液槽3与高渗透压单元循环连接，低渗透压单元中的水分进入高渗透压单元后，将汲水液稀释，循环流入汲水液槽3，当电导率仪9低于设定值80 mS/cm时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导入到汲取液槽3中，直至汲取液槽3的电导率恢复到107 mS/cm时关闭水泵c 8c。
所述循环槽4包括加热器5、液位控制器10、水泵d 8d、温度控制器11和水泵e 8e，所述加热器5设于循环槽4底部，所述液位控制器10一端设于循环槽4内部、另一端通过水泵d 8d与循环槽4底部进液管相接，当循环槽4中的液位低于1/2时，在液位控制器10的控制下启动水泵d 8d，将汲取液槽3中的汲取液泵入循环槽4中。所述温度控制器11一端设于循环槽4内部、另一端与加热器5相接，在温度控制器11的作用下，将循环槽内液体控制在80℃，所述循环槽4顶部出液口与汲取液槽3顶部进液口相接，所述循环槽4底部进液口与汲取液槽3底部出液口相接。
所述膜蒸馏单元6依次包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，所述疏水微孔膜为疏水性PVDF膜，所述热料液室顶部出液口与循环槽4顶部进液口相接，所述热料液室底部进液口通过水泵e 8e和循环槽4底部出液口相接。
所述冷却水槽7包括水泵f 8f，所述冷却水槽7底部进水口通过水泵f 8f与冷却水室底部出水口相接，所述冷却水槽7顶部出水口与冷却水室底部进水口相接。
所述的装置在微污染水源水处理中的应用步骤运行：
步骤一.打开水泵a 8a，将原水槽1中的原水通入正渗透单元2中低渗透压单元，同时打开水泵b 8b，在高渗透压单元通入汲取液槽3中汲取液，使原水和汲取液在正渗透膜两侧形成错流，由于两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入汲取液一侧，从而完成污染物与水的分离，同时汲取液也会被稀释，相对错流速为0.5 cm/s；
步骤二. 当汲取液槽3中的电导率仪9低于设定值时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导到汲取液槽3中，实现汲取液的循环利用；
步骤三. 将从汲取液槽3中稀释后汲取液泵入循环槽4，打开加热器5，加热后的液体通入膜蒸馏单元5的热料液室，同时打开水泵f 8f，将冷却水槽7中的冷却水通入膜蒸馏单元5的冷却水室，在疏水微孔膜两侧蒸气压差的作用下，热料液室中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，进入冷却水室，最终进入冷却水槽7。
实施例2
如图1所示，一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，所述装置包括原水槽1、正渗透单元2、汲取液槽3、循环槽4、加热器5、膜蒸馏单元6和冷却水槽7。
所述原水槽1中原水为微污染水源水，所述原水槽1包括水泵a 8a，所述正渗透单元2依次包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元和水泵b 8b，所述正渗透膜为致密性亲水膜，材料为聚酰胺，所述原水槽1底部出水口通过水泵a 8a与低渗透压单元底部进水口相接，原水槽1顶部进水口与低渗透压单元顶部出水口相接，正渗透膜两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入高渗透压单元，从而完成污染物与水的分离。
所述汲取液槽3包括电导率仪9、水泵c 8c，所述汲取液槽3中汲取液为氯化钙溶液，浓度为110g/L，所述汲取液槽3底部进水口通过水泵b 8b与高渗透压单元底部出水口相接，所述汲取液槽3顶部出水口与高渗透压单元顶部进水口相接，所述电导率仪9一端设于汲取液槽3内，另一端通过水泵c 8c与汲取液槽3顶部进液管相接，所述汲水液槽3与高渗透压单元循环连接，低渗透压单元中的水分进入高渗透压单元后，将汲水液稀释，循环流入汲水液槽3，当电导率仪9低于设定值 80 mS/cm时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导入到汲取液槽3中，直至汲取液槽3的电导率恢复到104 mS/cm时关闭水泵c 8c。
所述循环槽4包括加热器5、液位控制器10、水泵d 8d、温度控制器11和水泵e 8e，所述加热器5设于循环槽4底部，所述液位控制器10一端设于循环槽4内部、另一端通过水泵d 8d与循环槽4底部进液管相接，当循环槽4中的液位低于1/2时，在液位控制器10的控制下启动水泵d 8d，将汲取液槽3中的汲取液泵入循环槽4中。所述温度控制器11一端设于循环槽4内部、另一端与加热器5相接，在温度控制器11的作用下，将循环槽内液体控制在100℃，所述循环槽4顶部出液口与汲取液槽3顶部进液口相接，所述循环槽4底部进液口与汲取液槽3底部出液口相接。
所述膜蒸馏单元6依次包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，所述疏水微孔膜为疏水性PVDF膜，所述热料液室顶部出液口与循环槽4顶部进液口相接，所述热料液室底部进液口通过水泵e 8e和循环槽4底部出液口相接。
所述冷却水槽7包括水泵f 8f，所述冷却水槽7底部进水口通过水泵f 8f与冷却水室底部出水口相接，所述冷却水槽7顶部出水口与冷却水室底部进水口相接。
所述的装置在微污染水源水处理中的应用步骤运行：
步骤一.打开水泵a 8a，将原水槽1中的原水通入正渗透单元2中低渗透压单元，同时打开水泵b 8b，在高渗透压单元通入汲取液槽3中汲取液，使原水和汲取液在正渗透膜两侧形成错流，由于两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入汲取液一侧，从而完成污染物与水的分离，同时汲取液也会被稀释，相对错流速为2 cm/s；
步骤二. 当汲取液槽3中的电导率仪9低于设定值时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导到汲取液槽3中，实现汲取液的循环利用；
步骤三. 将从汲取液槽3中稀释后汲取液泵入循环槽4，打开加热器5，加热后的液体通入膜蒸馏单元5的热料液室，同时打开水泵f 8f，将冷却水槽7中的冷却水通入膜蒸馏单元5的冷却水室，在疏水微孔膜两侧蒸气压差的作用下，热料液室中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，进入冷却水室，最终进入冷却水槽7。
实施例3
如图1所示，一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，所述装置包括原水槽1、正渗透单元2、汲取液槽3、循环槽4、加热器5、膜蒸馏单元6和冷却水槽7。
所述原水槽1中原水为微污染水源水，所述原水槽1包括水泵a 8a，所述正渗透单元2依次包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元和水泵b 8b，所述正渗透膜为致密性亲水膜，材料为醋酸纤维素，所述原水槽1底部出水口通过水泵a 8a与低渗透压单元底部进水口相接，原水槽1顶部进水口与低渗透压单元顶部出水口相接，正渗透膜两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入高渗透压单元，从而完成污染物与水的分离。
所述汲取液槽3包括电导率仪9、水泵c 8c，所述汲取液槽3中汲取液为氯化镁、氯化钙、氯化钠、氯化钾混合溶液，其中氯化镁、氯化钙、氯化钠、氯化钾浓度分别为30g/L，所述汲取液槽3底部进水口通过水泵b 8b与高渗透压单元底部出水口相接，所述汲取液槽3顶部出水口与高渗透压单元顶部进水口相接，所述电导率仪9一端设于汲取液槽3内，另一端通过水泵c 8c与汲取液槽3顶部进液管相接，所述汲水液槽3与高渗透压单元循环连接，低渗透压单元中的水分进入高渗透压单元后，将汲水液稀释，循环流入汲水液槽3，当电导率仪9低于设定值100 mS/cm时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导入到汲取液槽3中，直至汲取液槽3的电导率恢复到125 mS/cm时关闭水泵c 8c。
所述循环槽4包括加热器5、液位控制器10、水泵d 8d、温度控制器11和水泵e 8e，所述加热器5设于循环槽4底部，所述液位控制器10一端设于循环槽4内部、另一端通过水泵d 8d与循环槽4底部进液管相接，当循环槽4中的液位低于1/2时，在液位控制器10的控制下启动水泵d 8d，将汲取液槽3中的汲取液泵入循环槽4中。所述温度控制器11一端设于循环槽4内部、另一端与加热器5相接，在温度控制器11的作用下，将循环槽内液体控制在80℃，所述循环槽4顶部出液口与汲取液槽3顶部进液口相接，所述循环槽4底部进液口与汲取液槽3底部出液口相接。
所述膜蒸馏单元6依次包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，所述疏水微孔膜为疏水性PVDF膜，所述热料液室顶部出液口与循环槽4顶部进液口相接，所述热料液室底部进液口通过水泵e 8e和循环槽4底部出液口相接。
所述冷却水槽7包括水泵f 8f，所述冷却水槽7底部进水口通过水泵f 8f与冷却水室底部出水口相接，所述冷却水槽7顶部出水口与冷却水室底部进水口相接。
取某微污染水源水，其水质为pH 6.5~7.2，水温15-29℃，浊度11~25 NTU，CODCr4~8mg/L，NH3-N 0.9~ 3.4 mg/L，还含有Fe，Mn等微量元素，以NaCl为汲取液的正渗透膜处理单元，按所述的装置在微污染水源水处理中的应用步骤运行：
步骤一.打开水泵a 8a，将原水槽1中的原水通入正渗透单元2中低渗透压单元，同时打开水泵b 8b，在高渗透压单元通入汲取液槽3中汲取液，使原水和汲取液在正渗透膜两侧形成错流，由于两侧渗透压不同，在渗透压的作用下原水中的水分会透过正渗透膜进入汲取液一侧，从而完成污染物与水的分离，同时汲取液也会被稀释，相对错流速为3 cm/s；
步骤二. 当汲取液槽3中的电导率仪9低于设定值时，开启水泵c 8c，将循环槽4中的浓缩液导到汲取液槽3中，实现汲取液的循环利用；
步骤三. 将从汲取液槽3中稀释后汲取液泵入循环槽4，打开加热器5，加热后的液体通入膜蒸馏单元5的热料液室，同时打开水泵f 8f，将冷却水槽7中的冷却水通入膜蒸馏单元5的冷却水室，在疏水微孔膜两侧蒸气压差的作用下，热料液室中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，进入冷却水室，最终进入冷却水槽7。
装置稳定运行30 d，正渗透通量保持在7~9 LMH，膜蒸馏单元出水浊度低于0.5NTU，NH3-N含量低于0.5 mg/L，CODCr 低于检测限，无明显的膜污染现象，且无病原微生物检测出。此外，正渗透单元无需添加汲取液，完美实现了汲取液的循环利用。
申请号为CN2015200341167的现有文献公开了一种微污染水源水处理系统，其应用实例2中待处理原水的浊度为12.33NTU，CODCr6.23 mg/L，NH3-N 3.105 mg/L，pH 7.6~8.0。处理后的出水，浊度降低到1.15NTU，CODCr降低到2.35 mg/L，NH3-N降低到0.091 mg/L。本发明既能有效处理微污染水，在浊度、CODCr和NH3-N等指标的处理效果上高于现有技术，也缓解了正渗透单元汲取液回收困难、膜蒸馏单元易出现膜污染等问题。

Claims (8)

1.一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，其特征在于，所述装置包括原水槽（1）、正渗透单元（2）、汲取液槽（3）、循环槽（4）、加热器（5）、膜蒸馏单元（6）和冷却水槽（7）；
所述原水槽（1）包括水泵a（8a），所述正渗透单元（2）依次包括低渗透压单元、正渗透膜、高渗透压单元和水泵b（8b），所述原水槽（1）底部出水口通过水泵a（8a）与低渗透压单元底部进水口相接，原水槽（1）顶部进水口与低渗透压单元顶部出水口相接；
所述汲取液槽（3）包括电导率仪（9）、水泵c（8c），所述汲取液槽（3）底部进水口通过水泵b（8b）与高渗透压单元底部出水口相接，所述汲取液槽（3）顶部出水口与高渗透压单元顶部进水口相接，所述电导率仪（9）一端设于汲取液槽（3）内，另一端通过水泵c（8c）与汲取液槽（3）顶部进液管相接；
所述循环槽（4）包括加热器（5）、液位控制器（10）、水泵d（8d）、温度控制器（11）和水泵e（8e），所述加热器（5）设于循环槽（4）底部，所述液位控制器（10）一端设于循环槽（4）内部、另一端通过水泵d（8d）与循环槽（4）底部进液管相接，所述温度控制器（11）一端设于循环槽（4）内部、另一端与加热器（5）相接，所述循环槽（4）顶部出液口与汲取液槽（3）顶部进液口相接，所述循环槽（4）底部进液口与汲取液槽（3）底部出液口相接；
所述膜蒸馏单元（6）依次包括热料液室、疏水微孔膜和冷却水室，所述热料液室顶部出液口与循环槽（4）顶部进液口相接，所述热料液室底部进液口通过水泵e（8e）和循环槽（4）底部出液口相接；
所述冷却水槽（7）包括水泵f（8f），所述冷却水槽（7）底部进水口通过水泵f（8f）与冷却水室底部出水口相接，所述冷却水槽（7）顶部出水口与冷却水室底部进水口相接。
2.根据权利要求1所述的一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，其特征在于，所述原水槽（1）中原水为微污染水源水。
3.根据权利要求1所述的一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，其特征在于，所述正渗透膜为致密性亲水膜，材料为醋酸纤维素或聚酰胺。
4.根据权利要求1所述的一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，其特征在于，所述汲取液槽（3）中汲取液为氯化镁、氯化钙、氯化钠和氯化钾水溶液中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种正渗透-膜蒸馏一体化的水处理装置，其特征在于，所述疏水微孔膜为疏水性PVDF膜。
6.基于权利要求1所述的装置在微污染水源水处理中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一.打开水泵a（8a），将原水槽（1）中的原水通入正渗透单元（2）中低渗透压单元，同时打开水泵b（8b），在高渗透压单元通入汲取液槽（3）中汲取液，使原水和汲取液在正渗透膜两侧形成错流；
步骤二. 当汲取液槽（3）中的电导率仪（9）低于设定值时，开启水泵c（8c），将循环槽（4）中的浓缩液导到汲取液槽（3）中，实现汲取液的循环利用；
步骤三. 将从汲取液槽（3）中稀释后汲取液泵入循环槽（4），打开加热器（5），加热后的液体通入膜蒸馏单元（5）的热料液室，同时打开水泵f（8f），将冷却水槽（7）中的冷却水通入膜蒸馏单元（5）的冷却水室，在疏水微孔膜膜两侧蒸气压差的作用下，热料液室中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，进入冷却水室，最终进入冷却水槽（7）。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤一中，相对错流速为0.5~3 cm/s。
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