CN109133465A - 一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法，尤其涉及一种管式微滤膜强化软化+废热回收+真空膜蒸馏联用的工业高含盐废水零排放处理装置。蒸发结晶装置前设置管式微滤膜强化软化装置，减缓后续处理设备结垢倾向，从而降低系统运行维护费用。采用废热回收技术,无需消耗新鲜的蒸汽等热源，既提高能源利用效率，又降低系统运行成本。联合真空膜蒸馏技术，缩短传统零排放系统中的工艺流程，降低投资成本，分离纯化效率高，自动化程度高。本发明专利解决现有工业高含盐废水零排放处理中的技术问题，具有投资少，运行维护成本低，操作简单，自动化程度高，节能高效等优点，可以用于工业高含盐废水的零排放处理。

Description

一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法

技术领域

本发明专利涉及一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法，尤其涉及一种管式微滤膜强化软化+废热回收+真空膜蒸馏联用的工业高含盐废水零排放处理装置，属于废水零排放技术领域。

背景技术

伴随工业化进步，工业废水相应大量排放，给环境造成很大压力，2005年开始，国内新建电厂环评基本按照废水零排放的要求进行设计，厂区不得设置废水排放口，禁止废水外排。2015年4月16日，国务院发布《水污染防治行动计划》（《水十条》），国家提出源头保护和生态修复制度，全面控制污染物排放，把水环境保护上升到国家战略层面。

2016年11月10日国务院出台《控制污染物排放许可制实施方案》国办发[2016]81号，文中第三条明确指出率先对火电、造纸行业企业核发排污许可证。自此，火电厂在资源约束与排放限制方面的压力陡然上升，加快落实深度节水和“废污水零排放”已成为必然选择。

自此，火电厂加快了落实深度梯级节水和废水零排放的进度，废水减排和零排放已成为火电厂水处理的新型重点业务。但是投资高、运行成本高等不利因素始终是制约该技术普及推广的难题之一。有鉴于此，本发明涉及一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法，主要基于管式微滤膜强化软化+废热回收+真空膜蒸馏联合应用来实现，利用低品位的热源，如余热、废热等廉价的能源，只需在膜两侧维持适当的温差就可以进行蒸发，具有分离纯化效率高，不污染环境，操作简单，能耗低，便于与其他净化处理过程耦合与集成的特点。管式微滤膜强化软化+废热回收+真空膜蒸馏技术，解决了蒸发系统能耗高，运行费用贵等问题，为火电厂处理脱硫废水等高含盐废水提供了一种低成本方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置及方法，尤其涉及一种管式微滤膜强化软化+废热回收+真空膜蒸馏联用的工业高含盐废水零排放处理装置，旨在解决上述背景技术问题。本发明克服了现存的技术问题，将管式微滤膜强化软化、废热回收与真空膜蒸馏联用，提出一种新型节能高效的工业高含盐废水零排放处理装置及方法，将其应用于火电厂脱硫废水等高含盐废水的处理，实现废水零排放，为工程设计和工程实践提供指导。

本发明的技术方案是通过如下方式实现的：一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置，包括管式微滤膜强化软化装置、烟气余热利用装置和蒸发结晶装置。所述管式微滤膜强化软化装置包括废水进水泵、一级反应槽、二级反应槽、浓缩槽、循环泵、管式微滤膜装置、软化产水槽、软化产水泵及相互连接的管道；所述的烟气余热利用装置包括管式气液换热器、鼓风机及相互连接的管道；所述蒸发结晶装置包括真空式膜蒸馏组件、冷却循环水槽、浓盐水槽、浓盐水泵、强制循环蒸发结晶器及相互连接的管道。所述的一级反应槽包括潜水搅拌器；所述的二级反应槽包括潜水搅拌器；所述的真空式膜蒸馏组件包括蒸发室、冷却水室、蒸馏膜、换热板、真空泵、冷却水循环泵、冷凝水抽吸泵、浓盐水抽吸泵及相互连接的管道。

特别地，所述废水进水泵通过一级反应槽、二级反应槽、浓缩槽、循环泵与管式微滤膜装置相连。所述管式微滤膜装置通过软化产水槽、软化产水泵与管式气液换热器相连。所述管式气液换热器与真空式膜蒸馏组件相连。所述真空式膜蒸馏组件通过浓盐水抽吸泵、浓盐水槽、浓盐水泵与强制循环蒸发结晶器相连。

特别地，所述一级反应槽、二级反应槽与浓缩槽合建，其特征在于一级反应槽、二级反应槽与浓缩槽均为槽体上部进水，一级反应槽出水口与二级反应槽进水口重合，二级反应槽出水口与浓缩槽进水口重合，一级反应槽与二级反应槽的进水口与出水口均呈同一平面对角分布。所述浓缩槽底部设置排泥管道。

特别地，所述管式微滤膜装置设置浓水循环系统，其特征在于浓水通过浓水回流管道与浓缩槽相连。

特别地，所述管式气液换热器设置烟气循环系统，其特征在于烟道气通过鼓风机、管式气液换热器、烟气回流管道与烟道相连。

特别地，所述真空式膜蒸馏组件设置冷却水循环系统，其特征在于冷却水通过冷却水循环泵、冷却水室、冷却水回流管道与冷却循环水槽相连。

特别地，所述蒸发室与冷却水室合建且通过换热板完全隔开。所述管式气液换热器出水口与蒸发室进水口相连。所述真空泵进气口与蒸发室相连。

特别地，所述蒸馏膜放置于蒸发室内，蒸馏膜为平板膜，材质为PTFE。

特别地，所述冷凝水抽吸泵进水口与蒸发室相连，冷凝水经过管道返回生产系统。所述浓盐水抽吸泵进水口与蒸发室相连，浓盐水抽吸泵出水口与浓盐水槽相连。

特别地，所述强制循环蒸发结晶器热源由厂内废蒸汽提供，所产生的冷凝水经过管道返回生产系统。

应用所述装置对工业高含盐废水零排放处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）待处理的工业高含盐废水通过管道由废水进水泵提升至一级反应槽，一级反应槽出水自二级反应槽上部进水口溢流进入二级反应槽，二级反应槽出水自浓缩槽上部进水口溢流进入浓缩槽。一级反应槽内，添加碳酸钠和液碱，进行pH粗调，形成碳酸钙和氢氧化镁的沉淀物，同时氢氧化镁携带二氧化硅形成共沉淀。二级反应槽内，添加液碱，进行pH精调，使得钙离子和镁离子完全反应并沉淀。一级反应槽与二级反应槽内均设置潜水搅拌器，使得反应更加充分。碳酸钠加药量为理论值的1.0～1.3倍，液碱加药量由一级反应槽及二级反应槽内pH值控制，pH=10～13。

（2）浓缩槽内的废水（含有反应生成的悬浮固体）通过循环泵输送到管式微滤膜装置进行固液分离，膜透过水在浊度方面远远优于沉淀池出水，等同于传统工艺中沉淀池+砂滤器+中空纤维超滤的出水，可以直接送往膜蒸馏装置。浓水则通过浓水回流管道回流至浓缩槽，进行循环。管式微滤膜装置运行一段时间之后，浓缩槽内浓缩液达到一定浓度，会导致产水量下降。因此需要定期利用管式微滤膜装置的产水进行反冲洗并通过排泥管道排空浓缩槽。用SS监测浓缩液的浓度，当浓缩槽内浓缩液SS为(15000～30000)mg/L时，排空浓缩槽。

（3）烟气余热利用装置通过以下方式实现：在烟道上设置旁路，利用鼓风机抽取烟道内的高温烟气，并通过管道送至管式气液换热器内，利用管式气液换热器将高温烟气的热量转移到高含盐废水中，进行加热升温，降温后的烟气则通过烟气回流管道送回至烟道内，进行循环。本系统内，经过管式微滤膜装置处理后的产水，先通过管道进入软化产水槽，再由软化产水槽通过管道由软化产水泵提升至管式气液换热器内进行加热。经过管式气液换热器后废水温度可上升到50～80℃。

（4）经管式气液换热器升温后的废水，通过管道送至真空式膜蒸馏组件内的蒸发室内。蒸发室通过真空泵的抽吸作用变为真空状态，真空度为30mbar～100mbar。对于真空膜蒸馏系统，膜两侧蒸汽压力差作为传质驱动力，疏水性微孔膜作为传递介质，由于膜的疏水性，盐分和溶液水不能透过膜而气体可以通过膜孔进行传质，因此仅有水蒸气能透过膜孔，可将工业高含盐废水的TDS浓缩至200g/L以上。水蒸气与冷却水在换热板处进行热交换，水蒸气放热冷凝成水滴，并汇聚于蒸发室内的冷凝水流道。由于蒸发室内为真空状态，因此利用冷凝水抽吸泵将冷凝水抽出并回用到生产系统。浓盐水汇聚于蒸发室内的浓盐水流道，并通过管道由浓盐水抽吸泵提升至浓盐水槽。

（5）真空膜蒸馏系统的冷却水装置通过以下方式实现：在厂内冷却循环水槽内设置旁路，冷却循环水水温为30℃左右，通过管道由冷却循环水泵提升至冷却水室内，利用换热板将水蒸气的热量转移到冷却水中，进行降温冷凝，升温后的冷却水则通过冷却水回流管道送回至冷却循环水槽内，进行循环。如果冷却循环水槽内的水温过高，影响真空膜蒸馏系统的运行效率，可设置一座小型冷却塔，对冷却循环水进一步降温。

(6)浓盐水槽内的浓盐水，通过管道由浓盐水泵提升至强制循环蒸发结晶器内，强制循环蒸发结晶器由厂区废蒸汽提供热源，产生的冷凝水回用到生产系统，溶液中析出形成的固体颗粒沉淀后外送。

通过采用前述技术方案，本发明具有的优势和积极效果：

（1）利用烟气余热和厂区废蒸汽提供装置运行所需热源，无需消耗新鲜的蒸汽等热源，运行维护简单。既提高能源利用效率，又降低系统运行成本。

（2）管式微滤膜强化软化技术，脱除工业高含盐废水中的钙离子、镁离子、二氧化硅、悬浮物等物质，设备占地面积小，操作简便，成本低廉，节能高效，大大减缓后续处理设备结垢倾向，减少设备清洗维护频率，降低系统运行维护费用。

（3）膜蒸馏技术是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，只需在膜两侧维持适当的温差就可以进行蒸发。与其他常用分离过程相比，具有可处理极高浓度的水溶液，分离纯化效率高，不污染环境，操作简单，能耗低和便于与其他净化处理过程耦合与集成等特点。

（4）蒸馏膜为平板膜，材质为PTFE，便于设备集成与组装，减少设备占地面积，具有耐酸碱、耐高温、耐腐蚀和高机械强度等优点。

（5）本发明处理流程简短，缩短了传统工业高含盐废水零排放系统中的工艺流程，操作简单，运行维护成本低，自动化程度高，节能高效。

附图说明

图1 为发明装置示意图。

图中：1—废水进水泵，2—一级反应槽，2.1—潜水搅拌泵，3—二级反应槽，3.1—潜水搅拌泵，4—浓缩槽，4.1—排泥管道，5—循环泵，6—管式微滤膜装置，6.1—浓水回流管道，7—软化产水槽，8—软化产水泵，9—管式气液换热器，9.1—烟气回流管道，10—鼓风机，11—烟道，12—真空式膜蒸馏组件，12.1—蒸发室，12.2—冷却水室，12.3—蒸馏膜，12.4—换热板，12.5—真空泵，12.6—冷却水循环泵，12.7—冷凝水抽吸泵，12.8—浓盐水抽吸泵，13—冷却循环水槽，13.1—冷却水回流管道，14—浓盐水槽，15—浓盐水泵，16-强制循环蒸发结晶器。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置具体运行步骤为：

（1）待处理的工业高含盐废水通过管道由废水进水泵提升至一级反应槽，一级反应槽出水自二级反应槽上部进水口溢流进入二级反应槽，二级反应槽出水自浓缩槽上部进水口溢流进入浓缩槽。一级反应槽内，添加碳酸钠和液碱，进行pH粗调，形成碳酸钙和氢氧化镁的沉淀物，同时氢氧化镁携带二氧化硅形成共沉淀。二级反应槽内，添加液碱，进行pH精调，使得钙离子和镁离子完全反应并沉淀。一级反应槽与二级反应槽内均设置潜水搅拌器，使得反应更加充分。碳酸钠加药量为理论值的1.0～1.3倍，液碱加药量由一级反应槽及二级反应槽内pH值控制，pH=10～13。

（2）浓缩槽内的废水（含有反应生成的悬浮固体）通过循环泵输送到管式微滤膜装置进行固液分离，膜透过水在浊度方面远远优于沉淀池出水，等同于传统工艺中沉淀池+砂滤器+中空纤维超滤的出水，可以直接送往膜蒸馏装置。浓水则通过浓水回流管道回流至浓缩槽，进行循环。管式微滤膜装置运行一段时间之后，浓缩槽内浓缩液达到一定浓度，会导致产水量下降。因此需要定期利用管式微滤膜装置的产水进行反冲洗并通过排泥管道排空浓缩槽。用SS监测浓缩液的浓度，当浓缩槽内浓缩液SS为(15000～30000)mg/L时，排空浓缩槽。

（3）烟气余热利用装置通过以下方式实现：在烟道上设置旁路，利用鼓风机抽取烟道内的高温烟气，并通过管道送至管式气液换热器内，利用管式气液换热器将高温烟气的热量转移到高含盐废水中，进行加热升温，降温后的烟气则通过烟气回流管道送回至烟道内，进行循环。本系统内，经过管式微滤膜装置处理后的产水，先通过管道进入软化产水槽，再由软化产水槽通过管道由软化产水泵提升至管式气液换热器内进行加热。经过管式气液换热器后废水温度可上升到50～80℃。

（4）经管式气液换热器升温后的废水，通过管道送至真空式膜蒸馏组件内的蒸发室内。蒸发室通过真空泵的抽吸作用变为真空状态，真空度为30mbar～100mbar。对于真空膜蒸馏系统，膜两侧蒸汽压力差作为传质驱动力，疏水性微孔膜作为传递介质，由于膜的疏水性，盐分和溶液水不能透过膜而气体可以通过膜孔进行传质，因此仅有水蒸气能透过膜孔，可将工业高含盐废水的TDS浓缩至200g/L以上。水蒸气与冷却水在换热板处进行热交换，水蒸气放热冷凝成水滴，并汇聚于蒸发室内的冷凝水流道。由于蒸发室内为真空状态，因此利用冷凝水抽吸泵将冷凝水抽出并回用到生产系统。浓盐水汇聚于蒸发室内的浓盐水流道，并通过管道由浓盐水抽吸泵提升至浓盐水槽。

（5）真空膜蒸馏系统的冷却水装置通过以下方式实现：在厂内冷却循环水槽内设置旁路，冷却循环水水温为30℃左右，通过管道由冷却循环水泵提升至冷却水室内，利用换热板将水蒸气的热量转移到冷却水中，进行降温冷凝，升温后的冷却水则通过冷却水回流管道送回至冷却循环水槽内，进行循环。如果冷却循环水槽内的水温过高，影响真空膜蒸馏系统的运行效率，可设置一座小型冷却塔，对冷却循环水进一步降温。

(6)浓盐水槽内的浓盐水，通过管道由浓盐水泵提升至强制循环蒸发结晶器内，强制循环蒸发结晶器由厂区废蒸汽提供热源，产生的冷凝水回用到生产系统，溶液中析出形成的固体颗粒沉淀后外送。

实施例：

以某火电厂脱硫废水作为实验对象，Ca²⁺=387～602 mg/L，Mg²⁺=361～540 mg/L，COD=12～46mg/L，SiO₂=12～32 mg/L，TDS=18600～26000 mg/L，该污水是典型的脱硫废水。每天取样分析一次，试验中采用的分析方法均是国家环保总局发布的标准方法。试验系统如图中所示，由管式微滤膜强化软化装置，烟气余热利用装置，真空膜蒸馏装置，强制循环蒸发结晶器组成。脱硫废水和烟道气通过的槽体、管道和泵等为防腐材质。一级反应槽内，添加碳酸钠和液碱，二级反应槽内，添加液碱，碳酸钠加药量为理论值的1.0～1.3倍，液碱加药量由一及反应槽及二级反应槽内pH值控制，pH=10～13，当浓缩槽内浓缩液SS为(15000～30000)mg/L时，排空浓缩槽。经过管式气液换热器后脱硫废水温度升至50～80℃出水，冷却循环水水温为30℃左右，真空式膜蒸馏组件内真空度为30mbar～100mbar。采用本发明所述系统，膜蒸馏装置产出的浓盐水TDS达到200g/L以上，将膜蒸馏装置产出的浓盐水通入强制循环蒸发结晶器，溶液内能够快速析出固体颗粒物， 膜蒸馏装置和强制循环蒸发结晶器所产出的冷凝水返回生产系统进行回用。

Claims (41)

1.一种废热利用真空膜蒸馏零排放处理装置，其特征在于，包括管式微滤膜强化软化装置、烟气余热利用装置和蒸发结晶装置。

2.所述管式微滤膜强化软化装置包括废水进水泵、一级反应槽、二级反应槽、浓缩槽、循环泵、管式微滤膜装置、软化产水槽、软化产水泵及相互连接的管道；所述的烟气余热利用装置包括管式气液换热器、鼓风机及相互连接的管道；所述蒸发结晶装置包括真空式膜蒸馏组件、冷却循环水槽、浓盐水槽、浓盐水泵、强制循环蒸发结晶器及相互连接的管道。

3.所述的一级反应槽包括潜水搅拌器；所述的二级反应槽包括潜水搅拌器；所述的真空式膜蒸馏组件包括蒸发室、冷却水室、蒸馏膜、换热板、真空泵、冷却水循环泵、冷凝水抽吸泵、浓盐水抽吸泵及相互连接的管道。

4.所述废水进水泵通过一级反应槽、二级反应槽、浓缩槽、循环泵与管式微滤膜装置相连。

5.所述管式微滤膜装置通过软化产水槽、软化产水泵与管式气液换热器相连。

6.所述管式气液换热器与真空式膜蒸馏组件相连。

7.所述真空式膜蒸馏组件通过浓盐水抽吸泵、浓盐水槽、浓盐水泵与强制循环蒸发结晶器相连。

8.所述一级反应槽、二级反应槽与浓缩槽合建，其特征在于一级反应槽、二级反应槽与浓缩槽均为槽体上部进水，一级反应槽出水口与二级反应槽进水口重合，二级反应槽出水口与浓缩槽进水口重合，一级反应槽与二级反应槽的进水口与出水口均呈同一平面对角分布。

9.所述浓缩槽底部设置排泥管道。

10.所述管式微滤膜装置设置浓水循环系统，其特征在于浓水通过浓水回流管道与浓缩槽相连。

11.所述管式气液换热器设置烟气循环系统，其特征在于烟道气通过鼓风机、管式气液换热器、烟气回流管道与烟道相连。

12.所述真空式膜蒸馏组件设置冷却水循环系统，其特征在于冷却水通过冷却水循环泵、冷却水室、冷却水回流管道与冷却循环水槽相连。

13.所述蒸发室与冷却水室合建且通过换热板完全隔开。

14.所述管式气液换热器出水口与蒸发室进水口相连。

15.所述真空泵进气口与蒸发室相连。

16.所述蒸馏膜放置于蒸发室内，蒸馏膜为平板膜，材质为PTFE。

17.所述冷凝水抽吸泵进水口与蒸发室相连，冷凝水经过管道返回生产系统。

18.所述浓盐水抽吸泵进水口与蒸发室相连，浓盐水抽吸泵出水口与浓盐水槽相连。

19.所述强制循环蒸发结晶器热源由厂内废蒸汽提供，所产生的冷凝水经过管道返回生产系统。

20.应用权利要求1中所述装置对工业高含盐废水零排放处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

待处理的工业高含盐废水通过管道由废水进水泵提升至一级反应槽，一级反应槽出水自二级反应槽上部进水口溢流进入二级反应槽，二级反应槽出水自浓缩槽上部进水口溢流进入浓缩槽。

21.一级反应槽内，添加碳酸钠和液碱，进行pH粗调，形成碳酸钙和氢氧化镁的沉淀物，同时氢氧化镁携带二氧化硅形成共沉淀。

22.二级反应槽内，添加液碱，进行pH精调，使得钙离子和镁离子完全反应并沉淀。

23.一级反应槽与二级反应槽内均设置潜水搅拌器，使得反应更加充分。

24.碳酸钠加药量为理论值的1.0～1.3倍，液碱加药量由一级反应槽及二级反应槽内pH值控制，pH=10～13。

25.浓缩槽内的废水（含有反应生成的悬浮固体）通过循环泵输送到管式微滤膜装置进行固液分离，膜透过水在浊度方面远远优于沉淀池出水，等同于传统工艺中沉淀池+砂滤器+中空纤维超滤的出水，可以直接送往膜蒸馏装置。

26.浓水则通过浓水回流管道回流至浓缩槽，进行循环。

27.管式微滤膜装置运行一段时间之后，浓缩槽内浓缩液达到一定浓度，会导致产水量下降。

28.因此需要定期利用管式微滤膜装置的产水进行反冲洗并通过排泥管道排空浓缩槽。

29.用SS监测浓缩液的浓度，当浓缩槽内浓缩液SS为(15000～30000)mg/L时，排空浓缩槽。

30.烟气余热利用装置通过以下方式实现：在烟道上设置旁路，利用鼓风机抽取烟道内的高温烟气，并通过管道送至管式气液换热器内，利用管式气液换热器将高温烟气的热量转移到高含盐废水中，进行加热升温，降温后的烟气则通过烟气回流管道送回至烟道内，进行循环。

31.本系统内，经过管式微滤膜装置处理后的产水，先通过管道进入软化产水槽，再由软化产水槽通过管道由软化产水泵提升至管式气液换热器内进行加热。

32.经过管式气液换热器后废水温度可上升到50～80℃。

33.经管式气液换热器升温后的废水，通过管道送至真空式膜蒸馏组件内的蒸发室内。

34.蒸发室通过真空泵的抽吸作用变为真空状态，真空度为30mbar～100mbar。

35.对于真空膜蒸馏系统，膜两侧蒸汽压力差作为传质驱动力，疏水性微孔膜作为传递介质，由于膜的疏水性，盐分和溶液水不能透过膜而气体可以通过膜孔进行传质，因此仅有水蒸气能透过膜孔，可将工业高含盐废水的TDS浓缩至200g/L以上。

36.水蒸气与冷却水在换热板处进行热交换，水蒸气放热冷凝成水滴，并汇聚于蒸发室内的冷凝水流道。

37.由于蒸发室内为真空状态，因此利用冷凝水抽吸泵将冷凝水抽出并回用到生产系统。

38.浓盐水汇聚于蒸发室内的浓盐水流道，并通过管道由浓盐水抽吸泵提升至浓盐水槽。

39.真空膜蒸馏系统的冷却水装置通过以下方式实现：在厂内冷却循环水槽内设置旁路，冷却循环水水温为30℃左右，通过管道由冷却循环水泵提升至冷却水室内，利用换热板将水蒸气的热量转移到冷却水中，进行降温冷凝，升温后的冷却水则通过冷却水回流管道送回至冷却循环水槽内，进行循环。

40.如果冷却循环水槽内的水温过高，影响真空膜蒸馏系统的运行效率，可设置一座小型冷却塔，对冷却循环水进一步降温。

41.浓盐水槽内的浓盐水，通过管道由浓盐水泵提升至强制循环蒸发结晶器内，强制循环蒸发结晶器由厂区废蒸汽提供热源，产生的冷凝水回用到生产系统，溶液中析出形成的固体颗粒沉淀后外送。