CN110040804A - 一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法 - Google Patents

一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，得到污水余热，并将污水余热通过输送管道输送至膜蒸馏装置中，用于对膜蒸馏装置中装填的原料液进行加热，膜蒸馏装置中设置有膜蒸馏膜，通过膜蒸馏膜对原料液进行膜蒸馏处理，膜蒸馏膜装置中位于膜蒸馏膜的一侧为原料液区域，且膜蒸馏膜装置中位于膜蒸馏膜的另一侧为蒸馏液区域，原料液区域中的原料液经污水余热加热到一定温度后，膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。本发明能有效地利用污水中提取的热源，同时还能有效降低膜蒸馏过程的能耗。

Description

一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理领域，尤其涉及一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法。
背景技术
水处理技术的发展过程中，膜分离技术发挥着日益重要的作用。膜蒸馏(MembraneDistillation，MD)是以温度为驱动力的一种膜分离技术，膜蒸馏过程易于进行，因为对设备性能要求不高、耐高盐浓度，水质非常干净，而且操作条件很容易满足，因此，在水处理领域表现出巨大应用潜力。其操作温度远远低于传统蒸发，无需加热到沸点，只需在膜两侧维持一定的温差即可进行。正渗透(Forward Osmosis,FO)是一种由溶液渗透压差作为驱动力自发进行的膜分离工艺。FO具有低能耗、低污染、高回收等特点，其运用范围非常广泛，如海水脱盐、发电、工业废水处理、食品工业、航天工业、制药工业等，还凭借抗污染、低能耗的特点不断向传统的生产工艺中渗透，容易与其它技术相互融合，形成创新的工艺技术。然而，现有技术中常用的可再生能源(地热、太阳能等)驱动和工业余热驱动，仍存在耗能过高的问题；同时在膜蒸馏过程中，膜易被湿润污染，严重影响了膜蒸馏的出水效果，所以出现了“正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)”(FO-MD)的耦合技术。
FO-MD耦合技术中,经过FO过程被稀释的汲取液直接进入MD系统的热侧循环重新被浓缩,其余步骤与各工艺单独运行相同。前置FO单元可降低MD表面膜垢现象，后端MD过程能够实现FO汲取液的高效回收,此耦合技术对生活污水中大部分污染物具有较好的截留性能,去除率均达90％以上。然而，膜蒸馏技术面临的瓶颈为温度驱动所需要的热量消耗；因此，研发人员尝试采用可再生能源驱动膜蒸馏，如地热、太阳能和工厂废热等。
目前，人们已深刻认识到城市污水中所赋存的热能是一种可回收和利用的清洁能源，弃之为废，用之为宝。在对城市污水进行处理的同时，利用其中的热能，将是城市污水资源化的一种理想的先进技术。城市污水热能的回收与利用是以利用热泵回收低位能源为理论基础，特别是近年来热泵技术的日趋成熟和快速发展，为在实际工程中推广和应用城市污水热能回收与利用提供了可靠的技术保证。然而，尽管污水余温含有比有机物化学能高近10倍的热能，但污水余热属于低品位热源(40～85℃)，难以直接用于建筑供热、发电等生活、生产过程；且热量有效输送半径仅为3～5km，这决定了污水源热泵技术有限的应用距离，只能利用于污水处理厂内或周边设施。由于这些因素限制了污水低品位热源的利用，目前污水低品位源大多是转换为高品位热源后用于供热、制冷等目的。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，通过将污水资源(污水低品位热源)回收与现有膜蒸馏技术有效结合在一起，不但能有效地利用污水中提取的热源，还能有效降低膜蒸馏过程的能耗。
本发明的技术方案是这样的：
一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，得到污水余热，并将污水余热通过输送管道输送至膜蒸馏装置中，用于对膜蒸馏装置中装填的原料液进行加热，所述膜蒸馏装置中设置有膜蒸馏膜，通过所述膜蒸馏膜对所述原料液进行膜蒸馏处理，所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的一侧为原料液区域，且所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的另一侧为蒸馏液区域，原料液区域中的原料液经污水余热加热到一定温度后，所述膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
所述污水余热的温度为40～85℃，且所述污水余热通过输送管道输送至所述膜蒸馏装置中的原料液区域中。
将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，在得到污水余热后，还可将所述污水余热通过输送管道输送至汲取液储存装置中，所述汲取液储存装置中装填有汲取液，原料液储存装置中的原料液经正渗透处理装置中的正渗透膜过滤处理后流入所述汲取液储存装置中，以将汲取液储存装置中的汲取液的浓度稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏装置进行膜蒸馏过程的原料液，再通过污水源热泵热交换得到的污水余热进行升温，使膜蒸馏装置中的膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
所述汲取液为NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液中的任意一种。
所述原料液为海水、污水处理厂二级出水、工业废水或污泥消解液中的任意一种。
所述膜蒸馏包括直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空式膜蒸馏或气扫式膜蒸馏中的任意一种或多种。
所述膜蒸馏装置通过回流管道与所述汲取液储存装置相连接，且所述汲取液储存装置通过回流管道与所述正渗透处理装置相连接。
还包括蒸馏液储存装置，所述膜蒸馏装置进行膜蒸馏产生的蒸馏液通过输液管道进入所述蒸馏液储存装置中，并经冷凝后产生冷却水，且所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
所述正渗透处理装置通过回流管道与所述原料液储存装置相连接。
所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明实施例提供的一种污水低品位热源用于膜蒸馏的方法，其通过将污水资源(污水低品位热源)回收与现有膜蒸馏技术有效结合在一起；一方面，此方法能有效地利用污水中提取的热源；另一方面，能有效降低膜蒸馏过程的能耗，达到双赢的效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于膜蒸馏且以直接接触式为例的流程示意图。
图2为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于正渗透和膜蒸馏的流程示意图。
图3为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于膜蒸馏进行海水淡化的流程示意图。
图4为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于正渗透和膜蒸馏进行再生水生产的流程示意图。
图5为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于正渗透和膜蒸馏进行有机废水处理的流程示意图。
图6为本发明实施例提供的污水中低品位热源用于正渗透和膜蒸馏进行污泥消解液处理的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
目前，膜蒸馏技术所能利用的热能，存在能耗过高问题；同时，资源回收中污水中低品位热源无合适去向，而这部分热量恰好适用于膜蒸馏过程。本发明专利提供了一种双赢模式，即本发明实施例提供的一种污水低品位热源用于膜蒸馏的方法。
本发明实施例提供一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，将污水和/或废水储存装置300中的污水和/或废水通过污水源热泵200进行热交换，得到污水余热，并将污水余热通过输送管道输送至膜蒸馏装置100中，用于对膜蒸馏装置100中装填的原料液进行加热，所述膜蒸馏装置100中设置有膜蒸馏膜(MD膜)101，通过所述膜蒸馏膜101对所述原料液进行膜蒸馏处理，所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的一侧为原料液区域，且所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的另一侧为蒸馏液区域，原料液区域中的原料液经污水余热加热到一定温度后，所述膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
所述污水余热的温度为40～85℃，且所述污水余热通过输送管道输送至所述膜蒸馏装置中的原料液区域中。
将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，在得到污水余热后，还可将所述污水余热通过输送管道输送至汲取液储存装置600中，所述汲取液储存装置600中装填有汲取液，原料液储存装置400中的原料液经正渗透处理装置500中的正渗透膜501过滤处理后流入所述汲取液储存装置600中，以将汲取液储存装置中的汲取液的浓度稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏装置进行膜蒸馏过程的原料液，再通过污水源热泵热交换得到的污水余热进行升温，使膜蒸馏装置中的膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
所述汲取液为NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液中的任意一种。
所述原料液为海水、污水处理厂二级出水、工业废水或污泥消解液中的任意一种。
所述膜蒸馏包括直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空式膜蒸馏或气扫式膜蒸馏中的任意一种或多种。
所述膜蒸馏装置通过回流管道与所述汲取液储存装置相连接，且所述汲取液储存装置通过回流管道与所述正渗透处理装置相连接。
还包括蒸馏液储存装置700，所述膜蒸馏装置进行膜蒸馏产生的蒸馏液通过输液管道进入所述蒸馏液储存装置中，并经冷凝后产生冷却水，且所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
所述正渗透处理装置通过回流管道与所述原料液储存装置相连接。
所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
如图1所示，以直接接触时为例，污水/废水通过污水源热泵进行热交换，得到污水余热，其温度大约为40～85℃(低品位热源)；利用此余热对膜蒸馏(MD)的热侧进行加热达到一定温度，使MD膜两侧形成温度差，驱动水蒸气透过MD膜进入蒸馏液一侧，冷凝后得到淡化水(冷却水)以及降温后的馏出液(浓缩液)；此过程中，蒸馏液可循环利用。
如图2所示，在渗透压差的作用下，原料液中的水分子通过正渗透(FO)膜进入汲取液，将汲取液稀释；稀释后的汲取液作为后端膜蒸馏(MD)过程的原料液，利用污水源热泵热交换得到的污水余热进行升温，使膜蒸馏膜两侧形成温度差，驱动水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液一侧，冷凝后得到淡化水以及降温后的馏出液；此过程中，汲取液先稀释后浓缩，浓度可保持稳定，可循环利用，实现了正渗透汲取液的再生；蒸馏液亦可循环利用。
实施例1：污水低品位热源用于膜蒸馏(MD)进行海水淡化
淡水资源短缺成为当今社会一大问题，海水淡化无疑是淡水来源的途径之一。近年来迅速发展起来的蒸馏法与膜法相结合的膜蒸馏技术在海水淡化的应用中获得了成功，有望成为一种廉价、高效制取淡水的新方法。特别是，针对临海而建的污水处理厂，本发明方法能够得到最大限度的原位利用，解决低品位热源不能长距离输送利用的弊端。如图3所示，海水作为膜蒸馏过程的原料液，利用污水源泵提取出的污水余热(低品位热源)进行加温，MD膜热侧的水蒸气在MD膜两侧温差的驱动下，通过MD膜后在冷侧进行冷凝，得到淡化水和降温后的馏出液，馏出液可循环利用。相同地，采用如图2所示，亦可将海水看作为原料液，利用正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)耦合技术实现海水淡化。
实施例2：污水低品位热源用于正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)再生水生产
全球水资源紧缺，从污水中获得再生水亦是水资源开源的重要补充。从经济的角度看，再生水的成本最低；从环保的角度看，污水再生利用有助于改善生态环境实现水生态的良性循环；污水深度处理可实现再生水的生产。如图4所示，污水厂二级出水作为正渗透过程的原料液，在渗透压差的作用下，水分子透过正渗透膜进入汲取液将其稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏过程的原料液，利用污水源泵提取出的污水余热(低品位热源)的进行加温，膜蒸馏膜热侧的水蒸气膜两侧温差的驱动下，通过膜蒸馏膜后在冷侧进行冷凝，得到再生水。此过程中，汲取液常用的有NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液等；馏出液可循环利用；同时实现了前端正渗透过程汲取液的浓缩、回收、再生。特别地，若海水作汲取液，此过程能同时实现污水水质的净化和海水淡化。
实施例3：污水低品位热源用于正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)处理有机废水
工业废水占污水量的70％以上，而工业废水又以高浓度有机废水为主。高浓度有机废水对环境水体污染程度大，处理难度高。单独的膜蒸馏可以处理有机废水，但面临严重的膜污染问题，前端耦合正渗透能有效改善。如图5所示，有机废水作为正渗透过程的原料液，在渗透压差的作用下，水分子透过正渗透膜进入汲取液将其稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏过程的原料液，利用污水源泵提取出的污水余热(低品位热源)的进行加温，膜蒸馏膜热侧的水蒸气膜两侧温差的驱动下，通过膜蒸馏膜后在冷侧进行冷凝，得到纯化水。此过程中，汲取液常用的有NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液等；馏出液可循环利用；同时实现了前端正渗透过程汲取液的浓缩、回收、再生。
实施例4：污水低品位热源用于正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)处理污泥消解液污水处理厂的污泥经好氧或厌氧消化后产生的消解液含有浓度非常高的有机污染物，其中氨氮、凯氏氮、磷酸盐和生化需氧量(BOD5)可分别达到1100、1300、200和2000mg/L，同时还含有相当高的溶解性总固体和悬浮固体。一般污水厂均将消解液与进水混合后进入工艺单元处理，这将导致污水厂进水氮、磷负荷的大幅升高，增大处理成本。正渗透工艺能有效截留氮、磷等有机污染物，但面临汲取液的回收问题，于是后端可添加膜蒸馏过程，实现汲取液回收。如图6所示，污泥消解液作为正渗透过程的原料液，在渗透压差的作用下，水分透过正渗透膜进入汲取液将其稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏过程的原料液，利用污水源泵提取出的污水余热(低品位热源)进行加温，膜蒸馏膜热侧的水蒸气在膜两侧温差的驱动下，通过膜蒸馏膜后在冷侧进行冷凝，得到纯化水。此过程中，汲取液常用的有NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液等。馏出液可循环利用，同时实现了前端正渗透过程汲取液的回收。
需要说明的是：
(1)本发明实施例的内容不仅适用于正渗透(FO)+膜蒸馏(MD)或膜蒸馏(MD)，也适用于一切涉及膜蒸馏(MD)技术的其他耦合技术；
(2)污水中低品位热源的利用，适用于各个方式膜蒸馏，包括直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏；
(3)采用的污水中低品位热源来源不仅局限于市政污水，其他工业废水、废热亦属于被专利保护内容；
(4)本发明实施例并不局限于所举例子，其他原理相同的过程亦属于保护范围。
本发明实施例提供的一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其具有的突出优势如下：
(1)实现污水资源的回收利用与现有技术改造的双赢。现有技术中，膜蒸馏(MD)可利用的低品位热源并未涉及污水余热；目前利用污水源热泵已经可回收污水中低品位热源，但受温度和距离等因素限制，污水中低品位热源无更好去向。本专利可使污水低品位热源变废为宝，同时降低已有技术的能耗，可谓一举两得。
(2)膜蒸馏首先应考虑能源问题，解决的办法是，在系统设计上考虑热能的回收，目前常用可再生能源驱动膜蒸馏，如地热、太阳能和工厂废热等。本专利提供了一种新的为膜蒸馏提供热能的方法，即污水低品位热源，能有效降低膜蒸馏过程能耗。
(3)污水低品位热源应用的距离范围有限，若用于膜蒸馏加热侧，可实现污水低品位热源的原位利用，无需先将其转化为高品位热源再利用。
本发明实施例的内容主要涉及正渗透技术、膜蒸馏技术、正渗透与膜蒸馏耦合技术、污水中低品位热源的存在及利用等。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于：将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，得到污水余热，并将污水余热通过输送管道输送至膜蒸馏装置中，用于对膜蒸馏装置中装填的原料液进行加热，所述膜蒸馏装置中设置有膜蒸馏膜，通过所述膜蒸馏膜对所述原料液进行膜蒸馏处理，所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的一侧为原料液区域，且所述膜蒸馏膜装置中位于所述膜蒸馏膜的另一侧为蒸馏液区域，原料液区域中的原料液经污水余热加热到一定温度后，所述膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
2.根据权利要求1所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述污水余热的温度为40～85℃，且所述污水余热通过输送管道输送至所述膜蒸馏装置中的原料液区域中。
3.根据权利要求1所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，将污水和/或废水通过污水源热泵进行热交换，在得到污水余热后，还可将所述污水余热通过输送管道输送至汲取液储存装置中，所述汲取液储存装置中装填有汲取液，原料液储存装置中的原料液经正渗透处理装置中的正渗透膜过滤处理后流入所述汲取液储存装置中，以将汲取液储存装置中的汲取液的浓度稀释，稀释后的汲取液作为膜蒸馏装置进行膜蒸馏过程的原料液，再通过污水源热泵热交换得到的污水余热进行升温，使膜蒸馏装置中的膜蒸馏膜的两侧形成温度差，驱动原料液区域中形成的水蒸气透过膜蒸馏膜进入蒸馏液区域，冷凝后形成淡化水以及降温后的蒸馏液。
4.根据权利要求3所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述汲取液为NaCl溶液、NH4HCO3溶液、NH4Cl溶液、MgCl2溶液、NaHCO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、KCl溶液、KHCO3溶液或(NH4)2SO4溶液中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述原料液为海水、污水处理厂二级出水、工业废水或污泥消解液中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述膜蒸馏包括直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空式膜蒸馏或气扫式膜蒸馏中的任意一种或多种。
7.根据权利要求3所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述膜蒸馏装置通过回流管道与所述汲取液储存装置相连接，且所述汲取液储存装置通过回流管道与所述正渗透处理装置相连接。
8.根据权利要求3所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，还包括蒸馏液储存装置，所述膜蒸馏装置进行膜蒸馏产生的蒸馏液通过输液管道进入所述蒸馏液储存装置中，并经冷凝后产生冷却水，且所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
9.根据权利要求7所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述正渗透处理装置通过回流管道与所述原料液储存装置相连接。
10.根据权利要求8所述的污水中低品位热源用于膜蒸馏的方法，其特征在于，所述蒸馏液储存装置通过回流管道与所述膜蒸馏装置相连接。
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