CN111661900B

CN111661900B - 一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法

Info

Publication number: CN111661900B
Application number: CN202010495165.6A
Authority: CN
Inventors: 邱宗炼; 陈俊祥; 林科堡; 曾志群
Original assignee: Xiamen Jiarong Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Jiarong Technology Co Ltd
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2040-06-03
Also published as: CN111661900A

Abstract

本发明公开了一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法，包括反渗透膜装置，用于在进水端接收高盐废水并过滤出第一反渗透产水和第一反渗透浓水；逆流反渗透膜装置，用于接收第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，并将第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端，以降低逆流反渗透膜装置内反渗透膜两侧的渗透压差。该用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统和方法，突破了常规反渗透膜工艺的局限，能够在较低的压力下对浓盐水进一步提浓，可浓缩至接近饱和的程度，有效减少浓水体积，降低后续的处理成本，显著提升反渗透膜的浓缩效果和运行稳定性。

Description

一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法

技术领域

本发明属于高盐废水处理领域，具体涉及一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法。

背景技术

在海水淡化和某些工业生产过程中往往会产生大量的、含盐量高的废水，高含盐废水指的是总含盐量(以氯化钠计)超过3.5％的废水，其含有大量的Na⁺、C1^-、S0₄ ^2-等离子以及一些难以降解的有机物。未经处理直接排放，一方面，会造成土壤或者水体系统中生物、植物因脱水而死亡；另一方面，可能使得水体发生富营养化；此外，类似氯化钠等盐分经常是工业生产的原料，直接排放也会造成资源的浪费。因此，如何在对盐分有效回收的前提下，对高含盐废水进行合适的处理逐渐成为了工业生产过程中不可避免的问题。

目前，根据国内外的研究报道，处理高含盐废水的技术分别有生物法、膜法、蒸发法和离子交换法。其中，由于盐分会对微生物的正常新陈代谢功能会产生明显的抑制作用，往往需要对高盐废水稀释或进行其他预处理，这使得生物法处理含盐废水时的成本及占地面积大大提高。因此，目前更多地是应用物理化学技术对高含盐废水进行处理，主流的处理技术有膜处理技术、电化学技术、蒸发技术等。电化学技术处理含盐废水，不仅可以去除废水中的有机污染物，同时还能脱除废水中的盐分。采用铁碳微电解法进行处理高含盐有机废水的研究的结果表明，处理之后盐分和COD最佳的去除效果分别可以达到47％和57.6％，废水可生化性也能得到显著提升。虽然电化学对于高盐废水COD的去除效果良好，但该类方法普遍处理成本较高，难以在工业上进行推广。蒸发技术是通过加热的方式使得溶剂以及沸点较低的溶质汽化，在这个过程中绝大部分溶质被保留到蒸发容器中得以浓缩，经过蒸发之后的废水体积能够显著减小从而实现废水的近零排放。目前应用比较广泛的加热蒸发技术有多级闪蒸技术、低温多效蒸馏技术、真空低温蒸发和机械式蒸汽再压缩(MechanicalVapor Recompression，简称MVR)技术。采用低温蒸发器对高盐废水进行处理的结果表明，废水的TDS和CODCr去除率可高达99.9％和99.8％。通过连续运行设备最终得到了废水中的重结晶盐,含水率为15.6％。虽然蒸发器对溶质的去除效果显著，但是其吨水耗电量及设备成本相对其它方法更高。因此通常与膜分离技术结合在一起使用，通过膜分离减少处理量从而降低成本。

关于高盐废水零排放处理工艺，目前国内更多地以耦合工艺为主而不是单一工艺，并且其中以膜技术+蒸发耦合工艺为主。该工艺实现的关键在于如何减少蒸发进水量，通过膜技术确实能够有效对废水进行提浓从而降低蒸发进水量，但是高盐废水的渗透压较高，反渗透膜技术的应用需要克服渗透压的影响才能进行浓缩，往往只能将含盐量提浓到10％左右便难以继续提浓，如何克服这个缺点对废水进一步提浓、降低后续处理成本及占地，将逐渐成为一个严峻的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法，以解决废水体积大，提浓到10％左右便难以继续提浓，从而影响蒸发进水量等问题。

根据本发明的一方面，本申请的实施例提出了一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统，包括：

反渗透膜装置，用于在进水端接收高盐废水并过滤出第一反渗透产水和第一反渗透浓水；

逆流反渗透膜装置，用于接收第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，并将第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端，以降低逆流反渗透膜装置内反渗透膜两侧的渗透压差。

在该方法中，利用逆流反渗透膜装置的第二反渗透浓水部分回流至逆流反渗透膜装置的产水端，回流的部分第二反渗透浓水和逆流反渗透装置的产水端的产水混合形成一股浓度较低的盐水，且这股浓度较低的盐水与初始高盐废水混合后通过反渗透膜装置进水端进入反渗透膜装置进行浓缩，使得整个系统的最终产水只有第一反渗透产水。突破了常规反渗透膜工艺的局限，实现在较低的压力下对浓盐水进一步提浓，可浓缩至接近饱和的程度，有效减少浓水体积，降低后续的处理成本。

进一步地，逆流反渗透膜装置包括至少两组膜组件且相邻膜组件的浓水端与进水端依次连接，相邻膜组件之间产水端依次连接。利用膜组件之间的浓水端与进水端依次连接，实现对第一反渗透浓水的进一步提浓操作，利用膜组件之间的产水端依次串联，便于第二反渗透浓水依次通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端。

进一步地，逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与反渗透膜装置的进水端连接。凭借该结构，便于第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端。

进一步地，逆流反渗透膜装置的浓水端与末端膜组件的产水端连接。凭借该连接关系，使得第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的膜组件产水端进行回流工艺。

进一步地，系统还包括设置在反渗透膜装置前端的预处理装置，用于对将要进入反渗透膜装置的高盐废水进行预处理。预处理装置用于去除高盐浓水中的硬度、颗粒物、悬浮物、COD、氨氮、重金属离子，使其满足反渗透膜装置的进水要求。

更进一步地，预处理装置包括依次连接的超滤组件和纳滤组件。超滤组件有效去除高盐废水中的悬浮物及胶体，纳滤组件处理去除高盐废水中的硬度和溶解性有机物。

更进一步地，膜组件为中空纤维结构且两端由环氧树脂浇注密封。凭借该结构，将膜组件中浓缩端和产水端的水流分开，实现第二反渗透浓水的回流工艺。

更进一步地，末端膜组件的浓水端和产水端相互垂直分布，末端膜组件的浓水端和回流端平行设置。凭借该结构的设置，使得浓水端与产水端分开且浓水端与回流端处于同一流动平面，便于第二反渗透浓水的回流。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提出一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的方法，利用以上用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统对高盐废水进行高倍浓缩，包括以下步骤：

S1：利用反渗透膜装置接收高盐废水并过滤出第一反渗透产水和第一反渗透浓水；

S2：利用逆流反渗透膜装置接收第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，并将第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端，以降低逆流反渗透膜装置内反渗透膜两侧的渗透压差。

进一步地，逆流反渗透膜装置包括至少两组膜组件且相邻膜组件之间的浓水端和进水端依次连接，相邻膜组件之间的产水端依次连接。利用膜组件之间的浓水端与进水端依次连接，实现对第一反渗透浓水的进一步提浓操作，利用膜组件之间的产水端依次串联，便于第二反渗透浓水依次通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端。

进一步地，逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与反渗透膜装置的进水端连接。便于第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置的进水端。

本申请的实施例通过超滤+纳滤+常规反渗透+辅助逆流反渗透膜浓缩耦合工艺，首先高盐废水先通过超滤组件去除悬浮物及胶体，将超滤产水进行纳滤处理去除硬度和溶解性有机物，再将纳滤的产水进入常规反渗透膜装置进行初步浓缩，最后浓缩后的浓水进入辅助逆流反渗透膜装置进一步提浓。现有常规的反渗透膜往往只能将浓水含盐量浓缩至10％左右便难以继续浓缩，而本申请突破了常规反渗透膜工艺的局限，能够在较低的压力下对浓盐水进一步提浓，可浓缩至接近饱和的程度，有效减少浓水体积，降低后续的处理成本。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是本发明的一个实施例的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统的框架图；

图2是本发明的一个实施例的反渗透原理图；

图3是本发明的一个实施例的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例的逆流反渗透膜装置的膜组件结构示意图；

图5是本发明的一个实施例的逆流反渗透膜装置的膜组件断面示意图；

图6是本发明的一个实施例的用于高盐废水的低压高倍浓缩的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1示出了根据本发明一个具体的实施例的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统的框架图。如图1所示，该系统包括反渗透膜装置10和逆流反渗透膜装置25，反渗透膜装置10用于在进水端接收高盐废水并过滤出第一反渗透产水和第一反渗透浓水，逆流反渗透膜装置25用于接收第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，并将第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置25的产水端回流至反渗透膜装置10的进水端，以降低和逆流反渗透膜装置25内反渗透膜两侧的渗透压差。反渗透膜装置10的浓水出水端与逆流反渗透膜装置25的进水端连接，逆流反渗透膜装置25的浓水出水端设置两个开口，一个用于将第二反渗透浓水排出，另一个开口用于将部分第二反渗透浓水通过逆流反渗透膜装置25的产水端回流至反渗透膜装置10的进水端，用于调节逆流反渗透膜装置25中的反渗透膜两侧的渗透压差。

继续参考图2，图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的反渗透原理图，如图2所示，反渗透膜实际是选择性半透膜4，膜对水分子的扩散系数远远比其他溶质高。如图2所示，在不施加外部压力5的前提下，水分子3从低渗透压侧2转移到高渗透压侧1，当两侧渗透压差越大时，其渗透速率越大。而反渗透过程则是在高渗透压侧1施加一个比膜两侧渗透压差更大的外部压力5使水分子3从高渗透压侧1转移到低渗透压侧2，从而实现水与溶质的分离。

高盐废水的渗透压较高，不同浓度盐水(以氯化钠计)的渗透压如表1所示。

表1：

由表可知，当废水含盐量达到100g/L时，其相应渗透压达到了86.8bar。如需对其进行浓缩，排除浓差极化以及膜本身阻力的影响，应在料液侧需要施加一股大于86.8bar的压力才能有水透过来。此外，即使通过高压力的操作条件使得废水得以浓缩，但可能会造成膜的压实现象从而导致后续膜通量衰减。因此，克服高盐废水的高渗透压的问题，可显著提升反渗透膜的浓缩效果和运行稳定性。

膜技术由于其高效的截留性能被广泛地应用在工业废水零排放中，膜处理之后的产水水质往往可以达标排放，并且经过浓缩之后废水体积得到浓缩可以有效降低后续的处理量。目前，针对于高含盐废水，主流的膜处理技术有反渗透、纳滤和电渗析等。其中电渗析具有能耗及药耗低的特点，但是该技术对进水要求的水质比反渗透和纳滤更高，并且脱盐率也不如反渗透膜。纳滤技术主要用于去除有机物和硬度，对单价离子的截留效果不佳，因此通常与反渗透膜技术联用。采用微滤+超滤+纳滤法进行含盐废水的处理研究，结果表明，废水脱盐率可达70％以上，COD的去除率达80％以上。反渗透膜技术对水质水量的波动适应性更好，并且对于Na⁺、Cl^-等单价离子皆具有良好截留效果，能够更好地对其进行回收。采用“化学软化+反渗透+离子交换”为主的工艺，运行结果表明，双级反渗透系统在进水电导率为50 000～65 000μS/cm条件下，浓水和产水电导率分别可以达到100 000μS/cm和200μS/cm，各指标达到系统要求，系统运行稳定。然而，目前针对高盐废水，常规的反渗透膜浓缩工艺为了克服废水的高渗透压，往往得采取高压(120bar)甚至超高压(160bar)的操作方式才能进行有效浓缩，而过高的压力会导致膜的压实现象从而影响膜的性能和寿命。此外针对超高盐废水(含盐量>100g/L)，即使是超高压反渗透膜技术也难以对其进行有效浓缩。因此，本申请旨在相对较低的压力下，实现对高盐甚至超高盐废水的高效浓缩。继续参考图3，图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统的结构示意图，该系统包括依次相连的超滤组件6、纳滤组件8、反渗透膜装置10和逆流反渗透膜装置25，通过将常规反渗透+辅助逆流反渗透膜浓缩耦合工艺。首先高盐废水先通过超滤组件6去除悬浮物及胶体，获得超滤产水7，然后将超滤产水7进行纳滤组件8处理去除硬度和溶解性有机物，获得纳滤产水9，将纳滤产水9进入常规反渗透膜装置10进行初步浓缩，获得第一反渗透浓水11，将第一反渗透浓水11进入逆流反渗透膜装置25进一步提浓。反渗透膜浓缩过程需要在料液侧施加一股比膜两侧渗透压差更大的压力才能达到产水的目的。由于高盐废水含盐量高导致膜两侧渗透压较大，因此对高盐废水进行膜浓缩时往往需要提供一个高压甚至超高的压力。经本申请人多年的实践经验，逆向利用膜浓缩需要高压甚至超高压力的特点从而突破常规反渗透膜浓缩的局限实现对高盐废水的低压高倍浓缩的效果。

首先，跟常规反渗透膜浓缩工艺一致，在料液侧施加一股70bar的压力进行过滤浓缩。然后，料液首先经过逆流反渗透膜装置25的首段膜组件的浓缩端12，浓缩之后的浓水13依次进入后面各段膜组件的浓缩端14、15继续浓缩。将末段膜组件的浓水16分出一股17回流至逆流反渗透膜装置25膜组件产水端18，降低膜两侧的渗透压差。回流的浓水会被膜产水稀释依次继续进入到前一支膜的产水端20、22。最后稀释后的混合水23回到前端常规反渗透膜装置10进行过滤。在整个工艺的最终产水只有常规反渗透膜装置的产水24，逆流反渗透膜装置25的最终产水23回流至前端与纳滤产水9混合最终进入常规反渗透膜装置10的进水端进行分离浓缩。优选地，在逆流反渗透膜装置25中仅画出3段膜组件结构，可联想的，膜组件的组数至少大于两组，具体组数可根据工艺需要进行串联设置，以便满足不同浓度的高盐废水工艺要求。

在一些具体的实施例中，继续参考图4和图5，图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的逆流反渗透膜装置的膜组件结构示意图，图5示出了根据本发明的一个具体的实施例的逆流反渗透膜装置的膜组件断面示意图。如图4和5所示，逆流反渗透膜装置的具体结构包括至少两组膜组件且相邻膜组件的浓水端与进水端依次连接，相邻膜组件之间产水端依次连接，逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与反渗透膜装置的进水端连接，逆流反渗透膜装置的浓水端与末端膜组件的产水端连接，末端膜组件的浓水端和产水端相互垂直分布，末端膜组件的浓水端和回流端平行设置，且膜组件为中空纤维形式，浓缩过程如下：料液从中心进料管30的入口侧26，然后料液从中心管向四周流动最后浓缩液从浓缩端出口28流出。此外，膜组件两端通过环氧树脂32浇注密封从而将浓缩端和产水端水流分开。回流的浓水从产水端入口29进入，之后会流进膜丝管道31，经过稀释后从产水端出口27流出。

另外，如图6所示，根据本发明的一个实施例中的用于高盐废水的低压高倍浓缩的方法的流程图，包括以下步骤：

在该方法中，将回流的部分第二反渗透浓水和逆流反渗透装置的产水端的产水混合形成一股浓度较低的盐水，且这股浓度较低的盐水与初始高盐废水混合进入到反渗透膜装置进行浓缩，可以降低逆流渗透膜装置的反渗透膜两侧的渗透压差，实现整个系统的最终产水只有第一反渗透产水。常规的反渗透膜往往只能将浓水含盐量浓缩至10％左右便难以继续浓缩，而本发明突破了常规反渗透膜工艺的局限，能够在较低的压力下对浓盐水进一步提浓，可浓缩至接近饱和的程度，有效减少浓水体积，降低后续的处理成本。

在一些具体的实施例中，将最后一段的第二反渗透浓水回流至逆流反渗透膜装置产水端为了降低反渗透膜两侧的渗透压差，本申请中只提到第二反渗透浓水回流，但具体不限于第二反渗透浓水的回流，也可以自行配置特定浓度的高盐水利用离心泵打入产水端来实现相同效果。配置高盐水加强浓缩效果的步骤如下：根据需要的浓缩效果，配置与最终浓水浓度一致的高盐水。比如，假定需要将料液含盐量浓缩至20％，则配置20％浓度的氯化钠溶液，通过离心泵将其溶液泵入产水端入口进行辅助浓缩，所需的氯化钠溶液量大概为最终浓水量的十分之一左右。

在一些具体的实施例中，S1步骤前还包括将高盐浓水流入预处理装置，用于对将要进入反渗透膜装置的高盐浓水进行预处理。高盐废水先通过超滤组件去除悬浮物及胶体，然后超滤产水进行纳滤组件处理去除硬度和溶解性有机物，使得高盐浓水中的SS、COD、氨氮、重金属离子含量应满足常规反渗透系统的进水要求。

在一些具体的实施例中，逆流反渗透膜装置包括至少两组膜组件且相邻膜组件之间的浓水端和进水端依次连接，浓水端依次相连实现对第一反渗透浓水进一步提浓，相邻膜组件之间的产水端依次连接，令后续第二反渗透浓水通过膜组件的产水端依次回流，逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与反渗透膜装置的进水端连接。将回流的至产水端的第二反渗透浓液与第二反渗透产水混合后的料液重新注入反渗透膜装置的进水端，逆流反渗透膜装置的浓水端与末端膜组件的产水端连接，使得第二反渗透浓水通过末端膜组件作为进水端进行回流工艺。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统，其特征在于，包括：

所述系统包括设置在反渗透膜装置前端的预处理装置，用于对将要进入所述反渗透膜装置的高盐废水进行预处理；

所述反渗透膜装置，用于在进水端接收所述预处理后的所述高盐废水并过滤出第一反渗透产水和第一反渗透浓水；

逆流反渗透膜装置，用于接收所述第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，所述逆流反渗透膜装置包括至少两组膜组件且相邻所述膜组件的浓水端与进水端依次连接，相邻所述膜组件之间产水端依次连接，并将所述第二反渗透浓水通过所述逆流反渗透膜装置的产水端回流至所述反渗透膜装置的进水端，以降低所述逆流反渗透膜装置内反渗透膜两侧的渗透压差，所述逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与所述反渗透膜装置的进水端连接，所述逆流反渗透膜装置的浓水端与末端膜组件的产水端连接。

2.根据权利要求1所述的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统，其特征在于，所述预处理装置包括依次连接的超滤组件和纳滤组件。

3.根据权利要求1所述的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统，其特征在于，所述膜组件为中空纤维结构且两端由环氧树脂浇注密封。

4.根据权利要求1所述的用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统，其特征在于，所述末端膜组件的浓水端和产水端相互垂直分布，所述末端膜组件的浓水端和回流端平行设置。

5.一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的方法，其特征在于，利用权利要求1-4中任一项所述用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统对所述高盐废水进行高倍浓缩，包括以下步骤：

S1：利用所述预处理装置对所述高盐废水进行预处理；

S2：利用所述反渗透膜装置接收所述预处理后的所述高盐废水并过滤出所述第一反渗透产水和所述第一反渗透浓水；

S3：利用所述逆流反渗透膜装置接收所述第一反渗透浓水进行提浓处理，以产生第二反渗透浓水和第二反渗透产水，所述逆流反渗透膜装置包括至少两组膜组件且相邻所述膜组件之间的浓水端和进水端依次连接，相邻所述膜组件之间的产水端依次连接，并将所述第二反渗透浓水通过所述逆流反渗透膜装置的产水端回流至所述反渗透膜装置的进水端，以降低所述逆流反渗透膜装置内反渗透膜两侧的渗透压差，所述逆流反渗透膜装置的首端膜组件的产水端与所述反渗透膜装置的进水端连接，所述逆流反渗透膜装置的浓水端与末端膜组件的产水端连接。