CN112079466A - 一种全膜法海水淡化处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种全膜法海水淡化处理方系统，包括工序依次衔接的一级平板式荷负电纳滤单元、二级荷正电卷式纳滤单元、高压卷式反渗透膜单元，本发明同时公开了利用该系统处理海水的方法。本发明创造性地将平板式纳滤与反渗透耦合应用于海水淡化处理过程，由于CDNF特殊的膜元件结构形式，其耐污堵性能优于常规纳滤，可以省去预处理过程，同时创造性地使用了荷负电平板纳滤膜、荷正电卷式纳滤膜、高压卷式反渗透膜耦合工艺，可以对海水中的盐资源进行有效的分离，极大降低了后续盐综合利用难度和处理成本。

Description

一种全膜法海水淡化处理系统及方法

技术领域

本发明属于水处理领域，尤其涉及一种全膜法海水淡化处理系统及方法。

背景技术

海水淡化是解决沿海水资源短缺的有效方法。目前，从大的分类看，海水淡化所用方法为蒸馏法和膜法。反渗透膜法具有投资低、占地面积小、能耗低等优势逐渐取代蒸馏法成为目前主流的海水淡化技术。但反渗透膜法处理海水过程中，由于反渗透膜面结垢问题导致海水淡化回收率低，需要在原水中加入大量的阻垢剂，整体运行成本仍偏高，且浓水成分复杂，不利于后续浓盐水的综合利用。相比于反渗透，纳滤所需的驱动压力低，而且纳滤膜对二价或高价离子具有很好的截留效果，因此，可将纳滤与反渗透耦合应用于海水淡化。

CN 104817134 A公布了一种采用超滤-纳滤-反渗透的全膜法海水淡化的集成系统以及集成工艺，该系统包括依次连接的超滤系统、三段式纳滤系统以及反渗透系统。三段式纳滤系统，其中第一段纳滤膜组件和第二段纳滤膜组件作为反渗透的预处理，第三段纳滤膜组件对前两段纳滤的浓水进一步处理，以提高海水回收率并降低第一段纳滤膜组件和第二段纳滤膜组件的纳滤膜面的结垢趋势，进而降低海水淡化成本，同时降低第三段纳滤膜组件处理高盐度浓水时存在的结垢趋势。该专利目的在于利用纳滤提高海水软化回收率并降低膜面结垢趋势。然而，该系统需要增加超滤系统对海水进行处理，超滤系统处理时还需要任选地加酸和（或）加阻垢剂防垢。纳滤系统需要采用三段式，一、二段为反渗透预处理，三段对前两段纳滤浓水进一步处理，简单地通过增加纳滤系统的段数来提高海水软化回收率，并通过循环浓水中加入晶种以降低膜面结垢趋势。整个系统冗长，未从海水资源综合利用的角度对海水中无机盐进行有效的选择性分离。

CN 111423018 A公布了一种膜法海水高效淡化方法，该方法目的是提高淡水的产水率，实现海水高效膜法淡化。该方法通过选择合适的海水预处理工艺，同时将纳滤技术与反渗透技术相结合，降低反渗透膜法海水淡化过程中的结垢风险。其预处理工艺包含预沉淀、杀菌--净化剂加药装置--反应池--混凝沉淀/气浮装置--微滤/超滤装置--PH值调节装置--海水脱气，海水经复杂、冗长的预处理工艺处理以后才能进入纳滤装置进行过滤。

在已有的针对海水淡化处理的工艺中，尤其涉及纳滤与反渗透耦合的专利中，在海水进入纳滤装置之前，均需要超滤或复杂的预处理工艺来减少处理过程中的污堵、结垢现象，从而保证整个系统的稳定运行。整个处理过程工艺链冗长，往往需要添加阻垢剂防止结垢，且未对海水中各种盐进行选择性截留、分离，未从提高海水中盐资源利用效率的角度实现海水资源的综合利用。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明公开一种全膜法海水淡化处理系统,包括工序依次衔接的一级平板式荷负电纳滤单元、二级荷正电卷式纳滤单元、高压卷式反渗透膜单元，其中：

所述一级平板式荷负电纳滤单元的膜元件结构采用碟管式或旋流碟管式，过滤膜采用荷负电的纳滤膜；

所述二级荷正电卷式纳滤单元膜元件结构形式为常规卷式膜元件，过滤膜采用荷正电的纳滤膜；

所述高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜。

进一步地，本发明全膜法海水淡化处理系统,海水进入一级平板式荷负电纳滤单元之前，设置保安过滤器进行海水预处理，用以去除泥沙、杂质。

本发明同时公开：一种利用所述全膜法海水淡化处理系统处理海水的方法,包括如下步骤：

步骤一，借助于一级平板式纳滤单元，对海水分离处理，得到一级产水和一级浓水；

所述一级平板式纳滤单元采用的膜元件结构形式为平板式，一级纳滤单元采用的纳滤膜为电负性纳滤膜，可直接处理海水并截留海水中二价的SO₄ ^2-离子；一级平板式纳滤单元回收率可达80%；

步骤二，借助于二级卷式纳滤单元对一级产水继续进行处理得到的二级产水和二级浓水；

所述二级卷式纳滤单元膜元件结构形式为常规卷式，采用的纳滤膜为正电性纳滤膜，可截留一级产水中大部分的Ca²⁺、Mg²⁺离子，二级卷式纳滤单元的回收率可达90%；

步骤三，借助于高压卷式膜单元对二级产水进行处理得到三级产水和三级浓水；

所述高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜，高压卷式膜单元可对二级产水中的NaCl进行高倍浓缩，最终三级浓水中氯化钠含量为90000mg/L-150000 mg/L，三级浓水中NaCl可通过蒸发结晶得到纯度较高的工业盐，三级产水为达标淡水可应用于工业园区生产及景观用水。

发明原理及有益效果：

1、一级平板式纳滤单元膜元件过滤膜采用荷负电纳滤膜，可截留海水中大量的SO₄ ^2-离子，硫酸根截留率大于等于96%，使浓水含有大量的MgSO₄、CaSO₄，可通过晶种法处理得到纯度较高的硫酸盐；一级平板式纳滤单元采用的膜元件结构形式为平板式，可采用的膜元件结构形式为碟管式（DTNF）、旋流碟管式（CDNF），由于CDNF压降较小，优先选用旋流碟管式；相对于传统的卷式纳滤膜元件，其耐污堵性能更高，因此不需复杂的预处理以防止污堵、结垢的发生。

2、二级卷式纳滤单元膜元件过滤膜采用荷正电的纳滤膜，可选择性截留一级产水中大部分的Ca²⁺、Mg²⁺离子，钙镁截留率大于等于90%，回收率达90%；；二级卷式纳滤单元的浓水中含有较高纯度CaCl₂、MgCl₂，可用于制备纳米氢氧化镁。

3、高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜，高压卷式膜单元可对二级纳滤产水中的NaCl进行高倍浓缩，最终浓水中氯化钠含量为90000mg/L-150000 mg/L，浓水中NaCl可通过蒸发结晶得到纯度较高的工业盐，高压卷式膜单元产水为达标淡水可应用于工业园区生产、景观用水或进一步处理后并入市政管网。

本发明与现有技术相比，最大的不同之处在于本发明采用结构形式为平板式的纳滤膜元件，其特殊的旋流式流道使其耐污堵性更高，因此海水不需进行复杂的预处理便可进入纳滤系统进行处理；本系统创新性地采用了荷负电纳滤膜和荷正电纳滤膜耦合的两级纳滤单元，利用纳滤膜表面带有的电荷，对离子进行选择性地截留，一级平板式纳滤膜单元可截留大部分的二价硫酸盐，使二级卷式纳滤的结垢倾向大大降低，二级纳滤进一步去除钙镁，使后续反渗透系统浓水成分更加简单，而且不含阻垢剂，能够采用MVR蒸发，不用担心结垢和有机物导致MVR系统崩溃。

附图说明

图1是本发明的流程布局示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种全膜法海水淡化处理系统，包括工序依次衔接的一级平板式荷负电纳滤单元、二级荷正电卷式纳滤单元、高压卷式反渗透膜单元，其中：

所述一级平板式荷负电纳滤单元的膜元件结构采用碟管式或旋流碟管式，过滤膜采用荷负电纳滤膜；

所述二级荷正电卷式纳滤单元膜元件结构形式为常规卷式膜元件，过滤膜采用荷正电纳滤膜；

所述高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜。

作为优化，本发全膜法海水淡化处理系统,海水进入一级平板式荷负电纳滤单元之前，设置保安过滤器进行海水预处理，用以去除泥沙、杂质。

利用上述系统实施的全膜法海水淡化处理方法包括：

步骤一，借助于一级平板式纳滤单元，对海水分离处理，得到一级产水和一级浓水，一级纳滤单元采用的纳滤膜为电负性纳滤膜，截留海水中二价的SO₄ ^2-离子，使一级浓水成为含MgSO₄、CaSO₄及NaCl的过饱和溶液，通过晶种法处理得到纯度较高的硫酸盐；

步骤二，借助于二级卷式纳滤单元对一级产水继续进行处理得到的二级产水和二级浓水，二级卷式纳滤单元采用的纳滤膜为正电性纳滤膜，可截留一级产水中大部分的Ca²⁺、Mg^{2 +}离子，使二级浓水中含有大量的CaCl₂、MgCl_2，可用于制备纳米氢氧化镁；

步骤三，借助于高压卷式膜单元对二级产水进行处理，得到的三级浓水中含高浓度的NaCl，可通过蒸发结晶得到纯度较高的工业盐，三级产水为达标淡水，可应用于工业园区生产及景观用水。

实施案例

海水水质指标为：Na⁺含量8391 mg/L、Ca²⁺含量448 mg/L、Mg²⁺含量930 mg/L、Cl^-含量16694 mg/L、SO₄ ^2-含量1700 mg/L。海水经保安过滤器过滤后，经一级旋流碟管式荷负电纳滤单元进行分离处理，得一级产水和一级浓水，一级产水中Na⁺含量7842 mg/L 、Ca²⁺含量为268 mg/L、Mg²⁺含量482 mg/L、Cl^-含量15695 mg/L、SO₄ ^2-含量21 mg/L，硫酸根截留率为98.8%；一级产水经二级荷正电卷式纳滤单元处理后得二级产水及二级浓水，二级产水中Na⁺含量7243 mg/L 、Ca²⁺含量为18 mg/L、Mg²⁺含量23 mg/L、Cl^-含量14985 mg/L，SO₄ ^2-含量 2mg/L，钙离子截留率为93%，镁离子截留率为 95%；二级产水经高压卷式反渗透膜单元进行浓缩处理，得到的浓水中Na⁺含量43000 mg/L、Cl^-含量 89910 mg/L、Ca²⁺含量为98 mg/L、Mg^{2 +}含量130 mg/L。经两级纳滤和高压反渗透膜的处理的产水，经进一步脱硼处理和矿化，成为高品质饮用水；浓水可进一步浓缩，成为烧碱行业所需的高品质盐水，大大降低盐水精制费用；浓水也可采用MVR蒸发结晶，得到高品质氯化钠，与原盐精制相比，费用大大降低。

Claims (3)

1.一种全膜法海水淡化处理系统,其特征在于:包括工序依次衔接的一级平板式荷负电纳滤单元、二级荷正电卷式纳滤单元、高压卷式反渗透膜单元，其中：

所述一级平板式荷负电纳滤单元的膜元件结构采用碟管式或旋流碟管式，过滤膜采用荷负电的纳滤膜；

所述二级荷正电卷式纳滤单元膜元件结构形式为常规卷式膜元件，过滤膜采用荷正电的纳滤膜；

所述高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜。

2.按权利要求1所述的全膜法海水淡化处理系统,其特征在于:海水进入一级平板式荷负电纳滤单元之前，设置保安过滤器进行海水预处理，用以去除泥沙、杂质。

3.一种利用权利要求1所述全膜法海水淡化处理系统处理海水的方法,其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，借助于一级平板式纳滤单元，对海水分离处理，得到一级产水和一级浓水；

所述一级平板式纳滤单元采用的膜元件结构形式为平板式，一级纳滤单元采用的纳滤膜为电负性纳滤膜，可直接处理海水并截留海水中二价的SO₄ ^2-离子；一级平板式纳滤单元回收率可达80%；

步骤二，借助于二级卷式纳滤单元对一级产水继续进行处理得到的二级产水和二级浓水；

所述二级卷式纳滤单元膜元件结构形式为常规卷式，采用的纳滤膜为正电性纳滤膜，可截留一级产水中大部分的Ca²⁺、Mg²⁺离子，二级卷式纳滤单元的回收率可达90%；

步骤三，借助于高压卷式膜单元对二级产水进行处理得到三级产水和三级浓水；

所述高压卷式膜单元采用的膜元件结构形式为常规卷式，采用的过滤膜为反渗透膜，高压卷式膜单元可对二级产水中的NaCl进行高倍浓缩，最终三级浓水中氯化钠含量为90000mg/L-150000 mg/L，三级浓水中NaCl可通过蒸发结晶得到纯度较高的工业盐，三级产水为达标淡水可应用于工业园区生产及景观用水。

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