CN112340938B - 一种实现高倍浓缩的膜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现高倍浓缩的膜系统，属于水污染处理技术领域。本系统包括预处理系统、高倍浓缩膜系统、产水箱、二级膜系统。预处理系统与高倍浓缩膜系统连接，高倍浓缩膜系统与产水箱连接，产水箱与二级膜系统连接；此外，产水箱与高倍浓缩膜系统连接，二级膜系统与高倍浓缩膜系统连接。该系统通过控制膜组件脱盐率来降低浓水和产水侧的渗透压差，从而在较低操作压力下实现高倍浓缩，最高浓度可达到接近饱和状态。
Description
技术领域
本发明属于水污染处理技术领域，本发明涉及一种实现高倍浓缩的膜系统。
背景技术
在煤矿开采、垃圾填埋、钢铁焦化、煤化工及各种工业生产中往往会产生大量的废水。这些废水中主要含有Na+，SO4 2-，Cl-及一些难降解的有机物等。此类废水的直接排放会造成水体污染、土壤中毒，甚至危及人类的身体健康。目前，根据国家和各地区政策，对此类废水进行零排放处理已经成为必然趋势。
零排放的主流工艺为：通过“预处理+膜系统”或“预处理+电渗析”等工艺，对废水进行初步浓缩，再通过蒸发结晶、冷冻结晶等工艺处理浓缩液，实现废水零排放。其中电渗析系统是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择性，将带电组分的盐类与非带电组分的水分离的薄膜分离技术。这种技术可实现高倍浓缩，但对离解度小的盐类难以去除，且存在设备结构复杂、操作难度大、自耗水量大等问题，在行业中正常运行的案例较少。膜系统是在浓溶液侧施加压力来克服渗透压，使浓水侧的溶剂流向产水侧。浓水侧的盐含量越高，所需要施加的压力越大，但受限于市场上现有膜的耐压能力有限，膜系统的浓缩倍数低于电渗析，导致后续工艺处理量大，设备及运行成本高。
基于这样的问题，名为“一种用于高盐废水的低压高倍浓缩的系统及方法”(CN111661900 A)的专利采用反渗透膜装置进行一次浓缩，一步产水外排，浓水进入逆流反渗透装置进行二次浓缩。浓缩后的浓水一部分进入后续系统，一部分通过逆流反渗透膜装置的产水端回流至反渗透膜装置进水端，以降低逆流反渗透膜装置的渗透压差。此专利回流的浓水需要与逆流反渗透装置的产水混合，然后进入通过反渗透系统进行重复处理，会造成不必要的能量损失，且逆流反渗透装置结构复杂，不易实现；名为“一种无机盐溶液浓缩设备及无机盐溶液连续高倍浓缩方法”(CN 110436574 A)的专利将预浓缩反渗透浓水分别进入循环流道反渗透膜分离组件的浓缩液流道与透过液流道，保持膜两侧渗透压相同。通过对循环流道反渗透膜分离组件施加压力，使浓缩液流道溶质透过膜组件流入透过液流道，以达到提高浓缩倍数目的。此专利循环流道反渗透膜分离组件的产水与预浓缩反渗透浓水混合后进入前端系统进行循环处理，同样导致不必要的能量损失。
反渗透膜对溶液进行浓缩不涉及相变过程，因此与蒸发等方式相比就有巨大的节能优势。但如何实现反渗透膜高倍浓缩却一直是工程界面临的技术难题。已有专利所公开的方法难以在低能耗下利用反渗透实现对盐水的高倍浓缩，因此亟待开发一种利用反渗透膜对盐溶液进行高倍浓缩的办法。本专利通过组装不同脱盐率的膜组件，控制膜系统的脱盐率，达到提高产水侧渗透压的目的，同时控制净驱动压差，保持运行压力在膜最大承压范围内。产水侧的含盐量增加、净驱动压差不变的条件下，可提高浓水侧含盐量，实现浓缩倍数的增加，从而减少后续系统处理量，降低设备投资及系统运行成本。到目前为止，尚无采用较低脱盐率膜元件来实现高倍浓缩的公开报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种实现高倍浓缩的方法及膜系统，主要解决了膜系统浓缩倍数低的问题。
本发明的具体技术方案为：一种实现高倍浓缩的膜系统，包括：预处理系统、高倍浓缩膜系统、产水箱，所述预处理系统与高倍浓缩膜系统连接，高倍浓缩膜系统与产水箱连接；所述的预处理系统包括进入高倍浓缩膜系统前的化学、物理、生化等处理系统，以使高倍浓缩膜系统进水达标；高倍浓缩膜系统进水管道处设有高压泵，将预处理系统出水加压后输送至高倍浓缩膜系统，并为其提供能量以克服高倍浓缩膜系统渗透压，实现产水；所述高倍浓缩膜系统内部分为N段，各段分别由不同的脱盐率膜组件组装而成。
进一步地，本发明所述实现高倍浓缩的膜系统，所述不同脱盐率的膜组件组装方式可以由高脱盐率到低脱盐率膜组件串联，也可以由低脱盐率到低脱盐率膜组件串联，总体遵循脱盐率由高到低的原则，根据进水水质情况和出水水质要求进行组合。
进一步地，本发明所述实现高倍浓缩的膜系统，所述的低脱盐率膜组件脱盐率为20％～85％；所述的高脱盐率膜组件脱盐率为95％～99.7％。
进一步地，本发明所述实现高倍浓缩的膜系统，所述膜组件为碟管式平板膜(DT)和旋流式平板膜(CD)，其中：碟管式平板膜(DT)指碟管式平板反渗透膜(Disc tubeReverse Osmosis，DTRO)、碟管式平板纳滤膜(Disc tube Nanofiltration，DTNF)，旋流式平板膜(CD)指旋流式平板反渗透膜(Circular-Disc RO Module，CDRO)、旋流式平板纳滤膜(Circular-Disc NF Module，CDNF)。
进一步地，本发明所述一种实现高倍浓缩的膜系统，所述的高倍浓缩膜系统内部分为2～5段，段间的浓水管路与下一段进水管路连接。
进一步地，本发明所述一种实现高倍浓缩的膜系统，所述的高倍浓缩膜系统通过设置段间增压泵来满足系统压力需求,段间设置回流管路及循环泵来满足系统流量需求。
进一步地，本发明所述一种实现高倍浓缩的膜系统，所述高倍浓缩的膜系统每段外设相应的产水箱，每段产水自流进入外设产水箱内。
进一步地，本发明所述一种实现高倍浓缩的膜系统，所述产水箱配有回流泵，产水箱内的水通过回流泵输送至高倍浓缩膜系统中与其溶解性总固体(TDS)浓度相近的段间进水口，段间进水口是指高倍浓缩膜系统除最后一段外的每段进水管路上设置的回流进水口。
进一步地，本发明所述一种实现高倍浓缩的膜系统，还包括二级膜系统，二级膜系统由高脱盐率膜组件组成，将高倍浓缩膜系统无法回流的产水进一步浓缩，使其达到出水要求，二级膜系统进水口与产水箱连接，二级膜系统的浓水回流至高倍浓缩膜系统中与二级膜系统浓水水质相似的段间进水口连接。
本发明理论原理及效果：
1、本发明理论基础：
Qp＝A·S·[(pf-pp)-(πf-πp)]，其中Qp表示透过膜的水通量，A表示膜的水透过因子，S表示膜的有效面积，pf表示膜给水侧的水体压力，pp表示膜透水侧的水体压力，πf表示膜给水侧的水体渗透压，πp表示膜透水侧的水体渗透压。
净水驱动压(NDP)＝(pf-pp)-(πf-πp)
2、原理及效果
由于膜元件存在最大压力等级，当超过压力等级后会对其造成不可逆转的损伤及影响，导致穿膜等情况的发生。这也是限制膜元件浓缩倍数的主要原因。根据本发明理论基础可以明确，由于膜元件的承压等级限制，给水侧的水体压力无法无条件上升。而膜元件的透水侧的水体压力根据实际情况基本可以忽略不计。因此(pf-pp)部分由于膜元件压力等级的限制，存在最大值，渗透压差的范围需要保证在90bar以内。
根据净水驱动压以及(pf-pp)部分的限制，可以通过控制(πf-πp)渗透压差，改变膜元件的脱盐率，实现高倍浓缩的效果。当膜的脱盐率下降时，离子的透过率上升，导致透水侧的水体渗透压上升，也就是公式中的πp值上升。但是由于产水和浓水的渗透压差最大值不变，因此膜给水侧的水体渗透压πf也随之上升。换言之，由于产水侧含盐量提高，浓水侧含盐量随之上升。并且，通过此方法保证了运行压力在膜组件最大承压能力范围内，高倍浓缩的目的得以实现。
在单个膜系统内部可以根据水质情况和工艺设计等实际情况分为1～5段，同时可以通过设置二级系统实现水质、水量平衡。系统内的膜组件可以根据系统需求进行组合，膜组件包括碟管式平板膜(DT)、旋流式平板膜(CD)。高倍浓缩膜系统每段产水流入不同的产水箱，产水若达标则外排或回用；产水若不达标，则通过产水回流泵输送至高倍浓缩膜系统中与其水质相近的段间进水口，或者进入二级膜系统进行再浓缩处理。二级膜系统产生的浓水进入高倍浓缩膜系统中与其水质相近的段间进水口，产水达标外排或回用。
一种高倍浓缩的方法及膜系统包括预处理系统，预处理系统包括进入膜系统前的化学、物理、生化处理方法，使得膜系统的进水达标，不会对膜系统造成污染而降低其作用。
预处理产水通过管道、高压泵等进入高倍浓缩膜系统，高倍浓缩膜系统可以根据水质和具体情况进行多段式设计，多段式的设计方法可以适用于不同的进水情况。各段浓水经过管道进入下一段，段间可以通过设置段间增压泵以满足系统压力需求，也可设置段间回流管路及循环泵以满足系统流量需求。
附图说明
图1是本发明流程框图
图2是本发明第一实施例的流程图及盐量平衡图
图3是本发明第二实施例的流程图及盐量平衡图
图4是本发明第三实施例的流程图及盐量平衡图
配图标号说明：
201、高倍浓缩膜系统进水口；202、高压泵；203、高倍浓缩膜系统一段膜元件；204、一段膜元件产水；205、一段外设产水箱；206、二级膜系统高压泵；207、二级膜系统；208、二级膜系统产水；209、二级膜系统浓水；210、回流泵；211、一段循环泵；212、一段膜元件浓水；213、一、二段段间增压泵；214、高倍浓缩膜系统二段膜元件；215、二段膜元件产水；216、二段膜元件浓水；217、二段外设产水箱；218、产水回流泵；219、二段产水回流。
301、高倍浓缩膜系统进水口；302、回流进水口；303、高压泵；304、高倍浓缩膜系统一段膜元件；305、一段膜元件产水；306、一段膜元件浓水；307、一、二段段间进水口；308、一、二段段间增压泵；309、、高倍浓缩膜系统二段膜元件；310、二段膜元件产水；311、二段外设产水箱；312、二段产水回流；313、二段产水回流泵；314、二段膜系统浓水；315、二、三段段间增压泵；316、高倍浓缩膜系统三段膜元件；317、三段膜元件产水；318、三段外设产水箱；319、三段产水回流管道；320、三段产水回流泵；321、三段膜元件浓水。
401、高倍浓缩膜系统进水口；402、高压泵；403、高倍浓缩膜系统一段膜元件；404、一段膜元件产水；405、一段膜元件浓水；406、一、二段段间回流进水口；407、高倍浓缩膜系统二段膜元件；408、二段膜元件产水；409、二段膜元件产水；410、二、三段段间回流进水口；411、二、三段段间增压泵；412、高倍浓缩膜系统三段膜元件；413、三段膜元件产水；414、三段外设产水箱；415、三段产水回流管道；416、三段产水回流泵；417、三段膜元件浓水；418、三、四段段间回流进水口；419、三、四段段间增压泵；420、高倍浓缩膜系统四段膜元件；421、四段膜元件产水；422、四段外设产水箱；423、四段产水回流管道；424、四段产水回流泵；425、四段膜元件浓水；426、四、五段段间增压泵；427、高倍浓缩膜系统五段膜元件；428、五段膜元件产水；429、五段外设产水箱；430、五段产水回流管道；431、五段产水回流泵；432、五段膜元件浓水。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
附图1为本发明的流程图。包括预处理系统，预处理系统通过化学、物理、生化等方式对原水进行处理，降低原水中的碱度、硬度、浊度等使其能达到进入膜系统的要求。
高倍浓缩膜系统可以根据水质水量和具体情况进行多段式设计，多段式的设计方法可以适用于不同的进水情况。各段浓水经过管道进入下一段，段间可以通过设置增压泵和循环泵实现水质、水量平衡，达到各段膜元件的进水流量和进水压力要求。
经高倍浓缩膜系统的提浓后的浓水可以达到接近饱和状态，进入蒸发等工艺段的水量随之减少。同时，蒸发等后续工艺段的电耗、能耗等相应降低。
高倍浓缩膜系统通过各段外设的产水箱或设置二级膜系统，对高含盐量的产水进行回流或进一步浓缩使其达到回流标准或产水标准。这样可以保证实现高倍浓缩目的的同时，解决产水含盐量高无法达标的问题。
附图2为实施例1，本实施例中系统包括高倍浓缩膜系统和二级膜系统。其中，高倍浓缩膜系统共分二段，一段为DTRO，其脱盐率为62.5％；二段为CDRO，其脱盐率为56％，本实施例中渗透压差控制在75bar以内。
进一步地，在本实施例的系统中，根据进水水质(含盐量80000mg/L)设计一段采用脱盐率为62.5％的CDNF设备，二段采用脱盐率为56％的CDRO设备。为保证进水流量以及进水压力，一段浓水段设有段间循环泵，二段进水口处设有段间增压泵。
进一步地，在本实施例的系统中，一段产水(含盐量30000mg/L)进入一段外设产水箱。一段浓水(含盐量为180000mg/L)部分经过段间增压泵进入二段膜系统；另一部分经过段间循环泵进入一段膜系统。
进一步地，由于一段产水无法达到产水标准且无法回流至某段，因此一段产水进入一段外设产水箱，作为二级膜系统的原水。经二级膜系统浓缩后产水(含盐量300mg/L)达标，二级膜系统(含盐量80000mg/L)通过回流泵进入高倍浓缩膜系统的进水口处。
进一步地，一段部分浓水(含盐量180000mg/L)经过段间增压泵进入二段膜系统中进一步提浓。二段膜系统产水(含盐量80000mg/L)进入二段外设产水箱。二段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的二段产水回流至高倍浓缩膜系统进口处(与其水质相同)。
进一步地，二段浓水(含盐量为230000mg/L)已达到高倍浓缩标准进入下一工艺段(本实施例中不再体现)。
附图3为实施例2，本实施例中系统包括高倍浓缩膜系统。其中，高倍浓缩膜系统共分三段。为保证各段的进水压力，二、三段间均设有段间增压泵。该系统进水管道、一段和二段均设有回流进水口。
进一步地，在本实施例的系统中，根据进水水质(含盐量50000mg/L)本实施例一段采用CDNF设备，二段采用DTRO设备，三段采用CDRO设备。一段CDNF脱盐率为99.7％，二段DTRO脱盐率为62％，三段CDRO脱盐率为28％。本实施例中渗透压差控制在75bar以内。
进一步地，在本实施例的系统中，一段产水(含盐量100mg/L)达标，一段浓水(含盐量130000mg/L)与后段回流水混合后经过段间增压泵进入二段膜系统。
进一步地，在本实施例的系统中，二段产水(含盐量50000mg/L)进入二段外设产水箱，二段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的二段产水回流至高倍浓缩膜系统进口处(与其水质相同)。二段浓水(含盐量为180000mg/L)与后段回流水混合后经过段间增压泵进入三段膜系统。
进一步地，在本实施例地系统中，三段膜系统进一步提浓。三段产水(含盐量为130000mg/L)进入三段外设产水箱，三段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的三段产水回流至高倍浓缩膜系统一、二段段间进水口(与其水质相同)。三段浓水(含盐量280000mg/L)达到高倍浓缩要求进入下一工艺段(本实施例中不再体现)。
附图4为实施例3，本实施例中系统包括高倍浓缩膜系统。其中，高倍浓缩膜系统共分五段。为保证三、四、五段的进水压力，二、三段/三、四段/四、五段间设有段间增压泵，系统一、二段/二、三段/三、四段段间分别设有段间进水口。段间增压泵的扬程和流量根据三、四、五段的膜柱数可确定。
进一步地，在本实施例的系统中，根据进水水质(含盐量为5000mg/L)设计一段、二段、三段采用DTRO设备，四段、五段采用CDRO。其中一段DTRO脱盐率为98％，二段DTRO脱盐率为98％，三段DTRO脱盐率为40％，四段CDRO脱盐率为38％，五段CDRO脱盐率为20％，本实施例中渗透压差控制在85bar以内。
进一步地，在本实施例的系统中，一段产水(含盐量为100mg/L)达标，一段浓水(含盐量为60000mg/L)在管道中与后段回流水混合后进入二段膜系统进一步浓缩。
进一步地，在本实施例的系统中，二段产水(含盐量为1000mg/L)达标，二段浓水(含盐量为100000mg/L)在管道中与后段回流水混合后通过段间增压泵进入三段膜系统进一步浓缩。
进一步地，在本实施例的系统中，经三段膜系统浓缩后的产水(含盐量为60000mg/L)进入三段外设产水箱。三段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的三段产水回流至高倍浓缩膜系统一、二段段间进水口(与其水质相同)。三段浓水(含盐量为160000mg/L)与后段回流水混合后经过段间增压泵进入四段膜系统。
进一步地，在本实施例的系统中，四段产水(含盐量为100000mg/L)进入四段外设产水箱，四段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的四段产水回流至高倍浓缩膜系统的二、三段段间进水口与一段浓水混合(与其水质相同)。四段浓水(含盐量为200000mg/L)经过段间增压泵进入五段膜系统进一步浓缩。
进一步地，在本实施例的系统中，经五段膜系统的浓缩后，五段产水进入五段外设产水箱，五段外设产水箱配有产水回流泵，负责将产水箱内的五段产水回流至高倍浓缩膜系统的三、四段段间进水口与二段浓水混合(与其水质相同)。五段浓水的浓度为26％，已达到本系统的高倍浓缩(共浓缩52倍)目的，进入下一工艺段(本实施例中不再体现)。
表1列举了除上述实施例外，其他进水水质(TDS)情况的。
Claims (7)
1.一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：包括：预处理系统、高倍浓缩膜系统、产水箱，所述预处理系统与高倍浓缩膜系统连接，高倍浓缩膜系统与产水箱连接；所述的预处理系统包括进入高倍浓缩膜系统前的化学、物理、生化处理系统，以使高倍浓缩膜系统进水达标；高倍浓缩膜系统进水管道处设有高压泵，将预处理系统出水加压后输送至高倍浓缩膜系统，并为其提供能量以克服高倍浓缩膜系统渗透压，实现产水；所述高倍浓缩膜系统内部分为N段， 所述N≥2，各段分别由不同的脱盐率膜组件组装而成，所述不同脱盐率的膜组件组装方式为不同脱盐率的低脱盐率膜组件串联，总体遵循脱盐率由高到低的原则，根据进水水质情况和出水水质要求进行组合，所述的低脱盐率膜组件脱盐率为20%~62.5%。
2.根据权利要求1所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：所述膜组件为碟管式平板膜和旋流式平板膜，其中：碟管式平板膜指碟管式平板反渗透膜（Disc tube ReverseOsmosis，DTRO）、碟管式平板纳滤膜（Disc tube Nanofiltration，DTNF），旋流式平板膜指旋流式平板反渗透膜（Circular-Disc RO Module，CDRO）、旋流式平板纳滤膜（Circular-Disc NF Module，CDNF）。
3.根据权利要求1所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：所述的高倍浓缩膜系统内部分为2~5段，段间的浓水管路与下一段进水管路连接。
4.根据权利要求1所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：所述的高倍浓缩膜系统通过设置段间增压泵来满足系统压力需求，段间设置回流管路及循环泵来满足系统流量需求。
5.根据权利要求1所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：所述高倍浓缩膜系统每段外设相应的产水箱，每段产水自流进入外设产水箱内。
6.根据权利要求1或5所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：所述产水箱配有回流泵，产水箱内的水通过回流泵输送至高倍浓缩膜系统中与其溶解性总固体（TDS）浓度相近的段间进水口，段间进水口是指高倍浓缩膜系统除最后一段外的每段进水管路上设置的回流进水口。
7.根据权利要求1所述一种实现高倍浓缩的膜系统，其特征在于：还包括二级膜系统，二级膜系统由高脱盐率膜组件组成，所述高脱盐率膜组件脱盐率为95%~99.7%，将高倍浓缩膜系统无法回流的产水进一步浓缩，使其达到出水要求，二级膜系统进水口与产水箱连接，二级膜系统的浓水回流至高倍浓缩膜系统中与二级膜系统浓水水质相似的段间进水口连接。
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