CN113461109A - 一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的技术领域，更具体地，涉及一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统，根据废水所需的浓缩倍率，确定反渗透组件的级数，第一级防渗透组件为常规反渗透组件，以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的目标脱盐率并对反渗透组件进行处理，使工艺能耗最低，实现了脱盐率的精准调控，并在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率低能耗浓缩，降低了废水处理过程的投资与运行成本，且最终的浓缩废水中的水力压力可通过能量回收装置进行回收。本发明可在不提高水力压力的情况下根据不同处理需求选择反渗透膜组件的级数和脱盐率，更大程度地浓缩废水，并在降低能耗的同时对浓缩废水中的水力压力进行回收。

Description

一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统

技术领域

本发明涉及环境工程的技术领域，更具体地，涉及一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统。

背景技术

反渗透膜分离工艺是水处理中常用的技术，目的是从原料液中回收淡水，同时可以实现原料液的浓缩减量。在反渗透操作过程中，利用反渗透膜的选择性透过水分子，截留离子的特点，在进料液一侧施加大于跨膜渗透压的水力压力，使得进料中的水分子逆着自然渗透的方向跨膜传输，产生清洁的淡水，同时进料液被浓缩减量。反渗透能够截留水中的高价离子及复杂单价离子，脱盐率可以超过99％，对于单价离子也能够达到98％以上的截留率，浓缩过程清洁环保，是极为理想的浓缩工艺。然而，在反渗透进行过程中，随着进料液不断地被浓缩，膜两侧的渗透压差也在同步的增大，当渗透压差达到所施加的水力压力时，反渗透就无法继续进行。换句话说，反渗透对进料液的浓缩减量程度会受到其水力压力的限制。

根据目前的膜材料发展进程，目前反渗透膜及组件能够承受的最大水力压力约为85bar，而一般的反渗透的实际应用中的最大水力压力一般采用70bar，理论上来讲，能够把进料浓缩至82641mg/L，当进料盐度为35000mg/L时，其水回收率约为58％。在传统的单级反渗透技术的基础上，有研究人员提出多级反渗透工艺，该工艺由多个反渗透组件串联而成，每级反渗透完成后，其浓缩液通过高压泵进入下一级反渗透进行再浓缩，每一级的出水则回收利用。多级反渗透虽然可以降低废水处理的能耗，但根据反渗透的基本工作原理，其对原料液浓缩的最大浓缩减量能力依旧被操作压力所限制。由于反渗透中存在的水力压力限制，原料液的高倍率浓缩通常是通过热法蒸发技术(如：机械蒸汽再压缩和多效蒸发)来完成，而其投资成本和运行能耗均极为高昂。

中国专利CN209352599U公开了一种反渗透装置，包括原水箱、连接至所述原水箱的一级或多级反渗透膜组件以及连接至所述渗透膜组件的产水箱；所述渗透膜组件包括膜元件和分别连接至所述膜元件的原水进管、浓水出管和清水出管；所述原水进管设置有高压进料泵；所述浓水出管设置有连接至所述原水进管的循环管，所述循环管连接至所述原水箱于所述高压进料泵之间。该方案可根据不同的处理需求选择反渗透膜组件的级数，达到不同的处理效果，其可将浓水流入原水进管进行再次过滤，可降低浓水率，但是该方案不能精准调控脱盐率，能耗高，不能对浓水中的水力压力进行回收，并且对原水浓缩的最大浓缩能力受限于水力压力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统，可在不提高水力压力的情况下根据不同处理需求选择反渗透膜组件的级数和脱盐率，降低能耗的同时对浓缩废水中的水力压力进行回收。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺，包括以下步骤：

S1：根据废水所需的浓缩倍率，计算反渗透组件的级数为n级；

S2：以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的目标脱盐率，使工艺能耗最低；

S3：根据步骤S2中所述脱盐率对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行处理，以调控从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率达到目标脱盐率；

S4：对进料废水进行过滤，第i(1≤i≤n)级反渗透组件的过滤过程为：当i＝1时，将进料废水增压后通入第一级反渗透组件进行过滤，第一级反渗透组件的产水为清洁淡水，经第一级反渗透组件浓缩后的废水增压后流入第二级反渗透组件；

当1<i<n时，对经第(i-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，将第i级反渗透组件的产水增压后流向第(i-1)级反渗透组件进行过滤，经第i级反渗透组件过滤后的废水增压后流入第(i+1)级反渗透组件；

当i＝n时，对经第(n-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，第n级反渗透组件的产水增压后流向第(n-1)级反渗透组件进行过滤，经第n级反渗透组件过滤的废水流入能量回收装置；

S5：能量回收装置回收经第n级反渗透组件过滤后的废水的水力压力。

本发明的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，根据废水所需的浓缩倍率，确定反渗透组件的级数，第一级防渗透组件为常规反渗透组件，以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率并对反渗透组件进行处理，使工艺能耗最低，实现了脱盐率的精准调控，并在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率低能耗浓缩，降低了废水处理过程的投资与运行成本，且最后废水中的水力压力可通过能量回收装置进行回收。

优选地，步骤S1中，反渗透组件的级数n的计算过程如下：

π_max＝n*ΔP_max

式中，π_max为废水浓度的最大值，ΔP_max为水力压力的最大值。

优选地，步骤S2中，脱盐率依据反渗透的工作原理以及物料守恒计算，计算方法如下：

记C_B,i为第i级反渗透组件的废水的浓度，Q_B,i为第i级反渗透组件的废水的流速，c_P,i为第i级反渗透组件的产水的浓度，Q_P,i为第i级反渗透组件的产水的流速，根据盐的质量守恒，可得：

式中，c₀为第一级反渗透组件的进料废水的浓度，Q₀为第一级反渗透组件进料废水的流速；

根据水的质量守恒，可得：

根据反渗透的工作原理和范特霍夫公式，可得：

式中，ΔP为水力压力，k为过量增加系数，v为范特霍夫因子，R为气体常数，T为绝对温度；

工艺能耗SEC为：

使SEC取得最小值，计算优化后的Q_P,1,Q_P,2,Q_P,3,…,Q_P,N

记r_i为第i级反渗透组件的脱盐率，根据脱盐率的定义：

可计算得到从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率r₂，r₃，…，r_n。

优选地，步骤S3中，根据r₂，r₃，…，r_n对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行氯碱化学处理。

优选地，所述氯碱化学处理方法具体为：分别使用不同浓度的PH＝7的NaClO溶液进行浸泡，将从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率分别调控至r₂，r₃，…，r_n。

优选地，步骤S4中，进料废水在进入第一级反渗透组件前需要预处理。

优选地，预处理包括絮凝、多介质过滤和离子交换。

优选地，步骤S4中，第一级反渗透组件产生的清洁淡水可用于生产回用。

优选地，水力压力可达到80bar。

本发明还提供了一种可调控脱盐率的多级反渗透系统，包括出料管、储水箱、能量回收装置、n(n≥2)级反渗透组件、n个进料管、(n-1)个回流管、n个加压泵，n级所述反渗透组件依次连接，每级反渗透组件均设有进料口、出料口和出水口，第i(1≤i≤n)级反渗透组件连接关系如下：

当i＝1时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口与储水箱连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当1<i<n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当i＝n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口通过出料管与能量回收装置连接。

本发明的可调控脱盐率的多级反渗透系统，可根据需要设计反渗透组件的级数，废水经过反渗透组件进行过滤浓缩后进入下一级反渗透组件进一步浓缩，而产水加压回流到上一级反渗透组件重新浓缩，其中，第一级反渗透组件产水为清洁淡水，可用于生产回用，第n级反渗透组件浓缩后的废水可通过能量回收装置回收水力压力，本发明可在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率浓缩，且最后废水中的水力压力可通过能量回收装置进行回收，另外，可根据需要以工艺能耗最低为目标设计从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率，实现对脱盐率的调控，并在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率低能耗浓缩，降低了废水处理过程的投资与运行成本。

本发明的可调控脱盐率的多级反渗透工艺及系统与背景技术相比，产生的有益效果为：

可在不提高水力压力的情况下根据不同处理需求选择反渗透膜组件的级数和脱盐率，更大程度地浓缩废水，并在降低能耗的同时对浓缩废水中的水力压力进行回收。

附图说明

图1为本发明实施例一中可调控脱盐率的多级反渗透工艺的流程图；

图2为本发明实施例二中可调控脱盐率的多级反渗透系统的原理框图；

图3为本发明实施例三中可调控脱盐率的二级反渗透系统的原理框图；

图4为本发明实施例四中可调控脱盐率的三级反渗透系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1所示，一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺，包括以下步骤：

S1：根据废水所需的浓缩倍率，计算反渗透组件的级数为n级；

S2：以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的目标脱盐率，使工艺能耗最低；

S3：根据步骤S2中所述脱盐率对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行处理，以调控从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率达到目标脱盐率；

S4：对进料废水进行过滤，第i(1≤i≤n)级反渗透组件在过滤时包括以下三种情况：

当i＝1时，将进料废水增压后通入第一级反渗透组件进行过滤，第一级反渗透组件的产水为清洁淡水，经第一级反渗透组件浓缩后的废水增压后流入第二级反渗透组件；

当1<i<n时，对经第(i-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，将第i级反渗透组件的产水增压后流向第(i-1)级反渗透组件进行过滤，经第i级反渗透组件过滤后的废水增压后流入第(i+1)级反渗透组件；

当i＝n时，对经第(n-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，第n级反渗透组件的产水增压后流向第(n-1)级反渗透组件进行过滤，经第n级反渗透组件过滤的废水流入能量回收装置；

S5：能量回收装置回收经第n级反渗透组件过滤后的废水的水力压力。

上述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，根据废水所需的浓缩倍率，确定反渗透组件的级数，第一级防渗透组件为常规反渗透组件，以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率并对反渗透组件进行处理，使工艺能耗最低，实现了脱盐率的精准调控，并在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率低能耗浓缩，降低了废水处理过程的投资与运行成本，且最后废水中的水力压力可通过能量回收装置进行回收。

步骤S1中，反渗透组件的级数n的计算过程如下：

π_max＝n*ΔP_max

式中，π_max为废水浓度的最大值，ΔP_max为水力压力的最大值。

步骤S2中，脱盐率依据反渗透的工作原理以及物料守恒计算，计算方法如下：

记C_B,i为第i级反渗透组件的废水的浓度，Q_B,i为第i级反渗透组件的废水的流速，c_P,i为第i级反渗透组件的产水的浓度，Q_P,i为第i级反渗透组件的产水的流速，根据盐的质量守恒，可得：

式中，c₀为第一级反渗透组件的进料废水的浓度，Q₀为第一级反渗透组件进料废水的流速；

根据水的质量守恒，可得：

根据反渗透的工作原理和范特霍夫公式，可得：

式中，ΔP为水力压力，k为过量增加系数，v为范特霍夫因子，R为气体常数，T为绝对温度；

工艺能耗SEC为：

使SEC取得最小值，计算优化后的Q_P,1,Q_P,2,Q_P,3,…,Q_P,N

记r_i为第i级反渗透组件的脱盐率，根据脱盐率的定义：

可计算得到从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率r₂，r₃，…，r_n。

步骤S3中，根据r₂，r₃，…，r_n对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行氯碱化学处理。

氯碱化学处理方法具体为：分别使用不同浓度的PH＝7的NaClO溶液进行浸泡，然后转移到0.1M的NaOH溶液中浸泡，将从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率分别调控至r₂，r₃，…，r_n。

步骤S4中，进料废水在进入第一级反渗透组件前需要预处理。

预处理包括絮凝、多介质过滤和离子交换。

第一级反渗透组件产生的清洁淡水可用于生产回用。

水力压力可达到80bar。

实施例二

如图2所示，一种可调控脱盐率的多级反渗透系统，包括出料管、储水箱、能量回收装置、n(n≥2)级反渗透组件、n个进料管、(n-1)个回流管、n个加压泵，n级所述反渗透组件依次连接，每级反渗透组件均设有进料口、出料口和出水口，第i(1≤i≤n)级反渗透组件连接关系如下：

当i＝1时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口与储水箱连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当1<i<n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当i＝n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口通过出料管与能量回收装置连接。

上述的可调控脱盐率的多级反渗透系统，可根据需要设计反渗透组件的级数，废水经过反渗透组件进行过滤浓缩后进入下一级反渗透组件进一步浓缩，而产水加压回流到上一级反渗透组件重新浓缩，其中，第一级反渗透组件产水为清洁淡水，可用于生产回用，第n级反渗透组件浓缩后的废水可通过能量回收装置回收水力压力，本发明可在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率浓缩，且最后废水中的水力压力可通过能量回收装置进行回收，另外，可根据需要以工艺能耗最低为目标设计从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率，实现对脱盐率的调控，并在不提高水力压力的情况下对进料废水的高倍率低能耗浓缩，降低了废水处理过程的投资与运行成本。

实施例三

工厂生产过程中产生了一股盐度为1％的废水，现需要浓缩减量至废水的盐度达到8％，经计算，在80bar的水力压力下，采用可调控脱盐率的二级反渗透工艺及系统对盐度为1％的废水进行处理，如图3所示，浓缩废水盐度可达目标，同时工艺能耗最低，为2.5kWh/m³，其中，使用5400ppm的pH＝7的NaClO溶液对第二级反渗透组件进行浸泡，然后转移到0.1M的NaOH溶液中浸泡，将第二级反渗透组件的脱盐率精确调控至34％，此时，由于第二级反渗透组件的盐截留率仅为34％，第二级反渗透组件的产水的浓度为进料废水盐度的66％，将这股产水回流与进料废水混合，加压进行重新浓缩，经第二级反渗透组件过滤后的废水浓度达到8.4％，可将最终的废水中的水力压力进行回收。

实施例四

工业园污水处理厂中需要处理盐度为3.5％的浓盐水，现需要浓缩减量至废水的盐度达到23％，经计算，在80bar的水力压力下，采用可调控脱盐率的三级反渗透工艺及系统对盐度为3.5％的废水进行处理，如图4所示，浓缩废水盐度可达目标，同时工艺能耗最低，为9.4kWh/m³，其中，分别使用5400ppm的pH＝7的NaClO溶液、7500ppm的pH＝7的NaClO溶液对第二级反渗透组件、第三级反渗透组件进行浸泡，然后分别转移到0.1M的NaOH溶液中浸泡，将第二级反渗透组件、第三级反渗透组件的脱盐率分别调控至32％、7％，此时，由于第二级反渗透组件的盐截留率仅为32％，第二级反渗透组件的产水的浓度为进料废水盐度的68％，将这股产水回流与进料废水混合，加压进行重新浓缩，将经第二级反渗透组件过滤后的废水通入第三级反渗透组件，由于第三级反渗透组件的盐截留率仅为7％，第二级反渗透组件的产水的浓度为经第二级反渗透组件过滤后的废水盐度的93％，将这股产水回流与经第一级反渗透组件过滤后的废水混合，加压至80bar进行重新浓缩，经第三级反渗透组件过滤后的废水浓度达到23.4％，可将最终的废水中的水力压力进行回收。

实施例五

本实施例中，在80bar的水力压力下，采用脱盐率精准调控的三级反渗透工艺对盐度为1％的废水进行处理至废水的盐度达到23％时，工艺能耗为4.04kWh/m³，或采用脱盐率精准调控的四级反渗透工艺对盐度为1％的废水进行处理至废水的盐度达到23％时，工艺能耗为3.02kWh/m³，即可通过增加反渗透组件的级数降低工艺能耗。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据废水所需的浓缩倍率，计算反渗透组件的级数为n级；

S2：以工艺能耗为目标函数，计算从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的目标脱盐率，使工艺能耗最低；

S3：根据步骤S2中所述脱盐率对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行处理，以调控从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率达到目标脱盐率；

S4：对废水进行过滤，第i(1≤i≤n)级反渗透组件的过滤过程为：

当i＝1时，将进料废水增压后通入第一级反渗透组件进行过滤，第一级反渗透组件的产水为清洁淡水，经第一级反渗透组件浓缩后的废水增压后流入第二级反渗透组件；

当1＜i＜n时，对经第(i-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，将第i级反渗透组件的产水增压后流向第(i-1)级反渗透组件进行过滤，经第i级反渗透组件过滤后的废水增压后流入第(i+1)级反渗透组件；

当i＝n时，对经第(n-1)级反渗透组件过滤后的废水进行过滤，第n级反渗透组件的产水增压后流向第(n-1)级反渗透组件进行过滤，经第n级反渗透组件过滤的废水流入能量回收装置；

S5：能量回收装置回收经第n级反渗透组件过滤后的废水的水力压力。

2.根据权利要求1所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，步骤S1中，反渗透组件的级数n的计算过程如下：

π_max＝n*ΔP_max

式中，π_max为废水浓度的最大值，ΔP_max为水力压力的最大值。

3.根据权利要求2所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，步骤S2中，脱盐率依据反渗透的工作原理以及物料守恒计算，计算方法如下：

记c_B，i为第i级反渗透组件的废水的浓度，Q_B，i为第i级反渗透组件的废水的流速，c_P，i为第i级反渗透组件的产水的浓度，Q_P，i为第i级反渗透组件的产水的流速，根据盐的质量守恒，可得：

式中，c₀为第一级反渗透组件的进料废水的浓度，Q₀为第一级反渗透组件进料废水的流速；

根据水的质量守恒，可得：

根据反渗透的工作原理和范特霍夫公式，可得：

式中，ΔP为水力压力，k为过量增加系数，v为范特霍夫因子，R为气体常数，T为绝对温度；

工艺能耗SEC为：

使SEC取得最小值，计算优化后的Q_P，1，Q_P，2，Q_P，3，…，Q_P，N

记r_i为第i级反渗透组件的脱盐率，根据脱盐率的定义：

可计算得到从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率r₂，r₃，…，r_n。

4.根据权利要求3所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，步骤S3中，根据r₂，r₃，…，r_n对从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件进行氯碱化学处理。

5.根据权利要求4所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，所述氯碱化学处理方法具体为：分别使用不同浓度的PH＝7的NaClO溶液进行浸泡，然后转移到0.1M的NaOH溶液中浸泡，将从第二级反渗透组件开始的每级反渗透组件的脱盐率分别调控至r₂，r₃，…，r_n。

6.根据权利要求1所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，步骤S4中，进料废水在进入第一级反渗透组件前需要预处理。

7.根据权利要求6所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，预处理包括絮凝、多介质过滤和离子交换。

8.根据权利要求1所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，步骤S4中，第一级反渗透组件产生的清洁淡水可用于生产回用。

9.根据权利要求1至8任一项所述的可调控脱盐率的多级反渗透工艺，其特征在于，水力压力可达到80bar。

10.一种可调控脱盐率的多级反渗透系统，其特征在于，包括出料管、储水箱、能量回收装置、n(n≥2)级反渗透组件、n个进料管、(n-1)个回流管、n个加压泵，n级所述反渗透组件依次连接，每级反渗透组件均设有进料口、出料口和出水口，第i(1≤i≤n)级反渗透组件连接关系如下：

当i＝1时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口与储水箱连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当1＜i＜n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口与第(i+1)个进料管连接；

当i＝n时，第i个进料管与第i级反渗透组件的进料口连接，第i个加压泵设于第i个进料管，第i级反渗透组件的出水口通过第(i-1)个回流管与第(i-1)个进料管连接，第i级反渗透组件的出料口通过出料管与能量回收装置连接。

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