CN114291937A - 一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水深度处理技术领域，尤其涉及一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统及工艺。所述系统包括原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统和再生液处理系统，本专利旨在保护一种通过复合型阴阳离子交换工艺与反渗透工艺耦合，提高产能，降低成本与污染，并且回收高纯度固体产品的技术。该技术通过阴阳树脂按需混合技术及新型浓水内循环技术，在不添加其他再生药剂(酸、碱和盐等)的情况下完成对原水硬度(钙、镁离子等)、结垢性阴离子(硫酸根、磷酸根等)和有机物的高效去除，进而大大降低反渗透膜组件的污染、结垢风险。同时，该技术有效回收高纯度的硫酸钙(含少量磷酸钙)固体，为推动零排放提供科研基础和解决思路。
Description
技术领域
本发明属于水深度处理技术领域，尤其涉及一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统及工艺。
背景技术
反渗透技术以其优质的产水水质被广泛应用于水深度处理领域，成为缓解区域水资源压力的有效技术途径。然而，反渗透技术的水回收率是制约其成本的主要因素，在常规水处理领域，其回收率约50-75％，而海水淡化领域，回收率仅为30-40％。反渗透技术如果要提高回收率，则需要更高的操作压力，由此会引起膜的污染和膜元件的频繁清洗和更换。因此，研发低成本、高效率的反渗透前处理技术提高回收率，对于降低成本具有重要意义。
在反渗透流程前增加前处理措施以降低膜污染、膜结垢是最为常见的方法。为此，现有技术中出现了将超滤、纳滤常和反渗透技术进行组合的方法。纳滤技术可以作为反渗透的前置预处理，然而，将纳滤技术广泛应用于实际工程的条件还不成熟，主要原因在于纳滤膜的性能指标不过关。同时，由于纳滤膜回收率高于反渗透，因此纳滤膜作为前处理技术的结垢风险大大增加。为此，以膜技术为主体的水深度处理技术往往需要投加消毒剂、阻垢剂、调节pH等综合手段加以控制。该过程一方面提高了处理成本，降低了膜寿命，另一方面也增加了浓水水质的复杂性，提高了浓水进一步处理的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有以反渗透为主体水处理技术存在的缺点，针对膜污染和膜结垢问题，寻求设计一种全新的复合离子交换——反渗透工艺，该工艺中的复合离子交换单元通过将两种选择性调整的强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂组合，可以有效去除待处理原水中的结垢离子和溶解性有机物，防止反渗透膜的无机结垢和有机污染，降低运行风险和成本。特别的，穿透的离子交换树脂可以通过海水/(或反渗透浓水)进行有效再生。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，包括原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统和浓水池，所述原水预处理系统的出水口通过管道与所述复合离子交换系统的进水口连接，所述复合离子交换系统的出水口通过管道与所述反渗透膜系统的进水口连接，所述反渗透膜系统的纯水端通过管道与纯水产水管道连接，所述反渗透膜系统的浓水端通过管道与浓水池的进水口连接，所述复合离子交换系统的进水口还通过分支管道与所述浓水池的出水口连接，所述复合离子交换系统的出水口还通过分支管道与沉淀池的进水口连接。
优选的，所述浓水池的进水口还通过分支管道分别与浓水补充管道、沉淀池连接，所述沉淀池的上清液出水口通过管道与原水管道连接。
优选的，所述原水预处理系统采用超滤膜组件、砂滤、多介质过滤器、活性炭、滤布中的一种或多种。
优选的，所述复合离子交换系统内填装有强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂，所述强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂的比例为1:0～0:1。
所述原水管道、原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统之间的管道上分别设置有产水系统阀门I17、产水系统阀门II 18、产水系统阀门III 19；所述反渗透膜系统浓水端与浓水池进水口之间的管道上设置有再生系统阀门I 20和再生泵6，所述浓水池出水口与复合离子交换系统进水口之间的管道上设置有再生系统阀门II 21，所述复合离子交换系统出水口与沉淀池的进水口之间的管道上设置有再生系统阀门III 22，所述沉淀池与浓水池之间的管道上设置有再生系统阀门IV 23、再生系统阀门V 24，所述沉淀池与原水管道之间的管道上设置有再生系统阀门VI 25。
所述复合离子交换系统的进水管道处设置有取样阀门I16，负责原水检测和浓水检测；所述复合离子交换系统的出水管道处设置有取样阀门II 26，负责离子交换系统产水、再生检测；所述沉淀池的出水管道上设置有取样阀门III 27，负责再生废液、沉淀池上清液和循环浓水检测。
离子交换系统中，阴阳离子交换剂比例按照进水水质和处理需求可自区间1：0(全为阴离子交换剂)-0：1(全为阳离子交换剂)调节，其中离子交换剂的选型按照原水水质与处理要求，挑选适合的基质、官能团、形态(大孔或凝胶)、交联度、烷基化程度及交换容量等。当水中存在特殊污染物(如磷、砷、氟、重金属、放射性元素等)时，按照需求对阴阳离子交换剂进行改性。
本发明还公开了一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，利用上述任一所述的系统进行处理，具体包括以下步骤：
(1)产水：待处理原水经过产水泵5、产水系统阀门I17、原水预处理系统1、产水系统阀门II 18、复合离子交换系统2、产水系统阀门III 19、反渗透膜系统3产出纯水；
(2)浓水再生：复合离子交换系统产生的浓水排出依次经过再生系统阀门I 20、再生泵6、浓水池13、再生系统阀门II 21、复合离子交换系统2、再生系统阀门III 22进入沉淀池，循环至原水管道或浓水池排放，当浓水端提供的水量不足时，可通过浓水循环回用或浓水补充(包括苦咸水、矿井水、海水等)完成。
(3)系统监测：取样阀门I16负责原水检测和浓水检测，取样阀门II 26负责离子交换系统产水、再生检测，取样阀门III 27负责再生废液、沉淀池上清液和循环浓水检测。
优选的，再生后的浓水其浊度不超过5NTU，pH不超过7.0。
优选的，经原水预处理系统处理后的水中浊度在5NTU以下。
优选的，当系统出水总硬度超过50ppm、硫酸盐超过20ppm时，复合离子交换系统需要进入再生过程。
优选的，当再生出水中的总硬度与再生液中总硬度接近时判定为再生结束。
有益效果
本发明公开了一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理新系统及工艺，该系统中的复合离子交换单元通过将两种选择性调整的强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂组合，可以有效去除待处理原水中的结垢离子和溶解性有机物，防止反渗透膜的无机结垢和有机污染，降低运行风险和成本。该工艺中的复合离子交换单元可以通过海水/(或反渗透浓水)进行有效再生，有效提高了反渗透产水回收率，避免阻垢剂使用和膜清洗成本，提升膜寿命。
附图说明
图1：实施例1所述复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统的结构示意图；
图2：实施例2所述复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统的结构示意图；
图3：复合离子交换系统出水总硬度变化情况图；
图4：海水再生复合离子交换系统出水总硬度变化情况图；
图5：复合离子交换系统出水COD变化情况图；
图6：海水再生复合离子交换系统出水COD变化情况图；
图中，1：原水预处理系统；2：复合离子交换系统；3：反渗透膜系统；4：再生液处理系统；5：产水泵；6：再生泵；7：高压泵；8：阀门I；9：阀门III；10：阀门II；11：阀门IV；12：阀门V；13：浓水储存池；14：沉淀池；15：浓水补充阀门；16：取样阀门I；17：产水系统阀门I；18：产水系统阀门II；19：产水系统阀门III；20：再生系统阀门I；21：再生系统阀门II；22：再生系统阀门III；23：再生系统阀门IV；24：再生系统阀门V；25：再生系统阀门VI；26：取样阀门II；27：取样阀门III。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1
如图1所示，一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，其中，5为产水泵；6为再生泵，1为可选预处理系统(包括但不限于超滤膜组件、砂滤、多介质过滤器、活性炭、滤布等)，13为浓水储存池，2为复合型离子交换系统(其中阴阳离子交换剂的选型和比例根据进水水质差异进行调整)，3为反渗透膜组件(其中灰色部分为浓水端，白色部分为纯水端)，14为沉淀池，17-19为产水系统阀门，20-25为再生系统阀门，15为浓水补充阀门，16为取样阀门。
该耦合系统的核心组件为2、3，其余组件均按需添加。
所述原水管道、原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统之间的管道上分别设置有产水系统阀门I17、产水系统阀门II 18、产水系统阀门III 19；所述反渗透膜系统浓水端与浓水池进水口之间的管道上设置有再生系统阀门I 20和再生泵6，所述浓水池出水口与复合离子交换系统进水口之间的管道上设置有再生系统阀门II 21，所述复合离子交换系统出水口与沉淀池的进水口之间的管道上设置有再生系统阀门III 22，所述沉淀池与浓水池之间的管道上设置有再生系统阀门IV 23、再生系统阀门V 24，所述沉淀池与原水管道之间的管道上设置有再生系统阀门VI 25。
所述复合离子交换系统的进水管道处设置有取样阀门I 16，负责原水检测和浓水检测；所述复合离子交换系统的出水管道处设置有取样阀门II 26，负责离子交换系统产水、再生检测；所述沉淀池的出水管道上设置有取样阀门III 27，负责再生废液、沉淀池上清液和循环浓水检测。
产水系统：待处理原水经过产水泵5、产水系统阀门I17、原水预处理系统1、产水系统阀门II 18、复合离子交换系统2、产水系统阀门III 19、反渗透膜系统3产出纯水。
浓水再生系统：浓水排出经过再生系统阀门I 20、再生泵6、浓水储存池13、再生系统阀门II 21、复合离子交换系统2、再生系统阀门III 22进入沉淀池或循环至原水或浓水排放。根据处理需求，当浓水端提供的水量不足时，可通过浓水循环回用或浓水补充(包括苦咸水、矿井水、海水等)完成。
系统监测：取样阀门I16负责原水检测和浓水检测，取样阀门II 26负责离子交换系统产水、再生检测，取样阀门III 27负责再生废液、沉淀池上清液和循环浓水检测。
离子交换系统中，阴阳离子交换剂比例按照进水水质和处理需求可自区间1：0(全为阴离子交换剂)-0：1(全为阳离子交换剂)调节，其中离子交换剂的选型按照原水水质与处理要求，挑选适合的基质、官能团、形态(大孔或凝胶)、交联度、烷基化程度及交换容量等。当水中存在特殊污染物(如磷、砷、氟、重金属、放射性元素等)时，按照需求对阴阳离子交换剂进行改性。
实施例2
如图2所示，一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，包括原水预处理系统1、复合离子交换系统2、反渗透系统3和再生液处理系统4，所述原水预处理系统1的出水口通过管道与所述复合离子交换系统2的进水口连接，所述复合离子交换系统2的出水口通过管道与所述反渗透系统3的进水口连接；所述复合离子交换系统2的进水口通过分支管道与所述再生液处理系统4的出水口连接，所述复合离子交换系统2的出水口通过分支管道与废液管道连接；所述复合离子交换系统与原水预处理系统、再生液处理系统、废液管道、反渗透系统之间的管道上分别设置有阀门I 8、阀门III 9、阀门II 10、阀门IV 11。
所述系统包括以下几个主体部分：
(1)原水预处理系统：原水预处理的目的在于有效去除待处理水中的悬浮物，降低浊度，正常情况下经处理后的水中浊度在5NTU以下，可以进入复合离子交换系统。采用的方法包括但不限于砂滤、多介质过滤、絮凝沉淀。
(2)复合离子交换系统：该系统内填装的树脂为强碱性阴离子交换树脂和强酸性阳离子交换树脂，而两种树脂均经过了离子选择性调整改性以适应特殊的再生溶液要求，且两种树脂的比例根据原水水质动态调整，树脂需要再生的表现指标包括但不限于总硬度、硫酸盐、硝酸盐、化学需氧量等，判定标准为系统出水总硬度超过50ppm，硫酸盐超过20ppm。产水和再生过程中，复合离子交换系统中的水流方向均为底部进水，上部出水。
(3)反渗透系统：反渗透系统的膜组件确定受待处理水和再生方式双重影响。所选膜组件的基本要求为抗污染、大通量、耐高压。
(4)海水处理系统/(膜浓水处理系统)：该系统的目的是对再生液(海水或膜浓水)进行处理，基本目的是控制其浊度不超过5NTU，pH不超过7.0；。
本发明的工作原理和实施方式如下：
产水过程：待处理原水经产水泵5先通过原水预处理系统1以去除悬浮物，降低浊度，之后经过阀门I 8、复合离子交换系统2、阀门IV 11，经高压泵7加压后进入反渗透膜系统3，产水进入供水网络，反渗透膜系统3产生的反渗透浓水进入再生液处理系统4。产水期间阀门II 10、阀门III 9处于关闭状态。产水过程中复合离子交换系统出水总硬度接近50ppm时，离子交换系统进入再生流程。
再生过程：阀门III 9、阀门II 10打开，阀门I 8、阀门IV 11关闭，利用再生液处理系统4对海水或反渗透浓水进行pH调整和过滤，处理后的海水或反渗透浓水经再生泵6按照由下向上的水流方向对复合离子交换系统的树脂罐进行再生，再生出水中的总硬度与再生液中总硬度接近时判定为再生结束。再生后的树脂罐继续与反渗透联合产水。
本发明所述的一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理新系统，其中的复合离子交换单元通过将两种选择性调整的强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂组合，可以有效去除待处理原水中的结垢离子和溶解性有机物，防止反渗透膜的无机结垢和有机污染，降低运行风险和成本。该工艺中的复合离子交换单元可以通过海水/(或反渗透浓水)进行有效再生，有效提高了反渗透产水回收率，避免阻垢剂使用和膜清洗成本，提升膜寿命。
实验例
为了验证本发明所述的海水/(或反渗透浓水)再生的复合离子交换——反渗透深度水处理工艺的效果，在某县级市污水处理厂进行验证，验证通过中试方式进行，设计处理能力为15m3/h。原水中的总硬度约为350ppm，COD约14ppm。
下图3-图6为复合离子交换系统产水、再生出水曲线图。
复合离子交换系统后的反渗透单元按照回收率75％设计，整个中试期间(6个月以上)，RO系统没有经过任何酸碱清洗，进水中也没有添加任何阻垢剂，由此节约药剂成本约0.5～0.6元/m3。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，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所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，包括原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统和浓水池，所述原水预处理系统的出水口通过管道与所述复合离子交换系统的进水口连接，所述复合离子交换系统的出水口通过管道与所述反渗透膜系统的进水口连接，所述反渗透膜系统的纯水端通过管道与纯水产水管道连接，所述反渗透膜系统的浓水端通过管道与浓水池的进水口连接，所述复合离子交换系统的进水口还通过分支管道与所述浓水池的出水口连接，所述复合离子交换系统的出水口还通过分支管道与沉淀池的进水口连接。
2.根据权利要求1所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，其特征在于，所述浓水池的进水口还通过分支管道分别与浓水补充管道、沉淀池连接，所述沉淀池的上清液出水口通过管道与原水管道连接。
3.根据权利要求2所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，其特征在于，所述原水管道、原水预处理系统、复合离子交换系统、反渗透膜系统之间的管道上分别设置有产水系统阀门I、产水系统阀门II、产水系统阀门III；所述反渗透膜系统浓水端与浓水池进水口之间的管道上设置有再生系统阀门I和再生泵，所述浓水池出水口与复合离子交换系统进水口之间的管道上设置有再生系统阀门II，所述复合离子交换系统出水口与沉淀池的进水口之间的管道上设置有再生系统阀门III，所述沉淀池与浓水池之间的管道上设置有再生系统阀门IV、再生系统阀门V，所述沉淀池与原水管道之间的管道上设置有再生系统阀门VI。
4.根据权利要求3所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，其特征在于，所述复合离子交换系统的进水管道处设置有取样阀门I；所述复合离子交换系统的出水管道处设置有取样阀门II；所述沉淀池的出水管道上设置有取样阀门III。
5.根据权利要求1所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理系统，其特征在于，所述原水预处理系统采用超滤膜组件、砂滤、多介质过滤器、活性炭、滤布中的一种或多种；所述复合离子交换系统内填装有强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂，所述强碱性阴离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂的比例为1:0～0:1。
6.一种复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，其特征在于，利用权利要求1-5任一所述的系统进行处理，具体包括以下步骤：
(1)产水：待处理原水经过产水泵、产水系统阀门I、原水预处理系统、产水系统阀门II、复合离子交换系统、产水系统阀门III、反渗透膜系统产出纯水；
(2)浓水再生：复合离子交换系统产生的浓水排出依次经过再生系统阀门I、再生泵、浓水池、再生系统阀门II、复合离子交换系统、再生系统阀门III进入沉淀池，循环至原水管道或浓水池排放，当浓水端提供的水量不足时，可通过浓水循环回用或浓水补充完成；
(3)系统监测：取样阀门I负责原水检测和浓水检测，取样阀门II负责离子交换系统产水、再生检测，取样阀门III负责再生废液、沉淀池上清液和循环浓水检测。
7.根据权利要求6所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，其特征在于，再生处理后的浓水其浊度不超过5NTU，pH不超过7.0。
8.根据权利要求6所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，其特征在于，经原水预处理系统处理后的水中浊度在5NTU以下。
9.根据权利要求6所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，其特征在于，当系统出水总硬度超过50ppm、硫酸盐超过20ppm时，复合离子交换系统需要进入再生过程，当再生出水中的总硬度与再生液中总硬度接近时判定为再生结束。
10.根据权利要求6所述的复合离子交换—反渗透耦合的深度水处理工艺，其特征在于，所述工艺可实现硫酸钙固体的回收。
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