CN116924521A - 一种高浓度废水的浓缩系统和浓缩方法 - Google Patents

一种高浓度废水的浓缩系统和浓缩方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高浓度废水的浓缩系统和浓缩方法，借助N段串联、M级并联的辅助反渗透装置进行辅助反渗透，能在施加较小压力的前提下，实现高盐度、高浓度废水的净化，再经过二级反渗透处理，最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。该高浓度废水的浓缩系统，具有设备简单，可操作性强等优点。本发明所提供的高浓度废水的浓缩方法，破反渗透浓缩极限，在70bar下理论可以达到氯化钠盐份的饱和度，相比于蒸发器浓缩，可以大大降低进蒸发器的量，从而降低整体系统的能耗。

Description

一种高浓度废水的浓缩系统和浓缩方法
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体而言，涉及一种高浓度废水的浓缩系统和浓缩方法。
背景技术
反渗透处理是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法。反渗透的操作压力取决于半透膜两端的渗透压差，而常规的海水淡化反渗透，在操作压力70bar下，最高只能达到70000-80000mg/L的氯化钠浓度。若需达到更高的浓水浓度，需要增加更大的压力，同时随着压力的增加，也会影响反渗透膜的承受压力的能力。压力提高，整个反渗透系统的耐压等级也随之增加，相应的系统成本和安全风险也随之增加。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高浓度废水的浓缩系统，借助N段串联、M级并联的辅助反渗透装置进行辅助反渗透，能在施加较小压力的前提下，实现高盐度、高浓度废水的净化，再经过二级反渗透处理，最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。所述的高浓度废水的浓缩系统，具有设备简单，可操作性强等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的高浓度废水的浓缩方法，该方法破反渗透浓缩极限，在70bar下理论可以达到氯化钠盐份的饱和度，相比于蒸发器浓缩，可以大大降低进蒸发器的量，从而降低整体系统的能耗。得到的最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明所提供一种高浓度废水的浓缩系统，N段串联、M级并联的辅助反渗透浓缩装置、第一反渗透装置和第二反渗透装置；
其中，N≥2，M≥1，即同一级含有N段串联的所述辅助反渗透浓缩装置；
每个所述辅助反渗透浓缩装置包括腔体，以及设置在所述腔体内的反渗透膜，所述反渗透膜将所述腔体分成高压侧和低压侧，所述高压侧具有第一进水口和第一浓水出水口，低压侧具有汲取液的进液口和出液口；
第一级的第一段所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的第一进水口与待处理废水相连接；
每级辅助反渗透浓缩装置中，废水经第一段辅助反渗透浓缩后，从所述高压侧的所述第一浓水出水口排出，再进入第二段所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的所述第一进水口进行第二段辅助反渗透浓缩，之后从所述高压侧的所述第一浓水出水口排出再进入第三段、第四段，直至第N段所述辅助反渗透浓缩装置；
上一级的所有所述辅助反渗透浓缩装置的所述低压侧的所述出液口与下一级第一段的所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的所述第一进水口相连接；
所述第一反渗透装置包括第二进水口，第二浓水出水口和第一产水出水口；
所述第二反渗透装置包括第三进水口，第三浓水出水口和第二产水出水口；
所述第一反渗透装置的所述第二进水口与每一级、每一段的所述辅助反渗透浓缩装置的所有所述低压侧的所述出液口相连接，所述第一反渗透装置的所述第一产水出水与所述第二反渗透装置的所述第三进水口相连接；
所述第一反渗透装置的所述第二浓水出水口与第M级的所有所述辅助反渗透浓缩装置的所述低压侧相连接；所述第二反渗透装置的所述第三浓水出水口与所述第一反渗透装置的所述第二进水口相连接。
优选地，每一级所述辅助反渗透浓缩装置还包括增压装置。
优选地，所述第一反渗透装置与所述辅助反渗透浓缩装置之间设置有增压装置。
优选地，所述第一反渗透装置和/或所述第二反渗透装置内设置有不同截留率的串联的反渗透膜，所述反渗透膜的所述截留率从进水侧至浓水侧逐渐降低。
优选地，所述截留率为50％～90％。
本发明所提供的一种高浓度废水的浓缩方法，使用如上所述的高浓度废水的浓缩系统对废水进行浓缩，包括以下步骤：
(1)、辅助反渗透浓缩处理：待处理废水经过加压处理，加压至60～70bar，然后进入第一级、第一段的辅助反渗透浓缩装置的高压侧，然后再进入第二段的辅助反渗透浓缩装置，最后一段处理后的汲取液再进入第二级辅助反渗透浓缩装置的高压侧，进行第二级辅助反渗透浓缩处理，直到辅助反渗透处理后的汲取液浓度小于60000mg/L；
(2)、反渗透浓缩处理：经过M级辅助反渗透浓缩处理后的汲取液进行第一反渗透处理和第二反渗透处理后，得到的最终产水小于500mg/L。
优选地，所述待处理废水中氯化钠的浓度大于等于70000mg/L。
优选地，在步骤(1)中，每两级相邻的辅助反渗透浓缩处理后的浓水的浓度差为4％～7％。
优选地，在步骤(2)中，所述第一反渗透处理的压力为65～70bar。
本发明所提供的一种高浓度废水的处理方法，包括所述的高浓度废水的浓缩方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的高浓度废水的浓缩系统，借助N段串联、M级并联的辅助反渗透装置进行辅助反渗透，能在施加较小压力的前提下，实现高盐度、高浓度废水的净化，再经过二级反渗透处理，该浓缩系统具有设备简单，可操作性强等优点。
(2)本发明所提的高浓度废水的浓缩方法，该方法破反渗透浓缩极限，在70bar下理论可以达到氯化钠盐份的饱和度，相比于蒸发器浓缩，可以大大降低进蒸发器的量，从而降低整体系统的能耗。
(3)本发明所提的高浓度废水的浓缩系统和方法，最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的高浓度废水的浓缩系统示意图；
图2为本发明又一实施例所提供的高浓度废水的浓缩系统示意图。
附图标记：
1-辅助反渗透浓缩装置； 11-高压侧
12-低压侧； 2-第一反渗透装置；
3-第二反渗透装置； 4-增压装置；
5-双截止阀； 6-浓水箱。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一方面，一种高浓度废水的浓缩系统，包括N段串联、M级并联的辅助反渗透浓缩装置1、第一反渗透装置2和第二反渗透装置3；
其中，N≥2，M≥1，即同一级含有N段串联的辅助反渗透浓缩装置1，串联后再并联；
N包括但不限于2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个，M包括但不限于1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个。图1为N＝2和M＝2的高浓度废水的浓缩系统的连接示意图。图2为N＝2和M＝1的高浓度废水的浓缩系统的连接示意图。
每个辅助反渗透浓缩装置1包括腔体，以及设置在腔体内的反渗透膜，反渗透膜将腔体分成高压侧11和低压侧12，高压侧11具有第一进水口和第一浓水出水口，低压侧12具有汲取液的进液口和出液口；反渗透膜可以水平放置，也可以与水平面成一定角度。
第一级的第一段辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11的第一进水口与待处理废水相连接；每级中，上一段的低压侧12的出液口与下一级段的高压侧11的第一进水口相连接。废水经高压泵加压后，进入辅助反渗透浓缩系统高压侧11的第一进水口，废水经第一级第一段辅助反渗透浓缩后，从高压侧11的第一浓水口出来，再进入第二段辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11的第一进水口进行第二级浓缩，之后从高压侧11的第一浓水出水口出来进入第三段……第N段辅助反渗透浓缩装置1，然后再进入下一级的辅助反渗透浓缩系统，直到浓缩到指定的浓度。
上一级的所有辅助反渗透浓缩装置1的低压侧12的出液口与下一级第一段的辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11的第一进水口相连接；
第一反渗透装置2包括第二进水口，第二浓水出水口和第一产水出水口。
第二反渗透装置3包括第三进水口，第三浓水出水口和第二产水出水口。
第一反渗透装置2的第二进水口与每一级、每一段的辅助反渗透浓缩装置1的所有低压侧12的所述出液口相连接，第一反渗透装置2的第一产水出水与第二反渗透装置3的第三进水口相连接；
第一反渗透装置2的第二浓水出水口与第M级的所有辅助反渗透浓缩装置1的低压侧12相连接；第二反渗透装置3的第三浓水出水口与第一反渗透装置2的第二进水口相连接。
一实施方式中，每一级辅助反渗透浓缩装置1还包括增压装置4，优选为增压泵；除此之外，每一级辅助反渗透浓缩装置1还包括了进水箱、保安滤器和高压泵等。具体地，废水从进水池经增压泵增压后进入保安过滤器初步过滤，然后利用高压泵送入第一级辅助反渗透浓缩装置1，进行第一次辅助反渗透过滤，产水送入产水箱，然后再进入下一级辅助反渗透过滤；每一级浓水均送入浓水箱6，并且保持每一级辅助反渗透系统的浓水浓度差值在4％～7％范围内。此外，浓水调压采用双截止阀5设置，以防止由于截止阀进出口压差过大而导致气蚀现象，腐蚀管道阀门。
一实施方式中，第一反渗透装置2与辅助反渗透浓缩装置1之间设置有增压装置4。除此之外，还包括了进水箱、保安滤器和高压泵等。
一实施方式中，第一反渗透装置2和/或第二反渗透装置3内设置有不同截留率的串联的反渗透膜，反渗透膜的截留率从进水侧至浓水侧逐渐降低。
一实施方式中，截留率为50％～90％，例如50％、60％、70％、80％、90％。优选地，串联的反渗透膜的截留率依次降低。
第二方面，本发明所提供的一种高浓度废水的浓缩方法，使用如上的高浓度废水的浓缩系统对废水进行浓缩，该方法破反渗透浓缩极限，在70bar下理论可以达到氯化钠盐份的饱和度，相比于蒸发器浓缩，可以大大降低进蒸发器的量，从而降低整体系统的能耗。具体包括以下步骤：
(1)、辅助反渗透浓缩处理：待处理废水经过加压处理，加压至60～70bar，例如60bar、62bar、65bar、68bar、70bar中的任一压力值或者任两个压力值组成的范围值，然后进入第一级、第一段的辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11，然后再进入第二段的辅助反渗透浓缩装置1，最后一段处理后的汲取液再进入第二级辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11，进行第二级辅助反渗透浓缩处理，直到辅助反渗透处理后的汲取液浓度小于60000mg/L；
(2)、反渗透浓缩处理：经过M级辅助反渗透浓缩处理后的汲取液进行第一反渗透处理和第二反渗透处理后，得到的最终产水小于500mg/L。
一实施方式中，待处理废水中氯化钠的浓度大于等于70000mg/L，例如70000mg/L、80000mg/L、90000mg/L、100000mg/L、120000mg/L、130000mg/L。
一实施方式中，在步骤(1)中，每两级相邻的辅助反渗透浓缩处理后的浓水的浓度差为4％～7％，例如4％、5％、6％、7％中的任一点值或任两个点值组成的范围值。
一实施方式中，在步骤(2)中，第一反渗透处理的压力为65～70bar，65bar、68bar、70bar中的任一压力值或者任两个压力值组成的范围值。
本方案中所提到的浓度是指水溶液中氯化钠的浓度。
第三方面，本发明所提供的一种高浓度废水的处理方法，包括的高浓度废水的浓缩方法，该方法以较小压力实现了对于高浓度盐水的反渗透处理。
反渗透脱盐的机理目前主要存在两种理论：毛细孔流模型和溶解扩散模型。这两种模型都认为水分子在固液界面上被优先吸附并通过，相反盐类和其他物质被截留。水与膜表面之间有弱的化学结合力，使的水能够在膜结构中扩散。膜的化学物理性质决定了在传递过程中水比盐具有更快的扩散速率。
水在膜中的透过量(即产水量)可以由式确定。
式中：QW——水的透过量；
ΔP——膜两侧压力差；
Δπ——膜两侧渗透压差；
KW——膜的纯水系数；
S——膜面积；
d——膜分离层的厚度。
从式(1)中可导出式(2)
KW、S、d跟膜的性质有关，对于同一种膜,KW、S、d都是一个定值。因此，在保持同等水的透过量QW下时，膜两侧渗透压差越低，操作压力也约低。不同浓度氯化钠对应渗透压如表1所示。
从式(1)、(2)及表1中可看出，每一级辅助反渗透的浓水浓度差值控制在7％以为，操作压力在70bar，第一级辅助反渗透的浓水浓度可以无限增加，直至盐水的饱和终点。
表1 25℃不同氯化钠浓度下对应的渗透压值
因此，本发明通过增加N级辅助反渗透装置，可以在70bar下理论可以达到氯化钠盐份的饱和度，相比于蒸发器浓缩，可以大大降低进蒸发器的量，从而降低整体系统的能耗。
实施例1
本实施例所提供的高浓度废水的浓缩方法，具体包括一下步骤：
(1)废水氯化钠含量70000mg/L经高压泵加压至66bar后，进入辅助反渗透浓缩系统高压侧11的第一进水口，废水经第一级的第一段辅助反渗透装置浓缩后，从高压侧11的第一浓水出水口排出，再进入第二段辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11的第一进水口进行浓缩，浓水中氯化钠的浓度达到140000mg/L后可排出系统，达到浓缩的目的。
(2)辅助反渗透浓缩装置1的稀释流的汲取液为50000mg/L(氯化钠)浓度，汇集后进入第一反渗透浓缩装置进行浓缩。第一级的辅助反渗透浓缩系统的稀释流的汲取液经高压泵加压至65bar后，泵入第一反渗透装置2进行浓缩至90000mg/L(氯化钠浓度)经双截止阀5卸压后，与辅助反渗透浓缩装置1的低压侧12汲取液进口相连接。
(3)反渗透的产水8400mg/L氯化钠浓度经第二反渗透装置3处理后，最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。
其中，第一反渗透装置2中反渗透膜采用截留率反渗透膜为90％、80％和70％的串联而成。
实施例2
本实施例所提供的高浓度废水的浓缩方法，具体包括一下步骤：
(1)废水氯化钠含量80000mg/L经高压泵加压至70bar后，进入辅助反渗透浓缩系统高压侧11的第一进水口，废水经第一级的第一段辅助反渗透装置浓缩后，从高压侧11的第一浓水出水口排出，再进入第二段辅助反渗透浓缩装置1的高压侧11的第一进水口进行浓缩，浓水中氯化钠的浓度达到160000mg/L后可排出系统，达到浓缩的目的。
(2)辅助反渗透浓缩装置1的稀释流的汲取液为60000mg/L(氯化钠)浓度，汇集后进入第一反渗透浓缩装置进行浓缩。第一级的辅助反渗透浓缩系统的稀释流的汲取液经高压泵加压至70bar后，泵入第一反渗透装置2进行浓缩至115000mg/L(氯化钠浓度)经双截止阀5卸压后，与辅助反渗透浓缩装置1的低压侧12汲取液进口相连接。
(3)反渗透的产水38000mg/L氯化钠浓度经第二反渗透装置3处理后，最终产水TDS达到小于500mg/L，可以做为回用水回用。
其中，第一反渗透装置2中反渗透膜采用截留率反渗透膜为60％、50％和40％的串联而成。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种高浓度废水的浓缩系统，其特征在于，包括N段串联、M级并联的辅助反渗透浓缩装置、第一反渗透装置和第二反渗透装置；
其中，N≥2，M≥1，即同一级含有N段串联的所述辅助反渗透浓缩装置；
每个所述辅助反渗透浓缩装置包括腔体，以及设置在所述腔体内的反渗透膜，所述反渗透膜将所述腔体分成高压侧和低压侧，所述高压侧具有第一进水口和第一浓水出水口，低压侧具有汲取液的进液口和出液口；
第一级的第一段所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的第一进水口与待处理废水相连接；
每级辅助反渗透浓缩装置中，废水经第一段辅助反渗透浓缩后，从所述高压侧的所述第一浓水出水口排出，再进入第二段所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的所述第一进水口进行第二段辅助反渗透浓缩，之后从所述高压侧的所述第一浓水出水口排出再进入第三段、第四段，直至第N段所述辅助反渗透浓缩装置；
上一级的所有所述辅助反渗透浓缩装置的所述低压侧的所述出液口与下一级第一段的所述辅助反渗透浓缩装置的所述高压侧的所述第一进水口相连接；
所述第一反渗透装置包括第二进水口，第二浓水出水口和第一产水出水口；
所述第二反渗透装置包括第三进水口，第三浓水出水口和第二产水出水口；
所述第一反渗透装置的所述第二进水口与每一级、每一段的所述辅助反渗透浓缩装置的所有所述低压侧的所述出液口相连接，所述第一反渗透装置的所述第一产水出水与所述第二反渗透装置的所述第三进水口相连接；
所述第一反渗透装置的所述第二浓水出水口与第M级的所有所述辅助反渗透浓缩装置的所述低压侧相连接；所述第二反渗透装置的所述第三浓水出水口与所述第一反渗透装置的所述第二进水口相连接。
2.根据权利要求1所述的高浓度废水的浓缩系统，其特征在于，每一级所述辅助反渗透浓缩装置还包括增压装置。
3.根据权利要求1所述的高浓度废水的浓缩系统，其特征在于，所述第一反渗透装置与所述辅助反渗透浓缩装置之间设置有增压装置。
4.根据权利要求1所述的高浓度废水的浓缩系统，其特征在于，所述第一反渗透装置和/或所述第二反渗透装置内设置有不同截留率的串联的反渗透膜，所述反渗透膜的所述截留率从进水侧至浓水侧逐渐降低。
5.根据权利要求4所述的高浓度废水的浓缩系统，其特征在于，所述截留率为50％～90％。
6.一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于，所述高浓度废水的浓缩方法使用如权利要求1-5任一项所述的高浓度废水的浓缩系统对废水进行浓缩，包括以下步骤：
(1)、辅助反渗透浓缩处理：待处理废水经过加压处理，加压至60～70bar，然后进入第一级、第一段的辅助反渗透浓缩装置的高压侧，然后再进入第二段的辅助反渗透浓缩装置，进行第二级辅助反渗透浓缩处理，直到辅助反渗透处理后的汲取液浓度小于60000mg/L；
(2)、反渗透浓缩处理：经过M级辅助反渗透浓缩处理后的汲取液进行第一反渗透处理和第二反渗透处理后，得到的最终产水小于500mg/L。
7.根据权利要求6所述的高浓度废水的浓缩方法，其特征在于，所述待处理废水中氯化钠的浓度大于等于70000mg/L。
8.根据权利要求6所述的高浓度废水的浓缩方法，其特征在于，在步骤(1)中，每两级相邻的辅助反渗透浓缩处理后的浓水的浓度差为4％～7％。
9.根据权利要求6所述的高浓度废水的浓缩方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述第一反渗透处理的压力为65～70bar。
10.一种高浓度废水的处理方法，其特征在于，包括如权利要求6-9任一项所述的高浓度废水的浓缩方法。
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