CN117417006A - 一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及海水淡化预处理的领域，尤其是涉及一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法，其包括贮存海水的原水箱、去除海水杂质的过滤器、用于海水淡化的超滤膜结构，三者相连接，储存在原水箱中的海水依次通过过滤器与超滤膜结构，其特征在于：所述超滤膜结构包括无机陶瓷膜，此外，还包括反洗组件，设置在水流流向的后方，并靠近超滤膜结构设置，用于超滤膜结构的自动清洗。本发明具有降低温度对淡化系统重超滤膜结构的滤透性影响，提高冬季海水淡化系统产能的效果。

Description

一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法

技术领域

本申请涉及海水淡化预处理的领域，尤其是涉及一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法。

背景技术

地球表面约70％的面积被海洋所覆盖，海水又苦又咸还含有多种盐类，在全球水资源中，淡水资源只占2.5%，其中大多数冻贮在南极洲、格陵兰岛等地的冰川之中，能够直接被人类利用的淡水资源实际不到1%。

随着全球人口的不断增长与经济的发展，淡水资源的需求日益增加，然而，淡水资源的供应却面临着严重的挑战，其中之一便是上述淡水资源的稀缺。考虑到海洋蕴含着丰富的海水资源，因此，海水淡化成为一种重要的解决方案。

海水淡化旨在将海水中的盐分或杂质去除，使其变为可供人类直接使用的淡水资源。海水淡化不单单只是去除海水中的盐分，从工艺上讲海水淡化主要包括海水预处理、淡化脱盐、淡化水后处理等。首先海水里面含有大量无机盐、氯、藻类与微生物，海水预处理包括沙池过滤、沉淀、加注絮凝剂等诸多过程，去除海水中的杂质，且通过一系列工艺获取到的淡水普遍呈酸性，不仅不能直接饮用，还会腐蚀水管、污染周边海域。

海水淡化的主流方法为反渗透技术，以压力差为推动力，从溶液中用超滤膜结构分离出溶剂，对膜的一侧液体施加压力，当压力超过溶液的渗透压时，溶剂会逆自然渗透的方向作反向渗透，若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，高压侧得到卤水。逆渗透膜技术具有高效、可控和可持续的优点，成为海水淡化领域的重要突破。

目前，反渗透膜法淡化项目一般采用有机超滤膜结构，而淡化系统受温度变化影响较大，温度越低，水的粘度越大，需要更大的压力维持产水量，造成能耗增加，尤其是冬季寒冷环境下，淡化系统中水温接近0℃，水中已有少量冰丝状结晶，继续生产将导致有机超滤膜结构堵塞甚至损坏，影响运行温度性，从而导致后方供水间断。甚或遭遇极寒天气时，淡化系统无法正常运行，必须紧急停机，间断供水，极寒天气过后需清洗修复系统，才能重启系统。

针对上述中的相关技术，发明人认为温度对淡化系统的产水影响不容忽视，需对海水淡化系统进行改进，或使用其他的受温度影响较小的超滤膜结构代替。

发明内容

为了降低温度对淡化系统重超滤膜结构的滤透性影响，提高冬季海水淡化系统产能，本发明提供一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法。

本发明一方面提供一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，采用如下的技术方案：

一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统及运行方法，包括贮存海水的原水箱、去除海水杂质的过滤器、用于海水淡化的超滤膜结构，三者相连接，储存在原水箱中的海水依次通过过滤器与超滤膜结构，其特征在于：

所述超滤膜结构包括无机陶瓷膜，此外，还包括；

反洗组件，设置在水流流向的后方，并靠近超滤膜结构设置，用于超滤膜结构的自动清洗。

通过采用上述技术方案，开发低成本、高精度和抗污染陶瓷超滤膜结构及国产化陶瓷膜平替有机膜在低水温条件下海水淡化中的应用，将无机陶瓷膜代替传统方案下的有机膜，无机陶瓷膜具有如下优点，通透性高，无机陶瓷膜具有较高的盐透过率，更高效的分离海水中的盐分与其他杂质，实现海水的淡化；耐温性能高，无机陶瓷膜的通透性较有机膜的通透性受温度影响较小，从而能够改善低温条件下产水率低，节省额外加压所需能耗；上述所述优点均有实验数据支撑，以100吨/天的中试级性能实验评估，表明同样水温条件下，单支无机陶瓷膜较单支有机膜产水量高20%以上；二是低温下无机陶瓷膜也存在产水量降低情况，但水量降幅明显低于有机膜，无机陶瓷膜低温情况下较高温情况降幅约25%，而有机超滤膜结构降低约50%以上，无机陶瓷膜代替有机膜后，整个海水淡化系统耐温极限增高，减少寒冷天气下温度对淡水产能的减小，在非极寒条件下能够实现淡水供应的不间断。

可选的，所述反洗组件包括；

加药罐，设置在所述过滤器与所述超滤膜结构之间，用于储存反洗药剂，所述加药罐两端与超滤膜结构的两端连通，组成回路；

循环泵，设置于所述加药罐与所述超滤膜结构之间，用于驱动水流循环；

阻流阀，于所述加药罐两端分别设置有一个，用于加药罐与所述超滤膜结构间回路的连通。

通过采用上述技术方案，反渗透法海水淡化过程中超滤膜结构是关键的核心组件，渗透膜的孔径极小，小于100nm，在海水淡化过程中，超滤膜结构表面的盐分浓度逐渐增加，至一定浓度后盐分结晶趁机于超滤膜结构表面，此外，海水中富含的矿物质也会在超滤膜结构表面结晶，所以在海水淡化系统中设置自动反洗组件，代替工程师手动清洗的方法，自动化定期清理超滤膜结构表面累计的盐矿物质，其采用回路环流清洗的方法，循环泵设置在回路内部提供水流循环的动力，通过水流溶解加药罐中贮存的药剂，去除附着在超滤膜结构表面的盐矿物质，再通过水流循环节省冲洗所需水量，同时加强杂质清除效果，非清洗时，阻流阀关闭回路，封闭加药罐，在清洗时，阻流阀开启以构成清洗循环回路。

可选的，还包括，

反冲阀，用于单向流通所述加药罐(41)与所述超滤膜结构(3)的管道。

通过采用上述技术方案，循环多次的清洗水流在清洗过程结束后从排污管流出，并利用反冲阀的单向流通效果，清洗完成后防止清洗完成后的水流倒流，保证后方水流将清洗水流单向排出系统。

可选的，还包括；

回流管，所述回流管连通所述超滤膜结构组件与所述原水箱，用于回流所述超滤膜结构组件清洗时的水流。

通过采用上述技术方案，回流管改善了传统条件下海水的单向流通，增加了海水的回流通道，正常情况下，回流通道处于关闭状态，在超滤膜结构清洗完成后一段时间内，系统内仍有清洗后的物质残留，若直接排出会导致供水质量下降，设置回流通道将系统内刚清洗完成阶段后的水流重新引入原水箱内二次过滤，以此保证后方的供水质量。

可选的，所述超滤膜结构由多个所述无机陶瓷膜与超滤膜结构壳组成，多个无机陶瓷膜与所述超滤膜结构壳之间形成渗透腔，用于淡化水的储存并流出；

此外，还包括用于施加对抗渗透压的加压件。

通过采用上述技术方案，实现于一定体积内增大单只膜面积，为保证淡水生产效率，将单只膜面积增大至不小于28㎡，此外，对无机陶瓷膜的率透过孔径做出要求，平均孔径小于100nm，仅供水分子通过，保证海水淡化的效果。

可选的，所述加药罐内盛装的药剂由10%的PAC（聚合氯化铝）药剂组成；

所述加药罐单次投加PAC药剂不多于0.5t。

通过采用上述技术方案，PAC具有良好的絮凝效果，有效聚集悬浮在海水中的微小颗粒，形成较大的絮凝体，便于后续的过滤与分离，而10%的PAC溶液具有适中的浓度，对PAC药剂投入量做出限制，节约PAC投入成本的同时获得最佳的絮凝效果。

本发明另一方面提供一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统的运行方法，包括以下步骤：

海水湖向原水箱输送表层海水，给水泵将海水送入过滤器对海水进行过滤、沉淀、絮凝剂絮凝的预处理过程；

给水泵将海水送入超滤膜结构，海水通过反渗透作用，经过无机陶瓷膜的滤除淡化后，淡水流入渗透腔中；

海水从淡化系统的出水口流出，系统开启超滤膜结构的自动反洗进程。

通过采用上述步骤，海水淡化的原料从海洋表层即海洋上层几米到十几米的范围内抽取，此部分的水体海水较为清澈，且悬浮物于有机物质相对含量较低，容易去除，此外，相对的说氯化钠分布也较为均匀，此部分的水体抽取可以减少处理过程中悬浮物和有机物质的处理负担，且从较浅的部分抽取海洋水又同时减轻海水的抽取负担，本方案通过一系列的设置将前端抽取的海水经预处理、淡化处理过程后直接排出，并海水淡化系统末端对超滤膜结构进行自动化清理，降低海水淡化工程师的工作难度与劳动强度。

可选的，所述超滤膜结构的自动反洗进程包括以下步骤：

开启加药罐两端的阻流阀，加药罐于超滤膜结构之间的回路流通，开启循环泵，关闭淡化系统出水口；

保持反冲阀关闭状态，海水持续从前端混合加药罐中的流入超滤膜结构，并从超滤膜结构的出水口流回至原水箱内；

海水循环多次后，关闭加药罐两端的阻流阀，关闭循环泵，开启反冲阀，冲洗陶瓷膜组件的水流流至外界，排放定量海水后开启淡化系统的出水口并关闭反冲阀。

通过采用上述步骤，自动反洗进行前，由工程师操控系统开启阻流阀，对超滤膜处持续添加絮凝剂并利用水流多次冲刷滤孔或滤孔外的杂质。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

1、在海水淡化系统中使用无机陶瓷膜平替有机高分子渗透膜，无机陶瓷膜的优异性能够提高海水淡化系统的产水量，在常温条件下，单只陶瓷膜较单支有机膜产水量提高，在低温条件下，无机陶瓷膜的产水效率降幅大大降低，提高海水淡化系统对低温的抗性，保证在一般的冬季寒冷条件下，海水淡化系统的不间断供水；

2、在海水淡化系统中设置自动反洗组件，对无机陶瓷膜自动清洗，通过在盛放清洗剂与絮凝剂的加药罐与陶瓷膜之间组成水流回路，在不间断海水淡化进程的同时水流回路往复多次冲洗无机陶瓷膜，冲洗完成后将水流单向排出，并在冲洗进程结束一段时间后开启回流通道，将残留有清洗剂与絮凝剂的水流往复通过预处理过程与无机陶瓷膜的渗透，水质达标后排出。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图。

图2是为凸显反洗组件而作的结构示意图。

图3是本申请实施例中的超滤膜结构的剖视图。

附图标记说明：1、原水箱；11、单向阀；12、出水口；13、回流管；2、过滤器；21、给水泵；3、超滤膜结构；31、超滤膜壳；32、无机陶瓷膜；33、渗透腔；4、反洗组件；41、加药罐；42、阻流阀；43、循环泵；44、反冲阀。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例一方面公开一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统。因实际车间系统较复杂，为便于展示，以海水淡化系统的基础结构示范系统举例说明，参照图1，本申请实施例一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统包括依次连通的原水箱1、过滤器22与超滤膜结构3，原水箱1与过滤器22之间设置单向阀11，过滤器22与超滤膜结构3之间设置给水泵21；通过给水泵21提供海水淡化系统中海水流动的动力，海水从海洋表层下方设置的海水湖中抽取海水至原水箱1中，在原水箱1中做初步预处理并缓存，再由原水箱1朝过滤器22提供海水，最后经预处理完成的海水运送至超滤膜结构3中经反渗透作用滤除盐分与其他矿物质，生成的淡水流入渗透腔33内再由系统的出水口12产出。

为便于直观理解，本实施例中原水箱1、过滤器22与超滤膜系统的比例严格按照实际车间内的比例，原水箱1一侧与放置在海洋表层之下的海水湖连通，由海水湖间歇供给海水。

参照图2，本申请实施例中的海水淡化系统中还设置有反洗组件4，反洗组件4包括在超滤膜结构3附近设置的加药罐41，加药罐41两端与超滤膜结构3两端连通，加药罐41、超滤膜结构3与二者之间的管道为反洗回路，反洗回路靠近加药罐41的两端分别设置有一个有阻流阀42，用于封闭反洗回路与阻隔加药罐41；反洗回路靠近超滤膜结构3的下方设置有循环泵43，用于提供海水环流动力；超滤膜结构3上设置有连通出水口12的管道，其上靠近超滤膜结构3的部分设置有反冲阀44。正常状态下，反冲阀44处于开启状态，用于将超滤膜结构3内反渗透作用淡化的海水产出，两个阻流阀42处于关闭状态，封闭反洗回路并阻隔加药罐41；在超滤膜结构3反洗时，开启阻流阀42，淡化系统前端不间断供水的情况下通过超滤膜结构3处液体的分流，一部分经回流管13道流经加药罐41，将加药罐41内的絮凝剂与清洗剂送至超滤膜结构3内，清洗粘结在超滤膜结构3内部的盐晶与矿物质。

参照图1与图2，超滤膜结构3与原水箱1之间还设置有相连通的回流管13，构建从超滤膜结构3回流至原水箱1内的水流通道，在反洗过程完成后的一段时间内，淡化系统内部还残存有剩余的清洗溶剂，通过回流管13道回流至原水箱1内再经原水箱1与过滤器22内部的滤除作用，对其进行二次过滤，去除水流中的清洗介质后排出。

本实施例中加药罐41通过管道连接至集装箱外侧，车间内设置有用于往加药罐41内投放药剂的投药箱，至此，对本实施例中加药罐41中盛放的药剂做出说明，加药罐41中盛放浓度10%的PAC药剂，为配比PAC溶液，吨水投加量按5-8ppm，处理水量按照300m³/h计算，投加16-25L/H的PAC, 每天需投加10%PAC药剂约0.5吨/天。

参照图3，超滤膜结构3由圆筒状超滤膜壳31与多根无机陶瓷膜32组成，多根无机陶瓷膜32之间与圆筒状超滤膜壳31内壁之间开设有渗透腔33，海水经无机陶瓷膜32的反渗透作用滤为淡水，进入渗透腔33中并最终从出水口12产出淡水。

本实施例对无机陶瓷膜32的规格采用平均孔径小于100nm，表面水接触角小于30°，设计通量大于150LHM。

本申请实施例一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统的实施原理为：在海水淡化系统中，采用无机陶瓷膜32代替有机超滤膜进行反渗透作用，在温度较低的情况下，改进需实用高压泵提高更大的压力维持产水量，造成能耗增加的现状，此外，无机陶瓷膜32结构强度较有机高分子超滤膜高，在极寒天气下，能够抵抗水流流动下水中生成的冰丝状结晶的尖端破坏。

在传统的海水淡化系统中添加反洗回路作为无机陶瓷膜32的清洗组件，利用反洗回路的回路分流，将含有清洗液与絮凝剂的水流在超滤膜壳31运出后分流，一部分水流沿回路经加药罐41，通过循环泵43的输送作用，重新将水流送回至超滤膜结构3处，而工程师在这个过程中仅需操控反冲阀44、阻流阀42的开启，通过实现人工把控反洗回路的启闭，实现人为控制反洗进程。

本实施例另一方面提供一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统的运行方法，包括以下步骤：

海水湖向原水箱1输送表层海水，在原水箱1中进行缓存与初步预处理，去除海水中的大粒径杂质，去浑浊化海水，并从原水箱1中运出，给水泵21将海水从原水箱1送入过滤器2中进行过滤、沉淀、絮凝剂絮凝的预处理过程；

预处理过程进行海水的完全过滤，在进入超滤膜结构3之前仅剩无机盐类物质，且预处理过程还需达到控制水中游离氯的含量，并去掉水中的硫酸根物质的效果；

给水泵21将海水送入超滤膜结构3，同时超滤膜结构3顶端的高压泵对内部的海水施加压力，海水通过反渗透作用，经过无机陶瓷膜32的滤除淡化后，淡水流入渗透腔33中，海水最终从淡化系统的出水口12流出；

海水淡化系统运作中应定期对超滤膜结构3进行自动反洗进程，由工程师根据系统滤透性反馈人工控制开启反洗进程；

反洗进程包括以下步骤：

工程师控制开启加药罐41两端的阻流阀42，加药罐41与超滤膜结构3之间的反洗回路流通，同时开启循环泵43，加药罐41中的絮凝剂与清洗剂汇入水流中朝超滤膜结构3运输；

夹杂絮凝剂与清洗剂的海水部分分流至反洗回路中循环，多次冲刷无机陶瓷膜32，持续加强清洁效果；

海水循环多次后，工程师实时根据无机陶瓷膜32的滤透性，观察是否关闭加药罐41两端的阻流阀42，需关闭反洗进程时，工程师关闭循环泵43，冲洗无机陶瓷膜32的水流流至外界；

在反洗进程结束一段时间，工程师需关闭出水口12的同时开启原水箱1与超滤膜结构3之间的回流通道，刚清洗完成的水流残存有少量清洗剂，不能直接引用，需回流至原水箱1内再次经过过滤器22内部的过滤作用，去除水中的清洗物质；

淡化后的海水水质合格后经出水口12排出即可。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，包括贮存海水的原水箱(1)、去除海水杂质的过滤器(2)、用于海水淡化的超滤膜结构(3)，三者相连接，储存在原水箱(1)中的海水依次通过过滤器(2)与超滤膜结构(3)，其特征在于：

所述超滤膜结构(3)包括无机陶瓷膜(32)，此外，还包括；

反洗组件(4)，设置在水流流向的后方，并靠近超滤膜结构(3)设置，用于超滤膜结构(3)的自动清洗。

2.根据权利要求1所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，其特征在于：所述反洗组件(4)包括；

加药罐(41)，设置在所述过滤器(2)与所述超滤膜结构(3)之间，用于储存反洗药剂，所述加药罐(41)两端与超滤膜结构(3)的两端连通，组成回路；

循环泵(43)，设置于所述加药罐(41)与所述超滤膜结构(3)之间，用于驱动水流循环；

阻流阀(42)，于所述加药罐(41)两端分别设置有一个，用于加药罐(41)与所述超滤膜结构(3)间回路的连通。

3.根据权利要求2所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，其特征在于：还包括；

反冲阀(44)，用于单向流通所述加药罐(41)与所述超滤膜结构(3)的管道。

4.根据权利要求2所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，其特征在于：还包括；

回流管(13)，所述回流管(13)连通所述超滤膜结构(3)组件与所述原水箱(1)，用于回流所述超滤膜结构(3)组件清洗时的水流。

5.根据权利要求1所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，其特征在于：所述超滤膜结构(3)由多个所述无机陶瓷膜(32)与超滤膜结构(3)壳组成，多个无机陶瓷膜(32)与所述超滤膜结构(3)壳之间形成渗透腔(33)，用于淡化水的储存并流出；

此外，还包括用于施加对抗渗透压的加压件。

6.根据权利要求1所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统，其特征在于：所述加药罐(41)内盛装的药剂由10%的PAC（聚合氯化铝）药剂组成；

所述加药罐(41)单次投加PAC药剂不多于0.5t。

7.根据权利要求1所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统的运行方法，包括以下步骤：

海水湖向原水箱(1)输送表层海水，给水泵(21)将海水送入过滤器(2)对海水进行过滤、沉淀、絮凝剂絮凝的预处理过程；

给水泵(21)将海水送入超滤膜结构(3)，海水通过反渗透作用，经过无机陶瓷膜(32)的滤除淡化后，淡水流入渗透腔(33)中；

海水从淡化系统的出水口(12)流出，系统开启超滤膜结构(3)的自动反洗进程。

8.根据权利要求7所述的一种低温状态下海水淡化预处理工艺系统的运行方法，所述超滤膜结构(3)的自动反洗进程包括以下步骤：

开启加药罐(41)两端的阻流阀(42)，加药罐(41)于超滤膜结构(3)之间的回路流通，开启循环泵(43)，关闭淡化系统出水口(12)；

海水持续从前端混合加药罐(41)中的流入超滤膜结构(3)，并从超滤膜结构(3)的出水口(12)流回至原水箱(1)内；

海水循环多次后，关闭加药罐(41)两端的阻流阀(42)，关闭循环泵(43)，冲洗陶瓷膜组件的水流流至外界，排放定量海水后开启淡化系统的出水口(12)。