一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统及其浓缩方法
阅读说明：本技术 一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统及其浓缩方法 (Multistage low-desalination-rate membrane module high-salinity wastewater concentration system and concentration method thereof ) 是由 王立江 沈斌 方丽娜 周睿 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于水处理领域,具体涉及一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统及其浓缩方法,该系统主要采用脱盐率为30%-75%的低脱盐反渗透膜,使用多级低脱盐反渗透膜可以得到比使用传统反渗透膜更高浓度的盐水；盐水进料在进入产生淡水的初级反渗透膜组之前通过高压泵加压,后续中间多级反渗透膜组每个后一级的渗透物都被再加压并循环回前一级作为额外进料,中间多级反渗透膜组高压侧与低压侧的渗透压差减少,给予一个较小的施加压力△P,可提高盐水浓缩浓度,多级低脱盐反渗透膜由于低脱盐率阶段的用于再加压和再循环的渗透率较低,级数越多则具有更低的能源消耗,就更加节能,该系统还能提高淡水的回收率。(The invention belongs to the field of water treatment, and particularly relates to a high-salinity wastewater concentration system with a multistage low-desalination rate membrane group and a concentration method thereof, wherein the system mainly adopts a low-desalination reverse osmosis membrane with the desalination rate of 30-75%, and can obtain saline water with higher concentration than that of a traditional reverse osmosis membrane by using the multistage low-desalination reverse osmosis membrane; the brine feed is pressurized by a high-pressure pump before entering a primary reverse osmosis membrane group for generating fresh water, permeate of each next stage of a subsequent intermediate multi-stage reverse osmosis membrane group is repressurized and circulated back to the previous stage to be used as additional feed, the osmotic pressure difference between the high-pressure side and the low-pressure side of the intermediate multi-stage reverse osmosis membrane group is reduced, a smaller applied pressure delta P is given, the brine concentration can be improved, and the multi-stage low-desalination reverse osmosis membrane has lower permeability for repressurization and recirculation in a low desalination rate stage, has lower energy consumption when the number of stages is more, is more energy-saving, and can also improve the recovery rate of the fresh water.)
技术领域
本发明涉及水处理领域，具体地，涉及一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统及其浓缩方法。
技术背景
随着工业的不断发展，由于未经过适当处理的工业废水排放到环境中带来了水生态的生态污染，在淡水短缺的现状下，人们的环保意识也逐渐增强，管理工业废水的法规也日益严格，各行业都提倡出对废水进行资源化利用，实现废水最小化液体排放或者零液体排放，加强废水流的所有水均被回收和再利用，仅留下固体废物，可以以更安全、更环保的方式进行处理。
在传统反渗透中，处理废水的膜，具有高截留率，就是几乎可以截流盐水进料流中的所有阴阳离子、有机物、悬浮物等所有污染因子，其产水侧几乎为纯净水，其浓水侧的盐分及其它污染物含量相对极高，这就导致产水侧与浓水侧形成极为严重的浓度差；当浓度差达到一定程度时，通常需要使用高压泵来增加盐水进料流的液压，当液压超过盐水进料流的渗透压时，盐水进料流中的水就会通过RO膜渗透，产生纯净的产品水以及浓盐水；浓度差越大，所需要的高压泵的扬程也就越高，处理系统所需要消耗的能量就越大；但是在实际中，当通过渗透盐浓度达到一定程度时，液压压力对膜传输性能就会产生不利影响，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，这也就导致不能完全通过一次加压来完成进料盐水的浓缩。
为此，我们开发了一种分阶段或者分级脱盐的处理工艺，采用低脱盐率膜来脱盐或者浓缩高盐分的进料流，克服常规反渗透的液压限制，只需要适中的液压即可。
发明内容
本发明针对现有技术中加压浓缩难以突破盐水浓度与反渗透膜组渗透压的限制的现状，提供了一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统及其浓缩方法，克服了常规反渗透的液压限制，只需要适中的液压，采用该系统进行高倍浓缩后去除掉蒸发器，降低了能耗，得到的终极盐水可回收利用，可实现废水处理的最小及零排放，极大程度低减少了废水对环境的危害。
为了达到上述目的，本发明提供了一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统，所述系统利用一种低脱盐率反渗透膜片，经过多级串联的反渗透膜组的净化，实现盐水高倍浓缩。
进一步地，该系统装置包括：多级反渗透膜组、高压泵、初级进料管、截流物流出管、渗透物回流管、淡水排出管、终极盐水管以及能量回收装置；所述多级反渗透膜组根据其所处的位置分为初级反渗透膜组、中间多级反渗透膜组以及终极反渗透膜组，每级反渗透膜组均由反渗透膜片分隔出高压侧和低压侧；所述初级反渗透膜组的高压侧与初级进料管连接，初级进料管段安装有高压泵，初级反渗透膜组的低压侧设有淡水排出管；所述中间多级反渗透膜组的每一级的高压侧均通过截流物流出管与下一级的高压侧相连，将上一级的高压浓水输送到下一级作为进料，同时中间多级反渗透膜组的每一级的低压侧均通过渗透物回流管与上一级的高压侧相连，将下一级低压侧的渗透物送回上一级高压侧作为附加进料，并且所述渗透物回流管上安装有高压泵；所述终级反渗透膜组的低压侧通过渗透物回流管与中间多级反渗透膜组的末级高压侧相连，所述终级反渗透膜组的高压侧连接有终极盐水管，所述终极盐水管上安装有能量回收装置。
作为其中一种优选方案，所述初级反渗透膜组采用常规高盐截留率反渗透膜；所述中间多级反渗透膜组及终极反渗透膜组采用低脱盐率反渗透膜。
较佳地，所述低脱盐率反渗透膜片的脱盐率在30%-75%，多级反渗透膜组中各级对钠盐的浓缩倍率为1.3-1.55。
作为另外一种优选方案，所述初级反渗透膜组采用常规高盐截留率反渗透膜；所述中间多级反渗透膜组及终极反渗透膜组采用纳滤膜。
进一步地，所述多级渗透膜组中每级渗透膜组的低压侧设置有密集编织结构的的网状间隔物支撑膜，以保持通道几何形状。
同时，本发明还提供了一种多级低脱盐率膜组高盐废水的浓缩方法，待浓缩液体通过初级进料管与初级反渗透膜组的高压侧连接，并通过初级进料管段安装的高压泵进行加压，初级反渗透膜组的低压侧设有淡水排出管，最终得到的淡水由此排出；中间多级反渗透膜组的每个膜组的高压侧均通过截流物流出管将截流物输送到下一级反渗透膜组的高压侧作为进料，每一级反渗透膜组的低压侧均通过渗透物回流管将渗透液经过渗透物回流管上的高压泵加压后循环回上一级渗透膜组的高压侧；终极反渗透膜组的低压侧通过渗透物回流管与中间多级反渗透膜组的末级高压侧相连，终极盐水通过终级反渗透膜组的高压侧的终极盐水管排出，并由终极盐水管上的能量回收装置从终极盐水中回收机械能。
进一步地，所述多级反渗透膜组中第N级的能源消耗SEC为第N阶段的渗透流量与系统中产出淡水的流量的比与施加压力△P的积；系统中总能源消耗SCE总是每个阶段的能源消耗SEC之和。
进一步地，所述多级反渗透膜组中各级所施加压力△P≤70bar。
更进一步地，经过上述多级反渗透膜组的不断浓缩，能突破盐水浓度与反渗透膜组渗透压的限制，在低能耗、中等液压压力下实现终极盐水4mol/l的高盐水浓度，水的回收率达到95%。
本发明方案的有益效果是：该系统主要采用脱盐率为30%-75%的低脱盐反渗透膜，多级反渗透膜组中各级对钠盐的浓缩倍率为1.3-1.55，这样得到的渗透液就是具有非零渗透压的盐水，在给定一定施加压力△P的情况下，使用多级低脱盐反渗透膜可以得到比使用传统反渗透膜更高浓度的盐水；盐水进料在进入产生淡水的初级反渗透膜组之前通过高压泵加压，后续中间多级反渗透膜组每个后一级的渗透物都被再加压并循环回前一级作为额外进料，这样，中间多级反渗透膜组高压侧与低压侧的渗透压差减少，给予一个较小的施加压力△P，可提高盐水浓缩浓度，同时，多级低脱盐反渗透膜由于低脱盐率阶段的用于再加压和再循环的渗透率较低，级数越多则具有更低的能源消耗，就更加节能，该系统还能提高淡水的回收率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，下面描述中的附图仅作为本发明的一个实施例，本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其他附图。
图1为本发明多级低脱盐反渗透膜组的示意图；
其中，1、多级反渗透膜组；2、高压泵；3、初级进料管；4、截流物流出管；5、渗透物回流管；6、淡水排出管；7、终极盐水管；8、能量回收装置；9、高压侧；10、低压侧；101、初级反渗透膜组；102、中间多级反渗透膜组；103、终极反渗透膜组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种多级低脱盐率膜组高盐废水浓缩系统，利用一种脱盐率为30%-75%的低脱盐率反渗透膜片，经过多级串联的反渗透膜组的净化，实现盐水高倍浓缩。
该系统装置包括：多级反渗透膜组1、高压泵2、初级进料管3、截流物流出管4、渗透物回流管5、淡水排出管6、终极盐水管7以及能量回收装置8；多级反渗透膜组1根据其所处的位置分为初级反渗透膜组101、中间多级反渗透膜组102以及终极反渗透膜组103，每级反渗透膜组均由反渗透膜片分隔出高压侧9和低压侧10；初级反渗透膜组的高压侧与初级进料管连接，初级进料管段安装有高压泵2，初级反渗透膜组101的低压侧10设有淡水排出管6；中间多级反渗透膜组102的每一级的高压侧9均通过截流物流出管4与下一级的高压侧9相连，将上一级的高压浓水输送到下一级作为进料，同时中间多级反渗透膜组102的每一级的低压侧10均通过渗透物回流管5与上一级的高压侧9相连，将下一级低压侧10的渗透物送回上一级高压侧9作为附加进料，并且所述渗透物回流管5上安装有高压泵2；终级反渗透膜组103的低压侧10通过渗透物回流管5与中间多级反渗透膜组102的末级高压侧9相连，终级反渗透膜组103的高压侧9连接有终极盐水管7，终极盐水管7上安装有能量回收装置8。
初级反渗透膜组101采用常规高盐截留率反渗透膜，即初级阶段产生淡水；中间多级反渗透膜组及终极反渗透膜组采用脱盐率为30%-75%的低脱盐率反渗透膜，因为反渗透膜的低盐截留率导致的盐水渗透，对于给定的施加压力，较低的盐截留率会导致较高的盐分渗透物，随着渗透压浓度的增加，最终盐水的渗透压更大，从而导致盐水浓度更高，达到浓缩的效果。
初级反渗透膜组采用常规高盐截留率反渗透膜；所述中间多级反渗透膜组及终极反渗透膜组采用纳滤膜。
低脱盐率反渗透膜片的脱盐率在30%-75%，多级反渗透膜组中各级对钠盐的浓缩倍率为1.3-1.55。多级渗透膜组中每级渗透膜组的低压侧设置有密集编织结构的的网状间隔物支撑膜，以保持通道几何形状，减少加压对膜性能的不利影响。
同时，本发明还提供了一种多级低脱盐率膜组高盐废水的浓缩方法，方法如下：待浓缩液体通过初级进料管与初级反渗透膜组的高压侧连接，并通过初级进料管段安装的高压泵进行加压，初级反渗透膜组的低压侧设有淡水排出管，最终得到的淡水由此排出；中间多级反渗透膜组的每个膜组的高压侧均通过截流物流出管将截流物输送到下一级反渗透膜组的高压侧作为进料，每一级反渗透膜组的低压侧均通过渗透物回流管将渗透液经过渗透物回流管上的高压泵加压后循环回上一级渗透膜组的高压侧；终极反渗透膜组的低压侧通过渗透物回流管与中间多级反渗透膜组的末级高压侧相连，终极盐水通过终级反渗透膜组的高压侧的终极盐水管排出，并由终极盐水管上的能量回收装置从终极盐水中回收机械能。
所述多级反渗透膜组中第N级的能源消耗SEC为第N阶段的渗透流量与系统中产出淡水的流量的比与施加压力△P的积；系统中总能源消耗SCE总是每个阶段的能源消耗SEC之和；多级反渗透膜组中各级所施加压力△P≤70bar。
我们通过采用最终盐水浓度和特定能量消耗在某一阶段一定浓度的盐水进料函数建立模型，采用施加压力△P=70bar，清楚地表明，当多级反渗透膜组的级数更多时，可以实现更高的盐浓度CB，同时，对于选定的反渗透阶段，能源消耗SEC首先随着施加压力△P的增加而降低，然后再增加，而盐浓度CB随着施加压力△P的增加而线性增加；能源消耗SEC对施加压力△P的依赖性，使得我们能够找到一个最佳的施加压力△P，可将实现特定盐浓度CB所需要的能耗降到最低，系统中总能源消耗SCE总是每个阶段的能源消耗SEC之和，对于多级反渗透膜组系统，则需要优化每个阶段的施加压力△P和脱盐率，使系统的性能最大化，即以最小的能源消耗SEC达到最大的盐浓度CB；同时，该系统也可以在很宽的进料浓度范围内实现明显较小的能源消耗SEC。
多级反渗透膜组的不断浓缩，能突破盐水浓度与反渗透膜组渗透压的限制，在低能耗、中等液压压力下实现终极盐水4mol/l的高盐水浓度，去除掉蒸发器，降低了能耗，可实现废水处理的最小及零排放，极大程度低减少了废水对环境的危害，同时，水的回收率达到95%，水的回收率定义为产出的淡水与盐水进料流量之比。
我们以四级反渗透膜组的膜片设计为例，第一级膜片脱盐率为99.5%，施加的驱动压力70bar，处理液中氯化钠浓度由5%浓缩至6.5%，第二级膜片脱盐率为70%，施加的驱动压力70bar，处理液中氯化钠浓度由6.5%浓缩至10%，第三级膜片脱盐率为50%，施加的驱动压力70bar，处理液中氯化钠浓度由10%浓缩至15%，第四级膜片脱盐率为35%，施加的驱动压力70bar，处理液中氯化钠浓度由15%浓缩至20%，最终，该系统将5%浓度的氯化钠溶液浓缩至20%。
根据不同膜片脱盐率的设计，该系统可以设计出更多级数的反渗透膜组，同时，氯化钠溶液浓度也可浓缩至更高。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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