一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)及方法，通過(guò)增壓泵將原料液輸送到壓力協(xié)同滲透膜組件的低滲透壓側(cè)，由排出管回到原料液罐中；通過(guò)增壓泵將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜組件中，經(jīng)反滲透后濃縮的海水由濃水排出管直接送入壓力協(xié)同滲透膜組件中；在壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)污水中的水分透過(guò)正滲透膜進(jìn)入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中，同時(shí)反滲透產(chǎn)生淡水。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，膜污染較輕，能耗低，產(chǎn)水量高和高質(zhì)量水等特點(diǎn)，且同時(shí)利用污水和海水資源。
【專利說(shuō)明】
-種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種壓力協(xié)同滲透和反滲透技術(shù)相 結(jié)合的同步污水再生和海水淡化處理的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 城市污水回用，是將城市污水深度處理再生后加 W回用到生產(chǎn)系統(tǒng)或生活雜用， 具有開(kāi)源節(jié)流的雙重作用，是水資源有效利用的重要形式之一，作為城市可靠的第二水源。 眾所周知，地球表面72%被水覆蓋，絕大部分的水資源W海水形式存在，而淡水資源僅占水 資源總量的0.5%，可直接利用的只有1%的淡水，海水淡化已經(jīng)成為解決全球水資源危機(jī) 的重要途徑之一。然而傳統(tǒng)的城市污水再生并不能和海水淡化實(shí)現(xiàn)同步。
[0003] 近幾年正滲透(Forward Osmosis，F(xiàn)0)由于其低能耗、低膜污染、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 正被廣泛應(yīng)用于廢水回用或水的純化、海水或苦咸水淡化、石油、發(fā)電、食品醫(yī)藥等領(lǐng)域，它 還可W與反滲透(Reverse Osmosis，R0)聯(lián)用彌補(bǔ)反滲透原料液濃度不可過(guò)高的缺陷。在 F0-R0工藝中，TO主要作為R0的前處理，具有雙重膜處理污水、低膜污染和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，相比 于單獨(dú)R0海水淡化，由于F0裝置、膜等導(dǎo)致成本增加，因此唯有提高F0水通量，才能使得F0- R0工藝更加經(jīng)濟(jì)可行。然而F0膜的水通量受到膜材料、濃差極化（ICP和ECP)、網(wǎng)格墊片和鹽 返混等限制。壓力協(xié)同滲透（Pressure assited osmosis，PA0)是在原料液側(cè)施加一定壓 力，通過(guò)滲透壓與壓力共同作用，已被證明是提高現(xiàn)有F0膜的水通量的方式，有助于F0更好 的應(yīng)用于工業(yè)上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓力協(xié)同滲透和反滲透技術(shù)相 結(jié)合的同步污水再生和海水淡化的處理方法，W更為簡(jiǎn)單的工藝、高水通量和較低的能耗 實(shí)現(xiàn)污水的再生和海水的淡化處理。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種同步污水再生和海水淡化的 系統(tǒng)，其特征在于，包括存儲(chǔ)于原料液罐的廢水、存儲(chǔ)于汲取液罐的海水、壓力協(xié)同滲透膜 組件及反滲透膜組件，汲取液罐內(nèi)的海水輸入到反滲透膜組件中，經(jīng)反滲透膜組件反滲透 后產(chǎn)生的淡水另外收集，產(chǎn)生的濃縮的海水則輸入到壓力協(xié)同滲透膜組件的高滲透壓側(cè)， 廢水則輸入到壓力協(xié)同滲透膜組件的低滲透壓側(cè)，在壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污 水的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)污水中的水分透過(guò)壓力協(xié)同滲透膜組件中的正滲透膜進(jìn)入 海水中，稀釋的海水回流至汲取液罐中，污水則回流至原料液罐。
[0006] 優(yōu)選地，所述海水及所述廢水經(jīng)由各自的增壓累分別輸入到所述反滲透膜組件及 所述壓力協(xié)同滲透膜組件的低滲透壓側(cè)，則在壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲 透壓差及外加壓力共同作用作為驅(qū)動(dòng)力。
[0007] 優(yōu)選地，所述壓力協(xié)同滲透膜組件包括兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃，兩個(gè)有機(jī)玻璃間設(shè) 有正滲透膜。
[000引優(yōu)選地，所述正滲透膜包括活性層及支撐層，所述廢水對(duì)著活性層，所述濃縮的海 水朝向支撐層。
[0009] 優(yōu)選地，所述污水為滲透壓低于30~45g/L的海水滲透壓的廢水。
[0010] 優(yōu)選地，在所述反滲透膜組件用于排出所述濃縮的海水的排出管線上設(shè)置相應(yīng)的 能量回收裝置，優(yōu)選地，將能量回收裝置回收的能量用于海水的前處理、后處理。
[0011] 優(yōu)選地，所述壓力協(xié)同滲透膜組件為板式壓力協(xié)同滲透膜組件或卷式壓力協(xié)同滲 透膜組件，所述壓力協(xié)同滲透膜組件中的正滲透膜為聚酷胺正滲透膜或Ξ醋酸纖維素正滲 透膜；
[0012] 所述反滲透膜組件為板式反滲透膜組件或卷式反滲透膜組件，所述反滲透膜組件 中的反滲透膜為芳香聚酷胺膜或醋酸纖維素膜。
[0013] 優(yōu)選地，所述壓力協(xié)同滲透膜組件施加壓力范圍為1~lObar。
[0014] 本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征 在于，過(guò)程如下：
[0015] 原料液側(cè)：W污水作為原料液，通過(guò)增壓累將原料液罐中的污水輸入到壓力協(xié)同 滲透膜組件的低滲透壓側(cè)，由排出管回到原料液罐中；
[0016] 汲取液側(cè)：W海水作為汲取液，通過(guò)增壓累將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜 組件中，經(jīng)反滲透后濃縮的海水經(jīng)反滲透濃水排出管直接送入壓力協(xié)同滲透膜組件中，在 壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn) 原料液中的水分透過(guò)正滲透膜進(jìn)入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中。
[0017] 優(yōu)選地，對(duì)海水進(jìn)行前處理后再送入所述汲取液罐中；由所述反滲透膜產(chǎn)出的淡 水根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的后處理。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0019] 本發(fā)明的同步污水再生和海水淡化的處理方法，是W低滲透壓的污水作為原料 液，高滲透壓的海水作為汲取液，利用海水和污水的滲透壓差和原料液側(cè)的施加壓力作為 驅(qū)動(dòng)力，W提高壓力協(xié)同滲透的水通量，使得污水中的更多的水分回用到海水中，加大了海 水的稀釋，從而降低了海水的滲透壓，進(jìn)而降低反滲透所需能耗，促使反滲透有更高的產(chǎn)水 量；同時(shí)由于反滲透的濃縮汲取液作用，保證了壓力協(xié)同滲透過(guò)程中汲取液所需的滲透壓， 且利用反滲透濃鹽水的排放的流體狀態(tài)，減少了壓力協(xié)同滲透汲取液側(cè)的累的使用，工藝 簡(jiǎn)單，膜污染較輕，能耗低，產(chǎn)水量高和高質(zhì)量水等特點(diǎn)，且同時(shí)利用了污水和海水資源。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的利用壓力協(xié)同滲透-反滲透技術(shù)相結(jié)合的同步污水再生和海水淡 化的處理方法的工藝流程圖；
[0021 ]圖2中為本發(fā)明實(shí)施例1運(yùn)行過(guò)程中PA0水通量和R0產(chǎn)水量變化圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的原料液、汲取液和最終產(chǎn)水的電導(dǎo)率變化圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2運(yùn)行過(guò)程中PA0水通量和R0產(chǎn)水量變化圖。
[0024]
[00巧]圖例說(shuō)明：
[00%] 1-壓力協(xié)同滲透膜組件，2-原料液罐，3-汲取液罐，4-反滲透膜組件，5-產(chǎn)水收集 罐，6、7-增壓累，8、9、11-止水閥1，10、12、13-壓力表。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，運(yùn)些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可W對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，運(yùn)些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明提供的工藝包括原料液罐2、汲取液罐5、壓力協(xié)同滲透膜組件 1、反滲透膜組件4、增壓累、產(chǎn)水收集罐5。其中：
[0029] 原料液罐2用來(lái)裝作為原料液的污水。污水為城市生活污水處理廠的二級(jí)廢水或 Ξ級(jí)廢水等滲透壓低(低于30~45g/L的海水滲透壓)的廢水。原料液罐2在壓力協(xié)同滲透膜 組件1的低滲透壓側(cè)。
[0030] 汲取液罐3用于盛放作為汲取液的海水。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可W對(duì)海水進(jìn)行前處 理后再送入汲取液罐3中。汲取液罐3在壓力協(xié)同滲透膜組件1的高滲透壓側(cè)。
[0031] 壓力協(xié)同滲透膜組件1和反滲透組件4的材質(zhì)和形式無(wú)特殊要求。壓力協(xié)同滲透膜 組件1可為板式或卷式膜，壓力協(xié)同滲透膜組件1中的正滲透膜為聚酷胺正滲透膜或Ξ醋酸 纖維素正滲透膜。反滲透膜組件4為板式或卷式膜，反滲透膜組件4中的反滲透膜為芳香聚 酷胺膜和醋酸纖維素膜。
[0032] 在本【具體實(shí)施方式】中，壓力協(xié)同滲透膜組件1由兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃組成，內(nèi)部包 括正滲透膜，正滲透膜朝向?yàn)樵弦簩?duì)著活性層，汲取液朝向支撐層。原料液進(jìn)液管通過(guò)增 壓累6與原料液罐2和壓力協(xié)同滲透膜組件1連接，壓力協(xié)同滲透膜組件1的出液管與原料液 罐2相連。原料液經(jīng)增壓累6進(jìn)入到壓力協(xié)同滲透膜組件1內(nèi)部，經(jīng)壓力協(xié)同滲透后的濃縮的 原料液經(jīng)出液管返回到原料液罐2。壓力協(xié)同滲透過(guò)程中的施加壓力應(yīng)保證該壓力在所述 壓力協(xié)同滲透膜組件承受范圍內(nèi)。壓力協(xié)同滲透膜組件1施加壓力范圍為1~lObar。
[0033] 反滲透膜組件4內(nèi)部包括反滲透膜。反滲透膜組件4的汲取液進(jìn)液管通過(guò)增壓累7 與汲取液罐3相連，反滲透膜組件4的濃水排出管與壓力協(xié)同滲透膜組件1串聯(lián)，壓力協(xié)同滲 透膜組件1的汲取液出液管與汲取液罐3相連。作為汲取液的海水經(jīng)過(guò)增壓累7進(jìn)入反滲透 膜組件4內(nèi)部，經(jīng)過(guò)反滲透后的濃縮的海水進(jìn)入壓力協(xié)同滲透膜組件1內(nèi)部，經(jīng)壓力協(xié)同滲 透后返回到汲取液罐3。反滲透膜組件4產(chǎn)水(淡水）由產(chǎn)水收集罐5收集儲(chǔ)存，產(chǎn)水也可根據(jù) 需要進(jìn)一步的后處理。
[0034] 本發(fā)明還可在反滲透膜組件4的濃海水排出管線上設(shè)置相應(yīng)的能量回收裝置(壓 力交換器，如滿輪機(jī)、離屯、累和葉片累等），對(duì)反滲透濃海水的排出進(jìn)行能量回收利用，回收 的能量回收可用于海水的前處理、后處理等。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 本實(shí)施例中，采用某城市生活污水處理廠二沉出水為原料液;模擬海水為汲取液。 (具體模擬海水配方:化C1 25.726g/l;MgC l22.26g/L;MgS〇43.248g/L; CaCl2l.l53g/l; NaHC〇4〇. 198g/L; KCl 0.721 g/L)。原料液體積為IL，汲取液體積為0.化;所述壓力協(xié)同滲透 膜組件為平板膜組件(美國(guó)HTI公司的商業(yè)化TFC-ES膜），膜組件由兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃做 成，水流通道長(zhǎng)為80mm，寬為30mm，深為3mm，膜運(yùn)行方式為活性層朝向原料液側(cè)，支撐層朝 向汲取液側(cè)，膜有效面積為24cm2，其原料液側(cè)施加壓力為4bar;原料液流速為1.化/min，汲 取液(濃水)流速為0.化/min;所述反滲透膜組件為平板膜組件（陶氏公司的BW30級(jí)LCLE- 4040反滲透膜），有機(jī)玻璃膜外殼，膜有效面積24cm2,濃水流通道為80mm，寬度為30mm，膜所 對(duì)凹槽深度5mm，膜背面為光滑的不誘鋼濾板鑲嵌于有機(jī)玻璃中，操作壓力8bar，由增壓累 提供。
[0037] 原料液放置在電子天平上，由電腦記錄天平數(shù)據(jù)并保存用于計(jì)算壓力協(xié)同滲透膜 水通量。通過(guò)測(cè)量汲取液、最終產(chǎn)水中的電導(dǎo)率值變化計(jì)算脫鹽率。
[0038] 本發(fā)明的實(shí)施例中用于處理再生水和模擬海水時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，正滲透 過(guò)程中水通量逐漸下降，R0產(chǎn)水量從1.63L/Vh增加到4.15L/m2h。其12小時(shí)后脫鹽率達(dá)到 94.8%。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)TN、TP和T0C的去除率分別達(dá)到98.1 %、98.4%和99.6%。
[0039] 表1污水基本性質(zhì)
[0040]
[0041] 實(shí)施例2
[0042] 本實(shí)施例中，采用某城市生活污水處理廠二沉出水為原料液;杭州灣海域海水為 汲取液。所述壓力協(xié)同滲透膜組件為平板膜組件(美國(guó)HTI公司的商業(yè)化TFC-ES膜），膜組件 由兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃做成，水流通道長(zhǎng)為80mm，寬為30mm，深為3mm，膜運(yùn)行方式為活性層 朝向原料液側(cè)，支撐層朝向汲取液側(cè)，膜有效面積為24cm2，其原料液側(cè)施加壓力為4bar;; 原料液流速為1.化/min,汲取液(濃水)流速為0.化/min;所述反滲透膜組件為平板膜組件 (陶氏公司的BW30級(jí)LCLE-4040反滲透膜），有機(jī)玻璃膜外殼，膜有效面積24cm2，濃水流通道 為80mm，寬度為30mm，膜所對(duì)凹槽深度5mm，膜背面為光滑的不誘鋼濾板鑲嵌于有機(jī)玻璃 中，操作壓力8bar，由增壓累提供。
[0043] 原料液放置在電子天平上，由電腦記錄天平數(shù)據(jù)并保存用于計(jì)算壓力協(xié)同滲透膜 水通量。通過(guò)測(cè)量汲取液、最終產(chǎn)水中的電導(dǎo)率值變化計(jì)算脫鹽率。
[0044] 本發(fā)明的實(shí)施例中用于同步處理再生水和杭州灣海域海水時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增 加，PA0過(guò)程中水通量逐漸下降，R0產(chǎn)水量從5.0化/m2h增加到7.2化/m2h。其12小時(shí)后脫鹽率 達(dá)到97.8%。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)二沉出水的TN、TP和T0C的去除率分別達(dá)到98.2%、97.5%和 99.8%，對(duì)色度和濁度去除達(dá)到99% W上。
[0045] 表2污水和海水基本性質(zhì)
[0046]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，包括存儲(chǔ)于原料液罐的廢水、存 儲(chǔ)于汲取液罐的海水、壓力協(xié)同滲透膜組件及反滲透膜組件，汲取液罐內(nèi)的海水輸入到反 滲透膜組件中，經(jīng)反滲透膜組件反滲透后產(chǎn)生的淡水另外收集，產(chǎn)生的濃縮的海水則輸入 到壓力協(xié)同滲透膜組件的高滲透壓側(cè)，廢水則輸入到壓力協(xié)同滲透膜組件的低滲透壓側(cè)， 在壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)污水中的水分透過(guò) 壓力協(xié)同滲透膜組件中的正滲透膜進(jìn)入海水中，稀釋的海水回流至汲取液罐中，污水則回 流至原料液罐。2. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述海水及 所述廢水經(jīng)由各自的增壓栗分別輸入到所述反滲透膜組件及所述壓力協(xié)同滲透膜組件的 低滲透壓側(cè)，則在壓力協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲透壓差及外加壓力共同作用 作為驅(qū)動(dòng)力。3. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力協(xié) 同滲透膜組件包括兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃，兩個(gè)有機(jī)玻璃間設(shè)有正滲透膜。4. 如權(quán)利要求3所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述正滲透 膜包括活性層及支撐層，所述廢水對(duì)著活性層，所述濃縮的海水朝向支撐層。5. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述污水為 滲透壓低于30~45g/L的海水滲透壓的廢水。6. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，在所述反滲 透膜組件用于排出所述濃縮的海水的排出管線上設(shè)置相應(yīng)的能量回收裝置，優(yōu)選地，將能 量回收裝置回收的能量用于海水的前處理、后處理。7. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力協(xié) 同滲透膜組件為板式壓力協(xié)同滲透膜組件或卷式壓力協(xié)同滲透膜組件，所述壓力協(xié)同滲透 膜組件中的正滲透膜為聚酰胺正滲透膜或三醋酸纖維素正滲透膜； 所述反滲透膜組件為板式反滲透膜組件或卷式反滲透膜組件，所述反滲透膜組件中的 反滲透膜為芳香聚酰胺膜或醋酸纖維素膜。8. 如權(quán)利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力協(xié) 同滲透膜組件施加壓力范圍為1~1 obar。9. 一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，過(guò)程如下： 原料液側(cè)：以污水作為原料液，通過(guò)增壓栗將原料液罐中的污水輸入到壓力協(xié)同滲透 膜組件的低滲透壓側(cè)，由排出管回到原料液罐中； 汲取液側(cè)：以海水作為汲取液，通過(guò)增壓栗將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜組件 中，經(jīng)反滲透后濃縮的海水經(jīng)反滲透濃水排出管直接送入壓力協(xié)同滲透膜組件中，在壓力 協(xié)同滲透過(guò)程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)原料 液中的水分透過(guò)正滲透膜進(jìn)入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中。10. 如權(quán)利要求9所述的一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，對(duì)海水進(jìn) 行前處理后再送入所述汲取液罐中；由所述反滲透膜產(chǎn)出的淡水根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的后 處理。
【文檔編號(hào)】C02F103/08GK106082397SQ201610407240
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】黃滿紅, 畢磊, 孟李君, 陳東輝, 李貝貝
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)