CN112209547A

CN112209547A - 一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法

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Publication number: CN112209547A
Application number: CN201910618143.1A
Authority: CN
Inventors: 李毅彤; 董子为
Original assignee: Suzhou Nuojin Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Nuojin Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-12

Abstract

一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，包括如下步骤：(1)对待处理水溶液进行膜浓缩处理，在渗透压差的驱动下，正渗透膜一侧的原液与另一侧的提取液进行物质交换，水溶液中的水分进入提取液，水溶液得到浓缩获得浓缩液，提取液得到稀释获得稀释后的提取液；所述待处理水溶液中TDS<500,000ppm或/和COD<600,000ppm；(2)对稀释后的提取液进行反渗透处理或膜蒸馏处理，使提取液得到再生，并得到产水；再生后的提取液引入步骤(1)循环利用，产水直接回用。本发明通过低能耗耐污染的正渗透膜将水溶液浓缩减量，并最终实现废水零排放，将其应用于废水处理工艺中减少了后续蒸发装置的处理量，降低了***的运行能耗。

Description

一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法

技术领域

本发明属于水处理浓缩技术领域，具体涉及一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法。

背景技术

水作为一种良溶剂，可大量溶解不同的可溶性无机盐分，例如：钠离子，氯离子，钙离子，镁离子，硫酸根离子等，同时，很多有机物也可以溶解在水中，例如葡萄糖，氨基酸等。因此，自然界中的水溶液往往含有多种溶质，形成混合型溶液。特别是对于一些高盐分(可溶性盐分TDS＜500,000ppm)、高有机物(可溶性有机物COD＜600,000ppm)的多组分废水，无论对其进行浓缩或净化处理，难度往往比单独处理一种溶解物要高很多，主要原因在于溶解物质的相互干扰。

目前常见的此类废水处理方法为“三级处理”结合“双膜法”的工艺，具体为第一级用物化方式去除悬浮物，第二级用生化方式去除可降解水溶性有机物，第三级深度处理杀菌，再接超滤、纳滤、反渗透去除盐分，随后反渗透产生的浓盐水(通常浓度为2-7％，质量分数)，经过蒸发器，结晶器，实现水的再利用。整个处理工艺流程长，步骤多，成本高。此外，由于反渗透膜的自身限制，其浓水的盐浓度离饱和仍有较大距离，采用热法蒸发浓缩会消耗大量能源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，截留水溶液中的盐分及可溶性有机物，使清水通过膜，从而实现水溶液的浓缩减量化方法，提高水重复利用率，实现废水零排放。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，包括如下步骤：

1)膜浓缩处理

对待处理水溶液进行膜浓缩处理，所述膜浓缩处理为采用板式或卷式正渗透膜组进行正渗透，在渗透压差的驱动下，正渗透膜一侧的水溶液与另一侧的提取液进行物质交换，水溶液中的水分进入提取液，水溶液得到浓缩获得浓缩液，提取液得到稀释获得稀释后的提取液；

所述待处理水溶液中TDS<500,000ppm或/和COD<600,000ppm；

2)提取液再生处理

对步骤1)获得的稀释后的提取液进行反渗透处理或膜蒸馏处理提升提取液的浓度使提取液得到再生，并得到产水，产水中TDS<500ppm、COD<50ppm；再生后的提取液引入步骤1)循环利用；

所述反渗透处理采用卷式多级反渗透膜组，所述膜蒸馏采用板式低温蒸馏膜组。

进一步，步骤1)膜浓缩处理之前还包括阻垢处理，所述阻垢处理方法为：调节待处理液体的pH值并投加阻垢剂进行阻垢处理。

优选的，阻垢剂的浓度为2～20ppm。

再，步骤2)中，所述渗透压差为70～600psi；

步骤2)中，所述板式或卷式正渗透膜组采用模块串联的板式或卷式正渗透膜元件，所述板式或卷式正渗透膜元件的截盐率≥90％。

步骤2)中，所述正渗透的运行条件为：膜水通量2～18L/m²·h，水溶液侧压力5～15psi，提取液侧压力为2～12psi，运行温度为5～45℃。优选的，所述水溶液侧与提取液侧的压力差△P为﹣5psi≤△P≤﹢10psi。

进一步，所述提取液为比待处理水溶液具备更高渗透压的溶液，例如NaCl溶液，MgCl₂溶液，Na₂SO₄溶液或MgSO₄溶液等。

步骤2)中，所述多级反渗透膜组采用级间串联的方式，级数为1～5，若级数为1，则第1级采用1～20支反渗透膜元件，该反渗透膜元件截盐率≥95％；若级数≥2，则第1级采用1～20支反渗透膜元件，该反渗透膜元件截盐率≥95％；其余级采用3～15支反渗透膜元件，该反渗透膜元件的截盐率为50～90％，其余级反渗透膜元件的截盐率逐级递减。

步骤3)中，所述反渗透处理的运行条件为：膜通量3～35L/m²·h、运行压力100～1500psi，运行温度5～40℃。

步骤2)中，所述膜蒸馏处理的运行条件为：膜通量5～16L/m²·h，真空侧绝对压力为25～200mbar，运行温度为50～70℃。

步骤2)中，所述板式低温膜蒸馏膜组采用多组并联的方式，水汽分子可以通过膜蒸馏膜，而盐分及其他溶解性大分子有机物都无法透过蒸馏膜。

本发明在膜浓缩处理之前为了阻止结垢现象发生可进行阻垢处理，阻垢处理为常规操作，是否进行阻垢处理、阻垢剂投加浓度根据水溶液中有结垢倾向的离子的种类和浓度等进行调整。

本发明步骤1)膜浓缩处理中，在渗透压差的驱动下，水溶液与提取液进行物质交换，水溶液中的水分进入到提取液，得到浓缩液和稀释后的提取液，水溶液的浓缩倍数为2～50倍。步骤2)经反渗透处理或膜蒸馏处理得到的产水中TDS<500ppm、COD<50ppm，超过自来水标准，达到直接使用的标准，可直接作为工厂生产用水等使用；步骤2)得到再生后的提取液可引入步骤1)中进行循环利用，提高水重复利用率，实现废水零排放。

本发明中，只要待处理液体的水质满足TDS<500,000ppm或/和COD<600,000ppm均可适用本发明提供的减量方法进行浓缩处理，例如，适用于碳酸锂废水、垃圾渗滤液、电镀废水、化工废水、焦化废水、电镀废水、医药废水、食品医疗废水、油田回注水、油田采出液、冶金废水、矿山酸性废水、电厂脱硫废水或锅炉外排水等的浓缩。除此之外，本发明还适用于果汁浓缩、中西药浓缩、抗生素浓缩、蔗糖及甜菊糖浓缩、牛奶等乳制品浓缩等，上述应用中，由于原液中含有大量水分，为达到节约运输成本或获得其中溶质，往往需要用加热的方法将水分蒸出，但是由于加热消耗很多能量，同时加热往往破坏原液的性能，例如加热果汁会破坏其中的营养成本和香味，而采用本发明提供的方法可以在常温下选择性的将原液中的水去除，从而实现低能耗无原料损失的浓缩。

本发明的有益效果：

本发明针对高盐分高有机物水溶液的水质特点，以正渗透膜处理作为核心技术，利用正渗透可以截留水中的盐分及可溶性有机物，使清水通过膜，对水溶液进行浓缩，浓缩倍数可以达到为2～50倍，从而实现水溶液的减量化方法。

本发明提供的浓缩减量化方法中膜浓缩处理产生的稀释提取液经反渗透处理或膜蒸馏处理可以得到再生，再进入膜浓缩处理中循环利用，同时反渗透处理或膜蒸馏处理得到的产水可直接作为工厂生产用水等使用，提高了整厂水重复利用率，实现废水零排放。

本发明的减量化处理方法应用到废水处理工艺中，将膜浓缩处理作为第一段浓缩单元对废水进行减量化处理，极大减少了后续蒸发的蒸发处理量，保障蒸发***的稳定运行，而且本发明中膜浓缩的成本远低于废水蒸发处理的成本，因此，大大降低了整套废水处理***的运行成本。本发明膜浓缩处理过程可利用正渗透可以截留溶质，同时耐有机物高的特点，对混合型废水进行浓缩，从而降低处理工艺的复杂性，并降低处理成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

实施例1

某企业焦化废水反渗透装置车间浓水收集池产生的废水，成分见表1，对其进行减量化处理，包括如下步骤：

(1)废水进入进水调节罐，加盐酸调节pH值至4～5，投加0.5ppm的无机结垢阻垢剂(聚丙烯酸类)。

(2)膜浓缩

经过阻垢处理的废水进过提升泵提升至正渗透***与7％浓度的NaCl溶液进行物质交换反应，提升泵出口压力为5.8psi，进水操作温度为15℃，正渗透的通量为8.2L/m²·h，得到浓缩液(浓缩倍数为5)和稀释后的提取液(浓度从7％降到3.2％)，浓缩液水质见表1。

正渗透***采用板式正渗透膜组，膜组采用模块串联的板式正渗透膜元件，每个膜组包含膜元件10个，共有两个膜组，维持膜两侧压差<10psi，正渗透膜的截盐率≥90％。

(3)提取液再生处理

提取液再生装置采用多级反渗透膜组级间串联的方式，级数为3，第1级采用8支海淡反渗透膜元件，截盐率为99％，运行压力为600-800psi；第2级采用3支低截盐率反渗透膜，截盐率为90％，运行压力为800-1000psi；第3级采用1支更低截盐率反渗透膜，截盐率为80％，运行压力为1000-1200psi；膜通量为3～20L/m²·h，运行温度5～40℃。

稀释后的提取液经过再生处理后浓度从3.2％恢复至7％，导入步骤(1)进行循环利用，同时将原废水中利用反渗透膜分离产出电导率100us/cm左右的可使用产水，产水水质见表2。

(4)将浓缩液预热到80℃，进入机械压缩蒸发器蒸发得到凝结水和残渣，残渣外送处理。

表1

水质指标	单位	废水	浓缩液	回用产水
					pH		8.9	8.5	7.3
电导率	us/cm	13000	57000	100
					COD<sub>cr</sub>	mg/l	336	2300	10
TDS	mg/l	9800	88000	150
					SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>	mg/l	2200	16800	5
Ca<sup>2+</sup>	mg/l	21	67	<0.1
					Mg<sup>2+</sup>	mg/l	7.9	29	<0.1
氯化物	mg/l	2730	27800	43
					F<sup>-</sup>	mg/l	3	11.2	未检出
Al<sup>3+</sup>	mg/l	1.4	7.2	未检出
					总氮	mg/l	116	715	0.5

对比例1

某钢铁企业焦化废水膜法回用过程中产生的反渗透浓水，主要成分见表1。该反渗透浓水直接用于烟道蒸发处理，不经减量化处理，造成烟气出口VOCs等污染物排放超标的问题，不满足相关排放标准，且提高了飞灰残渣的资源化利用难度。

实施例2

某企业焦化废水深度处理单元反渗透浓水成分见表2。

(1)废水进入进水调节罐，加盐酸调节pH值至4～5投加1.5ppm的无机结垢阻垢剂(聚丙烯酸类)。

(2)膜浓缩

经过预调节的废水进过提升泵提升至正渗透***与10％浓度的NaCl溶液进行物质交换反应，提升泵出口压力为7.6psi，进水操作温度为20℃，正渗透的通量为11.3L/m²·h，得到浓缩液(浓缩倍数为8)和稀释后的提取液(浓度从10％降到4.6％)，浓缩液水质见表2。

正渗透***采用板式正渗透膜组，膜组采用单级串联的板式正渗透膜元件，每个膜组包含膜元件10个，共有1个膜组，维持膜两侧压差<10psi，正渗透膜的截盐率≥90％。

(3)提取液再生处理

稀释后的提取液进蒸汽换热后到65℃后，经过提升至膜蒸馏***，膜蒸馏膜通量5～16L/m²·h，真空侧绝对压力为55mbar，经过膜蒸馏处理后提取液浓度从4.6％恢复至10％，导入步骤(1)进行循环利用，同时将原废水中利用分离产出电导率25us/cm左右可直接使用的产水，产水水质见表2。

(4)将浓缩液进一步换热到80℃，进入机械压缩蒸发器蒸发得到凝结水和残渣，残渣外送处理。

表2

水质指标	单位	反渗透浓液	浓缩液	回用产水
					pH		8.1	8.0	7.5
电导率	us/cm	7000	62000	25
					COD<sub>cr</sub>	mg/l	127	579	5
TDS	mg/l	5700	47000	15
					SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>	mg/l	860	4700	3
Ca<sup>2+</sup>	mg/l	30	115	<0.1
					Mg<sup>2+</sup>	mg/l	4	21	<0.1
氯化物	mg/l	1280	13900	15
					F<sup>-</sup>	mg/l	6	35	未检出
Al<sup>3+</sup>	mg/l	0.6	10.2	未检出
					总氮	mg/l	75	482	0.3

对比例2

某企业焦化废其深度处理单元反渗透浓水成，主要成分见表2。不经过正渗透膜浓缩直接进入到蒸发***，同时由于结垢问题，导致原处理***的反渗透的产水率由设计的60％降低至47％，运行压力提升了23％，排放的浓水量增加导致蒸发***无法稳定运行，吨水运行成本高达165元/吨。

实施例3

某果汁加工厂有鲜榨橙汁，含糖量约为10％，需从原产地运输至消费所在地，运输成本为120元/吨，采用本方法对果汁进行浓缩后再运输，以最大限度节约运输成本，具体包括如下步骤：

(1)膜浓缩

将鲜榨橙汁经提升泵提升至正渗透***与10％浓度的NaCl溶液进行物质交换反应，提升泵出口压力为10.6psi，进水操作温度为20℃，正渗透的通量为14.4L/m²·h，得到浓缩液(浓缩倍数为5)和稀释后的提取液(浓度从10％降到5％)。

正渗透***采用板式正渗透膜组，膜组采用单级串联的板式正渗透膜元件，每个膜组包含膜元件9个，共有3个膜组，维持膜两侧压差<10psi，正渗透膜的截盐率≥90％。

(2)提取液再生处理

提取液再生装置采用多级反渗透膜组级间串联的方式，级数为3，第1级采用8支反渗透膜元件，截盐率在99％，第2级采用3支低截盐率反渗透膜，截盐率为90％，第3级采用1支更低截盐率反渗透膜，截盐率为80％。

经过反渗透处理后NaCl溶液浓度从5％恢复至10％，导入步骤(1)进行循环利用，同时分离得到的产水可直接作为工厂生产用水等使用。

该企业鲜榨橙汁采用加热蒸发浓缩的方式，处理成本约为80元/吨果汁。采用本方法处理浓缩果汁，运行成本仅为20元/吨，浓缩后果汁含糖量达到50-60％，综合成本降低70％，并且浓缩过程不需加热，不破坏果汁中的营养成分和口味，还原程度高。

实施例4

某乳品加工厂有鲜牛奶，蛋白含量约为2～2.5g/100g鲜奶，需从奶源地运输至消费所在地，运输成本为120元/吨，采用本发明对鲜奶进行浓缩后再运输，以最大限度节约运输成本，具体包括如下步骤：

(1)膜浓缩

将鲜奶经提升泵提升至正渗透***与14％浓度的NaCl溶液进行物质交换反应，提升泵出口压力为9.6psi，进水操作温度为20℃，正渗透的通量为12.4L/m²·h，得到浓缩液(浓缩倍数为9)和稀释后的提取液(浓度从14％降到3.5％)。

正渗透***采用板式正渗透膜组，膜组采用单级串联的板式正渗透膜元件，每个膜组包含膜原件8个，共有2个膜组，维持膜两侧压差<10psi，正渗透膜的截盐率≥90％。

(2)提取液再生处理

提取液再生装置采用多级反渗透膜组级间串联的方式，级数为3，第1级采用8支海淡反渗透膜，截盐率在99％，第2级采用3支低截盐率反渗透膜，截盐率为90％，第3级采用1支更低截盐率反渗透膜，截盐率为80％。

经过反渗透处理后NaCl溶液浓度从3.5％恢复至14％，导入步骤(1)进行循环利用，同时分离得到的产水可直接作为工厂生产用水等使用。

采用本方法处理的浓缩鲜奶，运行成本仅为20元/吨，浓缩后蛋白含量达到40g/100g鲜奶，综合成本降低75％，并且浓缩过程不需加热，不破坏原奶中的营养物质，还原程度高。

Claims

1.一种高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，包括如下步骤：

1)膜浓缩

所述待处理水溶液中TDS<500,000ppm或/和COD<600,000ppm；

2)提取液再生

对步骤1)获得的稀释后的提取液进行反渗透处理或膜蒸馏处理，使提取液得到再生，并得到产水，产水中TDS<500ppm、COD<50ppm；再生后的提取液引入步骤1)循环利用。

2.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤1)膜浓缩处理之前还包括阻垢处理，所述阻垢处理方法为：调节待处理液体的pH值并投加阻垢剂进行阻垢处理。

3.根据权利要求2所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，所述阻垢剂的浓度为2～20ppm。

4.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤1)中，所述渗透压差为70～600psi。

5.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤1)中，所述板式或卷式正渗透膜组采用模块串联的板式或卷式正渗透膜元件，所述板式或卷式正渗透膜元件的截盐率≥90％。

6.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤1)中，所述正渗透的运行条件为：膜水通量2～18L/m²·h，水溶液侧压力5～15psi，提取液侧压力为2～12psi，运行温度为5～45℃。

7.根据权利要求6所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，所述水溶液侧与提取液侧的压力差△P为﹣5psi≤△P≤﹢10psi。

8.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤2)中，所述反渗透处理采用卷式多级反渗透膜组，该多级反渗透膜组采用级间串联的方式，级数为1～5；

若级数为1，则第1级采用1～20支反渗透膜元件，该反渗透膜元件截盐率≥95％；

若级数≥2，则第1级采用1～20支反渗透膜元件，该反渗透膜元件截盐率≥95％；其余级采用3～15支反渗透膜元件，该反渗透膜元件的截盐率为50～90％，其余级反渗透膜元件的截盐率逐级递减。

9.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤2)中，所述反渗透处理的运行条件为：膜通量3～35L/m²·h、运行压力100～1500psi，运行温度5～40℃。

10.根据权利要求1所述的高盐分高有机物水溶液的浓缩减量化方法，其特征在于，步骤2)中，所述膜蒸馏处理的运行条件为：膜通量5～16L/m²·h，真空侧绝对压力为25～200mbar，运行温度为30～80℃。