CN1994904A - 纳滤海水淡化方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳滤海水淡化方法，该方法包括超滤预处理过程、纳滤处理过程和脱盐淡化过程。本发明还公开了实现上述方法的纳滤海水淡化装置，其特征在于该装置包括依次相连的原水箱、增压泵体、超滤预处理器、中间水箱、高压泵体I、纳滤器组件、调节水箱和至少一个脱盐单元，该装置还包括反冲清洗泵体，反冲清洗泵体的进水口与中间水箱相连，反冲清洗泵体的出水口与超滤预处理器的出水口相连。本发明解决了反渗透海水淡化产水回收率低、操作压力高、单位淡水产量的能源消耗大、海水淡化处理设备投资费用高和淡水生产成本高等问题，易于推广应用。

Description

纳滤海水淡化方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种纳滤海水淡化方法及其装置。
背景技术
海水淡化是一种向海洋要淡水的高新技术，在世界范围内已得到较为广泛的使用和发展。海水是一种盐含量高、硬度大、浊度变动大、同时悬浮有不同粒径的有机和无机微粒及微生物的盐水溶液，因而海水淡化过程是一项相当复杂的脱盐过程。传统的海水淡化方法按脱盐原理可分成热法和膜法两类。多级闪蒸、低温多效蒸馏等海水淡化方法是热法脱盐，海水加热转变成蒸汽，蒸汽再冷凝转变成淡水。海水淡化过程中因有相变，淡水能耗大。反渗透海水淡化是向海水施加大于海水渗透压的压力，迫使海水中的淡水透过反渗透膜，而海水中的盐不能透过反渗透膜而富集。膜法海水淡化过程不存在相变过程，因而膜法海水淡化的耗能远低于热法海水淡化过程的能耗。
反渗透膜法海水淡化过程中，海水中的淡水不断产出，海水浓度不断提高，渗透压也不断提高，在一定的操作压力下，膜脱盐过程的驱动力不断降低，最终导致反渗透膜脱盐过程中止。渗透压是反渗透海水淡化产水回收率提高的制约因素。在现有反渗透膜的耐压条件下，反渗透海水淡化产水回收率约为35％～40％。从理论上讲，提高反渗透海水淡化过程的运行压力可以适当提高海水淡化产水回收率，但随之必须研究开发能耐更高压力的反渗透膜元件和处理装置。提高反渗透海水淡化过程的操作压力，同时也伴随着能源消耗的大幅度提高，抵消了海水淡化产水回收率提高带来的产水成本下降的效益。
纳滤膜过程与反渗透膜过程相比，纳滤膜的半脱盐性能使得纳滤膜过程受海水渗透压的影响程度小于反渗透膜过程。同时，纳滤膜对二价以上的离子截留率高，而允许单价离子部份通过膜，可以把海水中单价盐和双价盐进行分离。降低了渗透压对海水淡化产水回收率的制约作用，为海水淡化产水回收率的提高创造了条件。同时，纳滤膜过程所需要的净驱动压力低，运行的操作压力低，能源消耗也低。
目前公知的反渗透海水淡化工艺是海水预处理、反渗透海水脱盐工艺，中国专利ZL97209034·7，ZL98122164·X，及申请号为200410025329·X的中国专利申请文件中均有所披露。上述海水淡化工艺均是以反渗透膜过程为基础的海水淡化方法，缺点是产水回收率低、能耗较大、预处理设备大、处理工艺复杂、海水淡化成本高，而且浓海水的综合利用难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳滤海水淡化方法。
本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种纳滤海水淡化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)超滤预处理过程
a、将待处理的海水经增压泵体从原水箱泵入超滤预处理器，对海水进行超滤预处理，去除海水中的悬浮物、颗粒及微生物；
b、经超滤预处理器出来的清洁海水自流进入中间水箱；
c、对超滤预处理器进行反冲洗，启动与中间水箱相连的反冲清洗泵体对超滤预处理器进行冲洗；
(2)纳滤处理过程
a.将步骤(1)中的中间水箱得到的清洁海水由高压泵体泵入纳滤器I，经过纳滤器I处理后，已经除去二价离子的产水自流进入调节水箱，而高浓度的浓缩海水自流进入纳滤器II中；
b.在纳滤器II中对浓缩海水进行进一步处理，含单价离子氯化钠盐的产水自流进入调节水箱，与纳滤器I的产水混合，作为脱盐器的进水，而经纳滤器II处理后的浓缩水作为废水排放掉；
(3)脱盐淡化过程
a、将步骤(2)中的调节水箱得到的氯化钠海水溶液经高压泵体泵入脱盐器，进行脱盐处理，去除氯化钠盐；
b、经脱盐器处理后的淡水作为淡化产水流入淡水池，而浓缩水作为废水排放掉。
所述的纳滤器和脱盐器的操作压力均为1.0～4.0MPa，较佳的操作压力为3.5MPa。
本发明可以作如下进一步的改进：该方法的步骤(3)中的脱盐淡化过程可以多次重复，具体步骤是将调节水箱的海水泵入串联的多个脱盐器中，对海水进行多次脱盐处理。
本发明所述的纳滤器I、纳滤器II、脱盐器I和脱盐器II的操作压力为1.0～4.0MPa：纳滤器I要求纳滤膜的总溶解固体物的脱盐率大于率40％；纳滤器II要求纳滤膜的脱盐率小于50％，氯化钠脱盐率小于35％，硫酸根等二价离子脱盐率大于98％；脱盐器I要求纳滤膜的氯化钠脱盐率大于40％；脱盐器II要求膜的氯化钠脱盐率大于70％。
本发明的另一目的是解决反渗透海水淡化产水回收率低、操作压力高、单位淡水产量的能源消耗大、海水淡化处理设备投资费用高和淡水生产成本高等问题，提供一种海水淡化的操作压力低，提高海水淡化产水回收率的装置。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种纳滤海水淡化装置，其特征在于该装置包括依次相连的原水箱、增压泵体、超滤预处理器、中间水箱、高压泵体I、纳滤器组件、调节水箱和至少一个脱盐单元，该装置还包括反冲清洗泵体，反冲清洗泵体的进水口与中间水箱相连，反冲清洗泵体的出水口与超滤预处理器的出水口相连。
本发明可以作如下改进：所述的纳滤器组件由一个或一个以上的纳滤器组成。
所述的纳滤器组件由两个纳滤器组成，分别为纳滤器I和纳滤器II，纳滤器I和高压泵体相连，纳滤器I具有浓缩水出口和产出水出口，其中浓缩水出口与纳滤器II的进水口相连，产出水出口与调节水箱相连，纳滤器II的产出水出口和纳滤器I的产出水出口相连，产水混合后流入调节水箱。
本发明可以作如下进一步的改进：所述的脱盐单元为2个或3个，每个脱盐单元由相连的高压泵体和脱盐器组成，多个脱盐单元依次串联连接，多个高压泵体和脱盐器呈交替状串接。
所述的脱盐单元为2个，2个脱盐单元由依次串联的高压泵体II、脱盐器I、高压泵体III和脱盐器II组成，脱盐器I具有淡水出口和浓水出口，其中淡水出口和高压泵体III的进口相连，浓水出口排放浓缩水，脱盐器II也具有淡水出口和浓水出口，其中淡水出口与淡水池相连，浓水出口与调节水箱出水口相连，并且和调节水箱的产水混合后作为高压泵体II的进水。
所述的脱盐器均具有膜元件，所述的膜元件为纳滤膜或反渗透膜。
本发明的基本工作原理是：首先是对海水进行超滤预处理，除去海水中含有的悬浮物、各种有机和无机微粒及微生物，使预处理后的海水达到纳滤膜要求的水质标准。再将超滤预处理后的海水泵入纳滤膜中进行处理，除去海水中的钙、镁、硫酸根等成垢离子，同时也部份除去氯化钠，使纳滤分离后的海水浓度降低。再将纳滤处理后的海水泵入脱盐器中进行脱盐淡化。由于此时的海水中只含氯化钠等单价盐，而且浓度也低，因而可以提高脱盐器的回收率。纳滤分离器的浓缩液富含钙、镁、硫酸根等二价离子和部份氯化钠单价盐，从纳滤浓水出口外排；脱盐器的浓缩液是氯化钠浓溶液，从脱盐器浓水出口外排；脱盐器的产水出口排出淡化产水。
本发明的上述技术问题主要通过建立在特征方程基础上的工艺设计，调整具有不同脱盐率纳滤膜元件的相对比例和膜装置的设计回收率，使纳滤器末端倒数第一支膜的出口端膜两侧的渗透压差小于纳滤膜额定的最高操作压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：降低了膜法海水淡化的操作压力，提高海水淡化产水回收率，降低海水淡化过程的能耗，简化预处理工艺和减少处理设备的体积，降低海水淡化的淡水生产成本。同时，在海水淡化过程中，没有添加絮凝剂等化学药品，浓缩海水分成富含双价盐的浓水和氯化钠浓盐水两部份，从而为浓海水的综合利用创造了条件。
附图说明
图1是本发明实施例一的框图；
图1是本发明实施例二的框图；
图1是本发明实施例三的框图；
图1是本发明实施例四的框图。
图中，1原水箱、2增压泵体、3超滤预处理器、4中间水箱、5清洗泵体、6高压泵体I、7纳滤器I、8纳滤器II、9调节水箱、10高压泵体II、11脱盐器I、12高压泵体III、13脱盐器II、14高压泵体IV、15脱盐器III
具体实施方式
实施例一
参照附图1，一种纳滤海水淡化装置，包括原水箱1、增压泵体2、超滤预处理器3、中间水箱4、反冲洗泵体5、高压泵体I6、纳滤器I7、纳滤器II8、调节水箱9、高压泵体II10、脱盐器I11、高压泵体III12、脱盐器II13，它们是依次相连。
原水箱1的出口与增压泵体2的进口连接，增压泵体2的出口与超滤预处理器3的进口连接，超滤预处理器3的产水由出口汇入中间水箱4中，中间水箱4的出口与高压泵体I6的进口连接，高压泵体I6的出口与纳滤器I7的进口连接，纳滤器I7的浓水出口与纳滤器II8的进口连接，纳滤器II8的浓缩水从出口排掉，纳滤器I7的产水由产水出口汇入调节水箱9，纳滤器II8的产水由产水出口也同时汇入调节水箱9，调节水箱9的出口与高压泵体II10的进口连接，高压泵体II10的出口与脱盐器I11的进口连接，脱盐器I11的浓盐水由出口排掉；脱盐器I11的淡水出口与高压泵体III12的进口连接，高压泵体III12的出口与脱盐器II13的进口连接，脱盐器II13的浓水出口与高压泵体II10的进口连接，浓水与来自调节水箱9的纳滤处理过的清洁海水混合后作为高压泵体10的进水泵入脱盐器I11；脱盐器II13的淡水由出口流入淡水池；反冲洗泵体5的进口与中间水箱4的另一出口连接，反冲洗泵体5的出口与超滤预处理器3的出口连接，超滤预处理器3的进水口同时作为反冲洗时污水排放口使用。
采用实施例一的装置，脱盐器采用纳滤膜，选取合适的海水浓度35000mg/L，进行海水淡化，该钠滤海水淡化方法主要由超滤预处理过程、钠滤处理过程和脱盐淡化过程组成，具体步骤如下：在超滤预处理过程中，将海水先抽入原水箱1，当原水箱1中储有一定量的海水时，启动增压泵体2，将海水泵入超滤预处理器3中进行预处理。经过预处理后的海水，已经除去了海水中的悬浮物、粘土、淤泥、海洋生物等物质。经超滤预处理器3出来的清洁海水自流进入中间水箱4。经过超滤预处理，可以有效防止海水中的悬浮物对纳滤膜造成的污染，导致膜性能的下降或损坏。超滤预处理器3与传统超滤处理技术不同点是：超滤预处理器运行时没有浓缩液排出，全部供水都透过超滤膜转换成产水，而海水中的悬浮物等全部沉淀在超滤膜表面。运行后的超滤膜面因沉积了大量的沉淀物，需要对超滤预处理器3进行定期反冲洗。反冲洗时，先开启和关闭相关阀门，启动反冲清洗泵体5在超滤膜背面加压，使清水从膜背面垂直通过膜反方向流动，直接冲击沉淀在膜表面的沉淀物，使沉淀物松动脱落排出。一般情况下，超滤预处理器3运行40分钟，反冲清洗1分钟。
在钠滤处理过程中，等到中间水箱4储有一定量的清洁海水时，启动高压泵体I6，高压泵体I6将中间水箱4得到的清洁海水泵入纳滤器I7，经过纳滤器I7处理后，已经除去二价离子的产水自流进入调节水箱9，而高浓度的浓缩海水自流进入纳滤器II8中；在纳滤器II8中对浓缩海水进行进一步处理，含单价离子氯化钠盐的产水自流进入调节水箱9，与纳滤器I7的产水混合，作为脱盐器的进水，而经纳滤器II8处理后的浓缩水作为废水排放掉；在该钠滤处理过程中，清洁海水在纳滤器I7和纳滤器II8中进行单、双价盐的分离，脱除大部份二价以上离子和部份单价盐。为了降低海水浓缩过程中渗透压提高产生的影响，在纳滤器I7和纳滤器II8的纳滤膜元件选择时，一般要求纳滤器I7纳滤膜元件的海水总固溶物脱除率大于40％，纳滤器II8的纳滤膜元件的海水总固溶物脱除率小于50％。这样才能控制纳滤器出口端膜两侧的渗透压差小于膜的最高耐压力水平。
经过纳滤器I7和纳滤器II8处理后的产水中已除去了大部份的二价离子和部份单价的盐，保存下来的只是部份单价盐，将上述步骤中的调节水箱9得到的氯化钠海水溶液经高压泵体II10泵入脱盐器11I，进行脱盐淡化过程，去除氯化钠盐；经脱盐器11I处理后的产水再泵入高压泵体III12中，而浓缩水作为废水排放掉，高压泵体III12再将产水泵入脱盐器II13中，淡水作为淡化产水流入淡水池，脱盐器II13的浓缩水的浓度低于海水浓度，回流至调节水箱9与来自纳滤器I7的产水混合后，作为脱盐器I11的供水。
上述过程中调节水箱9的产水进入脱盐器I11时的海水渗透压初始值低，也没有Ca2+、Mg2+、SO4 2-等成垢离子，在高回收率条件下，有效防止了在脱盐器II13膜表面结垢沉淀问题的出现，提高了海水的利用率。在纳滤器I7、纳滤器II8的脱盐器I11和脱盐器II13的操作压力为3.5MPa时，产水回收率49.5％，装置脱盐率99.83％。纳滤器I7的浓水浓缩度为47440mg/L，产水浓度为5975mg/L，纳滤两侧渗透压差为2.9MPa；纳滤器II8的浓水浓度为66003mg/L，产水浓度28877mg/L，膜两侧渗透压差为2.7MPa，脱盐器I11的浓水浓度为48586mg/L，透过水浓度为8356mg/L，膜两侧渗透压差为2.9MPa；脱盐器II13的浓水浓度为39209mg/L，产水浓度为643mg/L。
本实施例中的纳滤器和脱盐器的操作压力也可以在1.0～4.0MPa范围之内，均能满足作业要求。
实施例二
参照附图2，一种纳滤海水淡化的装置，包括原水箱1、增压泵体2、超滤预处理器3、中间水箱4、反冲洗泵体5、高压泵体I6、纳滤器I7、纳滤器II8、调节水箱9、高压泵体II10、脱盐器I11等依次相连。原水箱1的出口与增压泵体2的进口连接，增压泵体2的出口与超滤预处理器3的进口连接，超滤预处理器3的产水由出口汇入中间水箱4中，中间水箱4的出口与高压泵体I6的进口连接，高压泵体I6的出口与纳滤器I7的进口连接，纳滤器I7的浓水出口与纳滤器II8的进口连接，纳滤器II8的浓缩水从浓水出口排掉，纳滤器I7的产水和纳滤器II8的产水由产水出口流入调节水箱混合后作为脱盐器I11的进水，调节水箱9的出口与高压泵体II10的进口连接，高压泵体10的出口与脱盐器I11的进口连接，脱盐器I11的浓水从浓水出口排掉；脱盐器I11的产水作为淡化水由产水出口流入淡水池；反冲洗泵体5的进口与中间水箱4的另一出口连接，反冲洗泵体5的出口与超滤预处理器3的出口连接，超滤预处理器3的进水口同时作为反冲洗时的反冲洗污水排放口使用。
采用本实施例的装置，选取合适的海水浓度35000mg/L，在纳滤器I7、纳滤器II8和脱盐器I11的操作压力均为3.5MPa时，装置产水回收率为45％，装置脱盐率95.93％。在较佳的条件下，纳滤器I7的浓水浓度47440mg/L，产水浓度为5975m/L，纳滤膜两侧的渗透压差为2.9MPa；纳滤器II8的浓水浓度71159mg/L，产水浓度为23720mg/L，纳滤膜两侧的渗透压差为3.5MPa；脱盐器I11的浓水浓度36691mg/L，产水浓度为1423mg/L，脱盐器I11纳滤膜两侧的渗透压差为2.4MPa。
本发明中脱盐器的膜元件可以单独采用纳滤膜或反渗透膜，也可以采用纳滤膜与反渗透膜的组合方式。选用合适的海水浓度35000mg/L，采用实施例二的设备，脱盐器I11采用反渗透膜时，脱盐器I11的设计回收率与海水淡化装置的回收率和脱盐度的关系如下所示。
脱盐器I回收率(％) 脱盐器I平均脱盐率 (％)海水淡化产水回收率(％) 海水淡化脱盐率(％)
0.60.70.80.9 0.99430.99540.99660.9982 4552.56067.5 99.7499.7899.8499.91
如下所示的为实施例1和实施例2的装置与膜法海水淡化作比较，其中海水浓度为35000mg/L
淡化技术 操作压力(MPa) 装置回收率％ 装置脱盐率％ 能源消耗(KWh/m3) 能耗下降(％)
反渗透海水淡化纳滤淡化实施例2纳滤淡化实施例1 63.53.5 354542.4 99.2195.9398.16 4.792.174.48 ——-45-6.5
实施例三
参照附图3，一种纳滤海水淡化装置，该实施例和实施例一不同的是，其纳滤器只使用一个，其余构件和连接关系均和实施例一相同。
采用实施例三的装置进行纳滤海水淡化的处理方法，其流程程依次按下列顺序进行：海水经增压泵体2从原水箱1泵入超滤预处理器3，经超滤预处理器3出来的清洁海水自流进入中间水箱4；中间水箱4中的清洁海水再由高压泵体I6泵入纳滤器I7，纳滤器I7的浓缩海水直接排放，浓缩海水内含有海水中的钙、镁、硫酸根等二价离子和部份氯化钠单价盐，纳滤器I7的产水流入调节水箱9，再由高压泵体II10泵入脱盐器I11处理，经脱盐器I11脱盐处理后的浓盐水作为浓水外排；脱盐器I11的透过水再由高压泵体III12泵入脱盐器II13作进一步脱盐处理，脱盐器II13的产水作为淡化产水从产水出口排入淡水池；脱盐器II13的浓缩水的浓度低于海水浓度，回流至调节水箱9与来自纳滤器I7的产水混合后，作为脱盐器I11的供水。本发明提及的超滤预处理器3是一种死端超滤装置，并带有反冲洗清洗***，可定时、自动进行反冲洗。
实施例四
参照附图4，一种纳滤海水淡化装置，该实施例和实施例二不同的是，其脱盐器为三个，并且脱盐器中间通过高压泵体相连，形成高压泵体、脱盐器交替状的串联连接方式，及高压泵体II10与调节水箱9相连，高压泵体II10的另一端与脱盐器I11相连，脱盐器I11与高压泵体III12相连，高压泵体III12与脱盐器II13相连，脱盐器II13与高压泵体IV14相连，高压泵体IV14与脱盐器II15相连，脱盐器III15的产水作为淡化水由产水出口流入淡水池，本实施例的其余构件和连接关系均和实施例一相同。
最后，还需注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多设计组合。本领域的技术人员能从本发明的公开内容直接导出或得到的所有变幻，均应当认为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳滤海水淡化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)超滤预处理过程
a、将待处理的海水经增压泵体从原水箱泵入超滤预处理器，对海水进行超滤预处理，去除海水中的悬浮物、颗粒及微生物；
b、经超滤预处理器出来的清洁海水自流进入中间水箱；
c、对超滤预处理器进行反冲洗，启动与中间水箱相连的反冲清洗泵体对超滤预处理器进行冲洗；
(2)纳滤处理过程
a.将步骤(1)中的中间水箱得到的清洁海水由高压泵体泵入纳滤器I，经过纳滤器I处理后，已经除去二价离子的产水自流进入调节水箱，而高浓度的浓缩海水自流进入纳滤器II中；
b.在纳滤器II中对浓缩海水进行进一步处理，含单价离子氯化钠盐的产水自流进入调节水箱，与纳滤器I的产水混合，作为脱盐器的进水，而经纳滤器II处理后的浓缩水作为废水排放掉；
(3)脱盐淡化过程
a、将步骤(2)中的调节水箱得到的氯化钠海水溶液经高压泵体泵入脱盐器，进行脱盐处理，去除氯化钠盐；
b、经脱盐器处理后的淡水作为淡化产水流入淡水池，而浓缩水作为废水排放掉。
2、根据权利要求1所述的一种纳滤海水淡化方法，其特征在于：所述的纳滤器和脱盐器的操作压力均为1.0～4.0MPa，较佳的操作压力为3.5MPa。
3、根据权利要求1所述的一种纳滤海水淡化方法，其特征在于：该方法的步骤(3)中的脱盐淡化过程可以多次重复，具体步骤是将调节水箱的海水泵入串联的多个脱盐器中，对海水进行多次脱盐处理。
4、一种实现权利要求1所述的方法的纳滤海水淡化装置，其特征在于：该装置包括依次相连的原水箱、增压泵体、超滤预处理器、中间水箱、高压泵体I、纳滤器组件、调节水箱和至少一个脱盐单元，该装置还包括反冲清洗泵体，反冲清洗泵体的进水口与中间水箱相连，反冲清洗泵体的出水口与超滤预处理器的出水口相连。
5、根据权利要求4所述的一种纳滤海水淡化装置，其特征在于：所述的纳滤器组件由一个或一个以上的纳滤器组成。
6、根据权利要求5所述的一种纳滤海水淡化装置，其特征在于：所述的纳滤器组件由两个纳滤器组成，分别为纳滤器I和纳滤器II，纳滤器I和高压泵体相连，纳滤器I具有浓缩水出口和产出水出口，其中浓缩水出口与纳滤器II的进水口相连，产出水出口与调节水箱相连，纳滤器II的产出水出口和纳滤器I的产出水出口相连，产水混合后流入调节水箱。
7、根据权利要求4或5或6所述的一种纳滤海水淡化装置，其特征在于：所述的脱盐单元为2个或3个，每个脱盐单元由相连的高压泵体和脱盐器组成，多个脱盐单元依次串联连接，多个高压泵体和脱盐器呈交替状串接。
8、根据权利要求7所述的一种纳滤海水淡化装置，其特征在于：所述的脱盐单元为2个，2个脱盐单元由依次串联的高压泵体II、脱盐器I、高压泵体III和脱盐器II组成，脱盐器I具有淡水出口和浓水出口，其中淡水出口和高压泵体III的进口相连，浓水出口排放浓缩水，脱盐器II也具有淡水出口和浓水出口，其中淡水出口与淡水池相连，浓水出口与调节水箱出水口相连，并且和调节水箱的产水混合后作为高压泵体II的进水。
9、根据权利要求8所述的一种纳滤海水淡化装置，其特征在于：所述的脱盐器均具有膜元件，所述的膜元件为纳滤膜或反渗透膜。
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