CN207552098U - 一种膜过滤中添加co2提高产水回收率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置，沿进水方向依次设有通过管道相连的进水池、增压泵、预处理过滤***、中间水箱、NF/RO膜元件和沉淀池构成，其中预处理过滤***为微滤过滤器、超滤过滤器或多介质过滤器，中间水箱上部的进气口与CO₂密闭添加***的出气管密封连接，NF/RO膜元件呈一级或多级式串联排列或呈一段或多段式并联排列，NF膜或RO膜采用卷式或中空纤维复合膜，沉淀池内设有加热装置，沉淀池内的上清液通过管道回流与增压泵出水混合进入预处理过滤***，沉淀池内的沉淀液通过管道排放。本实用新型工艺主体和配套设备结构紧凑，功能齐全，易于操作维修，排列方式可以灵活组合。

Description

一种膜过滤中添加CO2提高产水回收率的装置

技术领域

本实用新型属于节水减排技术领域，具体涉及一种膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置。

背景技术

纳滤（NF）膜和反渗透（RO）膜在水处理过程中，依据其孔径大小和分离特性可以有效地去除给水中的有机物、藻类、细菌、病原微生物、无机胶体颗粒、重金属离子、硝酸和亚硝酸盐等污染物，但该过程中存在如膜污染和产水回收率低等重要的瓶颈问题。NF膜作为一项新型的膜分离技术，其孔径范围介于RO膜和超滤膜之间，并且NF膜自身具有电荷性（通常表现为荷负电），其对二价和多价离子及分子量介于200-1000kDa的有机物有较高的脱除效果。目前，主要的NF膜分离机理有筛分理论、吸附理论、溶解-扩散理论和电荷排斥理论等。RO膜能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100Da的有机物，但允许水分子透过，被广泛应用于苦咸水淡化和海水淡化中，主要分离机理包括溶解-扩散、优先吸附-毛细孔流理论和氢键理论等。NF膜和RO膜都是压力驱动膜，在外加操作压力作用下分离成浓水和产水。

在NF膜和RO膜分离过程中，产水的回收利用效率往往是较低且有限的，这主要受制于形成的硬度化合物无机垢，如Ca²⁺、Si²⁺、Ba²⁺、Mg²⁺等二价阳离子与CO₃ ^2-、SO₄ ^2-等二价阴离子由于浓差极化等原因在膜表面形成沉淀造成的无机污染；细菌、藻类等微生物在膜表面形成群落，同时它们的分泌物也会促使其它有机物粘附在膜表面进而形成薄膜，最终导致更严重的膜污染；有机污染物通过与膜的相互作用，从而在膜表面吸附并堵塞膜孔，进一步使NF膜通量下降，运行成本上升。在NF膜和RO膜净化水的过程中，产水的回收率一般介于40%-75%之间，回收率主要取决于进水物性和浓水回用量。与此同时，大量的浓水排入环境会导致终端造水成本的急剧增加。

因此，选择合理有效的预处理工艺并优化工艺设计，可有效防止或减轻膜污染，延长膜的使用寿命，提高产水回收率。在NF膜和RO膜过滤之前，一系列预处理工艺包括微滤、超滤、离子交换、脱气和调整pH值等；或对于NF膜和RO膜过滤后的浓水进行深度处理等方法，均可以有效提高NF膜和RO膜的产水回收率。所以，目前NF膜和RO膜法水处理过程中存在浓水产量大、产水回收率低，不符合清洁生产等行业困扰，为了保障行业的可持续发展，研发在保证产水品质的基础上，有效提高浓水回用技术同时减轻膜污染的方法是非常重要的。采用NF膜和RO膜过滤前预处理与过滤后浓水沉淀回用（通过添加CO₂和NaHCO₃调节溶液pH值，进而去除沉淀池中溶液的硬度值）的杂化耦合运行工艺，可以大幅提高产水回收率、降低环境污染及提高经济效益。在NF膜和RO膜水处理或水污染控制领域，相关的资料检索不到有关添加CO₂提高产水回收率的专利报道。公开号CN 101774731A的专利公开了一种减轻膜污染的强化混凝-气提-膜一体化方法及装置，在原水中添加混凝剂、助凝剂和气提式曝气装置，不仅减轻了膜污染，节省膜组件运行能耗，延长膜组件运行周期，降低投资成本，实施简便灵活。但是此专利技术的气提步骤仅涉及处理装置的曝气步骤，旨在带动水流在膜组件内进行循环和扰动，在膜表面形成剪切流，降低膜孔的堵塞，从而减轻了膜污染；膜分离产生的浓水没有进一步处理，从而造成水资源浪费，不够经济有效。公开号CN106186550A的专利公开了一种污水资源化零排放装置与方法，实现给水中主要阳离子、阴离子的全部回收和污泥的资源化利用，但是该专利技术实施过程中通过添加大量的强酸性药剂调节溶液的pH值，进而导致后续管道的腐蚀，造成运行成本提高，同时存在装置复杂及占地面积大等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有NF膜和RO膜分离过程中的产水回收率低并同时降低或减缓膜污染的问题，提供了一种膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置，既提高了水资源利用水平又能够降低造水成本，采用预处理+膜过滤+沉淀池相结合的杂化耦合工艺技术，使***产水回收率高达90%以上，从而有效节省用水量，实现浓水的再生利用，本工艺主体和配套设备结构紧凑，功能齐全，易于操作维修，排列方式可以灵活组合。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的方法，其特征在于具体步骤为：

（1）将待处理的含盐废水吸入并贮存于进水池中作为进水溶液待用；

（2）在增压泵的作用下进水溶液进入预处理过滤***，经预处理过滤***去除进水溶液中的胶体、悬浮颗粒物、细菌微生物和大分子量有机物后生成的预处理溶液进入中间水箱；

（3）通过CO₂密闭添加***向中间水箱注入CO₂以调节中间水箱内溶液的pH值，使pH值降低至8.32以下，并添加阻垢剂生成碳酸氢盐分布系数显著增加、碳酸盐分布系数显著下降的条件溶液；

（4）将条件溶液汲入NF/RO膜元件，通过NF/RO膜元件处理后的产水进行收集处理，通过NF/RO膜元件处理后的浓水在内置加热装置的沉淀池中反应，静置澄清后产生上清液和沉淀液，循环回用上清液与增压泵出水混合进入预处理过滤***，沉淀液排出***，膜过滤产水回收率达到80%-95%。

进一步优选，所述预处理过滤***为微滤过滤器、超滤过滤器或多介质过滤器，该预处理过滤***用于有效去除进水溶液中的胶体、悬浮颗粒物、细菌微生物和大分子量有机物。

进一步优选，所述中间水箱内溶液通过添加CO₂调节膜进水的pH值降低至4.55-8.32，碳酸盐分布系数显著下降至1.15%以下，通过添加阻垢剂防止在NF膜或RO膜表面生成沉淀以减缓膜污染，其中阻垢剂为聚丙烯酸、EDTA、丙烯酸或顺丁烯二酸共聚物。

进一步优选，所述NF/RO膜元件进水pH值控制为4.55-8.32，其中RO膜的进水pH值在7.50-8.50时脱盐率达到最高，根据产水水质需要，NF/RO膜元件呈一级或多级式串联排列或者呈一段或多段式并联排列，所述NF膜或RO膜采用卷式或中空纤维复合膜。

进一步优选，所述NF/RO膜元件处理后的浓水进入沉淀池后通过依次向沉淀池中添加沉淀剂、助凝剂和絮凝剂进行反应，其中沉淀剂为CaCO₃和CaSO₄粉末，助凝剂为硫酸铝或氯化铁，絮凝剂为聚丙烯酸及聚丙烯酰胺的加碱水解物或丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物。添加少量的沉淀剂如CaCO₃和CaSO₄粉末可以以晶核的角色诱导沉淀的快速生成；助凝剂和絮凝剂的添加可以通过化学键合作用显著增加沉淀微粒的粒径尺寸，从而加速沉淀池液固两相的分离；无机或有机聚合物的助凝剂可以通过双电层压缩效应和静电吸附效应来形成大粒径的沉淀絮体等；而在此基础上，絮凝剂进一步起到物理性的架桥机理作用。由于无机阳离子与阴离子絮凝剂之间有一定的亲和性，阴离子型絮凝剂通常更为可取，如聚丙烯酸以及聚丙烯酰胺的加碱水解物或丙烯酸与丙烯酰胺等共聚物。

进一步优选，所述沉淀池内的溶液通过添加碱溶液调节pH值至10.0-11.5，从而在沉淀池内发生共沉淀，其中Ba²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺和Al³⁺在相应的低水平去除，Ca²⁺以CaCO₃和CaSO₄的形式去除，SiO₂或硅酸盐以Si-Ca-Mg化合物沉淀的形式去除。

本实用新型所述的膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置，其特征在于沿进水方向依次设有通过管道相连的进水池、增压泵、预处理过滤***、中间水箱、NF/RO膜元件和沉淀池构成，其中预处理过滤***为微滤过滤器、超滤过滤器或多介质过滤器，中间水箱上部的进气口与CO₂密闭添加***的出气管密封连接，NF/RO膜元件呈一级或多级式串联排列或呈一段或多段式并联排列，NF膜或RO膜采用卷式或中空纤维复合膜，沉淀池内设有加热装置，沉淀池内的上清液通过管道回流与增压泵出水混合进入预处理过滤***，沉淀池内的沉淀液通过管道排放。

进一步优选，所述NF/RO膜元件是呈两级式串联排列或两段式并联排列的NF膜元件或RO膜元件。

本实用新型中通过CO₂的加注可以减少在NF/RO膜元件表面结垢，相比使用H₂SO₄或HCl调节pH值，CO₂通常不腐蚀管道和设备，它不需要作为酸溶液储存。CO₂主要用来调整溶液pH值并在沉淀池中提供生成碳酸氢盐，为接下来在沉淀池中硬度的有效去除做准备。相比用其它酸去调节溶液pH值，添加CO₂显示出更有效的低成本和环境友好性。

本实用新型通过加注CO₂调节溶液pH值降低到8.32以下，如果在开放体系中加注，CO₂可能逸出进入大气，不够经济高效，所以将在密闭***中完成CO₂添加并同时相应地增加***压力，压力增大将驱动反应式（1）向右侧移动，允许pH值降到所需要的水平。CO₂也可以注入沉淀池与膜过滤单元之间的封闭管道内，通过降低溶液pH值且同时也提供足够浓度的重碳酸盐()和碳酸盐()，为沉淀池内发生充分的沉淀反应做准备。

（1）

所述沉淀池中的加热装置可以增加CO₂的去除效果，NF膜和RO膜浓水进入沉淀池去除硬度和CO₂，可以采用加热或减压或两者同时进行的操作方式，原理如反应式（2）所示，上述条件将更有效地把HCO₃ ^-转变为CO₃ ^2-和CO₂，而CO₂可以挥发逸出后收集用于再循环利用，同时也可以降低沉淀池中增加pH值对投加碱量的需求。

（2）

所述的提高***产水回收率，是指例如NF/RO膜元件产水回收率为80%，如果使用膜过滤中添加CO₂装置，待沉淀池里固体液体分离后，则上清液回用率为10%，则NF/RO膜元件的***产水回收率可进一步提升至90%。该装置中***产水回收率的增加，主要依赖于沉淀池中硬度的有效去除程度。

本实用新型与传统含盐废水处理工艺及装置相比具有以下明显的优势特征：

1、与传统工艺及装置相比，可以使***产水回收率从40%-75%增加至80%-95%，同时相应地减少浓盐废水处理量和处理成本；添加CO₂至膜过滤装置，可以显著降低溶液pH值并在沉淀池中提供碳酸氢盐，为后续在沉淀池中有效去除硬度做准备；

2、在密闭***中完成CO₂添加并同时相应地增加***压力，压力增大将自动驱动的CO₂溶解和碳酸氢盐的生成，允许pH值自动降到所需要的水平；

3、CO₂可以通过加热和减压收集然后再循环和二次利用，从而降低对环境的污染，相比使用H₂SO₄或HCl调节pH值，CO₂的加注不仅可以减少在膜表面的结垢，而且该技术不腐蚀管道和设备，也不需要酸溶液储存；

4、本实用新型设备结构简单，***产水的回收率高，占地面积小，延长膜清洗周期减轻成本，此技术具有可观的经济效益和环保效益。

附图说明

图1是NF/RO膜元件呈两段式并联排列膜过滤过程中添加CO₂提高***产水回收率的工艺流程图；

图2是NF/RO膜元件呈两级式串联排列膜过滤过程中添加CO₂提高***产水回收率的工艺流程图。

图中：1、进水池，2、增压泵，3、超滤过滤器，31、微滤过滤器，4、中间水箱，5、CO₂密闭添加***，6、一段NF/RO膜元件，61、一级NF/RO膜元件，7、二段NF/RO膜元件，71、二级NF/RO膜元件，8、沉淀池，9、加热装置。

具体实施方式

以下通过实施例对本实用新型的上述内容作进一步详细说明，但不应该将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型上述内容实现的技术均属于本实用新型的范围。下面通过实施例并结合附图对本实用新型作详细描述。

参照附图1-2，本实用新型的膜过滤过程中添加CO₂提高***产水回收率的装置，图1中包括进水池1、增压泵2、超滤过滤器3、中间水箱4、CO₂密闭添加***5、一段NF/RO膜组件6、二段NF/RO膜组件7、沉淀池8和加热装置9，进水池1的出口与增压泵2的进口连接，增压泵2的出口与超滤过滤器3的进口连接，超滤过滤器3的出口与中间水箱4的进口连接，CO₂密闭添加***5的出气管与中间水箱4的进气口密封连接，中间水箱4的出口与一段NF/RO膜元件6的进口连接，一段NF/RO膜元件6生成一段NF/RO膜产水，一段NF/RO膜产水与二段NF/RO膜元件7的进口连接，二段NF/RO膜元件7生成二段NF/RO膜产水，二段NF/RO膜浓水出口与一段NF/RO膜浓水出口分别与沉淀池8的进口连接，沉淀池8内的溶液经加热装置9加热后，静置澄清一段时间，沉淀池8内的一部分上清液通过管道回流至超滤过滤器3，一部分沉淀液通过管道排出。

图2中包括进水池1、增压泵2、微滤过滤器31、中间水箱4、CO₂密闭添加***5、一级NF/RO膜元件61、二级NF/RO膜元件71、沉淀池8和加热装置9，进水池1的出口与增压泵2的进口连接，增压泵2的出口与微滤过滤器31的进口连接，微滤过滤器31的出口与中间水箱4的进口连接，CO₂密闭添加***5的出气管与中间水箱4的进气口密封连接，中间水箱4的出口与一级NF/RO膜元件61的进口连接，一级NF/RO膜元件61生成一级NF/RO膜产水，一级NF/RO膜产水与二级NF/RO膜元件71的进口连接，二级NF/RO膜元件71生成二级NF/RO膜产水，二级NF/RO膜元件61浓水出口与一级NF/RO膜元件71浓水出口分别与沉淀池8的进口连接，沉淀池8内溶液经加热装置9加热后，静置澄清一段时间，沉淀池8内的一部分上清液回流至微滤过滤器31，一部分沉淀液通过管道排出。

实施例1

如图1所示，将进水池中浓度较高的含盐废水通过增压泵直接汲入超滤过滤器，通过超滤技术去除悬浮固体、胶体和一些大分子有机物，预处理后的产水进入中间水箱，密闭添加CO₂降低pH值至7.55，同时加入阻垢剂顺丁烯二酸共聚物，防止膜面结垢，该条件溶液通过一段RO膜元件生成的RO膜产水进入二段RO膜元件，进行深度处理后的二级RO膜产水进行收集，其中两段RO膜元件的产水回收率达到60%；二段RO膜浓水与一段RO膜浓水混合后进入沉淀池，在沉淀池中添加助凝剂和絮凝剂硫酸铝、聚丙烯酸，用于增加沉淀物的颗粒尺寸和加速固液分离过程，加碱调节沉淀池溶液pH值为11.0，发生共沉淀，一些离子如Ba²⁺、Fe^{3 +}、Mn²⁺、Al³⁺等在沉淀池溶液中的浓度可降低至数十个或几十个ppm，加入的CO₂可以使Ca²⁺离子以CaCO₃和CaSO₄的形式去除，SiO₂或硅酸盐以Si-Ca-Mg化合物沉淀的形式去除，通过加热能够更有效的将HCO₃ ^-转变为CO₃ ^2-和CO₂，因此CO₂可以挥发逸出，逸出体系的CO₂收集后用于再循环和二次利用，同时也可以降低沉淀池溶液对增加pH值所需投加碱的量。沉淀池中生成的上清液与进水结合后进行循环处理，从而额外增加产水回收率为24%，使得***产水回收率高达84%而无膜面结垢污染风险。

实施例2

如图2所示，将进水池中浓度较低的含盐废水进水通过增压泵汲入微滤过滤器，通过微滤技术或多介质砂率等去除悬浮固体、胶体和一些大分子有机物，预处理后的溶液中注入CO₂调节pH到6.58，同时加入阻垢剂HEDP防止膜面结垢，该条件溶液通过一级NF膜元件生成一级NF膜产水，一级NF膜浓水进入二级NF膜元件生成第二段NF膜产水，两级NF膜元件的产水回收率为75%，二级NF膜浓水进入沉淀池，在沉淀池中添加助凝剂和絮凝剂（三氯化铁和丙烯酰胺共聚物）增加沉淀物的颗粒尺寸和加速固液分离，加碱调节沉淀池内溶液pH值为11.5，发生共沉淀，一些离子如Ba²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Al³⁺等离子在沉淀池溶液中的浓度可降低至数十个或几十个ppm，加入的CO₂可以使Ca²⁺以CaCO₃和CaSO₄的形式去除，SiO₂或硅酸盐以Si-Ca-Mg化合物沉淀的形式去除，通过减压能更有效的将HCO₃ ^-转变为CO₃ ^2-和CO₂，因此CO₂可以挥发逸出，逸出体系的CO₂可以收集然后再循环利用，同时也可以降低沉淀池溶液中对增加pH值对所需投加碱的要求量。沉淀池中生成的上清液与进水结合后进行循环处理，从而额外增加产水回收率为16.8%，使得***产水回收率高达91.7%而无膜面结垢污染风险。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (2)

1.一种膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置，其特征在于：沿进水方向依次设有通过管道相连的进水池、增压泵、预处理过滤***、中间水箱、NF/RO膜元件和沉淀池构成，其中预处理过滤***为微滤过滤器、超滤过滤器或多介质过滤器，中间水箱上部的进气口与CO₂密闭添加***的出气管密封连接，NF/RO膜元件呈一级或多级式串联排列或呈一段或多段式并联排列，NF膜或RO膜采用卷式或中空纤维复合膜，沉淀池内设有加热装置，沉淀池内的上清液通过管道回流与增压泵出水混合进入预处理过滤***，沉淀池内的沉淀液通过管道排放。

2.根据权利要求1所述的膜过滤中添加CO₂提高产水回收率的装置，其特征在于：所述NF/RO膜元件是呈两级式串联排列或两段式并联排列的NF膜元件或RO膜元件。