申请日2018.10.15
公开(公告)日2019.02.15
IPC分类号C02F9/10
摘要
本发明公开了一种基于正渗透‑膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法，采出水依次经自然沉降、混凝沉降后作为原液进入超滤系统进行膜分离;超滤系统的透过液作为原液进入正渗透系统;正渗透系统的浓缩液作为原液进入纳滤系统，正渗透系统的透过液进入膜蒸馏系统;纳滤系统的浓缩液部分作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统;纳滤系统的透过液补充表面活性剂、碱以及高聚物后进入驱溶液罐;膜蒸馏系统的浓缩液作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统，膜蒸馏系统的产出水与纳滤系统的透过液混合后进入驱溶液罐作为ASP驱溶液的配制水使用。实现了采出水在三次采油过程中的良性循环;且可实现热能的综合利用，节约能耗。
权利要求书
1.一种基于正渗透-膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)ASP采出水依次经自然沉降、混凝沉降后作为超滤原液进入超滤系统;
(2)超滤系统的浓缩液与自然沉降及混凝沉降分离出的浮渣一起进入污油罐储存;超滤系统的透过液作为正渗透原液进入正渗透系统;
(3)正渗透系统的浓缩液作为纳滤原液进入纳滤系统，正渗透系统的透过液作为膜蒸馏原液进入膜蒸馏系统;
(4)纳滤系统的浓缩液部分作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统，部分定期外排;纳滤系统的透过液补充表面活性剂、碱以及高聚物后进入驱溶液罐;
(5)膜蒸馏系统的浓缩液作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统，膜蒸馏系统的产出水与纳滤系统的透过液混合后进入驱溶液罐作为ASP驱溶液的配制水使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中自然沉降的时间为4～24h;混凝沉降采用的混凝剂为聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁(FeCl3·6H2O)及聚丙烯酰胺(PAM)中的至少一种，混凝剂投加量为10～200mg/L，混凝沉降时间为1～4h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中超滤系统包括超滤原料罐、超滤清洗罐、超滤循环泵、超滤膜堆、超滤浓液罐、超滤浓液泵及超滤透过液罐;经混凝沉降后的ASP采出水进入超滤原料罐，超滤原料罐出水经超滤循环泵泵入超滤膜堆的原液进口进行膜分离;超滤膜堆的透过液部分进入超滤清洗罐用于膜清洗，部分进入超滤透过液罐作为正渗透原液;超滤膜堆的浓缩液部分回流到超滤原料罐中循环处理，部分进入超滤浓液罐，超滤浓液罐的出水经超滤浓液泵泵入步骤(2)中所述的污油罐储存。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述超滤膜堆由超滤膜组件构成，所述超滤膜组件的形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述超滤膜为无机陶瓷膜，支撑体材料为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)及碳化硅(SiC)中的一种;所述超滤膜的切割分子量为10000～100000Dalton;所述超滤膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s，跨膜压差为0.1～1.0MPa，过滤温度为10～60℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中正渗透系统包括正渗透清洗罐、正渗透循环泵、正渗透膜堆、正渗透浓液罐、汲取液循环泵、汲取液罐及曝气系统;超滤系统透过液经正渗透循环泵增压后泵入正渗透膜堆的原液进口进行膜分离;正渗透膜堆的浓缩液部分回流至超滤系统循环处理，部分进入正渗透浓液罐作为纳滤的原液;正渗透膜堆的汲取液进入汲取液罐作为膜蒸馏的原液，汲取液罐中液体部分通过汲取液循环泵打回正渗透膜堆增加浓缩倍数，正渗透清洗罐中接入软化水用于膜清洗;曝气系统分别通过管道与进入正渗透膜堆的原料侧及汲取液侧相连，用于减低正渗透的浓差极化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正渗透膜堆由正渗透膜组件构成，所述正渗透膜组件形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述正渗透膜为有机膜，膜材料为三醋酸纤维素膜(CTA)、乙酸纤维素(CA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)及聚酰胺(PA)中的一种;正渗透膜平均孔径为0.1～1nm;所述正渗透膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s，跨膜压差为0.1～1.0MPa，过滤温度为10～60℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中纳滤系统包括增压泵、高压泵、纳滤清洗罐、循环泵、纳滤膜堆、纳滤产水罐及纳滤产水泵;正渗透系统的浓缩液依次经增加泵、高压泵连续增压后经循环泵泵入纳滤膜堆的原液进口进行膜分离;纳滤膜堆的浓缩液部分回流到正渗透浓液罐作为正渗透汲取液或外排，部分回流到循泵泵进口与高压泵出口的正渗透浓缩液一起进入纳滤膜堆的原液进口以提高浓缩倍数;纳滤膜堆的透过液部分回流到纳滤清洗罐用于膜清洗，部分进入纳滤产水罐，纳滤产水罐的出水经纳滤产水泵泵入驱溶液罐。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述纳滤膜堆由纳滤膜组件构成，纳滤膜组件形式为板框式、中空纤维式或管式中的一种;所述纳滤膜为有机膜，膜材料为三醋酸纤维素膜(CTA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚亚苯基磺(PPSU)、聚酰胺(PA)及聚醚酰亚胺(PAI)中的一种;所述纳滤膜孔径为0.1～1nm;所述纳滤膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s，跨膜压差0.5～2MPa，过滤温度10～60℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中膜蒸馏系统包括膜蒸馏清洗罐、膜蒸馏循环泵、膜蒸馏膜堆、透过液真空泵、透过液冷凝器、透过液罐及透过液泵;正渗透系统的浓缩液经膜蒸馏循环泵增压后泵入膜蒸馏膜堆的原液进口进行膜分离，膜蒸馏膜堆的浓缩液回流到正渗透汲取液罐作为正渗透汲取液，膜蒸馏膜堆的透过液部分进入膜蒸馏清洗罐用于膜清洗，部分进入透过液冷凝器，经液冷凝器冷凝后进入透过液罐，透过液罐出水经透过液泵泵入驱溶液罐，透过液冷凝器与透过液真空泵连接，透过液真空泵用于为透过液冷凝器提供真空抽吸力。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述膜蒸馏膜堆由膜蒸馏组件构成，所述膜蒸馏组件形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述膜蒸馏为有机膜，膜材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)及聚醚砜(PES)中的至少一种;所述膜蒸馏的膜孔径为0.01～0.1μm;所述膜蒸馏系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s;过滤压力为-0.04～-0.1MPa，过滤温度为40～60℃。
说明书
一种基于正渗透-膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种一种基于正渗透-膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法。
背景技术
正渗透(FO)技术是一种依靠溶液自身渗透压作为驱动力的低能耗、低污染的新型膜分离工艺，其利用膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使水自发地从较高水化学势(或较低渗透压)一侧通过选择透过性膜流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧的过程。膜两侧的溶液分别为具有较低渗透压的原料液(FS)和具有较高渗透压的汲取液(DS)。在世界范围内能源紧缺的今天，正渗透技术由于其自身能耗低，抗污染的优点得到了学术界的重视和研究。然而，FO过程中，汲取液中的溶质会通过FO膜进入原水中，这种现象被称为汲取液溶质返混。溶质返混使渗透压降低，引起膜污染，从而影响FO的稳定运行。
膜蒸馏(MD)技术是一种采用微孔疏水膜，以膜两侧蒸汽压差为驱动力的新型膜分离过程。随着高分子材料和膜制备技术的发展，尤其是太阳能及新型热泵循环技术的发展，MD已能通过热泵循环技术和工业废热的利用而显著降低能耗，引起了水处理领域的广泛关注。
中国专利CN106865696A公开了一种基于正渗透-膜蒸馏组合工艺的高温高盐采油废水回收再利用方法，分别对其中的油、高热量和高盐度进行利用。通过陶瓷超滤膜对含油废水中绝大多数油份进行截留回收，陶瓷超滤膜的分离液因其含有较高盐度作为正渗透工艺的汲取液对生活污水进行浓缩，利用其较高温度可以实现膜蒸馏的产生过程，同步实现原料液的浓缩和产水。该技术利用膜分离及膜蒸馏技术实现了对高温高盐采油废水的回收再利用。但是，采用该技术无法实现将处理后的ASP采出水直接用于ASP驱溶液配制水的目的，ASP采出水中的碱及表面活性剂等有用的物质未得到回收再利用。
发明内容
为了解决现有技术中ASP采出水处理后达标排放或回注，水处理成本高，浪费水资源，及渗透层易堵塞等技术问题，本发明提供一种一种基于正渗透-膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法，可实现采油废水各组分的分级分离，处理后水直接作为驱溶液的配制水重复利用。
为此，本发明采用的技术方案是：
一种基于正渗透-膜蒸馏工艺的废水资源化利用方法，包括以下步骤：
(1)ASP采出水依次经自然沉降、混凝沉降后作为超滤原液进入超滤系统;
(2)超滤系统的浓缩液与自然沉降及混凝沉降分离出的浮渣一起进入污油罐储存;超滤系统的透过液作为正渗透原液进入正渗透系统;
(3)正渗透系统的浓缩液作为纳滤原液进入纳滤系统，正渗透系统的透过液作为膜蒸馏原液进入膜蒸馏系统;
(4)纳滤系统的浓缩液部分作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统，部分定期外排;纳滤系统的透过液补充表面活性剂、碱以及高聚物后进入驱溶液罐;
(5)膜蒸馏系统的浓缩液作为正渗透汲取液循环回到正渗透系统，膜蒸馏系统的产出水与纳滤系统的透过液混合后进入驱溶液罐作为ASP驱溶液的配制水使用。
ASP采出水经自然沉降后水中的部分飘浮油、分散油以及部分悬浮物被自然分离去除，再通过混凝剂的作用在混凝沉降阶段去除部分乳化油以及悬浮物，节省混凝剂的用量。经两次沉降分离后采出水进入超滤系统，超滤系统主要截留水中的无法沉降分离的乳化油、悬浮物以及高聚物聚丙烯酰胺(HPAM)的降解物。经超滤系统分离出油份、悬浮物及HPAM后的采出水进入正渗透系统，正渗透系统主要截留水中的无机盐离子、表面活性剂及碱。经正渗透系统分离出无机盐离子、表面活性剂及碱的采出水进入膜蒸馏系统，以水在两侧蒸汽压差作为驱动力，水蒸气不断地从原料液侧透过膜进入透过液侧，再经冷凝即得到产品水。正渗透系统的含有无机盐离子、表面活性剂及碱的浓缩液进入纳滤系统，纳滤系统主要去除水中Ca2+、Mg2+、、SO42-、CO32-等无机盐离子，降低其矿化度，小分子的表面活性剂及碱则透过纳滤膜，纳滤浓缩液侧主要成分为高浓度无机盐溶液作为正渗透系统汲取液回用。纳滤系统的含有表面活性剂及碱的透过液补充表面活性剂、碱以及高聚物后与膜蒸馏系统的产品水汇合进入驱溶液罐作为ASP驱溶液的配制水使用，即实现ASP采出水的良性循环。自然沉降、混凝沉降以及超滤系统的浓缩液主要成分为高浓度油分，储存在污油罐中可作为热源送入焚烧系统焚烧，产生热能可作为膜蒸馏系统的备用热源或者另做他用。
进一步地，所述步骤(1)中自然沉降的时间为4～24h;混凝沉降采用的混凝剂为聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁(FeCl3·6H2O)及聚丙烯酰胺(PAM)中的至少一种，混凝剂投加量为10～200mg/L，混凝沉降时间为1～4h，混凝pH优选为6～10，混凝温度优选为20～40℃。
进一步地，所述步骤(2)中超滤系统包括超滤原料罐、超滤清洗罐、超滤循环泵、超滤膜堆、超滤浓液罐、超滤浓液泵及超滤透过液罐;经混凝沉降后的ASP采出水进入超滤原料罐，超滤原料罐出水经超滤循环泵泵入超滤膜堆的原液进口进行膜分离;超滤膜堆的透过液部分进入超滤清洗罐用于膜清洗，部分进入超滤透过液罐作为正渗透原液;超滤膜堆的浓缩液部分回流到超滤原料罐中循环处理，部分进入超滤浓液罐，超滤浓液罐的出水经超滤浓液泵泵入步骤(2)中所述的污油罐储存。
进一步地，所述超滤膜堆由超滤膜组件构成，所述超滤膜组件的形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述超滤膜为无机陶瓷膜，支撑体材料为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)及碳化硅(SiC)中的一种;所述超滤膜的切割分子量为10000～100000Dalton;所述超滤膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s，跨膜压差为0.1～1.0MPa，过滤温度为10～60℃。
进一步地，所述步骤(3)中正渗透系统包括正渗透清洗罐、正渗透循环泵、正渗透膜堆、正渗透浓液罐、汲取液循环泵、汲取液罐及曝气系统;超滤系统透过液经正渗透循环泵增压后泵入正渗透膜堆的原液进口进行膜分离;正渗透膜堆的浓缩液部分回流至超滤系统循环处理，部分进入正渗透浓液罐作为纳滤的原液;正渗透膜堆的汲取液进入汲取液罐作为膜蒸馏的原液，汲取液罐中液体部分通过汲取液循环泵打回正渗透膜堆增加浓缩倍数，正渗透清洗罐中接入软化水用于膜清洗;曝气系统分别通过管道与进入正渗透膜堆的原料侧及汲取液侧相连，用于减低正渗透浓缩的浓差极化。
连通正渗透膜堆原料侧管路的出风口管径为3～5mm，风速为10m/s，以促进原料液在原料侧形成湍流，减轻正渗透浓缩外浓差极化，提高正渗透膜通量;连通正渗透膜堆汲取液侧管路出风口管径为5～10mm，风速为5m/s，以促进汲取液在汲取液侧形成湍流，减轻正渗透浓缩内浓差极化，提高正渗透膜通量。
进一步地，所述正渗透膜堆由正渗透膜组件构成，所述正渗透膜组件形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述正渗透膜为有机膜，膜材料为三醋酸纤维素膜(CTA)、乙酸纤维素(CA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)及聚酰胺(PA)中的一种;正渗透膜平均孔径为0.1～1nm;所述正渗透膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s，过滤温度为10～60℃。
进一步地，所述步骤(4)中纳滤系统包括增压泵、高压泵、纳滤清洗罐、循环泵、纳滤膜堆、纳滤产水罐及纳滤产水泵;正渗透系统的浓缩液依次经增加泵、高压泵连续增压后经循环泵泵入纳滤膜堆的原液进口进行膜分离;纳滤膜堆的浓缩液部分回流到正渗透浓液罐作为正渗透汲取液或外排，部分回流到循泵泵进口与高压泵出口的正渗透浓缩液一起进入进入纳滤膜堆的原液进口以提高浓缩倍数;纳滤膜堆的透过液部分回流到纳滤清洗罐用于膜清洗，部分进入纳滤产水罐，纳滤产水罐的出水经纳滤产水泵泵入驱溶液罐。
进一步地，所述纳滤膜堆由纳滤膜组件构成，纳滤膜组件形式为板框式、中空纤维式或管式中的一种;所述纳滤膜为有机膜，膜材料为三醋酸纤维素膜(CTA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚亚苯基磺(PPSU)、聚酰胺(PA)及聚醚酰亚胺(PAI)中的一种;所述纳滤膜孔径为0.1～1nm;所述纳滤膜系统过滤方式为错流过滤，错流速度为3～5m/s，跨膜压差0.5～2MPa，过滤温度10～60℃。
进一步地，所述步骤(5)中膜蒸馏系统包括膜蒸馏清洗罐、膜蒸馏循环泵、膜蒸馏膜堆、透过液真空泵、透过液冷凝器、透过液罐及透过液泵;正渗透系统的浓缩液经膜蒸馏循环泵增压后泵入膜蒸馏膜堆的原液进口进行膜分离，膜蒸馏膜堆的浓缩液回流到正渗透汲取液罐作为正渗透汲取液，膜蒸馏膜堆的透过液部分进入膜蒸馏清洗罐用于膜清洗，部分进入透过液冷凝器，经液冷凝器冷凝后进入透过液罐，透过液罐出水经透过液泵泵入驱溶液罐，透过液冷凝器与透过液真空泵连接，透过液真空泵用于为透过液冷凝器提供真空抽吸力。
进一步地，所述膜蒸馏膜堆由膜蒸馏组件构成，所述膜蒸馏组件形式为板框式、中空纤维式及管式中的一种;所述膜蒸馏为有机膜，膜材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)及聚醚砜(PES)中的至少一种;所述膜蒸馏的膜孔径为0.01～0.1μm;所述膜蒸馏系统过滤方式为错流过滤，错流速度为1～5m/s;过滤压力为-0.01～-0.1MPa，过滤温度为40～60℃。
本发明的有益效果：
(1)ASP采出水经本方法处理后，采出水作为驱溶液的配制用水，既解决了污水回注问题，又解决了驱溶液水源问题，表面活性剂及碱的回收率可达75%以上，水回收率可达70%以上，实现了采出水在三次采油过程中的良性循环;
(2)本发明通过采用自然沉降浮渣、混凝沉降浮渣及超滤浓缩液经污油罐收集，焚烧后作为膜蒸馏的低品位热源，可降低膜蒸馏过程能耗;纳滤系统浓缩液作为正渗透汲取液，可消除正渗透返混影响，降低膜污染，提高驱溶液水质。
