申请日2016.04.13
公开(公告)日2016.06.29
IPC分类号C02F9/10; C02F1/44
摘要
正渗透技术处理高含盐废水的装置和方法，属于水处理技术领域。经过预处理的高含盐废水首先通过电渗析器的淡水室，废水中的离子在浓度差和电位差两方面推动力作用下向浓水室发生迁移，使废水中的盐分降低到适合正渗透技术处理的条件。然后通过正渗透膜元件对其进一步浓缩，废水中的水从正渗透膜的原料液侧进入汲取液侧，再将得到的被稀释汲取液通过膜蒸馏膜组件进行浓缩脱水再生，浓缩后的汲取液返回正渗透过程中循环利用，而且得到了非常纯净的产水。该方法对于高含盐废水具有广泛的适用性，具有长期运行稳定、经济效益高的优点。
权利要求书
1.一种正渗透技术处理高含盐废水的工艺方法，其特征在于，包括依次连接的预处理系统、电渗析系统、正渗透系统、膜蒸馏系统;具体包括以下步骤：
(1)预处理系统：通过沉降法和分离膜进行初步的分离，去除高含盐废水中的杂质和部分离子;
(2)电渗析系统：经过预处理的高含盐废水通过进水口进入电渗析器的淡水室，废水中的离子在浓度差和电位差两方面推动力作用下向浓水室发生迁移，使废水中的盐分降低到适合正渗透技术处理的条件，处理过的废水通过出口进入下一系统;
(3)正渗透系统：经过电渗析系统处理的高含盐废水进入正渗透系统的原料液水槽，通过泵进入原料液侧，废水中的水在渗透压的作用下，不断地从正渗透膜的原料液侧进入汲取液侧，被稀释的汲取液进入下一系统;
(4)膜蒸馏系统：被稀释的汲取液通过膜蒸馏膜组件进行浓缩脱水再生，浓缩后的汲取液返回正渗透过程中循环利用，同时得到了纯净的产水。
2.一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，包括预处理系统、电渗析器、正渗透膜组件和膜蒸馏组件;预处理系统的出水管路与电渗析器(4)的淡水室相连，电渗析器(4)的淡水室与原料液灌(5)连通;原料液灌(5)的出水口与正渗透膜组件(6)的原料液侧相连通，同时正渗透膜组件(6)的原料液侧的出水口又与原料液灌(5)相连，原料液灌(5)和正渗透膜组件(6)的原料液侧形成循环管路;正渗透膜组件(6)的汲取液侧通过加热器(8)与膜蒸馏组件(9)的原料液侧连接，膜蒸馏组件(9)的原料液侧与汲取液灌(7)连接，同时汲取液灌(7)和正渗透膜组件(6)的汲取液侧连通，从而正渗透膜组件(6)的汲取液侧、加热器(8)、膜蒸馏组件(9)的原料液侧、汲取液灌(7)、正渗透膜组件(6)的汲取液侧依次连接形成循环管路;膜蒸馏组件(9)的产水侧与产水罐(10)连接。
3.按照权利要求2的一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，其中预处理系统包括依次连接的沉淀设备(2)和分离膜(3)。
4.按照权利要求2的一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，电渗析器两端分别设置有阴极和阳极，自阴极至阳极之间依次交替排列有阴离子交换膜和阳离子交换膜;交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜将废水处理室分隔成若干个小室;使得高含盐废水通过管路进入各小室后，在直流电场的作用下离子作定向迁移，通过阴离子交换膜、阳离子交换膜分别对阳、阴离子的截留作用，使所述若干个小室分化形成包含电渗析净化液的淡水室和包含电渗析浓缩液的浓水室，淡水室和浓水室交替排列。
5.按照权利要求2的一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，预处理系统具体包括混凝沉降处理和膜过滤处理;所述沉降处理包括沉淀池沉淀、斜管沉淀或离心沉淀的一种;膜过滤包括微滤或者超滤，包括平板膜和中空纤维膜，是有机膜、金属膜或陶瓷膜的一种;膜组件为浸没式膜组件、柱式膜组件、管式膜组件、卷式膜组件或板框式膜组件的一种。
6.按照权利要求2的一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，电渗析器采用填充床电渗析、倒极电渗析、双极膜电渗析、无极水电渗析、无隔板电渗析、卷式电渗析或液膜电渗析的一种。
7.按照权利要求2的一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，正渗透膜为醋酸纤维素膜、聚苯并咪唑膜或聚酰胺复合膜;聚酰胺复合膜以聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、磺化聚醚醚酮、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺中的一种为基体，进行界面聚合成膜;正渗透膜组件为浸没式膜组件、柱式膜组件、管式膜组件、卷式膜组件或板框式膜组件的一种。
8.利用权利要求2-7任一项所述的装置进行含盐废水的正渗透的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：将高含盐废水罐(1)中的废水分别经过预处理系统的沉淀处理和分离膜处理，初步除去废水中的大颗粒物质，防止污堵膜组件;经过分离膜处理的高含盐废水进入电渗析器(4)的淡水室中，在电场的作用下，高含盐废水中的阳离子透过阳离子交换膜，向阴极移动，而阴离子透过阴离子交换膜，向阳极移动，利用浓水和淡水的浓度差和电场的双重作用，去除高含盐废水中的离子;从淡水室中流出的废水进入原料液罐(5)，在泵的作用下，进入正渗透膜组件(6)原料液侧，水在渗透压差的驱动下不断地从原料液侧渗透进入汲取液侧，正渗透膜组件(6)原料液侧的出水则又回到原料液罐(5)中，形成循环;正渗透膜组件(6)汲取液侧的液体在泵的作用下，从汲取液罐(7)中进入正渗透膜组件(6)的汲取液侧，(6)汲取液侧出的液体通过加热器(8)加热后，进入膜蒸馏组件(9)的原料液侧中，膜蒸馏组件的膜材料采用疏水材料(尤其采用高疏水材料)制成，使得液态的水不能透过膜，只有水蒸气可以透过膜进入产水侧;由于汲取液温度相对较高，在膜蒸馏组件(9)两侧蒸气分压差的驱动下，水蒸气透过膜，进入产水侧，进而进入产水罐(10)中，膜蒸馏组件(9)原料液侧的出水进入汲取液罐(7)中，从而达到循环利用的目的。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，高含盐废水选自或包括页岩气和煤层气开采废水，硝酸银废水，二氧化钛废水，硫酸铜工业废水，制药废水，印染废水，油田废水，空调冷却水。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，汲取液中包括或选自无机盐类、有机小分子及其盐类、高分子聚电解质、蛋白质或微细粒子的驱动液;所述的无机盐包括NaCl、KCl、MgCl2、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、Na2SO4、K2SO4中的一种或几种;所述的有机小分子盐类包括乙二胺，乙二胺四乙酸，二乙烯三胺五乙酸，乙酸镁、乙酸钠中的一种或几种;所述的有机小分子包括葡萄糖、蔗糖、果糖、甘油、乙二醇、维生素C、氨基酸中的一种或几种;所述的高分子聚电解质包括聚乙烯胺，聚丙烯酸，聚酰胺基胺盐酸盐、硫酸盐，磺化聚苯乙烯中的一种或几种;所述的蛋白质包括牛血清蛋白，磁性储铁蛋白中的一种或几种;所述的微细粒子包括改性磁性纳米粒子，改性金纳米粒，树枝状高分子聚酰胺基胺，温度敏感高分子凝胶。
说明书
正渗透技术处理高含盐废水的装置和方法
技术领域
本发明涉及高含盐废水的处理工艺，特别涉及正渗透膜技术工艺，属于水处理技术领域。
背景技术
高含盐废水主要来自化工厂及石油和天然气的采集加工等。这种废水含有多种物质(包括盐、油、有机重金属和放射性物质)。高含盐废水的产生途径广泛，包括页岩气和煤层气开采废水，硝酸银废水，二氧化钛废水，硫酸铜工业废水，制药废水，印染废水，油田废水，空调冷却水，煤气洗涤废水，除盐水系统排水，回用水系统浓水排放，生化处理的有机废水等。高含盐量有机废水的有机物根据生产过程不同，所含有机物的种类及化学性质差异较大，但所含盐类物质多为Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等盐类物质。虽然这些离子都是微生物生长所必需的营养元素，在微生物的生长过程中起着促进酶反应，维持膜平衡和调节渗透压的重要作用。但是若这些离子浓度过高，会对微生物产生抑制和毒害作用，主要表现：盐浓度高、渗透压高、微生物细胞脱水引起细胞原生质分离;盐析作用使脱氢酶活性降低;氯离子高对细菌有毒害作用;盐浓度高，废水的密度增加，活性污泥易上浮流失，从而严重影响生物处理系统的净化效果。
高含盐废水如果处理不当，不仅会污染环境，还会危害人类健康。因此，合理有效地去除高含盐废水至关重要。高含盐有机废水的处理是国内外研究的难点和热点之一。国内外对高盐废水的研究主要有生物法和物理化学方法。生物法在处理高盐废水时表现出较高的有机物去除率，但采用生物法处理高盐废水通常需要较长的驯化期，且废水中盐分越高，驯化污泥所需的时间越长;另外，微生物对环境的改变敏感，盐度的突变通常会对处理系统产生严重的干扰，而且高浓度的盐类物质对微生物具有抑制作用。物理化学方法主要有蒸发法、电化学方法、离子交换法、吸附、膜分离技术等，在某些应用中能够脱除废水中的盐分和有机物，但一般都投资大，运行费用高，且易造成再生废水的二次污染，难以达到预期的净化效果。针对高含盐废水的处理还没有一个具有较广适用范围的经济高效的技术方法。
正渗透的原理为利用选择性半透膜为分离介质，以膜两侧的溶液的渗透压差为推动力，在不需外加压力的作用下，水从较高水化学势(或较低渗透压)侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧区域的过程。在具有选择透过性膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feedsolution)，另一种为具有较高渗透压的汲取液(Drawsolution)，正渗透正是应用了膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，才使得水能自发地从原料液一侧透过选择透过性膜到达汲取液一侧。相对于压力驱动的膜分离过程如微滤、超滤和反渗透技术，这一技术从过程本质上讲具有许多独特的优点，如无压操作，因而能耗较低;对许多污染物几乎完全截留，分离效果好;低膜污染特征;膜过程和设备简单等。在许多领域，特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理中表现出很好的应用前景。
专利CN101798150A“高含盐废水的处理方法及其处理装置”公布了一种以反渗透(RO)技术为核心的处理方法，为了达到RO系统进水要求，采用加酸调节pH值及碳酸盐硬度，采用钠离子交换器去除永久硬度、采用弱酸离子交换器去除碳酸盐硬度、去除溶解性的CO2的方法来满足RO的进水指标要求，该方法在处理较高含量溶解性盐类废水时离子交换的成本太高，也不适应于高COD含量的废水，应用范围窄，而且处理成本高。专利CN102583876公布了一种“高含盐污水的处理装置及其处理方法”，采用电渗析的方法降低盐浓度，采用生化池降低废水中的COD，该方法在废水中盐浓度很高时电渗析成本很高，脱盐效率降低，在废水可生化性较低时去除COD的效果很差，同样具有很多的局限性;专利CN105084587A“一种高含盐废水的处理方法及设备”中涉及了纳滤、反渗透和正渗透技术，但是单一的膜分离技术处理效果较差，而且步骤繁琐，设备复杂。专利CN104021834A“一种用于核工业浓缩液减量的方法及系统”中采用电渗析技术处理核工业放射性废水，得到的电渗析浓缩液作为原料液，用正渗透技术来处理，由于浓缩液渗透压较高，因此需要正渗透汲取液的浓度要更高，提供足够的渗透压差来保证渗透过程的进行，这样对汲取液提出了更高的要求，回收也造成不便。
发明内容
无论是生物法还是物理化学法处理高含盐废水，都有很大的劣势。电渗析技术对进水水质要求很低，设备造价低、运行成本低，产水较稳定，但是纯度较低。正渗透技术对原水的水质要求很高，但是出水水质好。因此，我们可以结合两者的优势，来解决高含盐废水的问题。
本发明一种正渗透技术处理高含盐废水的工艺方法，其特征在于，包括依次连接的预处理系统、电渗析系统、正渗透系统、膜蒸馏系统;具体包括以下步骤：
(1)预处理系统：通过沉降法和分离膜进行初步的分离，去除高含盐废水中的杂质和部分离子;
(2)电渗析系统：经过预处理的高含盐废水通过进水口进入电渗析器的淡水室，废水中的离子在浓度差和电位差两方面推动力作用下向浓水室发生迁移，使废水中的盐分降低到适合正渗透技术处理的条件，处理过的废水通过出口进入下一系统;
(3)正渗透系统：经过电渗析系统处理的高含盐废水进入正渗透系统的原料液水槽，通过泵进入原料液侧，废水中的水在渗透压的作用下，不断地从正渗透膜的原料液侧进入汲取液侧，被稀释的汲取液进入下一系统;
(4)膜蒸馏系统：被稀释的汲取液通过膜蒸馏膜组件进行浓缩脱水再生，浓缩后的汲取液返回正渗透过程中循环利用，同时得到了纯净的产水。
一种基于正渗透技术处理高含盐废水的装置，其特征在于，包括预处理系统、电渗析器、正渗透膜组件和膜蒸馏组件;预处理系统的出水管路与电渗析器(4)的淡水室相连，电渗析器(4)的淡水室与原料液灌(5)连通;原料液灌(5)的出水口与正渗透膜组件(6)的原料液侧相连通，同时正渗透膜组件(6)的原料液侧的出水口又与原料液灌(5)相连，原料液灌(5)和正渗透膜组件(6)的原料液侧形成循环管路;正渗透膜组件(6)的汲取液侧通过加热器(8)与膜蒸馏组件(9)的原料液侧连接，膜蒸馏组件(9)的原料液侧与汲取液灌(7)连接，同时汲取液灌(7)和正渗透膜组件(6)的汲取液侧连通，从而正渗透膜组件(6)的汲取液侧、加热器(8)、膜蒸馏组件(9)的原料液侧、汲取液灌(7)、正渗透膜组件(6)的汲取液侧依次连接形成循环管路;膜蒸馏组件(9)的产水侧与产水罐(10)连接。
其中预处理系统包括依次连接的沉淀设备(2)和分离膜(3)。
高含盐废水选自或包括页岩气和煤层气开采废水，硝酸银废水，二氧化钛废水，硫酸铜工业废水，制药废水，印染废水，油田废水，空调冷却水等。
预处理系统具体包括混凝沉降处理和膜过滤处理。所述沉降处理包括沉淀池沉淀、斜管沉淀或离心沉淀的一种。膜过滤包括微滤或者超滤，包括平板膜和中空纤维膜，可以是有机膜、金属膜或陶瓷膜的一种;膜组件为浸没式膜组件、柱式膜组件、管式膜组件、卷式膜组件或板框式膜组件的一种。
电渗析器可以采用填充床电渗析、倒极电渗析、双极膜电渗析、无极水电渗析、无隔板电渗析、卷式电渗析或液膜电渗析的一种。
电渗析器两端分别设置有阴极和阳极，自阴极至阳极之间依次交替排列有阴离子交换膜和阳离子交换膜;交替排列的阴离子交换膜(同时还阻隔阳离子)和阳离子交换膜(同时还阻隔阻隔阴离子)将所述废水处理室分隔成若干个小室;高含盐废水通过管路进入各小室后，在直流电场的作用下离子作定向迁移，通过阴离子交换膜、阳离子交换膜分别对阳、阴离子的截留作用，使所述若干个小室分化形成包含电渗析净化液的淡水室和包含电渗析浓缩液的浓水室，淡水室和浓水室交替排列。
所述阴离子和阳离子交换膜均为异相离子交换膜。
正渗透膜可以为醋酸纤维素膜、聚苯并咪唑膜或聚酰胺复合膜。聚酰胺复合膜以聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、磺化聚醚醚酮、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺中的一种为基体，进行界面聚合成膜。正渗透膜组件为浸没式膜组件、柱式膜组件、管式膜组件、卷式膜组件或板框式膜组件的一种。
汲取液中包括或选自无机盐类、有机小分子及其盐类、高分子聚电解质、蛋白质或微细粒子的驱动液;所述的无机盐包括NaCl、KCl、MgCl2、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、Na2SO4、K2SO4中的一种或几种;所述的有机小分子盐类包括乙二胺，乙二胺四乙酸，二乙烯三胺五乙酸，乙酸镁、乙酸钠中的一种或几种;所述的有机小分子包括葡萄糖、蔗糖、果糖、甘油、乙二醇、维生素C、氨基酸中的一种或几种;所述的高分子聚电解质包括聚乙烯胺，聚丙烯酸，聚酰胺基胺盐酸盐、硫酸盐，磺化聚苯乙烯中的一种或几种;所述的蛋白质包括牛血清蛋白，磁性储铁蛋白中的一种或几种;所述的微细粒子包括改性磁性纳米粒子，改性金纳米粒，树枝状高分子聚酰胺基胺，温度敏感高分子凝胶。
对稀释后的汲取液采用循环利用的膜蒸馏方式，即膜蒸馏组件(9)可以采用直接接触式膜蒸馏、减压膜蒸馏、气扫式膜蒸馏或气隙式膜蒸馏中的一种，膜蒸馏的温度范围为40-60℃。膜蒸馏组件采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜和聚醚砜等疏水材料或经过疏水化改性的材料。
本发明的有益效果：经过预处理的高含盐废水首先通过电渗析器的淡水室，废水中的离子在浓度差和电位差两方面推动力作用下向浓水室发生迁移，进行初步的除盐，使废水中的盐分降低到适合正渗透技术处理的条件。然后，通过正渗透膜元件对其进一步浓缩，废水中的水从正渗透膜的原料液侧进入汲取液侧，再将得到的被稀释汲取液通过膜蒸馏膜组件进行浓缩脱水再生，浓缩后的汲取液返回正渗透过程中循环利用，而且得到了非常纯净的产水，基本为100%纯净水。
高含盐废水经过预处理后，可以解决膜钙化和堵塞问题，并且可以降低废水的渗透压;电渗析过程可以很好的除去废水中的离子，使水质达到进入正渗透膜组件的进水要求;正渗透技术节约能耗、减少膜污染、回收率高，膜蒸馏能耗低，产水水质好，使汲取液能够循环利用，为正渗透组件的运行提供足够的动力，该方法对于高含盐废水具有广泛的适用性，具有长期运行稳定、经济效益高的优点。
