申请日2013.11.01
公开(公告)日2015.05.06
IPC分类号C02F1/44; C02F9/10
本发明提供一种膜耦合技术处理废水的装置及方法，装置包括一级正渗透单元或二级正渗透单元和膜蒸馏单元。装置主要包括：由正渗透原水池、正渗透原水泵、正渗透膜组件、正渗透驱动液池、正渗透驱动液泵组成正渗透单元;由膜蒸馏浓水原水池、膜蒸馏浓水泵、膜蒸馏加热水池、膜蒸馏浓水原水泵、膜蒸馏进水泵、膜蒸馏组件组成膜蒸馏单元;正渗透单元通过管路和阀门与膜蒸馏单元相连。首先用膜蒸馏单元浓缩处理高盐废水作为正渗透的驱动液，通过正渗透进料液侧原水的不断浓缩来稀释膜蒸馏浓水，当稀释后膜蒸馏浓水返回到膜蒸馏单元继续浓缩处理，以此循环。本发明的装置及方法，有效解决了膜蒸馏浓水的处理问题，最大程度的回收了废水中的水资源。
权利要求书
1.一种正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置，主要包括正渗透单元 和膜蒸馏单元;
所述正渗透单元包括：正渗透原水池、正渗透原水泵、正渗透膜 组件、正渗透驱动液池和正渗透驱动液泵;正渗透原水池、正渗透原 水泵和正渗透膜组件进料侧，通过管路依次相连，构成循环回路;正 渗透驱动液池、正渗透驱动液泵、正渗透膜组件驱动液侧和阀门一， 通过管路依次相连，构成循环回路;
所述膜蒸馏单元包括：膜蒸馏加热水池、膜蒸馏进水泵、膜蒸馏 组件;膜蒸馏加热水池、膜蒸馏进水泵、膜蒸馏组件，通过管路依次 相连，构成循环回路;膜蒸馏加热水池、膜蒸馏浓水原水泵、膜蒸馏 浓水原水池和膜蒸馏浓水泵，通过管路依次相连;
膜蒸馏浓水泵通过管路和阀门二与正渗透驱动液池相连;
正渗透膜组件驱动液侧，通过阀门三和管路还与膜蒸馏进水泵前 管路相连。
2.根据权利要求1所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置，其特 征在于，
所述正渗透单元还包括：第二正渗透原水池、第二正渗透原水泵 和第二正渗透膜组件;所述第二正渗透原水池、第二正渗透原水泵和 第二正渗透膜组件进料侧，通过管路依次相连，构成循环回路;所述 正渗透驱动液池、正渗透驱动液泵、正渗透膜组件驱动液侧、第二正 渗透膜组件驱动液侧和阀门一，通过管路依次相连，构成循环回路;
所述第二正渗透膜组件驱动液侧，通过阀门三和管路还与膜蒸馏 进水泵前管路相连。
3.根据权利要求1或2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置， 其特征在于，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件的膜材料包括 醋酸纤维素、聚酰胺或聚丙烯腈。
4.根据权利要求1或2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置， 其特征在于，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件形式包括板式、 卷式、中空纤维式或管式。
5.根据权利要求1或2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置， 其特征在于，所述的膜蒸馏组件形式包括板式、卷式、中空纤维式或 管式。
6.根据权利要求1或2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置， 其特征在于，所述的膜蒸馏组件的膜材料包括聚偏氟乙烯，聚四氟乙 烯、聚丙烯。
7.根据权利要求1或2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置， 其特征在于，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件和膜蒸馏组件 为一组或多组串联或并联。
8.一种利用权利要求2所述正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置来 处理废水的方法，主要步骤为：
(1)高盐废水进入膜蒸馏加热水池中加热，之后，经过加热的高 盐废水通过膜蒸馏进水泵泵入膜蒸馏组件;
(2)在膜蒸馏组件中被分离成膜蒸馏浓水和膜蒸馏产水;
(3)膜蒸馏浓水返回膜蒸馏加热水池继续循环浓缩，当膜蒸馏加 热水池中的膜蒸馏浓水到达设定浓度时，通过膜蒸馏浓水原水泵泵入 膜蒸馏浓水原水池中自然降温，之后，通过膜蒸馏浓水泵泵入正渗透 驱动液池作为驱动液待用;
(4)正渗透原水进入正渗透原水池，正渗透原水池中的原水经过 正渗透原水泵泵入正渗透膜组件的进料液侧循环流动;正渗透原水进 入第二正渗透原水池，第二正渗透原水池中的原水，经过第二正渗透 原水泵泵入第二正渗透膜组件的进料液侧循环流动;同时将步骤(3) 中正渗透驱动液池中的膜蒸馏浓水，通过正渗透驱动液泵，泵入正渗 透膜组件和第二正渗透膜组件的驱动液侧，作为正渗透的驱动液循环 流动;
(5)在步骤(4)的作用下，正渗透原水中的水分别通过正渗透膜组 件和第二正渗透膜组件，进入到正渗透驱动液侧的膜蒸馏浓水中，将 膜蒸馏浓水不断稀释的同时，逐渐浓缩了正渗透原水;
其中，正渗透原水池或第二正渗透原水池中的原水，浓缩到设定 的排放浓度时排放，正渗透驱动液池中的驱动液稀释到设定的浓度 时，部分返回到膜蒸馏单元继续浓缩。
9.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，步骤(1) 中所述膜蒸馏加热水池中加热的温度范围为60～80℃。
10.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，步骤(3) 中所述的膜蒸馏浓水设定浓度为电导率范围达到150,000～ 250,000μs/cm;所述自然降温后的温度范围为20～50℃。
11.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，所述正 渗透原水包括：河水、苦咸水、海水、地表水、市政污水、石化废水、 垃圾渗滤液，以及含药物、糖类、蛋白质的溶液。
12.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，
当正渗透原水为含盐溶液时，所述作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓 水电导率稀释到等于正渗透原水池中废水电导率的2～5倍时，部分 返回到膜蒸馏进水单元，与高盐废水即膜蒸馏进水按1:1～1:5混合 后，进入膜蒸馏组件继续浓缩;
当正渗透原水为非含盐溶液时，所述作为正渗透驱动液的膜蒸馏 浓水电导率稀释到膜蒸馏浓水初始电导率的1/2～1/5时，部分返回到 膜蒸馏进水单元，与高盐废水即膜蒸馏进水按1:1～1:5混合后，进入 膜蒸馏组件继续浓缩。
13.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，当正渗 透原水为含盐溶液时，所述的正渗透原水池、第二正渗透原水池中的 废水电导率浓缩到等于膜蒸馏浓水初始电导率的2～4倍时，间歇排 放。
14.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，当正渗 透原水为非含盐溶液时，所述的正渗透原水池、第二正渗透原水池中 的废水浓缩到设定的浓度时，间歇排放。
15.根据权利要求8所述处理废水的方法，其特征在于，所述的 作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水经过膜蒸馏多次循环浓缩得到。
说明书
正渗透耦合膜蒸馏处理废水的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种利用膜分离技术进行废水处理的装置及方法，更 具体地说，涉及一种正渗透耦合膜蒸馏处理废水的装置及方法。属于 工业废水处理领域。
背景技术
近年来，随着膜法污水处理回用装置的广泛应用，石化企业产生 的高盐废水尤其是反渗透浓水成为一个处理难题，该股废水既不能排 放也不能回用，给各企业带来极大的困扰。
膜蒸馏(MD)由于能够脱除更高浓度的盐分以及更高的脱盐率 而逐渐受到各国专家重视并展开了广泛研究，它可以算是迄今为止脱 盐效率最高的膜技术。膜蒸馏是上世纪80年代为海水脱盐而研发的 疏水膜技术，它是采用微孔疏水膜，以膜两侧蒸汽压差为驱动力的一 种新型膜分离过程。膜蒸馏所用的膜为不被待处理溶液润湿的疏水微 孔膜，即只有蒸汽能够进入膜孔，液体不能透过膜孔。膜蒸馏的优势 主要是：产水水质好，脱盐率高(98%以上)，水回收率高，可利用 工业废热。和多效蒸发相比：膜蒸馏可以低温操作，产水水质更好， 蒸馏效率更高，不存在蒸发塔的结垢和腐蚀问题，设备造价也比常规 蒸馏塔低;和反渗透相比：膜蒸馏可常压运行，对预处理要求低，可 处理反渗透不能处理的高盐废水，水回收率更高。
正渗透(FO)是一种依靠渗透压驱动的膜分离过程，即水通过 选择性半透膜从较高水化学势区域(低渗透压侧)自发地扩散到较低 水化学势区域(高渗透压侧)的过程。正渗透过程的驱动力是驱动液 与原料液的渗透压差，不需要外加压力作为驱动力。和反渗透过程相 比，正渗透具有如下优点：膜污染较轻，无需外加压力，能耗低，回 收率高，浓水排放量少，污染小，环境友好。
正渗透过程实现的关键是需要一种高通量可循环使用的驱动液， 而膜蒸馏浓水由于含盐量高，渗透压高，完全可以满足正渗透过程的 需要。因此，如果将膜蒸馏和正渗透结合起来处理高盐废水，对其进 行二次利用，将膜蒸馏浓水作为正渗透过程的驱动液，不仅解决了正 渗透过程所需驱动液的问题，同时也解决了膜蒸馏浓水的处理问题， 并且通过正渗透过程可以处理一些其他方法难处理的废水或溶液，两 种技术的耦合可以最大限度的降低废水的排放量，具有重要环境意 义。
中国专利201010210971涉及了一种烯烃聚合催化剂生产废水生 化出水的深度处理回用方法，该方法采用“超滤+反渗透+膜蒸馏”的 耦合工艺流程。采用该工艺流程，实现了烯烃聚合催化剂生产废水生 化出水的深度处理回用，经过该工艺流程处理后的烯烃聚合催化剂生 产废水的生化出水，反渗透和膜蒸馏产水可满足工艺用水要求，解决 了烯烃聚合催化剂生产废水生化出水的回用问题，实现了高盐废水的 深度处理回用。但是，本专利对于膜蒸馏的浓水问题并没有给出处理 方法，给生态环境带来了新的困扰。中国专利CN102745776A涉及一 种正渗透耦合反渗透处理反渗透浓排水的方法及装置，该方法及装置 通过将反渗透浓排水作为正渗透过程的驱动液，有效解决了反渗透浓 排水的处理问题。中国专利CN202576114也涉及了一种正渗透耦合 反渗透处理垃圾渗滤液的处理装置，该装置能对垃圾渗滤液进行有效 处理。上述两个专利均是采用正渗透耦合反渗透技术来处理废水或溶 液，均是采用反渗透浓水作为正渗透过程的驱动液。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种膜耦合技术处理废水 的装置及方法，本发明的膜耦合装置主要包括一级正渗透单元或一 级、二级正渗透单元和膜蒸馏单元。针对具体废水水质，当采用一级 正渗透单元时，首先，高盐废水经过膜蒸馏单元进行深度浓缩处理， 其次，以膜蒸馏浓水作为一级正渗透单元的驱动液，以其他难处理溶 液作为正渗透单元的进料液，采用一级正渗透单元处理其他难处理溶 液，当作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水稀释到本发明控制的浓度时， 一级正渗透单元的浓水部分返回到膜蒸馏单元继续浓缩;当采用二级 正渗透单元时，首先，高盐废水经过膜蒸馏单元进行深度浓缩处理， 其次，以膜蒸馏浓水作为一级正渗透单元和二级正渗透单元的驱动 液，膜蒸馏浓水首先流经一级正渗透单元的驱动液侧后，又流入二级 正渗透单元的驱动液侧，继续作为二级正渗透单元的驱动液，通过一 级正渗透与二级正渗透处理，当作为一级正渗透单元和二级正渗透单 元驱动液的膜蒸馏浓水稀释到本发明控制的浓度时，二级正渗透单元 的浓水部分返回到膜蒸馏单元继续浓缩。采用本发明的装置及方法， 在采用一级正渗透单元或一级、二级正渗透单元对待处理溶液进行高 度浓缩的同时，有效解决了膜蒸馏浓水的处理问题，最大程度的回收 了废水中的水资源。
本发明采用的技术方案是：
本发明的装置，是正渗透耦合膜蒸馏处理废水装置，主要包括正 渗透单元、膜蒸馏单元，正渗透单元通过管路和阀门与膜蒸馏单元相 连;含有如下部件：
正渗透原水池2和18：用于存储待正渗透的原水;
正渗透原水泵3和19：用于将正渗透原水泵入正渗透组件4和20;
正渗透膜组件4和20:用于分离正渗透原水;
正渗透驱动液池5：用于存储作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水;
正渗透驱动液泵6：用于将作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水泵入 正渗透膜组件4和20;
膜蒸馏浓水原水池7：用于存储自然降温后的膜蒸馏浓水;
膜蒸馏浓水泵8：用于将自然降温后的膜蒸馏浓水泵入正渗透驱 动液池5;
膜蒸馏加热水池9：用于存储经过加热的待膜蒸馏的高盐废水;
膜蒸馏浓水原水泵10：用于将热的膜蒸馏浓水泵入膜蒸馏浓水 原水池7;
膜蒸馏进水泵11用于将经过加热的高盐废水泵入膜蒸馏组件 12;
膜蒸馏组件12：用于分离高盐废水;
本发明的装置，可设为一级装置或二级装置。
一级装置主要包括：正渗透单元和膜蒸馏单元，各个部件之间的 连接关系为：
所述正渗透单元包括：正渗透原水池2、正渗透原水泵3、正渗透 膜组件4、正渗透驱动液池5和正渗透驱动液泵6;正渗透原水池2、正 渗透原水泵3和正渗透膜组件4进料侧，通过管路依次相连，构成循环 回路;正渗透驱动液池5、正渗透驱动液泵6、正渗透膜组件4驱动液 侧和阀门一，通过管路依次相连，构成循环回路;
所述膜蒸馏单元包括：膜蒸馏加热水池9、膜蒸馏进水泵11、膜 蒸馏组件12;膜蒸馏加热水池9、膜蒸馏进水泵11、膜蒸馏组件12， 通过管路依次相连，构成循环回路;膜蒸馏加热水池9、膜蒸馏浓水 原水泵10、膜蒸馏浓水原水池7和膜蒸馏浓水泵8，通过管路依次相连;
膜蒸馏浓水泵8通过管路和阀门二与正渗透驱动液池5相连;
正渗透膜组件4驱动液侧，通过阀门三和管路还与膜蒸馏进水泵 11前管路相连。
本发明中二级装置各个部件之间的连接关系为：
本发明的二级装置，是在一级装置结构的基础上，在正渗透单元 中再增加一级正渗透膜组件。其正渗透单元，除原包括的正渗透原水 池2、正渗透原水泵3和正渗透膜组件4外;还包括：第二正渗透原水 池18、第二正渗透原水泵19和第二正渗透膜组件20;第二正渗透原水 池18、第二正渗透原水泵19和第二正渗透膜组件20进料侧，通过管路 依次相连，构成循环回路;正渗透驱动液池5、正渗透驱动液泵6、正 渗透膜组件4驱动液侧、第二正渗透膜组件20驱动液侧和阀门一，通 过管路依次相连，构成循环回路;
第二正渗透膜组件20驱动液侧，通过阀门三和管路还与膜蒸馏 进水泵11前管路相连。
在具体实施时，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件的膜材 料包括醋酸纤维素、聚酰胺或聚丙烯腈;
在具体实施时，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件形式包 括板式、卷式、中空纤维式或管式;
在具体实施时，所述的膜蒸馏组件形式包括板式、卷式、中空纤 维式或管式;
在具体实施时，所述的膜蒸馏组件的膜材料包括聚偏氟乙烯，聚 四氟乙烯、聚丙烯;
在具体实施时，所述的正渗透膜组件、第二正渗透膜组件和膜蒸 馏组件为一组或多组串联或并联。
本发明的方法，是一种利用一级正渗透耦合膜蒸馏装置处理废水 的方法，主要步骤为：
(1)高盐废水15进入膜蒸馏加热水池9中加热，之后，经过加 热的高盐废水通过膜蒸馏进水泵11，泵入膜蒸馏组件12;
(2)在膜蒸馏组件12中被分离成膜蒸馏浓水13和膜蒸馏产水 14;
(3)膜蒸馏浓水13返回膜蒸馏加热水池9继续循环浓缩，当膜 蒸馏加热水池9中的膜蒸馏浓水到达设定浓度时，通过膜蒸馏浓水原 水泵10泵入膜蒸馏浓水原水池7中自然降温，之后，通过膜蒸馏浓 水泵8泵入正渗透驱动液池5作为驱动液待用;
(4)正渗透原水1进入正渗透原水池2，正渗透原水池2中的原 水，经过正渗透原水泵3，再泵入正渗透膜组件4的进料液侧循环流 动;同时将步骤(3)中正渗透驱动液池5中的膜蒸馏浓水，通过正渗 透驱动液泵6，泵入正渗透膜组件4的驱动液侧，作为正渗透的驱动 液循环流动;
(5)在步骤(4)的作用下，正渗透原水1中的水通过正渗透膜组件 4进入到正渗透驱动液侧的膜蒸馏浓水中，将膜蒸馏浓水不断稀释的 同时，逐渐浓缩了正渗透原水。
本发明的另一方法，是一种利用二级正渗透耦合膜蒸馏装置处理 废水的方法，主要步骤为：
(1)高盐废水15进入膜蒸馏加热水池9中加热，之后，经过加 热的高盐废水通过膜蒸馏进水泵11泵入膜蒸馏组件12;
(2)在膜蒸馏组件12中被分离成膜蒸馏浓水13和膜蒸馏产水 14;
(3)膜蒸馏浓水13返回膜蒸馏加热水池9继续循环浓缩，当膜 蒸馏加热水池9中的膜蒸馏浓水到达设定浓度时，通过膜蒸馏浓水原 水泵10泵入膜蒸馏浓水原水池7中自然降温，之后，通过膜蒸馏浓 水泵8泵入正渗透驱动液池5作为驱动液待用;
(4)正渗透原水1进入正渗透原水池2，正渗透原水池2中的原 水经过正渗透原水泵3泵入正渗透膜组件4的进料液侧循环流动;正 渗透原水17进入第二正渗透原水池18，第二正渗透原水池18中的 原水，经过第二正渗透原水泵19泵入第二正渗透膜组件20的进料侧 循环流动;同时将步骤(3)中正渗透驱动液池5中的膜蒸馏浓水，通 过正渗透驱动液泵6，泵入正渗透膜组件4和第二正渗透膜组件20 的驱动液侧，作为正渗透的驱动液循环流动;
(5)在步骤(4)的作用下，正渗透原水1、17中的水分别通过正渗 透膜组件4和第二正渗透膜组件20，进入到正渗透驱动液侧的膜蒸 馏浓水中，将膜蒸馏浓水不断稀释的同时，逐渐浓缩了正渗透原水;
其中，正渗透原水池2或第二正渗透原水池18中的原水，浓缩到 设定的排放浓度时排放，正渗透驱动液池5中的驱动液稀释到设定的 浓度时，部分返回到膜蒸馏单元继续浓缩。
在具体实施时，所述正渗透原水包括：河水、苦咸水、海水、地 表水、市政污水、石化废水、垃圾渗滤液，以及含药物、糖类、蛋白 质等的溶液。
在具体实施时，步骤(1)所述膜蒸馏加热水池中的高盐废水的加 热温度范围为60～80℃;
在具体实施时，步骤(3)中所述的膜蒸馏浓水设定浓度为电导率 范围达到150,000～250,000μs/cm时，经自然降温后作为正渗透过程 驱动液;
在具体实施时，所述作为正渗透过程驱动液的膜蒸馏浓水自然降 温后的温度范围为20～50℃;
在具体实施时，当正渗透原水1、17为含盐溶液时，所述作为正 渗透驱动液的膜蒸馏浓水电导率稀释到等于正渗透原水池中废水电 导率的2～5倍时，部分返回到膜蒸馏进水单元，与高盐废水即膜蒸馏 进水15按1:1～1:5混合后，进入膜蒸馏组件12继续浓缩;
在具体实施时，当正渗透原水1、17为其他非含盐溶液时，所述 作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水电导率稀释到膜蒸馏浓水初始电导 率的1/2～1/5时，部分返回到膜蒸馏进水单元，与高盐废水即膜蒸馏 进水15按1:1～1:5混合后，进入膜蒸馏组件12继续浓缩;
在具体实施时，当正渗透原水1、17为含盐溶液时，所述的正渗 透原水池2、第二正渗透原水池18中的废水电导率浓缩到等于膜蒸 馏浓水初始电导率的2～4倍时，间歇排放;
在具体实施时，当正渗透原水1、17为其他非含盐溶液时，所述 的正渗透原水池2、第二正渗透原水池18中的废水浓缩到设定的排 放浓度时，间歇排放;
在具体实施时，所述的作为正渗透驱动液的膜蒸馏浓水经过膜蒸 馏多次循环浓缩得到。
本发明与现有技术的实质性区别在于，本发明涉及一种正渗透耦 合膜蒸馏处理废水的装置及方法，本装置及方法主要用于处理膜蒸馏 浓水以及其他难以处理的废水或溶液。针对现有技术中存在的膜蒸馏 浓水的处理及处置问题，本发明主要采用正渗透耦合膜蒸馏过程，针 对石化企业的高盐废水以及河水、苦咸水、海水、地表水、市政污水、 石化废水、垃圾渗滤液以及含药物、糖类、蛋白质等的溶液进行处理。 在采用膜蒸馏对高盐废水进行深度浓缩处理的同时，以膜蒸馏浓水作 为正渗透驱动液，处理了膜蒸馏浓水及其他难处理废水或溶液，并最 大程度的回收了高盐废水和正渗透原水中的水资源。
本发明的有益效果是：
1、本发明的装置及方法不但采用膜蒸馏技术处理高盐废水，回 收了高盐废水中的水资源，而且还将难以处理的膜蒸馏浓水作为正渗 透过程的驱动液，变废为宝，用于正渗透过程处理正渗透原水，充分 实现了膜蒸馏浓水的高效利用，并通过正渗透和膜蒸馏过程的耦合， 最大限度的回收了水资源;
2、本发明中的正渗透过程和膜蒸馏过程都不需要外加压力或外 压压力很小，方法简单易行，容易操作;
3、本发明中的正渗透过程和膜蒸馏过程中的膜污染均较轻，延 长了两个过程的连续稳定运行时间;
4、本发明的装置占地少，结构紧凑，操作简单，相对于多效蒸 发而言，运行费用低;
5、采用本发明的装置及方法，不仅可以处理高盐废水，还可以 同时浓缩处理河水、苦咸水、海水、地表水、市政污水、石化废水、 垃圾渗滤液以及含药物、蛋白质等的溶液;
6、采用本发明的装置及方法，整个耦合过程不仅可以获得大量 纯净水，同时也解决了膜蒸馏浓水难以处理问题，最大限度的提高了 废水回收率，具有重要环境效益。
