一种新型膜浓缩系统及其工艺和高倍浓缩装置的制作方法

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1.本发明涉及一种废水处理领域，尤其涉及一种新型膜浓缩系统及其工艺和高倍浓缩装置。


背景技术：

2.在煤化工、电子产品以及其他工业生产过程中会产生大量的废水，其主要特点是含有无机盐离子、悬浮物、污染性杂质离子、有机物等，且各物质的含量差别较大，无机盐含量在5000mg/l～15000mg/l之间；悬浮物含量在30mg/l～500mg/l；污染性杂质离子主要是钙离子、镁离子、二氧化硅等易结垢性物质，含量从几十到几百mg/l，甚至上千mg/l；有机物是污染物中最难去除的一种，含量也是从几十到几百mg/l不等，造成工业废水水质水量波动大，成分复杂，膜浓缩及资源化回收利用困难。
3.为实现废水中水资源的回收利用，通常采用膜浓缩技术将废水中的水全部回收利用。但是受到当前国内外膜技术发展水平的制约，传统膜浓缩技术存在单一的膜浓缩设备其浓缩倍数有限，如常规苦咸水膜只能浓缩至25000～30000mg/l，海水淡化膜能浓缩至55000～60000mg/l，高压反渗透能浓缩至90000～100000mg/l，高压平板膜能浓缩至110000～120000mg/l。且膜系统的浓缩主要是通过提高运行压力实现废水中无机盐的高倍浓缩，即通过采用高压条件下将多种膜系统串联运行，其存在的问题是运行压力大、投资成本高、运行稳定性差。
4.部分学者尝试直接利用高压平板膜将废水浓缩至100000mg/l～120000mg/l以缩短工艺流程，但是大量的低浓度废水直接进入高压平板膜，导致高压平板膜的处理负荷大，能耗高，严重影响了膜浓缩系统的经济性；且高压平板膜的产水水质不好，还需要再处理，进一步增加了系统的复杂性。此外，受到膜技术本身性能的影响，传统膜技术只能将水中无机盐离子浓缩至100000mg/l～120000mg/l，如需进一步提高浓缩倍数，则需要采用蒸发系统，导致耗能较高，如，蒸发1kg水，需要蒸汽0.45kg或需要电2～4kwh，极大影响企业的经济效益。因此，开发一种新型膜浓缩技术，在较低运行压力条件下可直接将废水中的无机盐进行高倍的浓缩，避免传统多种膜串联运行造成工艺流程长、稳定性差，能耗高等问题，将是解决目前工业废水处理的重要途径。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于提供一种能耗低、运行稳定的新型膜浓缩系统。
6.本发明的第二个目的在于提供一种低渗透压差、高浓缩倍数的新型膜浓缩工艺。
7.本发明的第三个目的在于提供一种结构简单、浓缩效果好的高倍浓缩装置。
8.本发明的第一个目的由如下技术方案实施：
9.一种新型膜浓缩系统，包括预处理装置、反渗透装置以及高倍浓缩装置；
10.所述预处理装置的浸没式超滤膜的浓水出水口与所述反渗透装置的进水口连通，所述反渗透装置的浓水出水口与所述高倍浓缩装置的第一级弱反渗透膜的进水口连通，所
述高倍浓缩装置的最后一级弱反渗透膜的浓水出水口与浓水池的进水口连通，所述反渗透装置的产水出水口与回用水罐的进水口连通，所述高倍浓缩装置的多个弱反渗透膜的产水出水口均与所述反渗透装置的进水口连通。
11.进一步的，所述高倍浓缩装置包括多级弱反渗透膜，在每个上一级所述弱反渗透膜的产水侧开设有回流进水口；
12.下一级所述弱反渗透膜的浓水出水口分两路，一路与再下一级所述弱反渗透膜的进水口连通，另一路与上一级所述弱反渗透膜的产水侧的回流进水口连通。
13.进一步的，所述弱反渗透膜数量为4～8个。
14.进一步的，其还包括离子交换装置以及高级氧化装置；
15.所述反渗透装置的浓水出水口与所述离子交换装置的进水口连通，所述离子交换装置的出水口与所述高级氧化装置的进水口连通，所述高级氧化装置的出水口与所述高倍浓缩装置的第一级所述弱反渗透膜的进水口连通。
16.进一步的，所述预处理装置包括高密度沉淀池、石英砂过滤器以及浸没式超滤膜；
17.所述高密度沉淀池的出水口与所述石英砂过滤器的进水口连通，所述石英砂过滤器的产水出水口与所述浸没式超滤膜的进水口连通。
18.本发明的第二个目的由如下技术方案实施：
19.一种新型膜浓缩工艺，包括如下工序：工序一预处理；工序二初步浓缩；工序三高倍浓缩；其中：
20.工序一预处理：废水进入预处理装置，将废水中的钙离子、镁离子、二氧化硅、悬浮物、浊度等去除，得到预处理产水，且预处理产水中钙离子浓度＜40mg/l，镁离子浓度＜20mg/l，悬浮物含量＜0.1mg/l，浊度＜3ntu；
21.工序二初步浓缩：将所述工序一预处理中得到的预处理产水送入反渗透装置中进行初步浓缩，得到反渗透浓水和反渗透产水，且反渗透浓水中无机盐的含量浓缩至30000mg/l～35000mg/l；将反渗透产水送入回用水罐储存备用；
22.工序三高倍浓缩：将所述工序二初步浓缩中得到的反渗透浓水送入高倍浓缩装置进行高倍浓缩，得到高倍浓缩浓水和高倍浓缩产水，且高倍浓缩浓水中无机盐的含量浓缩至180000mg/l以上，将高倍浓缩浓水送入浓水池储存备用，高倍浓缩产水返回至所述工序二初步浓缩中，重新参与浓缩处理。
23.进一步的，所述工序三高倍浓缩中，将所述工序二初步浓缩中得到的反渗透浓水顺次送入多级弱反渗透膜进行逐步浓缩，并将下一级弱反渗透膜的部分浓水返回至上一级弱反渗透膜的产水侧。
24.进一步的，其还包括工序四除硬处理和工序五氧化处理；其中
25.工序四除硬处理：将所述工序二初步浓缩中得到的反渗透浓水送入所述离子交换装置中将废水中的钙离子和镁离子去除，得到除硬产水，且除硬产水中易结垢离子总浓度＜5mg/l；
26.工序五氧化处理：将所述工序四除硬处理中得到的除硬产水送入高级氧化装置中进行氧化处理，去除有机物，得到氧化产水，且氧化产水中的有机物浓度＜300mg/l，将氧化产水送入工序三高倍浓缩中，通过高倍浓缩装置进行逐步浓缩处理。
27.进一步的，所述工序一预处理中，废水首先进入高密度沉淀池，将废水中的钙离
子、镁离子、二氧化硅、悬浮物等物质去除；然后，进入石英砂过滤器，将废水中的悬浮物去除；之后，进入浸没式超滤膜，进一步去除浊度和悬浮物。
28.本发明的第三个目的由如下技术方案实施：
29.高倍浓缩装置，包括多级弱反渗透膜，在每个上一级所述弱反渗透膜的产水侧开设有回流进水口；
30.下一级所述弱反渗透膜的浓水出水口分两路，一路与再下一级所述弱反渗透膜的进水口连通，另一路与上一级所述弱反渗透膜的产水侧的回流进水口连通。
31.本发明的优点：
32.本发明的系统可将废水中的无机盐浓缩至180000mg/l以上，与传统的多种膜的串联系统只能浓缩至120000mg/l相比，浓缩倍数是传统的1.5倍以上；且无需使用热蒸发浓缩装置，避免了高温蒸发设备导致的高投资和高运行成本，与传统的处理系统相比投资成本降低了约30％；本系统中涉及到的最大运行压力为7mpa，运行压力低，避免了膜系统在高压状态下导致的运行稳定性差、能耗高等问题，在相同浓缩倍数的情况下，与传统的处理系统相比可节省约70％的能耗，极大的降低了系统的运行能耗。
33.本发明工艺中，充分利用了反渗透膜的特点，在高倍浓缩处理过程中，通过将下一级弱反渗透膜的浓水总量的20％～50％回流至上一级弱反渗透膜的产水侧，提高上一级弱反渗透膜产水侧的无机盐含量，使得在较低的运行压力下，相应的弱反渗透膜的浓水侧中无机盐的含量提高，进而在低渗透压差的情况下，实现高倍数的浓缩；同时，由于无机盐离子和其他杂离子截留在反渗透的浓水侧，配合除硬处理和氧化处理将废水中的钙、镁等易结垢离子和有机物进行去除，可保证系统长时间稳定运行；将高倍浓缩产水返回前序工序，重新参与浓缩处理，可对盐离子实现最大限度的回收，还能实现水资源的充分回收。
34.本发明中的高倍浓缩装置，通过多级弱反渗透膜，使浓水中无机盐的含量逐步提高；通过在每个上一级弱反渗透膜的产水侧的侧壁上开设有回流进水口，将下一级弱反渗透膜的部分浓水回流至上一级弱反渗透膜的产水侧，使得在较低的运行压力下，相应的弱反渗透膜的浓水侧中无机盐的含量提高，进而实现高倍数的浓缩。
附图说明：
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为实施例1的系统连接示意图。
37.图2为实施例4的示意图。
38.图中：预处理装置1、高密度沉淀池11、石英砂过滤器12、浸没式超滤膜13、反渗透装置2、高倍浓缩装置3、弱反渗透膜31、回用水罐4、离子交换装置5、高级氧化装置6、浓水池7。
具体实施方式：
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1：
41.如图1所示的一种新型膜浓缩系统，包括预处理装置1、反渗透装置2以及高倍浓缩装置3；预处理装置1包括高密度沉淀池11、石英砂过滤器12以及浸没式超滤膜13；高倍浓缩装置3包括4级弱反渗透膜31，在每个上一级弱反渗透膜31的产水侧开设有回流进水口；下一级弱反渗透膜31的浓水出水口分两路，一路与再下一级弱反渗透膜31的进水口连通，另一路与上一级弱反渗透膜31的产水侧的回流进水口连通，弱反渗透膜31采用东洋纺株式会社厂家生产的8040-弱反渗透膜。本实施例还包括离子交换装置5以及高级氧化装置6；本实施例中，离子交换装置5的离子交换树脂采用争光树脂有限公司的弱酸型阳树脂。
42.高密度沉淀池11的出水口与石英砂过滤器12的进水口连通，石英砂过滤器12的产水出水口与浸没式超滤膜13的进水口连通；浸没式超滤膜13的浓水出水口与反渗透装置2的进水口连通，反渗透装置2的浓水出水口离子交换装置5的进水口连通，离子交换装置5的出水口与高级氧化装置6的进水口连通，高级氧化装置6的出水口与第一级弱反渗透膜31的进水口连通，最后一级弱反渗透膜31的浓水出水口与浓水池7的进水口连通。每个弱反渗透膜31的产水出水口均与反渗透装置2的进水口连通。
43.反渗透装置2的产水出水口与回用水罐4的进水口连通。
44.工作原理：
45.废水首先进入高密度沉淀池11，通过向高密度沉淀池11内投加碳酸钠、氢氧化钠、盐酸、pam、pfs等药剂，将废水中的钙离子、镁离子、二氧化硅、悬浮物等物质去除；具体的，碳酸钠的投加量与废水中钙离子总量的比例为(2.65～3)：1，氢氧化钠的投加量为废水中重金属离子总量、镁离子总量 调节ph所需氢氧化钠总量之和的1.1～1.15倍；盐酸的投加量为废水碱度摩尔质量当量 调节ph所需盐酸摩尔质当量之和的1-1.15倍除以工业盐酸浓度；pam的投加量为3～5mg/l，pfs投加量为100～150mg/l。
46.高密度沉淀池11产水再经过石英砂过滤器12，将废水中的悬浮物去除；之后，经过浸没式超滤膜13，进一步去除浊度和悬浮物，即完成了对废水的预处理，经预处理后，废水中钙离子浓度＜40mg/l，镁离子浓度＜20mg/l，悬浮物含量＜0.1mg/l，浊度＜3ntu。之后，预处理产水进入反渗透装置2进行浓缩，经反渗透装置2浓缩后，反渗透装置2的浓水中无机盐的含量浓缩至30000mg/l～35000mg/l，产水进入回用水罐4作为回用水用于厂区的水系统，可提高水资源的利用率；浓水进入离子交换装置5中，离子交换树脂上的钠离子将废水中的钙离子和镁离子交换吸附去除，保证整体处理工艺中易结垢离子始终处于5mg/l以下。离子交换装置5产水进入高级氧化装置6，利用高级氧化装置6中羟基自由基的强氧化性，将废水中的有机物去除，使废水中的有机物含量保持在300mg/l以下，之后进入高倍浓缩装置3进行进一步的浓缩；高倍浓缩装置3的浓水中无机盐的含量浓缩至180000mg/l以上，之后进入浓水池7储存备用；由于高倍浓缩装置3的产水中仍含有盐离子，故将高倍浓缩装置3的产水返回至反渗透装置2进行再次浓缩处理，进而最大限度的回收产水中盐离子的目的。
47.本实施例中的高倍浓缩装置3包括4级弱反渗透膜31，高级氧化装置6产生的产水首先进入第一级弱反渗透膜31内进行浓缩后，第一级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的
含量浓缩至50000～60000mg/l；之后浓水进入第二级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第二级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至80000～90000mg/l；之后浓水再进入第三级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第三级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至130000～140000mg/l；最后，浓水进入第四级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第四级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至180000～200000mg/l。
48.本实施例中，通过在弱反渗透膜31的产水侧开设回流进水口，使下一级弱反渗透膜31的20％～50％的浓水回流至上一级弱反渗透膜31的产水侧，通过提高上一级弱反渗透膜31产水侧的无机盐含量，使得在较低的运行压力(7mpa)下，相应的弱反渗透膜31的浓水侧中无机盐的含量提高，进而在低渗透压差的情况下，实现高倍数的浓缩；通过多级弱反渗透膜31的设置，使最终得到的浓水中无机盐含量达到传统浓缩系统的1.5倍以上，与传统的采用蒸发系统来提供浓缩倍数的系统相比，在预达到相同浓缩倍数的条件下，可节约能耗70％左右，节能降耗效果显著。
49.实施例2：
50.利用实施例1的一种新型膜浓缩系统处理废水的工艺，包括如下工序：工序一预处理；工序二初步浓缩；工序三高倍浓缩；还包括工序四除硬处理和工序五氧化处理；其中：
51.工序一预处理：废水进入预处理装置1，具体的，废水首先进入高密度沉淀池11，通过向高密度沉淀池11内投加碳酸钠、氢氧化钠、盐酸、pam、pfs等药剂，将废水中的钙离子、镁离子、二氧化硅、悬浮物等物质去除；且，碳酸钠的投加量与废水中钙离子总量的比例为(2.65～3)：1，氢氧化钠的投加量为废水中重金属离子总量、镁离子总量 调节ph所需氢氧化钠总量之和的1.1～1.15倍；盐酸的投加量为废水碱度摩尔质量当量 调节ph所需盐酸摩尔质当量之和的1-1.15倍除以工业盐酸浓度；pam的投加量为3～5mg/l，pfs投加量为100～150mg/l。高密度沉淀池11产水再经过石英砂过滤器12，将废水中的悬浮物去除；之后，经过浸没式超滤膜13，进一步去除浊度和悬浮物，即完成了对废水的预处理，得到预处理产水，且预处理产水中钙离子浓度＜40mg/l，镁离子浓度＜20mg/l，悬浮物含量＜0.1mg/l，浊度＜3ntu；
52.工序二初步浓缩：将工序一预处理中得到的预处理产水送入反渗透装置2中进行初步浓缩，得到反渗透浓水和反渗透产水，且反渗透浓水中无机盐的含量浓缩至30000mg/l～35000mg/l；将反渗透产水送入回用水罐4储存备用；
53.工序四除硬处理：将所述工序二初步浓缩中得到的反渗透浓水送入离子交换装置5中将废水中的钙离子和镁离子交换吸附去除，得到除硬产水，且除硬产水中易结垢离子总浓度＜5mg/l；离子交换装置5的离子交换树脂采用争光树脂有限公司的弱酸型阳树脂；
54.工序五氧化处理：将工序四除硬处理中得到的除硬产水送入高级氧化装置6中进行氧化处理，利用高级氧化装置6中羟基自由基的强氧化性，去除有机物，得到氧化产水，且氧化产水中的有机物浓度＜300mg/l，将氧化产水送入工序三高倍浓缩中通过高倍浓缩装置3进行逐步浓缩处理。
55.工序三高倍浓缩：将工序五氧化处理中得到的氧化产水顺次送入多级弱反渗透膜31进行逐步浓缩，并将下一级弱反渗透膜31的浓水总量的20％～50％回流至上一级弱反渗透膜31的产水侧，通过提高上一级弱反渗透膜31产水侧的无机盐含量，使得在较低的运行压力(7mpa)下，相应的弱反渗透膜31的浓水侧中无机盐的含量提高，进而在低渗透压差的
情况下，实现高倍数的浓缩，并得到高倍浓缩浓水和高倍浓缩产水，且高倍浓缩浓水中无机盐的含量浓缩至180000mg/l以上，将高倍浓缩浓水送入浓水池储存备用；高倍浓缩产水返回至工序二初步浓缩中，重新参与浓缩处理，进而实现对高倍浓缩产水中的无机盐的回收利用，最大限度的回收产水中盐离子。
56.实施例3：
57.利用实施例1的一种新型膜浓缩系统处理废水的工艺，包括如下工序：工序一预处理；工序二初步浓缩；工序三高倍浓缩；还包括工序四除硬处理和工序五氧化处理；其中：
58.工序一预处理：废水进入预处理装置1，具体的，废水首先进入高密度沉淀池11，通过向高密度沉淀池11内投加碳酸钠、氢氧化钠、盐酸、pam、pfs等药剂，将废水中的钙离子、镁离子、二氧化硅、悬浮物等物质去除。本实施例中，废水的具体水质为：tds含量为12110mg/l，ss为21.5mg/l，cod
cr
为275.8mg/l，总硬度为483mg/l，氯离子4076mg/l，硫酸根2243mg/l，碳酸氢根为962mg/l，浊度为60ntu，色度为25倍，二氧化硅25mg/l。
59.向废水中加入碳酸钠1320mg/l，氢氧化钠745mg/l；盐酸300mg/l；pam的投加量为3mg/l，pfs投加量为100mg/l。高密度沉淀池11产水再经过石英砂过滤器12，将废水中的悬浮物去除；之后，经过浸没式超滤膜13，进一步去除浊度和悬浮物，即完成了对废水的预处理，得到预处理产水，且预处理产水中钙离子浓度＜40mg/l，镁离子浓度＜20mg/l，悬浮物含量＜0.1mg/l，浊度＜3ntu；
60.工序二初步浓缩：将工序一预处理中得到的预处理产水送入反渗透装置2中进行初步浓缩，得到反渗透浓水和反渗透产水，且反渗透浓水中无机盐的含量浓缩至32000mg/l；将反渗透产水送入回用水罐4储存备用；
61.工序四除硬处理：将所述工序二初步浓缩中得到的反渗透浓水送入离子交换装置5中将废水中的钙离子和镁离子交换吸附去除，得到除硬产水，且除硬产水中易结垢离子总浓度＜5mg/l；离子交换装置5的离子交换树脂采用争光树脂有限公司的弱酸型阳树脂；
62.工序五氧化处理：将工序四除硬处理中得到的除硬产水送入高级氧化装置6中进行氧化处理，利用高级氧化装置6中羟基自由基的强氧化性，去除有机物，得到氧化产水，且氧化产水中的有机物浓度＜300mg/l，将氧化产水送入工序三高倍浓缩中通过高倍浓缩装置3进行逐步浓缩处理。
63.工序三高倍浓缩：将工序五氧化处理中得到的氧化产水顺次送入多级弱反渗透膜31进行逐步浓缩，并将下一级弱反渗透膜31的浓水总量的20％回流至上一级弱反渗透膜31的产水侧，通过提高上一级弱反渗透膜31产水侧的无机盐含量，使得在较低的运行压力(7mpa)下，可使相应的弱反渗透膜31的浓水侧中无机盐的含量提高，进而在低渗透压差的情况下，实现高倍数的浓缩，并得到高倍浓缩浓水和高倍浓缩产水，且高倍浓缩浓水中无机盐的含量浓缩至185000mg/l，将高倍浓缩浓水送入浓水池储存备用；高倍浓缩产水返回至工序二初步浓缩中，重新参与浓缩处理，进而实现对高倍浓缩产水中的无机盐的回收利用，最大限度的回收产水中盐离子。
64.实施例4：
65.如图2所示的高倍浓缩装置3，包括四级bc装置31，在每个上一级弱反渗透膜31的产水侧开设有回流进水口；下一级弱反渗透膜31的浓水出水口分两路，一路与再下一级弱反渗透膜31的进水口连通，另一路与上一级弱反渗透膜31的产水侧的回流进水口连通。
66.本实施例中，弱反渗透膜31采用东洋纺株式会社厂家生产的8040-弱反渗透膜，浓水首先进入第一级弱反渗透膜31内进行浓缩后，第一级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至50000～60000mg/l；之后浓水进入第二级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第二级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至80000～90000mg/l；之后浓水再进入第三级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第三级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至130000～140000mg/l；最后，浓水进入第四级弱反渗透膜31进一步浓缩，使第四级弱反渗透膜31产生的浓水中无机盐的含量浓缩至180000～200000mg/l。
67.本实施例中，通过在弱反渗透膜31的产水侧开设回流进水口，使下一级弱反渗透膜31的20％～50％的浓水回流至上一级弱反渗透膜31的产水侧，通过提高上一级弱反渗透膜31产水侧的无机盐含量，使得在较低的运行压力(7mpa)下，可使相应的弱反渗透膜31的浓水侧中无机盐的含量提高，进而在低渗透压差的情况下，实现高倍数的浓缩；通过多级弱反渗透膜31的设置，使最终得到的浓水中无机盐含量达到传统浓缩系统的1.5倍以上，与传统的采用蒸发系统来提供浓缩倍数的系统相比，在预达到相同浓缩倍数的条件下，可节约能耗70％左右，节能降耗效果显著。
68.弱反渗透膜31采用三醋酸纤维素亲水性材料制成的膜，材料性能稳定，抗氯性、抗氧化性、抗酸碱性强，可有效减少微生物、有机物、二氧化硅、钙盐等物质的污堵；经频繁清洗后，系统性能稳定，膜寿命长；且采用中空纤维膜结构，增大膜的比表面积，本实施例中，单个弱反渗透膜31的表面积达900m2，通量为0.7lmh，产水量可达630l/h，与传统的卷式的弱反渗透膜相比，单个弱反渗透膜31的处理能力提升2倍，比高压反渗透膜的处理能力提升1倍。
69.本系统中涉及到的最大运行压力为7mpa，运行压力低，避免了膜系统在高压状态下导致的运行稳定性差、能耗高等问题。传统处理系统中的多种膜装置以及本实施例中的高倍浓缩装置产生的浓水浓度及运行压力见表1。
70.表1多种膜装置产生的浓水浓度及运行压力表
[0071][0072][0073]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。