一種同步污水再生和海水淡化的系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種同步污水再生和海水淡化的系統及方法，通過增壓泵將原料液輸送到壓力協同滲透膜組件的低滲透壓側，由排出管回到原料液罐中；通過增壓泵將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜組件中，經反滲透后濃縮的海水由濃水排出管直接送入壓力協同滲透膜組件中；在壓力協同滲透過程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅動力，促進污水中的水分透過正滲透膜進入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中，同時反滲透產生淡水。本發明工藝簡單，膜污染較輕，能耗低，產水量高和高質量水等特點，且同時利用污水和海水資源。
【專利說明】
-種同步污水再生和海水淡化的系統及方法
技術領域
[0001] 本發明設及水處理技術領域，更具體地，設及一種壓力協同滲透和反滲透技術相 結合的同步污水再生和海水淡化處理的系統及方法。
【背景技術】
[0002] 城市污水回用，是將城市污水深度處理再生后加 W回用到生產系統或生活雜用， 具有開源節流的雙重作用，是水資源有效利用的重要形式之一，作為城市可靠的第二水源。 眾所周知，地球表面72%被水覆蓋，絕大部分的水資源W海水形式存在，而淡水資源僅占水 資源總量的0.5%，可直接利用的只有1%的淡水，海水淡化已經成為解決全球水資源危機 的重要途徑之一。然而傳統的城市污水再生并不能和海水淡化實現同步。
[0003] 近幾年正滲透(Forward Osmosis，F0)由于其低能耗、低膜污染、設備簡單等特點 正被廣泛應用于廢水回用或水的純化、海水或苦咸水淡化、石油、發電、食品醫藥等領域，它 還可W與反滲透(Reverse Osmosis，R0)聯用彌補反滲透原料液濃度不可過高的缺陷。在 F0-R0工藝中，TO主要作為R0的前處理，具有雙重膜處理污水、低膜污染和節能等優點，相比 于單獨R0海水淡化，由于F0裝置、膜等導致成本增加，因此唯有提高F0水通量，才能使得F0- R0工藝更加經濟可行。然而F0膜的水通量受到膜材料、濃差極化（ICP和ECP)、網格墊片和鹽 返混等限制。壓力協同滲透（Pressure assited osmosis，PA0)是在原料液側施加一定壓 力，通過滲透壓與壓力共同作用，已被證明是提高現有F0膜的水通量的方式，有助于F0更好 的應用于工業上。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種壓力協同滲透和反滲透技術相 結合的同步污水再生和海水淡化的處理方法，W更為簡單的工藝、高水通量和較低的能耗 實現污水的再生和海水的淡化處理。
[0005] 為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種同步污水再生和海水淡化的 系統，其特征在于，包括存儲于原料液罐的廢水、存儲于汲取液罐的海水、壓力協同滲透膜 組件及反滲透膜組件，汲取液罐內的海水輸入到反滲透膜組件中，經反滲透膜組件反滲透 后產生的淡水另外收集，產生的濃縮的海水則輸入到壓力協同滲透膜組件的高滲透壓側， 廢水則輸入到壓力協同滲透膜組件的低滲透壓側，在壓力協同滲透過程中，利用海水與污 水的滲透壓差作為驅動力，促進污水中的水分透過壓力協同滲透膜組件中的正滲透膜進入 海水中，稀釋的海水回流至汲取液罐中，污水則回流至原料液罐。
[0006] 優選地，所述海水及所述廢水經由各自的增壓累分別輸入到所述反滲透膜組件及 所述壓力協同滲透膜組件的低滲透壓側，則在壓力協同滲透過程中，利用海水與污水的滲 透壓差及外加壓力共同作用作為驅動力。
[0007] 優選地，所述壓力協同滲透膜組件包括兩個相同的有機玻璃，兩個有機玻璃間設 有正滲透膜。
[000引優選地，所述正滲透膜包括活性層及支撐層，所述廢水對著活性層，所述濃縮的海 水朝向支撐層。
[0009] 優選地，所述污水為滲透壓低于30~45g/L的海水滲透壓的廢水。
[0010] 優選地，在所述反滲透膜組件用于排出所述濃縮的海水的排出管線上設置相應的 能量回收裝置，優選地，將能量回收裝置回收的能量用于海水的前處理、后處理。
[0011] 優選地，所述壓力協同滲透膜組件為板式壓力協同滲透膜組件或卷式壓力協同滲 透膜組件，所述壓力協同滲透膜組件中的正滲透膜為聚酷胺正滲透膜或Ξ醋酸纖維素正滲 透膜；
[0012] 所述反滲透膜組件為板式反滲透膜組件或卷式反滲透膜組件，所述反滲透膜組件 中的反滲透膜為芳香聚酷胺膜或醋酸纖維素膜。
[0013] 優選地，所述壓力協同滲透膜組件施加壓力范圍為1~lObar。
[0014] 本發明的另一個技術方案是提供了一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征 在于，過程如下：
[0015] 原料液側：W污水作為原料液，通過增壓累將原料液罐中的污水輸入到壓力協同 滲透膜組件的低滲透壓側，由排出管回到原料液罐中；
[0016] 汲取液側：W海水作為汲取液，通過增壓累將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜 組件中，經反滲透后濃縮的海水經反滲透濃水排出管直接送入壓力協同滲透膜組件中，在 壓力協同滲透過程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅動力，促進 原料液中的水分透過正滲透膜進入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中。
[0017] 優選地，對海水進行前處理后再送入所述汲取液罐中；由所述反滲透膜產出的淡 水根據需要進行進一步的后處理。
[0018] 與現有技術相比，本發明的優點是：
[0019] 本發明的同步污水再生和海水淡化的處理方法，是W低滲透壓的污水作為原料 液，高滲透壓的海水作為汲取液，利用海水和污水的滲透壓差和原料液側的施加壓力作為 驅動力，W提高壓力協同滲透的水通量，使得污水中的更多的水分回用到海水中，加大了海 水的稀釋，從而降低了海水的滲透壓，進而降低反滲透所需能耗，促使反滲透有更高的產水 量；同時由于反滲透的濃縮汲取液作用，保證了壓力協同滲透過程中汲取液所需的滲透壓， 且利用反滲透濃鹽水的排放的流體狀態，減少了壓力協同滲透汲取液側的累的使用，工藝 簡單，膜污染較輕，能耗低，產水量高和高質量水等特點，且同時利用了污水和海水資源。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明的利用壓力協同滲透-反滲透技術相結合的同步污水再生和海水淡 化的處理方法的工藝流程圖；
[0021 ]圖2中為本發明實施例1運行過程中PA0水通量和R0產水量變化圖；
[0022] 圖3為本發明實施例1中的原料液、汲取液和最終產水的電導率變化圖；
[0023] 圖4為本發明實施例2運行過程中PA0水通量和R0產水量變化圖。
[0024]
[00巧]圖例說明：
[00%] 1-壓力協同滲透膜組件，2-原料液罐，3-汲取液罐，4-反滲透膜組件，5-產水收集 罐，6、7-增壓累，8、9、11-止水閥1，10、12、13-壓力表。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，運些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人 員可W對本發明作各種改動或修改，運些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。
[0028] 如圖1所示，本發明提供的工藝包括原料液罐2、汲取液罐5、壓力協同滲透膜組件 1、反滲透膜組件4、增壓累、產水收集罐5。其中：
[0029] 原料液罐2用來裝作為原料液的污水。污水為城市生活污水處理廠的二級廢水或 Ξ級廢水等滲透壓低(低于30~45g/L的海水滲透壓)的廢水。原料液罐2在壓力協同滲透膜 組件1的低滲透壓側。
[0030] 汲取液罐3用于盛放作為汲取液的海水。本領域技術人員還可W對海水進行前處 理后再送入汲取液罐3中。汲取液罐3在壓力協同滲透膜組件1的高滲透壓側。
[0031] 壓力協同滲透膜組件1和反滲透組件4的材質和形式無特殊要求。壓力協同滲透膜 組件1可為板式或卷式膜，壓力協同滲透膜組件1中的正滲透膜為聚酷胺正滲透膜或Ξ醋酸 纖維素正滲透膜。反滲透膜組件4為板式或卷式膜，反滲透膜組件4中的反滲透膜為芳香聚 酷胺膜和醋酸纖維素膜。
[0032] 在本【具體實施方式】中，壓力協同滲透膜組件1由兩個相同的有機玻璃組成，內部包 括正滲透膜，正滲透膜朝向為原料液對著活性層，汲取液朝向支撐層。原料液進液管通過增 壓累6與原料液罐2和壓力協同滲透膜組件1連接，壓力協同滲透膜組件1的出液管與原料液 罐2相連。原料液經增壓累6進入到壓力協同滲透膜組件1內部，經壓力協同滲透后的濃縮的 原料液經出液管返回到原料液罐2。壓力協同滲透過程中的施加壓力應保證該壓力在所述 壓力協同滲透膜組件承受范圍內。壓力協同滲透膜組件1施加壓力范圍為1~lObar。
[0033] 反滲透膜組件4內部包括反滲透膜。反滲透膜組件4的汲取液進液管通過增壓累7 與汲取液罐3相連，反滲透膜組件4的濃水排出管與壓力協同滲透膜組件1串聯，壓力協同滲 透膜組件1的汲取液出液管與汲取液罐3相連。作為汲取液的海水經過增壓累7進入反滲透 膜組件4內部，經過反滲透后的濃縮的海水進入壓力協同滲透膜組件1內部，經壓力協同滲 透后返回到汲取液罐3。反滲透膜組件4產水(淡水）由產水收集罐5收集儲存，產水也可根據 需要進一步的后處理。
[0034] 本發明還可在反滲透膜組件4的濃海水排出管線上設置相應的能量回收裝置(壓 力交換器，如滿輪機、離屯、累和葉片累等），對反滲透濃海水的排出進行能量回收利用，回收 的能量回收可用于海水的前處理、后處理等。
[0035] 實施例1
[0036] 本實施例中，采用某城市生活污水處理廠二沉出水為原料液;模擬海水為汲取液。 (具體模擬海水配方:化C1 25.726g/l;MgC l22.26g/L;MgS〇43.248g/L; CaCl2l.l53g/l; NaHC〇4〇. 198g/L; KCl 0.721 g/L)。原料液體積為IL，汲取液體積為0.化;所述壓力協同滲透 膜組件為平板膜組件(美國HTI公司的商業化TFC-ES膜），膜組件由兩個相同的有機玻璃做 成，水流通道長為80mm，寬為30mm，深為3mm，膜運行方式為活性層朝向原料液側，支撐層朝 向汲取液側，膜有效面積為24cm2，其原料液側施加壓力為4bar;原料液流速為1.化/min，汲 取液(濃水)流速為0.化/min;所述反滲透膜組件為平板膜組件（陶氏公司的BW30級LCLE- 4040反滲透膜），有機玻璃膜外殼，膜有效面積24cm2,濃水流通道為80mm，寬度為30mm，膜所 對凹槽深度5mm，膜背面為光滑的不誘鋼濾板鑲嵌于有機玻璃中，操作壓力8bar，由增壓累 提供。
[0037] 原料液放置在電子天平上，由電腦記錄天平數據并保存用于計算壓力協同滲透膜 水通量。通過測量汲取液、最終產水中的電導率值變化計算脫鹽率。
[0038] 本發明的實施例中用于處理再生水和模擬海水時，隨著運行時間的增加，正滲透 過程中水通量逐漸下降，R0產水量從1.63L/Vh增加到4.15L/m2h。其12小時后脫鹽率達到 94.8%。整個系統對TN、TP和T0C的去除率分別達到98.1 %、98.4%和99.6%。
[0039] 表1污水基本性質
[0040]
[0041] 實施例2
[0042] 本實施例中，采用某城市生活污水處理廠二沉出水為原料液;杭州灣海域海水為 汲取液。所述壓力協同滲透膜組件為平板膜組件(美國HTI公司的商業化TFC-ES膜），膜組件 由兩個相同的有機玻璃做成，水流通道長為80mm，寬為30mm，深為3mm，膜運行方式為活性層 朝向原料液側，支撐層朝向汲取液側，膜有效面積為24cm2，其原料液側施加壓力為4bar;; 原料液流速為1.化/min,汲取液(濃水)流速為0.化/min;所述反滲透膜組件為平板膜組件 (陶氏公司的BW30級LCLE-4040反滲透膜），有機玻璃膜外殼，膜有效面積24cm2，濃水流通道 為80mm，寬度為30mm，膜所對凹槽深度5mm，膜背面為光滑的不誘鋼濾板鑲嵌于有機玻璃 中，操作壓力8bar，由增壓累提供。
[0043] 原料液放置在電子天平上，由電腦記錄天平數據并保存用于計算壓力協同滲透膜 水通量。通過測量汲取液、最終產水中的電導率值變化計算脫鹽率。
[0044] 本發明的實施例中用于同步處理再生水和杭州灣海域海水時，隨著運行時間的增 加，PA0過程中水通量逐漸下降，R0產水量從5.0化/m2h增加到7.2化/m2h。其12小時后脫鹽率 達到97.8%。整個系統對二沉出水的TN、TP和T0C的去除率分別達到98.2%、97.5%和 99.8%，對色度和濁度去除達到99% W上。
[0045] 表2污水和海水基本性質
[0046]
【主權項】
1. 一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，包括存儲于原料液罐的廢水、存 儲于汲取液罐的海水、壓力協同滲透膜組件及反滲透膜組件，汲取液罐內的海水輸入到反 滲透膜組件中，經反滲透膜組件反滲透后產生的淡水另外收集，產生的濃縮的海水則輸入 到壓力協同滲透膜組件的高滲透壓側，廢水則輸入到壓力協同滲透膜組件的低滲透壓側， 在壓力協同滲透過程中，利用海水與污水的滲透壓差作為驅動力，促進污水中的水分透過 壓力協同滲透膜組件中的正滲透膜進入海水中，稀釋的海水回流至汲取液罐中，污水則回 流至原料液罐。2. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述海水及 所述廢水經由各自的增壓栗分別輸入到所述反滲透膜組件及所述壓力協同滲透膜組件的 低滲透壓側，則在壓力協同滲透過程中，利用海水與污水的滲透壓差及外加壓力共同作用 作為驅動力。3. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述壓力協 同滲透膜組件包括兩個相同的有機玻璃，兩個有機玻璃間設有正滲透膜。4. 如權利要求3所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述正滲透 膜包括活性層及支撐層，所述廢水對著活性層，所述濃縮的海水朝向支撐層。5. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述污水為 滲透壓低于30~45g/L的海水滲透壓的廢水。6. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，在所述反滲 透膜組件用于排出所述濃縮的海水的排出管線上設置相應的能量回收裝置，優選地，將能 量回收裝置回收的能量用于海水的前處理、后處理。7. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述壓力協 同滲透膜組件為板式壓力協同滲透膜組件或卷式壓力協同滲透膜組件，所述壓力協同滲透 膜組件中的正滲透膜為聚酰胺正滲透膜或三醋酸纖維素正滲透膜； 所述反滲透膜組件為板式反滲透膜組件或卷式反滲透膜組件，所述反滲透膜組件中的 反滲透膜為芳香聚酰胺膜或醋酸纖維素膜。8. 如權利要求1所述的一種同步污水再生和海水淡化的系統，其特征在于，所述壓力協 同滲透膜組件施加壓力范圍為1~1 obar。9. 一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，過程如下： 原料液側：以污水作為原料液，通過增壓栗將原料液罐中的污水輸入到壓力協同滲透 膜組件的低滲透壓側，由排出管回到原料液罐中； 汲取液側：以海水作為汲取液，通過增壓栗將汲取液罐中的海水輸入到反滲透膜組件 中，經反滲透后濃縮的海水經反滲透濃水排出管直接送入壓力協同滲透膜組件中，在壓力 協同滲透過程中，利用海水與污水的滲透壓差和外加壓力共同作用作為驅動力，促進原料 液中的水分透過正滲透膜進入海水中，最后稀釋的海水回到汲取液罐中。10. 如權利要求9所述的一種同步污水再生和海水淡化的方法，其特征在于，對海水進 行前處理后再送入所述汲取液罐中；由所述反滲透膜產出的淡水根據需要進行進一步的后 處理。
【文檔編號】C02F103/08GK106082397SQ201610407240
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】黃滿紅, 畢磊, 孟李君, 陳東輝, 李貝貝
【申請人】東華大學