申请日2014.11.28
公开(公告)日2015.04.01
IPC分类号C02F9/10
摘要
一种节能污水厂二级生化出水除盐系统，该系统包括正渗透盐浓缩装置和多效蒸发器，正渗透盐浓缩装置包括FO 膜密闭交换箱、汲取液回收利用装置和清水回收装置，FO 膜密闭交换箱至少设置一级，汲取液回收利用装置与各级FO膜密闭交换箱分别通过电动阀门连接，清水回收装置与汲取液回收利用装置连接，各级FO膜密闭交换箱依次通过排液电动阀门连接，且均通过超越电动阀门与母液多效蒸发器连接。该系统针对污水厂二级生化出水的高渗透压特性，通过配制依数性更高的汲取液，利用溶液的依数性差异带来的渗透压差，使污水厂二级生化出水得到高效浓缩的同时回收循环利用水资源，产生电能;运行过程实现自动联锁控制，可根据不同进水条件调整运行方式。
权利要求书
1.一种节能污水厂二级生化出水除盐系统，包括正渗透盐浓缩装置和母液多效蒸发器，其特征是：正渗透盐浓缩装置包括FO 膜密闭交换箱、汲取液回收利用装置和清水回收装置，FO 膜密闭交换箱至少设置一级，汲取液回收利用装置与各级FO膜密闭交换箱分别通过电动阀门连接，清水回收装置与汲取液回收利用装置连接，各级FO膜密闭交换箱依次通过排液电动阀门连接，且均通过超越电动阀门与母液多效蒸发器连接。
2.根据权利要求1所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述FO 膜密闭交换箱的内部设置膜元件，膜元件将FO 膜密闭交换箱内部分为母液区和汲取液区，母液区的上部设置有进水管，该进水管上设置有进水电动阀门;上一级FO 膜密闭交换箱中母液区的底部通过排液电动阀门与下一级FO 膜密闭交换箱中母液区的上部连接，同时每一级FO 膜密闭交换箱中母液区的底部均通过超越电动阀门与母液多效蒸发器连接;每一级FO膜密闭交换箱中汲取液区的上部分别通过汲取液输送管与汲取液回收利用装置中的汲取液交换箱连接，各自的汲取液输送管上均设置有汲取液出口电动阀门;每一级FO膜密闭交换箱中汲取液区的底部均设置有汲取液补偿电动阀门，且与汲取液回收利用装置中的汲取液补偿箱之间通过汲取液补偿管连接，汲取液补偿管上连接有汲取液补偿泵。
3.根据权利要求2所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述汲取液区的外部设置有连接汲取液区上部和下部的汲取液循环管，汲取液循环管上设置有汲取液循环泵。
4.根据权利要求2所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述母液区和汲取液区内均设置有搅拌器、离子浓度计和温度调节装置。
5.根据权利要求1所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述汲取液回收利用装置包括汲取液交换箱、汲取液中间箱、汲取液多效蒸发器、汲取液溶解箱、汲取液补偿箱和溶药箱，汲取液交换箱上部设置有交换箱电动阀门和交换箱电动排气阀，并通过交换箱电动阀门与汲取液中间箱连接;汲取液交换箱的底部通过交换箱超越管电动阀门与汲取液中间箱连接;汲取液中间箱上部设置有中间箱电动排气阀，汲取液中间箱与汲取液多效蒸发器连接;汲取液溶解箱与汲取液多效蒸发器连接;汲取液补偿箱的底部通过补偿箱进口电动阀门与汲取液溶解箱的底部连接;溶药箱的底部通过溶药出口电动阀门与汲取液补偿箱的底部连接。
6.根据权利要求5所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述汲取液溶解箱和溶药箱内均设置有搅拌器和离子浓度计。
7.根据权利要求5所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述汲取液补偿箱内设置有离子浓度计。
8.根据权利要求1所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：所述清水装置包括清水箱、清水泵和清水管，清水箱与汲取液多效蒸发器连接，清水管与清水箱连接，清水泵连接在清水管上，清水管与溶药箱连接。
9.根据权利要求1所述的节能污水厂二级生化出水除盐系统，其特征是：还包括渗透能量利用装置，该装置包括密闭的转子箱和涡轮发电机组，转子箱内设置有涡轮机叶轮，涡轮机叶轮与涡轮发电机组连接，转子箱的底部设置有转子箱电动排气阀，转子箱通过转子箱进水电动阀门与汲取液交换箱连接，同时转子箱也与汲取液中间箱连接。
说明书
一种节能污水厂二级生化出水除盐系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于污水厂二级生化出水的除盐系统，属于污水深度治理技术领域。
背景技术
自然界的盐分循环以水循环为载体进行，而水循环普遍存在于生命过程和生产活动的各个环节，某个环节盐分的过度增加就会给人类的生命健康、生产活动或生态环境造成危害。调查发现，我国不少内陆河流、湖泊以及渤海等近岸海域，盐分指标呈现持续上升的趋势。
目前污水中的盐分主要来源于直接利用海水的工业生产、生活用水和食品加工、盐化工、精细化工、石油化工、造纸、皮革加工、合成氨以及热电厂等行业，而在污水处理中，盐分(主要是氯、钠和硼)通常难以得到有效去除，所以在污水排放或中水回用(也称再生水，它的水质介于污水和自来水之间，是城市污水、废水经净化处理后达到国家标准，能在一定范围内使用的非饮用水)时，盐分和水一起循环到使用环境中，进而产生一系列危害，主要包括以下几个方面：
(1)腐蚀金属管道和设备，影响废水输送和处理设施寿命;
(2)影响水体生态环境，对水生生物造成一定影响;
(3)用于灌溉会引起土壤盐渍化，抑制植物生长甚至导致其死亡;
(4)是通过下渗污染地下水。
导致水体盐分整体上升主要有以下几个方面的因素：
一是国家现行水环境标准体系中缺少对全盐量(各类含盐因子的总和)的总体控制，虽然部分行业标准中规定了个别如氯化物之类的盐分指标，但相当一部分行业的外排废水和外排清净下水未对全盐量提出控制要求，导致企业在工艺选择和废水处理过程中都没有对排放废水中的盐分给予足够的重视，甚至采取了增加盐分的措施。
二是由于COD、氨氮指标实行总量控制以及大力推行的清洁生产审核，使得企业加大了节约用水和中水回用的力度，提高了水循环利用率，结果导致排水量减少，循环水盐分累积，排放废水中盐分浓度增高。部分企业作为清净下水排放的废水中，虽然COD浓度不高，但全盐量污染物浓度很高，甚至个别企业超过10000mg/L。
三是为了满足国家减排任务和水环境质量改善需求，近年来制定了一系列严格的水污染物排放标准。企业为了COD等综合性指标的达标排放，在污水处理过程中加入了过多的絮凝剂、酸、碱等化学试剂，也导致了外排废水中盐分浓度的增高。
目前，随着国家水环境标准体系的不断完善，对全盐量的总体控制逐步严格，部分发达省份如山东，已在现行的四个流域地方标准中增加了全盐量指标，新的标准修改单要求：自2014年5月1日起，全盐量指标限值执行3000mg/L的要求;2016年1月1日起，全盐量指标限值执行1600mg/L的要求;以中水或循环水为主要水源的企业，全盐量指标限值放宽到2000mg/L;一般地表水体省控断面水质以全盐量l000mg/L作为参考控制目标，超出该目标值的设区的市可以在辖区内对排放废水提出更加严格的要求。
由此可见，污水厂污水的除盐已是大势所趋。中国专利文献CN103708644A公开的《一种用于二级生化出水同步除磷除COD的深度处理方法》、CN103787525A公开的《一种城市污水二级生化出水深度处理的方法》、CN103803696A 公开的《一种造纸废水二级生化出水深度脱色的方法》以及CN102491560B公开的《用于维生素C二级生化出水处理及回用的方法及系统》均不涉及二级生化出水的除盐处理。
CN102390879B公开的《一种同时选择性去除二级生化出水中硝酸盐与磷酸盐的方法》，其步骤为：将同时含有硝酸盐、磷酸盐及其他溶解性共存阴离子的混合溶液通过装有聚乙烯吡啶过渡金属络合物和强碱性阴离子交换树脂双层固定床吸附柱，其中聚乙烯吡啶过渡金属络合物在吸附柱的上方，强碱性阴离子交换树脂在吸附柱的下方;将吸附了硝酸盐和磷酸盐的吸附柱通过氯化钠盐溶液进行脱附，脱附后吸附柱可循环使用。该方法只能去除污水处理厂二级出水中低浓度硝酸盐和磷酸盐，工艺过程复杂。
为此，有必要在污水厂二级生化的基础上，分析污水厂二级生化出水的含盐特性，利用渗透作用，开发节能、高效的污水厂二级生化出水处理技术。
渗透作用是两种不同浓度的溶液隔以半透膜(允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜)，水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。其发生的条件有两个：一是有半透膜，二是半透膜两侧有物质的量浓度差。
渗透作用又可分为正渗透(FO)、反渗透(RO)和压力阻尼渗透(PRO)。
正渗透(FO)过程是以半透膜两侧的渗透压差为驱动力，溶液中的水分子从高水化学势区(低离子浓度溶液)通过半透膜向低水化学势区(高离子浓度溶液)传递，而溶质分子或离子被阻挡的一种渗透过程。
反渗透(RO)过程，是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和正渗透的方向相反，故称反渗透。可以利用不同物料的渗透压差异，使用大于渗透压的反渗透压力，达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。
压力阻尼渗透(PRO)是介于正渗透和反渗透过程的中间过程，是指在渗透压差的反方向上施加压力，与反渗透过程相似，然而水分子仍然是扩散到高离子浓度一侧，与正渗透过程相似。
稀溶液(包含污水厂二级生化出水)的依数性是指稀溶液中溶剂的蒸气压下降、凝固点降低、沸点升高和渗透压的数值，只与溶液中溶质的量有关，与溶质的本性无关，溶液的依数性为开发特种汲取液提供了理论依据，即只要配置一定依数性的汲取液，使其渗透压高于待处理污水厂二级生化出水，利用渗透作用特别是正渗透(FO)，就可以将污水厂二级生化出水进一步浓缩。
为此，亟需开发节能、高效的污水厂二级生化出水除盐系统，利用渗透作用尤其是正渗透(FO)作用和溶液的依数性差异带来的渗透压差，实现污水厂二级生化出水有效处置、循环利用水资源的同时，充分利用正渗透(FO)产生的压差获得电能，节约能源。
发明内容
本实用新型针对现有污水厂二级生化出水除盐技术存在的不足，依据二级生化出水的含盐特性，利用溶液的依数性，提供一种处理效果好、节能的污水厂二级生化出水处理系统。同时提供一种该系统对污水厂二级生化出水的处理方法。
本实用新型的节能污水厂二级生化出水除盐系统，采用以下技术方案：
该系统，包括正渗透盐浓缩装置和母液(或称浓缩液)多效蒸发器，正渗透盐浓缩装置包括FO 膜密闭交换箱、汲取液回收利用装置和清水回收装置，FO 膜密闭交换箱至少设置一级，汲取液回收利用装置与各级FO膜密闭交换箱分别通过电动阀门连接，清水回收装置与汲取液回收利用装置连接，各级FO膜密闭交换箱依次通过排液电动阀门连接，且均通过超越电动阀门与母液多效蒸发器连接。
FO 膜密闭交换箱的内部设置膜元件，膜元件将FO 膜密闭交换箱内部分为母液区和汲取液区，母液区的上部设置有进水管，该进水管上设置有进水电动阀门;上一级FO 膜密闭交换箱中母液区的底部通过排液电动阀门与下一级FO 膜密闭交换箱中母液区的上部连接，同时每一级FO 膜密闭交换箱中母液区的底部均通过超越电动阀门与母液多效蒸发器连接;每一级FO膜密闭交换箱中汲取液区的上部分别通过汲取液输送管与汲取液回收利用装置中的汲取液交换箱连接，各自的汲取液输送管上均设置有汲取液出口电动阀门;每一级FO膜密闭交换箱中汲取液区的底部均设置有汲取液补偿电动阀门，且与汲取液回收利用装置中的汲取液补偿箱之间通过汲取液补偿管连接，汲取液补偿管上连接有汲取液补偿泵。
汲取液区的外部设置有连接汲取液区上部和下部的汲取液循环管，汲取液循环管上设置有汲取液循环泵。通过汲取液循环泵将汲取液在汲取液区上部和下部形成循环。
母液区和汲取液区内均设置有搅拌器、离子浓度计和温度调节装置。
汲取液回收利用装置包括汲取液交换箱、汲取液中间箱、汲取液多效蒸发器、汲取液溶解箱、汲取液补偿箱和溶药箱，汲取液交换箱上部设置有交换箱电动阀门和交换箱电动排气阀，并通过交换箱电动阀门与汲取液中间箱连接;汲取液交换箱的底部通过交换箱超越管电动阀门与汲取液中间箱连接;汲取液中间箱上部设置有中间箱电动排气阀，汲取液中间箱与汲取液多效蒸发器连接;汲取液溶解箱与汲取液多效蒸发器连接;汲取液补偿箱的底部通过补偿箱进口电动阀门与汲取液溶解箱的底部连接;溶药箱的底部通过溶药出口电动阀门与汲取液补偿箱的底部连接。
汲取液溶解箱和溶药箱内均设置有搅拌器和离子浓度计。
汲取液补偿箱内设置有离子浓度计。
清水装置包括清水箱、清水泵和清水管，清水箱与汲取液多效蒸发器连接，清水管与清水箱连接，清水泵连接在清水管上，清水管与溶药箱连接。
上述系统，还包括渗透能量利用装置，该装置包括密闭的转子箱和涡轮发电机组，转子箱内设置有涡轮机叶轮，涡轮机叶轮与涡轮发电机组连接，转子箱的底部设置有转子箱电动排气阀，转子箱通过转子箱进水电动阀门与汲取液交换箱连接，同时转子箱也与汲取液中间箱连接。
上述系统的处理方法，是：
首先分析计算污水厂二级生化出水的渗透物质的量浓度(溶液中的离子态物质的量与分子态物质的量之和)S1(运行过程中以离子浓度计显示数据近似折算)，按照所需渗透压力(△π，由是否用于发电等实际需求决定)得出所需第一级FO 膜密闭交换箱汲取液的离子浓度J1，J1大于S1，且得出需要的FO 膜密闭交换箱的级数n和每级FO 膜密闭交换箱的个数i;然后通过汲取液回收利用装置配制离子浓度J1的汲取液，使汲取液充满第一级FO 膜密闭交换箱;开启污水厂二级生化出水进水电动阀门，污水厂二级生化出水流入第一级FO 膜密闭交换箱内，与汲取液交换，使污水厂二级生化出水中的水分子自由传至汲取液，稀释后体积增大的汲取液通过汲取液回收利用装置中的多效蒸发器实现汲取液溶质(一般为气体)和水(溶剂)的分离，实现汲取液溶质的回收和再利用，多余的水进入清水装置，实现水资源的回收利用;污水厂二级生化出水通过逐级FO 膜密闭交换箱进行浓缩，最后无法再浓缩或根据需要无需进一步浓缩的的母液进入母液多效蒸发器进行脱盐处理。
本实用新型针对污水厂二级生化出水的高渗透压特性，通过配制依数性更高的汲取液，利用溶液的依数性差异带来的渗透压差，使污水厂二级生化出水得到高效浓缩的同时，回收循环利用水资源，生产电能;同时，运行过程实现自动联锁控制，可根据不同进水条件调整运行方式，便于实施。具有以下特点：
1.充分利用溶液的依数性，通过配制依数性较高的汲取液(如NH4HCO3等)，利用其与污水厂二级生化出水的高渗透压差，实现污水厂二级生化出水高效浓缩的同时，可回收大量水资源;
2.采用的FO膜具有膜通量大，浓差极化现象少的特性，可保障渗透功能的顺利实现;
3.采用的多效蒸发器为通用设备，采用强制循环与真空负压(真空度0.08 MPa)蒸发方式，以确保物料在较低温度下(一般为65～80 ℃)沸腾蒸发，该设备具有物料受热时间短、蒸发速度快、浓缩比大的特点，对于黏度较大或容易结晶、结垢的物料，适应性较好，多效同时蒸发，蒸汽得到反复使用，与普通单效蒸发器相比节约能耗约70%以上。
4.采用的渗透能量利用装置可将系统产生的渗透能转化为电能，从而降低废水处理成本;
5.通过自动化仪器仪表使运行过程实现自动联锁控制，便于根据不同进水条件调整运行方式;
6.模块化设计，可根据污水厂二级生化出水实际浓度和其他实施条件，自由组合，具有较强的灵活性。