申请日2014.02.28
公开(公告)日2015.09.16
IPC分类号C02F1/44; B01D61/08; C02F9/10
摘要
一种用于高浓度污水处理的反渗透装置及反渗透处理系统，装置包括膜壳和设于膜壳中心的连接杆，膜壳两端密封连接的连接法兰和末端法兰上设有污水进水口、透过液出口和浓缩液出口，连接杆上套设有多层层流盘和滤膜组件，层流盘与连接杆之间设有连通至透过液出口的透过液通道，滤膜组件的内边开口连通至透过液通道，层流盘上靠中心孔处均布有多个长条形分流孔，层流盘表面顺着前述长条形分流孔的辐射方向开设有若干辐条状导流通道。系统包括一低温蒸发高浓度污水的处理装置和上述反渗透装置，处理装置包括污水预热组件、空气预热组件、低温板式蒸发装置和回收组件，本发明具有污水处理效率高、产水率高、出水效果好、能耗低、膜使用寿命长等优点。
权利要求书
1.一种用于高浓度污水处理的反渗透装置，包括筒状膜壳和设于膜壳中心的连接杆，膜壳两端密封连接有连接法兰和末端法兰，连接法兰上开设有污水进水口、透过液出口和浓缩液出口，膜壳内腔于连接杆上套设有多层层流盘，相邻层流盘之间密封连接有滤膜组件，多层层流盘与连接杆之间设有连通至透过液出口的透过液通道，其特征在于：所述滤膜组件的外边缘闭合，且内边缘呈开口状连通至透过液通道，所述滤膜组件与各层流盘之间形成污水层流通道，所述层流盘上靠近其中心孔处沿周向均布有多个将污水层流通道连通的长条形分流孔，所述层流盘表面顺着前述长条形分流孔的辐射方向开设有若干辐条状导流通道;
所述辐条状导流通道内靠近层流盘外边缘的位置设有一分流挡板，所述分流挡板沿层流盘径向的长度为层流盘半径长度的1/4～1/2，所述分流挡板将辐条状导流通道的过流面积基本平分。
2.根据权利要求1所述的用于高浓度污水处理的反渗透装置，其特征在于：所述滤膜组件为三层夹芯环形结构，包括两层同心设置的反渗透膜以及夹设于其间的丝状支架，所述丝状支架为绒头织物片;反渗透膜和丝状支架的外边缘焊接成一体;所述滤膜组件的外轮廓呈八边形。
3.根据权利要求1或2所述的用于高浓度污水处理的反渗透装置，其特征在于：所述层流盘的中心孔边缘处开设有多个径向缺口，各层流盘上的径向缺口相互连通形成所述的透过液通道;所述连接杆上于连接法兰上方装设有中空的透过液收集器并通过连接杆上的螺母紧固，所述透过液出口开设于所述透过液收集器一侧。
4.根据权利要求1或2所述的用于高浓度污水处理的反渗透装置，其特征在于：所述多层层流盘相互叠加后在膜壳内腔形成筒状层流盘组件，层流盘组件与膜壳内壁之间设有一与所述污水进水口连通的竖向进液通道;层流盘组件的上端固接于连接法兰，下端与末端法兰间隔开形成底部进液通道，所述滤膜组件插入与各层流盘之间形成的污水层流通道内使污水以S形路线自下而上经过各污水层流通道。
5.根据权利要求1或2所述的用于高浓度污水处理的反渗透装置，其特征在于：所述连接杆上于末端法兰上方装设有密封套管，连接杆上于末端法兰下方装设有连接杆垫片并通过连接杆上的螺母紧固;所述连接法兰、末端法兰与膜壳之间通过唇形密封圈密封连接;所述层流盘与滤膜组件之间均通过O形密封圈密封连接。
6.一种用于高浓度污水处理的反渗透处理系统，其特征在于：包括一低温蒸发高浓度污水的处理装置和权利要求1～5中任一项所述的反渗透装置，所述低温蒸发高浓度污水的处理装置包括污水预热组件、空气预热组件、低温板式蒸发装置和回收组件，所述污水预热组件、空气预热组件分别连通至低温板式蒸发装置的污水进口端和热空气进口端;所述低温板式蒸发装置为多层板式结构，且主要由多层蒸发板层叠而成，通过污水预热组件中的流量控制部件使进入低温板式蒸发装置中的污水在多层蒸发板上自上而下形成连续层流状液膜，通过空气预热组件使进入低温板式蒸发装置中的热空气在多层蒸发板间自下而上形成连续上升气流，所述连续上升气流与连续层流状液膜逆流接触，所述低温板式蒸发装置顶部设有与回收组件连通的热空气出口，所述低温板式蒸发装置底部设有污水出口;所述回收组件通过管道与低温板式蒸发装置的底部连通形成循环;所述反渗透装置的浓缩液出口与所述污水预热组件的进口端连通。
7.根据权利要求6所述的用于高浓度污水处理的反渗透处理系统，其特征在于：所述多层蒸发板设置成促使连续层流状液膜以S形方式下行的导向布置方式;所述连续上升气流则以S形方式上升与连续层流状液膜逆流接触;所述多层蒸发板中每一层蒸发板的下表面设置成可促使连续上升气流形成局部漩涡湍流的凹凸式齿状或波浪状结构。
8.根据权利要求6或7所述的用于高浓度污水处理的反渗透处理系统，其特征在于：所述多层蒸发板中每一层蒸发板的一端为固定端，另一端为溢流端，所述溢流端设有一溢流挡板，通过控制溢流挡板的高度或溢流挡板上开设的溢流孔的高度，使连续层流状液膜在每一层蒸发板上的液膜厚度呈现自上往下逐级递减的形式：所述多层蒸发板设置成抽屉式组合模块结构，每一个抽屉为一个可自由组装拆卸的组合模块，每一个抽屉由至少一层蒸发板组成，多个抽屉上下叠加构成所述多层蒸发板的主体结构。
9.根据权利要求6或7所述的用于高浓度污水处理的反渗透处理系统，其特征在于：所述低温板式蒸发装置内的容腔被分隔成蒸发腔和冷凝回收腔，且蒸发腔设于中部，冷凝回收腔设于蒸发腔的外围，所述污水进口端直接连通至蒸发腔的顶部;所述低温板式蒸发装置顶部设有将冷凝液导流至冷凝回收腔中的冷凝器;所述低温板式蒸发装置顶部的内表面设置成圆锥状，所述冷凝器为水冷式冷凝器，该水冷式冷凝器设于圆锥状的内表面与低温板式蒸发装置的外壁之间，冷凝回收腔的底部开设有冷凝液出口，冷凝液出口通过管道连通至一冷凝液储液池。
说明书
用于高浓度污水处理的反渗透装置及反渗透处理系统
技术领域
本发明属于高浓度污水处理领域，具体涉及一种利用流体力学水力学原理进行研发而成 的用于高浓度污水处理的反渗透装置及反渗透处理系统。
背景技术
近年来，许多新技术在应用于高浓度污水处理，如垃圾渗滤液处理中取得了迅速的发展。 目前应用趋势较好的一类是膜技术的应用，包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等。采 用膜技术的优点是出水水质较好，可以达到较高的排放要求。但是现有技术中的碟管式反渗 透(DTRO)膜系统，其导流盘表面设置了凸点状结构作为导流结构，如图6所示，该结构 易使水力进行爆发性扩散，造成系统能量损耗增大;且其膜片形状为圆形，如图7所示，易 造成局部压力过大使膜片被穿透损害。
总的来说，受不同因素影响，现有技术中的膜处理装置在运营过程中能耗较高、产水率 较低、出水效果不稳定、设备使用寿命较短，受这些缺陷的限制，膜处理技术在应用于垃圾 渗滤液等高浓度污水的处理时存在一定瓶颈。因此，寻找一种处理效率更高、产水率高、出 水效果好、能耗低、膜片使用寿命更长的高浓度污水处理装置显得尤为迫切。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、污水处 理效率高、产水率高、出水效果好、能耗低、过滤膜使用寿命长的用于高浓度污水处理的反 渗透装置及反渗透处理系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案来实现：
一种用于高浓度污水处理的反渗透装置，包括筒状膜壳和设于膜壳中心的连接杆，膜壳 两端密封连接有连接法兰和末端法兰，连接法兰上开设有污水进水口、透过液出口和浓缩液 出口，膜壳内腔于连接杆上套设有多层层流盘，相邻层流盘之间密封连接有滤膜组件，多层 层流盘与连接杆之间设有连通至透过液出口的透过液通道，污水进水口通过层流盘外周与膜 壳之间的间隙通道与膜壳内底部连通，所述滤膜组件的外边缘闭合，且内边缘呈开口状连通 至透过液通道，所述滤膜组件与各层流盘之间形成污水层流通道，所述层流盘上靠近其中心 孔处沿周向均布有多个将污水层流通道连通的长条形分流孔，所述层流盘表面顺着前述长条 形分流孔的辐射方向开设有若干辐条状导流通道。
作为对本发明反渗透装置的进一步改进：所述辐条状导流通道内靠近层流盘外边缘的位 置设有一分流挡板，所述分流挡板沿层流盘径向的长度为层流盘半径长度的1/4～1/2，所述 分流挡板将辐条状导流通道的过流面积基本平分。
上述的反渗透装置中，优选的，所述滤膜组件为三层夹芯环形结构，包括两层同心设置 的反渗透膜以及夹设于其间的丝状支架，所述丝状支架更优选为绒头织物片。所述反渗透膜 和丝状支架的外边缘焊接成一体。所述滤膜组件的外轮廓优选呈八边形。
上述的反渗透装置中，优选的，所述层流盘的中心孔边缘处开设有多个径向缺口，各层 流盘上的径向缺口相互连通形成所述的透过液通道;所述连接杆上于连接法兰上方装设有中 空的透过液收集器并通过连接杆上的螺母紧固，所述透过液出口开设于所述透过液收集器一 侧。
上述的反渗透装置中，优选的，所述多层层流盘相互叠加后在膜壳内腔形成筒状层流盘 组件，层流盘组件与膜壳内壁之间设有一与所述污水进水口连通的竖向进液通道;层流盘组 件的上端固接于连接法兰，下端与末端法兰间隔开形成底部进液通道，所述滤膜组件插入与 各层流盘之间形成的污水层流通道内使污水以S形路线自下而上经过各污水层流通道。更优 选的，相邻两层流盘的上、下表面的间距为h，h优选为3mm。
上述的反渗透装置中，优选的，所述连接杆上于末端法兰上方装设有用于支撑底部层流 盘的密封套管，连接杆上于末端法兰下方装设有连接杆垫片并通过连接杆上的螺母紧固。所 述连接法兰、末端法兰与膜壳之间通过唇形密封圈密封连接;所述层流盘与过滤膜组件之间 均通过O形密封圈密封连接。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于高浓度污水处理的反渗透处理系统，包 括一低温蒸发高浓度污水的处理装置和上述的反渗透装置，所述低温蒸发高浓度污水的处理 装置包括污水预热组件、空气预热组件、低温板式蒸发装置和回收组件，所述污水预热组件、 空气预热组件分别连通至低温板式蒸发装置的污水进口端和热空气进口端;所述低温板式蒸 发装置为多层板式结构，且主要由多层蒸发板层叠而成，通过污水预热组件中的流量控制部 件使进入低温板式蒸发装置中的污水在多层蒸发板上自上而下形成连续层流状液膜，通过空 气预热组件使进入低温板式蒸发装置中的热空气在多层蒸发板间自下而上形成连续上升气 流，所述连续上升气流与连续层流状液膜逆流接触，所述低温板式蒸发装置顶部设有与回收 组件连通的热空气出口，所述低温板式蒸发装置底部设有污水出口;所述回收组件通过管道 与低温板式蒸发装置的底部连通形成循环;所述反渗透装置的浓缩液出口与所述污水预热组 件的进口端连通。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述多层蒸发板设置成促使连续层流状液膜以S形 方式下行的导向布置方式;所述连续上升气流则以S形方式上升与连续层流状液膜逆流接触。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述多层蒸发板中每一层蒸发板的下表面设置成可 促使连续上升气流形成局部漩涡湍流的凹凸式齿状或波浪状结构。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述多层蒸发板中每一层蒸发板的一端为固定端， 另一端为溢流端，所述溢流端设有一溢流挡板，通过控制溢流挡板的高度或溢流挡板上开设 的溢流孔的高度，使连续层流状液膜在每一层蒸发板上的液膜厚度呈现自上往下逐级递减的 形式。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述多层蒸发板设置成抽屉式组合模块结构，每一 个抽屉为一个可自由组装拆卸的组合模块，每一个抽屉由至少一层蒸发板组成，多个抽屉上 下叠加构成所述多层蒸发板的主体结构。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述低温板式蒸发装置内的容腔被分隔成蒸发腔和 冷凝回收腔，且蒸发腔设于中部，冷凝回收腔设于蒸发腔的外围，所述污水进口端直接连通 至蒸发腔的顶部;所述低温板式蒸发装置顶部设有将冷凝液导流至冷凝回收腔中的冷凝器。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述低温板式蒸发装置顶部的内表面设置成圆锥状， 所述冷凝器为水冷式冷凝器，该水冷式冷凝器设于圆锥状的内表面与低温板式蒸发装置的外 壁之间，冷凝回收腔的底部开设有冷凝液出口，冷凝液出口通过管道连通至一冷凝液储液池。 更优选的，所述冷凝液储液池主要由回水池和回水降温后的出水池两部分构成，所述出水池 通过管道连通至所述水冷式冷凝器的进水口，水冷式冷凝器的出水口及冷凝液出口均通过管 道连通至前述回水池。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述污水预热组件和空气预热组件共用一套热源供 给系统，所述热源供给系统包括加热装置和加热管路，加热管路中填充传热介质;所述污水 预热组件包括污水预热池，加热管路延伸至污水预热池中供热，所述加热管路还延伸至一加 热水池，所述空气预热组件包括鼓风机、空气输送管路和空气流量控制器，空气输送管路延 伸至所述加热水池中给空气预热。
上述的反渗透处理系统中，优选的，所述回收组件包括汽水分离罐、引风机和尾气净化 装置(优选光催化氧化除臭装置)，且所述热空气出口通过管道串联上汽水分离罐和引风机后 连通至尾气净化装置，所述回收组件与低温板式蒸发装置连通形成循环。
与现有技术相比，本发明的用于高浓度污水处理的反渗透装置具有以下显著的优点：
1、最低程度的膜结垢和污染现象：本发明中具备较宽的(3mm以上)开放式宽流道及 独特的带辐条状导流通道的层流盘，料液在组件中形成湍流状态，最大程度上减少了膜表面 结垢、污染及浓差极化现象的产生。
2、膜使用寿命长：本发明可有效避免滤膜组件的结垢，膜污染减轻，使过滤膜的寿命延 长。特殊的结构及水力学设计使膜组易于清洗，清洗后通量恢复性非常好，从而延长了膜片 寿命。
3、组件易于维护：本发明中的滤膜组件采用标准化设计，组件易于拆卸维护，打开组件 可以轻松检查维护任何一片过滤膜及其它部件，维修简单，当零部件数量不够时，组件允许 少装一些过滤膜及层流盘而不影响滤膜组件的使用，这是其它形式膜组件所无法达到的。由 于本发明的装置内部任何单个部件均允许单独更换，过滤部分由多个滤膜组件及层流盘装配 而成，当滤膜组件需更换时可进行单个更换，对于过滤性能好的膜片仍可继续使用，这在最 大程序上减少了换膜成本，这是卷式、中空纤维等其它形式膜组件所无法达到的。
4、利用本发明处理高浓度污水时，其相对传统的生化工艺不仅出水水质好，对各项污染 物都具有极高的去除率;而且出水稳定，受外界因素影响小，由于影响膜系统截留率的因素 较少，所以系统出水水质很稳定，不受可生化性、炭氮比等因素的影响。
总的来说，本发明的用于高浓度污水处理的反渗透装置，结构简单紧凑，仅在现有碟管 式反渗透基础上对层流盘和滤膜组件的结构和形状进行改变，形成具有辐条状的导流通道。 当污水在过滤组件中流动时可形成湍流，最大程度减少膜表面结垢、污染及浓差极化现象的 产生，使滤膜组件易于清洗，清洗后通量恢复性非常好，大大延长了滤膜的使用寿命;该装 置中的滤膜组件采用标准化设计，易于拆卸维护，单个部件均允许单独更换，更换费用和运 行费用低;且本发明中的反渗透膜对各项污染物都具有极高的去除率，出水水质好，水质稳 定;该装置占地面积小、建设周期短、自动化程度高，操作十分灵活，可以连续运行，也可 间歇运行，还可以调整系统的串并联方式，来适应水质水量的要求。
另外，本发明的用于高浓度污水处理的反渗透系统中主要利用了低温高效蒸发技术，其 模拟“台风效应”，利用饱和水蒸气遇冷凝结放热在低温板式蒸发装置上方局部区域形成负压， 进而产生一种自然的拉力使低温板式蒸发装置底部的热空气源源不断上升;再通过回收组件 的连接，可使热空气在低温板式蒸发装置与回收组件之间形成闭环回路，循环往复，从而高 效利用空气余热，实现低温高效蒸发污水中的水分。该反渗透系统节能环保，通过利用“海 水晒盐”原理，可以在低温(40℃～60℃)状态下蒸发污水，与传统的高温(100℃～120℃) 蒸馏方法相比，不仅节能，而且环保，冷凝水中有害物质的含量低，符合国家一级排放标准， 不需再次处理即可排放。
本发明的用于高浓度污水处理的反渗透系统中，不仅蒸发效率高，通过在优选的技术方 案中利用抽屉式蒸发板底部的凹凸式齿状或波浪状结构，使上升气流遇到阻力而形成局部漩 涡式小循环，迫使上升气流与液膜多次接触，显著提高低温状态下的蒸发效率;通过采用模 块式设计，使污水预热组件、空气预热组件、低温板式蒸发装置和回收组件等均设置开放式 接口，不仅便于各个组件模块之间的组装连接，而且有利于各个组件模块之间的单独升级换 代。而低温板式蒸发装置可进一步设计成优选的组合模块结构，即单个低温板式蒸发装置可 根据污水处理量和工艺流程时间长短，以增加或减少抽屉式组合模块的数量，另外还可将多 个低温板式蒸发装置进行并联，同时分别独立地进行污水处理，多个低温板式蒸发装置并联 后可迅速增加处理量，提高效率，且当其中一台低温板式蒸发装置在进行结晶物的清理时， 另外的低温板式蒸发装置可同时运行，以保证污水处理的连续性，即使单个模块出现故障也 不影响整个处理装置的运行。
本发明的用于高浓度污水处理的反渗透系统中的污水预热组件、空气预热组件等使用的 热源均可采用清洁能源，例如主要是利用生活垃圾填埋场自身产生的沼气能，开发使用成本 低，且能够减少温室气体直接排放。如果本发明处理装置用于工业废水处理领域，则可以利 用太阳能或者空气能作为主要能源。沼气能源或者太阳能、空气能均属于清洁能源领域，符 合国家政策导向，且有利于环境保护。
总的来说，本发明的整个反渗透处理系统不仅运行灵活(可以连续运行，也可间歇运行， 还可以调整系统的串并联方式，来适应水质水量的要求)，且整个系统建设周期短，调试、启 动迅速，设备运抵现场后只需两周左右的时间安装调试工作就可完成;整个系统自动化程度 高，操作运行简便，本发明的处理系统可设计为全自动式，整个系统设有完善的监测、控制 系统，PLC可以根据传感器参数自动调节，适时发出报警信号，对系统形成保护，操作人员 只需根据操作手册查找错误代码排除故障，对操作人员的经验没有过高的要求。本发明的处 理系统为集成式安装，附属构筑物及设施也是一些小型构筑物，占地面积很小。整个反渗透 系统的工艺处理过程简单、投资成本低，能耗低，维护运营简单方便，经济效益较好，处理 的污水最终产物是约97%的清水和约3%的结晶物，可实现污染物“零”排放。