申请日2013.06.13
公开(公告)日2014.12.24
IPC分类号C02F1/44; C02F9/10
摘要
本发明公开了一种城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，包括以下步骤：(1)调节反渗透浓水pH并加热到一定温度;(2)输送至疏水性膜组件中进行浓缩处理;(3)经“调碱-重力沉降分离-微滤膜过滤”除硬后继续进行浓缩;(4)重力沉降后进行固液分离，分离后的母液进行干化处理，即可将城市污水经双膜处理后的反渗透浓水实现“零排放”。本发明解决了城市污水经双膜处理回用过程中产生的反渗透浓水无法达标排放的问题，同时通过膜蒸馏过程产生的蒸汽潜热与工业低品位热源，有效的利用和节约了能源及运行成本，本发明工艺具有技术先进、出水水质好、处理效率高、水资源回收率高、废水热量利用率高等优点。
权利要求书
1.一种城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，包括以下步骤：
(1)城市污水经双膜处理后的反渗透浓水，进入RO浓水pH调节池，调节pH为6～8并加热到40～90℃;
(2)将步骤(1)中加热后的反渗透浓水，输送至疏水性膜组件中，该过程中，调节疏水性膜组件料液侧给水压力为0.005～0.03MPa、料液侧膜面流速0.6～1.0m/s;
(3)在步骤(2)中疏水性膜组件渗透侧，采用抽真空的方式将渗透后的蒸汽经冷凝形成产水，该产水直接回用或与反渗透产水混合后回用;
(4)采用部分浓水循环的方式使得步骤(3)中产生的浓水浓缩，浓缩倍数为10～40倍，将接近饱和或过饱和的浓水送入加碱pH调节单元，pH调节为8～9.5，进入重力沉降分离器进行分离;
(5)将步骤(4)中经重力沉降分离后的上层清液，送入微滤膜单元，以去除微量的悬浮物，微滤膜单元的产水并入RO浓水pH调节池，进行深度处理;
(6)将步骤(4)中的重力沉降后的富含大量悬浮物的废水，送入离心分离器进行固液分离，将分离后的母液送至喷雾干燥单元进行干化处理。
2.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，所述经双膜处理后的反渗透浓水的水质特征为：pH为7.0～8.5，色度30～60倍，浓水电导5000～7000μs/cm，COD200～400mg/L，TOC50～100mg/L，以碳酸钙计硬度1000～1500mg/L，以碳酸钙计甲基橙碱度1200～1600mg/L，Cl-600～1000mg/L，NH4+-N60～150mg/L，SO42-600～1200mg/L，总铁0.2～0.5mg/L。
3.根据权利要求1所述的城市污水 回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(1)中的反渗透浓水pH调节为6.5～7.5。
4.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述加热温度为60～85℃。
5.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(2)中的疏水性膜组件采用中空纤维式组件、板框式组件或卷式组件。
6.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(2)中的疏水性膜材料为聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯或聚四氟乙烯;疏水性膜的孔径范围为0.1～0.5μm。
7.根据权利要求6所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，疏水性膜的孔径范围为0.15～0.2μm。
8.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(2)中疏水性膜组件的放置形式采用直立方式或倾斜角度为5～60°的平放方式。
9.根据权利要求8所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，所述平放方式的倾斜角度为15～30°。
10.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述给水压力为0.015～0.025MPa，所述膜面流速为0.7～0.9m/s。
11.根据权利要求5所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，单个中空纤维式组件的长度为50～150cm，单个中空纤维式组件的装填系数为30～70%。
12.根据权利要求11所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，单个中空纤维式组件的长度为80～100cm，单个中空纤维式组件的装填系数为40～60%。
13.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(3)中疏水性膜组件渗透侧的真空度为0.06～0.1MPa。
14.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(3)中疏水性膜组件膜的通量为10～40L/m2·h。
15.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(4)中所述浓缩倍数为15～35倍。
16.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(4)中所述膜蒸馏浓水的pH调节为8.5～9.0。
17.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(4)中重力沉降分离器的停留时间为15～120min。
18.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(5)中的微滤膜单元膜组件的有机膜材料采用聚砜类、聚烯烃类或聚偏氟乙烯类中的一种或多种，膜孔径为0.1～0.3μm。
19.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(5)中的微滤膜单元膜组件的自动运行过程中可实现分散洗、加强洗和浸泡洗的周期性操作，其中分散洗可实现两端交替进水，进水周期分别为15～30分钟;反冲洗时间为60～120秒;微滤膜单元的运行通量为85～180L/m2h。
20.根据权利要求1所述的城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，其特征在于，步骤(6)中的喷雾干燥单元，干燥室入口温度为200～250℃，干燥室出口温度为90～100℃。
说明书
一种城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法
技术领域
本发明涉及一种反渗透浓水的处理方法，特别是将城市污水作为第二水源采用膜技术进行深度处理工程中产生的少量浓水的处理方法，即采用膜蒸馏技术进行城市污水深度回用工艺中反渗透浓水的方法，更具体地说，涉及一种利用真空膜蒸馏技术处理城市污水的反渗透浓水的方法。属于城市污水的深度处理技术领域。
背景技术
水资源短缺是21世纪人类面临的最为严峻的资源问题之一。全世界只有1/4人口饮用到符合标准的清水，1/3人口得不到安全用水，缺水的形势日趋严重。面对日益严峻的水资源短缺问题，全世界都在积极地探索新途径以获取足够的淡水资源。跨流域调水、海水淡化、污水回用和雨水蓄用是目前普遍受到重视的开源措施，它们在一定程度上都能缓解水资源供需矛盾，然而中水回用经常被作为首选方案，很重要的原因在于中水水源就近可得，水量稳定，不会发生与邻相争，不受气候的影响。
随着我国社会经济的发展，水资源短缺问题日益突出。发展“污水处理回用”以实现“水资源的可持续利用”已被明确写入“国民经济和社会发展第十个五年计划纲要”中。城市中水回用既是节水治污的 一项有效的举措，同时又是水资源可持续性发展的功能性朝阳产业。近年来，水资源的紧缺已经成为困扰我国经济社会发展的突出问题。特别在人口众多的城市，一方面是水资源的高度紧张，另一方面是生产生活产生了大量的污水给生态环境造成严重威胁。将废水经达标处理和回用处理后回用于生产系统或生活杂用被称为污水回用。污水回用的范围很广，从工业上的重复利用水体的补给水和生活用水。污水回用既可以有效地节约和利用有限的和宝贵的淡水资源，又可以减少污水或废水的排放量，减轻水环境的污染，还可以缓解城市排水管道的超负荷现象，具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。市政污水是城市和建制镇排入城市排水系统的水的统称，包括生活污水、生产废水和在合流制排水系统中截流的雨水。市政污水的量一般较大，可达每日万吨级以上。经处理后一般达到国家一级或二级排放标准，排入河道或海洋。城市污水对于缓解缺水城市水资源短缺，降低城市水源污染具有重要意义。
2010年全国城市排水量将达到600×108m3,全国设市城市的污水平均处理率不低于50%，重点城市污水回用处理率70%。这就给污水回用创造了基本条件。全国污水回用率如果平均达到20%，年回用量可达40×108m3，是正常年份年缺水60×108m3的67%，即通过污水回用，可解决全国城市缺水量的一多半，回用规模及回用潜力之大，足可以缓解一大批缺水城市的供水紧张状况。
目前市政污水回用，大部分是作为中水回用于景观水，或工业冷却循环水。在很多地区，由于污水中含盐量高或有机物、悬浮含量高，达标污水经过简单回用处理仍然无法满足回用水质要求，如循环水补水、锅炉补水的水质要求。此时需要对达标污水进行进一步深度处理。在污水的深度处理技术中，超滤反渗透双膜技术是目前最为经济可行的方法。双膜技术是将超滤/微滤(UF/MF)技术和反渗透(RO)技术相结合在一起的工艺。其中，反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小，仅为1nm左右，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，去除率高达97～99%。反渗透膜系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点，但由于双膜系统属于物理过滤过程，在污水回用过程中由于回收率的限制，通常情况下回收率为60～80%，总会有20～40%的反渗透浓水因浓缩含有较原水高的含盐量和污染物而不能得到有效处置。中国专利CN102408165A公开了一种达标市政污水的深度处理方法。该专利所述的达标市政污水深度处理工艺包括絮凝沉淀、杀菌、碟片过滤、浸没式超滤、反渗透几个步骤。反渗透产水水质达到回用要求。反渗透浓水与其他大量达标污水勾兑后排放或进一步处理达到排放标准。该专利技术虽然提到了反渗透浓水的排放方式，因勾兑排放仅属于较为简单的处理方式，实际过程中未能对浓水中的主要污染物如总溶解固体、有机物含量等的消减。
中国专利ZL201010517699.0公开了一种城市中水的处理方法，特别涉及一种城市中水用于电厂冷却用水的深度处理方法。该发明的电厂用城市中水深度处理方法，采用以下步骤：曝气处理，过滤;加入消石灰、混凝剂聚合硫酸铁和高效助凝剂;加入杀菌剂进行杀菌;加入复合阻垢缓蚀剂，混合均匀后，加入至电厂循环用水。该发明专利仅对城市中水采用较为简单的处理工艺进行适度处理，并未涉及相关膜工艺技术。
中国专利CN102180552A公开了一种城市污水回用于循环冷却水和电厂锅炉给水的方法，包括如下步骤：城市污水处理厂经二级生化处理后符合排放标准的外排污水进入移动床生物膜反应器，在移动床生物膜反应器中对BOD和氨氮进行降解，经移动床生物膜反应器处理后的水引入快速混合池，在快速混合池中与混凝剂快速混合，与混凝剂快速混合的水进入絮凝池，絮凝处理后的水进入气浮滤池，进行溶气气浮和多介质过滤处理，经过溶气气浮和多介质过滤处理后的水进入到超滤膜，并进行膜的粗分离，将经过膜的粗分离的水引入一级反渗透设备中进行一次膜分离，将经过一次膜分离处理后的水引入二级反渗透设备中进行二次膜分离处理并将处理后的水为锅炉给水提供。该发明专利针对二级生化处理后达标外排城市污水再次采用生化的方法进行超滤和反渗透膜工艺技术的预处理，一来经二级生化处理后的污水本身已基本不具有可生化性，再次进行生化预处理不仅提高了投资运行成本，且为后续膜工艺的运行带来不良结果，二来该专利并未对反渗透工艺浓水的处理进行界定。
中国专利CN101209886公开了一种采用膜生物反应器与反渗透联用的城市污水深度处理回用工艺。是以城市污水经过污水厂处理后 的二级出水为原水，或将城市污水经过处理达到二级出水后的水为原水，进入膜生物反应器MBR系统进行生化预处理，去除水中的BOD、COD、SS、氨氮，使处理后的水达到反渗透进水水质要求，再经过反渗透系统进一步深度脱盐处理，即可得到所需的回用水。该专利仅从污水深度回用角度进行了限定，并未对回用工艺过程中产生的反渗透浓水的处理方式进行限定。
中国专利CN1796314公开了一种城市污水深度处理的方法，该方法包括采用混凝过滤、臭氧氧化、生物氧化，来对城市污水进行深度处理，以去除城市污水二级出水中残余的难降解微量有机物、细菌、病毒等，脱色除嗅，达到安全回用之目的。该专利并未涉及相关膜工艺技术以城市污水为水源进行深度回用。
现有针对城市达标外排污水深度处理回用的相关专利大部分采用生化、预处理及双膜工艺相结合的方式进行处理后回用技术。上述发明专利采用不同工艺对达标城市污水进行了适度回用和深度回用的限定，如循环冷却水和锅炉补水，但对该工艺反渗透浓水的处理技术并未进行界定。CN102408165A中虽然涉及到了反渗透浓水的达标排放方式，即反渗透浓水与其他大量达标污水勾兑后排放或进一步处理达到排放标准，但其只提到了将反渗透浓水与其他大量达标污水勾兑后排放或进一步处理达到排放标准，仅仅对反渗透浓水的达标排放给出了建议，而针对上述反渗透浓水如何作深度处理的技术方法则并未进行限定和详细报道。
发明内容
本发明公开了一种城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，旨在针对现有技术的不足，提供一种达标城市污水采用双膜技术处理后剩余的反渗透浓水深度处理方法。该处理方法主要目的是进一步处理反渗透单元产生的少量反渗透浓水，进一步去除反渗透浓水中的有机物、无机盐等，提高城市污水的利用率，最大限度降低废水排放量，充分利用废水余热，最大限度的回收水资源和热能。
本发明是采用如下的技术方案实现的：本发明所述的城市污水经双膜处理后的反渗透浓水水质主要特征为：pH为7.0～8.5，色度30～60倍，浓水电导5000～7000μs/cm，COD200～400mg/L，TOC50～100mg/L，以碳酸钙计硬度1000～1500mg/L，以碳酸钙计甲基橙碱度1200～1600mg/L，Cl-600～1000mg/L，NH4+-N60～150mg/L，SO42-600～1200mg/L，总铁0.2～0.5mg/L。
一种城市污水回用过程中反渗透浓水的处理方法，包括以下步骤：
(1)城市污水经双膜处理后的反渗透浓水，进入RO浓水pH调节池，调节pH并采用加热或换热的方式加热到一定温度;
(2)将步骤(1)中加热后的反渗透浓水，经原水泵，输送至疏水性膜组件中，疏水性膜组件具有特定放置形式，该过程中，可通过泵后旁路阀和浓水阀门，调节疏水性膜组件料液侧给水压力及料液侧膜面流速;
(3)在步骤(2)中疏水性膜组件渗透侧，采用抽真空的方式将渗透后的蒸汽经冷凝形成膜蒸馏产水，该产水可直接回用或与反渗透产水混合后回用;
(4)采用部分浓水循环的方式使得步骤(3)中的产生的浓水浓缩，达到一定的浓缩倍数，将接近饱和或过饱和的浓水送入加碱pH调节单元，调节至合适pH后，进入重力沉降分离器进行分离;
(5)将步骤(4)中经重力沉降分离后的上层清液，经进料泵，送入微滤膜单元，以去除微量的悬浮物，微滤膜单元的产水并入RO浓水pH调节池，进行深度处理;
(6)将步骤(4)中的重力沉降后的富含大量悬浮物的废水，送入离心分离器进行固液分离，将分离后的母液送至喷雾干燥单元进行干化处理。这样即可实现城市污水经双膜处理后的反渗透浓水的“零排放”。本发明的主要技术特征包括以下内容：
步骤(1)中的反渗透浓水pH调节为pH6～8，优选pH为6.5～7.5。
步骤(1)中加酸用于调节反渗透浓水pH，可采用硫酸、盐酸、草酸等强酸和中强酸，其中各类酸的浓度不受限制。
步骤(1)中对反渗透浓水的加热方式为直接加热或换热，可以采用废蒸汽热、电加热、工业废热或太阳能等为热源，或这些热源的组合;加热温度为40～90℃，优选为60～85℃。
步骤(2)中的疏水性膜组件可采用中空纤维式组件、板框式组件或卷式组件。
步骤(2)中的疏水性膜材料为聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯、聚四氟乙烯的有机高分子材料;疏水性膜的孔径范围为0.1～0.5μm，最优为0.15～0.2μm。
步骤(2)中疏水性膜组件的特定放置形式，可采用直立方式或具有一定倾斜角度的平放方式;平放方式情况下的倾斜角度为5～60°，
优选的倾斜角度为15～30°。步骤(2)中疏水性膜组件的料液侧给水压力为0.005～0.03MPa，
优选的给水压力为0.015～0.025MPa;膜面流速0.6～1.0m/s，优选为0.7～0.9m/s。
步骤(2)中的反渗透浓水进入疏水性中空纤维膜组件的形式可采用内压或外压的方式。
步骤(2)中单个中空纤维膜组件的长度为50～150cm，优选为80～100cm;单个中空纤维膜组件的装填系数为30～70%，优选为40～60%。
步骤(3)中疏水性膜组件渗透侧的真空度为0.06～0.1MPa，优选为0.08～0.098MPa。
步骤(3)中疏水性膜组件膜的通量为10～40L/m2·h，优选为15～35L/m2·h。步骤(3)中渗透液的冷凝方式可采用间接的水冷、风冷或可循环的冷冻介质形式。
步骤(3)中的渗透后的蒸汽，可用于与反渗透浓水换热的方式进行热量交换，实现汽化潜热的有效利用。
步骤(4)中反渗透浓水的浓缩倍数为10～40倍，优选15～35倍。
步骤(4)中膜蒸馏浓水的pH调节为8～9.5，优选pH为8.5～9.0。
步骤(4)中在重力沉降分离器的停留时间为15～120min，优选为30～90min。
步骤(5)中的微滤膜单元，包括压力式或浸没式微滤膜过滤，膜组件的形式可采用下列中的一种或多种：中空纤维膜组件、管式膜组件或帘式膜组件，最优为中空纤维膜组件或管式膜组件;
步骤(5)中的微滤膜单元膜组件的有机膜材料采用聚砜类、聚烯烃类或聚偏氟乙烯类中的一种或多种;优选聚偏氟乙烯、聚醚砜或聚丙烯;膜孔径为0.1～0.3μm，最优为0.15～0.25μm;
步骤(5)中的微滤膜单元膜组件的运行方式为错流过滤或死端过滤工艺，其中死端过滤工艺能实现两端间隔进水，最优为错流工艺;步骤(5)中的微滤膜单元膜组件的自动运行过程中可实现分散洗、加强洗和浸泡洗的周期性操作，其中分散洗可实现两端交替进水，进水周期分别为15～30分钟，最优为20～25分钟;反冲洗时间为60～120秒;微滤膜单元运行过程中的运行通量为85～180L/m2h，最优为120～150L/m2h;
步骤(5)中的微滤膜单元，微滤膜清洗方式可选择下述方式的一种或几种：在线洗、离线洗或汽水混合洗，最优为汽水混合洗;过滤系统膜的加强洗和浸泡洗过程中的酸洗可选用下述酸中的一种或几种，所述的酸包括HCl、草酸、柠檬酸、硝酸、硫酸及其与EDTA的复配清洗剂的酸清洗;
步骤(6)中的喷雾干燥单元操作，干燥室入口温度为200～250℃，干燥室出口温度为90～100℃。
本发明与现有技术的实质性区别在于，本发明涉及一种城市污水经双膜处理后的反渗透浓水的深度处理方法。本发明旨在针对达标外排城市污水经双膜处理后的反渗透浓水进行进一步深度处理和回用，以最大限度的回收水资源，降低废水排放量，提高废热利用效率。虽然在背景技术中公开专利CN102408165A中提到了将反渗透浓水与其他大量达标污水勾兑后排放或进一步处理达到排放标准，但其仅对反渗透浓水的达标排放给出了建议，针对上述反渗透浓水的深度处理技术却并未进行限定和详细报道。与本发明中涉及的城市污水经双膜技术处理后的反渗透浓水处理工艺技术具有实质性区别。
本发明可以产生如下的有益效果：
1、由于城市达标外排污水经双膜工艺处理后的反渗透浓水含盐量很高，电导相对较高一般5000～7000μs/cm，并且还含有少量的小分子有机物，COD为200～400mg/L，因此，可充分利用膜蒸馏系统的高脱盐率、高有机物去除率优势，对废水进行高度浓缩处理;
2、采用本发明的方法，可基本上解决城市达标外排污水经双膜工艺处理后的反渗透浓水排放困难或稀释达标排放的实际问题，并实现了达标城市污水的高度回收利用，最大限度回收了水资源，组合预处理和双膜技术可实现城市达标污水的“零排放”。
3、采用本发明所述工艺处理城市达标外排污水经双膜工艺处理后的反渗透浓水，膜蒸馏产水电导≤30μS/cm，产水TOC≤10mg/L，水回收率高于90%，膜蒸馏产水可回用于生产工艺用水，高度实现了废水的资源化利用。
本发明方法解决了城市污水经双膜处理回用过程中产生的反渗透浓水无法达标排放的问题，可将城市污水经双膜处理后的反渗透浓水处理后实现“零排放”。采用本发明所述的工艺可以对城市污水经双膜工艺处理后的反渗透浓水深度处理后直接回用，同时通过膜蒸馏过程产生的蒸汽潜热与工业低品位热源，有效的利用和节约了能源及运行成本，本发明工艺具有技术先进、出水水质好、处理效率高、水资源回收率高、废水热量利用率高等优点。