申请日2019.09.11
公开(公告)日2019.11.22
IPC分类号C02F9/10
摘要
本发明涉及含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法。所述系统包括预处理模块、反渗透浓缩模块、膜蒸馏浓缩模块及双极膜电渗析模块;所述预处理模块包括至少一级纳滤单元;所述反渗透浓缩模块包括多级反渗透浓缩单元;所述膜蒸馏浓缩模块包括多级膜蒸馏浓缩单元;所述双极膜电渗析模块包括多级双极膜电渗析单元;所述反渗透浓缩单元位于所述纳滤单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游;所述膜蒸馏浓缩单元位于所述反渗透浓缩单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游。所述系统和方法为低含盐废水的资源化和零排放提供了高效低耗的途径，分盐效率高，浓缩酸碱的浓度高，降低了运行成本，具有较高的经济价值。
权利要求书
1.含盐废水的资源化耦合集成系统，其特征在于，所述系统包括预处理模块、反渗透浓缩模块、膜蒸馏浓缩模块及双极膜电渗析模块;
所述预处理模块包括至少一级纳滤单元;
所述反渗透浓缩模块包括至少一级反渗透浓缩单元;所述膜蒸馏浓缩模块包括至少一级膜蒸馏浓缩单元;所述双极膜电渗析模块包括至少一级双极膜电渗析单元;
所述反渗透浓缩单元位于所述纳滤单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游;
所述膜蒸馏浓缩单元位于所述反渗透浓缩单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纳滤单元包括进液口、纳滤膜组件、单价盐出液口和多价盐出液口;
优选地，所述纳滤膜组件的膜材料选自聚酰胺复合材料、聚亚酰胺复合材料中的至少一种，更优选聚酰胺复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述纳滤单元包括第一纳滤单元和第二纳滤单元，在所述第一纳滤单元和所述第二纳滤单元之间设置单价盐水平衡罐和多价盐水平衡罐;
优选地，所述第一纳滤单元的进液口通过输送泵与外部的含盐废水储罐相连;所述第一纳滤单元的单价盐出液口与单价盐水平衡罐相连;所述第一纳滤单元的多价盐出液口与多价盐水平衡罐相连;
所述第二纳滤单元的进液口与所述多价盐水平衡罐相连;所述第二纳滤单元的单价盐出液口与单价盐水平衡罐相连;所述第二纳滤单元的多价盐出液口与多价盐水平衡罐相连。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述反渗透浓缩单元包括进液口、反渗透膜组件、能量回收器、浓水口和产水口;
优选地，所述反渗透膜组件选自卷式或碟盘式;
优选地，在所述第一纳滤单元和/或所述第二纳滤单元的下游设置第一反渗透浓缩单元;
所述第一反渗透浓缩单元的进液口与所述单价盐水平衡罐和/或所述多价盐水平衡罐相连;所述第一反渗透浓缩单元的浓水口与浓水平衡罐相连;所述第一反渗透浓缩单元的产水口与所述第一纳滤单元和第二纳滤单元之间的多价盐水平衡罐相连。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述膜蒸馏浓缩单元包括多效膜蒸馏设备;所述多效膜蒸馏设备包括进液口、换热器、膜蒸馏组件、浓水口及产水口;
优选地，所述膜蒸馏组件选自板式、卷式、中空纤维式或耦合式;
优选地，所述多效膜蒸馏设备的膜蒸馏过程为气隙膜蒸馏和/或真空多效膜蒸馏，优选气隙真空多效膜蒸馏;
优选地，所述多效膜蒸馏设备的膜材料选自疏水性材料;进一步优选地，所述疏水性材料选自聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或它们各自的改性材料或共混合金材料中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述第一反渗透浓缩单元的下游设置第一膜蒸馏浓缩单元;
所述第一膜蒸馏浓缩单元的进液口和浓水口均与所述浓水平衡罐相连;
所述多效膜蒸馏设备的产水口与产水平衡罐相连。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，多级所述双极膜电渗析单元之间串联和/或并联;
所述双极膜电渗析单元包括双极膜电渗析装置;所述双极膜电渗析装置包括进液口、电渗析膜堆、碱液出口、酸液出口、盐水出口;
优选地，所述电渗析膜堆包括双极膜、阴离子交换膜及阳离子交换膜;
优选地，所述双极膜电渗析装置的进液口与所述浓水平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的酸液出口与酸液平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的碱液出口与碱液平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的盐水出口与盐水平衡罐相连。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述双极膜电渗析单元的下游设置第二膜蒸馏浓缩单元;
所述第二膜蒸馏浓缩单元的进液口与所述酸液平衡罐或所述碱液平衡罐相连相连;所述第二膜蒸馏浓缩单元的浓水口与外部酸液收集罐或碱液收集罐相连;所述第二膜蒸馏浓缩单元的产水口与外部产水收集罐相连。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述双极膜电渗析单元的下游设置第二反渗透浓缩单元;
所述第二反渗透浓缩单元的进液口与所述盐水平衡罐相连;所述第二反渗透浓缩单元的浓水口与所述浓水平衡罐相连;所述第二反渗透浓缩单元的产水口与所述产水平衡罐相连。
10.含盐废水的资源化方法，其特征在于，所述方法包括：
将分盐处理后的所述含盐废水进行浓缩、双极膜电渗析处理;
所述浓缩包括反渗透浓缩和膜蒸馏浓缩;
优选地，所述方法采用权利要求1至9任一项所述的含盐废水的资源化耦合集成系统进行;
所述纳滤单元的纳滤膜组件的操作压力为0.5MPa～2MPa;
所述反渗透浓缩单元的反渗透膜组件的操作压力为2MPa～10MPa;
所述膜蒸馏浓缩单元的操作温度为40℃～100℃，优选为60℃～80℃;经过所述膜蒸馏浓缩单元浓缩获得的浓水的浓度大于15wt.%，产水TDS小于40ppm;
所述双极膜电渗析单元的直流电场的操作电流密度为100A/m2～1000A/m2。
说明书
含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法
技术领域
本发明涉及废水处理、资源化领域，具体而言，涉及含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法。
背景技术
在诸多工业生产活动中，均会产生大量浓度低于4%的单盐或混盐废水，比如氯化钠、硫酸钠、硫酸锂等。目前，处理这类含盐废水的一般方法大多为浓缩分盐或混盐结晶，获得的结晶盐除了硫酸锂外，其他盐的经济价值都偏低，甚至作为固体危废处理。上述处理过程虽然能够做到液体零排放处理，但所得的混盐或单盐结晶利用价值很低，无法降低零排放成本。
双极膜电渗析能够利用盐溶液制备酸和碱，提高盐的利用价值，但如果进水盐浓度低，耗电量会增大;产生的酸碱浓度也低于8%，需要进一步浓缩提高产品价值。现有的浓缩技术，比如多效蒸发和MVR都有腐蚀和能耗高的问题。
因此，提供适合低含盐量废水的高效低耗、单价盐与多价盐有效分离的资源化系统和方法，十分具有现实意义和经济效益。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供含盐废水的资源化耦合集成系统，所述系统基于纳滤、反渗透、膜蒸馏与双极膜电渗析的优化集成，为低含盐废水的资源化提供了高效、低成本的途径，具有较高的经济价值。
本发明的第二目的在于提供含盐废水的资源化方法，所述方法高效低耗，分盐效率高，浓缩酸碱的浓度高，最大限度提高了整体盐水资源化，降低了运行成本。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
含盐废水的资源化耦合集成系统，其包括预处理模块、反渗透浓缩模块、膜蒸馏浓缩模块及双极膜电渗析模块;
所述预处理模块包括至少一级纳滤单元;
所述反渗透浓缩模块包括至少一级反渗透浓缩单元;所述膜蒸馏浓缩模块包括至少一级膜蒸馏浓缩单元;所述双极膜电渗析模块包括至少一级双极膜电渗析单元;
所述反渗透浓缩单元位于所述纳滤单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游;
所述膜蒸馏浓缩单元位于所述反渗透浓缩单元和/或所述双极膜电渗析单元的下游。
可选地，所述纳滤单元包括进液口、纳滤膜组件、单价盐出液口和多价盐出液口。
可选地，所述纳滤膜组件的膜材料选自聚酰胺复合材料、聚亚酰胺复合材料中的至少一种。
可选地，所述纳滤膜组件的膜材料为聚酰胺复合材料。
可选地，所述纳滤膜组件的操作压力为0.5MPa～2MPa。
可选地，所述纳滤单元包括第一纳滤单元和第二纳滤单元，在所述第一纳滤单元和所述第二纳滤单元之间设置单价盐水平衡罐和多价盐水平衡罐。
可选地，所述第一纳滤单元的进液口通过输送泵与外部的含盐废水储罐相连;所述第一纳滤单元的单价盐出液口与单价盐水平衡罐相连;所述第一纳滤单元的多价盐出液口与多价盐水平衡罐相连;
所述第二纳滤单元的进液口与所述第一纳滤单元的多价盐水平衡罐相连;所述第二纳滤单元的单价盐出液口与单价盐水平衡罐相连;所述第二纳滤单元的多价盐出液口与多价盐水平衡罐相连。
本发明中，纳滤单元主要实现分盐、除杂盐等目的。
可选地，所述反渗透浓缩单元包括进液口、反渗透膜组件、能量回收器、浓水口和产水口。
可选地，所述反渗透膜组件选自卷式或碟盘式。
可选地，所述反渗透膜组件的操作压力为2MPa～10MPa。
可选地，在所述第一纳滤单元和/或所述第二纳滤单元的下游设置第一反渗透浓缩单元。
可选地，所述第一反渗透浓缩单元包括海水淡化反渗透膜设备。
可选地，所述第一反渗透浓缩单元的进液口与所述多价盐水平衡罐相连;所述第一反渗透浓缩单元的浓水口与浓水平衡罐相连;所述第一反渗透浓缩单元的产水口与所述第一纳滤单元和第二纳滤单元之间的多价盐水平衡罐相连。
所述能量回收器用于回收所述反渗透浓缩单元浓水所带的能量。
所述第一反渗透浓缩单元的主要作用在于，实现低盐含量的淡盐水的预浓缩或初步浓缩。所述第一反渗透浓缩单元可以独立地设置多个，设置方式可以选择互相串联和/或并联。
可选地，所述膜蒸馏浓缩单元包括多效膜蒸馏设备;所述多效膜蒸馏设备包括进液口、换热器、膜蒸馏组件、浓水口及产水口。
可选地，所述膜蒸馏组件选自板式、卷式、中空纤维式或耦合式。
可选地，所述膜蒸馏浓缩单元的操作温度为40℃～100℃，优选操作温度为60℃～80℃;经过所述膜蒸馏浓缩单元浓缩获得的浓水的浓度大于15wt.%，产水TDS小于40ppm。
所述膜蒸馏浓缩单元工作时，可以采用70～150℃的余热或低品热源加热，如低品蒸汽、空压机、冷冻机等设备运行产生的余热、烟气废热、冷却水等工艺废热，或与太阳能设备耦合进行加热，外部热源通过换热器与设备相接。
可选地，所述多效膜蒸馏设备的膜蒸馏过程为气隙膜蒸馏和/或真空多效膜蒸馏，优选气隙真空多效膜蒸馏。
可选地，所述多效膜蒸馏设备的膜材料选自疏水性材料。
可选地，所述疏水性材料选自聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或它们各自的改性材料或共混合金材料中的至少一种。
可选地，在所述第一反渗透浓缩单元的下游设置第一膜蒸馏浓缩单元;所述第一膜蒸馏浓缩单元的进液口和浓水口均与所述浓水平衡罐相连;所述多效膜蒸馏设备的产水口与产水平衡罐相连。
所述第一膜蒸馏浓缩单元可以独立地设置多个，设置方式可以选择互相串联和/或并联。
所述第一膜蒸馏浓缩单元的主要作用在于，对经过第一反渗透浓缩单元初步浓缩得到的浓缩盐水进行进一步浓缩，将盐水浓度浓缩至15%以上，将产水TDS降至40ppm以下。
可选地，当设置多级所述双极膜电渗析单元时，多级所述双极膜电渗析单元之间串联和/或并联。
可选地，所述双极膜电渗析单元包括双极膜电渗析装置;所述双极膜电渗析装置包括进液口、电渗析膜堆、碱液出口、酸液出口、盐水出口。
可选地，所述电渗析膜堆包括双极膜、阴离子交换膜及阳离子交换膜。
可选地，所述双极膜、所述阴离子交换膜及所述阳离子交换膜均为均相膜。
可选地，所述双极膜电渗析装置的进液口与所述浓水平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的酸液出口与酸液平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的碱液出口与碱液平衡罐相连;所述双极膜电渗析装置的盐水出口与盐水平衡罐相连。
可选地，所述双极膜电渗析单元的直流电场的操作电流密度为100A/m2～1000A/m2。
所述双极膜电渗析单元的作用主要在于，在上游的浓缩液的基础上，实现酸、碱的制备、分离与收集，上游盐水制酸碱后的浓度降至2%以下，所排出的出水中酸、碱的浓度最高可达8%。
可选地，在所述双极膜电渗析单元的下游设置第二膜蒸馏浓缩单元;所述第二膜蒸馏浓缩单元的进液口与所述酸液平衡罐或所述碱液平衡罐相连相连;所述第二膜蒸馏浓缩单元的浓水口与外部酸液收集罐或碱液收集罐相连;所述第二膜蒸馏浓缩单元的产水口与外部产水收集罐相连。
所述第二膜蒸馏浓缩单元可以独立地设置多个，设置方式可以选择互相串联和/或并联。
所述第二膜蒸馏浓缩单元的主要作用在于，进一步将上游制备、分离、收集到的酸、碱进行浓缩，使得浓缩酸浓度大于15%，不挥发酸可达40%;浓缩碱浓度可达40%;产水TDS小于40ppm，如果是浓缩盐酸，产水盐酸浓度低于1%。
可选地，在所述双极膜电渗析单元的下游设置第二反渗透浓缩单元;所述第二反渗透浓缩单元的进液口与所述盐水平衡罐相连;所述第二反渗透浓缩单元的浓水口与所述浓水平衡罐相连;所述第二反渗透浓缩单元的产水口与所述产水平衡罐相连。
所述第二反渗透浓缩单元可以独立地设置多个，设置方式可以选择互相串联和/或并联。
所述第二反渗透浓缩单元的主要作用在于，进一步将双极膜电渗析单元产生的低浓度盐水进行浓缩，从而实现回用、不外排的目的。
本发明中，盐水、淡盐水或低盐含量盐水中的盐分包括但不限于氯化钠、硫酸钠、硫酸锂、氯化锂。
本发明中，各功能模块还可以包括用于辅助完成物料传输的组件，例如“泵”。具体地，例如，纳滤单元和反渗透浓缩单元还可以独立地包括“高压泵”，膜蒸馏浓缩单元还可以包括真空泵和循环泵，各平衡罐之间也可以通过循环泵和/或输送泵实现物料传输。
根据本发明的另一目的，提供了含盐废水资源化方法，其包括：
将经过预处理模块预处理后的所述含盐废水导入反渗透浓缩模块、膜蒸馏浓缩模块及双极膜电渗析模块进行处理。
可选地，所述方法采用上述任一含盐废水资源化耦合集成系统进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法，基于纳滤、反渗透、膜蒸馏与双极膜电渗析的优化集成，为低含盐废水的资源化和零排放提供了高效、低成本的途径，具有较高的经济价值。
(2)本发明提供的含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法，多段纳滤单元的分盐率高，能够实现混盐的高效分离，提高了回收盐的利用价值。
(3)本发明提供的含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法，充分利用多效膜蒸馏可以用余热或低品热驱动且在低温下运行，具有热能多次利用的多效设计，降低了运行成本。
(4)根据本发明提供的含盐废水的资源化耦合集成系统和资源化方法，将膜蒸馏浓缩单元与双极膜电渗析单元相结合，在降低运行成本的同时高效地实现了酸、碱的制备、分离及浓缩，制备得到的酸、碱的浓度高、利用价值提高。（发明人高永钢;史志伟;李心仪）