一种苦咸水淡化过程中抑制膜元件结垢的方法

摘要

本发明公开了一种苦咸水淡化过程中抑制膜元件结垢的方法，本发明的技术方案要点为：通过自适性非原位无机垢监测装置和结垢预测装置分别监测末段膜壳内浓水侧膜元件膜面处达到临界结垢条件和预测到末段浓水侧膜元件膜面处出现无机结垢现象，实现进水流体的逆转，破坏膜元件表面形成的浓度边界层，进而抑制膜元件的表面结垢，最大限度增加产水的回收率。

说明书

技术领域

本发明属于苦咸水淡化技术领域，具体涉及一种苦咸水淡化过程中抑制膜元件结垢的方法。

背景技术

淡水资源的获取是人类面临的一个重大环境和生存课题，各国都很重视对这方面的技术研发和投入。全球水平衡中，地下苦咸水含量占地下水资源量的一半以上，这类非常规水资源越来越被认为在不久的将来，是一种潜在重要的且可供替代的饮用水水源。常见的苦咸水淡化工艺包括：反渗透、纳滤、正渗透和电渗析，这些膜分离过程以操作压力梯度作为驱动力，不伴随大量热能的变化，具有节能、可连续操作和便于自动化等特点，因此受到越来越多的青睐。目前，工业应用领域中以苦咸水反渗透淡化技术最为常见。

通常在反渗透苦咸水淡化过程中，膜元件易受到给水中某些污染物的污染而导致分离性能下降和操作成本提高。苦咸水多取自地下深井，经过多介质的过滤作用（砂质、粘土和岩石等），给水中的许多颗粒物质和一些有机物被除去，而且随着膜法预处理技术的进步，胶体、悬浮固体和大部分的微生物能够被超滤膜较有效地去除，有机物特别是大分子有机物能够被超滤膜大部分截留。另外，海水中总溶解固体含盐量中主要由一价Na⁺和Cl^?构成，而苦咸水总溶解固溶体含盐量中通常是由二价成垢离子Ca²⁺、CO₃^2?和SO₄^2?构成。在反渗透苦咸水淡化工艺中，溶解性无机盐的浓缩因子一般在4-10之间。因此，反渗透苦咸水淡化过程中最可能遇到的困扰是膜面无机结垢，而无机结垢是影响膜法苦咸水淡化产水回收率和淡化成本的最主要因素。因此，研发苦咸水淡化过程中增加产水回收率和抑制膜面无机结垢的新工艺，对于大幅度降低产水成本具有重要的意义。

公开号为US 5690829的专利公开了一种逆流工艺，用于清洗膜面的尘埃微粒。采用逆流操作后，尘埃微粒堆积最严重的末段膜组件的出水断面得到原水的物理冲洗作用后，前置于膜分离组件的常规预处理装置可以免除，从而减少了系统工艺流程的占地面积和造水成本。该技术的缺点是没有考虑到进水成分的复杂性和不同污染物在膜面的特定污染成因，同时也没有考虑到清洗膜面尘埃微粒和启动逆流工艺的精确临界条件。公开号为CN 101053776A 的专利公开了一种阻垢剂存在下阻滞反渗透膜结垢的切换流向方法，将若干支膜壳串联起来构成反渗透单元。反渗透系统运行过程中，在小于膜结垢诱导期的时间间隔内，交替改变原水在膜单元内的流向，以此破坏膜表面建立起来的高浓度边界层，延长结垢诱导期，从而抑制反渗透膜结垢，通过监测计算最后一支膜壳的渗透系数，进而得到对膜结垢的阻滞程度。该技术的缺点是没有考虑到反渗透膜元件运行过程中浓差极化现象的绝对存在，忽略了膜元件两端本体溶液和膜面处的结垢趋势差异，并且以膜产水流量或渗透系数下降作为监测手段来表征反渗透膜结垢，混淆了包括无机污染、有机污染、微生物污染和胶体颗粒污染在内的膜污染和膜面无机结垢的概念，从而使计算结果缺乏严密的科学性。另外，添加阻垢剂的必选步骤增加了预处理工艺和环境污染成本。

公开号为CN 102294174A、CN 102712512A、CN 101754934A的专利分别公开了反渗透膜化学清洗方法，不同程度降低了膜结垢现象；用于改善膜过滤系统，特别是水或废水处理工艺中的渗透性和通量的方法以及组合物达到控制膜结垢的方法；膜生物反应器系统中调节各种过程变量用于控制膜过滤器结垢的方法。这些方法均为通过改变操作参数和增加化学清洗达到抑制反渗透膜面无机结垢的目的。

发明内容

本发明为解决现有膜法苦咸水淡化工艺中，增加产水回收率时突出面临的反渗透膜面结垢的问题而提供了一种苦咸水淡化过程中抑制膜元件结垢的方法。

本发明的技术方案为：一种苦咸水淡化过程中抑制膜元件结垢的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）苦咸水原水经过多介质过滤或膜法预处理后，达到产水水质SDI15≤3.0和浊度≤0.01NTU的要求后进入膜淡化装置进水箱；

（2）将3-12支膜壳串联起来构成多段反渗透组件，每支膜壳的进出口两端分别安装有止退环将膜元件固定于膜壳内，其中膜元件为反渗透膜或纳滤膜，多段反渗透组件呈锥形排列，多段反渗透组件的首尾段膜壳内的浓水分别通过阀门依次连接于反渗透高压泵、保安过滤器、增压泵和膜淡化装置进水箱，并且多段反渗透组件的首尾段膜壳内的浓水分别通过阀门汇入反渗透浓水排放通道，在该反渗透浓水排放通道上分别通过阀门连接有自适性非原位无机垢监测装置和结垢预测装置，其中自适性非原位无机垢监测装置由规格为7.5cm×2.5cm×2.7mm的板框式RO膜池组成；

（3）将多段反渗透组件中各支膜壳的渗透液管道连接起来，汇入膜法苦咸水淡化系统产水通道，并最终进入淡化水箱；

（4）运行系统，启动反渗透高压泵，原水在多段反渗透组件中按正向流动，即从第一支膜壳流入，从最后一支膜壳流出，渗透液进入淡化水箱，浓水用于预处理装置的物理冲洗；

（5）当自适性非原位无机垢监测装置和结垢预测装置分别监测到最后一支膜壳内浓水侧膜元件膜面处达到临界结垢条件和预测到末段浓水侧膜元件膜面处出现无机结垢时，启动进水流体逆转工艺，使原水在多段反渗透组件中改变流向按反向流动，即原水从最后一支膜壳流入，从第一支膜壳流出，渗透液进入淡化水箱，浓水用于预处理装置的物理冲洗，其中自适性非原位无机垢监测装置和结垢预测装置的实现过程分别为：每隔5分钟，采用扫描电镜-能量色散谱对板框式RO膜池中膜表面的无机晶体分别进行形貌、定性和定量分析，精确判断是否有膜面结垢出现，当启动周期性进水流体逆转工艺后，仍可通过板框式RO膜池对第一支膜壳内浓水侧膜面处的无机结垢实现自适性监测；每隔2分钟，依据板框式RO膜池进水成分计算成垢离子活度，结合浓差极化理论，预测浓水侧膜面处结垢出现与否，当浓水侧膜面处的朗格利尔指数LSI或斯蒂夫&戴维稳定指数S&DSI大于零时，或者基于Pitzer电解质溶液理论预测到浓水侧膜面处的难溶盐过饱和度指数SI大于1时，表明临界结垢条件出现；

（6）当进水流体逆转工艺运行至自适性非原位无机垢监测装置和结垢预测装置分别监测到第一支膜壳内浓水侧膜元件膜面处达到临界结垢条件和预测到末段浓水侧膜元件膜面处出现无机结垢时，再次启动周期性进水流体逆转工艺，破坏膜元件表面形成的浓度边界层，进而抑制膜元件的表面结垢，最大限度增加产水的回收率。

本发明所述的反渗透膜或纳滤膜为商用直径8英寸、4英寸或2.5英寸的膜元件，无机结垢的类型为反渗透膜或纳滤膜浓水侧或膜面上CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄、SrSO₄、Ca₃(PO₄)₂、金属氧化物或硅沉积物无机盐沉淀。

本发明所述的多段反渗透组件的操作温度为0-60℃。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：一是基于膜法苦咸水淡化过程中最易遇到的膜面无机结垢问题，通过采用自适性非原位无机垢监测和预测方法、深度耦合自适性进水流体逆转工艺，实现了系统产水回收率≥85%以上而无结垢风险，进一步降低了产水成本，使系统产水回收率比传统技术提高10%以上；二是通过周期性的改变多段反渗透组件内的进水流向，使膜元件结垢潜能最大处自适性暴露于呈远未饱和态的进水溶液环境中，促使可能已形成于末段浓水侧或膜面上的无机垢发生溶解；三是考虑到卷式反渗透膜元件或纳滤膜元件运行过程中的浓差极化现象和由此导致边界层两侧的本体溶液和膜面处的浓度差异，从而增加膜面结垢预测的科学性；四是以扫描电镜和能量色散谱作为检测方法来表征反渗透膜和纳滤膜的结垢现象，提高了膜元件膜面无机结垢监测的精确性；五是分别采用自适性非原位无机垢监测技术和基于高浓度电解质理论的膜浓水侧和膜面处无机垢的预测方法，进一步拓展了进水流体逆转工艺周期性启动的临界条件，最大程度上抑制了膜面无机结垢的潜能。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图面说明：1、膜淡化装置进水箱，2、增压泵，3、保安过滤器，4、反渗透高压泵，5、反渗透进水阀，6、多段反渗透组件，7、反渗透产水阀，8、反渗透浓水阀，9、末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀，10、结垢预测装置，11、末段膜元件膜面自适性非原位无机垢监测装置进水阀，12、自适性非原位无机垢监测装置，13、反渗透浓水排放阀，14、进水流体逆转模式反渗透进水阀，15、进水流体逆转模式反渗透浓水阀。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

结合附图1可知该装置主要由膜淡化装置进水箱1、增压泵2、保安过滤器3、反渗透高压泵4、反渗透进水阀5、多段反渗透组件6、反渗透产水阀7、反渗透浓水阀8、末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、结垢预测装置10、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11、自适性非原位无机垢监测装置12、反渗透浓水排放阀13、进水流体逆转模式反渗透进水阀14和进水流体逆转模式反渗透浓水阀15连接而成。上述工艺中，膜淡化装置进水箱1的出水口与增压泵2的进水口连接，增压泵2的出水口与保安过滤器3的进水口连接，保安过滤器3的出水口与反渗透高压泵4的进水口连接，反渗透高压泵4的出水口通过三通阀分别与反渗透进水阀5和进水流体逆转模式反渗透进水阀14的进水口连接，反渗透进水阀5的出水口与多段反渗透组件6的进水口连接，多段反渗透组件6的渗透液与反渗透产水阀7的进水口连接，多段反渗透组件6的浓水与反渗透浓水阀8进水口连接，反渗透浓水阀8的出水口通过四通阀分别与末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11和反渗透浓水排放阀13的进水口连接，末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9的出水口与结垢预测装置10的进水口连接，末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11的出水口与自适性非原位无机垢监测装置12的进水口连接，进水流体逆转模式反渗透浓水阀15的进水口与多段反渗透组件6的进水口连接，进水流体逆转模式反渗透浓水阀15的出水口通过四通阀分别与末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11和反渗透浓水排放阀13的进水口连接。当启动正常进水流体操作模式时，打开反渗透进水阀5、反渗透产水阀7、反渗透浓水阀8、末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11和反渗透浓水排放阀13，关闭进水流体逆转模式反渗透进水阀14和进水流体逆转模式反渗透浓水阀15，当启动进水流体逆转操作模式时，打开进水流体逆转模式反渗透进水阀14、反渗透产水阀7、进水流体逆转模式反渗透浓水阀15、末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11和反渗透浓水排放阀13，关闭反渗透进水阀5和反渗透浓水阀8。

实施例1

选择的苦咸水为含盐量为0.5-3.0g·L^?1的地下微咸水，具体步骤包括：启动增压泵2，把膜淡化装置进水箱1中的原水泵入保安过滤器3，保安滤器产水进入反渗透高压泵4，打开反渗透进水阀5，同时关闭进水流体逆转模式反渗透进水阀14，反渗透进水阀5的出水口与多段反渗透组件6的进水口连接，保持反渗透进水压力为4.5MPa，反渗透进水流量为1000L·h^-1不变，多段反渗透组件6对苦咸水中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2?、HCO₃^?、TDS和总硬度的截留率分别为99%、99.2%、99.4%、95%、99.2%和99.4%，反渗透单支膜壳内膜元件压降小于0.1MPa。打开反渗透产水阀7，收集多段反渗透组件6的产水，系统产水回收率≥88%，待后处理。前面一段反渗透浓水依次进入下一段反渗透组件，分别打开反渗透浓水阀8和反渗透浓水排放阀13，通过排放阀的反渗透浓水用于进水预处理阶段膜元件的反冲洗用水；同时打开末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11，多段反渗透组件中末段的少量浓水分别进入结垢预测装置10和自适性非原位无机垢监测监测装置12。

依据浓水侧膜面处的朗格利尔指数或斯蒂夫&戴维稳定指数是否大于零，或基于Pitzer电解质溶液理论预测到浓水侧膜面处的难溶盐过饱和度指数是否大于1，当末段膜元件结垢预测装置10预测到浓水侧或膜面处出现无机结垢、或依据扫描电镜-能量色散谱对板框式RO膜池中膜表面的无机晶体分别进行形貌、定性和定量分析，精确判断是否有膜面结垢出现，当自适性非原位无机垢监测装置12检测到膜面处出现无机垢时，即启动进水流体逆转工艺，依次打开进水流体逆转模式反渗透进水阀14、反渗透产水阀7、进水流体逆转模式反渗透浓水阀15、末段膜元件膜面结垢预测装置进水阀9、末段膜元件自适性非原位无机垢检测装置进水阀11和反渗透浓水排放阀13，关闭反渗透进水阀5和反渗透浓水阀8。正向流动变为反向流动，当末段膜元件结垢预测装置10或自适性非原位无机垢检测装置12再次预测或检测到膜面处出现无机垢时，再次启动正常进水流体操作模式。如此采用交替改变膜组件内进水流向的操作模式，破坏浓水侧或膜面处建立的浓差极化层，抑制膜结垢。与传统的进水流体、无自适性非原位无机垢预测和无监测工艺相比，本发明工艺的系统产水回收率高于后者10%以上。

实施例2

保持反渗透进水压力为5.0MPa，保持反渗透浓水流量为800L·h^-1不变，多段反渗透组件6对苦咸水中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2?、HCO₃^?、TDS和总硬度的截留率分别为98.8%、99.1 %、99.3%、94.7%、99%和99.3%，反渗透单支膜壳内膜元件压降小于0.1Mpa，多段反渗透组件6在上述实验条件下的系统产水回收率为85%。

本实施例表明，降低反渗透出水口端膜面切向流速时，原水流向未改变条件下，各主要成垢离子Ca²⁺、Mg²⁺和SO₄^2?的浓差极化度加重。当系统产水回收率为85%时，Ca²⁺、Mg²⁺和SO₄^2?的浓差极化因子分别由实施例1中的1.27、1.96和1.87增加至1.48、2.91和2.35，膜元件的膜面处提前发生结垢，但采用改变多段反渗透组件内进水流向的方法，仍可以明显地抑制膜元件的结垢。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。