一种膜法内循环浓缩方法与流程

本发明涉及膜技术浓缩分离和污水处理技术领域，具体涉及一种膜法内循环浓缩方法。

背景技术：

现行的膜设备设计人员一般都采用国外膜厂家如陶氏、海德能等所提供的软件进行设计。但这些厂家以膜生产为主，在膜技术应用，尤其是高难度废水处理方面并不擅长，其设计理念过于保守，只适合处理水质相对稳定的净水和海水淡化。而设计人员依据陶氏等软件所设计的不合理设备，应用到浓缩分离和高硬度、高cod废水时，存在严重的缺陷，造成膜的污堵、化学清洗频繁，造成膜的使用寿命缩短，甚至在比较简单的中水回用中，膜的使用寿命仅为2-3个月，给企业和社会造成巨大的负担和资源浪费。

为了减轻膜的结垢和污堵问题，在高端市场上出现了碟管膜，但是，碟管膜存在投资成本高、单位空间膜片面积小、产水率低等缺点，只适用于氯化钠类高盐的浓缩，在其他方面的应用，解决同样的问题，投资是卷式膜的5倍以上。并且，由于碟管膜的支管道过多、无法排空，也不适合处理易变质的蛋白类介质。

如图1，现有的膜设计为进行膜处理的溶液或废水通过原水泵和保安过滤器，输送入膜系统，通过单一高压泵，将设备内压力提升至膜元件运行产水所需要的压力；溶液或废水依次通过一段、二段膜，产水进入清水罐；在浓缩比较低的情况下，比如小于3或4倍，浓水会直接进入浓水罐；但当浓缩比较高时，浓水需要返回原水罐反复进行浓缩，分批次处理；有时为了提高浓缩比，会增加一条“大回流管道”，即浓水回流阀18所在的管路，回到高压泵进口，以提高膜表面流速；但这样需要选用更大的高压泵，功耗浪费是极大的；并且在调整系统的运行压力时，需要反复调节浓水调节阀17和浓水回流阀18。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种膜法内循环浓缩方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种膜法内循环浓缩方法，包括增压泵组、循环泵组、膜组件以及管路控制附件，所述增压泵组和循环泵组分别为膜系统提供运行压力和表面流速，并由循环水泵、管路控制附件的止回阀和膜组件构成多个内循环单元；

所述膜系统采用卷式膜；

所述增压泵组为膜系统提供运行压力，由一台或几台小流量、高扬程的供压水泵构成；

所述循环泵组为膜系统提供膜表面流速，由一台或几台大流量、低扬程的循环水泵构成；

所述内循环单元多个串联，内部溶液的浓度呈阶梯递进关系，配套内循环单元之间的增压水泵，构成一个连续运行系统；

所述管路控制附件设有由原水罐存储的待处理原水，待处理的原水通过原水泵和保安过滤器，先经过一阶增压水泵输送入一阶内循环单元，经过一阶膜组件处理后的液体，分为两部分，一部分液体通过一阶循环水泵和一阶循环止回阀维持在一阶内循环单元内部循环流动，同时另一部分液体通过二阶增压水泵输送入二阶内循环单元，在二阶循环水泵、二阶循环止回阀和二阶膜组件之间，做同上述循环，逐阶递进，最末阶膜的浓液进入浓液罐，且每阶膜系统产生的清水进入清水罐。

具体的是，所述膜系统根据浓水和产水的总量，对应选择增压水泵的流量，不需要考虑膜表面流速所需要的流量。

具体的是，所述每阶内循环单元根据膜壳数量和膜表面流速所需的流量，选择对应的循环水泵，不需要考虑设备整体的运行压力和压力损失。

具体的是，所述膜系统通过浓水调节阀调整设备的浓水与产水的比例，实现设备的操作，而非常规的控制运行压力。

具体的是，所述膜系统在极高的回收率和浓缩倍数下，膜系统为一次性分离，连续产水，产出的浓液和清水分别输送到浓水罐和清水罐，设备运行不需要停顿，设备内部不需要增加中转罐。

具体的是，所述膜系统根据最终的浓缩倍数和浓水浓度设计为不同阶梯级数，当浓缩倍数较低、渗透压变化不大时，使用单阶循环，当浓缩倍数较高或渗透压变化较大时，将设备分解为二阶、三阶乃至更多阶内循环系统。

具体的是，每个内循环单元分别设有冲洗管道和自动冲洗阀，在开机、停机或冲洗时，打开一阶冲洗阀、二阶冲洗阀，将不合格的浓液输送回原水罐，待升压稳定后再关闭一阶冲洗阀、二阶冲洗阀，输往浓水管道。

具体的是，所述膜系统将清水接入设备进口，在停机时，打开清洗进水阀，启动原水泵将清水打入设备中，用清水置换设备中残余的高浓度物料或高硬、高cod的污水。

本发明具有以下有益效果：

本发明设计的膜法内循环浓缩方法根据最终的浓缩倍数和浓水浓度设计为不同阶梯级数，当浓缩倍数较低、渗透压变化不大时，使用单阶循环，当浓缩倍数较高或渗透压变化较大时，将设备分解为二阶、三阶乃至更多阶内循环系统；设计的增压泵组根据浓水和产水的总量选择对应的增压水泵，不需要考虑膜表面流速所需要的水量，避免了这部分额外水量升压所需要的能耗；设计的循环泵组根据每阶内循环单元的膜壳数量和膜表面流速选择对应的循环水泵，不需要考虑设备整体的运行压力和压力损失，避免了运行条件的改变景响膜表面流速和浓差极化的加剧；通过控制浓水水量和调整浓淡水比例即可实现设备的运行，不必综合考虑各种因素和参数，极简了设备的学习和操作，减少了设备故障和操作失误造成的膜损坏风险；在极高的回收率和浓缩倍数下，实现一次性连续产出，设备内部不需要再增加中转罐，设备运行不需要批次间歇式生产，浓水和淡水分别输送到各自工序，简省了车间工序；通过增加二阶或多阶循环来补偿流量，高效均衡的增加了膜表面切向流速，大大改善了膜片表面的浓极化问题，减轻了膜的结垢、污堵，从而保证了膜设备的稳定运行，甚至可以让膜适用于远超出厂家指标要求的恶劣水质，大大延长了膜的使用寿命；由于减少了膜设备运行行中的化学清洗费用和膜元件的更换费用，为企业减轻了负担，也为社会节约了资源。

附图说明

图1为现有技术的原理图。

图2为本发明的原理图。

图中：1-原水进水阀；2-清洗进水阀；3-浓水调节阀；4-一阶冲洗止回阀；5-一阶冲洗阀；6-一阶循环止回阀；7-二阶冲洗止回阀；8-二阶冲洗阀；9-二阶循环止回阀；10-原水泵；11-一阶增压水泵；12-一阶循环水泵；13-二阶增压水泵；14-二阶循环水泵；15-一阶膜组件；16-二阶膜组件；17-浓水调节阀；18-浓液回水阀。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种膜法内循环浓缩方法，包括增压泵组、循环泵组、膜组件以及管路控制附件，膜系统由增压泵组和循环泵组分别提供运行压力和表面流速，并由循环泵、止回阀和膜组件构成多个内循环单元；膜系统采用卷式膜(超滤、纳滤、反渗透)在浓缩分离和污水处理等恶劣工况下的设计；增压泵组为膜系统提供压力，由一台或几台小流量、高扬程的增压水泵构成；循环泵组为膜系统提供膜表面流速，由一台或几台大流量、低扬程的循环水泵构成；多个内循环单元串联，内部溶液的浓度呈阶梯递进关系，配套内循环单元之间的增压泵，构成一个连续运行系统。

管路控制附件设有由原水罐存储的待处理原水，待处理的原水通过原水泵10和保安过滤器，先经一阶增压水泵11升压后，进入一阶内循环单元；一阶内循环单元由一阶膜组件15、一阶循环水泵12、一阶循环止回阀6组成一个循环回路；经过一阶内循环单元中的一阶膜组件15处理后的一部分浓液，通过两个单元之间的二阶增压水泵输入二阶内循环单元；二阶内循环单元由二阶膜组件16、二阶循环水泵14、二阶循环止回阀9组成一个循环回路；经过二阶内循环单元处理的浓液，做同上述流动，依次通过串联的内循环单元；最末阶循环单元的膜组件处理后的浓液进入浓水罐，且每阶膜系统产生的清水进入清水罐，一阶增压水泵11为主供压水泵。

上文中所说的二阶内循环系统或多阶内循环系统就是将目前常用的由单台或几台高压泵组成的一套为膜设备供压供水的泵组，改进为两套分别负责为膜系统提供压力的增压泵组和负责提供流速的循环泵组，使膜设备内部形成分阶梯的内循环单元；负责提供运行压力的增压泵组，由一台或几台小流量、高扬程的一阶增压水泵11和/或多个二阶增压水泵13构成；负责提供流量的循环泵组，由一台或几台大流量、低扬程的一阶循环水泵12和/或多个二阶循环水泵14构成。

管路控制附件中设有浓水调节阀3，通过调节阀门的开合度，控制浓水的水量，随着浓水减少，压力自然上升，随之产水水量增加，通过调整浓水和清水的比例，即实现设备的操作和运行，而不需要分别精细控制压力和水量；由于内循环单元的存在，浓水水量的减小不影响单元内部循环流量，对膜表面的浓水流速影响较小，因此回收率和浓缩倍数只由浓水和淡水比例决定，在极高的回收率和浓缩倍数下，也可以实现一次性连续出水，膜系统产生的浓液和清水分别输送到各自工序，设备运行不需要批次停顿，设备内部不需要增加中转罐。

管路控制附件中多阶内循环系统在每阶内循环单元均设有单独的冲洗管道，一阶内循环单元的冲洗管道上设有一阶冲洗止回阀4和一阶冲洗阀5，二阶内循环单元的冲洗管道上设有二阶冲洗止回阀7和二阶冲洗阀8，在运行中可以打开一阶冲洗阀5和二阶冲洗阀8，对膜组件进行高流速冲洗，消除浓差极化现象，每个循环单元的膜件数量不同，所需要的冲洗流量和管径不同，有时需要分别设置，(单阶内循环系统不需要设有冲洗止回阀)；在开机和停机过程中，由于没有施加运行压力，没有产水，浓水的浓度达不到要求，可以打开一阶冲洗阀5和二阶冲洗阀8，将不合格的浓液输送回原水罐，待系统升压运行后再输往浓液管道；在原水罐和原水泵10之间设有原水进水阀1，原水进水阀1的后端管道通过清洗进水阀2连接清水罐，在停机时，打开清水进水阀，启动原水泵将清水打入设备中，用清水置换设备中残余的高浓度物料或高硬、高cod的污水。

本发明的实施例，该方法在应用时，通常会根据最终的浓缩倍数和浓水浓度，分为阶梯级数；当浓缩倍数较低、渗透压变化不大时，可以使用单阶循环；当浓缩倍数较高或渗透压变化较大时，可以将设备分解为二阶、三阶，乃至更多级，下面以比较常用的回收率90％以上的二阶设备为例进行详细说明，如图2所示：

1、进行膜处理的溶液或废水通过原水泵10和保安过滤器，输送入膜系统。

2、通过小流量、高扬程的一阶增压水泵11，将设备内压力提升至膜元件运行时产水所需要的压力。

3、由大流量、小扬程的一阶循环水泵12，与一阶循环止回阀6、一阶膜组件15构成一个内循环单元，保证膜的表面流速。

4、在一阶膜组件15处理之后，一方面会因为水量损失而造压力降低，一方面因为浓度提高而需要更高的运行压力，故设计二阶增压水泵13，用来补充足够的压力。

5、由大流量、小扬程的二阶循环水泵14，与二阶循环止回阀9、二阶膜系统16构成一个内循环单元，保证膜的表面流速。

6、在开机加压前，自动打开一阶冲洗阀5和二阶冲洗阀8，将启动过程中未经浓缩的溶液或废水返回前端原水罐，以避免进入浓水罐。

7、系统整体启动后，关闭一阶冲洗阀5和二阶冲洗阀8，通过调节浓水调节阀3，直接提升整个系统的运行压力，调整浓水和淡水比例，实现设备的运行；调节浓水调阀3在调好后，是固定的，除非必要，不需要经常调节。

8、经过两阶的膜系统处理后，浓水和产水分别进入浓液罐和清水罐。

9、运行一段时间后，自动打开第一冲洗阀5和第二冲洗阀8，用低浓度原水对设备进行冲洗，消除浓差极化的累积。

10、运行结束后，关闭原水进水阀1，打开清洗进水阀2，启动原水泵10，用清水对设备中残余的溶液或废水进行置换。

图中箭头的指向说明：

原水和浓水的流向：打开进水电动阀1，待处理的溶液和废水由原水罐流出至原水泵10和保安过滤器，初步处理后进入到一阶增压水泵11内，经过增压后进入到一阶膜组件15，由一阶膜组件15流入到二阶增压泵13，再到二阶膜组件16内，最后经浓水调节阀3进入到浓液罐中。

产水流向：一阶膜系统15和二阶膜系统16的各自的产水端将产出的水直接流向清水罐。

加压前的冲洗流向：打开第一冲洗阀5和二阶冲洗阀8，由一阶膜组件15沿着第一冲洗止回阀4和第一冲洗阀5，由二阶膜组件16沿着第二冲洗止回阀7和第二冲洗阀8，分别将冲洗出的溶液流入至原水罐。

使用设备后的冲洗流向：打开清水进水阀2和二阶冲洗阀8，清水流经原水泵10和保安过滤器，然后流经一阶膜组件15和二阶膜组件16，沿着二阶冲洗止回阀7和二阶冲洗阀8，将冲洗出的溶液流入至原水罐。

二阶或多阶内循环系统的内部流向：由一阶膜组件15出口流至一阶循环水泵12，流经一阶循环止回阀6，再进入一阶膜组件15进口，形成内部闭路循环；由二阶膜组件16出口流至二阶循环水泵14，流经二阶循环止回阀9，再进入二阶膜组件16进口，形成内部闭路循环。

该膜法内循环浓缩方法主要应用于卷式膜，即应用于超滤、纳滤或反渗透中，在浓缩分离和污水处理等恶劣工况下的设计；由小流量、高扬程水泵或泵组构成的增压系统；由大流量、低扬程水泵或泵组，配合管路控制，构成的设备内部循环单元；由多个溶液浓度呈阶梯递进关系的内循环单元串联，配合单元间的增压泵，构成一个连续运行系统；根据浓水和产水的总量选择对应的供压水泵和泵组，不需要考虑膜表面流速所需要的水量，避免了这部分额外水量升压所需要的能耗；单个循环单元的膜壳数量和流量选择对应的循环泵，不需要考虑设备整体的运行压力和压力损失，避免了运行条件的改变景响膜表面流速和浓差极化的加剧；使用本设计的设备可以通过一阀控制浓水水量，调整浓淡水比例即可实现调整设备运行状态，不必综合考虑各种因素和参数，极简了设备的学习和操作；使用本设计的设备，无论多高的回收率和浓缩倍数，都实现了一次性连续出水，浓水和淡水分别输送到各自工序，设备内部不需要再增加中转罐；设计中通过设计了多处止回阀，以控制各单元的内部水流方向；因为各阶单元的进水量差异，设计中为各单元分别设计了冲洗管道，在开机、停机和冲洗时，将不合格的浓水输送回原水罐，待升压稳定后再输往浓水管道；设计中设计了产水罐到设备进口的管道，在停机时，使用原水泵将设备产水打入设备中，置换其中的高浓度物料或高硬、高cod的污水，以防止设备在静置时发生物料凝、硬度结垢和沉降污堵。

通过该技术改造后的膜设备，膜设备的运行状况和使用寿命明显提高。

以使用范围较广的中水回用设备为例：目前很多设备化学清洗周期在1周左右，甚至硬度、cod较高时，出现2-3天化学清洗一次；膜的使用寿命只有半年至1年，甚至有2-3月更换一批膜元件。而使用本专利设计的设备，化学清洗周期延长为3月以上，使用寿命在2-3年以上。该技术在高难度的物料分离方面尤为明显，以明胶和软骨素为例，通常膜寿命只有一年左右，而使用本专利设计的设备，使用寿命都在三年以上，甚至有使用五年以上无故障，乃在继续使用。

由于减少了膜设备运行行中的化学清洗费用和膜元件的更换费用，为企业减轻了负担，也为社会节约了资源。另外，由两组各自功能的水泵取代单组满足两个功能的水泵可以大大降低功耗。

以1.5m³/h小时的明胶设备的二段纳滤系统为例，运行压力150m，单膜壳浓水流量需要10m³/h，按常规的用单泵设计，所用泵的功率为11kw；按照本设计，由一台1.5m³/h、150m的高压泵(2.2kw)和一台10m³/h、20m的循环泵(0.75kw)组合，总功率只有2.95kw，功耗不足原来的1/3，同时，购泵所需的成本也大大降低。

膜设备运行的两个关键条件，一是运行压力，二是膜表面流速。

运行压力方面与产水量直接相关，压力不够，膜系统就不产水或产水不足，所以，大多数设备的问题不大。

本专利主要是解决第二点，膜表面流速。

膜技术的特点就是错流过滤，通过表面切向流速冲走污物和减轻浓差极化。

陶氏等设计软件给出的流速下限是4m³/h，只要不低于这个流速，软件就不会报警，所以这个流速也成为很多设计人员的心理指标。

以一套100m³/h的净水设备为例，按设计软件中的设计，选用108支膜件，用6芯膜壳，分为前后两段，一段用12支膜壳，二段用6支膜壳。这也是大多数膜设计人员所采用的设计方式。那么，按照75％的回收率计算，总进水133m³,第一段膜壳进水端的流速为11m³/h,由于膜在运行中产水，造成水量损失66.67m³/h，则膜壳的产水端流速只有5.56m³/h。

实际上，当膜运行一段时间之后，产水量下降，操作人员为了保持一定的产水率，就会相应的减少浓水量，从而更加降低的膜表面流速。比如当膜产水量下降到20-30％，为了保证产水率不变，进水量也会下降20-30％，那么一段膜壳的产水端流速将只有3.89m³/h,已经跌到了设计软件的警戒线4m³/h以下了。

因此，这个流速是远远不够的，这种低流速只适合于低硬度、低cod的净水，在做物料浓缩分离和高盐废水时，这么低的流速必定会造成严重的浓差极化，结垢和污物甚至会造成膜片间流道堵塞，从而使整套膜组件报废。

实际应用中，膜设备应该设计更高的表面流速。

以8040膜件为例，单支膜壳内的适宜流速为10-12m³/h，上限不超过17m³/h，下限不低于8m³/h。

当然，这个流速也与不同的物料性质有关，粘度高而盐分低的物料可以降低一下流速，粘度低而盐分高的物料需要提高一下流速。过低的流速会导致浓差极化加剧，过高的流速会产生较达的流体阻力，尤其是物料粘性较大的性况下，而阻力形成的压差过大，很容易将膜端支撑骨架压裂，造成膜元件变形。

关于膜间流速的控制，通常有两种方法。

一种是以陶氏等膜设计软件所示，通过调整膜壳排列组合实现。但是，这种方式具有很大的局限性。一是只能适用于较低的浓缩比，比如75％，当回收率超过90％，因水量损失造成的压力和流速损失，基本很难做到。二是每支膜壳内的流速可控性差，在上述净水设备案例中，同一支膜壳的进水端和出水端流速相差1倍；而且前后两段膜壳数量不同，启动和运行的后段流速差别极大。这也是为什么依据设计软件做出的中水设备结垢问题非常严重。

第二种就是本专利设计中所采用的通过循环泵进行内循环来解决。

本专利中的设计方法，通过增加循环泵来补偿流量，高效均衡的增加了膜表面切向流速，大大改善了膜片表面的浓极化问题，从而保证了膜设备的稳定运行，甚至可以让膜适用于远超出厂家指标要求的水质，大大延长了膜的使用寿命。

以明胶浓缩设备为例：明胶浓缩中，要求从3％-5％的原胶浓度提升至30％，相当于浓缩了6-10倍，我们按平均8倍计算。目前一般厂家的生产规模为每天生产3-5吨干胶，折算原胶液的处理量是3-5m³/h。假如按3m³/h,浓缩8倍后，浓缩液只有0.38m³/h，这个流速即使只进入单一膜壳，也远远达不到膜表面的流速要求。甚至因为明胶的常温凝固性，以这种流速进入设备后，有可能冻结在设备内部。

为了增加膜表面流速，有些设计中选取更大流量的水泵，采用了大回流设计或返回原水罐中循环浓缩设计，这样就造成了极大的功耗浪费，仅以后段纳滤使用两支膜壳计算，至少需要20-30m³/h流量、150m扬程的水泵，功率在15kw以上。

在实际应用中，我们采用专利中的设计，选取一台3m³/h流量、150m扬程的水泵(3kw)负责供压，再由一台20-30m³/h流量的水泵、20m扬程的水泵(2.2kw)负责保证膜表面流速，总功率才5.2kw。

并且本专利所设计的增加膜表面流速方式，保证了膜间流速的稳定性。因为循环水泵补偿流速相对固定，膜设备加压前和加压后，膜间的流速变化不大，受设备整体运行压力的改变影响极小。因此，在运行中可以根据溶液和废水的变化随意的调整运行压力。

而以增大高压泵、采用大回流的方式，水泵的流量与扬程是呈反比关系，开机和停机过程中，加压前和加压后膜间的流速差别巨大；需要改变运行压力时，膜间的流速也会随之改变。正如前面净水案例中所举，随着膜的衰减，为了保持产水率，随之减少浓水量，从而造成膜表面流速降低。这些因素往往又会对膜元件的运行造成副作用。

该技术主要适用于卷式膜，包括卷式超滤(uf)、纳滤(nf)和反渗透(ro)，以及柱式中空纤维超滤(uf)。其组合关系并不限定同一种膜，根据不同的料液性质可以用不同的膜进行合理组合。

例如：(1)在处理明胶浓缩时，原胶液浓度一般在3％-5％，浓度较低，第一阶可以使用运行压力更低的超滤，节省设备功耗和获得较大的通量，将浓度提升至12％-15％。第二阶使用截留率更高的纳滤，以更大的驱动力将其浓度提高至25％-30％以上；通过超滤、纳滤两阶提升，可以使明胶直接达到挤胶条件。

(2)在电镀行业的电镀漂洗废水方面，原水的铜或镍等重金属离子浓度较低，渗透压较低，第一阶、第二阶可以使用反渗透获得更好的产水水质；第三阶的重金属离子浓度较高，可以再使用渗透压较低的纳滤，将其提高至更高浓度，达到电镀槽回用标准。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。