一种可反洗式的高压反渗透膜过滤系统

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种可反洗式的高压反渗透膜过滤系统。

背景技术：

近年来，随着我国经济的迅猛发展，对自然环境的破坏也日益加重。大量含有各类高浓度无机盐、有机物质的废水肆意排放，造成城镇周边湖泊水库频繁发生污染现象。这不仅降低水资源利用效能，引起严重的生态破坏和巨大的经济损失，也给人类和动植物的健康带来极大的隐患。一些重要的水质污染事件甚至会造成严重的政治负面影响和社会震荡。高压反渗透膜技术作为一种物理分离过程，对细菌、无机盐及有机物等各类污染物质均具有十分高效的截留作用，是保证水体生物和化学安全性的最有效手段。因此，反渗透膜技术被广泛的应用于饮用水净化、污水处理和海水淡化等多个领域。但是，浓差极化和膜污染问题严重地阻碍了反渗透膜技术的推广应用。在膜过滤过程中，原水中的各类污染物质会在膜表面附近逐渐聚集并最终在膜表面形成滤饼层，导致产水量和过滤性能下降，从而需要对膜进行频繁的线下化学清洗。由于反渗透膜运行所必须的高压环境需要较长时间启动并稳定，所以频繁化学清洗不仅缩短了膜的运行时间和使用寿命，还导致运行成本大幅提高。因此，如何有效控制浓差极化和膜污染问题是反渗透膜领域亟待解决的关键问题。

目前广泛使用的高压反渗透膜污染控制方法主要包括：调整原水ph值、投加阻垢剂。比如，降低ph值可以控制caco3和mg(oh)2等常见反渗透膜污染物的生成；但是对于某些对ph不敏感的污染物(caso4和baso4)而言，该方法效果十分有限。不仅如此，降低ph可能加速反应器的腐蚀老化速率。阻垢剂常被添加在饱和盐溶液中用来组织结晶体的出现，但是过量添加会引发其他污染问题。在低压膜过滤系统中，大量实验已经证实反清洗法是去除膜表面污染层并恢复膜通量的最简单有效方法。但是，由于反渗透膜的特殊结构，为了避免膜损伤问题出现，工业生产中无法利用常规反清洗法控制高压反渗透技术的膜污染问题。控制反渗透膜污染的理想方法应该能实现以下的目的，确保膜结构本身不受破坏，能够在线进行清洗工作并且不产生二次污染问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决高压反渗透膜过滤过程中产生的浓差极化和污染问题，提出一种在不改变反渗透膜运行条件的前提下进行的在线清洗方法。

本发明的一种可反洗式的高压反渗透膜过滤系统，它包括高浓度盐水箱、原水箱、反渗透膜反应器、滤后水箱、高压泵、后置压力调节器、流量计、高压小流量泵和低压水泵；

所述的高浓度盐水箱的进水口与反渗透膜反应器的浓缩液出水口连通；反渗透膜反应器的进水口分别与高浓度盐水箱和原水箱的出水口连通；在反渗透膜反应器的出水管路上设置有后置压力调节器和流量计；反渗透膜反应器的进水管路上设置有高压水泵、高压小流量泵和压力表；所述的反渗透膜反应器的浓缩液出水管路和进水管路上设置有阀门；反渗透膜反应器的滤后水的出水口与滤后水箱的进水口连通，滤后水箱的出水口与反渗透膜反应器的进水口连通，且滤后水箱的出水管路上设置有低压水泵。

进一步地，所述的反渗透膜反应器的出水管路和进水管路上设置有阀门；所述的阀门为阀门v1、阀门v2、阀门v3和阀门v4；所述的阀门v1设置在原水箱的出水口处，所述的阀门v2设置在高浓度盐水箱的出水口处，所述的阀门v3设置在反渗透膜反应器的浓缩液出水口，所述的阀门v4设置在高浓度盐水箱的进水口处。

进一步地，所述的反渗透膜反应器的滤后水的出水口与滤后水箱的进水口连通的管路上设置有低压泵。

进一步地，所述的高浓度盐水箱和原水箱内均设置有磁力搅拌器。

本发明的一种可反洗式的高压反渗透膜过滤系统的使用方法，它是按照以下方式进行的：

首先，将待处理的污水置于原水箱中，开启磁力搅拌器，开启阀门v1和v3，关闭阀门v2和v4，开启高压泵，运行可反洗式的高压反渗透膜过滤系统，将原水箱的污水送至反渗透膜反应器内，调节后置压力调节器，观察流量计，待膜污染通量下降至15l/m²/h后，关闭阀门v3，同时打开阀门v2和v4，以及高压小型水泵和低压水泵，高浓度盐水经高压小型水泵从高浓度盐水箱输送至反渗透膜反应器，再经过阀门v4流至高浓度盐水箱；滤后水箱中的滤后水经抽吸泵输送至反渗透膜反应器的滤后水侧后流入滤后水箱进行循环。

本发明包含以下有益效果：

饮用水的安全性是城乡居民十分关注的问题，并且随着生活水平的提高，人们对在水质安全性方面所做的人力、财力和科技投入逐渐表现出认可和支持的态度。在水处理成本少量提高但安全性显著提升的前提下，反渗透膜技术的投入使用可能会成为未来水厂水处理工艺中一个不可或缺的步骤。本发明中提出的渗透反清洗法增强膜表面的剪切力和流动性，达到消除膜表面浓差极化和膜污染的效果，避免了停机操作所造成的负面影响，满足了工业界对产水量和运行成本等的要求。本发明的完成将降低反渗透膜过滤过程中的能量和化学药剂消耗、运行成本，提高出水水质。

渗透反清洗法，与传统反清洗法类似，即是指利用由膜出水侧流向进水侧的水流消除膜表面的浓差极化和膜污染现象。但不同于传统反清洗法利用水压作为驱动力，渗透反清洗法依靠渗透压差(即进水侧的渗透压力超过高压膜运行压力)产生反向水流。由于在工业应用中，降低进水侧膜运行压力对于膜运行时间，出水水质以及产水量等均有极大的负面影响。因此，本设备将在保证膜运行高压的前提下(对原有膜正常过滤压力不做任何调整)利用向进水通道内注入高浓度盐溶液以提高膜进水侧渗透压力，促使滤后水反向流入进水侧，以达到膜反清洗效果。

本发明可以实现高压反渗透膜的在线反清洗；可以确保反洗过程中运行压力和运行时间的稳定；实施简单，维修便捷。

附图说明

图1为本发明系统的整体流程图；

图2为原水nacl浓度180mg/l时渗透反清洗效果图；其中，a为tmp，b为返渗清洗，c为无返渗清洗；

图3为原水nacl浓度222mg/l时渗透反清洗效果图；其中，a为tmp，b为返渗清洗，c为无返渗清洗；

图4为原水nacl浓度180mg/l时反渗透膜物理清洗和化学清洗效果对比图；

图5为原水nacl浓度222mg/l时反渗透膜物理清洗和化学清洗效果对比图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

参见图1说明，本实施例的一种可反洗式的高压反渗透膜过滤系统，它包括高浓度盐水箱1、原水箱2、反渗透膜反应器3、滤后水箱4、高压泵5、后置压力调节器6、流量计7、高压小流量泵8和低压水泵9；

首先，将待处理的污水置于原水箱2中，开启磁力搅拌器，开启阀门v1和v3，关闭阀门v2和v4，开启高压泵5，运行可反洗式的高压反渗透膜过滤系统，将原水箱2的污水送至反渗透膜反应器3内，调节后置压力调节器6(后置压力调节器具体的作用是控制运行压力和膜表面错流速率)，观察流量计7，待膜污染通量下降至15l/m²/h后，关闭阀门v3，同时打开阀门v2和v4，以及高压小型水泵8和低压水泵9(此过程中高压泵5和阀门v1保持运行和开启)，则高浓度盐水经高压小型水泵8从高浓度盐水箱1输送至反渗透膜反应器3，由于高浓度盐水在反渗透膜反应器进水侧产生的渗透水压超过反渗透膜反应器3膜前后的运行压力，导致过滤后的水流至进水侧，再经过阀门v4流至高浓度盐水箱1；滤后水箱4中的滤后水在抽吸泵9输送至反渗透膜反应器3的滤后水侧后流入滤后水箱进行循环。

所述的反渗透膜反应器3的出水管路和进水管路上设置有阀门；所述的阀门为阀门v1、阀门v2、阀门v3和阀门v3；所述的阀门v1设置在原水箱2的出水口处，所述的阀门v2设置在高浓度盐水箱1的出水口处，所述的阀门v3设置在反渗透膜反应器3的进水口处，所述的阀门v4设置在高浓度盐水箱1的进水口处。

所述的反渗透膜反应器3的滤后水的出水口与滤后水箱4的进水口连通的管路上设置有低压泵9。

所述的高浓度盐水箱1和原水箱2内均设置有磁力搅拌器。

在正常反渗透膜系统运行过程中，阀门v1和v3呈打开状态，v2和v4呈关闭状态，高压泵转速恒定。在运行过程中随着膜污染程度加重，通量下降到某一程度时，阀门v3关闭，同时阀门v2和v4打开，高压小流量泵8开启，超高浓缩盐水到达膜反应器进水侧。此时，虽然高压泵5依然保持常态运行，浓缩盐水产生的高渗透压超过进水侧高压水泵5压力，则反渗透膜出水逆向流入进水侧，达到反清洗效果。同时，逆向水流回到高浓度盐水箱(直至水箱)。长期运行时高浓度盐水箱中盐溶液浓度必然下降，可定期投加适量盐分。

结果：

对比了渗透反清洗法对含有不同盐溶液浓度引起的膜污染问题的清洗效果。原水箱2中原水浓度分别为180和222mg/lnacl溶液。高浓度盐水箱1中nacl溶液浓度为289mg/l。高压反渗透膜过滤过程中，膜原水侧和出水侧错流速率0.5和0.1l/min。当高压反渗透膜的通量由初始30l/m²/h下降至15l/m²/h时，高浓度盐水被注入反渗透膜反应器3进水侧(持续时间5min)。高压反渗透膜过滤系统的运行压力始终维持在10bar。由图2可知，当原水nacl浓度180mg/l时，运行12h后通量下降至15l/m²/h，三次反清洗后膜通量的恢复率分别为：79.4％，73.2％，76.1％。在连续运行24h后，进行渗透反清洗的膜过滤系统的通量依然维持在14.3l/m²/h，而对应的空白膜过滤系统中通量降至4.8l/m²/h。证实了渗透反清洗对膜表面盐结垢的良好控制效果。当原水nacl浓度222mg/l时，运行7～8h后通量下降至～15l/m²/h，四次反清洗后膜通量的恢复率分别为：91.5％，86.2％，83.5％，79.6％。相比低浓度条件下，渗透反清洗效果有明显提高。这主要归因于在高浓度条件下初始通量相对较低，膜表面生成的滤饼层具有更疏松多孔的特点，致使同等渗透压条件下形成的反向作用力效果更加明显。过滤实验结束后，将不同运行条件下的污染膜进行化学清洗(hcl0.1％，浸泡1小时)。结果证实，渗透反清洗能够明显增强化学药剂的清洗效果，从而达到降低运行成本的目的。