一种少药自调控式纳滤耦合系统及使用方法

1.本发明涉及一种少药自调控式纳滤耦合系统及使用方法，属于水处理技术领域。


背景技术：

2.纳滤可以同时去除水中的溶解性盐类、新兴污染物、小分子天然有机物、致病微生物及胶体等，已经广泛用于水质较差的地表水和地下水净化领域中。然而，纳滤运行过程中会发生无机结垢、微生物滋生、有机物吸附等微观过程，形成了复合膜污染，降低了膜通量稳定性。为缓解复合膜污染，在纳滤运行中往往添加阻垢剂、生物抑制剂等化学药剂，以实现高通量运行以及高回收率过滤。然而大量投加的化学药剂给客观存在的纳滤浓水处理与排放环节带来难题，也引出了复杂的运维管理工作，过渡依赖于化学药剂是纳滤推广应用的关键问题之一。另外，低压纳滤是目前常用的纳滤运行方式，需要0.6-1.0mpa的驱动压力，相比于超滤等过程，制水能耗仍然较大，设备要求较高。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决现有纳滤为核心的膜法水处理技术化学药剂依赖性高、运行能耗高、维护需求大的问题，进而提供了一种少药自调控式纳滤耦合系统及使用方法。
4.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
5.一种少药自调控式纳滤耦合系统，包括进水箱、跌水曝气塔、自驱动生态膜超滤、纳滤进水箱、纳滤膜组件、纳滤产水箱、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱、酸液储备箱及食盐水箱，其中，
6.进水箱、自驱动生态膜超滤、纳滤进水箱、纳滤膜组件及纳滤产水箱依次通过管路连通设置，纳滤膜组件的产水管路上还连接设置有初产水排放管；
7.纳滤膜组件的浓水接口连通设置有浓水排放管，所述浓水排放管上连接设置有浓水回流管，且所述浓水回流管连接至纳滤膜组件的进水端；
8.食盐水箱通过管路分别连通至离子交换膜电解反应器的阴极室及阳极室，离子交换膜电解反应器的阴极室通过管路连接至碱液储备箱，离子交换膜电解反应器的阳极室通过管路连接至酸液储备箱，碱液储备箱与酸液储备箱分别通过管路连接至清洗加压泵的输入端，清洗加压泵的输出端通过管路连接至纳滤膜组件的进水端，纳滤膜组件的浓水接口通过管路分别连接至碱液储备箱及酸液储备箱，碱液储备箱连接设置有清洗碱液排放管，酸液储备箱连接设置有清洗酸液排放管；
9.各管路上通过设置阀门控制管路通断。
10.进一步地，纳滤膜的驱动压力为0.2mpa-0.4mpa之间。
11.进一步地，离子交换膜电解反应器的阳极室与酸液储备箱之间的连接管路上连接设置有中压紫外线脱氯器。
12.进一步地，所述纳滤膜组件为碟管式纳滤膜组件。
13.进一步地，进水箱与跌水曝气塔之间的连接管路上设置有曝气塔进水泵，纳滤进
水箱与纳滤膜组件之间的连接管路上设置有纳滤进水泵，食盐水箱与离子交换膜电解反应器之间的连接管路上设置有离子交换膜电解进水泵。
14.进一步地，浓水排放管上设置有纳滤浓水排放阀，浓水回流管上设置有纳滤浓水回流阀。
15.进一步地，跌水曝气塔连接设置有浮球阀。
16.进一步地，自驱动生态膜超滤的孔径为0.03μm。
17.一种上述少药自调控式纳滤耦合系统的使用方法，包括产水过程、浓水处理过程及组件清洗过程，其中，
18.所述产水过程为：原水由进水箱依次经过跌水曝气塔、自驱动生态膜超滤、纳滤进水箱、纳滤膜组件后，得到纳滤产水及纳滤浓水，其中纳滤产水进入纳滤产水箱，纳滤浓水进入浓水处理过程；
19.所述浓水处理过程为：
20.产水过程中离开纳滤膜组件的浓水，一部分通过浓水排放管排放，其余部分浓水通过浓水回流管回流再次进入纳滤膜组件进行净化；
21.所述组件清洗过程包括如下步骤：
22.步骤一、清洗液发生：食盐水箱中的水流入离子交换膜电解反应器阴极室及阳极室，电解后产生酸碱液分别排入酸液储备箱和碱液储备箱；
23.步骤二、低流量清洗：用清洗加压泵以低清洗液压力置换原水；
24.步骤三、循环：清洗液从原水进水口进入纳滤膜组件，从浓水接口出水，此时纳滤膜组件与纳滤进水箱之间的连接管路上的阀门处于关闭状态，清洗液循环回对应酸液储备箱及碱液储备箱并保证清洗液温度恒定；
25.步骤四、浸泡：停止清洗加压泵，让膜元件完全浸泡在清洗液中；
26.步骤五、高流量清洗：采用高流量循环冲洗液，污染物被清洗液冲刷带走；
27.步骤六、冲洗：采用预处理的合格产水冲洗纳滤系统内残余的清洗液；
28.步骤七、重新启动系统：清洗完成后重新启动系统。
29.进一步地，清洗条件为进水和浓水之间的标准化压差上升了15％或者系统连续运行达到3～5个月。
30.本发明与现有技术相比具有以下效果：
31.通过本技术提升了饮用水深度处理的回收率，有效减少浓水排放二次污染；
32.通过预先配置一定浓度的食盐溶液，利用离子交换膜电解装置产生酸碱液，无需投加其他药剂，有效减少了纳滤系统的维护需求，降低了运行能耗；
33.本技术能够自行检测预测指标，自调控进行周期性清洗，无需投加其它药剂，并实现60％以上的二价盐去除率，有效减少了纳滤系统的维护需求，减轻了纳滤浓水的处理难度，环保效益好，经济效益高，适用于村镇供水和浓水排放要求高的城市供水。
附图说明
34.图1为本技术的系统流程示意图；
35.图2为采用本技术系统的盐分去除效果图，当纳滤膜组件的运行压力为0.2-0.4mpa时，图a)显示为运行30min时对钙离子去除率为85％～97％，对硫酸根去除率为95％
～99％；图b)显示为运行12h时对钙离子去除率为60％～66％，对硫酸根去除率为75％～96％。
具体实施方式
36.具体实施方式一：结合图1～2说明本实施方式，一种少药自调控式纳滤耦合系统，包括原水进水箱1、跌水曝气塔2、自驱动生态膜超滤3、纳滤进水箱4、纳滤膜组件5、纳滤产水箱6、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱10、酸液储备箱11及食盐水箱14，其中，
37.原水进水箱1、自驱动生态膜超滤3、纳滤进水箱4、纳滤膜组件5及纳滤产水箱6依次通过管路连通设置，纳滤膜组件5的产水管路上还连接设置有初产水排放管15；
38.纳滤膜组件5的浓水接口连通设置有浓水排放管31，所述浓水排放管上连接设置有浓水回流管32，且所述浓水回流管连接至纳滤膜组件5的进水端；
39.食盐水箱14通过管路分别连通至离子交换膜电解反应器的阴极室7及阳极室8，离子交换膜电解反应器的阴极室7通过管路连接至碱液储备箱10，离子交换膜电解反应器的阳极室8通过管路连接至酸液储备箱11，碱液储备箱10与酸液储备箱11分别通过管路连接至清洗加压泵17的输入端，清洗加压泵17的输出端通过管路连接至纳滤膜组件5的进水端，纳滤膜组件5的浓水接口通过管路分别连接至碱液储备箱10及酸液储备箱11，碱液储备箱10连接设置有清洗碱液排放管18，酸液储备箱11连接设置有清洗酸液排放管19；
40.各管路上通过设置阀门控制管路通断。
41.通过原水进水箱1、跌水曝气塔2、自驱动生态膜超滤3、纳滤进水箱4、纳滤膜组件5及产水箱依次连接形成过滤系统；
42.通过纳滤膜组件5的浓水接口、浓水排放管31及浓水回流管32依次连接形成浓水处理系统；
43.通过食盐水箱14、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱10、酸液储备箱11形成组件清洗系统。通过组件清洗系统对纳滤膜组件5进行如碱洗可酸洗等化学清洗，清洗条件为进水和浓水之间的标准化压差上升了15％或者连续运行达到3～5个月；
44.所述初产水排放管15上设置有初产水排放阀22。如此设计，通过设置初产水排放阀22及初产水排放管15路，便于单独排放初产水。清洗完成后初期产水排放10分钟以上或直至系统正常启动运行产水清澈为止。
45.所述跌水曝气塔2优选采用板条式曝气塔，板条层数为4-6层，层间净距为400mm～600mm，优选为板条层数5层，层间净距为500mm。
46.纳滤进水箱4与纳滤膜组件5之间的连接管路上设置有压力传感器24，通过压力传感器24监测纳滤膜组件5内的压力变化。纳滤进水箱4与纳滤膜组件5之间的连接管路上设置阀门控制通断。
47.离子交换膜电解反应器阴极室7和离子交换膜电解反应器阳极室8被离子交换膜、离子交换膜隔板分隔开；
48.纳滤膜组件5的产水管路与纳滤产水箱6的进水管路连通，纳滤膜组件5的产水管路上以及纳滤产水箱6的进水管路上分别设置有阀门，以控制纳滤膜组件5产水排放。
49.食盐水箱14的出水管路上设置有阀门，便于控制食盐水箱14的出水。
50.离子交换膜电解反应器的阴极室7与碱液储备箱10之间的管路为碱液通道，其上
设置有阀门；离子交换膜电解反应器的阳极室8与酸液储备箱11之间的管路为酸液通道，其上设置有阀门。
51.碱液储备箱10与清洗加压泵17之间的连接管路上、酸液储备箱11与清洗加压泵17之间的连接管路上、清洗加压泵17与纳滤膜组件5之间的连接管路上分别设置有清洗控制阀。清洗水从纳滤膜组件5的浓水接口循环至碱液储备箱10及酸液储备箱11。清洗碱液排放管18及清洗酸液排放管19用于排放清洗废水，清洗碱液排放管18及清洗酸液排放管19上分别设置清洗液排放控制阀。
52.纳滤膜的驱动压力为0.2mpa-0.4mpa之间。如此设计，纳滤膜技术能有效去除水中的多种污染物，包括有机物、部分无机污染物等，纳滤膜的驱动压力为0.2mpa-0.4mpa之间，实现纳滤膜以超低压模式运行，使纳滤膜污染发生形态转变，进而有效降低清洗难度，减少清洗频率，达标产水的同时有效降低了制水能耗。所述自驱动生态膜超滤3利用跌水曝气塔2和自驱动生态膜超滤3的高度差来控制膜过滤压力，膜过滤压力为6kpa，远低于传统超滤工艺，自驱动生态膜超滤3采用0.03μm的孔径；
53.纳滤膜组件5优选采用0.2mpa-0.4mpa的运行压力，优选0.4mpa的运行压力，此时纳滤膜组件5对进水中硫酸根去除率为75％～99％，对钙离子去除率为60％～97％；
54.离子交换膜电解反应器电解食盐水产生酸碱液，酸液的ph约为2左右，碱液的ph约为12左右。
55.离子交换膜电解反应器的阳极室8与酸液储备箱11之间的连接管路上连接设置有中压紫外线脱氯器26。如此设计，离子交换膜电解反应器阳极室8产生的酸液先经过中压紫外线脱氯器26处理后输送至酸液储备箱11。
56.所述纳滤膜组件5为碟管式纳滤膜组件5。
57.原水进水箱1与跌水曝气塔2之间的连接管路上设置有曝气塔进水泵27，纳滤进水箱4与纳滤膜组件5之间的连接管路上设置有纳滤进水泵28，食盐水箱14与离子交换膜电解反应器之间的连接管路上设置有离子交换膜电解进水泵30。
58.浓水排放管上设置有纳滤浓水排放阀，浓水回流管管上设置有纳滤浓水回流阀。
59.跌水曝气塔2连接设置有浮球阀23。由浮球阀控制跌水曝气塔2内的水位。
60.自驱动生态膜超滤3的孔径为0.03μm。
61.一种上述少药自调控式纳滤耦合系统的使用方法，包括产水过程、浓水处理过程及组件清洗过程，其中，
62.所述产水过程为：原水由原水进水箱1依次经过跌水曝气塔2、自驱动生态膜超滤3、纳滤进水箱4、纳滤膜组件5后，得到纳滤产水及纳滤浓水，其中纳滤产水进入纳滤产水箱6，纳滤浓水进入浓水处理过程；原水进水箱1输入来水，来水进入跌水曝气塔2中进行预处理，提高溶解氧，为去除原水中的fe、mn等污染物提供充分条件；经跌水曝气塔2预处理后的出水进入自驱动生态膜超滤3，颗粒物、胶体、悬浮物和病原微生物等被截留，降低原水可生化性，减少碟管式纳滤膜组件污染，所述自驱动生态膜超滤3利用跌水曝气塔2和自驱动生态膜超滤3的高度差来控制膜过滤压力，自驱动生态膜超滤3可以使有机物分子量降低，溶解性有机物可以缓解纳滤表面形成某些带刺晶型的结晶，保护纳滤膜；自驱动生态膜超滤3出水储存至纳滤进水箱4，然后进入纳滤膜组件5；
63.所述浓水处理过程为：
64.产水过程中离开纳滤膜组件5的浓水，一部分通过浓水排放管31排放，而其余部分浓水则通过浓水回流管32回流进入纳滤进水泵27的吸水口，再次进入纳滤膜组件5进行净化，此时保持浓水排放管31、浓水回流管32和产水过程中管路上的阀门为开启状态，纳滤膜组件5和碱液储备箱10、酸液储备箱11之间的连接管路上的阀门处于关闭状态。通过浓水部分回流实现了系统回收率控制，同时增加了膜组件内的流速，降低了膜污染风险。
65.所述组件清洗过程包括如下步骤：
66.步骤一、清洗液发生：食盐水箱14中的水流入离子交换膜电解反应器阴极室7及阳极室8，电解后产生酸碱液分别排入酸液储备箱11和碱液储备箱10；酸性清洗的ph约为2左右，碱性清洗的ph约为12左右。
67.步骤二、低流量清洗：用清洗加压泵17以低清洗液压力置换原水；清洗压力以控制系统不会产生明显的渗透产水为宜，目的是置换元件内的原水；
68.纳滤膜组件5可以选择酸液或者碱液，单独或同时清洗；
69.酸洗时，关闭碱液储备箱10吸水管路上的纳滤膜组件清洗控制阀，开启酸液储备箱11吸水管路上的纳滤膜组件清洗控制阀，酸液经过清洗加压泵17的加压，控制纳滤膜组件清洗控制阀流入纳滤膜组件5，低流量输入清洗液；
70.碱洗时，关闭酸液储备箱11吸水管路上的纳滤膜组件清洗控制阀，开启碱液储备箱10吸水管路上的纳滤膜组件清洗控制阀，碱液经过清洗加压泵17的加压，流入纳滤膜组件5，低流量输入清洗液；
71.步骤三、循环：清洗液从原水进水口进入纳滤膜组件5，从浓水接口出水，此时纳滤膜组件5与纳滤进水箱4之间的连接管路上的阀门处于关闭状态，清洗液循环回对应酸液储备箱11及碱液储备箱10并保证清洗液温度恒定；所述循环过程持续30min。
72.步骤四、浸泡：停止清洗加压泵17，让膜元件完全浸泡在清洗液中；所述浸泡过程持续1h以上。
73.步骤五、高流量清洗：采用高流量循环冲洗液，污染物被清洗液冲刷带走；高流量水泵循环过程持续30～60min。
74.步骤六、冲洗：采用预处理的合格产水冲洗纳滤系统内残余的清洗液；冲洗过程持续30min。
75.步骤七、重新启动系统：清洗完成后重新启动系统。重新启动后的初产水不能排入纳滤产水箱6，设单独的初产水排放阀22与管道；
76.酸碱液储备箱10设置清洗碱液排放控制阀和清洗酸液排放控制阀排放清洗废水。
77.清洗条件为进水和浓水之间的标准化压差上升了15％或者系统连续运行达到3～5个月。

技术特征：
1.一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：包括原水进水箱(1)、跌水曝气塔(2)、自驱动生态膜超滤(3)、纳滤进水箱(4)、纳滤膜组件(5)、纳滤产水箱(6)、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱(10)、酸液储备箱(11)及食盐水箱(14)，其中，原水进水箱(1)、自驱动生态膜超滤(3)、纳滤进水箱(4)、纳滤膜组件(5)及纳滤产水箱(6)依次通过管路连通设置，纳滤膜组件(5)的产水管路上还连接设置有初产水排放管(15)；纳滤膜组件(5)的浓水接口连通设置有浓水排放管(31)，所述浓水排放管(31)上连接设置有浓水回流管(32)，且所述浓水回流管(32)连接至纳滤膜组件(5)的进水端；食盐水箱(14)通过管路分别连通至离子交换膜电解反应器的阴极室(7)及阳极室(8)，离子交换膜电解反应器的阴极室(7)通过管路连接至碱液储备箱(10)，离子交换膜电解反应器的阳极室(8)通过管路连接至酸液储备箱(11)，碱液储备箱(10)与酸液储备箱(11)分别通过管路连接至清洗加压泵(17)的输入端，清洗加压泵(17)的输出端通过管路连接至纳滤膜组件(5)的进水端，纳滤膜组件(5)的浓水接口通过管路分别连接至碱液储备箱(10)及酸液储备箱(11)，碱液储备箱(10)连接设置有清洗碱液排放管(18)，酸液储备箱(11)连接设置有清洗酸液排放管(19)；各管路上通过设置阀门控制管路通断。2.根据权利要求1所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：纳滤膜的驱动压力为0.2mpa-0.4mpa之间。3.根据权利要求1或2所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：离子交换膜电解反应器的阳极室(8)与酸液储备箱(11)之间的连接管路上连接设置有中压紫外线脱氯器(26)。4.根据权利要求1所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：所述纳滤膜组件(5)为碟管式纳滤膜组件(5)。5.根据权利要求1、2或4所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：原水进水箱(1)与跌水曝气塔(2)之间的连接管路上设置有曝气塔进水泵(27)，纳滤进水箱(4)与纳滤膜组件(5)之间的连接管路上设置有纳滤进水泵(28)，食盐水箱(14)与离子交换膜电解反应器之间的连接管路上设置有离子交换膜电解进水泵(30)。6.根据权利要求1所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：浓水排放管(31)上设置有纳滤浓水排放阀，浓水回流管(32)上设置有纳滤浓水回流阀。7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：跌水曝气塔(2)连接设置有浮球阀(23)。8.根据权利要求1所述的一种少药自调控式纳滤耦合系统，其特征在于：自驱动生态膜超滤(3)的孔径为0.03μm。9.一种上述权利要求1-8中任一权利要求所述少药自调控式纳滤耦合系统的使用方法，其特征在于：包括产水过程、浓水处理过程及组件清洗过程，其中，所述产水过程为：原水由原水进水箱(1)依次经过跌水曝气塔(2)、自驱动生态膜超滤(3)、纳滤进水箱(4)、纳滤膜组件(5)后，得到纳滤产水及纳滤浓水，其中纳滤产水进入纳滤产水箱(6)，纳滤浓水进入浓水处理过程；所述浓水处理过程为：
产水过程中离开纳滤膜组件(5)的浓水，一部分通过浓水排放管(31)排放，其余部分浓水通过浓水回流管(32)回流再次进入纳滤膜组件(5)进行净化；所述组件清洗过程包括如下步骤：步骤一、清洗液发生：食盐水箱(14)中的水流入离子交换膜电解反应器阴极室(7)及阳极室(8)，电解后产生酸碱液分别排入酸液储备箱(11)和碱液储备箱(10)；步骤二、低流量清洗：用清洗加压泵(17)以低清洗液压力置换原水；步骤三、循环：清洗液从原水进水口进入纳滤膜组件(5)，从浓水接口出水，此时纳滤膜组件(5)与纳滤进水箱(4)之间的连接管路上的阀门处于关闭状态，清洗液循环回对应酸液储备箱(11)及碱液储备箱(10)并保证清洗液温度恒定；步骤四、浸泡：停止清洗加压泵(17)，让膜元件完全浸泡在清洗液中；步骤五、高流量清洗：采用高流量循环冲洗液，污染物被清洗液冲刷带走；步骤六、冲洗：采用预处理的合格产水冲洗纳滤系统内残余的清洗液；步骤七、重新启动系统：清洗完成后重新启动系统。10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于：清洗条件为进水和浓水之间的标准化压差上升了15％或者系统连续运行达到3～5个月。

技术总结
一种少药自调控式纳滤耦合系统及使用方法，属于水处理技术领域。本发明解决了现有纳滤为核心的膜法水处理技术化学药剂依赖性高、运行能耗高、维护需求大的问题。包括进水箱、跌水曝气塔、自驱动生态膜超滤、纳滤进水箱、纳滤膜组件、纳滤产水箱、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱、酸液储备箱及食盐水箱，通过原水进水箱、跌水曝气塔、自驱动生态膜超滤、纳滤进水箱、纳滤膜组件及产水箱依次连接形成过滤系统；通过纳滤膜组件的浓水接口、浓水排放管及浓水回流管依次连接形成浓水处理系统；通过食盐水箱、离子交换膜电解反应器、碱液储备箱、酸液储备箱形成组件清洗系统。本申请能够自行检测预测指标，自调控进行周期性清洗，无需投加其它药剂。其它药剂。其它药剂。


技术研发人员：郑成志 梁恒 吴传栋 王金龙 胡龙凤 孙铎 房睿 黄凯敏
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学 广东粤海水务投资有限公司
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/7