正渗透—反渗透工艺同步污水再生和海水淡化的特性研究

发布时间：2017-08-16 06:18

  本文关键词：正渗透—反渗透工艺同步污水再生和海水淡化的特性研究

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【摘要】：城市污水回用和海水淡化是解决全球水资源短缺的重要方式。传统的城市污水深度处理技术和海水淡化技术存在高耗能和高处理成本等问题。因此,有必要建立新技术能够降低能耗并可同时实现城市污水再生和海水淡化。近几年发展起来的正渗透(Forward Osmosis,FO)膜分离技术与需要施加外加压力的传统膜法相比,具有低能耗、低膜污染等特点。本实验在优化FO运行条件的基础上,与反渗透(Reverse Osmosis,RO)联用,考察了系统的水通量、脱盐率和污染物截留特性,最后进行了经济和能耗分析,为同步污水再生和海水淡化提供了技术支持。论文首先研究不同压力下TFC-ES、CTA-ES和CTA-NW膜的纯水渗透系数(A值)和盐渗透系数(B值),以及不同汲取液浓度、不同错流速率和不同汲取液溶质对三种FO膜的水通量(Jw)和盐返混通量(Js)的影响以及膜污染情况,优选出性能最佳FO膜。结果表明:FO膜结构性能测试过程中,使用网格垫片时,三种FO膜的A值和B值均有增加,且随着压力增加而增加,其中TFC-ES膜的增加最多。汲取液浓度从0.1mol/L增加到0.6mol/L时,三种FO膜水通量和盐返混均增加,但非线性增长,三种FO膜水通量和盐返混大小顺序为TFC-ESCTA-ESCTA-NW。当原料液错流速率从8 cm/s增加到32 cm/s时,TFC-ES和CTA-ES膜的水通量增加幅度相当,而CTA-NW的增幅较少。接着采用优选的TFC-ES膜进行压力协同渗透(Pressure assited osmosis,PAO)性能测试,观察RO运行特性,在此基础上分析了PAO-RO组合工艺同步污水再生和海水淡化的可行性,并采用三维荧光光谱和凝胶色谱分析了处理过程中有机物和分子量的分布变化情况。结果表明:PAO测试过程中,Jw与压力成正相关,JS成下降趋势,对TOC的截留略有下降。RO测试中,随着进水浓度的增加,产水量和脱盐率均下降。以二沉出水为原料液,模拟海水为汲取液,采用PAO-RO联合工艺,运行12h后,系统产水量较单独RO工艺增加约150%,海水脱盐率达到94.8%,整个系统对二沉出水中TN、TP和TOC的去除率分别达到98.1%、98.4%和99.6%,蛋白类和腐殖酸类有机物均得到了很好的去除,出水物质分子量主要分布在80~500Da之间,达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GBT 19923-2005)。连续运行10天后,PAO初始水通量下降约25.6%,RO产水初始水通量下降19%,经反冲洗后PAO通量恢复95.2%,RO通量恢复99.1%。论文最后采用二沉出水为原料液,杭州湾海域海水为汲取液,研究PAO-RO工艺运行特性,并进行经济能耗分析。结果表明:运行12h后,系统产水量与单独RO工艺相比增加约45%,海水脱盐率达到97.8%。系统对二沉出水的TN、TP和TOC的去除率分别达到98.2%、97.5%和99.8%,产水纯净透明,达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GBT 19923-2005)。产水分子量主要分布在40~400Da之间。连续运行10天后,PAO初始水通量下降约23%,RO产水初始水通量下降9%,经反冲洗以后PAO通量恢复98%,RO通量恢复98.4%。FO-RO工艺相比单独SWRO节约30%的能耗成本,增加20%~25%的固定成本(Capital expenditure,CAPEX),同时节省15%%~25%的运行成本(Operational expenditure,OPEX)。当FO膜通量达到25L/m2h以上,FO-RO混合系统经济可行。与模拟海水条件下的结果相比,RO膜污染较重,说明实际海水增加了RO膜污染。
【关键词】：正渗透 压力协同渗透 污水回用 反渗透 海水淡化
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;P747
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRAT5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 国内外污水回用现状9-10
• 1.1.1 污水回用概况9-10
• 1.1.2 污水回用常用工艺10
• 1.2 海水淡化研究现状10-12
• 1.2.1 海水淡化概况10-11
• 1.2.2 海水淡化技术的研究进展11-12
• 1.3 正渗透膜处理技术12-18
• 1.3.1 正渗透过程原理12-13
• 1.3.2 正渗透膜特性和影响因素13-17
• 1.3.3 正渗透技术的应用17-18
• 1.3.4 压力协同渗透原理18
• 1.4 FO-RO联合工艺的展望18-19
• 1.5 技术路线及主要创新点19-20
• 1.5.1 技术路线19-20
• 1.5.2 主要创新点20
• 1.6 主要研究内容及意义20-21
• 1.6.1 研究内容20
• 1.6.2 研究意义20-21
• 2 实验材料和方法21-32
• 2.1 实验仪器和试剂21-23
• 2.1.1 主要仪器21-22
• 2.1.2 主要试剂22-23
• 2.2 实验装置23-25
• 2.2.1 正渗透膜23-24
• 2.2.2 原料液和汲取液24-25
• 2.2.3 正渗透装置的运行25
• 2.2.4 反渗透膜25
• 2.2.5 反渗透装置的运行25
• 2.3 实验方法25-32
• 2.3.1 正渗透膜水通量25-26
• 2.3.2 正渗透膜盐返混通量26-27
• 2.3.3 正渗透膜孔隙率的计算27-28
• 2.3.4 正渗透膜的A、B和S值测定28-29
• 2.3.5 正渗透膜截留率或反渗透脱盐率29
• 2.3.6 正渗透膜亲水性分析29
• 2.3.7 正渗透膜和反渗透膜形貌分析29
• 2.3.8 主要水质指标的测定29-30
• 2.3.9 三维荧光光谱测定方法30
• 2.3.10 分子量分布测定—凝胶渗透色谱法30-32
• 3 正渗透膜的性能测试32-41
• 3.1 正渗透膜结构32-34
• 3.2 正渗透膜的A、B和S值测定34-36
• 3.3 正渗透膜纯水通量36-38
• 3.3.1 不同汲取液浓度下的水通量及盐返混情况36-37
• 3.3.2 不同错流速率下水通量变化情况37-38
• 3.4 正渗透膜污染水通量38-39
• 3.5 小结39-41
• 4 PAO-RO工艺对模拟海水的处理效果41-50
• 4.1 压力协同渗透过程41-42
• 4.2 单独反渗透测试过程42-44
• 4.2.1 反渗透膜结构42-43
• 4.2.2 进水浓度对产水量和脱盐率的影响43-44
• 4.3 PAO-RO过程中水通量变化44-45
• 4.4 TDS的变化及有机物截留情况45-46
• 4.5 PAO-RO运行过程中EEM分析46-47
• 4.6 PAO-RO运行过程中分子量分布分析47-48
• 4.7 连续运行条件下的水通量变化及反冲洗情况48
• 4.8 小结48-50
• 5 PAO-RO对实际海水的处理和经济能耗初步分析50-61
• 5.1 PAO-RO过程中水通量及TDS变化50-51
• 5.2 连续运行 12h后的膜污染情况51-53
• 5.3 三维荧光光谱分析53-54
• 5.4 分子量分布分析54-55
• 5.5 连续运行条件下的水通量变化及反冲洗情况55-56
• 5.6 经济能耗分析56-59
• 5.6.1 能耗构成56-57
• 5.6.2 成本分析57-59
• 5.7 小结59-61
• 6 结论与建议61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 建议62-63
• 参考文献63-71
• 攻读学位期间主要的学术成果71-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 许艳;俞林波;赵洪启;;中水回用现状分析及展望[J];环境科技;2009年S1期

2 王江涛;关哈斯高娃;赵卫红;王修林;;东海海水中荧光溶解有机物质的三维荧光光谱特征[J];光谱学与光谱分析;2009年05期

3 张立卿;王磊;王旭东;王志盈;;城市污水二级出水有机物分子量分布和亲疏水特性对纳滤膜污染的影响[J];环境科学学报;2009年01期

4 张林妹;胡彩霞;杜鸿;张卫华;;中水回用现状与发展前景[J];水科学与工程技术;2008年01期

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本文编号：681802