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渗滤液处理系统运行性能优化研究
添加时间: 2021/6/21 18:45:23 来源: 作者: 点击数:351

渗滤液处理系统运行性能优化研究

开题报告

   渗滤液处理系统运行性能优化研究                     

课题立项单位 上海环境集团运营管理有限公司  

课题参与单位 洛阳环洛环境再生能源有限公司  

  上海勤世环保科技有限公司      

            乐俊超            

 

202068


1.研究问题

1.1课题来源、选题依据和背景情况

垃圾焚烧厂渗沥液的污染负荷高和成分复杂,对处理工艺提出了特殊的要求。近年来,垃圾渗沥液处理取得了迅速的发展。国内外主要采用生化+物化的方法进行处理处置。包括生化处理技术和膜技术(超滤、纳滤和反渗透)。但在膜处理过程中会产生浓缩液的问题,即高盐废水的处理问题。

目前,虽然高盐废水的处理方法多样,但其对于废水原料要求严格,很多工艺都不能满足处理较高盐度废水的条件。以生物法除高盐废水中的有机物为例,COD和总氮去除率随着盐度的增大会明显降低,而经驯化后的活性污泥耐盐度最高也只能达到5%。超滤、反渗透等膜技术或离子交换树脂处理高浓盐废水虽然能得到较高的水回收率,但废水中高浓度的盐类离子会对膜或树脂造成严重腐蚀,且随着浓缩液浓度、黏度的不断增大,废水中有机物和Ca2+、Mg2+等易结垢离子极易堵塞膜孔或树脂,并对膜或树脂造成不可再生的污染和损害。

加热蒸发工艺广泛应用于电力、石化、煤化工和采油等组成复杂的高盐废水处理,技术成熟,适用于处理盐度超过8%的废水浓缩。热的高盐废水经过不断蒸发浓缩,固相盐分从中析出,溶剂蒸发转为气相后经冷凝继续循环使用。加热蒸发形式多样,其中多效蒸发和机械压缩蒸发应用广泛,而与膜分离技术耦合而成的膜蒸馏Membrane DistillationMD技术也受到广泛关注。

膜蒸馏是利用相变(液相转为汽相)的膜分离过程。是以多孔疏水膜为汽液界面支承层的蒸发过程,也是以膜两侧温差为推动力的跨膜传质过程。在传质过程中,膜作为两相间的屏障,没有传统膜技术的分离作用,整个分离过程完全由冷热两侧气液平衡决定。膜蒸馏过程是热量和质量同时传递的过程。基于MD膜的疏水性,水溶液不能从膜孔中通过,仅挥发的蒸气通过膜孔,从高蒸气压侧向低蒸气压侧传递,不挥发组分则被疏水膜阻挡在热侧,从而产生了膜的透过通量,实现了混合物的分离、提纯或浓缩

膜蒸馏过程较其他膜分离过程(反渗透)的操作压力低,几乎是在常压下进行,设备简单、操作方便,在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能。在膜蒸馏过程中无需把溶液加热到沸点,只要膜两侧维持适当的温差,该过程便可以运行,这就有可能利用太阳能、地热、温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等,对在能源日趋紧张的情况下,利废节能是很有意义的。在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中,因为只有水蒸气能透过膜孔,所以蒸馏十分纯净,有望成为大规模低成本制备超纯水的手段。膜蒸馏技术在化工高盐废水浓缩、金属加工高盐废水浓缩、废酸浓缩项目中等均有应有。但要将膜蒸馏技术应用于渗滤液高盐废水的处理,还需要更加深入细致的研究。

1.2课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值

课题欲通过膜蒸馏技术对纳滤和反渗透所产生的浓缩液高盐废水进行处理,有效的利用焚烧厂余热,进一步减少浓缩液,达到低能耗、高效率、节能减排的要求。

2.文献综述(文献综述不得少于2000字)

1)国内外在该研究方向的研究现状及发展动态

2)研究问题在本研究领域应用上的地位与价值

1、膜蒸馏的背景及原理介绍

膜蒸馏Membrane DistillationMD是在20世纪八十年代初发展起来的一种新型分离技术,是膜分离技术与传统蒸发过程相结合的新型膜分离过程,它与常规蒸馏一样都以汽液平衡为基础,依靠蒸发潜热来实现相变。在传递过程中,膜作为两相间的屏障,没有传统膜技术的分离作用,整个分离过程完全冷热两侧气液平衡决定。膜蒸馏过程是热量和质量同时传递的过程。基于MD膜的疏水性,水溶液不能从膜孔中通过,仅挥发的蒸气通过膜孔,从高蒸气压侧向低蒸气压侧传递,不挥发组分则被疏水膜阻挡在热侧,从而产生了膜的透过通量,实现了混合物的分离、提纯或浓缩。这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似,所以称其为膜蒸馏过程

MD系统中,根据膜下游侧冷凝方式的不同,膜蒸馏过程主要有以下类型:(1)直接接触膜蒸馏(DCMD)(2)空气隙膜蒸馏(AGMD)(3)减压膜蒸馏(VMD)(4)气扫膜蒸馏(SGMD)

  

在膜蒸馏形式方面,目前空气隙膜蒸馏(AGMD)和减压膜蒸馏(VMD)应用相对为主,其次是直接接触膜蒸馏(DCMD),而气扫膜蒸馏(SGMD)的研究则较少。减压膜蒸馏工艺简单,操作控制方便和工作效率高以及易于工业化等特点,在中大型规模的系统中被普遍采用

目前膜蒸馏研究只限于以水溶液为研究对象,所以膜的疏水性和微孔性是膜蒸馏的必要条件。了得到较高的通量和较高的溶质截留系数,要求所用的疏水微孔膜具有尽可能大的孔径,但两侧的液体又不能进入膜孔。为了制备疏水性的膜,常采用疏水性高分子材料,如聚四氟乙烯( PTFE ) 、聚丙烯( PP) 、聚乙烯( PE) 、聚偏氟乙烯( PVDF) 等。

2膜蒸馏中的热传递研究

膜蒸馏过程中的热传递主要由部分组成, 一部分是在传质过程中的汽化、冷凝;另一部分是分离膜本身的热传导。在很多研究工作中对这种形式的传热速率进行了成功的计算。汽化、冷凝热传递是必须的、正常的, 但在渗透蒸馏过程中对通量会造成一定影响:一般认为渗透蒸馏是在恒温下进行的, 但实际上由于汽化/冷凝热传递会使膜两侧造成温差, 不利于渗透蒸馏的进行。对直接接触式膜蒸馏研究表明, 传质对传热的影响是可以忽略的, 料液的温度起较大的作用, 当料液温度低于50 , 热传导是热量损失的主要来源。分离膜的热传导会降低膜两侧的温差, 对膜蒸馏是不利的, 所以降低分离膜的导热系数是十分必要的, 如增加膜的孔隙率、增加膜的厚度, 都是有利的措施, 但也要考虑到增加膜厚度对传质是不利的。选择合适的膜材料、提高料液的温度和流速也可以减少热损失的比例。

3浓度极化和温度极化的研究

膜蒸馏过程中的质量传递会导致膜表面溶质浓度不同于本体料液浓度,在膜表面和本体料液之间形成浓度边界层,这就是浓度极化现象。同样由于热量传递,膜上游侧表面的温度会低于料液本体的温度,而膜下游侧表面温度高于渗透液主体的温度,形成温度边界层,这就是温度极化现象。浓度极化和温度极化必然对膜蒸馏过程造成不利影响。大量研究工作表明, 在采用各种数学模型分析传质机量时, 必须考虑浓度极化和温度极化的影响。两者相比, 温度极化影响更为严重。 在关于 LiBr水溶液膜蒸馏过程中,浓度边界层和温度边界层对通量的影响都不可忽视。当浓度小于5%, 浓度边界层的影响可以忽略, 而温度边界层比浓度边界层大得多。但在渗透蒸馏过程中, 浓度极化对传质过程的影响起重要作用。

4膜结构对膜蒸馏的影响

分离膜的结构包括膜厚、平均孔径、孔径分布、孔隙率等参数。用于膜蒸馏的分离膜应该有足够大的孔径又不能使料液进入膜孔。研究平均孔径和孔径分布对通量影响的结果表明, 孔径分布比较窄的膜性能更为优秀。在以往的研究工作中, 人们只注意到使用前膜的形态结构, 忽略了使用中膜的结构变化。Lauson 等人研究了膜蒸馏过程中膜压密的影响,这在超滤( UF) 、反渗透( RO) 过程中普遍存在的现象会给膜蒸馏带来益处, 适当的压密可减小膜的厚度而提高蒸馏通量。当然过度的压密会造成孔径和孔隙率的降低, 反而使通量降低。

5、膜蒸馏研究的价值

膜蒸馏本身的特点决定了该技术与其它分离技术相比有着无法比拟的优点:

1膜蒸馏过程较其他膜分离过程(反渗透)的操作压力低,几乎是在常压下进行,设备简单、操作方便,在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性。

2理论上可以100%截留离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发性物质,蒸馏液十分纯净,能够回用到大多说工艺段,是低成本制备超纯水的有效手段。由于膜蒸馏能耗较高, 在纯水制造方面尚不能与反渗透竞争。但如果有可利用的廉价能源, 如太阳能、地热、温热的工业废水等, 膜蒸馏会成为有竞争力的造水技术。

3该过程可以处理极高浓度的水溶液,如果溶质是容易结晶的物质,可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象,是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程。

4系统设计成潜热回收形式,膜组件和系统的合理设计, 尽可能回收汽化潜热, 是提高膜蒸馏造水竞争力的有力措施,可以灵活的使用高效的小型膜组件构成大规模生产体系。

5在该过程中无需把溶液加热到沸点,只要膜两侧维持适当的温差。MD操作温度比传统的蒸馏低,可以利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。尤工厂有余热或低品位废热,能够有效的降低MD运行能耗和运行成本。

6)在高浓度水溶液浓缩方面膜蒸馏过程潜力是反渗透过程无法比拟的。浓水溶液极高的渗透压使反渗透过程无法运行, 而膜蒸馏可把水溶液浓缩至过饱和状态, 特别是渗透蒸馏在浓缩果汁、果酱等对温度较敏感的物质方面优点是其它膜过程不具备的。

    课题欲通过膜蒸馏技术对纳滤和反渗透所产生的浓缩液高盐废水进行处理,有效的利用焚烧厂余热,进一步减少浓缩液,达到低能耗、高效率、节能减排的要求。

3研究内容

明确研究对象、研究内容及工作范围

1MD膜膜蒸馏技术用于垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化的研究

研究MD膜蒸馏技术用于垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化的可行性,以及对垃圾渗滤浓缩液可浓缩的倍数

2有效利用锅炉余热减少垃圾渗滤浓缩液的研究

研究利用垃圾焚烧厂锅炉余热对垃圾渗滤浓缩液高盐废水进行减量化的可行性,并进行经济分析。

3筛选合适的MD膜用于处理垃圾渗滤高盐废水

MD膜蒸馏技术是一种比较新颖的膜蒸发技术,所需要的膜不仅能够耐高温,还需要具有疏水性。本项目利用现有情况筛选出合适的膜种类,进行蒸馏技术的技术创新。

 

4.拟解决的关键技术

明确工作中的关键技术难点,提出解决的方法

4.1 课题的主要难点在于:

1垃圾渗滤浓缩液减量。

利用(MD)膜蒸馏的方式,进一步减少垃圾渗滤浓缩液的产生量,探求(MD)膜蒸馏用于处理垃圾渗滤浓缩液高盐废水时,对垃圾渗滤浓缩液最佳减量倍数及最佳操作温度,同时产生的纯水可以重复利用。

2)锅炉余热利用。

通过余热对膜蒸馏的原水进行加温,降低能量损失,减少渗滤液处理能耗,节能减排。

3MD膜蒸馏技术的膜的筛选

MD膜蒸馏技术是一种比较新颖的膜蒸发技术,所需要的膜不仅能够耐高温,还需要具有疏水性。本项目利用现有情况筛选出合适的膜种类,进行蒸馏技术的技术创新。

4.2 课题的主要难点解决方案:

1)将先进行小试研究,找出MD膜蒸馏技术用于处理垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化时的若干关键因素及相关数据,并对不同的膜进行细致研究筛选出几种合适的膜

2)根据小试阶段得出的数据再进行中试研究,找出合适的运行参数及运行方式,保障MD膜蒸馏技术用于垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化处理系统安全稳定运行。

5.工作方法

1)选择科学的工作方法,制订完整的技术路线

2)工作方案的可行性分析,预设工作中可能遇到的难点,提出解决的方法

5.1 工作方法

课题将先进行小试研究,找出MD膜蒸馏技术用于对垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化时的若干关键因素及相关数据,并对不同的膜进行细致研究设计筛选出几种合适的膜

中试阶段将根据小试阶段得出的数据再进行研究,找出合适的运行参数及运行方式,保障MD膜蒸馏技术用于垃圾渗滤浓缩液高盐废水减量化处理系统安全稳定运行。具体工艺流程如下所示:

5.1 工艺流程图

5.2 技术路线图

5.3可行性分析

上海环境集团运营管理有限公司具备多年垃圾渗滤液处理运营经验和众多垃圾焚烧厂工程项目,在垃圾渗滤液处理领域具有扎实的工作基础。

本课题在上海环境集团运营管理有限公司支持下,拟在洛阳环洛环境再生能源有限公司垃圾渗滤液处理运营线上开展工程应用研究,研究结果具有很强的工程意义。

上海勤世环保科技有限公司在垃圾渗滤液处理方面有着优良的研究基础,同时与多家高校及测试单位有着较好的合作,能够为研究测试提供检测平台。

6.预期成果和结论

对研究问题的解答进行科学预设,提出预期的工作成果

6.1、项目完成形式:

通过对(MD)膜蒸馏技术用于处理垃圾渗滤浓缩液高盐废水的研究,确定垃圾渗滤浓缩液最佳减量倍数及最佳操作温度

通过采用不同的膜对垃圾渗滤浓缩液高盐废水的研究,确定MD膜蒸馏技术用于处理垃圾渗滤浓缩液高盐废水时膜的性能参数。

6.2、考核指标:

对上述新工艺进行申请知识产权保护,形成专利1~2项;

 研究成果以学术论文形式在国内外杂志刊物上发表,多方共同撰写或单独发表高水平论文1~2篇;

 提出有效的渗滤液高盐废水处理方案,撰写研究总结报告1

3.3、成果:

 提出有效的渗滤液高盐废水处理方案,并应用于工程实践,解决工程实际问题。

 完成MD膜蒸馏装置一套。


7.项目预计效益

膜蒸馏过程的操作压力低,几乎是在常压下进行,设备简单、操作方便,在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能。在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中,因为只有水蒸气能透过膜孔,所以蒸馏十分纯净,有望成为大规模低成本制备超纯水的手段。

在膜蒸馏过程中无需把溶液加热到沸点,只要膜两侧维持适当的温差,该过程便可以运行,这就有可能利用太阳能、地热、温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等,对在能源日趋紧张的情况下,利废节能是很有意义的。

本项目可充分利用厂内锅炉余热,节约能源损耗。减少渗滤液浓缩液的产生,减少后续蒸发处理的费用,亦可减少整个系统废水零排放的运行成本。

 

8.工作计划(含实验、实践、设计、写作)

年度

季度

节点目标

2020

第一季度

项目任务书,文献整理总结。

第二季度

编制开题报告,制定实验方案,讨论并完善实验步骤,完成开题报告评审。

第三季度

准备实验材料及设备,实验装置安装完成。

第四季度

开始中试试验。

2021

第一季度

更换不同的膜,继续进行试验研究。

第二季度

整理数据,撰写论文,专利申请。

第三季度

论文发表,专利审批。

第四季度

项目结题。

第一季度

第二季度

第三季度

第四季度

本项目(课题)应于  2021年12 月 前进行验收。

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