基于气液接触酸化换热的膜蒸馏处理废水的方法
技术领域
：本发明属于废水处理领域，具体涉及焚烧工艺以及膜分离
技术领域
，尤其涉及一种基于气液接触酸化换热的膜蒸馏处理废水的方法。背景技术
：废水即生产生活污废水，生产污废水是工业生产过程中产生的废水，其中包含了各种工艺流程中随水排放的污染物；生活污废水是居民日常生活中产生的水；废水种类繁杂，涉及污染物较多，例如冶炼废水含重金属、石油炼制工业含酚类、印染废水含各种染剂、垃圾填埋场的沥滤液含多种有毒有害物质等。为保障水环境安全，废水处理高效处理必不可少。
在国家工业迅速发展，而大量工业生产需要消耗大量能量，焚烧产能，例如燃煤发电、垃圾焚烧，被作为重要的供能方式在工业化生产中广泛采用；然而，焚烧产生的烟气所持的余热被忽视，没有很好地利用，造成的能源损失高达70%；随着气候变暖，在“双碳”目标下，节能减排尤为重要，如何提高低效能热的多级利用尤为关键。
膜蒸馏技术是一种以热为驱动的新兴膜分离技术，与其他高压驱动的膜技术相比，对于电能的依赖低，并且低压运行具备强劲的抗污染性能；由于膜蒸馏过程采用疏水膜，只允许气相物质通过膜孔，理论上能够100%截留离子和大分子，在高污染的废水处理中充满潜力；尤为重要的是，膜蒸馏可以在低温下运行，使其能够高效的利用低温的废热，实现低碳运行。
发明内容
：本发明提供一种基于气液接触酸化换热的膜蒸馏处理废水的方法，该方法可回收烟气中的余热，且可对颗粒物进行截留，避免二次污染。
在研究中发现：在膜蒸馏处理具有复杂繁多的污染物组分的废水时，有机物和无机物的复合污染会使得膜表面污垢沉积，引起通量下降、截留性能下降、膜润湿等相关问题；通过对废水的酸化处理，可以有效降低膜蒸馏中膜表面污染层的沉积，保持较好的膜截留性能和膜通量的稳定。
在焚烧产能中，需要排放的高温烟气，而这些高温烟气含有酸性气体，通常需要通过脱硫处理以降低对环境的危害，基于此，本发明利用烟气与废水在换热塔中直接接触后自然形成的酸液，作为膜蒸馏处理的进料液，能够为后续的浓缩过程提供酸性环境；通过气液接触换热，回收烟气中的余热，为膜蒸馏处理废水提供驱动力，为了避免废水的颗粒状物质进入换热塔堵塞喷头以及烟气中残渣在换热后随酸液进入膜蒸馏系统等情况发生，本发明在进料水箱后和膜蒸馏系统浓缩器前各设置了一套微滤预处理系统，对颗粒物进行截留，避免二次污染。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
S1：将进料水箱中的废水经过微滤预处理，分离去除渗滤液中颗粒性固体杂质；
S2：将所述经过微滤处理的废水以喷淋的形式在换热塔中与对流的烟气直接接触，完成换热，形成酸液与烟气残渣一同落入一级收集盘内；
S3：气液直接接触换热塔内经过换热后的烟气升至塔顶经除雾器再排放，可以使得烟气夹带的雾粒、浆液滴被捕集下来，有效防止液滴被携带到换热塔外，造成循环水的损失及烟道腐蚀。
S4：将所述一级收集盘内液体经过微滤预处理后，截留大部分烟气残渣，使得酸液进入一级膜蒸馏系统，进行处理；
S5：启动膜蒸馏系统，实现酸化废水的高效处理，将所述膜蒸馏池冷端渗透水汇集于出水池；
S6：将所述经一级膜蒸馏系统热端出水口液体重新以喷淋的形式进入换热塔，与对流烟气直接接触，完成二次换热，回收经一次换热后的烟气部分余热，形成酸液落入二级收集盘内；
S7：重复上述步骤，直至烟气温度低于25 ℃，完成多级膜蒸馏系统的运行；
S8：将步骤5中所得的浓缩液进行相对应的处理，主要为两大类：一类是具有高价值污染物的浓缩液，可以利用结晶、蒸发等提取可回收组分，达到资源再利用的目的；一类是难以降解的污染物，可以通过生物、化学以及物理方法进一步处理；
S9：对于微滤预处理系统，当通量小于初始通量的50%时，应进行清洗。
进一步的，上述处理废水方法的设备包括气液直接接触换热塔、设在气液直接接触换热塔中的收集盘、位于收集盘上方的喷淋盘和位于气液直接接触换热塔底部的烟气管道，所述喷淋盘通过管路依次与微滤预处理系统和废水进料水箱连接，所述收集盘通过管路与另一微滤预处理系统连接，另一微滤预处理系统依次连接浓缩器和膜组件热端，所述膜组件热端与微滤预处理系统和废水进料水箱之间的管路连通，膜组件冷端通过管路与冷却恒温槽连通，冷却恒温槽和膜组件冷端均与出水池连通，浓缩器出端连接浓缩液后处理设备。
进一步的，上述换热过程的换热方式为低温废水以喷淋形式进入换热塔，直接接触逆流而上的烟气进行换热，水气比为0.1~10；所述换热塔即气液直接接触换热塔，其体内可根据需要设置不同高度和数量的喷淋盘以实现烟气余热的多级热回收，充分利用热能。
进一步的，上述换热塔顶设置了W形除雾器，以有效防止液滴被烟气携带到换热器外，造成循环水损失及烟道腐蚀。
进一步的，上述的用于雾化的喷嘴为实心锥喷嘴，喷射角度为50~70°，喷淋高度为2~4 m；
进一步的，上述的微滤预处理系统用于过滤烟气残渣，减缓后续膜蒸馏系统结垢问题。
进一步的，上述的废水包括各浓度的工业污废水以及生活污废水。
进一步的，上述的膜蒸馏膜材料为中空纤维膜或平板膜形式，材质为PVDF、PTFE、PP疏水膜材料，其平均孔径为0.01 μm~5.00 μm。
进一步的，上述的膜蒸馏系统包括直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、真空式膜蒸馏（VMD）、扫气式膜蒸馏（SGMD）系统。
进一步的，根据热回收情况，膜蒸馏系统热端的运行温度可为35~75 ℃；经气液直接接触换热后形成的混合液为酸性，有利于减缓膜表面晶体沉积，减少污染，保证膜蒸馏过程的稳定运行。
与现有技术相比，本发明的有益成效在于：
1、根据复合污染特性，利用气液混合后形成的酸液作为膜蒸馏系统的进料液，节省了溶液酸化的费用，有利于减缓膜表面的污染层沉积；
2、利用烟气余热作为膜蒸馏系统的驱动力，可以回收烟气中的显热、水蒸气的潜热，降低膜蒸馏的能耗；
3、气液两相流体直接接触换热面积大，传热传质瞬间完成，没有间壁热阻，换热效率高；
4、引入了多级膜蒸馏，可以利用换热塔内不同高差下的不同烟气余热作为多级膜蒸馏供热端，能够更加充分地利用余热，热效率提高；
5、对于含有高价值物质的浓缩液可以利用结晶蒸发等技术进行资源回收，具有良好的经济效益和环境效益；
6、本方法适用于大部分废水的处理，浓缩液的后处理视具体情况而定，因势利导，有着现实的指导意义；
该废水处理系统有机组合气液直接接触换热塔与膜蒸馏系统，充分利用膜蒸馏的抗污染特性，结合烟气余热利用，强化膜蒸馏系统的抗污染性能并充分实现能源的利益最大化，可实现废水的高效处理。
附图说明
：图1为本发明的单级膜蒸馏工艺流程图；
图2为本发明的多级膜蒸馏工艺流程图；
图中各数字代表含义如下：1-气液直接接触换热塔；2-烟气管道；3-喷淋盘；4-收集盘；5-W型除雾器；6-微滤预处理系统；7-浓缩器；8-膜组件热端；9-膜；10-膜组件冷端；11-废水进料水箱；12-出水池；13-冷却恒温槽；14-热端管路；15-冷端管路；16-浓缩液后处理设备。
具体实施方式
：
结合附图和废水处理实施例对本发明做进一步的说明，但不仅限于本实施例。
本案例的待处理废水中含大量K+（2000~3000mg/L）、Na+（500~800mg/L）、Mg2+（100~300mg/L）、Ca2+（100~200mg/L）等金属盐离子、氨氮（1650~1800mg/L）和有机物（500~750mg/L）等；本实施例中，产区的烟气废热量为112MW，废水量为953.6m3/d；多级膜蒸馏典型废水处理能耗为100kW/m3，表明通过结合该厂区废热回收，能够实现废水的全处理。
具体实施如图1所示，
实施例一，该装置包括气液直接接触换热塔1、设在气液直接接触换热塔中的收集盘4、位于收集盘上方的喷淋盘和位于气液直接接触换热塔底部的烟气管道，所述喷淋盘通过管路依次与第一微滤预处理系统6和废水进料水箱11连接，所述收集盘通过管路与第二微滤预处理系统连接，第二微滤预处理系统6依次连接浓缩器7和膜组件热端8，所述膜组件热端8与第一微滤预处理系统和废水进料水箱11之间的管路连通，膜组件冷端通过管路与冷却恒温槽13连通，冷却恒温槽和膜组件冷端均与出水池连通，浓缩器出端连接浓缩液后处理设备16。
膜蒸馏系统可以包括直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、真空式膜蒸馏（VMD）、扫气式膜蒸馏（SGMD）等系统，其具有膜组件热端8、膜9和膜组件冷端10；微滤预处理系统的滤膜孔径介于0.1~1μm，运行压力为0.3~1bar；浓缩器即为浓缩池，具体作用就是用于贮存浓缩液以便后续处理；浓缩液后处理设备包括但不限于蒸发器、各类生物、化学法处理工艺。
工作时，废水进料水箱（11）中的废液经过微滤预处理系统（6）处理去除颗粒性固体杂质后，以喷淋的形式进入气液直接接触换热塔（1）。在换热塔（1）中，从喷淋盘（3）中喷出的雾状废水与从烟道（2）中逆流而上的烟气对流，直接接触并完成换热，换热后的酸性混合液（pH=5.0~6.0）受重力作用落入收集盘（4），并通过另一个微滤预处理系统（6）过滤后进入膜蒸馏热端（8）；膜蒸馏热端出水返回废水进料管道15完成一次循环回水；在进入膜组件热端（8）的进料液事先在浓缩器（7）中不断得到浓缩，膜组件冷端（10）出水进入出水池（12）；利用气液直接接触换热的形式，使得膜蒸馏系统的运行温度为35~75 ℃，有效地利用了烟气显热和水蒸气的潜热；烟气出塔后温度可降至25 ℃，实现无害化排放；膜蒸馏系统可实现对废水中的有机物、金属离子99%以上的去除率，有效净化废水；通过酸化，可提升膜蒸馏对于氨氮的去除率至90%，浓缩废水5倍后，膜通量下降小于25%，相比减少20~40%的膜污染。
实施例二：该实施例与实施例一的区别在于，在气液直接接触换热塔内另设有多组收集盘和位于收集盘上方的喷淋盘，该多组收集盘均分别与膜组件热端连接，喷淋盘均分别与其它组的膜组件热端连接，各组膜组件冷端均与冷却恒温槽连接，同时也与出水池连接。
采用实施例二的方案可以实现烟气废热的多级利用，实现更高的废水处理回收率。多组喷淋盘和收集盘连接先后顺序不局限图2形式。
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