申请日2016.09.09
公开(公告)日2016.12.07
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明提供一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统及方法，包括生物反应池部分、外置式正渗透膜分离部分和驱动液循环及浓缩部分;生物反应池部分包括生物反应区、泥水分离区;外置式正渗透膜分离部分中正渗透膜为具有拦截作用的半透膜;驱动液循环及浓缩部分的核心为多效蒸发器系统。本发明不仅达到高效处理船舶生活污水的目的，而且采用多级外置式的运行方式，设置泥水分离区，从装置设计角度降低了膜污染问题;以多效蒸发器为核心的驱动液循环及浓缩系统，保持了驱动液的稳定浓度及高效循环，同时可降低能耗。本发明不但可用于船舶上的生活污水处理还可用于日常生活污水处理。
摘要附图
权利要求书
1.一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统，其特征在于：包括生物反应池部分、外置式正渗透膜分离部分、驱动液循环及浓缩部分，生物反应池部分包括生物反应区、泥水分离区，生物反应区内设置有曝气装置，且生物反应区的底端通过管路依次连接污泥泵、出水阀门后与泥水分离区的底端连接，生物反应区的侧面通过管路依次连接蠕动泵、进水阀门后与泥水分离区的进水口连接，所述泥水分离区还设置有排水口，所述生物反应区还设置有排泥管;
外置式正渗透膜分离部分至少有两级，每级外置式正渗透膜分离部分均包括进水罐、进水侧蠕动泵与出水侧蠕动泵、进水侧阀门与出水侧阀门、进水侧流量计与出水侧流量计、进水侧进水压力表、正渗透膜组件;驱动液循环及浓缩部分包括驱动液罐、与驱动液罐连接的高效蒸发器，且驱动液罐和高效蒸发器的个数与正渗透膜分离部分的级数相等，且在泥水分离区与一级进水罐之间设置有起溢流作用的挡板;
所述正渗透膜组件为方形框架结构，且在方形框架结构内设置有正渗透膜，正渗透膜组件的进水侧壁上设置有进水侧进水管和进水侧出水管，正渗透膜组件的出水侧壁上设置有出水侧进水管和出水侧出水管;
相邻两级的进水罐之间设置有一号泵，每级的进水罐的第一接口依次连接进水侧蠕动泵、进水侧阀门、进水侧流量计、进水侧进水压力表后与对应的正渗透膜组件的进水侧进水管连接，每个正渗透膜组件的进水侧出水管与对应的进水罐的第二接口连接，每个正渗透膜组件的出水侧出水管与对应的驱动液罐的下端接口连接，驱动液罐的上端接口依次连接出水侧蠕动泵、出水侧阀门、出水侧流量计后与对应的正渗透膜组件的出水侧进水管连接，
一级驱动液罐的底端与一级高效蒸发器的进液口连接且两者之间的管路上设置有二号泵，二级驱动液罐以及二级以上的驱动液罐的底端分别通过管路依次连接三号泵、第一加热恒温装置后与对应级的高效蒸发器的进液口连接，第一加热恒温装置还与上一级的高效蒸发器的出液口连接，末级的高效蒸发器的出液口通过管路分别与所有驱动液罐的上端连接，每级的高效蒸发器的出气口与第二加热恒温装置连接后与下一级高效蒸发器的蒸汽入口连接，末级的高效蒸发器的出气口依次连接有冷凝器和淡水收集装置。
2.根据权利要求1所述的一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统，其特征在于：所述正渗透膜分离部分有三级，对应的驱动液罐和高效蒸发器个数为三个。
3.一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的方法，其特征在于：包括权利要求2所述的一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统，首先，将经过预处理及调节pH值后的生活污水注入生物反应池内，在曝气条件下于生物反应区用活性污泥对生活污水进行处理，污泥泵、泥水蠕动泵、排泥管及排水口间歇式运行，之后在泥水分离区进行泥水分离，分离出的水经溢流进入一级进水罐内，一级进水罐内的水经进水侧蠕动泵打入一级正渗透膜组件，形成进水侧循环;出水侧蠕动泵将一级驱动液罐中的驱动液打入正渗透膜组件，形成出水侧循环，由于正渗透膜两侧的液体存在渗透压差，水会自发的从进水侧进入出水侧;二号泵工作并将一级驱动液罐里的液体经一级高效蒸发器的进液口打入一级高效蒸发器，液体经过一级高效蒸发器后，蒸汽经一级高效蒸发器的出气口进入二级蒸汽入口，一级高效蒸发器中的剩余液体经一级高效蒸发器的出液口进入二级高效蒸发器的进液口，经二级高效蒸发器蒸发后，蒸汽经二级高效蒸发器的出气口进入三级蒸汽入口，二级高效蒸发器中的剩余液体经二级高效蒸发器的出液口进入三级高效蒸发器的进液口，三级高效蒸发器的出气口依次连接冷凝器和淡水收集装置;
其次，一级进水罐与二级进水罐之间的一号泵工作并将一级进水罐中的水打入二级进水罐中，二级进水罐内的生物预处理的生活污水经过进水侧进水蠕动泵打入二级正渗透膜组件，经进水侧出水管接回二级进水罐，形成进水侧循环，出水侧进水蠕动泵将二级驱动液罐中的驱动液打入二级正渗透膜组件，经出水侧出水管管接回二级驱动液罐，形成出水侧循环，二级驱动液罐底端连接的三号泵工作并将二级驱动液罐里的液体与一级高效蒸发器的出液口管接后接入一起第一加热恒温装置，然后经二级高效蒸发器的进液口接入二级高效蒸发器，蒸汽经二级高效蒸发器的出气口进入三级高效蒸发器，二级高效蒸发器中的剩余液体经二级高效蒸发器的出液口进入三级高效蒸发器的进液口，
再次，二级进水罐与三级进水罐之间的一号泵工作并将二级进水罐中的水打入三级进水罐中，三级进水罐中的生物预处理的生活污水经过进水侧进水蠕动泵打入三级正渗透膜组件，经进水侧出水管接回三级进水罐，形成进水侧循环，出水侧进水蠕动泵将三级驱动液罐中的驱动液打入三级正渗透膜组件，经出水侧出水管管接回三级驱动液罐，形成出水侧循环，三级驱动液罐底端连接的四号泵工作并将三级驱动液罐里的液体与二级高效蒸发器的出液口管接后接入至第二恒温装置，然后经三级蒸发器的进液口接入三级蒸发器;
最后，三级高效蒸发器的出液口将浓度高的液体分别通过管路接回至一级驱动液罐、二级驱动液罐和三级驱动液罐，三级高效蒸发器的出气口依次连接冷凝器和淡水收集装置完成淡水的收集。
4.根据权利要求3所述的一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的方法，其特征在于：生物反应池部分中的污泥泵、泥水蠕动泵、排泥管及排水口采取间歇式运行，即先运行泥水蠕动泵30min，关闭泥水蠕动泵，20min后运行污泥泵10min，关闭污泥泵，同时再次运行泥水蠕动泵，24小时不间断循环进行;排泥管为每8h进行一次排泥，排水口为每12小时进行一次排水。
5.根据权利要求3所述的一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的方法，其特征在于：各级进水罐之间的一号泵依次每隔11小时运行1小时;各级驱动液罐底端连接的二号泵、三号泵、四号泵也是依次每隔11小时运行1小时。
说明书
一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理系统，尤其涉及一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统及方法。
背景技术
进入21世纪以后，海洋开发和全球经贸开始迅猛发展，不仅是航运业还有造船业都有着空前的发展，但在发展的同时对海洋和内河、湖泊等水域的污染也在日益加重。如果大量的船舶生活污水未经过有效处理排入水域中，会对水环境和人类造成了严重的影响。船舶生活污水由于时变化系数较大，比城市污水更为新鲜(不经过化粪池)，污染负荷高，同时受到船体运动和颠簸效应的影响，直接采用陆地常规的生活污水处理工艺难以达到指标要求。
国际海事组织(IMO)及许多国家针对船舶生活污水制定了一系列严格的公约和法规，一些发达国家甚至要求在一些特定海域和港口禁止船舶排放任何生活污水，都是为了防止船舶生活污水对海洋、河流、湖泊等水域环境的污染。特别是当前船舶生活污水处理相对落后的国家在国际贸易、航运业发展等方面受到了越来越多的限制。我国是世界第一造船大国，但在船舶生活污水污染防治方面相对落后，为促进航运业发展，开发新型高效船用生活污水处理装置势在必行。
膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)集膜的高效分离和生物处理技术于一体，因体积小、受船体运动和颠簸效应影响小，有效实现了固液分离等优点，受到了各国学者的广泛关注，在船舶生活污水处理领域得到了广泛的应用。然而，广泛应用的MBR装置中严重的膜污染及其导致的频繁膜清洗与更换大大增加了能耗和运行费用;并且MBR对生活污水中的总氮、总磷控制能力有限，很难达到IMO制定的新标准MEPC.227(64)对出水水质的规定。这些问题在一定程度上限制了船用MBR的进一步推广和应用。
相比于一般的膜组件，正渗透膜具有一定的耐酸碱腐蚀能力，能够在较宽的pH范围内使用，并且能够经受酸碱清洗液的冲击，不仅高效还低污染、低能耗，已有少量研究表明其在处理效能上可与MBR相当，并对生活污水中总氮和总磷表现出很强的控制能力。因此，发展以正渗透膜为核心的正渗透膜生物反应器处理船舶生活污水可实现有效控制污染物指标及减缓膜污染、降低运行成本的目的。但现在的一些正渗透膜生物反应器难以长周期连续运转，正渗透膜将截留废水中的盐，使得生物反应池中的盐不断地累积，浓度越来越高，正渗透膜两侧的盐浓度差逐步缩小，渗透动力和排水通量逐渐降低，降低膜分离效率;同时，生物反应池中累积的高浓度盐也会抑制微生物活动，降低有机物的处理效率。这些问题限制了正渗透膜生物反应器的应用，阻碍了其发展，亟待创新。
发明内容
本发明的目的是为了处理船舶生活污水、回收废水中淡水、且减缓膜污染以及实现驱动液高效循环与利用、而提供一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统及方法。
本发明的目的是这样实现的：一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统，包括生物反应池部分、外置式正渗透膜分离部分、驱动液循环及浓缩部分，生物反应池部分包括生物反应区、泥水分离区，生物反应区内设置有曝气装置，且生物反应区的底端通过管路依次连接污泥泵、出水阀门后与泥水分离区的底端连接，生物反应区的侧面通过管路依次连接蠕动泵、进水阀门后与泥水分离区的进水口连接，所述泥水分离区还设置有排水口，所述生物反应区还设置有排泥管;
外置式正渗透膜分离部分至少有两级，每级外置式正渗透膜分离部分均包括进水罐、进水侧蠕动泵与出水侧蠕动泵、进水侧阀门与出水侧阀门、进水侧流量计与出水侧流量计、进水侧进水压力表、正渗透膜组件;驱动液循环及浓缩部分包括驱动液罐、与驱动液罐连接的高效蒸发器，且驱动液罐和高效蒸发器的个数与正渗透膜分离部分的级数相等，且在泥水分离区与一级进水罐之间设置有起溢流作用的挡板;
所述正渗透膜组件为方形框架结构，且在方形框架结构内设置有正渗透膜，正渗透膜组件的进水侧壁上设置有进水侧进水管和进水侧出水管，正渗透膜组件的出水侧壁上设置有出水侧进水管和出水侧出水管;
相邻两级的进水罐之间设置有一号泵，每级的进水罐的第一接口依次连接进水侧蠕动泵、进水侧阀门、进水侧流量计、进水侧进水压力表后与对应的正渗透膜组件的进水侧进水管连接，每个正渗透膜组件的进水侧出水管与对应的进水罐的第二接口连接，每个正渗透膜组件的出水侧出水管与对应的驱动液罐的下端接口连接，驱动液罐的上端接口依次连接出水侧蠕动泵、出水侧阀门、出水侧流量计后与对应的正渗透膜组件的出水侧进水管连接，
一级驱动液罐的底端与一级高效蒸发器的进液口连接且两者之间的管路上设置有二号泵，二级驱动液罐以及二级以上的驱动液罐的底端分别通过管路依次连接三号泵、第一加热恒温装置后与对应级的高效蒸发器的进液口连接，第一加热恒温装置还与上一级的高效蒸发器的出液口连接，末级的高效蒸发器的出液口通过管路分别与所有驱动液罐的上端连接，每级的高效蒸发器的出气口与第二加热恒温装置连接后与下一级高效蒸发器的蒸汽入口连接，末级的高效蒸发器的出气口依次连接有冷凝器和淡水收集装置。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述正渗透膜分离部分有三级，对应的驱动液罐和高效蒸发器个数为三个。
2.一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的方法，包括所述的一种多级外置式正渗透MBR处理船舶生活污水的系统，首先，将经过预处理及调节pH值后的生活污水注入生物反应池内，在曝气条件下于生物反应区用活性污泥对生活污水进行处理，污泥泵、泥水蠕动泵、排泥管及排水口间歇式运行，之后在泥水分离区进行泥水分离，分离出的水经溢流进入一级进水罐内，一级进水罐内的水经进水侧蠕动泵打入一级正渗透膜组件，形成进水侧循环;出水侧蠕动泵将一级驱动液罐中的驱动液打入正渗透膜组件，形成出水侧循环，由于正渗透膜两侧的液体存在渗透压差，水会自发的从进水侧进入出水侧;二号泵工作并将一级驱动液罐里的液体经一级高效蒸发器的进液口打入一级高效蒸发器，液体经过一级高效蒸发器后，蒸汽经一级高效蒸发器的出气口进入二级蒸汽入口，一级高效蒸发器中的剩余液体经一级高效蒸发器的出液口进入二级高效蒸发器的进液口，经二级高效蒸发器蒸发后，蒸汽经二级高效蒸发器的出气口进入三级蒸汽入口，二级高效蒸发器中的剩余液体经二级高效蒸发器的出液口进入三级高效蒸发器的进液口，三级高效蒸发器的出气口依次连接冷凝器和淡水收集装置;
其次，一级进水罐与二级进水罐之间的一号泵工作并将一级进水罐中的水打入二级进水罐中，二级进水罐内的生物预处理的生活污水经过进水侧进水蠕动泵打入二级正渗透膜组件，经进水侧出水管接回二级进水罐，形成进水侧循环，出水侧进水蠕动泵将二级驱动液罐中的驱动液打入二级正渗透膜组件，经出水侧出水管管接回二级驱动液罐，形成出水侧循环，二级驱动液罐底端连接的三号泵工作并将二级驱动液罐里的液体与一级高效蒸发器的出液口管接后接入一起第一加热恒温装置，然后经二级高效蒸发器的进液口接入二级高效蒸发器，蒸汽经二级高效蒸发器的出气口进入三级高效蒸发器，二级高效蒸发器中的剩余液体经二级高效蒸发器的出液口进入三级高效蒸发器的进液口，
再次，二级进水罐与三级进水罐之间的一号泵工作并将二级进水罐中的水打入三级进水罐中，三级进水罐中的生物预处理的生活污水经过进水侧进水蠕动泵打入三级正渗透膜组件，经进水侧出水管接回三级进水罐，形成进水侧循环，出水侧进水蠕动泵将三级驱动液罐中的驱动液打入三级正渗透膜组件，经出水侧出水管管接回三级驱动液罐，形成出水侧循环，三级驱动液罐底端连接的四号泵工作并将三级驱动液罐里的液体与二级高效蒸发器的出液口管接后接入至第二恒温装置，然后经三级蒸发器的进液口接入三级蒸发器;
最后，三级高效蒸发器的出液口将浓度高的液体分别通过管路接回至一级驱动液罐、二级驱动液罐和三级驱动液罐，三级高效蒸发器的出气口依次连接冷凝器和淡水收集装置完成淡水的收集。
3.生物反应池部分中的污泥泵、泥水蠕动泵、排泥管及排水口采取间歇式运行，即先运行泥水蠕动泵30min，关闭泥水蠕动泵，20min后运行污泥泵10min，关闭污泥泵，同时再次运行泥水蠕动泵，24小时不间断循环进行;排泥管为每8h进行一次排泥，排水口为每12小时进行一次排水。
4.各级进水罐之间的一号泵依次每隔11小时运行1小时;各级驱动液罐底端连接的二号泵、三号泵、四号泵也是依次每隔11小时运行1小时。
本发明原理为：
将经过预处理及调节pH值后的生活污水注入生物反应池内，在曝气条件下利用好氧条件下的活性污泥对生活污水进行处理，之后在生物反应池泥水分离区进行泥水分离，以减轻膜污染。泥水分离区和一级正渗透膜分离系统的进水管之间设置挡板，防止盐溶液的反渗影响污泥活性。泥水分离区中的水经溢流后进入一级正渗透膜分离系统的进水罐，期间污泥泵与泥水蠕动泵间歇式运行，排泥管间歇式排泥，排水口间歇式排水。溢流后进水罐内的水经过一级外置式正渗透膜分离系统的进水侧进水蠕动泵打入正渗透膜组件，经进水侧出水管接回进水罐，形成进水侧循环。一级外置式正渗透膜分离系统出水侧进水蠕动泵将驱动液罐中的驱动液打入正渗透膜组件，出水侧出水管管接回一级驱动液罐，形成出水侧循环。由于正渗透膜两侧的水流不断反向循环，使得依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程更为容易。随着正渗透膜分离系统的不断运行，驱动液浓度下降，为保持驱动液浓度与驱动液循环，多效蒸发器系统的每级蒸发罐与每级正渗透膜分离系统串联使用。即运行期间泵将一级驱动液罐里的驱动液经一级蒸发器的进液口打入一级蒸发器，驱动液经过一级蒸发器后，蒸汽经一级蒸汽出口进入二级蒸汽入口，剩余液体经一级出液口进入二级蒸发器的进液口。一级正渗透膜分离系统的进水罐中的水经过泵打入二级正渗透膜分离系统的进水罐，二级正渗透膜分离系统的进水罐内的水经过二级外置式正渗透膜分离系统的进水侧进水蠕动泵打入二级正渗透膜组件，经进水侧出水管接回二级进水罐，形成进水侧循环。二级外置式正渗透膜分离系统出水侧进水蠕动泵将驱动液罐中的驱动液打入正渗透膜组件，出水侧出水管管接回二级驱动液罐，形成出水侧循环。期间泵将二级驱动液罐里的驱动液与一级蒸发器的出液口管接后，经过加热恒温装置，保证一定的温度后，经二级蒸发器的进液口接入二级蒸发器，驱动液经过二级蒸发器后，蒸汽经二级蒸汽出口进入三级蒸发器，剩余液体经二级出液口进入三级蒸发器的进液口。三级正渗透膜分离系统与三级驱动液循环及浓缩系统的运行方法同理，区别在于三级蒸发器的出液口所排出的液体已是较高浓度的驱动液，保证了驱动液浓度的相对稳定，故管接回一级、二级、三级驱动液管使用，另三级蒸发器的蒸汽出口管接冷凝器，蒸汽遇冷凝结后即为收集的淡水。
随着系统的不断运行，进水罐中生活污水中的淡水会被驱动液汲取出来，进水罐中生活污水浓度势必上升，驱动液的浓度势必下降。然而经过每两个进水罐之间的蠕动泵的运行，且每级正渗透膜分离系统的不断运行，最终达到的结果是：三级进水罐中污水浓度>二级进水罐中污水浓度>一级进水罐中污水浓度。由于每级进水罐中的驱动液浓度的不同，其汲取能力不同，故相同浓度的驱动液汲取到的淡水是不同的，结果会导致驱动液的浓度不同，故可对应多效蒸发器进行驱动液的处理，因每一级蒸发器的出液口的浓度也不同，故把每级驱动液与对应蒸发器出液口管接后接入下一级的蒸发器。每级驱动液罐的驱动液浓度由末级蒸发罐出液口驱动液进行补给，保持了驱动液浓度的相对稳定，使得驱动液可以循环使用。最终的末级蒸发器，其蒸气出口经冷凝器即为淡水，其出液口即为较高浓度的驱动液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种以正渗透膜分离技术为核心的生活污水处理系统和方法，采用多级的外置式正渗透膜分离系统，辅以多效蒸发器为核心的驱动液循环及浓缩系统，并将二者分级对应，实现驱动液驱动下的膜高效分离净化过程，结合生活污水的好氧预处理系统从系统设计及运行角度达到高效处理船舶生活污水、减轻膜污染及降低能耗的目的。也即本发明不仅达到了船舶生活污水处理的目的，而且采用多级外置式的运行方式，降低了膜污染问题，保持了驱动液的稳定浓度和高效循环，同时可有效降低能耗，不但可用于船舶上的生活污水处理还可用于处理日常生活污水。