申请日2016.09.09
公开(公告)日2017.01.04
IPC分类号C02F9/10
摘要
本发明提供一种利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统及方法，包括超声波强化系统，多级正渗透膜分离系统和驱动液循环及浓缩系统;超声波强化系统包括发生装置和强化装置;多级正渗透膜分离系统中的正渗透膜为具有拦截作用的半透膜;驱动液循环及浓缩系统的核心为多效蒸发器系统，驱动液是具有高浓度的氯化钠或其它高浓度的易蒸馏的中性无机盐溶液。本发明采用超声波强化多级正渗透膜组件分离的运行方式，即可有效保证生活污水处理出水达标，也可降低膜污染，促进膜通量，保持驱动液浓度稳定和高效循环，从而有效降低能耗。本发明不但可用于船舶生活污水的处理，也可用于日常生活污水的处理。
摘要附图
权利要求书
1.利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统，其特征在于：包括正渗透膜分离部分、超声波强化部分、驱动液循环及浓缩部分，正渗透膜分离部分至少有两级，每级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;超声波强化部分包括设置在每级的正渗透膜组件上的强化装置和与强化装置连接的发生装置;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;
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，在正渗透膜组件的进水侧壁和出水侧壁上分别设置有五个超声波振板，且五个超声波振板构成强化装置，五个超声波振板分别位于对应侧壁的四个角以及中心位置，每个侧壁上的四个角的超声波振板分别与中心位置的超声波振板连接后与发生装置连接，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所述的利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统，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。
3.一种基于权利要求2所述的利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统的污水深度处理方法，其特征在于：
首先，将经过生物预处理的生活污水注入一级进水罐内，一级进水罐内的生物预处理的生活污水经进水侧蠕动泵打入一级正渗透膜组件，经超声波强化后，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，经超声波强化后，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生物预处理的生活污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，在超声波强化系统作用下，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，在超声波系统强化作用下，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生物预处理的生活污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，在超声波强化系统作用下，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，在超声波强化系统作用下，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所述的一种污水深度处理方法，其特征在于：超声波强化部分为间歇式运行，即每运行15min，停止45min，往复循环。
5.根据权利要求3所述的一种污水深度处理方法，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
利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种污水深度处理系统及方法，尤其涉及一种利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统及方法。
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。大量船舶生活污水未经过有效处理排入到水域中，不仅会对水环境生物产生影响，也会危害到人类健康。
国际海事组织(IMO)及许多国家针对船舶生活污水排放制定了一系列严格的公约及标准，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污水，从而避免船舶生活污水污染海洋、河流、湖泊等水域环境。这些公约及标准的指定使得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诸多的限制。目前，因膜分离装置体积小、受船体运动和颠簸影响小、且可有效实现固液分离等优点，而备受关注，以MBR为核心的处理装置在船舶生活污水处理领域得到了广泛的应用。然而，随着海洋环境保护意识的进一步加强，IMO提出了2016年各国需执行的新标准MEPC.227(64)，新标准中明确对船舶生活污水处理后排水中的总氮和总磷进行了严格的限制。众所周知，现有船用MBR处理装置对处理出水总氮与总磷指标控制能力有限，而新标准的推行势必威胁到现有MBR处理装置的处理能力;此外，广泛应用的MBR处理装置中存在的严重膜污染，以及因膜污染导致的频繁膜清洗与更换所产生的能耗与费用，也在一定程度上限制了MBR处理装置的进一步推广和应用。因此，新型船舶生活处理系统和处理方法的开发势在必行。
相比于一般的MBR处理系统，正渗透膜分离系统具有较好的控制生活污水中有机物、总氮及总磷的能力，且可适应较宽的污水pH范围，能够经受酸碱清洗液的冲击，具有高效、低污染、低能耗、运行周期长且稳定等特点。因此，发展以正渗透膜系统为核心的正渗透膜深度处理船舶生活污水的系统和方法，可实现有效控制出水污染物(总氮、总磷、有机物等)指标及减缓膜污染、降低运行成本的目的;进一步采用超声波强化正渗透膜系统的处理效能，既可实现处理过程与膜清洗同步，降低膜污染、延长膜使用周期、达到长期连续运转，也可缓解运行过程中因浓差极化而导致的渗透动力和排水通量降低的问题，从而提高膜分离效率。可见，发展以超声波强化正渗透膜深度处理船舶生活污水的系统和方法具有一定的创新意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了能够有效处理船舶生活污水、减缓膜污染并实现驱动液高效循环与利用的而提供一种利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统及方法。
本发明的目的是这样实现的：包括正渗透膜分离部分、超声波强化部分、驱动液循环及浓缩部分，正渗透膜分离部分至少有两级，每级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;超声波强化部分包括设置在每级的正渗透膜组件上的强化装置和与强化装置连接的发生装置;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;
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，在正渗透膜组件的进水侧壁和出水侧壁上分别设置有五个超声波振板，且五个超声波振板构成强化装置，五个超声波振板分别位于对应侧壁的四个角以及中心位置，每个侧壁上的四个角的超声波振板分别与中心位置的超声波振板连接后与发生装置连接，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.基于利用超声波强化多级正渗透膜污水深度处理系统的污水深度处理方法，首先，将经过生物预处理的生活污水注入一级进水罐内，一级进水罐内的生物预处理的生活污水经进水侧蠕动泵打入一级正渗透膜组件，经超声波强化后，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，经超声波强化后，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生物预处理的生活污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，在超声波强化系统作用下，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，在超声波系统强化作用下，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生物预处理的生活污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，在超声波强化系统作用下，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，在超声波强化系统作用下，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.超声波强化部分为间歇式运行，即每运行15min，停止45min，往复循环。
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。
本发明的原理是：将经过生物预处理后的船舶生活污水注入一级正渗透膜分离系统的进水罐，进水罐内的水经过一级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，在超声波强化作用下，经膜组件有效分离后由进水侧出水管接回进水罐，形成进水侧循环。一级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，在超声波强化作用下，降低浓差极化，由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二级正渗透膜组件，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。系统运行期间，超声波强化装置间歇式运行。
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。
系统运行期间，利用超声波在水中产生的机械振动和微湍流作用，促使污染物质从正渗透膜的表面脱离，减缓超滤膜污染发展速率;同时超声波产生的雾化作用也可消除部分浓差极化现象，增加膜通量。整个过程操作简单，动力消耗低，对膜无机械损坏，可实现生活污水高效处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用超声波强化多级正渗透膜组件分离的运行方式，即可有效保证生活污水处理出水达标，也可降低膜污染，促进膜通量，保持驱动液浓度稳定和高效循环，从而有效降低能耗。本发明不但可用于船舶生活污水的处理，也可用于日常生活污水的处理。也即本发明提供了一种以正渗透膜分离技术为核心的船舶生活污水深度处理的系统和方法，采用多级正渗透膜分离系统，辅以超声波强化系统处理效能并减缓膜污染发展速率，另耦合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，实现超声与驱动液驱动下的膜高效分离净化过程，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。