申请日2013.03.05
公开(公告)日2013.06.12
IPC分类号C02F1/44; C02F9/14; C02F1/08
摘要
本发明涉及一种城市污水碳源回收处理方法及装置，包括以下步骤：将城市污水作为原料液经过滤后通入正渗透膜组件一侧，在正渗透膜组件另一侧的汲取液的作用下进入正渗透膜组件另一侧的汲取液筒，其中所述汲取液为海水;将汲取液筒中被稀释的海水通入膜分离组件，在所述膜分离组件的产水出口收集产水，再将膜分离的浓水流回到所述汲取液筒;使用城市污水作为原料液，海水作为汲取液进入正渗透系统，原料液中的水透过正渗透膜，污染物被截留，从而使城市污水被浓缩，海水被稀释，同时实现污水浓缩和海水脱盐，降低城市污水处理成本，实现有机碳源回收，并且稀释的海水易于脱盐，降低海水淡化的成本。
权利要求书
1.一种城市污水碳源回收处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将城市污水作为原料液经过滤后通入正渗透膜组件一侧，在正渗 透膜组件另一侧的汲取液的作用下进入正渗透膜组件另一侧的汲取液筒，其 中所述汲取液为海水;
(2)将汲取液筒中被稀释的海水通入膜分离组件，在所述膜分离组件 的产水出口收集产水，再将膜分离浓缩的海水流回到所述汲取液筒。
2.根据权利要求1所述一种城市污水碳源回收处理方法，其特征在于， 包括步骤(3)将步骤(1)正渗透膜组件后浓缩的城市污水通入上流式厌 氧污泥床反应器中反应后进入沉淀池中沉淀澄清。
3.根据权利要求1所述一种城市污水碳源回收处理方法，其特征在于， 步骤(2)所述膜分离组件为反渗透膜组件、膜蒸馏膜组件、反渗透-膜蒸馏 膜组件、纳滤-反渗透-膜蒸馏膜组件中任意一种。
4.一种城市污水碳源回收处理装置，其特征在于，包括过滤装置、正 渗透原料液筒、正渗透组件、汲取液筒、汲取剂回收装置及第一产水收集装 置，所述过滤装置的进水口通过管道连通城市污水;所述过滤装置的第一出 水口通过管道连通所述正渗透原料液筒的第一进水口;所述正渗透原料液筒 的第一出水口通过原料液泵连通所述正渗透组件的原料液一侧的进水口，所 述正渗透组件的原料液一侧的出水口连通所述正渗透原料液筒的第二进水 口;所述正渗透组件的汲取液一侧的出水口与所述汲取液筒的第一进水口连 通;所述汲取液筒的第一出水口通过汲取液泵连通所述正渗透组件的汲取液 一侧的进水口;所述汲取液筒的第二出水口连通所述汲取剂回收装置;所述 汲取剂回收装置的汲取液出口连通所述汲取液筒;所述汲取剂回收装置的产 水出口连通所述第一产水收集装置。
5.根据权利要求4所述一种城市污水碳源回收处理装置，其特征在于， 还包括上流式厌氧污泥床反应器、沉淀池、气体收集装置及第二产水收集装 置，所述过滤装置的第二出水口及所述正渗透原料液筒的浓缩出口均与所述 上流式厌氧污泥床反应器的进水口连通;所述上流式厌氧污泥床反应器的气 体出口与所述气体收集装置连通;所述沉淀池的进水口与所述上流式厌氧污 泥床反应器的出水口连通;所述沉淀池底端的污泥出口连通所述上流式厌氧 污泥床反应器的污泥口;所述第二产水收集装置连通所述沉淀池。
6.根据权利要求4或5所述一种城市污水碳源回收处理装置，其特征 在于，所述汲取剂回收装置为反渗透膜组件，所述汲取液筒的第二出水口通 过泵与所述反渗透膜组件的高压侧连通;所述反渗透膜组件的高压侧的浓水 出口与所述汲取液筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口与所述第一产水收 集装置连通。
7.根据权利要求4或5所述一种城市污水碳源回收处理装置，其特征 在于，所述汲取剂回收装置包括膜蒸馏组件及膜蒸馏透过液筒，所述汲取液 筒的第二出水口通过膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通;所述膜 蒸馏组件的高温侧的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏组件的产水 出口与所述膜蒸馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第一出口 通过透过液水泵与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过液筒的 第二出口与所述第一产水收集装置连通。
8.根据权利要求4或5所述一种城市污水碳源回收处理装置，其特征 在于，所述汲取剂回收装置包括反渗透膜组件、膜蒸馏料液筒、膜蒸馏组件、 膜蒸馏透过液筒，所述汲取液筒的第二出水口通过反渗透进料泵与所述反渗 透组件的高压侧连通;所述反渗透膜组件的高压侧的浓水出口与所述汲取液 筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口与所述膜蒸馏料液筒连通，所述膜蒸 馏料液筒的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏料液筒的出水口通过 膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通;所述膜蒸馏组件的高温侧的 浓水出口与所述膜蒸馏料液筒连通;所述膜蒸馏组件的产水出口与所述膜蒸 馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第一出口通过透过液水泵 与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过液筒的第二出口与所述 第一产水收集装置连通。
9.根据权利要求4或5所述一种城市污水碳源回收处理装置，其特征 在于，所述汲取剂回收装置包括纳滤膜组件、反渗透料液筒、反渗透膜组件、 膜蒸馏料液筒、膜蒸馏组件、膜蒸馏透过液筒，所述汲取液筒的第二出水口 通过纳滤进料泵与所述纳滤膜组件的高压侧连通，所述纳滤膜组件的高压侧 的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述纳滤膜组件的产水口与所述反渗透料 液筒的进水口连通;所述反渗透料液筒的出水口通过反渗透进料泵与所述反 渗透组件的高压侧连通;所述反渗透膜组件的高压侧的浓水出口与所述反渗 透料液筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口与所述膜蒸馏料液筒连通，所 述膜蒸馏料液筒及反渗透料液筒与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏料液筒的 出口通过膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通;所述膜蒸馏组件的 高温侧的浓水出口与所述膜蒸馏料液筒连通;所述膜蒸馏组件的产水出口与 所述膜蒸馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第一出口通过透 过液水泵与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过液筒的第二出 口与所述第一产水收集装置连通。
说明书
一种城市污水碳源回收处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种污水碳源回收处理方法及装置，尤其涉及一种城市污水 碳源回收处理方法及装置，属于污水处理领域。
背景技术
水资源短缺和能源危机是影响全球可持续发展的限制因素，同时水资源 污染形势日益严峻。随着城市化进程的加快，城市污水排放量增加，使城市 污水成为水污染的一个重要来源，城市水污染问题日益受到重视。如何以低 成本方式实现非清洁水源的资源化成为重要的研究课题。膜分离技术由于适 用范围广、分离效率高、工艺简单、对环境影响小等特点被广泛应用于水处 理领域。其中压力驱动膜分离技术，如微滤(MF)，超滤(UF)，纳滤(NF) 以及反渗透(RO)在水处理中得到了广泛应用。但是这类压力驱动膜分离技 术需要外加压力，既提高了运行成本，同时运行中常常伴随着严重的膜污染， 降低了其运行效率。
近年来，依靠溶液自身的渗透压作为驱动力的正渗透(forward osmosis， FO)技术逐渐引起国内外研究者的广泛关注。以渗透压为驱动力的正渗透技 术与传统的膜分离过程相比具有回收率高、浓水排放少、无需外压、膜污染 低的显著优势，因而成为一种低能耗、低污染的可持续发展膜分离工艺，在 水处理方面具有巨大的潜在应用价值。
正渗透是指水从较高水化学势(或较低渗透压)一侧通过选择透过性膜 流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧的过程，是一种不需外加压力作驱 动力，而仅依靠渗透压驱动的膜分离过程。在具有选择透过性膜的两侧分别 放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feed solution，FS)，另一种为具有较高渗透压的汲取液(Draw solution，DS)， 利用膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使水自发地从原料液一侧透过选择 透过性膜到达汲取液一侧。
城市污水污染倾向高，渗透压低，可以作为正渗透过程中的原料液，利 用正渗透技术分离特性得到浓缩。正渗透过程中可使用的汲取溶质主要有： 糖类如葡萄糖、果糖等，盐类如NaCl、MgCl2、Al2(SO4)3、NH4HCO3等及磁性 纳米粒子等。但是糖类汲取剂目前仅用于军事、远征探险、灾害救援及娱乐 等领域，应用范围较窄，且可应用规模较小，不适合大规模的水处理工程。 NH4HCO3可以通过加热分解实现产品水分离和溶质的循环利用，但存在的问题 是NH4HCO3溶解并不完全且已发生分解，能否持续稳定地提供足够高的理想 渗透压是一个疑问，并且其回收利用并非单纯的物理变化，涉及到生成三种 不同性质铵盐的化学反应，增加了维持汲取液稳定性的难度。磁性汲取剂可 在提供较高渗透压的同时，通过磁性分离装置与淡水简单分离，实现循环利 用。但随着回收再使用次数的增多，汲取液中的磁性粒子出现团聚，影响汲 取液的渗透压，降低了产水通量，并且其实验室制作成本很高，且潜在的使 用次数有限，故还需进一步研究。海水本身具有较高的渗透压(27atm)，且 在沿海地区经济易得，可循环使用，无结垢现象，并且其溶液很容易通过膜 分离过程再浓缩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种城市污水碳源回收处理方法及 装置，克服现有技术中的正渗透过程中采用糖类作为汲取剂应用范围窄及不 能用于大规模的水处理、采用NH4HCO3作为汲取剂的维持其稳定性难度较大、 采用磁性汲取剂容易出现磁性粒子团聚，影响其渗透压，降低产水通量的缺 陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种城市污水碳源回收 处理方法，包括以下步骤：
(1)将城市污水作为原料液经过滤后通入正渗透膜组件一侧，在正 渗透膜组件另一侧的汲取液的作用下进入正渗透膜组件另一侧的汲取液筒， 其中所述汲取液为海水;
(2)将汲取液筒中被稀释的海水通入膜分离组件，在所述膜分离组件 的产水出口收集产水，再将膜分离的浓的海水流回到所述汲取液筒;
本发明的有益效果是：使用城市污水作为原料液，海水作为汲取液进入 正渗透系统，原料液中的水透过正渗透膜，污染物被截留，从而使城市污水 被浓缩，海水被稀释，同时实现污水浓缩和海水脱盐，降低城市污水处理成 本，实现有机碳源回收，并且稀释的海水易于脱盐，降低海水淡化的成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，包括步骤(3)将步骤(1)经正渗透膜组件后浓缩的城市污 水通入上流式厌氧污泥床反应器中反应后进入沉淀池中沉淀澄清。
采用上述进一步方案的有益效果是：浓缩的城市污水通过厌氧工艺处 理，实现有机碳源回收。
进一步，步骤(2)所述膜分离组件为反渗透膜组件、膜蒸馏膜组件、 反渗透-膜蒸馏膜组件、纳滤-反渗透-膜蒸馏膜组件中任意一种。
采用上述进一步方案的有益效果是：稀释的海水采用反渗透、膜蒸馏、 反渗透-膜蒸馏或纳滤-反渗透-膜蒸馏等任一工艺进一步脱盐，实现汲取剂 循环利用并获得高纯度产水。
本发明还提供一种城市污水碳源回收处理装置，包括过滤装置、正 渗透原料液筒、正渗透组件、汲取液筒、汲取剂回收装置及第一产水收集装 置，所述过滤装置的进水口通过管道连通城市污水;所述过滤装置的第一出 水口通过管道连通所述正渗透原料液筒的第一进水口;所述正渗透原料液筒 的第一出水口通过原料液泵连通所述正渗透组件的原料液一侧的进水口，所 述正渗透组件的原料液一侧的出水口连通所述正渗透原料液筒的第二进水 口;所述正渗透组件的汲取液一侧的出水口与所述汲取液筒的第一进水口连 通;所述汲取液筒的第一出水口通过汲取液泵连通所述正渗透组件的汲取液 一侧的进水口;所述汲取液筒的第二出水口连通所述汲取剂回收装置;所述 汲取剂回收装置的汲取液出口连通所述汲取液筒;所述汲取剂回收装置的产 水出口连通所述第一产水收集装置。
本发明的有益效果是：采用正渗透组件处理城市污水，不需要外加压力 或者在很低的外加压力下运行，能耗低;膜污染情况相对较轻;能够持续长 时间的运行而易于清洗，降低膜清洗费用及化学清洗剂对环境的污染;回收 率高、无浓水排放、环境友好。
进一步，还包括上流式厌氧污泥床反应器、沉淀池、气体收集装置及第 二产水收集装置，所述过滤装置的第二出水口及所述正渗透原料液筒的浓缩 出口均与所述上流式厌氧污泥床反应器的进水口连通;所述上流式厌氧污泥 床反应器的气体出口与所述气体收集装置连通;所述沉淀池的进水口与所述 上流式厌氧污泥床反应器的出水口连通;所述沉淀池底端的污泥出口连通所 述上流式厌氧污泥床反应器的污泥口;所述第二产水收集装置连通所述沉淀 池。
采用上述进一步方案的有益效果是：由于城市污水处理装置中还加设有 上流式厌氧污泥床反应器、沉淀池、气体收集装置及第二产水收集装置，可 以将通过正渗透组件处理的浓缩城市污水能够通过厌氧工艺处理达标并实 现有机碳源的资源化回收，也可以将过滤后的城市污水直接通过厌氧工艺处 理后沉淀得到产水。
进一步，所述汲取剂回收装置为反渗透膜组件，所述汲取液筒的第二出 水口通过反渗透进料泵与所述反渗透膜组件的高压侧连通;所述反渗透膜组 件的高压侧的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口 与所述第一产水收集装置连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过反渗透膜组件可以高效回收海 水并产出纯水，回收的海水重新作为汲取液进入正渗透系统的汲取液筒循环 利用，无浓水排放，环境污染小。
进一步，所述汲取剂回收装置包括膜蒸馏组件及膜蒸馏透过液筒，所述 汲取液筒的第二出水口通过膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通; 所述膜蒸馏组件的高温侧的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏组件 的产水出口与所述膜蒸馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第 一出口通过透过液水泵与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过 液筒的第二出口与所述第一产水收集装置连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过膜蒸馏组件及膜蒸馏透过液筒 可以高效回收海水并产出纯水，经过膜蒸馏组件回收的海水重新作为汲取液 进入正渗透系统的汲取液筒循环利用，无浓水排放，环境污染小。
进一步，所述汲取剂回收装置包括反渗透膜组件、膜蒸馏料液筒、膜蒸 馏组件、膜蒸馏透过液筒，所述汲取液筒的第二出水口通过反渗透进料泵与 所述反渗透组件的高压侧连通;所述反渗透膜组件的高压侧的浓水出口与所 述汲取液筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口与所述膜蒸馏料液筒连通， 所述膜蒸馏料液筒的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏料液筒的出 水口通过膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通;所述膜蒸馏组件的 高温侧的浓水出口与所述膜蒸馏料液筒连通;所述膜蒸馏组件的产水出口与 所述膜蒸馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第一出口通过透 过液水泵与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过液筒的第二出 口与所述第一产水收集装置连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过反渗透膜组件、膜蒸馏料液筒、 膜蒸馏组件、膜蒸馏透过液筒可以高效回收海水并产出纯水，经过反渗透膜 组件及膜蒸馏组件回收的海水均重新作为汲取液进入正渗透系统的汲取液 筒循环利用，无浓水排放，环境污染小。
进一步，所述汲取剂回收装置包括纳滤膜组件、反渗透料液筒、反渗透 膜组件、膜蒸馏料液筒、膜蒸馏组件、膜蒸馏透过液筒，所述汲取液筒的第 二出水口通过纳滤进料泵与所述纳滤膜组件的高压侧连通，所述纳滤膜组件 的高压侧的浓水出口与所述汲取液筒连通;所述纳滤膜组件的产水口与所述 反渗透料液筒的进水口连通;所述反渗透料液筒的出水口通过反渗透进料泵 与所述反渗透组件的高压侧连通;所述反渗透膜组件的高压侧的浓水出口与 所述反渗透料液筒连通;所述反渗透膜组件的产水出口与所述膜蒸馏料液筒 连通，所述膜蒸馏料液筒及反渗透料液筒与所述汲取液筒连通;所述膜蒸馏 料液筒的出口通过膜蒸馏进料泵与所述膜蒸馏组件的高温侧连通;所述膜蒸 馏组件的高温侧的浓水出口与所述膜蒸馏料液筒连通;所述膜蒸馏组件的产 水出口与所述膜蒸馏透过液筒的进水口连通;所述膜蒸馏透过液筒的第一出 口通过透过液水泵与所述膜蒸馏组件低温透过侧连通;所述膜蒸馏透过液筒 的第二出口与所述第一产水收集装置连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过纳滤膜组件、反渗透膜组件、 膜蒸馏料液筒、膜蒸馏组件、膜蒸馏透过液筒可以高效回收海水并产出纯水， 经过纳滤膜组件、反渗透膜组件及膜蒸馏组件回收的海水均重新作为汲取液 进入正渗透系统循环利用，无浓水排放，环境污染小。