申请日 20200807
公开（公告）日 20201106
IPC分类号 C02F9/10; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统及处理方法。所述系统包括包括料液罐、道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件和渗透液罐。所述处理方法包括在料液罐中装入氨氮废水，在接收液罐装入驱动液，在渗透液罐中装入酸溶液；开启驱动泵，调节流量；计算一定时间内氨氮的迁移量；整个系统达到平衡时，停止反应，并对装置进行清洗处理。本发明能够同时实现废水中氨氮的去除与回收，并且耦合工艺比单独工艺的处理效率更佳，对从污水中回收氨氮的实际应用具有重要指导意义。系统中的驱动力均为浓差驱动，无需外加能源，是一种低能耗低成本的氨氮处理和回收系统，值得推广使用。
权利要求书
1.一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，其特征在于，包括料液罐、道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件和渗透液罐；其中，
所述道南渗析组件包括料液腔和接收液腔，所述料液腔和接收液腔通过阳离子交换膜分隔开，该料液腔和接收液腔均具有进液管和出液管，且料液腔的进液方向与接收液腔的进液方向相反；所述渗透蒸馏组件包括接收液腔和渗透液腔，所述接收液腔和渗透液腔通过疏水膜隔开，该接收液腔和渗透液腔具有进液管和出液管，且接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向相反；
所述道南渗析组件的料液腔的进液管和出液管分别通过管道与料液罐相连通，其接收液腔的进液管和出液管分别通过管道与接收液罐相连通，且在料液腔的进液管和接收液腔的进液管上分别设有一驱动泵；所述渗透蒸馏组件的接收液腔的进液管和出液管分别通过管道与接收液罐相连通，其渗透液腔的进液管和出液管分别通过管道与渗透液罐相连通，且在接收液腔的进液管和渗透液腔的进液管上也分别设有一驱动泵。
2.根据权利要求1所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，其特征在于，所述道南渗析组件和渗透蒸馏组件均包括上膜板和下膜板，所述上膜板和下膜板通过螺栓相连，在上膜板的下侧和下膜板的上侧的对应位置，分别开设有一凹槽；所述进液管和出液管分别设置在上膜板的两侧和下膜板的两侧，并与上膜板和下膜板上的凹槽相连通。
3.根据权利要求2所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，其特征在于，在上膜板和下膜板之间还设有一O型圈，所述O型圈位于上膜板和下膜板上的凹槽外侧；在上膜板上，对应该O型圈设有一密封槽，所述O型圈的上侧嵌设于该密封槽内。
4.根据权利要求2或3所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，其特征在于，所述上膜板和下膜板采用聚乙烯材料制成。
5.根据权利要求3所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，其特征在于，在阳离子交换膜两侧以及疏水膜的两侧还分别设置有隔网，所述隔网的四周与分别与上膜板或下膜板的四周固定，并将凹槽遮挡。
6.一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，其特征在于，采用如权1所述的渗析与渗透蒸馏耦合工艺处理氨氮废水的系统，具体包括如下步骤：
S1、在料液罐中装入氨氮废水，在接收液罐装入驱动液，在渗透液罐中装入酸溶液；
S2、开启驱动泵，调节料液罐与道南渗析组件、接收液罐与渗透蒸馏组件以及渗透蒸馏组件与渗透液罐之间的流量，使氨氮废水从料液罐依次经过道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件，最后到达渗透液罐；
S3、分别测定料液罐、接收液罐和渗透液罐中的pH，然后分别从料液罐、接收液罐和渗透液罐中取样，并测定样品中氨氮的浓度，计算一定时间内氨氮的迁移量；
S4、根据氨氮的迁移量确定整个系统达到平衡时，停止反应，并对装置进行清洗处理。
7.根据权利要求6所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，其特征在于，所述驱动液为碱溶液；所述驱动液中阳离子与待处理废水中氨氮的摩尔浓度比为1:1~100。
8.根据权利要求6所述的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，其特征在于，所述酸溶液中，H+与待处理废水中氨氮的摩尔比为1:1~2。
说明书
一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统及处 理方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种渗析与渗透蒸馏耦合工艺处理氨氮废水的系统及处理方法。
背景技术
氮是生物圈内最重要的元素之一，氨氮的价值很高，对现代农业、工业的贡献极大。目前，自然固氮已无法满足人类需求。一方面，人们利用Haber-Bosch工艺合成氨，以氨氮的形势获得氮资源，消耗巨大的能源并排放大量温室气体。另一方面，氨氮的不合理使用也带来了水体、土壤和生态环境的破坏。当前的水处理工艺将氨氮视为污染物，需要去除让水质达标。这忽视了氨氮的资源性价值，与可持续发展的理念不符。
现有的技术(生物法如基于活性污泥的系列技术、物化法如汽提、吹脱、离子交换、吸附、电渗析、电化学法等)或损失了氨氮的可利用价值，或成本能耗很高，不具备经济吸引力，因而制约了水体中氨氮的妥善去除与回收。合适的水处理技术需要以低能耗投入、兼顾氨氮削减和实现氨氮回收。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有技术中去除水中的氨氮后无法实现回收，造成氨氮浪费的问题，提供一种处理和回收氨氮废水的系统及处理方法，能够将废水中的氨氮富集后再回收利用，达到废物利用的目的，并且降低了回收氨氮的成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，包括料液罐、道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件和渗透液罐；其中，
所述道南渗析组件包括料液腔和接收液腔，所述料液腔和接收液腔通过阳离子交换膜分隔开，该料液腔和接收液腔均具有进液管和出液管，且料液腔的进液方向与接收液腔的进液方向相反；所述渗透蒸馏组件包括接收液腔和渗透液腔，所述接收液腔和渗透液腔通过疏水膜隔开，该接收液腔和渗透液腔具有进液管和出液管，且接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向相反；
所述道南渗析组件的料液腔的进液管和出液管分别通过管道与料液罐相连通，其接收液腔的进液管和出液管分别通过管道与接收液罐相连通，且在料液腔的进液管和接收液腔的进液管上分别设有一驱动泵；所述渗透蒸馏组件的接收液腔的进液管和出液管分别通过管道与接收液罐相连通，其渗透液腔的进液管和出液管分别通过管道与渗透液罐相连通，且在接收液腔的进液管和渗透液腔的进液管上也分别设有一驱动泵。
通过设置料液罐、道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件和渗透液罐，将道南渗析组件和渗透蒸馏组件耦合并用于氨氮废水处理系统中由于道南渗析中接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向相反，渗透蒸馏中接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向也相反，并且在进液方向分别设置有驱动泵，这样，在工作过程中，驱动泵能够控制液体的流速，且液体为错流式(流动方向相反)结构，削薄膜面的浓差极化层，减少阻力，能够有效提高处理效果。道南渗析用于从氨氮污水中富集氨氮，以降低后续处理的物耗；渗透蒸馏用于回收氨氮，同时渗透蒸馏可以提高道南渗析对氨氮的富集率。采用本发明提供的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，能够同时实现废水中氨氮的去除与回收，并且耦合工艺比单独工艺的处理效率更佳，对从污水中回收氨氮的实际应用具有重要指导意义。此外，系统中的驱动力均为浓差驱动，无需外加能源，是一种能耗低成本的氨氮处理和回收系统，值得推广使用。
进一步，所述道南渗析组件和渗透蒸馏组件均包括上膜板和下膜板，所述上膜板和下膜板通过螺栓相连，在上膜板的下侧和下膜板的上侧的对应位置，分别开设有一凹槽；所述进液管和出液管分别设置在上膜板的两侧和下膜板的两侧，并与上膜板和下膜板上的凹槽相连通。这样，在道南渗析组件中，上膜板的凹槽与阳离子交换膜之间形成料液腔，下膜板的凹槽与阳离子交换膜之间形成接收液腔，便于料液腔中的铵离子通过阳离子交换膜进入到接收液腔中，并与接收液反应生成氨气，同时接收液罐中氨气的生成能够降低接收液罐中的铵离子浓度的累积，进而促使道南渗析过程继续发生，从而使处理效果能够有效提高。在渗透蒸馏组件中，上膜板的凹槽与疏水膜之间形成接收液腔，下膜板的凹槽与疏水膜之间形成渗透液腔，便于接收液腔中的氨气通过疏水膜进入到渗透液腔中，使其与渗透液腔中的溶液反应形成能够被直接利用的铵盐。
进一步，在上膜板和下膜板之间还设有一O型圈，所述O型圈位于上膜板和下膜板上的凹槽外侧；在上膜板上，对应该O型圈设有一密封槽，所述O型圈的上侧嵌设于该密封槽内，这样，通过该O型圈能够将上膜板与下膜板之间的间隙密封，避免料液、接收液和渗透液泄露。
进一步，所述上膜板和下膜板采用聚乙烯材料制成，经久耐用，增加系统的可靠性。
进一步，在阳离子交换膜两侧以及疏水膜的两侧还分别设置有隔网，所述隔网的四周与分别与上膜板或下膜板的四周固定，并将凹槽遮挡，这样，液体能够均匀通过隔网，减小边界层的影响，使过滤效果更好。
本发明还提供一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，采用所述的渗析与渗透蒸馏耦合工艺处理氨氮废水的系统，具体包括如下步骤：
S1、在料液罐中装入氨氮废水，在接收液罐装入驱动液，在渗透液罐中装入酸溶液；
S2、开启驱动泵，调节流量；调节料液罐与道南渗析组件、接收液罐与渗透蒸馏组件以及渗透蒸馏组件与渗透液罐之间的流量，使氨氮废水从料液罐依次经过道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件，最后到达渗透液罐；
S3、分别测定料液罐、接收液罐和渗透液罐中的pH，然后分别从料液罐、接收液罐和渗透液罐中取样，并测定样品中氨氮的浓度，计算一定时间内氨氮的迁移量；
S4、根据氨氮的迁移量确定整个系统达到平衡时，停止反应，并对装置进行清洗处理。
采用本发明提供的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，通过道南渗析用于从氨氮污水中富集氨氮，以降低后续处理的物耗；渗透蒸馏用于回收氨氮，同时渗透蒸馏可以提高道南渗析对氨氮的富集率。采用常规的处理设备，步骤简单易操作，既实现了水中氨氮的去除，又实现了对氨氮的回收利用，并且处理成本低。
进一步，所述驱动液中阳离子与待处理废水中氨氮的摩尔浓度比为1:1～100。优选为1:20～60。这样，既能促进道南渗析反应的进行，又不造成原料的浪费。驱动液采用碱液，能够与进入接收液的铵离子反应生成氨气，直接透过疏水膜被渗透液吸收。优选驱动液采用工厂产生的废碱液，达到回收氨氮并降低废碱液的pH的目的。
进一步，所述酸溶液中，H+与待处理废水中氨氮的摩尔比为1:1～2。这样，既能促进渗透蒸馏反应的进行，又不造成原料的浪费。过量的驱动液能够与通过道南渗析进入接收液的铵离子完全反应，彻底去除废水中的氨氮，去除效果明显。
本发明的工作原理为：
1、在道南渗析中，驱动离子(钠离子)和目标离子(铵离子)的浓度差越大，处理效率越高。理想条件下，以氯化钠溶液为驱动液的回收率参见公式(1)。驱动液中阳离子的浓度越高越好，即阳离子与铵离子的摩尔比越大越好。当钠离子(一价阳离子)/铵离子＝20：1时，铵离子的回收率可达95％。当驱动液为与盐同浓度的碱时，由于碱和铵离子的反应能够打破道南平衡，促使反应继续进行，因此，同浓度碱的效果优于盐。
2、在渗透蒸馏中，渗透蒸馏处理效果的影响因素为氨气的分压差，在等温条件下主要由pH影响。氨气的分压差为氨气在驱动液侧的分压与氨气在渗透液侧的分压之差，如公式(2)所示。分压值与氨气的浓度有关。当氨气在接收液侧的分压越大，同时氨气在渗透液侧的分压越小(趋近0)，则分压差越大，反应越容易进行。因此，当驱动液中氢氧根浓度越大同时渗透液中氢离子的浓度越大，此时氨气在疏水膜两侧的分压差越大，迁移过膜的氨气就越多，氨气也更容易转化为铵离子并形成铵盐。
N＝αΔP＝α(Pi，f-Pi，p) (2)
其中，α为膜的通透性(kg/m2s Pa)，Pi，f和Pi，p为驱动液侧和渗透液侧的膜表面的蒸汽压(Pa)，N为氨气的通量(kg/m2s)
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用本发明提供的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统，能够同时实现废水中氨氮的去除与回收，并且耦合工艺比单独工艺的处理效率更佳，对从污水中回收氨氮的实际应用具有重要指导意义。其中，道南渗析用于从氨氮污水中富集氨氮，以降低后续处理的物耗，渗透蒸馏用于回收氨氮、提高道南渗析对氨氮的富集率。本发明提供的处理系统中的驱动力均为浓差驱动，无需外加能源，是一种能耗低成本的氨氮处理和回收系统，值得推广使用。
2、通过设置料液罐、道南渗析组件、接收液罐、渗透蒸馏组件和渗透液罐，将道南渗析组件和渗透蒸馏组件耦合并用于氨氮废水处理系统中由于道南渗析中接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向相反，渗透蒸馏中接收液腔的进液方向与渗透液腔的进液方向也相反，并且在进液方向分别设置有驱动泵，这样，在工作过程中，驱动泵能够控制液体的流速，且液体为错流式(流动方向相反)结构，削薄膜面的浓差极化层，减少阻力，能够有效提高处理速度和处理效果。
3、本发明提供的处理方法，先从复杂组分中富集铵离子，再以氨气形式迁移，最后以铵离子形式回收，实现了从多组分混合的污水中提取并制备高纯度氮素的目的，产品附加值高。并且无需复杂的操作和管理，适用于无人管理模式在偏远地区运行。
发明人 （韩乐;陈琮;姚婧梅;韩旻媛;董婷;向文毓;王钰婷;）