申请日2017.04.28
公开(公告)日2017.08.11
IPC分类号C02F1/04; C05F7/00; C02F9/10
摘要
本发明涉及废水回收处理技术领域，具体涉及一种浓缩废水或回收养分的方法及装置。该方法包括将待处理废水加入陶土制容器中，然后将陶土制容器置于光照条件下，废水通过陶土制容器向外蒸发;待陶土制容器中的废水蒸发浓缩至限定的固液比浓度后，将陶土制容器中的浓缩液进行污染成分处理和/或养分回收处理。进一步的，在养分回收处理的过程中采用将固体沉淀物装入陶土制储罐中进行干燥。本发明物理方法与化学方法相结合，首先利用陶器的透气、吸热、保温性能，对废水进行浓缩处理，对固体污染物进行干躁处理并杀死病原生物，以便固体养分回收利用或无害化处理。本发明方法操作简便，成本低廉，应用市场广阔。
权利要求书
1.一种浓缩废水或回收养分的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
1)废水浓缩处理：将待处理废水加入陶土制容器中，然后将陶土制容器置于光照条件下，废水通过陶土制容器向外蒸发，回收蒸发出的水份，得回收水;
2)待陶土制容器中的废水蒸发浓缩至限定的固液比浓度后，将陶土制容器中的浓缩液进行污染成分处理和/或养分回收处理。
2.如权利要求1所述的浓缩废水或回收养分的方法，其特征在于，步骤2)中所述污染成分处理包括金属离子电解还原处理或油脂回收处理。
3.如权利要求1所述的浓缩废水或回收养分的方法，其特征在于，步骤2)中所述养分回收处理的具体方法为：将浓缩液加入沉淀池中，进行沉淀处理;然后回收沉淀处理后的上层液体，得回收液;将沉淀处理后的下层固体沉淀物装入陶土制储罐中，将陶土制储罐置于光照条件下，固体沉淀物中的水份通过陶土制储罐向外蒸发，固体沉淀物得到干燥处理，待固体沉淀物的水份含量达到要求后，取出干燥后的固体沉淀物，制得固体肥料。
4.一种实施如权利要求1所述的浓缩废水或回收养分的方法的装置，其特征在于，包括蒸发浓缩单元、蒸发水回收单元、回收水储存单元、浓缩液沉淀单元、固体沉淀物干燥单元、回收液储存单元和固体肥料储存单元;所述蒸发浓缩单元包括至少一组蒸发浓缩装置，每组蒸发浓缩装置包括至少一个具有盛装待处理废水的陶土制容器，所述陶土制容器设置有进液口和出液口;所述蒸发水回收单元包括抽风装置和冷凝池，所述抽风装置用于将蒸发浓缩单元蒸发出的水份抽送至冷凝池中冷凝得回收水;所述浓缩液沉淀单元包括至少一个沉淀池;所述固体沉淀物干燥单元包括至少一个用于盛装固体沉淀物的陶土制储罐。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，蒸发浓缩单元和固体沉淀物干燥单元均安装在日光温室中。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述陶土制容器的进液口位于陶土制容器的下部，出液口位于陶土制容器的中部或上部。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，每组蒸发浓缩装置中的陶土制容器的个数至少为两个;所述蒸发浓缩单元中的蒸发浓缩装置的组数为至少两组，相邻两组蒸发浓缩装置之间设置有用于回收前端一组的蒸发浓缩装置排放的浓缩液的浆液收集管。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述沉淀池池底倾斜设置，向下倾斜的一端设置有活动挡泥板，所述活动挡泥板打开后固体沉淀物从沉淀池中排出。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述沉淀池与陶土制储罐之间设置有用于将固体沉淀物导入陶土制储罐的漏斗，所述漏斗的大口径朝向沉淀池的底部，小口径朝向陶土制储罐。
10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，包括用于清洗陶土制容器和陶土制储罐的清洗单元，所述清洗单元包括清洗溶液旋转清洗装置，所述清洗溶液旋转清洗装置包括用于放置待清洗容器和储罐的提篮、上端敞口的用于储存清洗溶液的清洗槽;所述提篮内装配有用于固定待清洗容器和储罐的支撑架;所述清洗槽的底部设置有水平旋转的叶轮，所述叶轮旋转带动清洗溶液旋转由底部进入待清洗容器或储罐内并旋转达到待清洗容器或储罐的上部。
说明书
一种浓缩废水或回收养分的方法及装置
技术领域
本发明涉及废水回收处理技术领域，具体涉及一种浓缩废水或回收养分的方法及装置。
背景技术
废水可分为生活污水和工业废水两大类。生活污水来自城市、医院、工厂生活区和福利区。主要污染成分为生活废料和人的排泄物，一般不含有毒物质，但含有大量细菌和病原体。
工业废水由于生产过程、原料和产品的不同，而具有不同的性质和成分。可分为：(1)无机废水，主要污染物为无机物，来自采矿、冶金、煤炭和建筑材料等行业;(2)有机废水，主要污染物成分为有机物，来自造纸、酿造、食品加工、石油炼制和化工行业;(3)混合废水，同时含有机和无机污染物，来自炼焦、化肥、橡胶和制药等行业;(4)放射性废水，来自核电站及生产或使用放射性物质的有关工业部门。
废水中的无机污染物包括酸碱污染物、营养性污染物、无机盐类及重金属离子等。营养性污染物是指氮、磷等植物和微生物的营养物质。生活污水中的氮、磷主要来源于人类排泄物。重金属离子主要来源于冶金、电镀、陶瓷、玻璃和电池等部门。有机污染物可分为生物可降解的有机物和生物难以降解的有机物。有些有机物对微生物无害，但有些有机物对微生物有抑制作用。
目前，废水的处理方法大致可分为物理方法、化学方法、和生物方法三大类。
物理方法是利用物理作用分离废水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变废水中的污染物质的化学性质。常用的物理方法有：沉降与气浮，隔截和过滤，离心分离和蒸发浓缩等。一般情况下，物理处理法所需的投资和运行费用较低，故常被优先考虑或采用。但是，对于大多数的工业废水来说，单纯依靠物理方法净化，往往不能达到排放标准，还需与其他的方法结合使用。
化学方法是利用化学反应作用来分离或回收废水中的污染物质，或使其转化为无害的物质，如混凝法、中和法、氧化还原法、电化学法等。
在废水处理工艺中，物理方法常与化学方法结合使用，称为物化处理。常见的物化处理工艺有：吸附法、离子交换法、膜分离法、萃取法、吹脱法和汽提法等。
生物处理方法包括好氧法和厌氧法两大类。好氧法常用工艺有活性污泥或氧化沟、生物膜或生物滤池、流化床或人工湿地。厌氧法主要有厌氧塘和化粪池等。
在废水处理过程中，生物处理常常是中间环节，主要原理是利用微生物来分解废水中的有机污染物。生物处理的过程，向大气中排放大量的温室气体。好氧处理会排放CO2，厌氧处理会排放CH4。与此同时，蛋白类有机物中所含的氮，在硝化细菌和反硝化细菌的参与下，会以氮氧化物的形式排放到大气中。氮氧化物不仅仅是大气污染源之一，更重要的是，它会被大气流输送到更远的地方，然后以氮沉降的方式进入土壤。氮是土壤细菌繁殖增生的“催化剂”，它会加快细菌对土壤有机质的分解，从而向大气释放更多的温室气体。所以，氮氧化物是一个杠杆，它沉降到土壤后，再撬动成倍的温室气体排放。
废水的生物处理的过程，还把有机物中所含的磷也分解排放到水体中。磷对水生生态系统的影响，除了我们已知的“水华”问题，还会破坏鱼虾等水产动物的食物网结构，使渔业生产力下降。目前我们所用的废水排放标准是浓度标准，有明显缺陷。这样的排放标准没有考虑污染源的大小，也不考虑污水受纳水体的大小和状况。对于不同的污染源和受纳水体都采取同一标准，即使处理后的废水达到了排放标准，如果排放量大大超过受纳水体的环境容量，也会对水体造成不可逆转的严重后果。
所以，从减缓温室气体排放、保护水体及渔业资源的角度来说，废水的生物处理并不是一个好的选择。我们应该寻求一种更为环保的技术来处理生活污水和工业废水，在除氮脱磷的同时，回收利用无毒有机物。
发明内容
本发明的目的是提供一种浓缩废水或回收养分的方法，物理方法与化学方法相结合，实现对废水中的水份和养分的分别回收利用，降低温室气体的排放，降低回收水份中营养元素的含量，成本低，操作方便。
同时，本发明还在于提供一种实施本发明浓缩废水或回收养分的方法的装置。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种浓缩废水或回收养分的方法，包括以下操作步骤：
1)废水浓缩处理：将待处理废水加入陶土制容器中，然后将陶土制容器置于光照条件下，废水通过陶土制容器向外蒸发，回收蒸发出的水份，得回收水;
2)待陶土制容器中的废水蒸发浓缩至限定的固液比浓度后，将陶土制容器中的浓缩液进行污染成分处理和/或养分回收处理。
可选的，步骤2)中所述污染成分处理包括金属离子电解还原处理或油脂回收处理。
可选的，步骤2)中所述养分回收处理的具体方法为：将浓缩液加入沉淀池中，进行沉淀处理;然后回收沉淀处理后的上层液体，得回收液;将沉淀处理后的下层固体沉淀物装入陶土制储罐中，将陶土制储罐置于光照条件下，固体沉淀物中的水份通过陶土制储罐向外蒸发，固体沉淀物得到干燥处理，待固体沉淀物的水份含量达到要求后，取出干燥后的固体沉淀物，制得固体肥料。
沉淀处理过程中可以采用加入物理促沉降物(土壤、砂粒)和/或化学混凝剂，以加快固体物质的沉降速度;化学混凝剂通常是通过与水溶性离子生成难溶性的盐类，从而达到促沉降的目的，通常在加入化学混凝剂时需要调节酸碱度，防止生成的盐又分解成水溶性离子。例如要回收磷酸根离子，可加入石灰将溶液调节至碱性条件，钙离子与磷酸根离子生成磷酸钙沉淀。如果要回收铵离子，则需要加入硫酸盐把溶液调节至酸性条件。硫酸根离子与水中的铵离子结合生成难溶性的硫酸铵盐。
上述步骤2)中对浓缩液的处理方式视废水的生产过程、所含的成份和回收目标而定。例如，对于石油开采和炼油工业的废水，或者制革企业的废水，水中含有大量的油脂，废水经过步骤1)的浓缩处理后，进入隔油池，通过设在池面的刮油机和集油管收集浮油，回收利用。对于采矿、冶金或电镀行业生产的废水，水中含有大量的重金属离子，废水经过步骤1)的浓缩处理后，进入电解池，对金属离子进行电解还原处理，回收废水中的金属离子，降低废水中金属离子的含量，避免废水排放或者再利用过程中形成金属污染。
可选的，当待处理废水能够释放NH3时，步骤1)中还包括调整待处理废水的pH值小于7再加入陶土制容器中，并在整个蒸发过程中维持废水的pH值小于7。使得蒸发浓缩的整个过程中NH3以NH4+的形式存在，防止氨气挥发造成气体污染和安全隐患。
可选的，化学沉淀处理过程中得到的回收液返回步骤1)加入陶土制容器中进行下一次的蒸发浓缩操作。
可选的，上述步骤1)中废水浓缩处理后得到的回收水，可以视回收水中的成分而定，用于清洗容器或作为淡水资源用于进一步的自来水净化处理。例如有机废水在浓缩过程中，可能会伴有一些异味气体分子的逸出，如氨(NH3)、胺类、硫化物(H2S)等，水汽凝结时，这些气体分子也会溶入水中;如果废水中无有毒或异味气体分子，回收的冷凝水是合格的淡水，可以用于自来水净化处理。
可选的，上述陶土制容器和陶土制储罐表面无陶釉，表面粗糙。
上述浓缩废水回收养分的方法的装置，包括蒸发浓缩单元、蒸发水回收单元、回收水储存单元、浓缩液沉淀单元、固体沉淀物干燥单元、回收液储存单元和固体肥料储存单元;所述蒸发浓缩单元包括至少一组蒸发浓缩装置，每组蒸发浓缩装置包括至少一个具有盛装待处理废水的陶土制容器，所述陶土制容器设置有进液口和出液口;所述蒸发水回收单元包括抽风装置和冷凝池，所述抽风装置用于将蒸发浓缩单元蒸发出的水份抽送至冷凝池中冷凝得回收水;所述浓缩液沉淀单元包括至少一个沉淀池;所述固体沉淀物干燥单元包括至少一个用于盛装固体沉淀物的陶土制储罐。
可选的，蒸发浓缩单元和固体沉淀物干燥单元均安装在日光温室中。
可选的，所述日光温室的四面围墙和房顶均由透光玻璃制成。蒸发浓缩单元中的陶土制容器和固体沉淀干燥单元中的陶土制储罐在日光温室中被阳光直射。
可选的，陶土制容器竖直放置，为了避免废水中固体物质沉淀在底部，所述陶土制容器的进液口位于陶土制容器的下部，出液口位于陶土制容器的中部或上部，使得废水从陶土制容器的底部反向进入，对下沉的固体物质具有反向的冲击力，避免固体物质在底部的沉积。
每组蒸发浓缩装置中的陶土制容器的个数至少为两个。每组蒸发浓缩装置中陶土制容器的个数视废水处理量和废水中固液浓度而定，通常废水处理量大、固液浓度低，需要回收的水份多的场合，陶土制容器的数量多。
所述蒸发浓缩单元中的蒸发浓缩装置的组数为至少两组，相邻两组蒸发浓缩装置之间设置有用于回收前端一组的蒸发浓缩装置排放的浓缩液的浆液收集管。选用多组蒸发浓缩单元可以实现对废水的多级浓缩处理，在第一级浓缩处理过程中，由于固液浓度相对较低，陶土制容器可选用小尺寸，随着浓缩级数的增加，固液浓度也会随着增加，废水中的固体含量增高，通常使用大尺寸的陶土制容器，确保废水在陶土制容器中能够正常流通，避免造成堵塞。陶土制容器的尺寸视待处理废水中固体物质的浓度而定，通常情况下，当浓度为300～400mg/L时，选用陶土制容器为内半径10～20cm，长为300cm的陶管;当浓度为4000～5000mg/L时，选用陶土制容器为内半径20～30cm，长为300cm的陶管。
通常，当一组蒸发浓缩装置处理的废水中固体浓度浓缩10倍左右时，进入下一组蒸发浓缩装置。
为了更进一步的避免废水中固体物质在陶管中形成沉积，所述陶土制容器固定在摇床上，通过摇床控制陶管的位置，在竖立和平置两种位置之间来回变动。每个摇床可固定数根至数十根陶管。
可选的，所述沉淀池池底倾斜设置，向下倾斜的一端设置有活动挡泥板，所述活动挡泥板打开后固体沉淀物从沉淀池中排出。池底的固体沉淀物在重力作用下，集中在向下倾斜的一端，该处设置的活动挡泥板打开后，固体沉淀物继续在重力的作用下进入陶土制储罐中。
可选的，所述沉淀池与陶土制储罐之间设置有用于将固体沉淀物导入陶土制储罐的漏斗，所述漏斗的大口径朝向沉淀池的底部，小口径朝向陶土制储罐。
可选的，所述陶土制储罐的底部还设置有用于控制陶土制储罐移动的滑轨装置，当需要向陶土制储罐中倒入固体沉淀物时，启动滑轨装置将陶土制储罐移动至对应漏斗的小口径出口，当固体沉淀物接收完毕后，启动滑轨装置将陶土制储罐移出置于光照条件下进行干燥处理。
可选的，为了提高陶土制储罐放置的稳定性，所述陶土制储罐为下宽上窄的桶状体。
可选的，上述装置包括用于清洗陶土制容器和陶土制储罐的清洗单元，所述清洗单元包括清洗溶液旋转清洗装置，所述清洗溶液旋转清洗装置包括用于放置待清洗容器和储罐的提篮、上端敞口的用于储存清洗溶液的清洗槽;所述提篮内装配有用于固定待清洗容器和储罐的支撑架;所述清洗槽的底部设置有水平旋转的叶轮，所述叶轮旋转带动清洗溶液旋转由底部进入待清洗容器或储罐内并旋转达到待清洗容器或储罐的上部。该清洗溶液旋转清洗装置的工作原理同洗碗机。
进一步可选的，所述提篮的底部设置有用于控制提篮移动进入和移出清洗槽的滑轨装置。
可选的，上述清洗单元还包括自旋转清洗装置，包括电机，所述电机的输出轴上连接有滚筒，所述滚筒包括间隔相对设置的用于固定待清洗的容器的两个支撑架;所述待清洗的容器的延伸方向垂直于滚筒的转动方向。该自旋转清洗装置是通过带动待清洗容器的自旋转实现的对容器的清洗，通常用于清洗小尺寸的陶管容器。
本发明浓缩废水或回收养分的方法，首先将待处理废水装入陶土制容器中进行浓缩处理。一方面因陶土特有的吸热保温作用，废水中的水份从陶管的毛细管孔隙蒸发，对废水进行浓缩，同时利用光照对废水进行杀菌消毒，实现对废水中水份和干物质的分别回收利用;另一方面，从废水处理工艺的效率来说，对废水进行浓缩处理，可以提高化学反应的底物浓度，从而提高反应速度，有效回收污染物(如重金属离子)或进行无害化处理。对于物理方法来说，废水浓缩处理后，可以提高污染物沉降、过虑或分离的速度，节省处理时间和处理场地，降低成本。
进一步的，本发明方法在利用沉淀处理回收养分的过程中，一方面利用加入化学絮凝剂的方法将氮、磷等养分转移至固体沉淀物中，对废水进行除磷脱氮处理，实现对养分的回收利用，解决当前环境危机、减缓温室气体排放、保护水土资源;另一方面，将固体沉淀物置于陶土制储罐中进行干燥处理，利用太阳能的加温作用和陶器的透气、吸热保温作用，将固体污染物进行干躁处理并杀死病原生物，以便固体养分(包括碳、氮、磷)回收利用或无害化处理，提高回收养分的安全性，并且将固体沉淀物进行干燥处理做成固体养分，便于储运运输和进一步的无害化处理。
总体来看，本发明的有益效果为：
1)为工业废水的处理提供了新技术。工业废水常常未经处理偷排，或者即使处理也没有达到排放标准，其中重要的原因是废水处理的成本高昂。企业为了节约生产成本，有很强的动力和愿望违法排放。对于这种行为，我们一方面要加强环保执法的力度，另一方面也要提供更好的技术，降低环境保护的成本，只有双管齐下才能达成目标。本项技术操作灵活，效果稳定，工艺简单，运行费用低;对水量、水质变化的适应性强;防止污泥膨胀，脱氮除磷效果好;固液分离效果好，易于物理化学工艺结合;
2)为食品安全提供技术支持：日光温室有很强的增温作用，陶土制容器是一种耐高温的材料，有很好的吸热和保温性能。本项技术将人畜粪便和来自医院的污水集中在日光温室的陶管内浓缩，是一种持续的高温杀毒处理。这种缓慢而又廉价的处理，在节省能源的同时，可杀死病毒、细菌和其他病原生物。人畜排出的药物，特别是各种抗生素和相关代谢产物，也可在高温下进一步分解、变性。这种高温处理保证了养分回收的安全性。回收的肥料在环境中的养分再释放是安全的，对食品和人体健康也是安全的;
3)保护水资源，为制定更严格的环保法规提供技术支持：在将来的环保法规里，要将水、土壤、空气、固体废弃物，矿山开采、工业排污、西部开发、海洋资源保护与利用等所有领域纳入一个整体，进行系统梳理，从中找出关键环节和瓶颈攻坚克难，从而发挥技术进步的杠杆作用。在当前的环境危机中，水土污染互为因果，恶性循环。我们要打破这个恶性循环，就必须切断相关路径，实行隔离政策。
就水系来说，从前的水系都是相通的，所有地表径流的水最后都通过江河湖泊流入海洋。工业革命以来，人类对地球的破坏力太大了，所有的污水、废水都排入自然水系，污染了我们的饮用水源，也污染了食品种植业和养殖业的水源。我们排入水系的各种污染物最后又被我们自己吃下去，这个食物链富集污染的过程很长。工农业生产方式、个人的日常生活和消费行为与食品安全存在着密切的关系。
矿山开采和工业生产排放的重金属和难分解的有机污染物，农业生产广泛施用的化肥和农药、养殖业所用的大量兽药、还有我们每个人用得越来越多的各种抗生素和其他药物，扔得越来越多的垃圾。所有这一切，都通过水--土壤--食物和饮用水这条途径又回到了我们的身体。现代人越来越多的“怪病”就是源于这种污染无处不在的生活方式。
以目前的污水处理技术，已经无法保护水资源的安全。我们只能将人类排放的污水与自然水系完全隔离。因此，我们需要两套水系，一套是必须严格保护的自然水系，不能再向她排放任何污水;另一套是人工建成的污水处理与回收系统。据有关资料介绍，城市的污水回收率只有10%，其他的污水经粗放“处理”后都排入自然水系了。
要提高污水的回收利用效率，需要相应的技术更新。本项发明使污水的回收利用成为可能。有了这一技术，环保部门可以制定更为严格的“排污许可”。将来，如果城市居民楼和办公场所都不准向城市污水系统排放粪尿，各居民小区或大型建筑物可自建养分回收站。养分回收后的污水可以用于城市绿地和园林灌溉。其他生活污水处理后也可用于冲厕、道路清扫、车辆清洗、建筑工地和消防用水。大型的污水处理厂将各种来源的污水都混合在一起，很难真正清除其污染物。分散的小型污水厂反而能提高污水的回收利用率。
4)保护土壤，减少温室气体排放：使用本项发明，能回收人和动物排出的氮和磷。这些养分经远距离运输后，又能回到各类食物的生产基地，实现了植物养分的循环利用。有了这些可供循环利用的养料，就可减少化肥的施用量，在保护土壤的同时，也减少了化肥工厂的燃料消耗和温室气体排放。回收的磷酸盐成为一种缓慢释放的磷肥，施入土壤后不会迅速溶解并释放大量的磷酸根离子。这种缓慢释放的磷肥有利于保护土壤真菌，提高磷肥的利用效率。田间实验证明，没有经过这种“除磷脱氮”处理的有机肥加速土壤细菌对有机质的分解，向大气排放更多的CO2。
5)为未来的人居环境和养殖设施提供设计标准，使建筑物符合养分回收的要求：现在的农村建筑和城市建筑变得越来越雷同。不论是农村还是城镇，人粪尿的养分回收都变得越来越困难。本项发明解决了现代生活方式与大自然循环规律的冲突。这种技术既可应用于人口密集的城市，也可应用于人口分散的农村;即可应用于成片的居民区，也可应用于独栋的小别墅。养分回收技术将为未来的人居环境提供设计标准。这项技术的工作原理也可应用于畜禽养殖业的粪便处理。动物产生的粪便量远高于人的粪便量。本项技术在养殖业的应用，将为保护土壤和水资源作出更大的贡献。
6)带动相关环保产业的发展：一项好的技术能够带动整条产业链的发展。本项技术的设计理念为相邻环节的改变留下了很大的空间。例如，改变住房中的管道系统，抽水马桶的管道与其他生活污水的管道分离;改变抽水马桶的出水量;改变现有化粪池的设计和功能;居民生活用水的循环利用。例如，用洗澡、洗衣服的水冲马桶。
这种基础设施的改造工程量巨大，牵涉到众多的产业环节。例如，以每人每天平均排粪尿2公斤计(大便0.5公斤，小便1.5公斤)，所含干物质只有0.18公斤。如果要让化粪池内的干物质含量保持在1%左右的水平，每人每天用于冲马桶或厕所的水量不能超过18公斤。现在城市中冲厕所的水量可能是这个“理想值”的5至10倍。仅仅是抽水马桶或便池的改造一项，就需要众多的专利技术。
从前，设计这些卫生用具时并没有环保的理念。所有这些产品都不能满足环保的要求。不是不能，而是不为也。以公共厕所的蹲式便池为例，如果将便池的平置式改为倾斜式，就可以节省大量的冲水量。如果将冲水管一次性的出水量改小，也可节约大量的水。废除家庭和酒店的澡盆，更可以节约巨量的水。总之，只要有了节约和环保的理念，我们的日常生活设施，有大量可改进的余地。
