申请日2019.10.17
公开(公告)日2019.12.10
IPC分类号C02F9/14; C02F103/34
摘要
本发明公开了一种用于玉米淀粉废水资源化的系统及方法，系统包括有集水池、沉砂池、反应器、原料液储存器、汲取液储存器、正渗透膜组件、浓水池、淡水池、反渗透膜组件和沉淀池，其中集水池与玉米淀粉生产企业排水管网相连通，集水池通过管路与沉砂池相连接，沉砂池通过管路还与反应器相连接，反应器通过管路与原料液储存器相连接，其方法为：步骤1、玉米淀粉废水进入沉砂池;步骤2、沉砂池的出水被泵入原料液储存器;步骤3、原料液储存器内的进水泵入沉淀池;步骤4、实现水资源的回用;步骤5、实现资源的完全回收;有益效果：在流程简单、低能耗、碳排放少的条件下，仍具有所需要的污水处理效果。实现了水、碳、氮、磷资源的完全回收。
权利要求书
1.一种用于玉米淀粉废水资源化的系统，其特征在于：包括有集水池、沉砂池、反应器、原料液储存器、汲取液储存器、正渗透膜组件、浓水池、淡水池、反渗透膜组件和沉淀池，其中集水池与玉米淀粉生产企业排水管网相连通，集水池通过管路与沉砂池相连接，沉砂池通过管路还与反应器相连接，反应器通过管路与原料液储存器相连接，反应器通过管路还与沉淀池相连接，原料液储存器通过管路也与沉淀池相连接，原料液储存器和汲取液储存器通过两条管路相连接，渗透膜组件装配在原料液储存器和汲取液储存器的两条连接管路上，汲取液储存器通过管路还与浓水池相连接，反渗透膜组件设在浓水池和淡水池之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的系统，其特征在于：所述的集水池内设置有格栅用于截留污水中的悬浮物和漂浮物，集水池与沉砂池的连接管路上装配有提升泵用于集水池内的污水泵入沉砂池内，沉砂池与反应器的连接管路上装配有第一蠕动泵以及水源热泵，沉砂池为曝气沉砂池。
3.根据权利要求1所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的系统，其特征在于：所述的反应器为厌氧膜生物反应器，反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，超滤膜组件中的超滤膜有效面积为0.1m2，膜片尺寸长×宽×高=320×220×5mm3，膜孔径为0.1μm，厌氧产生的沼气通过曝气泵借助曝气石对超滤膜组件表面进行曝气，反应器与原料液储存器之间的连接管路上装配有阀门和抽吸泵，反应器与沉淀池之间的连接管路上装配有第六蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的系统，其特征在于：所述的原料液储存器内设置有电导率仪和PH值测试仪，原料液储存器与正渗透膜组件的连接管路上装配有第二蠕动泵，正渗透膜组件与汲取液储存器的连接管路上装配有第三蠕动泵，汲取液储存器与浓水池的连接管路上装配有第四蠕动泵和水源热泵，正渗透膜组件由正渗透膜和膜块组成，正渗透膜的有效面积为30cm2，流道深度为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的系统，其特征在于：所述的沉淀池内装配有搅拌器和PH值测试仪。
6.一种用于玉米淀粉废水资源化的方法，其特征在于：其方法如下所述：
步骤1、玉米淀粉废水通过玉米淀粉生产企业排水管网进入集水池，进入集水池内的玉米淀粉废水通过格栅截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵进入沉砂池;
步骤2、沉砂池的出水通过水源热泵，与汲取液储存器出水进行热交换，温度从18℃提升至25℃，然后被泵入反应器进行处理，反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，厌氧产生的沼气通过曝气泵借助曝气石对超滤膜组件表面进行曝气，降低膜污染，经过超滤膜组件过滤后分离出的水通过阀门被泵入原料液储存器;
步骤3、原料液储存器内的进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分KCl的高盐溶液作为汲取液储存器中的汲取液，随着正渗透系统的运行，利用高低渗透压差，使得原料液储存器中的水不断地通过正渗透膜组件进入汲取液储存器中，稀释后的汲取液通过水源热泵，与沉砂池出水进行热交换，当水量不够时通过补水泵进行补水，温度从27℃降低至20℃，然后泵入浓水池，原料液储存器中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断被浓缩富集后泵入沉淀池;
步骤4、浓水池中的进水作为浓水，淡水池中直接进水作为淡水，在浓水池一侧施加压力，使浓水池中的水透过反渗透膜组件进入淡水池中，浓水池中的水浓缩后回流至汲取液储存器中，淡水池中的水可直接回收，实现水资源的回用;
步骤5、进入沉淀池的浓缩液通过调节PH值、氮镁磷比条件，在沉淀池中生成鸟粪石沉淀，作为缓释肥回收利用，沉淀池中的上清液再被泵入回流至反应器中，实现水、碳、氮、磷和热能资源的完全回收。
7.根据权利要求6所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的方法，其特征在于：所述的步骤2中的超滤膜组件所用超滤膜为平板膜，单片膜的有效面积为0.1m2，膜片尺寸长×宽×高=320×220×5mm3，膜孔径为0.1μm，膜材质为聚偏氟乙烯，支撑板材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
8.根据权利要求6所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的方法，其特征在于：所述的步骤3中的正渗透膜组件所用正渗透膜属于不对称膜，由活性层和支撑层组成，其中活性层的材质为三醋酸纤维，支撑层材质为聚酯，正渗透膜的有效面积30cm2，流道深度为2mm。
9.根据权利要求6所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的方法，其特征在于：所述的步骤4中的反渗透膜组件所用反渗透膜主要支持结构是经轧光机轧光后的聚酯无纺织物，其表面无松散纤维并且坚硬光滑，微孔工程塑料聚砜浇注在非纺织物表面上，聚砜层表面的孔控制在15nm，屏障层采用高交联度的芳香聚酰胺，厚度为0.2um，高交联度芳香聚酰胺由苯三酰氯和苯二胺聚合而成。
10.根据权利要求6所述的一种用于玉米淀粉废水资源化的方法，其特征在于：所述的步骤5中的鸟粪石为一种缓释肥料，含Mg：N：P的比例为1:1:1，PH值控制在8.5-9.5，有利于这种复合肥料的形成。
说明书
一种用于玉米淀粉废水资源化的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种废水资源化的系统及方法，特别涉及一种用于玉米淀粉废水资源化的系统及方法。
背景技术
玉米淀粉废水具有“4高1低”的特点(即高COD、高SS、高TN、高TP、低pH)，为满足《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010)排放要求，企业采取不同的处理工艺以实现脱氮除磷，但仍然有不少企业在废水处理过后仍面临着出水总磷严重超标等问题。磷属于一种不可再生的且不可替代的战略性资源，具有耗竭性，主要以磷酸盐形式(PO43-，HPO42-，H2PO4-)存在。磷资源的回收技术有多种，主要以化学沉淀法、强化生物除磷法、吸附法为主。强化生物除磷法，需要二次处理;吸附法具有工艺简单，运行可靠等优点，若要回收吸附剂中的磷资源则需要额外进行解吸。
发明内容
本发明的主要目的是为了能够实现高效回收玉米淀粉废水中水、碳、氮、磷以及热能等资源而提供的一种用于玉米淀粉废水资源化的系统及方法。
本发明提供的用于玉米淀粉废水资源化的系统包括有集水池、沉砂池、反应器、原料液储存器、汲取液储存器、正渗透膜组件、浓水池、淡水池、反渗透膜组件和沉淀池，其中集水池与玉米淀粉生产企业排水管网相连通，集水池通过管路与沉砂池相连接，沉砂池通过管路还与反应器相连接，反应器通过管路与原料液储存器相连接，反应器通过管路还与沉淀池相连接，原料液储存器通过管路也与沉淀池相连接，原料液储存器和汲取液储存器通过两条管路相连接，渗透膜组件装配在原料液储存器和汲取液储存器的两条连接管路上，汲取液储存器通过管路还与浓水池相连接，反渗透膜组件设在浓水池和淡水池之间。
集水池内设置有格栅用于截留污水中的悬浮物和漂浮物，集水池与沉砂池的连接管路上装配有提升泵用于集水池内的污水泵入沉砂池内，沉砂池与反应器的连接管路上装配有第一蠕动泵以及水源热泵，沉砂池为曝气沉砂池。
反应器为厌氧膜生物反应器，反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，超滤膜组件中的超滤膜有效面积为0.1m2，膜片尺寸长×宽×高=320×220×5mm3，膜孔径为0.1μm，厌氧产生的沼气通过曝气泵借助曝气石对超滤膜组件表面进行曝气，反应器与原料液储存器之间的连接管路上装配有阀门和抽吸泵，反应器与沉淀池之间的连接管路上装配有第六蠕动泵。
原料液储存器内设置有电导率仪和PH值测试仪，原料液储存器与正渗透膜组件的连接管路上装配有第二蠕动泵，正渗透膜组件与汲取液储存器的连接管路上装配有第三蠕动泵，汲取液储存器与浓水池的连接管路上装配有第四蠕动泵和水源热泵，正渗透膜组件由正渗透膜和膜块组成，正渗透膜的有效面积为30cm2，流道深度为2mm。
沉淀池内装配有搅拌器和PH值测试仪。
上述的提升泵、第一蠕动泵、水源热泵、曝气泵、抽吸泵、电导率仪、PH值测试仪、第二蠕动泵、第三蠕动泵、第四蠕动泵、补水泵、第五蠕动泵、搅拌器和第六蠕动泵均为现有设备的组装，因此具体型号和规格没有进行赘述。
本发明提供的用于玉米淀粉废水资源化的方法，其方法如下所述：
步骤1、玉米淀粉废水通过玉米淀粉生产企业排水管网进入集水池，进入集水池内的玉米淀粉废水通过格栅截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵进入沉砂池;
步骤2、沉砂池的出水通过水源热泵，与汲取液储存器出水进行热交换，温度从18℃提升至25℃，然后被泵入反应器进行处理，反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，厌氧产生的沼气通过曝气泵借助曝气石对超滤膜组件表面进行曝气，降低膜污染，经过超滤膜组件过滤后分离出的水通过阀门被泵入原料液储存器;
步骤3、原料液储存器内的进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分KCl的高盐溶液作为汲取液储存器中的汲取液，随着正渗透系统的运行，利用高低渗透压差，使得原料液储存器中的水不断地通过正渗透膜组件进入汲取液储存器中，稀释后的汲取液通过水源热泵，与沉砂池出水进行热交换，当水量不够时通过补水泵进行补水，温度从27℃降低至20℃，然后泵入浓水池，原料液储存器中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断被浓缩富集后泵入沉淀池;
步骤4、浓水池中的进水作为浓水，淡水池中直接进水作为淡水，在浓水池一侧施加压力，使浓水池中的水透过反渗透膜组件进入淡水池中，浓水池中的水浓缩后回流至汲取液储存器中，淡水池中的水可直接回收，实现水资源的回用;
步骤5、进入沉淀池的浓缩液通过调节PH值、氮镁磷比条件，在沉淀池中生成鸟粪石沉淀，作为缓释肥回收利用，沉淀池中的上清液再被泵入回流至反应器中，实现水、碳、氮、磷和热能资源的完全回收。
步骤1中的沉砂池为曝气沉砂池。
步骤2中的超滤膜组件所用超滤膜为平板膜，单片膜的有效面积为0.1m2，膜片尺寸长×宽×高=320×220×5mm3，膜孔径为0.1μm，膜材质为聚偏氟乙烯，支撑板材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
步骤3中的正渗透膜组件所用正渗透膜属于不对称膜，由活性层和支撑层组成，其中活性层的材质为三醋酸纤维，支撑层材质为聚酯，正渗透膜的有效面积30cm2，流道深度为2mm。
步骤4中的反渗透膜组件所用反渗透膜主要支持结构是经轧光机轧光后的聚酯无纺织物，其表面无松散纤维并且坚硬光滑，微孔工程塑料聚砜浇注在非纺织物表面上，聚砜层表面的孔控制在15nm，屏障层采用高交联度的芳香聚酰胺，厚度为0.2um。高交联度芳香聚酰胺由苯三酰氯和苯二胺聚合而成。
步骤5中的鸟粪石为一种缓释肥料，含Mg：N：P的比例为1:1:1，PH值控制在8.5-9.5，有利于这种复合肥料的形成。
本发明的工作原理：
玉米淀粉废水通过玉米淀粉生产企业排水管网进入集水池。玉米淀粉废水通过格栅截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵进入沉砂池。沉砂池出水水质：COD浓度为4500mg/L，TN浓度为420.78mg/L，NH4+-N浓度为400.57mg/L，TP浓度为42mg/L，PO43--P浓度为40.35mg/L。
然后，沉砂池出水通过水源热泵，与汲取液储存器出水进行热交换，温度从18℃提升至25℃，然后通过第一蠕动泵进入反应器，反应器内设置有超滤膜组件以及曝气石。超滤膜组件有效面积为0.1m2，膜片尺寸长×宽×高=320×220×5mm3，膜孔径为0.1μm。运行结束后得到原水体积的1/11.5的浓缩液，10.5/11.5的超滤膜组件出水。在实现污水中悬浮物和胶体有机物的低碳回收的同时，得到富含氮、磷物质的膜出水，因不含固体物质和病原体且富含氮磷元素，通过阀门和抽吸泵进入原料液储存器，回收污水中氮、磷资源;反应器中可直接进行厌氧消化产甲烷，一部分厌氧产生的沼气通过曝气泵借助曝气石对超滤膜组件表面进行曝气，降低膜污染效果40%以上，其余沼气直接回收产能实现能源的回收，甲烷回收率可达85%左右。运行期间控制反应器中的曝气量50L/h、温度25℃、通量20LMH等参数条件。超滤膜组件中的超滤膜的清洗方法简单方便，将膜片上的有机物轻刮除，返回至浓缩液，再用一定体积的纯水清洗膜表面，清洗液回到浓缩液中，然后用水冲洗膜表面以看不到明显残留污染物为准，最后用次氯酸钠溶液(有效氯浓度2000mg/L)浸泡2h，再用水冲洗膜表面残余的化学药剂，即可恢复最初状态的75%。超滤段出水COD浓度为635mg/L，TN浓度为150.34mg/L，NH4+-N浓度为132.56mg/L，TP浓度为55.36mg/L，PO43--P浓度为54.28mg/L。
在正渗透过程中，以原料液储存器进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分KCl的高盐溶液作为汲取液储存器中的汲取液，随着正渗透系统的运行，原料液与汲取液分别通过第二蠕动泵和第三蠕动泵进入正渗透膜组件，然后再分别回到原料液储存器与汲取液储存器中，浓缩液的体积为原料液的1/10。利用高低渗透压差，原料液储存器中的水不断地通过正渗透膜组件进入汲取液储存器中，正渗透膜组件中的正渗透膜的有效面积30cm2(50mm×60mm)，流道深度为2mm。汲取液储存器中稀释后的汲取液通过水源热泵，与沉砂池出水进行热交换，水量不够时通过补水泵进行补水，温度从27℃降低至20℃，然后泵入浓水池;原料液储存器中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断浓缩富集，以便后续鸟粪石回收。在原料液储存器中，设置有电导率仪以及PH值测试计。运行期间控制错流速度15cm/s、温度25℃、汲取液浓度2mol/L等参数条件。正渗透膜组件中的正渗透膜运行完成后膜污染小，易于清洗，只需要进行15min物理清洗(气水比：240L/h：40L/h)膜通量即可恢复85%以上。正渗透段浓缩液COD浓度为3530mg/L，TN浓度为765.74mg/L，NH4+-N浓度为676.06mg/L，TP浓度为493.38mg/L，PO43--P浓度为483.08mg/L。
浓水池中的进水作为浓水，淡水池中直接进水作为淡水，根据高低渗透压差，淡水池中的水会自发进入浓水池中，达到两侧平衡，然后在浓水池一侧施加一定压力，使浓水池中的水透过反渗透膜组件直接进入淡水池中。浓水池中的水浓缩后回流至汲取液储存器中，淡水池中的水可直接回收，水资源的回用率达到55%以上。
原料液储存器中的浓缩液通过第五蠕动泵进入沉淀池进行鸟粪石化学沉淀。沉淀池中设有PH值测试仪和搅拌器。通过调节PH值控制在9.2，反应时间为20min，n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO34-)为4：1.2：1，搅拌速度为200rpm，沉淀时间为1h，收集上清液后沉淀部分在40℃条件下烘干48h，得到鸟粪石沉淀。此时，污水中的氮、磷资源不断浓缩，以鸟粪石沉淀形式存在，可作为缓释肥回收利用，实现氮、磷资源的回收，氮回收率达85%以上，磷回收率达82%以上，其回收磷产品中有效磷含量达17%以上。沉淀池上清液COD浓度为3530mg/L，TN浓度为298.72mg/L，NH4+-N浓度为99.92mg/L，TP浓度为88.9mg/L，PO43--P浓度为86.52mg/L。沉淀池上清液通过第六蠕动泵进入反应器进一步回收水、碳、氮、磷以及热能资源。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案相比于现有技术，实现了在流程简单、低能耗、碳排放少的条件下，仍具有所需要的污水处理效果。实现了水、碳、氮、磷资源的完全回收，高效回收水资源，水的回用率为55%以上;高效回收碳资源，甲烷回收率可达85%;高效回收氮、磷资源，氮回收率达85%以上，磷回收率达82%以上，其回收磷产品中有效磷含量达17%以上;超滤膜膜污染小，以甲烷对膜进行曝气可降低膜污染效果40%以上;正渗透膜膜污染小，易于清洗，进行15min物理清洗后膜通量可恢复85%以上。（发明人万立国;张丽君;熊玲;陈庆林;刘红波）
