申请日 20200903
公开（公告）日 20201215
IPC分类号 C02F9/04; C01B25/45; C05B7/00; C05G1/00; C05G5/20; C02F103/08; C02F103/20; C02F101/10;C02F101/16
摘要
一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统及处理方法，属于水产养殖技术领域。这种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统通过设置正渗透浓缩单元、正渗透铵回收单元和磷酸铵镁沉淀分离单元，使得稀释后的汲取液作为可直接用于农田的硝酸镁和铵复合肥溶液，消除了汲取液再生过程的成本。养殖废水中的PO43‑和剩余的NH4+与硝酸镁汲取液中反向透过渗透膜的Mg2+通过化学反应结晶沉淀生成了磷酸铵镁（鸟粪石）固体肥料。养殖废水中的氮磷营养物质被回收利用，使养殖废水得到了净化，净化后的养殖废水可循环重复利用。采用浓海水作为正渗透浓缩过程的汲取液，大幅度降低了汲取液再生的成本。
权利要求书
1.一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统，它包括预处理单元，其特征在于：它还包括正渗透浓缩单元、正渗透铵回收单元和磷酸铵镁沉淀分离单元，所述预处理单元包含废水池（1）、絮凝加药装置（2）和过滤池（3），废水池（1）的出水口通过第一水泵（1a）和废水管道（1b）连接过滤池（3）的进水口，过滤池（3）的内部设有栅格装置（3a），絮凝加药装置（2）的出药口通过管道连接废水管道（1b）；
所述正渗透浓缩单元包含汲取液正渗透膜装置（4）和汲取液配浆罐（5），过滤池（3）的出水口通过第二水泵（3b）连接汲取液正渗透膜装置（4）左上部的进料口，汲取液配浆罐（5）顶部的汲取液出口通过第一汲取液泵（5a）连接汲取液正渗透膜装置（4）右上部的汲取液入口，汲取液正渗透膜装置（4）右下部的汲取液出口通过配浆支管（5b）连接汲取液配浆罐（5）底部的汲取液入口和通过进水支管（13a）连接海水灌（13）的进水口，海水灌（13）的出水口通过海水输送管道连接海水养殖池；
所述正渗透铵回收单元包含硝酸镁汲取液池（6）、肥料汲取液正渗透膜装置（7）和肥料池（8），硝酸镁汲取液池（6）的出料口通过第二汲取液泵（6a）连接肥料汲取液正渗透膜装置（7）左上部的汲取液入口，肥料汲取液正渗透膜装置（7）左下部的汲取液出口连接肥料池（8）的入料口，汲取液正渗透膜装置（4）左下部的出料口连接肥料汲取液正渗透膜装置（7）右上部的进料口；
所述磷酸铵镁沉淀分离单元包含搅拌反应器（9）、过滤器（10）、离心分离机（11）和磷酸铵镁肥料罐（12），肥料汲取液正渗透膜装置（7）右下部的出料口通过第三水泵（7a）和反应器进料管（9b）连接搅拌反应器（9）的进料口，搅拌反应器（9）底部的出料口通过第四水泵（9a）连接过滤器（10）底部的进料口，过滤器（10）右侧的固体出料口连接离心分离机（11）的进料口，离心分离机（11）的出料口连接磷酸铵镁肥料罐（12）的进料口，过滤器（10）顶部的液体出料口通过一个支管连接进水支管（13a），通过另一个支管连接反应器进料管（9b）。
2.根据权利要求1所述的一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统的处理方法，其特征在于，所述汲取液正渗透膜装置（4）、肥料汲取液正渗透膜装置（7）通过正渗透膜分隔为原料液室和汲取液室。
3.根据权利要求1所述的一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）养殖废水的预处理，废水池（1）中的养殖废水由第一水泵（1a）经废水管道（1b）泵入过滤池（3）中，絮凝加药装置（2）中的絮凝剂通过废水管道（1b）加入到养殖废水中，养殖废水在过滤池（3）中完成絮凝沉淀，通过栅格装置（3a）去除悬浮颗粒，预处理后的养殖废水进入正渗透浓缩单元继续处理；
b）养殖废水的正渗透浓缩，预处理后的养殖废水通过第二水泵（3b）泵入汲取液正渗透膜装置（4）的原料液侧，汲取液配浆罐（5）中浓度为20-25%的浓海水作为汲取液由第一汲取液泵（5a）泵入汲取液正渗透膜组件（4）的汲取液侧，在正渗透压的作用下，养殖废水的盐度浓缩到10-12%，汲取液的浓度稀释到12-15%，稀释后的汲取液一部分进入汲取液配浆罐（5）中加入海盐配置循环使用的汲取液，其余部分进入海水罐（13）中，浓缩后的养殖废水进入正渗透铵回收单元继续处理；
c）养殖废水的正渗透铵回收，浓缩后的养殖废水进入肥料汲取液正渗透膜装置（7）的原料液侧，硝酸镁汲取液池（6）中浓度为14-16%的硝酸镁溶液作为汲取液由第二汲取液泵（6a）泵入肥料汲取液正渗透膜组件（7）的汲取液侧，在正渗透膜两侧渗透压的作用下，养殖废水中的NH4+ 和水分子透过渗透膜进入到汲取液中，含有硝酸镁和铵离子的汲取液进入肥料池（8）中用于农田肥料，硝酸镁汲取液中少量的Mg2+透过渗透膜进入到养殖废水中，二次浓缩后含有Mg2+、PO43-和NH4+的养殖海水进入磷酸铵镁沉淀分离单元进行结晶沉淀处理；
d）养殖废水中磷酸铵镁的沉淀分离，二次浓缩后的养殖海水进入搅拌反应器（9）中，养殖海水中的Mg2+、PO43-和NH4+ 在搅拌反应器（9）中发生化学反应生成磷酸铵镁沉淀，磷酸铵镁沉淀经过滤器（10）过滤后由固体出料口进入离心分离机（11）进行固液分离，获得结晶磷酸铵镁固体肥料，经过滤器（10）过滤分离后的养殖海水一部分返回搅拌反应器（9）中继续进行沉淀反应，另一部分返回海水罐（13）中，与新鲜海水混合后进入海水养殖池重复循环使用。
说明书
一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统及处理方法
技术领域
本发明涉及一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统及处理方法，属于水产养殖技术领域。
背景技术
循环海水养殖是一种使用人工饲料的高度集约化养殖方式，目前主要采用开放式流水或半流水养殖。养殖投放的饵料所含的氮和磷大约有90%和82%以残余饵料和鱼类排泄物的形式积累在养殖水体中，大量饲料的浪费造成养殖成本高，排放的养殖废水引起近岸水域海水富营养化，造成局部海域发生赤潮；循环海水养殖易受外部海洋环境制约，一旦外部海水水质变差或被污染，水产品的产量和品质受到严重威胁，养殖效益减少。因此研究循环海水养殖废水的净化处理和循环利用是实现生态型渔业养殖的关键技术。
相对于生活废水和工业废水，由于养殖废水具有污染物浓度低和废水排放量大的特点，其处理难度增大。现有的废水处理方法主要有物理法处理法、化学处理法和生物处理法。物理处理法中常用的过滤和泡沫分离技术能够去除废水中的悬浮物，对无机物、总氮和总磷等污染物难以除去。化学法主要是采用絮凝剂、化学氧化剂等对废水进行处理，去除废水中的氨、亚硝酸盐、有机物等有害物质，但化学试剂用量大和能耗高，废水处理的成本过高。生物处理法利用微生物、植物等的吸收和代谢作用降解废水中的营养成分，但其中处理效果较好的人工湿地、微藻处理技术等存在占用土地面积大和投资大的问题。
为解决养殖水处理成本高和处理效果差的问题，选用膜分离技术处理养殖废水。压力驱动的纳滤加反渗透处理技术由于膜对废水中NH4+和有机物较低的截留率，废水分离效果差，更重要的是养殖废水水量大并且纳滤+反渗透膜法电耗高，养殖废水处理成本高。正渗透依靠溶液自身的渗透压推动分离过程，不需要消耗泵功来克服渗透压，具有能耗低、截留率高、膜污染倾向性低等优势，成为新兴的废水处理技术。基于正渗透技术，利用肥料为汲取液来处理废水，处理后的汲取液可直接作为农作物肥料，这种肥料驱动正渗透技术主要用于尿液处理和海水淡化，而尿液中氮和磷浓度是海水养殖废水的5-8倍，造成采用正渗透处理海水养殖废水回收氮磷等营养物质的处理效率过低，养殖废水中的NH4+截留率低，无法有效回收废水中的氮。肥料驱动正渗透海水淡化主要用于分离海水中的淡水，浓缩后的海水排放到大海，这样就不能实现养殖废水中以氮磷营养物质的回用，因此无法实现对养殖废水的处理回用。因此亟需开发一种适用于养殖废水特点的成本低廉和处理效果好的肥料驱动正渗透海水养殖废水处理工艺。
公布号为CN102351367A和CN108975568A的中国专利公开了一种海水养殖废水处理方法，采用电化学技术和紫外照射消毒技术部分去除废水中的的氨氮和杀死病菌，但对总磷和有机物等的去除效果不理想，处理后的废水满足达标排放，并没有有效回收养殖废水中的营养物质，并且海水养殖废水水量大和废水处理电耗高，海水养殖废水的处理成本没有实现有效降低。
公布号为CN105502650A和CN106890625A的中国专利公开了一种去除水产养殖废水中氮磷的处理方法，但废水处理中加入化学试剂量大且不可回收，造成运行成本高，污泥产生量大造成二次污染，废水中的磷没有得到回用，造成处理后的水产养殖废水没有得到有效净化，长期循环使用会严重影响养殖水的水质。
《工业水处理》2017年37卷9期中的《正渗透水肥一体化灌溉中化肥驱动液的筛选》研究了4种化肥溶液作为汲取液的正渗透法处理重金属镉溶液的性能，对比研究的目的是筛选性能最优的汲取液，但没有涉及到浓缩后原料液的处理和原料液中营养物质的回用。
海水养殖废水处理方法上存在的问题如下：
（1）现有的物理法、化学法和生物法废水处理技术通过过滤分离、化学氧化分解和生物的吸收代谢实现废水的净化，而这些方法难以彻底除去养殖废水中的污染物，废水处理的药剂和电耗量过高造成废水处理成本过高。
（2）由于养殖废水排放量大和压力驱动膜法电耗高，压力驱动的纳滤、反渗透等膜法处理养殖废水存在处理成本高、膜易结垢等技术问题。
（3）采用肥料驱动正渗透废水处理技术回收养殖废水中氨氮等营养物时，原料液中营养物的浓度过低，正渗透的营养物回收效率过低，养殖废水中的NH4+截留率低，无法有效回收废水中的氮。采用该技术进行海水淡化时，没有对海水中的污染物处理，浓缩后的海水直接排放大海，没能实现对养殖海水的净化处理和对养殖海水中氮磷等营养物质的回用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统及处理方法。该处理系统将浓海水和Mg(NO3)2溶液作为汲取液的正渗透方法耦合，既实现了将海水养殖废水中的氮磷营养物质回用作为农作物肥料，又实现了养殖海水的循环利用，实现了海水养殖废水的低成本零排放。
本发明采用如下技术方案：一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统，它包括预处理单元，它还包括正渗透浓缩单元、正渗透铵回收单元和磷酸铵镁沉淀分离单元，所述预处理单元包含废水池、絮凝加药装置和过滤池，废水池的出水口通过第一水泵和废水管道连接过滤池的进水口，过滤池的内部设有栅格装置，絮凝加药装置的出药口通过管道连接废水管道。
所述正渗透浓缩单元包含汲取液正渗透膜装置和汲取液配浆罐，过滤池的出水口通过第二水泵连接汲取液正渗透膜装置左上部的进料口，汲取液配浆罐顶部的汲取液出口通过第一汲取液泵连接汲取液正渗透膜装置右上部的汲取液入口，汲取液正渗透膜装置右下部的汲取液出口通过配浆支管连接汲取液配浆罐底部的汲取液入口和通过进水支管连接海水灌的进水口，海水灌的出水口通过海水输送管道连接海水养殖池。
所述正渗透铵回收单元包含硝酸镁汲取液池、肥料汲取液正渗透膜装置和肥料池，硝酸镁汲取液池的出料口通过第二汲取液泵连接肥料汲取液正渗透膜装置左上部的汲取液入口，肥料汲取液正渗透膜装置左下部的汲取液出口连接肥料池的入料口，汲取液正渗透膜装置左下部的出料口连接肥料汲取液正渗透膜装置右上部的进料口。
所述磷酸铵镁沉淀分离单元包含搅拌反应器、过滤器、离心分离机和磷酸铵镁肥料罐，肥料汲取液正渗透膜装置右下部的出料口通过第三水泵和反应器进料管连接搅拌反应器的进料口，搅拌反应器底部的出料口通过第四水泵连接过滤器底部的进料口，过滤器右侧的固体出料口连接离心分离机的进料口，离心分离机的出料口连接磷酸铵镁肥料罐的进料口，过滤器顶部的液体出料口通过一个支管连接进水支管，通过另一个支管连接反应器进料管。
所述汲取液正渗透膜装置、肥料汲取液正渗透膜装置通过正渗透膜分隔为原料液室和汲取液室。
所述的一种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统的处理方法，包括以下步骤：
a）养殖废水的预处理，废水池中的养殖废水由第一水泵经废水管道泵入过滤池中，絮凝加药装置中的絮凝剂通过废水管道加入到养殖废水中，养殖废水在过滤池中完成絮凝沉淀，通过栅格装置去除悬浮颗粒，预处理后的养殖废水进入正渗透浓缩单元继续处理。
b）养殖废水的正渗透浓缩，预处理后的养殖废水通过第二水泵泵入汲取液正渗透膜装置的原料液侧，汲取液配浆罐中浓度为20-25%的浓海水作为汲取液由第一汲取液泵泵入汲取液正渗透膜组件的汲取液侧，在正渗透压的作用下，养殖废水的盐度浓缩到10-12%，汲取液的浓度稀释到12-15%，稀释后的汲取液一部分进入汲取液配浆罐中加入海盐配置循环使用的汲取液，其余部分进入海水罐中，浓缩后的养殖废水进入正渗透铵回收单元继续处理。
c）养殖废水的正渗透铵回收，浓缩后的养殖废水进入肥料汲取液正渗透膜装置的原料液侧，硝酸镁汲取液池中浓度为14-16%的硝酸镁溶液作为汲取液由第二汲取液泵泵入肥料汲取液正渗透膜组件的汲取液侧，在正渗透膜两侧渗透压的作用下，养殖废水中的NH4+和水分子透过渗透膜进入到汲取液中，含有硝酸镁和铵离子的汲取液进入肥料池中用于农田肥料，硝酸镁汲取液中少量的Mg2+透过渗透膜进入到养殖废水中，二次浓缩后含有Mg2+、PO43-和NH4+的养殖海水进入磷酸铵镁沉淀分离单元进行结晶沉淀处理。
d）养殖废水中磷酸铵镁的沉淀分离，二次浓缩后的养殖海水进入搅拌反应器中，养殖海水中的Mg2+、PO43-和NH4+在搅拌反应器中发生化学反应生成磷酸铵镁沉淀，磷酸铵镁沉淀经过滤器过滤后由固体出料口进入离心分离机进行固液分离，获得结晶磷酸铵镁固体肥料，经过滤器过滤分离后的养殖海水一部分返回搅拌反应器中继续进行沉淀反应，另一部分返回海水罐中，与新鲜海水混合后进入海水养殖池重复循环使用。
上述技术方案的特点是：硝酸镁肥料为汲取液的正渗透过程，回收了海水养殖废水中的NH4+和PO43-，获得了硝酸镁和铵复合肥溶液和磷酸铵镁（鸟粪石）固体肥料，消除了汲取液再生过程的能耗，正渗透处理后的海水养殖废水得到了净化，可直接进入海水养殖池循环重复利用。浓海水为汲取液的正渗透浓缩过程，增大了海水养殖废水中氨氮营养物的浓度，提高了正渗透铵回收单元中氨氮营养物的回收效率，浓海水作为汲取液大幅度降低了汲取液再生的成本。
本发明的有益效果是：这种肥料驱动正渗透海水养殖废水处理系统包括预处理单元、正渗透浓缩单元、正渗透铵回收单元和磷酸铵镁沉淀分离单元，该处理系统通过设置正渗透浓缩单元、正渗透铵回收单元和磷酸铵镁沉淀分离单元，使得养殖废水经以硝酸镁溶液作为汲取液的正渗透处理后，硝酸镁汲取液回收了废水中的部分NH4+和清水，稀释后的汲取液作为为可直接用于农田的硝酸镁和铵复合肥溶液，消除了汲取液再生过程的成本。养殖废水中的PO43-和剩余的NH4+与硝酸镁汲取液中反向透过渗透膜的Mg2+ 通过化学反应结晶沉淀生成了磷酸铵镁（鸟粪石）固体肥料。养殖废水中的氮磷营养物质被回收利用，使养殖废水得到了净化，净化后的养殖废水可循环重复利用。采用浓海水作为正渗透浓缩过程的汲取液，沿海就地取材海盐用于浓海水汲取液的再生，大幅度降低了汲取液再生的成本。稀释后的浓海水一部分用于浓海水汲取液的再生，剩余部分进入海水养殖池循环重复使用。
发明人 （杨洛鹏;张林华;曲云霞;孔令健;）
