申请日 20200727
公开（公告）日 20201103
IPC分类号 C02F9/10; C02F101/10
摘要
本发明涉及一种基于正渗透‑膜蒸馏技术的高磷废水处理装置，包括：正渗透单元、太阳能加热单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元，太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、汲取液储液罐、铜制换热盘管；正渗透单元包括原料液进液罐和正渗透膜组件；膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件；冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，本装置处理过程中除太阳能外不消耗其他能源，不仅节约了电力成本，还能从高磷废水中回收磷和净水。
权利要求书
1.一种基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理装置，其特征在于，包括太阳能加热单元、正渗透单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元；
所述太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、汲取液储液罐、铜制换热盘管，所述铜制换热盘管设置在汲取液储液罐内，用以与汲取液储液罐内的汲取液进行热交换，所述聚光型槽式太阳能集热器两端与所述铜制换热盘管两端相连，形成供热回路，用以为铜制换热盘管提供热源；
所述正渗透单元包括原料液进液罐和正渗透膜组件，所述正渗透膜组件的两进水口分别连接原料液进液罐的出水口和汲取液储液罐的出水口，所述正渗透膜组件的两出水口分别连接原料液进液罐的进水口和膜蒸馏单元的进水口；
所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件的进水口并联后连接正渗透膜组件的出水口，作为热腔的膜组件的出水口并联后连接汲取液储液罐的进水口，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在冷馏水出水单元的进出水口两端形成回路；
所述冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，所述半导体制冷片安装在冷馏水收集罐外壁上，作为冷源用以对冷馏水收集罐进行制冷，所述冷馏水收集罐内的温度控制在10-20℃之间，所述温度传感器设置在冷馏水收集罐内，用以监测冷馏水收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持冷馏水收集罐内吸收液的温度，所述冷馏水收集罐还与净水水箱相连通，且冷馏水收集罐连通净水水箱的出水口高于其连通膜蒸馏单元的出水口，所述总溶解固体监测器设置在净水水箱内部，且与外部的信号指示灯相连。
2.根据权利要求1所述的高磷废水处理装置，其特征在于，所述太阳能加热单元还包括：
太阳能加热循环磁力泵，设置在铜制换热盘管出水口与聚光型槽式太阳能集热器入口之间；
自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与铜制换热盘管之间，用以控制铜制换热盘管的加热温度维持在60-80℃。
3.根据权利要求1所述的高磷废水处理装置，其特征在于，所述正渗透单元还包括：正渗透原料液侧循环磁力泵、正渗透原料液侧转子流量计、正渗透汲取液侧循环磁力泵、正渗透汲取液侧转子流量计；
所述原料液进液罐出水口与正渗透原料液侧循环磁力泵进水口相连，正渗透原料液侧循环磁力泵出水口与正渗透原料液侧转子流量计进水口相连，正渗透原料液侧转子流量计出水口与正渗透膜组件原料液侧进水口相连，正渗透膜组件原料液侧出水口与原料液进液罐进水口相连，形成正渗透原料液侧循环回路；
所述汲取液储液罐的出水口与正渗透汲取液侧循环磁力泵进水口相连，所述正渗透汲取液侧循环磁力泵出水口与正渗透汲取液侧转子流量计进水口相连，正渗透汲取液侧转子流量计出水口与正渗透膜组件汲取液侧进水口相连，正渗透膜组件汲取液侧出水口与膜蒸馏单元的进水口相连；
正渗透膜采用三醋酸纤维素平板膜。
4.根据权利要求1所述的高磷废水处理装置，其特征在于，所述膜蒸馏单元还包括膜蒸馏热侧转子流量计、膜蒸馏冷侧转子流量计、膜蒸馏冷侧循环磁力泵、温度监测计；所述膜蒸馏热侧转子流量计进水口与所述正渗透膜组件的出水口相连，所述膜蒸馏热侧转子流量计的出水口与膜蒸馏膜单元热侧进水口相连，膜蒸馏膜单元热侧出水口与汲取液储液罐进水口相连，膜蒸馏冷侧循环磁力泵的进水口与冷馏水收集罐出水口相连，膜蒸馏冷侧循环磁力泵的出水口经膜蒸馏冷侧转子流量计与膜蒸馏膜单元冷侧进水口相连，膜蒸馏膜单元冷侧出水口与冷馏水收集罐进水口相连；膜蒸馏单元膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进水口、出水口处分别布置一个温度监测计。
5.根据权利要求1所述的高磷废水处理装置，其特征在于，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将直流电转化为交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、正渗透单元、膜蒸馏单元、冷馏水出水单元的用电单元供电。
6.一种基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的高磷废水处理装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）在原料液进液罐中加入高浓度含磷废水，汲取液进液罐中加入高浓度高分子电解质溶液作为汲取液，开启太阳能加热循环磁力泵，将汲取液进液罐中的汲取液加热到60±5℃，太阳能加热循环磁力泵前设置自力式温度调节阀，当温度高于80℃时，阀门就会关闭；
步骤2）启动正渗透汲取液侧循环磁力泵和正渗透原料液侧循环磁力泵，调节正渗透原料液侧及汲取液转子流量计，控制原料液循环侧的流量至0.5-0.7L/min，汲取液循环侧的流量至0.5-0.7L/min，待流量稳定之后开始正渗透进程；
步骤3）冷馏水收集罐中加入一定体积的纯水，启动半导体制冷片将冷馏水收集罐中的水温维持在15±2℃，冷馏水收集罐中设置温度传感器，若温度低于10℃，则温度传感器控制的电路开关将关闭；
步骤4）启动膜蒸馏冷侧循环磁力泵，调节膜蒸馏冷侧转子流量计及膜蒸馏热侧转子流量计，控制热循环侧和冷循环侧的流量，控制膜蒸馏热侧循环的流量至0.5-0.7L/min，膜蒸馏冷侧循环的流量至0.1-0.3L/min，通过膜组件上4个温度监测器监测液体温度，膜蒸馏膜组件热侧温度控制在60±5℃，膜蒸馏膜组件冷侧温度控制在15±2℃待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏进程；
步骤5）记录起始净水水箱的水位，开启TDS监测器，若TDS超标，传感器就会输送信号给指示灯，指示灯亮起，提醒人员对装置进行检修；运行一小时后，再次测定并记录净水水箱的水位，根据前后体积差值，即可得出膜蒸馏效率。
说明书
基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种废水处理装置，特别涉及一种高磷废水处理装置及处理方法。
背景技术
磷是植物必需的营养素。在过去的几十年里，由于农业生产的工业化，加快了磷从可开采的磷矿石流向农田，最终流向天然水道的速度，全球磷储量正在迅速枯竭，同时磷也是一种主要污染物，其向水环境的大量释放正是水华等严重生态问题形成的主要原因。从高磷废水中回收磷资源，生成鸟粪石肥料（MgNH4PO4·6H2O）是一种保证磷资源可再生利用和保护环境的有效途径。鸟粪石肥料的形成需要加入镁，镁是一种高价值的商品，如果磷酸盐和铵能从源溶液中富集，那么对镁的需求可以减少。
正渗透-膜蒸馏工艺处理高磷废水是利用正渗透过程中的选择性分离膜在膜两侧渗透压差的驱动下使废水中的水分子渗透进入汲取侧，之后通过太阳能加热循环将正渗透汲取液加热，于膜蒸馏冷侧收集纯水的一种新型水处理过程。由于正渗透膜相比于膜蒸馏膜受污染后清理更简单，回收效率更高，故在整个过程中正渗透相当于膜蒸馏过程的预处理单元，预先将污染物分离，有利于减缓膜蒸馏过程的膜污染，而且进料液罐中的高磷废水经正渗透浓缩之后，可以在里面添加MgCl2作为牵引溶质，最后以鸟粪石肥料（MgNH4PO4·6H2O）的形式浓缩正磷酸盐和铵，用于后续的磷回收。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理装置及方法，不仅能从高磷废水中回收磷资源并提取清水，还能节约能源，清洁环保。
本发明的目的是这样实现的：一种基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理装置，包括太阳能加热单元、正渗透单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元；
所述太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、汲取液储液罐、铜制换热盘管，所述铜制换热盘管设置在汲取液储液罐内，用以与汲取液储液罐内的汲取液进行热交换，所述聚光型槽式太阳能集热器两端与所述铜制换热盘管两端相连，形成供热回路，用以为铜制换热盘管提供热源；
所述正渗透单元包括原料液进液罐和正渗透膜组件，所述正渗透膜组件的两进水口分别连接原料液进液罐的出水口和汲取液储液罐的出水口，所述正渗透膜组件的两出水口分别连接原料液进液罐的进水口和膜蒸馏单元的进水口；
所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件的进水口并联后连接正渗透膜组件的出水口，作为热腔的膜组件的出水口并联后连接汲取液储液罐的进水口，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在冷馏水出水单元的进出水口两端形成回路；
所述冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，所述半导体制冷片安装在冷馏水收集罐外壁上，作为冷源用以对冷馏水收集罐进行制冷，所述温度传感器设置在冷馏水收集罐内，用以监测冷馏水收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持冷馏水收集罐内吸收液的温度，所述冷馏水收集罐还与净水水箱相连通，且冷馏水收集罐连通净水水箱的出水口高于其连通膜蒸馏单元的出水口，所述总溶解固体监测器设置在净水水箱内部，且与外部的信号指示灯相连。
作为本发明的进一步限定，所述太阳能加热单元还包括：
太阳能加热循环磁力泵，设置在铜制换热盘管出水口与聚光型槽式太阳能集热器入口之间；
自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与铜制换热盘管之间，用以控制铜制换热盘管的加热温度维持在60-80℃。
作为本发明的进一步限定，所述正渗透单元还包括：正渗透原料液侧循环磁力泵、正渗透原料液侧转子流量计、正渗透汲取液侧循环磁力泵、正渗透汲取液侧转子流量计；
所述原料液进液罐出水口与正渗透原料液侧循环磁力泵进水口相连，正渗透原料液侧循环磁力泵出水口与正渗透原料液侧转子流量计进水口相连，正渗透原料液侧转子流量计出水口与正渗透膜组件原料液侧进水口相连，正渗透膜组件原料液侧出水口与原料液进液罐进水口相连，形成正渗透原料液侧循环回路；
所述汲取液储液罐的出水口与正渗透汲取液侧循环磁力泵进水口相连，所述正渗透汲取液侧循环磁力泵出水口与正渗透汲取液侧转子流量计进水口相连，正渗透汲取液侧转子流量计出水口与正渗透膜组件汲取液侧进水口相连，正渗透膜组件汲取液侧出水口与膜蒸馏单元的进水口相连；
正渗透膜采用三醋酸纤维素平板膜。
作为本发明的进一步限定，所述膜蒸馏单元还包括膜蒸馏热侧转子流量计、膜蒸馏冷侧转子流量计、膜蒸馏冷侧循环磁力泵、温度监测计；所述膜蒸馏热侧转子流量计进水口与所述正渗透膜组件的出水口相连，所述膜蒸馏热侧转子流量计的出水口与膜蒸馏膜单元热侧进水口相连，膜蒸馏膜单元热侧出水口与汲取液储液罐进水口相连，膜蒸馏冷侧循环磁力泵的进水口与冷馏水收集罐出水口相连，膜蒸馏冷侧循环磁力泵的出水口经膜蒸馏冷侧转子流量计与膜蒸馏膜单元冷侧进水口相连，膜蒸馏膜单元冷侧出水口与冷馏水收集罐进水口相连；膜蒸馏单元膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进水口、出水口处分别布置一个温度监测计。
作为本发明的进一步限定，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将18V直流电转化为220V交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、正渗透单元、膜蒸馏单元、冷馏水出水单元的用电单元供电。
一种基于正渗透-膜蒸馏技术的高磷废水处理方法，包括以下步骤：
步骤1）在原料液进液罐中加入高浓度含磷废水，汲取液进液罐中加入高浓度高分子电解质溶液作为汲取液，开启太阳能加热循环磁力泵，将汲取液进液罐中的汲取液加热到60±5℃，太阳能加热循环磁力泵前设置自力式温度调节阀，当温度高于80℃时，阀门就会关闭；
步骤2）启动正渗透汲取液侧循环磁力泵和正渗透原料液侧循环磁力泵，调节正渗透原料液侧及汲取液转子流量计，控制原料液循环侧的流量至0.5-0.7L/min，汲取液循环侧的流量至0.5-0.7L/min，待流量稳定之后开始正渗透进程；
步骤3）冷馏水收集罐中加入一定体积的纯水，启动半导体制冷片将冷馏水收集罐中的水温维持在15±2℃，冷馏水收集罐中设置温度传感器，若温度低于10℃，则温度传感器控制的电路开关将关闭；
步骤4）启动膜蒸馏冷侧循环磁力泵，调节膜蒸馏冷侧转子流量计及膜蒸馏热侧转子流量计，控制热循环侧和冷循环侧的流量，控制膜蒸馏热侧循环的流量至0.5-0.7L/min，膜蒸馏冷侧循环的流量至0.1-0.3L/min，通过膜组件上4个温度监测器监测液体温度，膜蒸馏膜组件热侧温度控制在60±5℃，膜蒸馏膜组件冷侧温度控制在15±2℃待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏进程；
步骤5）记录起始净水水箱的水位，开启TDS监测器，若TDS超标，传感器就会输送信号给指示灯，指示灯亮起，提醒人员对装置进行检修；运行一小时后，再次测定并记录净水水箱的水位，根据前后体积差值，即可得出膜蒸馏效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本装置不仅能从高磷废水提取净水，还能通过正渗透工艺浓缩原料液，添加MgCl2作为牵引溶质，最后以鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O）的形式浓缩正磷酸盐和铵，用于后续磷的回收；
2、本装置处理过程中除太阳能外不消耗其他能源，不仅清洁环保，还节约了电力成本；
3、本装置处理过程基本实行自动化，不仅方便快捷，还节约了人力成本；
4、本装置采用并联平板式膜蒸馏技术，并通过实验确定了获得最高膜通量的参数条件，膜材质具有一定的抗污性能及相对较长的使用期限。
发明人 （朱腾义;曹再植;李书音;古黎明;王振兴;程浩淼;吴晶;）
