申请日2020.11.02
公开（公告）日2021.03.12
IPC分类号C02F9/14; C02F101/16
摘要
本发明涉及一种基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统及方法，该系统包括固液分离器、厌氧反应组件和好氧光合微藻生长反应组件；所述固液分离器的输出端与厌氧反应组件的输入端连接，所述固液分离器用于接收高氨氮废水并将高氨氮废水进行固液分离，得到粗虑废水和废渣，并将粗虑废水输入厌氧反应组件，废渣排出。本发明利用疏水性中空纤维膜来吸收废水中氨氮，使氨氮转换为铵盐，实现低能耗条件下回收氨氮，并得到铵盐，通过真空泵将废水中产生的沼气通入好氧光合微藻生长反应器内，在光照条件下，利用微藻于二氧化碳进行光合作用，生成氧气，并吸收沼气内的二氧化碳，对沼气中的甲烷进行提纯。
权利要求书
1.基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统，其特征在于，包括固液分离器(1)、厌氧反应组件和好氧光合微藻生长反应组件；
所述固液分离器(1)的输出端与厌氧反应组件的输入端连接，所述固液分离器(1)用于接收高氨氮废水并将高氨氮废水进行固液分离，得到粗虑废水和废渣，并将粗虑废水输入厌氧反应组件，废渣排出；
所述厌氧反应组件内设置有疏水性中空纤维膜(21)，所述厌氧反应组件用于向疏水性中空纤维膜(21)内通入酸液，粗虑废水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜(21)被酸液吸收，得到铵盐溶液，并将铵盐溶液进行储存，所述厌氧反应组件还用于使粗虑废水进行厌氧发酵，得到沼气和二次处理废水；
所述好氧光合微藻生长反应组件内设置有膜接触器(51)，所述好氧光合微藻生长反应组件用于将厌氧反应组件内的粗虑废水中的沼气抽入二次处理废水膜接触器(51)内，将二次处理废水抽入好氧光合微藻生长反应组件内，所述好氧光合微藻生长反应组件还用于通过微藻吸收膜接触器(51)内的沼气中的二氧化碳和二次处理废水中的二氧化碳，得到三次处理废水、氧气和甲烷气体，并将氧气排放，将甲烷气体进行储存，将三次处理废水经过滤后排放，将滤渣制成动物饲料。
2.根据权利要求1所述的基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统，其特征在于，所述厌氧反应组件包括厌氧反应池(2)、酸液罐(3)和铵盐储液罐(4)；
所述厌氧反应池(2)内设置有疏水性中空纤维膜(21)，所述酸液罐(3)的输出端与疏水性中空纤维膜(21)的出入口连接，所述酸液罐(3)的输出端与疏水性中空纤维膜(21)的出入口之间设置有第二阀(31)和酸液泵(32)，所述酸液泵(32)用于将酸液罐(3)内的酸液泵(32)入中疏水性中空纤维膜(21)，粗虑废水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜(21)被酸液吸收，得到铵盐溶液，所述疏水性中空纤维膜(21)的输出端与铵盐储液罐(4)的输入端连接，所述疏水性中空纤维膜(21)的输出端与铵盐储液罐(4)的输入端之间设置有第三阀(41)，所述铵盐储液罐(4)用于储存铵盐溶液，所述厌氧反应池(2)用于使粗虑废水进行厌氧发酵，得到沼气和二次处理废水；
所述好氧光合微藻生长反应组件包括好氧光合微藻生长反应器(5)、储气罐(6)和过滤器(7)；
所述好氧光合微藻生长反应器(5)内设置有膜接触器(51)，所述好氧光合微藻生长反应器(5)与膜接触器(51)之间设置有微藻，所述膜接触器(51)的输入端与疏水性中空纤维膜(21)的出入口连接，所述膜接触器(51)的输入端与疏水性中空纤维膜(21)的出入口之间设置有第四阀(22)和真空泵(23)，所述厌氧反应池(2)的输出端与好氧光合微藻生长反应器(5)的输入端连接，所述厌氧反应池(2)的输出端与好氧光合微藻生长反应器(5)的输入端之间设置有第五阀(24)和沼液泵(25)，所述真空泵(23)用于通过微真空减压提取二次处理废水中的沼气，并将沼气输入膜接触器(51)内，所述沼液泵(25)用于将二次处理废水泵入好氧光合微藻生长反应器(5)内；
所述好氧光合微藻生长反应器(5)的顶部设置有排气孔，所述膜接触器(51)的输出端与储气罐(6)的输入端连接，所述好氧光合微藻生长反应器(5)的输出端与过滤器(7)连接，所述好氧光合微藻生长反应器(5)的输出端与过滤器(7)之间设置有第六阀(71)。
3.根据权利要求2所述的基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统，其特征在于，所述固液分离器(1)的输出端与厌氧反应池(2)的输入端连接，所述固液分离器(1)的输出端与厌氧反应池(2)的输入端之间设置有流体泵(11)和第一阀(12)，所述固液分离器(1)用于接收高氨氮废水并将高氨氮废水进行固液分离，得到粗虑废水和废渣，所述流体泵(11)用于将粗虑废水泵入厌氧反应池(2)内。
4.根据权利要求3所述的基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统，其特征在于，所述第一阀(12)、第二阀(31)、第三阀(41)、第四阀(22)、第五阀(24)和第六阀(71)均为蝶形阀。
5.基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将高氨氮废水输入固液分离器(1)中进行固液分离，得到粗虑废水和废渣；
步骤2、打开流体泵(11)和第一阀(12)，流体泵(11)将固液分离器(1)的粗虑废水泵入厌氧反应池(2)内，废渣从固液分离器(1)底部排出；
步骤3、关闭流体泵(11)和第一阀(12)，打开酸液泵(32)、第二阀(31)和第三阀(41)，酸液泵(32)酸液从酸液罐(3)内泵入疏水性中空纤维膜(21)中，粗虑污水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜(21)的膜孔后被酸液吸收，得到铵盐溶液，铵盐溶液从中空纤维膜的输出端进入铵盐储存罐内，厌氧反应池(2)内的粗虑废水经厌氧发酵，得到二次处理废水和沼气；
步骤4、关闭酸液泵(32)、第二阀(31)和第三阀(41)，打开真空泵(23)、第四阀(22)，通过真空泵(23)从粗虑废水中提取沼气，并将沼气输送至膜接触器(51)内，打开第五阀(24)和沼液泵(25)，沼液泵(25)将二次处理废水泵入好氧光合微藻生长反应器(5)内，沼气中的二氧化碳穿过膜接触器(51)的膜孔进入好氧光合微藻生长反应器(5)，得到甲烷气体，甲烷气体通过膜接触器(51)的输出端进入储气罐(6)，好氧光合微藻生长反应器(5)中微藻通过光合作用吸收二次处理废水和沼气中的二氧化碳，得到氧气和三次处理废水，生成的氧气从好氧光合微藻生长反应器(5)顶部的排气孔排出；
步骤5、打开第六阀(71)将三次处理废水排入过滤器(7)内过滤，得到滤渣和过滤水，过滤水直接排放，滤渣用于堆肥或加工为动物饲料。
说明书
基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体的讲是基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统及方法。
背景技术
为了加快生态环境建设，废水处理问题一直是当今社会关注的焦点。厌氧消化技术是处理废水和生产可再生能源的一种实用方法。然而，在厌氧发酵产甲烷的同时还产生了大量的厌氧消化液。虽然还田利用是一种有效的厌氧消化液减量化方式，但因我国近年来畜禽养殖、工业生产等规模化、集约化程度越来越高，且土地的消纳能力有限，所以事实上废水的还田利用还无法充分实现。此外，因很多厌氧消化液氨氮含量高，直接排放极易造成二次污染，所以需要再处理。目前，一般是采用活性污泥法、膜分离法、絮凝沉淀、氧化沟、高级氧化等工艺进行废水再处理。但这些方法成本高、且没有高附加值产物。
据悉，微藻是一类单细胞微生物，生长繁殖迅速，对环境的耐受性较好，易于培养，可在废水中生长。微藻在生长期间可通过光合作用可利用废水中的CO2、NH4+和PO43-等营养物质，在细胞内合成积累大量脂质、蛋白质、色素等高价值化合物并释放出O2。除细胞营养摄入外，微藻在光合作用期间将导致废pH值升高，造成部分NH4+挥发；而磷不能以气态形式存在，当废水的pH值和溶解氧浓度升高时，磷将以磷酸盐形式形成沉淀。此外，微藻不与农作物竞争耕地，是生物燃料、食品、饲料和药品等有效成分最具潜力的原料之一。
因此基于厌氧消化的技术，利用气体转移疏水膜，结合微藻光合作用构建的废水处理系统，不仅可以使废水达标排放，而且还有回收氨氮、提纯甲烷和获取微藻原料以便于制作高价值产品等的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统及方法，本发明利用疏水性中空纤维膜来吸收废水中氨氮，使氨氮转换为铵盐，实现低能耗条件下回收氨氮，并得到铵盐，通过真空泵在微真空作用下将废水中产生的沼气通入好氧光合微藻生长反应器内，在光照条件下，利用微藻于二氧化碳进行光合作用，生成氧气，并吸收沼气内的二氧化碳，对沼气中的甲烷进行提纯。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理系统，包括固液分离器、厌氧反应组件和好氧光合微藻生长反应组件；
所述固液分离器的输出端与厌氧反应组件的输入端连接，所述固液分离器用于接收高氨氮废水并将高氨氮废水进行固液分离，得到粗虑废水和废渣，并将粗虑废水输入厌氧反应组件，废渣排出；
所述厌氧反应组件内设置有疏水性中空纤维膜，所述厌氧反应组件用于向疏水性中空纤维膜内通入酸液，粗虑废水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜被酸液吸收，得到铵盐溶液，并将铵盐溶液进行储存，所述厌氧反应组件还用于使粗虑废水进行厌氧发酵，得到沼气和二次处理废水；
所述好氧光合微藻生长反应组件内设置有膜接触器，所述好氧光合微藻生长反应组件用于将厌氧反应组件内的粗虑废水中的沼气抽入二次处理废水膜接触器内，将二次处理废水抽入好氧光合微藻生长反应组件内，所述好氧光合微藻生长反应组件还用于通过微藻吸收膜接触器内的沼气中的二氧化碳和二次处理废水中的二氧化碳，得到三次处理废水、氧气和甲烷气体，并将氧气排放，将甲烷气体进行储存，将三次处理废水经过滤后排放，将滤渣制成动物饲料。
进一步的，所述厌氧反应组件包括厌氧反应池、酸液罐和铵盐储液罐；
所述厌氧反应池内设置有疏水性中空纤维膜，所述酸液罐的输出端与疏水性中空纤维膜的出入口连接，所述酸液罐的输出端与疏水性中空纤维膜的出入口之间设置有第二阀和酸液泵，所述酸液泵用于将酸液罐内的酸液泵入中疏水性中空纤维膜，粗虑废水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜被酸液吸收，得到铵盐溶液，所述疏水性中空纤维膜的输出端与铵盐储液罐的输入端连接，所述疏水性中空纤维膜的输出端与铵盐储液罐的输入端之间设置有第三阀，所述铵盐储液罐用于储存铵盐溶液，所述厌氧反应池用于使粗虑废水进行厌氧发酵，得到沼气和二次处理废水；
所述好氧光合微藻生长反应组件包括好氧光合微藻生长反应器、储气罐和过滤器；
所述好氧光合微藻生长反应器内设置有膜接触器，所述好氧光合微藻生长反应器与膜接触器之间设置有微藻，所述膜接触器的输入端与疏水性中空纤维膜的出入口连接，所述膜接触器的输入端与疏水性中空纤维膜的出入口之间设置有第四阀和真空泵，所述厌氧反应池的输出端与好氧光合微藻生长反应器的输入端连接，所述厌氧反应池的输出端与好氧光合微藻生长反应器的输入端之间设置有第五阀和沼液泵，所述真空泵用于通过微真空减压提取二次处理废水中的沼气，并将沼气输入膜接触器内，所述沼液泵用于将二次处理废水泵入好氧光合微藻生长反应器内；
所述好氧光合微藻生长反应器的顶部设置有排气孔，所述膜接触器的输出端与储气罐的输入端连接，所述好氧光合微藻生长反应器的输出端与过滤器连接，所述好氧光合微藻生长反应器的输出端与过滤器之间设置有第六阀。
进一步的，所述固液分离器的输出端与厌氧反应池的输入端连接，所述固液分离器的输出端与厌氧反应池的输入端之间设置有流体泵和第一阀，所述固液分离器用于接收高氨氮废水并将高氨氮废水进行固液分离，得到粗虑废水和废渣，所述流体泵用于将粗虑废水泵入厌氧反应池内。
进一步的，所述第一阀、第二阀、第三阀、第四阀、第五阀和第六阀均为蝶形阀。
基于疏水膜的厌氧和好氧的废水处理方法，包括以下步骤：
步骤1、将高氨氮废水输入固液分离器中进行固液分离，得到粗虑废水和废渣；
步骤2、打开流体泵和第一阀，流体泵将固液分离器的粗虑废水泵入厌氧反应池内，废渣从固液分离器底部排出；
步骤3、关闭流体泵和第一阀，打开酸液泵、第二阀和第三阀，酸液泵酸液从酸液罐内泵入疏水性中空纤维膜中，粗虑污水中的自由氨扩散至疏水性中空纤维膜的膜孔后被酸液吸收，得到铵盐溶液，铵盐溶液从中空纤维膜的输出端进入铵盐储存罐内，厌氧反应池内的粗虑废水经厌氧发酵，得到二次处理废水和沼气；
步骤4、关闭酸液泵、第二阀和第三阀，打开真空泵、第四阀，通过真空泵从粗虑废水中提取沼气，并将沼气输送至膜接触器内，打开第五阀和沼液泵，沼液泵将二次处理废水泵入好氧光合微藻生长反应器内，沼气中的二氧化碳穿过膜接触器的膜孔进入好氧光合微藻生长反应器，得到甲烷气体，甲烷气体通过膜接触器的输出端进入储气罐，好氧光合微藻生长反应器中微藻通过光合作用吸收二次处理废水和沼气中的二氧化碳，得到氧气和三次处理废水，生成的氧气从好氧光合微藻生长反应器顶部的排气孔排出；
步骤5、打开第六阀将三次处理废水排入过滤器内过滤，得到滤渣和过滤水，过滤水直接排放，滤渣用于堆肥或加工为动物饲料。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过采用疏水性中空纤维膜接触器实现在微真空和酸吸收条件下有效脱废水中能源和养分的目的，实现了在利用酸液吸收废水中氨氮转化的自由氨后，可根据具体铵盐的化学特性，采用不同的化学处理方法，得到不同的产物，从而增加废水的附加价值。
2、本发明利用了废水厌氧发酵产生的消化液培植微藻，并利用绿藻的光合作用捕集、利用和储存二氧化碳，实现了二氧化碳的负排放。
3、本发明通过气体转移中空纤维疏水膜的使用及绿藻的光合作用对二氧化碳的吸收，实现了对甲烷的提纯，甲烷的提纯利用可以很好的替代化石燃料，这不仅解决了部分能源的供需问题，而且对环境保护有重要意义。
4、本发明中培植的绿藻可经过过滤加工制成动物饲料，从而提高本发明系统的额外的高附加价值。
5、本发明热量需求较小，反应温度低，所以能耗较低，此外微藻光合作用还引入了新能源——太阳能，所以该系统在实现废水达标排放的同时，还做到了有效用能、节能和产能的一体化，这对废水处理领域的发展有重要意义。
（发明人：蒋庭学;肖满;贺清尧）
