CN102583873A - 同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统以及废水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统以及废水处理方法。所述废水处理系统包括中高温厌氧槽和薄膜蒸馏装置，所述中高温厌氧槽容置有厌氧菌并适于在30℃至90℃的温度下以厌氧菌分解所述废水中的有机污染物，其中位于所述中高温厌氧槽中的所述废水的氧化还原电位为0mV至-600mV；以及所述薄膜蒸馏装置用以分离来自所述中高温厌氧槽的废水，使至少一部分的所述废水以蒸汽的形式通过具有孔洞及疏水性薄膜蒸馏装置，以除去所述废水中的无机污染物。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理系统以及废水处理方法，且特别地涉及可同时去除废水中的有机污染物与无机污染物的废水处理系统以及废水处理方法。
背景技术
历史及预测资料显示，从1990年至2020年间全世界人口增长六倍左右，但人类赖以维生的水资源仅仅增长四倍，水资源缺乏与不足是人类将共同面临的困境，因而急迫地需要解决与克服。除不断开源增加水资源外，在节流方面除了节约用水外，水回收再利用被视为其中重要一环。废水经过适当处理后，可依使用标的物的不同而进行回收再利用。早期由于受到处理技术及成本限制，主要是以去除水中颗粒及无机离子的方式达到回收再利用的目的，而将高浓度有机废水处理后回收再利用的情况并不常见。近年来，结合微生物及薄膜的薄膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)使有机废水的回收再利用的机会大幅提升。然而，有机废水本身也含有无机离子，因此，这一类的有机废水即使经过MBR处理后，仍有盐类残留在水中，故直接进行水回收再利用的价值不高，即便回收再利用，其用途也受到限制，除非再把水中盐类去除。
对此，美国专利申请第20100072130号提出一种薄膜蒸馏生物反应器，其使废水流入存在需氧菌的生物反应槽中，以通过需氧菌分解废水中的有机污染物，之后，再蒸馏该废水以使其通过蒸馏薄膜。虽然该篇美国专利提及该生物反应槽中亦可存在厌氧菌，然而，其揭露的薄膜蒸馏生物反应器只适合需氧菌生存(例如在其图1、4、5、6、10、12的实施例中均有对生物反应槽进行曝气的装置)，而不适合厌氧菌生存。因此，本领域技术人员在参考美国专利申请第20100072130 号所揭露的内容后至多仅能以存在需氧菌的生物反应槽净化废水，而无法以存在厌氧菌的生物反应槽净化废水。此外，由于生物反应槽中的废水需被加热至一定的温度以具有足够的蒸汽压从而通过蒸馏薄膜，因此，生物反应槽中的废水温度偏高以致于废水中的溶氧量降低，而不利于需氧菌生存。此外，未能通过蒸馏薄膜的废水将回流至生物反应槽中以致于生物反应槽中的废水产生盐类浓度累积效应，而易导致需氧菌渗透压过高产生脱水现象，因此需氧菌的处理废水的能力会随操作时间的增加而降低。
发明内容
本发明提供一种废水处理系统，适于同时净化含有有机污染物与无机污染物的废水，废水处理系统包括中高温厌氧槽和薄膜蒸馏装置，所述中高温厌氧槽容置有厌氧菌并适于在30℃至90℃的温度下以厌氧菌分解废水中的有机污染物，其中位于中高温厌氧槽中的废水的氧化还原电位为0mV至-600mV，所述薄膜蒸馏装置用以分离来自中高温厌氧槽的废水，使至少一部分的废水以蒸汽的形式通过薄膜蒸馏装置的薄膜，以除去废水中的无机污染物。
本发明又提供一种废水处理方法，适于同时净化含有有机污染物与无机污染物的废水。该方法包括使废水流入容置有厌氧菌的中高温厌氧槽中，在30℃至90℃的温度下以厌氧菌分解废水中的有机污染物，其中位于中高温厌氧槽中的废水的氧化还原电位为0mV至-600mV；以及使位于中高温厌氧槽中的废水流入薄膜蒸馏装置中，并使至少一部分的废水以蒸汽的形式通过薄膜蒸馏装置的薄膜，以除去废水中的无机污染物。
附图说明
图1显示了本发明一实施例的废水处理系统的示意图。
图2显示了本发明一实施例的薄膜蒸馏装置的薄膜通量对操作时间的变化图。
图3显示了本发明一实施例的进流废水、在中高温厌氧槽中的废水以及通过薄膜的废水的总有机碳(TOC)浓度对操作时间的变化图。
图4显示了本发明一实施例的进流废水、在中高温厌氧槽中的废水以及通过薄膜的废水的导电度对操作时间的变化图。
主要元件符号说明：
100 废水处理系统；
110 中高温厌氧槽；
120 薄膜蒸馏装置；
122 薄膜；
124 高温薄膜区侧；
126 低温薄膜区侧；
130 加热装置；
132 加热耦；
140 冷凝装置；
142 冷凝管；
144 热交换器；
150 回流水储槽；
160 进流水槽；
170 滤液收集槽。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特列举较佳实施例，并结合附图作详细说明。
以下将详细说明本发明实施例的制造与使用方式。然而应该注意的是，本发明提供许多可供应用的发明概念，其可以多种特定形式实施。文中所举例讨论的特定实施例仅为制造与使用本发明的特定方式，非用以限制本发明的范围。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关连性。再者，当述及第一元件位于第二元件“上”、“之上”、“下”或“之下”时，包括第一元件与第二元件直接接触或间隔有一或更多其他元件的情形。在附图中，可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本发明的特征。再者，在下文中，将特别描述构成本发明装置的元件或与之直接相关的元件，而 图中未显示或描述的元件则可以本领域技术人员所熟知的各种形式存在。
本发明提出一种可同时去除废水中有机污染物与无机污染物的废水处理系统，其以中高温厌氧菌分解废水中的有机污染物，因此，本发明无需额外加装曝气系统，因而可降低废水处理系统的制造成本。
图1显示了本发明一实施例的废水处理系统的示意图。在图1中，以箭头符号代表废水在废水处理系统中的流动方向，此外，为简化说明，图1省略显示泵。
请参照图1，本实施例的废水处理系统100适于同时净化含有有机污染物与无机污染物的废水。废水处理系统100包括中高温厌氧槽110以及薄膜蒸馏装置120。
中高温厌氧槽110适于容置废水并在30℃至90℃的温度下以厌氧菌分解废水中的有机污染物，位于中高温厌氧槽中的废水的氧化还原电位为0mV至-600mV，优选为-300mV至-500mV。
此外，由于厌氧菌是属于可耐高盐类浓度的微生物，因此，厌氧菌不易受中高温厌氧槽110中盐类浓度累积的影响而可长时间地保持良好的废水处理能力。在本实施例中，位于中高温厌氧槽110中的废水的导电度等于或大于500μs/cm，甚至槽中导电度可累积达到3000μs/cm以上。换言之，本发明的中高温厌氧槽110可在极高的盐类浓度下进行废水处理。
另外，中高温厌氧槽110中可存在厌氧菌以分解废水中的有机污染物所产生的甲烷或氢气，其中甲烷与氢气皆可作为燃料。因此，中高温厌氧槽110可将废水中的有机污染物通过厌氧菌分解而转换成具有经济价值的燃料，作为系统加热辅助能量的来源。
薄膜蒸馏装置120用以薄膜分离来自中高温厌氧槽110的废水，其使部分或全部的废水以蒸汽的形式通过薄膜蒸馏装置120的薄膜122，以除去废水中的无机污染物。在一实施例中，薄膜122为疏水性材料，且薄膜122的水接触角小于40度，薄膜122具有孔洞(未显示)，其中孔洞的平均孔径例如为0.01微米至10微米且孔隙率达30％以上。
详细而言，薄膜蒸馏装置120具有由薄膜122所分隔开的高温薄膜区侧124与低温薄膜区侧126，且高温薄膜区侧124中的液体与低温 薄膜区侧126中的液体之间存在温度差(蒸汽压差)。当高温的废水流入高温薄膜区侧124之后，由于高温的废水与低温薄膜区侧126中的低温废水存在温度差(蒸汽压差)，故高温废水的蒸汽会穿过薄膜122而到达低温薄膜区侧126中，并在高温薄膜区侧124中留下高无机污染物浓度的废水，其可回流至中高温厌氧槽110中。
在本实施例中，废水处理系统100可包括加热装置130，其用以加热位于中高温厌氧槽110中的废水，且加热装置130可选择以中高温厌氧槽110中的厌氧菌分解所产生的甲烷或氢气为辅助燃料。因此，可减少加热装置130对于额外能源的需求，进而大幅降低废水处理系统在运作时所需耗费的能源成本。在另一实施例中，加热装置130可包括加热耦132，加热耦132配置于中高温厌氧槽110中以加热并维持中高温厌氧槽110中的水温。
在本实施例中，废水处理系统100可包括冷凝装置140与回流水储槽150，其中冷凝装置140连接薄膜蒸馏装置120与回流水储槽150，以蒸汽形式通过薄膜122使其冷凝成水并将其导入回流水储槽150中。详细而言，冷凝装置140包括冷凝管142与热交换器144，其中冷凝管142连接薄膜蒸馏装置120与回流水储槽150，热交换器144连接冷凝管142，以将冷凝管142中冷却用的液体抽出并对其进行热交换以使其降温，然后再将降温后的液体注入冷凝管142中，以使冷凝管142维持在低温。
以下将详细介绍利用废水处理系统100来处理废水的方法。
首先，将废水置于与中高温厌氧槽110连接的进流水槽160中，接着，以泵将废水抽送至中高温厌氧槽110中。利用加热耦132使中高温厌氧槽110中的废水维持在30℃至90℃(例如55±1℃)，且中高温厌氧槽110中的厌氧菌可分解废水中的有机污染物而产生甲烷或氢气。此时，可将厌氧菌分解所产生的甲烷或氢气以泵抽离中高温厌氧槽110而传送至加热装置130以作为加热装置130的辅助燃料，进而减少加热装置130对于额外能源的需求。
然后，将经过中高温厌氧槽110处理后的废水以泵抽送至薄膜蒸馏装置120进行分离，此时，一部分的废水以蒸汽的形式通过薄膜122，而其他部分的废水则再回流到中高温厌氧槽110中。
之后，以冷水冷凝的方式将通过薄膜122的水蒸气带离薄膜122的表面，并使其经过冷凝管142而冷凝后产水，并流入回流水储槽150中，并且可将回流水储槽150中部分的水以泵抽送至低温薄膜区侧126中以冷凝通过薄膜122的水蒸气。回流水储槽150具有溢流口的设计可使冷凝后的水流入与回流水储槽150相连的滤液收集槽170中。
此外，在本实施例中，可对薄膜122进行化学清洗步骤，以清除薄膜122的表面经长时间过滤而产生的无机积垢(scaling)及生物积垢(biofouling)，进而维持薄膜蒸馏通量的稳定性，其中化学清洗步骤包括酸洗(例如以硫酸)与药洗(例如以次氯酸钠)。举例来说，可使用1M的硫酸进行酸洗以及1％的次氯酸钠进行药洗，其中以1M的硫酸进行酸洗时，其流速为0.05m/sec，频率为0.5小时/天，以1％的次氯酸钠进行药洗时，其流速也为0.05m/sec，频率为0.5小时/周。
图2显示了本发明一实施例的薄膜蒸馏装置的薄膜通量对操作时间的变化图。
请参照图2，本实施例采用薄膜孔洞大小为0.22μm的疏水性薄膜作为薄膜蒸馏装置的薄膜，并使其扫流流速维持在0.05m/sec。本实施例分为第一阶段与第二阶段，其中第一阶段为并未对薄膜进行定期的化学清洗步骤时的薄膜通量对操作时间的变化，第二阶段为在第一阶段结束后对薄膜进行定期的化学清洗步骤时的薄膜通量对操作时间的变化。
在第一阶段时，薄膜的启始通量为9LMH(L/m2/h)，且随着操作时间增加薄膜的通量慢慢衰减至2LMH，之后，可以维持相当稳定的操作通量。当结束第一阶段实验后，对薄膜进行化学清洗步骤，可使薄膜的通量恢复到6LMH，并以此操作通量作为第二阶段的启始操作通量。由于第二阶段的实验有对薄膜进行定期的化学清洗步骤，因此，可以使薄膜维持相当稳定的通量。
图3显示了本发明一实施例的进流废水、在中高温厌氧槽中的废水以及通过薄膜的废水的总有机碳(TOC)浓度对操作时间的变化图。
请参照图3，进流水的TOC浓度介于500与1000mg/L之间，而中高温厌氧槽内的TOC浓度比进流水的TOC浓度低，显示TOC在中高温厌氧槽中并无浓度累积效应，换言之，中高温厌氧槽中的厌氧菌 可以有效地分解有机污染物。通过薄膜的蒸馏滤液的TOC浓度介于1与10mg/L之间，且第一阶段(第0-40天)与第二阶段(第40天之后)之间通过薄膜的蒸馏滤液的TOC浓度差异不大，多数TOC浓度均维持在1mg/L左右，这显示经过薄膜蒸馏装置可以获得相当良好的处理水质。
图4显示了本发明一实施例的进流废水、在中高温厌氧槽中的废水以及通过薄膜的废水的导电度对操作时间的变化图。
请参照图4，进流废水的导电度约为700μs/cm，而中高温厌氧槽内的废水的导电度(亦代表废水中的无机污染物的浓度)高于进流废水的导电度，这代表导电度在中高温厌氧槽中产生累积效应，其中，中高温厌氧槽中的废水的导电度大致上维持在约3000μs/cm。通过薄膜的蒸馏滤液的导电度介于20μs/cm与200μs/cm之间，且导电度大致上维持在100μs/cm，这代表薄膜蒸馏装置可以有效分离盐类而获得相当良好的处理水质。
综上所述，由于本发明的废水处理系统是采用中高温厌氧槽来分解废水中的有机污染物，因此，本发明无需额外加装曝气系统，因而可降低废水处理系统的制造成本。再者，由于无需考虑水中含氧量过低的问题，因而中高温厌氧槽可长时间维持在高温，而不会影响中高温厌氧槽中的厌氧菌分解废水中的有机污染物的能力。此外，由于厌氧菌是属于可耐高盐类浓度的生物，因此，厌氧菌可不受中高温厌氧槽中盐类浓度累积的影响而长时间地保持一定的废水处理能力。再者，中高温厌氧槽可通过厌氧菌分解废水中的有机污染物而产生具有经济价值的燃料(甲烷、氢气)，其可用来加热中高温厌氧槽中的废水，进而减少对于额外能源的需求。
本发明虽以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明的范围。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的改变与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求书所限定的范围为准。
Claims (20)
1.一种同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，所述废水处理系统包括：
中高温厌氧槽，所述中高温厌氧槽容置有厌氧菌并适于在30℃至90℃的温度下以厌氧菌分解所述废水中的有机污染物，其中位于所述中高温厌氧槽中的所述废水的氧化还原电位为0mV至-600mV；以及
薄膜蒸馏装置，所述薄膜蒸馏装置用以分离来自所述中高温厌氧槽的废水，使至少一部分的所述废水以蒸汽的形式通过所述薄膜蒸馏装置的薄膜，以除去所述废水中的无机污染物。
2.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中位于所述中高温厌氧槽中的所述废水的导电度大于或等于200μs/cm。
3.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中所述薄膜为疏水性材料，且所述薄膜的水接触角小于40度。
4.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中所述薄膜具有孔洞，且各所述孔洞的孔径为0.01微米至10微米。
5.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中所述薄膜的孔隙率达30％以上。
6.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其进一步包括：
加热装置，用以加热位于所述中高温厌氧槽中的所述废水。
7.根据权利要求6所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中所述加热装置包括：
加热耦，所述加热耦配置于所述中高温厌氧槽中。
8.根据权利要求6所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其中所述中高温厌氧槽中存在厌氧菌分解所述废水中的有机污染物所产生的甲烷或氢气，其适于作为所述加热装置的辅助燃料。
9.根据权利要求1所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理系统，其进一步包括：
冷凝装置，所述冷凝装置连接所述薄膜蒸馏装置，使水蒸汽通过所述薄膜后冷凝。
10.一种同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，该方法包括：
使废水流入容置有厌氧菌的中高温厌氧槽中，在30℃至90℃的温度下，以厌氧菌分解所述废水中的有机污染物，其中位于所述中高温厌氧槽中的所述废水的氧化还原电位为0mV至-600mV；以及
使位于所述中高温厌氧槽中的所述废水流入薄膜蒸馏装置中，并使至少一部分的所述废水以蒸汽的形式通过所述薄膜蒸馏装置的薄膜，以除去所述废水中的无机污染物。
11.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其进一步包括：
对所述薄膜进行化学清洗步骤，所述化学清洗步骤包括酸洗与药洗。
12.根据权利要求11所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述化学清洗步骤以硫酸与次氯酸钠清洗所述薄膜。
13.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中位于所述中高温厌氧槽中的所述废水的导电度大于或等于200μs/cm。
14.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述薄膜的材质为疏水性材料，且所述薄膜的水接触角小于40度。
15.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述薄膜具有孔洞，且各所述孔洞的孔径为0.01微米至10微米。
16.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述薄膜的孔隙率达30％以上。
17.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其进一步包括：
以加热装置加热位于所述中高温厌氧槽中的所述废水。
18.根据权利要求17所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述加热装置包括：
加热耦，所述加热耦配置于所述中高温厌氧槽中。
19.根据权利要求17所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其中所述中高温厌氧槽中存在厌氧菌分解所述废水中的有机污染物所产生的甲烷或氢气，且所述加热装置以厌氧菌分解所产生的甲烷或氢气为辅助燃料。
20.根据权利要求10所述的同时去除废水中的有机和无机污染物的废水处理方法，其进一步包括：
使以蒸汽的形式通过所述薄膜的水蒸气流向连接所述薄膜蒸馏装置的冷凝装置，以通过所述冷凝装置冷凝水蒸汽形成冷凝水。
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