CN103429314A - 食品废弃物浓缩系统和相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种由食品废弃物甲烷消化器废水料流生产肥料和回收水的正渗透系统和方法。所述方法包括：使用消化器由食品废弃物形成残留废水料流；粗滤所述残留废水料流；酸处理所述经过滤的残留废水料流，从而将铵保留于其中；将所述经酸处理且经过滤的残留废水料流转移至至少一个正渗透膜的一侧；和浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以形成肥料，其包括使饱和盐水在正渗透抽取循环中与所述至少一个正渗透膜的对侧接触，并将水从所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和盐水，由此稀释所述饱和盐水。

Description

食品废弃物浓缩系统和相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年1月11日提交的标题为“Food WasteConcentration System and Related Processes”且序列号为61431593的未决临时申请的优先权，其全部公开内容由此通过引用并入本文。
背景技术
技术领域
本文涉及使用渗透压从而能将混合物的所需化学组分传输通过膜的食品废弃物浓缩系统和相关方法。
背景技术
近年来，对由生物质产生电的兴趣大大提高。一种特别有吸引力的应用是食品加工废弃物料流的消化(digestion)以产生甲烷。将废弃物引入大型储罐中，在其中厌氧消化器(例如细菌)消耗有机物，释放出甲烷和二氧化碳气体。收集所述气体并在改进的柴油发动机中燃烧以产生电。在废弃物中的有机物分解后，所残留的是必须处理的营养物质和盐的废水溶液。
所述废水饱和有堵塞大多数已知过滤设备和/或使其结垢的超细物质。因此，目前最常用的处理技术是土地施用该溶液。然而，所述溶液作为灌溉水具有最低的价值且如果营养物质被冲入溪流或河流中，则可导致污染问题。
发明简述
本文的各方面涉及食品废弃物浓缩系统和相关方法，其提供组合且同时处理获自厌氧消化的废水、反渗透膜水处理废盐水以及生产高等级肥料。这些方面可包括，且实施方案可包括所附权利要求书中所述的一个或多个或所有构成部分和步骤，其由此通过引用并入。
一方面，公开了用于由食品废弃物甲烷消化器废水进料流生产肥料和回收水的正渗透食品废弃物浓缩系统。所述系统可包括消化器步骤，其包括经设置以由食品废弃物产生残留废水料流的消化操作。所述消化步骤可与粗滤步骤连接且该粗滤步骤经设置以接受所述残留废水料流。所述粗滤步骤可包括经设置以产生经过滤的残留废水料流的筛分操作。所述粗滤步骤可与酸处理步骤连接且该酸处理步骤经设置以接受所述经过滤的残留废水料流。所述酸处理步骤可包括经设置以保留铵并产生经酸处理且经过滤的残留废水料流的处理操作。所述酸处理步骤可与正渗透步骤连接且该正渗透步骤经设置以接受来自所述酸处理步骤的经酸处理且经过滤的残留废水料流。所述正渗透步骤可包括正渗透操作，其经设置以用于：将所述经酸处理且经过滤的残留废水料流转移至至少一个正渗透膜的一侧；且使所述至少一个正渗透膜的对侧在正渗透抽取循环中与饱和盐水料流接触，且仅利用浓度梯度将水由经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和盐水料流；且由此产生肥料流和经稀释的饱和盐水料流。
具体实施方案可包括一个或多个或所有如下方面。
所述系统可进一步包括与所述正渗透步骤连接且设置为接受来自正渗透步骤的经稀释饱和盐水料流的反渗透步骤。所述反渗透步骤可包括经设置以在压力下将所述经稀释的饱和盐水料流泵送至至少一个反渗透膜并产生再浓缩的饱和盐水料流和用于再利用的回收纯化水料流的反渗透操作。
所述饱和盐水料流可含有饱和氯化钾盐水料流。
所述至少一个正渗透膜可为半透膜。所述至少一个正渗透膜可为纤维素膜。所述至少一个正渗透膜可为螺旋卷绕(spiral wound)的膜。
所述至少一个正渗透膜可包括多个正渗透膜。所述多个正渗透膜可以以平行流动设置操作。
另一方面，公开了由食品废弃物甲烷消化器废水进料流生产肥料和回收水的方法。所述方法包括：使用消化器由食品废弃物形成残留废水料流；粗滤所述残留废水料流；酸处理经过滤的残留废水料流以使得铵保留于其中；将所述经酸处理且过滤的残留废水料流转移至至少一个正渗透膜的一侧；且浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以形成肥料，其包括使饱和盐水在正渗透抽取循环中与所述至少一个正渗透膜的对侧接触，并将水由所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和盐水，由此稀释所述饱和盐水。
具体实施方案可包括一个或多个或所有如下方面。
所述方法可进一步包括：在压力下将所述经稀释的饱和盐水泵送至至少一个反渗透膜；且将所述经稀释的饱和盐水再浓缩至合适的抽取浓度并产生再利用的纯化水。
所述经过滤的残留废水料流的酸处理步骤可包括使用有机认证(organically certifiable)酸酸处理所述经过滤的残留废水料流，从而使得铵保留于其中。
所述经酸处理且经过滤的残留废水料流的浓缩步骤可包括浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以形成肥料，其包括使饱和的氯化钾盐水在正渗透抽取循环中与所述至少一个正渗透膜的对侧接触，并将水由所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过至少一个正渗透膜而到达所述饱和氯化钾盐水，由此稀释所述饱和氯化钾盐水。
食品废弃物浓缩系统和方法的实施方案可具有一个或多个或所有如下优点。
可通过正渗透(FO)将来自食品废弃物甲烷消化器的废水转化成有用的肥料。如果使用氯化钾盐水作为渗透剂，则肥料可认证为有机的。所述铵可通过仅在氯化钾盐水上实施最终反渗透(RO)法所需的酸化以最少的酸添加而保留于废弃物中。
来自废水料流的水可再循环至具有所需纯度且用作工艺流体的清洁盐水料流中，而不需要消耗大量能量。例如，通过RO再浓缩经稀释的盐水料流可提供可再用于食品加工厂中的纯化水流。
经济上，由于使用渗透法，不需要能量输入。水由于浓度梯度而非由于施加的压力或热量而由废弃物移动至盐水中。所需的能量仅用于输送泵以使流体移动至该系统中。
由于用于处理的废产物的体积减小，可降低总处理成本。
上述和其他方面、特征和优点由发明描述和附图以及由权利要求而对本领域技术人员变得显而易见。
附图简介
下文将连同附图(不一定按照比例)一起描述实施方案，其中相同的符号表示相同的构件。
图1为实施方案的示意性方框图。
发明描述
本文的特征在于食品废弃物浓缩系统和相关方法。代替对(例如)来自食品加工废料流的消化的废水进行处理，食品废弃物浓缩系统和相关方法实施方案使用正渗透(FO)和反渗透(RO)以同时生产肥料和先进的水处理。该将工艺集成至单一系统中可将废水料流中的盐和营养物质浓缩以生产高价值肥料(例如有机物)和可再利用的水流(例如用于食品厂中)。本文所公开的食品废弃物浓缩系统和相关方法实施方案具有许多特征，其中一个、多个或所有特征或步骤可用于任何具体实施方案中。
在下文描述中，参照附图，所述附图构成本文的一部分且以示意可能的实施方案的形式显示。应理解的是可使用其他实施方案，且可进行结构以及程序改变而不偏离本文的范围。出于简便，使用示例性材料、大小、形状、尺寸等描述各构成部分。然而，本文不限于所述实例，其他构造也是可能的且处于本公开内容的教导范围之内。
概述
用于浓缩溶液的最常用的技术是蒸发。向溶液施加热量，蒸出水并留下溶解的盐。所述水通常冷凝且用于为进一步的蒸发提供部分热量。然而，在食品废弃物消化液的情况下，主要的盐为碳酸氢铵，其在沸腾时作为氨和二氧化碳气化。这使得蒸发变得不切实际，因为其使肥料价值大大损失且由于释放的氨而导致空气污染问题。
不适于该应用的另一种可能的浓缩技术为反渗透(RO)，其通过施加非常高的压力以迫使水由溶液通过半透膜而浓缩该溶液。由于两个基本问题—结垢和盐透过率(salt passage)，RO不适于该应用。
由于所施加的高压导致溶液中的任何固体冲击膜并最终将其密封，RO非常容易结垢。由于当溶液变成浓缩盐时，其可从溶液中沉淀出并在膜表面上形成不渗层，这尤其是一个问题。
在本申请中，RO的盐透过率是指氨和二氧化碳通过所述膜所造成的损失。离子物质由于其离子电荷而被基本被阻止通过所述半透膜，然而，氨和二氧化碳容易通过。消化液的pH(～pH8)导致显著部分碳酸氢铵以氨和二氧化碳存在于溶液中，这些物质与水一起连续通过所述膜。可通过酸化所述溶液而保留氨，但由于消耗酸和加入不希望的阴离子，这是不希望的。
系统和方法
然而，正渗透(FO)浓缩为浓缩该废水料流中的盐和营养物质以生产高价值肥料和可再利用的水流的合适方法。FO为使用具有与RO中所用的类似选择性的膜的膜技术。然而，代替施加高压以将水从溶液中挤出，FO使用具有高渗透势的溶液而将水从低渗透势的溶液抽过所述膜。因此，FO可提供不导致膜结垢的肥料生产，且兼具水处理，并使用RO的高品质水回收。
存在各种食品废弃物浓缩系统实施方案。尽管如此，参见图1且出于实例本公开内容的目的，其示出了食品废弃物浓缩系统实施方案及其相关方法。在该系统中，将FO与RO联用以浓缩废弃物料流且实现高品质的水回收。
首先，细菌或其他消化器消化食品废弃物或其他合适的废弃物。例如，可首先在具有含挡水板的槽的标准厌氧消化器系统中进行初级沉降和一个或多个厌氧消化步骤，随后为具有可变表面盖的槽例如以收集来自所述消化器的热量和气体(如甲烷、二氧化碳等)。
可收集所释放出的甲烷气体并在改进的柴油发动机中燃烧以(例如)产生电。将残留物分离成污泥和澄清的残留废水料流(消化器浓缩物(centrate))。
然后滗出该残留废水料流并将其泵送通过粗或粗略过滤或筛分操作(例如螺旋筛(auger screen))。例如，可在该步骤中进行200-400微米筛分，且这为用于回收通常夹带于食品加工相关的消化器所排出的液体浓缩物中的植物和动物废弃物的较大颗粒的通常做法。也可使用振动筛除去小至约100微米的固体颗粒。可将筛分(淘汰)的所得较大未消化颗粒转移至例如空气干燥箱中。
将经过滤或筛分的废水料流转移至例如分离槽中。从该废水或浓缩物中回收可用水的方法能通过使用酸化而在所述分离槽中进行。通过使用有机认证的乙酸(和/或可能的其他有机认证酸产品(例如磷酸、柠檬酸、硫酸等)，其单独使用或用于平衡目的)，酸化工艺保持有机认证。这导致系统中的组分(例如含磷化合物、含硫化合物等)保持正确平衡，并满足最终的肥料要求和N:P:K(:S)比。因此，所述铵可通过仅在盐水上实施最终RO法所需的酸化以最少的酸添加量而保留在废水料流中。
然后，FO将经酸处理的废水料流浓缩。FO法(也称为直接渗透浓缩)描述于早期专利(Herron等，US5,821,430)中，由此通过引用并入本文。
FO法包括通过膜选择性传质，其允许所需组分从较高组分浓度的溶液通过所述膜而到达较低浓度的溶液。半透膜允许水通过，但阻止溶解的物质移动。
所述膜可具有类似于Foreman等于1977年7月5日颁发的标题为“SpiralWound Membrane Module for Direct Osmosis Separations”的美国专利4,033,878中所公开的设计，其公开内容由此通过引用全文并入本文。螺旋卷绕的膜设计构造廉价且可在单位成本的容器中提供最大的膜表面积之一(其可具有高膜密度(约30m2/20cm直径×100cm长构件))。
一般而言，螺旋卷绕式构造、渗透液隔离体、进料隔离体和两层膜可围绕多孔管卷绕并胶粘就位。所述膜在进料隔离体和渗透液隔离体之间卷绕。进料流体被迫经由所述进料隔离体纵向流经所述模块，且通过所述膜的流体以螺旋形向内流动并通过所述渗透液隔离体而到达中心管。为了防止进料流体进入所述渗透液隔离体，将所述两层膜沿其边缘与在它们之间固定的渗透液隔离体胶粘在一起。所述进料隔离体保持未胶粘。将模块组件卷绕直至获得所需直径并外部密闭。
在使用过程中，所述膜迫使抽取溶液(即盐水)流经整个单独的膜包封物。将所述盐水泵入具有孔的中心管一端。固定在该管的下半部分的挡板构件迫使所述盐水经由所述孔流入所述膜包封物中。将胶粘挡板施加至所述膜包封物的中心，从而使得流体必须流至所述膜的远端，此处间隙使其通过所述膜包封物的另一侧，然后返回至所述中心管的第二半部分并流出该构件。尽管可使用单一的包封物，然而可存在多个卷绕/缠绕所述中心管的包封物，其中在所述包封物之间存在进料流体挡板。此外，可使用多个膜且可以以平行流动的设置操作。
此处，在图1中，由于导致通过FO膜的传质的驱动力为渗透压，除使所述溶液与膜接触(通过输送泵等)所需的能量之外，不需要额外的能量输入以进行传质。水由于浓度梯度而非由于施加的压力或热量或任何其他功率输入而从所述废弃物移动至盐水。
因此，当饱和盐水与FO膜的一侧接触且稀废水与对侧接触时，水通过所述膜而从所述废水扩散至盐水。所述半透膜将不希望的杂质和沉积物保留在废水中，由此产生清洁的稀盐水。取决于用于所述膜的材料、所述膜的结构和所述膜在该系统中的排列，可改善和/或控制传输的量和速率。
特别地，在酸化点处，除去大部分固体，但初级分离槽中的上清液仍包含大量潜在的高结垢性物质，其足够细小以至于通过大多数过滤器，但足够大以至于导致大多数膜工艺结垢。FO提供这些部分和离子污染物的膜截留和回收，但允许回收并然后由RO系统下游产生超过90%的水，这使高渗透势的抽取溶液、渗透剂或饱和盐水料流再浓缩以驱动FO。因此，该食品废弃物浓缩系统实施方案使用FO以将水从经酸处理的废水料流通过FO膜移动至高渗透势的抽取溶液、渗透剂或饱和盐水料流中，从而产生经浓缩的废水料流和稀盐水料流。所述盐水料流可包含有机认证的相容性钾碱盐(例如氯化钾盐水)。
在所述方法中，上清液流经所述FO膜构件。获自RO截留的盐水(高渗透势的抽取溶液)被抽取通过所述FO构件的另一侧(即该构件中的FO膜的另一侧)。由于渗透抽取通过所述膜的水将所述盐水稀释，其随后返回至例如盐水槽中。所述盐水在该FO抽取溶液循环中再浓缩并保留在其中。同时以未抽取通过所述FO膜的组分形式生产肥料(例如有机肥料)。
然后，为了回收水，在FO之后将经稀释的盐水收集至盐水槽中。在从废水料流中吸收水之后，通过RO将所述盐水再浓缩。在压力下将经稀释的盐水从所述盐水槽泵送至RO构件，在其中将其再浓缩至合适的抽取浓度，同时产生清洁的产物水。这将废水回收为高品质再利用水。因此，所述RO设备生产可在食品厂中再利用的纯化水流。
与简单的RO浓缩相比，肥料的FO/RO浓缩的优点在于两方面。首先，FO在低压下操作，由此降低膜结垢。所施加的压力仅用于提供循环且通常为1-2巴。其次，RO需要将废弃物中的碳酸根离子全部酸化为二氧化碳以防止沉淀在膜上。在RO/FO浓缩器中，可仅对盐水进行酸化且需要少得多的酸。
因此，废水可来自食品废弃物甲烷消化器，且FO可将其转化成有用的肥料。可将氯化钾盐水用作渗透剂，从而使得所述肥料可认证为有机的。经稀释的盐水可通过RO再浓缩，从而提供可在食品加工厂中再利用的纯化水流。
实施例
用于浓缩垃圾填埋场渗滤液的垃圾填埋场系统设计为处理150,000L/天成两股料流；8000L浓缩物和142000L灌溉用水。浓缩物用水泥固化并再次施加至该垃圾填埋场。
进料流为具有8毫西门子的平均电导率的垃圾填埋场渗滤液。将所述渗滤液酸化，然后通过FO除去92-95%水。所用的盐水为氯化钠溶液，其通过在75巴压力下操作的RO再浓缩。RO渗透液通过其他RO过滤器纯化两次并作为灌溉水排出。排放水的平均TDS为10ppm。
规格、材料、制备、组件
应理解的是，实施方案不限于本文所公开的具体构成部分，这是因为基本上可使用与食品废弃物浓缩系统的预期操作相适应的任何构成部分。因此，例如，尽管公开了特定构成部分等，但是这些构成部分可包括任何与食品废弃物浓缩系统实施方案的预期操作相适应的形状、大小、型式、类型、型号、版本、级别、等级、量度、浓度、材料、重量、量等。实施方案不限于使用任何具体构成组分，条件是所选的构成组分与食品废弃物浓缩系统实施方案的预期操作相适应。
因此，限定任何食品废水浓缩系统实施方案的构成部分可由任何可容易地成型为成型体的许多不同种类的材料或其组合构成，条件是所选的构成部分与食品废弃物浓缩系统实施方案的预期操作相适应。例如构成部分可由如下物质形成：橡胶(合成的和/或天然的)和/或其他类似材料；玻璃(如玻璃纤维)、碳纤维、芳纶纤维，其任意组合和/或其他类似材料；聚合物如热塑性塑料(如ABS、丙烯酸系、含氟聚合物、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚砜等)；热固性塑料(例如环氧、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚硅氧烷等)，其任意组合和/或其他类似材料；复合材料和/或其他类似材料；金属和/或其他类似材料；合金和/或其他类似材料；任何合适的其他材料；和/或其任意组合。
出于示例本公开内容的目的，作为上文已描述和公开那些的的重申或者补充，各实施方案中所用的FO或PRO膜可由宽范围的材料制成且具有宽范围的操作特性。例如，所述膜可为半透的，这意味着其基本上仅允许所需组分从较高浓度的溶液通至较低浓度的溶液，例如使水从较稀的溶液通至较浓的溶液。可使用任意宽范围的利用本文所公开原理的膜类型。
此外，作为上文已描述和公开那些的的重申或者补充，各实施方案中所用的FO或PRO膜可由薄膜复合RO膜制成。该膜复合体包括例如通过浸没沉淀法浇铸的膜(其可在多孔支撑织物上浇铸，所述织物如纺织或无纺尼龙、聚酯或聚丙烯，或者优选为在亲水支撑体如棉花或纸上浇铸的纤维素酯膜)。所用膜可为亲水膜，其具有当作为反渗透膜测试(60psi，500ppmNaCl，10%回收率，25℃)时为80-95%的脱盐率。所述膜的标称截留分子量可为100道尔顿。所述膜可由亲水性膜材料制成，例如乙酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素、二乙酸纤维素、纤维素材料的混合物、聚氨酯、聚酰胺。所述膜可为不对称的(即，例如所述膜可具有一(1)微米或更小数量级厚度的薄排斥层和总共至多300微米厚的致密和多孔子层)，且可通过浸没沉淀法形成。所述膜不具有背衬，或者具有不妨碍水到达排斥层的极高开孔性的背衬，或者为亲水性的且可容易地将水引至所述膜。因此，出于机械强度的原因，其可在疏水多孔片状背衬上浇铸，其中所述多孔片材为纺织或无纺的，且具有至少约30%的开孔面积。所述纺织背衬片材可为具有约65微米总厚度的聚酯筛网(聚酯筛)，且不对称膜的总厚度为165微米。所述不对称膜可通过浸没沉淀法通过将纤维素材料浇铸至聚酯筛上而浇铸。所述聚酯筛可具有65微米的厚度，55%的开孔面积。
出于示例本公开内容的目的，盐水通常可为无机盐基或糖基的。例如盐水可为氯化钠=6.21重量%；氯化钾=7.92重量%，柠檬酸三钠=10.41重量%，葡萄糖=58.24重量%，果糖=17.22重量%等。
各食品废弃物浓缩系统实施方案可使用作为本文所述程序的附加和改进的常规程序进行。限定食品废弃物浓缩系统实施方案的一些组件可同时制造并彼此整体连接，而其他组件可商购、预先制造或分别制造，然后与所述整体组件组装。
这些组件的分别或同时制造可包括挤出、拉挤成型、真空成型、注塑、吹塑、树脂传递模塑、浇铸、锻造、冷轧、研磨、钻孔、铰孔、车旋、磨削、冲压、切割、弯曲、焊接、接合、硬化、铆接、冲孔、镀覆等。如果任一组件是分开制造的，则然后可将其以任意方式相互连接，例如用粘合剂、焊缝、紧固件、线和/或其任意组合等，这尤其取决于形成所述构成部分的具体材料。
出于示例本公开内容的目的，在一个实施方案中，制造螺旋卷绕膜过滤器构件或模块的方法可包括：(a)组装包封夹层结构；(b)在所述包封夹层结构上组装中心管；和(c)缠绕具有中心管的包封夹层结构并胶接以形成螺旋卷绕膜模块。
用途
食品废弃物浓缩系统实施方案尤其可用于食品加工应用中。协同增效的FO/RO系统和方法实施方案在有机食品生产和加工操作中具有独特的价值，且为可持续食品加工技术的显著潜在进步。
然而，实施方案不限于与食品加工和FO应用有关的用途。相反，任何与食品加工和FO应用有关的描述都是出于示例本公开内容的目的，且实施方案还可以以类似结果用于多种其他FO/水处理应用如渗透驱动的水净化和过滤、海水脱盐、污染的废水料流净化、工业和能源应用等中。实施方案也可用于PRO系统。区别在于，PRO产生渗透压以驱动涡轮或其他产生能量的设备。所有所需的是切换以供入淡水(与渗透剂相对)，且可将盐水进料供入外部而非源水中(用于水处理应用)。
当上文描述针对具体实施方案时，应容易地知晓可进行许多改变而不偏离其主旨，且可替代地使用这些实施方案。所附权利要求旨在涵盖落入本文所述的本公开内容的真正主旨和范围之内的这类改变。因此，本发明所公开的实施方案在所有方面中应视为示意性的而非限制性的，本公开内容的范围由所附权利要求界定而非由上文发明描述界定。本文旨在涵盖落入权利要求的等同方案的含义和范围之内的所有变化。

Claims (12)

1.一种用于由食品废弃物甲烷消化器废水进料流生产肥料和回收水的正渗透食品废弃物浓缩系统，包括：
消化步骤，其包括经设置以由食品废弃物产生残留废水料流的消化操作；粗滤步骤，其与所述消化步骤连接且经设置以接受所述残留废水料流，其中所述粗滤步骤包括经设置以产生经过滤的残留废水料流的筛分操作；
酸处理步骤，其与所述粗滤步骤连接且经设置以接受所述经过滤的残留废水料流，且包括经设置以保留铵并产生经酸处理且经过滤的残留废水料流的处理操作；和
正渗透步骤，其与所述酸处理步骤连接且经设置以接受来自所述酸处理步骤的经酸处理且经过滤的残留废水料流，其中所述正渗透步骤包括正渗透操作，所述正渗透操作经设置以用于：
将所述经酸处理且经过滤的残留废水料流转移至至少一个正渗透膜的一侧；和
使所述至少一个正渗透膜的对侧与饱和盐水料流在正渗透抽取循环中接触并仅利用浓度梯度将水从所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和盐水料流；和由此产生肥料料流和经稀释的饱和盐水料流。
2.根据权利要求1的系统，进一步包括：反渗透步骤，其与所述正渗透步骤连接且经设置以接受来自所述正渗透步骤的经稀释的饱和盐水料流，所述反渗透步骤包括经设置以在压力下将所述经稀释的饱和盐水料流泵送至至少一个反渗透膜并产生再浓缩的饱和盐水料流和用于再利用的回收纯化水流的反渗透操作。
3.根据权利要求1的系统，其中所述饱和盐水料流包含饱和氯化钾盐水料流。
4.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个正渗透膜为半透膜。
5.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个正渗透膜为纤维素膜。
6.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个正渗透膜为螺旋卷绕膜。
7.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个正渗透膜包括多个正渗透膜。
8.根据权利要求7的系统，其中所述多个正渗透膜以平行流动设置操作。
9.一种由食品废弃物甲烷消化器废水料流生产肥料和回收水的方法，包括：
使用消化器由食品废弃物形成残留废水料流；
粗滤所述残留废水料流；
酸处理经过滤的残留废水料流，从而将铵保留于其中；
将经酸处理且经过滤的残留废水料流转移至至少一个正渗透膜的一侧；和浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以形成肥料，其包括使饱和盐水在正渗透抽取循环中与所述至少一个正渗透膜的对侧接触，并将水从所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和盐水，由此稀释所述饱和盐水。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括：
在压力下将经稀释的饱和盐水泵送至至少一个反渗透膜；和
将所述经稀释的饱和盐水再浓缩至合适的抽取浓度并产生用于再利用的纯化水。
11.根据权利要求9的方法，其中所述酸处理经过滤的残留废水料流的步骤包括使用有机认证酸酸处理所述经过滤的残留废水料流，从而将铵保留于其中。
12.根据权利要求9的方法，其中浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流的步骤包括浓缩所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以形成肥料，其包括使饱和氯化钾盐水在正渗透抽取循环中与所述至少一个正渗透膜的对侧接触，并将水从所述经酸处理且经过滤的残留废水料流以渗透方式牵引通过所述至少一个正渗透膜而到达所述饱和氯化钾盐水，由此稀释所述饱和氯化钾盐水。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105916572A (zh) * 2013-12-27 2016-08-31 Toray化学株式会社 用于正渗透或压力延迟渗透的多孔出口管及包括其的正渗透或压力延迟渗透模块
CN109906111A (zh) * 2016-09-02 2019-06-18 联邦科学与工业研究组织 组合的酸性气体捕获和水提取工艺
CN110038435A (zh) * 2018-01-15 2019-07-23 神华集团有限责任公司 提高平行流反渗透膜处理单元的截留率的方法和应用

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2012249903B2 (en) 2011-04-25 2015-11-12 Oasys Water LLC Osmotic separation systems and methods
EP2692417A1 (en) * 2012-07-31 2014-02-05 Hydration Systems, Llc Organic forward osmosis system
WO2014082007A2 (en) 2012-11-26 2014-05-30 Neo Energy, Llc System and method for producing fertilizer from organic waste
BR112015019057A2 (pt) 2013-02-08 2017-07-18 Oasys Water Inc sistemas e métodos de separação osmótica
DK177696B1 (en) * 2013-02-25 2014-03-17 Aquaporin As Systems for water extraction
CN103801195A (zh) * 2014-03-04 2014-05-21 大连理工大学 一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件及其应用
CN104016732B (zh) * 2014-06-20 2015-10-28 上海净绿环卫设备有限公司 生活湿垃圾堆肥处理装置及其肥料化处理方法
CN104923528B (zh) * 2015-06-10 2017-05-03 哈尔滨工业大学 一种航天员专用食品加工装置自动清洗系统
US20200061541A1 (en) * 2016-11-17 2020-02-27 Fluid Technology Solutions (Fts), Inc. Methods and systems for concentrating digestate from biogas
MX2020008774A (es) * 2018-02-22 2020-10-01 Botanical Water Tech Ip Ltd Sistemas y metodos para la preparacion de productos derivados de vegetales que utilizan tecnicas de osmosis.
CA3109230A1 (en) * 2018-08-22 2020-02-27 Gradiant Corporation Liquid solution concentration system comprising isolated subsystem and related methods
AU2021383601A1 (en) 2020-11-17 2023-06-08 Gradiant Corporaton Osmotic methods and systems involving energy recovery

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5385673A (en) * 1992-09-08 1995-01-31 Hazen And Sawyer, P.C. Method of treating wastewater biosolids
US6464875B1 (en) * 1999-04-23 2002-10-15 Gold Kist, Inc. Food, animal, vegetable and food preparation byproduct treatment apparatus and process
CN1656024A (zh) * 2002-05-28 2005-08-17 汉斯·大卫·乌尔默特 来自自来水厂和废水处理厂的污泥的处理方法
US20100224561A1 (en) * 2009-02-10 2010-09-09 Marcin Mark A Process for minimizing produced water brines using forward osmosis

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8354026B2 (en) * 2009-03-09 2013-01-15 Hydration Systems, Llc Center tube configuration for a multiple spiral wound forward osmosis element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5385673A (en) * 1992-09-08 1995-01-31 Hazen And Sawyer, P.C. Method of treating wastewater biosolids
US6464875B1 (en) * 1999-04-23 2002-10-15 Gold Kist, Inc. Food, animal, vegetable and food preparation byproduct treatment apparatus and process
CN1656024A (zh) * 2002-05-28 2005-08-17 汉斯·大卫·乌尔默特 来自自来水厂和废水处理厂的污泥的处理方法
US20100224561A1 (en) * 2009-02-10 2010-09-09 Marcin Mark A Process for minimizing produced water brines using forward osmosis

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105916572A (zh) * 2013-12-27 2016-08-31 Toray化学株式会社 用于正渗透或压力延迟渗透的多孔出口管及包括其的正渗透或压力延迟渗透模块
CN105916572B (zh) * 2013-12-27 2018-03-13 Toray化学株式会社 用于正渗透或压力延迟渗透的多孔出口管及包括其的正渗透或压力延迟渗透模块
US11020705B2 (en) 2013-12-27 2021-06-01 Toray Advanced Materials Korea Inc. Porous outflow pipe for forward osmosis or pressure-retarded osmosis, and forward osmosis or pressure-retarded osmosis module comprising same
CN109906111A (zh) * 2016-09-02 2019-06-18 联邦科学与工业研究组织 组合的酸性气体捕获和水提取工艺
US11033855B2 (en) 2016-09-02 2021-06-15 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Combined acidic gas capture and water extraction process
CN109906111B (zh) * 2016-09-02 2021-08-20 联邦科学与工业研究组织 组合的酸性气体捕获和水提取工艺
CN110038435A (zh) * 2018-01-15 2019-07-23 神华集团有限责任公司 提高平行流反渗透膜处理单元的截留率的方法和应用
CN110038435B (zh) * 2018-01-15 2021-11-02 国家能源投资集团有限责任公司 提高平行流反渗透膜处理单元的截留率的方法和应用

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Publication number Publication date
WO2012106732A2 (en) 2012-08-09
AU2012211928B2 (en) 2014-12-18
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US20120174639A1 (en) 2012-07-12
EP2663380A2 (en) 2013-11-20
WO2012106732A3 (en) 2012-10-11
KR20140101663A (ko) 2014-08-20

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