CN108191133B - 尿液再生为电解制氧用水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水资源再生技术领域，涉及一种尿液再生为电解制氧用水的方法，其包括以下步骤：S1、在尿液中加入预处理剂后进行蒸馏，实时监测馏出液的电导率，直至符合电导率设定要求的馏出液与尿液质量比超过90％后停止蒸馏；S2、利用至少一个纤维活性炭滤芯对馏出液进行过滤；S3、利用聚丙烯滤膜对S2得到的滤液进行过滤；S4、利用离子交换树脂柱对经S3过滤的滤液进行处理，得到出水；S5、实时监控、显示出水的电导率、pH值、最大颗粒物粒径和总有机碳TOC，对于不符合出水电导率、pH值、颗粒物粒径、总有机碳TOC中任何一项要求的水自动返回进行再次处理，或更新过滤材料后再处理，直至得到符合电解制氧用水水质要求的水。

Description

尿液再生为电解制氧用水的方法
技术领域
本发明属于水资源再生技术领域，涉及一种尿液再生为电解制氧用水的方法。
背景技术
特定环境中缺乏水源，使得用水成本非常之高，人们的用水仅靠储存水和频繁定期补给，这样不经济而且不现实，因此，需要利用水回收和水再生技术尽可能实现水的循环利用。水回收和水再生技术可以大大节省特定条件下的用水成本，人体尿液的再生利用就是其中最重要也是最困难的一部分。
在正常情况下，每人每天排出的尿液量为1.5kg，尿液里含有100多种有机物和无机物，主要含有尿素(约13～20g/L)、氯化钠(约13～20g/L)等，各种污染物的总量约占尿液的3％～5％。虽然尿液处理难度较大，但仍需对其中的水进行回收利用，尿液处理后的水可作为电解制氧用水。目前，处理方法主要是首先通过相变技术(渗透膜蒸发技术、冷冻技术和蒸汽压缩蒸馏技术)去除大部分的无机盐及有机物，然后通过复合过滤方法进一步除去其中的剩余杂质。
发明内容
针对我国现有技术的不足，本发明提供一种尿液再生为电解制氧用水的方法，尿液通过加入预处理剂和蒸馏处理后的馏出液依次经过纤维活性炭滤芯、聚丙烯滤膜及离子交换树脂柱的复合吸附过滤组合处理后达到电解制氧用水的水质要求，该方法选用的组合装置使用寿命长、自动化程度高、操作简单、维护时间少、体积小巧，效率更高。
本发明是这样实现的：
一种尿液再生为电解制氧用水的方法，其包括以下步骤：
S1、在尿液中加入预处理剂后进行蒸馏，实时监测馏出液的电导率，若电导率小于或等于第一电导率阈值，继续蒸馏，如果电导率大于第一电导率阈值，加酸调节pH值至第一pH阈值后继续蒸馏，直至馏出液与尿液质量比超过90％后停止蒸馏，馏出液用于进一步处理，剩余浓缩液排出弃去；
S2、利用至少一个纤维活性炭滤芯对S1获得的馏出液进行过滤；
S3、利用聚丙烯滤膜对S2得到的滤液进行过滤；
S4、用离子交换树脂柱对经S3过滤的滤液进行处理，利用离子交换树脂中可游离交换的离子与滤液中同性离子间的离子交换，除去滤液中除H+、OH－外的离子，得到出水；
S5、出水管内安装有在线电导率测控仪电极，在线电导率测控仪实时监控、显示出水的电导率，若电导率大于第二电导率阈值，则出水在系统控制下从另一管路自动返回，依次进行步骤S2、S3和S4，直至出水的电导率小于或等于第二电导率阈值，出水管内还安装有在线pH测控仪电极，实时监控、显示出水的pH值，若pH值小于第二pH阈值或大于第三pH阈值，则返回步骤S4，再次经过离子交换树脂柱处理，直至出水的pH值在第二pH阈值和第三pH阈值之间；以及
S6、实时监测出水的最大颗粒物粒径和总有机碳TOC，若最大颗粒物粒径大于粒径阈值，则更换聚丙烯滤膜，出水返回依次进行步骤S3、S4和S5处理，直至最大颗粒物粒径小于或等于粒径阈值；若出水的TOC值大于TOC阈值，则更换纤维活性炭滤芯，出水返回依次经过步骤S2、S3、S4和S5，直至出水的最大颗粒物粒径小于或等于粒径阈值且TOC值小于或等于TOC阈值，得到符合电解制氧用水要求的水。
优选的，所述预处理剂为过硫酸盐和浓硫酸，每千克尿液中加入预处理剂的量为：过硫酸盐0.0010g-8.0000g，浓硫酸0.10ml-6.90ml。
优选的，所述第一电导率阈值为130μs/cm，所述第二电导率阈值为50μs/cm。
优选的，所述第一pH阈值为1.67，所述第二pH阈值为6.5，所述第三pH阈值为8.5。
优选的，所述纤维活性炭滤芯的数量为2，分别为第一纤维活性炭滤芯和第二纤维活性炭滤芯。
优选的，在步骤S6中，若出水的TOC值大于TOC阈值，则更新步骤S2的第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，若出水的TOC值仍大于TOC阈值，则更新步骤S4的离子交换树脂柱，直至TOC值小于或等于TOC阈值。
优选的，所述最大颗粒物粒径阈值为5μm。
优选的，所述TOC阈值为50ppm。
优选的，在步骤S3中，经聚丙烯滤膜过滤后的滤液的流出流量若小于第一预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换聚丙烯滤膜。
优选的，在步骤S5和S6中，经步骤S4处理后的出水由于电导率、PH值和TOC某一项超出阈值范围自动返回再处理，实际出水流量减小，若小于第二预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换纤维活性炭滤芯，更新步骤S2的第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，若出水流量仍小于第二预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换离子交换树脂柱。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①本发明的尿液再生为电解制氧用水的方法效率高，根据本方法所选用的设备及选材产水率高、使用寿命长、自动化程度高、操作简单、维护少、体积小、系统稳定。
②采用本发明的方法，尿液经过预处理和蒸馏处理后经过纤维活性炭、聚丙烯滤膜及离子交换树脂柱的复合吸附过滤组合处理后达到电解制氧用水的水质要求，实现水的再生与循环利用，节约水资源。
③本发明的方法大大节省了特定条件下的用水成本，可用在缺少水源的特定环境中，实现水的再生与循环利用。
附图说明
图1为本发明的尿液再生为电解制氧用水的流程图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，一种尿液再生为电解制氧用水的方法，其包括以下步骤：
S1、在尿液中加入一定比例的预处理剂过硫酸盐和浓硫酸，之后进行减压或常压蒸馏，实时监测馏出液的电导率，若电导率≤130μs/cm，则继续蒸馏，若电导率＞130μs/cm，滴加浓硫酸将pH值调到1.67后继续蒸馏，直至馏出液与尿液的质量比达到90％后停止蒸馏，将剩余浓缩液排出弃去，此时，蒸馏得到的馏出液为无色、透明、有刺鼻气味的液体，该馏出液与尿液相比虽然去除了尿液中超过99.2％的盐分和95.1％～96.9％的有机物(如表1所示)，但水质还达不到电解制氧用水的水质要求，需要进一步处理；
表1尿液及其经过预处理剂、蒸馏处理后的水质对比
Figure BDA0001546877130000031
S2、利用第一纤维活性炭滤芯和第二纤维活性炭滤芯依次对S1获得的馏出液进行过滤，得到滤液，该滤液与馏出液相比，去除了馏出液中70.09％～82.16％的有机物，但却增加了18.30％～44.71％的盐分，水质变化见表2，电导率还达不到电解制氧用水的水质要求，还需进一步处理；
表2尿液馏出液经过纤维活性炭过滤后的水质变化
Figure BDA0001546877130000041
S3、利用聚丙烯滤膜对S2得到的滤液进行过滤，确保除去直径大于0.22μm的固体颗粒，过滤后若滤液的流出流量小于第一预设流量的30％并且持续达5分钟，则更换聚丙烯滤膜。
如表3所示，与这一处理步骤前水质相比，总有机碳减少-3.44％～27.46％；盐分去除-9.68％～13.34％；
表3聚丙烯滤膜处理后的水质变化
Figure BDA0001546877130000042
Figure BDA0001546877130000051
S4、可用国产普通混床(可选杭州争光MB8420型)和超纯床(可选杭州争光ER8420型)两个离子交换树脂柱对经S3过滤的滤液进行处理，利用离子交换树脂中可游离交换的离子与馏出液中同性离子间的离子交换，尽可能除去滤液中除H+、OH－外的其它离子，包括滤液中绝大部分盐类、碱和游离酸，得到出水。这一处理过程使盐分去除99.38％～99.93％，总有机碳去除49.33％～85.83％，水质变化见表4，此步骤处理后的盐分和总有机碳的含量达到电解制氧用水的要求；
表4离子交换树脂处理后的水质变化
Figure BDA0001546877130000052
S5、出水通过出水管流出，出水管内安装有在线电导率测控仪电极，在线电导率测控仪实时监控、显示出水的电导率，若电导率大于50μs/cm，则在系统控制下出水自动从另一管路返回依次进行步骤S2、S3和S4，若出水流量小于第二预设流量的30％并且持续达5分钟，控制系统报警提醒：更新纤维活性炭滤芯，更新步骤S2的第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，之后若出水流量仍然小于第二预设流量的30％并且持续达5分钟，更新离子交换树脂柱，直至电导率≤50μs/cm，出水管内还安装有在线pH测控仪电极，实时监控、显示出水的pH值，若pH值＜6.5或＞8.5，则在系统控制下出水自动从另一管路返回步骤S4再次经过离子交换树脂柱处理，若出水流量小于第二预设流量的30％并且持续达5分钟，控制系统报警提醒：更新离子交换树脂柱，直至出水的pH值在6.5～8.5范围内；
S6、实时测定出水的最大颗粒物粒径和总有机碳TOC，若出水的最大颗粒物粒径＞5μm，则更换聚丙烯滤膜，最大颗粒物粒径不合格的出水在系统控制下从另一管路自动返回依次经过S3、S4和S5；若TOC值＞50ppm，TOC不合格的出水在系统控制下从另一管路自动返回依次经过S2、S3、S4和S5，此时出水流量可能减小甚至为零，若出水流量小于第二预设流量的30％并且持续达5分钟，更换纤维活性炭滤芯，更新第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，尽可能物尽其用，若出水的TOC值还是＞50ppm，则更新离子交换树脂柱，直至出水的最大颗粒物粒径≤5μm且TOC值≤50ppm，得到水质合格的电解制氧用水。
优选的，在本实施例中，每千克尿液中加入的预处理剂为0.001 0g-8.0000g的过硫酸钾和0.10mL-6.90mL的浓硫酸，过硫酸钾为分析纯试剂，分子式为K2S2O8，分子量270.32、其中K2S2O8含量不少于99.5％，浓硫酸为分析纯试剂，分子式H2SO4，分子量98.08，其中H2SO4含量不少于95-98％。
更进一步的，每千克尿液中加入的预处理剂为0.0050g-7.0000g的过硫酸盐和1.00ml-6.00ml的浓硫酸。
优选地，本发明选用纤维活性炭，其过滤孔径为0.1-0.5μm，微孔体积90％左右，微孔孔径为10A-40A，在吸附容量与吸附速度方面与粉末活性炭、颗粒活性炭相比具有优势。利用离子交换树脂中可游离交换的离子与水中同性离子间的离子交换作用，将水中除H+、OH－外的离子除去或减少到一定程度。普通的离子交换处理能除去原水中绝大部分盐类、碱和游离酸，但不能完全除去有机物和非电介质，本发明利用离子交换树脂中可游离交换的离子与水中同性离子间的离子交换作用，能够去除大部分有机物和非电介质。从过滤精度考虑，将聚丙烯滤膜放于活性炭滤芯之后。
分40多次将共计46kg的尿液馏出液用本发明的方法进行处理，测定各次出水的电导率、pH值、颗粒物粒径和TOC值，实验结果见表5。
表5尿液再生为电解制氧用水的前后水质对比
Figure BDA0001546877130000061
Figure BDA0001546877130000071
经本发明的方法处理尿液后的水质符合电解制氧用水要求，产水率超过90％，该尿液处理方法效率高，操作简单、可靠。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、在尿液中加入预处理剂后进行蒸馏，实时监测馏出液的电导率，若电导率小于或等于第一电导率阈值，继续蒸馏，如果电导率大于第一电导率阈值，加酸调节pH值至第一pH阈值后继续蒸馏，直至馏出液与尿液质量比超过90％后停止蒸馏，馏出液用于进一步处理，剩余浓缩液排出弃去；
S2、利用至少一个纤维活性炭滤芯对S1获得的馏出液进行过滤；
S3、利用聚丙烯滤膜对S2得到的滤液进行过滤；
S4、用离子交换树脂柱对经S3过滤的滤液进行处理，利用离子交换树脂中可游离交换的离子与滤液中同性离子间的离子交换，除去滤液中除H+、OH－外的离子，得到出水；
S5、出水管内安装有在线电导率测控仪电极，在线电导率测控仪实时监控、显示出水的电导率，若电导率大于第二电导率阈值，则出水在系统控制下从另一管路自动返回，依次进行步骤S2、S3和S4，直至出水的电导率小于或等于第二电导率阈值，出水管内还安装有在线pH测控仪电极，实时监控、显示出水的pH值，若pH值小于第二pH阈值或大于第三pH阈值，则返回步骤S4，再次经过离子交换树脂柱处理，直至出水的pH值在第二pH阈值和第三pH阈值之间；以及
S6、实时监测出水的最大颗粒物粒径和总有机碳TOC，若最大颗粒物粒径大于粒径阈值，则更换聚丙烯滤膜，出水返回依次进行步骤S3、S4和S5处理，直至最大颗粒物粒径小于或等于粒径阈值；若出水的TOC值大于TOC阈值，则更换纤维活性炭滤芯，出水返回依次经过步骤S2、S3、S4和S5，直至出水的最大颗粒物粒径小于或等于粒径阈值且TOC值小于或等于TOC阈值，得到符合电解制氧用水要求的水；
所述预处理剂为过硫酸盐和浓硫酸，每千克尿液中加入预处理剂的量为：过硫酸盐0.0010g-8.0000g，浓硫酸0.10ml-6.90ml；
所述第一pH阈值为1.67，所述第二pH阈值为6.5，所述第三pH阈值为8.5；
所述最大颗粒物粒径阈值为5μm。
2.根据权利要求1所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：所述第一电导率阈值为130μs/cm，所述第二电导率阈值为50μs/cm。
3.根据权利要求1所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：所述纤维活性炭滤芯的数量为2，分别为第一纤维活性炭滤芯和第二纤维活性炭滤芯。
4.根据权利要求3所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：在步骤S6中，若出水的TOC值大于TOC阈值，则更新步骤S2的第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，若出水的TOC值仍大于TOC阈值，则更新步骤S4的离子交换树脂柱，直至TOC值小于或等于TOC阈值。
5.根据权利要求1所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：所述TOC阈值为50ppm。
6.根据权利要求1所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：在步骤S3中，经聚丙烯滤膜过滤后的滤液的流出流量若小于第一预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换聚丙烯滤膜。
7.根据权利要求3所述的尿液再生为电解制氧用水的方法，其特征在于：在步骤S5和S6中，经步骤S4处理后的出水由于电导率、PH值和TOC某一项超出阈值范围自动返回再处理，实际出水流量减小，若小于第二预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换纤维活性炭滤芯，更新步骤S2的第二纤维活性炭滤芯，原有的第二纤维活性炭滤芯代替原有的第一纤维活性炭滤芯，若出水流量仍小于第二预设流量的30％且持续1～5分钟，则更换离子交换树脂柱。
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