CN109071275A - 用于处理废水和发电的工艺和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理废水的工艺,其包括通过正渗透从废水进料流中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取流的步骤,以及通过反渗透过程从所述盐水汲取流中提取处理过的水的步骤。

Description

用于处理废水和发电的工艺和系统
技术领域
本发明涉及用于处理废水的工艺和系统。本发明还涉及通过该工艺产生电力。更具体地但非限制性地,本发明涉及污水处理。
背景技术
城镇污水的处理给工程师带来了持续的问题。现在必须通过对环境影响最小的处理工艺来实现保护公共卫生的基本目标。传统的处理工艺,例如活性污泥系统,需要大量的能量。系统运营商越来越多地采用沼气系统来抵消其能源使用。
先前已将渗透用于过滤水。渗透是溶剂穿过半透膜从低溶质浓度区域到高浓度区域的自然发生的移动。溶剂的移动趋于使膜两侧的浓度相等,从而在膜上产生压差(ΔP)。渗透压ΔPo是溶剂处于平衡状态并且没有穿过膜的净流量时的压差。渗透压随不同溶剂和溶质浓度而变化。
通过压力延迟渗透(PRO)系统的渗透力先前已被提出用于发电,因为渗透力是可再生资源,其目前尚未开发并且有可能成为可靠电力的重要来源。
以前提出的PRO系统需要淡水源以及盐水源进行操作,从而导致其使用的潜在场所有限。此外,这种方法忽略了将废水源(例如废水)用于PRO系统的可能性。
本发明的实施方案试图解决或至少改善先前的废水处理和压力延迟渗透系统的一个或更多个缺点。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种用于处理废水的工艺,其包括通过正渗透从废水进料流中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取流的步骤,以及通过反渗透过程从所述盐水汲取流中提取处理过的水的步骤。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于处理废水的工艺,其包括通过正渗透从废水进料流中提取处理过的水并将处理过的水转移到从天然盐水源中汲取的盐水汲取流的步骤。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于处理废水的工艺,其包括使废水进料流和盐水汲取流穿过正渗透装置以从废水中提取处理过的水并稀释所述盐水汲取流的步骤,其中,所述盐水汲取流经由盐水汲取流回路提供给正渗透装置,并且处理过的水通过反渗透过程从正渗透装置下游的稀释的盐水汲取流中提取。
根据优选的实施方案,通过正渗透过程在盐水汲取流中产生的液压能量被反渗透过程使用。所述盐水汲取流回路可以是闭环回路。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于处理废水的工艺,其包括使废水进料流和盐水汲取流穿过正渗透装置以从废水中提取清洁水的步骤,其中,所述盐水汲取流是从天然盐水源中汲取的。
所述天然盐水源可以是大洋、海、河流、涌潮、水湾或地下水,所述盐水汲取液在穿过正渗透模块之后作为稀释的盐水返回到天然盐水源中,从而排出一部分废水。
优选地,盐水汲取液通过扩散器排放到天然的盐水源中,以用于分散盐水汲取液。
所述工艺可以进一步包括在正渗透过程后从盐水汲取液中提取液压能量的步骤。所提取的能量优选地用于反渗透过程,以用于从稀释的盐水汲取液中提取处理过的水。
所述工艺可以进一步包括将离开正渗透模块的浓缩废水提供给沼气反应器以产生电力的步骤。优选地,沼气反应器包括厌氧消化过程。所述工艺可以包括从沼气反应器中提取惰性固体的步骤。
优选地,所述工艺包括在将废水引入正渗透模块之前过滤废水以去除颗粒物和/或砂砾的步骤。
优选地,所述废水是污水。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于处理废水的系统,其包括:
废水进料管线,其用于引入废水;
盐水汲取液回路,其用于引入盐水汲取液;
正渗透装置,其与废水进料管线和盐水汲取液回路连通以用于从废水进料管线中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取液回路中以稀释盐水汲取液;以及
反渗透装置,其位于所述盐水汲取液回路中,所述反渗透装置用于从稀释的盐水汲取流中提取处理过的水,并将未稀释的盐水汲取液再供应给正渗透模块,以用于从废水进料管线中进一步提取处理过的水。
所述盐水汲取液回路可以是闭环回路。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于处理废水的系统,其包括:
废水进料管线,其用于引入废水;
盐水汲取液进料管线,其用于从天然盐水源中引入盐水汲取液;以及
正渗透装置,其与废水进料管线和盐水汲取液进料管线连通以用于从废水进料管线中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取液中以稀释盐水汲取液;
排出管线,其用于将稀释的盐水汲取液排放到天然盐水源。
优选地,所述系统配置为处理通过废水进料管线供应的污水。
附图说明
将仅通过非限制性示例,参考附图来进一步描述本发明的优选实施方案,其中:
图1是本发明一个实施方案的用于处理废水的工艺的示意图;以及
图2是本发明另一个实施方案的用于处理废水的工艺的示意图。
具体实施方式
参考图1,示意性地示出了根据本发明优选实施方案的用于处理废水的系统10。
系统10包括废水进料管线12、盐水汲取液回路14、正渗透装置以及反渗透装置;废水进料管线12用于引入废水;盐水汲取液回路14用于引入盐水汲取液;正渗透装置为模块16的形式,其与废水进料管线12和盐水汲取液回路14连通,以用于从废水进料管线12中提取处理过的水并将其转移到盐水汲取液回路14中以稀释盐水汲取液;反渗透装置为模块20的形式,其与盐水汲取液回路14连通,以用于从稀释的盐水汲取液中提取处理过的水,从而使得未稀释的盐水汲取液可以再次供应到正渗透模块16,以用于从进料管线12中的废水中进一步提取处理过的水。
在优选的实施方案中,通过进料管线12供给系统10的废水是污水,但在其他实施方案中,废水可以是雨水径流或来自雨水/下水道组合系统的径流,或其他形式的废水。
所示的实施方案包括盐水汲取液回路14和反渗透回路22中的压力交换器18,其用于提供从盐水汲取液回路14到反渗透回路22的压力,以至少部分地为反渗透模块16提供电力。在其他实施方案中,反渗透模块16可以通过其他装置提供电力,例如通过单独的电源。
在使用系统10时,废水进料管线12和盐水汲取液回路14能够穿过正渗透模块16的两侧,由此处理过的水穿过半透膜以从进料管线12中的废水中提取处理过的水并稀释盐水汲取液。
浓缩的废水经由导管15离开正渗透模块16以进行进一步处理,下面将对其进行进一步讨论。稀释的盐水汲取液也在其与反渗透模块20连通之前离开正渗透模块16,在反渗透模块20中从盐水汲取液中提取处理过的水,从而提供清洁的可饮用水。
通过正渗透过程在盐水汲取液回路14中产生的液压能量用于反渗透回路22中,以帮助将稀释的盐水汲取液泵送通过反渗透模块20。为此,压力交换器18设置在盐水汲取液回路14中,以将能量传递到反渗透回路22。应当理解,需要额外的电力来驱动反渗透过程。还应当理解,压力交换器18可以采用许多不同的形式,例如旋转压力交换器,或者压力交换器18可以通过各种其他装置操作,例如活塞。
在所示的实施方案中,仅一部分稀释的盐水汲取液从盐水汲取液回路14传递到反渗透回路22。可以设置高压泵24以向反渗透模块20提供高压盐水汲取液。还可以设置再循环泵26,以用于使水从压力交换器18循环到反渗透模块20。
处理过的水可以通过净化水排出口28离开反渗透模块20,以用作清洁的饮用水。一部分处理过的水可用于补充盐水汲取液以解决系统损失。在这方面,处理过的水被供入盐水罐30,以与通过入口32引入的盐混合,与盐混合后的水通过补给水泵34泵送回盐水汲取液回路14中。
在优选实施方案中,盐水汲取液回路14通常是闭环回路。
参考图2,示出了根据本发明另一个实施方案的用于处理废水的系统100。系统100包括系统10共有的许多组件,并且相同的组件被赋予增加了100的相同的附图标记。
系统100包括废水进料管线112、盐水汲取液进料管线114、正渗透装置和排放管线117;废水进料管线112用于引入废水;盐水汲取液进料管线114用于从天然盐水源引入盐水汲取液;正渗透装置为模块116的形式,其与废水进料管线112和盐水汲取液进料管线114连通,以用于从废水进料管线112中提取处理过的水并将其转移到盐水汲取液中以稀释盐水汲取液;排放管线117用于将稀释的盐水汲取液排放到天然盐水源。
在优选实施方案中,系统110配置为用于处理通过废水进料管线112供应的污水。
在使用系统110时,废水进料流和盐水汲取液经由相应的废水进料管线112和盐水汲取液进料管线114穿过正渗透模块116的两侧,以从废水中提取清洁的水并将其转移到盐水汲取液中以稀释盐水汲取液。
盐水汲取液进料管线114从天然盐水源中提取,天然盐水源可以是任何天然存在的盐水源,例如大洋、海、河流、水湾、涌潮或地下水。或者,盐水源可以是人造的,例如盐湖,或来自工业处理废水。
在穿过正渗透模块116之后,盐水汲取液作为稀释的盐水返回到天然盐水源,从而安全地排出一部分废水,这一部分废水可能是先前直接排放到天然盐水源中的。通过将盐水与正渗透构件16、116中的处理过的水进行混合,排放到天然盐水源中的处理过的水具有更高的含盐量,从而使环境影响最小。优选地,盐水汲取液通过扩散器(未示出)排放到天然盐水源中。
系统110还包括用于在正渗透过程之后从盐水汲取液中提取液压能量的装置118。在一个示例中,所述装置118包括水轮机,例如佩尔顿轮或弗朗西斯涡轮机,以用于发电。在另一个示例中,所述装置118包括压力交换器,其用于向反渗透回路122提供压力,以用于部分地为反渗透模块120提供电力,以从稀释的盐水汲取液中提取处理过的水,从而通过净化水出口128提供清洁的饮用水作为过程输出。
系统110还可以包括高压泵124,以向反渗透模块120提供高压盐水汲取液。还可以设置再循环泵126,以用于使水从装置118循环到反渗透模块120。
系统10或系统110可以包括许多可选特征,例如在正渗透模块16、116之前的储液罐,以平衡流入正渗透模块16、116的废水的流动。而且,可以设置沼气反应器(未示出),其用于接收离开正渗透模块16、116的浓缩的废水,以用于产生电力。预计正渗透模块16将从废水流中去除80%至90%的水,从而提供用于沼气反应器的浓稠污泥。在优选的形式中,沼气反应器包括厌氧消化过程。
通过利用沼气反应器,可以完全地为处理工艺提供电力,反渗透模块可能被提供电力以供应清洁的饮用水,并且任何剩余的能量被返回到电网并输出以供出售。预计通过所描述和示出的系统发电将比太阳能和风能的长期平均成本更便宜。因此,所描述的系统可能对沿海社区非常有益。
在通过沼气反应器处理后,可以提取惰性固体并将其出售以用于农业用途,因为沼气生产工艺中产生的生物固体通常含有(比常规污水污泥中存在的)更高水平的营养物质,如硝酸盐、磷酸盐和钾,这些营养物质可经过提取或者这些营养物质可以保留在生物固体中,并可以用作土地施用肥料。
因为本系统使用根本不同的能源,所以沼气生产和发电通常不受本系统的使用的影响。事实上,由于产生甲烷的微生物的原料中碳和氮的浓度较高,因此沼气生产可能更有效。较小的进料量也需要较少的热量来达到最佳条件,可以以较低的成本使用较小的容器。此外,一致的气体产生和廉价的平衡存储可以提供基本负载功率,基本负载功率将补充由正渗透过程提供的电力之后的负载。
以前的更新发电系统难以解决电力需求的变化。在本系统中,进入工厂的废水量根据日变化模式而变化,因此预期能够产生的可能的能量的量也受这种变化模式的影响。对能源的需求和批发价格也根据日变化模式而变化,该日变化模式已被观察到与废水流的形状相似。因为能量消耗和废水产生都是由人类活动水平驱动的,所以这是合乎逻辑的,从而使得本系统产生的电力能够更好地与需求相匹配。
与太阳能和风能等发电模式不可预测且输出多变的其他可再生技术相比,这是一个显著的优势。将发电模式和消费进行匹配可以实现高效的系统。此外,通过在膜的上游添加存储装置,可以在短时间内廉价地存储未处理的废水的势能。这将允许进行一些控制以平滑峰值并调整发电容量以满足需求。同样,这是优于需要将能量存储在昂贵的电池中的其他类型的发电的优点。
此外,两个系统都优选地包括过滤器或初级处理系统,以用于在将废水引入正渗透模块16、116之前预过滤废水,从而去除颗粒物和/或砂砾并防止正渗透模块16、116结垢。
所描述和示出的系统和工艺优选地使用污水形式的废水,所述污水形式的废水可以在任何可居住的地点获得并且是预先需要的能量以用于处理。有利地,所描述和示出的系统和工艺可以在不吸收外部能量的情况下处理污水(可能比现有的污水处理的选择更便宜),可以提供清洁的饮用水,并且可能将电力返回到能量网中。此外,所描述和示出的系统和工艺在沿海或远离海岸的地点都可以使用。在这方面,使用通常闭环的盐水汲取液的系统10表现为更适合于在远离海岸的地点处理废水,并且系统110表现为更适合于在容易获得盐水源的沿海地点处理废水。
在处理废水但工艺不包括通过脱盐作用生产饮用水的情况下,预计该工艺将始终产生用于输出的剩余电力。在处理废水并且工艺包括通过脱盐作用生产饮用水的情况下,与单独的反渗透工艺相比,预期节能量大约为30%至50%。此外,在处理废水并且工艺包括通过脱盐作用生产饮用水的情况下,当废水中COD(化学需氧量)的浓度超过每升2000mg时,该工艺将开始产生用于输出的剩余电力。COD是水中有机废物含量的量度。举例来说,来自澳大利亚省会城市的典型污水中的COD浓度为600。拥有大屠宰场、乳制品或食品加工业的澳大利亚的地区性中心的污水和废水流中的COD将在2000-3000的范围内。亚洲城镇污水和废水流中的COD浓度将在2000-3000mg/l的范围内。
使用沼气反应器与正渗透过滤系统结合来用于处理污水是特别有效的,因为从污水中提取水会浓缩污水,从而将COD提高到更高水平,使得能够进行有效的厌氧消化。相反,由于相对低的COD浓度,直接使用与城市废水相关的厌氧消化通常是低效的。
本发明的优选实施方案通过压力延迟渗透(PRO)系统使用先前未开发的渗透发电来处理废水并产生能量。该工艺还具有出色的水处理性能,并且可轻松改造以用于现有的废水处理厂。由于没有沉淀池或曝气池,所描述和示出的工艺使用比传统活性污泥处理(CAS)和其他废水处理工艺小得多的占地面积,从而允许该工艺在小型工厂中进行。
正渗透膜的运行方式与反渗透膜的运行方式相同,因此预计污染物的截留率非常相似,并且预计正渗透膜能够截留大于98%的溶解的固体、细菌、病原体和病毒、矿物质和营养素、有毒重金属和BOD。预计该处理过的水与三级净化水(不包括盐)相当,并且适合于直接环境排放。
已经仅通过示例的方式描述了实施方案,并且在所公开的本发明的范围内可以进行修改。例如,尽管已经描述了本文所述的工艺和系统涉及污水处理,但是也可以用于处理其他废水流,例如工业废水、采矿废水、雨水和下水道混合废水、船板废水以及垃圾填埋场渗滤液处理。

Claims (19)

1.一种用于处理废水的工艺,其包括:通过正渗透从废水进料流中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取流的步骤,以及通过反渗透过程从所述盐水汲取流中提取处理过的水的步骤。
2.一种用于处理废水的工艺,其包括通过正渗透从废水进料流中提取处理过的水并将处理过的水转移到从天然盐水源中汲取的盐水汲取流的步骤。
3.一种用于处理废水的工艺,其包括使废水进料流和盐水汲取流穿过正渗透装置以从废水中提取处理过的水并稀释所述盐水汲取流的步骤,其中,所述盐水汲取流经由盐水汲取流回路提供给正渗透装置,并且处理过的水通过反渗透过程从正渗透装置下游的稀释的盐水汲取流中提取。
4.根据权利要求3所述的工艺,其中,通过正渗透过程在盐水汲取流中产生的液压能量被反渗透过程使用。
5.根据权利要求3或4所述的工艺,其中,所述盐水汲取流回路是闭环回路。
6.一种用于处理废水的工艺,其包括使废水进料流和盐水汲取流穿过正渗透装置以从废水中提取清洁水的步骤,其中,所述盐水汲取流是从天然盐水源中汲取的。
7.根据权利要求6所述的工艺,其中,所述天然盐水源是大洋、海、河流、涌潮、水湾或地下水,盐水汲取液在穿过正渗透模块之后作为稀释的盐水返回到天然盐水源中,从而排出一部分废水。
8.根据权利要求7所述的工艺,其中,所述盐水汲取液通过扩散器排放到天然盐水源中,以用于分散盐水汲取液。
9.根据权利要求6或7所述的工艺,其进一步包括在正渗透过程后从盐水汲取液中提取液压能量的步骤。
10.根据权利要求9所述的工艺,其中,所提取的能量用于反渗透过程,以用于从稀释的盐水汲取液中提取处理过的水。
11.根据前述权利要求中任一项所述的工艺,其进一步包括将离开正渗透模块的浓缩废水提供给沼气反应器以产生电力的步骤。
12.根据权利要求11所述的工艺,其中,所述沼气反应器包括厌氧消化过程。
13.根据权利要求11或12所述的工艺,其进一步包括从沼气反应器中提取惰性固体的步骤。
14.根据前述权利要求中任一项所述的工艺,其进一步包括在将废水引入正渗透模块之前过滤废水以去除颗粒物和/或砂砾的步骤。
15.根据前述权利要求中任一项所述的工艺,其中,所述废水是污水。
16.一种用于处理废水的系统,其包括:
废水进料管线,其用于引入废水;
盐水汲取液回路,其用于引入盐水汲取液;
正渗透装置,其与废水进料管线和盐水汲取液回路连通以用于从废水进料管线中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取液回路中以稀释盐水汲取液;以及
反渗透装置,其位于所述盐水汲取液回路中,所述反渗透装置用于从稀释的盐水汲取流中提取处理过的水,并将未稀释的盐水汲取液再供应给正渗透模块,以用于从废水进料管线中进一步提取处理过的水。
17.根据权利要求16所述的系统,其中,所述盐水汲取液回路是闭环回路。
18.一种用于处理废水的系统,其包括:
废水进料管线,其用于引入废水;
盐水汲取液进料管线,其用于从天然盐水源中引入盐水汲取液;以及
正渗透装置,其与废水进料管线和盐水汲取液进料管线连通以用于从废水进料管线中提取处理过的水并将处理过的水转移到盐水汲取液中以稀释盐水汲取液;
排出管线,其用于将稀释的盐水汲取液排放到天然盐水源。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的系统,其中,所述系统配置为处理经由所述废水进料管线供应的污水。
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