CN111302518B - 一种温度差浓度差双驱动膜蒸馏与高性能吸附剂联用资源化处理含抗生素养殖废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，该装置与常规膜蒸馏装置的显著区别在于热侧溶液为低盐溶液，冷侧溶液为高盐溶液，使其成为一种温度差/浓度差双驱动的膜蒸馏装置，促进蒸汽渗透效率。同时，公开了该膜蒸馏装置与高性能吸附剂联用处理含高浓度抗生素养殖废水的方法，利用双驱动膜蒸馏技术预浓缩含抗生素废水及同步稀释肥料液，浓缩后养殖废水通过高性能吸附剂降低抗生素含量，处理后废水与稀释后的肥料液合流，通过自动化控制实现肥料液的进一步稀释以满足不同农作物的NPK（氮磷钾）需求。该工艺流程可将养殖业与种植业无缝衔接，实现水资源及营养物质的高效配置，是一种低耗、绿色的废水处理工艺及高效农业解决方案。

Description

一种温度差浓度差双驱动膜蒸馏与高性能吸附剂联用资源化 处理含抗生素养殖废水的方法
技术领域
本发明属于水处理的技术领域，具体涉及一种温度差/浓度差双驱动膜蒸馏与高性能吸附剂联用处理含高浓度抗生素养殖废水及同步实现农业水肥一体化灌溉的方法。
背景技术
抗生素被广泛的应用在医学临床上疾病的预防治疗及养殖业有机体的生长促进。抗生素是一类新型可电离的有机污染物，其带来的污染问题已被许多发达国家列为重要的环境问题。抗生素机体吸收差，水溶性强，常以活性形式（母体或代谢产物）随人和畜禽排泄、水产养殖业和制药业废水排放持续进入环境，最终残留于土壤和水体。目前，常采用生化、吸附和氧化等过程对养殖废水进行处理，过程中虽然能够将抗生素降低到排放标准，但排放后水体中的抗生素重新在生物体内富集，另外，抗生素可与环境中共存的金属离子发生络合作用，形成的复合污染物毒性更强。由于其处理后在水中含量很低，直接进行处理，效率低。
另外，我国是世界上灌溉用水第二大消费国，农田灌溉用水量占我国总用 水量的63％。目前，我国淡水资源的短缺和水体污染的加剧已经严重影响到农 业的可持续发展和粮食的安全生产。因此，如何高效低耗经济地获取农业灌溉 所需的水资源是确保我国粮食安全生产和农业可持续发展的重要课题，也是目 前全球范围内科学家正致力解决的前沿课题。开发农业灌溉用水的开源节流技 术将有利于缓解我国农业可持续发展的用水压力。一方面研究开发开源技术， 利用非常规水源灌溉，如将海水、苦咸水、市政污水、工农业废水等经脱盐或 除污达标后用于农业灌溉，具有巨大的水源库和较好的应用潜力。但目前面临 着海水淡化和水处理成本较高，难于满足农业用水低成本大规模需求。另一方 面开发农业节水技术，发展节水农业，如大力推广滴灌和水肥一体化，实现水 肥同步管理和水肥高效利用，并节水减肥，减少环境污染和降低资源消耗。
发明内容
本发明提供了一种温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，同时将该膜蒸馏装置与高性能吸附剂联用处理抗生素养殖废水及同步实现农业水肥一体化灌溉的方法。解决了养殖排放水中抗生素难处理及农业用水短缺的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，包括反应隔室，反应隔室内设有多孔疏水膜将反应隔室分为热侧腔室和冷侧腔室，高温低渗透压溶液在热侧腔室循环流动，低温高渗透压溶液在冷侧腔室循环流动，在温度差和浓度差共同作用下，多孔疏水膜两侧形成蒸汽压差，促使高温低渗透压溶液中的易挥发物质（溶剂）蒸汽通过多孔疏水膜达到冷侧腔室，与低温高渗透压溶液混合。
进一步地，所述温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，还包括低渗透压溶液储槽、低渗透压溶液循环泵、高渗透压溶液储槽和高渗透压溶液循环泵，低渗透压溶液储槽、低渗透压溶液循环泵和热侧腔室连接构成循环回路，冷侧高渗透压溶液单元包括高渗透压溶液储槽、高渗透压溶液循环泵和冷侧腔室连接构成循环回路，在低渗透压溶液储槽中设自动加热装置，控制低渗透压溶液在所需温度。
所述温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置可以理解为常规膜蒸馏技术与渗透蒸馏技术的融合。膜蒸馏是指在温度差的作用下，膜两侧形成蒸气压差，膜一侧的易挥发组份选择性地透过疏水性多孔膜。为增大传质驱动力，通常，膜一侧通入加热的原溶液，膜另一侧通入冷却水，膜孔内为汽相，在热侧膜面上生成的水蒸气透过膜至冷侧凝结成水，并和冷却水合二为一。渗透蒸馏，又称等温膜蒸馏，是指在渗透压的作用下，膜两侧形成蒸气压差，膜一侧的易挥发组份（溶剂）选择性地透过疏水性膜，在另一侧被脱除剂吸收的分离过程。传质驱动力为渗透压差，膜两侧的温差很小，一般在10℃左右，其在常温常压下即可实现物料的高倍浓缩，常用于热敏性物料（如果汁、生化医药产品）的浓缩。在果汁浓缩和生化医药产品浓缩过程中，被处理的物料中的溶质一般是糖类、多糖类、蛋白质类及羧酸盐等分子量较大的物质，随着渗透蒸馏过程的不断进行，尽管浓缩后溶质的质量浓度很高，但其物质的量浓度并不大，被处理物料中水的蒸气压仍然接近纯水的蒸气压。但若将渗透蒸馏直接应用于小分子物料的浓缩，随着渗透蒸馏过程的不断进行，物料中小分子物质的浓度变化很快，驱动力减小，导致渗透蒸馏速率大大降低。为此，本发明所述温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，在渗透蒸馏的基础上提高热侧溶液的温度，增加膜两侧的温度差，进而增大膜两侧的蒸气压差，提高了膜两侧的渗透驱动力。
一种养殖废水用于水肥一体化灌溉的方法，具体包括以下步骤：
（1）收集养殖场达到排放标准的含抗生素的养殖废水，将温度为T1的养殖废水循环送入双驱动膜蒸馏装置的热侧腔室，将温度为T2的肥料液循环送入双驱动膜蒸馏装置的冷侧腔室，肥料液的浓度（或渗透压）远高于养殖废水的浓度（或渗透压），T1＞T2，在温度差和浓度差的双重驱动下，养殖废水中的水以蒸汽形式透过疏水膜进入肥料液侧，得到浓缩的养殖废水和稀释的肥料液，所述稀释的肥料液可直接用于农业水肥一体化灌溉；
进一步地，为了实现对养殖废水的进一步处理，上述方法还包括：
（2）向浓缩到一定倍数的养殖废水中加入一定量的金属有机框架材料作为高性能吸附剂，恒温振荡一段时间，吸附去除水中的抗生素；
（3）将步骤（2）中处理后的废水与稀释的肥料液合流，用于农业水肥一体化灌溉；
（4）步骤（2）中使用后的高性能吸附剂金属有机框架材料经过脱附、洗涤和干燥，进行回收，再次应用到步骤（2）中对水抗生素进行吸附去除。
优选地，所述金属有机框架材料包括但不限于氨基化的MIL-101、UIO和ZIF；所述多孔疏水膜包括但不限于PVDF、PP、PTFE微孔膜。
进一步地，步骤（1）所述肥料液为水肥一体化灌溉过程中，初步配置的肥料液体。步骤（3）灌溉过程中，基于农作物的需求，通过现有的水肥一体化装置自动化向合流液中加入适量的水分和营养物质，以满足不同农作物的NPK（氮磷钾）需求。
进一步地，步骤（1）中T2为室温，T1和T2之间的温度差为20~40℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）双驱动膜蒸馏技术在浓度差和温度差的双重驱动下，处理效率远远大于单一的膜蒸馏和渗透蒸馏；（2）通过双驱动膜蒸馏技术，巧妙地将养殖废水的处理与水肥一体化用水的稀释结合，同步实现低浓度抗生素废水的预浓缩及农业灌溉用肥料液的预稀释；（3）金属有机框架材料，特别是氨基化的金属框架材料对抗生素具有很好的吸附效果，有效去除废水中的抗生素；（4）是一种低耗、绿色的废水处理工艺，进一步地实现了养殖业与种植业的有机结合，在农副领域具有极好的市场潜力和应用价值。
附图说明：
图1是本发明温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置结构图。
图2是本发明温度差/浓度差双驱动膜蒸馏与高性能吸附剂联用处理含高浓度抗生素养殖废水的方法的工艺流程图。
图3是实施例1中采用MIL-101系列的金属有机框架材料进行吸附的吸附效果图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种温度差/浓度差双驱动膜蒸馏装置，具体包括低渗透压溶液储槽1、低渗透压溶液循环泵2、高渗透压溶液储槽6、高渗透压溶液循环泵5和反应隔室。反应隔室内设有多孔疏水膜将反应隔室分为热侧腔室3和冷侧腔室4。低渗透压溶液储槽1、低渗透压溶液循环泵2和热侧腔室3连接构成循环回路，低渗透压溶液在该回路中循环流动。高渗透压溶液储槽6、高渗透压溶液循环泵5和冷侧腔室4连接构成循环回路，高渗透压溶液在该回路中循环流动。在温度差和浓度差共同作用下，多孔疏水膜两侧形成蒸汽压差，促使高温低渗透压溶液中的溶剂蒸汽通过多孔疏水膜达到冷侧腔室，与低温高渗透压溶液混合。所述低温为室温且高温低渗透压溶液与低温高渗透压溶液之间的温差小于采用膜蒸馏对所述低渗透压溶液进行浓缩时的温度，大于采用渗透蒸馏对低渗透压溶液进行浓缩时的温度，优选地，所述高温大于20℃。
如图2所示，温度差/浓度差双驱动膜蒸馏与高性能吸附剂联用资源化处理含高浓度抗生素养殖废水及同步实现农业水肥一体化灌溉的方法，具体步骤为：
（1）从养殖场回收废水经沉降过滤处理后剩余仅含四环素浓度为500 μg/L的废水0.5吨，废水中CODcr=400 mg/L，BOD5=150 mg/L，NH3-N=80 mg/L，SS=200 mg/L，总磷=8 mg/L，将含四环素浓度为500 μg/L的废水0.5吨，加热到50℃，通入反应隔室原料液侧，同时将高浓度的肥料液加入到冷侧溶液单元，肥料液的渗透压大于沉降过滤后养殖废水的渗透压，在温度差和浓度差的双重作用下，热侧溶液的水分以水蒸汽的形式进入冷侧，当原料液侧四环素的废水浓度达到2000 μg/L后进入下一处理阶段，冷侧肥料液被稀释可用于农业水肥一体化灌溉；
（2）向步骤（1）浓缩得到含四环素的溶液中加入一定量的MIL-101系列的金属有机框架材料，恒温振荡一定的时间，以吸附去除水中的四环素。
（3）将步骤（2）得到的去除四环素的水继续用于养殖、农业灌溉或者其他方面；
（4）将步骤（2）中使用的MIL-101系列金属有机框架材料经过脱附、洗涤和干燥的步骤进行回收，再次应用到步骤（2）中对水中四环素进行吸附去除。
图3为采用两种不同的金属有机框架材料对四环素的吸附效果曲线图，从实验结果看MIL-101-Fe-NH2金属有机框架材料对四环素的吸附达到平衡时的饱和吸附量为683mg/g，MIL-101-Fe金属有机框架材料对四环素的吸附达到平衡时的饱和吸附量为422 mg/g，MIL-101-Fe-NH2和MIL-101-Fe两种金属有机框架材料对四环素的吸附率分别达到60%以上和40%以上。氨基化后金属有机框架材料的吸附率增大，初步估计是因为氨基化后材料的比表面积增大，提高了吸附效果。
所述MIL-101系列金属有机框架材料的制备方法具体为：
MIL-101-Fe：取0.658 g对苯二甲酸和0.107 g六水合三氯化铁，加入90 mL N,N-二甲基甲酰胺和3.6 mL 乙酸充分搅拌均匀后移入高温反应釜并放入干燥箱中于110℃条件下反应24h后，冷却至室温后离心并用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇交替反复洗涤多次后抽滤，将抽滤后剩余的部分移入真空干燥箱中于60℃下干燥24h，得到MIL-101-Fe金属有机框架材料；
MIL-101-Fe-NH2：取0.512 g氨基对苯二甲酸和1.914 g六水合三氯化铁，加入60mL N,N-二甲基甲酰胺和3 mL乙酸充分搅拌均匀后移入高温反应釜并放入干燥箱中于110℃条件下反应24h后，冷却至室温后离心并用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇交替反复洗涤多次后抽滤，将抽滤后剩余的部分移入真空干燥箱中于60℃下干燥24h，得到MIL-101-Fe-NH2金属有机框架材料。
实施例2
本实施例与实施例1区别在于，废水中的抗生素种类不受限于四环素类，其它种类的抗生素（磺胺类、大环内酯类、青霉素类、头孢类）也适用于本工艺；预浓缩的倍数不同，可以根据具体需要进行调节；金属有机框架材料的种类不同，不仅仅局限于MIL系列材料，加入其它种类（UIO、ZIF等系列）的金属有机框架材料也能达到同样的效果，其它方面均相同。
所述UIO和ZIF系列金属有机框架材料的制备方法具体为：
UIO-66：取0.234 g四氯化锆和0.339 g对苯二甲酸，加入72 mL N,N-二甲基甲酰胺和2 mL 乙酸充分搅拌均匀后移入高温反应釜并放入干燥箱中于120℃条件下反应24h后，冷却至室温后离心并用无水乙醇反复洗涤多次后抽滤，将抽滤后剩余的部分移入真空干燥箱中于60℃下干燥24h，得到UIO-66金属有机框架材料。
UIO-66-NH2：取0.265 g四氯化锆和0.13 g氨基对苯二甲酸，加入70 mL N,N-二甲基甲酰胺和2 mL乙酸充分搅拌均匀后移入高温反应釜并放入干燥箱中于120℃条件下反应24h后，冷却至室温后离心并用无水乙醇反复洗涤多次后抽滤，将抽滤后剩余的部分移入真空干燥箱中于60℃下干燥24h，得到UIO-66-NH2金属有机框架材料。
ZIF-8：取0.297 g六水合硝酸锌和0.66 g 2-甲基咪唑，分别加入到50mL 甲醇溶液中，超声处理并在常温下搅拌一段时间后离心，用无水乙醇反复洗涤多次后抽滤，将抽滤后剩余的部分移入真空干燥箱中于60℃下干燥24h，得到ZIF-8金属有机框架材料。

Claims (2)

1.一种养殖废水用于水肥一体化灌溉的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）收集养殖场达到排放标准的含抗生素的养殖废水，将温度为T1的养殖废水循环送入双驱动膜蒸馏装置的热侧腔室，将温度为T2的肥料液循环送入双驱动膜蒸馏装置的冷侧腔室，肥料液的浓度远高于养殖废水的浓度，T1＞T2，在温度差和浓度差的双重驱动下，养殖废水中的水以蒸汽形式透过疏水膜进入肥料液侧，得到浓缩的养殖废水和稀释的肥料液；
（2）向浓缩到一定倍数的养殖废水中加入一定量的金属有机框架材料作为高性能吸附剂，恒温振荡一段时间，吸附去除水中的抗生素；
（3）将步骤（2）中处理后的废水与稀释的肥料液合流，用于农业水肥一体化灌溉；
（4）步骤（2）中使用后的高性能吸附剂金属有机框架材料经过脱附、洗涤和干燥，进行回收，再次应用到步骤（2）中对水抗生素进行吸附去除；
所述双驱动膜蒸馏装置，包括反应隔室，反应隔室内设有多孔疏水膜将反应隔室分为热侧腔室和冷侧腔室，高温低渗透压溶液在热侧腔室循环流动，低温高渗透压溶液在冷侧腔室循环流动。
2.根据权利要求1所述的养殖废水用于水肥一体化灌溉的方法，其特征在于，所述金属有机框架材料包括氨基化的MIL-101、UIO或ZIF；所述多孔疏水膜包括PVDF微孔膜、PP微孔膜或PTFE微孔膜。
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