CN111453800A

CN111453800A - 用于尿液资源回收的膜蒸馏系统及方法

Info

Publication number: CN111453800A
Application number: CN202010279958.4A
Authority: CN
Inventors: 姚宏; 胡智丰
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2020-07-28

Abstract

本发明提供了一种用于尿液资源回收的膜蒸馏系统及方法，属于水处理技术领域。利用源分离卫生器具源分离尿液；设置加热装置为尿液升温，为后续膜蒸馏装置提供原料液；设置膜蒸馏装置为尿液的主要回收装置，主要由进料侧、疏水膜、气隙侧和回流水侧组成，尿液通过加热后进入进料侧，由于进料侧和回流水侧的温度差形成蒸气压差，水蒸气透过疏水膜进入气隙侧，在气隙侧受到回流水侧的低温影响冷凝形成液态水实现水的回收；设置结晶装置为膜蒸馏装置进料侧浓缩的尿液进行结晶，实现尿素和氮、磷的回收。

Description

用于尿液资源回收的膜蒸馏系统及方法

技术领域

本发明涉及尿液资源回收处理技术领域，具体涉及一种用于尿液资源回收的膜蒸馏系统及方法。

背景技术

研究表明，人类日常生活污水中，尿液提供了生活污水中的90％的氮、50％的磷和10％的COD，是生活污水中氮、磷的主要提供源。传统的生化处理方法处理生活污水，将污水中的氮、磷等资源去除，既产生了更多的损耗，同时也浪费了生活污水尤其是尿液中的资源。因此，从源头上将尿液源分离收集可大大减小生活污水处理的难度，同时也有利于在源头将尿液中的资源进行回收。尿液中的尿素、氮、磷等营养物质经过适当的处理和处置，可以作为肥料返还于农田和菜地，实现营养物质的闭合循环，实现物质的零排放。目前，尿液的资源化途径主要是腐熟后作为肥料，但该方法具有一定的局限性，无法很好的实现资源回收。因此，亟待开发一种零排放实现尿液资源回收的工艺和技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于尿液资源回收的膜蒸馏装置及方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，包括尿液收集装置、加热装置、膜蒸馏装置、结晶装置以及冷凝装置；

所述尿液收集装置连通所述加热装置，所述加热装置连通所述膜蒸馏装置，所述膜蒸馏装置连通所述结晶装置，所述膜蒸馏装置的一侧设置所述冷凝装置。

优选的，所述尿液收集装置为源分离卫生器具。

优选的，所述加热装置是一种可以水加热又可以控制水温的恒温水浴锅，型号为深圳三利HW-2L型号的恒温水浴锅。

优选的，所述膜蒸馏装置由进料侧、气隙侧、冷凝侧组成，组成材料包括PVC、不锈钢板和硅胶板。

优选的，所述结晶装置是一种旋转蒸发器，为上海卫凯RE-2000A型号的旋转蒸发器提成结晶设备。

优选的，所述冷凝装置是一种冷却水循环装置，为美国施都凯公司IL-008-01型号的冷凝装置。

优选的，冷凝装置通过管道与膜蒸馏装置的冷凝侧相连，通过冷凝装置控制膜蒸馏装置冷凝侧的过水温度。

另一方面，本发明提供一种利用如上所述的装置进行尿液资源回收的方法，包括如下流程步骤：

步骤S110：尿液通过源分离卫生器具汇入加热装置，对尿液进行加热；

步骤S120：升温后的尿液通过流量计控制汇入膜蒸馏装置，于进料尿液和冷凝侧冷凝水的温度差导致的蒸气压差使得尿液中的水蒸汽透过进料侧和气隙侧之间的PTFE-PP(美国颇尔)疏水膜，在气隙侧与冷凝侧之间的钢板上受冷凝水低温影响而被冷凝，在气隙侧出水回收；

步骤S130：浓缩后的尿液汇入结晶装置，通过旋转蒸发装置，将高浓度的尿液中的水蒸发，无机盐实现结晶，形成固体肥料。

步骤S140：水蒸气冷凝后形成的高纯度水，可直接连接管道，可用于冲厕、灌溉或进一步处理；

步骤S150：膜蒸馏冷凝水侧接冷凝水装置，冷凝水装置将水温控制在15～20℃左右。

优选的，步骤S110中加热装置将尿液温度升高至50℃，可实现膜蒸馏工艺所需的蒸气压差；步骤S120中尿液在进料侧浓缩，浓缩效率可达60％，随着进料液温度的升高，可实现更高的浓缩效率；步骤S130中的结晶装置包括鸟粪石装置和尿素结晶装置，分别从浓缩尿液中回收磷和尿素，回收效率分别可达95％和93％；步骤S140中的水蒸气冷凝后形成的高纯度水可实现60％以上的产水率，产出的高纯度水可作为冲厕、灌溉或进一步处理；步骤S150中的冷凝水温度控制在15～20℃，为膜蒸馏装置提供足够的蒸气压差，实现尿液的浓缩和水的回用。

本发明有益效果：源分离尿液经升温后具有足够的蒸气压差，经过膜蒸馏装置，利用进料液的蒸气压差可实现尿液的进一步浓缩，实现减量化，并可通过结晶装置对浓缩尿液进行进一步的处理，实现资源化利用；同时尿液中的水蒸气在蒸气压差的作用下透过疏水膜，在冷壁上冷却下来，形成高纯度水，可作为冲厕、灌溉或进一步的处理，实现水的回用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏装置的原理框图。

其中：1-源分离卫生器具；2-加热装置；3-膜蒸馏装置；4-结晶装置；5-冷凝装置。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供一种用于尿液资源化回收的膜蒸馏工艺系统与方法，主要有源分离卫生器具1、加热装置2、膜蒸馏装置3、结晶装置4、冷凝装置等组成。

在实施例1中，尿液通过源分离卫生器具1分离；源分离卫生器具1后连接加热装置2；尿液通过加热装置2加热后汇入膜蒸馏装置3；尿液在膜蒸馏装置3的进料侧浓缩后汇入结晶装置4；膜蒸馏装置3的冷凝侧串联冷凝装置5，使得冷凝侧的温度控制在15～20℃；在蒸气压差的作用下水蒸气透过疏水膜在冷壁上冷凝后排放回用。

通过各种管道、阀门及水泵分别将源分离卫生器具1、加热装置2、膜蒸馏装置3、结晶装置4、冷凝装置5连接起来。

本发明提供的一种用于尿液资源回收的膜蒸馏工艺装置与方法，可实现污水的减量化和资源化。

实施例2：

如图1所示，本实施例2提供的一种用于尿液资源化回收的膜蒸馏工艺系统与方法中，源分离卫生器具是分离粪便与尿液；加热装置为尿液升温，为后续膜蒸馏装置提供原料液；膜蒸馏装置为尿液的主要回收装置，主要由进料侧、疏水膜、气隙侧和回流水侧组成，尿液通过加热后进入进料侧，由于进料侧和回流水侧的温度差形成蒸气压差，水蒸气透过疏水膜进入气隙侧，在气隙侧受到回流水侧的低温影响冷凝形成液态水实现水的回收；结晶装置为膜蒸馏装置进料侧浓缩的尿液进行结晶，实现尿素和氮、磷的回收。

浓缩尿液结晶后可直接作为化学肥料或土壤改良剂；高纯度出水可达标回用，可作为冲厕水，也可作为灌溉用水。

本发明源分离尿液氮磷回收与水回用装置与方法中所述的流量泵等均实现自动化控制。

实施例3：

如图1所示，本实施例3中提供的一种源分离尿液氮磷回收与水回用系统与方法，含有以下步骤：

步骤1、尿液通过源分离卫生器具汇入加热装置，使得尿液温度升高至50℃以上；

步骤2、升温后的尿液通过流量计控制汇入膜蒸馏装置，尿液在进料液侧浓缩，水蒸气透过疏水膜在气隙侧冷凝；

步骤3、浓缩后的尿液汇入结晶装置，通过结晶，形成固体肥料。

步骤4、水蒸气冷凝后形成的高纯度水，可用于冲厕、灌溉或进一步处理；

步骤5、膜蒸馏冷凝水侧接冷凝水装置，冷凝水装置将水温控制在15～20℃左右。

步骤1中加热装置将尿液温度升高至50℃，可实现膜蒸馏工艺所需的蒸气压差；

步骤2中尿液在进料侧浓缩，浓缩效率可达60％，随着进料液温度的升高，可实现更高的浓缩效率；

步骤3中的结晶装置包括鸟粪石装置和尿素结晶装置，分别从浓缩尿液中回收磷和尿素，回收效率分别可达95％和93％；

步骤4中的水蒸气冷凝后形成的高纯度水可实现60％以上的产水率，产出的高纯度水可作为冲厕、灌溉或进一步处理；

步骤5中的冷凝水温度控制在15～20℃，为膜蒸馏装置提供足够的蒸气压差，实现尿液的浓缩和水的回用。

综上所述，本发明实施例所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统及方法，源分离尿液经升温后具有足够的蒸气压差，经过膜蒸馏装置，利用进料液的蒸气压差可实现尿液的进一步浓缩，实现减量化，并可通过结晶装置对浓缩尿液进行进一步的处理，实现资源化利用；同时尿液中的水蒸气在蒸气压差的作用下透过疏水膜，在冷壁上冷却下来，形成高纯度水，可作为冲厕、灌溉或进一步的处理，实现水的回用。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：包括尿液收集装置、加热装置、膜蒸馏装置、结晶装置以及冷凝装置；

2.根据权利要求1所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：所述尿液收集装置为源分离卫生器具。

3.根据权利要求1所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：所述加热装置为恒温水浴锅。

4.根据权利要求1所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：所述膜蒸馏装置由进料侧、气隙侧、冷凝侧组成。

5.根据权利要求1所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：所述结晶装置为旋转蒸发器。

6.根据权利要求1所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：所述冷凝装置为冷却水循环装置。

7.根据权利要求6所述的用于尿液资源回收的膜蒸馏系统，其特征在于：冷凝装置通过管道与膜蒸馏装置的冷凝侧相连，通过冷凝装置控制膜蒸馏装置冷凝侧的过水温度。

8.一种利用如权利要求1-7任一项所述的装置进行尿液资源回收的方法，其特征在于，包括如下流程步骤：

步骤S120：升温后的尿液通过流量计控制汇入膜蒸馏装置，于进料尿液和冷凝侧冷凝水的温度差导致的蒸气压差使得尿液中的水蒸汽透过进料侧和气隙侧之间的PTFE-PP疏水膜，在气隙侧与冷凝侧之间的钢板上受冷凝水低温影响而被冷凝，在气隙侧出水回收；

步骤S150：膜蒸馏装置的冷凝侧接冷凝装置，冷凝装置将水温控制在15～20℃左右。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

步骤S110中加热装置将尿液温度升高至50℃；步骤S120中尿液在进料侧浓缩；步骤S130中的结晶装置包括鸟粪石装置和尿素结晶装置；步骤S150中的冷凝水温度控制在15～20℃。