CN111875141A - 基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置，包括太阳能加热单元与渗透相吸收单元之间的膜蒸馏单元；太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、原料液进液罐、铜制换热盘管，铜制换热盘管设置在原料液进液罐内，聚光型槽式太阳能集热器两端与铜制换热盘管两端相连；渗透相吸收单元包括吸收液收集罐、半导体制冷片以及温度传感器，半导体制冷片安装在吸收液收集罐外壁上，温度传感器设置在吸收液收集罐内；膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，本发明在实现氨氮废水处理的同时，还可以通过回收渗透相的方法来实现氨氮的回收利用，具有较高的经济效益。

Description

基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，特别涉及一种高氨氮废水处理装置及方法。

背景技术

膜蒸馏(Membrane distillation，MD)工艺处理氨氮废水的基本原理是：将原水pH 值调高（实验测得原水 pH在12左右时，氨氮去除率最高），使氨氮以挥发态 NH₃的形式存在，然后使原水溶液从PVDF疏水多孔膜的一侧流过，由于疏水膜表面张力比较低，溶液不能进入膜孔，在膜孔处形成了溶液-蒸汽界面，挥发态 NH₃在此界面处蒸发，然后通过扩散、对流穿过膜孔，到达渗透相，最后以吸收液或气体形式从组件中移走，从而实现分离。

本装置基于太阳能光热-光电系统，只利用太阳能来实现装置的运转。太阳能光热系统采用聚光型槽式太阳能集热系统，利用反射、透射等聚光装置，将低能流密度的太阳光聚集并投射到面积较小的接收器并转换为热量，获得较高的温度，降低系统热损，提高热效率，从而可提高太阳能膜蒸馏系统整体性能，间接加热使用的太阳液具有抗冻、换热效果好等特点。太阳能光电系统由太阳能电池板、太阳能充电控制器和蓄电池组成，光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电设备主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，设备极为精炼、可靠稳定、寿命长、安装维护简便。

氨氮废水处理是目前水处理领域的研究热点，高浓度氨氮废水广泛存在于多种现代工业生产中，由于其具有较强的生物毒性，因此常采用物理化学方法对其进行处理。目前针对高浓度氨氮废水处理的主要方法是吹脱法、吸附法、化学沉淀法、反渗透法等。膜技术是水处理领域研究中的一个重要方向，其中膜蒸馏工艺在分离水溶液中挥发性物质方面具有很大的优势，本发明研制出以光能为驱动力来实现处理高氨氮废水的膜蒸馏装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置及方法，可高效实现氨氮废水处理，同时由于渗透相吸收液中氨氮浓度被得到富集，故还可实现氨氮的回收利用，具有较高的经济效益。

本发明的目的是这样实现的：一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置，包括设置在太阳能加热单元与渗透相吸收单元之间的膜蒸馏单元；

所述太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、原料液进液罐、铜制换热盘管，所述铜制换热盘管设置在原料液进液罐内，用以与原料液进液罐内的原料液进行热交换，所述聚光型槽式太阳能集热器两端与所述铜制换热盘管两端相连，形成供热回路，用以为铜制换热盘管提供热源；

所述渗透相吸收单元包括吸收液收集罐、半导体制冷片以及温度传感器，所述半导体制冷片安装在吸收液收集罐外壁上，作为冷源用以对吸收液收集罐进行制冷，所述温度传感器设置在吸收液收集罐内，用以监测吸收液收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持吸收液收集罐内吸收液的温度；

所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件两端分别并联后连接在原料液进液罐的进出口两端，形成回路，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在渗透相吸收单元的进出口两端形成回路。

作为本发明的进一步限定，所述太阳能加热单元还包括：

太阳能加热循环磁力泵，设置在铜制换热盘管出口与聚光型槽式太阳能集热器入口之间；

自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与铜制换热盘管之间，用以控制铜制换热盘管的加热温度维持在60-80℃；

pH实时监测器，设置在原料液进液罐内，用以实时监测原料液的pH值；

便携式氨氮监测器，设置在原料液进液罐内，用以实时监测原料液的氨氮值。

作为本发明的进一步限定，所述膜蒸馏单元还包括：热侧循环磁力泵、冷测循环磁力泵、热侧转子流量计、冷侧转子流量计、温度监测计；所述热侧循环磁力泵与热侧转子流量计串接在原料液进液罐出口与热腔膜组件进口之间，所述冷测循环磁力泵与冷侧转子流量计串接在吸收液收集罐出口与冷腔膜组件进口之间，所述温度监测计设置有多个，分别设置在并联平板式膜组件的进口处与出口处。

作为本发明的进一步限定，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将18V直流电转化为220V交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、渗透相吸收单元、膜蒸馏单元内的用电单元供电。

一种基于基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置的高氨氮废水处理方法，包括以下步骤：

步骤1）：在原料液进液罐中加入待处理废水，然后往里面添加10%浓度的氢氧化钠溶液，调节废水pH至11-13，开启太阳能加热循环磁力泵，通过聚光型槽式太阳能集热器将原料液进液罐中原水加热到60-80℃；

步骤2）：在吸收液收集罐中加入稀硫酸溶液，启动半导体制冷片，并将吸收液收集罐中的水温维持在10-20℃；

步骤3）：启动热侧循环磁力泵和冷侧循环磁力泵，调节热侧转子流量计与冷侧转子流量计，调节控制热循环侧的流量至0.5-0.7L/min，冷循环侧的流量至0.1-0.3L/min，通过温度监测计监测膜蒸馏单元膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的温度，膜组件热侧温度控制在55-65℃，膜组件冷侧温度控制在10-20℃，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏进程；

步骤4）：观察便携式氨氮监测器，每隔半小时记录氨氮浓度，当氨氮浓度去除率到达95%以上时，处理过程完成，装置停止运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本装置在实现氨氮废水处理的同时，由于渗透相吸收液中氨氮浓度被得到富集，故还可以通过鸟粪石沉淀法（在其中加入含MgCl₂的溶液，形成鸟粪石沉淀，作为一种肥料）来实现氨氮的回收利用，具有较高的经济效益；

2、本装置处理过程中除太阳能外不消耗其他能源，不仅清洁环保，还节约了电力成本；

3、本装置处理过程中基本实行自动化，不仅方便快捷，还节约了人力成本；

4、本装置采用并联平板式膜蒸馏技术，并通过实验确定了获得最高膜通量的参数条件，膜材质具有一定的抗污性能及相对较长的使用期限。

附图说明

图1为本发明中高氨氮废水处理装置原理示意图。

其中，1太阳能加热单元，2膜蒸馏单元，3冷馏水出水单元，4太阳能光伏发电单元，5聚光型槽式太阳能集热器，6太阳能加热循环磁力泵，7自力式温度调节阀，8 pH实时监测器，9铜制换热盘管，10原料液进液罐，11便携式氨氮监测器，12热侧循环磁力泵，13热侧转子流量计，14并联平板式膜组件，15温度监测计，16冷侧转子流量计，17冷侧循环磁力泵，18吸收液收集罐，19温度传感器，20半导体制冷片，21电路开关，22太阳能电池板阵列，23太阳能充电控制器，24蓄电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置，由太阳能加热单元1、膜蒸馏单元2、渗透相吸收单元3和太阳能光伏发电单元4这四个单元组成。太阳能加热单元1在左，渗透相吸收单元3在右，膜蒸馏单元2位于两者之间，太阳能光伏发电单元4在下。

太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器5、原料液进液罐10、自力式温度调节阀7、太阳能加热循环磁力泵6、pH实时监测器8、铜制换热盘管9、便携式氨氮监测器11；聚光型槽式太阳能集热器5出水口通过热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)管与原料液进液罐10内的铜制换热盘管9相连，铜制换热盘管9内充满换热效果较好的太阳液，铜制换热盘管9通过TPU管与自力式温度调节阀7相连，自力式温度调节阀7通过TPU管与太阳能加热循环磁力泵6相连，太阳能加热循环磁力泵6通过TPU管与5聚光型槽式太阳能集热器进水口相连；上述元件通过管道互相连接，形成太阳能加热循环回路，加热温度通过自力式温度调节阀7控制在60-80℃；原料液进液罐10里放置安装MIK-pH2.0型pH实时监测器8 与AD-2AZ型便携式氨氮监测器11，用来对原料液进液罐10中的pH及氨氮进行监测。

膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件14、热侧循环磁力泵12、冷测循环磁力泵17、热侧转子流量计13、冷侧转子流量计16、温度监测计15。原料液进液罐10出水口通过TPU管与热侧循环磁力泵12相连，热侧循环磁力泵12通过TPU管与热侧转子流量计13相连，热侧转子流量计13通过TPU管与并联平板式膜组件14热侧进水口相连，并联平板式膜组件14热侧出水口通过TPU管与原料液进液罐10进水口相连，上述元件通过管道互相连接，形成膜蒸馏热侧循环回路；吸收液收集罐18出水口通过TPU管与冷侧循环磁力泵17相连，冷侧循环磁力泵17通过TPU管与冷侧转子流量计16相连，冷侧转子流量计16通过TPU管与并联平板式膜组件14冷侧进水口相连，并联平板式膜组件14冷侧出水口通过TPU管与吸收液收集罐18进水口相连，上述元件通过管道互相连接，形成膜蒸馏冷侧循环回路。膜蒸馏单元并联平板式膜组件14热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处分别布置一个温度监测计；并联平板式膜组件14由有机玻璃板组成，使用螺钉、螺帽紧固，六个膜组件并联形成一个整体，膜组件14的冷腔与热腔依次交替排开，膜组件14进水口与出水口分别进行并联，膜蒸馏用膜采用0.22μm聚偏氟乙烯（PVDF）疏水性膜。

渗透相吸收单元包括吸收液收集罐18、两片半导体制冷片20、温度传感器19、电路开关21；两片半导体制冷片20安装在吸收液收集罐18外壁，吸收液收集罐18为不锈钢储罐，能快速传导温度，吸收液收集罐18内设置一个温度传感器19，温度传感器19通过信号线与控制半导体制冷片20的电路开关21相连，吸收液收集罐内的温度控制在10-20℃之间。

太阳能光伏发电单元由太阳能电池板阵列22、太阳能充电控制器23、蓄电池24组成，四块150W的太阳能电池板并联构成一个600W发电功率的太阳能电池板阵列22，太阳能电池板阵列22与太阳能充电控制器23通过电导线串联，太阳能充电控制器23能将18V直流电转化为220V交流电，方便磁力泵等用电器的使用，太阳能充电控制器23又与24太阳能蓄电池通过电导线串联，太阳能加热循环磁力泵6、pH实时监测器8 、便携式氨氮监测器11、热侧循环磁力泵12、冷侧循环磁力泵17和半导体制冷片20并联接入蓄电池24。

一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置的高氨氮废水处理方法，包括以下步骤：

步骤1）：在原料液进液罐10中加入100L、氨氮浓度为1000mg/L左右的待处理废水，然后往里面添加10%浓度的氢氧化钠溶液，调节废水pH至12左右，开启太阳能加热循环磁力泵6，通过聚光型槽式太阳能集热器5将原料液进液罐10中原水加热到60-80℃；

步骤2）：在吸收液收集罐18中加入50L、浓度为0.5%的稀硫酸溶液，启动半导体制冷片20，并将吸收液收集罐18中的水温维持在10-20℃；

步骤3）：启动热侧循环磁力泵12和冷侧循环磁力泵17，调节热侧转子流量计13、冷侧转子流量计16，调节控制热循环侧的流量至0.6L/min，冷循环侧的流量至0.2L/min，通过温度监测计15监测膜蒸馏单元膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的温度，膜组件热侧温度控制在60℃左右，膜组件冷侧温度控制在15℃左右，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏进程；

步骤4）：观察便携式氨氮监测器11，每隔半小时记录氨氮浓度，当氨氮浓度去除率到达95%以上时，处理过程完成，装置停止运行。

本发明专利应用过程简要说明：

首先将膜蒸馏用膜固定在并联平板式膜组件14，把六个并联平板式膜组件14并联形成整体。调节原料液进液罐10内的pH至12左右，把经5聚光型槽式真空管型太阳能集热器加热到60℃的热进料液通过热侧循环磁力泵12导入并联平板式膜组件14的热侧，经过蒸馏过程后回流至原料液进液罐10中。吸收液收集罐18中的稀硫酸溶液经过半导体制冷片20作用，温度维持在15℃左右，然后通过冷侧循环磁力泵17导入14膜组件的冷侧，再回流至吸收液收集罐18中。运行14膜组件，膜两侧冷热温差产生的蒸汽压力差作为传质驱动力，使热侧原料液中的挥发态 NH₃透过膜孔，进入冷侧渗透相吸收液中。通过太阳能电池板阵列22将太阳能转化为电能，并将电能储存在23蓄电池中，24太阳能充电控制器用来调节光伏板输出的电流、电压。装置运行时，通过23蓄电池给所需用电器供电。原料液进液罐10外设有便携式氨氮监测器11，对原料液氨氮浓度进行监测，当氨氮去除率到达95%时，处理过程完成，装置停止运行。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理装置，其特征在于，包括设置在太阳能加热单元与渗透相吸收单元之间的膜蒸馏单元；

所述太阳能加热单元包括聚光型槽式太阳能集热器、原料液进液罐、铜制换热盘管，所述铜制换热盘管设置在原料液进液罐内，用以与原料液进液罐内的原料液进行热交换，所述聚光型槽式太阳能集热器两端与所述铜制换热盘管两端相连，形成供热回路，用以为铜制换热盘管提供热源；

所述渗透相吸收单元包括吸收液收集罐、半导体制冷片以及温度传感器，所述半导体制冷片安装在吸收液收集罐外壁上，作为冷源用以对吸收液收集罐进行制冷，所述温度传感器设置在吸收液收集罐内，用以监测吸收液收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持吸收液收集罐内吸收液的温度；

所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件两端分别并联后连接在原料液进液罐的进出口两端，形成回路，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在渗透相吸收单元的进出口两端形成回路。

2.根据权利要求1所述的高氨氮废水处理装置，其特征在于，所述太阳能加热单元还包括：

太阳能加热循环磁力泵，设置在铜制换热盘管出口与聚光型槽式太阳能集热器入口之间；

自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与铜制换热盘管之间，用以控制铜制换热盘管的加热温度维持在60-80℃；

pH实时监测器，设置在原料液进液罐内，用以实时监测原料液的pH值；

便携式氨氮监测器，设置在原料液进液罐内，用以实时监测原料液的氨氮值。

3.根据权利要求1所述的高氨氮废水处理装置，其特征在于，所述膜蒸馏单元还包括：热侧循环磁力泵、冷测循环磁力泵、热侧转子流量计、冷侧转子流量计、温度监测计；所述热侧循环磁力泵与热侧转子流量计串接在原料液进液罐出口与热腔膜组件进口之间，所述冷测循环磁力泵与冷侧转子流量计串接在吸收液收集罐出口与冷腔膜组件进口之间，所述温度监测计设置有多个，分别设置在并联平板式膜组件的进口处与出口处。

4.根据权利要求1所述的高氨氮废水处理装置，其特征在于，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将直流电转化为交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、渗透相吸收单元、膜蒸馏单元内的用电单元供电。

5.一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高氨氮废水处理方法，采用如权利要求1-4中任一项所述的高氨氮废水处理装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）：在原料液进液罐中加入待处理废水，然后往里面添加10%浓度的氢氧化钠溶液，调节废水pH至11-13，开启太阳能加热循环磁力泵，通过聚光型槽式太阳能集热器将原料液进液罐中原水加热到60-80℃；

步骤2）：在吸收液收集罐中加入稀硫酸溶液，启动半导体制冷片，并将吸收液收集罐中的水温维持在10-20℃；

步骤3）：启动热侧循环磁力泵和冷侧循环磁力泵，调节热侧转子流量计与冷侧转子流量计，调节控制热循环侧的流量至0.5-0.7L/min，冷循环侧的流量至0.1-0.3L/min，通过温度监测计监测膜蒸馏单元膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的温度，膜组件热侧温度控制在55-65℃，膜组件冷侧温度控制在10-20℃，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏进程；

步骤4）：观察便携式氨氮监测器，每隔半小时记录氨氮浓度，当氨氮浓度去除率到达95%以上时，处理过程完成，装置停止运行。

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