CN118026393A - 基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理技术领域,公开了基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,包括厌氧膜蒸馏生物反应器、进水循环加热水箱、甲烷收集罐、产水收集水箱、资源收集水箱、检测系统和控制系统,所述厌氧膜蒸馏生物反应器由内至外依次设有资源回收区、过滤区和生物反应区,所述生物反应区底部设有环形布水器,所述生物反应区、过滤区和资源回收区上方设有溢流堰。本发明采用上述结构,在解决厌氧膜蒸馏生物反应盐度积累问题的同时,能够从废水中回收到多种有使用价值的资源物质,且能够在不改变工艺单元的前提下完成对各种能够采用生物处理的废水的资源回收。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域,特别是涉及基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统。
背景技术
在某些生产性场所中会产生大量成分复杂的高浓度有机物废水,如养殖场废水、屠宰场废水、制药厂废水等,若直接排入水体环境中,会消耗水中溶解氧,必然对水生态环境造成不良影响,此外这些废水中也含有大量的有利用价值的物质,如氮、磷营养元素,因此在净化这些废水的同时将这些物质回收无疑会产生额外的效益。
对于高浓度有机废水,一般采用厌氧发酵生物处理法处理,通过厌氧发酵降低废水中的有机物浓度,同时还能够产生甲烷这种能源物质,但是厌氧发酵过程对有机物的降解是不彻底的,且对于废水中的氮、磷元素无去除作用,因此经过厌氧发酵后的废水仍需要进行处理才能达到排放标准。膜蒸馏是一种依据待过滤溶液组分具有挥发性与否来进行过滤分离的技术,理论上具备在过滤无挥发性污染物时得到纯水的能力,但膜蒸馏本身能效低,在应用中若没有经济的热源供给,难以实现工程应用。
厌氧发酵生物处理和膜蒸馏技术结合得到的厌氧膜蒸馏生物反应器是一种新型的膜生物反应器处理工艺,该工艺存在如下问题:1、由于膜蒸馏过程对非挥发性物质的截留,使得反应器内的盐度不断积累,进而对生物处理过程产生毒害作用;2、厌氧发酵过程对pH的要求为6.5-8,在该pH条件下,废水中若存在氨氮,则一部分氨氮会以氨分子这种具有挥发性的形态存在,导致厌氧膜蒸馏生物反应器的产水存在一定浓度的氨氮,需要进一步处理。
发明内容
本发明的目的是提供基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,克服厌氧膜蒸馏生物反应器存在的盐度积累、产水存在氨氮污染的缺点,同时赋予厌氧膜蒸馏生物反应器回收废水中资源物质的能力。
为实现上述目的,本发明提供了基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,包括厌氧膜蒸馏生物反应器、进水循环加热水箱、甲烷收集罐、产水收集水箱、资源收集水箱、检测系统和控制系统,所述厌氧膜蒸馏生物反应器由内至外依次设有资源回收区、过滤区和生物反应区,所述生物反应区底部设有环形布水器,所述生物反应区、过滤区和资源回收区上方设有溢流堰。
优选的,所述控制系统包括第一加热控制单元、循环控制单元、第二加热控制单元、甲烷收集控制单元、产水收集控制单元、资源收集控制单元和电脑。
优选的,所述进水循环加热水箱通过第一加热控制单元与所述环形布水器连通,所述第一加热控制单元按水流方向依次设有加热控制阀门一、加热控制变频泵一、加热控制阀门二和加热器一。
优选的,环形的所述生物反应区上部通过循环控制单元与所述进水循环加热水箱连通,所述生物反应区中部设有三相分离器,所述循环控制单元按水流方向依次设有循环控制阀门一、循环变频泵一和循环控制阀门二。
优选的,所述三相分离器的气相进入所述甲烷收集罐,所述生物反应区通过甲烷收集控制单元与所述甲烷收集罐连通。
优选的,所述三相分离器的液相通过所述溢流堰进入环形的所述过滤区,所述过滤区内设有膜蒸馏组件一,所述过滤区通过所述产水收集控制单元与所述产水收集水箱连通,所述产水收集控制单元按照水流方向依次设有产水阀门一、产水冷凝器和产水电动阀门一。
优选的,所述过滤区底部通过连通管与所述资源回收区连通,所述资源回收区内设有膜蒸馏组件二,所述资源回收区通过所述资源收集控制单元与所述资源收集水箱连通,所述资源回收区与所述第二加热循环控制单元连通。
优选的,所述检测系统包括生物反应区内的传感器一、过滤区内的传感器二、资源回收区内的传感器三、产水收集水箱内的传感器四和资源收集水箱内的传感器五,所述传感器一、所述传感器二、所述传感器三、所述传感器四和所述传感器五均与所述电脑电性连接。
优选的,所述连通管上设有连通阀门,所述资源回收区底部设有资源出料阀,所述过滤区底部设有过滤出料阀、所述生物反应区底部设有生物出料阀。
优选的,所述资源出料阀、所述过滤出料阀和所述生物出料阀均与总出料阀连通,所述总出料阀与出料泵连通。
因此,本发明采用上述结构的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其有益效果为:
1、厌氧膜蒸馏生物反应器设置有生物反应区、过滤区和资源回收区,三相分离器和溢流堰的设置使得生物反应区内的微生物不会受到过滤区内因过滤浓缩形成的浓水影响,避免盐度上升对微生物产生不利影响的问题;
2、对不同类型的废水进行处理时,只需要对资源回收区的膜蒸馏组件二的操作运行方式作出调整即可,无需进行结构的变更,具有较高的灵活性;
3、资源回收区与生物反应区和过滤区完全分隔,资源回收区所进行的操作不会对微生物造成影响;
4、本发明提供的废水利用系统在解决厌氧膜蒸馏生物反应盐度积累问题的同时,能够从废水中回收到多种有使用价值的资源物质,且能够在不改变工艺单元的前提下完成对各种能够采用生物处理的废水的资源回收;
5、本发明提供的废水利用系统除了能够回收不同废水中的资源,还可根据厌氧发酵和膜蒸馏组件本身得到甲烷和净水资源。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统的示意图。
附图标记
1、厌氧膜蒸馏生物反应器;11、生物反应区;12、过滤区;13、资源回收区;14、环形布水器;15、溢流堰;16、三相分离器;17、膜蒸馏组件一;18、膜蒸馏组件二;19、连通管;2、进水循环加热水箱;3、甲烷收集罐;4、产水收集水箱;5、资源收集水箱;6、检测系统;61、传感器一;62、传感器二;63、传感器三;64、传感器四;65、传感器五;7、控制系统;71、加热控制变频泵一;72、加热器一;73、循环变频泵一;74、产水冷凝器;75、资源冷凝器一;76、出料泵;77、电脑。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义,本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
如图1所示,基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,包括厌氧膜蒸馏生物反应器1、进水循环加热水箱2、甲烷收集罐3、产水收集水箱4、资源收集水箱5、检测系统6和控制系统7。厌氧膜蒸馏生物反应器1由内至外依次设有资源回收区13、过滤区12和生物反应区11,生物反应区11底部设有环形布水器14,生物反应区11、过滤区12和资源回收区13上方设有溢流堰15。
生物反应区11内设有微生物,具体为厌氧产甲烷微生物。在生物反应区11内,环形布水器14喷出的废水与微生物充分接触反应,同时废水与厌氧污泥均匀混合。过滤区12接收生物反应区11内的液相,液相被膜蒸馏组件一17处理后得到蒸汽,蒸汽冷凝后进入产水收集水箱4被收集。过滤区12内过滤浓缩得到的浓水进入资源回收区13,对有利用价值的物质进行回收。
控制系统7包括第一加热控制单元、循环控制单元、第二加热控制单元、甲烷收集控制单元、产水收集控制单元、资源收集控制单元和电脑77。电脑77为工业电脑,控制系统7通过电脑77控制第一加热控制单元、循环控制单元、第二加热控制单元、甲烷收集控制单元、产水收集控制单元、资源收集控制单元工作,此处的控制方式为本领域常用的控制方式,进而控制污水处理进程和产品收集。
进水循环加热水箱2通过第一加热控制单元与环形布水器14连通,第一加热控制单元按水流方向依次设有加热控制阀门一、加热控制变频泵一71、加热控制阀门二和加热器一72。
开启加热控制阀门一、加热控制变频泵一71、加热控制阀门二和加热器一72后,进水循环加热水箱2内的废水加热后进入生物反应区11,废水加热使得微生物可在最适温度范围内与废水进行充分反应。
环形的生物反应区11上部通过循环控制单元与进水循环加热水箱2连通,生物反应区11中部设有三相分离器16,循环控制单元按水流方向依次设有循环控制阀门一、循环变频泵一73和循环控制阀门二。反应后泥水经三相分离器16进行分离,部分液相经循环控制单元回流到进水循环加热水箱2中,部分液相进入过滤区12继续处理。
三相分离器16的气相进入甲烷收集罐3,生物反应区11通过甲烷收集控制单元与甲烷收集罐3连通。由于生物反应区11和过滤区12顶部通过溢流堰15连通,三相分离器16分离的甲烷气体会进入过滤区12顶部区域。因此,生物反应区11中三相分离器16分离的甲烷和溢出至过滤区12的甲烷气体,均通过打开对应的甲烷收集阀收集到甲烷收集罐3中。
三相分离器16的液相通过溢流堰15进入环形的过滤区12,过滤区12内设有膜蒸馏组件一17。过滤区12通过产水收集控制单元与产水收集水箱4连通,产水收集控制单元按照水流方向依次设有产水阀门一、产水冷凝器74和产水电动阀门一。膜蒸馏组件对过滤区12内的液相进行处理,得到的膜蒸馏产物经产水冷凝器74冷凝后进入产水收集水箱4。
为了降低过滤区12的产水中氨氮的浓度,需要将过滤区12的溶液pH调节至6以下。过滤区12内的液位高度需始终低于溢流堰15的底部高度,同时,过滤区12内的液相需没过膜蒸馏组件一17的顶端,保证生物反应区11内的泥水和过滤区12内的液相不相互混合,进而保证生物反应区11和过滤区12内的反应同时独立进行。
根据过滤区12内液位高度控制循环控制单元的工作参数,通过循环控制单元来控制进入过滤区12内的液相进水量,保证过滤区12内液相高度处于正常范围。当液位过低时,通过电脑77的自控程序控制加热控制变频泵一71的转速升高,循环变频泵一73的转速降低,液位过高时,通过电脑77的自控程序控制加热控制变频泵一71的转速降低,循环变频泵一73的转速升高。
过滤区12底部通过连通管19与资源回收区13连通,资源回收区13内设有膜蒸馏组件二18,资源回收区13通过资源收集控制单元与资源收集水箱5连通,资源收集控制单元按水流方向依次设有资源冷凝器一75和资源电动阀门一。资源回收区13与第二加热循环控制单元连通,对资源回收区13内的浓水进行加热循环,用于维持反应温度。
过滤区12产生的浓水进入资源回收区13,资源回收区13内的膜分离组件二对浓水进行处理,根据浓水中所含的有回收价值的物质种类,调整回收部分膜蒸馏组件二18的运行形式,达到资源回收的目的。资源回收区13得到的膜蒸馏产物经资源冷凝器一75冷凝后进入资源收集水箱5,同时对其余回收产物进行回收。
检测系统6包括生物反应区11内的传感器一61、过滤区12内的传感器二62、资源回收区13内的传感器三63、产水收集水箱4内的传感器四64和资源收集水箱5内的传感器五65,传感器一61、传感器二62、传感器三63、传感器四64和传感器五65均与电脑77电性连接。
对过滤区12和资源回收区13内的膜蒸馏组件一17、膜蒸馏组件二18、传感器二62、传感器三63及对应阀门、连通管19均选用耐酸碱、耐盐腐蚀的材料或型号,产水收集水箱4和资源收集水箱5进行耐酸碱、耐盐腐蚀处理。当废水在资源回收区13进行酸化或碱化操作时相关结构不会受到腐蚀,能够依据废水特性调整运行操作条件,从而能够从各种废水中回收有利用价值的物质。
连通管19上设有连通阀门,资源回收区13底部设有资源出料阀,过滤区12底部设有过滤出料阀、生物反应区11底部设有生物出料阀。资源出料阀、过滤出料阀和生物出料阀均与总出料阀连通,总出料阀与出料泵76连通。生物反应区11、过滤区12和资源出料区分别通过底部的生物出料阀、过滤出料阀和资源出料阀进行放空或排泥,最终通过总出料阀放空或排泥。
产水收集水箱4和资源收集水箱5均设有真空泵,当需要排出产水收集水箱4或资源收集水箱5中的液体时,需先关闭对应的产水电动阀门一或资源电动阀门一,关闭对应的真空泵,打开二者顶部的阀门破坏真空,再打开底部的阀门排出液体。排水后依次关闭底部的阀门和顶部的阀门,再次打开真空泵并打开对应的产水电动阀门一或资源电动阀门一,即可正常运行。
实施例2
当待处理废水为高盐有机废水时,开启第一加热控制单元,向环形布水器14中提供高盐有机废水,环形布水器14将高盐有机废水喷向生物反应区11中,同时,高盐有机废水与厌氧污泥在喷射上升过程中混合均匀。生物反应区11上部的高盐有机废水经三相分离器16分离,得到的液相进入过滤区12。
过滤区12内的传感器二62反馈过滤区12内的液位高度,并根据过滤区12内的液位高度控制循环控制单元中循环变频泵一73的转速,保证过滤区12内的液位高度在所需的范围内。调节过滤区12内的pH小于6,液相经膜蒸馏组件一17处理后,蒸汽冷凝后进入产水收集水箱4,得到的浓水经连联通管进入资源回收区13。连通管19仅在过滤区12向资源回收区13内转移浓水时打开,其余时间均处于关闭状态。
资源回收区13中的膜蒸馏组件二18对浓水继续浓缩至结晶,进而回收结晶盐,同时,资源回收区13的蒸汽经资源冷凝器一75冷凝后进入资源收集水箱5。
过滤区12可以有效回收废水中的氨氮,氨氮回收率可达到36%。甲烷产率一定程度上反应生物反应区11中微生物的产甲烷活性,平均甲烷产率在0.26 L/g COD去除。
实施例3
当待处理废水为高氨氮有机废水时,开启第一加热控制单元,向环形布水器14中提供高氨氮有机废水,环形布水器14将高氨氮有机废水喷向生物反应区11中,同时,高氨氮有机废水与厌氧污泥在喷射上升过程中混合均匀。生物反应区11上部的高氨氮有机废水经三相分离器16分离,得到的液相进入过滤区12。
过滤区12内的传感器二62反馈过滤区12内的液位高度,并根据过滤区12内的液位高度控制循环控制单元中循环变频泵一73的转速,保证过滤区12内的液位高度在所需的范围内。调节过滤区12内的pH小于6,液相经膜蒸馏组件一17处理后,蒸汽冷凝后进入产水收集水箱4,得到的浓水经连联通管进入资源回收区13。连通管19仅在过滤区12向资源回收区13内转移浓水时打开,其余时间均处于关闭状态。
调节资源回收区13的pH至12以上,使得浓水中的氨氮大部分以氨分子形态存在,资源回收区13中的膜蒸馏组件二18收集氨气,氨气至资源冷凝器一75处冷凝进入资源收集水箱5,调节资源收集水箱5中的pH至6以下,以便更好的固定氨氮。
高氨氮浓度下氨氮回收率在30-38%之间,初期运行过程中由于氨氮浓度较高,回收率较大,随着运行时间延长,氨氮回收率有所降低,这是由于高氨氮浓度组原液体积的减少,导致进料液浓缩会加重膜污染从而影响了氨氮的正常跨膜传质。
实施例4
当待处理废水为高氮磷有机废水时,开启第一加热控制单元,向环形布水器14中提供高氮磷有机废水,环形布水器14将高氮磷有机废水喷向生物反应区11中,同时,高氮磷有机废水与厌氧污泥在喷射上升过程中混合均匀。生物反应区11上部的高氮磷有机废水经三相分离器16分离,得到的液相进入过滤区12。
过滤区12内的传感器二62反馈过滤区12内的液位高度,并根据过滤区12内的液位高度控制循环控制单元中循环变频泵一73的转速,保证过滤区12内的液位高度在所需的范围内。调节过滤区12内的pH小于6,液相经膜蒸馏组件一17处理后,蒸汽冷凝后进入产水收集水箱4,得到的浓水经连联通管进入资源回收区13。连通管19仅在过滤区12向资源回收区13内转移浓水时打开,其余时间均处于关闭状态。
资源回收区13中的膜蒸馏组件二18对浓水继续浓缩提高氮磷浓度,投加镁盐生成鸟粪石沉淀而回收氮磷元素,同时,资源回收区13的蒸汽经资源冷凝器一75冷凝后进入资源收集水箱5。
进水磷浓度100~140 mg/L,出水磷浓度<0.01 mg/L,截留率99.99%;进水氨浓度900~3000 mg/L,出水氨浓度<200 mg/L。
因此,本发明采用上述结构的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,在解决厌氧膜蒸馏生物反应盐度积累问题的同时,能够从废水中回收到多种有使用价值的资源物质,且能够在不改变工艺单元的前提下完成对各种能够采用生物处理的废水的资源回收。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,尽管参照较佳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:其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:包括厌氧膜蒸馏生物反应器、进水循环加热水箱、甲烷收集罐、产水收集水箱、资源收集水箱、检测系统和控制系统,所述厌氧膜蒸馏生物反应器由内至外依次设有资源回收区、过滤区和生物反应区,所述生物反应区底部设有环形布水器,所述生物反应区、过滤区和资源回收区上方设有溢流堰。
2.根据权利要求1所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述控制系统包括第一加热控制单元、循环控制单元、第二加热循环控制单元、甲烷收集控制单元、产水收集控制单元、资源收集控制单元和电脑。
3.根据权利要求2所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述进水循环加热水箱通过第一加热控制单元与所述环形布水器连通,所述第一加热控制单元按水流方向依次设有加热控制阀门一、加热控制变频泵一、加热控制阀门二和加热器一。
4.根据权利要求3所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:环形的所述生物反应区上部通过循环控制单元与所述进水循环加热水箱连通,所述生物反应区中部设有三相分离器,所述循环控制单元按水流方向依次设有循环控制阀门一、循环变频泵一和循环控制阀门二。
5.根据权利要求4所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述三相分离器的气相进入所述甲烷收集罐,所述生物反应区通过甲烷收集控制单元与所述甲烷收集罐连通。
6.根据权利要求5所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述三相分离器的液相通过所述溢流堰进入环形的所述过滤区,所述过滤区内设有膜蒸馏组件一,所述过滤区通过所述产水收集控制单元与所述产水收集水箱连通,所述产水收集控制单元按照水流方向依次设有产水阀门一、产水冷凝器和产水电动阀门一。
7.根据权利要求6所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述过滤区底部通过连通管与所述资源回收区连通,所述资源回收区内设有膜蒸馏组件二,所述资源回收区通过所述资源收集控制单元与所述资源收集水箱连通,所述资源回收区与所述第二加热循环控制单元连通。
8.根据权利要求7所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述检测系统包括生物反应区内的传感器一、过滤区内的传感器二、资源回收区内的传感器三、产水收集水箱内的传感器四和资源收集水箱内的传感器五,所述传感器一、所述传感器二、所述传感器三、所述传感器四和所述传感器五均与所述电脑电性连接。
9.根据权利要求8所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述连通管上设有连通阀门,所述资源回收区底部设有资源出料阀,所述过滤区底部设有过滤出料阀、所述生物反应区底部设有生物出料阀。
10.根据权利要求9所述的基于无盐度积累的厌氧膜蒸馏生物反应器的废水利用系统,其特征在于:所述资源出料阀、所述过滤出料阀和所述生物出料阀均与总出料阀连通,所述总出料阀与出料泵连通。
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