CN110407358A - 一种资源化处理源分离黄水的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水资源化利用领域，具体涉及一种资源化回收源分离黄水的方法和装置。本发明提出的一种高效、安全、环保的方法和装置用于源分离黄水的资源化回收，设计了纳滤装置和鸟粪石结晶装置：源分离黄水经过保安过滤器组后降低了纳滤膜被堵塞的风险，此时经纳滤膜处理后氨氮和磷得到浓缩，致病微生物和其他有害物质被截留、分离；纳滤出水作为鸟粪石结晶装置的进水，其中的氮、磷、镁和外加镁源、磷源发生化学反应，生成磷酸铵镁沉淀，经抽滤、润洗、烘干后可作为缓释肥回田，便于运输并且安全高效。

Description

一种资源化处理源分离黄水的方法及装置

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种资源化处理源分离黄水的方法及装置。

背景技术

人体***物包括尿液（黄水）和粪便（褐水），两者性质和组分差距较大。黄水中氮磷钾的组分含量较高，含碳量较低，含固率较低，并且致病微生物相对较少，褐水则刚好相反，其含固率和含碳量相对较高，而氮磷钾浓度相对较低，致病微生物较多。如果将两者混合处理不利于资源回收，因此需要通过源分离便器将两者分离收集，再分别进行资源化回收利用。成年人每天的黄水排放量在1.5 L左右，通常纳入生活污水管网进行处理。虽然黄水排放量只占城镇生活污水总排放量的1%，却贡献了生活污水中约80%的氮和50%的磷。黄水直接纳管排放不仅增加了生活污水处理厂进水的氮磷负荷，更造成了氮、磷资源的流失。在农村地区，由于黄水中含有一定量的微量污染物（如药物及其代谢产物、激素、重金属等）和致病菌（如大肠杆菌、沙门氏菌、轮状病毒等），若将黄水直接就近回田使用，则存在环境污染和安全卫生的问题，并且难以远距离的运输和推广使用。黄水腐熟化可以杀灭致病菌，但彻底的腐熟化周期需要6个月左右，因此往往需要较大的储存空间和占地面积，同时伴有气味控制和氮素挥发流失的问题。腐熟化后的黄水若不进行蒸发结晶，液态的浓缩肥则需要较大的运输成本和设备投入，限制其广泛的应用。因此有必要对源分离黄水进行高效合理的储存和处理技术开发，去除污染物和致病菌，最大化的回收和利用其氮磷钾组分。

对黄水的源分离以及资源化回收利用是国内外的研究热点，研究的目的多集中于对黄水中微量污染物的去除和氮磷钾元素的回收和运输。目前黄水资源化常用的方法有黄水腐熟化、电化学技术、膜处理技术以及化学沉淀法等。使用单一方法处理黄水往往不能同时达到去除污染物和回收有效组分的目的。例如马军等人申请的专利（CN2016104943884）采用组合膜工艺回收黄水中的氮磷元素，但仅采用组合膜工艺处理后的黄水不方便运输，只适合小范围使用。膜处理法和化学沉淀法能够实现去除黄水中微量的污染物，浓缩黄水体积以及回收鸟粪石等缓释肥料的目的。常用的膜处理方法包括纳滤、微滤、正渗透和反渗透等，因膜孔径和操作方式的不同具有不同的截留效率和运行成本。如任武昂等人申请的专利（CN2018101141734）采用正渗透膜、疏水膜和膜蒸馏组件多级处理后的出水进行磷酸铵镁沉淀，可以分离去除有机污染物，并且得到易于运输的鸟粪石固体。但多级膜***成本高、工艺复杂、操作繁琐，需要进一步改进。

针对上述问题，本发明提出了一种经济、高效、环保的方法和工艺用于源分离黄水的资源化回收，设计了纳滤装置进行微量污染物的去除，以及改进的磷酸铵镁法进行氮磷钾组分的回收。纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的膜处理技术，操作压力低，过滤孔径小，可以有效分离有机物、细菌和病毒等污染物，且具有离子选择性，能够截留二价以上离子，防止产生沉淀降低鸟粪石纯度；通过控制鸟粪石沉淀生成的因素如pH、Mg/N/P的摩尔比例和搅拌速度等优化鸟粪石沉淀法，节省药剂，降低成本。

发明内容

本发明的目的在于针对源分离黄水存在的氮磷资源丰富、含有有机污染物和致病菌、运输储存困难等问题提供一种资源化处理源分离黄水的方法和装置。

本发明提出的资源化处理源分离黄水的方法，主要是指运用纳滤装置和鸟粪石结晶装置来实现源分离黄水资源化。纳滤膜和微滤膜相比过滤孔径小，和反渗透膜相比操作压力低，且纳滤膜具有离子选择性，二价及以上的离子截留率高。该方法的具体步骤如下：

（1）源分离黄水流经纳滤进水箱和若干个保安过滤器后进入纳滤膜，源分离黄水中的微量有机污染物和致病微生物等有害物质被截留；

（2）步骤（1）预处理后的水通过流量计和管道进入纳滤淡出水箱，纳小淡出水箱中的纳滤淡水作为鸟粪石结晶装置反应器的进水，控制反应器的pH值为9～11，镁、氮和磷的比例（摩尔浓度比，单位以mol/L计）为（1～1.2）：1：1，经化学反应沉淀后得到鸟粪石沉淀；

（3）步骤（2）所得鸟粪石沉淀经漏斗式沉淀区后通过抽滤、润洗、烘干，得到的白色固体作为缓释肥回田，或与工业制肥以一定比例混合施用。

本发明中，控制纳滤进水箱中的黄水pH值为4～6，纳滤膜的过滤速度为5～10L/h，操作压力为0.2～1.2MPa。

本发明中，鸟粪石主体反应区8内的搅拌速度控制在100～300转/分钟，反应时间为10～30分钟，漏斗式沉淀反应区的沉淀时间为10～30分钟。

本发明提出的一种资源化处理源分离黄水的方法使用的装置，由纳滤装置和鸟粪石结晶装置组成，其中：

纳滤装置包括进水箱1、保安过滤器、纳滤膜5、纳滤浓出水箱6、纳滤淡出水箱7、高压变频泵11、压力表和流量计，进水箱1底部一侧通过管道与高压变频泵11一端连接，高压变频泵11的另一端通过管道连接压力表，所述压力表通过管道和保安过滤器连接纳滤膜5，纳滤膜5的出水口通过两个流量计和相应的管道连接纳滤浓出水箱6和纳滤淡出水箱7的进水口，纳滤淡出水箱7的出水口通过管道和第三流量计连接鸟粪石结晶装置的进水口；两个流量计和第三流量计分别反映进水水流特征，水流先经过若干级保安过滤器，然后进入纳滤膜5，出水分别流入纳滤浓出水箱6和纳滤淡出水箱7；

鸟粪石结晶装置包括鸟粪石主体反应区8、漏斗式沉淀区9、斜板式出水区10、蠕动泵17、机械搅拌器18和反应器，鸟粪石主体反应区8位于反应器内，鸟粪石主体反应区8底部开口，其下方设有漏斗式沉淀区9，鸟粪石主体反应区8外壁与反应器内壁之间设有上清液的出水区，所述出水区采用斜板式出水区10，鸟粪石主体反应区8内设有机械搅拌器18,纳滤淡出水箱7出水口通过管道和蠕动泵17连接鸟粪石主体反应区8顶部进水口，纳滤淡水作为进水进入鸟粪石结晶装置，机械搅拌器18不停搅拌，产生的沉淀在漏斗式沉淀区9累积，打开阀门沉淀即可流出收集，上清液在斜板式出水区10流出。

本发明中，纳滤进水箱1的体积为10L～20L，纳滤淡出水箱7和纳滤浓出水箱6的体积都在5 L～10 L。

本发明中，保安过滤器为2-3个，每个保安过滤器的滤径为1～10μm，保安过滤器的滤芯可采用聚丙烯纤维、脱脂棉纤维或活性炭等材质中任一种，保安过滤器的滤壳可采用不锈钢或塑料等材质中任一种。

本发明中，纳滤膜8的材质为聚酰胺，可采用中空纤维膜组件、卷式膜组件、平板式膜组件或管式膜组件等形式中任一种。

本发明中，鸟粪石结晶装置反应器的材质可采用透明有机玻璃、玻璃或树脂中任一种，构型可采用箱型或柱形中的一种，直径为10～40 cm,高度为20～70 cm，斜板区进水口位于主体反应区的下部，斜板区和反应器的夹角为15°～60°；漏斗式沉淀区9位于反应器底部一侧，和反应器的夹角为25°～60°。

本发明的有益效果如下：（1）纳滤过程去除了黄水中的致病微生物和微量有机污染物，满足无害化要求，避免了黄水直接利用污染土壤的问题；（2）鸟粪石结晶阶段的氮磷钾等组分回收率提高，降低了可能进入环境中的氮磷浓度；（3）结晶产物为白色固体，性质稳定，便于运输，解决了黄水利用难以运输和储存的问题；（4）同步高效回收了氮、磷资源，减少对自然磷矿的依赖性，可代替化肥使用，降低农业用肥成本。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图。

图中标号：1.纳滤进水箱；2.第一保安过滤器；3.第二保安过滤器；4.第三保安过滤器；5.纳滤膜；6.纳滤浓出水箱；7.纳滤淡出水箱；8.鸟粪石主体反应区；9.漏斗式沉淀区；10.斜板式出水区；11.高压变频泵；12.第一压力表；13.第二压力表；14第一流量计；15第二流量计；16.第三流量计；17蠕动泵；18机械搅拌器。

具体实施方式

实施例1：一种资源化处理源分离黄水的方法使用的装置包括纳滤装置和鸟粪石结晶装置；纳滤装置包括：纳滤进水箱1、第一保安过滤器2、第二保安过滤器3、第三保安过滤器4、纳滤膜5、纳滤浓出水箱6、纳滤淡出水箱7、高压变频泵11、第一压力表12和第一流量计14、第二流量计15、第三流量计16，高压变频泵11、第一压力表12和第一流量计14安装在纳滤进水箱1之后，用来调节进水流量，纳滤膜５出水管分别与纳滤浓出水箱６和纳滤淡出水箱７相连，第二压力表13监测纳滤膜进水压力，第二流量计15和第三流量计16分别监测各出水流量。鸟粪石结晶装置包括：鸟粪石主体反应区8、漏斗式沉淀区9、斜板式出水区10、蠕动泵17、机械搅拌器18和反应器；纳滤淡出水箱7与鸟粪石结晶装置进水口相连，机械搅拌器18安装在鸟粪石主体反应区内。

第一保安过滤器２和第二保安过滤器3的滤芯采用聚丙烯纤维，滤径分别为10μm和1μm，第三保安过滤器4的滤芯采用烧结活性炭，第一保安过滤器２、第二保安过滤器３和第三保安过滤器４的滤壳均采用透明塑料壳。纳滤采用卷式膜组件，膜的型号为NF270-1812，膜面积为0.37m²,新的纳滤膜５在使用前首先在纯水中浸没24h，再用纯水过滤12h，然后过滤与黄水组成相同的模拟黄水溶液约2h，使纳滤膜５达到离子平衡状态后，再进行过滤黄水的操作。鸟粪石结晶反应器的直径为12cm，漏斗式沉淀区９与反应器的夹角为45°，斜板式出水区10与鸟粪石主体反应区８的夹角为30°，反应器的有效体积为3L左右。

具体步骤如下：

将源分离黄水加入容积为20L的纳滤进水箱1中，用2mol/L的NaOH和2mol/L的HCl调节纳滤进水箱１中黄水的pH值为6左右，调节高压变频泵11压力在0.6～1MPa，调整进水流速为5～10L/h，在室温（25℃左右）下运行一段时间后,取纳滤淡水箱7的出水2L作为鸟粪石结晶装置的进水。分别测定淡水中的镁离子浓度、氨氮浓度和溶解性磷的浓度；由于磷酸铵镁在碱性条件下生成，在酸性条件下溶解，因此用10mol/L的NaOH和1mol/L的HCl调节溶液的pH值为10～11；用蠕动泵17同时加入适量的氯化镁和磷酸氢二钠溶液作为镁源和磷源，调节纳滤淡水中镁、氮和磷的摩尔浓度比例为（1～1.2）：1：1；设置机械搅拌器18的转速为100～200rpm，使溶液中的镁、氮和磷充分反应，加速沉淀的产生；反应在常温（25℃）下进行，20min后停止搅拌，待沉淀沉降10min后,取出水测定氨氮和溶解性磷的剩余浓度，然后将沉淀用0.45μm的滤纸抽滤，并用去离子水清洗3次，在烘箱中连续烘干48h之后,放入干燥器内保存备用。对黄水资源化处理制备的鸟粪石沉淀进行X射线衍射分析（XRD）扫描电子显微镜及能谱分析（SEM），和纯种的鸟粪石结晶比对后，结果显示：鸟粪石结晶为斜方针状晶体，主要成分是磷酸铵镁，纯度高于87%，仅含有少量杂质。出水中氨氮和溶解性磷的含量和黄水原水的相比，氨氮的回收率在80%左右，磷的回收率为95%左右。从黄水资源化处理的经济因素来看，每立方米的黄水可生成9kg左右的鸟粪石沉淀，市场价为2元/Kg，所以每立方米产生的鸟粪石结晶带来的价值为18元，而生成鸟粪石结晶过程中消耗的化学药剂、电费等的总费用约为16.6元/m³,因此处理每立方米的黄水可获得的经济效益为1.4元。

实施例2：一种资源化处理源分离黄水的方法使用的装置包括纳滤装置和鸟粪石结晶装置；纳滤装置包括纳滤进水箱1、第二保安过滤器3、第三保安过滤器4、纳滤膜5、 纳滤浓出水箱6、纳滤淡出水箱7、高压变频泵11、第一压力表12和第一流量计14、第二流量计15、第三流量计16，高压变频泵11、第一压力表12和第一流量计14安装在纳滤进水箱1之后，用来调节进水流量，纳滤膜出水管分别与纳滤浓出水箱6和纳滤淡出水箱7相连，第二压力表13监测纳滤膜进水压力，第二流量计15和第三流量计16分别监测各出水流量。鸟粪石结晶装置包括：鸟粪石主体反应区8、漏斗式沉淀区9、斜板式出水区10、蠕动泵17、机械搅拌器18和反应器；纳滤淡出水箱7通过蠕动泵17与鸟粪石结晶装置进水口相连，外加镁源和磷源通过蠕动泵进入鸟粪石主体反应区，机械搅拌器18安装在鸟粪石主体反应区内。

第一保安过滤器２和第二保安过滤器3的滤芯均采用聚丙烯纤维，滤径分别为10μm和1μm，第三保安过滤器4的滤芯采用烧结活性炭，第一保安过滤器２、第二保安过滤器３和第三保安过滤器４的滤壳均采用透明塑料壳。纳滤采用卷式膜组件，膜的型号为NF270-1812，膜面积为0.37m²,新的纳滤膜５在使用前首先在纯水中浸没24h，再用纯水过滤12h，然后过滤与黄水组成相同的模拟黄水溶液约2h，使纳滤膜５达到离子平衡状态后再进行过滤黄水的操作。鸟粪石结晶反应器的直径为12 cm，漏斗式沉淀区９与反应器的夹角为45°，斜板式出水区10与鸟粪石主体反应区8的夹角为30°，反应器的有效体积为3L左右。

具体步骤如下：

将源分离黄水加入容积为20 L的纳滤进水箱1中，用2mol/L的NaOH和2mol/L的HCl调节进水箱中黄水的pH为5～6，调节高压变频泵11压力在0.2～1 MPa，调整进水流速为1～10L/h，在高温（35℃左右）下运行一段时间后,取纳滤淡水箱7的出水2 L作为鸟粪石结晶装置的进水,并分别测定淡水中的镁离子浓度、氨氮浓度和溶解性磷的浓度；由于磷酸铵镁在碱性条件下生成，在酸性条件下溶解，因此用10mol/L的NaOH和1mol/L的HCl调节溶液的pH值为9～11；用蠕动泵同时加入适量的氯化镁和磷酸氢二钠溶液作为镁源和磷源，调节纳滤淡水中镁、氮和磷的摩尔浓度比例为（1～1.2）：1：1；设置机械搅拌器18的转速为150～300rmp，使溶液中的镁、氮和磷充分反应，加速沉淀的产生；反应在高温（35℃）下进行，20 min后停止搅拌，待沉淀沉降10min后取出水测定氨氮和溶解性磷的剩余浓度，然后将沉淀用0.45μm的滤纸抽滤，并用去离子水清洗3次，在烘箱中连续烘干48h之后放入干燥器内保存备用。对黄水资源化处理制备的鸟粪石沉淀进行X射线衍射分析（XRD）扫描电子显微镜及能谱分析（SEM），和纯种的鸟粪石结晶对比结果显示：鸟粪石结晶为斜方针状晶体，主要成分是磷酸铵镁，纯度高于87%，仅含有少量杂质。出水中氨氮和溶解性磷的含量和黄水原水的相比，氨氮的回收率在85%左右，磷的回收率为95%左右。从黄水资源化处理的经济因素来看，每立方米的黄水约可生成10 kg左右的鸟粪石沉淀，市场价为2元/Kg，所以每立方米产生的鸟粪石结晶带来的价值为20元，而生成鸟粪石结晶过程中消耗的化学药剂、电费等的总费用约为17.2元/m³,因此处理每立方米的黄水可获得的经济效益为2.8元。

Claims (8)

1.一种资源化处理源分离黄水的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）源分离黄水流经纳滤进水箱和若干个保安过滤器后进入纳滤膜，源分离黄水中的微量有机污染物和致病微生物等有害物质被截留；

（2）步骤（1）预处理后的水通过流量计和管道进入纳滤淡出水箱，纳小淡出水箱中的纳滤淡水作为鸟粪石结晶装置反应器的进水，控制反应器的pH值为9～11，镁、氮和磷的比例（摩尔浓度比，单位以mol/L计）为（1～1.2）：1：1，经化学反应沉淀后得到鸟粪石沉淀；

（3）步骤（2）所得鸟粪石沉淀经漏斗式沉淀区后通过抽滤、润洗、烘干，得到的白色固体作为缓释肥回田，或与工业制肥以一定比例混合施用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制纳滤进水箱中的黄水pH值为4～6，纳滤膜的过滤速度为5～10L/h，操作压力为0.2～1.2MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，鸟粪石主体反应区内的搅拌速度控制在100～300转/分钟，反应时间为10～30分钟，漏斗式沉淀反应区的沉淀时间为10～30分钟。

4.一种如权利要求1所述的资源化处理源分离黄水的方法使用的装置，其特征在于，由纳滤装置和鸟粪石结晶装置组成，其中：

纳滤装置包括进水箱（1）、保安过滤器、纳滤膜（5）、纳滤浓出水箱（6）、纳滤淡出水箱（7）、高压变频泵（11）、压力表和流量计，进水箱（1）底部一侧通过管道与高压变频泵（11）一端连接，高压变频泵（11）的另一端通过管道连接压力表，所述压力表通过管道和保安过滤器连接纳滤膜（5），纳滤膜（5）的出水口通过两个流量计和相应的管道连接纳滤浓出水箱（6）和纳滤淡出水箱（7）的进水口，纳滤淡出水箱（7）的出水口通过管道和第三流量计连接鸟粪石结晶装置的进水口；两个流量计和第三流量计分别反映进水水流特征，水流先经过若干级保安过滤器，然后进入纳滤膜（5），出水分别流入纳滤浓出水箱（6）和纳滤淡出水箱（7）；

鸟粪石结晶装置包括鸟粪石主体反应区（8）、漏斗式沉淀区（9）、斜板式出水区（10）、蠕动泵（17）、机械搅拌器（18）和反应器，鸟粪石主体反应区（8）位于反应器内，鸟粪石主体反应区（8）底部开口，其下方设有漏斗式沉淀区（9），鸟粪石主体反应区（8）外壁与反应器内壁之间设有上清液的出水区，所述出水区采用斜板式出水区（10），鸟粪石主体反应区（8）内设有机械搅拌器（18）,纳滤淡出水箱（7）出水口通过管道和蠕动泵（17）连接鸟粪石主体反应区（8）顶部进水口，纳滤淡水作为进水进入鸟粪石结晶装置，机械搅拌器（18）不停搅拌，产生的沉淀在漏斗式沉淀区（9）累积，打开阀门沉淀即可流出收集，上清液在斜板式出水区（10）流出。

5.根据权利要求４所述的装置，其特征在于，纳滤进水箱（1）的体积为10L～20L，纳滤淡出水箱（7）和纳滤浓出水箱（6）的体积都在5 L～10 L。

6.根据权利要求４所述的装置，其特征在于，保安过滤器为2-3个，每个保安过滤器的滤径为1～10μm，保安过滤器的滤芯采用聚丙烯纤维、脱脂棉纤维或活性炭材质中任一种，保安过滤器的滤壳采用不锈钢或塑料中任一种。

7.根据权利要求４所述的装置，其特征在于，纳滤膜（8）的材质为聚酰胺，可采用中空纤维膜组件、卷式膜组件、平板式膜组件或管式膜组件中任一种。

8.根据权利要求４所述的装置，其特征在于，鸟粪石结晶装置反应器的材质可采用透明有机玻璃、玻璃或树脂中任一种，构型可采用箱型或柱形中的一种，直径为10～40 cm,高度为20～70 cm，斜板区进水口位于主体反应区的下部，斜板区和反应器的夹角为15°～60°；漏斗式沉淀区（9）位于反应器底部一侧，和反应器的夹角为25°～60°。