一种超声吹脱-悬浮填料床-膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置及其处理方法

一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置及其处理方法
技术领域
1.本发明涉及一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置及其处理方法，属于环境工程学科中的污水处理技术领域。


背景技术：

2.随着中国海水养殖业发展迅速，水产养殖出口量已跃居世界前列。然而，大规模的养殖及不规范的投喂方式致使排水中的污染物严重超标。海水养殖废水中主要包含氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氯化物、有机物等污染物，海水养殖废水具有高盐度，排水体量大、针对性强的专业处理技术较少、不能直接利用淡水养殖废水处理技术等问题。
3.近年来，膜蒸馏技术在水处理中的应用逐渐受到重视，膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，从而实现分离的目的。膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性；在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；膜蒸馏组件容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性；在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程即可进行，并可利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。但不可避免地存在以下的缺点：膜蒸馏的渗透通量较小；对于挥发性的污染物水溶液，膜蒸馏处理效果不佳；膜面污染问题是其广泛应用的主要障碍。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术的不足，为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置及其处理方法，通过组合工艺装置，一方面既可以提高海水养殖废水处理脱氮除磷的效果，也可以起到海水淡化的作用。另一方面，在保证污染物去除的效果的前提下，在膜蒸馏反应器前端的预处理装置也可以延缓膜面污染物的沉积，延长运行周期，提高反应器内膜的使用寿命，增大膜的渗透通量。
5.本发明的目的是这样实现的，一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置，其特征是，包括超声储液池、厌氧池、好氧池、沉淀池、加热池、膜蒸馏反应器、净水箱、超声系统控制电脑、太阳能板，膜蒸馏反应器设有左侧腔室、右侧腔室，左侧腔室、右侧腔室之间设有膜组件，并通过膜组件分隔；所述超声储液池内均匀分布设有若干超声棒，所述超声系统控制电脑与超声储液池内的超声棒连接，用于控制超声棒，所述超声棒侧壁设有超声发生器；所述厌氧池、好氧池内均设有悬浮填料球，且好氧池底部设有曝气头；所述沉淀池内设有加热棒，太阳能板通过经供电管路与加热棒连接，且太阳能板、加热棒之间的供电管路上安装有电源转换器，用
于给置于沉淀池内部的加热棒供电；所述超声储液池与厌氧池经第一管道连通，且超声储液池与厌氧池之间的第一管道上安装有第一循环泵、第一闸阀，第一循环泵位于超声储液池、第一闸阀之间；厌氧池与好氧池贯通连接，且贯通处位于厌氧池、好氧池下部；所述好氧池、沉淀池、加热池依次贯通连接，好氧池与沉淀池贯通处位于好氧池、沉淀池上部，沉淀池与加热池贯通处位于沉淀池与加热池上部，加热池与膜蒸馏反应器左侧腔室进水口经第二管道连通，且加热池与膜蒸馏反应器之间的第二管道上安装有第二循环泵、第二闸阀，且第二循环泵位于加热池、第二闸阀之间；所述膜蒸馏反应器左侧腔室出水口与加热池的进水口经第四管道连通，形成循环回路；所述净水箱经第三管道与膜蒸馏反应器右侧腔室进水口相连，膜蒸馏反应器右侧腔室出水口经第五管道与净水箱相连，形成循环回路；膜蒸馏反应器、净水箱之间的第三管道上安装有第三循环泵、第三闸阀。
6.若干超声棒均匀布置浸没在超声储液池内的海水养殖废水中，超声棒工作参数覆盖频率为20khz
‑
28khz，功率密度为0.6w/cm
2 ‑
0.8w/cm2。
7.所述膜组件采用的是ptfe膜，膜孔径为0.1 μm
‑
0.4 μm。
8.厌氧池、好氧池、悬浮填料球、曝气头构成悬浮填料床系统；利用曝气头对海水养殖废水进行曝气，曝气强度2.5m3/ m2·
h
‑
3.5m3/ m2·
h，作用方式为连续式。
9.所述净水箱至少埋于地下30cm深处，净水箱中的水温为0
°
c
‑
30
°
c。
10.太阳能板、电源转化器、供电管路构成太阳能供电系统。
11.所述膜蒸馏反应器为直接接触式膜蒸馏反应器。
12.所述曝气头经pvc管材外接水源，曝气头、pvc管材构成曝气系统。
13.所述好氧池上部设有与好氧池连通的溢流管，溢流管延伸于加热池内。
14.一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置对海水养殖废水的处理方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1）、超声系统控制电脑控制超声棒对超声储液池内的海水养殖废水进行超声处理；步骤2）、经过超声储液池超声后的海水养殖废水，启动第一循环泵，打开第一闸阀，通过第一循环泵抽入厌氧池、好氧池内进行硝化反硝化反应；步骤3）、反应后的海水养殖废水通过好氧池上部与沉淀池上部贯通处溢流到沉淀池进行沉淀，沉淀后的废水溢流至加热池中；启动加热棒，经过加热棒预热后，启动第二循环泵，打开第二闸阀，通过第二循环泵、第二闸阀打入膜蒸馏反应器的左侧腔室，再通过膜蒸馏反应器左侧腔室出水口循环至加热池中；步骤4）、启动第二循环泵，打开第三闸阀，净水箱中的冷却水通过第三闸阀、第三循环泵打入到膜蒸馏反应器的右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器右侧腔室出水口循环至净水箱中；海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱水不断增多，实现对海水养殖废水的处理。
15.本发明结构合理、方法先进科学，结构上包括超声储液池、厌氧池、好氧池、沉淀
池、加热池、膜蒸馏反应器、净水箱组成；超声系统控制电脑控制超声棒，超声棒均匀浸没在超声储液池里，超声棒侧壁有超声发生器；悬浮填料球置于厌氧池与好氧池中；曝气头置于好氧池底部；太阳能能板通过电源转换器给放置于沉淀池内部的加热棒供电；其中，海水养殖废水经过超声储液池预处理后，通过第一循环泵流向悬浮填料床系统；加热池、第二循环泵、第二闸阀、膜蒸馏反应器通过管道依次连通，并且膜蒸馏反应器左侧腔室出水口与加热池的进水口形成循环回路；沿着冷却水流向，净水箱、第三闸阀、第三循环泵、膜蒸馏反应器通过管道相连，膜蒸馏反应器腔室右侧出水口与净水箱相连，形成循环回路。超声棒均匀浸没在海水养殖废水中，超声棒工作参数覆盖频率为20khz
‑
28khz之间，功率密度为0.6w/cm2ꢀ‑
0.8w/cm2之间。膜组件采用的是ptfe膜，膜孔径为0.1μm
‑
0.4μm。曝气强度2.5m3/ m2·
h
‑
3.5m3/ m2·
h之间，作用方式为连续式。净水箱至少埋于地下30cm以下，净水箱水温介于0
°
c
‑
30
°
c之间。太阳能供电系统由太阳能板、电源转化器、 供电管路构成。膜蒸馏反应器采用直接接触式膜蒸馏反应器。曝气系统由pvc管材、曝气头构成。
16.经过超声储液池超声后的海水养殖废水，通过第一循环泵抽入厌氧池与好氧池内进行硝化反硝化反应，反应后的海水养殖废水通过好氧池上端缺口溢流到沉淀池进行沉淀，沉淀后的废水溢流至加热池,经过加热棒预热后，通过第二循环泵打入膜蒸馏反应器的左侧腔室，再通过膜蒸馏反应器左侧腔室出水口循环至加热池中。净水箱中的冷却水通过第三循环泵打入到膜蒸馏反应器右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器右侧腔室出水口循环至净水箱中。海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱水不断增多。海水养殖废水预热温度为40
°
c
‑
80
°
c，净水箱水温介于0
°
c
‑
30
°
c之间。
17.本发明装置包括超声储液池、厌氧池、好氧池、沉淀池、加热池、膜蒸馏反应器、净水箱；超声系统控制电脑控制超声棒，超声棒均匀分布在超声储液池里，超声棒侧壁有超声发生器；悬浮填料球置于厌氧池与好氧池中；曝气头置于好氧池底部；太阳能板通过电源转换器给置于沉淀池内部的加热棒供电；海水养殖废水经过超声储液池预处理后，通过循环泵流向悬浮填料床系统；加热池、循环泵、闸阀、膜蒸馏反应器左侧腔室进水口通过管道依次连通，左侧腔室出水口与加热池的进水口形成循环回路；沿着冷却水流向，净水箱、闸阀、循环泵、膜蒸馏反应器右侧腔室进水口通过管道相连，右侧腔室出水口与净水箱相连，形成循环回路。在膜蒸馏反应器前端增加了超声与悬浮填料床系统，使得渗透通量得到提升，延缓了膜面的污染，延长了膜的使用寿命，对氨氮这类的挥发性污染物处理效果大大提升，整个装置能够充分满足海水养殖废水的处理要求，并得到品质较高的净水。
18.与现有技术相比而言，本发明具有下述特点：1、本发明对有机物、氨氮、磷酸盐有较好的去除效果。
19.2、采用超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器的组合工艺装置，对海水养殖废水中的有机物进行超声处理，利用悬浮填料床对去除效果不佳的氨氮进行预处理，大大减少了膜面的有机物沉积，延长了膜的使用寿命，提高出水水质。
20.3、膜蒸馏反应器在净化海水养殖废水的同时，将高盐的海水转变为淡水，可以缓解我国部分地区淡水紧张的问题。
21.4、采用太阳能作为主要能源，可以节约能源，复合绿色可持续发展的观念。操作简单，易于维护，可以在沿海养殖地区推广使用，具有良好的社会经济性。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；图中：a超声储液池、b厌氧池、c好氧池、d沉淀池、e加热池、f膜蒸馏反应器、g净水箱、1超声系统控制电脑、2超声棒、3第一循环泵、4第一闸阀、5塑料悬浮填料球、6曝气头、7 电源转化器、8加热棒、9第二循环泵、10第二闸阀、11膜组件、12第三循环泵、13第三闸阀、14太阳能板。
具体实施方式
23.下面结合附图以及附图说明对本发明做进一步说明。
24.一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置，包括超声储液池a、厌氧池b、好氧池c、沉淀池d、加热池e、膜蒸馏反应器f、净水箱g、超声系统控制电脑1、太阳能板14，膜蒸馏反应器f设置左侧腔室、右侧腔室，左侧腔室、右侧腔室之间设置膜组件11，并通过膜组件11分隔。
25.在超声储液池a内均匀分布设置若干超声棒2，超声系统控制电脑1与超声储液池a内的超声棒2连接，用于控制超声棒2，在超声棒2侧壁设置超声发生器；厌氧池b、好氧池c内均设有悬浮填料球5，且好氧池c底部设置曝气头6；沉淀池d内设置加热棒8，太阳能板14通过经供电管路与加热棒8连接，且太阳能板14、加热棒8之间的供电管路上安装有电源转换器7，用于给置于沉淀池d内部的加热棒8供电。
26.超声储液池a与厌氧池b经第一管道连通，且超声储液池a与厌氧池b之间的第一管道上安装有第一循环泵3、第一闸阀4，第一循环泵3位于超声储液池a、第一闸阀4之间；厌氧池b与好氧池c贯通连接，且贯通处位于厌氧池b、好氧池c下部。
27.好氧池c、沉淀池d、加热池e依次贯通连接，好氧池c与沉淀池d贯通处位于好氧池c、沉淀池d上部，沉淀池d与加热池e贯通处位于沉淀池d与加热池e上部，加热池e与膜蒸馏反应器f左侧腔室进水口经第二管道连通，且加热池e与膜蒸馏反应器f之间的第二管道上安装有第二循环泵9、第二闸阀10，且第二循环泵9位于加热池e、第二闸阀10之间；膜蒸馏反应器f左侧腔室出水口与加热池e的进水口经第四管道连通，形成循环回路。
28.净水箱g经第三管道与膜蒸馏反应器f右侧腔室进水口相连，膜蒸馏反应器f右侧腔室出水口经第五管道与净水箱g相连，形成循环回路；膜蒸馏反应器f、净水箱g之间的第三管道上安装有第三循环泵12、第三闸阀13。
29.进一步的，若干超声棒2均匀布置浸没在超声储液池a内的海水养殖废水中，超声棒2工作参数覆盖频率为20khz
‑
28khz，功率密度为0.6w/cm
2 ‑
0.8w/cm2。膜组件11采用的是ptfe膜，膜孔径为0.1 μm
‑
0.4 μm。厌氧池b、好氧池c、悬浮填料球5、曝气头6构成悬浮填料床系统；利用曝气头6对海水养殖废水进行曝气，曝气强度2.5m3/ m2·
h
‑
3.5m3/ m2·
h，作用方式为连续式。净水箱g至少埋于地下30cm深处，净水箱g中的水温为0
°
c
‑
30
°
c。太阳能板14、电源转化器7、供电管路构成太阳能供电系统。膜蒸馏反应器f为直接接触式膜蒸馏反应器。曝气头6经pvc管材外接水源，曝气头6、pvc管材构成曝气系统。好氧池c上部设有与好氧池c连通的溢流管，溢流管延伸于加热池e内。
30.一种超声吹脱
‑
悬浮填料床
‑
膜蒸馏反应器处理海水养殖废水组合工艺装置对海水养殖废水的处理方法，包括以下步骤：
步骤1）、超声系统控制电脑1控制超声棒2对超声储液池a内的海水养殖废水进行超声处理；步骤2）、经过超声储液池a超声后的海水养殖废水，启动第一循环泵3，打开第一闸阀4，通过第一循环泵3抽入厌氧池b、好氧池c内进行硝化反硝化反应；步骤3）、反应后的海水养殖废水通过好氧池c上部与沉淀池d上部贯通处溢流到沉淀池d进行沉淀，沉淀后的废水溢流至加热池e中；启动加热棒8，经过加热棒8预热后，启动第二循环泵9，打开第二闸阀10，通过第二循环泵9、第二闸阀10打入膜蒸馏反应器f的左侧腔室，再通过膜蒸馏反应器f左侧腔室出水口循环至加热池e中；步骤4）、启动第二循环泵9，打开第三闸阀13，净水箱g中的冷却水通过第三闸阀13、第三循环泵12打入到膜蒸馏反应器f的右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器f右侧腔室出水口循环至净水箱g中；海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱水不断增多，实现对海水养殖废水的处理。
31.本发明中，超声储液池a中超声棒2采用插入式工作方式，均匀设置在储液池之中，根据超声储液池a的尺寸，选择合适功率的超声棒，使其覆盖频率为20khz
‑
28khz之间。由超声系统控制电脑超声时间在3h
‑
5h之间，功率密度为0.6w/cm2ꢀ‑
0.8w/cm2之间。悬浮填料床系统由厌氧池b与好氧池c构成，好氧池c底部布置曝气头6，采用连续曝气方式，在悬浮填料球生物挂膜完成后，海水养殖废水在此系统中进行循环脱氮处理。
32.沉淀池d选用的式溢流结构，经过重力沉降之后的海水养殖废水经过上方溢流口溢流至加热池e中。加热棒8采用自动恒温加热器，达到设定温度范围内，则停止加热。第一循环泵3、第二循环泵9、第三循环泵12均采用流量可控的水泵。
33.膜蒸馏反应器采用中空纤维、板式或管式的一种或多种，膜组件11采用ptfe膜。
34.使用时，海水养殖废水在功率密度为0.6w/cm2ꢀ‑
0.8w/cm2的超声储液池超声3h
‑
5h后，通过循环泵将超声后的海水养殖废水抽入厌氧池b，在曝气强度2.5m3/ m2·
h
‑
3.5m3/ m2·
h的好氧池c进行硝化反硝化反应；反应后的海水养殖废水通过好氧池c上端中空管溢流到沉淀池d中沉淀2h
‑
4h，沉淀后的上层废水溢流至加热池e；加热棒8将海水养殖废水预热至40
°
c
‑
80
°
c。
35.废水经过预热后，通过通过第二循环泵9打入膜蒸馏反应器f的左侧腔室内，再通过膜蒸馏反应器f左侧腔室的出水口循环至加热池e中。
36.净水箱g中的净水通过第三循环泵12打入到膜蒸馏反应器f右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器f右侧腔室的出水口循环至净水箱g中，净水箱温度介于0
°
c
‑
30
°
c之间。
37.由于膜蒸馏反应器f左侧腔室内为温度较高的海水养殖废水，右侧腔室是温度较低的净水，两侧存在蒸汽压力差，左侧海水养殖废水中的水以蒸汽形式透过ptfe膜进入到右侧腔室，由于温度降低在右侧净水侧冷凝为液体；为了提升膜通量，延缓膜面污染物沉积，延长膜的使用寿命，提高出水水质，采用了预处理方式。通过超声，破坏了海水养殖废水中的有机物，在沉淀池当中，将被破坏的絮状有机物沉淀下来；利用悬浮填料床系统，对海水养殖废水进行脱氮处理。
38.其中超声频率为20khz
‑
28khz之间，功率密度为0.6w/cm2ꢀ‑
0.8w/cm2之间；曝气强度2.5m3/ m2
·
h
‑
3.5m3/ m2
·
h之间。两者作用方式均为连续式。
39.海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱净水不断增多。
40.实施案例1海水养殖废水在功率密度为0.7w/cm2的超声储液池超声3h后，通过循环泵将超声后的海水养殖废水抽入厌氧池b，在曝气强度2.7m3/ m2·
h的好氧池c进行硝化反硝化反应；反应后的海水养殖废水通过好氧池c上端中空管溢流到沉淀池d中沉淀2h，沉淀后的上层废水溢流至加热池e；加热棒8将海水养殖废水预热至50
°
c；废水经过预热后，通过通过第二循环泵9打入膜蒸馏反应器f的左侧腔室内，再通过膜蒸馏反应器f左侧腔室的出水口循环至加热池e中。净水箱g中的净水通过第三循环泵12打入到膜蒸馏反应器f右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器f右侧腔室的出水口循环至净水箱g中，净水箱温度15
°
c
‑
20
°
c。由于膜蒸馏反应器f左侧腔室内为温度较高的海水养殖废水，右侧腔室是温度较低的净水，两侧存在蒸汽压力差，左侧海水养殖废水中的水以蒸汽形式透过ptfe膜进入到右侧腔室，由于温度降低在右侧净水侧冷凝为液体；为了提升膜通量，延缓膜面污染物沉积，延长膜的使用寿命，提高出水水质，采用了预处理方式。通过超声，破坏了海水养殖废水中的有机物，在沉淀池当中，将被破坏的絮状有机物沉淀下来；利用悬浮填料床系统，对海水养殖废水进行脱氮处理。海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱净水即为处理后的水。
41.实施案例2海水养殖废水在功率密度为0.8w/cm2的超声储液池超声4h后，通过第一循环泵将超声后的海水养殖废水抽入厌氧池b，在曝气强度3.5m3/ m2·
h的好氧池c进行硝化反硝化反应；反应后的海水养殖废水通过好氧池c上端中空管溢流到沉淀池d中沉淀3h，沉淀后的上层废水溢流至加热池e；加热棒8将海水养殖废水预热至60
°
c；废水经过预热后，通过通过第二循环泵9打入膜蒸馏反应器f的左侧腔室内，再通过膜蒸馏反应器f左侧腔室的出水口循环至加热池e中。净水箱g中的净水通过第三循环泵12打入到膜蒸馏反应器f右侧腔室，再通过膜蒸馏反应器f右侧腔室的出水口循环至净水箱g中，净水箱温度10
°
c
‑
15
°
c。由于膜蒸馏反应器f左侧腔室内为温度较高的海水养殖废水，右侧腔室是温度较低的净水，两侧存在蒸汽压力差，左侧海水养殖废水中的水以蒸汽形式透过ptfe膜进入到右侧腔室，由于温度降低在右侧净水侧冷凝为液体；为了提升膜通量，延缓膜面污染物沉积，延长膜的使用寿命，提高出水水质，采用了预处理方式。通过超声，破坏了海水养殖废水中的有机物，在沉淀池当中，将被破坏的絮状有机物沉淀下来；利用悬浮填料床系统，对海水养殖废水进行脱氮处理。海水养殖废水与净水反复循环，海水养殖废水量逐渐减少并得到浓缩，净水箱净水即为处理后的水。