利用正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统，包括源分离卫生器具，以串联方式或并联方式连接的第一正渗透组件和第二正渗透组件、压力调节器及反渗透组件，源分离卫生器具用于对排泄物从源头上进行分离，并分别收集褐水(粪便)和黄水(尿液)；第一正渗透组件包括作为原液室的第一室、作为驱动液室的第二室和第一正渗透膜，用于对通过所述源分离卫生器具收集的褐水进行正渗透处理；第二正渗透组件包括作为原液室的第三室、作为驱动液室的第四室及第二正渗透膜，用于对所述黄水进行正渗透处理；反渗透组件用于驱动液的回收和再生水的生产；压力调节器用于将浓缩驱动液的压力转化或降低至低压或常压。
【专利说明】利用正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及人类排泄物的收集与处理，特别涉及一种利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统。
【背景技术】
[0002]人类排泄物是病菌的温床，是各种水传染疾病如霍乱、黄疸以及伤寒的根源。未加处理的排泄物排放到大自然中，各种对人类有害的病毒和变异的细菌会通过各种途径侵害到人类，并对周围环境造成极为恶劣的影响。
[0003]人类排泄物在总量上虽然仅占生活污水总量的1%，但是含有生活污水中大部分的有机物和绝大部分的氮、磷。所以人类排泄物是对水环境的最大污染源。另一方面，人类排泄物富含营养物质，如氮、磷、钾等，是农业生产的理想肥料来源。人类生产氮肥需要消耗大量能源，磷矿是不可再生的资源，据预测全球磷资源70年后面临枯竭。
[0004]在传统的排水系统中，人类排泄物在厕所中用清水冲厕后，排入化粪池系统，停留必要的时间后，通过排水管道连接到中心污水处理厂进行处理，这种收集和处理方法，由于稀释了粪便加大了处理体积和难度，费用极高。关键是，由于粪便(褐水)和尿液(黄水)营养物的构成不同，混合收集后，有效利用的困难加大。长期以来，传统的排水系统的管理任务非常艰巨，工作量大。
[0005]因此，需要一种用于处理人类排泄物的系统，能够同时处理人类排泄物固体和液体，并充分利用排泄物作为能源和肥料，实现废物利用更为彻底，降低处理成本且产生效益，保护资源环境。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利用正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统，包括源分离卫生器具，第一正渗透组件、第二正渗透组件、压力调节器及反渗透组件，所述源分离卫生器具用于对排泄物进行源头分离并分别收集褐水和黄水；所述第一正渗透组件包括作为原液室的第一室、作为驱动液室的第二室和第一正渗透膜，用于对通过所述源分离卫生器具收集的褐水进行正渗透处理；所述第二正渗透组件包括作为原液室的第三室、作为驱动液室的第四室及第二正渗透膜，用于对所述黄水进行正渗透处理；所述反渗透组件用于对经正渗透稀释的驱动液进行反渗透回收；所述压力调节器用于将所述反渗透组件中的浓缩驱动液的压力转化或降低至低压或常压。
[0007]优选地，所述系统为串联连接方式，所述源分离卫生器具和所述第一正渗透组件通过第一注入泵和第二注入泵连接，将所述褐水经第一注入泵输送至所述第一正渗透组件的第一室，将所述黄水经第二注入泵输送至所述第一正渗透组件的第二室。
[0008]优选地，所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件之间连接有第三注入泵，用于将经所述第一正渗透组件正渗透稀释后的黄水注入到所述第二正渗透组件的第三室中；所述第二正渗透组件和所述反渗透组件之间连接有高压泵，用于将经所述第二正渗透组件正渗透稀释后的驱动液泵送到所述反渗透组件中。优选地，所述系统为并联连接方式，所述源分离卫生器具分别和所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件通过第一注入泵和第二注入泵连接，将所述褐水经所述第一注入泵输送至所述第一正渗透组件的第一室，将所述黄水经所述第二注入泵输送至所述第二正渗透组件的第三室。
[0009]优选地，所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件与所述反渗透组件之间连接有高压泵，用于分别将经所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件正渗透稀释的驱动液泵送到所述反渗透组件中。
[0010]优选地，其中所述源分离卫生器具最终收集到的褐水的含水率为90% -98%，黄水稀释率为50% -90%。
[0011]优选地，所述第二正渗透组件的驱动液室中专用驱动液为NaCl或EDTA。
[0012]优选地，所述第一正渗透膜和第二正渗透膜的材料以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物(CTA)作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层。
[0013]优选地，所述第一正渗透膜和所述第二正渗透膜的渗透通量为4-10L/m2 -h (LMH)。
[0014]优选地，还包括供能装置用于为所述系统的部件供电，所述功能装置为选自供电网或可再生能源(例如，太阳能、风能等)中的至少一种的外接电源。
[0015]根据本发明的利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统，可以在无外接给排水管道下的运行。系统用于人类厕所，将厕所转化为资源的生产和加工单元。系统可以采用绿色清洁能源提供动力，更加有助于环境保护和资源利用。本发明所提出的系统特别适合于无公共给排水系统，无电网电力供应条件下使用。
[0016]应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中:
[0018]图1示意性示出根据本发明第一实施例的利用两段正渗透膜串联的排泄物处理及循环利用系统图。
[0019]图2示意性示出根据本发明第二实施例的利用两段正渗透膜并联的排泄物处理及循环利用系统图。
【具体实施方式】
[0020]通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。[0021 ] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0022]根据本发明的利用两段正渗透膜(F0膜)的排泄物处理及循环利用系统第一实施例如图1所示，所述利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统100包括源分离卫生器具101，第一正渗透组件102、第一注入泵103a、第二注入泵103b、第三注入泵103c、第二正渗透组件104、高压泵105、反渗透组件106、压力调节器107及供能装置108。
[0023]所述第一正渗透组件102包括第一室102a，第二室102b和第一正渗透膜102c ?’第二正渗透组件104包括第三室104a，第四室104b及第二 FO膜104c ;反渗透组件106包括第五室106a，第六室106b及反渗透膜(R0膜)106c。
[0024]所述源分离卫生器具101和第一正渗透组件102通过第一注入泵103a和第二注入泵103b依次连接，所述第一正渗透组件102与第二正渗透组件104通过第三注入泵103c连接，所述第二正渗透组件104与反渗透组件106通过高压泵105连接并在第二正渗透组件104与反渗透组件106之间布置有压力调节器107。
[0025]源分离卫生器具101对排泄物，特别是人类排泄物进行源头分离。实施源头分离技术的核心是在尽量少混合的情况下单独收集高浓度的粪(褐水)、尿液(黄水)。本实施例中的源分离卫生器具101优选地可以采用滤网将粪尿分离，也可以采用粪尿分离便器直接将粪尿分离，与传统便器及传统节水便器的混合排放模式相比，不仅具有显著的节水特征，减小了排泄物的体积，节省了处理费用。源分离卫生器具101利用真空泵分别将粪(褐水)和尿液(黄水)抽取收集，与传统的粪便收运系统相比，它具有节水、卫生、适用性强、经济等优点。本发明的源分离卫生器具101最终收集到的褐水的含水率为90% -98%，黄水稀释率为50% -90%。收集到的褐水与黄水分别输送到第一正渗透组件102的原液室，即第一室102a与第一正渗透组件102的驱动液室，即第二室102b。
[0026]正渗透是利用膜两侧的驱动液和原液或待浓缩液之间的化学势差推动水透过膜进入驱动液中去的传质过程，与超滤、微滤和反渗透等常用膜分离技术相比，其不需要外加压力作为分离驱动力(或者在较低的外加压力下即可运行)，而是靠溶液自身的渗透压差推动正渗透分离，减容功能显著。此外，相对于外加压力驱动技术，其还具有回收率高和膜污染情况相对较轻等显著优点。
[0027]本实施例中，第一正渗透组件102包括第一室102a、第二室102b和第一正渗透膜(F0膜)102c。第一室102a为第一级正渗透的原液室，本发明以褐水为作为原液，第二室102b为驱动液室，以黄水作为驱动液。第一 FO膜102c的材料优选地以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物(CTA)作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层，渗透通量约为4-10L/m2.h(LMH)。褐水通过第一正渗透组件102的正渗透浓缩之后进行自然干化并无害化和进一步减量化，可作为固态肥利用。黄水被稀释后通过第三注入泵103c注入到第二正渗透组件104中进行第二级正渗透。
[0028]第一注入泵103a、第二注入泵103b、第三注入泵103c为低压污水泵或管道泵,第一注入泵103a的作用是将分离收集到的褐水泵送注入第一正渗透组件的第一室102a中，第二注入泵103b的作用是将分离收集到的黄水泵送注入第一正渗透组件的第二室102b中，第三注入泵103c的作用是将稀释后的黄水泵送注入到第二正渗透组件104的第三室104a 中。
[0029]第二正渗透组件104包括第三室104a、第四室104b及第二 FO膜104c。第三室104a为第二级正渗透的原液室，用于接收通过第三注入泵103c注入的黄水。本发明中以第一级正渗透中淡化的黄水作为原液。第四室104b为驱动液室，以NaCl作为专用驱动液。第二FO膜104c的材料优选地以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物(CTA)作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层，渗透通量约为4-10LMH。驱动液的浓度为2-5%。淡化的黄水通过第二正渗透组件104的浓缩之后，其中一部分可以补充到第一正渗透组件102的第二室102b中作为第一级正渗透的驱动液，完成浓缩粪便的工作，另外一部分可以利用尿液中的高氨氮浓度进行无害化，之后可以作为液态肥利用。第二级正渗透中的浓缩驱动液通过高压泵105泵入到反渗透组件106中进行反渗透回收。
[0030]高压泵105的压力为0.4MPa以上，其用途是将第二级正渗透中的浓缩驱动液泵入到反渗透组件106的第五室106a中进行反渗透回收。
[0031]反渗透组件106包括第五室106a、第六室106b及反渗透膜(R0膜)106c。RO膜可以选用聚酰胺复合RO膜(AG)和纤维素类RO膜(CE)等，也可以根据需求开发新的膜材料。RO膜的渗透通量约为12LMH。第五室106a作为反渗透的原液室，本发明中以第二级正渗透中稀释的专用驱动液NaCl作为反渗透的原液，稀释的专用驱动液NaCl经过反渗透后排出高品质再生水到第六室106b，此时浓缩的专用驱动液NaCl流入到第二正渗透组件104的第四室104b中进行循环利用。
[0032]压力调节器107设置在连接所述反渗透组件106第五室106a和第二正渗透组件104的第四室104b的管道上，用于将浓缩驱动液的高压泵压力转化或降低至低压(低于一个大气压)或常压(即一个大气压)。
[0033]供能装置108可以为蓄电池，为源分离卫生器具101、第一注入泵103a、第二注入泵103b、第三注入泵103c及高压泵105提供能量。优选地，供能装置可以采用太阳能、风能等清洁能源，保证整个系统能量的供给同时使得整个系统更为清洁环保。
[0034] 下面详细介绍根据本发明的利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统的具体工作过程。首先，褐水(粪便污水)、黄水(尿液)由源分离卫生器具101分离收集。将收集到的褐水通过第一注入泵103a泵入到第一正渗透组件102的第一室102a作为第一正渗透的原料液，黄水通过第二注入泵103b泵入到第一正渗透组件102的第二室102b作为第一正渗透的驱动液，利用正渗透反应使褐水得到浓缩，浓缩的褐水进行自然干化，完成无害化和进一步减量化过程，经过一段时间之后可作为固态肥料资源利用。在此过程中，渗透压驱动迫使水分通过第一 FO膜102c，这个过程不需要附加能量，水分从褐水到黄水取决于它们的浓度梯度而不依赖施加的压力或高温或其他任何形式的功率输入。
[0035]汲取水分之后淡化的黄水通过第三注入泵103c泵入第二正渗透组件104的第三室104a中作为第二正渗透的原料液，在第二正渗透组件104的第四室104b中加入2% -5%NaCl作为第二正渗透的专用驱动液，对淡化的黄水进行浓缩，浓缩后的黄水一部分补充到第一正渗透组件102的第二室102b室，作为第一正渗透的驱动液，另外一部分可利用黄水中的高氨氮浓度进行无害化，之后可用作液态肥料。黄水的浓缩倍数为4-6倍，能耗低于lkWh/m3 (不含预处理)，浓缩后黄水加入一定的添加剂可满足无机复合液态肥料标准。
[0036]汲取水分之后淡化的专用驱动液NaCl通过高压泵106泵入到反渗透组件106的第五室106a，经过反渗透浓缩后重新回收到第二正渗透组件104的第四室104b中，同时在第六室106b中产生高品质再生水，生产的再生水回用于冲厕，多余部分可用于绿化等其他用途。
[0037]优选的，本实施例中的专用驱动液NaCl可以使用EDTA，也可以使用其他有机或无机盐类，浓度保证驱动液与待浓缩的液体存在一定的渗透压差即可。
[0038]下面结合具体根据本发明的第二实施例进一步说明本发明的方案和效果。图2为本发明【具体实施方式】第二实施例的利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统图。
[0039]本实施例的排泄物处理及循环利用装置200包括源分离卫生器具201，第一正渗透组件202，第二正渗透组件203，第一注入泵204a，第二注入泵204b，高压泵205，压力调节器206，反渗透组件207及供能装置208，
[0040]所述第一正渗透组件202包括第一室202a，第二室202b和第一 FO膜(正渗透膜)202c ;第二正渗透组件203包括第三室203a，第四室203b及第二 FO膜203c ;反渗透组件207包括第五室207a，第六室207b及RO膜(反渗透膜)207c。
[0041]源分离卫生器具201对排泄物进行源头分离。本实施例中的源分离器具201可以采用滤网将粪尿分离，也可以采用粪尿分离便器直接将粪尿分离，与传统便器及传统节水便器的混合排放模式相比，不仅具有显著的节水特征，节省了处理费用。源分离器具201利用真空泵分别将粪(褐水)和尿液(黄水)抽取收集，与传统的粪便收运系统相比，它具有节水、卫生、适用性强、经济等优点。本发明的源分离卫生器具201最终收集到的褐水浓缩倍数可达3倍以上，黄水稀释率为50% -90%。
[0042]本实施例中，第一正渗透组件202包括第一室202a、第二室202b和第一 FO膜(正渗透膜)202c ;第一 FO膜(正渗透膜)202c的材料优选地以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物(CTA)作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层，渗透通量约为4-10LMH。以褐水作为原液，以2% -5%NaCl溶液作为专用驱动液。褐水通过第一正渗透组件202的正渗透浓缩之后进行自然干化并无害化和进一步减量化，可作为固态肥利用。
[0043]第二正渗透组件203包括第三室203a、第四室203b及第二 FO膜203c。第二 FO膜203c的材料优选地以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物(CTA)作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层，渗透通量约为4-10LMH。以黄水作为原液，以2%-5% NaCl作为专用驱动液。黄水的浓缩倍数为3-6倍，能耗低于lkWh/m3 (不含预处理)，浓缩后黄水加入一定的添加剂可满足无机复合液态肥料标准。
[0044]第一注入泵204a和第二注入泵204b为低压污水泵或管道泵,第一注入泵204a连接源分离卫生器具201和第一正渗透组件202，第二注入泵204b连接源分离卫生器具201和第二正渗透组件203。第一注入泵204a的作用是将分离收集的褐水泵入到第一正渗透组件202的第一室202a中，第二注入泵204b的作用是将分离收集的黄水泵入到第二正渗透组件203的第三室203a中。
[0045]高压泵205连接第一正渗透组件的第二室202b和第二正渗透组件的第四室203b与反渗透组件的第一室207a之间，用途是将稀释的浓缩驱动液泵入到反渗透组件207的第五室207a中进行反渗透回收，高压泵的压力为0.4Mpa以上。
[0046]反渗透组件207包括第五室207a，第六室207b及反渗透膜(R0膜)207c。
[0047]压力调节器206设置在分别连接所述反渗透组件207第五室207a与第一正渗透组件202的第二室202b以及第二正渗透组件203的第四室203b汇合的管道上，用于将浓缩驱动液的高压泵压力转化或降低至低压或常压。
[0048]供能装置208可以为蓄电池，为源分离卫生器具201、第一注入泵204a、第二注入泵204b和高压泵205提供能量。优选地，供能装置可以采用太阳能、风能等清洁能源，保证整个系统能量的供给。
[0049]下面详细介绍根据本发明的利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统的具体工作过程。首先，源分离卫生器具201对排泄物，特别是人类排泄物进行源头分离收集，收集到的褐水的含水率为90% -98%，黄水稀释率为50% -90%。
[0050]分离得到的褐水与黄水分别通过第一注入泵204a和第二注入泵204b泵入到第一正渗透组件202和第二正渗透组件203中进行正渗透浓缩，其中2% -5% NaCl作为第一正渗透组件202第二室202b的第一浓缩专用驱动液液及第二正渗透组件203第四室203b的第二浓缩专用驱动液。浓缩后的褐水和黄水分别可以用于固态肥和液态肥的制备。
[0051]稀释的第一浓缩驱动液与第二浓缩驱动液通过高压泵205泵入反渗透组件207第五室207a中，经过反渗透后排出高品质再生水到第六室207b，此时浓缩的专用驱动液NaCl可以返回到到第一正渗透组件202的第二室202b和第二正渗透组件203的第四室203b中进行循环利用。
[0052]优选的，本实施例中的专用驱动液NaCl可以使用EDTA，也可以使用其他有机或无机盐类，浓度保证驱动液与待浓缩的液体存在一定的渗透压差即可。
[0053]根据本发明生产的再生水水质优于国家规定的再生水水质标准，水的回收率≥50%，盐截留率≥90%。
[0054]本发明中采用的膜的结构形式可以采用平板式、卷式或中空纤维式。平板膜对预处理要求较低，去除部分大颗粒悬浮物等即可，卷式及中空纤维需采用必要的预处理，以控制正渗透I吴污染。
[0055]根据本发明的利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统，可以以非常低的能耗，甚至是绿色清洁能源对排泄物进行处理和循环利用，有助于环境保护和资源回收利用，特别适合于无电力供应的野外或恶劣条件下使用。
[0056]结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种利用两段正渗透膜的排泄物处理及循环利用系统，包括源分离卫生器具，第一正渗透组件、第二正渗透组件、压力调节器及反渗透组件； 所述源分离卫生器具用于对排泄物进行源头分离，并分别收集褐水和黄水； 所述第一正渗透组件包括作为原液室的第一室、作为驱动液室的第二室和第一正渗透膜，用于对通过所述源分离卫生器具收集的褐水进行正渗透处理； 所述第二正渗透组件包括作为原液室的第三室、作为驱动液室的第四室及第二正渗透膜，用于对所述黄水进行正渗透处理； 所述反渗透组件，用于对正渗透稀释后的驱动液进行反渗透回收； 所述压力调节器用于将所述反渗透组件中的浓缩驱动液的压力转化或降低至低压或常压。
2.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述系统为串联连接方式，其中: 所述源分离卫生器具和所述第一正渗透组件通过第一注入泵和第二注入泵连接，将所述褐水经第一注入泵输送至所述第一正渗透组件的第一室，将所述黄水经第二注入泵输送至所述第一正渗透组件的第二室。
3.如权利要求2所述的排泄物处理及循环利用系统，其中: 所述第一正渗透组件 和所述第二正渗透组件之间连接有第三注入泵，用于将经所述第一正渗透组件正渗透稀释后的黄水注入到所述第二正渗透组件的第三室中；所述第二正渗透组件和所述反渗透组件之间连接有高压泵，用于将经所述第二正渗透组件正渗透稀释后的驱动液泵送到所述反渗透组件中。
4.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述系统为并联连接方式，其中: 所述源分离卫生器具分别和所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件通过第一注入泵和第二注入泵连接，将所述褐水经所述第一注入泵输送至所述第一正渗透组件的第一室，将所述黄水经所述第二注入泵输送至所述第二正渗透组件的第三室。
5.如权利要求4所述的排泄物处理及循环利用系统，其中: 所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件与所述反渗透组件之间连接有高压泵，用于分别将经所述第一正渗透组件和所述第二正渗透组件正渗透稀释后的驱动液泵送到所述反渗透组件中。
6.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述源分离卫生器具最终收集到的褐水的含水率为90% -98%，黄水稀释率为50% -90%。
7.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述第二正渗透组件的驱动液室中的专用驱动液为NaCl或EDTA。
8.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述第一正渗透膜和第二正渗透膜的材料以亲水性较好的三乙酸纤维素或三乙酸纤维素与其衍生物的混合物作为致密皮层和多孔支撑层，以及镶嵌在多孔支撑层内的聚酯网丝作为纤维支撑层。
9.如权利要求1或8所述的排泄物处理及循环利用系统，其中所述第一正渗透膜和所述第二正渗透膜的渗透通量为4-10L/m2.h。
10.如权利要求1所述的排泄物处理及循环利用系统，其中还包括供能装置用于为所述系统的部件供 电，所述功能装置为选自供电网或可再生能源中的至少一种的外接电源。
【文档编号】B01D61/00GK104071865SQ201410336557
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】周律, 许阳宇 申请人:清华大学