一种基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置及处理方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置及处理方法。

背景技术：

畜禽养殖废水中含有畜禽粪便和尿液，其成分中含有的有机物和氮、磷等污染物浓度均很高，生化性能较好。目前，随着畜禽养殖场的扩大，产生的粪尿污染物的量也随之增加，这些高浓度有机废水未经处理排放，会造成水体富营养化，使水中的溶解氧被大量消耗，令周围的水体发臭变黑，这不但使养殖场附近的水域受到严重危害，而且还阻碍了养殖产业自身的可持续发展。

传统的畜禽废水主要采用厌氧技术处理，但是此方法对温度、ph等环境因素要求较高，且由于畜禽养殖废水中氨氮浓度较高，实际操作中易造成系统过度酸化，影响后续好氧处理效果，从而导致最终出水不能达标排放。

膜分离技术已在节能减排、清洁生产以及资源回收等方面展现出明显的技术优势，正逐渐成为水处理与回用领域的研究热点。其中，正渗透技术是一种利用渗透的自然现象，使得原水(低化学势)受到由汲取液(高化学势)提供的渗透驱动力自发地推动水透过膜进入汲取液中去的膜分离技术，其过程运行时水力压力为零或很低，与常见的膜分离技术(如超滤、微滤、反渗透)相比，具有低能耗、低污染的特点，同时对盐离子和其他污染物质有很高的截留率。因此，将生物处理技术与正渗透技术结合起来处理畜禽养殖废水，是畜禽养殖废水处理的新方向。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置及处理方法，解决了现有技术中传统的采用厌氧技术处理畜禽养殖废水存在最终出水难以达标排放的问题。

本发明的第一个目的是提供一种基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置，包括生物反应池、过滤池、正渗透装置、汲取液箱以及反渗透装置；所述生物反应池一侧的下端设有进水管，相对另一侧的上端设有第一出水管，底端设有第一进液管；所述生物反应池内填充有活性污泥、火山石粉和柳树皮粉的混合物，且火山石粉、柳树皮粉和好氧活性污泥的质量比为1：5：100，所述生物反应池内上端设有滤板；

所述过滤池通过所述第一出水管与所述生物反应池连通，所述过滤池内纵向设有微滤网，所述过滤池上与所述第一出水管相对的一侧设有第二出水管；

所述正渗透装置通过所述第二出水管与所述过滤池连通，所述正渗透装置内纵向设置有正渗透膜，且所述正渗透装置位于所述正渗透膜左侧的底端处设有第三出水管，所述第三出水管与所述第一进液管连通；所述正渗透装置位于所述正渗透膜右侧的底端处设有第二进液管，所述第二进液管连通有所述汲取液箱；所述正渗透装置上与所述第二出水管相对的一侧设有第四出水管；

所述反渗透装置通过所述第四出水管与所述正渗透装置连通，所述反渗透装置内纵向设有反渗透膜，所述反渗透装置内位于所述反渗透膜左侧的底端处设有第五出水管，所述第五出水管的出液端位于所述汲取液箱内，所述反渗透装置上与所述第四出水管相对的一侧设有第六出水管；

所述第三出水管以及所述第二进液管上均设有提升泵。

优选的，所述柳树皮粉的制备方法如下：

将柳树皮浸入质量浓度为5％的醋酸溶液中，浸泡24h后取出，于室温晾干至含水率≤5％，然后粉碎，过10目筛，即得到所述柳树皮粉。

优选的，所述火山石粉的粒径为1-3mm。

优选的，所述正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜，且所述正渗透膜的形式为平板膜或中空纤维膜。

优选的，所述正渗透膜的制备方法如下：

步骤1，将醋酸纤维素、n，n-二甲基甲酰胺、tb(no3)3·6h2o、纳米二氧化钛按照3：10：1：1的质量比称好备用；

步骤2，往n，n-二甲基甲酰胺中加入醋酸纤维素、tb(no3)3·6h2o和纳米二氧化钛，搅拌至完全溶解，得铸膜液；

步骤3，将步骤2得到的铸膜液超声脱泡后置于真空干燥箱内，于30℃进行刮膜、挥发处理；

步骤4，将步骤3刮膜、挥发处理后的产品浸入去离子水中沉浸凝胶成膜，洗涤，真空干燥，即得醋酸纤维素正渗透膜。

优选的，所述汲取液为葡萄糖、果糖、蔗糖或可溶性蛋白质。

本发明的第二个目的是提供上述基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置处理畜禽养殖用废水的方法，包括以下步骤：

步骤1，将畜禽养殖废水通入生物反应池，设置生物反应池内cod容积负荷为5.0-8.0kgcod/(m³·d)，do浓度为3-5mg/l，hrt为8-10h，反应完毕得到生物反应池出水；

步骤2，将生物反应池出水通入过滤池内，经过过滤池内微滤网的过滤后，得到过滤池出水；

步骤3，将过滤池出水通入正渗透装置的左侧，同时用提升泵将汲取液箱内的汲取液通入正渗透装置的右侧进行正渗透反应；待正渗透膜两侧液体压力达到平衡后，将正渗透装置左侧液体通过所述第三出水管返回所述生物反应池内继续反应，将正渗透装置右侧液体通过所述第四出水管排入反渗透装置；

其中，所述过滤池出水通入正渗透装置的速度以及所汲取液通入正渗透装置的流速均为500-800ml/min；

步骤4，正渗透装置右侧液体进入反渗透装置后，在反渗透膜的作用下，汲取液与处理完毕后的洁净水分离，位于所述反渗透装置左侧的汲取液进入汲取液箱用于后续正渗透反应，位于所述反渗透装置右侧的清水达标排放。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明首先采用生物反应池将畜禽养殖废水中的有机物和氮磷进行大部分的去除，往生物反应池内投加火山石粉和柳树皮粉，火山石粉中含有大量孔隙，能够附着大量的微生物，从而提高微生物和废水的接触面积，此外，火山石粉上的孔隙对氨氮的结合能力强，能够将废水中的氨氮附着在孔隙中，利用微生物高效降解。

实验中发现，柳树皮粉可以加速生物反应池内微生物的氧化分解的速度，提高氧的传递效率，刺激好氧微生物种群的迅速增殖，经处理的活性污泥中，好氧细菌是普通活性污泥的三倍，因此能够高效的降解废水中的无机物、有机物和氮磷。

生物反应池出水进入过滤池进行过滤，除去其中的悬浮污泥等固体物质，减轻后续正渗透膜处理的负担；过滤池出水进入正渗透装置，在正渗透装置内正渗透膜的作用下，废水中的污染物质得到高效分离，得到纯净的处理水与汲取液的混合物，该混合物在反渗透膜的作用下进行汲取液和水的分离，最终得到处理达标的水，且分离处的汲取液能够回用于正渗透反应。

此外，本发明在制备正渗透膜时组分中添加了tb(no3)3·6h2o，tb(no3)3·6h2o的加入使膜表面带有电荷，提高了正渗透膜的亲水性，使纯水通量大，同时还提高了有机物的截留率。

本发明通过多种处理设备达到更好的处理效果，最终使处理后的畜禽养殖废水中的各项指标均能满足污水综合排放标准的要求。

附图说明

图1为本发明基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置的工艺流程图。

附图标记说明：

1-生物反应池，2-过滤池，3-正渗透装置，4-汲取液箱，5-反渗透装置，6-进水管，7-第一出水管，8-第一进液管，9-滤板，10-微滤网，11-第二出水管，12-正渗透膜，13-第三出水管，14-第二进液管，15-第四出水管，16-反渗透膜，17-第五出水管，18-第六出水管。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

实施例1

一种基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置，具体如图1所示，包括生物反应池1、过滤池2、正渗透装置3、汲取液箱4以及反渗透装置5；生物反应池1一侧的下端设有进水管6，畜禽养殖废水经由进水管6进入生物反应池1内进行处理；

相对另一侧的上端设有第一出水管7，底端设有第一进液管8；生物反应池1内填充有活性污泥、粒径为1-3mm的火山石粉和柳树皮粉的混合物，且火山石粉、柳树皮粉和好氧活性污泥的质量比为1：5：100，火山石粉中大量的孔隙一方面可以为微生物附着提供场所，另一方面还能结合废水中的氮磷，使其能够被其上附着的微生物高效降解；柳树皮粉可以加速生物反应池1内微生物的氧化分解的速度，提高氧的传递效率，刺激好氧微生物种群的迅速增殖，经处理的活性污泥中，好氧细菌是普通活性污泥的三倍，因此能够高效的降解废水中的无机物、有机物和氮磷；

生物反应池1内上端设有滤板9，滤板9用于过滤生物反应池1出水，避免活性污泥流失到下一步处理工序中，同时减小了后续正渗透膜12处理的负担；

过滤池2通过第一出水管7与生物反应池1连通，过滤池2内纵向设有微滤网10，微滤网10能够进一步过滤生物反应池1中的悬浮粒子和胶体例子，减小后续正渗透膜12处理的负担。

过滤池2上与第一出水管7相对的一侧设有第二出水管11；正渗透装置3通过第二出水管11与过滤池2连通，正渗透装置3内纵向设置有正渗透膜12，正渗透膜12为醋酸纤维素正渗透膜，正渗透膜12的形式为平板膜或中空纤维膜。

正渗透装置3位于正渗透膜12左侧的底端处设有第三出水管13，第三出水管13与第一进液管8连通，即第三出水管13将正渗透过程中得到的含有污染物的浓水回流到生物反应池1内继续进行生物降解；正渗透装置3位于正渗透膜12右侧的底端处设有第二进液管14，第二进液管14连通有汲取液箱4，汲取液箱4内的汲取液为葡萄糖、果糖、蔗糖或可溶性蛋白质。汲取液箱4为正渗透装置3提供正渗透所需的汲取液；正渗透装置3上与第二出水管11相对的一侧设有第四出水管15；

反渗透装置5通过第四出水管15与正渗透装置3连通，反渗透装置5内纵向设有反渗透膜16，用于分离正渗透反应后得到的清水与汲取液的混合物，反渗透装置5内位于反渗透膜16左侧的底端处设有第五出水管17，第五出水管17的出液端位于汲取液箱4内，将反渗透过程中得到的汲取液回流回汲取液箱4，以利于汲取液的循环使用。反渗透装置5上与第四出水管15相对的一侧设有第六出水管18，第六出水管18用于排出处理完毕后的洁净水。

本发明中，柳树皮粉的制备方法如下：

将柳树皮浸入质量浓度为5％的醋酸溶液中，浸泡24h后取出，于室温晾干至含水率≤5％，然后粉碎，过10目筛，即得到所述柳树皮粉。

正渗透膜12的制备方法如下：

步骤1，将醋酸纤维素、n，n-二甲基甲酰胺、tb(no3)3·6h2o、纳米二氧化钛按照3：10：1：1的质量比称好备用；

步骤2，往n，n-二甲基甲酰胺中加入醋酸纤维素、tb(no3)3·6h2o和纳米二氧化钛，搅拌至完全溶解，得铸膜液；

步骤3，将步骤2得到的铸膜液超声脱泡后置于真空干燥箱内，于30℃进行刮膜、挥发处理；

步骤4，将步骤3刮膜、挥发处理后的产品浸入去离子水中沉浸凝胶成膜，洗涤，真空干燥，即得醋酸纤维素正渗透膜。

实施例2

利用实施例1基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置处理畜禽养殖用废水的方法，包括以下步骤：

步骤1，将cod浓度为3568mg/l，tn浓度为543mg/l，tp浓度为96mg/l的畜禽养殖废水通入生物反应池1，设置生物反应池1内cod容积负荷为5.0kgcod/(m³·d)，do浓度为3mg/l，hrt为8h，反应完毕得到生物反应池1出水；

步骤2，将生物反应池1出水通入过滤池2内，经过过滤池2内微滤网10的过滤后，得到过滤池2出水；

步骤3，将过滤池2出水通入正渗透装置3的左侧，同时用泵将汲取液箱4内的汲取液通入正渗透装置3的右侧进行正渗透反应；待正渗透膜12两侧液体压力达到平衡后，将正渗透装置3左侧液体通过所述第三出水管13返回所述生物反应池1继续反应，将正渗透装置3右侧液体通过所述第四出水管15排入反渗透装置5；

其中，过滤池2出水通入正渗透装置3的速度以及所汲取液通入正渗透装置3的流速均为500ml/min；

步骤4，正渗透装置3右侧液体进入反渗透装置5后，在反渗透膜16的作用下，汲取液与处理完毕后的洁净水分离，位于反渗透装置5左侧的汲取液进入汲取液箱4用于后续正渗透反应，位于反渗透装置5右侧的清水经检测，cod浓度为23mg/l，tn浓度为15.36mg/l，tp浓度为0.5mg/l，满足污水综合排放标准中的二级标准，可以达标排放。

实施例3

利用实施例1基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置处理畜禽养殖用废水的方法，包括以下步骤：

步骤1，将cod浓度为1986mg/l，tn浓度为437mg/l，tp浓度为83mg/l的畜禽废水置于生物反应池1，设置生物反应池1内cod容积负荷为6.0kgcod/(m³·d)，do浓度为4mg/l，hrt为9h，反应完毕得到生物反应池1出水；

步骤2，将生物反应池1出水通入过滤池2内，经过过滤池2内微滤网10的过滤后，得到过滤池2出水；

步骤3，将过滤池2出水通入正渗透装置3的左侧，同时用泵将汲取液箱4内的汲取液通入正渗透装置3的右侧进行正渗透反应；待正渗透膜12两侧液体压力达到平衡后，将正渗透装置3左侧液体通过所述第三出水管13返回所述生物反应池1继续反应，将正渗透装置3右侧液体通过所述第四出水管15排入反渗透装置5；

其中，所述过滤池2出水通入正渗透装置3的速度以及所汲取液通入正渗透装置3的流速均为600ml/min；

步骤4，正渗透装置3右侧液体进入反渗透装置5后，在反渗透膜16的作用下，汲取液与处理完毕后的洁净水分离，位于反渗透装置5左侧的汲取液进入汲取液箱4用于后续正渗透反应，位于反渗透装置5右侧的清水经检测，cod浓度为18mg/l，tn浓度为13.21mg/l，tp浓度为0.4mg/l，满足污水综合排放标准中的一级标准，可以达标排放。

实施例4

利用实施例1基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置处理畜禽养殖用废水的方法，包括以下步骤：

步骤1，将cod浓度为6325mg/l，tn浓度为873mg/l，tp浓度为256mg/l的畜禽废水置于生物反应池1，设置生物反应池1内cod容积负荷为8.0kgcod/(m³·d)，do浓度为5mg/l，hrt为10h，反应完毕得到生物反应池1出水；

步骤2，将生物反应池1出水通入过滤池2内，经过过滤池2内微滤网10的过滤后，得到过滤池2出水；

步骤3，将过滤池2出水通入正渗透装置3的左侧，同时用泵将汲取液箱4内的汲取液通入正渗透装置3的右侧进行正渗透反应；待正渗透膜12两侧液体压力达到平衡后，将正渗透装置3左侧液体通过所述第三出水管13返回所述生物反应池1继续反应，将正渗透装置3右侧液体通过所述第四出水管15排入反渗透装置5；

其中，所述过滤池2出水通入正渗透装置3的速度以及所汲取液通入正渗透装置3的流速均为800ml/min；

步骤4，正渗透装置3右侧液体进入反渗透装置5后，在反渗透膜16的作用下，汲取液与处理完毕后的洁净水分离，位于反渗透装置5左侧的汲取液进入汲取液箱4用于后续正渗透反应，位于反渗透装置5右侧的清水经检测，cod浓度为32mg/l，tn浓度为16.98mg/l，tp浓度为1.1mg/l，满足污水综合排放标准中的二级标准，可以达标排放。

为了进一步说明本发明的效果，本发明还设置了对比例，具体如下：

对比例1

用于处理畜禽养殖废水的基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置同实施例1完全相同，处理方法和工艺条件和实施例2完全相同，不同之处在于，对比例1中生物反应池1内仅采用活性污泥进行处理。处理完毕后对出水进行检测，cod浓度为122mg/l，tn浓度为38.53mg/l，tp浓度为5.8mg/l，处理效果不及实施例2，主要在于生物处理阶段中有机物、氮磷的处理效果不及实施例2，所以后续的正渗透膜12虽然可以对废水进一步深化处理，但是由于进入正渗透装置3内的污水中各污染物含量相对于实施例2来说较高，所以正渗透膜12的处理能力也有限，导致出水中各指标相对较高。同时，由于进入正渗透装置3内的污水中各污染物含量较高，也会给正渗透膜12带来堵塞和污染的风险。

对比例2

用于处理畜禽养殖废水的基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置同实施例1完全相同，处理方法和工艺条件和实施例2完全相同，不同之处在于，对比例1中生物反应池1内仅采用活性污泥和火山石粉进行处理，且活性污泥和火山石粉投加比例同实施例1。

处理完毕后对出水进行检测，cod浓度为86mg/l，tn浓度为20.18mg/l，tp浓度为1.8mg/l，处理效果不及实施例2，原因同对比例1。但是由于生物反应池1投加了火山石粉，所以对氮磷的处理效果较对比例1要好，最终出水氮磷浓度也相对对比例1低。

对比例3

用于处理畜禽养殖废水的基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置同实施例1完全相同，处理方法和工艺条件和实施例2完全相同，不同之处在于，对比例1中生物反应池1内仅采用柳树皮粉和火山石粉进行处理，且活性污泥和柳树皮粉投加比例同实施例1。

处理完毕后对出水进行检测，cod浓度为56mg/l，tn浓度为18.18mg/l，tp浓度为1.3mg/l，处理效果不及实施例2，原因同对比例1。但是由于生物反应池1投加了柳树皮粉，所以生物反应池1内微生物量多，活性也高，对有机物和氮磷的处理效果均较对比例2要好，最终出水中cod、氮磷浓度也相对对比例2低。

对比例4

用于处理畜禽养殖废水的基于正渗透膜的畜禽养殖用废水处理装置同实施例1完全相同，处理方法和工艺条件和实施例2完全相同，不同之处在于，对比例1中正渗透装置3内采用的正渗透膜12在制备时，配方中的tb(no3)3·6h2o替换成氧化锌，用量不变。

处理完毕后对出水进行检测，cod浓度为35mg/l，tn浓度为18.58mg/l，tp浓度为1.2mg/l，处理效果不及实施例2，但是相对比对比例1-3来说，与实施例2的差距不明显。这表明，在整个处理装置中，生物反应池1起到决定性的作用，正渗透膜12主要用于深度处理，但是膜的成分不同，对废水的处理效果也会有一定的差异，很明显，本发明中所用的正渗透膜12的处理效果更好。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。