一种用于垃圾渗滤液中氨氮回收的两级膜蒸馏装置

本发明涉及污水物理化学处理技术领域，具体涉及一种用于垃圾渗滤液中氨氮回收的两级膜蒸馏装置。

背景技术：

垃圾渗滤液是指来源于垃圾填埋场中垃圾本身含有的水分、进入垃圾填埋场的雨雪水及其他水分，扣除垃圾层、覆土层的饱和持水量，并经历垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度的有机废水。垃圾渗滤液具有不同于一般城市污水的特点：bod5和cod浓度高、金属含量较高、水质水量变化大、氨氮的含量较高、微生物营养元素比例失调等。垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，若不加处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染。

废水的氨回收是废水高附加值开发处理的重要途径。垃圾渗滤液中氨氮的浓度在200-3000mg/l，具有很高的回收价值。现有技术中废水的氮回收主要包括以下方法：鸟粪石沉淀法、膜浓缩法、吸附/解吸法、生物吸收法。然而，上述氮回收的方法普遍存在回收率低、产品纯度低、操作复杂以及运行成本高等缺点。

膜蒸馏(md)是基于气液平衡及热传质原理的热驱动过程，以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的推动下，进水中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，在膜的低温侧冷凝为液态，而非挥发性组分则留在热侧进料液中，从而达到分离并去除污染物的目的。膜蒸馏技术应用于污水处理过程的优点在于：(1)膜蒸馏浓缩过程在常压下进行，设备简单，操作方便；(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，仅有水蒸气能透过疏水膜孔，因此出水水质好；(3)与反渗透相比，盐浓度以及浓差极化对膜蒸馏影响较小，因此可以处理含有高浓度无机盐的溶液，甚至可以将溶液浓缩到饱和状态；(4)膜蒸馏工艺设备简单、操作方便，且膜蒸馏具有分离效率高、低结垢倾向、潜在能耗低等优点。

传统的单级膜蒸馏反应器可以实现废水中氨氮的回收，但回收的氨氮浓度和纯度一般较低，且受进水ph值与碱度的影响大，从而限制了后续资源化利用与附加值开发。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种用于垃圾渗滤液中氨氮回收的两级膜蒸馏装置，通过该装置可以浓缩和纯化垃圾渗滤液中的氨氮，同步实现垃圾渗滤液中污染物截留、出水水质提升和氨氮的高浓度回收与利用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于垃圾渗滤液中氨氮回收的两级膜蒸馏装置，包括原液池、膜蒸馏组件、中间循环水箱、回收池；膜蒸馏组件包括从上往下依次设置的第一水流通道、第二水流通道、第三水流通道，第一水流通道和第二水流通道之间设有第一疏水微孔膜，第二水流通道和第三水流通道之间设有第二疏水微孔膜；原液池通过第一进水管与第一水流通道的进水口连接，原液池通过第一出水管与第一水流通道的出水口连接，第一进水管上沿着水流方向依次设有第一循环水泵、加热恒温槽、第一ph调节器；中间循环水箱通过第二进水管与第二水流通道的进水口连接，中间循环水箱通过第二出水管与第二水流通道的出水口连接，第二进水管上沿着水流方向依次设有第二循环水泵、第一低温恒温槽、第二ph调节器；回收池通过第三进水管与第三水流通道的进水口连接，回收池通过第三出水管与第三水流通道的出水口连接，第三进水管上沿着水流方向依次设有第三循环水泵、第二低温恒温槽、ph监测器。

进一步的，第一进水管上还设有第一流速计和第一压力表，第一流速计位于加热恒温槽与第一ph调节器之间，第一压力表位于第一ph调节器与第一水流通道的进水口之间；第二进水管上还设有第二流速计和第二压力表，第二流速计位于第一低温恒温槽与第二ph调节器之间，第二压力表位于第二ph调节器与第二流速计之间；第三进水管上还设有第三流速计和第三压力表，第三流速计位于第二低温恒温槽与ph监测器之间，第三压力表位于ph监测器与第三水流通道的进水口之间。

进一步的，该装置还包括电导率仪和工业电脑，原液池内设有第一电导率传感器，中间循环水箱内设有第二电导率传感器，回收池内设有第三电导率传感器，第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器分别通过电路与电导率仪连接，电导率仪通过电路与工业电脑连接。

进一步的，第一疏水微孔膜和第二疏水微孔膜均为聚四氟乙烯疏水微孔膜。

进一步的，聚四氟乙烯疏水微孔膜的孔径为100～500nm。

进一步的，第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道的通道高度为3～5mm，第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道中的流速为0.3～1.0m/s。

进一步的，第一水流通道中的液体的温度为60～80℃，第二水流通道中的液体的温度为30～50℃，第三水流通道中的液体的温度为10～20℃。

进一步的，加热恒温槽、第一低温恒温槽和第二低温恒温槽内均设有液位控制器、温度传感器和ph传感器。

总的说来，本发明具有如下优点：

一、本发明通过在膜蒸馏组件中设置三个水流通道，相邻的两个水流通道之间设置疏水微孔膜，可以实现两级膜蒸馏，第一级膜蒸馏能够实现对水中非挥发性物质的截留以及氨的渗透，第二级膜蒸馏能够实现对水中氨氮的高浓度浓缩与回收。

二、本发明利用膜蒸馏本身的优点，能够浓缩和纯化垃圾渗滤液中的氨氮，同步实现垃圾渗滤液中污染物截留、出水水质提升和氨氮的高浓度回收与利用，具有显著的工程价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中：1为原液池，2为膜蒸馏组件，2-1为第一水流通道，2-2为第二水流通道，2-3为第三水流通道，2-4为第一疏水微孔膜，2-5为第二疏水微孔膜，3为中间循环水箱，4为回收池，5为第一进水管，6为第一出水管，7为第一循环水泵，8为加热恒温槽，9为第一ph调节器，10为第二进水管，11为第二出水管，12为第二循环水泵，13为第一低温恒温槽，14为第二ph调节器，15为第三进水管，16为第三出水管，17为第三循环水泵，18为第二低温恒温槽，19为ph监测器，20为第一流速计，21为第一压力表，22为第二流速计，23为第二压力表，24为第三流速计，25为第三压力表，26为电导率仪，27为工业电脑，28为第一电导率传感器，29为第二电导率传感器，30为第三电导率传感器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于垃圾渗滤液中氨氮回收的两级膜蒸馏装置，包括原液池、膜蒸馏组件、中间循环水箱、回收池；膜蒸馏组件包括从上往下依次设置的第一水流通道、第二水流通道、第三水流通道，第一水流通道和第二水流通道之间设有第一疏水微孔膜，第二水流通道和第三水流通道之间设有第二疏水微孔膜；原液池通过第一进水管与第一水流通道的进水口连接，原液池通过第一出水管与第一水流通道的出水口连接，原液池、第一进水管、第一水流通道、第一出水管形成第一循环回路，第一进水管上沿着水流方向依次设有第一循环水泵、加热恒温槽、第一ph调节器；中间循环水箱通过第二进水管与第二水流通道的进水口连接，中间循环水箱通过第二出水管与第二水流通道的出水口连接，中间循环水箱、第二进水管、第二水流通道、第二出水管形成第二循环回路，第二进水管上沿着水流方向依次设有第二循环水泵、第一低温恒温槽、第二ph调节器；回收池通过第三进水管与第三水流通道的进水口连接，回收池通过第三出水管与第三水流通道的出水口连接，回收池、第三进水管、第三水流通道、第三出水管形成第三循环回路，第三进水管上沿着水流方向依次设有第三循环水泵、第二低温恒温槽、ph监测器。

如图1所示，第一进水管上还设有第一流速计和第一压力表，第一流速计位于加热恒温槽与第一ph调节器之间，第一压力表位于第一ph调节器与第一水流通道的进水口之间；第二进水管上还设有第二流速计和第二压力表，第二流速计位于第一低温恒温槽与第二ph调节器之间，第二压力表位于第二ph调节器与第二流速计之间；第三进水管上还设有第三流速计和第三压力表，第三流速计位于第二低温恒温槽与ph监测器之间，第三压力表位于ph监测器与第三水流通道的进水口之间。流速计主要用于记录水流速度，压力表主要用于记录压力大小，第一ph调节器主要用于调节垃圾渗滤液的ph值，第二ph调节器和ph监测器，主要用于监测水样ph值以便做出及时调整，提高氨氮的回收效果。

如图1所示，该装置还包括电导率仪和工业电脑，原液池内设有第一电导率传感器，中间循环水箱内设有第二电导率传感器，回收池内设有第三电导率传感器，第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器分别通过电路与电导率仪连接，电导率仪通过电路与工业电脑连接。通过电导率传感器可测得水质的电导率，并将该电导率数值传输到电导率仪上，进而传输到工业电脑上，当电导率数值超过设定值(该设定值依据具体的水质要求确定)，则需要对第一疏水微孔膜和第二疏水微孔膜进行清洗或更换。通过设置电导率传感器可监测第一疏水微孔膜和第二疏水微孔膜在长期运行后是否发生润湿导致产水水质下降。

第一疏水微孔膜和第二疏水微孔膜均为聚四氟乙烯(ptfe)疏水微孔膜，聚四氟乙烯疏水微孔膜的孔径为100～500nm，有效膜面积为0.8～1.5㎡。

加热恒温槽的热源主要以工业废热、太阳能、地热为主，以电加热辅助。通过加热恒温槽的加热，加热恒温槽内的垃圾渗滤液的温度为60～80℃。加热恒温槽、第一低温恒温槽和第二低温恒温槽内均设有液位控制器、温度传感器和ph传感器。

第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道的通道高度为3～5mm，第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道中的流速为0.3～1.0m/s，即第一循环回路、第二循环回路和第三循环回路中的流速为0.3～1.0m/s。

第一水流通道中的液体的温度为60～80℃，即第一疏水微孔膜的热侧(上侧)的温度为60～80℃，第二水流通道中的液体的温度为30～50℃，即第一疏水微孔膜的渗透侧(下侧)的温度为30～50℃，也表示第二疏水微孔膜的热侧(上侧)的温度为30～50℃，第三水流通道中的液体的温度为10～20℃，即第二疏水微孔膜的渗透侧(下侧)的温度为10～20℃。

本发明的工作原理如下：在使用本发明时，三个循环回路同时开启，原液池中装有待处理废水(垃圾渗滤液)，中间循环水箱中装有清水，回收池中装有硫酸，在第一循环回路中，垃圾渗滤液通过第一循环水泵抽取到加热恒温槽中，在加热恒温槽中加热至60～80℃，然后调节第一ph调节器，使得垃圾渗滤液的ph值为11～13，垃圾渗滤液从第一水流通道的进水口进入第一水流通道中，由于第一疏水微孔膜的两侧存在温度差，使得第一疏水微孔膜的两侧形成压力差，在这个压力差的作用下，第一水流通道中的水蒸气和游离态氨会蒸发并透过第一疏水微孔膜，进入第二水流通道中，透过第一疏水微孔膜的蒸气在第二水流通道低温水流的作用下冷凝成液态，随着第二循环回路回到中间循环水箱中，实现第一级膜蒸馏；与此同时，由于第二水流通道既是第一疏水微孔膜的渗透侧(下侧)，也是第二疏水微孔膜的热侧(上侧)，所以在第二水流通道中也会发生膜蒸馏，中间循环水箱中的液体通过第二循环水泵抽取到第一低温恒温槽中，在第一低温恒温槽中调控至30～50℃，中间循环水箱中的液体从第二水流通道的进水口进入第二水流通道中，由于第二疏水微孔膜的两侧存在温度差，使得第二疏水微孔膜的两侧形成压力差，在这个压力差的作用下，第二水流通道中的水蒸气和游离态氨会蒸发并透过第二疏水微孔膜，进入第三水流通道中，此时，需要调控氨与水的过膜通量之比，使氨的过膜通量占比达到最大，透过第二疏水微孔膜的蒸气在第三水流通道低温水流的作用下冷凝成液态，随着第三循环回路回到回收池中，其中的游离态氨与硫酸溶液发生反应生成硫酸铵，最终在回收池中完成对氨的浓缩与回收，实现第二级膜蒸馏。

采用本发明对广东某垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液进行处理。将垃圾填埋场产生的渗滤液放入原液池中，通过加热恒温槽将第一水流通道中的垃圾渗滤液的温度调控至60℃，通过第一ph调节器将垃圾渗滤液的ph值调至11，通过第一低温恒温槽将第二水流通道中的液体的温度调控至40℃，通过第二低温恒温槽将第三水流通道中的液体的温度调控至20℃，第一疏水微孔膜和第二疏水微孔膜均为聚四氟乙烯(ptfe)疏水微孔膜，聚四氟乙烯疏水微孔膜的孔径为200nm。通过三个循环回路的循环以及第一级膜蒸馏和第二级膜蒸馏，对垃圾渗滤液中的cod、蛋白质、多糖和磷酸盐等污染物的去除率均可达到98％以上，并且氨氮可以达到其溶解度60％以上的浓缩回收。

总的说来，本发明通过在膜蒸馏组件中设置三个水流通道，相邻的两个水流通道之间设置疏水微孔膜，可以实现两级膜蒸馏，第一级膜蒸馏能够实现对水中非挥发性物质的截留以及氨的渗透，第二级膜蒸馏能够实现对水中氨氮的高浓度浓缩与回收。本发明利用膜蒸馏本身的优点，能够浓缩和纯化垃圾渗滤液中的氨氮，同步实现垃圾渗滤液中污染物截留、出水水质提升和氨氮的高浓度回收与利用，具有显著的工程价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。