[发明专利]一种同步回收水和电能的污水处理装置及方法

说明书

本发明公开了一种同步回收水和电能的污水处理装置及方法，属于污水处理领域。本发明方法包括以下步骤：以城市污水作为进水，将泥水混合液作为进料液，通过蠕动泵进入膜组件的进料液通道，以盐水作为汲取液，通过高压泵进入膜组件的汲取液通道。利用FO膜两侧的渗透压差，使水从进料液侧流向汲取液侧，混合后的汲取液具有较高的压力，在流出的过程中推动涡轮机转动，进而产生电能。稀释后的汲取液通过汲取液回收系统，获得回用水，同时浓缩后的汲取液继续用于FO膜。本发明技术设计科学合理，对拓展正渗透膜在污水处理中的应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种同步回收水和电能的污水处理装置及方法，属于污水处理领域。

背景技术

膜生物反应器(MBRs)作为一种生物处理与膜分离技术相结合的新型污水处理技术，具有出水水质好且稳定、占地面积小、剩余污泥产量低等优势，在城市污水和工业废水处理领域得到了广泛应用，被誉为21世纪最有发展前途的水处理技术之一。然而，MBR还存在出水水质有待进一步提升、能耗较高、膜污染严重等问题。

正渗透膜生物反应器(OMBR)是国外学者于2008年提出的一种新型MBR替代工艺。它使用新型正渗透(FO)膜替代传统MBR中压力驱动式膜分离过程，是一种将生物处理和FO膜组合而成的新型工艺。根据FO膜组件与生物反应器的相对位置关系，OMBR可以分为浸没式OMBR(FO膜组件在生物反应器内)和外置式OMBR(FO膜组件在生物反应器外)。浸没式OMBR占地面积小，减少了泥水混合液的循环泵，但是FO膜组件不容易拆卸且膜污染控制效果略差。外置式OMBR便于拆卸且水力学条件好，更容易控制膜污染，但是增加了占地面积。FO膜的推动力是渗透压差，FO过程不需施加外加压力作为驱动力，水分子能够自发地从水化学势高的原料液部分渗透到水化学势低的汲取液部分。与压力驱动过程相比，FO膜具有更小的膜污染趋势。由于FO膜对污染物的截留性能更好，OMBR的出水水质优于传统MBR，可以直接进行回用。正是由于出水水质更好、膜污染趋势更小等特点，OMBR已经受到了越来越多的关注。

目前商用的FO膜包括两层，一层是起到截留作用的活性层，一层是起到支撑作用的支撑层。活性层比较薄且致密，抗污染能力较强，而支撑层较厚且多孔，易于产生膜污染。因此，在FO膜运行过程中存在两种膜朝向，一种是活性层朝向原料液(AL-FS)，一种是支撑层朝向原料液(AL-DS)。与AL-DS相比，AL-FS膜污染趋势更小，但是膜通量更小。现有的OMBR运行时，考虑到FO膜面向的是含有各种污染物的活性污泥，为了减缓膜污染，一般采用AL-FS朝向。

事实上，在OMBR运行过程中，FO膜两侧存在盐差能，盐差能是不同溶液混合时产生的能量，与太阳能和风能相比，受气相和地理条件影响小，且在海洋中储量巨大。虽然FO过程中存在盐差能，但由于FO污水处理过程中产生的渗透水量太少，相应的功率密度(等于汲取液侧的压力乘以产水量)较小，盐差能的回收困难。压力延滞渗透(PRO)是利用盐差能进行产能的新型膜工艺。与FO膜相比，PRO在汲取液一侧施加小于渗透压差的外加压力，增加了渗透过程中产生的功率密度，从而可以回收盐差能。具体来说，在PRO中，水从进料液(低盐度)一侧通过半渗透膜流向汲取液(高盐度)一侧，由于PRO组件汲取液侧容积一定，混合后的汲取液和进料液与原本的汲取液相比具有更高的压力，可在流出的过程中推动涡轮机发电。目前，PRO主要处理对象为河水、湖水、海水等地表水，缺少在污水处理中的应用。此外，由于地表水中的污染物浓度较低，PRO运行过程中进料液中污染物的浓缩及其后处理都未涉及到。

发明内容

【技术问题】

现有的OMBR在运行时汲取液需要采用反渗透、膜蒸馏等技术进行回收，能耗较高，影响了技术的经济可行性。虽然FO过程中存在盐差能，但由于FO污水处理过程中产生的渗透水量太少，相应的功率密度(等于汲取液侧的压力乘以产水量)较小，盐差能的回收困难。

现有的PRO在运行时，对于进料液实际上是一个浓缩过程，即水透过FO膜进入汲取液而污染物被截留在进料液一侧，这就导致进料液存在碳、氮、磷等污染物的富集问题以及后续处理复杂的问题。