一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统及处理方法，属于养殖废水处理技术领域。

背景技术

淡水养殖是利用池塘、江河、湖泊等内陆水域来人工饲养水产经济动物，在带来经济效益的同时，也带来了养殖废水排放、生态环境恶化等问题。淡水养殖大都是开放型半静态，其高密度集约化的养殖模式造成水质易受有机物、农用化学品等的污染，养殖废水中的污染物主要来源于饲料残饵和水产品排泄物，污染物的成分主要是氮磷等营养物。淡水养殖产生的氮磷等污染物会使养殖水质恶化，进而威胁到淡水养殖的安全，淡水养殖废水外排会造成生态环境的破坏，因此养殖废水的高效处理回用已成为淡水养殖产业发展的必由之路。

目前国内外淡水养殖废水处理技术主要分为物理、化学和生物三种技术方法，但养殖废水污染物浓度低和排放量大的特点使得现有废水处理技术无法高效和经济的处理废水。过滤、吸附、曝气、吹脱等物理方法和絮凝沉降、化学中和、臭氧消毒等化学方法具有见效快的特点，但成本高、耗能大，容易造成二次污染，因而限制了在实际工程中的应用。生物处理法占地面积大和处理周期长，养殖塘养殖后期要求约7天换水一次，这样换水频率和生物法处理周期间不匹配。因此要开发低成本和处理效率高的养殖废水处理技术。

正渗透技术具有能耗低、污染物截留率高、抗污染能力强等优势，正逐步取代精滤、纳滤、反渗透等压力驱动膜法技术用于养殖废水的处理。正渗透中汲取液再生要消耗额外的电能或热能，淡水养殖现场没有热源而只能消耗电能，但是养殖废水污染物浓度低和排放量大的特点使得消耗电能的汲取液再生的成本过高，因此如何进一步降低正渗透废水处理能耗成为一个亟需解决的技术难题。

肥料汲取液正渗透技术解决了汲取液再生的难题，可有效降低养殖废水的处理成本。以浓缩肥料为汲取液回收养殖废水中的清水，稀释后的肥料汲取液可直接用作农田灌溉，无需汲取液再生过程。

公布号为CN109133523A的中国专利公开了一种基于正渗透的畜禽养殖废水处理装置，采用正渗透和反渗透技术耦合实现处理后废水满足污水排放标准，但反渗透的高压泵电耗高，不适用大排水量的养殖废水处理，处理后废水只是满足了排放标准而外排，没有实现养殖废水的循环利用。

《正渗透技术从非常规水源中汲取净水用于农业种植研究》的硕士论文研究了一种浓缩肥料为正渗透驱动溶液的淡水/污水-固体肥料体系的正渗透水通量、反向盐通量等性能，但没有涉及对废水中氮磷污染的回收和废水的循环利用。

肥料汲取液正渗透技术用于养殖废水处理还需要解决以下技术问题：

（1）养殖废水中的PO

（2）肥料汲取液正渗透过程中肥料汲取液要被稀释到适用于农田肥料的浓度，同时为提高正渗透废水处理的经济性，要保证汲取液浓度足够高从而保证足够大的水通量通过渗透膜，这样仅靠单级肥料汲取液正渗透很难兼顾稀释后汲取液浓度和正渗透的经济性。

（3）正渗透中存在一个重要的缺陷是肥料汲取液中的阳离子会反向透过渗透膜进入养殖废水侧，造成肥料的损失，采用含NH

因此迫切需要开发一种适用于淡水养殖废水处理回用的工艺，通过高效和经济的回收清水和氮磷污染物实现淡水养殖废水的重复循环利用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统及处理方法。该系统及处理方法采用复合肥和Mg(NO

本发明采用如下技术方案：一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统包括过滤单元、复合肥正渗透单元、单质肥正渗透单元、鸟粪石结晶分离单元和调节控制单元，所述过滤单元包含过滤池和沉淀池，淡水养殖废水管道连接过滤池的进水口，过滤池的出水口连接沉淀池的进水口。

所述复合肥正渗透单元包含复合肥正渗透膜装置、第一废水泵、第一汲取液泵、第一调节阀和第一汲取液配浆池，沉淀池的出水口通过第一废水泵连接复合肥正渗透膜装置左上部的进料口，第一汲取液配浆池左侧的汲取液出口通过第一汲取液泵连接复合肥正渗透膜装置右上部的汲取液入口，复合肥正渗透膜装置右下部的汲取液出口通过第一配浆支管、第一调节阀连接第一汲取液配浆池底部的汲取液入口和通过第一排水支管连通农田。

所述单质肥正渗透单元包含单质肥正渗透膜装置、第二汲取液泵、第二调节阀和第二汲取液配浆池，第二汲取液配浆池左侧的出料口通过第二汲取液泵连接单质肥正渗透膜装置右上部的汲取液入口，单质肥正渗透膜装置右下部的汲取液出口通过第二配浆支管、第二调节阀连接第二汲取液配浆池底部的汲取液入口和通过第二排水支管连通农田，复合肥正渗透膜装置左下部的出料口连接单质肥正渗透膜装置左上部的进料口。

所述鸟粪石结晶分离单元包含结晶反应器、第二废水泵和固体肥料罐，单质肥正渗透膜装置左下部的出料口通过第二废水泵和循环管连接结晶反应器左上部的进料口，结晶反应器左上部的出水口通过出水管连接淡水养殖池，右下部的出料口连接固体肥料罐的进料口，底部的出水口连接循环管；

所述调节控制单元包含铵根离子信号检测器和PLC控制器，铵根离子信号检测器设在结晶反应器的出水管上，PLC控制器电连接铵根离子信号检测器、第一调节阀和第二调节阀。

所述过滤池内设置沸石层、砂层和活性碳层，沉淀池内设置间隔交错排列的导流板，复合肥正渗透膜装置和单质肥正渗透膜装置通过正渗透膜分隔为原料液室和汲取液室。

所述的一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统的处理方法，包括以下步骤：

a）淡水养殖废水经过滤池中的沸石层、砂层、活性炭层过滤后进入沉淀池，通过沉淀池中间隔交错排列的导流板去除养殖废水中的悬浮颗粒，预处理后固体悬浮物浓度低于100mg/L的淡水养殖废水经第一废水泵泵入复合肥正渗透单元继续处理。

b）在复合肥正渗透单元中，淡水养殖废水进入复合肥正渗透膜装置的原料液侧，第一汲取液配浆池中浓度为10-20%的复合肥汲取液由第一汲取液泵泵入复合肥正渗透膜装置的汲取液侧，在正渗透膜两侧渗透压的驱动下，淡水养殖废水中的水透过渗透膜进入汲取液侧，预浓缩后的养殖废水进入单质肥正渗透单元继续处理，稀释后的复合肥汲取液由第一调节阀调节流量，一部分通过第一配浆支管进入第一汲取液配浆池中用于配置循环使用的复合肥汲取液，剩余部分通过第一排水支管作为肥料水直接进入农田中。

c）在单质肥正渗透单元中，第二汲取液配浆池中浓度为12-20%的硝酸镁溶液作为单质肥汲取液由第二汲取液泵（9）泵入单质肥正渗透膜装置的汲取液侧，由复合肥正渗透单元预浓缩的养殖废水进入到单质肥正渗透膜装置的原料液侧，在正渗透膜两侧渗透压的驱动下，养殖废水中的水分子和部分NH

d）在鸟粪石结晶分离单元中，二次浓缩的养殖废水和从结晶反应器底部进水口流出的循环养殖废水汇合后经循环管通过进料口进入结晶反应器，二次浓缩的养殖废水中的Mg

e)铵根离子信号检测器检测的铵根离子测量值作为PLC控制器的输入信号，根据铵根离子测量值与设计值间的差值，PLC控制器调节第一调节阀和第二调节阀的开度，分别调节由复合肥正渗透膜装置汲取液出口进入第一汲取液配浆池和单质肥正渗透膜装置汲取液出口进入第二汲取液配浆池的汲取液流量，直至铵根离子测量值达到设计值，满足淡水养殖废水处理的水质要求。

所述步骤b中10-20%的复合肥汲取液通过TN浓度20%、TP浓度20%和TK浓度20%的固体复合肥配制。

上述技术方案的特点是：采用二级肥料汲取液驱动的正渗透工艺处理淡水养殖废水，消除了正渗透汲取液再生的能耗，适用于淡水养殖废水水量大和污染物浓度低的特点以及淡水养殖现场无热源的现状。通过可调节两级肥料汲取液正渗透工艺，兼顾了养殖废水的清水回收率和处理后养殖废水的水质达标这两方面的实际需求。

本发明的有益效果是：一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统及处理方法，这种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统包括过滤单元、复合肥正渗透单元、单质肥正渗透单元、鸟粪石结晶分离单元和调节控制单元。该系统采用二级肥料汲取液正渗透技术，稀释后的汲取液可直接用作农田的肥料，消除了正渗透汲取液再生的能耗成本，符合淡水养殖现场无热源的能耗现状。复合肥和Mg(NO

附图说明

图1是一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统的结构示意图。

图中：1、过滤池，2、沉淀池，3、第一废水泵，4、复合肥正渗透膜装置，5、第一汲取液泵，6、第一汲取液配浆池，6a、第一配浆支管，7、第一调节阀，8、农田，8a、第一排水支管，8b、第二排水支管，9、第二汲取液泵, 10、单质肥正渗透膜装置，11、第二汲取液配浆池，11a、第二配浆支管，12、第二废水泵, 13、第二调节阀，14、结晶反应器，14a、出水管，14b、循环管，15、鸟粪石固体肥料罐，16、铵根离子信号检测器，17、PLC控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，设备之间的连接均指采用管道连接，浓度除特殊说明外采用的为质量百分数。

图1示出了一种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统的结构示意图。图中，这种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统包括过滤单元、复合肥正渗透单元、单质肥正渗透单元、鸟粪石结晶分离单元和调节控制单元，过滤单元包含过滤池1和沉淀池2，淡水养殖废水管道连接过滤池1的进水口，过滤池1的出水口连接沉淀池2的进水口。

复合肥正渗透单元包含复合肥正渗透膜装置4、第一废水泵3、第一汲取液泵5、第一调节阀7和第一汲取液配浆池6，沉淀池2的出水口通过第一废水泵3连接复合肥正渗透膜装置4左上部的进料口，第一汲取液配浆池6左侧的汲取液出口通过第一汲取液泵5连接复合肥正渗透膜装置4右上部的汲取液入口，复合肥正渗透膜装置4右下部的汲取液出口通过第一配浆支管6a、第一调节阀7连接第一汲取液配浆池6底部的汲取液入口和通过第一排水支管8a连通农田8。

单质肥正渗透单元包含单质肥正渗透膜装置10、第二汲取液泵9、第二调节阀13和第二汲取液配浆池11，第二汲取液配浆池11左侧的出料口通过第二汲取液泵9连接单质肥正渗透膜装置10右上部的汲取液入口，单质肥正渗透膜装置10右下部的汲取液出口通过第二配浆支管11a、第二调节阀13连接第二汲取液配浆池11底部的汲取液入口和通过第二排水支管8b连通农田8，复合肥正渗透膜装置4左下部的出料口连接单质肥正渗透膜装置10左上部的进料口。

鸟粪石结晶分离单元包含结晶反应器14、第二废水泵12和固体肥料罐15，单质肥正渗透膜装置10左下部的出料口通过第二废水泵12和循环管14b连接结晶反应器14左上部的进料口，结晶反应器14左上部的出水口通过出水管14a连接淡水养殖池，右下部的出料口连接固体肥料罐15的进料口，底部的出水口连接循环管14b；

调节控制单元包含铵根离子信号检测器16和PLC控制器17，铵根离子信号检测器16设在结晶反应器14的出水管14a上，PLC控制器17电连接铵根离子信号检测器16、第一调节阀7和第二调节阀13。

过滤池1内设置沸石层、砂层和活性碳层，沉淀池2内设置间隔交错排列的导流板，复合肥正渗透膜装置4和单质肥正渗透膜装置10通过正渗透膜分隔为原料液室和汲取液室。

这种正渗透水肥一体化的淡水养殖废水处理系统系统的处理方法，采用下列步骤：

a)淡水养殖废水在过滤池1中经过其中的沸石层、砂层、活性炭层过滤后进入沉淀池2，淡水养殖废水流经沉淀池2中间隔交错排列的导流板，去除养殖废水中的悬浮颗粒，预处理后固体悬浮物浓度低于100mg/L的淡水养殖废水经第一废水泵3泵入复合肥正渗透单元的原料液侧继续处理。

b)在复合肥正渗透单元中，TN浓度4-8mg/L、TP浓度4-7mg/L的淡水养殖废水进入复合肥正渗透膜装置4的原料液侧，TN浓度20%、TP浓度20%和TK浓度20%的固体复合肥在第一汲取液配浆池6中配置成浓度为10-20%的复合肥汲取液，由第一汲取液泵5泵入复合肥正渗透膜装置4的汲取液侧，在正渗透膜两侧渗透压的驱动下，淡水养殖废水中的水透过渗透膜进入汲取液侧，预浓缩后的养殖废水浓缩到TP浓度在15-28mg/L之间、TN浓度在17-30mg/L之间，浓缩后的淡水养殖废水作为单质肥正渗透单元的进料液继续处理，复合肥汲取液浓度稀释到6-12%之间，稀释后的复合肥汲取液由第一调节阀7分配流量，一部分进入第一汲取液配浆池6中用于配置循环使用的复合肥汲取液，剩余部分作为肥料水直接进入农田8；

c)在单质肥正渗透单元中，第二汲取液配浆池11中浓度为12-20%的硝酸镁肥料溶液由第二汲取液泵9泵入单质肥正渗透膜装置10的汲取液侧，由复合肥正渗透单元预浓缩的养殖废水中的水分子和浓度为30-60%的NH

d)在鸟粪石结晶分离单元中，二次浓缩的养殖废水与结晶反应器14中的循环养殖废水汇合后经循环管14b由结晶反应器14左上部的进料口进入结晶反应器14，养殖废水中的Mg

e)铵根离子信号检测器16检测的铵根离子测量值作为PLC控制器17的输入信号，依据铵根离子测量值与设计值间的差值，PLC控制器计算得到调节后的复合肥正渗透膜装置4汲取液入口的汲取液浓度和单质肥正渗透膜装置10汲取液入口的汲取液浓度，从而分别执行调节第一调节阀7和第二调节阀13的开度，分别调节由复合肥正渗透膜装置4右下部的汲取液出口进入第一汲取液配浆池6中和由单质肥正渗透膜装置10右下部的汲取液出口进入第二汲取液配浆池11中的流量，直至铵根离子测量值降低到设计值，满足淡水养殖废水处理的水质要求。具体调节方式为：当二级正渗透处理后的养殖废水中的铵根离子浓度增大时，通过减小第一调节阀7和第二调节阀13的开度，保持第一汲取液配浆池6和第二汲取液配浆池11中的复合肥和单质肥固体肥料进口流量不变，从而提高进入复合肥正渗透膜装置4和单质肥正渗透膜装置10的汲取液浓度，提高了正渗透膜的水通量，这样增大了复合肥正渗透膜装置4的出料口的铵根离子浓度，进而提高了NH

采用以上技术方案，过滤沉淀预处理后的淡水养殖废水进入复合肥正渗透单元进行预浓缩，在渗透压的作用下，TN浓度为4-8mg/L、TP浓度为4-7mg/L的淡水养殖废水中的清水透过渗透膜进入由TN浓度20%、TP浓度20%和TK浓度20%的固体复合肥配置成浓度10-20%的复合肥汲取液中，稀释后的汲取液可直接用作农田的肥料，消除了正渗透汲取液再生的能耗成本，符合淡水养殖现场无热源的能耗现状；通过复合肥汲取液正渗透预浓缩养殖废水，提高了二级单质肥汲取液正渗透中氮磷营养物的回收效率；

用浓度12-20%硝酸镁肥料溶液作为单质肥正渗透单元的汲取液，汲取液回收了养殖废水中的30-60%的NH

铵根离子信号检测器检测的铵根离子测量值大于设计值时，通过关小第一调节阀和第二调节阀的开度，减少进入第一汲取液配浆池和第二汲取液配浆池的复合肥汲取液和单质肥汲取液的流量，进而增大复合肥正渗透膜装置和单质肥正渗透膜装置的入口汲取液浓度，从而增大二级正渗透膜的水通量。正渗透膜水通量的增大使得复合肥正渗透膜装置中的养殖废水出口的铵根离子浓度增加，进而提高了NH

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施事例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。