一种污水处理的方法和装置技术领域
本发明涉及污水处理领域，特别涉及一种生活污水处理的方法和装置。
背景技术
随着社会经济的持续发展和人口规模的不断扩大，城市水资源紧缺和水污染加剧的问
题，日渐成为限制我国城镇可持续发展的重要因素。城市规模持续扩大，导致城市用水需
求激增，污水处理负荷持续增长，这对城市水资源保障和污水处理水平提出了新的要求。
近年来，污水作为污染物载体和处理对象，凭借其所蕴含的丰富水资源和有机物，被
研究者们认为是一种可再生资源。污水资源化的开展，可以有效地增加城市再生水供给，
缓解水资源压力，同时从总量上减少了污水排放，保护了城市水生态环境。污水中蕴含的
有机物可以通过污水能源化手段实现能源或资源回收，生产沼气和无机盐等物质。
传统的好氧膜生物反应器工艺实现了膜分离与好氧生物处理的有机结合。凭借其出水
水质好、占地小等优点，该种类型的在城市污水处理等领域得到了广泛的应用。然而，这
种类型的膜生物反应器具有高能耗、膜污染等问题，导致工艺的运行成本较高。
针对这一问题，需要研究出一种新型的污水处理的方法和装置。
发明内容
针对上述问题，本着节能减排、能源回收的原则，针对城市污水中的污染物，利用了
厌氧生物反应器、正渗透膜组件和电渗析工艺，研发了一种用于处理生活污水的厌氧生物
反应器、正渗透膜组件以及电渗析耦合的污水处理工艺，可以处理污水、回收能源，并达
到驱动液回收利用的目的。
因此，本发明提供了一种污水处理的方法，其包括如下步骤：
步骤A：对所述污水进行厌氧生物处理，得到污水混合液；
步骤B：利用驱动液通过正渗透作用使所述污水混合液中的水渗透到所述驱动液中，
得到汲取液，其中，所述汲取液为所述驱动液与从污水混合液渗透到驱动液中的水的混合
液；
步骤C：通过电渗析将所述汲取液中的水分离出来。
其中驱动液可以是高渗溶液，例如氯化钠溶液、氯化镁溶液、乙二胺四乙酸二钠溶液
和蔗糖溶液等。其中氯化钠溶液的浓度可以为0.5-1.5mol/L的范围，在该驱动液浓度的条
件下，厌氧生物反应器和正渗透膜结合处理污水后的出水情况可以达到如下指标：COD浓
度＜20mg/L，氨氮＜5mg/L，总氮(TN)＜5mg/L，总磷(TP)基本检测不出，例如总磷
＜0.1mg/L。
在本发明中，将厌氧生物反应器、正渗透膜与电渗析耦合，既利用厌氧生物反应器和
正渗透膜处理污水，又可利用电渗析将汲取液中的淡水分离出来，并且在将淡水分离出来
后，由于汲取液得到了浓缩——电渗浓缩液，并发明通过巧妙的设置将该电渗浓缩液回收
进一步用作驱动液，从而达到了循环利用的目的。
将正渗透膜与厌氧生物反应器相结合，既能保证对生活污水的处理效果，又能克服厌
氧生物反应器出水水质不好的缺点，得到洁净的出水，但厌氧生物反应器对氮磷的去除能
力仍然有限，正渗透膜可以将氮磷截留，理论上只有水分子可以透过正渗透膜。
汲取液被泵入电渗析装置后，被分离为淡水和电渗析浓缩液，其中对淡水进行收集，
以便回收利用，电渗析浓缩液根据电导率反馈自控系统自动被加入汲取液中，以保持驱动
液浓度基本不变。
在一个具体实施例中，所述污水混合液中的水被渗透到驱动液中之后得到的浓缩混合
物，所述浓缩混合物被用于厌氧生物处理，所述浓缩混合物为所述污水混合液中的水被渗
透出去之后的剩余物。其中，在一般情况下，污水混合液中的水仅部分地被渗透出去。
在一个具体实施例中，在所述步骤C中，所述汲取液中的水被分离出来之后得到电渗
析浓缩液，所述电渗析浓缩液被回收用做所述驱动液。其中，在一般情况下，汲取液中的
水仅部分地被分离出去。
在一个具体实施例中，污水，例如生活污水的COD浓度为520-560mg/L，氨氮为40-60
mg/L，总氮、总磷浓度分别在45-60mg/L和5-10mg/L。实际操作中污水浓度可与之相当。
本发明还提供了一种污水处理装置，其包括：
厌氧生物反应器，
与所述厌氧生物反应器相连通的正渗透膜组件，
与正渗透膜组件相连通的汲取液储存容器，以及
与汲取液储存容器相连通的电渗析组件。
在本发明中，在进行污水处理前，由于驱动液可储存于汲取液储存容器中，但是在进
行污水处理时，储存于汲取液储存容器中的液体由于包含了从正渗透膜组件中渗透过来的
淡水，因此，储存于汲取液储存容器中的液体也可以称作汲取液。并且由于其被用于循环
利用，所以更准确地说，当液体从汲取液储存容器流向正渗透膜组件，以及从电渗析组件
流向汲取液储存容器，该液体可以称作驱动液，其中，从电渗析组件流向汲取液储存容器
的液体还可以形象地称为电渗析浓缩液；当液体从正渗透膜组件流向汲取液储存容器，以
及从汲取液储存容器流向电渗析组件时，该液体可以称作汲取液。
在一个具体实施例中，所述正渗透膜组件包括第一腔室和第二腔室。
在一个具体实施例中，所述厌氧生物反应器的出口与所述正渗透膜组件的入口连接；
所述正渗透膜组件的出口与所述厌氧生物反应器的入口连接。也就是说，所述厌氧生物反
应器与所述正渗透膜组件构造成使所述厌氧生物反应器中的污水混合液流向所述正渗透
膜组件，以及使所述正渗透膜组件中的污水混合液经过正渗透作用剩余得到浓缩混合物流
向所述厌氧生物反应器。更加具体的说，所述厌氧生物反应器的出口与所述正渗透膜组件
的第一腔室的入口连接；所述正渗透膜组件的第一腔室的出口与所述厌氧生物反应器的入
口连接。在一个具体实施例中，所述汲取液储存容器的出口与所述电渗析组件的入口连接；
所述电渗析组件的出口与所述汲取液储存容器的入口连接。也就是说，所述汲取液储存容
器与所述电渗析组件构造成使所述汲取液储存容器中的驱动液流向所述电渗析组件，以及
使所述电渗析组件中的汲取液经电渗析浓缩后的电渗析浓缩液流向所述汲取液储存容器。
在一个具体实施例中，所述汲取液储存容器的第二出口与所述正渗透膜组件的第二入
口连接；所述正渗透膜组件的第二出口与汲取液储存容器的第二入口连接。也就是说，所
述述汲取液储存容器与所述正渗透膜组件构造成使所述述汲取液储存容器中的驱动液流
向所述正渗透膜组件，以及使所述正渗透膜组件中的汲取液流向所述汲取液储存容器。更
加具体的说，所述汲取液储存容器的出口与所述正渗透膜组件的第二腔室的入口连接；所
述正渗透膜组件的第二腔室的出口与所述汲取液储存容器的入口连接。
在一个具体实施例中，在所述汲取液储存容器和所述电渗析组件之间设置汲取液浓度
传感器和/或电渗析浓缩液浓度传感器。更具体的说，在所述汲取液储存容器的出口与所述
电渗析组件的入口的连接处设置有汲取液浓度传感器；在所述电渗析组件的出口与所述汲
取液储存容器的入口的连接处设置有电渗析浓缩液浓度传感器。
其中汲取液浓度传感器可是测定汲取液的浓度，电渗析浓缩液浓度传感器可以测定电
渗析浓缩液的浓度。当检测到汲取液的浓度低于0.5M/L，特别是低于0.3M/L时，启动电
渗析组件对汲取液进行处理。当检测到电渗析浓缩液的浓度高于0.5M/L，优选高于1.0M/L
时，特别优选高于1.5M/L时，回收电渗析浓缩液至汲取液储存容器中。
在一个具体实施例中，所述汲取液储存组件置于称重器例如天平上。
在一个具体实施例中，所述厌氧生物反应器与搅拌组件连接，优选所述搅拌组件的搅
拌杆上设置有多个桨叶。特别是在所述搅拌杆上沿轴向间隔式设置有多个桨叶，从而在使
用时能使厌氧生物反应器内的污水混合液混合的更为均匀。
在一个具体实施例中，所述正渗透膜组件中的正渗透膜包括第一层的活性层和第二层
的支撑层；优选所述活性层的材质为三醋酸纤维素(CTA)或其他材料，所述支撑层的材
质为聚酯。
在一个具体实施例中，所述正渗透膜的总厚度为115μm，膜孔径的范围为0.3-1.0nm。
在正渗透膜生物反应器中，污水混合液中的水在渗透压差的驱动下，穿过膜进入驱动
液，稀释的驱动液在后续的电渗析工艺中实现净水的生产和驱动液的再生。
正渗透膜生物反应器继承了传统膜生物反应器的优势的同时，还兼具正渗透的优势，
主要包括以下几点：
(1)由于正渗透膜具有亲水性有利于避免污染物附着，因此正渗透膜生物反应器具有
更低的膜污染潜势；
(2)正渗透膜生物反应器在膜分离过程中不需要外部压力驱动，可以节省动力消耗，
降低运行成本；
(3)正渗透膜生物反应器具有比传统膜生物反应器更高的截留率，尤其是在针对微量
有机物和致病菌方面具有更好的表现，出水水质可以达到更高的标准。
因此，正渗透膜生物反应器集合了膜生物反应器和正渗透的优势，具有很大的发展潜
力。
当前，厌氧生物技术主要用于高浓度污水的处理。在厌氧生物处理过程中，大分子有
机物最终逐渐被转化为甲烷、水、二氧化碳等物质。厌氧生物处理技术的优越性主要包括
以下几个方面：
(1)节省动力消耗
厌氧生物处理过程无需供氧，省去了曝气的环节。在好氧生物处理技术中，曝气用电
能耗占较大比例。采用厌氧生物技术处理污水，能够节省大量的电能。
(2)生产生物能
厌氧发酵能够产生大量沼气，具有相当高的热值，是一种生物质能源。
(3)污泥产量低
厌氧菌具有时代周期长，繁殖速度慢的特点。因此厌氧污泥的剩余污泥产量很低且性
质稳定，污泥后续处理的费用较低。
(4)对部分难降解有机物降解能力较强
尽管厌氧工艺具有诸多优势，但仍存在以下不足：
(1)不能去除污水中的氮磷
在厌氧生物处理过程中，只有很少的氮磷用于细胞生长，大部分氮磷元素仍存在于出
水之中。
(2)启动周期较长
厌氧生物世代周期长，增长缓慢，污泥浓度短时间内很难大幅度上升。
(3)运行管理复杂
厌氧生物相比好氧生物种群更多，微生物系统对于环境指标的要求很高，对运行管理
水平要求高。
(4)卫生条件差
厌氧生物处理污水时，污水中的硫酸盐会还原生成具有恶臭的硫化氢气体。因此厌氧
工艺一般要求密封，防止恶臭气体散发。
(5)出水水质较差
因此，厌氧处理不能完全去除有机物，需要和好氧工艺或其他工艺配合使用。
电渗析作为一种膜分离技术,它是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子
交换膜的选择透过性，把电解质中盐分从溶液中分离,从而实现产品的浓缩、精制或纯化
的目的。电渗析的电极设在膜堆两侧,采用直流电源作为电渗析脱盐的推动力。经电渗析
处理后获得可回用的淡水和排放的污水,排放的污水含盐量高,无法使用,造成环境负担,
如何减少高盐污水的排放量,获得较高的淡水回用率一直是电渗析技术需要解决的课题。
本发明与传统高耗能、高排碳、低资源回收的污水处理工艺相比，经济有效简单易行，
且能高效富集并处理污水中的污染物，在保证出水水质的同时达到节能减排，资源回收的
目标。
附图说明
图1为污水处理装置示意图。
图2为污水经本发明的污水处理装置处理后的水质。其中，驱动液的浓度分别为0.5M、
1M和1.5M。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述
实施例。
实施例
图1显示的是一种污水处理装置的示意图。该污水处理装置包括厌氧生物反应器4。
其中，厌氧生物反应器4的构型为全混式，即厌氧生物反应器4与搅拌组件2连接，搅拌
组件2的搅拌杆上设置有多个桨叶，特别是在搅拌杆上沿轴向间隔式设置有多个桨叶，由
搅拌组件2(例如电动搅拌机)保持厌氧生物反应器4内的污泥混合，从而在使用时能使
厌氧生物反应器4内的污水混合液混合的更为均匀；厌氧生物反应器4的顶端水封密闭。
可以在厌氧生物反应器4的侧壁上的不同深度的地方开四个取样孔。厌氧生物反应器4的
上方与电导率仪3连通，另外，还可以在厌氧生物反应器4的上方开孔，使反应器与pH
计探头连接，和一个可以穿过湿式气体流量计1的气孔。厌氧生物反应器4的有效容积一
般可以为2L，这可以根据实际情况加以确定。厌氧生物反应器4的壳层为由外层和内层以
及外层和内层之间的腔体构成夹层结构，在外层和内层之间的腔体中装有循环温水，并且
所述循环温水能够使厌氧生物反应器4的内部温度稳定在35-38℃范围内。向厌氧生物反
应器4接种取自污水处理厂厌氧消化罐的污泥，初始污泥浓度为3550mg/L。在启动厌氧生
物反应器4的初期采用葡萄糖+碳酸氢钠的基质组合，并适量添加微量元素和酵母膏以进
行厌氧生物反应，此时厌氧生物反应器4中的污水和厌氧生物反应基质混合，形成污水混
合液。厌氧生物反应器4内部的温度、电导率和pH分别由温度计、电导仪以及pH计或者
具有上述功能的组件定时检测，调控pH稳定在7.0-7.8之间。厌氧生物反应器4产生的沼
气由气孔导入湿式气体流量计1进行计量。
正渗透膜组件5与厌氧生物反应器4连通，在污水在厌氧生物反应器4内进行厌氧生
物处理后，通过泵将厌氧生物反应器4内的污水混合液泵入到正渗透膜组件5的第一腔室
13中，同时可以将驱动液泵入到正渗透膜组件5的第二腔室14中，驱动液可以是1.0mol/L
的氯化钠溶液。在第二腔室14中的驱动液的作用下，被泵入到第一腔室13中的污水混合
液中的水渗透到第二腔室14中，这样使得第二腔室14中的驱动液被渗透过来的水稀释，
得到汲取液，得到的汲取液可以通过泵泵入到汲取液储存容器11中。在进行上述操作的
同时，第一腔室13中的污水混合液(实际上由于正渗透作用，初始污水混合液中的部分
的水已经渗透到第二腔室14中)被泵回到厌氧生物反应器4中；第二腔室14中的汲取液
被泵回到汲取液储存容器11中。并且，上述污水混合液在正渗透膜组件5与厌氧生物反
应器4之间的循环与汲取液在正渗透膜组件5与汲取液储存容器11之间的循环可以使用
同一个泵来完成。
电渗析组件8与汲取液储存容器11通过泵连通，从而使汲取液储存容器11中的汲取
液泵入到电渗析组件8中实现汲取液中的水分离，并且分离出来的淡水通过通道9流出，
而剩余的液体由于得到了浓缩，称之为电渗析浓缩液，因此，其中的氯化钠的浓度较汲取
液中的浓度要高，并且通过控制可以达到驱动液的指标，此时，可以将电渗析浓缩液循环
回到汲取液储存容器11中回收用做驱动液。可以在汲取液从汲取液储存容器11被泵入到
电渗析组件8的通道间设置汲取液浓度传感器，从而监测汲取液的浓度，并根据监测到的
浓度来确定是否将汲取液从汲取液储存容器11被泵入到电渗析组件8中；也可以在电渗
析浓缩液从电渗析组件8被泵入到汲取液储存容器11的通道间设置电渗析浓缩液浓度传
感器，从而监测电渗析浓缩液浓度。并根据监测到的浓度来确定是否将电渗析浓缩液从电
渗析组件8被泵入到汲取液储存容器11中。电渗析组件8工作时，在外加直流电和离子
交换膜的作用下，汲取液被分离为电渗析浓缩液和淡水，其中淡水通过通道9流出进行收
集，以便之后的回收利用，电渗析浓缩液根据电渗析浓缩液浓度传感器自动被加入到汲取
液储存容器11中。在汲取液储存容器11中可以设置搅拌器15，搅拌器15例如可以是磁
力搅拌子，通过搅拌可以保证汲取液储存容器11中的汲取液浓度更为均匀。
在本发明中，可以选用美国HTI公司生产的正渗透膜，型号为CTA-ES。正渗透膜具
有不对称结构，由活性层和支撑层构成。活性层材质为CTA，支撑层材质为聚酯。膜总厚
度为115μm，膜孔径范围为0.3-1.0nm。按照膜厂家提供的使用说明，新膜在使用前用超
纯水进行2-3次浸泡，每次30min，以彻底去除膜表面的甘油保护层，然后将膜浸没在超
纯水中，于4℃环境下保存。正渗透膜组件构型为平板膜组件，有效膜面积为200cm2，流
道深度为7mm。膜的活性层面朝向污水混合液的一侧。污水混合液和驱动液的有效容积均
可以为2L。
汲取液储存容器11可以置于电子天平12上，汲取液质量变化由与天平12连接的计算
机记录，根据单位时间汲取液的质量变化计算通量数据。驱动液和污水混合液的电导率由
电导率仪3检测，并连接计算机记录数据。溶液中的氯化钠浓度可以通过电导率-氯化钠浓
度关系曲线计算得出。
为保证正渗透过程中驱动液的渗透压稳定，本系统采用汲取液浓度传感器和电渗析浓
缩液浓度传感器，在驱动液被稀释时自动加入电渗析后得到的电渗析浓缩液以保持驱动液
浓度稳定，分别控制汲取液浓度传感器和电渗析浓缩液浓度传感器的电导率在设定值±1％
范围内。
试验开始前，首先确认厌氧生物反应器4内的液位，并添加处理污水至指定位置；汲
取液储存容器11中在处理初始时装有驱动液。打开汲取液储存容器11中的搅拌器15保证
驱动液均一，同时打开与气体流量计1相连的厌氧生物反应器4的气孔，暂时取消厌氧生
物反应器4的密闭状态；慢速启动循环泵，使厌氧生物反应器4的厌氧污泥和最初在汲取
液储存容器11中装有的驱动液分别缓慢充满正渗透膜组件5的第一腔室13和第二腔室14，
充满后停泵，调试电导率仪3和天平12数据采集设备，记录气体流量计1读数，关闭厌
氧生物反应器4的气孔，恢复厌氧生物反应器4的密闭；随后按照试验计划规定的转速开
泵，同时开始数据采集。试验结束后，首先关闭循环泵，停止天平12的数据采集并保存
数据，读取设置在厌氧生物反应器4的气孔的气体流量计1的示数，因为产气情况可以反
映厌氧污泥的活性；然后反向开泵，将膜组件排空。然后可以停止搅拌厌氧生物反应器4
内的污水混合液并静沉1h，取出厌氧生物反应器4的上清液，并将汲取液储存容器11中
的汲取液替换为新鲜的驱动液以更好地进行下一轮的污水处理。
虽然本发明已经参照其具体实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解在
没有脱离本发明的真正的精神和范围的情况下，可以进行的各种改变。此外，可以对本发
明的主体、精神和范围进行多种改变以适应特定的情形、材料、材料组合物、方法、方法
步骤或步骤。所有的这些改变均包括在本发明的权利要求的范围内。