CN102963966A - 一种适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，所述电渗析装置包括：电渗析膜堆单元、频繁倒极控制单元、在线监测与过程控制单元，电渗析膜堆单元由多个膜堆组成，不同膜堆分别通过淡室、浓室、极室的管路串联和溶液流向控制构成多级逆流体系，由PLC单元、整流器和电磁阀共同实现频繁倒极。其中淡室和浓室的溶液可实现循环或部分循环，以获得高淡水回收率和高浓水浓缩倍数。本发明将从根本上解决采用超滤－反渗透法处理煤化工等行业高盐废水存在淡水回收率低、浓水浓缩倍数低、能耗高且难以长期稳定运行等问题，促进煤化工等行业高盐废水电渗析处理技术的工程化应用。

Description

一种适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置

技术领域

本发明涉及煤化工等行业高盐废水电渗析处理设备领域，具体地，本发明涉及用于煤化工等高盐废水处理的电渗析装置，通过构建多级逆流倒极电渗析体系处理煤化工等行业高盐废水，以获得高淡水回收率和高浓水浓缩倍数。

背景技术

煤化工等行业废水经过过滤、絮凝、生物法、催化氧化等一系列处理，虽然可达到废水排放标准，但由于含盐量高而无法回用。煤化工等行业高盐废水的特点是，含盐量高、污染物以总含盐量为主，通常在500-5000mg/L甚至更高，还含有难降解的有机物。目前这类废水主要采用双膜法（即超滤－反渗透）处理，但仍存在淡水回收率低（大约60％－70％），大量浓水（30％－40％）外排会造成环境污染。采用蒸发进一步处理大量的反渗透浓水，一方面造成水资源损失且能耗高，蒸发后残余的固体废渣是混盐也无法利用。因此，需要进一步开发适用于煤化工等行业高盐废水处理的方法和装置。

电渗析是在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而发生迁移，使带电离子从水溶液和其他不带电组分中分离出来的一种膜分离过程。由于该技术具有操作简便、能耗低、不污染环境等特点，现已在苦咸水淡化、海水浓缩制盐、废水处理等方面起重要作用。电渗析技术用于废水处理也受到重视，如余亚光等（西北农业学报，2008，17：332-335）研究采用电渗析技术处理氨氮废水，获得淡水回收率为80％以上，浓水和淡水中的氨氮含量为2700mg/L和13mg/L。彭超和唐建华（水处理技术，2004，30(1)：19-21）报道采用电渗析处理溴化钠废水，表明1.6Wt％的溴化钠溶液可以脱盐至120mg/L的淡溶液，浓缩至15Wt％的浓溶液。Akyeva等（Journal of Water Chemistry and Technology，2008，30：246–250）报道了采用电渗析技术处理含磷酸盐废水，并获得了最佳操作参数。Gain等（Journal of AppliedElectrochemistry，2002，32：969–975）报道了采用膜电解－电渗析耦合技术处理硝酸铵废水，其中氨可原位吹脱，产生的硝酸浓度达8mol/L，当进水浓度为1－8mol/L时，电渗析淡水中的硝酸铵小于3×10^-3mol/L。Costa等（J.Braz.Chem.Soc.，2002，13：540-547）评价了电渗析处理金属精炼废水的可行性，这种废水中的金属离子大多以络合阴离子形式存在，不同离子在电渗析过程中的脱除率有所不同。目前研究表明，电渗析技术用于废水处理可以获得较高的脱盐率和高浓缩倍数，可为回收淡水资源和获得适合进一步处理的高浓盐水发挥重要作用，因此在高盐废水处理领域有广泛的应用前景。

与电渗析处理废水相关的发明专利也有一些报道，如中国科学院生态环境研究中心吴光夏等（CN01144626.9）公开了一种浓淡水循环卷式电渗析器，其主要特点在于将电极夹在离子交换膜内制成特殊的膜堆电极，阴阳离子交换膜与绝缘隔网板制成淡水U形流道单元，以淡水集配水管为中心卷制成圆筒体的新型电渗析器，但目前还未见到市场化产品；中国石化齐鲁石油化工公司潘咸丰等（CN94110704.3）公开了电渗析法处理含有机酸废水的方法及应用，其主要特点在于选择了有特定交联度的离子交换膜，该发明可用于处理高浓度的复合有机酸（酸浓度为3-15％），废水中酸含量可降低到0.05－0.3％，可以满足后续生化处理的要求；哈尔滨工业大学马军等（CN1785831）公开了一种采用电渗析去除水中氨氮的方法，其特点是采用混凝、沉淀或过滤等对原水预处理，再用电渗析进行脱盐，该发明对水中氨氮浓度含量低时（氨氮浓度在3～50mg/L）的氨氮去除率＞90％。显然，目前电渗析技术相关的专利都不适用于煤化工等行业高盐废水的处理，需要进一步开发用于煤化工等行业高盐废水处理的方法和专用电渗析装置。

尽管采用电渗析技术用于高盐废水处理有不少研究报道并已呈现出蓬勃发展的势头，但该技术在行业高盐废水处理的应用并不普遍。这主要是由于煤化工等行业高盐废水的来源不同、成分复杂，通常还含有少量的难降解有机物如吡啶、喹啉及其他多环芳烃类物质、及Ca²⁺、Mg²⁺等无机离子。采用常规电渗析处理容易出现电渗析膜污染，造成设备难以长期稳定运行，难以达到高淡水回收率和浓水高浓缩倍数的目标。迫切需要研制开发适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置和处理工艺，促进行业高盐废水电渗析处理技术的推广应用。

发明内容

针对煤化工等行业高盐废水的特点，采用超滤－反渗透法处理存在淡水回收率低、浓缩倍数低、大量浓水排放造成环境污染等问题，本发明拟开发适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，通过多个电渗析膜堆3串联、浓水和浓水的流向控制构成多级逆流脱盐或浓缩，实现电渗析淡水和浓水循环或部分循环；通过PLC单元6控制频繁倒极，减小电渗析浓差极化造成的离子交换膜表面结垢和膜污染；通过电导率、温度等过程参数的在线监测，实现对电渗析体系进行状态诊断、过程控制和系统保护，由此构成多级逆流倒极电渗析体系。

本发明的目的是提供了一种用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，解决常规电渗析装置用于这类废水处理存在能耗高且难以长期稳定运行，以及超滤－反渗透法存在淡水回收率低、浓缩倍数低、废水排放量大等的问题，以促进煤化工等行业高盐废水电渗析处理技术的工程化应用。

为了实现上述目的提供的用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置包括：电渗析膜堆单元、频繁倒极控制单元、在线监测与过程控制单元，共同构成多级逆流倒极电渗析体系；采用本发明的电渗析装置处理煤化工等行业高盐废水，其目标是获得高淡水回收率和高浓水浓缩倍数。

所述电渗析膜堆单元包括：电渗析膜堆3、输液泵、流量计、压力表、管路、储液罐4、组装框架和整流器5；所述电渗析膜堆3包括：若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆的极室、脱盐室和浓缩室；所述储液罐4包括：极水罐、浓水罐、淡水罐；多个电渗析膜堆3分别通过极室、浓缩室、脱盐室间的管路串联，且不同电渗析膜堆中浓水和淡水的流向相反，由此构成多级逆流电渗析体系，减小电渗析膜堆3中相邻浓室与淡室间的浓度梯度及由此造成的浓差扩散，以提高电渗析过程的淡水脱盐率和浓水浓缩倍数。

所述频繁倒极控制单元包括：PLC单元6、电磁阀、整流器5，所述PLC单元包括：空气开关、PLC模块、开关电源、继电器、接触器、接线端子、触摸屏，用于完成电渗析膜堆3在倒极过程中的电磁阀开启或关闭来改变水流方向、整流器5正负极换向等过程控制；通过触摸屏可方便进行膜堆3倒极时间间隔、电源关闭和开启的延时时间、手动或自动模式的设定。

所述参数在线监测与过程控制单元包括：电导率传感器1、温度传感器2、无纸记录仪、PLC单元6、电磁阀；用来完成电渗析膜堆管路中电导率传感器1、温度传感器2的数据采集，并传输到无纸记录仪中保存；通过与系统预设值比较，由PLC单元6输出响应信号来进行系统控制，实现电磁阀的开启与关闭、开启报警信号、系统断电与停机保护。

所述用于煤化工等行业高盐废水处理的多级逆流电渗析装置，其特征在于串联的电渗析膜堆3进行分组，其中2个或3个膜堆为一组，淡水由第一组的第1级进水、最后一组的最后1级出水，浓水从最后一组的最后1级进水、第一组的第1级出水，且同一组膜堆由一个整流器5并联供电；根据淡水脱盐率和浓水盐浓度大小，通过在线监测电导率，由PLC单元6控制电磁阀开启与关闭来调控淡水和浓水的流向，实现不同隔室溶液在电渗析膜堆3中循环或部分循环，其目的是提高淡水脱盐率和浓水浓缩倍数。

所述用于煤化工等行业高盐废水处理的多级逆流倒极电渗析装置，其特征在于可以调整电渗析倒极时间、整流器和电磁阀的开启与关闭延时时间，减小浓水与淡水的混合和电渗析浓差极化，缓解离子交换膜表面结垢和膜污染；淡水和浓水可实现循环或部分循环，以获得高脱盐率和高浓缩倍数。

作为上述技术方案的一种改进，所述用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，可通过PLC单元6、电磁阀、整流器5共同实现电渗析膜堆3的频繁倒极，减小电渗析过程浓差极化和缓解膜结垢和污染。更具体地：

1－1）所述PLC控制频繁倒极单元包括：空气开关、PLC模块、开关电源、继电器、接触器、接线端子、触摸屏，实现电渗析膜堆3倒极过程中的电磁阀开启和关闭、整流器5正负极换向、及不同隔室管路溶液换向等；

1－2）所述的PLC控制频繁倒极单元，通过触摸屏可方便进行膜堆3倒极时间间隔、电源关闭和开启延时时间、手动或自动模式的设定；

1－3）所述的PLC控制频繁倒极单元，其电渗析膜堆（3）倒极时间间隔可设定为10min-2h，整流器5关闭或开启延时时间可设定为5－60s，其中倒极时间间隔设定的目的是减小煤化工等行业高盐废水电渗析过程的浓差极化、缓解膜结垢及其污染；整流器5关闭和开启延时时间设定的目的是减少电渗析倒极过程中淡室和浓室溶液的相互混合。

作为上述技术方案的又一种改进，所述用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，可通过线监测与过程控制单元，包括电导率传感器1、温度传感器2、无纸记录仪、PLC单元6、电磁阀等进行关键参数的在线监测与过程控制，实现多级逆流倒极电渗析体系的自动控制与系统保护。更具体地：

2－1）所述电导率在线监测与数据记录单元，包括多个电导率传感器1、无纸记录仪、PLC单元6、电磁阀等，所述多个电导率传感器1安装在电渗析膜堆3中淡水和浓水的出水管，用于在线监测一组串联膜堆中淡水和浓水的电导率，通过PLC单元6把电导率传感器1的数据传输到无纸记录仪保存，可设定数据采样时间间隔。

2－2）所述电渗析体系自动控制单元，通过电导率传感器1在线监测数据与系统预设值比较大小，由PLC单元6输出控制信号控制对应电磁阀的开启或关闭，控制管路中的溶液流向，即控制未达到处理目标的溶液进入下一级或返回上一级电渗析膜堆3进一步处理，控制已达到处理目标的溶液外排，即其中淡水和浓水可实现循环与部分循环，以获得高脱盐率和高浓缩倍数；

2－3）所述温度传感器2安装在极水循环管路中，用来监测膜堆极室溶液的温度。当监测温度大于系统预设值时，由PLC单元6输出信号控制系统断电和停机保护，并输出报警信号，控制电渗析系统在40℃以下运行。

作为上述技术方案的再一种改进，所述用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置配备了酸洗单元，包括酸洗槽、酸性泵、管路和阀门等，其中酸洗液管路可通过阀门开启或关闭分别与膜堆的浓室、淡室和极室相连，可实现电渗析膜堆3不同隔室的在线清洗，酸洗时间间隔由电渗析膜污染状况确定。

本发明的适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，可用于多种行业高盐废水进行现场小规模试验，评价不同性质高盐废水电渗析处理的可行性和获得优化工艺条件。本发明的多级逆流倒极电渗析装置，可通过计算机通讯技术可以同时进行多台电渗析装置的关键过程参数监测，实现统一管理与过程优化控制，可大大提高煤化工等行业高盐废水电渗析处理过程的自动化程度，进而促进煤化工等行业高盐废水电渗析脱盐技术的工程化应用。本发明的电渗析装置用于煤化工等行业高盐废水处理，可克服超滤－反渗透法处理煤化工等行业高盐废水存在淡水回收率低、浓水浓缩倍数低、废水排放量大等问题。

附图说明

图1为本发明的用于煤化工等行业高盐废水电渗析处理的工艺流程图。

图2为用于本发明的用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置结构示意图。

附图标记：

1、电导率传感器        2、温度传感器

3、电渗析膜堆          4、储液罐（含极水罐、淡水罐、浓水罐）

5、电控柜（含整流器）  6、PLC单元

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细的说明。

本发明的用于煤化工等行业高盐废水处理电渗析装置的电渗析膜堆单元：包括若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆3的极室、脱盐室和浓缩室；所述电渗析膜堆每2或3个为1组，同一组内膜堆由一个整流器5并联供电，且根据单个膜堆脱盐率的大小，把2组或更多组电渗析膜堆3进行串联实现多级脱盐；所述储液罐4包括极水罐、浓水罐、淡水罐。所述不同电渗析膜堆3极室、脱盐室和浓缩室的管路串联，控制其浓水和淡水的流向相反，即淡水由第一组的第1级进水、最后一组的最后1级出水，浓水从最后一组的最后1级进水、第一组的第1级出水，由此构成多级逆流电渗析体系，以减小电渗析膜堆3中相邻淡室和浓室间的浓差扩散，提高电渗析处理废水的脱盐率与浓缩倍数。

所述频繁倒极控制单元用于完成电渗析膜堆3倒极过程中的电磁阀开启或关闭、整流器5正负极换向等过程控制；通过触摸屏可进行电渗析膜堆3倒极时间间隔、电源关闭或开启延时时间、手动或自动模式的设定。

所述多个电导率传感器1安装在膜堆中淡水和浓水的出水管，用于在线监测一组电渗析膜堆3的电导率；通过PLC单元6把电导率传感器1的数据传输到无纸记录仪保存，并与预设值进行比较，由PLC单元6输出信号控制对应电磁阀的开启或关闭，实现淡室、浓室的溶液在电渗析膜堆3中循环或部分循环，使管路中的淡水和浓水返回另一组膜堆进一步处理或直接排放；所述温度传感器2用来监测膜堆极室溶液的温度；当监测温度大于预设值时，由PLC单元6输出信号控制系统断电和停机保护，并输出报警信号。

实施例1模拟煤化工等行业高盐废水的电渗析处理

模拟煤化工等行业高盐废水采样常规电渗析处理，在实验室小膜堆中进行。采用恒压、恒温、循环式间歇操作。初始条件：模拟煤化工高盐废水用NaCl配制，其中淡水的Cl^-离子为1200mg/L，浓水的Cl^-离子为600、1200、5000mg/L，淡水和浓水的循环流量都为60L/h；极水用分析纯Na₂SO₄配制，浓度约为20g/L，其循环流量为30L/h。

实验结果：当淡水的Cl-初始浓度为1200mg/L时，采用常规电渗析连续处理180min后的结果如下表：

由表中实验结果发现，模拟煤化工高盐废水的脱盐率都可达到90％左右，但随着浓水初始浓度的增加，其淡水脱盐率会有所下降。不同电渗析体系中的电流效率都可以达到80％以上，而且随着电渗析过程进行，其电流效率呈下降趋势，这可能是淡水中的盐浓度不断降低造成；比较不同电渗析时间段，发现其单位脱盐量的能耗与电渗析过程关系不是很明显，但是其中Cl-初始浓度的增加会导致其单位脱盐量的能耗有所增加。在电渗析实验结束时，淡水中的Cl-离子浓度都小于250mg/L，达到了高盐废水的回用标准。在3种初始浓水时，实验结束时电渗析体系中浓水/淡水的Cl-浓度比分别为10、15和30倍。

结果表明，煤化工等行业高盐废水采用电渗析处理，可以获得较高的脱盐率和浓缩倍数，因而具有较好的应用前景。但目前的常规电渗析处理煤化工高盐废水是采用分批循环操作，不适于实际大规模生产，而且没有考察真实废水对电渗析体系造成的膜污染。需要把本发明的多级/逆流/倒极电渗析装置，用于真实煤化工等行业高盐废水处理，验证本发明的装置和方法实际应用的可行性，并获得优化工艺条件，为进一步实际应用和大规模生产提供依据。

实施例2真实煤化工高盐废水的电渗析处理

采用本发明的多级/逆流/倒极电渗析装置处理真实煤化工高盐废水试验。操作条件为：控制恒压22V、流速300L/h、每个膜堆的膜对数为20对、6个膜堆串联（分为2组，其中3个膜堆一组），每组膜堆内极水在3个膜堆循环，淡水与浓水的流向相反。根据脱盐率或浓缩倍数的大小，每组膜堆的淡水或浓水进入下一组膜堆进一步处理或直接排放；由PLC单元、电磁阀和整流器等控制频繁倒极。电渗析膜堆淡室和浓室的进水都采用煤化工高盐废水，其Cl-初始浓度为1200mg/L；极水用分析纯Na₂SO₄配制，浓度约为20g/L。

试验结果：采用本发明的多级逆流频繁倒极电渗析装置用于处理煤化工高盐废水，即采用6级6段串联且部分溶液循环操作模式。其中淡水经过6级连续脱盐后，可实现煤化工高盐废水的脱盐率为90％以上，淡水中Cl-离子含量小于200mg/L（可以满足废水回用标准），其淡水回收率为85％以上；浓水经过多级串联及组内膜堆循环多次浓缩后，其浓缩倍数可达10倍以上，获得的浓缩高盐浓水中Cl-离子浓度达10000mg/L以上，可进一步蒸发浓缩或经双极膜酸碱再生处理。意味着本发明用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置和工艺，可获得高淡水回收率、高脱盐率和高浓水浓缩倍数。

结果表明，本发明的用于煤化工高盐废水处理的多级逆流倒极电渗析装置和工艺，可克服超滤－反渗透法存在淡水回收率低、浓缩倍数低、废水排放量大等问题，在煤化工等行业高盐废水的处理具有较好的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，其特征在于：所述的电渗析装置包括：电渗析膜堆单元、频繁倒极控制单元、在线监测与过程控制单元，共同构成多级逆流倒极电渗析体系；

所述的电渗析膜堆单元包括：电渗析膜堆（3）、输液泵、流量计、压力表、管路、储液罐（4）、组装框架和整流器（5）；所述电渗析膜堆（3）包括：若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆的极室、脱盐室和浓缩室；所述储液罐（4）包括：极水罐、浓水罐、淡水罐；多个电渗析膜堆（3）分别通过极室、浓缩室、脱盐室间的管路串联，且不同电渗析膜堆中浓水和淡水的流向相反，由此构成多级逆流电渗析体系；

所述的频繁倒极控制单元包括：PLC单元（6）、电磁阀、整流器（5）；所述PLC单元包括：空气开关、PLC模块、开关电源、继电器、接触器、接线端子、触摸屏，用于控制电渗析膜堆（3）在倒极过程中的电磁阀开启或关闭来改变水流方向、整流器（5）正负极换向等；通过触摸屏可方便进行膜堆（3）倒极时间间隔、电源关闭和开启的延时时间、手动或自动模式的设定；

所述的参数在线监测与过程控制单元包括：电导率传感器（1）、温度传感器（2）、无纸记录仪、PLC单元（6）、电磁阀，用来完成电渗析膜堆管路中电导率传感器（1）、温度传感器（2）的数据采集，并传输到无纸记录仪中保存；通过与系统预设值比较，由PLC单元（6）输出响应信号来进行系统控制，实现电磁阀的开启与关闭、开启报警信号、系统断电与停机保护；

对所述电渗析膜堆（3）进行分组，其中2个或3个膜堆为一组，淡水由第一组的第1级进水、最后一组的最后1级出水，浓水从最后一组的最后1级进水、第一组的第1级出水，且同一组膜堆由一个整流器（5）并联供电；根据淡水脱盐率和浓水盐浓度大小，通过在线监测电导率，由PLC单元（6）控制电磁阀开启与关闭来调控淡水和浓水的流向，实现不同隔室溶液在电渗析膜堆（3）中循环或部分循环，以提高淡水脱盐率和浓水浓缩倍数。

2.根据权利要求1所述的用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，其特征在于：所述的多个电导率传感器（1）安装在电渗析膜堆（3）中淡水和浓水的出水管，用于在线监测一组串联膜堆中淡水和浓水的电导率；通过PLC单元（6）把电导率传感器（1）的数据传输到无纸记录仪保存，并与预设值进行比较，由PLC单元（6）输出信号控制对应电磁阀的开启或关闭，使不同管路中的淡水和浓水返回另一组电渗析膜堆（3）进一步处理或直接排放。

3.根据权利要求1所述的用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，其特征在于：所述的温度传感器（2）用来监测电渗析膜堆（3）极室溶液的温度；当监测温度大于系统预设值时，由PLC单元（6）输出信号控制系统断电和停机保护，并输出报警信号。

4.根据权利要求1所述的用于煤化工等行业高盐废水处理的电渗析装置，其特征在于：调整电渗析倒极时间、整流器和电磁阀的开启与关闭延时时间，减小浓水与淡水的混合和电渗析浓差极化，缓解离子交换膜表面结垢和膜污染；淡水和浓水实现循环或部分循环，以获得高脱盐率和高浓缩倍数。

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