CN104098210A

CN104098210A - 一种电絮凝-超滤法处理营养废液装置及方法

Info

Publication number: CN104098210A
Application number: CN201410343272.1A
Authority: CN
Inventors: 沈峥; 张亚雷; 刘莉; 刘诗扬; 张唯; 桑文静; 周雪飞
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2014-10-15

Abstract

本发明涉及一种营养废液电絮凝-超滤处理方法及装置，所述装置由搅拌器、自动变相电源、电解槽、电极板、沉淀池、中空纤维超滤膜组件、离心泵、阀门、压力表、流量计和清水池组成。本发明的方法为：将营养废液置于电解槽中，启动搅拌器，开启自动变相电源，通电反应，通电反应结束后将电解处理后的营养废液引入沉淀池中静置一段时间，开启离心泵，打开阀门，静置后的上清液经中空纤维膜组件处理后进入清水池中。本发明具有结构简单、容易实现自动化控制，出水水质好且稳定的优点。本发明综合应用了环境工程、环境化学、物理化学等学科的前沿理论和高新技术，形成了一种新型、高效的水处理技术—电絮凝-超滤处理技术，该成果的推广与应用为我国农业行业营养废液处理开辟了一条新路。

Description

一种电絮凝-超滤法处理营养废液装置及方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种营养废液电絮凝-超滤处理方法及装置。

背景技术

设施农业属于高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。它是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、无毒农业的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。自20世纪80年代初开始发展设施农业以来，我国设施栽培面积不断扩大。截止到2010年底，我国设施栽培面积已超过350万hm²，与1981年0.72万hm²相比增长了486倍。设施农业的发展不仅极大地丰富了我国城乡居民菜篮子，而且对推进农业结构调整、提高单位土地利用率和农业效益，以及增加农民收入均起到了十分重要的作用。设施栽培中又以无土栽培发展最为迅速，荷兰、英国、法国等欧盟国家，近80％以上主要果菜和花卉采用无土栽培生产。无土栽培因其可避免土壤的连作障碍（包括土传病虫害、化感作用、次生盐渍化等）问题的发生，成为现代设施栽培发展的优先方向。目前，全国无土栽培面积超过3000hm²，同20年前相比，增加了50多倍。

在无土栽培的栽培与收获工程中，会存在一些营养废液。在我国的实际无土栽培中，常常对用过的营养废液采取一次性废弃的方法。这些废液中含有高浓度的氮、磷等营养成分，直接排放到土壤、地表水和地下水，会造成土壤板结和土壤盐浸化、引起河流或湖泊水的富营养化，并且营养废液中大量有机物质易造成营养废液中的病原菌大量繁殖，容易发生病害，影响生态。因此，营养废液在排放前需要经过适当的处理。因为营养废液具有氮、磷浓度高，病原菌多，但碳元素很低，因此可生化性差，不宜采用生化处理，所以从技术上来讲，可采用化学处理法、物理化学处理法、和膜处理法等。

电絮凝技术使用可溶性阳极-金属铝作为牺牲电极，通过电化学反应，铝阳极在被施加电压时，铝电解产生可溶性Al³⁺, Al³⁺在适宜的pH值得条件下生成Al(OH)₃，并进一步转化为Al_n(OH)_3n，羟基的存在使得所形成的絮体具有强大的亲和力，这些絮体与溶液中的污染物结合形成更大的絮体或沉淀，这些絮体、沉淀物和络合物可以进一步结合水中的污染物，同时铝阴极发生还原反应并产生气泡，从而大多数污染物通过化学反应、沉降或气浮的方法被去除。它兼有电化学、絮凝和气浮的特点，能一次性去除营养废液中的多种污染物。且电絮凝技术具有浮渣含水率低和停留时间短两个明显的优势，这有利于污泥的干化处理且大大缩短了生产周期；与化学絮凝不同，电絮凝法是由电解产生的金属离子和絮凝剂协同作用，无须投加絮凝剂、氧化剂等药剂，对水质无二次污染。

超滤是20世纪70年代发展起来的一项分离技术，利用天然或人工合成的具有选择透过性能的薄膜，以外界能量或是化学差为推动力，对双组份溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。超滤膜多为不对称结构，由一层极薄（通常小于16μm）、有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚（通常为125μm）海绵状或是指状结构的多空层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。超滤膜截粒子粒径为几nm到1μm，或是截留相对分子质量为500~5×10⁵的大分子物质。目前商品化的超滤膜主要有聚丙烯腈膜（PAN），醋酸纤维素膜（CA），聚砜膜（PS），聚偏氟乙烯（PVDF)等。超滤膜截留机理主要有三种：在膜表面及微孔内吸附(一次吸附)、在孔中停留而被去除(阻塞)和在膜面的机械截留(筛分)。它不仅能有效去除水中的浊度、悬浮物、胶体、天然有机物、细菌以及病毒等，而且还具有处理效率高、工艺流程短、易控制、使用灵活和占地面积小等特点，被称为是“21世纪的水处理技术”。

本发明根据营养废液水质特点耦合电絮凝与超滤技术，发明了一种电絮凝-超滤方法与装置。与已有类似专利如“混凝-电凝聚-超滤法处理采油废水装置”（申请号：200810012266.2）和“基于电化学和超滤的制革废水循环利用装置”（申请号：201110044405.1）相比，首先处理对象的水质差别较大，营养废液的营养废液中COD较低但是氮、磷浓度高；其次，本发明具有无需投加任何的化学絮凝剂、电极不易钝化和超滤膜不易污染等优点。

发明内容

针对现有营养废液处理技术上的问题，本发明提供一种营养废液电絮凝-超滤处理方法及装置。

本发明提出的营养废液电絮凝-超滤处理装置，包括自动变相电源1、电解槽3、电极板4、搅拌器2、沉淀池6、中空纤维超滤膜组件11、离心泵7、阀门10、压力表8、流量计9和清水池11；其中：电解槽3放置于搅拌器2上，自动变相电源1连接电极板4；电极板4固定于电解槽3内，电解槽3的出液口对准水接受槽6；中空纤维超滤膜组件11固定于电解槽3一侧，中空纤维膜组件11底部入水口依次通过流量计9、压力表8和离心泵7与沉淀池6相接，清水池12通过管道与中空纤维膜组件11的出水口相接。

本发明中，电解槽3中平行布置有若干组电极板4，电极板4采用铝板，相邻的电极板4的间距为1-10cm。

本发明提出的营养废液电絮凝-超滤处理装置的使用方法，具体步骤为：将营养废液置于电解槽中，并调节营养废液的pH值为5~7，然后启动搅拌器，开启自动变相电源，控制自动变相电源电流密度为5~60A/m²，通电时间为5~60min；通电反应结束后将电解处理后的营养废液引入沉淀池中静置5-40min，开启离心泵，打开阀门，并调节中空纤维超滤膜组件的操作压为0.12~0.35MPa，废水经过电絮凝和超滤处理后进入清水池中。

本发明中，通过调节阀门控制超滤的出水流速为0.01~0.08m/s。

本发明中，中空纤维超滤膜组件为内压式中空纤维超滤膜组件，所述膜材料为聚氯乙烯膜、聚丙烯腈膜、聚偏氟乙烯膜中的一种，超滤膜的截留分子量为5000～80000Da，工作条件是：5～38℃，工作压力为0.12～0.35MPa。

本发明耦合了电絮凝和超滤技术，形成了一种新型、高效的水处理技术—电絮凝-超滤处理技术。

与一般水处理技术相比，电絮凝-超滤技术具有以下优点：

1）无需投加化学药剂，处理费用及一次性投资费用低，不会向反应体系中引入其他阴离子、重金属等元素，无二次污染。

2）可操作性强，抗冲击负荷，当水质水量发生变化时，可以通过调节电流密度和电解时间等，使出水达到处理要求，对操作和维护人员的要求较低。

3）装置运行简单，易于实现自动化，操作容易且维护方便，便于管理控制。

4）超滤膜分离过程以压力做驱动力，大多数膜分离过程都不会发生相的变化，能耗通常比较低；而且超滤膜适应的温度范围大，废水在分离过程中不要额外的加热或冷却。

5）超滤膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，试验设备可直接成比例放大用于实际工程，运行参数、工作效率和运行费用等有很大的可借鉴性；超滤膜分离设备的体积通常比较小，占地面积少。

本发明的营养废液电絮凝-超滤法处理方法是一种具有广阔发展前景的废水处理技术，该技术综合环境化学、物理化学等学科的前沿理论和高新技术，在营养废液的处理上，所采用的处理工艺技术及优化设备装置，国内外未有文献记载和专利报道，具有原创性，居同类研究的国际领先水平；该成果的推广与应用为我国设施农业营养废液处理开辟了一条新路。

附图说明

图1为本发明提供的整体工艺结构示意图。

图中：1—自动变相电源；2—搅拌器；3—电解槽；4—电极板；5—导线；6—沉淀池；7—离心泵；8—压力表；9—流量计；10—阀门；11—中空纤维超滤膜组件；12-清水池。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

将营养废液置于电解槽中，采用0.1mol的盐酸和氢氧化钠溶液调节营养废液的PH值在6.00，然后启动搅拌器，开启自动变相电源，通过调节电压控制电流密度为18A/m²，通电反应30min；通电反应结束后将电解处理后的营养废液引入沉淀池中静置10min，开启离心泵将沉淀池中的上清液导入中空纤维超滤膜组件中，并调节中空纤维超滤膜组件的操作压力为0.16MPa，废水经过电絮凝和超滤处理后进入清水池中。试验结果为：

实施例2

实施例3

将营养废液置于电解槽中，采用0.1mol的盐酸和氢氧化钠溶液调节营养废液的PH值在6.50，然后启动搅拌器，开启自动变相电源，通过调节电压控制电流密度为27A/m²，通电反应30min；通电反应结束后将电解处理后的营养废液引入沉淀池中静置10min，开启离心泵将沉淀池中的上清液导入中空纤维超滤膜组件中，并调节中空纤维超滤膜组件的操作压力为0.16MPa，废水经过电絮凝和超滤处理后进入清水池中。试验结果为：

Claims

1.一种营养废液电絮凝-超滤处理装置，其特征在于：包括自动变相电源(1)、电解槽(3)、电极板(4)、搅拌器(2)、沉淀池(6)、中空纤维超滤膜组件(11)、离心泵(7)、阀门(10)、压力表(8)、流量计(9)和清水池(12)；其中：电解槽(3)放置于搅拌器(2)上，自动变相电源(1)连接电极板(4)；电极板(4)固定于电解槽(3)内，电解槽(3)的出液口对准沉淀池 (6)；中空纤维超滤膜组件(11)固定于电解槽(3)一侧，中空纤维膜组件(11)底部的入水口依次通过流量计(9)、压力表(8)和离心泵(7)与沉淀池(6)相接；清水池(12)通过管道与中空纤维膜组件(11)的出水口相接。

2.根据权利要求1所述一种电絮凝-超滤处理营养废液装置，其特征在于电解槽(3)中平行布置有若干组电极板(4)，电极板(4)采用铝板，相邻的电极板(4)的间距为1-10cm。

3.一种如权利要求1所述的营养废液电絮凝-超滤处理装置的使用方法，其特征在于具体步骤为：将营养废液置于电解槽中，并调节营养废液的pH值为5~7，然后启动搅拌器，开启自动变相电源，控制自动变相电源电流密度为5~60A/m²，通电时间为(5)~(6)0min；通电反应结束后将电解处理后的营养废液引入沉淀池中静置5- 40min，开启离心泵，打开阀门，并调节中空纤维超滤膜组件的操作压为0. 12~0. 35MPa，废水经过电絮凝和超滤处理后进入清水池中。

4.根据权利要求3所述的一种电絮凝-超滤处理营养废液装置的使用方法，其特征在于通过调节阀门控制超滤的出水流速为0.01~0.08m/s。

5.根据权利要求3所述一种电絮凝-超滤处理营养废液装置的使用方法，其特征在于中空纤维超滤膜组件为内压式中空纤维超滤膜组件，所述膜材料为聚氯乙烯膜、聚丙烯腈膜、聚偏氟乙烯膜中的一种，超滤膜的截留分子量为5000～80000Da，工作条件是：5～38℃，工作压力为0.12～0.35MPa。