CN104944647A - 基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备和方法，含盐污水或废水经砂滤和超滤等预处理后，依次进入两级电容去离子模块完成95%的脱盐获得淡水，反冲洗浓水可以通过回流管道回到第一级电容去离子模块重新处理。本发明的优点是：电容去离子模块中的离子格栅能够有效阻止反充电脱附过程中阴、阳离子被电极吸附，提高了电极的清洗、再生效果和工作效率；采用两级电容去离子模块处理污水，降低了操作压力，这使得能够使用PVC塑料材质替代昂贵的双相不锈钢，彻底解决了污水中盐分对金属管道的腐蚀问题，且水利用率显著高于反渗透膜法。此外，系统运行压力的降低还可省去昂贵的反渗透膜法浓缩水能量回收装置的投资。

Description

基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备和方法

技术领域

本发明涉及一种污水和废水处理设备和方法，具体是一种基于直流电场作用下电容式水和废水处理设备和处理方法。

背景技术

随着经济的发展和人口的膨胀，工业及生活所需的水资源日益匮乏，水资源净化处理已经成为世界范围内普遍关注的问题。解决水资源匮乏的方法有很多，其中污（废）水回用及开发中水资源，即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水资源短缺的有效途径。同时国家新的《环境保护法》于2015年1月1日也已经开始施行，对工业污（废）水排放的要求日益严格，要求对污（废）水必须进行适当处理，使其达到排放标准才能排放。

水处理技术的不断成熟，特别是近年来膜分离处理技术的发展给城市、工业污（废）水的达标处理排放和回用提供了新的技术手段。然而，虽然水中的许多污染物可以通过传统的混凝、沉淀、过滤、吸附等方法去除，但对于回用或排放要求较高的场合，如对于溶解在水中的盐的去除则需要采用适当的除盐手段来实现。

常见的水的除盐方法有蒸馏、反渗透、电渗析、离子交换等。在工业界已有用超滤/微滤与纳滤、反渗透（多膜法）集成进行工业污（废）水除盐处理的实践，通过采用超滤、微滤来降低污（废）水对纳滤、反渗透膜组件的污染，取得了一定的经验。然而，由于多膜法用于污（废）水回用时工艺复杂，运行成本高、得水率较低，膜组件的使用寿命与常规水处理时相比要短得多，同时需要采用大量还原剂和阻垢剂，使浓水的排放难以达到环保要求。因此，在污（废）水回用领域，存在着技术经济上不尽合理的问题，工程的总体投资很高，运行成本居高不下。因此，寻找一种对污（废）水耐受性好，既能以较低的运行成本进行除盐又对环境友好的除盐技术成为业界的一个重要研究课题。

近些年来，人们一直在寻找和开发新技术来代替具有一定使用规模的多膜法进行工业污（废）水处理。随着均相离子交换膜、高比表面积活性炭等材料的改进提高和结构参数的优化，一种新型的基于直流电场作用下电容式污（废）水除盐技术逐渐崭露头角，技术上和造价、运行成本上的优势使其显示出良好的应用和发展前景。电容式污（废）水除盐技术是利用电容充电时电场作用，穿过电容的水或其他溶液中的阴、阳离子或其他带电粒子，向带相反电荷的电极表面迁移，形成双电层，从而使水中的盐、胶体颗粒及其它带电物质滞留在电极表面，实现水或其他溶液的脱盐和净化，此过程称为正充电吸附。当电极吸附饱和时，将电极去除电压并让双电层放电或施加反向电压，吸附在电极表面的带电粒子从电极表面脱附下来，从而实现电极的再生，可以进行下一次充放电循环过程，此过程称为反充电脱附。因此，电容式污（废）水除盐技术具有以下特点：1）操作电压低，可利用太阳能、风能、潮汐能等自然绿色能源；2）操作水压低，无需耐高压耐腐蚀的金属和机械设备，使用廉价的塑料管道即可满足要求，无需防腐，硬件投资非常节省；3）对预处理要求宽松；4）设备简单，操作简便，极大的减少维护。

这种电容去离子模块的在上述反充电脱附的过程中存在以下问题：当电容去离子模块在反充电脱附时（即电极施加反向电压），吸附在负极上的阳离子，以及吸附在正极上的阴离子脱离并穿过相应的多孔炭薄膜回到溶液中，由正负极之间的间距很小，有些脱附的阳、阴离子被对面的电极（极性相反）吸附过去，这就影响了电容去离子模块正、负电极的清洗和再生效果，降低了工作效率。另外，现有的技术的极间距离达10mm以上，使离子向带相反电荷的电极表面定向迁移的路径较长，也降低了工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备和方法，提高工作效率，最大限度地降低污水或废水处理的投资成本和运行成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，包括通过管道先后串联的预处理装置和电容去离子模块，在该电容去离子模块设有间隔设置的阴电极和阳电极，其特征在于，在所述的阴电极和阳电极相对的一侧分别设有阴电极多孔炭薄膜和阳电极多孔炭薄膜，在两个多孔炭薄膜的相对一侧分别设有阴离子格栅和阳离子格栅，在阴、阳离子格栅之间设有网布，阴电极和阳电极的外侧用夹紧板相互加紧固定；所述的阴、阳离子隔栅分别采用均相的或非均相阴、阳离子交换膜。

所述网布的厚度为1mm～5mm。

所述的阴电极和阳电极采用钛、石墨或其他耐腐蚀导体制成；多孔炭薄膜的材质包括石墨、活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶或碳纳米管；所述的网布包括聚丙烯网布、涤纶、丙纶无纺布。

采用两级或多级所述的电容去离子模块串联来实现污水或废水的除盐过程。

所述的预处理装置包括依次连接的絮凝沉淀用污水水箱、砂滤器和超滤器。

一种采用所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备的污水或废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将含盐量在20000mg/L～40000mg/L的原料污水或废水进行预处理，预处理包括依次进行的絮凝沉淀、砂滤和超滤，向水箱内的污水加入絮凝剂，并在水箱中通过搅拌加速污水中大颗粒、胶体的凝聚，并通过水箱底部的排污口定期排放凝聚的颗粒杂质；上层的清水经过砂滤和超滤两级过滤滤除藻、浊、细菌、大分子有机物；

（2）将经过预处理后的污水或废水通入两级或多级所述的电容去离子模块进行除盐处理，得到符合国家饮用水标准的淡水。

本发明的优点是：电容去离子模块中的离子格栅能够有效阻止反充电脱附过程中阴、阳离子被电极吸附，提高了电极的清洗、再生效果和工作效率；采用两级电容去离子模块处理污水，降低了操作压力，这使得能够使用PVC塑料材质替代昂贵的双相不锈钢，彻底解决了污水或废水中盐分对金属管道的腐蚀问题，且水利用率显著高于反渗透膜法。此外，系统运行压力的降低还可省去昂贵的反渗透膜法浓缩水能量回收装置的投资。

附图说明

图1为本发明电容式污水或废水处理设备的构成示意图；

图2为本发明的电容去离子模块的结构示意图；

图3为本发明的电容式污水或废水处理方法的工艺流程图。

附图标记说明：

1－污水水箱；2－加压泵；3－砂滤器；4－超滤器；41-超滤器排水口；5－直流电源；6－第一级电容去离子模块；7－中间水箱；8－加压泵；9－直流电源；10－第二级电容去离子模块；11－产品水箱；12-主管线；13-反冲洗浓水排放口；14-污水入口；15-回流管道；61-阴电极；62-阴电极上的多孔炭薄膜；63-正离子格栅；64-网布；65-负离子格栅；66-阳电极上的多孔炭薄膜；67-阳电极。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种基于直流电场作用下的电容式污水或废水处理设备，包括通过主管道12先后串联的预处理装置和电容去离子模块。该实施例的预处理装置由依次连接的污水水箱1、砂滤器3和超滤器4组成，被处理的污水或废水从污水入口14引入原料污水水箱1，根据污水性质加入合适的絮凝剂（为常规技术），并在水箱中通过搅拌加速污水中大颗粒、胶体的凝聚，并通过水箱底部的排污口定期排放凝聚的颗粒杂质，上层的清水用加压泵2压入砂滤器3进行粗滤，然后经过超滤器4进一步过滤，滤除了藻、浊、细菌、大分子有机物。该实施例采用两级相同的电容去离子模块6和10串联。

本发明的第一级电容去离子模块6或第二级电容去离子模块10的基本结构参见图2，在内部设有间隔设置的阴电极61和阳电极67，在所述的阴电极61和阳电极67相对的一侧各设有多孔炭薄膜62和66，在两个多孔炭薄膜62和66的相对一侧分别设有正离子格栅65和负离子格栅63，在正、负离子格栅之间设有网布64。阴电极61和阳电极67的外侧用夹紧板通过螺栓相互加紧固定（常规技术，未图示）。

图2中所示的电容去离子模块结构是基本单元，实际的应用的电容去离子模块中的各层结构根据需要重复排列组合而成，重复排列的数量由处理水量而定。

本发明的电容去离子模块6和10与常规的不同地方就是在两侧的多孔炭薄膜62表面分别增加了正、负离子格栅63和65作为离子交换膜，与阳电极67一侧的多孔炭薄膜62上覆盖负离子隔栅65，在阴电极61一侧的多孔炭薄膜62上覆盖正离子隔栅63。网布64起到分隔相对两侧的电极、多孔炭薄膜和离子格栅的作用，并形成水流通道，还可以增加湍流程度。网布64的厚度，即电容去离子模块的阴、阳电极的极间距离为1mm～5mm，这与现有的技术的极间距离达10mm以上具有显著的进步，也是实现工业化应用的关键性改进。极间距小可以使离子向带相反电荷的电极表面定向迁移的路径短，而且水流容易达到湍流程度，减小了迁移扩散的阻力。

正离子隔栅63和负离子隔栅65分别为阴、阳离子交换膜，如均相膜采用聚乙烯、聚丙烯和活性基团三者的共聚物，通过拉伸、流延、涂覆等方法做成基膜，然后进行接枝反应，最后通过后处理得到（为常规技术）。离子交换膜的基本性能要求包括：厚度15nm～50nm，交换容量1.2mol/kg～2.2mol/kg，面电阻3Ω·cm²～5Ω·cm²，选择透过率大于90%。其作用是当电容去离子模块在反充电脱附时，即电极施加反向电压，阳离子交换膜（即正离子格栅63）方向的阴电极61由负变正，与阳离子形成排斥，吸附在多孔炭薄膜62上的阳离子脱离并穿过阳离子交换膜回到溶液中；阴离子交换膜（即负离子格栅65）方向的阳电极67由正变负，与阴离子形成排斥，吸附在多孔炭薄膜66上的阴离子脱离并穿过阴离子交换膜回到溶液中。这些回到溶液中的阳、阴离子，由于相对的阴、阳离子交换膜的阻挡而无法不能吸附到对面的多孔炭上，只能留在溶液中，这时，流出溶液中的离子浓度极度地提高形成浓缩，电容去离子模块得到清洗和再生，准备进行下次吸附。离子隔栅的应用最大的好处就是使电容去离子模块反充电脱附时能够再生的更彻底，最大限度地减少了人为用酸、碱清洗模块的工作，有利于保护水资源和环境。

所述的阴电极61和阳电极67采用钛、石墨或其他耐腐蚀导体制成；多孔炭薄膜的材质包括石墨、活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶或碳纳米管；所述的网布64的材质包括聚丙烯网布、涤纶、丙纶无纺布。

参见图3，本发明一种基于直流电场作用下的电容式污水或废水的处理方法，根据要处理的原料污水或废水的流量（含盐量）的大小，选择两级或多级电容去离子模块。具体的处理过程如下：

含盐量为20000mg/L～40000mg/L的污水或废水先进入污水水箱1，根据污水性质加入合适的絮凝剂（为常规技术），并在水箱中通过搅拌加速污水中大颗粒、胶体的凝聚，并通过水箱底部的排污口定期排放凝聚的颗粒杂质，上层的清水用加压泵2输送至砂滤器3和超滤器4，干净的水进入第一级电容去离子模块6脱盐，由直流电源5提供0.8V～1.2V直流电压，通过阀组的切换，含盐量为6800mg/L～13600mg/L的水进入中间水箱7，而反充电脱附时的高浓度浓水则从反冲洗浓水排放口13排放掉。然后，由加压泵8输送进入第二级电容去离子模块10脱盐，由直流电源9提供0.8V～1.0V直流电压，通过阀组的切换，含盐量低于680mg/L的脱盐水进入产品水箱11，得到淡化水，第二级电容去离子模块10反充电脱附时的高难度浓水则通过回流管道15重新进入原料污水水箱1再利用。

其它附属部件还包括控制阀、流量计、压力表、电导率仪等等。

预处理还可以包括加入氧化剂和还原剂等处理步骤。

需处理的污水或废水经砂滤和超滤等预处理后，进入第一级电容去离子模块6完成66%的脱盐任务，获得初步脱盐的淡水，反冲洗浓水从反冲洗浓水排放口13排放；然后初步脱盐的淡水继续进入第二级电容去离子模块10完成95%以上的脱盐获得淡水，反冲洗浓水可以通过回流管道15回到第一级电容去离子模块6重新处理。

上述两级电容去离子污水或废水处理过程是直接针对现有反渗透膜法除盐技术在“材质、电耗、水利用率”等三大方面的缺陷的重要改进。两级电容去离子污水或废水处理的操作压力低于0.3MPa，这使得能够使用PVC塑料材质替代昂贵的双相不锈钢，底解决了高含盐量的污（废）水对金属管道的腐蚀问题，且水利用率显著高于反渗透多膜法。此外，系统运行压力的降低还可省去昂贵的反渗透膜法浓缩水能量回收装置的投资。

在运行能耗方面，根据测算，两级电容去离子污（废）水处理技术的耗电量不到3kWh/m³左右，与纳滤、反渗透等多膜法相比，吨水耗电量约节省0.5kWh/m³～2kWh/m³。就淡化原理而言，反渗透膜法是将溶剂，即水份从污（废）水中分离出来而截留溶质，而两级电容去离子是将占水溶液的少量部分的溶质吸附在电极上除去而获得脱盐水，因此能耗更低。与反渗透膜法淡化系统45%～50%的水利用率相比，两级电容去离子的水利用率可达到60%以上，这将显著减少浓盐水的排放量。

    下面结合两个具体实施例说明本发明的处理效果（预处理相同，略）。

实施例1

采用本发明提出的处理含盐量为22000mg/L的污水或废水的处理工艺和设备，处理效果如下：

污水或废水含盐量22000mg/L，pH约7.6，钠离子6800mg/L，硬度2200mg/L（以CaCO₃计），氯离子12300mg/L，硫酸盐2100mg/L。

经过两级电容去离子模块近300h的连续运行除盐，所得淡水含盐量为422mg/L，全套工艺的总能耗为2.2kWh/m³，水回收率则为65%。

实施例2

采用本发明提出的处理含盐量为35000mg/L的污水或废水的处理工艺和设备，处理效果如下：

原料污水或废水含盐量35000mg/L，pH约7.6，钠离子9000mg/L，硬度3800mg/L（以CaCO₃计），氯离子17000mg/L，硫酸盐2600mg/L。

经过两级电容去离子模块近200h的连续运行除盐，所得淡水含盐量为600mg/L，全套工艺的总能耗为3.0kWh/m³，水回收率则为60%。

因此，采用本发明的污水或废水处理工艺和设备，处理含盐量为20000mg/L～40000mg/L的污水或废水，可直接制取含盐量低于1000mg/L的淡水，满足国家《生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006）》中对溶解性总固体的限值要求，最大限度地提高了水的综合利用率，扩展了饮用水取水来源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，包括通过管道先后串联的预处理装置和电容去离子模块，在该电容去离子模块设有间隔设置的阴电极和阳电极，其特征在于，在所述的阴电极和阳电极相对的一侧分别设有阴电极多孔炭薄膜和阳电极多孔炭薄膜，在两个多孔炭薄膜的相对一侧分别设有阴离子格栅和阳离子格栅，在阴、阳离子格栅之间设有网布，阴电极和阳电极的外侧用夹紧板相互加紧固定；所述的阴、阳离子隔栅分别采用均相的或非均相阴、阳离子交换膜。

2.根据权利要求1所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，其特征在于，所述网布的厚度为1mm～5mm。

3.根据权利要求1所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，其特征在于，所述的阴电极和阳电极采用钛、石墨或其他耐腐蚀导体制成；多孔炭薄膜的材质包括石墨、活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶或碳纳米管；所述的网布包括聚丙烯网布、涤纶、丙纶无纺布。

4.根据权利要求1所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，其特征在于，采用两级或多级所述的电容去离子模块串联来实现污水或废水的除盐过程。

5.根据权利要求1所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备，其特征在于，所述的预处理装置包括依次连接的絮凝沉淀用污水水箱、砂滤器和超滤器。

6.一种采用权利要求1所述的基于直流电场作用下电容式污水和废水处理设备的污水或废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将含盐量在20000mg/L～40000mg/L的原料污水或废水进行预处理，该预处理包括依次进行的絮凝沉淀、砂滤和超滤，向水箱内的污水加入絮凝剂，并在水箱中通过搅拌加速污水中大颗粒、胶体的凝聚，并通过水箱底部的排污口定期排放凝聚的颗粒杂质；上层的清水经过砂滤和超滤两级过滤滤除藻、浊、细菌、大分子有机物；

（2）将经过预处理后的污水或废水通入两级或多级所述的电容去离子模块进行除盐处理，得到符合国家饮用水标准的淡水。