CN106044967A - 同步脱盐除有机物的污水处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步脱盐除有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极用于分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成脱盐除污室和清水室，所述脱盐除污室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括层叠设置的超（微）滤膜层和导电材料层，所述两个复合电极的超（微）滤膜层相对设置。本发明还公开了一种同步脱盐除有机物的污水处理方法。

Description

同步脱盐除有机物的污水处理方法及装置

技术领域

本发明属于污水处理与水资源回用领域，具体涉及一种同步脱盐除有机物的污水处理方法及装置。

背景技术

目前，国内外均面临着严重的水环境问题，主要体现在水污染严重和水资源短缺两个方面，已成为制约经济和社会可持续发展的主要因素之一。为缓解水环境危机，需要从供水来源开发和水污染控制两个角度入手。污水再生利用在降低污水排放量的同时，提供了一种新的水资源来源，具有成本低、潜力大、适用性广和环境友好等特点，是解决当前水环境问题的切实有效的措施之一。

膜分离技术，包括微滤、超滤、纳滤及渗透等，通过过滤截留，选择性地将水资源从复杂水体中稳定、高效地分离出来，是近年来最受关注的污水回用技术之一。其中，超（微）滤技术可以在适宜条件下实现对污水中的微生物、细菌、污染物微粒、胶体以及部分溶解性有机物的高效去除，被广泛应用于市政污水和工业废水的深度处理，以及海水淡化等多个领域，是应用最为广泛的膜分离技术之一。

然而，膜污染的发生会显著降低膜通量、增加运行能耗，始终制约着膜法水处理技术的进一步推广发展。在膜法水处理系统中，待分离污染物普遍呈现负电性，在外加电场的作用下可以发生定向移动。根据这一原理，在膜过滤过程中合理布设外加电场，借助电场作用力驱使污染物向远离膜表面的方向移动，可以实现对膜污染的有效控制，改善超（微）滤水处理工艺的运行效果。

在超（微）滤污水回用领域，污水中有机污染物的去除是以往关注的热点，然而污水中无机盐分的去除同样重要。目前，污水回用水的主要应用领域包括地表灌溉、工业回用和地下水回灌等，回用水中过高的盐分会导致土壤盐渍化、生产设备结垢等一系列问题。近年来，污水回用过程中的盐分去除需求愈加紧迫。传统的脱盐工艺，如反渗透和热蒸馏等，具有能耗高、工艺复杂和操作难度高等缺点，难以迎合可持续发展的需求。

电吸附脱盐工艺基于电化学双电层理论，在外加电源辅助下利用电极的电化学特性实现水中离子和有机物的去除，是一种全新的、具有可持续发展特征的水处理工艺，在处理效率、能耗、运行维护以及环境友好等方面有着显著的优势，应用发展前景广阔。然而，采用电吸附脱盐工艺直接进行污水回用处理，装置中的电极极易受到污水中的有机污染物的污染，而使得运行效率降低。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种同步脱盐除有机物的污水处理方法及装置，旨在解决现有水回用工艺流程复杂、运行能耗高、不可持续发展的问题。

一种同步脱盐除有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极用于分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成脱盐除污室和清水室，所述脱盐除污室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括层叠设置的超（微）滤膜层和导电材料层，所述两个复合电极的超（微）滤膜层相对设置。

一种同步脱盐除有机物的污水处理方法，包括以下步骤：

（a）安装如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置；

（b）输送污水进入所述脱盐除污室，启动外加电源在脱盐除污室两侧的复合电极上分别施加正负电压，施加负电压的复合电极为阴极，施加正电压的复合电极为阳极，从而形成电场，使污水中的阳离子在电场驱动作用下向阴极方向移动，阴离子在电场驱动力作用下向阳极方向移动，阳离子和阴离子被分别吸附在阴极和阳极表面，实现脱盐过程；以及

（c）使污水中的水分子在脱盐除污室与清水室之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极的超（微）滤膜层和导电材料层进入清水室，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置排出，污水中的有机污染物被超（微）滤膜层截留在脱盐除污室内，实现有机污染物的去除。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：结合超（微）滤和电吸附脱盐各自特点，实现污水中有机污染物和盐分的同步去除，电吸附脱盐所需电场有利于超（微）滤膜层膜污染的减缓，超（微）滤膜层的存在保护电极免于有机污染物的污染，形成一种流程简单、能效高、模块化程度高、稳定性好、适应性好，环境友好和可持续发展的绿色新型工艺。所述同步脱盐除有机物的污水处理装置和方法不仅有效缩短了工艺流程，降低运行成本，且运行效果显著优于单一工艺的独立运行效果。

附图说明

图1为本发明同步脱盐除有机物的污水处理装置的结构及原理示意图。

图2为本发明实施例复合电极的制备方法的示意图。

图3为本发明实施例同步脱盐除有机物的污水处理装置对不同分子量的模型物质的截留性能测试图。

图4为本发明实施例同步脱盐除有机物的污水处理装置在不同电压条件下对1 g/L NaCl溶液的多周期脱盐效果测试图。

图5为本发明实施例同步脱盐除有机物的污水处理装置对实际废水的脱盐效果测试图。

图6为本发明实施例同步脱盐除有机物的污水处理装置对模型有机物废水的电催化降解污染物效果测试图。

图7为本发明实施例同步脱盐除有机物与脱盐、过滤分别独立运行效果的对比图。

主要元件符号说明

同步脱盐除有机物的污水处理装置	100
		污水处理池	10
脱盐除污室	12
		清水室	14
复合电极	20
		超（微）滤膜层	22
导电材料层	24
		外加电源	30
有机污染物	40
		基板	50
铸膜液液膜	52
		污水处理装置	200
污水处理池	210
		有机物截留室	212
脱盐室	214

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的同步脱盐除有机物的污水处理方法及装置作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例首先提供一种同步脱盐除有机物的污水处理装置100，包括污水处理池10及两个相对且间隔设置的复合电极20，所述两个复合电极20用于分别连接外加电源30的正极和负极，所述污水处理池10被所述两个复合电极20分割成脱盐除污室12和清水室14，所述脱盐除污室12位于所述两个复合电极20之间，所述清水室14位于所述两个复合电极20外侧，每个复合电极20包括层叠设置的超（微）滤膜层22和导电材料层24，所述两个复合电极20的超（微）滤膜层22相对设置。

所述两个复合电极20可相互平行设置，间隔距离可以为0.1 mm至10 mm。所述脱盐除污室12由所述两个复合电极的超（微）滤膜层22相对形成。所述两个复合电极20可设置在所述污水处理池10中间位置，形成两个清水室14。所述脱盐除污室12位于所述两个清水室14之间。所述同步脱盐除有机物的污水处理装置100可进一步包括与所述脱盐除污室12连通的入水口和与所述清水室14连通的出水口。

所述复合电极20的超（微）滤膜层22和导电材料层24可直接接触设置，所述复合电极20可仅由所述超（微）滤膜层22和导电材料层24组成。所述复合电极20能够使水分子通过，所述脱盐除污室12和所述清水室14仅通过所述复合电极20实现流体连通。

请参阅图2，在优选的实施例中，所述复合电极20通过原位复合法制备，包括在基板50上涂覆铸膜液液膜52；将导电材料层24覆盖在该铸膜液液膜52表面；将该铸膜液液膜52进行非溶剂诱导相转化成膜，从而在所述导电材料层24原位形成所述超（微）滤膜层22，从基板50上分离得到所述复合电极20。

所述超（微）滤膜层22（即超滤膜或微滤膜）可以是有机高分子膜或无机膜，所述超（微）滤膜层22的材料可以选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚氯乙烯、聚丙烯腈中、陶瓷膜及金属膜中的至少一种，优选为聚偏氟乙烯。所述超（微）滤膜层22的表面孔径可以为10纳米至1微米。

所述导电材料层24的材料为具有极大比表面积的多孔碳材料，如活性炭、碳纳米管及碳气凝胶中的至少一种。所述导电材料层24的比表面积优选大于50m²/g，例如可以为50 m²/g至10000 m²/g。

所述外加电源30为直流电源，如化学燃料电池、生物燃料电池和物理能源电池中的一种或几种。

所述脱盐除污室12内可以不填充任何材料，或填充离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种。所述三维电极为活性炭或金属氧化物等单极性或复极性电极。所述催化剂为金属或金属氧化物等光电催化剂。

使用时，通过外加电源30对复合电极20施加电压，在两个复合电极20之间形成电场，污水首先进入脱盐除污室12，水分子依次穿过复合电极20的超（微）滤膜层22和导电材料层24进入清水室14，最后排出该同步脱盐除有机物的污水处理装置100，污水中的盐分在电场驱动作用下被吸附在导电材料层24表面，污水中的有机污染物被超（微）滤膜层22截留在脱盐除污室12中，实现盐分和有机污染物的同步去除。所述超（微）滤膜层22和导电材料层24两部分可以在物理、化学层面上复合为一体发生作用，也可以独立存在发生作用。

本发明实施例还提供一种同步脱盐除有机物的污水处理方法，包括以下步骤：

（a）安装所述同步脱盐除有机物的污水处理装置100；

（b）输送污水进入脱盐除污室12，启动外加电源30在脱盐除污室12两侧的复合电极20上分别施加正负电压施加负电压的复合电极20为阴极，施加正电压的复合电极20为阳极，从而形成电场，使污水中的阳离子在电场驱动作用下向阴极方向移动，阴离子在电场驱动力作用下向阳极方向移动，阳离子和阴离子被分别吸附在阴极和阳极表面，实现脱盐过程；以及

（c）使污水中的水分子在脱盐除污室12与清水室14之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极20的超（微）滤膜层22和导电材料层24进入清水室14，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置100排出，污水中的有机污染物40被超（微）滤膜层22截留在脱盐除污室12内，实现有机污染物的去除。

所述复合电极20之间施加的电压差范围为0.1至2.2 V，优选为2 V。

所述形成脱盐除污室12与清水室14之间跨膜压差的方法可以是在脱盐除污室12的入水口和/或清水室14的出水口连接蠕动泵，形成从脱盐除污室12向清水室14之间流动。所述进水口的流速为0.5至20 mL/(min·cm²)，所述出水口的流速为0.01至1.6 mL/(min·cm²)。

所述同步脱盐除有机物的污水处理方法和装置100优选适合处理含有无机盐分和有机污染物的污水，含盐量优选为0.1至35 g/L，有机物含量为0.1至30 g/L。

所述外加电源30可以为化学燃料电池、生物燃料电池和物理能源电池中的一种或几种。

另外，可进一步包括在所述脱盐除污室12内填充离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种的步骤，在电催化作用下可以进一步降解被截留有机污染物，实现污染物的减量排放或零排放。

当所述污水处理完毕或所述复合电极20达到饱和时，可关闭出水口及外加电源30，这时吸附在复合电极20表面的阳离子和阴离子脱附进入所述脱盐除污室12中，从该脱盐除污室12直接排出该污水处理装置100。

实施例1同步脱盐除有机物的污水处理装置100

所述脱盐除污室12内不填充其它材料，所述复合电极20由活性炭层和聚偏氟乙烯超滤膜组成，通过原位复合法制备。请参阅图3，所述同步脱盐除有机物的污水处理装置100对不同分子量的有机物具有不同的截留性能。

所述外加电源30为电化学工作站（PGSTAT 128N, Metrohm Autolab.Netherlands）。

实施例2不同外加电压对比测试

利用实施例1所述的污水处理装置100，处理含盐及有机物的模型废水，所述盐分为1g/L NaCl，有机物为20 mg/L海藻酸钠、20 mg/L牛血清蛋白和20 mg/L腐殖质的混合，该外加电源30在一个复合电极20分别施加电压1.2 V和2.0 V，在另一个复合电极20施加电压0V，出水口流速为24 L h⁻¹ m⁻²。该外加电源30每隔1小时关闭1小时，使复合电极20上吸附的离子脱附，为实验需要，脱附过程中不关闭所述出水口。请参阅图4，图4中电导率随时间变化，下降阶段为脱盐除有机物阶段，上升阶段为关闭外加电源30使复合电极20脱附阶段，可以看到，该污水处理装置100在两种外加电压条件下均取得了较好的脱盐效果。并且，在两种外加电压条件下该污水处理装置100对有机物的截留率均达到85%以上。

实施例3同步脱盐除有机物处理实际废水

利用实施例1所述的污水处理装置100，处理实际食品加工废水。实验原水的TOC浓度为450 ± 24 mg/L，电导率为1780 ± 90 μS/cm。该外加电源30在一个复合电极20施加电压2.0 V，在另一个复合电极20施加电压0 V，装置出水流速为106 ± 7 L h⁻¹ m⁻²。

请参阅图5，所述污水处理装置100对实际食品加工废水的脱盐效果良好，多周期运行工况下脱盐率稳定在50%左右，有机物去除率达到92%。

实施例4 电催化降解性能测试

利用实施例1所述的污水处理装置100，处理模型废水。实验原水的COD浓度为123 ± 2mg/L，电导率为1850 ± 40 μS/cm。该外加电源30在一个复合电极20施加电压5.0 V，在另一个复合电极20施加电压0 V，装置出水流速为167 ± 8 L h⁻¹ m⁻²。对出水口的COD浓度进行测试。

对比例1

与实施例4相同，区别仅在所述外加电源30关闭，即不进行同步脱盐，对出水口的COD浓度进行测试。

请参阅图6，将实施例4与对比例1的COD浓度测试数据进行对比，可以看到实施例4在外加电压作用下同时发生了电催化反应，与不加电工况相比，加电工况下实验原水中的有机物被迅速降解。表明本发明所述污水处理装置100在同步脱盐截污的同时，该复合电极20也具有突出的电催化降解有机污染物的能力。

实施例5 脱盐-过滤集成

利用实施例1所述的污水处理装置100，处理模型废水。实验原水的COD浓度为123 ± 2mg/L，电导率为1850 ± 40 μS/cm。该外加电源30在一个复合电极20施加电压2.0 V，在另一个复合电极20施加电压0 V，装置出水流速为167 ± 8 L h⁻¹ m⁻²。对出水口的脱盐率和污染物截留率进行测试。

对比例2 脱盐-过滤串联

提供另一污水处理装置200，包括污水处理池210、两个相对且间隔设置的超（微）滤膜层22及与该超（微）滤膜层22分离设置的两个电极，该电极的材料为导电材料层24，所述污水处理池210被所述两个超（微）滤膜层22分割成有机物截留室212及两个脱盐室214，所述有机物截留室212位于所述两个超（微）滤膜层22之间，所述两个脱盐室214分别位于所述两个超（微）滤膜层22外侧，所述两个电极24分别设置在该两个脱盐室214，并相互相对设置。外加电源30的正负极分别与该两个电极电连接。该超（微）滤膜层22及电极与所述实施例1的超（微）滤膜层22及导电材料层24相同。模型废水首先从流入口进入有机物截留室212，并通过两个超（微）滤膜层22过滤，过滤后的含盐废水进入两个脱盐室214，阴阳离子在两个电极表面吸附，使脱盐室214中的水脱盐，最后从与脱盐室214连接的出水口排出所述污水处理装置200。处理的模型废水、外加电压及出水流速与实施例5均相同。对出水口的脱盐率和污染物截留率进行测试。

对比例3 单一脱盐

与实施例5相同，区别仅在所述污水处理装置100的复合电极20替换为仅含有导电材料层24的电极。对出水口的脱盐率和污染物截留率进行测试。

对比例4 单一过滤

使用传统错流过滤装置对实施例5相同的模型废水进行过滤，对出水口的脱盐率和污染物截留率进行测试。

请参阅图7，将本发明实施例5的脱盐-过滤集成在同一复合电极20的测试结果与先过滤后脱盐的串联方式，及单一脱盐以及单一过滤的测试结果进行对比，可以看到实施例5在外加电压作用下在2 h内实现了约70%的脱盐率和约90%的有机污染物截留。相比之下，单一脱盐工艺由于电极受到有机物的迅速污染，仅实现约46%的盐分截留和31%的污染物截留，且继续运行的处理效果更差；单一过滤工艺虽然实现了约80%的污染物截留，但对盐分几乎没有去除效果；过滤和脱盐工艺串联后的效果有所提升，但由于缺乏外加电场对超（微）滤膜层的抗污染作用，过滤工艺随着膜污染的发生，截留效果有所降低，进而引发后续脱盐工艺性能降低。上述实验数据对比结果表明，本发明所述同步脱盐除污集成工艺具有巨大的应用潜力。

本发明实施例结合超（微）滤和电吸附脱盐各自的工艺特点，实现污水中有机污染物和盐分的同步去除，电吸附脱盐所需电场有利于超（微）滤膜层膜污染的减缓，超（微）滤膜层的存在保护电极免于有机污染物的污染，并可防止脱盐除污室中所填充的树脂、三位电极和多相催化剂的逸散，形成一种流程简单、能效高、模块化程度高、稳定性好、适应性好，环境友好和可持续发展的绿色新型工艺。该集成工艺的运行效果显著优于单一工艺的独立运行效果。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (13)

1.一种同步脱盐除有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极用于分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成脱盐除污室和清水室，所述脱盐除污室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括层叠设置的超（微）滤膜层和导电材料层，所述两个复合电极的超（微）滤膜层相对设置。

2.如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述超（微）滤膜层的材料可以选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚氯乙烯、聚丙烯腈中、陶瓷膜及金属膜中的至少一种。

3.如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述超（微）滤膜层的表面孔径为10纳米至1微米。

4.如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述导电材料层的材料为活性炭、碳纳米管及碳气凝胶中的至少一种。

5.如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述脱盐除污室内不填充任何材料，或者所述同步脱盐除有机物的污水处理装置进一步包括填充在所述脱盐除污室内的离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种。

6.如权利要求5所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述三维电极为活性炭或金属氧化物。

7.如权利要求5所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述催化剂为金属或金属氧化物。

8.如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置，其特征在于，所述两个复合电极间隔距离为0.1mm至10mm。

9.一种同步脱盐除有机物的污水处理方法，包括以下步骤：

（a）安装如权利要求1所述的同步脱盐除有机物的污水处理装置；

（b）输送污水进入所述脱盐除污室，启动外加电源在脱盐除污室两侧的复合电极上分别施加正负电压施加负电压的复合电极为阴极，施加正电压的复合电极为阳极，从而形成电场，使污水中的阳离子在电场驱动作用下向阴极方向移动，阴离子在电场驱动力作用下向阳极方向移动，阳离子和阴离子被分别吸附在阴极和阳极表面，实现脱盐过程；以及

（c）使污水中的水分子在脱盐除污室与清水室之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极的超（微）滤膜层和导电材料层进入清水室，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置排出，污水中的有机污染物被超（微）滤膜层截留在脱盐除污室内，实现有机污染物的去除。

10.如权利要求9所述的同步脱盐除有机物的污水处理方法，其特征在于，所述正电压与负电压之间的电压差为0.1V至2.2 V。

11.如权利要求9所述的同步脱盐除有机物的污水处理方法，其特征在于，与脱盐除污室连接的进水口的流速为0.5 mL/(min·cm²)至20 mL/(min·cm²)。

12.如权利要求9所述的同步脱盐除有机物的污水处理方法，其特征在于，与清水室连接的出水口的流速为0.01 mL/(min·cm²)至1.6 mL/(min·cm²)。

13.如权利要求9所述的同步脱盐除有机物的污水处理方法，其特征在于，进一步包括在所述脱盐除污室内填充离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种的步骤。