CN109626672A - 基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，属于废水深度处理和回用领域，其目的是发明一种高效地去除废水中硝态氮的方法，包括步骤有树脂吸附工艺，饱和树脂脱附工艺，树脂解脱附液处置工艺、树脂循环再生工艺。本发明借助树脂对废水中硝态氮的吸附和脱附循环工艺，组合电催化对树脂脱附液催化还原工艺，共同去除废水中的硝态氮。本发明实现了脱附液处置的资源化、无害化的目标，满足树脂循环利用的要求。

Description

基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法。
背景技术
由于商业、工业、农业不断进步，工业化生产中的污水、生活污水以及饮用水源等多种水体中的氮元素含量不断上升。氮类是引起水体富营养化和污染的重要因素之一，其过量排放给城市给水厂的废水处理过程带来很大的影响。研究指出污水处理厂采用先进的处理工艺可极大地缓解受纳自然水体因氮元素浓度升高而导致的富营养化问题。为满足保护公众健康和生态环境，国家对污水处理厂出水的总氮制订更严格的排放标准，根据国家的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)要求，总氮浓度从没有限制到15mg/L(一级A)和20mg/L(一级B)。然而随着我国城镇污水处理规模的不断扩大，排放标准的不断提高，这使我国大部分污水厂处理面临巨大的持续升级改造压力，研究开发污水处理厂后续工艺中的除氮技术已成为水污染控制工程领域研究的重点。对于水中的硝酸盐氮，主要的去除方式有生物反硝化技术、反渗透膜技术、吸附和离子交换法和活泼金属还原法等，其中吸附和离子交换法作为世界卫生组织(WHO)与美国环保署(USEPA)推荐的处理方法之一，在硝酸盐的深度处理中得到了广泛应用。然而废水经树脂处理后产生的脱附液具有盐度高、硝氮浓度高、难生物降解等特点，脱附液难以处理，大大限制了树脂的推广应用。因此，急需寻找高效经济的处理高浓度硝态氮脱附液的工艺。CN 106186592A 提出“一种去除树脂脱附液中硝态氮的装置及其应用工艺”的臭氧高级氧化法存在但臭氧利用率低、电耗高的缺点；CN 206203954U提出“膜组件电渗析法在线树脂再生装置”的工艺中存在运行成本较高、滤膜污染且污染物分离后仍需进行处理的问题；强化混凝等脱附液处置技术运行成本较高，且没有实现脱附液的资源化利用，难以真正解决工业上的难题。电催化技术作为新型的环境友好技术，因可控性强、无二次污染问题、反应受外界环境影响小等优点，已越来越受到大众的关注。电催化技术催化硝酸盐反应无需外加还原剂，可凭电子直接在阴极将硝酸盐还原生成氮气和氨(副产物)，同时在阳极将氨氮氧化成氮气，达到完全脱氮效果。电催化工艺反应具有选择性和安全性，避免造成二次污染，被称为“环境友好型”水处理技术。提出以电催化工艺为主导，结合树脂循环再生工艺，实现废水中硝态氮的深度处理目标，大大缓解氮元素的过量排放对环境造成的生态胁迫。
发明内容
针对目前单一处理技术无法实现废水中硝态氮的深度去除的目标，本发明提供一种深度处理废水中硝态氮的方法和系统，本发明通过树脂对废水中硝态氮的吸附，去除废水中的硝态氮污染物，饱和强碱性阴离子交换树脂再生所得的脱附液经电催化工艺处理，电解后的电解液套用树脂的再生剂，达到强碱性阴离子交换树脂循环利用的目的。该发明能够去除废水中的硝态氮，为污水的深度处理与综合利用提供重要保障。
本发明的原理：对含有硝态氮的废水进行处理时，通过耦合电催化去除硝态氮工艺和强碱性阴离子交换树脂吸附硝态氮循环再生工艺，实现对含有硝态氮的废水深度处理的目标。
本发明提供了了一种基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，按照先后顺序包括以下步骤：
(A)将含有硝态氮的废水通树脂吸附柱进行吸附，待出水的硝态氮浓度降低后停止吸附；
(B)利用氯化钠溶液作为脱附剂，对吸附饱和的树脂进行脱附，得到脱附液；
(C)利用电催化工艺对脱附液进行电解，在阴极通过电催化还原作用将硝态氮转变成氮气和氨氮，在阳极通过直接氧化和间接氧化作用将副产物氨氮氧化为氮气，电解后的溶液经沉淀池分离，得到电解液；
(D)将经过再生剂脱附的强碱性阴离子树脂进行再次吸附待处理的含有硝态氮的废水，待出水的硝态氮浓度降低后停止吸附；
(E)利用电解结束后分离得到的电解液脱附步骤(D)中吸附饱和的树脂，得到脱附液；
(F)依次重复步骤C、D、E，实现废水中硝态氮的去除。
根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(A)中的吸附过程中，所述树脂吸附柱选用的树脂为强碱性阴离子交换树脂。
优选的是，所述废水中硝态氮的浓度为15～100mg/L，在步骤(A)中的吸附过程中，所述废水的流速是5～10BV/h，所述吸附过程在树脂反应器中进行，所述树脂反应器的出液口设置硝态氮在线监测仪。
在上述任一方案中优选的是，强碱性阴离子交换树脂再生剂中氯化钠的浓度为10～12wt％，树脂再生剂与树脂体积比约为8.0～10.0：1，树脂再生后脱附液中的硝酸根浓度为800～1200mg/L。
在上述任一方案中优选的是，步骤(E)中，所述电解液使用时调节pH至中性。
在上述任一方案中优选的是，步骤(C)中，所述电催化工艺包括电解催化还原和沉淀分离过程，所述电催化还原过程为在阴极通过电催化还原作用将硝态氮转变成氮气和氨氮，在阳极通过直接氧化和间接氧化作用将副产物氨氮氧化为氮气；所述沉淀分离过程为在电解工艺中加入内外循环装置，通过所述内外循环装置及时将沉淀分离，确保沉淀不附着在极板上，不影响离子在极板上的反应速率。
在上述任一方案中优选的是，步骤(C)中，所述电催化工艺，稳压电流为 0.8～1.5A，电压为1.0～2.0V，极板间距为5～15mm。
在上述任一方案中优选的是，步骤(C)中，所述电催化工艺，阴极使用的电极材料为铜或铁，阳极使用的电极材料为石墨，极板的规格为200m。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的深度处理废水中硝态氮的方法，先利用树脂对硝酸盐具有较高的吸附容量和较强吸附的特点，吸附含硝态氮的废水，达到去除废水中硝酸盐的目的，再耦合电催化还原去除硝酸盐工艺，将硝酸盐选择性地还原成氮气，达到去除硝酸盐的目的；
(2)本发明提供的深度处理硝酸盐废水的方法，反应池中保持偏碱性的环境，保证铜或者铁在发生反应之后能及时地变成沉淀，确保电解液中有不含有金属离子；
(3)本发明提供的深度处理硝态氮废水的方法，出水中的硝态氮浓度低于或者等于15mg/L；
(4)本发明中强碱性阴离子树脂机械强度高，再生性能良好，利用电解液进行冲洗脱附后，仍可重复使用；
(5)本发明操作工艺简单，运行效果稳定，成本低廉，在保证树脂的循环再生利用的同时，还能保证硝态氮的排放浓度满足环境的承受力，对环境不带来影响。
附图说明
图1为按照本发明的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本发明提供的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，按照先后顺序包括以下步骤：
A、树脂吸附工艺，将硝态氮浓度为20mg/L的待处理废水通过10ml树脂柱，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附；
B、饱和树脂再生工艺，即将树脂反应器中吸附饱和的树脂排入树脂再生器, 使用100ml的12％的氯化钠溶液作为再生剂，再生剂与树脂的体积比为10：1，得到10ml新鲜树脂和100ml脱附液，脱附液中硝态氮的浓度为947.98mg/L；
C、脱附液处理工艺，即将步骤B中的得到的100ml脱附液进行电解，在点解工艺中利用铜电极作为阴极，石墨作为阳极，待电解工艺中电压增长的幅度超过10％时停止电解，过滤之后得到100ml电解液，硝态氮浓度为299.04mg/L；
D、新鲜树脂吸附工艺，即将步骤B的10ml新鲜树脂再次吸附待处理废水，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附，得到饱和树脂；
E、利用步骤C得到的100ml的硝态氮浓度为299.04mg/L的电解液作为树脂的再生剂，对步骤D中的饱和树脂进行脱附，脱附液中硝态氮的浓度为950.11 mg/L。
F、循环工艺，重复步骤C、D、E，实现废水中硝态氮持续高效地去除。
实施例二
本发明提供的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，按照先后顺序包括以下步骤：
A、树脂吸附工艺，将硝态氮浓度为45mg/L的待处理废水通过10ml树脂柱，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附；
B、饱和树脂再生工艺，,即将树脂反应器中吸附饱和的树脂排入树脂再生器, 使用100ml的12％的氯化钠溶液作为再生剂,再生剂与树脂的体积比为10：1，得到10ml新鲜树脂和100ml脱附液，脱附液中硝态氮的浓度为913.94mg/L；
C、脱附液处理工艺,即将步骤B中的得到的100ml脱附液进行电解，在电解工艺中利用铁电极作为阴极，石墨作为阳极，待电解工艺程中电压增长的幅度超过10％就停止电解，过滤之后得到100ml电解液，硝态氮浓度为334.15 mg/L；
D、新鲜树脂吸附工艺，即将步骤B的10ml新鲜树脂再次吸附待处理废水，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附，得到饱和树脂；
E、利用步骤C得到的100ml的硝态氮浓度为334.15mg/L的电解液作为树脂的再生剂，对步骤D中的饱和树脂进行脱附，脱附液中硝态氮的浓度为842.66 mg/L。
F、循环工艺，重复步骤C、D、E，实现废水中硝态氮持续高效地去除。
实施例三
本发明提供的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，按照先后顺序包括以下步骤：
A、树脂吸附工艺，将硝态氮浓度为80mg/L的待处理废水通过10ml树脂柱，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附；
B、饱和树脂再生工艺，即将树脂反应器中吸附饱和的树脂排入树脂再生器, 使用100ml的12％的氯化钠溶液作为再生剂，再生剂与树脂的体积比为10：1，得到10ml新鲜树脂和100ml脱附液，脱附液中硝态氮的浓度为950.11mg/L；
C、脱附液处理工艺，即将步骤B中的得到的100ml脱附液进行电解，在点解工艺中利用铁电极作为阴极，石墨作为阳极，待电解工艺中电压增长的幅度超过10％就停止电解，过滤之后得到100ml电解液，硝态氮浓度为373.51 mg/L；
D、新鲜树脂吸附工艺，即将步骤B的10ml新鲜树脂再次吸附待处理废水，调节进水流速为6BV/h，吸附达到穿透点时停止吸附，得到饱和树脂；
E、利用步骤C得到的100ml的硝态氮浓度为373.51mg/L的电解液作为树脂再生剂，对步骤D中的饱和树脂进行脱附，脱附液中硝态氮的浓度为1112.87 mg/L。
F、循环工艺，重复步骤C、D、E，实现废水中硝态氮持续高效地去除。
通过以上实施例可知，采用本发明的技术方案可实现硝态氮的高效去除，并利用电解工艺中的电解液套用树脂再生工艺中再生液，可最大程度上降低脱附液产量，再生后树脂的重新使用可实现资源化处理和现废水中硝态氮污染物去除的工艺循环。
现有技术中(CN 106186592 A)，运行成本主要包括：曝气电能消耗以及污泥后续处理费用，而本法的运行成本主要包括：极板消耗和电催化电能消耗，两者相比，现有技术的运行成本明显远远高于本法的运行成本，此外，现有技术在运行时还会二次污染物，而本法并不会产生二次污染物，可循环利用。
本领域技术人员不难理解，本发明的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，按照先后顺序包括以下步骤：
(A)将含有硝态氮的废水通树脂吸附柱进行吸附，待出水的硝态氮浓度降低后停止吸附；
(B)利用氯化钠溶液作为脱附剂，对吸附饱和的树脂进行脱附，得到脱附液；
(C)利用电催化工艺对脱附液进行电解，在阴极通过电催化还原作用将硝态氮转变成氮气和氨氮，在阳极通过直接氧化和间接氧化作用将副产物氨氮氧化为氮气，电解后的溶液经沉淀池分离，得到电解液；
(D)将经过再生剂脱附的强碱性阴离子树脂进行再次吸附待处理的含有硝态氮的废水，待出水的硝态氮浓度降低后停止吸附；
(E)利用电解结束后分离得到的电解液脱附步骤(D)中吸附饱和的树脂，得到脱附液；
(F)依次重复步骤C、D、E，实现废水中硝态氮的去除。
2.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(A)中的吸附过程中，所述树脂吸附柱选用的树脂为强碱性阴离子交换树脂。
3.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，所述废水中硝态氮的浓度为15～100mg/L，在步骤(A)中的吸附过程中，所述废水的流速是5～10BV/h，所述吸附过程在树脂反应器中进行，所述树脂反应器的出液口设置硝态氮在线监测仪。
4.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，强碱性阴离子交换树脂再生剂中氯化钠的浓度为10～12wt％，树脂再生剂与树脂体积比约为8.0～10.0：1，树脂再生后脱附液中的硝酸根浓度为800～1200mg/L。
5.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(E)中，所述电解液使用时调节pH至中性。
6.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(C)中，所述电催化工艺包括电解催化还原和沉淀分离过程，所述电催化还原过程为在阴极通过电催化还原作用将硝态氮转变成氮气和氨氮，在阳极通过直接氧化和间接氧化作用将副产物氨氮氧化为氮气；所述沉淀分离过程为在电解工艺中加入内外循环装置，通过所述内外循环装置及时将沉淀分离，确保沉淀不附着在极板上，不影响离子在极板上的反应速率。
7.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(C)中，所述电催化工艺，稳压电流为0.8～1.5A，电压为1.0～2.0V，极板间距为5～15mm。
8.根据权利要求1所述的基于电化学和树脂组合工艺深度处理废水中硝态氮方法，其特征在于，步骤(C)中，所述电催化工艺，阴极使用的电极材料为铜或铁，阳极使用的电极材料为石墨，极板的规格为200mm*150mm*5mm。
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