CN110818037A - 一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺，属于工业废水处理技术领域。针对当前电氧化还原工艺应用于反渗透浓水处理时因水质特殊性而造成的阴极结垢、硝酸盐阴极还原受阻的不足，本发明提供了一种倒极电氧化‑电还原为主要特征的两级串联电氧化还原工艺，可同时高效去除反渗透浓水中有机物、氨氮及硝酸盐等污染物，获得理想水质的出水。

Description

一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺
技术领域
本发明涉及一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺，更具体的说，是一种以倒极电氧化- 电还原为主要特征的两级串联电氧化还原工艺，属于工业废水处理技术领域。
背景技术
近年来，随着高品质再生水需求的不断增加，反渗透工艺因其优异性能在国内外废水深度处理领域被广泛应用。在反渗透膜截留富集下，反渗透浓水中含有高浓度的难生物降解(甚至有毒)有机物、氨氮及硝酸盐等污染物，同时硬度、碱度及盐分浓度也比较高，将其直接排放会严重影响水环境系统。为提高水资源利用效率，在工程实践中往往会采用反渗透膜法或膜蒸馏法进一步浓缩反渗透浓水，导致上述不同物质浓度进一步升高，加剧了处理难度。许多专利技术采用离子交换法、生物法、吸附法及高级氧化法等工艺处理反渗透浓水，但这些方法往往只针对某一类污染物(如离子交换法针对无机离子，高级氧化法只针对有机物)，并且污染物去除效果易受高盐度的影响。相比之下，电氧化还原法(即阳极氧化、阴极还原) 具有污染物去除类型多、反应可控、操作方便、无需添加化学药剂、不产生二次污染物等多种优点，在反渗透浓水处理领域具有巨大的应用潜力。
在电氧化体系中，阳极产生活性自由基将难降解有机物氧化成为CO2及H2O，将氨氮氧化成为氮气、硝酸盐等。如申请号为201710820635.X，授权公告号为CN 109485185 A，名称为一种油田作业废液的脉冲电化学处理方法及装置的发明专利；又如申请号为201910111138.1，授权公告号为CN 109626675 A，名称为一种含非离子表面活性剂废水的处理方法的发明专利，均采用电氧化降解不同类型有机物。许多专利技术将电氧化体系与其它高级氧化工艺耦合使用，以强化电氧化体系对有机物及氨氮的处理效果，如申请号为201821657089.9，授权公告号为CN 209010297 U，名称为一种臭氧耦合电化学处理废水的装置的发明专利，又如申请号为201310482321.5，授权公告号为CN 104556533 A，名称为反渗透浓水处理方法的发明专利，分别采用臭氧及催化氧化工艺强化了电氧化工艺的污染物氧化效果。
在电还原体系中，硝酸盐在某些特定阴极材料上被还原成氮气及氨氮，随后氨氮在阳极被进一步氧化成氮气，从而实现了硝酸盐的完全去除。由于阴极材料对硝酸盐还原存在显著影响，当前与硝酸盐电还原体系相关的专利技术均针对特定阴极材料，如申请号为 201220227487.3，授权公告号为CN 202576055 U，名称为电化学还原硝酸盐装置的发明专利；又如申请号为200810239271.7，授权公告号为CN 101746871 A名称为一种电化学去除饮用水源中硝酸盐的方法的发明专利；又如申请号为201810294080.4，授权公告号为CN108585125 A，名称为还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极、制备方法及其应用的发明专利，均采用了不同阴极电极材料以提高硝酸盐的电还原效率。
由上述分析可知，电氧化还原法能够有效去除废水中有机物、氨氮和硝酸盐，但当该工艺应用于硬度、碱度较高的反渗透浓水处理时，阴极上会产生严重的结垢现象，导致硝酸盐还原反应无法进行。也就是说，由于反渗透浓水水质的特殊性，现有电氧化还原法发明专利技术无法顺利实现有机物、氨氮及硝酸盐等污染物的同时去除。在这种情况下，通过优化电氧化还原体系相关运行参数，开发一种不受反渗透浓水中高浓度硬度、碱度和盐分影响的、同时可去除多种污染物的反渗透浓水电氧化还原工艺具有非常重要的经济及环境意义。
在不同水体硬度去除工艺中，电极倒极工艺具有效果好、不会破坏电极、电极表面除垢简单等优点，被许多发明专利技术用于水体软化，如申请号为200580008424.1，授权公告号为CN 1934034 A，名称为在导水家具中电化学软化水的方法的发明专利；又如申请号为 201711257821.3，授权公告号为CN 107892411 A，名称为一种废液电絮凝除硬装置及方法的发明专利，等等。目前尚未发现电极倒极工艺与电氧化还原工艺相结合的发明专利类型。
发明内容
针对当前电氧化还原工艺应用于反渗透浓水处理时因阴极结垢造成硝酸盐阴极还原受阻的不足，本发明提供了一种倒极电氧化-电还原为主要特征的两级串联电氧化还原工艺，可同时高效去除反渗透浓水中有机物、氨氮及硝酸盐等污染物，获得理想水质的出水。
本发明的特征在于：它采用两级串联电氧化还原单元，其中第一级为倒极电氧化单元，阴阳极材料相同，通过电氧化作用实现有机物和氨氮的去除，定期倒极实现阴极除垢，并将反渗透浓水中硬度、碱度降低至安全水平，为后续硝酸盐电还原创造条件；第二级为电还原单元，阴阳极材料不同，阴极采用硝酸盐还原电极，通过电氧化还原反应实现硝酸盐的去除。本发明可实现反渗透浓水中多种污染物的同时去除，效果显著，工艺路线清晰，管理方便，无有毒有害物质添加。
与现有技术相比，该技术具有以下优点：
(1)特别适用于从硬度、碱度较高的废水(如反渗透浓水)中同时去除有机物、氨氮及硝酸盐等多种污染物。
(2)通过定期倒极实现电极除垢，无需进行极板拆卸清洗，除垢可连续进行，操作简便，有利于提高工艺处理效率，同时获得了软化出水，减少了后期输水管道的结垢现象。
附图说明
图1为一种处理反渗透浓水的电氧化还原工艺流程图。
图1中1为进水阀门，2为倒极电氧化单元反应器，3为倒极电氧化单元阳极，4为倒极电氧化单元阴极，5为电还原单元反应器，6为电还原单元阳极，7为电还原单元阴极，8为出水阀门，9为排泥阀门，10为稳压直流电源。
具体实施方式
以下详细说明本发明的工作原理及实施方式：
一、本发明所述的一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺，其工作原理如下所述：
所述的反渗透浓水电氧化还原处理工艺，它采用倒极电氧化-电还原两级电化学单元串联的方式。倒极电氧化单元内阳极产生多种活性自由基，实现有机物及氨氮的氧化去除；同时阴极表面产生OH-，OH-及HCO3 -与Mg2+及Ca2+反应生成Mg(OH)2及CaCO3并沉积在阴极极板实现水中硬度及碱度的去除；定期倒极使附着大量沉积物的阴极成为阳极，产生的氢离子与垢层中碳酸钙及镁化合物反应，使沉积物从极板上剥离，恢复电极活性；倒极电氧化单元实现有机物、氨氮等污染物及硬度碱度的去除，为电还原单元去除硝酸盐创造条件。电还原单元内硝酸盐首先在特定阴极上被还原成氮气及氨氮，后者在阳极产生的活性自由基作用下被进一步氧化成氮气，该单元通过电氧化还原协同作用实现硝酸盐的去除。
二、本发明所述的一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺，其实施方式如下所述：首先反渗透浓水经进水阀门1进入反应器2电氧化去除有机物及氨氮，同时定期对电极3及4进行倒极，实现电极除垢恢复电极活性；电氧化处理后静置沉淀，沉淀物经排泥阀9排出，上清液进入反应器5电还原去除硝酸盐，经两级电化学单元处理后的反渗透浓水最终经出水阀门8排出。
实施例1
某煤化工企业的反渗透浓水首先进入倒极电氧化单元电解12h，电流密度为10mA/cm2，每1h进行电极倒极，倒极电流密度为20mA/cm2(持续5min)；倒极电氧化单元出水进入电还原单元电解12h，电流密度为20mA/cm2。最终COD、氨氮、硝酸盐及硬度的去除率分别为70％、90％、85％及30％以上。
实施例2
某城市再生水厂的反渗透浓水首先进入倒极电氧化单元电解6h，电流密度为20mA/cm2，每1h进行电极倒极，倒极电流密度为20mA/cm2(持续3min)；倒极电氧化单元出水进入电还原单元电解6h，电流密度为20mA/cm2，最终COD、氨氮、硝酸盐及硬度的去除率分别为70％、90％、80％及30％以上。
实施例3
某电厂脱硫废水首先进入倒极电氧化单元电解10h，电流密度为10mA/cm2，每1h进行电极倒极，倒极电流密度为20mA/cm2(持续3min)，倒极电氧化单元出水进入电还原单元电解6h，电流密度为10mA/cm2，最终COD、氨氮、硝酸盐及硬度的去除率分别为50％、90％、80％及30％以上。

Claims (3)

1.一种反渗透浓水的电氧化还原处理工艺，其特征在于：它设置两级串联电氧化还原单元，第一级为倒极电氧化单元，第二级为电还原单元，可同时实现有机物、氨氮、硝酸盐、硬度和碱度的去除。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：倒极电氧化单元内阴、阳极材料均具有氧化能力，通过阳极电氧化反应去除有机物和氨氮，阴极表面反应后形成钙、镁沉积物，倒极后沉积物从阴极剥离。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：电还原单元内阴极采用硝酸盐还原电极，阳极材料具有氧化能力，通过阴极还原和阳极氧化反应去除硝酸盐。
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