CN111204904A - 一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法，包括过滤装置、进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器，其中进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器连成一个回路，第一自动监测器外接排水管道，废水通过S型流动电极电吸附装置实现阴阳离子电吸附脱除，通过将集流体采用筒形中空多孔柱状、流动电极液流动方向和废水流动方向相反、电极液中不溶物回用的设计，提高电吸附速率和效率，富集的重金属离子实现资源化利用。本发明公开的废水处理系统设计合理，操作简单，使用成本低，废水中重金属离子脱除效果稳定、高效，保证达标排放。

Description

一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法

技术领域

本发明属于环境工程和废水处理技术领域，具体涉及一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法。

背景技术

电吸附技术是在两个相对的电极上施加正、负外加电压，溶液中的阴、阳离子在电场力的作用下被吸附到含相反电荷的电极表面，贮存在电极和溶液界面形成的双电层中，从而达到去除阴、阳离子的作用。电吸附技术所需电压低、能耗低、电极再生不需要化学药剂，是环境友好的水处理技术。和传统的固定电极电吸附技术相比，流动电极电吸附技术具有高循环寿命、连续快速吸附-脱附、能实现高浓度盐水脱盐、脱盐效率高等优势。同时，富集在电极表面的阴、阳离子可以通过后续处理实现资源化利用。

目前流动电极电吸附技术研究处于起步阶段，国内外研究报道较少。专利公开号CN106044970A公布了一种基于流动电极电容去离子(FCDI)脱盐的方法及应用，专利公开号CN110240240A公布了一种增强流动电极电容去离子性能的装置和方法，但是这两种方法未考虑到电极液中富集的离子的资源化利用问题，也没有考虑到从流动电极电吸附系统的结构优化设计角度出发，提高离子的脱附效率。专利公开号CN110372067A公布了一种流动电极及其应用，利用炭黑作为电吸附材料，并且设计了流动电极的流动循环方式。但是该专利未考虑到电吸附材料的循环利用问题。此外，废水处理工艺设计应有相应的保障措施设计，保证废水的稳定达标排放。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其中：包括顺序管路连接的过滤装置、进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器，其中进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器连成一个回路，所述第一自动监测器外接排水管道；

所述S型流动电极电吸附装置包括阳极回路和阴极回路，所述直流电源的正极与阳极回路连接，所述直流电源的负极与阴极回路连接，所述阳极回路和阴极回路之间构成水处理通道，所述阳极回路内部有阳极流动液循环流动，所述阴极回路内部有阴极流动液循环流动；

所述阳极回路连接有第一微滤装置，所述阴极回路连接有第二微滤装置，所述第一微滤装置和第二微滤装置分别对阳极流动液和阴极流动液进行过滤；

待处理的废水经过过滤装置过滤悬浮物，然后在进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器构成的回路内循环流动，当第一自动监测器监测离子含量低于标准，则将废水排出。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的阳极回路包括连成回路的阳极流动电极通道和阳极电极液池，所述阳极流动电极通道内部设置有阳极集流体，所述阳极集流体内侧贴有阴离子交换膜，所述阳极流动液在阳极集流体内流动，所述阳极电极液池和第一微滤装置连接；

所述阴极回路包括连成回路的阴极流动电极通道和阴极电极液池，所述阴极流动电极通道内部设置有阴极集流体，所述阴极集流体内侧贴有阳离子交换膜，所述阴极流动液在阴极集流体内流动，所述阴极电极液池中设置有第二自动监测器，所述阴极电极液池和第二微滤装置连接；

所述阳极集流体和阴极集流体外侧均由支撑板固定，所述阳极集流体与直流电源的正极相连，所述阴极集流体与直流电源的负极相连。

上述的阳极集流体和阴极集流体均为中空多孔的柱状结构，所述支撑板的材质为有机玻璃，所述直流电源的电压范围是0-10V。

上述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门，所述第一阀门安装于第一自动监测器与外接排水管道之间，所述第二阀门安装于第一自动监测器与进水池之间，所述第三阀门安装于阳极电极液池和第一微滤装置之间，所述第四阀门安装于阴极电极液池与第二微滤装置之间。

上述的第二微滤装置依次连接有螯合反应池和纳滤装置，所述螯合反应池连接阴极流动池，所述螯合反应池中设置有机械搅拌手，所述纳滤装置对螯合反应后的液体进行过滤，所述螯合反应池在螯合反应时添加有重金属螯合剂和pH调节剂，所述重金属螯合剂为EDTA、NTA、HEDTA中的一种或多种，所述pH调节剂为0.01mol/L的盐酸和氢氧化钠溶液。

上述的阳极流动液和阴极流动液均为活性炭、炭黑、氯化钠溶液混合的悬浊液，其中活性炭、炭黑的浓度为20-150g/L，氯化钠浓度1-10g/L，所述流动电极液的流速是0.1-2mL/s，所述废水的流速是0.1-2mL/s，其中阳极流动液和阴极流动液的流动方向均与废水的流动方向相反。

上述的进水池中待处理的废水中重金属离子为铅离子、镉离子、锰离子或铁离子，所述进水池中废水的电导率为500-3000μs/cm。

一种基于流动电极的废水资源化处理方法，包括以下步骤：

S1：将配置好的阳极流动液和阴极流动液分别放置于阳极电极液池和阴极电极液池中，然后阳极流动液和阴极流动液在以恒定的速度分别在阳极回路和阴极回路内循环流动；

S2：打开第二阀门，废水经过过滤装置过滤悬浮物后，在进水池、S型流动电极电吸附装置和第一自动监测器构成的回路内以恒定的速度循环流动，通过第一自动监测器实时监测废水的重金属离子浓度；

S3：启动直流电源，废水中的阳离子在电场力的作用下通过阳离子交换膜进入阴极流动电极通道，废水中的阴离子在电场力的作用下通过阴离子交换膜进入阳极流动电极通道，同时第二自动监测器实时监测阴极流动液中重金属离子含量，当重金属离子含量高于阈值时，则通过第一微滤装置和第二微滤装置过滤掉不溶性的活性炭和炭黑；

S4：当第一自动监测器检测废水中的重金属离子含量高于标准值时，则关闭第一阀门、打开第二阀门，废水继续循环流动；当第一自动监测器检测废水中的重金属离子含量低于标准值时，则打开第一阀门、关闭第二阀门，将废水通过外接排水管道排出。

上述的步骤S3中当重金属离子含量高于阈值时，停止阳极流动液和阴极流动液在阳极回路和阴极回路内循环流动，打开第三阀门、第四阀门，阳极流动液经过第一微滤装置过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后返回阳极电极液池回用，并将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阴极流动池中回用；阴极流动液经过第二微滤装置过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后经过螯合反应返回阴极电极液池回用，并将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阳极流动池中回用；当重金属离子含量低于阈值时，关闭第三阀门、第四阀门，阳极流动液和阴极流动液继续循环。

上述的阴极流动液在经过第二微滤装置过滤后进入螯合反应池，同时添加重金属螯合剂和pH调节剂以一定的时间和速度搅拌进行螯合反应，然后经过纳滤装置过滤掉螯合物后返回阴极电极液池回用。

本发明的有益效果：

本发明所采用的一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法，通过合理布局设置过滤循环结构，大大提高了离子脱附效率，同时对于过滤液可以实现回收再利用，以及对废水中过滤出来的重金属离子的富集回收资源化利用，本发明废水处理系统设计合理，操作简单，使用成本低，废水中重金属离子脱除效果稳定、高效，同时保证达标排放。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是流动电极电吸附系统的示意图。

附图标记为：100-过滤装置、110-进水池、120-第一微滤装置、130-第二微滤装置、140-纳滤装置、200-流动电极电吸附系统、210-水处理通道、220-阳极集流体、221-阴极集流体、230-支撑板，240-阴离子交换膜、241-阳离子交换膜、250-阳极流动电极通道、251-阴极流动电极通道、260-阳极电极液池、261-阴极电极液池。300-第一自动监测器、310-第二自动监测器、400-第一阀门、410-第二阀门、420-第三阀门、430-第四阀门、500-螯合反应池。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明为一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其中：包括直流电源，顺序管路连接的过滤装置100、进水池110和S型流动电极电吸附装置200和第一自动监测器300，其中进水池110、S型流动电极电吸附装置200和第一自动监测器300连成一个回路，所述第一自动监测器300外接排水管道；

所述S型流动电极电吸附装置200包括阳极回路和阴极回路，所述直流电源的正极与阳极回路连接，所述直流电源的负极与阴极回路连接，所述阳极回路和阴极回路之间构成水处理通道210，所述阳极回路内部有阳极流动液循环流动，所述阴极回路内部有阴极流动液循环流动；

所述阳极回路连接有第一微滤装置120，所述阴极回路连接有第二微滤装置130，所述第一微滤装置120和第二微滤装置130分别对阳极流动液和阴极流动液进行过滤；

待处理的废水经过过滤装置100过滤悬浮物，然后在进水池100、S型流动电极电吸附装置200和第一自动监测器300构成的回路内循环流动，当第一自动监测器300监测离子含量低于标准，则将废水排出。

实施例中，阳极回路包括连成回路的阳极流动电极通道250和阳极电极液池260，所述阳极流动电极通道251内部设置有阳极集流体220，所述阳极集流体220内侧贴有阴离子交换膜240，所述阳极流动液在阳极集流体220内流动，所述阳极电极液池260和第一微滤装置120连接；

所述阴极回路包括连成回路的阴极流动电极通道251和阴极电极液池261，所述阴极流动电极通道251内部设置有阴极集流体221，所述阴极集流体221内侧贴有阳离子交换膜241，所述阴极流动液在阴极集流体221内流动，所述阴极电极液池261中设置有第二自动监测器310，所述阴极电极液池261和第二微滤装置130连接；

所述阳极集流体220和阴极集流体221外侧均由支撑板230固定，所述阳极集流体220与直流电源的正极相连，所述阴极集流体221与直流电源的负极相连。

实施例中，阳极集流体220和阴极集流体221均为中空多孔的柱状结构，所述支撑板230的材质为有机玻璃，所述直流电源的电压范围是0-10V。

实施例中，还包括第一阀门400、第二阀门410、第三阀门420、第四阀门430，所述第一阀门400安装于第一自动监测器300与外接排水管道之间，所述第二阀门410安装于第一自动监测器300与进水池110之间，所述第三阀门420安装于阳极电极液池260和第一微滤装置120之间，所述第四阀门430安装于阴极电极液池261与第二微滤装置130之间。

实施例中，第二微滤装置130依次连接有螯合反应池500和纳滤装置140，所述螯合反应池500连接阴极流动池261，所述螯合反应池500中设置有机械搅拌手，所述纳滤装置140对螯合反应后的液体进行过滤，所述螯合反应池500在螯合反应时添加有重金属螯合剂和pH调节剂，所述重金属螯合剂为EDTA、NTA、HEDTA中的一种或多种，所述pH调节剂为0.01mol/L的盐酸和氢氧化钠溶液。

实施例中，进水池110中待处理的废水中重金属离子为铅离子、镉离子、锰离子或铁离子，所述进水池110中废水的电导率为500-3000μs/cm。

实施例中，阳极流动液和阴极流动液均为活性炭、炭黑、氯化钠溶液混合的悬浊液，其中活性炭、炭黑的浓度为20-150g/L，氯化钠浓度1-10g/L，所述流动电极液的流速是0.1-2mL/s，所述废水的流速是0.1-2mL/s，其中阳极流动液和阴极流动液的流动方向均与废水的流动方向相反。

一种基于流动电极的废水资源化处理方法，包括以下步骤：

S1：将配置好的阳极流动液和阴极流动液分别放置于阳极电极液池260和阴极电极液池261中，使阳极流动液和阴极流动液在以恒定的速度分别在阳极回路和阴极回路内循环流动；

S2：打开第二阀门410，废水经过过滤装置100过滤悬浮物后，在进水池110、S型流动电极电吸附装置200和第一自动监测器300构成的回路内以恒定的速度循环流动，通过第一自动监测器300实时监测废水的重金属离子浓度；

S3：启动直流电源，废水中的阳离子在电场力的作用下通过阳离子交换膜241进入阴极流动电极通道251，废水中的阴离子在电场力的作用下通过阴离子交换膜240进入阳极流动电极通道250，同时第二自动监测器310实时监测阴极流动液中重金属离子含量，当重金属离子含量高于阈值时，则通过第一微滤装置120和第二微滤装置130过滤掉不溶性的活性炭和炭黑；

当重金属离子含量高于阈值时，停止阳极流动液和阴极流动液在阳极回路和阴极回路内循环流动，打开第三阀门420、第四阀门430，阳极流动液经过第一微滤装置120过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后返回阳极电极液池260回用，并将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阴极流动池中回用；阴极流动液经过第二微滤装置130过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后经过螯合反应返回阴极电极液池261回用，将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阳极流动池中回用；当重金属离子含量低于阈值时，关闭第三阀门420、第四阀门430，阳极流动液和阴极流动液继续循环；

其中，阴极流动液在经过第二微滤装置130过滤后进入螯合反应池500，同时添加重金属螯合剂和pH调节剂以一定的时间和速度搅拌进行螯合反应，然后经过纳滤装置140过滤掉螯合物后返回阴极电极液池261回用；

S4：当第一自动监测器300检测废水中的重金属离子含量高于标准值时，则关闭第一阀门400、打开第二阀门410，废水继续循环流动；当第一自动监测器300检测废水中的重金属离子含量低于标准值时，则打开第一阀门400、关闭第二阀门410，将废水通过外接排水管道排出。

以下分别是采用一种基于流动电极的废水资源化处理系统及其处理方法对各种富含重金属离子的废水进行处理的过程以及效果。

采用如图1所示的一种基于流动电极的废水资源化处理系统和方法对含铅、镉离子废水进行处理；其中废水电导率3000μs/cm，水处理通道内流速0.1mL/s，流动电极液中活性炭、炭黑的浓度为150g/L，流速0.1mL/s，外加电压2V，接管外排出水电导率降为1900μs/cm，采用EDTA、NTA和HEDTA混合液螯合铅、镉离子后进行资源化利用，如表1所示：

表1

类型	进水电导率(μs/cm)	出水电导率(μs/cm)	去除效率(％)
				传统电吸附反应器	3000	2250	25
本专利反应器	3000	1900	36.7

采用如图1所示的一种基于流动电极的废水资源化处理系统和方法对含铁离子废水进行处理，废水电导率500μs/cm，水处理通道内流速2mL/s，流动电极液中活性炭、炭黑的浓度为20g/L，流速2mL/s，外加电压4V，接管外排出水电导率降为200μs/cm，采用EDTA螯合铁离子后进行资源化利用，如表2所示：

表2

类型	进水电导率(μs/cm)	出水电导率(μs/cm)	去除效率(％)
				传统电吸附反应器	500	270	46
本专利反应器	500	200	60

采用如图1所示的一种基于流动电极的废水资源化处理系统和方法对含锰离子废水进行处理，废水电导率1800μs/cm，水处理通道内流速1mL/s，流动电极液中活性炭、炭黑的浓度为80g/L，流速1.3mL/s，外加电压5V，接管外排出水电导率降为900μs/cm，采用EDTA、NTA混合液螯合锰离子后进行资源化，如表3所示：

表3

类型	进水电导率(μs/cm)	出水电导率(μs/cm)	去除效率(％)
				传统电吸附反应器	1800	1100	38.9
本专利反应器	1800	900	50

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于流动电极的废水资源化处理系统，包括直流电源，其特征在于：还包括顺序管路连接的过滤装置(100)、进水池(110)、S型流动电极电吸附装置(200)和第一自动监测器(300)，其中进水池(110)、S型流动电极电吸附装置(200)和第一自动监测器(300)连成一个回路，所述第一自动监测器(300)外接排水管道；

所述S型流动电极电吸附装置(200)包括阳极回路和阴极回路，所述直流电源的正极与阳极回路连接，所述直流电源的负极与阴极回路连接，所述阳极回路和阴极回路之间构成水处理通道(210)，所述阳极回路内部有阳极流动液循环流动，所述阴极回路内部有阴极流动液循环流动；

所述阳极回路连接有第一微滤装置(120)，所述阴极回路连接有第二微滤装置(130)，所述第一微滤装置(120)和第二微滤装置(130)分别对阳极流动液和阴极流动液进行过滤；

待处理的废水经过过滤装置(100)过滤悬浮物，然后在进水池(110)、S型流动电极电吸附装置(200)和第一自动监测器(300)构成的回路内循环流动，当第一自动监测器(300)监测离子含量低于标准，则将废水排出。

2.根据权利要求1所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：所述阳极回路包括连成回路的阳极流动电极通道(250)和阳极电极液池(260)，所述阳极流动电极通道(250)内部设置有阳极集流体(220)，所述阳极集流体(220)内侧贴有阴离子交换膜(240)，所述阳极流动液在阳极集流体(220)内流动，所述阳极电极液池(260)和第一微滤装置(120)连接；

所述阴极回路包括连成回路的阴极流动电极通道(251)和阴极电极液池(261)，所述阴极流动电极通道(251)内部设置有阴极集流体(221)，所述阴极集流体(221)内侧贴有阳离子交换膜(241)，所述阴极流动液在阴极集流体(221)内流动，所述阴极电极液池(261)中设置有第二自动监测器(310)，所述阴极电极液池(261)和第二微滤装置(130)连接；

所述阳极集流体(220)和阴极集流体(221)外侧均由支撑板(230)固定，所述阳极集流体(220)与直流电源的正极相连，所述阴极集流体(221)与直流电源的负极相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：所述阳极集流体(220)和阴极集流体(221)均为中空多孔的柱状结构，所述支撑板(230)的材质为有机玻璃，所述直流电源的电压范围是0-10V。

4.根据权利要求2所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：还包括第一阀门(400)、第二阀门(410)、第三阀门(420)、第四阀门(430)，所述第一阀门(400)安装于第一自动监测器(300)与外接排水管道之间，所述第二阀门(410)安装于第一自动监测器(300)与进水池(110)之间，所述第三阀门(420)安装于阳极电极液池(260)和第一微滤装置(120)之间，所述第四阀门(430)安装于阴极电极液池(261)与第二微滤装置(130)之间。

5.根据权利要求4所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：所述第二微滤装置(130)依次连接有螯合反应池(500)和纳滤装置(140)，所述螯合反应池(500)的出水口连接阴极流动池(261)，所述螯合反应池(500)中设置有机械搅拌手，所述纳滤装置(140)对螯合反应后的液体进行过滤，所述螯合反应池(500)在螯合反应时添加有重金属螯合剂和pH调节剂，所述重金属螯合剂为EDTA、NTA、HEDTA中的一种或多种，所述pH调节剂为0.01mol/L的盐酸和氢氧化钠溶液。

6.根据权利要求1所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：所述阳极流动液和阴极流动液均为活性炭、炭黑、氯化钠溶液混合的悬浊液，其中活性炭、炭黑的浓度为20-150g/L，氯化钠浓度1-10g/L，所述流动电极液的流速是0.1-2mL/s，所述废水的流速是0.1-2mL/s，其中阳极流动液和阴极流动液的流动方向均与废水的流动方向相反。

7.根据权利要求6所述的一种基于流动电极的废水资源化处理系统，其特征在于：所述进水池(110)中待处理的废水中重金属离子为铅离子、镉离子、锰离子或铁离子，所述进水池(110)中废水的电导率为500-3000μs/cm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于流动电极的废水资源化处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将配置好的阳极流动液和阴极流动液分别放置于阳极电极液池(260)和阴极电极液池(261)中，然后阳极流动液和阴极流动液在以恒定的速度分别在阳极回路和阴极回路内循环流动；

S2：打开第二阀门(410)，废水经过过滤装置(100)过滤悬浮物后，在进水池(110)、S型流动电极电吸附装置(200)和第一自动监测器(300)构成的回路内以恒定的速度循环流动，通过第一自动监测器(300)实时监测废水的重金属离子浓度；

S3：启动直流电源，废水中的阳离子在电场力的作用下通过阳离子交换膜(241)进入阴极流动电极通道(251)，废水中的阴离子在电场力的作用下通过阴离子交换膜(240)进入阳极流动电极通道(250)，同时第二自动监测器(310)实时监测阴极流动液中重金属离子含量，当重金属离子含量高于阈值时，则通过第一微滤装置(120)和第二微滤装置(130)过滤掉不溶性的活性炭和炭黑；

S4：当第一自动监测器(300)检测废水中的重金属离子含量高于标准值时，则关闭第一阀门(400)、打开第二阀门(410)，废水继续循环流动；当第一自动监测器(300)检测废水中的重金属离子含量低于标准值时，则打开第一阀门(400)、关闭第二阀门(410)，将废水通过外接排水管道排出。

9.根据权利要求8所述的一种基于流动电极的废水资源化处理方法，其特征在于：所述步骤S3中当重金属离子含量高于阈值时，停止阳极流动液和阴极流动液在阳极回路和阴极回路内循环流动，打开第三阀门(420)、第四阀门(430)，阳极流动液经过第一微滤装置(120)过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后返回阳极电极液池(260)回用，并将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阴极流动池中回用；阴极流动液经过第二微滤装置(130)过滤掉不溶性的活性炭、炭黑后经过螯合反应返回阴极电极液池(261)回用，并将过滤出来的活性炭、炭黑投加到阳极流动池中回用；当重金属离子含量低于阈值时，关闭第三阀门(420)、第四阀门(430)，阳极流动液和阴极流动液继续循环。

10.根据权利要求9所述的一种基于流动电极的废水资源化处理方法，其特征在于：所述阴极流动液在经过第二微滤装置(130)过滤后进入螯合反应池(500)，同时添加重金属螯合剂和pH调节剂以一定的时间和速度搅拌进行螯合反应，然后经过纳滤装置(140)过滤掉螯合物后返回阴极电极液池(261)回用。

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