CN114262097B - 一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统及方法，包括钙化反应器、石灰乳加药单元、排泥单元、污泥回流单元、铝电解反应器、铝电极板、氢氧化钠加药单元、反应澄清器、晶核循环单元及配套设施。本发明基于Ca‑Al‑OH‑Cl‑LDH层状双金属氢氧化物沉淀的原位合成反应，通过对废水使用石灰乳溶液进行初步钙化碱化，以及电解铝电极板生成铝离子并碱化生成偏铝酸根，在反应澄清器内高效混合反应生成Ca‑Al‑OH‑Cl‑LDH沉淀以达到除氯澄清目的。解决了传统废水除氯工艺的低效率、高成本、适用范围窄、工业应用局限性强等问题，解决了常规弗氏盐沉淀法存在的药品添加过量、偏铝酸钠价格高昂、药品使用率不高等弊端，适用于多类行业的废水除氯处理系统。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统及方法。
背景技术
采矿、冶金、制药、化工、电力等行业均会产生大量含氯废水，高氯废水如果不加以处理直接排放，将会污染大量水源，破坏水体，对农林渔各业产生极大影响，甚至会污染地下水源。而且高浓度氯进入水中，将会对金属管道、建筑物等设施产生强烈的腐蚀性，进入土壤则会导致土壤板结，引发盐碱化，更可能引起生物及人类中毒。水中氯化物不能被微生物降解，去除难度很大，常见的处理方法有化学沉淀法、吸附法、离子交换法、萃取法、电化学法等。尽管废水除氯方法很多，但大多处于实验室研究阶段，技术产业化、可行性、高效性、经济性等都有待考究。如弗氏盐沉淀法通过氢氧化钙和偏铝酸钠添加到含氯废水中，反应生成一种含氯的Ca-Al-OH-Cl-LDH层状双金属氢氧化物，简称为弗氏盐，沉淀除氯效果显著，但存在药品添加过量、偏铝酸钠价格高昂、药品使用率不高等弊端。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统及方法，本发明解决了传统废水除氯工艺的低效率、高成本、适用范围窄、工业应用局限性强等问题，解决了常规弗氏盐沉淀法存在的药品添加过量、偏铝酸钠价格高昂、药品使用率不高等弊端，适用于多类行业的废水除氯处理系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统，包括：
反应澄清器，所述反应澄清器内设置依次连通的反应区、澄清区以及斜板区，水流通过斜板区后，经反应澄清器上部的溢流出水口输送至后续系统；所述反应澄清器底部的污泥出口连接排泥单元；
钙化反应器，所述钙化反应器的进水口输入待处理废水，上部的溢流出水口与反应澄清器的反应区进水口相连通；所述钙化反应器下部的污泥出口连接排泥单元；
铝电解反应器，所述铝电解反应器的进水口连接进水单元，进水单元向铝电解反应器中输入清水；所述铝电解反应器内设置铝电极板，所述铝电解反应器通过上部的溢流出水口与反应澄清器的反应区进水口相连通；
本发明进一步的改进在于：
所述钙化反应器内设置有第一搅拌器和第一pH计，钙化反应器的药剂进口连接石灰乳加药单元，用于向钙化反应器添加石灰乳溶液，以调节反应pH值至11.0以上。
所述钙化反应器底部的污泥出口还连接有污泥回流单元，所述污泥回流单元的出口与待处理废水管道相连通，废水与回流污泥混合后输送至钙化反应器的进水口。
所述铝电解反应器内设置有第二搅拌器，进水单元与铝电解反应器之间的进水母管上连接有氢氧化钠加药单元，用于调节反应pH值至10.0～13.0；所述铝电解反应器的溢流出水口至反应澄清器的反应区之间的管道上设置有第二pH计。
所述铝电极板上外接有外部电源。
所述反应澄清器包括反应筒体，所述反应筒体上部的侧壁上开设溢流出水口，内部设置第一反应筒和第二反应筒；所述第一反应筒上部开口，底部设置进水口，所述进水分别与钙化反应器和铝电解反应器的溢流出水口相连通；第一反应筒的内壁内区域为一级反应区；所述第二反应筒下部开口，且套设于第一反应筒上，第二反应筒的内壁与第一反应筒的外壁之间的区域为二级反应区；所述反应筒体的内壁与第二反应筒的外壁之间的区域为澄清区，澄清区的上部设置斜板区，所述斜板区由若干斜板构成。
所述一级反应区内设置有第三搅拌器，所述反应澄清器溢流出水口处设置有氯离子浓度在线监测仪。
所述反应澄清器的污泥出口还连接有晶核循环单元，所述晶核循环单元的出口连接至第一反应筒的进口。
一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯方法，包括以下步骤：
将待处理废水输送至钙化反应器内，进水同时向钙化反应器内加入石灰乳溶液；
启动第一搅拌器，充分搅拌，通过第一pH计实时监测钙化反应器内的pH值，控制石灰乳加药量以保证钙化反应器内的pH值维持在11.0以上；
将经过钙化反应器反应的废水输送至反应澄清器的一级反应区；将钙化反应器底部的污泥经污泥回流单元与待处理废水混合后再次输入至钙化反应器中进行反应；
启动第二搅拌器，向铝电解反应器的底部通入清水，同时向铝电解反应器加入氢氧化钠，启动外部电源，对铝电极板进行电解生成铝离子；
通过第二pH计实时监测pH值，控制氢氧化钠加药量，以保证铝电解反应器内的pH值维持在10.0～13.0之间，反应形成偏铝酸根离子；将经过铝电解反应器反应的清水输送至反应澄清器的一级反应区；
启动第三搅拌器，使钙化反应后的待处理废水与铝电解反应后的清水在一级反应区内进行反应，生成层状双金属氢氧化物晶核絮体；将层状双金属氢氧化物晶核絮体翻流至二级反应区，使晶核絮体状的层状双金属氢氧化物沉淀继续碰撞吸附长大，使层状双金属氢氧化物沉淀在反应澄清器的底部沉积，清水向上经过澄清区和斜板区后，由上部的溢流出水口至后续系统。
上述方法还包括：将反应澄清器底部沉积的污泥通过晶核循环单元进行循环回流至一级反应区，提供反应晶核。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明并联分体设置，单元可控在控：分体并联设置钙化反应器和铝电解反应器，有效实现钙化、碱化及偏铝酸根活化，独立调控，反应程度可控，避免以往同时加入氢氧化钙和偏铝酸钠粉末出现的搅拌难度大、药品利用率低、反应程度不显著等弊端。
2.本发明采用经济高效的偏铝酸根制备方式：铝电极板通电电解产生铝离子，并与氢氧化钠碱化反应形成活性态偏铝酸钠作为铝源，电解压力、碱化程度均可控高效，离子活性良好，较传统固体偏铝酸钠粉末更容易反应，经济性更佳。
3.本发明除氯效果优秀，抗冲击负荷能力强：反应澄清器集一级反应区、二级反应区、澄清区于一体，在一级反应区内可根据来水情况调节搅拌力度以满足晶核碰撞反应所需能量，形成的结晶絮体在两次翻流过程中消能，延长水力停留及反应沉淀时间，保证了氯离子的充分反应及澄清机制的良好进行，提高出水水质。
4.本发明固体污泥回用充分，药品利用率高：钙化反应器和反应澄清器分别设置污泥/晶核大流量循环回流系统，少量剩余污泥外排，从而充分提高氢氧化钙和偏铝酸钠利用率，提供反应晶核以增强Ca-Al-OH-Cl-LDH层状双金属氢氧化物的原位合成反应效率，促进提高除氯效果，同时避免了大量固体污泥处置难题。
5.本发明装置模块化设计，可根据流量、占地面积等灵活调整平面布局、空间结构，本发明适用于多类行业的废水除氯处理系统，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统的示意图。
其中：1-钙化反应器；2-第一搅拌器；3-第一pH计；4-石灰乳加药单元；5-排泥单元；6-污泥回流单元；7-铝电解反应器；8-铝电极板；9-第二搅拌器；10-进水单元；11-氢氧化钠加药单元；12-第二pH计；13-外部电源；14-反应澄清器；15-一级反应区；16-二级反应区；17-澄清区；18-第三搅拌器；19-斜板区；20-晶核循环单元；21-氯离子浓度在线监测仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统及方法，本发明基于Ca-Al-OH-Cl-LDH层状双金属氢氧化物的原位合成，通过氢氧化钙对废水进行初级钙化碱化，及铝电解碱化生成活性偏铝酸根，高效混合生成Ca-Al-OH-Cl-LDH沉淀以达到除氯澄清目的。
本实施例钙化反应器1内设有第一搅拌器2、第一pH计3，待处理废水进入钙化反应器1并通过外部石灰乳加药单元4向钙化反应器1内添加石灰乳溶液以调节反应pH至11.0以上，达到废水碱化钙化目的，上部出水溢流进入反应澄清器14。钙化反应器1底部连接污泥回流单元6实现底部污泥大流量循环回用，提高钙利用率，并定期通过排泥单元5适时排出多余污泥。
本实施例铝电解反应器7内设有铝电极板8、第二搅拌器9，外部连接有进水单元10，进水单元的进水母管上连接有氢氧化钠加药单元11，出水设有第二pH计12，铝电极板8竖向布置且外部连接有外部电源13。启动外部电源13对铝电极板8进行通电电解，同时通过进水单元10和氢氧化钠加药单元11不断向铝电解反应器7内加入清水及氢氧化钠，并调节反应pH至10.0～13.0，从而碱化生成大量高活性偏铝酸根离子，上部出水溢流进入反应澄清器14。
本实施例反应澄清器14内设有上部敞口的一级反应区15、竖向导流形式的二级反应区16、澄清区17，一级反应区15内设有双层桨叶的可调节转速的第三搅拌器18，反应澄清器14底部连接有排泥单元5和晶核循环单元20，澄清区17的中上部设有斜板区19。钙化反应器1和铝电解反应器7出水从一级反应区15的底部同时进入一级反应区15，离子间碰撞结合发生化学反应，生成Ca-Al-OH-Cl-LDH等晶核絮体，并随水流方向依次通过二级反应区16、澄清区17、斜板区19，澄清后溢流进入后续系统，出水管上设有氯离子浓度在线监测仪21以监测出水氯离子含量。反应澄清器14底部连接的晶核循环单元20将底部活性反应晶核大流量回流至一级反应区15底部，提高药品利用率及除氯效果，并定期通过排泥单元5适时排出多余污泥。
本实施例通过控制钙化反应器1和铝电解反应器7的反应pH以实现废水钙化碱化及生成偏铝酸根，并调节铝电极板8电解所用的电源13电压以控制铝电解反应器7内铝态离子含量，在反应澄清器14内钙化反应器1和铝电解反应器7出水中的Ca2+、Al(OH)4 -、OH-、Cl-进一步地结合反应，通过离子交换、拓扑吸附等作用生成Ca2Al(OH)6Cl·2H2O、Ca4Al2(OH)14等层状双金属氢氧化物沉淀物，其中以Ca2Al(OH)6Cl·2H2O为主，从而起到除氯效果。
本发明的结构工作原理如下：
层状双金属氢氧化物是一类由正电性层板和层间平衡阴离子组成的特殊层状材料，是一种层状主客体超分子化学体系，拥有层间物质可交换性和结构“记忆效应”。本发明基于废水初步氢氧化钙碱化钙化、铝电解碱化生成偏铝酸根，将钙源、铝源高效混合，发生离子交换、拓扑吸附等作用生成Ca2Al(OH)6Cl·2H2O、Ca4Al2(OH)14等层状双金属氢氧化物沉淀物，其中以Ca2Al(OH)6Cl·2H2O为主，从而起到氯离子固定去除的效果。
在钙化反应器内，石灰乳添加后氢氧化钙发生溶解，并与水中其他离子发生沉淀反应，如硫酸根、碳酸根等。同时由于石灰乳中的氢氧化钙絮体物表面带正电荷，氢氧化钙可以通过本身带电性将带负电荷的污泥颗粒等吸附在一起，起到吸附联桥作用，形成一个复合凝聚体系。在pH≥11.0时，氢氧化钙白色乳浊液会立即变清，此时以Ca2+为主要成分，Ca(OH)2为此要成分。发生如下化学反应：
在铝电解反应器内，通电电解铝电极板阳极生成Al3+，并加入氢氧化钠进一步反应生成发生如下化学反应：
阳极：
阴极：
加入氢氧化钠至pH＝10.0～13.0时，
钙化反应器和铝电解反应器出水进入反应澄清器一级反应区，发生如下化学反应：
在一级反应区内，有效成分Ca2+、Al(OH)4 -、OH-、Cl-等结合反应形成层状双金属氢氧化物的细小晶核，并均匀翻流至二级反应区，因流速骤降发生消能，晶核进一步吸附长大，形成大矾花，沉降速度增大，含氯物质Ca2Al2Cl2(OH)12固体逐渐在反应澄清器底部沉淀，从而达到废水除氯目的。水流通过斜板进一步澄清溢流至后续系统。反应澄清器底部污泥通过晶核循环单元进行大流量循环回流至一级反应区，提供反应晶核，同时提高药品利用率，适时通过排泥单元排出反应澄清器内剩余污泥。
本发明的工作过程如下：
系统待处理废水进入钙化反应器内，进水同时向钙化反应器内加入石灰乳溶液，石灰乳溶液浓度可调。第一搅拌器长期运行，充分搅拌，通过第一pH计控制石灰乳加药量以保证钙化反应器内pH值在11.0以上，钙化碱化后的废水从钙化反应器上部出水口溢流出水。钙化反应器底部连接污泥回流单元，对钙化反应器产生的钙化污泥进行大流量循环回流，提高钙剂利用率，同时定期通过排泥单元对钙化反应器内剩余污泥进行排放。
向铝电解反应器内从底部通入清水，同时启动进水母管连接的氢氧化钠加药单元，启动电源，对铝电极板进行电解生成铝离子，电解电压可调。通过第二pH计控制氢氧化钠加药量，以维持反应器内pH维持在10.0～13.0之间，从而将电解产生的铝离子碱化形成偏铝酸根，铝电解反应器出水从上部出水口溢流出水；启动第二搅拌器，通过搅拌有效保证反应器底部沉积物流动，避免沉淀堵塞。
钙化反应器和铝电解反应器的溢流出水从反应澄清器一级反应区底部进入，启动第三搅拌器，并通过来水工况调节搅拌速度以满足反应所需能量。在一级反应区内，钙化反应器产水提供钙源，铝电解反应器产水提供铝源，通过离子交换、拓扑吸附等作用生成Ca2Al(OH)6Cl·2H2O、Ca4Al2(OH)14等层状双金属氢氧化物沉淀物，其中以Ca2Al(OH)6Cl·2H2O固体沉淀为主，从而达到除氯效果。在一级反应区形成的微小晶核絮体均匀翻流至二级反应区，在突然流速降低消能情况下，微小晶核继续碰撞吸附长大，形成大矾花，沉降速度增大，并在反应澄清器底部沉积，水流经底部污泥的接触絮凝过滤进入澄清区，并经过斜板区发生异向流沉淀，大矾花沿着斜板向下滑落，清水进一步通过上部出水口溢流至后续系统。并通过反应澄清器出水管道的氯离子浓度监测仪实时监控出水氯离子浓度，判断反应程度。反应澄清器底部沉降污泥通过晶核循环单元进行大流量循环回流至一级反应区，提供反应晶核，同时提高药品利用率，适时通过排泥单元排出反应澄清器内剩余污泥。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯方法，所述方法采用一种电解铝耦合化学沉淀的废水除氯系统，所述系统包括：
反应澄清器（14），所述反应澄清器（14）内设置依次连通的反应区、澄清区（17）以及斜板区（19），水流通过斜板区（19）后，经反应澄清器（14）上部的溢流出水口输送至后续系统；所述反应澄清器（14）底部的污泥出口连接排泥单元（5）；
钙化反应器（1），所述钙化反应器（1）的进水口输入待处理废水，上部的溢流出水口与反应澄清器（14）的反应区进水口相连通；所述钙化反应器（1）下部的污泥出口连接排泥单元（5）；所述钙化反应器（1）内设置有第一搅拌器（2）和第一pH计（3），钙化反应器（1）的药剂进口连接石灰乳加药单元（4），用于向钙化反应器（1）添加石灰乳溶液，以调节反应pH值至11.0以上；所述钙化反应器（1）底部的污泥出口还连接有污泥回流单元（6），所述污泥回流单元（6）的出口与待处理废水管道相连通，废水与回流污泥混合后输送至钙化反应器（1）的进水口；
铝电解反应器（7），所述铝电解反应器（7）的进水口连接进水单元（10），进水单元（10）向铝电解反应器（7）中输入清水；所述铝电解反应器（7）内设置铝电极板（8），所述铝电解反应器（7）通过上部的溢流出水口与反应澄清器（14）的反应区进水口相连通；所述铝电解反应器（7）内设置有第二搅拌器（9），进水单元（10）与铝电解反应器（7）之间的进水母管上连接有氢氧化钠加药单元（11），用于调节反应pH值至10.0~13.0；所述铝电解反应器（7）的溢流出水口至反应澄清器（14）的反应区之间的管道上设置有第二pH计（12）；所述铝电极板（8）上外接有外部电源（13）；
所述反应澄清器（14）包括反应筒体，所述反应筒体上部的侧壁上开设溢流出水口，内部设置第一反应筒和第二反应筒；所述第一反应筒上部开口，底部设置进水口，所述进水分别与钙化反应器（1）和铝电解反应器（7）的溢流出水口相连通；第一反应筒的内壁内区域为一级反应区（15）；所述第二反应筒下部开口，且套设于第一反应筒上，第二反应筒的内壁与第一反应筒的外壁之间的区域为二级反应区（16）；所述反应筒体的内壁与第二反应筒的外壁之间的区域为澄清区（17），澄清区（17）的上部设置斜板区（19），所述斜板区（19）由若干斜板构成；所述一级反应区（15）内设置有第三搅拌器（18）；所述反应澄清器（14）的污泥出口还连接有晶核循环单元（20），所述晶核循环单元（20）的出口连接至第一反应筒的进口；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将待处理废水输送至钙化反应器（1）内，进水同时向钙化反应器（1）内加入石灰乳溶液；
启动第一搅拌器（2），充分搅拌，通过第一pH计（3）实时监测钙化反应器（1）内的pH值，控制石灰乳加药量以保证钙化反应器（1）内的pH值维持在11.0以上；
将经过钙化反应器（1）反应的废水输送至反应澄清器（14）的一级反应区（15）；将钙化反应器（1）底部的污泥经污泥回流单元与待处理废水混合后再次输入至钙化反应器（1）中进行反应；
启动第二搅拌器（9），向铝电解反应器（7）的底部通入清水，同时向铝电解反应器（7）加入氢氧化钠，启动外部电源（13），对铝电极板（8）进行电解生成铝离子；
通过第二pH计（12）实时监测pH值，控制氢氧化钠加药量，以保证铝电解反应器（7）内的pH值维持在10.0~13.0之间，反应形成偏铝酸根离子；将经过铝电解反应器（7）反应的清水输送至反应澄清器（14）的一级反应区（15）；
启动第三搅拌器（18），使钙化反应后的待处理废水与铝电解反应后的清水在一级反应区（15）内进行反应，生成层状双金属氢氧化物晶核絮体；将层状双金属氢氧化物晶核絮体翻流至二级反应区（16），使晶核絮体状的层状双金属氢氧化物沉淀继续碰撞吸附长大，使层状双金属氢氧化物沉淀在反应澄清器（14）的底部沉积，清水向上经过澄清区（17）和斜板区（19）后，由上部的溢流出水口至后续系统；
将反应澄清器（14）底部沉积的污泥通过晶核循环单元（20）进行循环回流至一级反应区（15），提供反应晶核。
2.根据权利要求1所述的电解铝耦合化学沉淀的废水除氯方法，其特征在于，所述反应澄清器（14）溢流出水口处设置有氯离子浓度在线监测仪（21）。
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