CN114684992B - 废水处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种废水处理系统与方法。所述废水处理系统包括正渗透液体浓缩装置与电透析装置。正渗透液体浓缩装置将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间。电透析装置设置于正渗透液体浓缩装置的下游，且与正渗透液体浓缩装置耦接，以接收正渗透液体浓缩装置导入的废水，且将废水中的盐类制成酸液与碱液。
Description
技术领域
本发明涉及一种废水处理系统与方法。
背景技术
近年循环经济与低环境冲击技术备受重视，液体零排放(zero liquiddischarge，ZLD)与水中资源回收技术需求亦随之高涨。在目前的零排放技术中，大多先对废水依序进行前处理、逆渗透处理、将废水中的盐类分离出来、蒸发、结晶和干燥。然而，上述的废水处理技术的处理成本昂贵，且最终产生的盐类只能废弃掩埋，因而对环境与生态造成污染。
发明内容
本发明提供一种废水处理系统，其包括正渗透液体浓缩装置与电透析装置。
根据本发明的实施例，废水处理系统包括正渗透液体浓缩装置与电透析装置。正渗透液体浓缩装置将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间。电透析装置设置于正渗透液体浓缩装置的下游，且与正渗透液体浓缩装置耦接，以接收正渗透液体浓缩装置排出的废水，且将废水中的盐类制成酸液与碱液。
本发明还提供一种废水处理方法，其通过正渗透液体浓缩装置将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间，以及通过电透析装置将废水中的盐类制成酸液与碱液。
根据本发明的实施例，废水处理方法包括以下步骤。将废水提供至正渗透液体浓缩装置中，以将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间。经由正渗透液体浓缩装置，将废水导入至电透析装置中，以将废水中的盐类制成酸液与碱液。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明实施例的废水处理系统的方块示意图；
图2为本发明实施例的废水处理方法的流程图；
图3为本发明实施例的电透析装置的示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
关于文中所提到“包含”、“包括”、“具有”等的用语均为开放性的用语，也就是指“包含但不限于”。
此外，在本文中，由“一数值至另一数值”表示的范围是一种避免在说明书中逐一列举所述范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载涵盖了所述数值范围内的任意数值，以及涵盖由所述数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围。
在本发明的实施例中，废水处理系统包括正渗透液体浓缩装置以及电透析装置。经由正渗透液体浓缩装置，可将废水中的盐类浓度浓缩至7％至14％之间。如此一来，后续以电透析装置将废水中的盐类制成酸液与碱液时，可具有较高的效率。此外，在将废水中的盐类制成酸液与碱液之后，剩余的水溶液可与未经处理的废水混合并提供至正渗透液体浓缩装置以及电透析装置，重复进行上述步骤，以达到废水零排放的目的。以下将对本发明实施例的废水处理系统与方法作详细说明。
图1为本发明的实施例的废水处理系统的方块示意图。请参照图1，本发明实施例的废水处理系统10包括正渗透液体浓缩装置100以及电透析装置102。此外，视实际需求，废水处理系统10还可包括预处理装置104。废水处理系统10用以处理含有盐类的废水。所述盐类例如为氯化钠、硫酸钠、氯化锂、硫酸锂或其组合。在废水处理系统10包括预处理装置104的情况下，废水可先提供至预处理装置104来进行预处理，而正渗透液体浓缩装置100设置在预处理装置104的下游且与预处理装置104耦接，电透析装置102则设置于正渗透液体浓缩装置100的下游，且与正渗透液体浓缩装置100耦接。
预处理装置104可对含有盐类的废水进行预处理，以将废水中的盐类的浓度浓缩至4％以上，但低于7％。预处理装置104例如为一般公知的逆渗透装置，其可将废水中的盐类的浓度最高浓缩至约4％。将废水中的盐类的浓度浓缩提高，可利于后续将盐类制成酸液与碱液的效率。此外，在一实施例中，预处理装置104可包括前处理装置以及逆渗透装置，其中前处理装置可先将废水中的盐类的浓度浓缩至约1％，且逆渗透装置在将盐类的浓度提高至约2％至4％。
正渗透液体浓缩装置100设置在预处理装置104的下游且与预处理装置104耦接，以接收来自预处理装置104的废水。当其中盐类浓度被初步提高的废水进入正渗透液体浓缩装置100之后，正渗透液体浓缩装置100再次对废水中的盐类进行浓缩。在本实施例中，正渗透液体浓缩装置100将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间。如此一来，可大幅提高后续将盐类制成酸液与碱液的效率。
在本实施例中，正渗透液体浓缩装置100包括正渗透液体浓缩单元100a与提取液回收单元100b，其中正渗透液体浓缩单元100a与预处理装置104耦接，且提取液回收单元100b与正渗透液体浓缩单元100a耦接。正渗透液体浓缩单元100a中具有薄膜，且通过将薄膜两端的渗透压差作为驱动力，将进水端(盐类浓度较低，低渗透压)的水吸引至提取液端(盐类浓度较高，高渗透压)。此时，废水中的盐类浓度提高，而提取液端的提取液浓度经水稀释而降低。此外，稀释的提取液被排放至提取液回收单元100b，且提取液回收单元100b将稀释的提取液浓缩后再提供至正渗透液体浓缩单元100a的提取液端，以使正渗透液体浓缩单元100a能够持续对废水中的盐类进行浓缩。然而，本发明中所使用的正渗透液体浓缩装置并不限于上述架构。
电透析装置102设置于正渗透液体浓缩装置100的下游，且与正渗透液体浓缩装置100耦接。在一实施例中，电透析装置102可如图3所示。请参照图3，电透析装置102包括废水室300、正极室P、负极室N、酸液室A、碱液室B、第一缓冲室B1与第二缓冲室B2。废水室300用以接收含有盐类的废水。正极室P与负极室N分别设置于废水室300的相对两侧。正极室P中具有电极PE，且用以接收极室液(例如硫酸钠溶液)。负极室N中具有电极NE，且用以接收极室液(例如硫酸钠溶液)。当对电极PE与电极NE施加电压时，可使废水中的盐类的阴离子朝向正极移动，以及使废水中的盐类的阳离子朝向负极移动。如此一来，可使废水中的盐类浓度降低，达到废水处理的目的。在废水处理的过程中，电流密度例如介于10mA/cm2至100mA/cm2之间。
酸液室A设置于废水室300与正极室P之间，且与正极室P连结。酸液室A用以接收水溶液(例如纯水)以及来自第一缓冲室B1的阴离子(后续将对此进行说明)。在本实施例中，酸液室A与正极室P之间的界面为双极膜PM1。双极膜PM1中的氢氧离子往正极端移动到正极室P中，而氢离子则与来自第一缓冲室B1的阴离子形成酸液。酸液室A中的酸液浓度随着废水处理的时间增加而上升，直到到达所需的酸液浓度(在本文中称为酸液中阴离子的目标浓度)。此时，可自酸液室A接收制成的酸液而达到废水再利用的目的。
碱液室B设置于废水室300与负极室N之间，且与负极室N连结。碱液室B用以接收水溶液(例如纯水)以及来自第二缓冲室B2的阳离子(后续将对此进行说明)。在本实施例中，碱液室B与负极室N之间的界面为双极膜PM2。双极膜PM2中的氢离子往负极端移动到负极室N中，而氢氧离子则与来自第二缓冲室B2的阳离子形成碱液。碱液室B中的碱液浓度随着废水处理的时间增加而上升，直到到达所需的碱液浓度(在本文中称为碱液中阳离子的目标浓度)。此时，可自碱液室B接收制成的碱液而达到废水再利用的目的。
第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室300之间，且与酸液室A以及废水室300连结。第一缓冲室B1用以接收含有与待制成的酸液中的阴离子(即废水中欲回收再利用的阴离子)相同的阴离子的第一缓冲溶液。在本实施例中，第一缓冲室B1与废水室300之间的界面为阴离子交换膜M1，且第一缓冲室B1与酸液室A之间的界面亦为阴离子交换膜M2。也就是说，第一缓冲室B1与废水室300之间的界面以及第一缓冲室B1与酸液室A之间的界面具有相同的电性。如此一来，在废水处理的过程中，废水中的盐类的阴离子朝向正极移动而进入第一缓冲室B1中，而第一缓冲室B1中的与待制成的酸液中的阴离子相同的阴离子则进入酸液室A中，以与来自双极膜PM1中的氢离子形成酸液。
此外，在本实施例中，第一缓冲溶液中的阴离子的浓度不低于废水室300中的相同阴离子的目标浓度，且不高于酸液室A中的相同阴离子的目标浓度。由于第一缓冲溶液中的阴离子浓度介于废水室300中的目标浓度与酸液室A中的目标浓度之间，因此当废水室300中的离子浓度随着废水处理的时间增加而降低时，可减缓因酸液室A与废水室300之间过大的渗透压差而造成废水室300中的水进入酸液室A中，以避免酸液回收浓度降低。此外，通过第一缓冲室B1的设置，可防止酸液室A中的离子因离子浓度差过大而回到废水室300中，以避免废水处理及酸液回收的效率降低。另外，由于第一缓冲溶液中的阴离子与待制成的酸液中的阴离子相同，因此即在废水中含有多种阴离子的情况下，这些阴离子仅会进入第一缓冲室B1中，而第一缓冲溶液中的阴离子则会进入酸液室A中，因而可提高所制得的酸液的纯度。
第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室300之间，且与碱液室B以及废水室300连结。第二缓冲室B2用以接收含有与待制成的碱液中的阳离子(即废水中欲回收再利用的阳离子)相同的阳离子的第二缓冲溶液。在本实施例中，第二缓冲室B2与废水室300之间的界面为阳离子交换膜M3，且第二缓冲室B2与碱液室B之间的界面亦为阳离子交换膜M4。也就是说，第二缓冲室B2与废水室300之间的界面以及第二缓冲室B1与碱液室B之间的界面具有相同的电性。如此一来，在废水处理的过程中，废水中的盐类的阳离子朝向负极移动而进入第二缓冲室B2中，而第二缓冲室B2中的与待制成的碱液中的阳离子相同的阳离子则进入碱液室B中，以与来自双极膜PM2中的氢氧离子形成碱液。
此外，在本实施例中，第二缓冲溶液中的阳离子的浓度不低于废水室300中的相同阳离子的目标浓度，且不高于碱液室B中的相同阳离子的目标浓度。由于第二缓冲溶液中的阳离子浓度介于废水室300中的目标浓度与碱液室B中的目标浓度之间，因此当废水室300中的离子浓度随着废水处理的时间增加而降低时，可减缓因碱液室B与废水室300之间过大的渗透压差而造成废水室300中的水进入碱液室B中，以避免碱液回收浓度降低。此外，通过第二缓冲室B2的设置，可防止碱液室B中的离子因离子浓度差过大而回到废水室300中，以避免废水处理及碱液回收的效率降低。另外，由于第二缓冲溶液中的阳离子与待制成的碱液中的阳离子相同，因此即在废水中含有多种阳离子的情况下，这些阳离子仅会进入第二缓冲室B2中，而第二缓冲溶液中的阳离子则会进入碱液室B中，因而可提高所制得的碱液的纯度。
在本实施例中，第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室300之间，第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室300之间。因此，第一缓冲室B1以及第二缓冲室B2分别可减少废水室300与酸液室A以及碱液室B之间的浓度差距并形成浓度梯度，使得酸液室A或碱液室B中的离子不回渗至废水室300，且降低渗透压差。换句话说，若非将第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室300之间及/或将第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室300之间，则无法解决因酸液室A及/或碱液室B与废水室300之间的浓度差距过大而造成酸液及/或碱液回收效率降低的问题。
此外，在本实施例中，第一缓冲室B1与第二缓冲室B2是分隔开的腔室，且第一缓冲室B1与第二缓冲室B2连通。因此，第一缓冲溶液相同于第二缓冲溶液，且都含有产生酸液所需的阴离子以及产生碱液所需的阳离子。在另一实施例中，第一缓冲室B1可与第二缓冲室B2不连通。在此情况下，第一缓冲溶液与第二缓冲溶液不同。
在其他实施例中，电透析装置102可具有类似如图3所示的架构，但可省略第一缓冲室B1与第二缓冲室B2。值得注意的是，在其他实施例中，在电透析装置102中未设置缓冲室的情况下，同样可实施本发明。
在本实施例中，电透析装置102的废水室300与正渗透液体浓缩单元100a耦接，透过电透析装置102的废水室300接收正渗透液体浓缩装置100导入的废水(盐类浓度已提高至7％至14％之间)，且将废水中的盐类制成酸液与碱液。由于电透析装置102中具有带电荷的透析膜，因此通过将电位差作为驱动力，可在水溶液中将离子分离开。通过上述程序，电透析装置102可将废水中的盐类的阴离子与阳离子分离开，且透过双极膜将水裂解产生氢离子与氢氧根离子，而分别制成酸液(例如硫酸、盐酸等)与碱液(例如氢氧化钠、氢氧化锂等)，且制成的酸液与碱液可应用于各种产业。此外，制成酸液与碱液之后的剩余水溶液亦可被利用，或者可与未经处理的废水混合，并提供至预处理装置104或正渗透液体浓缩装置100，以持续进行废水处理。
由上述可知，经由本发明实施例的废水处理系统10，废水可经处理而制成酸液与碱液，且制成酸液与碱液之后的剩余水溶液可被利用或可与未经处理的废水混合并进行废水处理。如此一来，可有效地解决盐类废弃掩埋而造成环境与生态污染的问题，且同时达成废水零排放的目标。
此外，本发明实施例的废水处理系统10包括正渗透液体浓缩装置100与电透析装置102，并非通过热蒸发装置来提高盐类的浓度，因此可有效地降低耗能与成本。
以下将对本发明实施例的废水处理方法进行说明。
图2为本发明的实施例的废水处理方法的流程图。请同时参照图1与图2，首先，在步骤S200中，将含有盐类(例如氯化钠、硫酸钠、氯化锂、硫酸锂或其组合)的废水提供至预处理装置104中，以进行预处理。在此步骤中，可将废水中的盐类的浓度浓缩至4％以上，但低于7％。在其他实施例中，视实际需求，可省略步骤S200。
接着，在步骤S202中，将预处理后的废水提供至正渗透液体浓缩装置100中，对废水中的盐类的浓度进行第二次浓缩，以将盐类的浓度提高至7％至14％之间。
然后，在步骤S204中，将经二次浓缩的废水提供至同时具备阴离子交换膜、阳离子交换膜与双极膜所组成的电透析装置102中，以将废水制成酸液与碱液。
之后，在步骤S206中，自电透析装置的酸液室与碱液室回收酸液与碱液。此外，电透析装置的废水室中剩余的水溶液亦可被回收，或可与未经处理的废水混合且重复进行步骤S200至步骤S206。如此一来，可将废水制成酸液与碱液以进行回收，且同时达成废水零排放的目标。
以下将以实验例与比较例来对本发明的废水处理系统与方法作说明，且处理结果如表1所示。
正渗透液体浓缩装置：使用Na2SO4提取液，扫流速度为25cm/s，且渗透膜的有效操作面积为1m2。
电透析装置：如图3所示。
实验例1
在正渗透液体浓缩装置的Na2SO4提取液的浓度为30％且渗透压为89atm的情况下，将含有NaCl的废水提供至正渗透液体浓缩装置，进行浓缩4小时，以将NaCl的浓度自3.5％浓缩至7.5％。之后，将经浓缩的废水导出并提供至电透析装置，以将废水制成HCl与NaOH。
实验例2
在正渗透液体浓缩装置的Na2SO4提取液的浓度为30％且渗透压为89atm的情况下，将含有NaCl的废水提供至正渗透液体浓缩装置，进行浓缩4.5小时，以将NaCl的浓度自3.5％浓缩至8％之后，将经浓缩的废水导出并提供至电透析装置，以将废水制成HCl与NaOH。
实验例3
在正渗透液体浓缩装置的Na2SO4提取液的浓度为40％且渗透压为117atm的情况下，将含有NaCl的废水提供至正渗透液体浓缩装置，以将NaCl的浓度浓缩至12.6％。之后，将经浓缩的废水提供至电透析装置，以将废水制成HCl与NaOH。
比较例
将含有4％的NaCl的废水直接提供至电透析装置，不经由正渗透液体浓缩装置将NaCl的浓度提高至7％至14％之间，以将废水制成HCl与NaOH。
表1
由表1可以清楚看出，相较于比较例(没有经由正渗透液体浓缩装置将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间)，在本发明实施例的废水处理系统中，经由正渗透液体浓缩装置先将废水中的盐类的浓度提高至7％至14％之间，可有效地提高所制成的酸液与碱液的浓度，且可有效地提升酸碱回收率与电流效率。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种废水处理系统，其特征在于，包括：
正渗透液体浓缩装置，将废水中的盐类的浓度提高至7%至14%之间；以及
电透析装置，设置于所述正渗透液体浓缩装置的下游，且与所述正渗透液体浓缩装置耦接，接收所述正渗透液体浓缩装置导入的所述废水，且将所述废水中的所述盐类制成酸液与碱液；
所述正渗透液体浓缩装置包括正渗透液体浓缩单元以及与所述正渗透液体浓缩单元耦接的提取液回收单元，所述提取液回收单元接收来自所述正渗透液体浓缩单元的稀释的提取液，且提供提取液至所述正渗透液体浓缩单元；
其中所述电透析装置包括：
废水室，接收含有第一离子与第二离子的所述废水；
正极室与负极室，分别设置于所述废水室的相对两侧；
酸液室，设置于所述废水室与所述正极室之间；
碱液室，设置于所述废水室与所述负极室之间；
第一缓冲室，设置于所述酸液室与所述废水室之间，接收含有所述第一离子的第一缓冲溶液；以及
第二缓冲室，设置于所述碱液室与所述废水室之间，接收含有所述第二离子的第二缓冲溶液，
其中所述废水室与所述第一缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，所述酸液室与所述第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且所述第一离子交换膜与所述第二离子交换膜都是阴离子交换膜，
其中所述废水室与所述第二缓冲室之间的界面为第三离子交换膜，所述碱液室与所述第二缓冲室之间的界面为第四离子交换膜，且所述第三离子交换膜与所述第四离子交换膜都是阳离子交换膜，
其中所述第一离子交换膜允许所述废水中含有的所述第一离子从所述废水室穿过到而达所述第一缓冲室，所述第二离子交换膜允许所述第一缓冲室中的所述第一缓冲溶液中含有的所述第一离子穿过而到达所述酸液室，
其中所述第三离子交换膜允许所述废水中含有的所述第二离子从所述废水室穿过到而达所述第二缓冲室，所述第四离子交换膜允许所述第二缓冲室中的所述第二缓冲溶液中含有的所述第二离子穿过而到达所述碱液室，以及
其中所述第一缓冲溶液中的所述第一离子的浓度高于所述废水室中的所述第一离子的目标浓度，且低于所述酸液室中的所述第一离子的目标浓度，以及所述第二缓冲溶液中的所述第二离子的浓度高于所述废水室中的所述第二离子的目标浓度，且低于所述碱液室中的所述第二离子的目标浓度。
2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，还包括预处理装置，设置于所述正渗透液体浓缩装置的上游，且与所述正渗透液体浓缩装置耦接，将所述废水中的盐类的浓度提高至4%以上且低于7%。
3.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述废水中的所述盐类包括氯化钠、硫酸钠、氯化锂、硫酸锂或其组合。
4.一种废水处理方法，其特征在于，包括：
将废水提供至正渗透液体浓缩装置中，以将所述废水中的盐类的浓度提高至7%至14%之间；
经由所述正渗透液体浓缩装置，将所述废水导入至电透析装置中，以将所述废水中的所述盐类制成酸液与碱液；以及
将所述正渗透液体浓缩装置中稀释的提取液提供至提取液回收单元，且所述提取液回收单元将提取液提供至正渗透液体浓缩单元；
其中所述电透析装置包括：
废水室，接收含有第一离子与第二离子的所述废水；
正极室与负极室，分别设置于所述废水室的相对两侧；
酸液室，设置于所述废水室与所述正极室之间；
碱液室，设置于所述废水室与所述负极室之间；
第一缓冲室，设置于所述酸液室与所述废水室之间，接收含有所述第一离子的第一缓冲溶液；以及
第二缓冲室，设置于所述碱液室与所述废水室之间，接收含有所述第二离子的第二缓冲溶液，
其中所述废水室与所述第一缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，所述酸液室与所述第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且所述第一离子交换膜与所述第二离子交换膜都是阴离子交换膜，
其中所述废水室与所述第二缓冲室之间的界面为第三离子交换膜，所述碱液室与所述第二缓冲室之间的界面为第四离子交换膜，且所述第三离子交换膜与所述第四离子交换膜都是阳离子交换膜，
其中所述第一离子交换膜允许所述废水中含有的所述第一离子从所述废水室穿过到而达所述第一缓冲室，所述第二离子交换膜允许所述第一缓冲室中的所述第一缓冲溶液中含有的所述第一离子穿过而到达所述酸液室，
其中所述第三离子交换膜允许所述废水中含有的所述第二离子从所述废水室穿过到而达所述第二缓冲室，所述第四离子交换膜允许所述第二缓冲室中的所述第二缓冲溶液中含有的所述第二离子穿过而到达所述碱液室，以及
其中所述第一缓冲溶液中的所述第一离子的浓度高于所述废水室中的所述第一离子的目标浓度，且低于所述酸液室中的所述第一离子的目标浓度，以及所述第二缓冲溶液中的所述第二离子的浓度高于所述废水室中的所述第二离子的目标浓度，且低于所述碱液室中的所述第二离子的目标浓度。
5.根据权利要求4所述的废水处理方法，其特征在于，在将所述废水提供至正渗透液体浓缩装置中之前，还包括将所述废水提供至预处理装置中，将所述废水中的所述盐类的浓度提高至4%以上且低于7%。
6.根据权利要求4所述的废水处理方法，其特征在于，所述废水中的所述盐类包括氯化钠、硫酸钠、氯化锂、硫酸锂或其组合。
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