CN114772808B - 纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回收利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳滤‑电化学法处理树脂脱附液并回收利用的方法，其步骤为：（1）将脱氮树脂脱附液进行纳滤膜过滤，实现多价离子以及大分子量有机物的脱除，得到去除大分子有机物的纳滤出水；（2）将滤出液通入多室电化学反应器，分别进行阴极室还原硝态氮，阳极室将氯离子转化为次氯酸根，次氯酸根氨氮反应生成氮气，实现总氮的去除；（3）将所得水体通入除氯室，将产生的游离氯还原为氯离子，实现余氯的去除；（4）所得水体作为再生液进行饱和离子交换树脂的再生。本发明提供的纳滤‑电化学法的新型工艺，可以实现总氮的去除和游离氯的去除，同时实现树脂脱附液的资源化回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高盐高氮树脂脱附液的处理方法，属于废液处理技术领域。
背景技术
近年来我国的城镇污水处理厂不断降低污染物的排放量，使出水达到四类或者更高的水体标准，使污水处理厂的出水作为生态水源的补水进入各种河流和湖泊，所以我国多处污水厂为达到四类水标准都进行了提标改造，其中TN≤1.5mg/L，即以硝态氮为主的总氮难以达标。树脂吸附是一种重要的水处理技术，且阴离子交换法去除硝酸氮盐是美国环境保护署（Environmental Protection Agency ,EPA）的推荐技术之一。但是树脂吸附饱和后，需要用浓氯化钠对树脂进行再生，产生高盐高氮的脱附液（脱氮树脂脱附液）。因为该脱附液具有盐度高（7-15%）、COD高、色度高等特点而难以进行生化处理，急需一种方法对高盐高氮树脂脱附液进行处理。
电化学法处理高盐废水是一种常见的技术，利用水中的高盐、高电导率为电化学反应提供电解质。且电化学法具有绿色环保、无需药剂投加、易于操控等优点。所以在处理高盐水体等具有极其广泛的应用。通过电化学法还原其中的硝态氮是目前较为常见的方法，但是在高COD的条件下，硝态氮的电还原效率明显下降，所以需要将COD和硝态氮进行分离，采用纳滤技术可以实现多价离子以及分子量>200 Da 有机物的脱除，滤出液中的主要成分Na+，Cl-，NO3 -以及少量有机物。
在电化学处理中氯化钠（NaCl）的存在有助于总氮的去除，因为Cl-在阳极反应生成Cl2，Cl2和水（H2O）反应生成次氯酸（HClO），溶于水生成次氯酸根（ClO-），次氯酸根氧化铵根生成氮气，实现脱附液中总氮的去除。
高盐高氮脱附液存在大量的氯离子，在电化学的作用下产生大量的游离氯，并且存在于水体中对环境产生危害、再生时影响树脂吸附容量、降低树脂寿命。目前，在去除水体中游离氯的方法中，主要是以投加化学药剂法为主，其中四价含硫化合物法最为常见，然而该方法中四价含硫化合物的量需精确计算，否则引入硫酸根离子污染水体环境。本发明提供一种方法，去除在电化学作用下产生的大量游离氯，从而实现对脱附液的回用。
发明内容
针对具有高COD、高盐度、高总氮的树脂脱附液，本发明提供了一种高效、无二次污染、可实现资源化回用的树脂脱附液处理的方法，该方法采用纳滤法-电化学还原氧化还原法，无药剂投加、易于自动化，且该方法可实现对高盐高氮树脂脱附液脱氮除氯的装置一体化。
本发明涉及纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将脱氮树脂脱附液进行过滤后采用纳滤膜过滤，得到去除大分子有机物的滤出液；
（2）将滤出液通入多室电化学反应器中，分别进行阴极还原和阳极氧化，去除总氮；
（3）经步骤（2）所得水体通入多室电化学反应器的除氯室中，将水体中过量的游离氯还原为氯离子，去除余氯；
（4）经步骤（3）所得水体作为再生液进行饱和离子交换树脂的再生。
优选地，步骤（1）中，脱氮树脂脱附液的COD为100-10000 mg/L，盐度为5%-15wt%，TN为50-1000 mg/L。
优选地，步骤（1）中，纳滤膜孔径为0.1~2 nm，采用纳滤膜过滤时的操作温度为 -15~50 ℃，操作压力 0.1~4 Mpa，进水泵频率20~40 Hz。
优选地，多室电化学反应器包括依次顺序连接的多级反应器M1、M2…Mi、Mn以及1个除氯室C，n ≥1（优选1≤n≤5），每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过管道连通，交替进行还原和氧化反应，相邻一级反应器之间通过管道串联连通，除氯室C与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过管道连通，其中，阴极室进行硝态氮的还原，阳极室进行氨氮的氧化，除氯室进行游离氯的还原。
更优选地，相邻一级反应器之间通过单向输送泵的水管将前一级反应器的阳极室与后一级反应器的阴极室串联连接。
更优选地，每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过设置双向循环输送泵的水管连通，使得阴极室和阳极室的水体能够实现交叉循环，水体停留时间即循环时间t=xn+x2+c，x为水量，c为修正参数，由水质情况决定，一般取值在-100到20之间。
更优选地，除氯室C与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过设置单向输送泵的水管连通，除氯室C内还设置搅动装置，使得除氯室的水体能够实现内循环，水体在除氯室C的停留时间t=0.5x+x2+c’，x为水量，c’为修正参数，由水质情况决定,c’ 一般取值在-50~15之间。
优选地，多级反应器中的阴极室采用脱氮电极作为阴极，具体选自钛负载金属氧化物、钛基铜氧化物、钛基钴氧化物、钛基镍氧化物、钛基锡氧化物、钛基钌氧化物、钛基锑氧化物或钛基混合金属氧化物中任意一种；阳极室采用析氯电极作为阳极，具体选自钌铱钛、钽铱钛中任意一种；除氯室采用金属电极作为阴极，具体选自铁（Fe）、钛（Ti）、不锈钢电极中任意一种，或采用碳素电极作为阴极，具体选自石墨、石墨毡、活性炭、碳纤维、碳纳米管中任意一种。
更优选地，阴极室的阴极与阳极室的阳极之间的面积比为0.3~10，阳极室的阳极与除氯室的阴极的面积比为0.3~10。
优选地，步骤（2）中，进行电化学反应时的电流密度为1~75 mA/cm2，优选20 mA/cm2。
优选地，步骤（3）中，进行电化学反应时的电流密度为1~75 mA/cm2，优选10 mA/cm2。
优选地，步骤（4）中，离子交换树脂为大孔型强碱性阴离子交换树脂。
优选地，经步骤（3）处理后的水体中的硝态氮去除率为80-99%，总氮去除率为80-99%，游离氯去除率为90-99.9%。
与现有技术相比，本发明树脂脱附液处理的方法优势如下：
（1）本发明提供的纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法实现COD和TN的分离，有效提高了电化学处理硝态氮的去除效率。
（2）本发明提供的纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法中采用新型多室反应器，用离子交换膜分为2n+1室，使得产生的气体分开产生以提高工艺安全性。
（3）本发明提供的纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法在实现总氮去除的同时，增加了一除氯阴极室。考虑到电化学氧化副产物游离氯具有的危害性，使其通过电化学还原为氯离子，无二次污染，可以实现氯化钠再生液的资源化利用。
附图说明
图1为本发明纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法的工艺流程图。
图2为本发明中所述的多室电化学反应器结构示意简图。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明的纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法作进一步的说明。
采用电化学还原法还原游离氯是一种创新的手段，利用游离氯具有氧化性，可以在阴极表面获得电子，从而形成氯离子。
结合图2，本发明所述的多室电化学反应器，从左至右，包括依次顺序连接的第一阴极室A1、第一阳极室B1、第二阴极室A2、第二阳极室B2、……、第i阴极室Ai、第i阳极室Bi、……、第n阴极室An、第n阳极室Bn以及1个除氯室C，n ≥1（优选1≤n≤5），第一阴极室A1和第一阳极室B1构成第一级反应器M1，第二阴极室A2和第二阳极室B2构成第二级反应器M2，……，第n阴极室An和第n阳极室Bn构成第n级反应器Mn，各级反应器的阴极室和阳极室之间采用阳离子交换膜进行分隔，且各级反应器的阴极室和阳极室之间通过双向循环输送泵的水管连通，交替进行还原和氧化反应；第一阳极室B1、第二阴极室A2（第二阳极室Bi、第三阴极室Ai+1）之间通过单向输送泵的水管串联连通，除氯室C与第n阳极室Bn之间采用阳离子交换膜分隔，且通过单向输送泵的水管连通，其中，阴极室进行硝态氮的还原，阳极室进行氨氮的氧化，除氯室进行游离氯的还原。
工作时，水体从第一级反应器M1的第一阴极室A1底部的进水口进入，第一阴极室A1、第一阳极室B1之间采用阳离子交换膜进行分隔，其目的是避免阴极产生的氢气和阳极产生的氧气混合，从而提高反应器的安全性；且采用阳离子交换膜是为了使硝态氮不直接穿过隔膜而降低还原率。由于第一阴极室A1、第一阳极室B1之间设置了交叉循环水管，保证硝酸根的还原和铵根的氧化能交替进行，以实现总氮的去除。每一级反应器均是通过水管连通，实现不同浓度水体的多级氧化和还原处理，可根据脱附液水质情况选择不同级数的反应器，总氮浓度高时增加反应器个数，反之减少，以缩短反应时间，提高反应效率。第n级反应器Mn的第n阳极室Bn和除氯室C之间也通过水管连通，水体由第n阳极室Bn单向流通至除氯室C，因此已完成总氮去除后的水体流入除氯室以实现游离氯的去除。此时的水体可作为树脂再生液，实现了再生液的回用。
本发明涉及纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回用的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。实现多价离子以及分子量>200 Da 有机物的脱除，得到去除大分子有机物的纳滤出水。
（2）将滤出液通入多室电化学反应器的多级反应器M1、M2，……，Mn，经多级反应器分别进行阴极室还原硝态氮为氨氮，阳极室氧化氯离子转化为次氯酸根，次氯酸根与氨氮反应生成氮气，实现总氮的去除。
（3）将多级反应器所得水体通入除氯室，将产生的过量的游离氯还原为氯离子，实现余氯的去除。
（4）所得水体可以作为再生液进行饱和离子交换树脂的再生。
实施例1
树脂对某化工厂废水吸附产生20 t/d浓液，其水质为：CODcr为3018 mg/L，硝态氮浓度为463 mg/L，盐度为9.8%。
（1）该脱氮树脂脱附液贮存于纳滤膜储存罐中，采用多介质过滤器及精密过滤器对脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。纳滤膜操作温度为 25 ℃，操作压力 1.5Mpa，进水泵频 30.7 Hz。COD值降至300 mg/L，硝态氮浓度为483mg/L，盐度为8.1%。
（2）将1 L滤出液进入2级反应器，第1级反应器的第一阴极室A1与第一阳极室B1的电流密度为20 mA/cm2，第一阴极室A1阴极采用钛基钴氧化物电极，第一阳极室B1采用钌铱钛电极，其电极面积比为1：1。第2级反应器的第二阴极室A2与第二阳极室B2电流密度为10mA/cm2，第二阴极室A2阴极采用钛基钴氧化物电极，第二阳极室B2采用钌铱钛电极，其电极面积比为1：1电化学反应10h后总氮去除率为90%。
（3）将上述水体通入多室电化学反应器的除氯室C，除氯室C与第二阳极室B2电流密度为10 mA/cm2，除氯室C的阴极采用钛板，两者的电极面积比为1：1，电化学反应10 h，游离氯去除率为92%。
（4）将上述水体再生饱和的D205树脂，树脂再吸附的吸附量能达到再生前树脂饱和吸附量的90%。
实施例2
树脂对某乳酸生化尾水吸附产生10t/d浓液，其水质为：CODcr为3810 mg/L，硝态氮浓度为956 mg/L，盐度为12.1%。
（1）该脱氮树脂脱附液贮存于纳滤膜储存罐中，采用多介质过滤器及精密过滤器对脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。纳滤膜操作温度为 25 ℃，操作压力 1.5Mpa，进水泵频 30.7 Hz。COD值降至350 mg/L，硝态氮浓度为931 mg/L，盐度为11.3%。
（2）将500 mL滤出液进入1级反应器，第1级反应器的第一阴极室A1与第一阳极室B1的电流密度为30 mA/cm2，第一阴极室A1阴极采用钛基钴氧化物电极，第一阳极室B1采用钌铱钛电极，其电极面积比为1：1，电化学反应6h后总氮去除率为88%。
（3）将上述水体通入除氯室C，除氯室C与第一阳极室B1电流密度为10 mA/cm2，阴极采用钛基钴氧化物电极，两者的电极面积比为1：1，电化学反应6 h，游离氯去除率为99%。
（4）将上述水体再生饱和的D205树脂，树脂再吸附的吸附量能达到再生前树脂饱和吸附量的89%。
实施例3
树脂对某城镇污水厂吸附产生30 t/d浓液，其水质为：CODcr为2500 mg/L，硝态氮浓度为846 mg/L，盐度为8.7%。
（1）该脱氮树脂脱附液贮存于纳滤膜储存罐中，采用多介质过滤器及精密过滤器对脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。纳滤膜操作温度为 25 ℃，操作压力 1.5Mpa，进水泵频 30.7 Hz。COD值降至280 mg/L，硝态氮的浓度为820 mg/L，盐度为7.8%。
（2）将750 ml滤出液进入1级反应器，第1级反应器的第一阴极室A1与第一阳极室B1的电流密度为30 mA/cm2，第一阴极室A1阴极采用钛基钴氧化物电极，第一阳极室B1阳极采用钌铱钛电极，其电极面积比为1：1，电化学反应6h后总氮去除率为92%。
（3）将上述水体通入除氯室C，除氯室C与第一阳极室B1的电流密度为5 mA/cm2，除氯室C的阴极采用钛基钴氧化物电极，两者的电极面积比为1：1，电化学反应6 h，游离氯去除率为99%。
（4）将上述水体再生饱和的D205树脂，树脂再吸附的吸附量能达到再生前树脂饱和吸附量的92%。
实施例4
树脂对江苏某工厂吸附产生30 t/d浓液，其水质为：CODcr为2230 mg/L，硝态氮浓度为486 mg/L，盐度为9.7%。
（1）该脱氮树脂脱附液贮存于纳滤膜储存罐中，采用多介质过滤器及精密过滤器对脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。纳滤膜操作温度为 25 ℃，操作压力 1.5Mpa，进水泵频 30.7 Hz。COD值降至198 mg/L，硝态氮浓度为459 mg/L，盐度为9.3%。
（2）将2 L滤出液进入5级反应器，第1级反应器的第一阴极室A1与第一阳极室B1、第2级反应器的第二阴极室A2与第二阳极室B2…第5级反应器的第五阴极室A5与第五阳极室B5的电流密度均为30 mA/cm2，第一阴极室A1、第二阴极室A2…第五阴极室A5采用钛基铜氧化物电极，第一阳极室B1、第二阳极室B2…第五阳极室B5采用钌铱钛电极，各阴极室与阳极室的电极面积比均为1：1，电化学反应6 h后总氮去除率为90%。
（3）将上述水体通入除氯室C，除氯室C与第五阳极室B5电流密度为5mA/cm2，除氯室C的阴极采用钛板，两者的电极面积比为1：1，电化学反应6h，游离氯去除率为95%。
（4）将上述水体再生饱和的Purolite®A520E树脂，树脂再吸附的吸附量能达到再生前树脂饱和吸附量的89%。
实施例5
树脂对某石化生化尾水吸附产生300 t/d浓液，其水质为：CODcr为2749 mg/L，硝态氮浓度为960 mg/L，盐度为8.8%。
（1）该脱氮树脂脱附液贮存于纳滤膜储存罐中，采用多介质过滤器及精密过滤器对脱氮树脂脱附液进行过滤后送入纳滤膜过滤。纳滤膜操作温度为 25 ℃，操作压力 1.5Mpa，进水泵频 30.7 Hz。COD值降至290 mg/L，硝态氮浓度为948 mg/L，盐度为8.7%。
（2）将1L滤出液进入1级电化学反应器，第1级反应器的第一阴极室A1与第一阳极室B1电流密度为30 mA/cm2，第一阴极室A1采用钛基二氧化钛纳米管电极，第一阳极室B1采用钌铱钛电极，两者的电极面积比为2：1，电化学反应12h后总氮去除率为85%。
（3）将上述水体通入除氯室C，除氯室C与第一阳极室B1电流密度为10 mA/cm2，阴极采用钛板，两者的电极面积比为5：1，电化学反应12 h，游离氯去除率为99%。
（4）将上述水体再生饱和的Purolite®A520E树脂，树脂再吸附的吸附量能达到再生前树脂饱和吸附量的85%。
以上描述的为本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅为举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式作出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种纳滤-电化学法处理树脂脱附液并回收利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将脱氮树脂脱附液进行过滤后采用纳滤膜过滤，得到去除大分子有机物的滤出液；
（2）将滤出液通入多室电化学反应器中，分别进行阴极还原和阳极氧化，去除总氮；
（3）经步骤（2）所得水体通入多室电化学反应器的除氯室中，将水体中过量的游离氯经还原为氯离子，去除余氯；
（4）经步骤（3）所得水体作为再生液进行饱和离子交换树脂的再生；
其中，多室电化学反应器包括依次顺序连接的多级反应器M1、M2…Mi、Mn以及1个除氯室C，n ≥1，每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过管道连通，交替进行还原和氧化反应，相邻一级反应器之间通过管道串联连通，除氯室C与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过管道连通，其中，阴极室进行硝态氮的还原，阳极室进行氨氮的氧化，除氯室进行游离氯的还原；
相邻一级反应器之间通过管道将前一级反应器的阳极室与后一级反应器的阴极室串联连接；
每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过设置双向循环输送泵的水管连通，使得阴极室和阳极室的水体能够实现交叉循环，水体停留时间即循环时间t=xn+x2+c，x为水量，c为修正参数，由水质情况决定；
除氯室C与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过设置单向输送泵的水管连通，除氯室C内还设置搅动装置，使得除氯室的水体能够实现内循环。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多级反应器中的阴极室采用脱氮电极作为阴极；阳极室采用析氯电极作为阳极；除氯室采用金属电极作为阴极，或采用碳素电极作为阴极。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，阴极室的阴极与阳极室的阳极之间的面积比为0.3~10，阳极室的阳极与除氯室的阴极的面积比为0.3~10。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，纳滤膜孔径为0.1~2 nm，采用纳滤膜过滤时的操作温度为 -15~50℃，操作压力 0.1~4 Mpa，进水泵频率20~40 Hz。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，进行阴极还原和阳极氧化反应时的电流密度为1~75 mA/cm2；步骤（3）中，进行还原反应时的电流密度为1~75 mA/cm2。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，进行阴极还原和阳极氧化反应时的电流密度为20 mA/cm2；步骤（3）中，进行还原反应时的电流密度为10 mA/cm2。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，脱氮树脂脱附液的COD为100-10000 mg/L，盐度为5-15wt%，TN为50-1000mg/L。
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