CN216998016U - 煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，包括：预处理系统、浓盐水箱、双极膜电渗析系统、缓冲水箱和回用水箱；预处理系统的出口连接浓盐水箱的入口，浓盐水箱的出口连接双极膜电渗析系统的入口，双极膜电渗析系统的出口连接缓冲水箱的入口。本实用新型的有益效果是：设置用于调节废水pH值的缓冲水箱；多段膜堆组件并联，有效缩短了反应时间、减少了反应能耗；多级双极膜装置共用酸液箱和碱液箱，有效解决了目前存在的产酸碱浓度低的问题；设有电导率仪，提高处理效率，降低能耗和处理成本；双极膜装置的出水口连接酸碱箱补充液入口，显著提高酸碱的应用范围。

Description

煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置

技术领域

本实用新型属于高盐废水处理技术领域，尤其涉及一种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置。

背景技术

煤化工生产过程会产生大量高含盐废水，其主要特点是化学成分复杂、水质多变，含有较高的Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、F^-等离子；该类废水处理难度大，常规的物理化学处理无法使出水盐分达到排放标准；同时由于在水处理过程中添加化学药剂，盐分在废水中不断累积，进一步加大了高盐废水处理难度。

目前高盐废水零排放处理技术以蒸发结晶为主，但所得到的结晶盐为混盐，难以被再利用或处理处置。因此，目前煤化工高盐废水的处理亟需解决的问题有：处理难度大、处理成本及能耗高和生成副产物利用价值低等。

双极膜电渗析技术可在不引入新组分的情况下，将废水中的盐分转化为酸和碱，从而实现高盐废水的资源化利用。例如实用新型专利(CN111170421A)公开了一种特制的双极膜电渗析系统，在处理废水的同时回收其中的酸、碱；实用新型专利(CN208617376U)公开了一种废盐的再利用装置，将煤化工氯化钠废盐渣进行除杂后，利用双极膜装置电解得到氢氧化钠和盐酸。

但是，现有技术中的双极膜电渗析处理系统尚存在一些缺陷，主要有：(1)由于现有双极膜系统的效率偏低，导致煤化工高盐废水经过预处理后，往往需要进行膜浓缩提浓后再进入双极膜装置；但浓缩过程中Ca²⁺、Mg²⁺等离子浓度也随之倍数升高，由于双极膜对进水水质要求极高，导致了浓缩后需要再次进行软化预处理，使得处理成本升高；(2)由于现有双极膜系统在低浓度进料时的产酸和产碱浓度低，导致酸碱的后续应用受到限制；而若要进一步提高酸碱浓度，则会导致反应时间延长，系统能耗剧增；(3)现有双极膜系统处理后残留的盐分仍达3％或以上，淡盐水的后续处理困难。因此，迫切需要对现有双极膜电渗析的处理系统进行进一步提升。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置。

这种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，包括：预处理系统、浓盐水箱、双极膜电渗析系统、缓冲水箱和回用水箱；预处理系统的出口连接浓盐水箱的入口，浓盐水箱的出口连接双极膜电渗析系统的入口，双极膜电渗析系统的出口连接缓冲水箱的入口；缓冲水箱的出口分两路分别连接反渗透系统的入口和回用水箱的入口；缓冲水箱和回用水箱之间的连接管道上设有阀门A；缓冲水箱和缓冲水箱之间的连接管道上设有阀门B；反渗透系统的出口连接预处理系统的入口；

预处理系统包括除杂装置、除硬除硅装置和有机物脱除装置中的至少一种装置；

双极膜电渗析系统包括多级双极膜装置、酸液箱、碱液箱和多级淡盐水箱，其中双极膜装置与淡盐水箱的级数相同；浓盐水箱的出口分为多路，每路分别连接多级双极膜装置的盐室进口，每级双极膜装置的盐室出口连接该级的淡盐水箱进口；酸液箱与每级双极膜装置的酸室相连，形成多向连接；碱液箱与每级双极膜装置的碱室相连，形成多向连接；多级淡盐水箱的出口均接入缓冲水箱的进口；

每级双极膜装置均至少包括1段膜堆组件；酸液箱上设有酸液回用出口，酸液回用出口通过管道连接至预处理系统上的酸液回用入口；碱液箱上设有碱液回用出口，碱液回用出口通过管道连接至预处理系统上的碱液回用入口；回用水箱上设有淡水回用出口，淡水回用出口通过管道连接至碱液箱和酸液箱上设置的淡水回用入口。

作为优选，双极膜电渗析系统包括一级双极膜装置、二级双极膜装置、酸液箱、碱液箱、一级淡盐水箱和二级淡盐水箱；浓盐水箱的出口分为两路，分别连接一级双极膜装置的盐室进口和二级双极膜装置的盐室进口；一级双极膜装置的盐室出口连接一级淡盐水箱的进口，二级双极膜装置的盐室出口连接二级淡盐水箱的进口；酸液箱分别与一级双极膜装置的酸室和二级双极膜装置的酸室双向连接；碱液箱分别一级双极膜装置的碱室和二级双极膜装置的碱室双向连接；一级淡盐水箱的出口和二级淡盐水箱的出口均连接缓冲水箱的进口。

作为优选，一级双极膜装置和二级双极膜装置均包含2段膜堆组件；双极膜电渗析系统为一级1段、一级2段、二级2段、二级3段或二级4段中的至少一种。

作为优选，废水管道通过浓盐水入口连接一级双极膜装置的膜堆组件A和膜堆组件B；一级双极膜装置的淡盐水出口连接一级淡盐水箱，一级双极膜装置的酸液出口接入酸液箱，一级双极膜装置的碱液出口接入碱液箱；酸液箱和碱液箱分别连接二级双极膜装置的酸室和碱室。

作为优选，每段膜堆组件包括阳极板、阴极板和位于两个极板之间的膜堆；阳极板和阴极板分别与外接电源导通；膜堆为BP-A-C-BP型三隔室构型，以双极膜为起始和终止；起始双极膜和终止双极膜中间由至少1组重复单元构成，每组重复单元由1张阴离子交换膜、1张阳离子交换膜和1张双极膜依次排列形成，相邻的两张离子交换膜之间，以及阳极板、阴极板和膜堆之间均通过流道隔板隔开；阳极板与膜堆中双极膜的阴面一侧相邻排列，膜堆中双极膜的阳面一侧朝向阴极板；双极膜与阴离子交换膜之间形成酸室，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成盐室，阳离子交换膜与双极膜之间形成碱室。

作为优选，浓盐水箱、酸液箱、碱液箱、一级淡盐水箱、二级淡盐水箱、缓冲水箱和回用水箱内均设有液位计、电导率仪和pH在线监测仪；废水处理系统的所有管路上均安装有流量计和流量调节阀；酸液箱上设有分支管路，分支管路连接酸液回用出口和酸液回用入口；碱液箱上也设有分支管路，分支管路连接碱液回用出口和碱液回用入口。

本实用新型的有益效果是：设置用于调节废水pH值的缓冲水箱；多段膜堆组件并联，有效缩短了反应时间、减少了反应能耗；多级双极膜装置共用酸液箱和碱液箱，有效解决了目前存在的产酸碱浓度低的问题；设有电导率仪，提高处理效率，降低能耗和处理成本；双极膜装置的出水口连接酸碱箱补充液入口，显著提高酸碱的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型多级多段双极膜(二级双极膜装置)电渗析的废水处理系统的示意图；

图2为图1中任一二级双极膜装置的示意图；

图3为煤化工高盐废水预处理系统示意图。

附图标记说明：预处理系统1；除杂装置101；除硬除硅装置102；有机物脱除装置103；浓盐水箱2；浓盐水入口201；双极膜电渗析系统3；一级双极膜装置4；膜堆组件A401；膜堆组件B402；淡盐水出口403；酸液出口404；碱液出口405；二级双极膜装置5；酸液箱6；酸液回用出口601；酸液回用入口602；碱液箱7；碱液回用出口701；碱液回用入口702；一级淡盐水箱8；二级淡盐水箱9；缓冲水箱10；阀门A11；回用水箱12；淡水回用出口1201；淡水回用入口1202；反渗透系统13；阀门B14。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

实施例1：

如图1至图3，本实用新型提供了一种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，包括：预处理系统1、浓盐水箱2、双极膜电渗析系统3、缓冲水箱10和回用水箱12；预处理系统1的出口与浓盐水箱2连接，浓盐水箱2的出口与双极膜电渗析系统3连接，双极膜电渗析系统3的出口与缓冲水箱10连接；缓冲水箱10的出口与回用水箱12连接。

具体而言，双极膜电渗析系统3具有2级双极膜装置，包括一级双极膜装置4、二级双极膜装置5、酸液箱6、碱液箱7、一级淡盐水箱8和二级淡盐水箱9；每级双极膜装置均包括2段膜堆组件(膜堆组件A401和膜堆组件B402)；双极膜电渗析系统3在运行时可根据需要设置为1级1段、1级2段、2级2段、2级3段或2级4段。

具体而言，浓盐水箱2的出口分两支路，分别连接一级双极膜装置4和二级双极膜装置5的盐室进口，一级双极膜装置4的盐室出口与一级淡盐水箱8的进口连接，二级双极膜装置5的盐室出口与二级淡盐水箱9的进口连接；酸液箱6分别与一级双极膜装置4的酸室和二级双极膜装置5的酸室双向连接；碱液箱7分别与一级双极膜装置4的碱室和二级双极膜装置5的碱室双向连接；一级淡盐水箱8的出口和二级淡盐水箱9的出口与缓冲水箱10的进口连接；各水箱内均设有液位计、电导率、pH的在线监测仪，管路上安装有流量计和流量调节阀。

双极膜膜堆组件的具体设计：每个膜堆组件包括阳极板、阴极板和位于两个极板之间的膜堆；阳极板、阴极板分别与外接电源导通；膜堆为BP-A-C-BP型三隔室构型，以双极膜为起始和终止，起始双极膜和终止双极膜中间由至少1组重复单元构成；重复单元由1张阴离子交换膜、1张阳离子交换膜和1张双极膜依次排列，相邻的两膜之间，以及电极板与膜之间均通过流道隔板隔开；阳极板与膜堆中双极膜的阴面一侧相邻排列，膜堆中双极膜的阳面一侧朝向阴极板；双极膜与阴离子交换膜之间形成酸室，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成盐室，阳离子交换膜与双极膜之间形成碱室。

双极膜电渗析系统的运行：首先，废水通过浓盐水入口201同时泵入一级双极膜装置4的膜堆组件A401和膜堆组件B402，2段膜堆组件并联工作；然后，当废水的电导率<1mS/cm时，一级双极膜装置4产生的盐室出水403泵入一级淡盐水箱8，酸碱分别泵入酸液箱6和碱液箱7，随后泵入二级双极膜装置5的酸室和碱室作为初始液；然后，运行二级双极膜装置，浓盐水进入二级双极膜装置5并将废水电导率反应至1mS/cm及以下，出水泵入二级淡盐水箱9，反应产生的酸碱分别泵入酸液箱6和碱液箱7。

值得注意的是，由于一级和二级双极膜装置共用酸碱液箱，经过二级双极膜电渗析处理可得到高浓度酸碱液。酸液箱6和碱液箱7均并有一分支管路用于排出制得的酸碱液，当酸液箱6中的酸液或碱液箱7中的碱液浓度>2mol/L时，分支管路开启，将酸碱液排出。

值得注意的是，双极膜电渗析系统的出水呈酸性，在泵入缓冲水箱10后，加入部分制得的碱液，将pH调节至7～8。由于本实用新型中多级多段双极膜电渗析的出水电导率可达1mS/cm及以下，出水可作为酸碱箱补充液1202直接回用于系统。

进一步地，预处理系统1包含但不局限于除杂装置101、除硬除硅装置102和有机物脱除装置103。

进一步地，系统安装有反渗透系统13作为备用装置；反渗透系统13的进口通过阀门14与缓冲水箱10的出口连接；反渗透系统13的产水进入回用水箱12，反渗透系统13的浓水返回预处理系统1处理。

本实用新型还提供了一种煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置在煤化工高盐废水处理中的工作方法，包括以下步骤：

S1、将煤化工高盐废水通入预处理系统1，使出水中钙镁离子含量≤5mg/L，COD≤50mg/L，二氧化硅≤20mg/L，悬浮物<1mg/L；

S2、将回用水箱12中的淡水由淡水回用入口1202泵入酸液箱6和碱液箱7作为初始液；

S3、将步骤S1的出水由浓盐水箱2分批次泵入一级双极膜装置4，经过双极膜电渗析处理产生酸液和碱液，分别进入酸液箱6和碱液箱7，当废水的电导率<1mS/cm时，盐室出水进入一级淡盐水箱8；然后，运行二级双极膜装置5，浓盐水箱2的出水泵入二级双极膜装置5的盐室，酸液箱6和碱液箱7中的稀酸和稀碱分别泵入二级双极膜装置5的酸室和碱室，经过二级双极膜电渗析处理得到高浓度酸液和碱液，分别进入酸液箱6和碱液箱7，当废水的电导率<1mS/cm时，盐室出水泵入二级淡盐水箱9并随后泵入缓冲水箱10；

值得注意的是，根据煤化工高盐废水的特性，二级双极膜装置5可以选择开启或停止运行，同时，每级双极膜装置中的2段膜堆组件也可以选择只开启一个或全部开启。

S4、重复步骤S3，当酸液箱6中的酸液或碱液箱7中的碱液浓度>2mol/L时，将酸液箱6中的酸液和碱液箱7中的碱液排出，后重复步骤S2、S3和S4。

进一步地，步骤S4中，经过双极膜电渗析制得的酸液回用至前端预处理系统1中；制得的碱液一部分回用至前端预处理系统1中，一部分回用至缓冲水箱10用于调节pH。

进一步地，步骤S3还包括，将制得的碱液通过碱液回用入口702泵入缓冲水箱10，调节pH至7～8后泵入回用水箱12；淡水优选按照步骤2所述回用作为酸碱初始液，也可作为回用水用于厂内其他生产工艺。

进一步地，当缓冲水箱10的电导率>1mS/cm，或钙镁离子含量>5mg/L时，关闭阀门11，开启阀门14并启动反渗透系统13。

实施例2：

本实施例提供了实施例1中煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置在煤化工高盐废水处理中的工作方法的应用：

某煤化工厂的高盐废水经过过滤、除硅除硬、除氟、除有机物、纳滤分盐后的水质如下表1所示。

表1某煤化工厂预处理后的高盐废水水质参数表

项目	<sup>+</sup>	<sup>+</sup>	Ca<sup>2+</sup>	Mg<sup>2+</sup>	Fe<sup>3+</sup>	Al<sup>3+</sup>
							测定值(mg/L)	12875	2928	3.88	0.053	0.04	0.09
项目	<sup>-</sup>	SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>	<sup>-</sup>	<sup>-</sup>	SiO<sub>2</sub>	COD
							测定值(mg/L)	20574	1857	927	5.79	8.77	36

采用本实用新型的多级多段双极膜电渗析系统处理并实现高盐废水的资源化利用。双极膜电渗析系统运行时设定为1级2段。每段膜堆组件由10组重复单元组成，每段膜堆组件的工作电压设定为28V，流量为1.5L/min，每段膜堆组件的盐室单次进料为1.5L；酸室和碱室的初始液为纯水，初始体积为1.5L。运行18min后盐室电导率降至0.43mS/cm，测得酸室浓度1.29mol/L，碱室浓度1.22mol/L，能耗2844kWh/t-NaOH。

实施例3：

同实施例2，本实施例仅将实施例2中双极膜电渗析系统的运行设定为2级4段。每段膜堆组件由10组重复单元组成，其中一级双极膜装置中每段膜堆组件的工作电压设定为24V，二级双极膜装置中每段膜堆组件的工作电压设定为28V，流量均为1.5L/min，每段膜堆组件的盐室单次进料为1.5L；酸室和碱室的初始液为纯水，初始体积为1.5L。运行40min后二级双极膜装置的盐室电导率降至0.37mS/cm，测得酸室浓度2.33mol/L，碱室浓度2.09mol/L，能耗3005kWh/t-NaOH。

实施例4：

同实施例2，本实施例仅将实施例2中双极膜电渗析系统的运行设定为1级1段。膜堆组件由10组重复单元组成，工作电压设定为28V，流量为1.5L/min，盐室单次进料为1.5L；酸室和碱室的初始液为纯水，初始体积为1.5L。运行18min后盐室电导率降至0.57mS/cm，测得酸室浓度0.58mol/L，碱室浓度0.49mol/L，能耗3182kWh/t-NaOH。

由于双极膜系统处理后的废水呈酸性，因此，本实用新型设置缓冲水箱用于调节废水pH值；本实用新型系统中的多段膜堆组件并联工作，有效缩短了反应时间、减少了反应能耗；多级双极膜装置共用酸液箱和碱液箱，经过多级双极膜处理可得到高浓度酸碱液，有效解决了目前双极膜电渗析存在的产酸碱浓度低的问题；通过电导率仪检测的酸碱液的电导率数值，进而判断酸碱浓度，判断是否有必要继续对废水进行双极膜电渗析处理，以便及时取出高浓度酸碱液，并更换为淡水初始液，提高处理效率，降低能耗和处理成本；

本实用新型无需对盐水进行提浓预处理即可高效将其转化为高浓度酸碱，且处理后残留盐分极低，免去了常规双极膜电渗析的淡盐水处理步骤，可作为酸碱箱补充液直接回用于多级多段双极膜电渗析系统，提高了高盐废水的资源化利用程度；可实现双极膜电渗析在低浓度进盐条件下产生高浓度酸碱，改善煤化工高盐废水双极膜电渗析技术的应用范围和广泛适用性。

本实用新型的废水处理避免了常规双极膜电渗析进水前的盐水提浓、深度除硬等预处理工序，可降低处理成本、提高双极膜系统效率；可在低运行能耗的情况下，将废水电导反应至1mS/cm以下，双极膜装置的出水可作为酸碱箱补充液直接回用于系统，有效提高常规双极膜电渗析的产酸碱浓度，显著提高酸碱的应用范围，有效解决了传统双极膜出水淡盐水的后续处理或回用问题。

Claims (6)

1.煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于，包括：预处理系统(1)、浓盐水箱(2)、双极膜电渗析系统(3)、缓冲水箱(10)和回用水箱(12)；预处理系统(1)的出口连接浓盐水箱(2)的入口，浓盐水箱(2)的出口连接双极膜电渗析系统(3)的入口，双极膜电渗析系统(3)的出口连接缓冲水箱(10)的入口；缓冲水箱(10)的出口分两路分别连接反渗透系统(13)的入口和回用水箱(12)的入口；缓冲水箱(10)和回用水箱(12)之间的连接管道上设有阀门A(11)；缓冲水箱(10)和缓冲水箱(10)之间的连接管道上设有阀门B(14)；反渗透系统(13)的出口连接预处理系统(1)的入口；

预处理系统(1)包括除杂装置(101)、除硬除硅装置(102)和有机物脱除装置(103)中的至少一种装置；

双极膜电渗析系统(3)包括多级双极膜装置、酸液箱(6)、碱液箱(7)和多级淡盐水箱，其中双极膜装置与淡盐水箱的级数相同；浓盐水箱(2)的出口分为多路，每路分别连接多级双极膜装置的盐室进口，每级双极膜装置的盐室出口连接该级的淡盐水箱进口；酸液箱(6)与每级双极膜装置的酸室相连，形成多向连接；碱液箱(7)与每级双极膜装置的碱室相连，形成多向连接；多级淡盐水箱的出口均接入缓冲水箱(10)的进口；

每级双极膜装置均至少包括1段膜堆组件；酸液箱(6)上设有酸液回用出口(601)，酸液回用出口(601)通过管道连接至预处理系统(1)上的酸液回用入口(602)；碱液箱(7)上设有碱液回用出口(701)，碱液回用出口(701)通过管道连接至预处理系统(1)上的碱液回用入口(702)；回用水箱(12)上设有淡水回用出口(1201)，淡水回用出口(1201)通过管道连接至碱液箱(7)和酸液箱(6)上设置的淡水回用入口(1202)。

2.根据权利要求1所述煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于：双极膜电渗析系统(3)包括一级双极膜装置(4)、二级双极膜装置(5)、酸液箱(6)、碱液箱(7)、一级淡盐水箱(8)和二级淡盐水箱(9)；浓盐水箱(2)的出口分为两路，分别连接一级双极膜装置(4)的盐室进口和二级双极膜装置(5)的盐室进口；一级双极膜装置(4)的盐室出口连接一级淡盐水箱(8)的进口，二级双极膜装置(5)的盐室出口连接二级淡盐水箱(9)的进口；酸液箱(6)分别与一级双极膜装置(4)的酸室和二级双极膜装置(5)的酸室双向连接；碱液箱(7)分别一级双极膜装置(4)的碱室和二级双极膜装置(5)的碱室双向连接；一级淡盐水箱(8)的出口和二级淡盐水箱(9)的出口均连接缓冲水箱(10)的进口。

3.根据权利要求2所述煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于：一级双极膜装置(4)和二级双极膜装置(5)均包含2段膜堆组件；双极膜电渗析系统(3)为一级1段、一级2段、二级2段、二级3段或二级4段中的至少一种。

4.根据权利要求3所述煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于：废水管道通过浓盐水入口(201)连接一级双极膜装置(4)的膜堆组件A(401)和膜堆组件B(402)；一级双极膜装置(4)的淡盐水出口(403)连接一级淡盐水箱(8)，一级双极膜装置(4)的酸液出口(404)接入酸液箱(6)，一级双极膜装置(4)的碱液出口(405)接入碱液箱(7)；酸液箱(6)和碱液箱(7)分别连接二级双极膜装置(5)的酸室和碱室。

5.根据权利要求1所述煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于：每段膜堆组件包括阳极板、阴极板和位于两个极板之间的膜堆；阳极板和阴极板分别与外接电源导通；膜堆为BP-A-C-BP型三隔室构型，以双极膜为起始和终止；起始双极膜和终止双极膜中间由至少1组重复单元构成，每组重复单元由1张阴离子交换膜、1张阳离子交换膜和1张双极膜依次排列形成，相邻的两张离子交换膜之间，以及阳极板、阴极板和膜堆之间均通过流道隔板隔开；阳极板与膜堆中双极膜的阴面一侧相邻排列，膜堆中双极膜的阳面一侧朝向阴极板；双极膜与阴离子交换膜之间形成酸室，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成盐室，阳离子交换膜与双极膜之间形成碱室。

6.根据权利要求2所述煤化工高盐废水的多级多段双极膜电渗析装置，其特征在于：浓盐水箱(2)、酸液箱(6)、碱液箱(7)、一级淡盐水箱(8)、二级淡盐水箱(9)、缓冲水箱(10)和回用水箱(12)内均设有液位计、电导率仪和pH在线监测仪；废水处理系统的所有管路上均安装有流量计和流量调节阀；酸液箱(6)上设有分支管路，分支管路连接酸液回用出口(601)和酸液回用入口(602)；碱液箱(7)上也设有分支管路，分支管路连接碱液回用出口(701)和碱液回用入口(702)。

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