同步脫鹽除有機物的污水處理方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，包括污水處理池及兩個相對且間隔設置的復合電極，所述兩個復合電極用于分別連接外加電源的正極和負極，所述污水處理池被所述兩個復合電極分割成脫鹽除污室和清水室，所述脫鹽除污室位于所述兩個復合電極之間，所述清水室位于所述兩個復合電極外側，每個復合電極包括層疊設置的超（微）濾膜層和導電材料層，所述兩個復合電極的超（微）濾膜層相對設置。本發明還公開了一種同步脫鹽除有機物的污水處理方法。
【專利說明】
同步脫鹽除有機物的污水處理方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于污水處理與水資源回用領域，具體涉及一種同步脫鹽除有機物的污水 處理方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 目前，國內外均面臨著嚴重的水環境問題，主要體現在水污染嚴重和水資源短缺 兩個方面，已成為制約經濟和社會可持續發展的主要因素之一。為緩解水環境危機，需要從 供水來源開發和水污染控制兩個角度入手。污水再生利用在降低污水排放量的同時，提供 了一種新的水資源來源，具有成本低、潛力大、適用性廣和環境友好等特點，是解決當前水 環境問題的切實有效的措施之一。
[0003] 膜分離技術，包括微濾、超濾、納濾及滲透等，通過過濾截留，選擇性地將水資源從 復雜水體中穩定、高效地分離出來，是近年來最受關注的污水回用技術之一。其中，超(微） 濾技術可以在適宜條件下實現對污水中的微生物、細菌、污染物微粒、膠體以及部分溶解性 有機物的高效去除，被廣泛應用于市政污水和工業廢水的深度處理，以及海水淡化等多個 領域，是應用最為廣泛的膜分離技術之一。
[0004] 然而，膜污染的發生會顯著降低膜通量、增加運行能耗，始終制約著膜法水處理技 術的進一步推廣發展。在膜法水處理系統中，待分離污染物普遍呈現負電性，在外加電場的 作用下可以發生定向移動。根據這一原理，在膜過濾過程中合理布設外加電場，借助電場作 用力驅使污染物向遠離膜表面的方向移動，可以實現對膜污染的有效控制，改善超(微)濾 水處理工藝的運行效果。
[0005] 在超(微)濾污水回用領域，污水中有機污染物的去除是以往關注的熱點，然而污 水中無機鹽分的去除同樣重要。目前，污水回用水的主要應用領域包括地表灌溉、工業回用 和地下水回灌等，回用水中過高的鹽分會導致土壤鹽漬化、生產設備結垢等一系列問題。近 年來，污水回用過程中的鹽分去除需求愈加緊迫。傳統的脫鹽工藝，如反滲透和熱蒸餾等， 具有能耗高、工藝復雜和操作難度高等缺點，難以迎合可持續發展的需求。
[0006] 電吸附脫鹽工藝基于電化學雙電層理論，在外加電源輔助下利用電極的電化學特 性實現水中離子和有機物的去除，是一種全新的、具有可持續發展特征的水處理工藝，在處 理效率、能耗、運行維護以及環境友好等方面有著顯著的優勢，應用發展前景廣闊。然而，采 用電吸附脫鹽工藝直接進行污水回用處理，裝置中的電極極易受到污水中的有機污染物的 污染，而使得運行效率降低。
【發明內容】
[0007] 有鑒于此，確有必要提供一種同步脫鹽除有機物的污水處理方法及裝置，旨在解 決現有水回用工藝流程復雜、運行能耗高、不可持續發展的問題。
[0008] -種同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，包括污水處理池及兩個相對且間隔設置 的復合電極，所述兩個復合電極用于分別連接外加電源的正極和負極，所述污水處理池被 所述兩個復合電極分割成脫鹽除污室和清水室，所述脫鹽除污室位于所述兩個復合電極之 間，所述清水室位于所述兩個復合電極外側，每個復合電極包括層疊設置的超(微)濾膜層 和導電材料層，所述兩個復合電極的超(微)濾膜層相對設置。
[0009] 一種同步脫鹽除有機物的污水處理方法，包括以下步驟： (a) 安裝如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置； (b) 輸送污水進入所述脫鹽除污室，啟動外加電源在脫鹽除污室兩側的復合電極上分 別施加正負電壓，施加負電壓的復合電極為陰極，施加正電壓的復合電極為陽極，從而形成 電場，使污水中的陽離子在電場驅動作用下向陰極方向移動，陰離子在電場驅動力作用下 向陽極方向移動，陽離子和陰離子被分別吸附在陰極和陽極表面，實現脫鹽過程;以及 (c) 使污水中的水分子在脫鹽除污室與清水室之間跨膜壓差的作用下，依次穿過復合 電極的超(微)濾膜層和導電材料層進入清水室，最終從所述同步脫鹽除有機物的污水處理 裝置排出，污水中的有機污染物被超(微)濾膜層截留在脫鹽除污室內，實現有機污染物的 去除。
[0010] 與現有技術相比，本發明的有益效果為:結合超(微)濾和電吸附脫鹽各自特點，實 現污水中有機污染物和鹽分的同步去除，電吸附脫鹽所需電場有利于超(微)濾膜層膜污染 的減緩，超(微)濾膜層的存在保護電極免于有機污染物的污染，形成一種流程簡單、能效 高、模塊化程度高、穩定性好、適應性好，環境友好和可持續發展的綠色新型工藝。所述同步 脫鹽除有機物的污水處理裝置和方法不僅有效縮短了工藝流程，降低運行成本，且運行效 果顯著優于單一工藝的獨立運行效果。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明同步脫鹽除有機物的污水處理裝置的結構及原理示意圖。
[0012] 圖2為本發明實施例復合電極的制備方法的示意圖。
[0013] 圖3為本發明實施例同步脫鹽除有機物的污水處理裝置對不同分子量的模型物質 的截留性能測試圖。
[0014] 圖4為本發明實施例同步脫鹽除有機物的污水處理裝置在不同電壓條件下對1 g/ L NaCl溶液的多周期脫鹽效果測試圖。
[0015] 圖5為本發明實施例同步脫鹽除有機物的污水處理裝置對實際廢水的脫鹽效果測 試圖。
[0016] 圖6為本發明實施例同步脫鹽除有機物的污水處理裝置對模型有機物廢水的電催 化降解污染物效果測試圖。
[0017] 圖7為本發明實施例同步脫鹽除有機物與脫鹽、過濾分別獨立運行效果的對比圖。
[0018] 主要元件符號說明
' 如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本發明。' '
【具體實施方式】
[0019] 以下將結合附圖對本發明的同步脫鹽除有機物的污水處理方法及裝置作進一步 的詳細說明。
[0020] 請參閱圖1，本發明實施例首先提供一種同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100， 包括污水處理池10及兩個相對且間隔設置的復合電極20,所述兩個復合電極20用于分別連 接外加電源30的正極和負極，所述污水處理池10被所述兩個復合電極20分割成脫鹽除污室 12和清水室14,所述脫鹽除污室12位于所述兩個復合電極20之間，所述清水室14位于所述 兩個復合電極20外側，每個復合電極20包括層疊設置的超(微)濾膜層22和導電材料層24， 所述兩個復合電極20的超(微)濾膜層22相對設置。
[0021] 所述兩個復合電極20可相互平行設置，間隔距離可以為0.1 mm至10 mm。所述脫鹽 除污室12由所述兩個復合電極的超(微)濾膜層22相對形成。所述兩個復合電極20可設置在 所述污水處理池10中間位置，形成兩個清水室14。所述脫鹽除污室12位于所述兩個清水室 14之間。所述同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100可進一步包括與所述脫鹽除污室12連 通的入水口和與所述清水室14連通的出水口。
[0022]所述復合電極20的超(微)濾膜層22和導電材料層24可直接接觸設置，所述復合電 極20可僅由所述超(微)濾膜層22和導電材料層24組成。所述復合電極20能夠使水分子通 過，所述脫鹽除污室12和所述清水室14僅通過所述復合電極20實現流體連通。
[0023] 請參閱圖2,在優選的實施例中，所述復合電極20通過原位復合法制備，包括在基 板50上涂覆鑄膜液液膜52;將導電材料層24覆蓋在該鑄膜液液膜52表面;將該鑄膜液液膜 52進行非溶劑誘導相轉化成膜，從而在所述導電材料層24原位形成所述超(微)濾膜層22， 從基板50上分離得到所述復合電極20。
[0024] 所述超(微)濾膜層22(即超濾膜或微濾膜)可以是有機高分子膜或無機膜，所述超 (微)濾膜層22的材料可以選自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、醋酸纖維素、聚氯乙 烯、聚丙烯腈中、陶瓷膜及金屬膜中的至少一種，優選為聚偏氟乙烯。所述超(微)濾膜層22 的表面孔徑可以為10納米至1微米。
[0025] 所述導電材料層24的材料為具有極大比表面積的多孔碳材料，如活性炭、碳納米 管及碳氣凝膠中的至少一種。所述導電材料層24的比表面積優選大于50m 2/g，例如可以為 50 m2/g至 10000 m2/g〇
[0026] 所述外加電源30為直流電源，如化學燃料電池、生物燃料電池和物理能源電池中 的一種或幾種。
[0027] 所述脫鹽除污室12內可以不填充任何材料，或填充離子交換樹脂、三維電極材料 及催化劑中的一種或多種。所述三維電極為活性炭或金屬氧化物等單極性或復極性電極。 所述催化劑為金屬或金屬氧化物等光電催化劑。
[0028]使用時，通過外加電源30對復合電極20施加電壓，在兩個復合電極20之間形成電 場，污水首先進入脫鹽除污室12,水分子依次穿過復合電極20的超(微)濾膜層22和導電材 料層24進入清水室14,最后排出該同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100,污水中的鹽分在 電場驅動作用下被吸附在導電材料層24表面，污水中的有機污染物被超(微)濾膜層22截留 在脫鹽除污室12中，實現鹽分和有機污染物的同步去除。所述超(微)濾膜層22和導電材料 層24兩部分可以在物理、化學層面上復合為一體發生作用，也可以獨立存在發生作用。 [0029]本發明實施例還提供一種同步脫鹽除有機物的污水處理方法，包括以下步驟： (a) 安裝所述同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100; (b) 輸送污水進入脫鹽除污室12,啟動外加電源30在脫鹽除污室12兩側的復合電極20 上分別施加正負電壓施加負電壓的復合電極20為陰極，施加正電壓的復合電極20為陽極， 從而形成電場，使污水中的陽離子在電場驅動作用下向陰極方向移動，陰離子在電場驅動 力作用下向陽極方向移動，陽離子和陰離子被分別吸附在陰極和陽極表面，實現脫鹽過程； 以及 (c) 使污水中的水分子在脫鹽除污室12與清水室14之間跨膜壓差的作用下，依次穿過 復合電極20的超(微)濾膜層22和導電材料層24進入清水室14,最終從所述同步脫鹽除有機 物的污水處理裝置100排出，污水中的有機污染物40被超(微)濾膜層22截留在脫鹽除污室 12內，實現有機污染物的去除。
[0030] 所述復合電極20之間施加的電壓差范圍為0.1至2.2 V，優選為2 V。
[0031] 所述形成脫鹽除污室12與清水室14之間跨膜壓差的方法可以是在脫鹽除污室12 的入水口和/或清水室14的出水口連接蠕動栗，形成從脫鹽除污室12向清水室14之間流動。 所述進水口的流速為0.5至20 mL/(min · cm2)，所述出水口的流速為0.01至1.6 mL/(min · cm2) 〇
[0032] 所述同步脫鹽除有機物的污水處理方法和裝置100優選適合處理含有無機鹽分和 有機污染物的污水，含鹽量優選為0.1至35 g/L，有機物含量為0.1至30 g/L。
[0033] 所述外加電源30可以為化學燃料電池、生物燃料電池和物理能源電池中的一種或 幾種。
[0034] 另外，可進一步包括在所述脫鹽除污室12內填充離子交換樹脂、三維電極材料及 催化劑中的一種或多種的步驟，在電催化作用下可以進一步降解被截留有機污染物，實現 污染物的減量排放或零排放。
[0035]當所述污水處理完畢或所述復合電極20達到飽和時，可關閉出水口及外加電源 30,這時吸附在復合電極20表面的陽離子和陰離子脫附進入所述脫鹽除污室12中，從該脫 鹽除污室12直接排出該污水處理裝置100。
[0036]實施例1同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100 所述脫鹽除污室12內不填充其它材料，所述復合電極20由活性炭層和聚偏氟乙烯超濾 膜組成，通過原位復合法制備。請參閱圖3,所述同步脫鹽除有機物的污水處理裝置100對不 同分子量的有機物具有不同的截留性能。
[0037] 所述外加電源30為電化學工作站（PGSTAT 128N, Metrohm Autolab· Netherlands)〇
[0038] 實施例2不同外加電壓對比測試 利用實施例1所述的污水處理裝置100,處理含鹽及有機物的模型廢水，所述鹽分為1 g/L NaCl，有機物為20 mg/L海藻酸鈉、20 mg/L牛血清蛋白和20 mg/L腐殖質的混合，該外 加電源30在一個復合電極20分別施加電壓1.2 V和2.0 V，在另一個復合電極20施加電壓0 V，出水口流速為24 L 1Γ1 πΓ2。該外加電源30每隔1小時關閉1小時，使復合電極20上吸附的 離子脫附，為實驗需要，脫附過程中不關閉所述出水口。請參閱圖4,圖4中電導率隨時間變 化，下降階段為脫鹽除有機物階段，上升階段為關閉外加電源30使復合電極20脫附階段，可 以看到，該污水處理裝置100在兩種外加電壓條件下均取得了較好的脫鹽效果。并且，在兩 種外加電壓條件下該污水處理裝置100對有機物的截留率均達到85%以上。
[0039]實施例3同步脫鹽除有機物處理實際廢水 利用實施例1所述的污水處理裝置100,處理實際食品加工廢水。實驗原水的T0C濃度為 450 ± 24 mg/L，電導率為1780 ± 90 yS/cm。該外加電源30在一個復合電極20施加電壓 2.0 V，在另一個復合電極20施加電壓0 V，裝置出水流速為106 ± 7 L h_1 πΓ2。
[0040] 請參閱圖5,所述污水處理裝置100對實際食品加工廢水的脫鹽效果良好，多周期 運行工況下脫鹽率穩定在50%左右，有機物去除率達到92%。
[0041] 實施例4電催化降解性能測試 利用實施例1所述的污水處理裝置100,處理模型廢水。實驗原水的C0D濃度為123 ± 2 mg/L，電導率為1850 ± 40 yS/cm。該外加電源30在一個復合電極20施加電壓5.0 V，在另 一個復合電極20施加電壓0 V，裝置出水流速為167 ± 8 L h_1 πΓ2。對出水口的C0D濃度進 行測試。
[0042] 對比例1 與實施例4相同，區別僅在所述外加電源30關閉，即不進行同步脫鹽，對出水口的C0D濃 度進行測試。
[0043] 請參閱圖6,將實施例4與對比例1的C0D濃度測試數據進行對比，可以看到實施例4 在外加電壓作用下同時發生了電催化反應，與不加電工況相比，加電工況下實驗原水中的 有機物被迅速降解。表明本發明所述污水處理裝置100在同步脫鹽截污的同時，該復合電極 20也具有突出的電催化降解有機污染物的能力。
[0044] 實施例5脫鹽-過濾集成 利用實施例1所述的污水處理裝置100,處理模型廢水。實驗原水的C0D濃度為123 ± 2 mg/L，電導率為1850 ± 40 yS/cm。該外加電源30在一個復合電極20施加電壓2.0 V，在另 一個復合電極20施加電壓0 V，裝置出水流速為167 ± 8 L h_1 πΓ2。對出水口的脫鹽率和 污染物截留率進行測試。
[0045] 對比例2脫鹽-過濾串聯 提供另一污水處理裝置200,包括污水處理池210、兩個相對且間隔設置的超(微)濾膜 層22及與該超(微)濾膜層22分離設置的兩個電極，該電極的材料為導電材料層24,所述污 水處理池210被所述兩個超(微)濾膜層22分割成有機物截留室212及兩個脫鹽室214,所述 有機物截留室212位于所述兩個超(微)濾膜層22之間，所述兩個脫鹽室214分別位于所述兩 個超(微)濾膜層22外側，所述兩個電極24分別設置在該兩個脫鹽室214,并相互相對設置。 外加電源30的正負極分別與該兩個電極電連接。該超(微)濾膜層22及電極與所述實施例1 的超(微)濾膜層22及導電材料層24相同。模型廢水首先從流入口進入有機物截留室212,并 通過兩個超(微)濾膜層22過濾，過濾后的含鹽廢水進入兩個脫鹽室214,陰陽離子在兩個電 極表面吸附，使脫鹽室214中的水脫鹽，最后從與脫鹽室214連接的出水口排出所述污水處 理裝置200。處理的模型廢水、外加電壓及出水流速與實施例5均相同。對出水口的脫鹽率和 污染物截留率進行測試。
[0046] 對比例3單一脫鹽 與實施例5相同，區別僅在所述污水處理裝置100的復合電極20替換為僅含有導電材料 層24的電極。對出水口的脫鹽率和污染物截留率進行測試。
[0047] 對比例4單一過濾 使用傳統錯流過濾裝置對實施例5相同的模型廢水進行過濾，對出水口的脫鹽率和污 染物截留率進行測試。
[0048]請參閱圖7,將本發明實施例5的脫鹽-過濾集成在同一復合電極20的測試結果與 先過濾后脫鹽的串聯方式，及單一脫鹽以及單一過濾的測試結果進行對比，可以看到實施 例5在外加電壓作用下在2 h內實現了約70%的脫鹽率和約90%的有機污染物截留。相比之 下，單一脫鹽工藝由于電極受到有機物的迅速污染，僅實現約46%的鹽分截留和31%的污染 物截留，且繼續運行的處理效果更差;單一過濾工藝雖然實現了約80%的污染物截留，但對 鹽分幾乎沒有去除效果;過濾和脫鹽工藝串聯后的效果有所提升，但由于缺乏外加電場對 超(微)濾膜層的抗污染作用，過濾工藝隨著膜污染的發生，截留效果有所降低，進而引發后 續脫鹽工藝性能降低。上述實驗數據對比結果表明，本發明所述同步脫鹽除污集成工藝具 有巨大的應用潛力。
[0049] 本發明實施例結合超(微)濾和電吸附脫鹽各自的工藝特點，實現污水中有機污染 物和鹽分的同步去除，電吸附脫鹽所需電場有利于超(微)濾膜層膜污染的減緩，超(微)濾 膜層的存在保護電極免于有機污染物的污染，并可防止脫鹽除污室中所填充的樹脂、三位 電極和多相催化劑的逸散，形成一種流程簡單、能效高、模塊化程度高、穩定性好、適應性 好，環境友好和可持續發展的綠色新型工藝。該集成工藝的運行效果顯著優于單一工藝的 獨立運行效果。
[0050] 另外，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，這些依據本發明精神 所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，包括污水處理池及兩個相對且間隔設置的 復合電極，所述兩個復合電極用于分別連接外加電源的正極和負極，所述污水處理池被所 述兩個復合電極分割成脫鹽除污室和清水室，所述脫鹽除污室位于所述兩個復合電極之 間，所述清水室位于所述兩個復合電極外側，每個復合電極包括層疊設置的超(微)濾膜層 和導電材料層，所述兩個復合電極的超(微)濾膜層相對設置。2. 如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述超(微)濾 膜層的材料可以選自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、醋酸纖維素、聚氯乙烯、聚丙 烯腈中、陶瓷膜及金屬膜中的至少一種。3. 如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述超(微)濾 膜層的表面孔徑為10納米至1微米。4. 如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述導電材料 層的材料為活性炭、碳納米管及碳氣凝膠中的至少一種。5. 如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述脫鹽除污 室內不填充任何材料，或者所述同步脫鹽除有機物的污水處理裝置進一步包括填充在所述 脫鹽除污室內的離子交換樹脂、三維電極材料及催化劑中的一種或多種。6. 如權利要求5所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述三維電極 為活性炭或金屬氧化物。7. 如權利要求5所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述催化劑為 金屬或金屬氧化物。8. 如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置，其特征在于，所述兩個復合 電極間隔距離為〇· 1謹至10臟。9. 一種同步脫鹽除有機物的污水處理方法，包括以下步驟： (a) 安裝如權利要求1所述的同步脫鹽除有機物的污水處理裝置； (b) 輸送污水進入所述脫鹽除污室，啟動外加電源在脫鹽除污室兩側的復合電極上分 別施加正負電壓施加負電壓的復合電極為陰極，施加正電壓的復合電極為陽極，從而形成 電場，使污水中的陽離子在電場驅動作用下向陰極方向移動，陰離子在電場驅動力作用下 向陽極方向移動，陽離子和陰離子被分別吸附在陰極和陽極表面，實現脫鹽過程;以及 (c) 使污水中的水分子在脫鹽除污室與清水室之間跨膜壓差的作用下，依次穿過復合 電極的超(微)濾膜層和導電材料層進入清水室，最終從所述同步脫鹽除有機物的污水處理 裝置排出，污水中的有機污染物被超(微)濾膜層截留在脫鹽除污室內，實現有機污染物的 去除。10. 如權利要求9所述的同步脫鹽除有機物的污水處理方法，其特征在于，所述正電壓 與負電壓之間的電壓差為0.IV至2.2 V。11. 如權利要求9所述的同步脫鹽除有機物的污水處理方法，其特征在于，與脫鹽除污 室連接的進水口的流速為0.5 mL/(min · cm2)至20 mL/(min · cm2)。12. 如權利要求9所述的同步脫鹽除有機物的污水處理方法，其特征在于，與清水室連 接的出水口的流速為0.01 mL/(min · cm2)至1.6 mL/(min · cm2) 〇13. 如權利要求9所述的同步脫鹽除有機物的污水處理方法，其特征在于，進一步包括 在所述脫鹽除污室內填充離子交換樹脂、三維電極材料及催化劑中的一種或多種的步驟。
【文檔編號】C02F1/469GK106044967SQ201610389656
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】梁帥, 黃霞, 左魁昌
【申請人】北京林業大學, 清華大學