CN107032560A

CN107032560A - 一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置及其应用

Info

Publication number: CN107032560A
Application number: CN201710319941.5A
Authority: CN
Inventors: 陈琳; 姜龙杰; 王成燚; 胡勤政; 蔡宗廷; 朱亮; 仲伯俊
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-08-11

Abstract

一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置及其应用，属于环境工程污水三级处理工艺技术领域。所述装置包括从上游到下游依次设置的一级处理单元、生物膜处理单元、沉淀池、滤布滤池、电容去离子池和铸铁管，所述电容去离子池包括10~30组电容去离子装置，所述电容去离子装置包括石墨集流板阴极，活性炭纤维毡电极，隔网，石墨集流板阳极和直流电源。采用滤布滤池+电容去离子技术，对污水厂二级处理后的出水进行深度处理，由滤布滤池实现污水中SS的去除，由电容去离子池实现对PO₄ ^3‑和NH₄ ⁺，NO₂ ^‑，NO₃ ^‑的去除。本工艺因不产生化学污泥，脱氮除磷效果好，且可回收含氮磷的浓液，在污水处理和资源回收方面应用前景广阔。

Description

一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置及其应用

技术领域

本发明属于环境工程污水三级处理技术领域，具体涉及一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置及其应用。

背景技术

污水处理工艺中，污水在经过生物处理单元后，仍然存在一部分的氮磷元素，它们主要以PO₄ ^3-，NH₄ ⁺，NO₂ ^-和NO₃ ^-等形式存在于水中，在污水排放标准日益提高的今天，还需对这些污水进行三级处理。传统的方法是采用加入混凝剂，使氮磷以絮凝物的形式沉淀，与水分离，实现污水的净化。然而该方法需建造较大的处理构筑物，投加大量的化学药剂，同时还会产生大量的化学污泥，因此初期建设成本、运行成本以及污泥处理费用均较高。

电容去离子(Capacitive Deionization, 简称CDI)脱盐技术的工作原理是利用电场力以及污水与电极界面形成的双电层来实现吸附水中离子。CDI技术对进水水质有着一定的要求：一方面污水中SS含量不能过高，防止造成电极的污染；另一方面水中的组分不能太过复杂，否则可能造成电能利用率的降低。所以CDI技术仅在少量的小型工业设施中有应用，用于处理组分单一的含金属离子废水，尚未应用于常规生活污水处理中。通过实验发现，在运行参数适当、污水中污染物组分合理时，电容去离子装置对NH₄ ⁺和PO₄ ^3-有着很好的处理效果，且电能利用率较高。本技术与方法，采用滤布滤池+CDI装置的组合，保证了进水中SS处于低浓度状态，同时提出了优选的运行参数以及适当的污水组分，使得装置运行更稳定更高效，在污水的三级处理方面有着很大的应用价值。

与传统的混凝沉淀工艺相比，CDI的优点在于，占地面积小，无需投加混凝剂，其局限性在于要求进水的SS浓度较低，否则SS容易吸附在活性炭纤维毡电极上，导致堵塞，使得吸附效果降低。

随着全国人民环保意识的提高，国家出台了《水十条》等环保相关文件，国内大量污水厂面临提标改造，因此，在传统处理工艺的基础上不断进行技术改进，研发一种新的污水脱氮除磷工艺具有很大的意义。

发明内容

解决的技术问题：针对传统混凝沉淀的脱氮方式中存在污泥产量大、化学药剂投入量大以及运行费用高，单一CDI脱盐装置对进水水质要求高，水质组分不能复杂，应用范围小等技术问题，本发明提供一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置及其应用，采用滤布滤池加CDI装置的模式，同时提出优选运行参数和优选的水体组分，具有无需投加混凝剂，不产生化学污泥，反冲洗产生的浓溶液可回收利用等优点，保证了进水中SS处于低浓度状态，同时使得装置运行更稳定更高效。

技术方案：一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，所述装置包括从上游到下游依次设置的一级处理单元、生物膜处理单元、沉淀池、滤布滤池、电容去离子池和铸铁管，所述电容去离子池包括10~30组电容去离子装置，所述电容去离子装置包括石墨集流板阴极，活性炭纤维毡电极，隔网，石墨集流板阳极和直流电源，所述隔网设于石墨集流板阴极和石墨集流板阳极之间，所述活性炭纤维毡电极设于隔网外侧、所述石墨集流板阴极和石墨集流板阳极内侧，所述直流电源一端与石墨集流板阴极相接，另一端与石墨集流板阳极相接；所述铸铁管与一级处理单元、生物膜处理单元、沉淀池、滤布滤池和电容去离子池相接。

作为优选，所述电容去离子池包括25组电容去离子装置。

作为优选，所述一级处理单元为调节池、平流沉淀池或者水解酸化池。

作为优选，所述生物膜处理单元为生物转盘、生物接触氧化池、膜生物反应器或者生物滤池。

作为优选，所述沉淀池为辐流式沉淀池、平流式沉淀池或者竖流式沉淀池，当出水浊度≤0.5NTU时候，不设置沉淀池。

本发明还包括所述装置在污水处理中的应用。

具体应用方法包括如下步骤：

步骤一.将收集到的污水经过一级处理单元处理后，送入生物膜处理单元；

步骤二.生物膜处理单元的出水经过沉淀池处理后，进入滤布滤池；

步骤三.将滤布滤池处理后的废水从底部送入电容去离子池中，废水流速设为0.2~0.4m/min，在电场的作用下，离子吸附在活性炭纤维毡电极表面，处理后的水从电容去离子池的上部流出，最终实现污水的净化。

步骤四.整套装置在运行1h后作暂停处理，改变电容去离子装置中直流电源的接入极性，将清水从电容去离子装置的上部注入，清水的流速为0.02~0.05 m/min，对电容去离子阵列进行10~15 min的反冲洗，反冲洗出水送入储藏罐中等待后续的资源化处理。

作为优选，所述步骤三中废水流速设为0.3 m/min，所述步骤四中清水的流速为0.04 m/min，对电容去离子阵列进行10 min的反冲洗。

有益效果：1. 相比传统混凝-沉淀工艺，本申请所述基于电容去离子技术的污水脱氮除磷的装置构筑物占地面积小，运行过程中无需投加化学药剂，不产生化学污泥，可免去污泥处理的费用，并且运行费用低，其电能利用效率约为0.9~2.0 kW·h/kg。

2. 相比传统混凝-沉淀工艺30%的离子去除率，该工艺的离子去除率可达50%。

3. 相比单纯的电容去离子工艺，滤布滤池+电容去离子工艺维护简单，无需经常清洗电极。

4. 该工艺可实现污水中氮磷元素的浓缩，反冲洗处理后的浓溶液可进行资源化利用。

附图说明

图1 工艺流程示意图；

图2 电容去离子装置结构示意图；

图3 电容去离子装置排列示意图。

图中：1.一级处理单元（图1中以水解酸化池为例）；2.生物膜处理单元（图1中以生物转盘为例）；3.沉淀池（图1中以辐流式沉淀池为例）；4.滤布滤池；5.电容去离子池；6.铸铁管；500.电容去离子装置；501.石墨集流板阴极；502.活性炭纤维毡电极；503.隔网；504.石墨集流板阳极；505.直流电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步描述。

实施例1

一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，参考图1，所述装置包括从上游到下游依次设置的一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4、电容去离子池5和铸铁管6，所述一级处理单元1为调节池，所述生物膜处理单元2为生物滤池，所述沉淀池3为竖流式沉淀池，参照图2和图3，所述电容去离子池5包括10组电容去离子装置500，所述电容去离子装置500包括石墨集流板阴极501，活性炭纤维毡电极502，隔网503，石墨集流板阳极504和直流电源505，所述隔网503设于石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504之间，所述活性炭纤维毡电极502设于隔网503外侧、所述石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504内侧，所述直流电源505一端与石墨集流板阴极501相接，另一端与石墨集流板阳极504相接；所述铸铁管6与一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4和电容去离子池5相接。

本发明具体的操作步骤为：

步骤一.收集污水，经过一级处理单元1处理后，送入生物膜处理单元2；

步骤二.生物膜处理单元2的出水经过沉淀池3处理后，污水中仍存在少量SS、PO₄ ^3-和NH₄ ⁺，NO₂ ^-，NO₃ ^-，污水进入滤布滤池4，通过过滤作用去除SS，使污水达到进入电容去离子池5的水质要求；

步骤三.将含PO₄ ^3-和NH₄ ⁺，NO₂ ^-，NO₃ ^-的废水送入电容去离子池5中，废水流速设为0.2 m/min，在电场的作用下，离子吸附在活性炭纤维毡电极502表面，处理后的水从电容去离子池（5）的上部流出，最终实现污水的净化；

步骤四.整套装置在运行1h后作暂停处理，对电容去离子阵列进行反冲洗。

反冲洗过程是这样进行的：停止污水进入电容去离子装置500；通过改变直流电源505的接入极性，改变电容去离子装置500中石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504的电性；将清水从电容去离子装置500的上部注入，清水在电极间流速度v为0.02 m/min，反冲洗出水进入储藏罐中等待后续的资源化处理。经过10min的反冲洗，即可实现电极上离子的脱附。

实施例2

一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，参考图1，所述装置包括上游到下游依次设置的一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4、电容去离子池5和铸铁管6，所述一级处理单元1为平流沉淀池，所述生物膜处理单元2为生物接触氧化池，所述沉淀池3为平流式沉淀池，参照图2和图3，所述电容去离子池5包括30组电容去离子装置500，所述电容去离子装置500包括石墨集流板阴极501，活性炭纤维毡电极502，隔网503，石墨集流板阳极504和直流电源505，所述隔网503设于石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504之间，所述活性炭纤维毡电极502设于隔网503外侧、所述石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504内侧，所述直流电源505一端与石墨集流板阴极501相接，另一端与石墨集流板阳极504相接；所述铸铁管6与一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4和电容去离子池5相接。

本发明具体的操作步骤为：

步骤三.将含PO₄ ^3-和NH₄ ⁺，NO₂ ^-，NO₃ ^-的废水送入电容去离子池5中，废水流速设为0.4 m/min，在电场的作用下，离子吸附在活性炭纤维毡电极502表面，处理后的水从电容去离子池（5）的上部流出，最终实现污水的净化；

反冲洗过程是这样进行的：停止污水进入电容去离子装置500；通过改变直流电源505的接入极性，改变电容去离子装置500中石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504的电性；将清水从电容去离子装置500的上部注入，清水在电极间流速度v为0.05 m/min，反冲洗出水进入储藏罐中等待后续的资源化处理。经过15 min的反冲洗，即可实现电极上离子的脱附。

实施例3

一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，参照图1，所述装置包括从上游到下游依次设置的一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4、电容去离子池5和铸铁管6，所述一级处理单元1为水解酸化池，所述生物膜处理单元2为生物转盘，所述沉淀池3为辐流式沉淀池，参照图2和图3，所述电容去离子池5包括25组电容去离子装置500，所述电容去离子装置500包括石墨集流板阴极501，活性炭纤维毡电极502，隔网503，石墨集流板阳极504和直流电源505，所述隔网503设于石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504之间，所述活性炭纤维毡电极502设于隔网503外侧、所述石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504内侧，所述直流电源505一端与石墨集流板阴极501相接，另一端与石墨集流板阳极504相接；所述铸铁管6与一级处理单元1、生物膜处理单元2、沉淀池3、滤布滤池4和电容去离子池5相接。

本发明具体的操作步骤为：

步骤三.将含PO₄ ^3-和NH₄ ⁺，NO₂ ^-，NO₃ ^-的废水送入电容去离子池5中，废水流速设为0.3 m/min，在电场的作用下，离子吸附在活性炭纤维毡电极502表面，处理后的水从电容去离子池（5）的上部流出，最终实现污水的净化；

反冲洗过程是这样进行的：停止污水进入电容去离子装置500；通过改变直流电源505的接入极性，改变电容去离子装置500中石墨集流板阴极501和石墨集流板阳极504的电性；将清水从电容去离子装置500的上部注入，清水在电极间流速度v为0.04 m/min，反冲洗出水进入储藏罐中等待后续的资源化处理。经过10min的反冲洗，即可实现电极上离子的脱附。

实施例4

生物膜处理单元2选用厌氧膜生物反应器，其余装置和步骤同实施例3。进水采用自配水模拟城市污水，主要成分包括葡萄糖，蛋白胨，牛肉膏，尿素，氯化铵，碳酸氢钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，氯化钙，氯化镁等，COD=500 mg/L， TN=33 m/L， NH₄ ⁺-N =15 mg/L，PO₄ ^3--P= 2.4 mg/L，pH=6.7，厌氧膜生物反应器运行条件为T=35℃，水力停留时间HRT = 6 h，污泥停留时间SRT = 150 d，经过水解酸化池和厌氧膜生物反应器处理后的污水出水水质为COD= 20 mg/L，NH₄ ⁺-N = 33.2 mg/L，PO₄ ^3--P = 2.4 mg/L，电导率为1.0 mS/cm，出水浊度低于1NTU；经过辐流式沉淀池处理后的出水经过滤布滤池4过滤去除SS后，进入电容去离子装置，各电容去离子组件含有25组电极，采用活性炭纤维毡为电极，有效电极面积为1 m²，石墨片为集流体，膜电容去离子组件I工作电流为0.2 mA/cm²，流量为1 L/min，当出水电导率低于200μS/cm，出水中NH₄ ⁺-N = 0.8 mg/L， PO₄ ^3--P = 0.7 mg/L。

若采用传统加药脱氮除磷，通过在混凝池中投加混凝剂PAC（聚合氯化铝），PAC投加量为26 mg/L，在水力混合后，形成的含氮磷矾花，矾花在沉淀池中进行泥水分离， PAC投加量为26 mg/L，从而实现废水中出水NH₄ ⁺-N = 7.9 mg/L, PO₄ ^3--P = 0.9 mg/L。可见电容去离子组件对水中的NH₄ ⁺和PO₄ ^3-有很好的去除效果。

实施例5

生物膜处理单元2采用好氧膜生物反应器，其余装置和步骤同实施例3。进水采用自配水模拟城市污水，主要成分包括葡萄糖，蛋白胨，牛肉膏，尿素，氯化铵，碳酸氢钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，氯化钙，氯化镁等，COD=500 mg/L，TN=33 m/L，NH₄ ⁺-N =15 mg/L，PO₄ ^3--P =2.4 mg/L，pH=6.7，生物处理段运行条件为T=35℃，水力停留时间HRT = 6 h，污泥停留时间SRT = 100 d，经过水解酸化池和厌氧膜生物反应器处理后的污水出水水质为COD = 18mg/L，NO₃ ^--N = 30.2 mg/L，PO₄ ^3--P = 2.1 mg/L，电导率为1.0 mS/cm，出水浊度低于1 NTU；经过辐流式沉淀池处理后的出水经过滤布滤池4过滤去除SS后，进入电容去离子装置，各电容去离子组件含有25组电极，采用活性炭纤维毡为电极，有效电极面积为1 m²，石墨片为集流体，膜电容去离子组件I工作电流为0.2 mA/cm²，流量为1 L/min，当出水电导率低于200μS/cm，出水中NO₃ ^--N = 2.4 mg/L， PO₄ ^3--P = 0.5 mg/L。

若采用传统加药脱氮除磷，通过在混凝池中投加混凝剂PAC（聚合氯化铝），PAC投加量为22 mg/L，在水力混合后，形成的含氮磷矾花，矾花在沉淀池中进行泥水分离，从而实现废水中氮磷的去除。出水中NO₃ ^--N = 6.8 mg/L，PO₄ ^3--P = 0.8 mg/L。可见电容去离子组件对水中的NO₃ ^-和PO₄ ^3-有很好的去除效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，其特征在于，所述装置包括从上游到下游依次设置的一级处理单元（1）、生物膜处理单元（2）、沉淀池（3）、滤布滤池（4）、电容去离子池（5）和铸铁管（6），所述电容去离子池（5）包括10~30组电容去离子装置（500），所述电容去离子装置（500）包括石墨集流板阴极（501），活性炭纤维毡电极（502），隔网（503），石墨集流板阳极（504）和直流电源（505），所述隔网（503）设于石墨集流板阴极（501）和石墨集流板阳极（504）之间，所述活性炭纤维毡电极（502）设于隔网（503）外侧、所述石墨集流板阴极（501）和石墨集流板阳极（504）内侧，所述直流电源（505）一端与石墨集流板阴极（501）相接，另一端与石墨集流板阳极（504）相接；所述铸铁管（6）与一级处理单元（1）、生物膜处理单元（2）、沉淀池（3）、滤布滤池（4）和电容去离子池（5）相接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，其特征在于，所述电容去离子池（5）包括25组电容去离子装置（500）。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，其特征在于，所述一级处理单元（1）为调节池、平流沉淀池或者水解酸化池。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，其特征在于，所述生物膜处理单元（2）为生物转盘、生物接触氧化池、膜生物反应器或者生物滤池。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容去离子技术的污水脱氮除磷装置，其特征在于，所述沉淀池（3）为辐流式沉淀池、平流式沉淀池或者竖流式沉淀池。

6.权利要求1所述的装置在污水处理中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一.将收集到的污水经过一级处理单元（1）处理后，送入生物膜处理单元（2）；

步骤二.生物膜处理单元（2）的出水经过沉淀池（3）处理后，进入滤布滤池（4）；

步骤三.将滤布滤池（4）处理后的废水从底部送入电容去离子池（5）中，废水流速设为0.2~0.4 m/min，在电场的作用下，离子吸附在活性炭纤维毡电极（502）表面，处理后的水从电容去离子池（5）的上部流出，最终实现污水的净化；

步骤四.整套装置在运行1h后作暂停处理，改变电容去离子装置（500）中直流电源（505）的接入极性，将清水从电容去离子装置（500）的上部注入，清水的流速为0.02~0.05m/min，对电容去离子阵列进行10~15 min的反冲洗，反冲洗出水送入储藏罐中等待后续的资源化处理。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤三中废水流速设为0.3 m/min，所述步骤四中清水的流速为0.04 m/min，对电容去离子阵列进行10 min的反冲洗。