申请日2017.09.22
公开(公告)日2017.12.12
IPC分类号C02F1/44; C02F1/463; C02F1/467
摘要
本发明提供了一种电化学‑膜分离水处理装置及其处理方法和用途，所述装置包括反应池，所述反应池内设置膜组件，所述膜组件一侧由内向外平行于膜组件设置感应电极和阳极板，所述膜组件另一侧平行于膜组件设置阴极板，所述阳极板和阴极板与外接电源连接;所述反应池主体一侧设有进水口，所述反应器主体上开设膜组件出水口，所述膜组件出水口与膜组件相连。本发明将电场效应、电化学氧化、电絮凝和电气浮进行一体化组合，通过电氧化和电絮凝作用，改变污染物结构、调节颗粒物尺寸大小，在膜表面形成亲水和多孔的滤饼层，减缓膜污染，通过膜过滤进行固液分离，进一步提升出水水质。
权利要求书
1.一种电化学-膜分离水处理装置，其特征在于，所述装置包括反应池(5)，所述反应池(5)内设置膜组件(4)，所述膜组件(4)一侧由内向外平行于膜组件(4)依次设置感应电极(2)和阳极板(1)，所述膜组件(4)另一侧平行于膜组件(4)设置阴极板(3)，所述阳极板(1)和阴极板(3)与外接电源(9)连接;
所述反应池(5)主体一侧设有进水口(6);所述反应器(5)主体上开设膜组件出水口(8)，所述膜组件出水口(8)与膜组件(4)相连。
2.根据权利要求1所述的电化学-膜分离水处理装置，其特征在于，所述阳极板(1)为钛钌电极;
优选地，所述阳极板(1)的个数≥1个。
3.根据权利要求1或2所述的电化学-膜分离水处理装置，其特征在于，所述感应电极(2)为感应铝电极或感应铁电极;
优选地，所述感应电极(2)的个数≥1个。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电化学-膜分离水处理装置，其特征在于，所述阴极板(3)为铝阴极、铁阴极或不锈钢阴极;
优选地，所述阴极板(3)的个数≥1个。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电化学-膜分离水处理装置，其特征在于，所述膜组件(4)为帘式平板膜或中空纤维膜;
优选地，所述膜组件(4)中的膜元件为微滤膜、超滤膜或纳滤膜中任意一种或至少两种的组合;
优选地，所述反应池(5)主体一侧与进水口相对一侧设有回水口(7)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电化学-膜分离水处理装置的处理方法，其特征在于，所述方法为：
(a)通入污水，启动电化学装置，调节电化学参数和膜分离参数，进行电絮凝、电化学氧化和电解过程，在膜组件(4)表面形成滤饼层;
(b)启动动力装置，进行膜过滤处理，将处理后的水体从膜组件出水口(8)排出。
7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，步骤(a)中所述调节电化学参数为：调节电流密度为5A/m2～50A/m2，优选为10A/m2;
优选地，步骤(a)中所述调节膜分离参数为：调节跨膜压差为20kPa～50kPa，优选为跨膜压差为30kPa。
8.根据权利要求6-7任一项所述的处理方法，其特征在于，步骤(a)所述的污水处理量为200L·m-2·h-1～20000L·m-2·h-1，优选为3000L·m-2·h-1。
9.根据权利要求1-5任一项所述的电化学-膜分离水处理装置的用途，其特征在于，所述电化学-膜分离水处理装置应用于饮用水和污水处理领域。
说明书
一种电化学-膜分离水处理装置及其处理方法和用途
技术领域
本发明属于饮用水或污水处理领域，涉及一种电化学-膜分离水处理装置及其处理方法和用途。
背景技术
超滤膜分离技术利用体积排阻效应对大于膜孔尺寸的污染物有很好的截留作用，但同时因为截留的污染物在膜表面的堆积和水体中微生物在膜表面的生长，形成膜污染，降低了膜的使用寿命，提高了膜分离技术的应用成本。为了延长膜的使用寿命，膜分离之前对水体进行预处理的手段已被证实有效。常用的预处理手段有预絮凝、预氧化、预曝气等手段，其中预絮凝、预氧化较为普遍。
电絮凝、电氧化广泛应用于电化学水处理领域，一直是科研研究的重点。其中电絮凝通过控制电化学参数与水体理化性质，可以调节电絮凝中的絮凝剂投加量、絮体形态与结构。随着水质标准的日益提高，电絮凝技术需要过量投加絮凝剂，或者组合其他深度处理技术以达到排水标准。在现有技术中，膜分离被证实可以有效提高电絮凝出水水质。同时，电絮凝-膜分离的短流程工艺省去了沉淀环节，在实际应用中更具优势。
电氧化通过控制电化学参数与水体理化性质，可以调节电氧化过程中的反应路径与反应速率。电氧化分为直接氧化和间接氧化。直接氧化为污染物在电极表面发生电化学氧化反应。间接氧化为溶液中的氯离子首先被氧化为活性氯，然后通过活性氯进行氧化。
电化学与膜技术的结合已受到广泛关注，也是水处理工艺改革的一个重要方向。目前，利用电化学手段缓解膜污染的原理主要有：1)增大颗粒物尺寸，减少小颗粒造成的膜孔堵塞;2)预去除部分污染物，减少膜表面污染物积累;3)调节絮体形态，形成更疏松多孔的滤饼层，降低滤饼比阻;4)改变污染物分子结构和大小，形成更亲水滤饼层;5)利用电场诱导生成极化的滤饼层，提高滤饼层亲水性，降低滤饼比阻;6)利用电极反应产生的微气泡，冲刷膜表面，进一步缓解膜污染。但仍存在能耗较高的问题，并且现有电化学与膜技术相结合的方式，在缓释膜污染方面仍有待提高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电化学-膜分离水处理装置、处理方法及其用途。本发明通过将电场效应、电化学氧化、电絮凝和电气浮进行一体化组合，通过电氧化和电絮凝作用，改变污染物结构、调节颗粒物尺寸大小，在膜表面形成亲水和多孔的滤饼层，减缓膜污染，通过膜过滤进行固液分离，进一步提升出水水质。本发明通过感应电絮凝作用调控絮体形态与结构，减少污染物在膜表面的积累，同时通过电极反应控制污染物的直接和间接氧化，改变污染物的分子结构和极性，在膜表面形成高孔隙结构和亲水性的滤饼层。且该滤饼层由于受到极板间电场的极化作用，极性增强，进一步增强了滤饼层的亲水特性，进一步减缓了膜污染。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种电化学-膜分离水处理装置，所述装置包括反应池，所述反应池内设置膜组件，所述膜组件一侧由内向外平行于膜组件设置感应电极和阳极板，所述膜组件另一侧平行于膜组件设置阴极板，所述阳极板和阴极板与外接电源连接;
所述反应池主体一侧设有进水口;所述反应器主体上开设膜组件出水口，所述膜组件出水口与膜组件相连。
本发明中，所述电化学-膜分离水处理装置中设置感应电极，作用在于将电氧化和电絮凝过程耦合到同一个电化学反应系统。阳极作为氧化电极，直接降解部分有机物，同时产生活性氯间接氧化污染物，并抑制微生物生长;阴阳极之间设置感应电极，感应电极受到电场的诱导，发生感应电絮凝，形成粗大、多孔、疏松的絮体，在膜表面形成疏松多孔的滤饼层，阻止污染物与膜表面的直接接触，抑制膜污染。
当阳极和感应电极同时应用于电化学膜反应器中时，其发生的电氧化和电絮凝过程对滤饼层的形成过程的调控具有协同作用。在膜表面形成的滤饼层具有更高的表面孔隙率，大大提高了滤饼层孔道的数量。同时增强了滤饼层表面的亲水性。因此这种协同作用有助于减缓膜污染，提高水通量。
在电氧化与膜分离结合时，污染物被直接和间接氧化过程降解。降解过程改变了的污染物的分子结构与极性，致使生成的滤饼层具有更高的亲水性。此外，间接氧化产生的活性氯可以抑制水体中微生物的生长，进一步减缓膜污染。电氧化具有提高滤饼层亲水性和杀菌双重作用，因而能够有效降低膜污染。即，本发明将电絮凝、电氧化与膜分离进行一体化结合，通过絮凝作用和氧化作用改变水中颗粒物大小、分子结构和极性，调节滤饼层的孔隙结构和亲水性，进而有效缓解膜污染，同时改善出水水质。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述阳极板为钛钌电极。
优选地，所述阳极板的个数≥1个。
本发明中，以钛钌电极作为阳极，相对于传统的铁材、铝材、钛材或锌材，钛钌电极为尺寸稳定阳极，电极惰性较高，水溶液中的污染物优先发生电化学氧化反应。
作为本发明优选的技术方案，所述感应电极为感应铝电极或感应铁电极。
优选地，所述感应电极的个数≥1个。
作为本发明优选的技术方案，所述阴极板为铝阴极、铁阴极或不锈钢阴极。
优选地，所述阴极板的个数≥1个。
作为本发明优选的技术方案，所述膜组件为帘式平板膜或中空纤维膜;
优选地，所述膜组件中的膜元件为微滤膜、超滤膜或纳滤膜中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：微滤膜和超滤膜的组合，超滤膜和纳滤膜的组合，微滤膜、超滤膜和纳滤膜的组合等。
第二方面，本发明提供了上述电化学-膜分离水处理装置的处理方法，所述方法为：
(a)通入污水，启动电化学装置，调节电化学参数和膜分离参数，进行电絮凝、电化学氧化和电解过程，在膜组件表面形成滤饼层;
(b)启动动力装置，进行膜过滤处理，将处理后的水体从膜组件出水口排出。
本发明中，采用所述装置进行水处理过程中，在电场作用下进行预先氧化，污染物发生降解，分子结构和极性发生改变;同时，利用电化学絮凝改变颗粒物的大小，调控絮体特性，使絮体疏松多孔;絮体在水力作用下积累在膜表面，形成亲水且疏松多孔的滤饼层;最后，该滤饼层在电场作用下提高了亲水特性。
作为本发明优选的技术方案，步骤(a)中所述调节电絮凝参数为：调节电流密度为5A/m2～50A/m2，例如5A/m2、10A/m2、15A/m2、20A/m2、25A/m2、30A/m2、35A/m2、40A/m2、45A/m2或50A/m2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为10A/m2。
优选地，步骤(a)中所述调节膜分离参数为：调节跨膜压差为20kPa～50kPa，例如20kPa、25kPa、27kPa、30kPa、33kPa、35kPa、40kPa、43kPa、45kPa、47kPa或50kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为跨膜压差为30kPa。
本发明中，通过调节电絮凝过程中电絮凝的参数，可以控制所形成的滤饼层的孔径与孔的空间分布，保证透水性的同时截留污染物。因而，电絮凝过程中电流密度和跨膜压差均需控制在一定范围内。
若电流密度过高，会使絮凝剂投加过量，形成的多余絮体反而造成膜污染;电流密度过低，会使絮凝不完全，减缓膜污染效果变差;
若跨膜压差过高，会使出水水质变差;跨膜压差过低，会使污水处理量降低。
作为本发明优选的技术方案，步骤(a)所述的污水处理量为200L·m-2·h-1～20000L·m-2·h-1，例如200L·m-2·h-1、500L·m-2·h-1、1000L·m-2·h-1、3000L·m-2·h-1、5000L·m-2·h-1、7000L·m-2·h-1、10000L·m-2·h-1、13000L·m-2·h-1、15000L·m-2·h-1、17000L·m-2·h-1或20000L·m-2·h-1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为3000L·m-2·h-1。
本发明中，通过所述装置和方法，在所述电化学参数和膜分离参数条件下，形成的滤饼层与膜组件的接触角为60°～70°。此处，所述接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。所述接触角越小，润湿程度越大，表明其表面亲水性能越好，超滤膜的抗污染能力越强。
同时，所形成的滤饼层的表观孔隙率为16%～20%，孔径为8nm～15nm，这表明了本发明所述方法形成的滤饼层透水性较好，且所述滤饼层的孔径小于所用膜组件的孔径，更有利于防止膜孔内部堵塞。
第三方面，本发明提供了上述电化学-膜分离水处理装置的用途，所述电化学-膜分离水处理装置应用于饮用水和污水处理领域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过电场效应、电化学氧化和感应电絮凝作用，改变污染物分子结构、控制颗粒物尺寸大小，在膜表面形成疏松多孔的和亲水性增强的滤饼层，极大缓解膜污染并提升出水水质;
(2)本发明将电絮凝、电氧化和膜分离进行了一体化组合，发明的反应器结构紧凑，相比传统的电絮凝-膜分离或者电氧化-膜分离的分体式装置，在有效缓解膜污染的同时还极大节省了反应器空间占地;
(3)本发明可以在反应器内的膜表面形成疏松多孔并具有高亲水性的滤饼层，可减缓膜污染，提高通量(相较ECMR提高10%～15%);同时有利于水力反冲洗，反洗后膜通量恢复情况更佳，有效延长了膜使用周期。