公布日：2022.06.24
申请日：2022.03.25
分类号：C02F9/06(2006.01)I;C02F101/14(2006.01)N;C02F101/20(2006.01)N;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明涉及一种基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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。本发明的有益效果是：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。
权利要求书
1.基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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）和反渗透系统（13）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所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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）为二级4段。
4.根据权利要求3所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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）。
7.一种如权利要求1至6任一项所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、若煤化工高盐废水的水质满足双极膜电渗析系统（3）的进水要求，则煤化工高盐废水不经过预处理系统（1），直接将煤化工高盐废水泵入浓盐水箱（2）；否则将煤化工高盐废水通入预处理系统（1）进行预处理；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）和酸液箱（7）作为酸碱初始液；S3、将预处理系统（1）的出水由浓盐水箱（2）分批次泵入双极膜电渗析系统（3），经过多级双极膜装置电渗析处理，多级双极膜装置产生的酸液和碱液分别进入酸液箱（6）和碱液箱（7）；当废水的电导率低于设定值时，将淡水排出双极膜电渗析系统（3），并泵入缓冲水箱（10）；将碱液箱（7）的碱液通过碱液回用入口（702）泵入缓冲水箱（10），调节缓冲水箱（10）的pH至设定值后泵入回用水箱（12）；S4、当酸液箱（6）中的酸液浓度和碱液箱（7）中的碱液浓度均大于设定值时，重复执行步骤S2和步骤S3，将酸液箱（6）中的酸液回用至预处理系统（1），将碱液箱（7）中的部分碱液回用至预处理系统（1），将碱液箱（7）中的剩余碱液回用至缓冲水箱（10），调节缓冲水箱（10）的pH，直至缓冲水箱（10）的pH符合要求；S5、通过电导率仪监控浓盐水箱（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）的电导率，当缓冲水箱（10）的电导率大于设定值，或钙镁离子含量大于设定值时，关闭阀门A（11），开启阀门B（14）并启动反渗透系统（13），反渗透系统（13）产生的淡水进入回用水箱（12），反渗透系统（13）的产生的浓水返回预处理系统（1）进行预处理。
8.根据权利要求7所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统的工作方法，其特征在于，步骤S1中双极膜电渗析系统（3）的进水要求为：钙镁离子含量≤5mg/L，COD≤50mg/L，二氧化硅≤20mg/L，悬浮物<1mg/L。
9.根据权利要求7所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统的工作方法，其特征在于：步骤S3中废水的电导率设定值为1mS/cm；步骤S3中调节缓冲水箱（10）的pH至7～8；步骤S4中酸液箱（6）中的酸液浓度设定值为2mol/L，碱液箱（7）中的碱液浓度设定值为2mol/L；步骤S5中钙镁离子含量设定值为5mg/L，步骤S5中缓冲水箱（10）的电导率设定值为1mS/cm。
10.根据权利要求9所述基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统的工作方法，其特征在于，当多级双极膜装置为二极双极膜装置时，步骤S3具体为：将预处理系统（1）的出水由浓盐水箱（2）分批次泵入一级双极膜装置（4），经过一级双极膜装置（4）电渗析处理产生酸液和碱液，酸液和碱液分别进入酸液箱（6）和碱液箱（7），当一级双极膜装置（4）内废水的电导率<1mS/cm时，将淡水排入一级淡盐水箱（8）；然后运行二级双极膜装置（5），将浓盐水箱（2）的出水泵入二级双极膜装置（5）的盐室，将酸液箱（6）和碱液箱（7）中的酸液和碱液分别泵入二级双极膜装置（5）的酸室和碱室，经过二级双极膜装置（5）电渗析处理得到高浓度酸液和碱液，高浓度酸液和碱液分别进入酸液箱（6）和碱液箱（7）；当二级双极膜装置（5）内废水的电导率<1mS/cm时，将二级双极膜装置（5）的盐室出水泵入二级淡盐水箱（9），随后再泵入缓冲水箱（10）；将碱液箱（7）的碱液通过碱液回用入口（702）泵入缓冲水箱（10），调节缓冲水箱（10）的pH至设定值后泵入回用水箱（12）。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统和方法。
这种基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统，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；缓冲水箱和反渗透系统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二级4段。
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。
这种基于多级多段双极膜的煤化工高盐废水处理系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、若煤化工高盐废水的水质满足双极膜电渗析系统的进水要求，则煤化工高盐废水不经过预处理系统，直接将煤化工高盐废水泵入浓盐水箱；否则将煤化工高盐废水通入预处理系统进行预处理；
S2、将回用水箱中的淡水由淡水回用入口泵入酸液箱和酸液箱作为酸碱初始液，回用水箱中的淡水也可作为回用水用于厂内其他生产工艺；
S3、将预处理系统的出水由浓盐水箱分批次泵入双极膜电渗析系统，经过多级双极膜装置电渗析处理，多级双极膜装置产生的酸液和碱液分别进入酸液箱和碱液箱；当废水的电导率低于设定值时，将淡水排出双极膜电渗析系统，并泵入缓冲水箱；将碱液箱的碱液通过碱液回用入口泵入缓冲水箱，调节缓冲水箱的pH至设定值后泵入回用水箱；
S4、当酸液箱中的酸液浓度和碱液箱中的碱液浓度均大于设定值时，重复执行步骤S2和步骤S3，将酸液箱中的酸液回用至预处理系统，将碱液箱中的部分碱液回用至预处理系统，将碱液箱中的剩余碱液回用至缓冲水箱，调节缓冲水箱的pH，直至缓冲水箱的pH符合要求；
步骤S5、通过电导率仪监控浓盐水箱、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的电导率，当缓冲水箱的电导率大于设定值，或钙镁离子含量大于设定值时，关闭阀门A，开启阀门B并启动反渗透系统，反渗透系统产生的淡水进入回用水箱，反渗透系统的产生的浓水返回预处理系统进行预处理。
作为优选。步骤S1中双极膜电渗析系统的进水要求为：钙镁离子含量≤5mg/L，COD≤50mg/L，二氧化硅≤20mg/L，悬浮物<1mg/L。
作为优选，步骤S3中废水的电导率设定值为1mS/cm；步骤S3中调节缓冲水箱的pH至7～8；步骤S4中酸液箱中的酸液浓度设定值为2mol/L，碱液箱中的碱液浓度设定值为2mol/L；步骤S5中钙镁离子含量设定值为5mg/L，步骤S5中缓冲水箱的电导率设定值为1mS/cm。
作为优选，当多级双极膜装置为二极双极膜装置时，步骤S3具体为：将预处理系统的出水由浓盐水箱分批次泵入一级双极膜装置，经过一级双极膜装置电渗析处理产生酸液和碱液，酸液和碱液分别进入酸液箱和碱液箱，当一级双极膜装置内废水的电导率<1mS/cm时，将淡水排入一级淡盐水箱；然后运行二级双极膜装置，将浓盐水箱的出水泵入二级双极膜装置的盐室，将酸液箱和碱液箱中的酸液和碱液分别泵入二级双极膜装置的酸室和碱室，经过二级双极膜装置电渗析处理得到高浓度酸液和碱液，高浓度酸液和碱液分别进入酸液箱和碱液箱；当二级双极膜装置内废水的电导率<1mS/cm时，将二级双极膜装置的盐室出水泵入二级淡盐水箱，随后再泵入缓冲水箱；将碱液箱的碱液通过碱液回用入口泵入缓冲水箱，调节缓冲水箱的pH至设定值后泵入回用水箱。
本发明的有益效果是：
由于双极膜系统处理后的废水呈酸性，因此，本发明设置缓冲水箱用于调节废水pH值；本发明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；
本发明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。
本发明的废水处理方法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。
（发明人：董隽;薛上峰;刘春红;祁志福;高强生）