双极膜电渗析技术处理高盐废水并进行资源化回收的方法与流程

本发明涉及煤化工领域高盐废水处理技术领域，具体为一种双极膜电渗析技术处理高盐废水并进行资源化回收的方法。

背景技术：

煤化工领域生产过程中产生的高盐废水是废水处理行业公认的高难度处理废水。其主要特点是化学成分复杂、含盐量高，主要成分包括如含氯化钠、氯化铵、硫酸铵、硫酸钠或者是多种混合盐等。国内某大型煤炭企业中，煤制天然气项目要以新鲜水进行补充，而在这一过程中带入进去的盐量就已经超过了系统盐量的一半以上，同时在生产过程以及水系统添加化学药剂的过程中，也会增加近30%的盐量。虽然能够对循环冷却系统的循环倍数进行系统优化和选择，但是废水含盐量却难以实现真正的降低。

高盐废水不加处理就排放对环境影响巨大，高盐废水渗入土壤系统中，破坏土壤结构，导致土壤碱性增强，土质硬化、板结，使得土壤自身活性难以恢复。甚至污染地下水，给居民生活饮用水造成巨大隐患。

目前对高盐废水的处理主要采用离子交换、树脂吸附、反渗透、蒸发结晶等处理方式。其中离子交换和树脂吸附针对低浓度的含盐废水具有不错的处理效果，但如果含盐量过高，会导致树脂恢复周期变短，运行费用迅速攀升。而反渗透和蒸发结晶对反应的条件要求非常苛刻，需要高温、高压，同时也具有超高的运行费用。以上针对高盐废水的处理方法或多或少存在局限性。

寻求一种更科学实用的技术来处理高盐废水显的尤为重要。处理废水的同时能够将废水资源化回收更符合可持续发展的要求。我们将双极膜电渗析技术应用到处理高盐废水处理中，则提供了另外一种视角。通过特制的双极膜整合到传统电渗析工艺中，科学组装为一个系统，处理废水的同时，回收其中的酸、碱。既变废为宝又解决了高盐废水处理的难题，因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双极膜电渗析技术处理高盐废水并进行资源化回收的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双极膜电渗析技术处理高盐废水并进行资源化回收的方法，包括以下步骤：

步骤一：将经过高盐废水预处理系统预处理的高盐废水通过循环泵打入双极膜电渗析装置的高盐废水反应区，并不断循环；

步骤二：废水中阴阳离子分别经选择性的进入酸液产区和碱液产区；

步骤三：双极膜高效的水解纯水并不断产生h+离子与oh-根离子，纯水反应区水解的h+离子与oh-根离子分别进入酸液产区与碱液产区，并与单级膜选择的阴阳离子结合，生成酸和碱；

步骤四：经双极膜电渗析装置处理后的高盐废水转化为低盐废水进入常规处理，通过产物回收系统回收最终产物酸液和碱液，实现高盐废水的资源化利用。

优选的，所述步骤一中高盐废水预处理系统包括高盐废水预处理箱、高盐废水原水箱、专用过滤器及滤渣排放，所述高盐废水预处理箱、高盐废水原水箱及专用过滤器形成循环，所述专用过滤器还与滤渣排放相连。

优选的，所述步骤一中双极膜电渗析装置为管式结构，所述双极膜电渗析装置分为碱液产区、纯水反应区、酸液产区和高盐废水反应区，所述双极膜电渗析装置的四个分隔区单独运行，所述双极膜电渗析装置从内到外依次为阴极膜、双极膜之阳膜、水合乳化膜、双极膜之阴膜、阳极膜、膜壳。

优选的，所述步骤三中双极膜为特制耦合双极膜，所述双极膜由双极膜之阳膜和双极膜之阴膜两个单级膜叠加水合乳化膜精密压制而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明特制双极膜电渗析反应装置。双极膜为特制耦合双极膜，由单级膜叠加水合乳化膜精密压制而成，水解效率高，长时间运行不发生极化与产气，运行稳定，系统使用寿命提高20%以上。

（2）特制双极膜反应装置为管式结构，从内到外依次为：阴极膜、双极膜之阳膜、水合乳化膜、双极膜之阴膜、阳极膜、膜壳。双极膜电渗析装置分为碱液产区、纯水反应区、酸液产区和高盐废水反应区ⅰ，四个分隔区单独运行。特制耦合双极膜电极为特制优异性材料，两侧分别与单级膜组成电渗析系统，相比传统双极膜电渗析系统减少一组膜电极，降低了设备投资费用30%以上。

（3）双极膜能够高效的水解纯水并不断产生h+离子与oh-根离子，纯水区水解的h+离子与oh-根离子分别进入酸液区与碱液区，与单级膜选择的阴阳离子结合，生成酸和碱，碱液产区、纯水反应区、酸液产区和高盐废水区分别通过泵进行循环，最优循环比500%，运行能耗减少15%-20%。

（4）经耦合双极膜电渗析系统处理后的高盐废水转化为低盐废水进入常规处理，并回收最终产物酸液和碱液，实现高盐废水的资源化利用。

附图说明

图1为本发明流程运行示意图。

图2为高盐废水预处理系统示意图。

图3为管式双极膜结构示意图。

图中：ⅰ-高盐废水反应区；ⅱ-酸液产区；ⅲ-纯水反应区；ⅳ-碱液产区；1-高盐废水预处理箱；2-高盐废水原水箱；3-专用过滤器；4-滤渣排放；5-阴极膜；6-双极膜之阳膜；7-水合乳化膜；8-双极膜之阴膜；9-阳极膜；10-膜壳；11-纯水补水；12-ⅲ区循环来水；13-纯水箱；14-ⅱ区循环来水；15-ⅳ区循环来水；16-第一ⅰ区循环来水；17-第二ⅰ区循环来水；18-第一单级膜组；19-双极膜组；20-第二单级膜组；21-ⅰ区循环出水；22-ⅱ区循环出水；23-回ⅲ区入口；24-ⅳ区循环出水；25-高盐废水预处理箱来水；26-酸液回收；27-碱液回收；28-双极膜废水箱；29-ⅱ区循环水箱；30-ⅳ区循环水箱；31-低盐水；32-回ⅱ区入口；33-回ⅳ区入口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种双极膜电渗析技术处理高盐废水并进行资源化回收的方法，包括以下步骤：双极膜电渗析装置分为碱液产区ⅳ、纯水反应区ⅲ、酸液产区ⅱ和高盐废水反应区ⅰ，四个分隔区单独运行，经预处理的高盐废水通过循环泵打入高盐废水反应区ⅰ，并不断循环，高盐废水反应区ⅰ施加单级膜电渗析，阴阳离子分别经选择性的进入酸液产区ⅱ和碱液产区ⅳ，本发明所选用的双极膜为耦合双极膜，由单级膜叠加水合乳化膜7精密压制而成。中间为纯水反应区ⅲ，耦合双极膜分别与阴阳单级膜组成碱液产区ⅳ、酸液产区ⅱ。整个双极膜电渗析装置为为管式结构。耦合双极膜能够高效的水解纯水并不断产生h⁺离子与oh^-根离子，长时间运行不发生极化与电极产气，高效稳定。纯水区水解的h⁺离子与oh^-根离子分别进入酸液区与碱液区，与单级膜选择的阴阳离子结合，生成酸和碱，碱液产区ⅳ、纯水反应区ⅲ、酸液产区ⅱ和高盐废水区分别通过泵进行循环。经耦合双极膜电渗析系统处理后的高盐废水转化为低盐废水进入常规处理，并回收最终产物酸液和碱液，实现高盐废水的资源化利用，整个系统包括高盐废水预处理系统、特制双极膜反应装置特制耦合双极膜、最终产物回收系统。

双极膜运行原理：高盐废水预处理箱来水25来水经过双极膜废水箱28并通过第一ⅰ区循环来水16和第二ⅰ区循环来水17分别进入高盐废水反应区ⅰ，高盐废水反应区ⅰ内设置有第一单极模组18和第二单极模组20，两个高盐废水反应区ⅰ之间为纯水反应区ⅲ，纯水反应区ⅲ内设置有双极膜组19，纯水补水11通过ⅲ区循环来水12经过纯水箱13进入到纯水反应区ⅲ，经过纯水反应区ⅲ的水回ⅲ区入口23至ⅲ区循环来水12，纯水反应区ⅲ和两侧的高盐废水反应区ⅰ之间分别为酸液产区ⅱ和碱液产区ⅳ，ⅱ区循环来水14与酸液产区ⅱ对应，ⅳ区循环来水15和碱液产区ⅳ对应，酸液产区ⅱ的ⅱ区循环出水22通过ⅱ区循环水箱29分别排出并进行酸液回收26和回ⅱ区入口32至ⅱ区循环来水14，碱液产区ⅳ的ⅳ区循环出水24通过ⅳ区循环水箱30分别排出并进行碱液回收27和回ⅳ区入口33至ⅳ区循环来水15，高盐废水反应区ⅰ的ⅰ区循环出水21排至双极膜废水箱28，部分继续通过第一ⅰ区循环来水16和第二ⅰ区循环来水17分别进入高盐废水反应区ⅰ，还有的低盐水31排出。

其中，双极膜进水口分布为：ⅰ区高盐废水经预处理后由最外层进水中间出水；ⅱ区循环来水14与ⅳ区循环来水15经底部侧边进入，上部对侧排除。ⅱ区循环来水14口与ⅳ区循环来水15口水平投影夹角为120度。ⅱ区循环出水22口与ⅳ区循环出水24口水平投影夹角为90度。ⅱ区循环来水14口与ⅱ区循环出水22口水平投影夹角为180度。ⅳ区循环来水15口与ⅳ区循环出水24口水平投影夹角为180度。ⅲ区循环来水12口与ⅱ区循环来水14口、ⅳ区循环来水15口水平投影夹角都为120度。ⅲ区循环来水12口ⅰ区高盐废水出口水平投影夹角为180度。

高盐废水需经预处理才能进入下步工序。预处理系统包括高盐废水预处理箱、高盐废水原水箱、专用过滤器等。经预处理后的高盐废水通过循环泵打入高盐废水反应区ⅰ，并不断循环。废水中阴阳离子分别经选择性的进入酸液产区和碱液产区。将纯水引入纯水反应区，施加电压后，双极膜能够高效的水解纯水并不断产生h+离子与oh-根离子，纯水区水解的h+离子与oh-根离子分别进入酸液区与碱液区，与单级膜选择的阴阳离子结合，生成酸和碱。此过程中消耗了纯水及废水中的盐分，使得高盐分数浓度变低。并得到了最终产物酸和碱。

限于设备能耗及装置容量，由于一次电渗析过程处理的废液有限，所以需将碱液产区、纯水反应区、酸液产区和高盐废水区分别通过泵进行循环，循环次数5-8次。经耦合双极膜电渗析系统处理后的高盐废水转化为低盐废水进入常规处理，并回收最终产物酸液和碱液，实现高盐废水的资源化利用。

具体工艺流程如下：

高盐废水经预处理后自流进入耦合双极膜废水箱，再由循环泵打入耦合双极膜系统高盐废水反应区，高盐废水反应区施加电压后，废水中阴阳离子选择性透过电极膜。剩余低浓度废水回流入高盐废水反应箱，经此步骤循环处理，直至废水浓度降低至合理浓度排放常规处理。

纯水箱中的水经循环泵打入耦合双极膜中纯水反应区，极板施加电压后，纯水分解为h+离子与oh-根离子，选择性透过电极膜进入酸、碱液区，纯水量减少，剩余纯水回流入纯水箱。运行一段时间后适量补充纯水，保证系统正常运行。经此步骤循环，循环量大小可依据水消耗量进行补充，一般3-5天补充一次。

酸液区的h+离子与废水中的阴离子在此生成酸，并自流入循环水箱，并将循环中的水适量循环，待酸液浓度达到合适浓度时进行回收。碱液区的oh-根离子以相同步骤回收碱。

如图2所示，高盐废水预处理系统包括高盐废水预处理箱1、高盐废水原水箱2、专用过滤器3及滤渣排放4，高盐废水预处理箱1、高盐废水原水箱2及专用过滤器3形成循环，专用过滤器3还与滤渣排放4相连。

如图3所示，双极膜电渗析装置为管式结构，双极膜电渗析装置分为碱液产区ⅳ、纯水反应区ⅲ、酸液产区ⅱ和高盐废水反应区ⅰ，双极膜电渗析装置的四个分隔区单独运行，双极膜电渗析装置从内到外依次为阴极膜5、双极膜之阳膜6、水合乳化膜7、双极膜之阴膜8、阳极膜9、膜壳10，其中，双极膜为特制耦合双极膜，双极膜由双极膜之阳膜6和双极膜之阴膜8两个单级膜叠加水合乳化膜7精密压制而成，水解效率高，长时间运行不发生极化与产气，运行稳定。

以下实施中硫酸钠废水中硫酸钠废水浓度大于35000mg/l，废水量2m³/h。采用耦合双极膜电渗析系统处理并实现高盐废水的资源化利用。高盐废水预处理箱5m³；高盐废水原水箱5m³，双极膜废水箱5m³，酸液循环水箱0.5m³，碱液循环水箱0.2m³，纯水箱0.1m³。

废液循环泵额度流量20m³/h，酸液泵额度流量1.5m³/h，碱液泵额度流量0.5m³/h，纯水泵额度流量0.25m³/h。

实施例1：

理论数值：硫酸钠废水量为2m³/h，酸150l/h，碱50l/h，纯水21l/h。

给定废液循环泵循环比300%，酸液泵循环比200%，碱液泵循环比200%，纯水泵循环比200%。运行1小时测得双极膜废水箱含盐量8500mg/l，酸液循环水箱酸质量分数7.2%，碱液循环水箱碱质量分数3.5%，纯水箱损失纯水4.5l。

实施例2：

同实施例1，仅将实施例1中废液循环泵循环比调整为400%，运行1小时测得双极膜废水箱含盐量6370mg/l，酸液循环水箱酸质量分数7.3%，碱液循环水箱碱质量分数3.7%，纯水箱损失纯水4.65l。

实施例3：

同实施例1，仅将实施例1中废液循环泵循环比调整为500%，运行1小时测得双极膜废水箱含盐量5340mg/l，酸液循环水箱酸质量分数7.4%，碱液循环水箱碱质量分数3.75%，纯水箱损失纯水4.63l。

实施例4：

同实施例1，仅将实施例1中废液循环泵循环比调整为600%，运行1小时测得双极膜废水箱含盐量5270mg/l，酸液循环水箱酸质量分数7.41%，碱液循环水箱碱质量分数3.76%，纯水箱损失纯水4.63l。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。