压力驱动膜为隔膜的复杂有机废水电解处理与资源回收系统

本发明属于有机废水处理和环境保护，具体涉及一种压力驱动膜为隔膜的复杂有机废水电解处理与资源回收系统。

背景技术：

1、复杂有机废水的来源广泛，典型的复杂有机废水有垃圾渗滤液、及其纳滤浓缩液等，此类水体中具有复杂且顽固的有机污染物，这些污染物具有致癌、致畸和致突变等性质，如果不进行适当的处理，可能会导致水生生物脱水和死亡以及土壤盐碱化等不良后果。而这类水体的治理相当困难，由于其高盐度及生物难降解性，还有复杂的污染物构成，需要较高的成本投入，如能量、能源、化学品、消耗品等。而在复杂有机废水中，高盐的属性使得水体的导电性良好，同时含有部分潜在的可回收的资源，如腐殖酸等。因此，有必要开发一种能够利用复杂有机废水中的高盐属性，降低消耗品和能源，高效降解水体中复杂有机物并回收水体中潜在资源的新型节能减排工艺。

2、近年来，电化学氧化已成为处理复杂有机物废水的一种有吸引力的方法，电氧化技术具有工作条件温和，化学品使用量少，污染物去除快，自动化容易等优点。高盐废水的性质也消除了对额外电解质的需求，并且在某些情况下，通过产生活性氯等强氧化性物质来提高有机物去除效率。为了进一步提高电氧化过程的处理效率和降低能耗成本，传统的研究主要集中在替代电极材料的开发上。而新兴的隔膜电解通过在电氧化的基础上加入离子交换膜来提升整体的废水处理效率，如降低了处理单位浓度有机物的能耗，调控隔膜两侧的ph，回收资源如腐殖酸和氢气等。

3、但将离子交换膜作为隔膜电解处理复杂有机废水的工艺核心，常见的膜以价格昂贵的质子交换膜为例（~35000元/m2）。这不可避免地增加了系统的整体投资成本。此外，金属阳离子对质子交换膜活性位点的吸附性更强，会导致结垢、膜电阻增加、传质阻碍，甚至膜老化等，最终降低其性能并增加维护成本。这对于进一步降低电氧化能耗的初衷是不利的。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供方案最显著的改进点之一在于引入压力驱动膜作为隔膜替代传统离子交换膜，与质子交换膜相比，压力驱动膜，即微滤膜，超滤膜，纳滤膜和反渗透膜，在废水处理中更常用，价格更便宜（~200-600元/m2），与质子交换膜的价格相差60-175倍。由于压力驱动膜在无压力条件下，膜两侧之间的溶液对流会受到抑制，膜受污染的程度很低。此外，压力驱动膜具有可供离子传输的孔道，对于离子传输的性能良好，可以提供与质子交换膜相似的电化学性能，并且压力驱动膜上的ca2+，mg2+离子残留量低于质子交换膜，这避免了压力驱动膜在运行过程中的跨膜电压上升，且处理过程中不会发生有机物的泄露。这使得通过使用压力驱动膜替代质子交换膜具备可行性。

2、同时在进一步的设计中，现场化的利用阳极室内的氧化性气体，及阴极室的氢气，回收潜在能源如腐殖酸作为土壤改良剂以抵扣能源消耗。通过这种优化的压力驱动膜为隔膜的复杂有机废水电解处理与资源回收系统完成复杂有机废水的预处理，能够取得成本的大幅降低以满足实际应用的经济性。

3、综上所述，本发明的目的在于针对复杂有机废水的高效，低成本，节能减排的处理，提供一种压力驱动膜为隔膜的复杂有机废水电解处理与资源回收系统。通过使用压力驱动膜替代质子交换膜使得膜成本大幅降低，利用压力驱动膜构建的隔膜电解装置处理复杂有机废水，其ca2+，mg2+离子残留量少，同时离子传输障碍造成的跨膜电压上升现象得到了很好的控制，因此降低了运行能耗。复杂有机废水经过压力驱动膜为隔膜的电解装置处理后，水体被酸化及氧化，这减少了水体中有机物与无机物形成络合污染的潜力。使用压力驱动膜的运行过程隔膜电解过程中，水体中的有机物不会发生渗透，其对隔膜的污染在无压作用下很低，有利于长周期运行。腐殖酸类物质被通过静置后自然沉淀，且能通过碱液进行回收利用，阴极室内的产生氢气可以作为清洁能源使用。

4、该系统设计主要包括隔膜电解系统，气体回收系统和腐殖酸回收系统。隔膜电解系统区别于离子交换膜应用的电解体系，以压力驱动膜为隔膜应用于有机废水处理，降低系统的膜成本及运行能耗。本发明设计的压力驱动膜隔膜电解系统减小了钙/镁离子在隔膜上的残留，利用酸化和氧化降低有机废水对膜的污染潜力，相比于质子交换膜更能适应复杂有机废水的处理。在分隔开的阳极腔室内可以收集酸化沉淀的腐殖酸以及氧化性气体（氧气和氯气），在阴极室可收集纯净的氢气。该工艺在模块化复杂有机废水处理过程中可充当预处理工艺，并降低废水污染潜力并回收资源。

5、本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

6、一种压力驱动膜为隔膜的复杂有机废水电解处理与资源回收系统：

7、包括：以压力驱动膜为隔膜的隔膜电解系统、气体回收系统和腐殖酸回收系统。

8、所述隔膜电解系统包含阳极室和阴极室，采用压力驱动膜为隔膜分隔开两极室，阳极电极板采用惰性电极，由直流电源进行供电。

9、进一步地，所述气体回收系统包括阳极的氧化性气体回收系统和阴极的氢气回收系统；分别连接阳极室和阴极室以进行生成气体的回收。

10、进一步地，所述腐殖酸回收系统包括静置池和膜过滤设备；阳极室的废水排放口排出的经隔膜电解处理后的废水流入静置池再经由膜过滤设备进行回收。

11、进一步地，所述压力驱动膜采用微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜中的一种；形式为平板膜或中空纤维膜。

12、进一步地，所述隔膜电解系统中，隔膜电解的电流密度范围为1~90 ma/cm2，隔膜电解的阳极液与阴极液的体积为1:1~10:1，阴极液的电解质溶液可采用为kcl， k2so4，nacl， na2so4溶液的其中之一，其浓度范围为10~100 mmol/l。

13、进一步地，所述隔膜电解系统的装置设置为密闭或敞口式；如果采用密闭式装置可与气体回收系统连接，并在连接结构中设置气体干燥模块。

14、进一步地，所述腐殖酸回收系统设置的静置池分为上清液排出，以及底泥回收两部分；腐殖酸底泥体积达到10%-20%的静置池体积时进行底泥的过膜回收。

15、进一步地，所述腐殖酸回收系统的滤膜采用0.45 μm-1.5 μm滤膜；形式为平板膜或中空纤维膜。

16、进一步地，所述腐殖酸回收系统的底泥回收方式采用压滤或抽滤的方式。

17、进一步地，工作方法包括以下步骤：

18、(1)将有机废水微过滤去除悬浮颗粒杂质后通入隔膜电解系统的阳极室中，作为阳极液，进行电解处理，阳极液的ph最终处理范围设置为1.7~3；

19、(2)阳极液在所述腐殖酸回收系统的静置池中进行固液分离后过滤回收沉淀物中的腐殖酸，上清液作为隔膜电解预处理后的水体与腐殖酸底泥过膜部分的水体合并排出；隔膜电解过程中压力驱动膜的跨膜电压上升则进行压力驱动膜的反冲洗，腐殖酸底泥过膜后的滤膜通量降低至50%时用碱液对滤膜进行冲洗并回收腐殖酸；

20、(3)阳极液中产生的氯气或氧气通过气体回收装置收集为氧化性气体，阴极液产生的h2作为清洁能源进行回收利用。

21、相比于现有技术，本发明及其优选方案至少具有以下有益效果：

22、1）在对复杂有机废水进行预处理的过程中，有效地降解有机物，控制了无机结垢的生成，破坏了有机无机络合物的形成，利用废水中的氯离子在酸性条件下生成的活性氯有效进行腐殖酸的氧化并增加其亲水性，使得处理后的废水水质污染性大幅降低，使得压力驱动膜可以长时间且稳定的运行，并可以通过简单清洗去除表面易脱落的亲水污染，大幅降低膜的替换成本和清洗成本。

23、2）构建的压力驱动膜为隔膜的电解装置，具有更低的应用成本，如膜成本和应用能耗。市售的压力驱动膜的售价为~200-600元/m2，而质子交换膜需要35000元/m2，价格相差60-175倍。同时疏松的压力驱动膜更能耐受水体中的污染，而质子交换膜容易受到膜上残留的ca2+，mg2+等结垢的污染，导致离子传输堵塞，使得跨膜电压上升，而消耗更多的能耗。

24、3）构建的压力驱动膜为隔膜的电解装置可有效防止有机物的跨膜渗透，且可以有效地完成隔膜两侧的ph调控。

25、4）以压力驱动膜为隔膜的电解装置有效利用废水中的高盐电解质，装置紧凑，有利于集成、规模化运行，且回收资源的过程简便，有效。