申請(qǐng)日2017.09.22

　　公開(kāi)(公告)日2017.12.12

　　IPC分類號(hào)C02F1/44; C02F1/463; C02F1/467

　　摘要

　　本發(fā)明提供了一種電化學(xué)‑膜分離水處理裝置及其處理方法和用途，所述裝置包括反應(yīng)池，所述反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置膜組件，所述膜組件一側(cè)由內(nèi)向外平行于膜組件設(shè)置感應(yīng)電極和陽(yáng)極板，所述膜組件另一側(cè)平行于膜組件設(shè)置陰極板，所述陽(yáng)極板和陰極板與外接電源連接;所述反應(yīng)池主體一側(cè)設(shè)有進(jìn)水口，所述反應(yīng)器主體上開(kāi)設(shè)膜組件出水口，所述膜組件出水口與膜組件相連。本發(fā)明將電場(chǎng)效應(yīng)、電化學(xué)氧化、電絮凝和電氣浮進(jìn)行一體化組合，通過(guò)電氧化和電絮凝作用，改變污染物結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)顆粒物尺寸大小，在膜表面形成親水和多孔的濾餅層，減緩膜污染，通過(guò)膜過(guò)濾進(jìn)行固液分離，進(jìn)一步提升出水水質(zhì)。

　　權(quán)利要求書(shū)

　　1.一種電化學(xué)-膜分離水處理裝置，其特征在于，所述裝置包括反應(yīng)池(5)，所述反應(yīng)池(5)內(nèi)設(shè)置膜組件(4)，所述膜組件(4)一側(cè)由內(nèi)向外平行于膜組件(4)依次設(shè)置感應(yīng)電極(2)和陽(yáng)極板(1)，所述膜組件(4)另一側(cè)平行于膜組件(4)設(shè)置陰極板(3)，所述陽(yáng)極板(1)和陰極板(3)與外接電源(9)連接;

　　所述反應(yīng)池(5)主體一側(cè)設(shè)有進(jìn)水口(6);所述反應(yīng)器(5)主體上開(kāi)設(shè)膜組件出水口(8)，所述膜組件出水口(8)與膜組件(4)相連。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極板(1)為鈦釕電極;

　　優(yōu)選地，所述陽(yáng)極板(1)的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置，其特征在于，所述感應(yīng)電極(2)為感應(yīng)鋁電極或感應(yīng)鐵電極;

　　優(yōu)選地，所述感應(yīng)電極(2)的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置，其特征在于，所述陰極板(3)為鋁陰極、鐵陰極或不銹鋼陰極;

　　優(yōu)選地，所述陰極板(3)的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置，其特征在于，所述膜組件(4)為簾式平板膜或中空纖維膜;

　　優(yōu)選地，所述膜組件(4)中的膜元件為微濾膜、超濾膜或納濾膜中任意一種或至少兩種的組合;

　　優(yōu)選地，所述反應(yīng)池(5)主體一側(cè)與進(jìn)水口相對(duì)一側(cè)設(shè)有回水口(7)。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置的處理方法，其特征在于，所述方法為：

　　(a)通入污水，啟動(dòng)電化學(xué)裝置，調(diào)節(jié)電化學(xué)參數(shù)和膜分離參數(shù)，進(jìn)行電絮凝、電化學(xué)氧化和電解過(guò)程，在膜組件(4)表面形成濾餅層;

　　(b)啟動(dòng)動(dòng)力裝置，進(jìn)行膜過(guò)濾處理，將處理后的水體從膜組件出水口(8)排出。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的處理方法，其特征在于，步驟(a)中所述調(diào)節(jié)電化學(xué)參數(shù)為：調(diào)節(jié)電流密度為5A/m2～50A/m2，優(yōu)選為10A/m2;

　　優(yōu)選地，步驟(a)中所述調(diào)節(jié)膜分離參數(shù)為：調(diào)節(jié)跨膜壓差為20kPa～50kPa，優(yōu)選為跨膜壓差為30kPa。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求6-7任一項(xiàng)所述的處理方法，其特征在于，步驟(a)所述的污水處理量為200L·m-2·h-1～20000L·m-2·h-1，優(yōu)選為3000L·m-2·h-1。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電化學(xué)-膜分離水處理裝置的用途，其特征在于，所述電化學(xué)-膜分離水處理裝置應(yīng)用于飲用水和污水處理領(lǐng)域。

　　說(shuō)明書(shū)

　　一種電化學(xué)-膜分離水處理裝置及其處理方法和用途

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于飲用水或污水處理領(lǐng)域，涉及一種電化學(xué)-膜分離水處理裝置及其處理方法和用途。

　　背景技術(shù)

　　超濾膜分離技術(shù)利用體積排阻效應(yīng)對(duì)大于膜孔尺寸的污染物有很好的截留作用，但同時(shí)因?yàn)榻亓舻奈廴疚镌谀け砻娴亩逊e和水體中微生物在膜表面的生長(zhǎng)，形成膜污染，降低了膜的使用壽命，提高了膜分離技術(shù)的應(yīng)用成本。為了延長(zhǎng)膜的使用壽命，膜分離之前對(duì)水體進(jìn)行預(yù)處理的手段已被證實(shí)有效。常用的預(yù)處理手段有預(yù)絮凝、預(yù)氧化、預(yù)曝氣等手段，其中預(yù)絮凝、預(yù)氧化較為普遍。

　　電絮凝、電氧化廣泛應(yīng)用于電化學(xué)水處理領(lǐng)域，一直是科研研究的重點(diǎn)。其中電絮凝通過(guò)控制電化學(xué)參數(shù)與水體理化性質(zhì)，可以調(diào)節(jié)電絮凝中的絮凝劑投加量、絮體形態(tài)與結(jié)構(gòu)。隨著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，電絮凝技術(shù)需要過(guò)量投加絮凝劑，或者組合其他深度處理技術(shù)以達(dá)到排水標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，膜分離被證實(shí)可以有效提高電絮凝出水水質(zhì)。同時(shí)，電絮凝-膜分離的短流程工藝省去了沉淀環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。

　　電氧化通過(guò)控制電化學(xué)參數(shù)與水體理化性質(zhì)，可以調(diào)節(jié)電氧化過(guò)程中的反應(yīng)路徑與反應(yīng)速率。電氧化分為直接氧化和間接氧化。直接氧化為污染物在電極表面發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)。間接氧化為溶液中的氯離子首先被氧化為活性氯，然后通過(guò)活性氯進(jìn)行氧化。

　　電化學(xué)與膜技術(shù)的結(jié)合已受到廣泛關(guān)注，也是水處理工藝改革的一個(gè)重要方向。目前，利用電化學(xué)手段緩解膜污染的原理主要有：1)增大顆粒物尺寸，減少小顆粒造成的膜孔堵塞;2)預(yù)去除部分污染物，減少膜表面污染物積累;3)調(diào)節(jié)絮體形態(tài)，形成更疏松多孔的濾餅層，降低濾餅比阻;4)改變污染物分子結(jié)構(gòu)和大小，形成更親水濾餅層;5)利用電場(chǎng)誘導(dǎo)生成極化的濾餅層，提高濾餅層親水性，降低濾餅比阻;6)利用電極反應(yīng)產(chǎn)生的微氣泡，沖刷膜表面，進(jìn)一步緩解膜污染。但仍存在能耗較高的問(wèn)題，并且現(xiàn)有電化學(xué)與膜技術(shù)相結(jié)合的方式，在緩釋膜污染方面仍有待提高。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)-膜分離水處理裝置、處理方法及其用途。本發(fā)明通過(guò)將電場(chǎng)效應(yīng)、電化學(xué)氧化、電絮凝和電氣浮進(jìn)行一體化組合，通過(guò)電氧化和電絮凝作用，改變污染物結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)顆粒物尺寸大小，在膜表面形成親水和多孔的濾餅層，減緩膜污染，通過(guò)膜過(guò)濾進(jìn)行固液分離，進(jìn)一步提升出水水質(zhì)。本發(fā)明通過(guò)感應(yīng)電絮凝作用調(diào)控絮體形態(tài)與結(jié)構(gòu)，減少污染物在膜表面的積累，同時(shí)通過(guò)電極反應(yīng)控制污染物的直接和間接氧化，改變污染物的分子結(jié)構(gòu)和極性，在膜表面形成高孔隙結(jié)構(gòu)和親水性的濾餅層。且該濾餅層由于受到極板間電場(chǎng)的極化作用，極性增強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了濾餅層的親水特性，進(jìn)一步減緩了膜污染。

　　為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

　　第一方面，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)-膜分離水處理裝置，所述裝置包括反應(yīng)池，所述反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置膜組件，所述膜組件一側(cè)由內(nèi)向外平行于膜組件設(shè)置感應(yīng)電極和陽(yáng)極板，所述膜組件另一側(cè)平行于膜組件設(shè)置陰極板，所述陽(yáng)極板和陰極板與外接電源連接;

　　所述反應(yīng)池主體一側(cè)設(shè)有進(jìn)水口;所述反應(yīng)器主體上開(kāi)設(shè)膜組件出水口，所述膜組件出水口與膜組件相連。

　　本發(fā)明中，所述電化學(xué)-膜分離水處理裝置中設(shè)置感應(yīng)電極，作用在于將電氧化和電絮凝過(guò)程耦合到同一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。陽(yáng)極作為氧化電極，直接降解部分有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生活性氯間接氧化污染物，并抑制微生物生長(zhǎng);陰陽(yáng)極之間設(shè)置感應(yīng)電極，感應(yīng)電極受到電場(chǎng)的誘導(dǎo)，發(fā)生感應(yīng)電絮凝，形成粗大、多孔、疏松的絮體，在膜表面形成疏松多孔的濾餅層，阻止污染物與膜表面的直接接觸，抑制膜污染。

　　當(dāng)陽(yáng)極和感應(yīng)電極同時(shí)應(yīng)用于電化學(xué)膜反應(yīng)器中時(shí)，其發(fā)生的電氧化和電絮凝過(guò)程對(duì)濾餅層的形成過(guò)程的調(diào)控具有協(xié)同作用。在膜表面形成的濾餅層具有更高的表面孔隙率，大大提高了濾餅層孔道的數(shù)量。同時(shí)增強(qiáng)了濾餅層表面的親水性。因此這種協(xié)同作用有助于減緩膜污染，提高水通量。

　　在電氧化與膜分離結(jié)合時(shí)，污染物被直接和間接氧化過(guò)程降解。降解過(guò)程改變了的污染物的分子結(jié)構(gòu)與極性，致使生成的濾餅層具有更高的親水性。此外，間接氧化產(chǎn)生的活性氯可以抑制水體中微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步減緩膜污染。電氧化具有提高濾餅層親水性和殺菌雙重作用，因而能夠有效降低膜污染。即，本發(fā)明將電絮凝、電氧化與膜分離進(jìn)行一體化結(jié)合，通過(guò)絮凝作用和氧化作用改變水中顆粒物大小、分子結(jié)構(gòu)和極性，調(diào)節(jié)濾餅層的孔隙結(jié)構(gòu)和親水性，進(jìn)而有效緩解膜污染，同時(shí)改善出水水質(zhì)。

　　以下作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，但不作為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的限制，通過(guò)以下技術(shù)方案，可以更好的達(dá)到和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的和有益效果。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述陽(yáng)極板為鈦釕電極。

　　優(yōu)選地，所述陽(yáng)極板的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　本發(fā)明中，以鈦釕電極作為陽(yáng)極，相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵材、鋁材、鈦材或鋅材，鈦釕電極為尺寸穩(wěn)定陽(yáng)極，電極惰性較高，水溶液中的污染物優(yōu)先發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述感應(yīng)電極為感應(yīng)鋁電極或感應(yīng)鐵電極。

　　優(yōu)選地，所述感應(yīng)電極的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述陰極板為鋁陰極、鐵陰極或不銹鋼陰極。

　　優(yōu)選地，所述陰極板的個(gè)數(shù)≥1個(gè)。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述膜組件為簾式平板膜或中空纖維膜;

　　優(yōu)選地，所述膜組件中的膜元件為微濾膜、超濾膜或納濾膜中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性的實(shí)例有：微濾膜和超濾膜的組合，超濾膜和納濾膜的組合，微濾膜、超濾膜和納濾膜的組合等。

　　第二方面，本發(fā)明提供了上述電化學(xué)-膜分離水處理裝置的處理方法，所述方法為：

　　(a)通入污水，啟動(dòng)電化學(xué)裝置，調(diào)節(jié)電化學(xué)參數(shù)和膜分離參數(shù)，進(jìn)行電絮凝、電化學(xué)氧化和電解過(guò)程，在膜組件表面形成濾餅層;

　　(b)啟動(dòng)動(dòng)力裝置，進(jìn)行膜過(guò)濾處理，將處理后的水體從膜組件出水口排出。

　　本發(fā)明中，采用所述裝置進(jìn)行水處理過(guò)程中，在電場(chǎng)作用下進(jìn)行預(yù)先氧化，污染物發(fā)生降解，分子結(jié)構(gòu)和極性發(fā)生改變;同時(shí)，利用電化學(xué)絮凝改變顆粒物的大小，調(diào)控絮體特性，使絮體疏松多孔;絮體在水力作用下積累在膜表面，形成親水且疏松多孔的濾餅層;最后，該濾餅層在電場(chǎng)作用下提高了親水特性。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(a)中所述調(diào)節(jié)電絮凝參數(shù)為：調(diào)節(jié)電流密度為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，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用，優(yōu)選為10A/m2。

　　優(yōu)選地，步驟(a)中所述調(diào)節(jié)膜分離參數(shù)為：調(diào)節(jié)跨膜壓差為20kPa～50kPa，例如20kPa、25kPa、27kPa、30kPa、33kPa、35kPa、40kPa、43kPa、45kPa、47kPa或50kPa等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用，優(yōu)選為跨膜壓差為30kPa。

　　本發(fā)明中，通過(guò)調(diào)節(jié)電絮凝過(guò)程中電絮凝的參數(shù)，可以控制所形成的濾餅層的孔徑與孔的空間分布，保證透水性的同時(shí)截留污染物。因而，電絮凝過(guò)程中電流密度和跨膜壓差均需控制在一定范圍內(nèi)。

　　若電流密度過(guò)高，會(huì)使絮凝劑投加過(guò)量，形成的多余絮體反而造成膜污染;電流密度過(guò)低，會(huì)使絮凝不完全，減緩膜污染效果變差;

　　若跨膜壓差過(guò)高，會(huì)使出水水質(zhì)變差;跨膜壓差過(guò)低，會(huì)使污水處理量降低。

　　作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(a)所述的污水處理量為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，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用，優(yōu)選為3000L·m-2·h-1。

　　本發(fā)明中，通過(guò)所述裝置和方法，在所述電化學(xué)參數(shù)和膜分離參數(shù)條件下，形成的濾餅層與膜組件的接觸角為60°～70°。此處，所述接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過(guò)液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。所述接觸角越小，潤(rùn)濕程度越大，表明其表面親水性能越好，超濾膜的抗污染能力越強(qiáng)。

　　同時(shí)，所形成的濾餅層的表觀孔隙率為16%～20%，孔徑為8nm～15nm，這表明了本發(fā)明所述方法形成的濾餅層透水性較好，且所述濾餅層的孔徑小于所用膜組件的孔徑，更有利于防止膜孔內(nèi)部堵塞。

　　第三方面，本發(fā)明提供了上述電化學(xué)-膜分離水處理裝置的用途，所述電化學(xué)-膜分離水處理裝置應(yīng)用于飲用水和污水處理領(lǐng)域。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

　　(1)本發(fā)明通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)、電化學(xué)氧化和感應(yīng)電絮凝作用，改變污染物分子結(jié)構(gòu)、控制顆粒物尺寸大小，在膜表面形成疏松多孔的和親水性增強(qiáng)的濾餅層，極大緩解膜污染并提升出水水質(zhì);

　　(2)本發(fā)明將電絮凝、電氧化和膜分離進(jìn)行了一體化組合，發(fā)明的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，相比傳統(tǒng)的電絮凝-膜分離或者電氧化-膜分離的分體式裝置，在有效緩解膜污染的同時(shí)還極大節(jié)省了反應(yīng)器空間占地;

　　(3)本發(fā)明可以在反應(yīng)器內(nèi)的膜表面形成疏松多孔并具有高親水性的濾餅層，可減緩膜污染，提高通量(相較ECMR提高10%～15%);同時(shí)有利于水力反沖洗，反洗后膜通量恢復(fù)情況更佳，有效延長(zhǎng)了膜使用周期。