公布日：2023.11.10
申請日：2023.08.16
分類號：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/469(2023.01)N;C02F1/52(2023.01)N;C02F1/44(2023.01)N;C02F101/10(2006.01)N
摘要
本發(fā)明涉及一種處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)及處理方法，所述系統(tǒng)包括雙極膜電滲析裝置、磷沉淀器和膜處理裝置，雙極膜電滲析裝置內依次設有陰極、第一雙極膜、主陽離子交換膜、主陰離子交換膜、第二雙極膜和陽極，第一雙極膜與主陽離子交換膜之間為堿室，主陽離子交換膜與主陰離子交換膜之間為廢水室，主陰離子交換膜與第二雙極膜之間為酸室，第一雙極膜的外側為陰極室，第二雙極膜的外側為陽極室；高磷廢水輸入廢水室，酸室設有磷酸回收管，堿室和廢水室分別通過堿液管和第一產水管連接磷沉淀器；磷沉淀器設有沉淀劑口，用于輸入鈣沉淀劑或鎂沉淀劑，膜處理裝置的濃水口連接廢水室，膜處理裝置的產水作為中水回用。
權利要求書
1.一種處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，包括雙極膜電滲析裝置、磷沉淀器和膜處理裝置，雙極膜電滲析裝置內依次設有陰極、第一雙極膜、主陽離子交換膜、主陰離子交換膜、第二雙極膜和陽極，第一雙極膜與主陽離子交換膜之間為堿室，主陽離子交換膜與主陰離子交換膜之間為廢水室，主陰離子交換膜與第二雙極膜之間為酸室，第一雙極膜的外側為陰極室，第二雙極膜的外側為陽極室；高磷廢水輸入廢水室，酸室設有磷酸回收管，堿室和廢水室分別通過堿液管和第一產水管連接磷沉淀器，將得到的堿液和處理后的廢水輸入磷沉淀器進一步處理；磷沉淀器設有沉淀劑口，用于輸入鈣沉淀劑或鎂沉淀劑，磷沉淀器通過第二產水管連接膜處理裝置，膜處理裝置的濃水口連接廢水室，膜處理裝置的產水作為中水回用。
2.根據權利要求1所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，還包括廢水罐，廢水罐的出口連接廢水室的第一進口，將高磷廢水輸入廢水室，廢水罐的進口連接廢水室的第一出口，使得廢水室與廢水罐之間形成循環(huán)；還包括水罐、堿水罐和酸水罐，水罐通過管道連接陰極室和陽極室，堿水罐通過管道連接堿室，酸水罐通過管道連接酸室。
3.根據權利要求1所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜處理裝置選自納濾膜組件、反滲透膜組件中的一種或兩者的組合；膜處理裝置的濃水口連接廢水室的第二進口。
4.根據權利要求1所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢水室的第一進口設在廢水室的底部，第一出口設在廢水室的頂部；廢水室內由下至上設置若干層折流構件，折流構件為折流板或折流膜，折流板和折流膜上下依次設置，使得兩個折流膜之間為一個折流板；每個折流膜的始端固定在第一長側面上，末端向第二長側面延伸且與第二長側面之間留有第一開口；每個折流板的始端固定在第二長側面上，末端向第一長側面延伸且與第一長側面之間留有第二開口，使得廢水室內的水流在雙極膜電滲析裝置的寬度方向上沿著折流構件折流往復流動。
5.根據權利要求4所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，所述折流板為實體板；所述折流膜包括靠近主陽離子交換膜的副陽離子交換膜和靠近主陰離子交換膜的副陰離子交換膜，副陽離子交換膜和副陰離子交換膜處于同一平面，且在廢水室的中部無縫銜接。
6.根據權利要求1所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，其特征在于，所述堿室內包括靠近第一雙極膜的第一攪拌器和靠近主陽離子交換膜的第二攪拌器，用于攪動靠近第一雙極膜和主陽離子交換膜的水體，避免氫氧化物沉淀附著膜材料；堿室中下部設有沉淀斗，沉淀斗的橫截面積小于堿室的橫截面積；堿室上部設有斜板區(qū)，斜板區(qū)包括若干個并排的斜板，斜板區(qū)的橫截面積等于堿室的橫截面積。
7.一種處理高磷廢水并資源化利用磷元素的處理方法，其特征在于，使用權利要求2所述的處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)實施，且包括以下步驟：(1)將廢水罐內的高磷廢水輸入廢水室內，并在廢水罐和廢水室之間形成循環(huán)回路；(2)待雙極膜電滲析裝置充滿廢水后，為陰極和陽極通電，廢水室中廢水的PO43-透過主陰離子交換膜，進入酸室，陽極室中電解水后產生的H+透過第二雙極膜也進入酸室，PO43-與H+生成磷酸；同時，廢水室中廢水的NH4+和金屬離子透過主陽離子交換膜，進入堿室，陰極室中電解水后產生的OH-透過第一雙極膜也進入堿室，NH4+、金屬離子與OH-生成氨水和氫氧化物；(3)雙極膜電滲析裝置內的廢水處理完成后，酸室內的磷酸由磷酸回收管排出酸室，回收利用；堿室的堿液和廢水室內的廢水都排入磷沉淀器，向磷沉淀器內投加鈣沉淀劑或鎂沉淀劑，廢水與氨水和氫氧化物反應，生成羥基磷灰石或鳥糞石，回收利用；(4)磷沉淀器所得產水輸入膜處理裝置，經過膜處理，得到產水作為中水回用，得到的濃水返回廢水室繼續(xù)處理。
8.根據權利要求7所述的處理方法，其特征在于，步驟(3)中，當堿室的NH4+與廢水室中PO43-的N/P摩爾比不大于1，或者廢水室PO43-低于2mmol/L時，代表電滲析處理完成，停止向雙極膜電滲析裝置通電；鈣沉淀劑或鎂沉淀劑的用量為保持磷沉淀器內部的Ca/P或Mg/P為1.2-1.5。
9.根據權利要求8所述的處理方法，其特征在于，當廢水的N/P摩爾比小于0.3時，廢水中的氮元素不足，沉淀劑為氧化鈣和氯化鈣，磷沉淀器的產物為羥基磷灰石。
10.根據權利要求8所述的處理方法，其特征在于，當廢水的N/P摩爾比不小于0.3且不大于1.0時，沉淀劑為氧化鎂和氯化鎂，磷沉淀器的產物為鳥糞石。
發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)及處理方法，利用雙極膜電滲析裝置處理木質活性炭生產廢水，在堿室內形成氫氧化物和氨水，在酸室形成磷酸，從而降低廢水中的污染物含量，酸室中的磷酸作為產物回收利用，處理后的廢水根據含氮量的多少，再在鈣/鎂沉淀劑的作用下，產生羥基磷灰石或鳥糞石。
第一方面，所述處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)，包括雙極膜電滲析裝置、磷沉淀器和膜處理裝置，雙極膜電滲析裝置內依次設有陰極、第一雙極膜、主陽離子交換膜、主陰離子交換膜、第二雙極膜和陽極，第一雙極膜與主陽離子交換膜之間為堿室，主陽離子交換膜與主陰離子交換膜之間為廢水室，主陰離子交換膜與第二雙極膜之間為酸室，第一雙極膜的外側為陰極室，第二雙極膜的外側為陽極室；
高磷廢水輸入廢水室，酸室設有磷酸回收管，堿室和廢水室分別通過堿液管和第一產水管連接磷沉淀器，將得到的堿液和處理后的廢水輸入磷沉淀器進一步處理；
磷沉淀器設有沉淀劑口，用于輸入鈣沉淀劑或鎂沉淀劑，磷沉淀器通過第二產水管連接膜處理裝置，膜處理裝置的濃水口連接廢水室，膜處理裝置的產水作為中水回用。
可選的，所述處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)還包括廢水罐，廢水罐的出口連接廢水室的第一進口，將高磷廢水輸入廢水室，廢水罐的進口連接廢水室的第一出口，使得廢水室與廢水罐之間形成循環(huán)。
可選的，所述處理高磷廢水并資源化利用磷元素的系統(tǒng)還包括水罐、堿水罐和酸水罐，水罐通過管道連接陰極室和陽極室，堿水罐通過管道連接堿室；酸水罐通過管道連接酸室。
可選的，所述膜處理裝置選自納濾膜組件、反滲透膜組件中的一種或兩者的組合，根據廢水水質和磷沉淀器的產水水質情況，合理選擇膜處理裝置；
膜處理裝置的濃水口連接廢水室的第二進口。
可選的，所述廢水室的第一進口設在廢水室的底部，第一出口設在廢水室的頂部，由廢水罐輸入的廢水由下至上通過廢水室；廢水室內由下至上設置若干層折流構件，折流構件為折流板或折流膜，折流板和折流膜上下依次設置，使得兩個折流膜之間為一個折流板；
每個折流膜的始端固定在第一長側面上，末端向第二長側面延伸且與第二長側面之間留有第一開口，允許水流通過；每個折流板的始端固定在第二長側面上，末端向第一長側面延伸且與第一長側面之間留有第二開口，允許水流通過，即第一開口靠近第二長側面，第二開口靠近第一長側面，使得廢水室內的水流在雙極膜電滲析裝置的寬度方向上沿著折流構件折流往復流動。
進一步可選的，所述折流板為實體板；所述折流膜包括靠近主陽離子交換膜的副陽離子交換膜和靠近主陰離子交換膜的副陰離子交換膜，副陽離子交換膜和副陰離子交換膜處于同一平面，且在廢水室的中部無縫銜接。
可選的，所述堿室內包括靠近第一雙極膜的第一攪拌器和靠近主陽離子交換膜的第二攪拌器，用于攪動靠近第一雙極膜和主陽離子交換膜的水體，避免氫氧化物沉淀附著膜材料；
堿室中下部設有沉淀斗，沉淀斗的橫截面積小于堿室的橫截面積；堿室上部設有斜板區(qū)，斜板區(qū)包括若干個并排的斜板，斜板區(qū)的橫截面積等于堿室的橫截面積。
可選的，所述沉淀斗的橫截面積與堿室的橫截面積之比為(0.2-0.6):1，以免阻止堿室下部的氫氧化物沉淀返回堿室上部；
沉淀斗的底部連接管道，將沉淀物漿料排出堿室。沉淀斗可以是移動式的，即能在堿室內移動，承接更多從斜板區(qū)滑落的沉淀物。
第二方面，本發(fā)明還提供一種處理高磷廢水并資源化利用磷元素的處理方法，包括以下步驟：
(1)將廢水罐內的高磷廢水輸入廢水室內，并在廢水罐和廢水室之間形成循環(huán)回路；
(2)待雙極膜電滲析裝置充滿廢水后，為陰極和陽極通電，廢水室中廢水的PO43-透過主陰離子交換膜，進入酸室，陽極室中電解水后產生的H+透過第二雙極膜也進入酸室，PO43-與H+生成磷酸；
同時，廢水室中廢水的NH4+和金屬離子透過主陽離子交換膜，進入堿室，陰極室中電解水后產生的OH-透過第一雙極膜也進入堿室，NH4+、金屬離子與OH-生成氨水和氫氧化物；
(3)雙極膜電滲析裝置內的廢水處理完成后，酸室內的磷酸由磷酸回收管排出酸室，回收利用；堿室的堿液和廢水室內的廢水都排入磷沉淀器，向磷沉淀器內投加鈣沉淀劑或鎂沉淀劑，廢水與氨水和氫氧化物反應，生成羥基磷灰石或鳥糞石，回收利用；
(4)磷沉淀器所得產水輸入膜處理裝置，經過膜處理，得到產水作為中水回用，得到的濃水返回廢水室繼續(xù)處理。
可選的，步驟(1)中，水罐為陰極室和陽極室蓄滿水，堿水罐為堿室蓄滿水，酸水罐為酸室蓄滿水。
可選的，步驟(2)中，雙極膜電滲析裝置的電流密度為2-8mA/cm2。
可選的，步驟(3)中，當堿室的NH4+與廢水室中PO43-的N/P摩爾比不大于1，或者廢水室PO43-低于2mmol/L時，代表電滲析處理完成，停止向雙極膜電滲析裝置通電。
可選的，步驟(3)中，鈣沉淀劑或鎂沉淀劑的用量為保持磷沉淀器內部的Ca/P或Mg/P為1.2-1.5，磷沉淀器的水力停留時間0.5-2h；
磷沉淀器選自攪拌釜或流化床，使用攪拌釜時攪拌釜的轉速為120-180rpm；使用流化床時，流化床的上升流速為10-30mm/s，回流比1-4。
可選的，步驟(3)中，根據堿室的NH4+與廢水室中PO43-的N/P摩爾比不同，使用不同的沉淀劑，得到不同的產物，具體的，當廢水的N/P摩爾比小于0.3時，廢水中的氮元素不足，沉淀劑為氧化鈣和氯化鈣，磷沉淀器的產物為羥基磷灰石；當廢水的N/P摩爾比不小于0.3且不大于1.0時，沉淀劑為氧化鎂和氯化鎂，磷沉淀器的產物為鳥糞石。
步驟(4)的膜處理條件根據磷沉淀器所得產水的水質而調整。
（發(fā)明人：葉欣;吳杰;王曉君;陳少華;劉耀興）
