一种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统及处理方法
阅读说明：本技术 一种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统及处理方法 (Multi-stage electrodialysis system for concentrating desulfurization wastewater and treatment method ) 是由 冯向东 徐浩然 雷石宜 王维平 陈臻 张贺 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统,由N级电渗析系统、进水切换阀门和出水切换阀门组成；每级电渗析系统包括：浓水箱、淡水箱、选择性电渗析膜堆、浓水循环泵和淡水循环泵,其中浓水箱连接浓水出水阀,淡水箱连接淡水进水阀,浓水箱与选择性电渗析膜堆之间设有出水管道及进水管道,淡水箱与选择性电渗析膜堆之间也设有出水管道及进水管道。本发明的有益效果是：设置选择性电渗析膜堆反应器,能够将氯离子和重金属离子污染物富集于浓水,将可回用的硫酸根离子保留于淡水,无需额外使用药剂即可实现高盐脱硫废水的浓缩减量。多级电渗析系统不仅适用于燃煤电厂脱硫废水的浓缩处理,也能够用于其他领域大规模工业废水处理。(The invention relates to a multi-stage electrodialysis system for concentrating desulfurization wastewater, which consists of an N-stage electrodialysis system, a water inlet switching valve and a water outlet switching valve; each stage of electrodialysis system comprises: the device comprises a concentrated water tank, a fresh water tank, a selective electrodialysis membrane stack, a concentrated water circulating pump and a fresh water circulating pump, wherein the concentrated water tank is connected with a concentrated water outlet valve, the fresh water tank is connected with a fresh water inlet valve, a water outlet pipeline and a water inlet pipeline are arranged between the concentrated water tank and the selective electrodialysis membrane stack, and a water outlet pipeline and a water inlet pipeline are also arranged between the fresh water tank and the selective electrodialysis membrane stack. The invention has the beneficial effects that: the selective electrodialysis membrane reactor is arranged, so that chloride ions and heavy metal ion pollutants can be enriched in concentrated water, recyclable sulfate ions are reserved in fresh water, and the concentration and decrement of high-salt desulfurization wastewater can be realized without additionally using a medicament. The multistage electrodialysis system is not only suitable for the concentration treatment of the desulfurization wastewater of the coal-fired power plant, but also can be used for the large-scale industrial wastewater treatment in other fields.)
技术领域
本发明属于环保水处理
技术领域
，具体涉及一种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统及处理方法。背景技术
脱硫废水是燃煤电厂石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统的外排废水，含有极高浓度的Cl-、SO4 2-、Ca2+、Mg2+及各类重金属离子，具有污染物富集、水量大、水质波动大、处理难等特点。随着提出“深入开展污染防治行动，大力发展绿色经济”，传统的氧化-中和-沉淀-絮凝-澄清处理工艺已无法满足当下脱硫废水处理要求，燃煤电厂脱硫废水零排放势在必行。科研工作者在对脱硫废水零排放工艺不断探索的过程中，形成了以预处理-浓缩减量-蒸发固化为共同基本路线的多种不同处理思路。对脱硫废水进行浓缩减量处理能够有效减少末端蒸发固化处理的水量，降低综合处理成本，实现水资源的梯级利用，具有重要的意义。
选择性电渗析技术是近年来开发得到的新型电渗析技术。将具有单价选择性分离功能的离子交换膜引入电渗析膜堆，无需投加药剂即可实现单价离子和多价离子的选择性分离。现有用于脱硫废水处理的选择性电渗析系统均为单级电渗析系统，浓缩处理后期淡水侧与浓水侧盐浓差导致同名离子迁移速率增大，严重影响脱硫废水的浓缩效果，不适合大规模工业废水处理的应用。为弱化这种由溶液浓差过大产生的负面作用，工业上多采用增加电渗析级数以提升反离子的迁移效果，并减小单级电渗析反应器的膜堆规模。现有多级电渗析系统形式多样，以多级串联逆流电渗析最常见。这种电渗析系统通常根据处理液水质和处理要求设置固定级数的电渗析反应器，无法根据现场水质波动调整电渗析级数，直接用于燃煤电厂脱硫废水的浓缩处理将产生电能浪费、电流效率低下、浓缩效果不佳等弊端。因此，有必要开发一种新型电渗析系统。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统及处理方法。
这种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统，由N级电渗析系统、进水切换阀门和出水切换阀门组成，N为自然数；每级电渗析系统包括：浓水箱、淡水箱、选择性电渗析膜堆、浓水循环泵和淡水循环泵，其中浓水箱连接浓水出水阀，淡水箱连接淡水进水阀，浓水箱与选择性电渗析膜堆之间设有出水管道及进水管道，淡水箱与选择性电渗析膜堆之间也设有出水管道及进水管道；各级电渗析系统的浓水箱之间通过浓水级间连通阀连通，各级电渗析系统的淡水箱之间通过淡水级间连通阀连通；电渗析系统的级数N由不同来水水质和处理要求决定。
作为优选，选择性电渗析膜堆由阴离子选择性交换膜和普通阳离子选择性交换膜交替组成；选择性电渗析膜堆被分隔成等量的浓水通道和淡水通道，相邻浓水通道和淡水通道之间设有阴离子选择性交换膜或阳离子选择性交换膜，选择性电渗析膜堆内阴离子选择性交换膜和阳离子选择性交换膜交替设置；膜堆两侧为两个极水通道，极水通道、极水箱、极水泵共同组成极水循环，极水循环是常规电渗析必备的部分，主要起到防止极板结垢、减小电阻的作用；各级电渗析极水循环均保持独立，无溢流或连通。
作为优选，N为大于2的自然数。
作为优选，N级电渗析系统内所有电渗析系统并联独立运行，或按一定顺序组合后串联运行；每一级电渗析系统的规模可以相同也可以不同，比如有A、B、C三个电渗析系统，它们可以单独运行，也可以以不同组合方式串联运行。
作为优选，进水切换阀门、出水切换阀门、浓水出水阀、浓水级间连通阀、淡水进水阀、淡水级间连通阀均为电动阀，可在远端断开或闭合。
这种用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统的运行方法，包括如下步骤：
步骤1、多级电渗析系统运行前，首先根据初始淡水水质、实际处理要求和单级选择性电渗析出力，来判定电渗析系统的级数N，其中电渗析系统的级数N满足：
电渗析系统的级数N*单套电渗析额定离子迁移量≥设定迁移离子总量
其中，N为满足上述不等式的最小自然数，N≥3；
步骤2、若N＝1或N＝2，则改变单套电渗析系统的选型，减小单套电渗析系统的最大出力；由设定电渗析效果计算得到设定迁移离子总量：
设定迁移离子总量＝(浓水出水盐浓度-浓水进水盐浓度)*浓水补水量
或者：
设定迁移离子总量＝(淡水进水盐浓度-淡水出水盐浓度)*淡水补水量；
步骤3、开启第N级电渗析系统的淡水进水阀，关闭其他所有级数电渗析系统的淡水进水阀；开启第N级电渗析系统的浓水出水阀，关闭其他所有级数电渗析系统的浓水出水阀；开启从第一级到第N级之间的淡水级间连通阀和浓水级间连通阀，关闭第N级以后的所有淡水级间连通阀和浓水级间连通阀；
步骤4、多级电渗析系统连续运行期间，初始浓水首先进入第一级电渗析系统的浓水箱，再通过溢流的方式从第一级电渗析系统浓水箱依次进入第二级电渗析系统的浓水箱、第三级电渗析系统的浓水箱……第N级电渗析系统的浓水箱，再从第N级电渗析系统的浓水箱溢流排放至多级电渗析系统外；初始淡水首先进入第N级电渗析系统的淡水箱，再通过溢流的方式从第N级电渗析系统的淡水箱依次进入第N-1级电渗析系统的淡水箱、第N-2级电渗析系统的淡水箱……第一级电渗析系统的淡水箱，再从第一级电渗析系统的淡水箱溢流排放至多级电渗析系统外；
步骤5、保持浓水和淡水水路畅通、流量稳定后，再依次开启第一级电渗析系统、第二级电渗析系统……第N级电渗析系统的选择性电渗析膜堆，所有选择性电渗析膜堆在额定电压下连续运行；
步骤6、多级电渗析系统运行稳定后，实时监测高盐浓水出水和低盐淡水出水水质，并调整多级电渗析系统的级数和多级电渗析系统内部阀门的开闭。
作为优选，步骤6具体包括如下步骤：
步骤6.1、当高盐浓水出水水质和低盐淡水出水水质达不到预期要求时(例如低盐淡水出水氯离子浓度超过设定目标值)，增开一级电渗析系统；开启第N+1级电渗析系统的浓水出水阀、淡水进水阀、浓水级间连通阀、淡水级间连通阀，关闭第N级电渗析系统的浓水出水阀和淡水进水阀，再以额定电压条件运行第N+1级电渗析膜堆反应器；
步骤6.2、当高盐浓水出水水质和低盐淡水出水水质明显优于预期要求时(例如低盐淡水出水氯离子浓度远低于设定目标值)，应检测第N-1级电渗析系统的出水；若第N-1级电渗析系统的出水符合水处理预期要求，减开一级电渗析系统；开启第N-1级电渗析系统的浓水出水阀、淡水进水阀，关闭第N级选择性电渗析膜堆，关闭第N级电渗析系统的浓水出水阀、淡水进水阀、浓水级间连通阀和淡水级间连通阀；以此法运行多级电渗析系统，能够及时调整实际运行电渗析的级数，以高效低能耗的方式浓缩处理燃煤电厂脱硫废水。
本发明的有益效果是：
多级电渗析系统为级数可调的多级电渗析系统，减小运行过程中膜堆浓水侧和淡水侧的盐浓差，降低反应器的同名离子迁移速率，在保证脱硫废水处理效果的前提下，降低系统能耗并提高单级电渗析效率，提升脱硫废水处理效率。
本发明设置选择性电渗析膜堆反应器，能够将氯离子和重金属离子污染物富集于浓水，将可回用的硫酸根离子保留于淡水，无需额外使用药剂即可实现高盐脱硫废水的浓缩减量。多级电渗析系统不仅适用于燃煤电厂脱硫废水的浓缩处理，也能够用于其他领域大规模工业废水处理，具有普适性和通用性。
附图说明
图1为用于脱硫废水浓缩处理的多级电渗析系统示意图。
附图标记说明：浓水箱1、淡水箱2、浓水出水阀3、浓水级间连通阀4、淡水进水阀5、淡水级间连通阀6、选择性电渗析膜堆7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明针对现有选择性电渗析浓缩脱硫废水时效率较低的问题，提供一种多级电渗析系统，用于处理燃煤电厂脱硫废水和脱硫废水浓缩。本发明中的多级电渗析系统在常规选择性电渗析系统基础上，增加了电渗析级数，设置了进水和出水切换阀门，改变了浓水和淡水的处理流向。常规串联电渗析反应器的水流方向为：一级浓水-二级浓水……N级浓水，一级淡水-二级淡水……N级淡水。本发明中的逆流多级电渗析反应器的水流方向为：N级淡水，N-1级淡水……一级淡水，让淡水流向与浓水流向相反；每级电渗析系统额定处理水量(即膜堆额定出力)可以相同也可以不同。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图1所示用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统：
由N级电渗析系统、进水切换阀门和出水切换阀门组成，N为自然数；每级电渗析系统包括：浓水箱1、淡水箱2、选择性电渗析膜堆7、浓水循环泵和淡水循环泵，其中浓水箱1连接浓水出水阀3，淡水箱2连接淡水进水阀5，浓水箱1与选择性电渗析膜堆7之间设有出水管道及进水管道，淡水箱2与选择性电渗析膜堆7之间也设有出水管道及进水管道；各级电渗析系统的浓水箱1之间通过浓水级间连通阀4连通，各级电渗析系统的淡水箱2之间通过淡水级间连通阀6连通；电渗析系统的级数N由不同来水水质和处理要求决定。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一中用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统在某燃煤电厂中的运行方法：
某燃煤电厂采用单级选择性电渗析浓缩处理脱硫废水。该系统处理水量为0.5t/h，高盐浓水出水氯离子平均浓度约35000mg/L，进入末端废水处理系统深度处理，实现电厂废水零排放。低盐淡水出水氯离子平均浓度约3000mg/L，返回至原脱硫系统回用。原系统膜堆平均功率为1.50kW，平均电流效率为0.73。受来水水质波动的影响，系统出水水质不稳定。
为了浓缩处理该燃煤电厂全厂脱硫废水(约6t/h)，需建设新选择性电渗析处理系统。受电渗析膜堆规模限制，无法生产单级超大规模电渗析。后结合选择性电渗析技术与多级逆流电渗析技术，设计并建设了一套4级逆流串联选择性电渗析系统，各级系统最大出力均相同。该系统各级选择性电渗析都可单独运行，级间浓水流向和淡水流向互逆，可根据实际情况及时调整运行电渗析的级数。连续运行以来，系统12％时长以2级电渗析模式运行，66％时长以3级电渗析模式运行，22％时长以4级电渗析模式运行。系统膜堆平均功率为14.2kW，平均电流效率为0.75。高盐浓水出水氯离子平均浓度约44500mg/L，低盐淡水出水平均氯离子浓度为1200mg/L，产水水质显著提升。
该电厂多级电渗析系统正常投运6个月以来，脱硫废水浓缩处理效果稳定，淡水产水水质显著提高，实现了预期处理目标。该系统设计巧妙，操作便捷，能够按需以不同级数运行，运行成本较低。以上结果表明，本发明的用于脱硫废水浓缩的多级电渗析系统及处理方法具有很好的适用性。
本发明中的选择性电渗析膜堆，能够使淡水侧的氯离子和重金属离子迁移至浓水侧，但99％以上的二价阴离子(主要为硫酸根)停留在淡水侧不发生大量迁移。一方面避免了浓水侧因硫酸根富集而发生结垢，另一方面能够使淡水出水符合回用条件(可以回用至脱硫系统)。
本发明中的多级电渗析系统：浓水从一级电渗析系统逐级流向末级电渗析系统，其盐浓度逐渐增大；淡水从末级电渗析系统逐级流向一级电渗析系统，其盐浓度逐渐减小。该策略避免了因单级电渗析系统的浓水侧和淡水侧盐浓差过大导致的同名离子迁移作用加强，最大程度提高了电渗析系统的正向离子迁移效率。设置成级数可调的多级电渗析系统，能够根据来水水质和处理要求及时调整运行电渗析反应器数量，在保证脱硫废水处理效果的前提下，降低系统能耗并提高单级电渗析效率。
本发明将选择性电渗析技术和多级逆流电渗析技术结合，能够根据来水水质波动调整电渗析级数，适应不同来水水质和处理要求，实现脱硫废水的高效节能处理；避免了因单级电渗析的浓水侧和淡水侧盐浓差过大导致的同名离子迁移作用加强，最大程度提高了电渗析的正向离子迁移效率；多级电渗析系统为级数可调的多级电渗析系统，减小运行过程中膜堆浓水侧和淡水侧的盐浓差，降低反应器的同名离子迁移速率，能够根据来水水质和处理要求及时调整运行电渗析反应器数量，在保证脱硫废水处理效果的前提下，降低系统能耗并提高单级电渗析效率，提升脱硫废水处理效率。
本发明设置选择性电渗析膜堆反应器，能够将氯离子和重金属离子污染物富集于浓水，将可回用的硫酸根离子保留于淡水，无需额外使用药剂即可实现高盐脱硫废水的浓缩减量。多级电渗析系统不仅适用于燃煤电厂脱硫废水的浓缩处理，也能够用于其他领域大规模工业废水处理，具有普适性和通用性。
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