公布日：2023.11.10
申请日：2023.08.16
分类号：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
本发明涉及一种处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统及处理方法，所述系统包括双极膜电渗析装置、磷沉淀器和膜处理装置，双极膜电渗析装置内依次设有阴极、第一双极膜、主阳离子交换膜、主阴离子交换膜、第二双极膜和阳极，第一双极膜与主阳离子交换膜之间为碱室，主阳离子交换膜与主阴离子交换膜之间为废水室，主阴离子交换膜与第二双极膜之间为酸室，第一双极膜的外侧为阴极室，第二双极膜的外侧为阳极室；高磷废水输入废水室，酸室设有磷酸回收管，碱室和废水室分别通过碱液管和第一产水管连接磷沉淀器；磷沉淀器设有沉淀剂口，用于输入钙沉淀剂或镁沉淀剂，膜处理装置的浓水口连接废水室，膜处理装置的产水作为中水回用。
权利要求书
1.一种处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，包括双极膜电渗析装置、磷沉淀器和膜处理装置，双极膜电渗析装置内依次设有阴极、第一双极膜、主阳离子交换膜、主阴离子交换膜、第二双极膜和阳极，第一双极膜与主阳离子交换膜之间为碱室，主阳离子交换膜与主阴离子交换膜之间为废水室，主阴离子交换膜与第二双极膜之间为酸室，第一双极膜的外侧为阴极室，第二双极膜的外侧为阳极室；高磷废水输入废水室，酸室设有磷酸回收管，碱室和废水室分别通过碱液管和第一产水管连接磷沉淀器，将得到的碱液和处理后的废水输入磷沉淀器进一步处理；磷沉淀器设有沉淀剂口，用于输入钙沉淀剂或镁沉淀剂，磷沉淀器通过第二产水管连接膜处理装置，膜处理装置的浓水口连接废水室，膜处理装置的产水作为中水回用。
2.根据权利要求1所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，还包括废水罐，废水罐的出口连接废水室的第一进口，将高磷废水输入废水室，废水罐的进口连接废水室的第一出口，使得废水室与废水罐之间形成循环；还包括水罐、碱水罐和酸水罐，水罐通过管道连接阴极室和阳极室，碱水罐通过管道连接碱室，酸水罐通过管道连接酸室。
3.根据权利要求1所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，所述膜处理装置选自纳滤膜组件、反渗透膜组件中的一种或两者的组合；膜处理装置的浓水口连接废水室的第二进口。
4.根据权利要求1所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，所述废水室的第一进口设在废水室的底部，第一出口设在废水室的顶部；废水室内由下至上设置若干层折流构件，折流构件为折流板或折流膜，折流板和折流膜上下依次设置，使得两个折流膜之间为一个折流板；每个折流膜的始端固定在第一长侧面上，末端向第二长侧面延伸且与第二长侧面之间留有第一开口；每个折流板的始端固定在第二长侧面上，末端向第一长侧面延伸且与第一长侧面之间留有第二开口，使得废水室内的水流在双极膜电渗析装置的宽度方向上沿着折流构件折流往复流动。
5.根据权利要求4所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，所述折流板为实体板；所述折流膜包括靠近主阳离子交换膜的副阳离子交换膜和靠近主阴离子交换膜的副阴离子交换膜，副阳离子交换膜和副阴离子交换膜处于同一平面，且在废水室的中部无缝衔接。
6.根据权利要求1所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，其特征在于，所述碱室内包括靠近第一双极膜的第一搅拌器和靠近主阳离子交换膜的第二搅拌器，用于搅动靠近第一双极膜和主阳离子交换膜的水体，避免氢氧化物沉淀附着膜材料；碱室中下部设有沉淀斗，沉淀斗的横截面积小于碱室的横截面积；碱室上部设有斜板区，斜板区包括若干个并排的斜板，斜板区的横截面积等于碱室的横截面积。
7.一种处理高磷废水并资源化利用磷元素的处理方法，其特征在于，使用权利要求2所述的处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统实施，且包括以下步骤：(1)将废水罐内的高磷废水输入废水室内，并在废水罐和废水室之间形成循环回路；(2)待双极膜电渗析装置充满废水后，为阴极和阳极通电，废水室中废水的PO43-透过主阴离子交换膜，进入酸室，阳极室中电解水后产生的H+透过第二双极膜也进入酸室，PO43-与H+生成磷酸；同时，废水室中废水的NH4+和金属离子透过主阳离子交换膜，进入碱室，阴极室中电解水后产生的OH-透过第一双极膜也进入碱室，NH4+、金属离子与OH-生成氨水和氢氧化物；(3)双极膜电渗析装置内的废水处理完成后，酸室内的磷酸由磷酸回收管排出酸室，回收利用；碱室的碱液和废水室内的废水都排入磷沉淀器，向磷沉淀器内投加钙沉淀剂或镁沉淀剂，废水与氨水和氢氧化物反应，生成羟基磷灰石或鸟粪石，回收利用；(4)磷沉淀器所得产水输入膜处理装置，经过膜处理，得到产水作为中水回用，得到的浓水返回废水室继续处理。
8.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于，步骤(3)中，当碱室的NH4+与废水室中PO43-的N/P摩尔比不大于1，或者废水室PO43-低于2mmol/L时，代表电渗析处理完成，停止向双极膜电渗析装置通电；钙沉淀剂或镁沉淀剂的用量为保持磷沉淀器内部的Ca/P或Mg/P为1.2-1.5。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，当废水的N/P摩尔比小于0.3时，废水中的氮元素不足，沉淀剂为氧化钙和氯化钙，磷沉淀器的产物为羟基磷灰石。
10.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，当废水的N/P摩尔比不小于0.3且不大于1.0时，沉淀剂为氧化镁和氯化镁，磷沉淀器的产物为鸟粪石。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统及处理方法，利用双极膜电渗析装置处理木质活性炭生产废水，在碱室内形成氢氧化物和氨水，在酸室形成磷酸，从而降低废水中的污染物含量，酸室中的磷酸作为产物回收利用，处理后的废水根据含氮量的多少，再在钙/镁沉淀剂的作用下，产生羟基磷灰石或鸟粪石。
第一方面，所述处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统，包括双极膜电渗析装置、磷沉淀器和膜处理装置，双极膜电渗析装置内依次设有阴极、第一双极膜、主阳离子交换膜、主阴离子交换膜、第二双极膜和阳极，第一双极膜与主阳离子交换膜之间为碱室，主阳离子交换膜与主阴离子交换膜之间为废水室，主阴离子交换膜与第二双极膜之间为酸室，第一双极膜的外侧为阴极室，第二双极膜的外侧为阳极室；
高磷废水输入废水室，酸室设有磷酸回收管，碱室和废水室分别通过碱液管和第一产水管连接磷沉淀器，将得到的碱液和处理后的废水输入磷沉淀器进一步处理；
磷沉淀器设有沉淀剂口，用于输入钙沉淀剂或镁沉淀剂，磷沉淀器通过第二产水管连接膜处理装置，膜处理装置的浓水口连接废水室，膜处理装置的产水作为中水回用。
可选的，所述处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统还包括废水罐，废水罐的出口连接废水室的第一进口，将高磷废水输入废水室，废水罐的进口连接废水室的第一出口，使得废水室与废水罐之间形成循环。
可选的，所述处理高磷废水并资源化利用磷元素的系统还包括水罐、碱水罐和酸水罐，水罐通过管道连接阴极室和阳极室，碱水罐通过管道连接碱室；酸水罐通过管道连接酸室。
可选的，所述膜处理装置选自纳滤膜组件、反渗透膜组件中的一种或两者的组合，根据废水水质和磷沉淀器的产水水质情况，合理选择膜处理装置；
膜处理装置的浓水口连接废水室的第二进口。
可选的，所述废水室的第一进口设在废水室的底部，第一出口设在废水室的顶部，由废水罐输入的废水由下至上通过废水室；废水室内由下至上设置若干层折流构件，折流构件为折流板或折流膜，折流板和折流膜上下依次设置，使得两个折流膜之间为一个折流板；
每个折流膜的始端固定在第一长侧面上，末端向第二长侧面延伸且与第二长侧面之间留有第一开口，允许水流通过；每个折流板的始端固定在第二长侧面上，末端向第一长侧面延伸且与第一长侧面之间留有第二开口，允许水流通过，即第一开口靠近第二长侧面，第二开口靠近第一长侧面，使得废水室内的水流在双极膜电渗析装置的宽度方向上沿着折流构件折流往复流动。
进一步可选的，所述折流板为实体板；所述折流膜包括靠近主阳离子交换膜的副阳离子交换膜和靠近主阴离子交换膜的副阴离子交换膜，副阳离子交换膜和副阴离子交换膜处于同一平面，且在废水室的中部无缝衔接。
可选的，所述碱室内包括靠近第一双极膜的第一搅拌器和靠近主阳离子交换膜的第二搅拌器，用于搅动靠近第一双极膜和主阳离子交换膜的水体，避免氢氧化物沉淀附着膜材料；
碱室中下部设有沉淀斗，沉淀斗的横截面积小于碱室的横截面积；碱室上部设有斜板区，斜板区包括若干个并排的斜板，斜板区的横截面积等于碱室的横截面积。
可选的，所述沉淀斗的横截面积与碱室的横截面积之比为(0.2-0.6):1，以免阻止碱室下部的氢氧化物沉淀返回碱室上部；
沉淀斗的底部连接管道，将沉淀物浆料排出碱室。沉淀斗可以是移动式的，即能在碱室内移动，承接更多从斜板区滑落的沉淀物。
第二方面，本发明还提供一种处理高磷废水并资源化利用磷元素的处理方法，包括以下步骤：
(1)将废水罐内的高磷废水输入废水室内，并在废水罐和废水室之间形成循环回路；
(2)待双极膜电渗析装置充满废水后，为阴极和阳极通电，废水室中废水的PO43-透过主阴离子交换膜，进入酸室，阳极室中电解水后产生的H+透过第二双极膜也进入酸室，PO43-与H+生成磷酸；
同时，废水室中废水的NH4+和金属离子透过主阳离子交换膜，进入碱室，阴极室中电解水后产生的OH-透过第一双极膜也进入碱室，NH4+、金属离子与OH-生成氨水和氢氧化物；
(3)双极膜电渗析装置内的废水处理完成后，酸室内的磷酸由磷酸回收管排出酸室，回收利用；碱室的碱液和废水室内的废水都排入磷沉淀器，向磷沉淀器内投加钙沉淀剂或镁沉淀剂，废水与氨水和氢氧化物反应，生成羟基磷灰石或鸟粪石，回收利用；
(4)磷沉淀器所得产水输入膜处理装置，经过膜处理，得到产水作为中水回用，得到的浓水返回废水室继续处理。
可选的，步骤(1)中，水罐为阴极室和阳极室蓄满水，碱水罐为碱室蓄满水，酸水罐为酸室蓄满水。
可选的，步骤(2)中，双极膜电渗析装置的电流密度为2-8mA/cm2。
可选的，步骤(3)中，当碱室的NH4+与废水室中PO43-的N/P摩尔比不大于1，或者废水室PO43-低于2mmol/L时，代表电渗析处理完成，停止向双极膜电渗析装置通电。
可选的，步骤(3)中，钙沉淀剂或镁沉淀剂的用量为保持磷沉淀器内部的Ca/P或Mg/P为1.2-1.5，磷沉淀器的水力停留时间0.5-2h；
磷沉淀器选自搅拌釜或流化床，使用搅拌釜时搅拌釜的转速为120-180rpm；使用流化床时，流化床的上升流速为10-30mm/s，回流比1-4。
可选的，步骤(3)中，根据碱室的NH4+与废水室中PO43-的N/P摩尔比不同，使用不同的沉淀剂，得到不同的产物，具体的，当废水的N/P摩尔比小于0.3时，废水中的氮元素不足，沉淀剂为氧化钙和氯化钙，磷沉淀器的产物为羟基磷灰石；当废水的N/P摩尔比不小于0.3且不大于1.0时，沉淀剂为氧化镁和氯化镁，磷沉淀器的产物为鸟粪石。
步骤(4)的膜处理条件根据磷沉淀器所得产水的水质而调整。
（发明人：叶欣;吴杰;王晓君;陈少华;刘耀兴）
