敞开式电吸附水处理技术
申请日2014.09.12
公开(公告)日2015.01.07
IPC分类号C02F1/469
摘要
本发明公开了一种敞开式电吸附水处理技术，是由许多水处理单元采用矩阵方式布置，水处理单元包括作为低压直流电源正电极的金属正电极(003)，作为低压直流电源负电极的金属负极槽板(005)及V形槽板(006)构成槽形结构的过水断面，金属正电极(003)置于两个金属负极槽板(005)的中间位置;金属正电极(003)可以是各种形状的柱状结构体，也可以是平面形状的金属板材或者是金属网状结构体;沿水流方向的纵断面的是由相同的水处理单元组串行组成，水处理单元组包含至少一个进水闸和一个出水闸;进水闸和出水闸均包含闸门槽(010)和闸门板(011);闸门槽(010)制作在水处理单元上，所述的闸门板(011)在使用的时候安装在闸门槽(010)里。
权利要求书
1.一种敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的敞开式电吸附水处理技术是由水处理单元组成的，水处理单元包括作为低压直流电源正电极的金属正电极(003)和作为低压直流电源负电极的金属负极槽板(005)及V形槽板(006)，金属负极槽板(005)和V形槽板(006)构成槽形结构的过水断面，金属正电极(003)置于两个金属负极槽板(005)的中间位置，所述低压直流电源的正电极、负电极和过水断面内的水体形成直流电气回路。
2.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的金属正电极(003)可以是实心金属钢材的、或管状金属钢材的、或薄钢板包芯材料的、或网状金属包芯材料的、或各种型钢材料制作而成的柱状体。
3.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的金属正电极(003)是采用金属板材的平面形状结构体。
4.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的金属正电极(003)是采用网状金属的平面形状结构体。
5.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的敞开式电吸附水处理技术的横断面是由相同的水处理单元并行组成的。
6.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的敞开式电吸附水处理技术的横断面是由部分相同的及部分不相同的水处理单元并行组成的。
7.基于权利1的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的敞开式电吸附水处理技术的沿水流方向的纵断面的是由相同的水处理单元串行组成的。
8.基于权利7的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的串行组成的水处理单元组包含至少一个进水闸和一个出水闸，所述的进水闸和出水闸均包含闸门槽(010)和闸门板(011)。
9.基于权利8的敞开式电吸附水处理技术，其特征在于：所述的闸门槽(010)制作在水处理单元上，所述的闸门板(011)在使用的时候安装在闸门槽(010)里。
说明书
一种敞开式电吸附水处理技术
技术领域
本发明涉及一种敞开式电吸附水处理技术，属于水处理技术领域，尤其适合于离子浓度高、大流量的循环水系统。
背景技术
水资源通常有三种——地表水、地下水和城市中水。
地下水和地表水多为生活饮用水源，地下水虽不加处理即可直接使用，但硬度大，易结垢，长期饮用对人体有害，用反渗透工艺制成纯净水，由于水中有益的和有害的成分全被过滤掉了，长期饮用照样对人体不利。
地表水通过加药杀菌处理后可作为城市自来水源，但传统的处理方式无法应对水源的日益污染。
中水虽被大力提倡用于工业循环水，却有硬度大和微生物含量高和氯根腐蚀设备等诸多危害，处理手段和处理成本受限，至今不能得到充分利用。
作为工业用水大户采用的循环水的补水水源，原则上地表水、地下水和城市中水皆可使用，但需采用一定的技术进行处理。
电吸附水处理方法具有投资小，运行和维护费用低，水资源利用率高等优点。
但目前采用的电吸附水处理技术不足之处也很明显：对流量、流速、浊度要求高，不宜直接处理循环水。
由于同时吸附阴阳离子，需频繁充放电，水的硬度降低有限，反而加大了电除盐难度。
因水处理量有限，需投入大量的碳纤维电极和电气设备，运行和维护费用较高。
污水排放量较大、浪费水资源。
发明内容
本发明是为了解决现有电吸附水处理方法的不足、尤其是循环水硬度大、易结垢、氯根高、易腐蚀等问题，在电吸附水处理方法的基础上，解决离子浓度高、大流量的循环水问题。
敞开式电吸附水处理技术是由至少一个水处理单元组成，水处理单元包括电气和机械两部分。
电气部分可以提供36伏的正、负极可交换的低压直流电源。
机械部分包括作为连接低压直流电源正极的正极连接线(001)，固定连接正极连接线(001)的电极架(002)，作为低压直流电源正电极的金属正电极(003)，固定和放置金属正电极(003)的电极座(004)，作为低压直流电源负电极的金属负极槽板(005)和V形槽板(006)，作为敞开式电吸附水处理技术的底板固定架(007)等部分组成。
水处理单元的金属负极槽板(005)和V形槽板(006)构成槽形结构的过水断面，用于水处理工作的水流通道，金属正电极(003)置于两个金属负极槽板(005)的中间位置。
待处理的水体流经由金属负极槽板(005)和V形槽板(006)组成的水流通道，水体的水面线(009)在设备正常运行期间不应高于金属负极槽板(005)的上端。
在金属正电极(003)和金属负极槽板(005)、V形槽板(006)之间，通过待处理的水体形成电流通路。
在直流电流的作用下，钙、镁离子流向电源负极，使其积聚金属负极槽板(005)和V形槽板(006)附近，形成了一个很强的碱性环境区域，会加速使溶于水中的二氧化碳与钙、镁离子发生化学反应，从而生成大量的碳酸钙、碳酸镁沉淀、吸附于阴极附近，使水中的钙、镁离子减少，降低水体的硬度，使经过处理后的水质满足生产要求。
在直流电流的作用下，水中含有的氯离子会被电解氧化成游离氯或次氯酸(OCL-)，还可以起到防腐、杀菌的作用。
一个水处理单元有一定的过水断面和一定的用于水处理的有效工作长度，具有相应的水处理能力和水处理质量。
水处理的水量与过水断面有关，也与过水断面内的水流速度有关，在确定水处理的能力后，根据输水渠道的有关参数即可确定所需的过水断面。
水处理单元的水处理能力不能满足要求时，需要在过水断面上并行布置相应的水处理单元。
水处理单元的水处理质量不能满足要求时，需要在沿水流方向上进行串联布置水处理单元，水处理单元的灵活布置，可以满足不同的水处理工程要求。
沿水流方向纵向串行布置的水处理单元，其断面参数应相同;垂直水流方向上并行布置的水处理单元，其断面参数可以相同，也可以不相同。
沿水流方向纵向串行布置的水处理单元，至少应有一对进水口和出水口闸门，使水处理单元的进水口和出水口闸门关闭后水处理单元内部的水体与外部的水体可以相互隔离。
正常工作的水处理单元，进出水口闸门全部敞开，水流通道内的水体在低压直流电源的作用下，在阴极附近形成大量的钙、镁离子，逐渐沉降、聚集、吸附于金属负极槽板(005)和V形槽板(006)内，形成水垢状的沉淀物。
水处理设备运行一段时间后，会在金属负极槽板(005)和V形槽板(006)内形成较多的水垢状沉淀物，就需要进行清污处理了。
清污可以采用机械刮垢的方式将水垢混入水中，也可采用电源正负极颠倒的方法将水垢从负极板槽上剥离下来，用水泵将含有水垢的水抽到岸上进行沉淀。
也可调节电流将钙、镁离子直接絮凝沉淀在水流迟缓的水底，待定期清污时清除。
为保证设备的正常工作，清污可以分组进行，一次对一组或多组水处理单元组进行处理。
进行刮垢清污处理时，需将水处理单元组的进水闸门和出水闸门关闭。
倒极处理时只需关闭出水闸门，控制电路使该组低压直流电源的正、负极切换，在反向电流的驱动下，附着在金属负极槽板(005)和V形槽板(006)上的沉淀物脱落进入水中。
利用水泵等方式将污水抽出到地面沉淀池进行沉淀处理，数小时后经沉淀处理过的澄清水仍可进行循环利用，提高水资源的利用率，做到污水零排放。
本发明与现有的水处理技术相比具有明显的优势，水处理单元的有效工作面积大，水处理效率高;采用矩阵式分组进行水处理，可以适应不同水量要求的水处理系统;可以分组进行清污工作，不影响用水设备的正常运行;清污处理后的澄清水仍可循环利用，基本上没有废水排放。
1、电吸附水处理的原理
电吸附技术EST(Electro-Sorption Technology)，也可称电容去离子技术CDI(Capacitive Deionization)。它是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子的现象，使水中溶解盐类及其它带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化/淡化的一种新型水处理技术。
电吸附水处理的原理
EST技术是利用带电电极表面吸附水中离子或带电粒子的现象，使水中溶解的盐类及其它带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化或淡化。图 1为电吸附水处理的原理示意图。原水从一端进入 由阴、阳电极形成的通道，最终从另一端流出。原水在阴、阳电极之间流动时受到电场作用，水中离子或 带电粒子将分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附，储存在电极表面所形成的双电层中。随着离 子/带电粒子在电极表面富集浓缩，使通道水中的 溶解盐类、胶体颗粒及其它带电物质的浓度大大降低，从而实现了水的除盐及净化。
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| 图1 电吸附水处理技术原理示意 |
2、电吸附水处理技术（EST）的特性
运行能耗低，水利用率高
EST技术的能耗很低，其主要的能量消耗在于使离子发生迁移，而在电极上并没有明显的化学反应发生，如有必要还可以将所用的能量回收一部分过来，即将吸附饱和的模块上储存的电能再加到另一再生好的模块上，也即所谓的“秋千式”供电方 式。这与其它除盐技术相比可以大大地节约能源。一个实验模块以50t/h流量、85%除盐率处理TDS为1000㎎/L的原水时，能耗仅约为60W。其根本 原因在EST技术净化/淡化水的原理是有区别性地将水中离子提取分离出来，而不是把水分子从待处理的原水中分离出来。
水利用率高
EST 技术可以大大提高水的利用率，一般情况 下水的利用率可以达到75%以上；如采用适当的工艺组合，甚至可达90%以上。
无二次污染
EST 技术不需任何化学药剂来进行水的处理， 从而避免了二次污染问题。EST 系统所排放的浓水 系来自于原水，系统本身不产生新的排放物。与离子交换技术相比，省去了浓酸、浓碱的运输、贮存、操作上的麻烦，而且不向外界排放酸碱中和液。
操作及维护简便
由于EST 系统不采用膜类元件，因此对原水预处理的要求不高，而且即使在预处理上出一些问题 也不会对系统造成不可修复的损坏。铁、锰、余氯、有机物、钙、镁、FG 值等对系统几乎没有什么影响。在停机期间也无需对核心部件作特别保养。系统采用计算机控制，自动化程度高，对操作者的技术要求较低。从理论上讲，EST 模块可以长期服役，预期寿命至少在20a以上。
3、电吸附技术EST适用条件及范围
对现阶段经过试验和实际应用的数据统计分析，EST对所处理的进水要求电导率≤500μS/㎝、COD≤100㎎/L、浊度≤5NTU、SS≤5㎎/L、油≤3㎎/L，处理后电导率可减少60%~80%、浊度≤2NTU、SS≤2㎎/L、油≤2㎎/L。处理效果与综合的水质影响因素、EST设备工艺的组合有关。
按照进水的水质、来源和工艺用途不同，EST可用于：
(1)循环冷却水系统的补水预处理。通过电吸附法降低补水含盐量，可以改善水质，以利进一步提高循环水的浓缩倍数，减少补水量和排污水量。
(2)循环冷却水系统的排污水再生会用。经过除盐处理的排污水回用于循环冷却水系统替代新鲜补水，可以减少新水消耗和污水排放量，进一步提高循
环水的循环利用率。
(3)市政、工业污水处理。对于COD及含盐量较高的工业废水，传统的水处理技术因COD高而影响 盐分的去除，电吸附能除去废水中的高盐分，使生化法可行，二级生化处理后的污水经电吸附除盐，可作为循环水系统的补水或生产工艺用水回用。
(4)与高效反渗透技术(HERO)配套。用于反渗透进水的预处理，降低其硬度、TOC等，可稳定反渗透系统运行、提高出水水质和产水率、降低运行维护成本、延长膜的使用寿命。
(5)工业用水处理。纺织印染、轻工造纸、电力化工、冶金等行业都需要大量的除盐水或纯水作为工艺用水。根据不同水质标准，电吸附水处理技术 可以与传统的除盐技术相结合，以降低运行成本。
(6)饮用水净化。电吸附技术可以用于饮用水深度处理，去除过量的无机盐类，如钙、镁、氟、砷、钠、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等，甚至使一些因无机盐 类超标的水源得以有效利用。
(7)苦咸水淡化。电吸附技术具有耐钙、镁、硫酸盐等物质结垢的特点，在苦咸水特别是矿坑水等高含盐量和有机物水的淡化方面具有诱人的应用前景。
