流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统技术方案

本发明专利技术涉及流动电极电容去离子(FCDI)除氨性能预测及控制系统，具体利用提供的预测模型求解将FCDI装置的出水NH

【技术实现步骤摘要】
流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统


[0001]本专利技术涉及污水处理中NH
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浓度自动化控制
，尤其是涉及一种流动电极电容去离子技术中基于精确进水流速和外加电流调节系统的出水NH
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浓度控制系统。

技术介绍

[0002]随着工业经济和现代农业的大力发展，大量的营养物质流入受纳水体，导致水体富营养化，影响水生生物的生长和繁殖，造成巨大的生态和经济损失，同时可能引发人类健康和环境等安全隐患，其中氮类营养物是引起水体富营养化和污染的重要因素之一。
[0003]此外，由于环境容量的限制，生活污水尾水中氨氮(ammonia nitrogen)即使达到一级A排放标准即5mg
·
L
‑1，也难以改变地区水环境污染问题。为此，也出台了污水厂排放标准，降低出水氨氮限值，来要求污水厂提标改造。氨氮限值的不断降低，对现有工艺提出了极高的要求，当前的工艺出水有氨氮超标风险，或者为了达标需要投入高昂的经济成本，这就对新的低能耗除氨工艺提出了需求。
[0004]目前，低浓度的氨氮废水常采用人工湿地技术或物化法来处理。物化处理氨氮主要有化学沉淀法、离子交换法、折点氯化法等。人工湿地技术广泛地应用于污水厂提标改造，具有环境友好，经济效益高的优势，但过大的占地面积限制了其在发达地区的应用。离子交换法和折点氯化法属于常规的低浓度氨氮废水处理技术，除氨效果较好，但均具有易产生二次反应的缺陷。电化学高级氧化利用原位生成的活性氯来优先降解氨，由于发生了不必要的法拉第反应(例如水电解)，因此需要383kWh
·
kg
–1N的极高能量输入。为了避免上述工艺的缺陷，近年来电容去离子技术(CDI)逐渐进入研究视野。
[0005]电容去离子技术(CDI)的操作运行原理是在外加电压条件下，水中阳离子和阴离子分别被吸附到阴极和阳极上，通过短路或反加电压实现电极脱附再生。膜电容去离子技术(MCDI)与CDI相比，在电极表面增加了离子交换膜，对离子进行电性筛选，从而避免了电极表面的同离子效应造成电荷效率降低。FCDI技术以双电层电容吸附原理为核心，融合了离子交换膜和流动电极两大特性。在运行时，废水进入脱盐室，水中的阳离子(NH
4+
等)和阴离子受两侧电极上异性电荷吸引，经离子交换膜筛选迁移至电极室，与电极表面电荷形成双电层，实现了电荷的吸附去除，解吸时只需短路或施加反向电压，离子受同性电荷排斥迁移至浓缩室。流动电极电容去离子技术(FCDI)相较于MCDI的优势在于，其使用流动电极替代了固定电极，吸附饱和的电极可在外界进行再生更新，实现工艺的连续运行，从而提高了整体的电荷容量，提升处理效率。FCDI兼具两大优势，因而在功耗节约和提升效率方面有着良好的表现。优异的经济效益和除氨效率，使得FCDI技术成为除氨领域的新兴热门方向。
[0006]但是，现有FCDI模型的研究只是集中在脱除NaCl上，对除氨的研究目前只是停留在实验阶段，确定大致的最佳工况和能耗，没有进一步的机理和模型预测分析，因此现有的研究结果不能形成一个整体性的除氨性能预测和控制系统。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，基于给定的进水流速和外加电流，对FCDI装置出水NH4
+
浓度做出精准的预测，在此基础上采用NH4
+
浓度
‑
进水流速
‑
泵转速及NH4
+
浓度
‑
外加电流
‑
电源输出值两种级联的控制方式，通过设置的NH4
+
目标值，精确控制使FCDI装置出水NH4
+
浓度达到目标值所需的泵转速和电源输出值，在保证出水水质达标的基础上，降低转速和电源输出值，即以最小的代价或能耗实现预期的出水达标。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0009]流动电极电容去离子性能预测及控制系统，其特征在于，包括预测模型、控制系统、泵、电源和FCDI装置，所述控制系统与所述泵和电源连接；
[0010]所述FCDI装置内设置有NH
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浓度测量仪，所述NH
4+
浓度测量仪用于测量FCDI装置出水的NH
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浓度实际值，所述预测模型根据NH
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浓度实际值和设置的NH
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浓度目标值进行验算，得出出水NH
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浓度目标值的进水流速设定值和外加电流设定值；
[0011]所述控制系统控制泵和电源根据出水NH
4+
浓度目标值和出水NH
4+
浓度实际值向FCDI装置输出能使出水NH
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浓度达到目标值的进水流速和外加电流值。
[0012]优选地，所述FCDI装置还包括进水水箱、水泵、阴阳极电极更新装置、阴阳极电极液循环泵和FCDI组件。
[0013]优选地，所述预测模型为FCDI去除NH
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电化学模型，所述FCDI去除NH
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电化学模型的构建方法包括如下步骤：
[0014](1)划定模型微元区域，建立电势平衡方程和进水方向上的质量守恒方程；
[0015](2)通过Donnan电势确定电极室区域中微孔和大孔间的浓度关系，再结合Stern电容计算公式得到Stern电势；
[0016](3)由Nernst
‑
Plank方程计算垂直于进水方向上脱盐室向电极室离子传输电势；
[0017](4)根据阴阳离子通量与化合价及法拉第常数的乘积之和计算总电流，继而根据欧姆定律计算总欧姆电势；
[0018]由电势平衡可得每一微元的电势关系，再由质量守恒计算不同微元之间的参数传递，最终联立可得FCDI去除NH
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电化学模型。
[0019]优选地，电势平衡方程和质量平衡方程分别为：
[0020]电势平衡方程如下：
[0021][0022]其中，k为离子对，a为阴离子，c为阳离子，为Stern电势(V)，为Donnan电势(V)，为施加在边界层两端用于离子传输的电势，为为了克服电阻而损失的欧姆电势(V)；
[0023]质量守恒方程如下：
[0024][0025][0026]n为模型微元的编号，范围为1
‑
N，代表x方向上的摩尔离子通量(mol/(m2·
s))，为脱盐室流道或电极室中的阴离子溶液浓度(mol/m3)，为脱盐室流道或电极室中的阳离子溶液浓度(mol/m3)，u
z
为脱盐室流道或电极室中的溶液流速(m/s)，step为定义的模型微元长度(m)。
[0027]优选地，步骤(2)中电极室区域微孔和大孔之间的离子浓度关系由下式确定：
[0028][0029][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.流动电极电容去离子性能预测及控制系统，其特征在于，包括预测模型、控制系统、泵、电源和FCDI装置，所述控制系统与所述泵和电源连接；所述FCDI装置内设置有NH
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浓度测量仪，所述NH
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浓度测量仪用于测量FCDI装置出水的NH
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浓度实际值，所述预测模型根据NH
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浓度实际值和设置的NH
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浓度目标值进行验算，得出出水NH
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浓度目标值的进水流速设定值和外加电流设定值；所述控制系统控制泵和电源根据出水NH
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浓度目标值和出水NH
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浓度实际值向FCDI装置输出能使出水NH
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浓度达到目标值的进水流速和外加电流值。2.如权利要求1所述的流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，其特征在于，所述FCDI装置还包括进水水箱、水泵、阴阳极电极更新装置、阴阳极电极液循环泵和FCDI组件。3.如权利要求1所述的流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，其特征在于，所述预测模型为FCDI去除NH
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电化学模型，所述FCDI去除NH
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电化学模型的构建方法包括如下步骤：(1)划定模型微元区域，建立电势平衡方程和进水方向上的质量守恒方程；(2)通过Donnan电势确定电极室区域中微孔和大孔间的浓度关系，再结合Stern电容计算公式得到Stern电势；(3)由Nernst
‑
Plank方程计算垂直于进水方向上脱盐室向电极室离子传输电势；(4)根据阴阳离子通量与化合价及法拉第常数的乘积之和计算总电流，继而根据欧姆定律计算总欧姆电势；由电势平衡可得每一微元的电势关系，再由质量守恒计算不同微元之间的参数传递，最终联立可得FCDI去除NH
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电化学模型。4.如权利要求3所述的流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，其特征在于，电势平衡方程和质量平衡方程分别为：电势平衡方程如下：其中，k为离子对，a为阴离子，c为阳离子，为Stern电势(V)，为Donnan电势(V)，为施加在边界层两端用于离子传输的电势，为为了克服电阻而损失的欧姆电势(V)；质量守恒方程如下：质量守恒方程如下：n为模型微元的编号，范围为1
‑
N，代表x方向上的摩尔离子通量(mol/(m2·
s))，为脱盐室流道或电极室中的阴离子溶液浓度(mol/m3)，为脱盐室流道或电极室中的阳离子溶液浓度(mol/m3)，u
z
为脱盐室流道或电极室中的溶液流速(m/s)，step为定义的模型微元长度(m)。
5.如权利要求4所述的流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，其特征在于，步骤(2)中电极室区域微孔和大孔之间的离子浓度关系由下式确定：由下式确定：由下式确定：为微孔中k离子对中阴离子的浓度(mol/L)，为大孔中k离子对中阴离子的浓度(mol/L)，为微孔中k离子对中阳离子的浓度(mol/L)，为大孔中k离子对中阳离子的浓度(mol/L)，μ
k
为微孔对特定离子的化学吸引力，VT为热电压；其中，阴极微孔和阳极微孔的电荷密度分别为：其中，阴极微孔和阳极微孔的电荷密度分别为：其中，为阴极微孔的电荷密度，为阳极微孔的电荷密度，为阳极微孔中的反离子浓度(mol/L)，而则为阴极微孔中的反离子浓度(mol/L)。6.如权利要求4所述的流动电极电容去离子除氨性能预测及控制系统，其特征在于，步骤(2)中Stern电势由下式确定：骤(2)中Stern电势由下式确定：其中，F为法拉第常数(C/mol)，为阴极室单位体积的Stern电容(C)，为阳极室单位体积的Stern电容(C)；其中，和分别通过以下公式计算得到：分别通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏洋，李翱，朱光灿，赵晓丽，孙宇巍，张明慧，汪霞，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：