用于深度处理的一体化组合电化学处理装置及深度处理的方法

摘要

用于深度处理的一体化组合电化学处理装置及深度处理的方法，涉及一种电化学处理装置及利用该装置进行深度处理的方法。本发明是要解决现有电化学过程处理污染物单一的问题。装置包括筒体、进水口、出水口、阴极、阳极、铁网、蠕动泵、直流稳压电源、鼓风机、第一挡板、第二挡板、第三挡板、第四挡板、第五挡板、第六挡板、微孔曝气管、环形隔板、外筒排泥口、内筒排泥口和水槽。方法：一、开启蠕动泵，水槽中的废水通过蠕动泵由进水口进入阴极反应区后，打开鼓风机；二、关闭鼓风机，开启稳压电源，之后水从出水口自然出流，反应结束后，开启排泥口阀门，使沉降下来的污泥经过排泥口排出。本发明用于污水处理领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学处理装置及利用该装置进行深度处理的方法。

背景技术

在水资源日益匮乏的今天，缺水问题正在成为制约经济发展的重要因素，因此发展中水回用将是我国实现可持续发展道路的必走之路。我国的环境保护“十二五”规划明确要求推进污水的再生利用。为了将污水处理成为符合中水水质标准的水，一般需要进行几个步骤的处理：预处理、生化处理和深度处理。其中，对于以城市污水厂和工业废水的二级出水为水源的中水回用，其关键在于深度处理阶段。

深度处理方法目前较成熟和已被采用的方法大致可分为三类:(1)生物处理法，深度处理进水由于已经历生化法的处理，所以此处多采用的强化生物处理技术，对污水中有机物进行进一步去除，但该方法对污染物处理效率有限，且受到废水自身和外界条件，如碳源缺乏、低温等因素的影响较大。(2)以混凝沉淀(气浮)技术及活性炭吸附相结合为基本方式的物理化学处理法，该法可在传统的二级生物处理基础上进一步提高了水质，但运行费用较高，且活性炭存在再生等二次处理的问题。(3)膜处理技术，采用超滤(微滤)或反渗透膜处理，其优点是悬浮物(SS)及有机污染物去除率很高，占地面积较少。但由于国内膜处理工艺尚处于发展阶段，膜组件及膜处理费用较贵，且浓缩液的产生存在二次污染，仍需处理的问题，因此目前应用该工艺虽然取得较大的发展，但在技术和经济上仍有一定的分歧存在。

与上述三种方法相比，电化学处理过程因其操作简便、可控性强及无二次污染等优点在深度处理过程中表现出了较大的优势。然而，传统的电化学过程常因为处理污染物单一，电流效率利用率不高等原因，使其使用受到限制。

发明内容

本发明是要解决现有电化学过程处理污染物单一的问题，提供用于深度处理的一体化组合电化学处理装置及深度处理的方法。

本发明用于深度处理的一体化组合电化学处理装置包括筒体、进水口、出水口、阴极、阳极、铁网、蠕动泵、直流稳压电源、鼓风机、第一挡板、第二挡板、第三挡板、第四挡板、第五挡板、第六挡板、微孔曝气管、环形隔板、外筒排泥口、内筒排泥口和水槽，筒体侧壁的下部设置有进水口，与进水口正对的筒体一侧侧壁的上部设置有出水口，

筒体内壁上设有阴极，筒体的中心设有阳极，阴极和阳极之间设有铁网，阴极、阳极和铁网都与筒体底部留有距离，且距离相等，筒体上部设有阴极、阳极和铁网的区域为反应区，筒体下部为沉淀区，

阳极与铁网之间的区域为阳极反应区，阴极与铁网之间的区域为阴极反应区，筒体底部位于阳极反应区的下方设有内筒排泥口，筒体底部位于阴极反应区的下方设有外筒排泥口，阴极和阳极通过直流稳压电源相连接，

铁网与筒体底部之间设有环形隔板，环形隔板将沉淀区分隔成两个部分，环形隔板的外侧环绕排布有微孔曝气管，微孔曝气管与鼓风机连接，

阴极和阳极之间的区域分布着6个隔水挡板，6个挡板均穿过铁网使阴极和阳极之间的区域6等分，相邻挡板间角度为60°，其中挡板中的第二挡板、第三挡板、第五挡板和第六挡板的一端与阴极紧密连接，另一端与阳极之间留有距离，第一挡板和第四挡板的一端与阳极紧密连接，另一端与阴极之间留有距离，

所述水槽的一端通过蠕动泵与进水口相连，水槽的另一端与出水口相连。

进一步的，所述阴极反应区与阳极反应区的体积比为(3-7):1。

进一步的，所述阴极为活性碳纤维布。

进一步的，所述阳极为钛基金属氧化物电极材料，表面涂覆Ru和Ir等过渡金属，增强原有钛基金属的导电性能和反应活性。

进一步的，所述反应区和沉淀区的高度比为8:1。

进一步的，所述铁网上的孔直径为2mm。

利用上述装置进行深度处理的方法为：

一、开启蠕动泵，水槽中的废水通过蠕动泵由进水口进入阴极反应区后，打开鼓风机曝气20-30min；

二、关闭鼓风机，开启稳压电源，电流密度为10-25mA/cm²，水体流速大于100mL/min，反应时间为1-4h，之后水从出水口自然出流，反应结束后，开启排泥口阀门，使沉降下来的污泥经过排泥口排出。

本发明的原理如下：

水槽中的废水通过蠕动泵由进水口进入阴极反应区后，在阴极反应区打开鼓风机，通过微孔曝气管曝气20-30min，关闭鼓风机后，开启稳压电源，废水此时在阴极反应区发生电絮凝、电芬顿及电气浮作用，随后废水通过多孔铁网进入阳极反应区域，在阳极反应区域发生电氧化过程，在隔水挡板的作用下，废水依次经过内筒-外筒的不同阶段，废水流动方向如图3所示，发生不同的氧化还原反应，最后在筒体的另一侧出水，出水采用自然出流。沉降下来的污泥经过排泥口排出。

本发明的有益效果：

本发明旨在提供一种适用于城市污水厂、工业废水及垃圾渗滤液的二级出水的深度处理技术，涵盖电氧化、电还原、电絮凝、电芬顿和电气浮等过程，集去除残留的有机污染物、氮、磷、油以及色度为一体的处理装置。

本发明结构新颖，采用圆柱形套筒模式，通过电流的输送使外筒成为阴极反应区，内筒成为阳极反应区域；通过隔水挡板的设计控制水流方向，使其依次经历外筒-内筒-外筒的不同处理区域，扩大了水流的反应路程，可实现同步去除多种污染物，并提高了污染物去除和电流利用的效率。

本发明阳极选择钛基金属氧化物电极材料，通电后，在含氯废水的情况下可有效的去除废水中氨氮，产生的次氯酸氧化剂对废水兼具消毒作用。同时，产生的产物氮气无二次污染的情况，具体反应如下：

2Cl^-→Cl₂+2e^-

Cl₂+H₂O→HOCl+Cl^-+H⁺

2NH₄⁺+3HOCl→N₂+3H₂O+5H⁺+3Cl^-

本发明在阴阳极之间设置了多孔铁网，一方面可减少阴阳极氧化还原反应的相互影响，同时在阴阳极电压的作用下铁网表面将产生诱导电压，促使铁网的溶解，使其发挥电絮凝的作用，从而达到去除色度、部分有机物及磷的目的。具体反应如下：

Fe→Fe²⁺+2e

Fe²⁺+2OH^－→Fe(OH)₂

Fe(OH)₂+1/2O₂+H₂O→2Fe(OH)₃

本发明在传统阴极还原的基础上进行了改进，增添了微孔曝气装置，开启电化学电源前提前开启曝气装置可使废水充满氧，阴极选择活性炭纤维后使阴极表面更易于H₂O₂的产生，H₂O₂和多孔铁网上溶解的铁发生电芬顿反应，电芬顿反应常伴随着电絮凝过程，从而达到有机物有效去除的目的。阴极原位生成H₂O₂可节省H₂O₂的外部投加，降低运行费用。具体反应如下：

O₂+2H⁺+2e→H₂O₂

Fe²⁺+H₂O₂→·OH+OH^-+Fe³⁺

Fe³⁺+3OH^－→Fe(OH)₃

本发明中阴极表面在生成H₂O₂的同时，还将发生析氢反应，产生的氢气将起到电气浮的作用，轻油类污染物可在电气浮作用下得到去除。具体反应如下：

2H₂O+2e^－→H₂+2OH^－

本发明通过独特的设计将多个电化学反应过程在同一电源条件下实现，充分利用了阴阳极在电压作用下得失电子的过程，在原本只能处理一种污染物的电流条件下同时去除了多种污染物，大大提高了电流利用率，并实现了同步去除水中多种污染物。

本发明设有沉淀区，废水在流经反应器时通过电絮凝沉淀下来的沉淀物可通过内外筒的排泥管排出，无需再设沉淀装置，实现了反应装置的一体化设计，并减少了另设沉淀池所产生的基建费用。

附图说明

图1为本发明用于深度处理的一体化组合电化学处理装置的结构示意图；图2为本发明用于深度处理的一体化组合电化学处理装置的俯视示意图；图3为本发明用于深度处理的一体化组合电化学处理装置中水流方向示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式用于深度处理的一体化组合电化学处理装置包括筒体1、进水口2、出水口3、阴极4、阳极5、铁网6、蠕动泵7、直流稳压电源8、鼓风机9、第一挡板10-1、第二挡板10-2、第三挡板10-3、第四挡板10-4、第五挡板10-5、第六挡板10-6、微孔曝气管11、环形隔板12、外筒排泥口13、内筒排泥口14和水槽15，筒体1侧壁的下部设置有进水口2，与进水口2正对的筒体1一侧侧壁的上部设置有出水口3，

筒体1内壁上设有阴极4，筒体1的中心设有阳极5，阴极4和阳极5之间设有铁网6，阴极4、阳极5和铁网6都与筒体1底部留有距离，且距离相等，筒体1上部设有阴极4、阳极5和铁网6的区域为反应区，筒体下部为沉淀区，

阳极5与铁网6之间的区域为阳极反应区，阴极4与铁网6之间的区域为阴极反应区，筒体1底部位于阳极反应区的下方设有内筒排泥口14，筒体1底部位于阴极反应区的下方设有外筒排泥口13，阴极4和阳极5通过直流稳压电源8相连接，

铁网6与筒体1底部之间设有环形隔板12，环形隔板12将沉淀区分隔成两个部分，环形隔板12的外侧环绕排布有微孔曝气管11，微孔曝气管11与鼓风机9连接，

阴极4和阳极5之间的区域分布着6个隔水挡板，6个挡板均穿过铁网6使阴极4和阳极5之间的区域6等分，相邻挡板间角度为60°，其中挡板中的第二挡板10-2、第三挡板10-3、第五挡板10-5和第六挡板10-6的一端与阴极4紧密连接，另一端与阳极5之间留有距离，第一挡板10-1和第四挡板10-4的一端与阳极5紧密连接，另一端与阴极4之间留有距离，

所述水槽15的一端通过蠕动泵7与进水口2相连，水槽15的另一端与出水口3相连。

本发明设计了一种涵盖电氧化、电还原、电絮凝、电芬顿和电气浮处理单元，集去除残留的有机污染物、氮、磷、油以及色度为一体的电化学污水深度处理装置，可实现多种电化学机制的产生，同步去除多种污染物，达到深度处理的效果。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阴极反应区与阳极反应区的体积比为(3-7):1。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阴极反应区与阳极反应区的体积比为(4-6):1。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阴极反应区与阳极反应区的体积比为5:1。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述阴极4为活性碳纤维布。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述阳极5为钛基金属氧化物电极材料，表面涂覆有过渡金属。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述反应区和沉淀区的高度比为8:1。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述铁网6上的孔直径为2mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式利用用于深度处理的一体化组合电化学处理装置进行深度处理的方法为：

一、开启蠕动泵7，水槽15中的废水通过蠕动泵7由进水口2进入阴极反应区后，打开鼓风机9曝气20-30min；

二、关闭鼓风机9，开启稳压电源8，电流密度为10-25mA/cm²，水体流速大于100mL/min，反应时间为1-4h，之后水从出水口3自然出流，反应结束后，开启外筒排泥口13和内筒排泥口14的阀门，使沉降下来的污泥经过排泥口排出。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤二中电流密度为15-20mA/cm²。其它与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是：步骤二中反应时间为2-3h。其它与具体实施方式九或十相同。

为验证本发明的有益效果，进行以下实验：

实施例1：结合图1和图2说明本实施例的装置，本实施例用于深度处理的一体化组合电化学处理装置包括筒体1、进水口2、出水口3、阴极4、阳极5、铁网6、蠕动泵7、直流稳压电源8、鼓风机9、第一挡板10-1、第二挡板10-2、第三挡板10-3、第四挡板10-4、第五挡板10-5、第六挡板10-6、微孔曝气管11、环形隔板12、外筒排泥口13、内筒排泥口14和水槽15，筒体1侧壁的下部设置有进水口2，与进水口2正对的筒体1一侧侧壁的上部设置有出水口3，

筒体1内壁上设有阴极4，筒体1的中心设有阳极5，阴极4和阳极5之间设有铁网6，阴极4、阳极5和铁网6都与筒体1底部留有距离，且距离相等，筒体1上部设有阴极4、阳极5和铁网6的区域为反应区，筒体下部为沉淀区，

阳极5与铁网6之间的区域为阳极反应区，阴极4与铁网6之间的区域为阴极反应区，筒体1底部位于阳极反应区的下方设有内筒排泥口14，筒体1底部位于阴极反应区的下方设有外筒排泥口13，阴极4和阳极5通过直流稳压电源8相连接，

铁网6与筒体1底部之间设有环形隔板12，环形隔板12将沉淀区分隔成两个部分，环形隔板12的外侧环绕排布有微孔曝气管11，微孔曝气管11与鼓风机9连接，

阴极4和阳极5之间的区域分布着6个隔水挡板，6个挡板均穿过铁网6使阴极4和阳极5之间的区域6等分，相邻挡板间角度为60°，其中挡板中的第二挡板10-2、第三挡板10-3、第五挡板10-5和第六挡板10-6的一端与阴极4紧密连接，另一端与阳极5之间留有距离，第一挡板10-1和第四挡板10-4的一端与阳极5紧密连接，另一端与阴极4之间留有距离，

所述水槽15的一端通过蠕动泵7与进水口2相连，水槽15的另一端与出水口3相连。

所述阴极反应区与阳极反应区的体积比为5:1。

所述阴极4为活性碳纤维布。

所述阳极5为钛基金属氧化物电极材料，表面涂覆Ru和Ir过渡金属，增强原有钛基金属的导电性能和反应活性。

所述反应区和沉淀区的高度比为8:1。

所述铁网6上的孔直径为2mm。

实施例2：采用实施例1的装置处理污水，进水来自于某垃圾填埋场渗滤液处理工艺中两级生化处理后的出水。

一、开启蠕动泵7，水槽15中的废水通过蠕动泵7由进水口2进入阴极反应区后，打开鼓风机9曝气30min；

二、关闭鼓风机9，开启稳压电源8并反应60min，电流密度为20mA/cm²，水体流速为200mL/min，反应时间为2h，之后水从出水口3自然出流，反应结束后，开启外筒排泥口13和内筒排泥口14的阀门，使产生的黄褐色沉积物经过排泥口排出。

所测得的平均进水COD、NH₄⁺-N和TP浓度分别为240、39和5mg/L，平均出水COD、NH⁴⁺-N、TN和TP浓度分别为87、3和0.8mg/L，色度由原来的稀释倍数80降至10，粪大肠菌群数由之前的10⁹个/L降至10³个/L，出水符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中的污染物排放浓度限值。反应器对COD、NH⁴⁺-N和TP的去除率分别为63％、92％和84％。

实施例3：采用实施例1的装置处理污水，进水来自于某工业污水处理厂生化处理后的出水，该工业污水处理厂主要接纳的有印染废水及小部分石化废水。经过二级生化处理后，废水中仍存在有机物(如纤维素及短链烃类)、油脂、表面活性剂、悬浮物及较高的色度。

一、开启蠕动泵7，水槽15中的废水通过蠕动泵7由进水口2进入阴极反应区后，打开鼓风机9曝气30min；

二、关闭鼓风机9，开启稳压电源8并反应120min，电流密度为15mA/cm²，水体流速为110mL/min，反应时间为3h之后水从出水口3自然出流，反应结束后，开启外筒排泥口13和内筒排泥口14的阀门，使产生的黄黑色沉积物经过排泥口排出。

所测得的平均进水COD、油、悬浮物和色度分别为：320mg/l、28mg/l、240mg/l和150倍，平均出水COD、油、悬浮物和色度分别为75mg/l、2.6mg/l、38mg/l和20倍，出水符合《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-2012)的直接排放限值。反应器内上层的泡沫通过人工刮去。