申請日2015.09.23
公開(公告)日2015.12.23
IPC分類號C02F1/467
摘要
發(fā)明涉及強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置及處理方法。該強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，包括壓力罐體，壓力罐體內(nèi)豎直放置電解槽，電解槽與外部直流電源通過壓力罐體外部的正、負(fù)極接線柱相連，壓力罐體的頂部設(shè)有壓力表、安全閥、出水口，壓力罐體的底部設(shè)有經(jīng)進(jìn)氣管連通壓力罐體內(nèi)外的布?xì)庀到y(tǒng)，壓力罐體中心軸處設(shè)有與外界貫通的布水系統(tǒng)，壓力罐體還設(shè)有用于控制、調(diào)節(jié)壓力罐體內(nèi)的壓力、溶解氧濃度而分別設(shè)于壓力罐體內(nèi)的壓力傳感器和溶解氧檢測傳感器，壓力罐體出水口的第一比例調(diào)節(jié)閥，壓力罐體進(jìn)氣管前的空壓機和第二比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)傳感器采集信號判斷壓力值、溶解氧濃度與設(shè)定值差異并控制空壓機啟停和兩個比例調(diào)節(jié)閥開度的自動控制系統(tǒng)。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，包括壓力罐體，其特征在于，所 述壓力罐體內(nèi)豎直放置電解槽，電解槽與外部直流電源通過壓力罐體外部的 正、負(fù)極接線柱相連，壓力罐體的頂部設(shè)有壓力表、安全閥、出水口，壓力罐 體的底部設(shè)有經(jīng)進(jìn)氣管連通壓力罐體內(nèi)外的布?xì)庀到y(tǒng)，壓力罐體中心軸處設(shè)有 與外界貫通的布水系統(tǒng)，壓力罐體還設(shè)有用于控制、調(diào)節(jié)壓力罐體內(nèi)的壓力、 溶解氧濃度而分別設(shè)于壓力罐體內(nèi)的壓力傳感器和溶解氧檢測傳感器，壓力罐 體出水口的第一比例調(diào)節(jié)閥，壓力罐體進(jìn)氣管前的空壓機和第二比例調(diào)節(jié)閥， 以及根據(jù)傳感器采集信號判斷壓力值、溶解氧濃度與設(shè)定值差異并控制空壓機 啟停和兩個比例調(diào)節(jié)閥開度的自動控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，其特征在于，所述 電解槽由垂直布水系統(tǒng)穿孔管并在支承架上交替疊置的圓盤狀陽極片與圓盤狀 陰極片組件組成;所述圓盤狀陰極片組件由第一圓盤狀陰極片、第二圓盤狀陰 極片和第一圓盤狀陰極片與第二圓盤狀陰極片之間成型的布?xì)馐医M成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，其特征在于，所述 圓盤狀陽極片由具有金屬氧化物涂層的多孔鈦板或鈦網(wǎng)構(gòu)成，圓盤狀陽極片圓 周邊緣徑向凸設(shè)極耳，極耳上設(shè)有螺孔;所述圓盤狀陰極片由具有氣體擴(kuò)散的 電極或碳布構(gòu)成，圓盤狀陰極片圓周邊緣徑向凸設(shè)極耳，極耳上設(shè)有螺孔;所 述支承架由若干米字型構(gòu)架、沿若干構(gòu)成隔離通道的米字型構(gòu)架圓心垂直穿設(shè) 的支承桿組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，其特征在于，所述 布?xì)庀到y(tǒng)由順序連通的空壓機、第二比例調(diào)節(jié)閥、布?xì)庵鞲晒苤翂毫摅w內(nèi)流 通于布?xì)馐抑苓叺闹Ч芙M成;所述布?xì)馐页蕡A餅狀并設(shè)于兩塊陰極板之間，圓 餅狀布?xì)馐覉A周邊緣徑向凸設(shè)與布?xì)馐疫B通的支管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，其特征在于，所述 布水系統(tǒng)由設(shè)置在壓力罐體中心軸部位的穿孔管、穿孔管連通壓力罐體的進(jìn)水 口、進(jìn)水口通過管路連通的進(jìn)水泵、壓力罐體底部設(shè)置的排水閥組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，其特征在于，所述 自動控制系統(tǒng)包括計算機、PLC以及與PLC相連的壓力傳感器和溶解氧檢測傳 感器和空壓機控制器、比例閥控制器;PLC通過壓力傳感器、溶解氧檢測傳感 器和空壓機控制器、比例閥控制器對壓力罐體內(nèi)壓力及溶解氧濃度的采樣、分 析和控制;設(shè)定溶解氧濃度值為20mg/L和壓力范圍0.2～0.6MPa，通過溶解氧 檢測傳感器、壓力傳感器獲取當(dāng)前壓力罐體內(nèi)溶解氧濃度值和壓力值，經(jīng)模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送PLC與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信 號，偏差信號經(jīng)過調(diào)節(jié)器做PID運算給空壓機控制器、比例閥控制器控制型數(shù) 字信號，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，調(diào)整空壓機啟停及比 例調(diào)節(jié)閥開度，從而調(diào)節(jié)壓力罐體內(nèi)溶解氧濃度和壓力;所述溶解氧檢測傳感 器將信號傳遞給空壓機控制器和第二比例調(diào)節(jié)閥控制器，控制供氣系統(tǒng)空壓機 啟停及第二比例調(diào)節(jié)閥開度;壓力傳感器將信號傳遞給第一比例調(diào)節(jié)閥，控制 第一比例調(diào)節(jié)閥的開度。
7.一種強化電化學(xué)氧化廢水處理方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)將待處理廢水泵入壓力罐體內(nèi)，并通入空氣使罐體內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值， 壓力范圍0.2～0.6Mpa;
(2)調(diào)節(jié)進(jìn)水泵流量，使其滿足不同水質(zhì)廢水電化學(xué)氧化時間需要;
(3)自動控制系統(tǒng)根據(jù)溶解氧檢測傳感器反饋的罐體內(nèi)溶解氧濃度與設(shè)定值 差異調(diào)節(jié)空壓機出口比例調(diào)節(jié)閥和空壓機啟停，根據(jù)壓力傳感器反饋的罐體內(nèi) 壓力值與設(shè)定值差異調(diào)節(jié)出水口比例調(diào)節(jié)閥;
(4)對壓力罐體內(nèi)電解槽施加電壓值為1～20V，使廢水在電解槽的電極間發(fā) 生電化學(xué)氧化，實現(xiàn)對廢水中有機污染物的氧化分解;
(5)進(jìn)入壓力罐體內(nèi)空氣通過布?xì)庀到y(tǒng)使空氣均勻穿過電解槽每片陰極;
(6)進(jìn)入壓力罐體內(nèi)廢水通過布水系統(tǒng)的穿孔管流入陰陽極間通道;
(7)氣體和出水最終通過出水口經(jīng)第一比例調(diào)節(jié)閥排出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述強化電化學(xué)氧化廢水處理方法，其特征在于，步驟 (4)所述的電解槽由垂直布水系統(tǒng)并在支承架上交替疊置的圓盤狀陽極片與圓盤 狀陰極片組件組成;所述圓盤狀陰極片組件由第一圓盤狀陰極片、第二圓盤狀 陰極片和布?xì)馐医M成，所述布?xì)馐腋綦x于疊置的第一圓盤狀陰極片、第二圓盤 狀陰極片之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述強化電化學(xué)氧化廢水處理方法，其特征在于，步 驟(5)所述的布?xì)庀到y(tǒng)由順序連通的空壓機、第二比例調(diào)節(jié)閥、布?xì)庵鞲晒苤翂?力罐體內(nèi)流通于布?xì)馐抑苓叺闹Ч芙M成;所述布?xì)馐页蕡A餅狀并設(shè)于兩塊陰極 板之間，圓餅狀布?xì)馐覉A周邊緣徑向凸設(shè)與布?xì)馐疫B通的支管。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述強化電化學(xué)氧化廢水處理方法，其特征在于，步 驟(6)所述的布水系統(tǒng)由設(shè)置在壓力罐體中心軸部位的穿孔管、穿孔管連通壓力 罐體的進(jìn)水口及以管路連接的進(jìn)水泵組成。
說明書
強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種污水凈化處理領(lǐng)域，特別涉及一種通過加壓溶氣的方 式增加壓力容器內(nèi)溶解氧濃度，以促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生更多的強氧化性物 種，進(jìn)而強化對廢水中有機污染物降解的強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置及 處理方法。
背景技術(shù)
電化學(xué)氧化法是一種環(huán)境友好型高級氧化技術(shù)。在廢水處理中不需要 添加氧化劑，化學(xué)污染風(fēng)險小。反應(yīng)條件溫和，一般在常溫常壓下進(jìn)行; 具有氣浮、絮凝、殺菌、氧化作用。反應(yīng)裝置和工藝簡單，可操作性強， 易于實現(xiàn)自動化控制。廣泛適用于處理垃圾滲濾液、制革廢水、印染廢 水、造紙廢水、煉油廢水等多種難生物降解有機廢水。電化學(xué)氧化法存在 電流效率低、能耗較大和操作費用高等問題，限制了在實際應(yīng)用中的普及 推廣。
電化學(xué)氧化可分為兩類，一類屬于電化學(xué)直接氧化，即在一定電場環(huán) 境下陽極上有機污染物失去電子而發(fā)生氧化時反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為無害物，另一 類屬于電化學(xué)間接氧化，即利用電極表面產(chǎn)生的具有強氧化性活性物種使 污染物發(fā)生氧化還原轉(zhuǎn)變。電化學(xué)直接氧化常伴隨陽極析氧反應(yīng)，導(dǎo)致電 流效率低，影響有機物降解效果。目前研究側(cè)重探索綜合性能好的陽極材 料，如具有較高的析氧過電位和催化活性，在廢水中具有較高的穩(wěn)定性和 抗腐蝕。與電化學(xué)直接氧化相比，電化學(xué)間接氧化性對有機污染物氧化效 率更高。于秀娟等人在研究陰陽極室同時氧化對煤氣廢水處理效果時發(fā)現(xiàn) 陰極室的電流效率始終高于陽極室，且陰極室COD去除率高于陽極室，陰 極室有機物的礦化程度較好。利用氧氣在陰極發(fā)生電還原反應(yīng)產(chǎn)生H2O2能 夠徹底去除苯酚、氯苯、苯胺、氯酚等污染物，對染料脫色的效果也很明 顯。氧氣在陰極電還原生成H2O2受到陰極材料、陰極電位、pH值、溫度、 氣液間傳質(zhì)速率影響。根據(jù)薄液膜理論，氣體需要溶解在電解液中才能發(fā) 生電化學(xué)反應(yīng)，但氧氣在溶液中溶解度只有10-3-10-4g/L，溶液中氧氣傳質(zhì) 速率低顯著影響電流密度，導(dǎo)致H2O2生成量少。目前研究多采用增加曝氣 量、設(shè)計三維多孔陰極的方式提高氣液固三相間傳質(zhì)效率。周蕾在對電芬 頓陰極材料的制備與轉(zhuǎn)盤工藝研究中通過增加氧氣流量來增加溶解氧濃 度。但這種方法受到常壓條件下飽和溶解氧濃度(25℃時飽和溶解氧濃度 為8.3mg/L)，當(dāng)氧氣流量超過一定值后H2O2生成量不再增加。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在以下的不足之處：電流效率低、能耗較大、 操作費用高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過快速、有效提高電化學(xué)氧化環(huán)境內(nèi)溶解 氧濃度，促進(jìn)過氧化氫的生成，縮短電化學(xué)氧化法降解有機污染物的反應(yīng) 時間，提高廢水處理效率的強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種根據(jù)亨利定律，一定溫度下氣體在液體 中的溶解度和該氣體的平衡分壓成正比。通過增加電化學(xué)氧化環(huán)境壓力可 以大幅提高溶解氧濃度，從而增加強氧化劑過氧化氫的生成量，強化電化 學(xué)氧化法對廢水中有機污染物的氧化分解，減少廢水處理時間，節(jié)省能耗 的強化電化學(xué)氧化廢水處理方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是所述強化電化學(xué)氧化廢水處理裝置，包括壓 力罐體，其特殊之處在于，所述壓力罐體內(nèi)豎直放置電解槽，電解槽與外 部直流電源通過壓力罐體外部的正、負(fù)極接線柱相連，壓力罐體的頂部設(shè) 有壓力表、安全閥、出水口，壓力罐體的底部設(shè)有經(jīng)進(jìn)氣管連通壓力罐體 內(nèi)外的布?xì)庀到y(tǒng)，壓力罐體中心軸處設(shè)有與外界貫通的布水系統(tǒng)，壓力罐 體還設(shè)有用于控制、調(diào)節(jié)壓力罐體內(nèi)的壓力、溶解氧濃度而分別設(shè)于壓力 罐體內(nèi)的壓力傳感器和溶解氧檢測傳感器，壓力罐體出水口的第一比例調(diào) 節(jié)閥，壓力罐體進(jìn)氣管前的空壓機和第二比例調(diào)節(jié)閥，以及根據(jù)傳感器采 集信號判斷壓力值、溶解氧濃度與設(shè)定值差異并控制空壓機啟停和兩個比 例調(diào)節(jié)閥開度的自動控制系統(tǒng)。
作為優(yōu)選：所述電解槽由垂直布水系統(tǒng)穿孔管并在支承架上交替疊置 的圓盤狀陽極片與圓盤狀陰極片組件組成;所述圓盤狀陰極片組件由第一 圓盤狀陰極片、第二圓盤狀陰極片和第一圓盤狀陰極片與第二圓盤狀陰極 片之間成型的布?xì)馐医M成。
作為優(yōu)選：所述圓盤狀陽極片由具有金屬氧化物涂層的多孔鈦板或鈦 網(wǎng)構(gòu)成，圓盤狀陽極片圓周邊緣徑向凸設(shè)極耳，極耳上設(shè)有螺孔;所述圓 盤狀陰極片由具有氣體擴(kuò)散的電極或碳布構(gòu)成，圓盤狀陰極片圓周邊緣徑 向凸設(shè)極耳，極耳上設(shè)有螺孔;所述支承架由若干米字型構(gòu)架、沿若干構(gòu) 成隔離通道的米字型構(gòu)架圓心垂直穿設(shè)的支承桿組成。。
作為優(yōu)選：所述布?xì)庀到y(tǒng)由順序連通的空壓機、第二比例調(diào)節(jié)閥、布 氣主干管至壓力罐體內(nèi)流通于布?xì)馐抑苓叺闹Ч芙M成;所述布?xì)馐页蕡A餅 狀并設(shè)于兩塊陰極板之間，圓餅狀布?xì)馐覉A周邊緣徑向凸設(shè)與布?xì)馐疫B通 的支管。
作為優(yōu)選：所述布水系統(tǒng)由設(shè)置在壓力罐體中心軸部位的穿孔管、穿 孔管連通壓力罐體的進(jìn)水口、進(jìn)水口通過管路連通的進(jìn)水泵、壓力罐體底 部設(shè)置的排水閥組成。
作為優(yōu)選：所述自動控制系統(tǒng)包括計算機、PLC以及與PLC相連的壓力 傳感器和溶解氧檢測傳感器和空壓機控制器、比例閥控制器;PLC通過壓 力傳感器、溶解氧檢測傳感器和空壓機控制器、比例閥控制器對壓力罐體 內(nèi)壓力及溶解氧濃度的采樣、分析和控制;設(shè)定溶解氧濃度值為20mg/L和 壓力范圍0.2～0.6MPa，通過溶解氧檢測傳感器、壓力傳感器獲取當(dāng)前壓 力罐體內(nèi)溶解氧濃度值和壓力值，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號送PLC與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，偏差信號經(jīng)過調(diào)節(jié)器做 PID運算給空壓機控制器、比例閥控制器控制型數(shù)字信號，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換 器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，調(diào)整空壓機啟停及比例調(diào)節(jié)閥開度，從而 調(diào)節(jié)壓力罐體內(nèi)溶解氧濃度和壓力;所述溶解氧檢測傳感器將信號傳遞給 空壓機控制器和第二比例調(diào)節(jié)閥控制器，控制供氣系統(tǒng)空壓機啟停及第二 比例調(diào)節(jié)閥開度;壓力傳感器將信號傳遞給第一比例調(diào)節(jié)閥，控制第一比 例調(diào)節(jié)閥的開度。
本發(fā)明的另一技術(shù)解決方案是所述強化電化學(xué)氧化廢水處理方法， 其特征在于，包括以下步驟：
(1)將待處理廢水泵入壓力罐體內(nèi)，并通入空氣使罐體內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定 值，壓力范圍0.2～0.6Mpa;
(2)調(diào)節(jié)進(jìn)水泵流量，使其滿足不同水質(zhì)廢水電化學(xué)氧化時間需要;
(3)自動控制系統(tǒng)根據(jù)溶解氧檢測傳感器反饋的罐體內(nèi)溶解氧濃度與設(shè) 定值差異調(diào)節(jié)空壓機出口比例調(diào)節(jié)閥和空壓機啟停，根據(jù)壓力傳感器反饋 的罐體內(nèi)壓力值與設(shè)定值差異調(diào)節(jié)出水口比例調(diào)節(jié)閥;
(4)對壓力罐體內(nèi)電解槽施加電壓值為1～20V，使廢水在電解槽的電極 間發(fā)生電化學(xué)氧化，實現(xiàn)對廢水中有機污染物的氧化分解;
(5)進(jìn)入壓力罐體內(nèi)空氣通過布?xì)庀到y(tǒng)使空氣均勻穿過電解槽每片陰 極;
(6)進(jìn)入壓力罐體內(nèi)廢水通過布水系統(tǒng)的穿孔管流入陰陽極間通道;
(7)氣體和出水最終通過出水口經(jīng)第一比例調(diào)節(jié)閥排出。
作為優(yōu)選：步驟(4)所述的電解槽由垂直布水系統(tǒng)并在支承架上交替疊 置的圓盤狀陽極片與圓盤狀陰極片組件組成;所述圓盤狀陰極片組件由第 一圓盤狀陰極片、第二圓盤狀陰極片和布?xì)馐医M成，所述布?xì)馐腋綦x于疊 置的第一圓盤狀陰極片、第二圓盤狀陰極片之間。
作為優(yōu)選：步驟(5)所述的布?xì)庀到y(tǒng)由順序連通的空壓機、第二比例調(diào) 節(jié)閥、布?xì)庵鞲晒苤翂毫摅w內(nèi)流通于布?xì)馐抑苓叺闹Ч芙M成;所述布?xì)?室呈圓餅狀并設(shè)于兩塊陰極板之間，圓餅狀布?xì)馐覉A周邊緣徑向凸設(shè)與布 氣室連通的支管。
作為優(yōu)選：步驟(6)所述的布水系統(tǒng)由設(shè)置在壓力罐體中心軸部位的穿 孔管、穿孔管連通壓力罐體的進(jìn)水口及以管路連接的進(jìn)水泵組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
(1)本發(fā)明提高了過氧化氫生成量。通過加壓溶氣的方式增加電化學(xué)氧 化體系內(nèi)溶解氧濃度有利于氧還原反應(yīng)以2電子途徑實現(xiàn)過氧化氫的累 積，同時抑制過氧化氫在陽極發(fā)生分解反應(yīng)。
(2)本發(fā)明在壓力條件下，抑制陽極析氧反應(yīng)，減少電化學(xué)氧化因析氧 造成的氧化效率低的間題。
(3)本發(fā)明有效提高了電化學(xué)法處理有機污染物的氧化效率，廢水處理 能力增強，電化學(xué)氧化反應(yīng)裝置體積減少。
(4)隨著氧分壓的增加，電化學(xué)氧化體系內(nèi)電流密度增加，有利于電子 傳導(dǎo)和增加過氧化氫生成量。
(5)與高溫高壓濕式氧化法相比，本發(fā)明可在常溫條件下進(jìn)行，壓力在 0.2～0.6Mpa左右，壓力不高，能耗相對較小。
(6)本發(fā)明可以實現(xiàn)壓力條件下的連續(xù)進(jìn)出水操作。
(7)可與Fenton、UV、O3、超聲波等技術(shù)聯(lián)合使用，以適應(yīng)不同類型廢 水處理，組合工藝設(shè)計靈活，操作簡便。
(8)本發(fā)明的電解槽設(shè)計采用多個圓盤形狀陰、陽電極等間距交錯疊置 形式，放置在圓柱形壓力罐體內(nèi)，與同心圓形狀排列電極和矩形電極片相 比，單位體積內(nèi)電極面積更大，反應(yīng)器效率更高。
