公布日：2023.02.03
申請日：2022.11.18
分類號：C02F1/461(2006.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發(fā)明公開了一種基于交流電解的污水脫氮裝置及方法，屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域；裝置包括電解槽、電解極板、電解填料層和交流變頻電源等，該技術(shù)以交流變頻電源作為電解電源，四氧化三鐵、碳材料混合物作為電解極板表面功能層，電解極板間填充鐵碳微電解材料，以需脫氮處理污水作為電解液組成三維電解系統(tǒng)，經(jīng)電解處理后，污水中的硝態(tài)氮、氨氮均轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀c污水分離，污水中的總氮、氨氮指標(biāo)都可去除到滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求書
1.一種基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：包括電解槽(1)、電解極板(2)、電解填料層(3)和交流變頻電源(4)，所述電解槽(1)內(nèi)安裝至少兩塊電解極板(2)，所述電解極板(2)之間具有間隙，所述電解極板(2)之間的間隙填充電解材料形成電解填料層(3)，所述電解槽(1)內(nèi)最左側(cè)和最右側(cè)的電解極板(2)分別與交流變頻電源(4)電連接；所述電解極板(2)表面噴涂有功能層，所述功能層原材料組分包括四氧化三鐵與碳材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：所述電解極板(2)設(shè)置六塊，且于電解槽(1)內(nèi)均勻陣列設(shè)置，相鄰電解極板(2)之間間隔15mm-25mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：所述電解材料為鐵碳微電解材料、活性炭、四氧化三鐵、鐵顆粒、碳纖維、石墨烯、碳納米管中的一種或幾種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：所述碳材料為石墨粉、活性炭粉、碳纖維、石墨烯和碳納米管中的一種或幾種的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：所述功能層原材料組分還包括還原鐵粉和1％PVA水溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：所述電解極板(2)的電極材料為活性炭纖維電極、碳纖維布電極、石墨電極、鉑銥合金電極、碳鋼電極、不銹鋼電極、鋁電極、二氧化鉛電極、碳納米管電極和石墨烯電極之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于交流電解的污水脫氮裝置，其特征在于：還包括磁力攪拌器(5)，所述磁力攪拌器(5)設(shè)置于電解槽(1)底部。
8.一種基于交流電解的污水脫氮方法，其特征在于：采用權(quán)利要求1-7任一所述的污水脫氮裝置，包括以下步驟：S1、將需脫氮處理的污水通入電解槽(1)內(nèi)作為電解液，用交流變頻電源(4)作為電解電源，電解極板(2)以四氧化三鐵和碳材料混合物作為功能層，電解極板(2)間填充電解材料組成三維電解系統(tǒng)；S2、電解極板(2)在交流變頻電源(4)作用下不斷的進(jìn)行陽極、陰極的轉(zhuǎn)化，電解材料表面和內(nèi)部在外加交流電場的作用下形成大量的雙性電極，并不斷的進(jìn)行陽極、陰極的轉(zhuǎn)化；S3、通過交流變頻電源(4)控制電流密度、電源頻率和波形對需脫氮處理污水進(jìn)行電解脫氮處理；S4、當(dāng)電解極板(2)作為陽極時，氨氮在電解極板(2)被氧化成氮?dú)夂退コ�；�?dāng)電解極板(2)由陽極變?yōu)殛帢O狀態(tài)時，硝態(tài)氮在電解極板(2)表面還原成氮?dú)馊コ?/span>
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于交流電解的污水脫氮方法，其特征在于：所述步驟S3中所述的電流密度為1-100mA/cm2；所述交流變頻電源(4)的頻率為0.1-10000Hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是解決現(xiàn)有的污水脫氮處理技術(shù)存在的處理工藝復(fù)雜、化學(xué)藥劑消耗量大、成本高、二次污染等問題，通過交流電解技術(shù)、新型電解板技術(shù)對現(xiàn)有電化學(xué)污水脫氮處理技術(shù)進(jìn)行升級，解決現(xiàn)有電化學(xué)污水脫氮處理存在能耗高，設(shè)備制造成本高，陽極壽命短，需對被處理水體進(jìn)行ph、鹽度進(jìn)行調(diào)整等的問題。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于交流電解的污水脫氮裝置，該裝置包括電解槽、電解極板、電解填料層和交流變頻電源，所述電解槽內(nèi)安裝至少兩塊電解極板，所述電解極板之間具有間隙，所述電解極板之間的間隙填充電解材料形成電解填料層，所述電解槽內(nèi)最左側(cè)和最右側(cè)的電解極板分別與交流變頻電源電連接；所述電解極板表面噴涂有功能層，所述功能層原材料組分包括四氧化三鐵與碳材料。
進(jìn)一步，所述電解極板設(shè)置六塊，且于電解槽內(nèi)均勻陣列設(shè)置，少于六塊或多于六塊需要相應(yīng)的減小或者增大電源電壓，設(shè)置六塊的結(jié)構(gòu)所需要的的電源電壓最方便獲得，相鄰電解極板之間間隔15mm-25mm，優(yōu)選20mm，兼顧能耗與效率。
進(jìn)一步，所述電解材料為鐵碳微電解材料、活性炭、四氧化三鐵、鐵顆粒、碳纖維、石墨烯、碳納米管中的一種或幾種的組合，優(yōu)選鐵碳微電解材料，具體為20*40鐵碳球。
進(jìn)一步，所述碳材料為石墨粉、活性炭粉、碳纖維、石墨烯和碳納米管中的一種或幾種的組合。
進(jìn)一步，所述功能層原材料組分還包括還原鐵粉和1％PVA(聚乙烯醇)水溶液。
進(jìn)一步，所述電解極板的電極材料為活性炭纖維電極、碳纖維布電極、石墨電極、鉑銥合金電極、碳鋼電極、不銹鋼電極、鋁電極、二氧化鉛電極、碳納米管電極和石墨烯電極之一。優(yōu)選電解極板為160*60*1mmQ235碳鋼。Q235碳鋼其表面噴涂功能層，功能層涂料采用10％納米四氧化三鐵和90％的5％石墨烯水性涂料混合而成，涂層干膜厚度60微米。或Q235碳鋼，其表面壓制(噴涂)功能層，功能層涂料采用30％納米四氧化三鐵、5％石墨烯，10％活性炭粉，30％還原鐵粉和其余為1％PVA水溶液混合而成，厚度120微米，經(jīng)500-650℃燒制而成。
進(jìn)一步，該裝置還包括磁力攪拌器，所述磁力攪拌器設(shè)置于電解槽底部，使用磁力攪拌器對電解液(需脫氮處理的污水)進(jìn)行攪拌。
本發(fā)明還提供了一種基于交流電解的污水脫氮方法，其采用上述所述的污水脫氮裝置，包括以下步驟：
S1、將需脫氮處理的污水通入電解槽內(nèi)作為電解液，用交流變頻電源作為電解電源，電解極板以四氧化三鐵和碳材料混合物作為功能層，電解極板間填充電解材料組成三維電解系統(tǒng)；
S2、電解極板在交流變頻電源作用下不斷的進(jìn)行陽極、陰極的轉(zhuǎn)化，電解材料表面和內(nèi)部在外加交流電場的作用下形成大量的雙性電極，并不斷的進(jìn)行陽極、陰極的轉(zhuǎn)化；
S3、通過交流變頻電源控制電流密度、電源頻率和波形對需脫氮處理污水進(jìn)行電解脫氮處理；
S4、當(dāng)電解極板作為陽極時，氨氮在電極板被氧化成氮?dú)夂退コ划?dāng)電解極板由陽極變?yōu)殛帢O狀態(tài)時，硝態(tài)氮的硝酸根在電解極板表面得電子還原成亞硝酸根和氮?dú)�，亞硝酸在電解極板表面又得電子還原成氮?dú)馊コ?/span>
其中，所述步驟S3中所述的電流密度為1-100mA/cm2；所述交流變頻電源的頻率為0.1-10000Hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
1、交流電解法降解氨氮的機(jī)理如下：
1)、電解極板電解過程中產(chǎn)生H202并在極板表面轉(zhuǎn)化生成氧化性極強(qiáng)的·OH(羥基自由基)，·OH(羥基自由基)把氨氮氧化成氮?dú)夂退?/span>
2)、氨氮在電解極板處于陽極狀態(tài)時被直接氧化成氮?dú)夂退?/span>
NH3+3OH--3e-—0.5N2+3H2O
3)、當(dāng)污水中有氯離子存在時，電解極板電解產(chǎn)生的次氯酸根可氧化去除氨氮。
2、硝態(tài)氮在電極板處于陰極態(tài)時，硝酸根在電極板表面得電子還原成亞硝酸根和氮?dú)�，亞硝酸在電極板表面得電子還原成氮?dú)馊コ?/span>
NO3-+3H2O+5e-—0.5N2+6OH-
NO3-+H2O+2e-—NO2-+2OH-
NO2-+2H2O+3e-—0.5N2+4OH-
(三)有益效果
本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明創(chuàng)造性采用交流變頻電源作為電解電源，電解極板的陰陽極狀態(tài)始終快速交換中，減少了極化和需處理離子傳質(zhì)距離，極大地提高了效率，降低了能耗，降低了電極材料的成本，提高了電極材料的壽命。
2.由于變頻技術(shù)的使用，不同的頻率對處理過程的優(yōu)勢不同，可以根據(jù)需處理污水的不同指標(biāo)靈活調(diào)整頻率以達(dá)到最優(yōu)處理效果，也就是說抗被處理污水指標(biāo)波動性強(qiáng)，處理污水指標(biāo)范圍大。
3、本發(fā)明創(chuàng)造性應(yīng)用四氧化三鐵、碳材料混合物作為電解污水脫氮電解極板表面功能層，碳處理主要包含石墨粉、活性炭粉、碳纖維、石墨烯、碳納米管等，四氧化三鐵、碳材料混合物材料具有很高的電化學(xué)氧化、還原活性；且目前也未發(fā)現(xiàn)四氧化三鐵、碳材料混合物作為電解污水脫氮電解極板表面功能層的應(yīng)用。
4、現(xiàn)有鐵碳微電解材料在污水處理的應(yīng)用中常用壓縮空氣、調(diào)整污水鹽度、微波、超聲波等手段強(qiáng)化、提高處理效果。本發(fā)明以交流變頻電源作為電解電源，四氧化三鐵、碳材料混合物作為電解板表面功能層，電解板間填充鐵碳微電解材料，以需脫氮處理污水作為電解液組成三維電解系統(tǒng)，經(jīng)電解處理后，污水中的硝態(tài)氮、氨氮均轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀c污水分離，污水中的總氮、氨氮指標(biāo)都可去除到滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。通過交流電解技術(shù)、新型電解板技術(shù)對現(xiàn)有電化學(xué)污水脫氮處理技術(shù)進(jìn)行升級，解決現(xiàn)有電化學(xué)污水脫氮處理存在能耗高，設(shè)備制造成本高，陽極壽命短，需對被處理水體進(jìn)行ph、鹽度進(jìn)行調(diào)整等問題。
5、本發(fā)明創(chuàng)造性應(yīng)用鐵碳微電解材料填充電解板間，以需脫氮處理污水作為電解液組成三維電解污水脫氮系統(tǒng)，該三維電解污水脫氮系統(tǒng)由于采用交流電解的方式，導(dǎo)電電解填料可相對于電解極板固定，無需壓縮空氣攪拌，不會出現(xiàn)填料長期使用后出現(xiàn)板結(jié)、使用性能下降的問題，大大簡化三維電解污水脫氮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。也因?yàn)槭褂媒涣麟娊獾姆绞剑F碳微電解材料的電解效率和壽命也得到極大的提高�，F(xiàn)有技術(shù)中無外加交流電場強(qiáng)化的方法和裝置報道。
（發(fā)明人：周敏東;胡顯梅;劉可）
