CN101460407A - 动电极电絮凝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于处理污染水的高容量、抗淤塞的电解法，该方法包括至少一个向上流动的电絮凝池，该电絮凝池包括(i)疏松的铁或铝颗粒的多孔的、非流化床形式的下部(或“底部”)电极(3)，所述颗粒在脉冲气体喷射下保持周期性运动和(ii)由铁或铝栅极网孔或肋条网制成的上部(或“顶部”)振动电极(4)。在上部电极(4)和下部电极(3)之间的电势使得离子从动电极中释放。上述离子氧化和/或碎裂处于上升的废水流中的不可溶的污染物并产生易于过滤的不可溶污染物，得到充分净化的水。上述动电极电絮凝池在市政水作业中有用，并且商业和工业应用中也具有大量的需要处理的未经净化的水。

Description

动电极电絮凝方法
引用的文献
德国专利DE 3641 365(1988)Klose；G.
欧洲专利EP 6682 44(1994)Batt；S.
PCT/WO.95/15295(1995)Beaujean；H.
美国专利No.6,179,991(2001)Norris；B.
美国专利No.6,663,766(2003)Adin；A.
其它文献
Matteson，Michael J.，Dobson，Regina L.等人，Electrocoagulation andseparation of aqueous suspensions of ultrafine particles(超微粒子水悬浮液的电凝固和分离)，Colloids and Surfaces A：Physicochemical and EngineeringAspects，104；1(November)：101-109(1995)。
Vik，EA，Carlson，DA，Eikun，AS和Gj essing，ET，Electrocoagulation ofpotable water(饮用水的电凝固)，Water Research，18；11：1355-1360(1984)。
技术领域
本发明涉及水处理，特别涉及使用电絮凝(electroflocculation)和/或电凝固反应处理污水，但不局限于此。
背景技术
现有技术已对电絮凝池(electroflocculation cell)进行了描述(例如参见Klose的德国专利DE 3,641,365、Norris的美国专利No.6,179,991、Adin的美国专利No.6,663,766、Batt的欧洲专利EP668244和Beaujean的PCT国际申请PCT/WO.95/15295)。
由Matteson，Michael J.，Dobson，Regina L.等人发表的“Electrocoagulationand separation of aqueous suspensions of ultrafine particles(超细粒子水性悬浮液的电凝固和分离)”，Colloids and Surfaces A：Physicochemical andEngineering Aspects，104；1(November)：101-109(1995)以及由Vik，EA，Carlson，DA，Eikun，AS和Gjessing，ET发表的“Electrocoagulation of potablewater(饮用水的电凝固)”，Water Research，18；11：1355-1360(1984)描述了电絮凝池或电絮凝系统。
现有技术的不足是电絮凝池易于淤塞。存在于许多环境水中的溶质，例如硫酸钙或碳酸钙或其它的溶质，以饱和或接近饱和存在。这些溶质具有形成污垢并淤塞设备的趋势。通常存在的悬浮的碳氢化合物、混浊物(turbidity)、胶体以及粒子也可以在电絮凝池的电极上形成强粘附体沉积物和油膜，因此引起局部点蚀(local pitting)，导致低的电流效率。
Klose的德国专利DE 3641 365描述了一种设备，其中，通过使污染水的蛇形流(serpention flow)穿过垂直放置的交替为铁和铝金属板的电极床而发生电絮凝。实际检验表明，这种构造具有低的容量，并表现出强烈地在电极上形成非导电的沉积物的趋势，导致低的电流效率。
由Adin递交的美国专利No.6,663,766描述了类似的设备，该设备为由穿孔的铁和铝金属板制成的卧式电极(horizontal electrodes)堆的形式。这种电絮凝池具有易于淤塞的局部停滞区域(local stagnant area)，并且电极堆需要昂贵的加工。
Beaujcan在PCT/WO.95/15295中提出了铝和/或铁电极的垂直与平行阵列加沿这些电极的压缩空气流。上述压缩空气流减少了该装备的淤塞，然而，实际检验显示上述设计的电流效率差。
Batt的欧洲专利EP 6682 44公开了高容量柱型电絮凝池。然而，这种设计需要电极中的一个为复合型(composite type)的，这比使用简单电极要昂贵得多。此外，由于铝和铁的不同的溶解速度，复合电极趋向于不稳定。
Norris的美国专利No.6,179,991提出了一种用于处理污染水的机器，该机器包括具有至少两个电极的腔，所述至少两个电极具有不同极性的电压并由多价金属制得，以及一个或多个与所述电极实质接触的刮板，其中，所述刮板能沿所述电极的长度方向移动，以去除聚集的碎屑。尽管已经正确地认识到了问题，但由于减薄了电极，有可能不能实际实现。由于额外的清洗设备是必要的，因此该方案变得非常昂贵。
因而，存在对新型的改进的流通电絮凝设备、方法和系统的有效的并且未实现的需求。这种电絮凝池可以抗淤塞并具有高的电流效率。进一步需要这样的电絮凝池，所述电絮凝池易于制备，并且不需要任何增加成本或限制电絮凝池的有效性的不必要的部分。
发明内容
本发明致力于满足上述需求的电絮凝池。该池包括具有不同极性的电压并由形成多价盐的铁和/或铝制得的“顶部”和“底部”电极两个电极。所述电极处于持续的或周期性的运动中，因此使有机或无机沉积物的聚集最小化。
所述下部(或“底部”)电极由疏松的铁和/或铝颗粒的非流化多孔床组成，通过脉冲气体喷射保持周期性运动。该多孔床电极置于倾斜的导电载体上，所述导电载体连接到电流源上。
上部(或“顶部”)振动电极由铁和/或铝栅极网(grid mesh)或肋条网(ribmesh)制成。所述顶部电极连接到相对于底部电极相反极性的电流源上，并且所述顶部电极通过机械振动器保持持续的运动。
a)含有在电解水时易于絮凝和沉淀的污染物的水向上泵送，首先通过多孔的底部电极并且随后所述水与顶部电极接触。
(b)通过用直流电给与所述顶部和底部电极电压，使电解的水在其中形成可沉积的絮凝物。在该池中能够絮凝的悬浮固体包括细菌、寄生虫、藻类、油漆和其它颜料、炭黑、石棉绒、工业粗砂、粘土等。
通过已知的方法，例如机械过滤或离心过滤，将不溶解的污染物从充分净化的水中分离。
本发明的另一个目的是提供处理复杂并具有各种污染物组成的废水流的系统和方法。
这种新型的、先进的技术简单。该技术既不需要昂贵的电极，也不使用复杂的设备。由于其具有更高的电流效率，因此能量需求也是最小的。本发明的另一个目的是提供一种高容量、抗淤塞的电絮凝方法，该方法使用成本低得多的设备。通过上述新方法避免的全部问题显然存在于所有的现有公开的电絮凝方法中。
通过将在此描述的简单、经济的方法与传统的不经济的方法进行比较，更多的目的和优势将变得显而易见。
通过阅读以下详细的描述、展示如其中所描述地新颖的结构、结合和元件，并通过权利要求书更具体地进行限定，本发明的上述和其它的目的对于那些熟知用于污染水的高容量的电解、电絮凝或电凝固处理的各种类型的方法和系统的技术人员来说将变得显而易见，可以理解的是，在此公开的发明的实施方式的改变包括在随附的权利要求的范围内，除非目前通过现有技术就可以将它们排除。
可以理解的是，前述的概述和接下来的详细的描述为示例性的，并用于对所要求的发明提供进一步的说明。
附图说明
图1阐述了用于处理并净化污染水流的流程图和构成主题高容量电絮凝池的单个组件。
具体实施方式
可以理解的是，本发明可以以各种形式实施。因此，在此公开的具体的细节不能解释为限制，而是作为对权利要求的依据并作为典型的依据用于教导本领域技术人员以几乎各种合适的详细的系统、结构或方式来使用本发明。
现在参见图1，该图示意性地阐述了根据本发明的电絮凝池。
所述电絮凝池包括通常的矩形外壳1，所述外壳1优选由合适的非导电材料构成。然而，如以下所讨论的，所述池外壳1可以为任何能够容纳水溶液的材料或设计以及能够使污染的水在带电电极之间向上流动的任何几何形状。尽管如果赋予了合适的绝缘，所述外壳可以由金属组成，但是所述材料应该为化学惰性的或耐腐蚀的，优选为非导电的。所述外壳1的底部具有入口供给管1a并在其顶部具有处理水出口1b，以便将处理后的介质排出。如下所描述地，通过合适的用于处理的泵7，水性介质如图1所阐述地流经外壳，并排出到合适的容器、水箱或其它相同类型的电絮凝池中。所述泵7可以在固定速率或可选择的各种速率下操作。吸入线路7a可以连接到待处理的蓄水池或其它电絮凝池上。
应该可以理解的是，多个池可以并联或串联。
参考图1，所述电絮凝池包括一对电极3和4。通过供电电缆5a和5b，各个电极分别连接到电流源5上。至少一个电极被孤立于所述外壳1内。
所述电极3由在脉冲气体喷射下保持周期性运动的疏松的铁和/或铝颗粒的多孔的非流化床组成。
所述电极3由导电的、倾斜的载板2支撑，该载板2具有适当数目的喷嘴入口2a，用于使水介质流经所述池。优选地，所述载板2具有大于约5度并小于约65度的倾斜角。所述喷嘴入口2a优选具有小于床电极3的金属颗粒的平均直径的内径。所述倾斜的载板优选由铁或铝制成，并通过供电电缆5b与电流源相连。
当水向上泵送从入口管1a进入外壳1的底部并经过喷嘴入口2a时，所述水进入金属颗粒的多孔床3中。所述金属优选为铝或铁。优选地，金属颗粒的平均颗粒大小为至少约1mm到约6mm。电极床3的容量为可以确保通过电流的床的电化学活性的容量。需要对进料泵7的流量进行调节，以使电极床3在水流作用下不会膨胀或流化，因为这可能显著降低池的电流效率。
参见图1，第二个电极，即顶部电极4平行地位于底部电极3上方的数厘米处。电极4由商购的铁或铝的栅极网或肋条网制得，并通过金属棒4a(仅示出一条)保持在该位置上。
金属棒4a连接到机械振动器(图中未示出)上，该机械振动器导致了电极4的振动4b。电极4的上述振动4b的振幅为约0.1mm到约10mm，并且该振动的频率优选为约0.1-100每秒。
气体喷射导管6位于接近所述外壳1的底部并嵌入颗粒床3内，以多个小孔(未示出)为特征以便气体脉冲可以喷入电极床3的下部。所述气体脉冲具有约0.2秒到约2秒的脉冲持续时间，并引发整个电极床3内的混合作用。这种混合作用非常缓慢，并通过载板2的倾斜所强化。完成一次总的混合需要2-3天。根据本实验，气体的喷射使得电极床3处于缓慢地运动中。通过这种缓慢的混合运动，将干净的颗粒持续供给到朝向电极4的水界面处，使本发明的电絮凝池设计具有突出的电流效率。
再次参见图1，前述的气体喷射导管6通过管6a连接到磁操作阀(magnet-operated valve)6b上并连接到压缩气体导管6c上。空气或氮气为优选的喷射进入电极床3的气体，优选的气体压力为约4-40巴(bar)。电子控制器6d发送约0.2秒到约2秒持续时间的脉冲到磁操作阀6b上。为了实现电极床3的这种缓慢的运动，所述电絮凝池的每一个操作小时内必须进行约5-50次气体喷射。
在使用中，含有例如细菌、重金属、油、油脂、碳氢化合物、挥发性有机化合物、金属和氰化物的络合物的污染物的水进入泵7的入口7a，通过入口1a流入外壳1中并通过出口1b流出。流入的水源可以为储存箱、池(sump)、坑、池塘和泻湖等。同时，在电极3和4之间施加电压。可以使用的电压的范围很宽，已经发现约10伏到约30伏的电压是实现所有的废水污染物絮凝所必须的。在该范围内操作电压产生2-9毫安/平方厘米的平均电极电流密度，并且局部的点电流密度高达8-80毫安/平方厘米，足够用来通过打开双键使废水中的油、油脂、碳氢化合物、挥发性有机化合物和其它有机物质部分氧化，并因此改变污染物的极性，使其与极性化学絮凝剂更相容。电极3和4上的电操作条件从数量上极大程度地影响挥发性有机化合物和其它有机物的氧化。
在15-20伏范围内的操作电压还促进了电极的氧化，以形成金属氢氧化物。铝和/或铁氢氧化物形成的增强是电极表面上的高压操作影响的结果。
由电解作用产生的气泡使大部分凝结的固体上升至电絮凝池的空气-水界面处，产生通过机械方法易于收集的浮泥8(floating sludge)。两个电极都缓慢的消耗自身，但由于其易于并且低成本的得到，也没有任何拆除过程，具有这种电絮凝设计的本发明可以在需要任何维修前运转数百小时。
实施例I
根据图1的电絮凝池包括作为电极3的直径为2-3mm的铝颗粒(丸状)。该铝颗粒床置于5mm的作为载体2的铝金属板上。所述金属板2具有多个1mm直径的开孔2a。所述载体2的倾斜角度为20度。外径为25mm的气体喷射管6设置在颗粒床3最厚的部分并附着在载板2上。该气体喷射管配备有许多细小的开孔以使直接进入颗粒床3的气体通过。颗粒床的平均深度(medium depth)为40cm。
在所述颗粒床电极3的正上方，铝栅极网电极4作为4mm的坚固的穿孔金属板，通过金属棒4a附着到机械振动器上。
所述穿孔占据了金属板4的45％。
测得的浸没的栅极网电极4的平均振幅为1mm。振动频率为50Hz。
电极3与4之间的距离为3厘米。
来源于池塘的浑浊的水直接进入电絮凝池中，所述的水在通过粗砂过滤器(coarse sand filter)的试验过滤后仍含有800-1000毫克/升的悬浮粘土固体(TSS)的不可过滤残留物。
泵7的容量保持为能够使颗粒床3流化的流速的30％。
电极3和4接收每小时250安/立方米流体的恒定供给。
与16巴的压缩空气线6c连接的磁阀6b每2分钟打开1秒，并在压缩空气脉冲的促进下缓慢地混合电极3的铝颗粒。
使用30小时后，获得恒定的操作条件。现在，来自于所述池的絮凝流出液在粗砂过滤器上过滤后显示TSS仅为2-6毫克/升。
实施例II
根据图1的电絮凝池包括作为电极3的直径为1-3mm的铁颗粒。该颗粒床置于6mm的作为载体2的钢板上。所述钢板2具有多个带0.7mm的开孔2a的塑料喷嘴。所述载体2的倾斜角度为28度。外径为20mm的气体喷射管6设置在颗粒床最厚的部分并附着在载板2上。该气体喷射管配备有多个细小的开孔以使直接进入颗粒床3的气体通过。颗粒床的平均深度(medium depth)为60厘米。
在所述颗粒床电极3的正上方，由直径为8mm的钢丝制成的肋条网电极4通过金属棒4a附着到机械振动器上。
所述穿孔占据了电极4面积的85％。
测得的浸没的肋条网电极4的平均振幅为2mm。振动频率为50Hz。
电极3和4之间的距离为4厘米。
来源于池塘的浑浊的水直接进入电絮凝池中，所述的水在通过粗砂过滤器的试验过滤后仍含有800-1000毫克/升的悬浮粘土固体(TSS)的不可过滤残留物。
泵7的容量保持为能够使颗粒床3流化的流速的20％。
电极3和4接收每小时200安/立方米流体的恒定供给。
与25巴的压缩氮气线6c连接的磁阀6b每3分钟开放1秒，并在压缩气体脉冲的促进下缓慢地混合电极3的铁颗粒。
使用38小时后，获得恒定的操作条件。现在，来自于所述池的絮凝流出液在粗砂过滤器上过滤后显示TSS仅为0.5-1毫克/升。
虽然本发明通过引用具体实施方式在上面进行了描述，显然，可以对材料、部件的布置和步骤做出多种改变、修改和变化而不背离在此公开的本发明概念。相应地，随附的权利要求书的精神和宽的保护范围旨在包括本领域技术人员在阅读本说明书后做出的所有这些改变、修改和变化。被引用的全部专利申请、专利和其它的公开出版物整体结合于此，作为参考。

Claims (10)

1、一种用于处理污染水的高容量、抗淤塞的电解法，该方法包括至少一个电絮凝池，该电絮凝池包括连接到电流源上并浸没在水流中的底部和顶部电极，所述水流向上流动，首先经过
a)底部电极，该底部电极为通过脉冲气体喷射保持周期性的运动的、疏松的铁或铝颗粒的多孔的、非流化床的形式，并且所述水流随后进一步向上流动，因此接触
b)上部或“顶部”机械振动的电极，该机械振动的电极由铁或铝栅极网或肋条网制成。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极连接到交流电源上。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极连接到直流电源上。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述疏松的金属颗粒的多孔的、非流化床的形式的下部或“底部”电极置于倾斜的导电载板上。
5、根据权利要求4所述的倾斜的载板，该载板具有合适数量的喷嘴入口，并由铁和/或铝制成。
6、根据权利要求4所述的倾斜的载板，其中，所述倾斜的角度为10-60度。
7、根据权利要求1所述的方法，其中，所述疏松的金属颗粒的多孔的、非流化床形式的下部或“底部”电极中嵌入了穿孔的气体喷射管，所述气体喷射管在所述床具有最大深度的位置处与倾斜的载板连接。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述机械振动的顶部电极具有朝向底部电极并与金属颗粒床充分接近但与金属颗粒床隔开的表面区域。
9、根据权利要求1所述的电絮凝池，其中，该电絮凝池还包括至少一个组合的外壳，所述外壳具有底、前、后和侧壁，并具有用于使待纯化的水进入的入口和用于水和凝结的固体的出口。
10、根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括当水流从所述池中流出后从水流中除去凝结的污染物。
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