CN101573299B - 电化学水加工设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电化学水处理设备和方法，以除去废水和脏水中含有的氨型氮、亚硝态氮、硝态氮等的总氮成分、BOD和COD诱导成分的有机物质、以及氰。该设备包括：容纳废水的废水收集槽；控制废水的氢离子浓度(pH值)、电导率和流量的废水贮水槽；使废水的电导率达到能够进行电解的电导率的电解液储罐；为废水提供pH值调节剂的pH值调节剂储罐；包括阳极板和阴极板，以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极的电解槽；以及获取废水状态的控制器，该控制器与所述阳极板和阴极板连接从而控制电解。

Description

电化学水加工设备及其方法
技术领域
本发明涉及一种电化学水加工(以下又称处理)设备，和使用该设备的电化学水处理方法，更具体地涉及一种使用钛电极、陶瓷电极或电极阵列以除去废水和脏水中含有的氨型氮、亚硝态氮、硝态氮等的总氮(TN)成分；BOD(生物需氧)和COD(化学需氧)诱导成分的有机物质；和氰的电化学水处理设备，以及使用该电化学水处理设备的电化学水处理方法，该方法包括预处理过程和后处理过程，以根据废水的成分和状态进行有效的电解。
背景技术
一般地，废水含有氮成分(例如，硝态氮(NO3 --N)、亚硝态氮(NO2 --N)、氨型氮(NH3-N、NH4 +-N)和氰(CN-)态的氮成分)和BOD(生物需氧)与COD(化学需氧)诱导成分的有机物质。因此，在将废水进行排放之前，需要用水处理设备和水处理方法来将这些物质除去。
就水处理设备和方法而言，推荐使用生物处理方法以除去氮成分。但是，由于处理成本高，而且反应时间长，存在整个设备庞大的问题。此外，与氢离子浓度(pH值)控制或温度或废水的成分有关的运行条件是很复杂的。由于当废水中含有有毒物质或毒素时(例如，重金属或氯离子)，微生物会被消灭，因而对这种废水应用生物处理法时存在局限性。
此外，现有的电化学水处理设备的电解装置使用常规金属材料的电极板，但这种现有的电极板不能满足目前开发的对降低电能开销、耐久性、耐腐蚀性、耐磨性、耐化学性和寿命做出改进的新型电极板的要求。
而且，对废水的电化学水处理方法而言，需要相应于废水的组成和状态系统地进行有效的预处理和后处理过程，以对不同的废水进行处理。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种电化学水处理设备及其方法，通过使用钛电极、陶瓷电极或电极阵列，从废水中快速分离出污染物质，所述钛电极、陶瓷电极或电极阵列能够用于现有的电极不能使用的环境，或者存在诸如电能费用过高或由于产生热量而使温度升高问题的电解槽和电解体系中。
本发明的另一个目的是提供一种电化学水处理设备及其方法，包括根据废水的组成和状态来进行有效的预处理和后处理过程。
本发明的又一个目的是提供一种电化学水处理设备及其方法，除去了废水中含有的污染水的质量的污染物质，从而避免生成二次污染物质，所述设备和方法能自动地进行废水处理过程，从而降低废水处理的费用。
本发明的再一个目的是提供一种电化学水处理设备及其方法，使用了陶瓷基材以延长电极的寿命，因此，与常规电极约2-5年的寿命相比，其寿命可以几乎半永久性地(semi-permanently)延长，与使用常规电极相比，所述设备和方法使用了陶瓷电极从而能极大地节约50-60％的电能费用即可达到与使用常规电极时相同的电解速率，并且由于该设备和方法中废水的电导率高，因此能够使电化学过程平稳进行，从而提高水处理的效率。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电化学水处理设备，该设备包括：
废水收集槽，用来容纳废水；
废水贮水槽，用来控制由所述废水收集槽提供的废水的氢离子浓度(pH值)、电导率和流量；
电解液储罐，用来为废水提供电解液以使所述废水贮水槽中的废水的电导率达到能够进行电解的电导率；
氢离子浓度(pH值)调节剂储罐，用来为所述废水贮水槽中的废水提供氢离子浓度(pH值)调节剂；
电解槽，该电解槽包括阳极板和阴极板，以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体(electrification body)的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过该阳极板和阴极板流动，所述电解槽对所述废水贮水槽提供的废水进行电解；以及
控制器，用来获取废水状态，控制所述废水收集槽的水位，控制所述废水贮水槽中的废水的氢离子浓度(pH值)、电导率和流量，并控制所述电解槽的水位，并且该控制器与所述阳极板和阴极板连接，从而对电解进行控制，
其中，所述电解槽中的多个电极由陶瓷电极形成，并且各个电极的形状形式为选自珠形、圆柱形、椭圆形、四角椎形、六面体形中的一种，且废水流经在所述多个陶瓷电极之间形成的空隙。
本发明的第二个方面还提供了一种电化学水处理方法，该方法包括：
(a)对初始废水进行物理处理或化学处理的预处理的过程以促进电解；
其中，所述物理处理通过选自以下过程中的一种进行：筛选过程、过滤过程和重力沉淀过程，
其中，所述化学处理通过选自以下过程中的一种进行：除去不能被物理处理过程除去的颗粒物质和电解抑制剂氟的过程、控制电解的电导率的过程，pH控制过程，酸处理过程，碱处理过程，化学沉积过程和使用NaCl、NaOCl、Ca(ClO)2和Ca(OH)2的化学处理过程；
(b)对经过预处理的过程(a)后的废水进行电导率控制的过程；
(c)向经过所述电导率控制的过程(b)后的废水中加入氢离子浓度(pH值)调节剂的过程，从而控制氢离子浓度(pH值)；
(d)用电解装置将经过所述加入氢离子浓度(pH值)调节剂的过程(c)后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板和阴极板，以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过该阳极板和阴极板流动；以及
(e)在排放经废水电解的过程(d)后的废水之前进行后处理的后处理过程，该后处理过程包括将该废水过滤以除去淤泥的过程，供入空气进行曝气的过程和除去其它残留的气味和氯的过程。
本发明的第三方面提供一种电化学水处理方法，该方法包括：
(a)通过向初始废水中加入NaCl或NaOCl以促进电解，从而控制电导率并除去所述初始废水中含有的不可降解的有机物质的预处理的过程；
(b)对经过所述预处理的过程(a)后的废水进行电导率控制的过程；
(c)向经过所述电导率控制的过程(b)后的废水中加入氢离子浓度调节剂的过程，从而控制氢离子浓度；
(d)用电解装置将经过所述加入氢离子浓度调节剂的过程(c)后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板、阴极板、以及设置在所述阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过所述阳极板和阴极板流动；以及
(e)在排放经过所述废水电解的过程(d)后的废水之前进行后处理的后处理过程。
本发明的第四方面还提供另一种电化学水处理方法，该方法包括：
(a)通过向初始废水中加入凝结剂和聚合物以促进电解，从而除去初始废水中含有的悬浮固体和溶解固体的预处理的过程；
(b)对经过所述预处理的过程(a)后的废水进行电导率控制的过程；
(c)向经过所述电导率控制的过程(b)后的废水中加入氢离子浓度调节剂的过程，从而控制氢离子浓度；
(d)用电解装置将经过所述加入氢离子浓度调节剂的过程(c)后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板、阴极板、以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过该阳极板和阴极板流动；以及
(e)在排放经过所述废水电解的过程(d)后的废水之前进行后处理的后处理过程，该后处理过程包括将该废水过滤以除去淤泥的过程，控制氢离子浓度的过程，供入空气进行曝气的过程和除去其它残留的气味和氯的过程。
优选但不必需地，所述预处理的过程(a)中的物理处理包括向初始废水中加入凝结剂和聚合物使电解容易进行，从而除去初始废水中含有的悬浮固体(SS)和溶解固体(DS)。
优选但不必需地，所述预处理的过程(a)中的化学处理包括向初始废水中加入NaCl或NaOCl，从而控制电导率并除去初始废水中含有的不可降解的有机物质，还包括加入Ca(OH)2或Ca(ClO)2从而除去F，和加入消泡剂。
优选但不必需地，所述后处理的过程包括在将废水排放前进行选自以下步骤中的至少一个步骤：将废水过滤以除去淤渣、曝气以向废水中供入空气和除去其它残留的气味和残余的氯。
如上所述，根据本发明的电化学水处理设备及其方法具有如下优点：
第一，本发明提供了一种电化学水处理设备，该设备使用能够用于现有电极不能使用的环境中的，或者存在诸如电能费用过高或由于产生热量而使温度升高问题的电解槽和电解体系中的钛电极、陶瓷电极或电极阵列，能够快速地从废水中分离污染物质。
第二，本发明通过根据废水的组成和状态来选择性地进行相应的预处理和后处理过程而提供了一种有效的电化学水处理方法。
第三，本发明提供了一种电化学水处理设备及其方法，能除去废水中含有的污染水的质量的污染物质，从而避免生成二次污染物质，所述设备和方法能自动地进行废水处理过程，从而降低废水处理的费用。
第四，本发明提供了一种电化学水处理设备及其方法，使用了陶瓷基材以延长电极的寿命，与常规电极约2-5年的寿命相比，其寿命可以几乎半永久性地延长，与使用常规电极相比，该设备和方法使用了陶瓷电极从而能极大地节约50-60％的电能费用即可达到相同的电解速率，由于该设备和方法中废水的电导率高，能够使电化学过程平稳进行，从而提高水处理的效率。
附图说明
通过结合附图对优选的实施方式的描述，本发明的上述的和/或其它的目的和/或优点将会更加明显。
图1为用于解释根据本发明的一种实施方式使用陶瓷电极的电化学水处理设备的示意图；
图2为用于解释图1中所示的电解槽的结构的透视图；
图3为沿图2中的A-A线切开的截面图；
图4为用于解释图1中所示的电解槽中的电解装置的结构和电解装置的废水流的平面图；
图5为用于解释图4中所示的电解装置的电连接状态和各个电极板的带电状态的平面图；
图6为用于解释根据图1中所示的电解槽的另一种实施方式的电解装置的结构和该电解装置中的废水流的平面图；
图7至图9为说明根据图2中所示的带电体的另一种实施方式的电极阵列透视图；
图10为表示本发明的电化学水处理设备中的控制器的方框图；以及
图11为说明根据本发明的电化学水处理方法的流程图。
具体实施方式
下面，将结合附图对根据本发明的各个优选实施方式的电化学水处理设备及其方法进行描述。在下面的实施方式中，相同的编号代表相似的部件。
首先，如图1所示，根据本发明的使用陶瓷电极的电化学水处理设备主要包括废水收集槽10、废水贮水槽20、电解槽30和控制器70(见图10)。
废水收集槽10暂时性地容纳由废水产生源经进水管11流入的废水。此处，在废水收集槽10中安装有第一水位传感器(water level sensor)41，以将所容纳的废水水位保持在一定的水位(LW)上。
由废水收集槽10排出的废水经过出水管12流到流量控制器13。流量控制器13和废水贮水槽20与第一连接管16和一号泵61连接。因此，废水收集槽10中的废水经一号泵61流入到废水贮水槽20中。
流量控制器13连接在废水收集槽10和一号泵61之间，从而起到了使由一号泵61流入的废水的流量保持一定速度的作用。手控阀15通过支管14与流量控制器13连接。
为了电解废水并排放电解后的废水，废水贮水槽20根据预定的参考值对控制废水的电导率，并根据废水排放标准控制氢离子浓度(pH值)。电解液储罐22和pH值调节剂储罐23使用定量泵(fixed quantity pump)或普通泵分别通过电导率仪65和pH计66连接在废水贮水槽20的顶部，电解液储罐22提供电解液以控制电导率和氢离子浓度(pH值)，pH值调节剂储罐23提供pH调节剂。
在废水贮水槽20的内部设置有测量废水的pH值的pH传感器46。为了防止电化学水处理设备因缺少电解液或pH调节剂而发生故障，在电解液储罐22和pH值调节剂储罐23中分别设置有鉴别剩余的电解液和pH调节剂的量的第一水平传感器22a和第二水平传感器23a。
此外，废水贮水槽20中必须总是保持一定量的废水。其原因是由于对废水的处理应该连续地进行，并应根据流入的废水的量分别加入一定量的电解液和pH调节剂以使废水的电导率和氢离子浓度(pH值)保持为一定值。为此，废水贮水槽20中的废水的水位应该保持在一定的范围内。
为了达到这个目的，废水贮水槽20中设置有第三水位传感器43，以感知废水的水位在允许的范围内。控制器70控制一号泵61，从而将废水的水位控制在一定的范围内。
同时，在运行该水处理设备系统的过程中，可以将废水贮水槽20中废水的水位的值保持为分别低于最低值或高于最高值。例如，当一号泵61过度运行或一号泵61排放量减少时，水位可以变得高于最高值；而当流出到电解槽30中废水的量大于经一号泵61流入废水贮水槽20中废水的量时，水位可以变得低于最低值。
在这种情况下，由第二水位传感器42检测水位的最低值和最高值。此时，控制器70通过第三水位传感器43将废水贮水槽20中废水的水位控制在一定的水位范围内，并且如果第二水位传感器42检测到废水贮水槽20中废水的水位低于最低值或高于最高值时，则停止该电化学水处理设备的运行，同时通过蜂鸣器88向管理员发出警报，从而让管理员采取行动。
同时，在去除氨型氮时，所述废水贮水槽20中废水的pH值优选地保持在高于中性pH值的10-11的范围内。
这是因为在除去废水组分中的氨型氮时pH值会下降，当起始pH值稍微地高达约9-11时，分解速率会变快，并且pH值的下降程度随着氨型氮的起始浓度而不同，但是，当NH3-N为500-300ppm(10-6份)时，分解速率增加，并电解后的pH值与排放参考值的中性相符合。
另一个原因是对于氯而言，废水中存在的氯的状态随着pH值而不同，其中，在碱性条件下氯以OCl-形式存在，而在酸性条件下氯以HOCl形式存在。此时，当pH值降低并且变得不高于4时，氯以Cl2的形式存在，其中，Cl2以有毒气体的形式排出。
因此，为了以非刺激性气体的形式将电解过程中生成的气体进行排放，需要考虑氨的去除速率，而且需要考虑电解后排放的水的pH值。
同时，在分解硝态氮时，随着分解的进行pH值将升高。当硝态氮的浓度很高时，pH值低至约4-5时的分解速率很快。但是，由于分解速率高于刺激性气体的生成速率，因此更优选保持低的pH值。
同样地，在分解有机物质或非降解性有机物质时，流入的废水的pH值的控制范围根据有机物质的组成和废水的种类而发生改变。
此时，可以使用湿法气体洗涤器对电解的过程中生成的气体进行净化。
电解槽30具有电解装置50，在其中电解废水。如图2所示，在高度低于电解装置50的顶部的高度处设置有入口26a和出口27a，并且入口26a通过第二连接管26与废水贮水槽20连接，出口27a与出口管27连接。
将废水贮水槽20中的废水转移到电解槽30的二号泵62与第二连接管26连接。
此外，当清洗电解装置50时或在电解过程中产生过量气泡时，在电解槽30的顶部设置能投放消泡剂的清洁器36。如图3所示，在电解槽30的上端的一侧，高度(H)略低于电解装置50的上端的高度处设置有溢流台阶(overflow step)35。因此，如果流入电解槽30的废水过多，过量废水(Fw1)从溢流台阶35溢出并流入到溢流室34中。流入到溢流室34中的过量废水(Fw1)通过回流管27返回到废水贮水槽20中。
一旦废水如上所述地通过溢流台阶35发生溢流，第五水位传感器45将感知到该溢流。在废水贮水槽20和二号泵62之间连接有流量计24，以防止溢流。因此，测量供入电解槽30的流量以将流量控制为不会发生溢流的流量。此外，在流量计24和二号泵62之间连接有能手动打开和关闭的流量控制阀25。因此能人为控制流入二号泵62的废水的量，从而防止发生溢流。
清洁器36位于电解槽30中的电解装置50的上部，用于清洁构成电解装置50的阳极板51、阴极板53以及多个电极52a和52b。此外，当电解过程中形成过量的气泡时，清洁器36用于投放消泡剂。
投放消泡剂以消除气泡的原因是因为当废水中含有表面活性剂时，电解中的副反应生成了氧气和氢气，从而剧烈地产生了含有氧气和氢气的存在爆炸危险的气泡。
但是，一旦废水中含有表面活性剂，就很难从废水中除去表面活性剂。因此，在进行电解前向废水中混合入消泡剂，并使该废水在电解反应器内循环。然后，使用多个消泡喷嘴36b将废水进行高压喷射以除去气泡，所述多个消泡喷嘴36b的喷射方向设定为朝向电解装置50，分配管36a向所述多个消泡喷嘴36b提供净水，第二螺线管控制阀68控制分配管36a提供的净水，当该净水不是高压水时，由三号泵63向所述第二螺线管控制阀68提供高压水，但是，当该净水是高压水时，三号泵63并不是必要部件。
同时，由于当电解含有氟(F-)的废水时，各个电极的寿命会迅速变短，于是使用Ca(OH)2或Ca(ClO)2除去氟，使氟以CaF2形式发生沉淀。此时，可以使用聚合物促进沉淀。
同时，电解所消耗的耗电量是可能成为维护电化学水处理设备的总成本的一个重要因素。就此而言，电导率非常重要。当电导率高时，使用低电压就能够达到目标电解速率。相反，如果电导率低，达到同样的电解速率需要较高的电压。因此，会消耗更多的电能。
因此，为了降低电能费用，当废水的电导率低时，需要使用表1所示的支持电解液(support electrolyte)以提高电导率。此时，尽管由于使用支持电解液而增加了化学品费用，但是当这些化学品的使用升高了废水的电导率，从而显著地降低电能开销的速率。
表1
Figure GSB00000696442300101
同时，为了使用电解除去总氮(TN)成分、COD诱导成分和不可降解的有机物质，仅通过电极直接响应无法获得经济的处理速率。因此，需要引发间接氧化的方法。但是，需要氯离子Cl-来诱导这样的间接氧化方法。
如果废水中存在氯离子，它们将在所述电解槽的阳极板被转化为氯气Cl2。由于在水中的溶解性很大，转化生成的氯气充分地溶解在水中，从而形成自由氯。此外，根据pH值的不同，转化生成的氯气以次氯酸HOCl或次氯酸离子OCl-的形式存在，并与水中的氨氮反应以将氨转化为气态氮。
因此，出于成本考虑，能提供提高电导率的氯离子的NaCl是良好的支持电解质。将例如NaOCl和Ca(ClO)2等的化学品用作支持电解质不仅能提高电导率，而且能除去一定量的流入的TN成分或COD成分，或将不可降解物质转化为可生物降解的物质，而不需提供氯离子，从而降低电解的工作量。
此外，在所述电解槽30中设置有热检测传感器47。所述热检测传感器47插入到所述电解槽30中容纳废水的部分中，并测量废水内部的温度，以获取废水的状态。如果测量到的温度不低于特定的温度，所述热检测传感器47向所述控制器70发送信号以停止该电化学水处理设备的运行。
所述热检测传感器47根据废水的温度关闭包括该电化学水处理设备的整个系统。在找到原因并消除引起温度升高的原因后，则重新启动包括该电化学水处理设备的整个系统。如果电解继续并稳定进行，提供到电解槽30的电能将转化为热量，从而使废水的温度升高。因此，流入电解槽30的废水的温度与排放的废水的温度不同。如果没有废水流入电解槽30，或流入电解槽30中的废水的量少于规定的流量(set flow)，就是说，如果该电化学水处理设备在非正常状态下运行，则所述电解槽30内部的废水的温度将比正常的温度高。换句话说，测量电解槽30内部的废水的温度，然后根据所测量到的废水的温度将包括该电化学水处理设备的整个系统关闭或重新启动。
同时，在运行系统时大部分电流供应到电解槽30。因此，如果电解系统中的电解槽30的盖子被不小心打开和关闭，操作员可能会遇到危险。因此，为了检测电解槽30的盖子的打开和关闭状态，并避免额外的安全问题，在电解槽30的盖子中设置使用磁性传感器的盖子打开和关闭检测传感器48。
此时，设置盖子打开和关闭检测传感器48的原因是为了防止系统过热现象，系统过热现象可能由在设置电极、反应器的维护和反应器的运行时的初始水供应不足而引起，或由操作员的疏忽(例如，电极和电源80固定不牢)引起，和例如由于淤泥的产生而导致的发热和爆炸的危险情况，所述淤泥可能由在启动电解槽30的时候废水的组成和状态而产生的。其原理如下。
盖子打开和关闭检测传感器48设置在电解槽30的盖子中。因此，当电解槽30的盖子打开或关闭、或被损坏，和没有被适当地关闭，就是说，当电解槽30的盖子与电解槽30的主体分离开或发生热变形从而使电解槽30的主体与电解槽30的盖子分离开时会发生短路，并且没有电能供给系统自身，从而防止发生不必要的损害。
换句话说，在本发明中，盖子打开和关闭检测传感器48对由于电解槽30的盖子打开或关闭、被损坏，和没有被适当地关闭的因素所造成的接触点的短路进行检测。在这种情况下，盖子打开和关闭检测传感器48预先检测到接触点的短路，并使控制器70断开系统的所有供电、停止系统运行，从而不再向系统提供电能以避免额外的安全问题，防止发生不必要的损害。
同时，整流器86用于在电解时通过电极向废水施加所需能量。而且，整流器86被制定成使该整流器86具有低电压和电流值/高电压和电流值。因此，整流器86起到安全装置的作用，能安全地维护和使用系统的电极和整流器。
所述整流器86的作用如下。根据实际条件和废水中待分解的物质的分解特点，整流器选择以固定电压值运行的恒压模式和以固定电流值运行的恒流模式中的一种运行。由于在恒流模式下电流值是固定的，电压值的改变则伴随着废水流量、电导率、反应器中的水温、电极使用期限(superannuation)等的改变。在恒压模式下电流值发生改变的因素与恒流模式相同。
具体地，一般而言，所述整流器86被制定成在恒流模式下具有低电压值/高电压值，以及被制定成在恒压模式下具有低电流值/高电流值。为了另外限定在恒流模式下使用者的电流操作范围，在整流器86中制定了电流值的低/高值，为了另外限定在恒压模式下使用者的电压操作范围，在整流器86中并行地制定了电压值的低/高值。
此外，制定了根据操作模式达到的整流器的低操作电压值和操作电流值/高操作电压值和操作电流值，从而使得由操作员意料之外的因素的改变而引起的过量电流或电压不被施加到系统上。此外，所述低/高值的上限和下限是特定的，使得即使在非常低的电压下运行该整流器，也能够防止整流器发生与电流有关的过热。因此，判断现场能量消耗的峰值，假定整流器表现稳定，反应器中能够防止过热。在必要时，可以以根据所制定的整流器的低/高值为基础来控制系统的运行和停止(existence and nonexistence)。
同时，电导率一般是指在电解时电流能够通过作为介质的废水的程度。可以从安全性和系统效率方面描述电导率。从电导率的安全性方面来说，电导率是与整流器的电压、电流和低/高值的制定一起决定整流器的运行环境和电解系统的操作条件的一个因素。
就是说，应该从安全性和费用方面观点出发，考根据电解系统的特点和系统效率对电导率进行控制。应该在判断系统的重新启动和运行是否合适的步骤中制定整流器的低/高值的上限和下限值，以保持平稳的操作环境。
此处，在本发明中通过电导率测量仪28测量流入反应器的废水的电导率。基于通过该电导率测量仪28得到的值来判断系统是否启动。可以认为由电导率测量仪28得到的值不正常是与整流器的运行模式有关。
例如，在恒压模式下，当电导率值低于设定值时，电流值降低，而当电导率值高于设定值时，电流值升高。相反，在恒流模式下，当电导率值低于设定值时，电压值升高，而当电导率值高于设定值时电流值降低。
特别地，在恒流模式下，由于电导率过低导致瞬间电压值的上升以及电压值瞬间下降为小于向常规整流器施加的使用电压的约60％，可能导致整个系统运行不正常和整流器过热，并伴随耗电量增加的副效应。
如图4和5所示，所述电解装置50包括多个的电极板。每个电极板包括阳极板51、阴极板53和设置在该阳极板51和阴极板53之间的多个电极，所述阳极板51设置在电极板的一侧并施加有直流电流(DC)；所述阴极板53设置在电极板的另一侧并施加有直流电流(DC)。所述多个电极被制成板状，可以由钛电极或陶瓷电极制成。
图5表示了所述电极板，该电极板包括第一陶瓷电极52a、第二陶瓷电极52b、向阳极板51施加直流正电势的阳极55和向阴极板53施加直流负电势的阴极56。具体地，所述阳极板51、阴极板53和第一陶瓷电极的带电板52a的一端与所述电解槽30的背面的内表面紧密接触。相反地，所述第二陶瓷电极52b与所述电解槽30的正面的内表面紧密接触。
当所述多个电极板的组成的一端分别如上所述地与所述电解槽30的正面和背面的内表面紧密接触时，在入口26a和出口27a之间则形成Z字形(zigzag)的水道(water path)。因此，经入口26a流入的废水流入到阳极板51和第二陶瓷电极52b的第一电极之间，继而沿着由第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b形成的Z字形水道流动，然后沿出口27a的方向流出。
同时，第一陶瓷电极52a第二陶瓷电极52b是由陶瓷作为基础材料制成的。在陶瓷基材的表面形成不可溶的氧化物催化剂涂层。该不可溶的氧化物催化剂涂层具有优异的电导率，防止了电流从绝缘体的陶瓷材内流过，从而使电流的损失最小化，同时只在发生电化学反应的表面产生电流，从而使耗电能的费用最小化，因此防止了由电极生热导致的温度上升。
所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b的涂层分别由Ir化合物、Ru化合物和Sn化合物作为主要成分形成，除了所述主要成分外，还包括如下化合物中的至少一种：Ti化合物、Mo化合物、Ta化合物和Zr化合物。
此外，根据本发明的所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b中的每一个可以使用能够提供贵金属离子或金属离子的各种不同的化合物，即，氮化物、硫化物、氢化物、氯化物等。优选地，所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b中的每一个均使用氯化物。
此处，第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b的涂层应该形成的厚度使得不会从基材上发生剥落，并且电流可以在该涂层中传输。原因是因为只有当涂层分别具有一定的厚度时，才能防止在从水溶液中除去离子化合物的水处理场所使用的陶瓷电极的摩擦而发生侵蚀或侵蚀腐蚀，还因为防止了由分别在电极的表面生成少量的氢气泡引起的吸附和脱附现象的发生。
优选情况下，涂层的厚度为约3-10微米。然而，当涂层的厚度小于3微米时，该涂层可能被摩擦或氢气泡损坏。当涂层的厚度大于10微米时，由于化合物热分解过程中的硬化而形成粗糙的晶粒或杂乱的晶粒，从而可能使该涂层脱落。
如上所述，在所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b的陶瓷材料的表面形成涂层，因而提供了优异的耐腐蚀性、耐磨性、耐化学性等。所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b可以用作电解的颗粒填充电极。可以通过向溶液或导电介质充电代替直接施加电流的方法来控制所述陶瓷材料的表面上的电子和电荷。此外，将具有各种不同组成的化合物涂覆在所述陶瓷材料的表面，从而提高电解效率。
同时，可以将氧化铝珠、氧化锆珠，其它陶瓷珠或沸石球，或圆柱形、椭圆形、四角锥形、六面体形等各种形状的陶瓷载体(包括图2中所示的板状)用作所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b。
此外，通过将选自氧化铝、氧化钛、氧化锆、沸石、富铝红柱石、铁氧体(ferrite)和二氧化硅中的单一组分或混合组分的粉末压缩和模塑形成所述陶瓷基材。
换句话说，该电极由陶瓷电极制成，电极的形状为选自珠形、圆柱形、椭圆形、四角锥形和六面体形中的任意一种。废水流经所述多个电极之间形成的空隙，从而被电解。
下面将描述制备第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b的方法。将Ir化合物、Ru化合物和Sn化合物制成作为基材的陶瓷基材的主要成分，通过将选自Ti化合物、Mo化合物、Ta化合物和Zr化合物中的至少一种与有机溶剂混合而制成的涂覆液涂覆在所述陶瓷基材的表面，然后干燥。然后，对涂覆液涂覆后的陶瓷基材进行初级热处理步骤，使在低温下干燥的涂覆液和该陶瓷基材结合；进行重复4-15次的所述初级热处理步骤重复步骤；然后进行最终热处理步骤，使涂覆后的氧化物颗粒充分生长，从而获得优异的结合性和表面强度。
此处，在将所述涂覆液涂覆在所述陶瓷基材上并干燥后，进行初级热处理。在初级热处理中，在氧化气氛中400-700℃下，10-30分钟内形成预定厚度的涂层。将这样的涂层-干燥-热处理步骤重复4-15次。此外，在氧化气氛中400-700℃下进行3-10小时的最终热步骤。
同时，如图2-5所示，作为例子，将所述陶瓷电极50制成板状，但是也可以在所述电解槽30中设置珠形的陶瓷电极50。在这种情况下，缺口“A”(参见图7)形成在所述陶瓷电极50之间。因此，所述陶瓷电极不必须设置成Z字形，而理想数量的珠形的陶瓷电极可以被加入到所述电解槽30中，从而提高电极整体的工作能力。
图6为用于解释根据图1中所示的电解槽的另一种实施方式的电解装置的结构和该电解装置中的废水流。
根据图6，在电解槽30中进行电解时，通过电凝絮作用生成悬浮固体(SS)物质，从而形成浮渣。在这种情况下，阳极板51a、阴极板53a和陶瓷电极50的电极54被设置在流入电解槽30的废水的流动方向(FW2’)上，从而易于排放浮渣或淤泥。
同时，当期望通过预处理变成絮凝的悬浮固体或可溶性固体在电解过程中由于废水的性质而不能被顺利地除去时，还可以设置除渣器(图中未表示)以有效地除去电解槽30的反应器内漂浮和絮凝的浮渣等。
所述除渣器在预计生成浮渣的电解槽30内部向左边和右边或以平行状态地往复运动。因此，从电解槽30的侧表面将浮渣推出，然后除去。根据所述除渣器的材料的性质，将橡胶依附在不具有腐蚀性的合成树脂框中。可以将所述除渣器设计为由发动机驱动或由人工驱动。此外，单独地设置清水供应器，以将浮渣顺利地排出并清洗该除渣器。
图7为说明所述第一陶瓷电极52a和第二陶瓷电极52b的另一种实施方式的电极阵列90的透视图。
根据图7，通过在形成有氯化物涂层的表面填充珠形的多个陶瓷电极91制成电极阵列90，以使单层形式的边框93中具有优异的电导率，并使用固定网92将所述多个陶瓷电极91固定。
此处，形成所述电极阵列90使得废水可以流经所述陶瓷电极91之间形成的空隙“A”。即使当多个电极阵列90彼此平行组合时，废水的流动也并不困难。即使多个所述电极阵列90没有在电解槽30中以Z字形设置在所述阳极板和阴极板之间，废水也可以通过空隙“A”流过。
此处，所述边框93和所述固定网92的材料优选为聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)共聚物等。这是因为聚碳酸酯、聚乙烯等具有耐化学性，而且作为聚合材料是绝缘的。
图8为说明电极阵列90的另一种实施方式的透视图。电极阵列90中的带电板100中可以容纳珠形的陶瓷电极。带电板100包括在其外侧形成有固定凸起110a和能够在相应于固定凸起110a的相邻的电极阵列的带电板上与固定突起110a配合的固定凹槽110b的边框110，和分别与边框110的前表面和后表面匹配并固定所述陶瓷电极91的栅格式的固定网120(见图7)。
图9为表示通过将多个电极阵列带电板100组合制成的并作为大面积使用的电极阵列集成板200的透视图。通过根据电极阵列的面积和容量将另一个邻近电极阵列带电板100的固定突起110a插入电极阵列带电板100的固定凹槽110b中，从而方便地将电极阵列带电板100与另一个邻近的电极阵列带电板100组装起来，形成了所述电极阵列集成板200。
就是说，根据本发明的一种优选的实施方式，当电极阵列带电板90或100使用陶瓷电极时，通过在施加电流的水溶液中的带电效应使陶瓷电极91导电。因此，很难分别向非导体的珠状的陶瓷电极91直接施加电流。
因此，应该能够通过实际使用双极式的陶瓷电极91将陶瓷电极91固定。鉴于陶瓷电极91应该能够被固定，本发明的电极阵列带电板100利用边框93或110和珠状的陶瓷电极91来保持陶瓷电极91的形状，并能使电流量最大而不影响水流通路的形成。
在这种情况下，在向所述边框93和110中填充陶瓷电极91时，所述电极阵列90和电极阵列带电板100的各个边框93和110应该具有能够承受该陶瓷电极91的重量的硬度，并且应该能够使该水流通路中的废水的流量最大。此外，各个边框93和110应该是电绝缘体。因此，各个边框93和110优选通过使用高强度的聚碳酸酯、耐热的ABS树脂、聚丙烯、聚乙烯等制成。根据工作温度条件，珠状的陶瓷电极91的大小和重量等来选择所使用的各个边框93和110。
此外，可以通过将多个理想尺寸的电极阵列带电板100组装并连接制备所述电极阵列集成板200。而且，可以安装支架(图中未表示)以保持电极阵列90、电极阵列带电板100以及电极阵列集成板200之间的间隔。
同时，根据图10，从电源80提供用于由电解装置进行电解的电能。所述电源80可以设计为提供交流(AC)单相220V、AC三相380V和AC三相440V的电流。
接收由所述电源80提供的电流的整流器86提供恒压模式下的直流(DC)电压。提供直流电压的原因是在根据电解槽30中存在的废水的量施加电流时保持废水的分解速率不变，不管是在运行开始时由于废水流入到电解槽30中使水位上升到正常水位时还是在运行结束时水位变低时。
此外，在所述整流器86中还设置有周期性地改变电流方向的电流方向转换器87，从而将沉积在电极的极板上的外来杂质除去。在电解的时候，带正电(+)的阳离子(例如，金属离子和钙离子)沉积在阴极(-)板上，从而导致降低电解效率的现象。为了防止这种电解效率的降低，在所述整流器86中设置了周期性地改变电流方向的电流方向转换器87。因此，可以除去沉积在电极的阴极板上的外来杂质。
此外，如图5和6所示，根据所述电解装置50中的电极板的排列，所述阳极板51和阴极板53设置在所述电解装置50的两端，第一带电板52和第二带电板54设置在所述电解装置50的中间。然后，当只向所述阳极板51和阴极板53施加直流电时，则向与所述阳极板51最邻近的第二带电板52b相应的表面充入负电荷，而向它的另一个表面充入正电荷。然后，再向与所述第二带电板52最邻近的第一带电板52a的相应表面充入负电荷，而向它的另一个表面充入正电荷。通过这种方式，向与所述阴极板53相邻最远的第二带电板52b的相应表面充入正电。
因此，在所述阳极板51、阴极板53、第一带电板52a和第二带电板52b中交替地充入正电或负电，这被称为双电极。这样，流经由所述双电极形成的水流通路的废水可以被电解。
在所述整流器86上可以配备有电流传感器82和电压传感器83，以分别测量输出电流和输出电压。将测得的输出电流和电压传输到所述控制器70中，并且在电流显示器84a和电压显示器84b上显示。
当然，也可以将所述电流显示器84a和电压显示器84b通过常规的电流计和常规的电压计与所述电源80直接连接，从而显示输出电流和输出电压。
所述清洁器36设置在所述电解槽30中的电解装置的顶部，并用于清洗构成所述电解装置50的阳极板51、阴极板53和多个电极52a和52b。此外，当在电解过程中生成过量的气泡时，所述清洁器36还用于投放消泡剂。
为此，所述清洁器36包括多个喷嘴36b、向所述多个喷嘴36b提供清水的分配管36a和控制所述分配管36a的清水供应的第二螺线管控制阀68，所述多个喷嘴36b的喷射方向被设置为朝向所述电解装置50。当清水不是高压水时，所述清洁器还连接有向所述第二螺线管控制阀68供应高压水的三号泵63，但是当清水是高压水时，三号泵63不是必要组件。
所述控制器70与所述第一水位传感器41至第五水位传感器45、所述pH传感器46、所述一号泵61至三号泵63、所述电导率仪65、所述第二螺线管控制阀68、所述电源80、所述电流传感器82、所述电压传感器83、所述显示器84、运行线路显示器(driving map display)85、所述蜂鸣器88等连接。因此，所述控制器70通过由上述与其相连接的组件提供的各种输入/输出信号将废水从废水收集槽10输送到废水贮水槽20，控制废水贮水槽20中的废水的电导率和pH值，然后输送到电解槽30中，通过所述电解装置进行电解。然后，将电解后的废水排放。
所述控制器70还可以包括具有控制系统是否运行的开/关转换器的操作台75、使系统自动运行或手动运行的操作模式选择转换器、以及使系统运行某项功能的功能转换器。
在所述操作模式选择转换器选择自动或手动运行时，系统一般以自动模式运行，只有当系统故障或维修期间才以手动模式运行。
所述显示器84与所述控制器70连接，该显示器84包括电流显示器84a和电压显示器84b，分别显示由所述电流传感器82和所述电压传感器83测量的从所述电源提供给所述电解装置的电流和电压；显示由所述pH传感器46测量的pH值的pH显示器84c；以及显示由所述流量计24测得的废水的流动状态的流量显示器84d。
在运行本发明的电化学水处理设备时，运行线路显示器85向操作者显示实质上运行废水处理的每个部件的运行情况。操作者可以通过所述运行线路显示器85确认该系统是否在正常状态下运行。为了确认该系统是否在正常状态下运行，在所述废水贮水槽20和所述电解槽30的周围的适当位置显示各个部件的运行状态，并且使用具有如下功能的一号灯至十五号灯来显示各个部件的运行状态。所述一号灯至十五号灯由所述控制器70开启或关闭。
运行线路显示器85包括：显示一号泵61的运行情况的一号灯；分别显示第二水位传感器42的上限值和下限值的二号灯和三号灯；分别显示第三水位传感器43的上限值和下限值的四号灯和五号灯；分别显示由电解液储罐22和pH值调节剂储罐23的第一水平传感器22a和第二水平传感器23a测得的电解液和pH调节剂的剩余量的六号灯和八号灯；分别显示电导率仪65和pH计66的开启和关闭状态的七号灯和九号灯；显示二号泵62的运行情况的十号灯；显示由第五水位传感器45测得的所述电解槽30的溢流状态的十一号灯；分别显示第四水位传感器44的上限值和下限值的十二号灯和十三号灯；以及分别显示第一螺线管控制阀67和第二螺线管控制阀68的开启和关闭状态的十四号灯和十五号灯。
此处，运行线路显示器85和控制器70可以装备成MMI(人-机界面)型。因此，MMI型的运行线路显示器85和控制器70的所有功能均可以被个人电脑(PC)所取代。
如上所搭建的本发明的电化学水处理设备运行如下，以从废水中除去总氮(TN)和COD诱导物质。
在启动该电化学水处理设备前，先分别确认所述电解液储罐22和pH值调节剂储罐23中是否充有电解液和pH调节剂。此时，分别由设置在所述电解液储罐22和pH值调节储罐23中的第一水平传感器22a和第二水平传感器23a确定剩余的电解液和pH调节剂的量。当剩余的电解液和pH调节剂的量少于预先设定的参考值时，所述控制器70则感知剩余的电解液和pH调节剂的量不足，从而使蜂鸣器88报警，请求操作者向所述电解液储罐22和pH值调节剂储罐23中加入电解液和pH调节剂。
在所述电解液储罐22和pH值调节剂储罐23按照上述方式准备好的状态下，当通过操作台中的开/关转换器将所述电化学水处理设备开启时，向该电化学处理设备施加电能，从而在所述显示器84中的电流显示器84a、电压显示器84b、pH显示器84c和流量显示器84d上显示各自的数据。此外，所述运行线路显示器85显示各个部件的运行。
当所述操作台75的操作模式选择转换器选择为自动模式，然后在由该操作台中的开/关转换器将所述电化学水处理设备开启的状态下，将所述运行转换器开启时，所述一号泵61运行以将所述废水收集槽10中的废水供入所述废水贮水槽20中，同时通过所述二号泵62以一定的流量将所述废水贮水槽20中的废水供入所述电解槽30中。从而开始通过接受到来自所述整流器86的直流电的电解装置50将该废水电解。
此处，通过流量计测量由所述废水贮水槽20供入所述电解槽30中的废水的量，并且在所述流量显示器84d上显示该测得的流量。如果由所述第五水位传感器45感受到溢流，则控制所述流量控制阀25以控制流量。
由所述控制器70控制上面所描述的全部操作。所述控制器70控制每个组件，并且使运行情况在所述运行线路显示器85上显示。
下面将详细描述本发明的电化学水处理设备的运行。
首先，控制器70通过第三水位传感器43测量废水贮水槽20中的水位，并且控制一号泵61运行并将所述废水贮水槽20中水控制在一定的水位。
当废水收集槽10中的废水用完时，第二水位传感器42使控制器70控制蜂鸣器88报警，并且由废水贮水槽20阻断废水流入而使水位低于下限值，或当废水由于外来杂质而不向电解槽30中流动时，使水位上升超过上限值。
此外，当所述废水贮水槽20中的水位低于下限值时，控制器70转换为停止模式，停止电化学水处理设备的运行。
由所述二号泵62将废水以固定流量提供给所述电解槽30。当由所述二号泵62启动废水的流入，从而使水位上升到一定位置或更高时，所述第四水位传感器44检测到上升到一定高度或更高的水位，并控制所述整流器86，以向所述电解装置50提供电能。
当所述出口27a等被阻塞使得废水不能被排出时，或者当所述电解槽30中的水位由于从废水贮水槽20流入的废水增多而上升时，所述第五水位传感器45感应到溢流现象的发生。当所述第五水位传感器45检测到溢流时，所述控制器70会控制蜂鸣器88报警。
在上述废水处理完成后，将进行停止电化学水处理设备运行的程序。
在一般条件下，由废水停止向所述废水贮水槽20中流入的时间点来判断废水处理的终点，然后将所述一号泵61、电导率仪65、pH计66等关闭。
然后，当废水贮水槽20中的水位低于第二水位传感器的下限值时，停止二号泵62，并且打开第一螺线管控制阀67，以通过排水管38将电解槽30中剩余的废水排出。当电解槽30中的第四水位传感器44感知到电解槽30中的水位低于下限值时，则切断电解装置50的电源供应，同时打开第二螺线管控制阀68。因此，通过清洁器36的喷嘴36b将清水喷射到电解装置50，然后在特定时间内清洗电解装置50。
即使在清洗过程中，将所述第一螺线管控制阀67保持打开状态。当预先确定的设定时间(考虑了清洗时间和清洗水排出时间而设定的时间)过后，将所述第一螺线管控制阀67关闭，然后完全停止运行电化学水处理设备的。
同时，为了防止非正常操作，本发明的电化学水处理设备通过蜂鸣器88报警，或控制整个系统在如下的情况下停止。
当发出报警时，在所述运行线路显示器85或PC屏幕上显示或表明相关位置的情况。因此，当对在所述运行线路显示器85或PC屏幕上显示或表明相关位置的情况采取措施后，电化学水处理设备则恢复正常的运行状态。
例如，表2列出了发出报警的异常情况。
表2
  异常情况   测量项目
  pH调节剂耗尽   终止系统后补充pH调节剂溶液
  电解质溶液耗尽   终止系统后补充电解质溶液
  贮水槽溢流   终止系统后进行相关测试
  电解槽溢流   终止系统后进行相关测试
  电解槽温度异常   终止系统后进行相关测试
  电解槽的盖子打开   终止系统后进行相关测试
  电压和电流的低/高   终止系统后进行相关测试
此外，当所述废水收集槽10中的废水耗尽时，由所述控制器70自动关闭电化学水处理设备。而当废水收集槽重新装入废水后，所述第一水位传感器41感应到该水位，从而使电化学水处理设备自动恢复运行。
图11为说明本发明的电化学水处理方法的流程图。根据图11，实行预处理过程以对所述废水收集槽中容纳或贮存的初始废水进行物理处理或化学处理，以在进行电解前确保高效的电解过程。
此处，所述预处理过程包括除去初始废水中的悬浮固体(SS)和溶解固体(DS)的步骤(S11)。
所述物理处理过程是完全去除包括SS(悬浮固体)的漂浮物的过程，通过筛选过程、过滤过程(为沙滤过程)和重力沉淀过程进行。
此处，当电解过程中通过电絮结产生的浮渣在水的表面聚集时，SS反应性降低从而使电解装置污染。在这种情况下，可能有爆炸的危险。因此，应该除去SS以顺利地进行电解。为此，可以通过物理或化学处理过程除去SS。
所述化学处理过程包括除去不能被物理处理过程除去的颗粒物质和电解抑制剂氟的过程(S12)、控制电解的电导率的过程(S13)，以及pH控制过程(S14)(例如，加入pH调节剂以降低不可降解的有机物质的分子间作用力的酸处理过程，在该过程中控制pH值，使用盐酸、硫酸等将漂浮物分散，并降低不可降解的有机物和复合结构物质的分子间作用力)。
此外，所述化学处理过程包括使用苛性钠去除可能在pH值控制、结合和电解时引起带电的重金属的碱处理过程、使用明钒、铁盐等使重金属或其它硬度(碱度)诱导物沉淀的化学沉积过程、选择性地去除微小胶体颗粒的电絮凝和隔膜过滤步骤、以及使用NaCl、NaOCl、Ca(ClO)2和Ca(OH)2等的化学处理过程。
更详细地，在化学处理过程中控制pH值和电导率，使抑制物质(如，F-或其它阴离子)沉淀，并且提高分解有机物的分解率。当废水的组成和状态是纯净的从而在含氮废水的处理过程中不需要特殊的沉淀预处理的情况下，可以使用化学品NaOCl。在需要发生沉积而应该先进行凝结处理的情况下，可以使用化学品Ca(ClO)2，从而对整个电化学水处理设备进行补充操作。在这种情况下，优选使用在弱阴离子基团中的聚合物凝结剂系列的聚合物。在控制pH值(S14)的步骤中还可以具有浓缩装置、残渣贮存装置和脱水器。
更进一步地，Ca(ClO)2还具有处理氟的作用，当废水中含有的氮与存在的熟石灰或氧化钙不同时，可能抑制残渣漂浮作用，从而提供了减少沉淀装置的工作量和使电解设备紧凑的显著作用。
就是说，NaOCl和Ca(ClO)2提供Cl-离子或OCl-离子而起到了氧化剂的作用，控制了氢离子浓度(pH)并提高了电导率。此外，在电解时可能降低电功率的负载。而且能使例如含氟和磷等的有机物质分解。此时，当使用NaOCl和Ca(ClO)2时，必须控制电解槽的容量、电极的种类、电流密度、处理容量等。
此外，在预处理过程中，可以使用铁盐(第一铁盐和第二铁盐)、明钒等除去磷(P)。此外，当采用电解除去磷(P)时，使用喷发电极(如铁电极或铝系电极)来除去磷。在这种情况下，需要特殊设计该电解槽和沉积淤泥的排放方法。在废水流入电解槽前，应该考虑用于过滤和沉淀废水的设备。
同时，为了在加入化学品时进行平稳的搅拌，可以分别配备搅拌器、通风装置等。特别地，当配备通风装置时，可以伴随产生例如提高氧化剂的效率的作用。但是，由于处理氮系物质时过量通气可能促进生成亚硝态氮，电化学水处理设置配备了阶段式空气量调节器，从而抑制了不必要的副反应。
此外，所述预处理过程还可以包括向废水投放消泡剂的过程。
然后，对经过预处理的废水的质量和量进行测定，通过叫做废水贮水槽(S15)的测定水储罐控制流入电解装置的废水的流量。
使用包括阳极板、阴极板和多个电极的电解装置对经过上述处理的废水进行电解，在向所述阳极板和阴极板施加电流时，分别向阳极板和阴极板通以阳极直流电和阴极直流电，所述多个电极被设置为分别位于所述阳极板和阴极板之间(S20)的带电体。
此处，用图2-9所示的电解装置进行电解。略去对电解装置的具体描述。
在经过所述电解过程之后，对废水进行控制电解反应过程中不可避免地生成的副产物和组分和废水状态的后处理过程。
所述后处理过程包括除去淤泥的过滤过程S31、控制pH值的过程S32、提供空气的曝气过程S33和除去残余的气味或氯的过程S34。
首先，过滤过程是除去淤泥的过程。当预处理过程中没有除去溶解的固体物质通过伴随发生的电凝聚过程与排放的废水一起排出时，采用过滤过程。鉴于淤泥的量和组成以及淤泥的状态使用重力沉淀过程时，使用沉淀槽以除去淤泥。相反，当不可能通过重力沉淀除去生成的淤泥类型时，使用活性碳类(例如，沸石、功能性炭(functional charcoal)和砂子)的过滤器除去重金属和外来物质，并且可以达到除臭的效果。
然后，考虑到废水的组成和状态和溶解反应时间，电解处理中可能随着时间发生pH值行为。在这种情况下，需要特殊的曝气装置和特殊的贮水槽以及用于控制和恢复pH值的控制室。因此向废水中加入少量的pH调节剂。
同时，由于高浓度废水的特点，高浓度废水需要长时间的反应时间。此时，可能不可避免地使待处理的废水温度升高、pH值变化过大和生成OCl-。在这种情况下，将一定量的待处理的废水在待排放的废水允许的范围内与初始废水混合。这样可以解决上述副作用，并得到例如降低OCl-的浓度、降低温度和控制pH值的效果。
此外，当待处理的废水的浓度发生改变时，处理浓度可能随着初始废水浓度的改变而发生改变。为了使低浓度的水的处理质量保持不变，提供了流动水贮水槽和流量控制贮水槽以保持处理的废水的浓度、pH值和温度以及保持其它组分的浓度不变。
当在后处理装置中进行处理的过程中出现过多的蒸汽和其它气体时，可以单独考虑这些蒸汽和气体。在这种情况下，可以通过湿式或干式洗气器处理收集的蒸汽和气体，或者可以在废水中进行再收集并作为杂质成分回收。
此处，在进行后处理过程后，希望在满足不高于40℃的废水排放参考值下对废水进行控制和排放。
下面将描述对根据废水的组成和状态进行的有效的电化学水处理方法。
每种电化学水处理方法均根据在半导体制造过程、化学生产过程和原子能发电过程中生成的废水的组成和状态来处理废水。
首先，由半导体制造过程产生的废水的特征如表3所示。由于是在制造半导体器件时生成的废水，几乎不存在悬浮固体(SS)组分。结果，不需要进行特别的除去SS的预处理过程。但是，可以降低电解负载，可以除去部分氨型氮，并且可以提高电导率。而且，可以通过使用Ca(ClO)2进行预处理过程，以除去可能造成电极损坏的氟。
此处，可以使用NaOCl代替使用Ca(ClO)2并得到相同的效果。但是，使用NaOCl时可能比使用Ca(ClO)2时需要更高的维护费用。
同时，将1当量的Ca(ClO)2加入到2当量的氟中，以精确地除去氟。氟以CaF2的形式沉淀。此外，考虑到经济效益，可以通过使用聚合物凝结剂(阴离子系或弱阴离子系)改进沉淀时间和沉淀速率。
此外，当仅用Ca(ClO)2不能保证电解需要的电导率时，可以与Ca(ClO)2一起使用NaCl。与不进行预处理的情况相比，在如上所述地进行预处理的情况下，即使在该电化学水处理设备以低于现有值的电流密度下运行，也可以得到相同的分解速率。
表3
Figure GSB00000696442300281
在半导体制造过程中产生的废水的组成和状态如表3所示。如上所述，废水的电化学水处理方法包括分别在废水收集槽和废水贮水槽中贮存和保留废水的步骤，然后进行化学预处理过程。
在化学预处理过程中，通过加入Ca(ClO)2除去氟，其中，加入Ca(ClO)2后，氟的浓度由100ppm降为15ppm或更低。此外，通过加入Ca(ClO)2使pH值随之降低，保证了电导率，而且还起到了氧化有机物和除去氨的作用。
根据化学预处理过程的处理条件，基于浓度为500ppm的氨，向废水中加入20-40毫升的Ca(ClO)2(12％，W/W)，随后检查到pH值升高(最佳pH值：10-11)和电导率(15-20Ms/cm)。根据检查到的pH值升高和电导率的结果，向废水中加入适量的Ca(ClO)2，经过约1-3小时沉淀后，然后将位于该废水的上部的废水排放到控制废水的流量的废水贮水槽中。
此外，已进行过化学预处理过程后的电导率低于某个值时，与Ca(OCl)2一起使用NaCl，从而调整电导率。
此处，当位于废水的上部的废水由于Ca2+组分而浑浊，可以使用聚合物(阴离子系或弱阴离子系)以改善水的质量。此处，制备0.1％(W/W)的聚合物溶液，以1-2毫升/升的投入量向废水中加入该聚合物溶液。过量加入到废水中的聚合物溶液对电解效率有不利的影响。在这种情况下，可能在电极的表面形成波纹状的凝聚的聚合物组分。
对经过上述处理后的废水进行电解。此处，考虑到伴随的氧化作用，与没有经过预处理过程的情况下使用70mA/cm2的电流相比，由于在预处理过程中使用了NaOCl和Ca(ClO)2，该电化学水处理设备可以在低电流下运行。
具体地，可以在约35-50mA/cm2的电流密度下从经历过化学预处理过程后排放的废水中除去残余的氨型氮。此处，为了控制处理后的废水的气味，优选在电解过程中将pH值保持为9或更高。在此，将pH控制为稍微高。
下面，将描述用于处理含有不可降解物质的废水的电化学水处理方法。
表4表示含有不可降解物质的废水通常的组成和状态。该不可降解的物质以苯环化合物的形式结合。因而，该不可降解的物质是剧毒的。因此，很难由生物处理过程除去该不可降解的物质。此外，该不可降解的物质具有很强的结合性。因此，很难将该不可降解的物质分解。
表4
Figure GSB00000696442300291
当该电化学处理方法用于处理由上述化合物生产过程产生的废水时，分别在所述废水收集槽和废水贮水槽中贮存和保留初始废水。
然后，进行化学预处理过程。为了处理废水中的不可降解的物质，向废水中加入HCl。结果，向废水中供入电解所需的Cl-，从而将pH值降到2-3。此处，当pH值降低时，废水中存在的物质在形成淤泥的同时发生沉淀。然后，除去沉淀物，只对位于废水的上部的废水进行电解。
此时，当废水有颜色时，位于废水上部的废水的颜色会由于沉淀而改善。
此外，可以使用NaOCl将废水中含有的不可降解的物质转化为可生物降解的物质。还可以与NaOCl一起使用Ca(ClO)2。但是，由于Ca2+组分是典型的会缩短电极寿命的物质，当它们沉积在电极上时，需要特别的装置和处理方法来防止这个现象。
就是说，对由上述化合物生产过程排出的废水的预处理过程应该保证通过沉淀除去溶解的物质，且除去由通过加入HCl生成的淤泥产生的颜色，以及控制pH值和电导率以提高电解效率。
下面将对化学预处理过程的处理条件进行描述。将36％的HCl加入到初始废水中。初始废水的pH值变为2-3。
然后，检查废水的电导率和色度。根据检查到的废水的电导率和色度的结果，向废水中加入适当量的HCl，经过3-5小时的沉淀后，将位于废水上部的废水排放到起控制废水流量作用的废水贮水槽中。
将通过所述废水贮水槽调整流量的废水进行电解过程。在进行电解过程之前，由废水流经的过滤器除去漂浮物质(如不沉淀而漂浮在废水中的悬浮固体)。此外，在电导率较低的情况下，向废水中加入NaCl来调整电导率。
对由废水贮水槽供给的废水进行电解。用HCl来附带地起氧化作用和将溶解的漂浮物进行沉淀的作用。更进一步，在低pH值下生成比在电解反应中产生的OCl-氧化性更强的HOCl，因此增强了氧化能力。
此处，在电流密度约40-80mA/cm2的化学预处理过程后，从废水中除去了不可降解的物质。
此外，当废水经过了电解过程后，由电凝结作用使悬浮固体(SS)漂浮，从而形成残渣。结果是，需要提供反应器来除去额外的残渣以及将残渣平稳地排出。
对电解后的废水进行后处理过程。在后处理过程中进行生物处理过程以除去有毒物质。此时，考虑到审美评价因素，特别是当经过电解后的废水进入后处理过程不会发生问题，但是，当废水作为最终排放水排放时，需要将适当的后处理过程联合使用。
由于接触介质使用砂子、活性碳、功能性炭和沸石进行处理，所述后处理过程包括控制pH值的过程、提供空气的曝气过程和除去残余的气味或氯的过程，在这种情况下，将排出的废水的温度控制为40℃。
同时，在处理由发电厂排放的废水的电化学水处理方法中，鉴于废水的特点，在进行电解之前先加入支持电解质，从而进行控制电导率的过程，然后加入pH调节剂以控制pH值。
在废水贮水槽中控制经过上述处理的废水的流量，然后进行电解，对经过电解的废水进行过滤除去淤泥，进行搅拌和后处理过程以除去残余的气味和氯，然后排放。
如上所述，结合特别优选的实施方式对本发明进行描述。但是，本发明并不限于上述实施方式，本领域技术人员可以进行各种修改和变化，而不偏离本发明的精神。因此，本发明的保护范围不限定在具体的说明书的范围内，而是由随附的权利要求书以及本发明的技术要领来限定。
产业实用性
如上所述，本发明适用于使用钛电极、陶瓷电极或电极阵列(electrodearray)的电化学水处理设备，以除去废水或脏水中含有的氨型氮、亚硝态氮、硝态氮等的总氮(TN)成分；BOD(生物需氧)和COD(化学需氧)诱导成分的有机物质；和氰。

Claims (17)

1.一种电化学水处理设备，该设备包括：
废水收集槽，该废水收集槽用来容纳废水；
废水贮水槽，该废水贮水槽用来控制由所述废水收集槽提供的废水的氢离子浓度、电导率和流量；
电解液储罐，该电解液储罐用来为废水提供电解液以使所述废水贮水槽中的废水的电导率达到能够进行电解的电导率；
氢离子浓度调节剂储罐，该氢离子浓度调节剂储罐为所述废水贮水槽中的废水提供氢离子浓度调节剂；
电解槽，该电解槽包括阳极板、阴极板、以及设置在所述阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过所述阳极板和阴极板流动，所述电解槽对所述废水贮水槽提供的废水进行电解；以及
控制器，该控制器用来获取废水状态，控制所述废水收集槽的水位，控制所述废水贮水槽中的废水的氢离子浓度、电导率和流量，并控制所述电解槽的水位，并且所述控制器与所述阳极板和阴极板连接，从而对电解进行控制，
其中，所述电解槽中的多个电极由陶瓷电极形成，并且各个电极的形状为选自珠形、圆柱形、椭圆形、四角椎形、六面体形中的一种，且废水流经在所述多个陶瓷电极之间形成的空隙。
2.根据权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，所述电解槽中的多个电极包括：
珠状的多个陶瓷电极；
框架，所述多个陶瓷电极以单层的形式填充在该框架内；以及
与所述框架连接的电极阵列，该电极阵列包括将所述多个陶瓷电极固定的固定网，以使所述多个陶瓷电极不发生脱落。
3.根据权利要求2所述的电化学水处理设备，其中，所述框架和所述固定网由选自如下材料中的任意一种形成：聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂。
4.根据权利要求2所述的电化学水处理设备，其中，在所述框架的外侧上形成有向外突出的固定凸起和与该固定凸起相对应的固定凹槽，从而将所述框架与相邻的另一个框架连接，并且通过所述固定凸起和固定凹槽来连接多个电极阵列。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电化学水处理设备，其中，每个陶瓷电极包括：
陶瓷基材；和
涂层，该涂层由Ir化合物、Ru化合物和Sn化合物作为主要成分形成在所述陶瓷基材的表面上，除了所述主要成分之外，所述涂层还含有选自Ti化合物、Mo化合物、Ta化合物和Zr化合物中的至少一种化合物。
6.根据权利要求5所述的电化学水处理设备，其中，所述涂层的每种元素的化合物均为氯化物。
7.根据权利要求5所述的电化学水处理设备，其中，所述涂层的厚度为3-10微米。
8.根据权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，该设备还包括电流方向转换器，该电流方向转换器周期性地改变电流方向，从而将沉积在阴极板上的外来物质除去。
9.根据权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，该设备还包括选自电絮凝装置、沉淀装置和过滤装置中的至少一种，以在废水流入所述电解槽之前除去废水中存在的固体物质。
10.根据权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，所述废水贮水槽中加入选自NaCl、NaOCl、Ca(OH)2和Ca(ClO)2中的至少一种，以控制废水的电导率并对氟进行处理。
11.根据权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，该设备还包括整流器，该整流器能通过根据施加的电压和电流设定的低/高值来控制所述电化学水处理设备的运行开/关，以保证所述电化学水处理设备的稳定性。
12.一种电化学水处理方法，该方法包括：
（a）通过向初始废水中加入NaCl或NaOCl以促进电解，从而控制电导率并除去所述初始废水中含有的不可降解的有机物质的预处理的过程；
（b）对经过所述预处理的过程（a）后的废水进行电导率控制的过程；
（c）向经过所述电导率控制的过程（b）后的废水中加入氢离子浓度调节剂的过程，从而控制氢离子浓度；
（d）用电解装置将经过所述加入氢离子浓度调节剂的过程（c）后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板、阴极板、以及设置在所述阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过所述阳极板和阴极板流动；以及
（e）在排放经过所述废水电解的过程（d）后的废水之前进行后处理的后处理过程。
13.一种电化学水处理方法，该方法包括：
（a）通过向初始废水中加入凝结剂和聚合物以促进电解，从而除去初始废水中含有的悬浮固体和溶解固体的预处理的过程；
（b）对经过所述预处理的过程（a）后的废水进行电导率控制的过程；
（c）向经过所述电导率控制的过程（b）后的废水中加入氢离子浓度调节剂的过程，从而控制氢离子浓度；
（d）用电解装置将经过所述加入氢离子浓度调节剂的过程（c）后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板、阴极板、以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过该阳极板和阴极板流动；以及
（e）在排放经过所述废水电解的过程（d）后的废水之前进行后处理的后处理过程，该后处理过程包括将该废水过滤以除去淤泥的过程，控制氢离子浓度的过程，供入空气进行曝气的过程和除去其它残留的气味和氯的过程。
14.一种电化学水处理方法，该方法包括：
（a）对初始废水进行物理处理或化学处理以促进电解的预处理的过程；
其中，所述物理处理通过选自以下过程中的一种进行：筛选过程、过滤过程和重力沉淀过程，
其中，所述化学处理通过选自以下过程中的一种进行：除去不能被物理处理过程除去的颗粒物质和电解抑制剂氟的过程、控制电解的电导率的过程，酸处理过程，碱处理过程，化学沉积过程和使用NaCl、NaOCl、Ca(ClO)2和Ca(OH)2的化学处理过程；
（b）对经过所述预处理的过程（a）后的废水进行电导率控制的过程；
（c）向经过所述电导率控制的过程（b）后的废水中加入氢离子浓度调节剂的过程，从而控制氢离子浓度；
（d）用电解装置将经过所述加入氢离子浓度调节剂的过程（c）后的废水电解的过程，所述电解装置包括阳极板、阴极板、以及设置在该阳极板和阴极板之间用作带电体的多个电极，当向所述阳极板和阴极板通电时，阳极直流电流和阴极直流电流分别通过该阳极板和阴极板流动；以及
（e）在排放经过所述废水电解的过程（d）后的废水之前进行后处理的后处理过程，该后处理过程包括将该废水过滤以除去淤泥的过程，供入空气进行曝气的过程和除去其它残留的气味和氯的过程。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的电化学水处理方法，其中，所述多个电极各自由板状的陶瓷电极形成，每个所述板状电极的一端均设置为与所述电解槽的一个内表面紧密接触并彼此交错相对位于与废水流相反的方向的状态，从而形成Z字形的水流路径。
16.根据权利要求12-14中任意一项所述的电化学水处理方法，其中，所述电极由陶瓷电极形成，且各个所述电极形成的形状为选自珠形、圆柱形、椭圆形、四角椎形、六面体形中的一种，并且废水流经在该多个陶瓷电极之间形成的空隙。
17.根据权利要求12-14中任意一项所述的电化学水处理方法，其中，所述多个电极包括：
珠形的多个陶瓷电极；
框架，所述多个陶瓷电极以单层的形式填充在该框架内；以及
与所述框架连接的电极阵列，该电极阵列包括将所述多个陶瓷电极固定的固定网，以使所述多个陶瓷电极不发生脱落。
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