CN102838189B - 一种类电芬顿多功能处理船舶压载水的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，该装置包括类电芬顿反应器和沉淀澄清池，所述类电芬顿反应器和沉淀澄清池通过管路连接。本发明还提供一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的方法。实施本发明具有以下有益效果：本发明与常规电芬顿法相比，直接以废水作为处理对象，不调节pH值，操作简单、方便；本发明将自由基催化氧化、电解氧化、电絮凝与吸附等多作用有效耦合一体，实现不同类型污染物的共去除目的，适应性强，适合复杂水环境的污染治理，污染治理效果好；本发明借助原海水弱碱性条件形成絮凝作用产生絮凝粒子，增加了接触面积，加速传质，提高·OH的生成效率。

Description

一种类电芬顿多功能处理船舶压载水的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种处理船舶压载水中藻类及其代谢毒素等污染物的类电芬顿装置与方法，更具体地说，涉及一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置与方法。

背景技术

近年来，我国沿海岸赤潮越来越严重，其重要原因之一是外来生存能力较强的赤潮生物的危害。船舶压载水的排放是导致沿岸海域外来生物入侵的主要原因之一。船舶压载水藻类等生物污染问题被公认为是目前的主要环境污染问题。海藻类浮游生物引发的海洋环境及安全问题的解决主要包括两大方面：一是藻细胞的灭活及分离去除，二是胞外及胞内分泌物的降解。藻细胞的分离去除和水中溶解性污染物的降解在水处理中的特点不同，因此细胞的灭活分离和代谢物的降解一般难于同时实现，而且在细胞灭活的同时往往会引发大量的胞内代谢物流出，由此产生更严重的水质毒素污染问题。因此，如何兼顾灭活并分离藻细胞和降解藻类代谢毒素类污染物是海洋污染领域面临的一大难题。

电芬顿技术作为一种高级氧化技术近年来在水处理领域得到广泛关注。电芬顿的作用主要是酸性条件下产生芬顿试剂并引发自由基反应的高级氧化作用，对水中的很多溶解性污染物具有高效的降解效果。电芬顿技术对水中污染物降解效率高、操作简单，经济方便。但酸性条件的要求限制了电芬顿技术在很多处理体系中的应用，且单一的氧化作用对很多复杂的污染问题的解决也存在技术上的不足。目前船舶压载水的电化学处理技术主要采用电解法，依靠电解海水产生次氯酸、次氯酸钠等将微生物体内的生物酶氧化分解致使其失效，或者作用于微生物的细胞壁，使其通透性增大，导致细胞因细胞质流出而死亡。该电解处理技术最直接的影响是大量胞内物质流出，导致海水中生物毒素的增加。因此开发一种不需添加任何化学药剂、适用水质范围广、多作用协同耦合、对复杂污染物去除效果高、成本低、可操作性强的类电芬顿水处理技术和装置意义重大。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置与方法。

一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，包括类电芬顿反应器和沉淀澄清池，所述类电芬顿反应器和所述沉淀澄清池通过管路连接；所述类电芬顿反应器包括反应池、直流稳压电源、曝气泵、曝气装置，以及至少一组阴阳电极组，反应池的一侧设有进水口，进水口与进水管连接，进水管直接接入船舶压载水，反应池的另一侧设有出水口，所述出水口与出水管连接，曝气装置与曝气泵的出气口连接，且曝气装置布置于阴阳电极组的阴极，阴阳电极组设置于反应池中，阴阳电极组的阳极与直流稳压电源的正极连接，阴阳电极组的阴极与直流稳压电源的负极连接，当装置仅包括一组阴阳电极组时，阴阳电极组的阳极材料为铁，当装置包括两组以上阴阳电极组时，每组阴阳电极组并联设置，至少一组阴阳电极组的阳极材料为铁，所述沉淀澄清池的一侧设置有沉淀澄清池出水口。

优选地，当装置包括两组以上阴阳电极组时，每组阴阳电极组相互之间的阴极和阳极交替设置。

优选地，沉淀澄清池的一侧设置有布水装置，布水装置与反应池通过出水管连接。

优选地，相邻电极间的距离为4-8cm。

优选地，当装置包括两组以上阴阳电极组时，相邻电极间的距离相等。

优选地，进水口设置于反应池一侧的下部，出水口设置于反应池另一侧的上部。

本发明还提供一种利用类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置处理船舶压载水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、船舶压载水由进水管直接进入类电芬顿反应器的反应池；

S2、接通电源，开启曝气泵；

S3、在包括一组阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，铁阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用，同时阳极产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺在原水pH条件下形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

在包括两组以上的阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，阳极材料为铁的阴阳电极组的阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在各阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用；阴阳电极组的阴极产生的未与阳极产生的Fe²⁺反应的H₂O₂能够加速电极组的Fenton反应速率，同时电极组的阳极材料为钛或钛合金阳极进行辅助催化氧化，使船舶压载水中的大量Cl^-被电解生成具有强氧化性的ClO^-或高氯酸，杀灭藻类活性细胞，并降解藻类活性细胞分泌的代谢物；同时，电极组中产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

S4、反应池中处理后的水通过出水管经布水装置进入沉淀澄清池中进行沉淀处理；

S5、在沉淀澄清池中经过沉淀处理后的上清液经沉淀澄清池出水口排出。

实施本发明的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置与方法，具有以下有益效果：

（1）、本发明与常规电芬顿法相比，直接以废水作为处理对象，不调节pH值，操作简单、方便。

（2）、本发明将自由基催化氧化、电解氧化、电絮凝与吸附等多作用有效耦合一体，实现不同类型污染物的共去除目的，适应性强，适合复杂水环境的污染治理，污染治理效果好。

（3）、本发明借助原海水弱碱性条件形成絮凝作用产生絮凝粒子，增加了接触面积，加速传质，提高·OH的生成效率。

（4）、本发明采用电极组并联设计，提高了处理装置对水质水量的适应性和处理效果。当处理水量大时，可增加并联电极组。

（5）、本发明可间歇操作亦可连续操作，既适合小水量的批次处理，又适合连续处理，可操作性强。

（6）、本发明工艺先进、运行稳定、操作简单，设备易于管理操作，具有较强的实用性、经济性。

附图说明

图1是本发明的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置的一实施例的结构示意图。

图中：1、反应池；2、沉淀澄清池；3、直流稳压电源；4、进水口；5、出水口；6、曝气装置；7、曝气泵；8、布水装置；9、反应器；10、沉淀澄清池出水口；11、阴阳电极组。

具体实施方式

本发明提供一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置与方法。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，包括类电芬顿反应器和沉淀澄清池，所述类电芬顿反应器和所述沉淀澄清池通过管路连接；所述类电芬顿反应器包括反应池、直流稳压电源、曝气泵、曝气装置，以及至少一组阴阳电极组，反应池的一侧设有进水口，进水口与进水管连接，进水管直接接入船舶压载水，反应池的另一侧设有出水口，所述出水口与出水管连接，曝气装置与曝气泵的出气口连接，且曝气装置布置于阴阳电极组的阴极，阴阳电极组设置于反应池中，阴阳电极组的阳极与直流稳压电源的正极连接，阴阳电极组的阴极与直流稳压电源的负极连接，当装置仅包括一组阴阳电极组时，阴阳电极组的阳极材料为铁，当装置包括两组以上阴阳电极组时，每组阴阳电极组并联设置，至少一组阴阳电极组的阳极材料为铁，所述沉淀澄清池的一侧设置有沉淀澄清池出水口。

图1是本发明的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置的一实施例的结构示意图。如图所示，装置包括类电芬顿反应器9和沉淀澄清池2，所述类电芬顿反应器9和所述沉淀澄清池2通过管路连接；所述类电芬顿反应器9包括反应池1、直流稳压电源3、曝气泵7、曝气装置6，以及两组阴阳电极组（阴阳电极组I和阴阳电极组II），反应池1的一侧的下部设有进水口4，进水口4与进水管连接，进水管直接接入船舶压载水，反应池1的另一侧的上部设有出水口5，所述出水口5与出水管连接，曝气装置6与曝气泵7的出气口连接，且曝气装置6布置于阴阳电极组I和阴阳电极组II的阴极，阴阳电极组I和阴阳电极组II并联设置于反应池1中，并且阴阳电极组I和阴阳电极组II相互之间的阴极和阳极交替设置，阴阳电极组的阳极与直流稳压电源3的正极连接，阴阳电极组的阴极与直流稳压电源3的负极连接，沉淀澄清池的一侧设置有布水装置8，布水装置8与反应池通过出水管连接，沉淀澄清池的一侧设置有沉淀澄清池出水口10。阴阳电极组阴极和阳极交替设置，即阴阳电极组I和阴阳电极组II的阴阳极位置设置顺序依次为：阴阳电极组I的阴极、阴阳电极组I的阳极、阴阳电极组II的阴极、阴阳电极组II的阳极，或者阴阳电极组I的阳极、阴阳电极组I的阴极、阴阳电极组II的阳极、阴阳电极组II的阴极。根据需要，本发明的装置可以包括更多组阴阳电极组。当包括多组阴阳电极组时，各组阴阳电极组并联设置，并且每组阴阳电极组阴极和阳极交替设置，即依次顺序为：阴阳电极组I的阴极、阴阳电极组I的阳极、阴阳电极组II的阴极、阴阳电极组II的阳极……阴阳电极组N的阴极、阴阳电极组N的阳极，或者阴阳电极组I的阳极、阴阳电极组I的阴极、阴阳电极组II的阳极、阴阳电极组II的阴极……阴阳电极组N的阳极、阴阳电极组N的阴极。

在本实施例中，阴阳电极组I的阳极材料为铁，阴阳电极组II的阳极材料为钛。在电解作用中，阳极材料为铁的阴阳电极组的阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在各阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用；阴阳电极组的阴极产生的未与阳极产生的Fe²⁺反应的H₂O₂能够加速电极组的Fenton反应速率，同时电极组的阳极材料为锡锑阳极通过电子空穴产生·OH，并进行辅助催化氧化，使船舶压载水中的大量Cl^-被电解生成具有强氧化性的ClO^-或高氯酸，杀灭藻类活性细胞，并降解藻类活性细胞分泌的代谢物；同时，电极组中产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成。

各相邻电极间的距离为4-8cm时各电极间的反应更充分，反应效果更好。当各相邻电极间的距离相等时，各电极间的反应最充分，反应效果最好。

反应池上设置的进水口也可以设置在反应池一侧的上部或中部，反应池上设置的出水口也可以设置在反应池一侧的中部或下部。但为了进行连续操作更方便，最好将进水口设置于反应池一侧的下部，将出水口设置于反应池一侧的上部。

装置的沉淀澄清池中也可以不设置布水装置。但为了进行连续操作的方便，以及稳定沉淀澄清池中的进水，最好设置布水装置。

利用本发明的装置处理船舶压载水的方法，包括如下步骤：

S1、船舶压载水由进水管直接进入类电芬顿反应器的反应池；

S2、接通电源，开启曝气泵；

S3、在包括一组阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，铁阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用，阳极产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

在包括两组以上的阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，阳极材料为铁的阴阳电极组的阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在各阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用；阴阳电极组的阴极产生的未与阳极产生的Fe²⁺反应的H₂O₂能够加速电极组的Fenton反应速率，同时电极组的阳极材料为钛或锡锑等的阳极通过电子空穴产生·OH，并进行辅助催化氧化，使船舶压载水中的大量Cl^-被电解生成具有强氧化性的ClO^-或高氯酸，杀灭藻类活性细胞，并降解藻类活性细胞分泌的代谢物；同时，电极组中产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

S4、反应池中处理后的水通过出水管经布水装置进入沉淀澄清池中进行沉淀处理；

S5、在沉淀澄清池中经过沉淀处理后的上清液经沉淀澄清池出水口排出。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

材料为铁的阳极析出的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂作用产生·OH，其他阳极通过电子空穴产生·OH并起到一定的辅助催化作用，同时海水中的大量Cl^-被电解生成ClO^-，整体具有强氧化性，能直接杀灭藻类等活性细胞并同时降解其分泌的藻毒素等代谢物；同时，原水pH值一般在8左右，此时水中生成的Fe²⁺和随后被氧化形成的Fe³⁺等能够形成中间多羟基络合物，产生一定的絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体等凝聚形成絮凝粒子，并同时吸附水中的代谢污染物；形成的絮凝粒子增加了气液的接触面积，加速传质，促进·OH的生成；调整一定的停留时间，处理后的水经出水管进入平流式沉淀池进行沉淀，上清液经溢流出水口最终排出。在反应中通过调节电流密度、曝气量、停留时间等条件，实现自由基氧化、电解氧化、电絮凝及吸附的有机协同耦合，实现有效灭活并分离藻体同时降解代谢污染物。

本发明所述的各装置的尺寸、流量等参数根据船舶类型、载重量等条件确定。

利用本发明的装置和方法治理水污染的效果明显，下面通过一个实施例来加以证明。

反应目标溶液体积：单电极组1000mL，双电极组2500mL；

反应目标溶液温度：25°C；

反应目标溶液藻细胞浓度约为(2.8-7.3)×10⁵个/mL；

反应目标溶液藻类代谢污染物（COD_Mn）初始浓度为12.2-16.7mg/L；

溶液初始pH值为8.3；

极板面积为27cm²；

分别为单组电极和双组电极，单组电极阳极为铁，双组电极阳极为铁和SnO₂-Sb，阴极为活性炭纤维，处理含藻海水，在不同操作电压和处理不同时间时，羟基的生成浓度、藻细胞的灭活率和代谢污染物的去除率情况见表一所示。

表一：类电芬顿处理过程中羟基的生成、藻类的灭活及代谢污染物的去除率。

从实施例可以看出，类电芬顿对藻类具有较高的没活率，同时对污染物具有较好的去除效果。在类电芬顿作用过程中有羟基和Fe³⁺产生，但羟基产生浓度与藻类的灭活率及污染物的去除率不成正比。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，包括类电芬顿反应器和沉淀澄清池，所述类电芬顿反应器和所述沉淀澄清池通过管路连接；所述类电芬顿反应器包括反应池、直流稳压电源、曝气泵、曝气装置，以及至少一组阴阳电极组，反应池的一侧设有进水口，进水口与进水管连接，进水管直接接入船舶压载水，反应池的另一侧设有出水口，所述出水口与出水管连接，曝气装置与曝气泵的出气口连接，且曝气装置布置于阴阳电极组的阴极，阴阳电极组设置于反应池中，阴阳电极组的阳极与直流稳压电源的正极连接，阴阳电极组的阴极与直流稳压电源的负极连接，当装置仅包括一组阴阳电极组时，阴阳电极组的阳极材料为铁，当装置包括两组以上阴阳电极组时，每组阴阳电极组并联设置，至少一组阴阳电极组的阳极材料为铁，所述沉淀澄清池的一侧设置有沉淀澄清池出水口。

2.根据权利要求1所述的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，当装置包括两组以上阴阳电极组时，每组阴阳电极组相互之间的阴极和阳极交替设置。

3.根据权利要求1所述的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，沉淀澄清池的一侧设置有布水装置，布水装置与反应池通过出水管连接。

4.根据权利要求1所述的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，相邻电极间的距离为4-8cm。

5.根据权利要求1所述的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，当装置包括两组以上阴阳电极组时，相邻电极间的距离相等。

6.根据权利要求1所述的类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置，其特征在于，进水口设置于反应池一侧的下部，出水口设置于反应池另一侧的上部。

7.一种利用类电芬顿多功能耦合一体化处理船舶压载水的装置处理船舶压载水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、船舶压载水由进水管直接进入类电芬顿反应器的反应池；

S2、接通电源，开启曝气泵；

S3、在包括一组阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，铁阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用，同时阳极产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺在原水pH条件下形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

在包括两组以上的阴阳电极组的装置中，反应池中的阴阳电极组在电解作用中，阳极材料为铁的阴阳电极组的阳极析出Fe²⁺，水中溶解氧在各阴极产生H₂O₂，阳极产生的Fe²⁺与阴极产生的H₂O₂相互发生Fenton反应产生·OH，发挥强氧化作用；阴阳电极组的阴极产生的未与阳极产生的Fe²⁺反应的H₂O₂能够加速电极组的Fenton反应速率，同时电极组的阳极材料为钛或钛合金阳极进行辅助催化氧化，使船舶压载水中的大量Cl^-被电解生成具有强氧化性的ClO^-或高氯酸，杀灭藻类活性细胞，并降解藻类活性细胞分泌的代谢物；同时，电极组中产生的Fe²⁺和Fe²⁺部分被氧化后形成的Fe³⁺形成中间多羟基络合物，产生絮凝作用，将藻类细胞和灭活残体凝聚形成絮凝粒子，并吸附水中的代谢污染物，絮凝粒子同时增加气液接触面积，促进·OH的生成；

S4、反应池中处理后的水通过出水管经布水装置进入沉淀澄清池中进行沉淀处理；

S5、在沉淀澄清池中经过沉淀处理后的上清液经沉淀澄清池出水口排出。

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