CN102910768A - 一种多级流道式废水处理装置及废水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级流道式废水处理装置及废水处理方法。该装置针对大规模工业化生产实际，采用电化学氧化技术+催化技术+分离技术相结合的办法来处理焦化废水（或其它有机废水），可以有效、彻底地去除大量外排的焦化废水（或其它有机废水）中的氨氮、酚、氰等各种有机污染物，使处理后排放水得到充分净化，达到国家严格排放标准。另外，该方法相比普通化学氧化法及生化法可大大降低处理成本，操作简单、且可循环运行，具有很大的实际应用价值。

Description

一种多级流道式废水处理装置及废水处理方法

技术领域

   本发明属于废水处理技术领域，涉及废水中有机污染物降解工艺，具体涉及一种多级流道式废水处理装置及废水处理方法。

背景技术

焦化废水是煤制焦炭、煤气净化及焦化产品回收过程中产生的废水。化学成分十分复杂，含有大量氨氮、硫化物、氰化物以及多种有生物毒性的有机污染物，色度高、毒性大并且难被生物降解。目前，国内外各个国家对焦化废水的处理都面临严峻的问题，处理难度大，出水水质很难达标已成为困扰焦化废水处理行业几十年来的一大难题。

近年来，有不少发明者通过独创设计、改进流程等研制出了各种废水处理装置和技术，不断地有新的方法和技术用于处理焦化废水，但各有利弊，出水的COD、氨氮和色度仍没有满意的效果，很难达到国家排放标准。在目前的焦化废水的处理工艺中，所用设备及处理方法要么占地面积大，要么操作复杂、处理效率低、能耗高，要么成本高、有二次污染或综合回收利用效果差，如：生物氧化法虽然成本低，但占地面积大，且出水的COD和氨氮浓度较高，很难达标排放；活性炭吸附法因其具有丰富的孔径分布和很大的比表面积，有很强的吸附能力，虽能较好地除去COD，但存在容易饱和、出水中氨氮浓度偏高，而且还存在吸附剂的再生困难和二次污染的问题；光催化氧化法虽能降解难以生物降解的有机物，但操作复杂、处理效率很低、能耗高、离实际应用距离大；另外，近年有学者提出的电化学氧化技术因其能产生强氧化性且工艺简单、无二次污染受到广泛关注，但其在应用中有一定的局限性：电极种类不多，尤其是缺少高效廉价的电极，并且电极的寿命不长，能耗大，成本高。

本申请人曾研究获得了一种水处理用油水渣分离装置，并申请了中国实用新型专利（公告号CN202460199U）。该发明装置采用交错斜板、中央隔板、锅底沉渣、三层滤网分离等方案来实现动态水处理自动油水渣分离，该装置是一个垂直放置的立式罐状密封容器，容器上部为矩形、下部为倒方锥状；矩形壳体内有隔板将矩形壳体分为大小不同的两个内腔，较大内腔中有排油口、废水入口、及交错布置的矩形斜板；较小内腔中分别有清水出口、矩形密孔滤网板、矩形中孔滤网板及矩形粗孔滤网板；倒方锥状的罐底槽体下端连接有排渣口。该装置只能用于油水渣分离，却无法对有机废水进行前期降解处理。

发明内容

   本发明针对背景技术中所提出的问题及目前已有技术的不足，同时面向大规模工业化生产实际，提供一种多级流道式废水处理装置及废水处理方法。本发明采用多级、流道式、电化学氧化技术+催化技术+分离技术相结合的办法来处理大量外排的焦化废水（或其它有机废水），最大限度地降低大量外排的焦化废水（或其它有机废水）中的COD、氨氮和色度，并且所述装置及技术的降解效果好，设备制作简单、容易维护，处理效率高、运行费用低，同时可连续高效地循环运转。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种多级流道式废水处理装置，该装置包含一个敞开式流道或沟道，流道或沟道中依次设有多级处理单元，废水引入后流经各处理单元时被降解、分离；

所述处理单元由阳极、阴极、油水渣分离器构成；

所述阳极为塑料或难溶金属（如钛篮）制作的网状篮或框，里面填充有大颗粒状的活性炭与催化剂，填充方法为活性炭与催化剂颗粒互混或者把活性炭与催化剂分层设置，活性炭篮中间由碳棒或金属导线引出连接至电源正极；所述催化剂是由过渡金属或过渡金属与其氧化物的混合物组成；

所述阴极由不锈钢板或网制作而成，由导线连接至电源负极； 

所述油水渣分离器为任何能够把油、水、渣分离的装置。如：可设置其结构原理类似本发明人先前获得的中国实用新型专利（公告号CN202460199U）公开的水处理用油水渣分离器（见附图2）。

优选地，所述的多级流道式废水处理装置，其中催化剂中所述的过渡金属为铁、镀铂黑的铁、铜、锰、镍、钛、钒、钼、钴、铂、银；过渡金属氧化物为铁、铜、锰、镍、钛、钒、钼、钴等的氧化物。

优选地，所述的多级流道式废水处理装置，其中阳极中的催化剂含量为活性炭质量的1%～20%。

优选地，所述的多级流道式废水处理装置，其中所述活性炭颗粒的粒径为5～60目。

优选地，所述的多级流道式废水处理装置，其中的流道为平面单层或立体多层。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种采用多级流道式废水处理装置处理废水的方法，将废水引入多级流道式废水处理装置被降解、分离；所述多级流道式废水处理装置的结构同实现本发明第一个目的的技术方案。根据实际情况（比如废水处理量、流速等）来调节油水渣分离器中交错斜板、中央隔板、三层滤网的大小以及废水入口及出口的大小，由此自动把漂浮油渣与沉渣、清水分离，达到处理分离的效果。

优选地，所述采用多级流道式废水处理装置处理废水的方法，其中所述处理单元中的阴极与阳极间施加直流电，电流密度为5mA/dm²～10A/dm²。

优选地，所述采用多级流道式废水处理装置处理废水的方法，其中所述处理单元中的阴极和阳极两部件，它们的截面积充满流道截面积的30～90%。

阳极的体积按照处理的废水的浓度由用户来确定，阴极可以是一层或多层不锈钢网。

所述的处理单元“阳极+阴极+油水渣分离器”中的每一个部件都可以从敞开式的流道（或沟道）中取出,随时进行维护。

所述废水为焦化废水或其它有机废水。

  本发明在该流道（或沟道）装置的“基本单元”中是通过多种反应过程协同作用氧化降解并去除有机污染物的。其废水处理原理和技术效果如下：

  （1）电极氧化还原过程：

阳极：活性炭将有机污染物浓缩、吸附到其表面（比表面积非常大的阳极表面），在催化剂催化下这些有机污染物被电化学氧化降解。其原理是在电解过程中电极表面产生了一系列中间反应产物，如O₃，H₂O₂、自由基·OH等，都具有极强的氧化性，在催化剂的作用下，它们能把废水中的几乎所有有机物（包括苯环）氧化成有机酸或二氧化碳和水。

另外，含有N、S、P、As等其它杂原子的有机物，也会被氧化降解为有机酸、无机酸和N₂（氮气）。

其次，在阳极电化学氧化过程中，催化剂中的部分金属能被氧化为Mⁿ⁺，Mⁿ⁺可以和一些有机酸、无机酸反应生成沉淀物，把污染物去除。

    阴极：一些带阳离子电荷的有机污染物被还原成不带电荷的有机物，然后作为中性有机物由废水的流动（搅拌）被带向活性炭阳极端，然后也在阳极被吸附和催化氧化降解。

  （2）配合物的形成原理：

除了[0007]的氧化降解原理外，一些难被氧化降解的含有N、S、O、P、As等原子的有机物，N、S、O、P、As原子上的未成键孤对电子能与Mⁿ⁺等过渡金属离子上的外层空轨道形成配位键，形成结构复杂的大分子配合物，降低了水溶性，最后也被得以沉淀去除。

  （3）自动沉淀分离原理：电解后水解生成的M（OH）_n具有絮凝作用，也可成为高效絮凝剂，有很好的脱色和吸附能力，可把污染物混凝沉淀，然后流经本发明流道中各处理单元的“油水渣分离器”时，被分离掉。

  本发明的优点：

（1）如上所述的处理装置，阳极活性炭篮中活性炭可以起到吸附浓缩有机物的作用，将有机物在阳极通过催化剂的作用，直接进行氧化降解；COD、氨氮和色度都得到了有效的去除，而且工艺操作简单，电极材料成本低；另外催化剂在催化过程中能被有效地吸附在活性炭上，避免了其快速流失。该方法与单独的电化学氧化反应技术相比，大大增加了阳极氧化面积和催化效果，由此提高了电流效率，可因此大大降低电耗、缩短反应时间，提高处理效率和降低处理成本。

  （2）废水在“基本单元”中的阳极+阴极上通过电化学催化降解，废水中的漂浮油渣、沉渣、清水一起流入“油水渣分离器”被分离开来，在该“基本单元”中被自动分离掉漂浮油渣与沉渣后的净化水，自然流入下一个处理“基本单元”进行下一级的处理。这样每一个“基本单元”中的流入废水都要比其上一级的流入废水更洁净，这样不断往复、多级处理下去，最后能把极浓的废水都彻底处理干净。

  （3）流道（或沟道）装置的“基本单元”中的阳极（“活性炭阳极篮”）经过一段时间的水处理后也许会被堵塞（特别是前面几级的：“基本单元”）；这时，我们可以在被堵塞的“基本单元”中的阳极+阴极端施加高度电压，使其产生大量气泡（电解水），把堵塞的“活性炭阳极篮”冲洗，使该“活性炭阳极篮”又能重复利用。

另外，因为有电场力度强吸附作用，上述“活性炭阳极篮”的体积设计，没有必要把流道（或沟道）堵的太严密，以免堵塞流道（或沟道），便于废水能够流动。

总之，本发明的流道（或沟道）装置的“基本单元”中的阳极（“活性炭阳极篮”）、阴极及“油水渣分离器”中的各部件只需简单维护就行，没有必要经常更换。

  （4）被氧化降解分离出来的漂浮油渣、沉渣，可以通过焚烧后，余下的金属氧化物余渣可被再用于催化剂中，这样既能节约成本又能达到固体垃圾的循环回收利用。

附图说明

图1为本发明的多级流道式废水处理装置示意图；其中：

10—填充活性炭和催化剂层的活性炭篮阳极，11—不锈钢网阴极，12—油水渣分离器。

    图2为图1中的油水渣分离器的原理示意图，其中：

1—排渣口，2—废水入口，3—斜板，4—清水出口，5—过滤网板，6—隔板，7—排油口，8—档板，9—流道或沟道壁。

具体实施方式

    本发明处理焦化废水（或其它有机废水）时，让大批量的焦化废水（或其它有机废水）流入上述敞开式的流道（或沟道）装置中，废水在流道（或沟道）中流过多个由“阳极+阴极+油水渣分离器”组成的电化学催化氧化降解“基本单元”，每个“基本单元”的阳极与阴极都同时通有电流，阳极是“活性炭阳极篮”，阴极是不锈钢板（网）；电流密度设在5mA/dm²～10A/dm²（每平方分米5毫安至10安培）。

  流道（或沟道）装置中的“基本单元”数量（即：多级处理的“级”数）反应了废水流过流道（或沟道）被处理的时间，它们是根据所处理的焦化废水（或其它有机废水）的污染物浓度与处理量来设置的，可以为1～无数个。

每个“基本单元”的阳极（“活性炭阳极篮”）、阴极、油水渣分离器的体积大小，也是根据所处理的焦化废水（或其它有机废水）的污染物排放量与浓度来设置。

上述参数的设置要求是：能使废水在流出该流道（或沟道）装置时，其被处理后净化水能达到国家严格的排放标准的要求。

    流道（或沟道）的形状设计可以根据废水处理工程的实际场地，设计为：平面单层或立体多层，圆形或方形。可用原有的处理池改装。

本发明的废水处理流程为：待处理高浓度焦化废水（如：COD为3400mg/L）→流道中第一个由“阳极+阴极+油水渣分离器”组成的电化学催化氧化降解“基本单元” →第二个“基本单元”→第三个“基本单元”→…→最后一个“基本单元” →处理后净化水（处理后COD降至20mg/L以下）。

以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

   实施例

设计一种多级流道式废水处理装置，该装置包含一个敞开式沟道，沟道中依次设有多级处理单元，废水引入后流经各处理单元时被降解、分离；所述处理单元由“阳极10、阴极11、油水渣分离器12”构成，（1）阳极10为填充有大颗粒状的活性炭与催化剂的尼龙网框，其中催化剂是由镀铂黑的铁钉与废弃的小铁块（体积大小不超过1cm³）组成，其含量为活性炭质量的15%，活性炭颗粒粒径为30目），中间由碳棒或金属引出的导线连接至电源正极；（2）阴极11由不锈钢网制作而成，连接至电源负极（参见附图1）。（3）油水渣分离器12按照中国实用新型专利（公告号CN202460199U）的原理设计，没有外壳，外壳一部分为本沟道壁，另一部分为挡板（如：与流体方向一致的部分为两块挡板）。具体根据图2所示，油水渣分离器包括两块挡板8、多个斜板3、一块隔板6、三块滤网板5，以及排油口7、排渣口1、废水入口2、清水出口4，所述挡板8与流道或沟道壁9形成一个上部为矩形、下部为倒方锥状的封闭空间，矩形空间内有一块自上而下垂直放置的隔板6将矩形空间分为容积大小不同的两个内腔，较大内腔的容积是较小内腔容积的1.5-3倍；较大内腔中，自上而下分别有排油口7、废水入口2，还有至少六块交错排列的、分别固连在其中一块挡板8及隔板6上的矩形斜板3；较小内腔中，自上而下分别有清水出口4、固连在另一块挡板8及隔板6之间的密孔过滤网板5、中孔过滤网板5及粗孔过滤网板5；倒方锥状空间下端通过流道或沟道壁9形成排渣口1。

    将流速为10吨/天的某焦化厂的焦化废水（COD为3400mg/L，偏碱性）引入上述多级沟道式废水处理装置中，本沟道的截面积为2M²,本沟道装置中的“基本单元”的体积大小正好能放入沟道中；本沟道装置的长度：按照废水的流速，在保证废水在沟道装置中的最小反应时间为5h以上的情况下，来设置“基本单元”数量（本实施例为30个“基本单元”）， 在每一个“基本单元”中的阴极与阳极电极间都通过直流电源施加恒定电流（电流密度约250mA/ dm²，电压约4～5v），经过该流道30级“基本单元”处理并逐级分离出来的清水，经检测该清水中的COD已降至20mg/L。

Claims (8)

1.一种多级流道式废水处理装置，其特征在于：该装置包含一个敞开式流道或沟道，流道或沟道中依次设有多级处理的“基本单元”，废水引入后流经各处理“基本单元”时被逐级降解与分离，最后达到彻底净化；

所述“基本单元”由阳极、阴极、油水渣分离器构成；

所述阳极为塑料或难溶金属（如钛篮）制作的网状篮或框，里面填充有大颗粒状的活性炭与催化剂，填充方法为活性炭与催化剂颗粒互混或者把活性炭与催化剂分层设置，活性炭篮中间由碳棒或金属导线引出连接至电源正极；所述催化剂是由过渡金属或过渡金属与其氧化物的混合物组成；

所述阴极由不锈钢板或网制作而成，由导线连接至电源负极；

所述油水渣分离器为任何能够把油、水、渣分离的装置。

2.根据权利要求1所述的多级流道式废水处理装置，其特征在于：催化剂中所述的过渡金属为铁、镀铂黑的铁、铜、锰、镍、钛、钒、钼、钴、铂、银；过渡金属氧化物为铁、铜、锰、镍、钛、钒、钼、钴等的氧化物。

3.根据权利要求1所述的多级流道式废水处理装置，其特征在于：阳极中的催化剂含量为活性炭质量的1%～20%，所述活性炭颗粒的粒径为5～60目。

4.根据权利要求1或2或3所述的多级流道式废水处理装置，其特征在于：所述流道或沟道为平面单层或立体多层。

5.一种采用权利要求1或2或3所述多级流道式废水处理装置处理废水的方法，其特征在于：废水被引入该多级流道式废水处理装置中通过装置中设置的多个“基本单元”被逐级降解与分离，最后达到彻底净化的目的。

6.根据权利要求5所述处理废水的方法，其特征在于：所述处理“基本单元”中的阴极与阳极间施加直流电，电流密度为5mA/dm²～10A/dm²。

7.根据权利要求5所述处理废水的方法，其特征在于：所述处理“基本单元”中的阴极和阳极两部件，它们的截面积充满流道截面积的30～90%。

8.根据权利要求5所述处理废水的方法，其特征在于：所述废水为焦化废水或其它有机废水。

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