CN103130364A - 一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应器及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于重金属废水处理领域，具体提供了一种组合式电化学反应器及其处理方法。该反应器包括内部设有多块电解絮凝极板（1）的电解絮凝反应槽（2），其特征是，还包括电解氧化反应槽（8）；所述电解氧化反应槽（8）内安装有电解氧化阴极板（5）和电解氧化阳极板（7），且相邻的两块电解氧化阴极板（5）之间设有一块电解氧化阳极板（7），或者相邻的两块电解氧化阳极板（7）之间设有一块电解氧化阴极板（5）；所述电解氧化阴极板（5）和电解氧化阳极板（7）下方设有曝气管（10）。该电化学处理设备将电解絮凝和电解氧化结合，增强了絮凝效果，增大了絮体体积，便于后续处理，缩短了处理流程。

Description

一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应器及其处理方法

技术领域

本发明属于重金属废水处理领域，具体提供了一种组合式电化学反应器及其处理方法。 

背景技术

目前用于重金属废水处理的电化学设备一般都以电絮凝原理为主，处理设备中所用到的极板材料普遍为铁。这是因为：一方面铁极板在电场作用下溶出产生大量多价金属离子，这些多价金属离子水解形成微絮凝剂（多羟基化合物）对重金属离子具有较好的扑集固化作用，处理效果较好；另一方面，铁极板价格便宜，原材料易取得，加工难度小，是电化学处理设备较理想的极板材料之一。 

以铁作为极板的电絮凝设备处理效果有待进一步提高，处理出水还需要进行一系列后续处理过程才能达到排放要求。这是因为：一方面，铁极板在电场下溶出的多价金属离子仅为亚铁离子，从现场实际工程实践来看，亚铁离子的絮凝沉降功能较三价铁离子要差很多（铁离子与亚铁离子的溶度积常数相比要高数个数量级），处理出水必须要经过后续氧化处理过程（曝气氧化）才能满足要求，否则处理出水中将含有一定量的亚铁离子，出水色度较高，处理效果也达不到要求；另一方面，处理出水产生的亚铁微絮凝剂絮体小且松散（密实度不高），虽然对重金属的固化作用较好，但絮凝颗粒较难直接通过自然沉淀进行泥水分离而彻底去除重金属，仍然需要投加絮凝剂以促进泥水分离或者采用过滤技术保证处理出水效果。CN201010300368.1公开了一种电化学反应器，包括一个立方体状的槽体，槽体内在竖直方向上平行排列有若干块极板；槽体底部设有进水口，顶部设有出水口；其特征在于：槽体的长度与高度之比例在1∶2.5-20之间，极板的长度、高度和槽体的长度、高度相同。 

目前电化学处理设备的处理出水需要经过相对较长的后续处理流程才能达到处理要求，难以实现对传统化学法处理流程的完全简化，难以彻底避免药剂投加。。 

发明内容

本发明旨在解决上述设备在实际应用中存在的问题，提供一种结构更优的电化学处理设备。该电化学处理设备将电解絮凝和电解氧化结合，增强了絮凝效果，增大了絮体尺寸，便于后续处理，缩短了处理流程。 

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为： 

一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，包括内部设有多块电解絮凝极板的电解絮凝反应槽，还包括电解氧化反应槽；所述电解氧化反应槽内安装有电解氧化阴极板和电解氧化阳极板，且相邻的两块电解氧化阴极板之间设有一块电解氧化阳极板，或者相邻的两块电解氧化阳极板之间设有一块电解氧化阴极板；所述电解氧化阴极板和电解氧化阳极板下方设有曝气管；电解絮凝反应槽顶部与电解氧化反应槽底部连通，电解氧化反应槽顶部与出水槽连通。

所述电解絮凝极板优选为铁极板，采用复极式连接方式与电解絮凝电源连接，电解絮凝极板之间的间距为10~20mm，更优选为15mm。 

所述电解絮凝电源是输出为DC0~±36V；0~±8000A的电源（周期转换）。 

所述电解氧化阳极板优选为不锈钢负载TiO₂薄膜，电解氧化阴极板为铁极板，采用单级式连接方式与电解氧化电源连接，电解氧化阳极板与电解氧化阴极板之间的间距为50~100mm， 

所述电解氧化电源是输出为DC0~200V,， 0~800A的电源。

所述组合式电化学反应设备对重金属废水进行处理的方法，首先调节废水的pH值在7.5-8.0之间，然后控制电解絮凝极板之间的间距为10~20mm，电解絮凝电源的输出方式为恒流输出，电流控制为1000~5000A；并控制电解氧化阳极板与电解氧化阴极板之间的间距为50~100mm，电解氧化电源输出方式为恒压，电压为50V-200V；同时控制废水在电解絮凝槽与电解氧化槽内的水力停留时间之比为1︰1~3；控制电解氧化槽内曝气的强度为气水比1：1~1：5。 

所述废水在电解絮凝槽与电解氧化槽内的水力停留时间之比优选为1︰1~3，更优选为1︰2。 

本发明的原理是： 

本发明将电化学处理设备分成两级串联设计形成组合式电化学反应设备，其中第一级设计为电解絮凝反应，主要利用微絮凝剂对重金属离子进行捕获、固定及絮凝；第二级设计为电解氧化还原反应，利用电化学反应中的氧化还原反应对电解絮凝反应出水进行氧化处理，另一方面利用强电场的作用增加絮体的密实度，利用搅拌增加絮体的尺寸，提高处理出水的泥水分离性能。电解絮凝产生微絮凝剂，主要为亚铁离子的多羟基复合物；通过电解氧化过程将二价铁氧化为三价铁，该过程对微絮凝剂进行了二次活化，进一步的增强了处理效果。

本发明先进行电解絮凝，随后再进行电解氧化，进入电解氧化反应槽内的废水中存在大量亚铁离子，从而电解氧化过程得到进一步强化、处理效果更加理想，这是由于二价铁离子的存在有利于电解氧化反应过程中自由基的生成。 

电解氧化过程中的电场强度较强，在强电场的作用下，微絮凝剂絮体的密实度得到增强；同时，该阶段的曝气搅拌过程使得絮体的尺寸得到一定程度的增加，从而出水中絮体沉降性能加强，处理最终出水水质得到保障。 

电解絮凝所采用的极板为铁极板，采用复极式连接（阴极与阳极之间未直接与电源连接的极板数量为0~2块，优选为1块），极板的间距设置为10~20mm，优选为15mm。电解氧化所采用的极板分别为：阳极为不锈钢负载TiO₂薄膜，阴极为铁极板。极板的连接采用单级式连接，极板的间距为50~100mm，优选为80mm；在电解氧化槽内设置曝气管，少量曝气，主要起到混合搅拌的作用，改善电解氧化槽内的水流状态。根据各处理单元的需求不同，整套设备配制两套电源。其中电解絮凝配置的电源输出为恒流方式；电解氧化单元配置的电源输出为恒压方式。 

本发明的电化学设备主要处理对象是含重金属废水，与本行业同等电化学处理设备相比，本发明的优势是： 

（1）将电解氧化与电解絮凝分开，根据需求从电源输出条件等方面进行优化控制从而对相应处理过程加以强化，与传统电化学相比，能将二者的处理效果充分发挥，有利于提高处理效率及电流效率。

（2）处理设备处理出水经过自然沉淀进行泥水分离即可达到排放标准，出水水质发黄现象得到解决，从而出水不需要再投加其他絮凝剂，药剂使用量得到控制，减少了二次污染的风险。 

（3）处理设备的处理出水直接进行泥水分离即可达到要求，不需要进行后续曝气氧化及加药絮凝等处理过程，有利于缩短设备在实际工程应用中的工艺流程，降低处理工程基建费用。 

（4）由于电解氧化过程能进一步活化微絮凝剂，从而能强化处理效果，在同等进水条件下，处理单元所需微絮凝剂量可适当降低，能在一定程度上降低铁耗，减少极板消耗。  

附图说明

图1为本发明组合式电化学反应器侧视剖面示意图； 

图2为本发明组合式电化学反应器俯视示意图；

其中：

1—电解絮凝极板；2—电解絮凝反应槽；3—设备进水口；

4—电解絮凝电源；5—电解氧化阴极板；6—电解氧化电源；

7—电解氧化阳极；8—电解氧化反应槽；9—出水槽；

10—曝气管；11—设备总出水口； 12—中间过渡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

实施例1

一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，包括内部设有多块电解絮凝极板1的电解絮凝反应槽2，还包括电解氧化反应槽8；所述电解氧化反应槽8内安装有电解氧化阴极板5和电解氧化阳极板7，且相邻的两块电解氧化阴极板5之间设有一块电解氧化阳极板7，或者相邻的两块电解氧化阳极板7之间设有一块电解氧化阴极板5；所述电解氧化阴极板5和电解氧化阳极板7下方设有曝气管10；所述进水口3通过管道与电解絮凝反应槽2底部连通，电解絮凝反应槽2通过中间过渡槽12与电解氧化反应槽8连通，电解氧化反应槽8与出水槽9连通。

处理过程：重金属废水从设备进水口3进入，经布水后进入电解絮凝反应槽内2进行第一级电化学处理，处理出水溢流进入中间过渡槽12；随后废水从中间过渡槽底部均匀进入电解氧化反应槽8进行第二级电化学反应，反应出水溢流进入出水槽9，经过与出水槽底部连通的设备总出水口11后，处理出水流出电化学处理设备。 

实施例2

使用实施例1所述一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备对废水进行处理：

（1）   模拟废水处理实验

通过本发明装置对模拟重金属废水进行处理，模拟废水水质如表1：

表1 模拟废水水质

同样的模拟原水分两种工艺进行处理：

（1）传统电絮凝处理工艺：电解絮凝+曝气氧化（气水比5：1，停留0.5h）+加药絮凝（PAM百万分之一的投加）+沉淀分离（表面负荷1.0m³/m²，停留时间4h）；

（2）本发明的处理工艺：组合式电化学（电解氧化电压稳定在100V左右）+沉淀分离：

其中电解絮凝极板均为铁极板，极板间距为15mm，电解氧化部分极板为不锈钢负载TiO₂膜，间距为80mm，处理能力均为1m³/h，处理过程如下：首先调节模拟废水pH值到7.5~8之间，随后进入组合式电化学工艺处理，电解絮凝电源输出为恒流方式，根据处理条件选择电流大小，电解氧化电源输出方式为恒压方式，固定输出电压为60V。处理出水采用静置沉淀进行泥水分离，上清液中重金属含量采用原子吸收仪进行检测分析。处理共分为两部分：

第一部分：电解絮凝处理的电流密度均固定为50A/m²，分别采用两种工艺进行处理，处理效果如表2所示：

表2 两种处理工艺处理效果对比分析表

注：表中数据为处理48h水质数据统计的平均值。

第二部分：保持传统处理工艺的处理效果，调节本发明专利电解絮凝部分的电流参数，使传统处理工艺与本发明处理装置及工艺的处理效果相近，（处理进出水情况见表2）对极板消耗及电流参数进行对比，极板消耗通过从电化学设备出水口取水测定总铁含量确定（邻菲啰啉分光光度法）。通过对连续运行7天的数据进行对比分析，数据如表3和表4所示： 

表3 处理进出水水质条件

表4 同等处理效果下处理工艺运行参数对比

注：表中数据为处理7天数据统计的平均值。 

Claims (7)

1.一种用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，包括内部设有多块电解絮凝极板（1）的电解絮凝反应槽（2），其特征是，还包括电解氧化反应槽（8）；所述电解氧化反应槽（8）内安装有电解氧化阴极板（5）和电解氧化阳极板（7），且相邻的两块电解氧化阴极板（5）之间设有一块电解氧化阳极板（7），或者相邻的两块电解氧化阳极板（7）之间设有一块电解氧化阴极板（5）；所述电解氧化阴极板（5）和电解氧化阳极板（7）下方设有曝气管（10）；电解絮凝反应槽（2）顶部与电解氧化反应槽（8）底部连通，电解氧化反应槽（8）顶部与出水槽（9）连通。

2.根据权利要求1所述用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，其特征是，所述电解絮凝极板（1）为铁极板，采用复极式连接方式与电解絮凝电源（4）连接，电解絮凝极板之间的间距为10~20mm。

3.根据权利要求1或2所述用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，其特征是，所述电解氧化阳极板（7）为不锈钢负载TiO₂薄膜，电解氧化阴极板（5）为铁极板，采用单级式连接方式与电解氧化电源（6）连接，电解氧化阳极板（7）与电解氧化阴极板（5）之间的间距为50~100mm。

4.根据权利要求3所述用于重金属废水处理的组合式电化学反应设备，其特征是，所述电解氧化电源（6）是输出为DC0~200V，0~800A的电源。

5.权利要求1-4之一所述组合式电化学反应设备对重金属废水进行处理的方法，其特征是，首先调节废水的pH值在7.5-8.0之间，然后控制电解絮凝极板之间的间距为10~20mm，电解絮凝电源的输出方式为恒流输出，电流控制为1000~5000A；并控制电解氧化阳极板（7）与电解氧化阴极板（5）之间的间距为50~100mm，电解氧化电源输出方式为恒压，电压为50V-200V；同时控制废水在电解絮凝槽与电解氧化槽内的水力停留时间之比为1︰1~3；控制电解氧化槽内曝气的强度为气水比1：1~1：5。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述废水在电解絮凝槽与电解氧化槽内的水力停留时间之比为1︰1~3。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述废水在电解絮凝槽与电解氧化槽内的水力停留时间之比为1︰2。

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