CN103145223A - 一种电化学反应器 - Google Patents
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Abstract
一种电化学反应器，属于废水处理技术领域。它包括反应槽、电极组、连接电极组的正负导电排和直流电源电气控制装置、多孔配水支撑隔板、球形填料承托层、铁碳微电解填料、pH值检测仪、泡沫消除装置和微孔曝气装置等。反应槽下部设进水口，上部设三角溢流堰及环形集水槽、汇流出水口，中间通过多孔配水支撑隔板分为上下两部分；多孔配水支撑隔板上部铺设球形填料承托层和铁碳微电解填料，下部安装电极组和微孔曝气装置；优点在于，强化了对难降解有机污染物的氧化效率，提高了难降解有机污染物和色度的去除率，减小了反应器容积，节省了设备投资和动力费用。尤其适用于焦化行业废水的深度处理，对来水水质波动适应性强，出水水质稳定。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，特别是提供了一种电化学反应器，利用电化学组合技术，处理有毒有害、难降解、高浓度有机废水，适用于焦化行业废水的深度处理。
背景技术
焦化废水是在原煤高温干馏、煤气净化和化工产品精制过程中产生的废水，属于高浓度有机工业废水，CODCr一般在4000 mg/L以上，其成分复杂，除含有大量的酚、苯、吡啶、吲哚和喹啉等芳香族化合物和杂环化合物外，还含有氰化物、硫化物、硫氰化物、氮化物、重金属等有毒有害物质，且色度高，有异味。随着我国钢铁和能源领域产能的发展，焦化废水的产生量也在与日俱增。近期国标《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171-2012）的实施，焦化废水达标排放的严格指标势必严重制约焦化行业的可持续发展，如何改善和解决焦化废水对环境的污染问题，已成为摆在人们面前的一个迫切需要解决的课题。
通过实践证明，处理焦化污水最有效、最经济的方法为生物法，但在焦化废水中不可生化的有机物占CODCr总量的13～17%左右，其中多为多环芳烃，采用生物法进行处理时，多环芳烃基本不能降解，处理后废水的CODCr一直在300～500mg/L左右。即便再经过混凝沉淀处理，处理后废水的CODCr一般为150～250mg/L左右，与《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171-2012）要求的CODCr小于80mg/L及其它污染物排放浓度限制，仍然有一定的差距。目前，降解此类有机污染物的有效方法是高级氧化技术，常用的高级氧化技术有电催化氧化技术、微电解处理技术、芬顿试剂氧化技术、电芬顿（Fenton）氧化技术、化学氧化技术等。
电催化氧化技术处理废水是通过外加电场于反应器内阴阳电极板，极板表面涂覆有金属氧化物等催化物质，在电场与催化物质作用下，通过曝气在阴极表面产生H2O2，阳极表面产生以羟基自由基（·OH ）为主的多种氧化物，与有机污染物发生直接氧化反应和间接氧化反应，将难生物降解的大分子有机物分解成为小分子有机物或直接将其矿化为CO2和H2O等无机物。电催化氧化技术氧化能力强，无需添加化学药剂，但电能消耗较高 。
微电解处理技术是利用原电池原理，以反应器内的铁为阳极，碳为阴极，在酸性条件下，当废水通过微电解铁碳填料时，铁与碳之间形成无数原电池微电流，废水中的有机物在微电流的作用下被氧化和还原。微电解处理技术不需要外加电场，反应过程不耗电，能耗低，但氧化能力偏弱。反应过程离解出Fe2+，需定期补充一部分铁碳填料。
芬顿试剂氧化技术是利用H2O2和亚铁盐（Fe2+）组合而成的一种有机物氧化剂，随着金属阳离子氧化态和还原态的变化使H2O2催化分解产生羟基自由基（·OH ）,利用·OH与有机污染物发生直接氧化反应和间接氧化反应，将难生物降解的大分子有机物分解成为小分子有机物或直接将其矿化为CO2和H2O等无机物。芬顿试剂氧化技术氧化能力较强，但化学药剂消耗量大。
电芬顿氧化技术是利用电化学过程中自身产生的H2O2和Fe2+组成芬顿试剂，进行氧化反应，反应过程中不需要外加化学试剂。
化学氧化技术是向废水中投加氧化剂（如03、H2O2、CLO2），氧化剂在一定条件下与废水中的有机物发生反应，降解有机物。化学氧化技术投加药剂量大，成本高，氧化效率低。
不同高级氧化处理技术具有不同的优缺点，单一处理技术的应用存在一定的局限性，但多种技术的优化组合可获得最佳处理效果和较低的处理成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学反应器，针对焦化污水深度处理难降解有机物，将电催化氧化技术、微电解处理技术、以及利用电催化氧化技术产生的H2O2和微电解处理技术产生的Fe2+组成芬顿试剂而形成电芬顿（Fenton）氧化技术，集成于功能、装置有序紧密连接的单一向上流反应器内，强化对难降解有机污染物和色度的去除。
为解决以上技术问题，本发明的电化学反应器包括反应槽1、电极组2、连接电极组的正负导电排3、直流电源电气控制装置4、多孔配水支撑隔板5、球形填料承托层6、铁碳微电解填料7、pH值检测仪8、泡沫消除装置9、微孔曝气装置10等。反应槽1下部设进水口11，上部设三角溢流堰及环形集水槽12、汇流出水口13，中间通过多孔配水支撑隔板5分为上下两部分。多孔配水支撑隔板5上部铺设球形填料承托层6和铁碳微电解填料7，下部安装电极组和微孔曝气装置10。多孔配水支撑隔板5开孔率0.5～0.8%，电极组2设在反应槽1的下部，电极组2设在反应槽1的下部；铁碳微电解填料7铺设在多孔配水支撑隔板5的上部，泡沫消除装置9设置于反应器顶部，pH值检测仪8安装在反应槽1进水口处，控制进口废水的pH值为2.5～3。
本发明所述的反应槽1采用碳钢材质，内外壁涂装特殊防腐涂料。
本发明所述的电极组2设在反应槽1的下部，每一个电极组由若干片正、负电极板均匀竖向间隔交替布置，通过不导电高分子螺栓杆连接固定成组，放置于带凹槽的有机高分子材质制作的支架上，与反应槽不接触，便于拆卸。电极组的正、负电极板通过正负导电排与反应器外部直流电源电气控制装置连接。正、负电极均采用不溶性Ti/DSA网式电极，以Ti为基材，表面涂作为催化剂的贵金属氧化物，电极板厚度2～3mm，正、负电极板之间的距离6～10mm，电极组之间的距离10～15cm，反应槽的电流密度10～20mA/cm2，可调电压0～48V，可调电流0～2000A。通过电气控制装置可以实现阴极板和阳极板的互换，延长极板使用寿命。
铁碳微电解填料铺设在多孔配水支撑隔板的上部，铁碳微电解填料是由铁、碳、活化剂和金属催化元素经高温烧结形成的多孔架构式椭圆形合金结构，规格1.5 cm x 2 cm，含铁75～85%，含碳10～20%，孔隙率大于65%。铁碳微电解填料与多孔配水支撑隔板之间铺设球形填料承托层，填料直径3～4 cm，安装高度15～20cm。
微孔曝气装置设置于反应槽底部，电极组的下方，由棕刚玉曝气盘和曝气管组成。通过曝气并充分搅拌废水，一方面减少了浓差极化，减轻了极板腐蚀程度，节省了费用，另一方面气水混合物在槽内上升过程的扰动也防止微电解填料板结，使氧及空气被充分利用，节省了动力能耗。曝气量不小于3 m3/m2·h。
泡沫消除装置设置于反应槽顶部，由工业水管和淋水喷头组成，工业用水量0.05 m3/m2·h，压力0.2MPa。设置泡沫消除装置的目的在于消除反应槽上部因曝气及有机物氧化产生的泡沫，防止飘逸造成环境污染。
pH值检测仪安装在反应槽进水口，控制进口废水的pH值为2.5～3。
电化学反应器处理难降解有机污染物的废水，废水从反应器底部进入，控制废水的pH值在2.5～3之间，废水通过曝气搅拌、电场的作用下，在阳极表面产生以羟基自由基（·OH ）为主的多种氧化物，与有机污染物发生直接氧化反应和间接氧化反应，将难生物降解的大分子有机物分解成为小分子有机物或直接将其矿化为CO2和H2O等无机物，在阴极表面产生H2O2。当废水上升再通过微电解铁碳填料时，铁与碳之间形成无数原电池微电流，废水中的有机物在微电流的作用下被氧化和还原，铁被氧化成Fe2+离子。利用电催化氧化技术产生的H2O2和微电解处理技术产生的Fe2+组成芬顿试剂，形成电芬顿氧化技术，进一步加强了难降解有机污染物的氧化，提高了有机污染物和色度的去除效率。废水停留时间1.5～2 h。
本发明的优点是：
（1）将电催化氧化技术与微电解处理技术集成于功能、装置有序紧密连接的单一向上流反应器内，强化了对难降解有机污染物和色度的去除，过程连接紧密，反应器容积减小，简化优化配水集水设施，设备投资节省。
（2）利用电催化氧化技术产生的H2O2和微电解处理技术产生的Fe2+组成芬顿试剂，形成电芬顿氧化技术，节省了外加化学试剂，进一步加强了有机污染物的氧化，提高了有机污染物和色度的去除效率。
（3）仅反应槽底部设曝气装置，通过曝气并充分搅拌废水，一方面减少了浓差极化，减轻了极板腐蚀程度，节省了费用，另一方面气水混合物在槽内上升过程的扰动也防止微电解填料板结，使氧及空气被充分利用，节省了动力能耗。。
（4）反应槽顶部设置泡沫消除装置，防止因曝气及有机物氧化产生的泡沫飘逸而造成环境污染。
（5）三种氧化技术集成于功能、装置有序紧密连接的单一向上流反应器内，对二级生化处理来水水质波动适应性强，出水水质稳定，通过后续沉淀处理工序可使出水水质指标完全可达到《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171-2012）的要求。
由此可见，本发明理论依据充分，构思新颖，结构独特，已应用于工业化生产，效果显著，具有广阔的市场前景，
附图说明
图1为电化学反应器结构示意图。其中，反应槽1、电极组2、连接电极组的正负导电排3、直流电源电气控制装置4、多孔配水支撑隔板5、球形填料承托层6、铁碳微电解填料7、pH值检测仪8、泡沫消除装置9、微孔曝气装置10、进水口11、三角溢流堰及环形集水槽12、汇流出水口13。
具体实施方式
参见附图1，电化学反应器包括反应槽1、电极组2、连接电极组的正负导电排3和直流电源电气控制装置4、多孔配水支撑隔板5、球形填料承托层6、铁碳微电解填料7、pH值检测仪8、泡沫消除装置9、微孔曝气装置10、进水口11、三角溢流堰及环形集水槽12、出水口13。具体实施方式如下：
反应槽1采用碳钢材质，内外壁涂装特殊防腐涂料，下部设进水口11，pH值检测仪8安装在反应槽进水口11，控制进口废水的pH值，上部设三角溢流堰、环形集水槽12及汇流出水口13，中间通过多孔配水支撑隔板5分为上下两部分。多孔配水支撑隔板下部安装电极组2，每一个电极组由若干片正、负电极板均匀竖向间隔交替布置，通过不导电高分子螺栓杆连接固定成组，放置于带凹槽的有机高分子材质制作的支架上，与反应槽不接触。电极组的正、负电极板通过正负导电排3与反应器外部直流电源电气控制装置4连接。微孔曝气装置10设置于反应槽底部，电极组的下方。多孔配水支撑隔板上部铺设球形填料承托层6，承托层上部铺设铁碳微电解填料7。泡沫消除装置9设置于反应槽顶部，由工业水管和淋水喷头组成。
难降解有机污染物的废水从反应器底部进水口进入，控制废水的pH值在2.5～3之间，废水通过曝气搅拌、电场的作用下，在阳极表面产生以羟基自由基（·OH ）为主的多种氧化物，与有机污染物发生直接氧化反应和间接氧化反应，将难生物降解的大分子有机物分解成为小分子有机物或直接将其矿化为CO2和H2O等无机物，在阴极表面产生H2O2。当废水上升再通过微电解铁碳填料时，铁与碳之间形成无数原电池微电流，废水中的有机物在微电流的作用下被氧化和还原，铁被氧化成Fe2+离子。同时，利用电催化氧化技术产生的H2O2和微电解处理技术产生的Fe2+组成芬顿试剂，形成电芬顿氧化技术，进一步加强了难降解有机污染物的氧化，提高了有机污染物和色度的去除效率。处理后的水通过反应槽上部三角溢流堰进入环形集水槽，汇流后由出水口流出。泡沫消除装置设置于反应槽顶部，消除反应槽上部因曝气及有机物氧化产生的泡沫，防止飘逸造成环境污染。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的保护范围。
Claims (7)
1.一种电化学反应器，其特征在于，包括反应槽、电极组、连接电极组的正负导电排、直流电源电气控制装置、多孔配水支撑隔板、球形填料承托层、铁碳微电解填料、pH值检测仪、泡沫消除装置、微孔曝气装置；反应槽（1）下部设进水口（11），上部设三角溢流堰及环形集水槽（12）、汇流出水口（13），中间通过多孔配水支撑隔板（5）分为上下两部分；多孔配水支撑隔板（5）上部铺设球形填料承托层（6）和铁碳微电解填料（7），下部安装电极组和微孔曝气装置（10）；电极组（2）设在反应槽（1）的下部；铁碳微电解填料（7）铺设在多孔配水支撑隔板（5）的上部，泡沫消除装置（9）设置于反应器顶部，pH值检测仪（8）安装在反应槽（1）进水口处，控制进口废水的pH值为2.5～3。
2.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：反应槽（1）采用碳钢材质，内外壁涂装特殊防腐涂料，多孔配水支撑隔板（5）开孔率0.5～0.8%。
3.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：所述的电极组（2）每一个电极组由若干片正、负电极板均匀竖向间隔交替布置，通过不导电高分子螺栓杆连接固定成组，放置于带凹槽的有机高分子材质制作的支架上，与反应槽不接触；电极组2的正、负电极板通过正负导电排与反应槽（1）外部直流电源电气控制装置连接；正、负电极均采用不溶性Ti/DSA网式电极，以Ti为基材，表面涂作为催化剂的贵金属氧化物，电极板厚度2～3mm，正、负电极板之间的距离6～10mm，电极组之间的距离10～15cm，反应槽1的电流密度10～20mA/cm2，可调电压0～48V，可调电流0～2000A。通过电气控制装置可以实现阴极板和阳极板的互换。
4.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：铁碳微电解填料铺设在多孔配水支撑隔板的上部，规格1.5 cm x 2 cm，含铁75～85%，含碳10～20%，孔隙率大于65%；铁碳微电解填料与多孔配水支撑隔板之间铺设球形填料承托层，填料直径3～4 cm，安装高度15～20cm。
5.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：微孔曝气装置由棕刚玉曝气盘和曝气管组成，曝气量不小于3 m3/m2·h。
6.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：泡沫消除装置由工业水管和淋水喷头组成，工业用水量0.05 m3/m2·h，压力0.2MPa。
7.按照权利要求1所述的电化学反应器，其特征在于：难降解有机污染物的废水从反应槽底部进入，控制废水的pH值2.5～3，废水通过曝气搅拌，在电催化氧化、微电解和电芬顿氧化技术对难降解有机污染物的耦合作用下被氧化去除，废水从反应槽上部流出；废水停留时间1.5～2 h。
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