CN103449564A - 一种微串联光电催化氧化废水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于，该装置由若干组由阴离子选择性透过膜隔开的阴阳极室组成，阴离子选择性透过膜位于阴阳极板之间，靠近阴极板处，将装置内部分为若干顺序排列的阴极室和阳极室，每个阳极室内部排列若干根光源，并填充光电催化剂，阳极室为废水处理主体极室，相邻阳极室通过阳极连通管连接，从而组成装置内部所有阳极室的微串联状态。阴极室内填充阴极板防垢液，所有的阴极室底部相互连通。本发明微串联光电催化氧化装置既能提高光电处理效率，又能有效解决处理高硬度废水时光源、极板结垢的问题，避免频繁清洗，保证设备长期稳定运行。

Description

一种微串联光电催化氧化废水处理装置

技术领域

本发明涉及高盐废水处理技术领域，特别是涉及一种微串联光电催化氧化废水处理装置。

背景技术

近几年来，国家对环保要求越来越高，对石化企业外排水的排放标准有了明确规定，要求外排水量进一步减小，甚至做到接近零排放，提高水的回用率成为当今的研究热点。越来越多的炼厂采用超滤-反渗透双膜法来处理炼厂含油废水进行回用，以减小外排水量。但超滤-反渗透双膜法仅能够产生大约75%左右的回用净水，剩余25%的双膜浓水具有排量小、含盐高、硬度高、COD高等特点，决定了常规生化法并不适合处理该类废水，而常规化学氧化法处理该类废水时具有设备易结垢、化学药剂用量大、残留药剂易引起二次水体污染等不足。因此针对此类废水的处理需要另寻解决途径。

而另一方面，光电催化氧化作为一种全新的高级氧化技术已经成功应用在高盐废水处理行业中，但是传统光电设备并不适用于处理高硬废水，原因在于光电催化氧化反应进行时，会在阴极产生大量的OH^-，而OH^-会和废水中的Ca²⁺、Mg²⁺反应，在阴极板、光源外层结垢，生成的垢体积累到一定程度时，就会导致电流效率下降和紫外光严重衰减，使光电催化氧化的处理效果急剧恶化。目前大多数厂家采用周期换相脱垢技术来解决结垢问题，但是周期换相技术具有两点不足：首先是阴阳两极要采用相同材料极板，费用较高，其次是周期换相易使极板形成电容效应，导致电极的寿命下降。因此开发新型反应装置，解决结垢难题，保持设备长时间稳定运行，是目前光电催化氧化技术研究的重点和难点。

发明内容

本发明的目的是设计一种新型微串联光电催化氧化废水处理装置，用以解决传统光电催化氧化反应装置在处理高盐、高硬废水时极板、光源易结垢的难题，保证光电催化氧化装置长时间稳定运行。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：

所述的装置包含若干组顺序排列的阳极室7和阴极室8组成的阴阳极室组，所述阳极室7与阴极室8间通过阴离子选择性透过膜4隔开，每个阳极室7内部设置一块阳极板1、若干根光源2并填充有光电催化剂6，阳极室为废水处理主体极室，沿废水流向的相邻阳极室间通过阳极连通管17连接，使上一个阳极室7的出水口与下一个阳极室的进水口相连，保证废水从每个阳极室的底部进入，顶部流出；每个阴极室8的内部设有一块阴极板3，并填充有阴极板防垢液，底部设置有承托阴极板3的网格状阴极板承托层12，所述网格状阴极板承托层12底部连接有连通层15，使得所有的阴极室底部相互连通；所述连通层15的一端设有阴极板防垢液进水口11，另一端设有阴极板防垢液出水口14；

所述装置的首端底部设置有废水进水口13，尾端顶部设置有处理后废水出水口9，装置内靠近所述废水出口9处设置有催化剂截留槽5，所述废水经装置底部废水进水口进入阳极室后，通过阳极连通管依次进入相邻阳极室进行光电催化处理后，最后由流经催化剂截留槽5后通过废水出水口9排出。

在上述技术方案中，所述阴极板防垢液出水口14优选与阴极板防垢液储液池22相连，阴极板防垢液储液池22通过循环泵28与阴极板防垢液进水口11相连，并在循环泵的作用下以内循环方式在所有阴极室8和连通层15中流动；

所述阴极板防垢液储液池22内设在线pH计24和在线电导仪23，用以测量阴极板防垢液pH、电导率，当阴极板防垢液pH值高于8.0时，通过储酸罐27和计量泵26向阴极板防垢液中注入无机酸，调节pH值至7.0-8.0范围内；当阴极板防垢液电导率低于废水电导率时，向阴极板防垢液中补充钠盐或钾盐溶液，使防垢液电导率维持在废水电导率的1-5倍；所述阴极板防垢液中的阳离子主要含有Na⁺、K⁺中的一种或多种物质，不含Ca²⁺或Mg²⁺离子，以避免阴极板3结垢。

本发明还进一步包括，在所述阳极室7底部且位于阳极连通管道17进水口的上部设置有废水布水板10，以确保进水均匀。

在上述技术方案中，所述装置外壳的材料为PVC、PE或PPR耐腐蚀性材料，所述外壳的外表面辅以封闭式不锈钢板，所述外壳的内表面设有卡槽18，用于平行固定阴极板、阳极板和阴离子选择性透过膜；所述阳极板到阴离子选择性透过膜之间的距离约为阴极板到阴离子选择性透过膜之间的距离的3倍；

所述每个阳极室内部按照平行于阳极板1放置若干光源2，阳极板1到光源2的垂直距离约为阴离子选择性透过膜4到光源2距离的2～3倍，以增加光对阳极板的照射强度，提升光电催化氧化的反应速率，同时减少光对阴离子选择性透过膜的照射强度，增加膜的使用寿命；

所述光源可采用波长为200～400nm的高压汞灯、中压汞灯及紫外灯中的一种或多种。

在上述技术方案中，所述阳极板优选为采用钛基材表面固载贵金属物质制备而成的网状贵金属阳极板，贵金属物质优选采用铂、钌、铱、铷和锆氧化物中的一种或多种物质构成；所述阴极板优选为网状不锈钢阴极板；

所述光电催化剂优选采用α-氧化铝或二氧化硅中的一种或多种为载体，表面负荷二氧化钛、硫化镉、氧化铁、二氧化锰中的一种或多种活性物质构成；具有裂化和开环功能，及孔结构可调特性，并制备成蜂窝多孔结构。

在上述技术方案中，所述装置优选包含3-10组阴阳极室。

本发明涉及的一种微串联光电催化氧化废水处理装置和传统设备相比较，具有以下有益效果：

1、利用阴离子选择性透过膜将装置内部分为若干组阴阳极室，可使阴极板和光源不结垢，避免由于频繁清洗造成的各类问题。

2、阳极室微串联状态，能够提升光电催化反应降解COD效率，降低吨水处理能耗。

3、阳极室产生的氧化性气体能够充当曝气气源，减少能耗的同时，亦能够降解废水中COD物质。

4、阳极室多余尾气能够进行无害化处理，保证该装置有害气体的零排放。

5、优选方案可实现阴极板防垢液内循环状态，能够极大地降低阴极板腐蚀速率，最大限度延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明微串联光电催化氧化废水处理装置的主体结构示意俯视图；

图2是微串联光电催化氧化废水处理装置的主体结构示意纵向剖面图；

图3是微串联光电催化氧化废水处理装置的主体结构立体外观及内部示意图；

图4是微串联-内循环光电催化氧化废水处理装置的结构示意图；

其中，图中：

1为阳极板，                   15为连通层；

2为光源，                     16为光源固定底座；

3为阴极板，                   17为阳极室连通管，

4为阴离子选择性透过膜，       18为卡槽，

5为催化剂截留槽，             19为直流电源，

6为光电催化剂，               20为微串联光电催化氧化装置，

7为阳极室，                   21为废水提升泵，

8为阴极室；                   22为阴极板防垢液储液池，

9为处理后废水出水口，         23为在线电导仪，

10为废水布水板，              24为在线pH仪，

11为阴极板防垢液进水口，      25为阴极板防垢液储液池排水阀，

12为阴极板承托层，            26为计量泵，

13为废水进水口，              27为储酸罐，

14为阴极板防垢液出水口，      28为循环泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体应用实施例对本发明作进一步描述，具体实施例不对本发明的技术方案构成限定。

实施例一、

本实施例为本发明装置的结构及组成实施例。如图1-4所示，本发明微串联光电催化氧化废水处理装置由耐酸碱的硬质PVC塑料无缝焊接而成，外部辅以封闭式不锈钢板，使其具备一定耐压性。内部按照阳极板1、阴离子选择性透过膜4、阴极板3、阴离子选择性透过膜4、阳极板1、阴离子选择性透过膜4、阴极板3......阴离子选择性透过膜4、阳极板1的顺序排列，使箱体内部分为3个阳极室和2个阴极室（如图1-2所示），实际工艺中根据处理量不同，设置不同组阴阳极室，优选3-10组阴阳极室，其中阳极板到阴离子选择性透过膜之间的距离a约为阴极板到阴离子选择性透过膜之间的距离b的3倍，阴阳极室互不联通，相邻阳极室之间靠阳极连通管道17互联，所有阴极室底部靠连通层15互联。

阴极室设计构造：每个阴极室8的内部设有一块阴极板3，并填充有阴极板防垢液，底部设置有承托阴极板3的网格状阴极板承托层12，所述网格状阴极板承托层12底部连接有连通层15，使得所有的阴极室底部相互连通；所述连通层15的一端设有阴极板防垢液进水口11，另一端设有阴极板防垢液出水口14；

所述阴极室8底部靠连通层15互联，并且进一步和阴极板防垢液储液池22相连（如图4所示），使阴极板防垢液在外部循环泵28的作用下，以内循环方式在阴极室8内流动，内循环方式有益于减少阴极板3的腐蚀速率，延长其使用寿命；防垢液储液池22设在线pH计24和在线电导仪23，用以测量防垢液pH、电导率等值。当防垢液pH值高于8.0时，通过储酸罐27和计量泵26向防垢液中打入盐酸，调节pH值至7.0-8.0的正常范围内；当防垢液电导低于所处理废水电导率1倍时，向防垢液中补充10%钠盐或钾盐溶液，使防垢液电导率维持所处理废水电导率1-5倍，最大不超过100ms/cm的正常范围内。其中阴极板防垢液中的阳离子主要含有Na⁺、K⁺中的一种或多种物质，不含Ca²⁺、Mg²⁺等离子，能够避免阴极板3结垢。

阳极室设计构造：相邻两个阳极室7以阳极连通管17连通，使废水从阳极室底部进水口进入，顶部出水口流出，通过阳极联通管17进入下一个相邻的阳极室底部进水口，以此完成装置内部阳极室之间的微串联，提高光电降解废水COD的效率。光源2通过光源固定底座16平行于阳极板1放置，位于阳极板1和阴离子选择性透过膜4之间，其中阳极板1到光源的距离约为阴离子选择性透过膜4到光源2距离的2～3倍（本实施例中为2.5倍），目的是使尽可能多的紫外光照射在阳极板上，提升光电催化氧化的效率，同时使尽可能少的紫外光照射到阴离子选择性透过膜4上，延长膜的使用寿命。阳极室7内部填充光电催化剂6，在水力作用下，保持悬浮状态均匀分布在水体中。在所述阳极室7底部且位于阳极连通管道17进水口的上部设置有废水布水板10，以确保进水均匀。

其中，阳极连通管17在相邻阳极室的装置两侧各设置一个，阳极连通管17的数量为M=（N-1）*2，其中N为装置阳极室的数量，其中本实施例中为4个。阳极连通管17将两个相邻阳极室进水口和出水口串联，保证废水能够在每一个阳极室内参与光电催化氧化反应。

直流电源19，为微串联光电催化氧化废水处理装置提供电源，直流电源19的正负电极分别与阳极板1和阴极板3相连。

阳极室7顶部密封，所生成的氯气和废水一起，经过各个阳极室7和阳极连通管17后，在出水口9排出，经过气液分离将出水和氯气分开，出水经过排水口，氯气经排气口进行无害化处理。

在常温常压下，高盐高硬难降解有机废水经微串联光电催化废水处理装置的废水进水口进装置首端内的第一个阳极室7，经阳极室7内的光电催化剂作用下发生反应，出水从阳极室7的顶部流出经阳极连通管17从相邻下一个阳极室7的底部进入继续进行光电催化处理，直至进入装置尾部最后一个阳极室7内处理后得到处理后废水，整个装置内水力停留时间为0.5-2小时；所述处理后废水再进行气液分离，经分离后的出水实现达标排放。

实施例二：

为本装置的实际应用实施例。天津某石化公司产生的炼化污水中钙离子浓度约为1000mg/L，氯离子为1800mg/L，电导率为8000μs/cm，通过生化处理后COD为100～200mg/L，无法达到相关出水排放标准。采用微串联光电催化氧化废水处理装置及工艺对该高硬废水进行了工程应用研究，装置内水力停留时间为1小时，最终出水水质中CODcr降低为40～50mg/L，满足了达标排放水质要求。

实施例三：

为本装置的另一实际应用实施例。浙江某石化公司产生的炼化污水经过超滤-反渗透双膜系统处理后会产生一定量浓缩液，该反渗透浓水具有盐含量高、有机组分复杂、生化性差等特点，浓缩液的总硬度为2300mg/L，COD为150-200mg/L，电导率为19000μs/cm，采用微串联-内循环光电催化氧化废水处理装置及工艺处理该公司反渗透浓水时，装置内水力停留时间为2小时，最终出水CODcr降低为30～40mg/L，满足了达标排放水质要求。

Claims (6)

1.一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：

所述的装置包含若干组顺序排列的阳极室（7）和阴极室（8）组成的阴阳极室组，所述阳极室（7）与阴极室（8）间通过阴离子选择性透过膜（4）隔开，每个阳极室（7）内部设置阳极板（1）、若干根光源（2）并填充油光电催化剂（6），阳极室为废水处理主体极室，沿废水流向的相邻阳极室间通过阳极连通管（17）连接，使上一个阳极室（7）的出水口与下一个阳极室的进水口相连，保证废水从每个阳极室的底部进入，顶部流出；每个阴极室（8）的内部设有阴极板（3），并填充有阴极板防垢液，底部设置有承托阴极板（3）的网格状阴极板承托层（12），所述网格状阴极板承托层（12）底部连接有连通层（15），使得所有的阴极室底部相互连通；所述连通层（15）的一端设有阴极板防垢液进水口（11），另一端设有阴极板防垢液出水口（14）；

所述装置的首端底部设置有废水进水口（13），尾端顶部设置有处理后废水出水口（9），装置内靠近所述废水出口（9）处设置有催化剂截留槽（5），所述废水经装置底部废水进水口进入阳极室后，通过阳极连通管依次进入相邻阳极室进行光电催化处理后，最后由流经催化剂截留槽（5）后通过废水出水口（9）排出。

2.根据权利要求1所述的一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述阴极板防垢液出水口（14）与阴极板防垢液储液池（22）相连，阴极板防垢液储液池（22）通过循环泵（28）与阴极板防垢液进水口（11）相连，并在循环泵的作用下以内循环方式在所有阴极室（8）和连通层（15）中流动；

所述阴极板防垢液储液池（22）内设在线pH计（24）和在线电导仪（23），用以测量阴极板防垢液pH、电导率，当阴极板防垢液pH值高于8.0时，通过储酸罐（27）和计量泵（26）向阴极板防垢液中注入无机酸，调节pH值至7.0-8.0的正常范围内；当阴极板防垢液电导率低于废水电导率时，向阴极板防垢液中补充钠盐或钾盐溶液，使防垢液电导率维持在废水电导率的1-5倍；所述阴极板防垢液中的阳离子主要含有Na⁺、K⁺中的一种或多种物质，不含Ca²⁺或Mg²⁺离子，以避免阴极板（3）结垢。

3.根据权利要求1所述的一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述阳极室（7）底部且位于阳极连通管道（17）进水口的上部设置有废水布水板（10），以确保进水均匀。

4.根据权利要求1所述的一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述装置外壳的材料为PVC、PE或PPR耐腐蚀性材料，所述外壳的外表面辅以封闭式不锈钢板，所述外壳的内表面设有卡槽（18），用于平行固定阴极板、阳极板和阴离子选择性透过膜；所述阳极板到阴离子选择性透过膜之间的距离约为阴极板到阴离子选择性透过膜之间的距离的3倍；

所述每个阳极室内部按照平行于阳极板（1）放置若干光源（2），阳极板（1）到光源（2）的垂直距离约为阴离子选择性透过膜（4）到光源（2）距离的2～3倍，以增加光对阳极板的照射强度，提升光电催化氧化的反应速率，同时减少光对阴离子选择性透过膜的照射强度，增加膜的使用寿命；

所述光源可采用波长为200～400nm的高压汞灯、中压汞灯及紫外灯中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述阳极板为采用钛基材表面固载贵金属物质制备而成的网状贵金属阳极板，贵金属物质采用铂、钌、铱、铷和锆氧化物中的一种或多种物质构成；所述阴极板为网状不锈钢阴极板；

所述光电催化剂采用α-氧化铝或二氧化硅中的一种或多种为载体，表面负荷二氧化钛、硫化镉、氧化铁、二氧化锰中的一种或多种活性物质构成；具有裂化和开环功能，及孔结构可调特性，并制备成蜂窝多孔结构。

6.根据权利要求1所述的一种微串联光电催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述装置包含3-10组阴阳极室。

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