CN103787469B - 一体化有机废水处理及能源回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机废水处理及能源回收技术，提供一种一体化有机废水处理及能源回收系统，包括电催化氧化装置、水气分离装置、燃料电池、液体输送泵和废水储存装置。电催化氧化装置对由液体输送泵传送的有机废水进行电催化氧化处理，其产生的水气混合物进入水气分离装置；水气分离后的气体进入燃料电池，通过发生反应得到去除，分离后的液体外排或储存。本发明实现了有机废水的处理与能量的回收利用，电催化氧化装置可以处理各种污染程度的有机废水，特别适合处理高浓度有毒有害的废水；由于耦合了燃料电池装置，将电催化氧化过程中由电能产生的化学能在燃料电池装置中重新变成了电能，实现了化学能资源的回收再利用。

Description

一体化有机废水处理及能源回收系统

技术领域

本发明涉及有机废水处理及能源回收技术，既可用于地面的节能减排，也适用于失重密闭空间环境的废水处理与能源回收。

背景技术

电化学催化氧化技术应用于废水处理方面正受到越来越广泛的关注。电化学催化氧化通过有机物在阳极发生电子转移直接氧化，同时在阳极能够产生羟基自由基等强氧化剂，间接催化氧化矿化有机物，从而达到去除有机物的目的，该技术适用于高浓度有毒有害有机废水处理，也可用于空间密闭环境的废水处理。该技术具有操作简单，环境友好，能够在常温常压条件下实现有机物的矿化，并且易于实现自动化等优点。该技术存在的问题是：为了提高废水处理效率，加快反应，必然需要在超出水分解电压的区域内使用，因此不可避免的要产生析氢析氧的副反应，同时会伴随着产生一定量的废热。

目前，对于有机废水的电催化氧化技术研究，多侧重于电极的性能、反应器结构等方面的研究，忽略副产物的回收利用问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，通过技术的耦合提供一种基于电催化氧化及燃料电池的一体化有机废水处理及能源回收系统。

本发明的技术解决方案是：

一种一体化有机废水处理及能源回收系统，包括电催化氧化装置、水气分离装置、燃料电池、液体输送泵和废水储存装置；所述废水储存装置用于储存待处理的有机废水，所述液体输送泵将有机废水输入至电催化氧化装置；所述电催化氧化装置用于对有机废水中的有机物进行电催化氧化处理，其产生的水气混合物进入所述水气分离装置进行水气分离；从水气分离装置分离后的气体进入所述燃料电池，在燃料电池中通过发生反应得到去除，燃料电池作为电源为其外部设备供电。

进一步地，所述电催化氧化装置为密闭式结构，包括一组或若干组以硼掺杂的金刚石电极（记为BDD）构成的阳极和一组或若干组以金属或者导电介质构成的阴极。

进一步地，所述电催化氧化装置采取大电流、小电压的直流供电模式，当有机废水的电导率低于1000μs/cm时，在电催化氧化过程中向处理的有机废水中添加无机盐，用于抑制所述有机废水在电催化氧化过程中的产热效应。

进一步地，所述无机盐为硫酸盐和/或磷酸盐，且硫酸盐和/或磷酸盐加入后的含量为0.5g/L-2.0g/L。

进一步地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池，以氢氧混合气体为燃料，以空气或氧气作为氧化剂。

进一步地，所述水气分离装置为一个密闭腔体，通过依靠重力实现水气分离。

进一步地，所述水气分离装置为静态水气分离装置或者动态离心式水气分离装置。

进一步地，所述一体化有机废水处理及能源回收系统还包括一个用于储存电能的电容。

进一步地，经过所述水气分离装置分离后的液体返回输入至所述废水储存装置，进行循环处理；所述一体化有机废水处理及能源回收系统还包括用于检测有机废水水质的检测装置，通过该检测装置检测废水水质达到设定的处理标准后，停止处理并外排。

本发明与现有废水处理装置相比，具有以下技术效果：

（1）本发明实现了有机废水的处理与能量的回收利用。通过电催化氧化装置能够将有机废水中的有机物氧化矿化掉，减少向外的污染排放，电催化氧化装置可以处理各种污染程度的有机废水，特别适合处理高浓度有毒有害的废水。

（2）由于耦合了燃料电池装置，相当于将电催化氧化过程中由电能产生的化学能在燃料电池装置中重新变成了电能，实现了化学能资源的回收再利用，如果这部分电能供给电催化氧化装置，过程中用于产气的一部分电能又重新回收了回来，耦合的系统与单纯的电催化氧化装置相比，在同等条件下相当于节省了能耗，即电能的利用率更高。

（3）由于燃料电池将化学能直接转化为了电能，不存在充放电周期，与二次电池相比，燃料电池功率密度高、无自放电、无记忆效应、不存在过冲过放，性能稳定。

（4）以硼掺杂的金刚石电极（记为BDD）作为阳极的电催化氧化装置具有催化活性高、电流效率高、使用寿命长、硬度高强度大、抗腐蚀能力强，阳极表面不易被污染等优点，相比于其他阳极材料，以BDD作为阳极，在废水处理过程中产生的废热较少，电能主要用于有机物的氧化和水的电解。

附图说明

图1是本发明第一种实施例的结构示意图；

图2是本发明中电催化氧化反应装置的一个实施例的结构示意图；

图3是本发明另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步阐述。应理解，它们仅是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限定。

本发明所述一体化有机废水处理及能源回收系统，包括电催化氧化装置、水气分离装置、燃料电池、液体输送泵、废水储存装置，必要时还可以包括水收集装置。废水储存装置储存待处理的有机废水，经过液体输送泵将废水输入至电催化氧化装置中，在加电的情况下进行电催化氧化处理，电催化氧化装置为封闭式结构，防止过程中产生的副产物氢气、氧气扩散入大气中，处理后的水连同过程中产生的气体一同进入水气分离装置，处理后的水进入水收集装置或者外排，电催化氧化过程中产生的气体进入燃料电池，同时可以补充一定量的纯氧或者空气氧化剂进入燃料电池，使得氢气在燃料电池中能够反应充分，燃料电池可为其他设备提供电源，或者供给电催化氧化装置用于处理废水。

所述电催化氧化装置可以是以BDD为阳极、以金属或者导电介质为阴极的密闭式电化学氧化装置。另外，为抑制废水在电催化氧化过程中的产热效应，处理过程中应采取大电流、小电压的直流供电模式，当有机废水的电导率较低时（低于1000μs/cm），可以向废水中添加一定量的无机盐，所述无机盐可以为硫酸盐和/或磷酸盐，例如硫酸钠、磷酸钠等，保证废水中的无机盐含量在0.5g/L-2.0g/L左右，以保证废水电导率不低于1000μs/cm。

所述燃料电池可以是质子交换膜燃料电池，以氢氧混合气为燃料，以空气或氧气作为氧化剂。

所述水气分离装置在地面应用中可以依靠重力实现水气分离，因此水气分离装置可以是一个密闭腔体；在微重力环境中水气分离装置不能依靠重力分离，因此水气分离装置可以是静态水气分离装置，也可以是动态离心式水气分离装置。

图1是本发明第一个实施例的连接关系示意图，包括以下几个组成部分：废水储存装置、电催化氧化装置、水气分离装置、水收集装置、质子交换膜燃料电池、超级电容、直流供电装置。

本实施例中电催化氧化装置不限于特定形状，实现电催化氧化的功能即可。具体实现形式可以参考中国专利CN101423266A或者CN200958061Y中公开的电催化氧化装置。

本实施例中所述电催化氧化装置的另一种可行的一种装置形式如图2所示，具体可以参见：C.Zhang,J.Wang，T.Murakami,et.al.JournalofElectroanalyticalChemistry.638（2010）：91-99。主要包括：具有进、出水口的有机玻璃板框、阳极和阴极。阳极可以选择钛基或者铌基的BDD电极或者其它基体的BDD电极，阴极可以选择表面光滑的不锈钢板、钛板、或者其它的具有表面涂层（镀层）的金属导体，阴极、有机玻璃框、阳极固定在一起构成一个密闭的电催化氧化装置，电极间距可以通过有机玻璃腔的厚度的不同进行调整。

本实施例中废水储存装置可以是一个盛水的容器，不限定形状，通过液体输送泵将废水输送到电催化氧化装置，通过直流供电装置对电催化氧化装置提供直流电（电压范围可在6-30V之间），废水中的有机污染物在电催化氧化装置中处理，通过阳极氧化以及阳极表面产生的羟基自由基等强氧化剂将有机污染物氧化矿化掉，过程中会电解水产生氢气和氧气副产物，通过液体输送泵的推动，处理后的水和气体副产物进入水气分离装置。

本实施例中水气分离装置在地面环境中，水气分离可以依靠重力实现，因此水气分离装置可以是一个带有进出口的密闭空腔装置，水流进入装置底部出口排出，气体通过装置上部出口排出进入质子交换膜燃料电池阳极，同时向燃料电池阴极补给作为氧化剂的氧气或者空气。在阳极催化层中氢气在催化剂作用下发生氧化反应生成氢离子和电子，电子经外电路到达阴极，氢离子经质子交换膜到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，并随反应尾气排出。燃料电池产生的电能直接供给电催化氧化装置，或者储存于超级电容中，待需要时由超级电容释放电能。

如图3所示是本发明另一种实施例的结构示意图。该实施例与前一实施例的不同在于系统的运行方式的不同。在前一实施例中废水经过处理后排入水储存装置，本实施例中废水处理采用循环的处理方式，增加了一个用于检测有机废水水质的检测装置。该检测装置可以采用在线检测或者离线检测的手段，通过测定处理的废水是否达到设定的处理标准判断是否停止处理。例如，在水气混合物经过水气分离装置分离后，处理水返回到废水储存装置，循环经过电催化氧化装置和水气分离装置，待所述检测装置测量废水储存装置内的废水水质达到设定的处理标准后，停止处理并外排。该处理模式适合间歇式的、将废水积累到一定量再进行处理的情况。

本发明还提供了第三种实施例，该实施例与上述实施例的不同在于电催化氧化装置的不同。因此只在此说明电催化氧化装置的不同，其余部分不再赘述。上述实施例是含有一组阴极、阳极的电催化氧化反应装置，本实施例中所用的电催化氧化反应装置是具有多组阴极、阳极交替排列的电催化氧化反应装置，多组电极排列增加了电极面积，有利于提高电催化氧化去除能力。

本发明还提供了第四种实施例，该实施例与上述实施例的不同在于水气分离装置的不同。因此只在此说明水气分离装置的不同，其余部分不再赘述。当该系统用于微重力环境时，水气分离无法通过重力实现，此时水气分离装置可以是静态水气分离装置，也可以是动态离心式水气分离装置。

Claims (6)

1.一种一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：包括电催化氧化装置、水气分离装置、燃料电池、液体输送泵和废水储存装置、用于储存电能的电容；所述废水储存装置用于储存待处理的有机废水，所述液体输送泵将有机废水输入至电催化氧化装置；所述电催化氧化装置用于对有机废水中的有机物进行电催化氧化处理，其产生的水气混合物进入所述水气分离装置进行水气分离；从水气分离装置分离后的气体进入所述燃料电池，在燃料电池中通过发生反应得到去除，燃料电池作为电源为其外部设备供电；所述水气分离装置为静态水气分离装置或者动态离心式水气分离装置。

2.根据权利要求1所述的一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：所述电催化氧化装置为密闭式结构，包括一组或若干组以硼掺杂的金刚石电极构成的阳极和一组或若干组以金属或者导电介质构成的阴极。

3.根据权利要求2所述的一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：所述电催化氧化装置采取大电流、小电压的直流供电模式，当有机废水的电导率低于1000μs/cm时，在电催化氧化过程中向处理的有机废水中添加无机盐，用于抑制所述有机废水在电催化氧化过程中的产热效应。

4.根据权利要求3所述的一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：所述无机盐为硫酸盐和/或磷酸盐，且硫酸盐和/或磷酸盐加入后的含量为0.5g/L-2.0g/L。

5.根据权利要求1所述的一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：所述燃料电池为质子交换膜燃料电池，以氢氧混合气体为燃料，以空气或氧气作为氧化剂。

6.根据权利要求1所述的一体化有机废水处理及能源回收系统，其特征在于：经过所述水气分离装置分离后的液体返回输入至所述废水储存装置，进行循环处理；所述一体化有机废水处理及能源回收系统还包括用于检测有机废水水质的检测装置，通过该检测装置检测废水水质达到设定的处理标准后，停止处理并外排。