CN103910414A - 一种组合电解反应器及其废水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合电解反应器及其废水处理方法，属于废水处理技术领域。它包括反应器和反应器底座，反应器内从上至下依次为电源室、多维电极室、铁碳微电解室、布水曝气室和设备室；电源室位于反应器顶盖内，配置有两台电源控制器；多维电极室位于所述的反应器顶盖下方，包含四片电极板，从左到右依次为电极板a、电极板b、电极板d和电极板c，电极板a和电极板d为主阳极，电极板b和电极板c为主阴极，电极板间填充有碳填料；铁碳微电解室位于多维电极室下部，其内填充有铁碳填料；布水曝气室位于铁碳微电解室的下部，分别通过设备室内的布水泵和曝气泵进行布水和曝气。本发明能够有效提高处理效率，减少钝化和板结的发生。

Description

一种组合电解反应器及其废水处理方法

技术领域

本发明属于环境工程废水处理技术领域，具体地说是一种组合电解反应器及其废水处理方法。

背景技术

随着我国工业化的稳步推进和经济的高速发展，水污染问题日益严峻。严重的水污染不仅加重水资源危机，而且影响人们的生产生活及身体健康。

工业废水在污水排放总量中所占比重大，处理难度高。工业废水按所含主要污染物的化学性质可分为：无机废水、难降解有机废水、混合废水、重金属废水、含放射性物质的废水和冷却水。其中，难降解有机废水所含难降解有机物毒性大，成份复杂，化学耗氧量高，一般微生物对其几乎没有降解效果。

电催化氧化技术通过产生羟基自由基等强氧化性的活性基团来降解废水中的有机污染物，具有无二次污染、成本低、适用性强、效率高等特点，在处理高浓度、难生化降解工业废水方面具有应用优势。在高浓度、难生化降解工业废水的电催化氧化处理技术中，微电解法是基于以氧化还原、絮凝、吸附、共沉淀等作用将难降解的有机物转化为易降解的小分子化合物，将有毒无机物转化为低毒或无毒无机物沉淀或共沉淀除去，但微电解的处理效果有限，对高浓度难降解有机废水的COD出去除率仅有20～30％甚至更低。多维电极是在传统二维电极之间充填一些粒状或其他碎屑状工作电极材料，使装填工作电极材料表面带电，成为新的一极(第三极)，在工作电极表面发生电化学反应，从而使有机物降解。相较二维电极具有处理设备面积比大，液相传质效率高的优点，但其在处理高浓度难降解有机废水时仍存在处理效率欠佳的问题。多维电极的处理效率与反应器结构、电极材料及电极表面修饰材料(用于改善电极的表面催化性能)都有密切的关系，目前还缺少将反应器的开发和与之相匹配的电极制备相结合，以及多维电极与微电解处理单元组合方面的研究。

公开号：2900505，申请日：2006-04-27，专利名称：多维电极电催化污水处理装置，多维电极电催化污水处理装置,包括平行相对位于壳体中的阴极板、阳极板，充填于阴、阳极板之间的粒子电极，布水管，曝气管以及电源,所述的阳极板由钛板和碳棒相间连接组成。对传统电解阳极的结构进行了改进，由钛板与碳棒相间连接组成阳极，增加了电极的催化活性和寿命，作为阳极组成部分的碳棒可在电解时析出氧，可以加强有机分子在电极上的直接氧化和通过生成强氧化粒子的间接氧化作用，提高了对有机废水的电解催化处理效率。该装置的不足之处在于：(1)仅依靠普通布水管进行布水，会对布水的均匀性造成影响，易造成电解堵塞使用电流效率降低；(2)占地面积相对较大，会增加基建投资费用；(3)反应室缺少滞留的处理水，耐冲击负荷弱；(4)结构上较为封闭，缺少处理粒子电极材料的相关结构，运行较为死板；(5)仅依靠电解阳极结构的改进提升有机废水的处理效率，其作用有限；(6)粒子电极材料作用单一；(7)高径比较小，固液通过沉降分离的效果相对较差。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的多维电极处理效率相对较低，粒子电极材料作用单一，处理设备占地面积大，基建投资费用高，铁碳微电解室易堵塞、板结和钝化的问题，本发明提供了一种组合电解反应器及其废水处理方法。采用本发明的技术方案，有效地提高了处理效率，强化了对粒子电极材料的高效利用，有效地减少了铁碳微电解室堵塞、板结和钝化等问题，且运行灵活、操作简单、结构紧凑、维护方便、占地面积省。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种组合电解反应器，它包括反应器和反应器底座，所述的反应器内从上至下依次为电源室、多维电极室、铁碳微电解室、布水曝气室和设备室；

所述的电源室位于反应器顶盖内，配置有两台电源控制器；

所述的多维电极室位于所述的反应器顶盖下方，包含四片电极板，从左到右依次为电极板a、电极板b、电极板d和电极板c，通过固定架固定，所述的电极板a和电极板d为主阳极，电极板b和电极板c为主阴极，电极板均为长方形，电极板间填充有碳填料，出水口位于碳填料上部；

所述的铁碳微电解室位于多维电极室下部，其内填充有铁碳填料；

所述的布水曝气室位于铁碳微电解室的下部，分别通过设备室内的布水泵和曝气泵进行布水和曝气，卸料管位于所述的布水曝气室的底部，铁碳微电解室底部采用5％的斜面倾斜料管端。

优选地，所述的多维电极室和铁碳微电解室的高径比均介于5:1～8:1之间，铁碳微电解室内的铁碳质量比介于2:1～2.5:1之间。

优选地，所述的主阳极以铁板为基材，经过金属涂层处理，金属涂层为钌铱、铱钽、钛钌铱或铁钌锡之一，主阴极以不锈钢板为基材。

优选地，所述的碳填料的材料为活性炭、无烟煤或粉煤灰之一。

优选地，所述的布水曝气室包括曝气头、曝气头支架，所述的曝气头环状均匀布置在所述的曝气头支架上，曝气头与所述的曝气泵通过软管接头、橡皮软管进行连接通气。

优选地，所述的布水曝气室包括环状布水管，所述的布水管通过布水管支架固定，布水管通过布水泵泵入水流，由布水管上均布的孔口流出。

一种采用所述的组合电解反应器的废水处理方法，所述的反应器采用续批间歇式运行方式，即运行按时间顺序由进水、反应、出水和静置四个基本工序组成，周期1.7～3.6h；反应器进水采用上流式，即污水通过位于底部的布水管自下而上依次通过铁碳微电解室和多维电极室，经处理后的水从上所述的出水口排出。

优选地，所述的组合电解反应器的废水处理方法，其步骤为：

a.反应器运行前，关闭卸料管上的阀门；卸下反应器顶盖上的顶盖锁，打开反应器顶盖，并将准备好的铁屑和碳填料依次装入反应器，然后关闭反应器顶盖，锁上顶盖锁；打开电源室通过电源控制器调整电压，打开设备室调整布水泵的流量和曝气泵的曝气量；

b.进水阶段，原水进入反应器底部的进水口后，通过布水泵泵入布水管并由孔口均匀出流，进水时间为0.2～0.3h，进水流量为30～60m³/h；

c.进水结束后，进入反应阶段，开启多维电极和曝气泵，0.6～1.2h后减小曝气泵的曝气量并继续电解0.5～1.5h，曝气量为1～1.5m³/h；

d.反应结束后，进入出水阶段，关闭多维电极，减小曝气量至0.3～0.5m³/h并继续曝气0.2～0.3h直到出流结束；

e.出水结束后，进入静置阶段，关闭曝气泵，0.2～0.3h后重新开始进水；反应器运行5～12h，打开反应器顶盖添加铁屑填料以补充消耗的铁屑。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种组合电解反应器，进水为上流式，由于碳填料的质地较铁屑填料轻，故其在水流作用下浮于铁屑填料的上方，减小了因碳填料流失对多维电极产生的影响；且碳填料既作为多维电极的工作电极材料，又作为铁碳微电解反应的阴极材料，强化了对碳填料的高效利用；

(2)本发明的一种组合电解反应器，主阳极以铁板为基材，且经过金属涂层(金属涂层为钌铱、铱钽、钛钌铱或铁钌锡之一)处理，工作电压低、电能消耗小、电流效率高；

(3)本发明的一种组合电解反应器，反应室(即多维电极室和铁碳微电解室)的高径比介于5:1～8:1之间，占地面积省，减小了基建投资费用，且固液分离更彻底；

(4)本发明的一种组合电解反应器，采用碳填料的材料为活性碳、无烟煤或粉煤灰之一，均具有较强的吸附能力，大大提高了阳极氧化性产物的利用效率，减少了能耗，又无烟煤和粉煤灰成本低廉，能极大地减小运行费用；

(5)本发明的一种组合电解反应器，通过环状均布曝气头增加了曝气的均匀性，有效地减少了铁碳微电解室堵塞、板结和钝化等问题；

(6)本发明的一种组合电解反应器，合理有效地将铁碳微电解和多维电极进行组合，反应器结构紧凑、操作简单、维护方便；

(7)采用本发明的组合电解反应器进行废水处理，采用续批间歇式运行方式，池内有滞留的处理水，耐冲击负荷强；工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。

附图说明

图1为本发明的一种组合电解反应器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1的C-C剖视图。

图中：1、电源室；2、多维电极室；3、铁碳微电解室；4、布水曝气室；5、设备室；6、反应器顶盖；7、电源控制器；8、顶盖锁；9、固定架；10、出水口；11、电极板a；12、电极板b；13、接线柱；14、电极板c；15、电极板d；16、电极涂层；17、碳填料；18、铁碳填料；19、曝气头；20、软管接头；21、曝气头支架；22、布水管支架；23、布水管；24、孔口；25、卸料管；26、橡皮软管；27、曝气泵；28、进水口；29、布水泵；30、反应器；31、反应器底座。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1，本实施例的组合电解反应器为筒状结构，反应器30固定在反应器底座31，反应器30整体高5.1m，它包括电源室1、多维电极室2、铁碳微电解室3、布水曝气室4、设备室5。

电源室1位于反应器顶盖6内，配置两台电源控制器7；反应器顶盖6高0.4m，外加电压为220V。多维电极室2位于反应器顶盖6下部，直径为0.4m，高为2.0m，包含四片电极板，从左到右依次为电极板a11、电极板b12、电极板d15和电极板c14(每个电极板上端设置有接线柱13，电极板表面为60×60cm，极板间距为14cm，通过固定架9固定，固定架9高为5cm，电极板高出固定架9的部分为5cm，伸入多维电极室2的部分，即有效高度为0.5m；电极板a11和电极板d15为主阳极，电极板a11和电极板c14为主阴极，电极板间填充高度为1.2m的碳填料17，出水口10位于碳填料17上部；铁碳微电解室3位于多维电极室2下部，直径为0.5m，高度为2.6m，其内填充高度为2.4m的铁碳填料18；连接铁碳微电解室3和多维电极室2的反应器壁的部分垂直高度为0.1m，与水平方向的夹角为60°(见图1所示)。

布水曝气室4位于铁碳微电解室3的下部，分别通过设备室5内的布水泵29和曝气泵27进行布水和曝气；卸料管25位于铁碳微电解室3的底部，直径为100mm，铁碳微电解室3底部采用5％的斜面(即垂直距离/水平距离的百分比)倾斜料管端。

如图1，布水曝气室4包括曝气头19、曝气头支架21，曝气头19环状均匀布置在所述的曝气头支架21上，曝气头19与所述的曝气泵27通过软管接头20、橡皮软管26进行连接通气。铁碳微电解室3内的铁碳质量比为2.5:1。

如图4，布水曝气室4还包括环状布水管23，布水管23通过布水管支架22固定，布水管23通过布水泵29泵入水流，由布水管上均布的孔口24流出。

反应器采用续批间歇式运行方式，即运行按时间顺序由进水、反应、出水和静置四个基本工序组成，周期为1.7～3.6h；电解液流向与电流方向垂直；进水为上流式，即污水通过位于底部的布水管23自下而上依次通过铁碳微电解室3和多维电极室2，经处理后的水从出水口10排出；

如图1、2，主阳极以铁板为基材，经过金属涂层处理，基材上涂有电极涂层16，该涂层为铱钽，主阴极以不锈钢板为基材；碳填料的材料为粉煤灰。

如图1、2、3，曝气头19环状均匀布置；布水管为环状，通过布水泵29泵入，由孔口24出流均布进水。

上述组合电解反应器的废水处理方法，其步骤为：

a.反应器30运行前，关闭卸料管25上的阀门，防止进料时填料从卸料管25漏失；卸下顶盖锁8，打开反应器顶盖6并将准备好的铁屑和碳填料依次装入反应器，然后关闭反应器顶盖6，锁上顶盖锁8；打开电源室1通过电源控制器7调整电压，打开设备室5调整布水泵29的流量和曝气泵27的曝气量，以上即为进水前的准备工作。

b.进水阶段，原水经进水口28后，通过布水泵29泵入布水管23并由孔口24均匀出流，进水时间为0.2h，进水流量为55.42m³/h，通过进水，原水充满整个反应器30；

c.进水结束后，进入反应阶段，开启多维电极和曝气泵27，0.6～1.2h后减小曝气泵的曝气量并继续电解0.5～1.5h，曝气量为1m³/h；通过均匀布气，增加了对铁碳填料的扰动的均匀性，有效地减少了铁碳微电解室堵塞、板结和钝化等问题；

d.反应结束后，进入出水阶段，关闭多维电极，减小曝气量至0.3m³/h并继续曝气0.2～0.3h直到出流结束。减小曝气量，可以在利用固液沉降分离的基础上阻止的铁碳填料的板结；

e.出水结束后，进入静止阶段，关闭曝气泵27，0.2～0.3h重新开始进水；

反应器运行一段时间后，打开反应器顶盖6添加铁碳填料18以补充消耗的铁屑。

实施例2

本实施例基于上述实施例1的一种组合电解反应器为例进行废水处理，某染料废水，活性绿KE-4BD废水初始浓度为360-400mg/L，CODc_r：275-308mg/L，pH：4.5-5.0，色度：1200-1500倍。

反应器主阳极以铁板为基材，经过金属涂层处理，金属涂层为钌铱，主阴极以不锈钢板为基材；碳填料的材料为活性碳。

废水处理过程，步骤如下：

(1)进水阶段，反应器进水流量为35m³/h，进水时间为0.2h；

(2)反应阶段，多维电极工作电压为220V，电流密度为30mA/cm³，开启时间为0.8h，曝气泵27的工作时间为2.0h，前0.8h的曝气量为40L/min，后1.2h的曝气量为20L/min；出水阶段，曝气量为5L/min，工作时间为0.2h；

(3)静止阶段，曝气泵27关闭，0.2h后重新开始进水。

连续运行无铁碳床层堵塞、板结、钝化等问题出现。连续进水3批次后，反应器运行5h，打开反应器顶盖6添加0.5m³铁碳填料18以补充消耗的铁屑，然后关闭反应器顶盖6，锁紧顶盖锁8并开始下一轮进水。

初始浓度为360-400mg/L经电解后出水CODc_r：34-50mg/L，色度：30-60倍，COD去除率约为88％，色度去除率约为98％。出水水质稳定地达到出水水质稳定地达到纺织染整工业污染物排放标准(CB4287-2012)。

实施例3

本实施例基于上述实施例1的一种组合电解反应器为例进行废水处理，某印染废水，水质为CODc_r：520-580mg/L，pH：10.5-11.0，色度：400-500倍。

反应器主阳极以铁板为基材，经过金属涂层处理，金属涂层为铁钌锡，主阴极以不锈钢板为基材；碳填料的材料为无烟煤。

废水处理过程，步骤如下：

(1)进水阶段，反应器进水流量为30m³/h，进水时间为0.25h；

(2)反应阶段，多维电极工作电压为220V，电流密度为40mA/cm³，开启时间为1.0h，曝气泵27的工作时间为2.0h，前1.0h的曝气量为40L/min，后1.0h的曝气量为20L/min；出水阶段，曝气量为6L/min，工作时间为0.3h；

(3)静止阶段，曝气泵关闭，时长0.25h后重新开始进水。

连续运行无铁碳床层堵塞、板结、钝化等问题出现。连续进水3批次后，反应器运行12h，打开反应器顶盖6添加0.6m³铁碳填料18以补充消耗的铁屑，然后关闭反应器顶盖6，锁紧顶盖锁8并开始下一轮进水。

经电解后出水CODc_r：40-66mg/L，色度：10-30倍，COD去除率约为92％，色度去除率约为96％。出水水质稳定地达到出水水质稳定地达到纺织染整工业污染物排放标准(CB4287-2012)。

Claims (8)

1.一种组合电解反应器，它包括反应器(30)和反应器底座(31)，其特征是，所述的反应器(30)内从上至下依次为电源室(1)、多维电极室(2)、铁碳微电解室(3)、布水曝气室(4)和设备室(5)；

所述的电源室(1)位于反应器顶盖(6)内，配置有两台电源控制器(7)；

所述的多维电极室(2)位于所述的反应器顶盖(6)下方，包含四片电极板，从左到右依次为电极板a(11)、电极板b(12)、电极板d(15)和电极板c(14)，通过固定架(9)固定，所述的电极板a(11)和电极板d(15)为主阳极，电极板b(12)和电极板c(14)为主阴极，电极板均为长方形，电极板间填充有碳填料(17)，出水口(10)位于碳填料(17)上部；

所述的铁碳微电解室(3)位于多维电极室(2)下部，其内填充有铁碳填料(18)；

所述的布水曝气室(4)位于铁碳微电解室(3)的下部，分别通过设备室(5)内的布水泵(29)和曝气泵(27)进行布水和曝气，卸料管(25)位于所述的布水曝气室(4)的底部，铁碳微电解室(3)底部采用5％的斜面倾斜料管端。

2.根据权利要求1所述的一种组合电解反应器，其特征是，所述的多维电极室(2)和铁碳微电解室(3)的高径比均介于5:1～8:1之间，铁碳微电解室(3)内的铁碳质量比介于2:1～2.5:1之间。

3.根据权利要求1所述的一种组合电解反应器，其特征是，所述的主阳极以铁板为基材，经过金属涂层处理，金属涂层为钌铱、铱钽、钛钌铱或铁钌锡之一，主阴极以不锈钢板为基材。

4.根据权利要求1或2所述的一种组合电解反应器，其特征是，所述的碳填料(17)的材料为活性炭、无烟煤或粉煤灰之一。

5.根据权利要求4所述的一种组合电解反应器，其特征是，所述的布水曝气室(4)包括曝气头(19)、曝气头支架(21)，所述的曝气头(19)环状均匀布置在所述的曝气头支架(21)上，曝气头(19)与所述的曝气泵(27)通过软管接头(20)、橡皮软管(26)进行连接通气。

6.根据权利要求5所述的一种组合电解反应器，其特征是，所述的布水曝气室(4)包括环状布水管(23)，所述的布水管(23)通过布水管支架(22)固定，布水管(23)通过布水泵(29)泵入水流，由布水管上均布的孔口(24)流出。

7.一种采用权利要求6所述的组合电解反应器的废水处理方法，其特征是，所述的反应器采用续批间歇式运行方式，即运行按时间顺序由进水、反应、出水和静置四个基本工序组成，周期1.7～3.6h；反应器进水采用上流式，即污水通过位于底部的布水管(23)自下而上依次通过铁碳微电解室(3)和多维电极室(2)，经处理后的水从上所述的出水口(10)排出。

8.根据权利要求7所述的组合电解反应器的废水处理方法，其步骤为：

a.反应器运行前，关闭卸料管(25)上的阀门；卸下反应器顶盖(6)上的顶盖锁(8)，打开反应器顶盖(6)，并将准备好的铁屑和碳填料依次装入反应器(30)，然后关闭反应器顶盖(6)，锁上顶盖锁(8)；打开电源室(1)通过电源控制器(7)调整电压，打开设备室(5)调整布水泵(29)的流量和曝气泵(27)的曝气量；

b.进水阶段，原水进入反应器(30)底部的进水口(28)后，通过布水泵(29)泵入布水管(23)并由孔口(24)均匀出流，进水时间为0.2～0.3h，进水流量为30～60m³/h；

c.进水结束后，进入反应阶段，开启多维电极和曝气泵(27)，0.6～1.2h后减小曝气泵(27)的曝气量并继续电解0.5～1.5h，曝气量为1～1.5m³/h；

d.反应结束后，进入出水阶段，关闭多维电极，减小曝气量至0.3～0.5m³/h并继续曝气0.2～0.3h直到出流结束；

e.出水结束后，进入静置阶段，关闭曝气泵(27)，0.2～0.3h后重新开始进水；反应器运行5～12h，打开反应器顶盖(6)添加铁屑填料(18)以补充消耗的铁屑。