CN104944532A - 一种冷轧含磷废水的处理装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷轧含磷废水的处理装置，其包括由正极室、负极室和用于分隔的正极室和负极室的分隔膜构成的原电池内电路；在正极室内设置有用于正极的惰性电极，在负极室内设置用于负极电极且兼具有物理截留作用的铁碳合金微网分离部件，惰性电极与铁碳合金微网分离部件通过外电路连接，外电路与内电路相连组成完整的原电池；负极室的上部设有进水管，铁碳合金微网分离部件与出水管连接，在所述正极室和负极室下面分别设置有排泥管和排泥管。本发明能够有效将冷轧废水中的磷通过原电池和化学絮凝相耦合的方式，形成磷酸盐沉淀分离出来。该方法在有效除磷和有机物的同时，可通过铁碳合金微网获得较好的出水水质和回收电能。

Description

一种冷轧含磷废水的处理装置和处理方法

技术领域

本发明属于水和废水处理技术领域,涉及一种冷轧含磷废水的处理装置和处理方法具体涉及一种基于原电池和化学絮凝相耦合的除磷方法，适用于冷轧含磷污水、冷轧污泥脱水上清液、冷轧厌氧污泥消化液等含磷废水中的磷去除。

背景技术

磷是动植物体生长必需的元素，但在自然界近乎是一种单向循环。相关统计数据显示，世界上磷酸盐的消耗量年均增长2.5%，到2050年，世界磷酸盐的消耗量将达到1亿吨，而全世界磷矿储备量只能维持100年左右，磷将成为人类和动植物生命活动的限制因素；同时磷又是引起水体富营养化的重要因素。而在广泛采用的污水污泥处理工艺中，回流污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥等磷含量均较高，因此，回收污水中的磷资源将是磷再生的重要途径之一。

冷轧工艺中适当的运用磷酸清洗表面，产生部分含有磷酸盐的废水。这部分废水需要单独处理，以达到源头减排的目的。

目前，已有的除磷方法有生物法和化学法，生物法除磷工艺复杂，与同时脱氮存在矛盾，且出水稳定性较差；化学法除磷技术主要由沉淀法、结晶法、电渗析法、离子交换法等。其中，沉淀法利用钙盐、镁盐、铝盐、铁盐与水中溶解性的磷酸盐发生化学絮凝形成鸟粪石、磷酸钙等，是目前广泛采用的回收形式；但投加的化学药剂费用较高，且工艺复杂，需消耗大量的能量。

原电池是将化学能直接转化为电能的一种装置。其原理是通过在正负极上发生氧化还原反应在闭合电路中产生电子流，从而产生电流。当金属材料作为负极、惰性材料作为正极、污废水作为电解质时，金属电极或水中的有机物被氧化，电极表面释放金属离子和电子，从而在闭合电路上产生电流，实现化学能向电能的转化。

基于上述原电池和化学絮凝的原理，本发明将这两种工艺相耦合，在原电池中，采用惰性材料和铁碳合金作为原电池的正负极，在电势差的驱动下，将化学能转化为电能；同时，释放的金属离子与电解质中的磷酸根发生絮凝形成化学沉淀，从而实现高效除磷。

查阅已有的专利及文献资料，目前还没有针对冷轧含磷废水处理的工艺报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种冷轧含磷废水的处理装置和处理方法，能够有效将冷轧废水中的磷通过原电池和化学絮凝相耦合的方式，形成磷酸盐沉淀分离出来。该方法在有效除磷和有机物的同时，可通过铁碳合金微网获得较好的出水水质和回收电能。

本发明的技术解决方案如下：一种冷轧含磷废水的处理装置，其包括由正极室3、负极室4和用于分隔的正极室3和负极室4的分隔膜10构成的原电池内电路；

在所述正极室3内设置有用于正极的惰性电极8，在负极室4内设置用于负极电极且兼具有物理截留作用的铁碳合金微网分离部件12，所述惰性电极8与铁碳合金微网分离部件12通过外电路连接，所述外电路与内电路相连组成完整的原电池；

所述负极室4的上部设有进水管1，所述铁碳合金微网分离部件12与出水管2连接，在所述正极室3和负极室4下面分别设置有排泥管51和排泥管52。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，所述铁碳合金微网分离部件12为丝状铁碳合金编织成网孔结构，所述网孔的孔径为60～180μm。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，在所述负极室4内部设置有搅拌装置11，在所述搅拌装置的搅拌棒垂直断面上设置有不同尺寸的桨叶13。

本发明所述桨叶分三层桨叶，桨叶的直径低层、中间层、上层的比例为100：80：60，以保证充分搅拌和混和均匀。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，在所述正极室3下部设置有曝气装置9，所述曝气装置9由曝气机、曝气干管、曝气支管组成，曝气支管位于惰性电极的正下方。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，在所述正极室3和负极室4底部分别设置有用于分类收集不同絮凝产物的污泥斗61和污泥斗62。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，所述分隔膜10选自微滤膜、超滤膜、质子交换膜和无纺布中的一种。

本发明所述冷轧含磷废水的处理装置，优选的是，所述的惰性电极8为石墨电极，其形式为碳棒、碳刷或者碳毡。

本发明还提供一种冷轧含磷废水的处理方法，包括如下步骤：

冷轧含磷废水通过冷轧含磷废水的处理装置的进水管进入冷轧含磷废水处理装置的负极室，在搅拌装置的作用下发生化学絮凝，去除有机物和磷，然后通过铁碳合金微网分离部件，将絮体颗粒与溶液分离，被截留的絮体自然沉降至污泥斗后再回收利用；

所述冷轧含磷废水的处理装置为上述所述冷轧含磷废水的处理装置。

本发明所述冷轧含磷废水的处理方法，所述负极室的水力停留时间2～5h。

本发明所述冷轧含磷废水的处理方法，所述铁碳合金微网分离部件产水通量：8～15L/(m²·h)。

本发明除磷方法由进水管、出水管、正极室、负极室、外电路以及分隔两室的膜组成。正极室内又包含惰性电极、曝气装置和污泥斗，惰性电极为石墨电极，形式可以为碳棒、碳刷、碳毡等，以增加电极的比表面积；曝气装置由曝气机、曝气干管、曝气支管组成，曝气支管位于惰性电极的正下方，可以为穿孔管曝气或微孔曝气。负极室内包含微网分离部件、搅拌装置和污泥斗；微网分离部件由丝状铁碳合金编织成网孔状结构，网孔孔径范围为80目～250目（60～180μm），具有电极和物理截留的双重作用。搅拌装置在垂直断面上设计不同尺寸的桨叶，以提供速度梯度G值:10～1000秒^-1优化絮凝效果。两室内的污泥斗分别设置，电解质溶液采用膜进行分隔，膜形式可以为微滤膜、超滤膜、质子交换膜、无纺布等。正极室、负极室和膜构成原电池的内电路，同外电路相连组成完整的原电池。

根据原电池的作用原理，负极铁碳合金微网组件被氧化释放电子和亚铁离子，电子通过外电路传递到正极，正极惰性材料表面氧气得电子被还原，释放氢氧根离子；负极室内，污废水中的磷酸根与铁碳合金产生的亚铁离子形成磷酸亚铁沉淀或部分亚铁离子被正极室内扩散而来的少量溶解氧氧化成三价铁离子而形成磷酸铁沉淀。在化学絮凝的过程中，搅拌装置在垂直断面上设计为不同尺寸的桨叶，以提供多G值搅拌从而优化絮凝效果。正极室和负极室内均设置了污泥斗，使得到的不同絮凝产物分类收集后再利用。本发明方法从负极室进水，即市政污水、污泥消化液等富磷废水通过进水管进入电化学除磷装置，在搅拌装置的作用下发生化学絮凝，可同时去除有机物和磷，然后通过微网分离装置，在外界抽吸力的作用下，将絮体颗粒与溶液分离；被截留的絮体自然沉降至污泥斗后再回收利用；微网分离装置具有传递电子和物理拦截的双重作用，极大程度地增加了电极的比表面积，优化了出水水质。分隔两室的膜元件形式可以为微滤膜、超滤膜、质子交换膜、无纺布等，能通过微量溶解氧、水分子、离子及其它溶解性物质，在一定程度上能分离絮凝产物，防止共混，并阻隔大量的溶解氧进入阴极室造成铁碳合金电极氧化，从而使反应速率减慢。

本发明提供的冷轧含磷废水的去除的方法中，正极室的电解质溶液为氯化钠（或氯化钾）盐溶液，由于正极产生氢氧根，需阶段性换水；负极室为连续进水、连续出水，微网分离部件需定期更换，以保证稳定的出水水质。以下为该发明方法的工艺控制参数：

正极室：曝气强度（以单位体积、单位时间供气量表示）为5～15m^3/(m³·h),优选10～12m³/(m³·h)。电解液更换频率：3～5d。

负极室：水力停留时间2～5h，优选3-4h;铁碳合金微网产水通量：8～15L/(m²·h)，更换频率：每1～2周一次。

排泥：正极室和负极室的排泥频率均为每周一次。

分隔膜：3～4个铁碳合金微网更换周期（即1-2个月）。

本发明的除磷方法处理总磷浓度为4～7mg/L的冷轧废水，出水达到国家规定排放标准；处理冷轧厌氧污泥消化液，出水总磷可达90%以上的去除率。最终通过排泥对铁资源和磷资源再回收利用，实现资源最大利用化。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的冷轧含磷废水的处理装置和处理方法：（1）本发明的电化学除磷方法适用于多种富磷废水中磷的去除，如冷轧污水、污泥脱水上清液、厌氧污泥消化液以及其它富磷废水等。

（2）本发明方法利用铁碳合金微网组件作为电池阴极，具有导电、比表面大的特点，起到了传递电子和物理截留的双重作用，极大程度地增加了电极的有效面积，同时优化了出水水质。

（3）本发明除磷方法将搅拌装置在垂直断面上设计为不同尺寸的桨叶，以提供多段G值搅拌，从而优化了絮凝效果。

（4）本发明电化学除磷方法引入膜元件分隔正负极两室，可阻隔溶解氧的大量交换，并在一定程度上分离纯化絮凝产物。

（5）本发明除磷方法水力停留时间短，占地面积小，出水水质好，能量消耗低。

附图说明

图1是本发明含磷废水的处理装置中原电池和化学絮凝相耦合的除磷方法系统结构图；

图2是本发明原电池和化学絮凝相耦合的除磷方法原理图；

图中：进水管-1，出水管-2，正极室-3，负极室-4，排泥管-51，排泥管-52，污泥斗-61，污泥斗-62，外电路-7，惰性电极-8，曝气装置-9，分隔膜-10，搅拌装置-11，微网分离部件-12，桨叶-13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

本发明含磷废水的处理装置由进水管1、出水管2、正极室3、负极室4、外电路7以及膜10组成。正极室3又包含惰性电极（碳棒、碳刷或其它形式）8、曝气装置9和污泥斗61，曝气装置9由曝气机、曝气干管、曝气支管组成，曝气支管位于惰性电极的正下方。负极室4内包含微网分离部件12、搅拌装置11和污泥斗62；拌装置11在垂直断面上设计不同尺寸的桨叶13。两室内的污泥斗5分别设置，定期通过排泥管6向系统外排泥。两室用分隔膜10进行分离，正极室3、负极室4和膜10构成原电池的内电路，同外电路7相连构成完整的原电池。

首先，冷轧含磷废水通过进水管1进入电化学除磷装置的负极室4，负极铁碳合金电极12被氧化释放电子和亚铁离子，电子通过外电路7传递到正极8，正极惰性电极8表面氧气得电子被还原，释放氢氧根离子；正极室3内的曝气装置9提供的溶解氧透过膜10，将亚铁离子氧化为铁离子，同时与污废水中的磷酸根形成磷酸铁沉淀。混合液通过微网分离部件12，在外界抽吸力的作用下，絮体颗粒与溶液分离，由出水管2排出系统；在化学絮凝的过程中，搅拌装置11在垂直断面上设计为不同尺寸的桨叶13，以提供多G值搅拌从而优化絮凝效果。正极室3和负极室4内均设置污泥斗，使得到的不同絮凝产物由排泥管分类收集后再利用。

实施例1：利用该化学除磷方法处理冷轧含磷废水，进水总磷浓度为6.3±2.4mg/L，正极室曝气强度7m³/(m³·h)；负极室水力停留时间3h，微网产水通量10L/(m²·h)，更换频率：每周一次；外电路检测到平均电流强度0.32A/m²(核算至每平米铁碳微网面积)，正极室和负极室排泥频率为每两周一次。出水总磷小于0.5mg/L，达到国家排放标准。

实施例2：利用该化学除磷方法处理冷轧污泥脱水上清液，进水总磷浓度为12±3.6mg/L，正极室曝气强度10m³/(m³·h)；负极室水力停留时间4h，微网产水通量10L/(m²·h)，更换频率：每周一次；外电路检测到平均电流强度0.38A/m²(核算至每平米铁碳微网面积)，负极室排泥频率为每周两次。出水总磷去除率达90%以上。

实施例3：利用该化学除磷方法处理冷轧厌氧污泥消化液，进水总磷浓度为45±5.8mg/L，正极室曝气强度12m³/(m²·h)；负极室水力停留时间5h，微网产水通量10L/(m²·h)，更换频率：每周一次；外电路检测到平均电流强度0.43A/m²(核算至每平米铁碳微网面积)，负极室排泥频率为每周两次。出水总磷去除率达90%以上。

钢铁行业一直属于废水消耗和排放大户，节能减排是一大发展趋势。本发明提供的含磷废水的处理装置和处理方法提出了冷轧含磷废水的系统解决方案，其不仅具有经济和环保双重效果，而且还具有良好的社会效益和环境效益。

Claims (10)

1.一种冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，其包括由正极室（3）、负极室（4）和用于分隔的正极室（3）和负极室（4）的分隔膜（10）构成的原电池内电路；

在所述正极室（3）内设置有用于正极的惰性电极（8），在负极室（4）内设置用于负极电极且兼具有物理截留作用的铁碳合金微网分离部件（12），所述惰性电极（8）与铁碳合金微网分离部件（12）通过外电路连接，所述外电路与内电路相连组成完整的原电池；

所述负极室（4）的上部设有进水管（1），所述铁碳合金微网分离部件（12）与出水管（2）连接，在所述正极室（3）和负极室（4）下面分别设置有排泥管（51）和排泥管（52）。

2.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，所述铁碳合金微网分离部件（12）为丝状铁碳合金编织成网孔结构，所述网孔的孔径为60～180μm。

3.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，在所述负极室（4）内部设置有搅拌装置（11），在所述搅拌装置的搅拌棒垂直断面上设置有不同尺寸的桨叶（13）。

4.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，在所述正极室（3）下部设置有曝气装置（9），所述曝气装置（9）由曝气机、曝气干管、曝气支管组成，曝气支管位于惰性电极的正下方。

5.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，在所述正极室（3）和负极室（4）底部分别设置有用于分类收集不同絮凝产物的污泥斗（61）和污泥斗（62）。

6.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，所述分隔膜（10）选自微滤膜、超滤膜、质子交换膜和无纺布中的一种。

7.根据权利要求1所述冷轧含磷废水的处理装置，其特征在于，所述的惰性电极（8）为石墨电极，其形式为碳棒、碳刷或者碳毡。

8.一种冷轧含磷废水的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

冷轧含磷废水通过冷轧含磷废水的处理装置的进水管进入冷轧含磷废水处理装置的负极室，在搅拌装置的作用下发生化学絮凝，去除有机物和磷，然后通过铁碳合金微网分离部件，将絮体颗粒与溶液分离，被截留的絮体自然沉降至污泥斗后再回收利用；

所述冷轧含磷废水的处理装置为权利要求1-7所述冷轧含磷废水的处理装置。

9.根据权利要求8所述冷轧含磷废水的处理方法，其特征在于，所述负极室的水力停留时间2～5h。

10.根据权利要求8所述冷轧含磷废水的处理方法，其特征在于，所述铁碳合金微网分离部件产水通量：8～15L/(m²·h)。