CN105217709B - 一种多相催化氧化气浮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相催化氧化气浮装置，包括气浮池壳体、提供污水循环的混合气液输出机构、多相微电解填料柱群和电极板组及电源装置，所述气浮池壳体具有反应区、分离区、出水区和刮泥设备，所述混合气液输出机构的进口连接所述出水区，出口串接有至少一根稀土永磁流体处理器，所述稀土永磁流体处理器连接一稳定管，所述反应区内具有规则排列的填料柱群组，所述稳定管的出口连接所述填料柱群组，所述反应区内设有绝缘内壁和电极板。本发明设备紧凑高效、运行成本低廉，对水质适应强，可适应难降解、有生物毒性、高COD水质，电源脉冲模式可适应高盐分水质。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种多相催化氧化气浮装置。
背景技术
气浮是指向水中通入空气，产生微细的气泡，使水中的细小悬浮物黏附在空气泡上，随气泡一起上浮到水面，形成浮渣，达到去除水中悬浮物，改善水质的目的。
气浮分为电解气浮法、散气气浮法和溶气气浮法。电解气浮法工艺简单，设备小，但电耗大。散气气浮法工艺简单易行，但气泡较大、气浮效果不好。溶气气浮法耗电多，运营费用偏高，废水悬浮物浓度高时，减压释放器容易堵塞，管理复杂。目前气浮技术主要缺点是对亲水性有机物去除率低。
电催化是指在电场的作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物能够促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，根据有机物氧化过程中电子转移的方式，电催化氧化可分为直接氧化和间接氧化。电催化氧化法具有能量效率高，环境适应性强、设备简单、操作方便等优点，利用该方法降解有机物是目前研究的热点。
电催化技术降解废水中污染物主要通过阳极催化氧化过程和阴极还原过程实现。阳极催化氧化过程又可分为直接过程和间接过程。阳极直接氧化过程是指污染物在阳极表面氧化而转化为毒性较低或生物易降解物质，甚至矿化为二氧化碳等无机物，从而达到削减污染物的目的。间接氧化过程是利用可逆氧化还原电对氧化降解有机物，或由电化学反应过程中电极表面产生的一些活性中间产物，如•OH、OCL-、H2O2等，这些中间产物参与氧化污染物，从而实现污染物降解去除；此外阴极的直接还原作用同样可以降解有机物。
目前电解反应器有二维和三维形式，主要的缺点是：极板总面积大、多组阴极阳极极板贯穿整个电解反应器；为确保反应效果维持一定的电流密度导致电解电源输出功率大、运行成本高；运行过程中电流效率仍有待提高、极板易结垢；电解产生的强氧化性物质没有选择性地同时攻击污水中所有有机物，导致运行成本增加、有机物去除率受到影响；高盐分废水极易导致极板短流，无法进行有效稳定处理；大面积极板和大功率电源等导致设备投入成本高。
铁碳微电解的氧化-还原作用：由于铁和碳的电势有明显差异，在电解质溶液中相互接触的铁和碳构成数目众多的微小原电池，铁作为阳极被腐蚀，碳作为阴极，Fe不断失去电子变成Fe2+进入溶液，失去的电子传递到碳的表面，当溶液中H+浓度较高时，H+在碳的表面获得电子产生新生态氢；在氧气环境下，O2在碳表面获得电子生成H2O或者OH-,形成吸氧腐蚀。污水中的某些反应物，如H+、O2等作为电子受体，在阴极表面发生还原作用而还原至较低价态。阴极、阳极产生的新生态氢、亚铁离子以及金属铁具有强还原性，极易与污水中的许多物质发生氧化还原反应，污水中的某些有机物在电极表面、溶液中直接或间接参与了氧化还原反应，使一些难生物降解有机物化学结构开环，污水色度降低，生物毒性消除，提高污水的可生化性。
铁盐絮凝、吸附和络和桥架作用：微电解产物铁离子生成的氢氧化物多羟基聚合物形成胶体，对污水中的一些非极性有机化合物进行絮凝和吸附；污水中很多有机大分子中含有一些未共用电子对基团，如-NH2、NR2、-OH、-SO3等，这些基团在一定条件下容易与Fe2+发生络和反应，形成结构复杂的大分子络合物并具有一定的胶体特性，再通过吸附桥架作用得以去除。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对目前气浮技术、微电解和电催化氧化技术存在的不足，将气浮技术、电催化技术与气浮技术在同一系统内有机结合起来，提供一种高效、经济、稳定的高浓度难降解有机废水多相催化氧化气浮装置。
为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种多相催化氧化气浮装置，其中，包括气浮池壳体、提供污水循环的混合气液输出机构、多相微电解填料柱群和电极板组及电源装置，所述气浮池壳体具有反应区、分离区、出水区和刮泥设备，所述混合气液输出机构的进口连接所述出水区，出口串接有至少一根稀土永磁流体处理器，所述稀土永磁流体处理器连接一稳定管，所述反应区内具有规则排列的填料柱群组，所述稳定管的出口连接所述填料柱群组，所述反应区内设有绝缘内壁和电极板。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述气浮池壳体的反应区的进口的后方设有一布水板，所述分离区的顶部设有刮浮渣装置以刮泥至浮渣槽，所述刮浮渣装置为移动式、链条式或固定式中的任意一种，所述分离区的底部设有一清水出水管连通至所述出水区，所述反应区、所述分离区和所述出水区中均设有排空管。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述混合气液输出机构的工作方式采用水泵吸水管、吸气溶气方式、水泵压水管射流溶气方式或水泵-空气压缩机组合溶气方式中的一种。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述稀土永磁流体处理器为内置式或外置式。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述稳定管为圆柱体，体积为所述混合气液输出机构每小时流量的1/60，所述稳定管的进口与出口分别连接一手动阀。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述填料柱群组为M*N数量的填料柱排列，其中M和N均为大于等于1且小于等于10的自然数。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述填料柱由多孔填料容器、中心多孔进水管和多相微电解填料组成，所述多孔填料容器为圆柱体或长方体。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述多孔填料容器的侧面开孔孔径为2mm至6mm，开孔率为纵向截面积的50%-150%，内置铜网防止填料漏出；所述中心多孔进水管的开孔孔径为1.5mm至3mm，开孔率为进水管管径截面积的100%-300%。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述多孔填料容器材质可选用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或纤维强化塑料中的一种。
上述多相催化氧化气浮装置，其中，所述电极板与填料柱排列交替放置，所述电极板包括依次放置的阴极板和阳极板，所述阳极板为在基材上掺杂硼的钻石膜、沉积了掺杂Sb-Ir-Ni的SnO2薄膜或Ir-Ta薄膜中的一种，所述阳极板的基材为Ti基材或不锈钢基材中的一种，所述阴极板为不锈钢、碳纤维板、镍或钛中的一种。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
- 混合气液输出机构作用：汽水混合液中气泡平均直径≤30微米，可对污水中疏水性污染物进行气浮分离；汽水混合液对填料柱中的多相微电解填料进行有效冲刷，防止板结；微米级气泡为电极板催化氧化污染物提供更多O2来源；
- 稀土永磁发生器协同作用：磁场效应增大空气在水中的溶解度；减少因氢键能发生的水分子缔合，提高•OH的扩散能力并促进催化氧化反应；
- 多相微电解作用：填料中的铁碳、铁铜、铝碳、铝铜形成多维微电解效应，对污染物进行氧化-还原作用；微电解产物铁盐和铝盐产生絮凝、吸附与络和桥架作用去除污水中污染物；
- 电催化氧化：通过阳极的直接和间接催化氧化过程以及阴极还原过程实现降解污染物，如汽水混合液中氧气在阴极板上被还原为H2O2；
- 芬顿反应；由微电解产生的二价铁离子和电化学反应过程中电极表面产生的H2O2发生芬顿反应，降解污染物；
- 联合效应提高去除率：充分发挥了物理分离、化学改性结合物理分离和催化氧化降解的联合作用，极大提高了污染物的去除率。在气浮物理分离疏水性污染物基础上，多相微电解作用、电催化氧化和芬顿反应对剩余污染物进一步氧化降解，其中一部分污染物在降解过程中随着官能团的变化，其特性由亲水性转变为疏水性，实现化学改性，并在微电解产生的铁盐铝盐的絮凝、吸附与络和桥架作用下，随着微米级气泡而物理分离；另一部分小分子污染物则被电催化氧化和芬顿反应降解直至矿化；
- 设备紧凑高效：集气浮、微电解和电催化氧化工艺与一体，电极板只需覆盖气浮池反应区、电极板使用面积小进而降低了电源装机功率，设备紧凑高效，占用场地小、安装方便；
- 运行成本低：多相微电解填料采用废角料为主，成本低；相比常规絮凝和芬顿反应需要投加药剂，反应所需的铁离子和氧化物均来自反应过程，无须额外投加；产生的污泥量远远小于常规絮凝、微电解或芬顿反应；系统运行基本以电耗为主、只需定期添加多相微电解填料，运行成本低廉；
- 对水质适应强，可适应难降解、有生物毒性、高COD水质，电源脉冲模式可适应高盐分水质。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明多相催化氧化气浮装置的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图中，101-气浮池壳体；102-污水进口；103-布水板；104-反应区；105-分离区；106-刮浮渣装置；107-浮渣槽；108-浮渣排放口；109-清水出水管；110-清水区；111-清水出水口；112-排空管；201-清水回流管路；202-气体流量计(带调节阀)；203-进气管；204-混合气液输出机构；205-稀土永磁流体处理器；206-稳定管；207-填料柱进水管路；208-中心多孔进水管；209-填料柱；210-多孔填料容器；211-多相微电解填料；212-电源及控制系统；213-电极板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1和图2所示，本发明优选实施例中，气浮池壳体101的反应区104污水进口102之后设有布水板103，分离区105顶部有刮浮渣装置106可刮浮渣至浮渣槽107，刮浮渣装置106为链条式，分离区105底部有清水出水管109连通至清水区110，通过清水出水口111外排，反应区104、分离区105和清水区110设有排空管112。
本优选实施例中，混合气液输出机构204为水泵吸水管吸气溶气方式，混合气液输出机构204直接从市场购买。
本优选实施例中，稀土永磁流体处理器205为内置式，处理器产生25000高斯以上的磁场强度，稀土永磁流体处理器205直接从市场购买。稳定管206优选为圆柱体，体积为混合气液输出设备每小时流量的1/60，进口与出口分别与一手动阀连接。
本优选实施例中，汽水混合液从稳定管206出口经填料柱进水管路207至填料柱209群组，汽水混合液中气泡平均直径≤30微米，填料柱209群组，填料柱群组为M*N数量的填料柱排列，其中M和N均为大于等于1且小于等于10的自然数，优选采用2*7数量的填料柱排列，进一步的，填料柱209由多孔填料容器210、中心多孔进水管208和多相微电解填料211组成。
本优选实施例中，多孔填料容器210的外形特征为圆柱体，多相微电解填料211，其成份配置为：铁屑:铝屑:铜屑:活性炭:沸石(重量比)=5:2:1:2:1，此填料各成份混合使用，采用铁屑、铝屑、铜屑等机械加工废角料，投入成本较低。电极板214包括阳极板与阴极板，与填料柱排列交替放置，阴极板和阳极板依次放置，电极板214的阳极Ti基材为在基材上沉积了掺杂Sb-Ir-Ni的SnO2薄膜，阴极板为Ti基材板，进一步的，电极板214被设计为网状，以增加传质效率。
本优选实施例中，电源及控制系统212为直流、电压为3V-100V，供电模式可在恒压模式、恒流模式和脉冲模式中进行切换，电源及控制系统212直接从市场购买。
汽水混合液中气泡平均直径≤30微米，可对污水中疏水性污染物进行气浮分离；汽水混合液对填料柱中的多相微电解填料进行有效冲刷，防止板结；微米级气泡为电极板催化氧化污染物提供更多O2来源；磁场效应增大空气在水中的溶解度；减少因氢键能发生的水分子缔合，提高•OH的扩散能力并促进催化氧化反应；填料中的铁碳、铁铜、铝碳、铝铜形成多维微电解效应，对污染物进行氧化-还原作用；微电解产物铁盐和铝盐产生絮凝、吸附与络和桥架作用去除污水中污染物。
本发明通过阳极的直接和间接催化氧化过程以及阴极还原过程实现降解污染物，如汽水混合液中氧气在阴极板上被还原为H2O2；本发明由微电解产生的二价铁离子和电化学反应过程中电极表面产生的H2O2发生芬顿反应，降解污染物；本发明充分发挥了物理分离、化学改性结合物理分离和催化氧化降解的联合作用，极大提高了污染物的去除率。在气浮物理分离疏水性污染物基础上，多相微电解作用、电催化氧化和芬顿反应对剩余污染物进一步氧化降解，其中一部分污染物在降解过程中随着官能团的变化，其特性由亲水性转变为疏水性，实现化学改性，并在微电解产生的铁盐铝盐的絮凝、吸附与络和桥架作用下，随着微米级气泡而物理分离；另一部分小分子污染物则被电催化氧化和芬顿反应降解直至矿化。
本发明设备紧凑高效：集气浮、微电解和电催化氧化工艺与一体，电极板只需覆盖气浮池反应区、电极板使用面积小进而降低了电源装机功率，设备紧凑高效，占用场地小、安装方便；本发明使得运行成本降低：多相微电解填料采用废角料为主，成本低；相比常规絮凝和芬顿反应需要投加药剂，反应所需的铁离子和氧化物均来自反应过程，无须额外投加；产生的污泥量远远小于常规絮凝、微电解或芬顿反应；系统运行基本以电耗为主、只需定期添加多相微电解填料，运行成本低廉；本发明对水质适应强，可适应难降解、有生物毒性、高COD水质，电源脉冲模式可适应高盐分水质。
以上对发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种多相催化氧化气浮装置，其特征在于，包括气浮池壳体、提供污水循环的混合气液输出机构、多相微电解填料柱群和电极板组及电源装置，所述气浮池壳体具有反应区、分离区、出水区和刮泥设备，所述混合气液输出机构的进口连接所述出水区，出口串接有至少一根稀土永磁流体处理器，所述稀土永磁流体处理器连接一稳定管，所述反应区内具有规则排列的填料柱群组，所述稳定管的出口连接所述填料柱群组，所述反应区内设有绝缘内壁和电极板，所述气浮池壳体的反应区的污水进口的后方设有一布水板，所述分离区的顶部设有刮浮渣装置以刮泥至浮渣槽，所述刮浮渣装置为移动式、链条式或固定式中的任意一种，所述分离区的底部设有一清水出水管连通至所述出水区，所述反应区、所述分离区和所述出水区中均设有排空管。
2.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述混合气液输出机构的工作方式采用水泵吸水管、吸气溶气方式、水泵压水管射流溶气方式或水泵-空气压缩机组合溶气方式中的一种。
3.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述稀土永磁流体处理器为内置式或外置式。
4.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述稳定管为圆柱体，体积为所述混合气液输出机构每小时流量的1/60，所述稳定管的进口与出口分别连接一手动阀。
5.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述填料柱群组为M*N数量的填料柱排列，其中M和N均为大于等于1且小于等于10的自然数。
6.根据权利要求5所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述填料柱由多孔填料容器、中心多孔进水管和多相微电解填料组成，所述多孔填料容器为圆柱体或长方体。
7.根据权利要求6所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述多孔填料容器的侧面开孔孔径为2mm至6mm，开孔率为纵向截面积的50％-150％，内置铜网防止填料漏出；所述中心多孔进水管的开孔孔径为1.5mm至3mm，开孔率为中心多孔进水管管径截面积的100％-300％。
8.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述多孔填料容器材质选用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或纤维强化塑料中的一种。
9.根据权利要求1所述多相催化氧化气浮装置，其特征在于，所述电极板与填料柱排列交替放置，所述电极板包括依次放置的阴极板和阳极板，所述阳极板为在基材上掺杂硼的钻石膜、沉积了掺杂Sb-Ir-Ni的SnO2薄膜或Ir-Ta薄膜中的一种，所述阳极板的基材为Ti基材或不锈钢基材中的一种，所述阴极板为不锈钢、碳纤维板、镍或钛中的一种。
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