CN105293639A - 阴极阳极协同电解处理废水的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种阴极阳极协同电解处理废水的方法与装置，其阴极阳极之间液体以渗透的方式交换；电解过程中阴极pH升高，阴极区溶液呈碱性，阳极pH降低，阳极区溶液呈酸性；形成阴极阳极间明显的液体特性的差异，在阳极区得到氧化处理后的液体，在阴极区得到还原处理后的液体。电化学反应槽中间设置有隔板，隔板与阴极板与之间区域为阴极区，阳极板与隔板之间区域为阳极区；阳极区和阴极区分别设有阳极区液体流入口和阳极区液体流出口，阴极区液体流入口和阴极区液体流出口；流入口和流出口之间无隔膜。本发明能够有效降解焦化废水或糖蜜酒精废水等难降解工业废水，符合《炼焦化学工艺污染物排放标准》，可直接排放入水体。

Description

阴极阳极协同电解处理废水的方法与装置

技术领域

本发明属于废水处理领域，特别涉及焦化剩余氨水或全部焦化废水等高浓度难降解有机废水的处理方法。

背景技术

电化学方法处理废水，具有设备简单、操作简便、处理效率高、无二次污染、环境兼容性高等优点，随着电力工业的迅猛发展，电化学水处理技术受到人们越来越多的关注。电化学反应的实质是一种电催化反应，是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的一种催化作用。阳极氧化、阴极还原、阴阳两极协同作用都能发生电催化反应。

阳极氧化技术是在相界面进行电荷转移的法拉第过程，使用的唯一“试剂”是电子，电氧化过程中产生的羟基自由基可以与废水中的有机物或者无机有毒物质发生反应，生成简单的小分子物质，或者直接降解为CO₂和水。按照氧化作用机制的不同，阳极氧化工艺可以分为直接氧化工艺和间接氧化工艺两种。在直接氧化中，污染物首先吸附到电极表面，然后通过与电极之间的直接电子传递而得到降解；间接氧化反应是通过电极反应产生的强氧化剂(如次氯酸、羟基自由基和金属氧化还原电对等)使污染物降解的反应。间接氧化在一定程度上发挥了阳极直接氧化作用

阳极氧化的主要竞争副反应是析氧反应，为了提高电流效率，改善催化阳极的催化活性，要求阳极有较高的析氧超电势，这是目前催化阳极研究的主要方向，同时也要求阳极具有较高的稳定性和耐腐蚀性。

阴极还原就是在适当的电位下，电化学还原通过阴极还原反应去除污染物，分为直接还原和间接还原两种。直接还原即污染物直接在阴极得到电子而发生还原，包括金属的回收和含氯有机物的降解，废水发生电化学还原反应后毒性降低，生物可降解性提高。间接还原指电化学反应生成具有还原性的中间产物，将污染物还原去除。二氧化硫气体转化为单质硫就属于间接电化学还原。

利用电催化氧化降解废水的反应中，阴极区发生还原反应生成具有强氧化性的过氧化氢，过氧化氢直接氧化降解废水中的有机无机物质。废水中存在Fe²⁺或其他催化剂的情况下，H₂O₂与催化剂发生芬顿反应，生成具有更强氧化性的·OH，能够无选择性地氧化废水中的有机无机物质，尤其是普通生物法难以降解的复杂有机物，从而提高废水的可生化性；芬顿反应的另一产物Fe³⁺在阴极还原生成Fe²⁺，再次与H₂O₂发生芬顿反应，实现了催化剂Fe²⁺的循环再生，推动持续降解有机污染物反应的进行。

阴极阳极协同作用是在阳极氧化和阴极还原的基础上，巧妙地设置反应器，同时发挥阴极阳极的作用，阴极阳极协同电解废水的处理效果较单一电极作用大为加强。

发明内容

本发明提供了一种采用电化学工艺处理废水的方法，利用阴极阳极协同电解原理处理废水，处理后的废水COD、氨氮、色度等指标显著降低，废水毒性下降，大大减轻了后续生化反应冲击负荷，具有结构紧凑、占地面积小、操作简单等优点；本发明同时提供了能够实现此方法的装置。

本发明的原理：阴极阳极之间液体在有隔膜的反应器中只能够以渗透的方式交换，而没有液体本体宏观流动。电解过程中阴极pH升高，NH₄ ⁺转化为游离氨，同时电解产生热量使氨氮溶解度降低而逸散，部分有机物在阴极发生还原，毒性降低；阳极pH降低，溶液呈酸性，氨氮被直接氧化，SCN^-、焦油等对微生物有毒的物质被降解。以此形成阴极阳极间明显的液体特性的差异，在阳极区得到氧化处理后的液体，在阴极区得到还原处理后的液体。阴极区和阳极区出水毒性均下降。采用三维电极装置，即在传统二维电解槽电极间填充粒状或其它碎屑状填料，并使填料表面带电，成为新的一极(第三极)，在工作电极表面发生电化学反应，提高电化学反应效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种阴极阳极协同电解处理废水的方法，其阴极阳极之间液体以渗透的方式交换，没有液体本体宏观流动；电解过程中阴极pH升高，阴极区溶液呈碱性，阳极pH降低，阳极区溶液呈酸性；形成阴极阳极间明显的液体特性的差异，在阳极区得到氧化处理后的液体，在阴极区得到还原处理后的液体。

一种阴极阳极协同电解处理废水的装置，其特征是电化学反应槽中间设置有隔板，隔板与阴极板与之间区域为阴极区，阳极板与隔板之间区域为阳极区；阳极区和阴极区分别设有阳极区液体流入口和阳极区液体流出口，阴极区液体流入口和阴极区液体流出口；阳极区液体流入口和阳极区液体流出口之间无隔膜，阴极区液体流入口和阴极区液体流出口之间无隔膜。

所述阴极阳极板应为惰性极板，包括不锈钢极板或石墨极板。

所述隔板为无选择透过的多孔性隔板，或开孔塑料板外敷无选择透过的多孔性隔膜构成；隔膜包括由石棉、陶瓷、棉布、有机合成材料制成的各种多孔板状隔膜。

所述阴极板和阳极板之间的距离小于等于4cm。阳极板和阴极板浸没在废水中的面积相等。

利用该装置进行阴极阳极协同电解处理废水的方法，其特征是在常温常压下，将工业废水分别通过阴极进水口和阳极进水口，进入电化学反应槽的阴极区和阳极区，水流方式为上流式；在阴极区和阳极区投入等量的同种填料，将反应器阴阳极板与直流稳压电源连接，分别从阴极区和阳极区出水口收集电化学反应出水。

所述填料为活性炭类物质，或矿物类物质，或多种物质的混合物。

电解过程中电流密度恒定，保持在50-300A/m²，电解时间1-3小时。

具体说明如下：

所述电解装置特征在于阴极阳极之间设置有能够通过液体但不发生明显的液体本体流动的隔板。所述隔板为无选择透过的多孔性隔板，该小孔无选择透过性，阴阳离子均可通过；或开孔塑料板外敷无选择透过的多孔性隔膜构成，所述无选择透过的多孔性隔膜包括由石棉、陶瓷、棉布、有机合成材料制成的各种多孔板状隔膜。

本发明所述的电解装置的使用方法是：在常温常压下，将工业废水以一定的流量分别通过阴极进水口和阳极进水口，进入反应器的阴极区和阳极区，水流方式为上流式。在阴极区和阳极区投入等量的同种填料，将反应器阴阳极板与直流稳压电源连接，控制电流大小，分别从阴极区和阳极区出水口收集电化学反应出水。

采用所述电解装置处理工业废水，所用填料为填充在阴阳极板之间的颗粒状活性炭，活性炭粒度4-10目，电解过程中电流密度恒定，保持在50-300A/m²，阴极区与阳极区同时进水。电解时间1-3小时，保证废水中污染物在反应器内被充分降解，而反应时间过长不仅不能增加反应效率，还会导致能耗升高，增加废水处理费用。所述阴极板和阳极板之间的距离可调，以保证反应器对不同特征污水的处理效果，但极板间距过大，反应能耗太高，增加废水处理成本；反应器内物质从阴极迁移到阳极距离增加，反应效率降低，因此极板间距应控制在一定范围内，宜小于4cm。

本装置能够有效降解焦化废水或糖蜜酒精废水等难降解工业废水。废水中的酚类、苯类、焦油、含氮杂环等多种有机物以及NH₃-N、SCN^-、CN^-等无机有毒物质被有效降解，该装置可以作为废水预处理工艺，提高废水的可生化性，与生化反应工艺联用；或者作为深度处理工艺，处理后废水中COD、NH₃-N显著下降，达到污水综合排放标准，芳香化合物等难降解物质几乎被完全去除，废水毒性大幅度降低，符合《炼焦化学工艺污染物排放标准》，可直接排放入水体。

附图说明

图1本发明装置的主视图；

图2本发明装置的左视图；

图3本发明装置的俯视图；

其中：1.电化学反应槽，2.阴极区进水口，3.阴极区出水口，4.阳极区进水口，5.阳极区出水口，6.填料，7.阳极板，8.阴极板，9.隔板。

具体实施方式

实施例1：

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1、2、3所示的电解装置，它由电解槽1，阴极区进水口2，阴极区出水口3，阳极区进水口4，阳极区出水口5，填料6，阳极板7，阴极板8，隔板9构成。

本装置的结构为：电解槽1由有机玻璃制成，隔板9为打孔的有机玻璃板，厚度2毫米，孔数100个/m^2,，外敷棉布作为隔膜，隔板9将电解槽1分为两个区域，阴极板8一侧为阴极区，阳极板7一侧为阳极区。阳极板7和阴极板8之间的距离为2cm。在电解槽阴极区的一侧下方设置有进水口2，阳极区的同侧下方设置有进水口4；阴极区的另一侧上方设置有出水口3，阳极区的另一侧上方设置有出水口5。阴极区的入水口2高度与阳极区入水口4相同，阴极区的出水口3高度也与阳极区出水口5相同。电极板与反应器的长边平行，通过固定卡槽固定在槽体上。

将焦化剩余氨水分别从阳极区液体流入口和阴极区液体流入口用泵打入，控制泵的流量，以调整废水在电解槽内的停留时间，停留时间为2小时；阴极区与阳极区进水的速度相同，隔板9两侧液面高度相同，以保证两侧液体不发生明显流动。电解槽中加入剩余氨水后，投入填料颗粒活性炭6，活性炭粒度4-10目，填料高度宜与液面高度相同，保证电解槽内废水均能被高效氧化。

处理前，剩余氨水COD浓度为3369mg/L，氨氮浓度为3401mg/L，废水从下端的入口流入，经过填料层，与填料发生充分接触，废水中酚类、苯类、多环芳烃等多种有机污染物，以及氨氮、硫氰根、氰化物等有毒无机物被有效降解，废水可生化性得到提高。同时，在外接电源的作用下，阳极区发生析氧反应，溶液pH呈强酸性，反应结束后，阳极pH＝2.1，可进一步进行芬顿处理。阴极室发生析氢反应，电解过程阴极室pH升高(反应结束后pH＝11.6)，氨在溶液中溶解度下降，NH₄ ⁺转化为氨分子从溶液中挥发，阴极出水氨氮降解52％，COD降解33％，降低了后续生化反应的冲击负荷。

实施例2：

本实施例中的电化学氧化装置包括电解槽1，阴极区进水口2，阴极区出水口3，阳极区进水口4，阳极区出水口5，填料6，阳极板7，阴极板8，隔板9。如图1、2、3所示。

电解槽1由有机玻璃制成，隔板9为陶瓷材料的板状隔膜，厚度2毫米，隔板9将电解槽1分为两个区域，阴极板8一侧为阴极区，阳极板7一侧为阳极区。阳极板7和阴极板8之间的距离为4cm。在电解槽阴极区的一侧下方设置有进水口2，阳极区的同侧下方设置有进水口4；阴极区的另一侧上方设置有出水口3，阳极区的另一侧上方设置有出水口5。阴极区的入水口2高度与阳极区入水口4相同，阴极区的出水口3高度也与阳极区出水口5相同。进水口2和进水口3处均设有流量计，电极板与反应器的长边平行，通过固定卡槽固定在槽体上。阳极板7和阴极板8为不锈钢极板，阳极板7和阴极板8分别与电源的正负极相连，调整电流密度为150mA/cm²。

将糖蜜酒精废液分别从阳极区液体流入口和阴极区液体流入口用泵打入，控制泵的流量，以调整废水在电解槽内的停留时间，停留时间为2.5小时；阴极区与阳极区泵的流量相同，以控制进水的速度相同，隔板9两侧液面高度相同，以保证两侧液体不发生明显流动。电解槽中加入糖蜜酒精废液后，投入填料颗粒活性炭6，活性炭粒度4-10目，填料应尽可能充满阳极区和阴极区，保证电解槽内废水均能被高效氧化。

废水从下端的入口流入，经过填料层，与填料发生充分接触，废液中部分有机物被活性炭吸附。在外接电源的作用下，阳极和活性炭表面产生·OH，将有机物彻底氧化为二氧化碳、水和无机离子，或者将大分子有机物降解为小分子有机物；阴极区发生还原反应，废水中氰化物等有毒物质被还原，废水毒性降低。电解后，阳极出水COD由25301mg/L降为15619mg/L，去除率为38.27％，B/C由0.113提高至0.212，有效提高糖蜜酒精废液的可生化性。阴极出水色度2106倍，去除率为44.87％。

Claims (8)

1.一种阴极阳极协同电解处理废水的方法，其特征是阴极阳极之间液体以渗透的方式交换，没有液体本体宏观流动；电解过程中阴极pH升高，阴极区溶液呈减性，阳极pH降低，阳极区溶液呈酸性，形成阴极阳极区明显的液体特性的差异：在阳极区得到氧化处理后的液体，在阴极区得到还原处理后的液体。

2.实现权利要求1的一种阴极阳极协同电解处理废水的装置，其特征是电化学反应槽中间设置有隔板，隔板与阴极板与之间区域为阴极区，阳极板与隔板之间区域为阳极区；阳极区和阴极区分别设有阳极区液体流入口和阳极区液体流出口，阴极区液体流入口和阴极区液体流出口；阳极区液体流入口和阳极区液体流出口之间无隔膜，阴极区液体流入口和阴极区液体流出口之间无隔膜。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是所述阴极阳极板应为惰性极板，包括不锈钢极板或石墨极板。

4.如权利要求2所述的装置，其特征是隔板为无选择透过的多孔性隔板，或开孔塑料板外敷无选择透过的多孔性隔膜构成；隔膜包括由石棉、陶瓷、棉布、有机合成材料制成的各种多孔板状隔膜。

5.如权利要求2所述的装置，其特征是阴极板和阳极板之间的距离小于等于4cm。阳极板和阴极板浸没在废水中的面积相等。

6.利用权利要求2的装置进行阴极阳极协同电解处理废水的方法，其特征是在常温常压下，将工业废水分别通过阴极进水口和阳极进水口，进入电化学反应槽的阴极区和阳极区，水流方式为上流式；在阴极区和阳极区投入等量的同种填料，将反应器阴阳极板与直流稳压电源连接，分别从阴极区和阳极区出水口收集电化学反应出水。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是填料为活性炭类物质，或矿物类物质，或多种物质的混合物。

8.如权利要求6所述的方法，其特征是电解过程中电流密度恒定，保持在50-300A/m²，电解时间1-3小时。