CN105692814B - 一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置 - Google Patents

一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，包括絮凝净化器及与絮凝净化器连接的控制器，絮凝净化器是上部呈圆柱体、下部呈圆锥体的锥筒状容器，絮凝净化器内设有位于圆柱体区域的絮凝反应区、絮体分离区以及位于圆锥体区域的絮体沉淀区，其中絮凝反应区内设有水体引流槽和电絮凝用的多组串联电极片，水体引流槽引导水体按序流经各组电极片进行多重絮凝；絮凝反应区上部设有空气压缩机和进水管，控制器用于控制进水流量和电解电极的工作参数。本发明结构紧凑，流程连续，装置空间利用率高，而且延长了高浓度悬浮物与电解阳极产生的活性物质之间的接触时间，确保了高浓度悬浮物处理效果。

Description

一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置
技术领域
本发明涉及水资源保护与水环境治理领域，具体是一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置。
背景技术
悬浮物是指粒径小于62μm的水体细颗粒，主要由泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、病毒、以及高分子有机物等组成，随着水体输移形成絮体而沉降。水体悬浮物与水资源、水环境和水生态密切相关。悬浮物浓度的增加导致水体物理、化学和生物特性呈现一系列变化，较为常见的不利影响包括水体景观美感下降、水处理费用增加、渔业资源下降和水生态系统严重退化等。我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)未对悬浮物浓度进行限制，但《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准规定，各类污废水悬浮物浓度不得高于100mg/L。国民经济活动中，各类砂石骨料加工、石材加工、矿产开采、精选冲洗等产生的废水悬浮物浓度通常高达数千甚至数万毫克每升，未保护水生态环境，将高浓度悬浮物净化至达标排放十分重要。
针对高浓度悬浮物，常用的处理方法为自然沉淀法和混凝沉淀法。高浓度悬浮物废水通常产生于进行各类采矿与选矿的偏远山区，配套建设的平流沉淀池或辐流式沉淀池均需面积较大的平坦开阔地，选址异常困难。自然沉淀时间一般较长、效果较差，为加快絮凝沉淀，大量絮凝剂如PAC和PAM等通过配水加药进入沉淀池，在提高悬浮物处理效率的同时，产生了大量含水率较高的泥渣，增加了后期泥渣处理量与处理费用。
电絮凝是利用可溶性金属阳极在电解过程中产生的金属氢氧化物絮凝去除水中污染物质的水处理工艺。该技术能有效去除水中胶体和悬浮物类污染物质。研究表明，电絮凝可使屠宰废水和电镀废水的悬浮物浓度从2390mg/L和2737mg/L分别降至31mg/L和57mg/L。与传统自然沉淀与混凝沉淀相比，电絮凝具有无药剂投入和二次污染、泥水分离效果好、泥渣含水率低、占地面积小、易于实现自动控制等优点。目前电絮凝技术在处理低于3000mg/L的悬浮物方面效率极高，但应用于高浓度悬浮物处理的报道较少。
本申请的发明人在实现本发明的过程中发现，现有电絮凝处理装置存在一些不足：废水在电极间的停留时间短，悬浮物与阳极电解产生的活性物质接触不充分；废水大多在单组电极间絮凝，处理量小，多组电极联用后的多重絮凝净化考虑不够；电絮凝反应区中的高浓度悬浮物及其絮体易淤积，电极易钝化和老化，电极保护较为欠缺；电絮凝、絮体分离与沉淀多在单独装置中进行，流程繁琐，空间利用率不高；电絮凝数字化管理水平低，不能实时根据进水流量和悬浮物处理效果操控絮凝过程。因此，如何优化设计电絮凝装置，缓解电极钝化老化、抑制悬浮物及其絮体在电解反应区中的淤积、整合絮凝、分离与沉淀流程、数字化管理絮凝过程，将是解决高浓度悬浮物处理难题的新思路。
发明内容
本发明提供一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，不必投放絮凝药剂，无需经常更换电极，不用单独设置分离与沉淀设施；主要依靠电解阳极获得絮凝剂、串联多组电极和多重絮凝提升净化效果、水力搅动防堵减淤并保护电极，絮凝、絮体分离与沉淀一体化设计提高装置空间利用效率，实施电絮凝过程的数字化管理。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，包括絮凝净化器及与絮凝净化器连接的控制器，所述絮凝净化器是上部呈圆柱体、下部呈圆锥体的锥筒状容器，絮凝净化器内设有位于圆柱体区域的絮凝反应区、絮体分离区以及位于圆锥体区域的絮体沉淀区，其中絮凝反应区上下分别设有水体引流槽和固定在水体引流槽之间的多组串联电极片，水体引流槽以及电极片之间形成一个上下相对两侧分别设有开口的腔体，引导水体按序流经各组电极片，进行多重絮凝；絮凝反应区上部设有空气压缩机和进水管，高浓度悬浮物废水通过进水管进入絮凝反应区底部，絮凝反应区内底部水体引流槽的进水侧安装有与气压缩机连接的曝气头，高浓度悬浮物废水经多重电絮凝后流入絮凝反应区外部两侧的絮体导流槽，然后进入絮凝反应区底部的絮体沉淀区，控制器用于控制进水流量和电解电极的工作参数。
进一步的，水体引流槽为一上端开口、内部中空的长方体结构，两个水体引流槽以开口相对的方式分别设在絮凝反应区的顶部和底部，位于底部的水体引流槽的一个侧面设有开口，位于顶部水体引流槽的相对的侧面设有开口，在上下水体引流槽之间插入多组电极片后，水体引流槽以及电极片之间形成所述上下相对两侧分别设有开口的腔体。
进一步的，高浓度悬浮物废水在水泵或自重力流动条件下，通过设置在絮凝反应区上部的进水管，进入絮凝反应区底部。
进一步的，电极片中的阳极采用铝板或铁板，阴极采用不锈钢，通过电解阳极产生活性物质，与水体中悬浮物结合，形成颗粒状絮体。
进一步的，絮凝反应区的上方两侧设有齿形溢流堰，絮凝反应区形成的颗粒状絮体经齿形溢流堰进入设置在絮凝反应区外侧的絮体导流槽。
进一步的，絮凝导流槽的外侧设有降速折板，絮体流经降速折板后，大颗粒絮体进入絮凝反应区底部的絮体沉淀区，小颗粒絮体流入絮体分离区。
进一步的，絮体沉淀区底部设有排泥阀，可定期通过重力排放泥渣。
进一步的，絮体沉淀区上部设有冲洗管路，管路上开有朝向底部的小孔，利用进水冲洗絮体沉淀区，排出难以自然清除的泥渣。
进一步的，絮体分离区的外部两侧设有出水管，小颗粒絮体沉降分离后的上清液通过出水管外排。
进一步的，所述控制器设有与空气压缩机连接的曝气开关、与水泵连接的进水开关和流量调节器、与电极片连接的电解开关、电压调节器、电流调节器，曝气开关用于管理空气压缩机的启闭，进水开关和流量调节器分别用于水泵启闭管理及进水流量调控，电解开关用于电解工作的启闭管理，电压调节器、电流调节器分别用于电极工作电压与电流强度的调控。
由于采用了上述方案，本发明突出的技术创新和显著进步为：
(1)整合高浓度悬浮物处理中的絮凝、絮体分离与沉淀等过程，形成结构紧凑，流程连续的一体化处理装置，同一装置具备多重功能，小巧灵活，装置空间利用率高。
(2)设置水体引流槽，利用流体运动，在不减少电极板有效电解面积的前提下，实现了水体在串联电极板之间的有序流动，延长了高浓度悬浮物与电解阳极产生的活性物质之间的接触时间，确保了高浓度悬浮物处理效果。
(3)每组电极板底部的中间位置，设置了曝气头，利用空气搅动水体，破坏与冲洗电极表面附着的污垢，与此同时，避免高浓度悬浮物在电极底部淤积。
(4)设置了絮体引流槽，改善了颗粒絮体的固液分离效果，延长了絮体在絮凝净化器中的沉淀时间，有益于提高处理效率。
(5)絮凝沉降区上部设置了冲洗管路，利用进水冲洗絮体沉淀区，排出难以自然清除的泥渣。
(6)控制柜系统考虑了空气压缩机、水泵和电解等调控，设有空气压缩机控制单元、水泵控制单元、电解控制单元等，能够数字化实时调控进水流量与电解工作参数，提高了装置的可操作性。
附图说明
图1是本发明其中一个实施例中絮凝净化器的横向剖面图；
图2是本发明其中一个实施例中絮凝净化器的纵向剖面图；
图3是本发明中水体引流槽的结构示意图；
图4是本发明中控制器的布置结构示意图。
图中：1—絮凝净化器，2—脚轮，3—絮凝反应区，4—絮体分离区，5—絮体沉淀区，6—曝气管，7—水体引流槽，8—齿形溢流堰，9—空气压缩机，10—进水管，11—絮体导流槽，12—降速折板，13—井字架，14—流量调节器，15—阳极，16—阴极，17—曝气头，18—排泥阀，19—冲洗管路，20—小孔，21—出水管，22—进水开关，23—曝气开关，24—电解开关，25—电压调节器，26—电流调节器，71—开口。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参考图1及图2，本发明高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置包括絮凝净化器1及与絮凝净化器1电连接的控制器，所述絮凝净化器1是上部呈圆柱体、下部呈圆锥体的锥筒状容器，该容器可采用防腐防撞的不锈钢材质制成，底部设有四个脚轮2，便于移动与搬运。絮凝净化器1内设有絮凝反应区3、絮体分离区4、絮体沉淀区5。絮凝反应区内设有电极、曝气管6、水体引流槽7和齿形溢流堰8，絮凝反应区3上部设有空气压缩机9和进水管10，絮凝反应区3外部两侧设有絮体导流槽11和降速折板12，降速折板12设在絮体导流槽11下部，为一向下倾斜设置的板状结构；控制器通过电线与絮凝净化器相连，控制进水流量和电解电极工作参数。
在无自然重力流条件时，利用水泵将絮凝净化器1外的高浓度悬浮物废水经进水管10连续抽入絮凝反应区3底部。絮凝反应区3通过其底部的不锈钢井字架13固定在絮凝净化器1上部的圆柱体区域内。絮凝反应区3由高密度聚氯乙烯材质制成，做防水密封处理，确保絮凝前后的悬浮物废水不相互掺混。水泵的流量通过控制器的流量调节器14进行调控。
絮凝反应区3内串联安装有多组电极，阳极15一般采用普通铝板，阴极16为不锈钢等材质。电解过程中，阳极15不断消耗并释放出Al3+，阴极16电解水生成OH-，二者之间形成具有絮凝作用的Al(OH)3，快速絮凝水体中的高浓度悬浮物颗粒。出于节能和确保电絮凝效率考虑，每对阳极15与阴极16的间距不大于2cm，悬浮物在电极间的停留时间不超过2分钟。
为引导高浓度悬浮物废水在多组电极间按序流动，每组电极片的顶部与底部均以插槽的方式固定在水体引流槽7上。请结合参考图3，水体引流槽7为一上端开口、内部中空的长方体结构，两个水体引流槽7以开口相对的方式分别设在絮凝反应区3的顶部和底部。水体引流槽7的长度与电极片一致，宽度超过极板间距1cm，高度约2cm。位于底部的水体引流槽7的一个侧面设有开口71，位于顶部水体引流槽7的相对的侧面设有开口71，在上下水体引流槽7之间插入多组电极片(15、16)后，顶部和底部的水体引流槽7以及电极(15、16)之间形成一个上下分别设有开口71的腔体，可引导进水通过底部的水体引流槽7的进口71，流入阳极15与阴极16之间，进行电絮凝处理后再从顶部的水体引流槽7的开口71流出，进入串联的下一电极对。
絮凝反应区3内，水体引流槽7的进水侧安装双向开孔的曝气头17，曝气头17具有分布均匀、孔口与水体引流槽7进水方向平行的小孔。曝气过程中，气水比为5:1～10:1。曝气管6与安装在絮凝反应区3上部的空气压缩机9相连，通过鼓入空气搅动水体，强化电解阳极15产生的活性物质与进水中悬浮物高效接触；与此同时，曝气扰动还能破坏附着在电极表面的污垢，减少絮体及悬浮物在絮凝反应区3底部的淤积。
高浓度悬浮物废水经多重电絮凝后，形成的絮体混合液通过絮凝反应区3两侧的齿形溢流堰8，流入絮凝反应区3外部两侧的絮体导流槽11。絮体导流槽11外沿向下的方向设有降速折板12，絮体混合液经过降速折板12时，大颗粒絮体受降速折板12阻挡，重力脱稳进入絮凝反应区3底部的絮体沉淀区5，重量较轻的小颗粒絮体继续随水流进入絮体分离区4。为确保絮体分离和出水水质，絮体混合液在絮体分离区4与絮体沉淀区5中的停留时间不低于15min。
絮体沉淀区5底部设有排泥阀18，可定期通过重力排放泥渣。絮体沉淀区5上部，在絮凝反应器的圆柱与圆锥交接处，沿内壁设有冲洗管路19，管路上开有朝向锥筒内壁的小孔20，利用进水冲洗絮体沉淀区5，排出难以自然清除的泥渣。
絮体分离区4的外部两侧设有出水管21，小颗粒絮体沉降分离后的上清液通过出水管21外排。
絮凝处理过程中，可通过与絮凝净化器1相连的控制器调控进水流量与电极工作参数。如图4所示，所述控制器设有进水开关22、曝气开关23、电解开关24、电压调节器25、电流调节器26与流量调节器14。曝气开关23用于管理空气压缩机9的启闭，进水开关22和流量调节器14分别用于水泵启闭管理及进水流量调控(通过改变水泵运行频率实现)，电解开关24用于电解工作的启闭管理；电压调节器25与电流调节器26分别用于电极工作电压与电流调控。一般来说，电极工作电流强度不超过0.01A/cm2。
以下简要介绍装置的应用实例：
实施例1：石材加工废水处理
采集某石材加工废水，利用本装置的原型产品进行连续处理。进水悬浮物浓度为2812mg/L，流量为1.82m3/h，工作电流强度为0.06A/m2，处理后的出水悬浮物浓度降至52mg/L，低于《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准规定的100mg/L，悬浮物去除率达到98.15％，能耗约0.20元/吨水。絮凝后，高浓度悬浮物颗粒粒径发生了显著变化，具体为大颗粒组分变少，总体颗粒粒径变小，絮凝后中值粒径从35.5μm降至7.21μm(表1)。
表1 石材加工废水电絮凝前后的粒径变化
实施例2：砂石骨料加工废水处理
采集某水电站经初沉后的砂石骨料加工废水(浓度约10000mg/L)，利用本装置的原型产品进行连续处理。利用加水稀释的方法，设置进水悬浮物浓度范围2500mg/L-10000mg/L，工作电流强度为流量为1.82m3/h，电流强度为0.06A/m2，经处理后，出水悬浮物浓度和中值粒径见表2。从表2可看出，该装置能够将砂石骨料加工废水处理至《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准。在此工作电流强度下，电解能耗费用不超过0.30元/吨。
表2 砂石骨料加工废水电絮凝处理性能
本装置可用于石材加工废水、砂石加工废水、洗车废水以及农村生活污水等处理，具有极大的环境、经济、社会效益和应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，包括絮凝净化器(1)，其特征在于：还包括与絮凝净化器(1)连接的控制器，所述絮凝净化器(1)是上部呈圆柱体、下部呈圆锥体的锥筒状容器，絮凝净化器(1)内设有位于圆柱体区域的絮凝反应区(3)、絮体分离区(4)以及位于圆锥体区域的絮体沉淀区(5)，其中絮凝反应区(3)上下分别设有水体引流槽(7)和固定在水体引流槽(7)之间的多组串联电极片(15、16)，水体引流槽(7)以及电极片(15、16)之间形成一个上下相对两侧分别设有开口(71)的腔体，引导水体按序流经各组电极片(15、16)，进行多重絮凝；絮凝反应区(3)上部设有空气压缩机(9)和进水管(10)，高浓度悬浮物废水通过进水管(10)进入絮凝反应区(3)底部，絮凝反应区(3)内底部水体引流槽(7)的进水侧安装有与空气压缩机(9)连接的曝气头(17)，高浓度悬浮物废水经多重电絮凝后流入絮凝反应区(3)外部两侧的絮体导流槽(11)，然后进入絮凝反应区(3)底部的絮体沉淀区(5)，控制器用于控制进水流量和电解电极的工作参数。
2.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：水体引流槽(7)为一上端开口、内部中空的长方体结构，两个水体引流槽(7)以开口相对的方式分别设在絮凝反应区(3)的顶部和底部，位于底部的水体引流槽(7)的一个侧面设有开口(71)，位于顶部水体引流槽(7)的相对的侧面设有开口(71)，在上下水体引流槽(7)之间插入多组电极片(15、16)后，水体引流槽(7)以及电极片(15、16)之间形成所述上下相对两侧分别设有开口(71)的腔体。
3.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：高浓度悬浮物废水在水泵或自重力流动条件下，通过设置在絮凝反应区(3)上部的进水管(10)，进入絮凝反应区(3)底部。
4.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：电极片中的阳极(15)采用铝板或铁板，阴极(16)采用不锈钢，通过电解阳极产生活性物质，与水体中悬浮物结合，形成颗粒状絮体。
5.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：絮凝反应区(3)的上方两侧设有齿形溢流堰(8)，絮凝反应区(3)形成的颗粒状絮体经齿形溢流堰(8)进入设置在絮凝反应区(3)外侧的絮体导流槽(11)。
6.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：絮凝导流槽(11)的外侧设有降速折板(12)，絮体流经降速折板(12)后，大颗粒絮体进入絮凝反应区(3)底部的絮体沉淀区(5)，小颗粒絮体流入絮体分离区(4)。
7.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：絮体沉淀区(5)底部设有排泥阀(18)，可定期通过重力排放泥渣。
8.如权利要求1或7所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：絮体沉淀区(5)上部设有冲洗管路(19)，管路上开有朝向底部的小孔，利用进水冲洗絮体沉淀区(5)，排出难以自然清除的泥渣。
9.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：絮体分离区(4)的外部两侧设有出水管(21)，小颗粒絮体沉降分离后的上清液通过出水管(21)外排。
10.如权利要求1所述的高浓度悬浮物电絮凝与絮体分离沉淀一体化处理装置，其特征在于：所述控制器设有与空气压缩机(9)连接的曝气开关(23)、与水泵连接的进水开关(22)和流量调节器(14)、与电极片(15、16)连接的电解开关(24)、电压调节器(25)、电流调节器(26)，曝气开关(23)用于管理空气压缩机(9)的启闭，进水开关(22)和流量调节器(14)分别用于水泵启闭管理及进水流量调控，电解开关(24)用于电解工作的启闭管理，电压调节器(25)、电流调节器(26)分别用于电极工作电压与电流强度的调控。
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