CN106430452B - 基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，包括压载水预处理单元、生活污水预处理单元、电解单元和压载舱；压载水预处理单元一路与压载舱的入口连接，另一路通过压载水支路通过电解单元后与压载舱的入口连接；生活污水预处理单元的输出端与电解单元的入口连接；电解单元的出口的一路并入压载舱的入口，另一路连接到处理后生活污水出口。本发明能够进行船舶压载水和生活污水的综合处理，采用一套设备即可满足船舶水处理的要求，极大的降低了设备所需的空间及成本；所采用的阳极掺杂适量的In后，具有较大的表面粗糙度和比表面积，增大了电流效率。同时由于添加了Pd元素，克服了普通阳极对低盐度混合海水处理效果较差的问题。

Description

基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统

技术领域

本发明涉及一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，主要用于压载水、生活污污水处理，属于环境工程领域。

背景技术

远洋船舶航行过程中，压载是一种必然状态。船舶压载水的异地装载和排放会引起有害水生物和病原体的传播。而船舶在航行过程中，同样要排放大量的生活污水。船舶生活污水中含有大量细菌、寄生虫、病毒、以及高浓度的富营养化物质，这些未处理的生活污水未经处理排放到水中，可能会造成水生生物和人类的感染，以及藻类的过度生长。

现有的生活污水处理系统和压载水管理系统两套独立的系统，常用的压载水管理系统采用的技术有电解法、紫外法等。其中电解法具有处理效果好，操作简便的特点，是船舶压载水处理的主流技术，其原理是通过电极将电能转化成化学能，使电解单元内产生次氯酸钠，以达到杀死水生生物和细菌的目的。常用的生活污水处理系统采用的技术为生物法和电解法。电解法是将生活污水与海上混合，通过电极板的作用产生次氯酸钠，杀灭污水中的细菌，同时降低污水中的有机物含量。由于电解法的设备稳定性好，不产生其他污染物，操作简便，可以同时处理灰水和黑水，在船舶生活污水处理中占据了越来越重要的地位。

传统的压载水和生活污水管理系统，需要两套独立的设备，处理设备占用空间大、成本高。

现有的压载水和船舶污水电解单元，通常采用不同的设计，压载水处理装置的电解单元大多将阳极板固定在电解单元中，将电解后的高浓度次氯酸钠注入到压载水管路中，从而达到处理的效果。其阳极通常为钛基金属氧化物阳极。该阳极是在钛基体上被覆一层活性氧化物涂层，通过电解海水产生活性氯，从而杀死水中的生物和细菌，达到处理效果，在25-35PSU的天然海水中通常能达到较好的处理效果，但在生活污水混合海水的低盐度情况下，处理有机物时，降解效果较差。

发明内容

本发明旨在提供一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，以解决现有技术中船舶压载水和生活污水处理系统各自独立，占用空间大，成本高；以及采用普通钛基金属氧化物阳极对生活污水混合海水的低盐度情况下处理有机物时，降解效果较差的问题。

本发明的技术方案是：一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，其特征在于，包括压载水预处理单元、生活污水预处理单元、电解单元和压载舱；压载水预处理单元一路与压载舱的入口连接，另一路通过压载水支路通过电解单元后与压载舱的入口连接；生活污水预处理单元的输出端与电解单元的入口连接；电解单元的出口的一路并入压载舱的入口，另一路连接到处理后生活污水出口。

本发明的优点是：能够进行船舶压载水和生活污水的综合处理，采用一套设备即可满足船舶水处理的要求，极大的降低了设备所需的空间及成本，处理效果分别满足船舶压载水及生活污水的排放要求；所采用的阳极同时适用于压载水处理及生活污水处理，该阳极在掺杂适量的In后，电极表面更加致密均匀，具有较大的表面粗糙度和比表面积，从而增大了电流效率。同时由于添加了Pd元素，克服了普通阳极在低盐度混合海水处理时处理效果较差的问题。该阳极涂层在10～30PSU的海水中电解制氯的电流效率≥80%，生活污水COD去除率大于80%，析氯电位≤1.1v，强化电解寿命≥320h。

附图说明

图1是本发明系统构成示意图；

图2是本发明电解单元的立体结构示意图；

图3是图2中电解单元的轴向剖视示意图。

附图标记说明：1生活污水进口，2粉碎泵，3混合罐，4排污口，5絮凝剂加药口，6海水注入口，7电控柜，8电解单元，9压载水进口，10过滤器，11压载水主管路，12第一流量计，13第一电伴热器，14处理后生活污水出口，15压载水出口，16第一液泵，17第二液泵，18第三液泵，19第四液泵，20第一阀门，21第二阀门，22第三阀门，23第四阀门，24第二流量计，25压载舱，26第二电伴热器，27第五液泵。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，包括压载水预处理单元、生活污水预处理单元、电解单元8和压载舱25；压载水预处理单元一路与压载舱25的入口连接，另一路通过压载水支路通过电解单元8后与压载舱25的入口连接；生活污水预处理单元的输出端与电解单元8的入口连接；电解单元8的出口的一路并入压载舱25的入口，另一路连接到处理后生活污水出口14。

所述的压载水预处理单元包括过滤器10、压载水主管路11和所述的；过滤器10的入口为压载水进口，过滤器10的出口一路通过压载水主管路11与压载舱25的入口连接，另一路的压载水支路通过依次串联的第二液泵17、第一流量计12和第一阀门20与电解单元8的入口连接；第一流量计12的控制端与配电柜7连接。

所述的生活污水预处理单元包括第一液泵16、粉碎泵2、混合罐3、第三液泵18、第二流量计24和第二阀门21，生活污水进口1依次通过第一液泵16、粉碎泵2与混合罐3的污水入口连接，混合罐3的海水入口通过串联的第三液泵18和第二流量计24与海水注入口6连接，混合罐3的出口通过第二阀门21与所述的电解单元8的入口连接；在该混合罐3上设有絮凝剂加药口5；第二流量计24的控制端与配电柜7连接。

在所述的压载舱25的出口装有第一电伴热器13；在所述的电解单元8出口与压载舱25的之间的管路上串联有第三阀门22和第五液泵27，在处理后生活污水出口14的管路上串联有第四阀门23、第四液泵19和第二电伴热器26。

参见图2和图3，本发明的电解单元8为本发明核心部件，其中，电解槽壳体86为圆筒状，进水口82和出水口84分别位于电解槽壳体86的上、下部；电极由阴极83和阳极81组成，设在电解槽壳体86内部，阴极83为管状中空钛网，阳极81为金属氧化物阳极，设在阴极83内的轴线上。阴极83与阳极81通过塑料接头85组合，并使用双芯电缆与配电柜7连接。该阴极83与阳极81采用组合式设计，一体成型，若电解槽内部的某一阳极失效，可以进行单独拆卸，便于安装和维护。

所述的阳极81由Ti基体和涂覆在其外侧的活性涂层组成，该活性涂层的IrO2-SnO2-In2O3-PdO活性涂层，按原子百分比计，含量分别为Ir：40%~60%，Sn：20%~40%，In：5%~15%，Pd：5%-10%。其制作工艺如下：

（1）喷砂选用工业纯钛板作为基体，对基体进行喷砂处理以增大表面粗糙度，喷砂处理采用直径为0.1～0.2mm石英珠，喷砂压力为0.5～0.7MPa。

（2）除油喷砂处理后的钛基体放入80℃碱洗液保温1h以除去表面油污。碱洗液可采用普通洗衣粉溶液或10%的NaOH与Na2CO3的混合溶液。

（3）刻蚀除油后的钛基体置于沸腾的10~15%草酸溶液刻蚀1-1.5h，用蒸馏水洗净后置于乙醇溶液中保存。

（4）涂液配置涂液采用正丁醇或异丙醇作为溶剂，加入一定量的H2IrCl6，SnCl4•5H2O，InCl3•4H2O，其原子百分比含量分别为Ir:40~60%，Sn:20~40%，In:5~15%，再加入少量的盐酸，超声5～10min后，用磁力搅拌器搅拌半小时以上使颗粒完全溶解。其金属离子浓度为0.1～0.3mol/L。

（5）涂刷过程将活性涂层均匀的涂刷在前处理后的极板上，然后在100±10℃下烘箱中干燥10min，再在450℃下烧结炉中烧结15min后取出空冷，之后反复涂覆、干燥、烧结和冷却步骤15～20次，使载涂量≥6g/m2。最后一次涂覆、干燥后，在450～550℃下的烧结炉中保温1h，取出空冷至室温得到。

（6）电镀 将Ti/IrO2-SnO2-In2O3电极至于1.5mol/L的PdCl2盐酸溶液中，以25mv/s的扫描速率于-0.4～0.8V的电位范围内循环扫描5～10圈，使Pd电镀在活性涂层Sn元素聚集区附近。

（7）烧结将电镀后的样品放入450℃下的烧结炉中烧结1h后取出。

本发明的上述阳极具有较高的催化活性，在海水中能产生大量的有效氯，并能够处理部分有机污染物。同一组电极的阳极和阴极相互隔离，不同电极间阴极和阳极按照串联顺序依次连接，最后阳极接入直流电源的正极，阴极接入电源负极（为电解槽常用的连接方式）。使用时，根据处理量的大小选用适当的电极（阳极81和阴极83）数量，并联放入船舱、排污染池的主管路之间，打开配电柜开关后，电极间会产生直流电，在电解单元8内的阴阳、极表面发生氧化还原反应达到处理效果。与过滤器、粉碎泵等联用即可达到处理生活污水和压载水的效果。

本发明的工作原理是：

压载水和生活污水分两个路径进入设备，其中压载水采用支路电解法，生活污水采用全通过设计。在处理压载水时，压载水从入口9经过过滤器10进入主管路11中，部分压载水通过管道进入电解单元8进行电解，之后再次注入主管路11后进入压载仓25，当船舶进行排载时，通过电伴热器13加热从而消除余氯，之后进行排放。生活污水由第一液泵16从生活污水进口1引入，通过粉碎泵2后进入混合罐3，待水量到混合罐3体积的30%-50%后，从海水注入口6通过第三液泵18注入海水进行混合，用第二流量计24控制海水的流量。并从加药口5向混合罐3加入絮凝剂，进行絮凝和沉淀，除去污水中悬浮物和不溶性物质。下部沉淀物质每隔一段时间后清理一次，从混合罐3底端的排污口4排出，上部液体则进入电解单元8进行电解，电解单元8内生成的次氯酸钠将杀灭污水中的细菌等。处理完成后通过第四液泵压入电伴热器26消除余氯，最后通过生活污水出口14排出。

具体的工作方式是：当船舶进行压载水处理时，关闭第四阀门23，打开第三阀门22，压载水从压载水进口9进入，通过过滤器10后进入主管路11，之后部分压载水由支路的第二液泵17加压通过第一流量计12和第一阀门20进入电解单元8，电解单元8产生的次氯酸钠等将杀灭水中的藻类、细菌及其他水生生物，之后再次注入主管路11，然后进入压载仓25，24h后即可达到D2排放标准，通过第一电伴热器13去除余氯后，从压载水出口15进行排载。

当船舶进行生活污水处理时，关闭第三阀门22，打开第四阀门23，船舶生活污水从生活污水进口1进入，并经过第一液泵加压、通过粉碎泵2粉碎后进入混合罐3，当控制系统检查到混合罐3内的污水存量达到混合罐3体积的30%-50%后，从海水注入口6通过第三液泵18注入海水进行混合，用第二流量计24控制海水的流量。并从加药口5加入絮凝剂，进行絮凝和沉淀，除去污水中悬浮物和不溶性物质，下部沉淀物质每隔一段时间后清理一次，从排污口4排出，上部液体进入电解单元8进行电解，生成的活性氯将杀灭水中的细菌，同时降低污水中的COD、BOD及总氮。通过上述的操作过程，可以有效的降低水中的有机污染物含量，去处理了TSS，COD，BOD，降低水中的氮磷含量，并杀灭水中细菌，符合国家的排放标准。处理完成后通过第二电伴热器26消除余氯，并通过生活污水出口14排出。

本发明结合了电解法处理船舶压载水和生活污水的技术特点，整合了相似功能的模块，实现了船舶压载水和生活污水的一体化处理。本发明主要对整体系统构成及电解单元构造的改进。本发明采用管状电解单元8，阳极81使用电沉积改性的方法在Ti/IrO2-SnO2电极表面沉积部分Pd元素，并在涂层中添加In元素增强电极活性，提高了阳极的反应活性，即能够在电解海水时产生活性氯，又能在低盐度情况下（10psu以下）直接氧化处理有机物。同时改进电极接头的结构，使电极更易于更换。

Claims (4)

1.一种基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，其特征在于，包括压载水预处理单元、生活污水预处理单元、电解单元（ 8） ；压载水预处理单元一路与船舶原有压载舱（ 25） 的入口连接，另一路通过压载水支路通过电解单元（ 8） 后与压载舱（ 25）的入口连接；生活污水预处理单元的输出端与电解单元（ 8） 的入口连接；电解单元（ 8）的出口的一路并入压载舱（ 25） 的入口，另一路连接到处理后生活污水出口（ 14） ；

在所述的压载舱（ 25） 的出口装有第一电伴热器（ 13） ；在所述的电解单元（ 8） 出口与压载舱（ 25） 的之间的管路上串联有第三阀门（ 22） 和第五液泵（ 27） ，在处理后生活污水出口（ 14） 的管路上串联有第四阀门（ 23） 、第四液泵（ 19） 和第二电伴热器（26） ；

所述的电解单元（ 8） 包括电解槽壳体（ 86） 、阴极（ 83） 和阳极（ 81） ，阴极（ 83）为管状中空钛网，阳极（ 81） 为金属氧化物阳极，并设在阴极（ 83） 的轴线上，阳极（ 81）和阴极（ 83） 的顶端与塑料接头（ 85） 连接，塑料接头（ 85） 安装在圆筒状的电解槽壳体（ 86） 的顶端，阴极（ 83） 和阳极（ 81） 使用双芯电缆从与塑料接头（ 85） 引出，并与配电柜（ 7） 连接；

所述的阳极（ 81） 由Ti基体和涂覆在其外侧的IrO₂-SnO₂-In₂O₃-PdO活性涂层组成，该活性涂层按原子百分比计，含量分别为Ir：40％～60％，Sn：20％～40％，In：5％～15％，Pd：5％-10％。

2.根据权利要求1所述的基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，其特征在于，所述的压载水预处理单元包括过滤器（ 10） 、压载水主管路（ 11） 和所述的过滤器（ 10） 的入口为压载水进口，过滤器（ 10） 的出口一路通过压载水主管路（ 11） 与压载舱（ 25） 的入口连接，另一路的压载水支路通过依次串联的第二液泵（ 17） 、第一流量计（ 12） 和第一阀门（ 20） 与电解单元（ 8） 的入口连接；第一流量计（ 12） 的控制端与配电柜（ 7） 连接。

3.根据权利要求1所述的基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，其特征在于，所述的生活污水预处理单元包括第一液泵（ 16） 、粉碎泵（ 2） 、混合罐（ 3） 、第三液泵（ 18） 、第二流量计（ 24） 和第二阀门（ 21） ，生活污水进口（ 1） 依次通过第一液泵（ 16） 、粉碎泵（ 2） 与混合罐（ 3） 的污水入口连接，混合罐（ 3） 的海水入口通过串联的第三液泵（ 18） 和第二流量计（ 24） 与海水注入口（ 6） 连接，混合罐（ 3） 的出口通过第二阀门（ 21） 与所述的电解单元（ 8） 的入口连接；在该混合罐（ 3） 上设有絮凝剂加药口（ 5） ；第二流量计（ 24） 的控制端与配电柜（ 7） 连接。

4.根据权利要求1所述的基于电解法的船舶压载水及生活污水一体化处理系统，其特征在于，所述的阳极（ 81） 的制备工艺如下：

(1)喷砂选用工业纯钛板作为基体，对基体进行喷砂处理以增大表面粗糙度，喷砂处理采用直径为0.1～0.2mm石英珠，喷砂压力为0.5～0.7MPa；

(2)除油喷砂处理后的钛基体放入80℃碱洗液保温1h以除去表面油污；碱洗液采用普通洗衣粉溶液或10％的NaOH与Na₂CO₃的任意比例的混合溶液；

(3)刻蚀除油后的钛基体置于沸腾的10％～15％草酸溶液刻蚀1-1.5h，用蒸馏水洗净后置于乙醇溶液中保存；

(4)活性涂层涂液配置：涂液采用正丁醇或异丙醇作为溶剂，加入一定量的H₂IrCl₆，SnCl₄·5H₂O，InCl₃·4H₂O，其原子百分比含量分别为Ir:40％～60％，Sn:20％～40％，In:5％～15％，再加入30-40mg/L的盐酸，超声5～10min后，用磁力搅拌器搅拌半小时以上使颗粒完全溶解；其金属离子浓度为0.1～0.3mol/L；

(5)涂刷过程将活性涂层涂液均匀的涂刷在前处理后的钛基体上，然后在100 ±10℃下烘箱中干燥10min，再在450℃下烧结炉中烧结15min后取出空冷，之后反复涂覆、干燥、烧结和冷却步骤15～20次，使载涂量≥6g/m²；最后一次涂覆、干燥后，在450～550℃下的烧结炉中保温1h，取出空冷至室温；

(6)电镀：将Ti/IrO₂-SnO₂-In₂O₃电极置于1.5mol/L的PdCl₂盐酸溶液中，以25mv/s的扫描速率于-0.4～0.8V的电位范围内循环扫描5～10圈，使Pd电镀在活性涂层Sn元素聚集区附近；

(7)烧结将电镀后的样品放入450℃下的烧结炉中烧结1h后取出。

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