CN107840441A - 智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备及利用其进行水处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，包括反应装置、臭氧发生装置、反应装置内部的多孔电极组件、反应装置外部连接多孔电极组件中成对电极的接触转换器、抽滤泵以及与反应装置连接的进水装置；所述臭氧发生装置和抽滤泵均设置在反应装置外部，并且均分别与所述成对电极相连接。本发明还提供了利用该设备处理水的方法。本发明通过巧妙的工艺构思，将电化学/臭氧耦合高级氧化与膜过滤技术相结合，在同一反应装置内实现各工艺的互补互促，显著提高处理效果并抑制膜污染，实现水处理的连续运行。使用本发明的装置和方法运行管理方便，处理高效。

Description

智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备及利用其进行水处 理的方法
技术领域
本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，还涉及利用该设备进行水处理的方法。
背景技术
随着经济的增长和工业的快速发展，水体污染已经成为环境问题的焦点，引起社会各界的高度重视。近年来，人们环保意识已逐渐增强，各类防污染法规、规范不断得到修订，传统的水处理设备和技术已经不能满足需求，开发高效、经济、环保的水处理设备和方法日显迫切。
高级氧化技术(AOPs)通过产生高活性自由基能降解绝大多数的有机物质，已成为水处理的研究热点。其中，电化学法和臭氧法因其良好的可操控性及环境兼容性受到人们的青睐。但是，由于水电解电位窗口的限制和臭氧氧化的选择性，两者均存在降解效率不高、处理不彻底等缺点。研究发现，电化学反应过程中阴、阳极反应(或产物)很多时候正是臭氧类技术自由基反应历程的引发反应。近年来电化学/臭氧耦合技术作为一种新颖的高级氧化技术受到研究者关注。当电化学和臭氧耦合作用时，通过臭氧在阴极表面得到电子生成臭氧负离子，以及溶解氧在阴极表面发生还原反应生成H2O2进而引发过臭氧化反应(O3/H2O2)，可协同生成羟基自由基，降解污染物。然而，单独运用化学法来处理水体时，成本较高，处理水量较小。过滤法采用多孔材质进行物质截留，是一种实用性高的水处理技术，尤其是近年来广受关注的膜过滤技术，处理效果较好。然而，滤料层(或膜)污染使过滤成本增加，并且使水处理只能间歇进行，需要间隔进行反冲洗。抑制滤料层(或膜)污染十分必要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种高效、经济、安全、环保的连续运行式电过滤/臭氧协同水处理设备以及利用该设备进行水处理的方法。
技术方案：本发明提供了一种智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，包括反应装置、臭氧发生装置、反应装置内部的多孔电极组件、反应装置外部连接多孔电极组件中成对电极的接触转换器、抽滤泵以及与反应装置连接的进水装置；所述臭氧发生装置和抽滤泵均设置在反应装置外部，并且均分别与所述成对电极相连接。
所述臭氧发生装置与成对电极的连接管路中间，分别设有一号气体阀和二号气体阀；所述抽滤泵与成对电极的连接管路中间，分别设有一号液体阀和二号液体阀。
所述进水装置包括进水泵，其和反应装置连接管路的中间依次设有三号液体阀和一号液体流量计；
所述多孔电极组件中的成对电极均兼具布气和膜滤功能，其数量为1组或多组。电极可为导电中空膜、碳材料、金属、金属氧化物、或复合型材料，膜过滤可为微滤、超滤或纳滤级。
所述接触转换器能够通过定时或信号控制使正负极连接互换，从而使每个电极在不同时段作为阴极和阳极交替式工作。
进一步地：
所述反应装置内部顶端还设有刮渣机，侧壁表面设有排污口。刮渣机能够将浮渣送至排污口排除。
所述臭氧发生器进气口依次连接气体干燥器和气泵，出气口依次连接臭氧浓度监测仪、气体流量计、止回阀和成对电极；反应装置顶部设有排气阀，排气阀连接有臭氧尾气破坏器。通入臭氧发生器的气源可为空气或氧气。
所述反应装置侧壁还设有一号压力传感器和总氧化物浓度监测探头，所述抽滤泵的出水管路上还依次设有二号压力传感器、二号液体流量计和残余氧化物浓度监测探头。一号压力传感器用于测定反应装置中液体压力，二号压力传感器用于测定出水压力；总氧化物浓度监测探头用以测定反应溶液中氧化物浓度，残余氧化物浓度监测探头用于测定出水中残余氧化物浓度。
该设备还包括控制各个部件的自控单元，以及连接接触转换器的电源。所述自控单元能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的进水、出水、计量、排污或者气体产生输送；所述电源可提供恒流、恒压模式直流电或脉冲电。
上述设备中的气体阀或者液体阀，优选的为电磁阀或者气动阀；
本发明还提供了利用所述智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备进行水处理的方法，包括以下步骤：
(a)通过进水装置将待处理水体泵入反应装置，并将多孔电极组件与电源相连通，利用臭氧发生装置将臭氧化气体通入反应体系；
(b)多孔电极组件中的阴极利用臭氧化气体曝气进行污染物降解去除，而阳极通过电化学氧化降解污染物，并且通过膜过滤后将水体排出，即得净化水；
(c)运行一定时间间隔后，通过接触转换器将多孔电极组件中的阴阳极角色互换，即实现设备的连续不间断运行。
更具体的步骤及原理如下：
(a)通过进水泵将待处理水体泵入反应装置，并将多孔电极组件与电源相连通，将臭氧化气体通入反应体系；
(b)臭氧化气体在阴极还原后引发生成羟基自由基的链式反应，通过生成的高活性氧化基团将水中的污染物降解去除；与此同时，通入后分散到水体中的气体与电化学分解水产生的气体在上浮过程中可起到气浮作用，去除杂质和污染物；
(c)阳极具有电化学氧化降解污染物的作用，并起到膜过滤的功能，水体经阳极膜滤后排出，即得净化水。
(d)运行一定时间间隔后，当用作膜过滤的阳极发生一定的膜污染，影响处理效果时，通过接触转换器将阴阳极角色互换，受膜污染的电极在臭氧化气体反冲洗和阴极附近强氧化体系作用下，可消除膜污染，得到再生，即实现了设备的连续不间断运行。
技术效果：本发明提供的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理的设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用电化学和臭氧之间具有协同氧化的特性，通过化学氧化还原结合膜过滤去除水中的污染物，实现较好的净化水质的效果，并有效抑制膜污染，水处理过程中可同步进行反冲洗，使受污膜电极再生，设备处理效率高，经济环保。
具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下优点：
一、利用电化学和臭氧的协同作用，增量生成活性自由基，提高了对水中污染物的去除效率，对水体净化彻底。同时，有效利用了臭氧化气体中的氧气，并提高了臭氧利用率，兼具消毒效果，降低了处理成本，避免了尾气排放二次污染，环保可靠，具有广阔的市场前景。
二、将曝气装置、膜过滤装置和电极设计成一体，降低了设备成本，减小了设备体积，提升了操控性能。
三、通过化学氧化作用和电化学产气，有效抑制了膜电极污染。通过特殊的反应流程和操控设计，使设备能够连续运行，受污染的多孔电极能同步再生，无需进行额外的反冲洗。
四、臭氧化气体曝气和电化学产气能有效去除水中的轻质杂质及受气体反冲洗脱落的膜电极表面污染物，保障出水水质。
五、利用各传感监测探头、电磁阀和自控单元，可实现处理过程的全自动、智能化控制。
本发明提供的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保的通过化学氧化还原和多孔结构电极过滤进行水处理。
附图说明
图1是实施例1的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备的结构示意图。
图2是实施例2和3的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备的结构示意图。
图3是实施例4的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备的结构示意图。
图4是实施例5的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备的结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
切换式电过滤/臭氧协同水处理的设备，见图1，包括反应装置1、臭氧发生器2、多孔电极组件3、接触转换器4、电源5、抽滤泵6、一号气体阀7、二号气体阀8、一号液体阀9、二号液体阀10、进水泵11、三号液体阀12、一号液体流量计13和二号液体流量计14。多孔电极组件3置于反应装置1底部，并通过反应装置1外部的接触转换器4与电源5相连接；臭氧发生器2出气口分别与多孔电极组件3中的成对电极相连接，一号气体阀7和二号气体阀8置于气路中，以控制气路开闭；抽滤泵6进水端分别与多孔电极组件3中的成对电极相连接，一号液体阀9和二号液体阀10置于出水管路中，控制管路开闭。所述进水泵11出水口后依次连接三号液体阀12、一号液体流量计13和反应装置1，所述二号液体流量计14置于抽滤泵6出水口后。
本发明实施例中，多孔电极组件3为一对平板式多孔钛电极3-1和3-2，臭氧供气气源为氧气，电源为直流稳压电源。待处理水体由进水泵11泵入反应装置1，氧气经臭氧发生器2生成的臭氧化气体先通过暂时作为阴极和曝气器的电极3-1通入反应溶液。在抽滤泵6抽滤及水压作用下，经氧化净化和消毒后的水体通过暂时作为阳极和过滤器的电极3-2出水。待反应一段时间间隔后，通过接触转换器4将电极的正负极互换，即电极3-1由阴极和曝气器的功能转变作为阳极和过滤器，电极3-1由阳极和过滤器的功能转变作为阴极和曝气器。由于电极3-1一开始作为阴极和曝气器，其附近具有较强的电化学/臭氧耦合氧化作用，且曝气保证了多孔电极孔道的畅通，故在转变为阳极和过滤器的身份功能后，能保证过滤的顺畅。而一开始作为阳极和过滤器的电极3-2，在电化学阳极氧化作用下能够延缓过滤堵塞，在一段时间运行受污染后，将其转变为阴极和曝气器的身份功能，在气流反冲洗和强氧化作用下可以得到再生。如此交替运行，可保证出水的连续性和水体的高效净化。
实施例2
切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，见图2，与实施例1基本相同，不同之处仅在于：还包括刮渣机22和排污口23。刮渣机22设于反应装置1顶部，将浮渣送至设于反应装置1侧壁的排污口23排除。
实施例3
切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，见图2，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：所述多孔电极组件3为两组导电中空膜电极。
实施例4
切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，见图3，与实施例3基本相同，不同之处在于还包括气泵15、气体干燥器16、臭氧浓度监测仪17、气体流量计18、止回阀19、排气阀20、臭氧尾气破坏器21。气泵15出气端与气体干燥器16进气口相连接，气体干燥器16出气口与臭氧发生器2进气口相连接，臭氧发生器2之后依次连接臭氧浓度监测仪17、气体流量计18和止回阀19；排气阀20置于反应装置1顶部，排气阀20出气口与臭氧尾气破坏器21相连接。通入臭氧发生器2的气源为空气。
实施例5
智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，见图4，与实施例4基本相同，不同之处在于还包括一号压力传感器24、二号压力传感器25、总氧化物浓度监测探头26、残余氧化物浓度监测探头27和自控单元28。一号压力传感器24置于反应装置1侧壁，以测定反应装置1中液体压力；二号压力传感器25置于抽滤泵6后出水管路中，以测定出水压力；总氧化物浓度监测探头26设于反应装置1侧壁，用以测定反应溶液中氧化物浓度；残余氧化物浓度监测探头27置于抽滤泵6后出水管路中，以测定出水中残余氧化物浓度；所述自控单元28能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的进水、出水、计量、排污或者气体产生输送。
对某化工厂污水生化处理二级出水进行深度处理，进水COD约为220mg/L。处理方法及效果见表1。
表1连续运行式电过滤/臭氧水处理的处理设备进行处理方法及效果

Claims (10)

1.一种智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于：包括反应装置(1)、臭氧发生装置(2)、反应装置(1)内部的多孔电极组件(3)、反应装置(1)外部连接多孔电极组件(3)中成对电极的接触转换器(4)、抽滤泵(6)以及与反应装置(1)连接的进水装置；所述臭氧发生装置(2)和抽滤泵(6)均设置在反应装置(1)外部，并且均分别与所述成对电极相连接。
2.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述臭氧发生装置(2)与成对电极的连接管路中间，分别设有一号气体阀(7)和二号气体阀(8)；所述抽滤泵(6)与成对电极的连接管路中间，分别设有一号液体阀(9)和二号液体阀(10)。
3.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述进水装置包括进水泵(11)，其和反应装置(1)连接管路的中间依次设有三号液体阀(12)和一号液体流量计(13)。
4.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述多孔电极组件(3)中的成对电极均兼具布气和膜滤功能，其数量为1组或多组。
5.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述接触转换器(4)能够通过定时或信号控制使正负极连接互换，从而使每个电极在不同时段作为阴极和阳极交替式工作。
6.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述反应装置(1)内部顶端还设有刮渣机(22)，表面设有排污口(23)。
7.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述臭氧发生器(2)进气口依次连接气体干燥器(16)和气泵(15)，出气口依次连接臭氧浓度监测仪(17)、气体流量计(18)、止回阀(19)和成对电极；反应装置(1)顶部设有排气阀(20)，排气阀(20)连接有臭氧尾气破坏器(21)。
8.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，所述反应装置(1)侧壁还设有一号压力传感器(24)和总氧化物浓度监测探头(26)，所述抽滤泵(6)的出水管路上还依次设有二号压力传感器(25)、二号液体流量计(14)和残余氧化物浓度监测探头(27)。
9.根据权利要求1所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备，其特征在于，该设备还包括控制各个部件的自控单元(28)，以及连接接触转换器(4)的电源(5)。
10.利用权利要求1-10任一项所述的智能切换式臭氧/电过滤协同水处理设备进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过进水装置将待处理水体泵入反应装置(1)，并将多孔电极组件(3)与电源相连通，利用臭氧发生装置(2)将臭氧化气体通入反应体系；
(b)多孔电极组件(3)中的阴极利用臭氧化气体曝气进行污染物降解去除，而阳极通过电化学氧化降解污染物，并且通过膜过滤后将水体排出，即得净化水；
(c)运行一定时间间隔后，通过接触转换器(4)将多孔电极组件(3)中的阴阳极角色互换，即实现设备的连续不间断运行。
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