CN109231595A - 一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用，所述装置包括：依次通过管道连接的进水区、主反应区和出水区，还包括设置在主反应区下方的污泥收集区，所述主反应区包括反应池、微电场系统、填料系统和微孔曝气系统，所述微电场系统设置在反应池中，用于加强填料系统的内电解，所述填料系统设置于反应池内，与微电解系统接触，用于络合沉淀污水中的磷酸盐，所述微孔曝气系统设置于反应池的下部，用于加速污水中磷酸盐的络合沉淀和防止调料系统板结；所述装置的运行稳定，损耗低，能够有效去除污水中的磷，净化效率高。
Description
技术领域
本发明涉及环保装置及其应用领域，特别涉及一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用。
背景技术
随着城镇化建设的加速，尤其是生态农村的建设，农村生活污水污染问题越来越受到关注。由于农村生活污水具有分散、且水量较小的特点，在收集以及终端处理过程中均存在诸多问题。
目前，在针对农村生活污水处理过程中，考虑到对能耗成本的控制，一般采用如表1所示工艺处理。在实际处理过程中，生物化学等工艺由于维护困难，经常存在污泥回收不及时、污泥沉淀性能不稳定以及池体堵塞等问题，导致污泥中总磷在运行后期出现回升。可见，针对农村生活污水分散、量小的特点，其污水处理设备应满足操作维护简单、除磷效率高、污泥清理容易且能耗较低的需求，这也是目前针对生活污水处理提标改造以及高标准的达标排放急需解决的技术问题。
表1 农村生活污水处理常用工艺及出水情况
| 序号 | 工艺名称 | 适用规模/m<sup>3</sup>·•d<sup>-1</sup> | 出水水质 |
| 1 | A2O活性污泥法处理工艺 | 500-2000 | 一级B标 |
| 2 | 厌氧池+接触氧化+人工湿地 | 200-500 | 一级B标 |
| 3 | 厌氧+高负荷地下渗滤复合工艺 | 100-500 | 一级B标 |
| 4 | MBR+吸附除磷工艺 | ≤1000 | 一级A/B标 |
| 5 | AOF工艺+人工湿地工艺 | 100-1000 | 一级A/B标 |
| 6 | 缺氧池+BAF生态池+除磷工艺 | 200-2000 | 一级A/B标 |
近年来，基于以废治废的理念，利用铁碳填料处理废水被称为环境友好性技术，铁碳微电解是当将铁屑和碳颗粒浸没在酸性废水中时，由于铁和碳之间的电极电位差，废水中会形成无数个微原电池。这些细微电池是以电位低的铁成为阳极，电位高的碳做阴极，在含有电解质的水溶液中发生电化学反应。反应的结果是铁受到腐蚀变成二价的铁离子进入溶液。由于二价及氧化后的三价铁离子有混凝作用，它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸，形成比较稳定的絮凝物而去除。一般也可以加入适当比例的粉末状铜或铅，提高电极电位，促进反应的进行。但是，铁碳存在易钝化板结的特点，随着运行周期的延长，工作效率不稳定。因此，寻求一种合适的强化技术手段，将会极大的提升铁碳材料的效能，使其为污水处理发挥最大的价值。
可见，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用，旨在解决现有技术中生活污水除磷不稳定的问题，以微孔曝气和微电场强化的方式，避免了铁碳填料板结和钝化，通过电絮凝、铁碳内电解以及共沉淀作用去除污水中的磷。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种微电场强化铁碳除磷装置，包括：依次通过管道连接的进水区、主反应区和出水区，还包括设置在主反应区下方的污泥收集区，所述主反应区包括反应池、微电场系统、填料系统和微孔曝气系统，所述微电场系统设置在反应池中，用于加强填料系统的内电解，所述填料系统设置于反应池内，与微电解系统接触，用于络合沉淀污水中的磷酸盐，所述微孔曝气系统设置于反应池的下部，用于加速污水中磷酸盐的络合沉淀和防止调料系统板结。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述主反应区还包括反冲系统，所述反冲系统包括设置在反应池顶部的若干反冲口、与反冲口连接反冲洗泵。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述进水区通过进水管道与反应池一侧壁的下方的进水口连接，出水区通过出水管道与反应池中与进水口相对的侧壁上端的出水口连接。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述污泥收集区与主反应区通过污泥收集板连接，所述污泥收集板上设有若干向行排泥孔。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述污泥收集区中还设有压滤网，所述压滤网将污泥收集区分隔为上下两层。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述进水区还通过回流管道与污泥收集区连接于压滤网上方。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述微电场系统包括若干石墨电极板，分别连接在反应池进水口和出水口所处的两侧壁上以及平行于该两侧壁设置在反应池中，石墨电极板以折流的方式分别与反应池的上池壁或下池壁连接，其中连接在反应池一侧壁上的石墨电极板还与恒压电压箱连接。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述填料系统包括设置在相邻的两块石墨电极板之间的填料区和设置在填料区上下两端的上滤网和下滤网，所述填料区包括若干内折流式填料板和填充在所述内折流式填料板中的铁碳填料。
所述的微电场强化铁碳除磷装置中，所述微孔曝气系统，包括设置在下滤网下方的若干微孔曝气头、与微孔曝气头管道连接的空气泵。
一种微电场强化铁碳除磷装置的应用，所述装置应用于生活污水除磷处理。
有益效果：
本发明提供了一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用，所述装置运行稳定，损耗低，可根据污水中污染物的成分特点控制电流大小与停留时间，不仅对水中的磷污染物有效去除，对水中的悬浮物、水的色度也有较好的处理效果，出水清澈，无悬浮物，反应器产生污泥量少，且主要以磷酸铁为主，可以有效回收。采用电场强化，有效缓解了铁碳填料对PH的限定，加强了微电解的效率，缩短了内电解时间；微电解填料也提高了电场效率和电流作用区域的面积。通过微孔爆气防止了铁碳填料的板结钝化。通过该装置处理后的污水符合地表水四类标准。
附图说明
图1为本发明提供的所述微电场强化铁碳除磷装置的结构示意图。
其中，图中箭头方向为水流方向。
图2为所述铁碳填料发应前后的SEM电镜图及原貌。
具体实施方式
本发明提供一种微电场强化铁碳除磷装置及其应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种微电场强化铁碳除磷装置，包括：依次通过管道连接的进水区1、主反应区2和出水区3，还包括设置在主反应区2下方的污泥收集区4，所述主反应区2包括反应池21、微电场系统22、填料系统23和微孔曝气系统24，所述微电场系统22设置在反应池21中，用于加强填料系统23的内电解，所述填料系统23设置于反应池21内，与微电解系统22接触，用于络合沉淀污水中的磷酸盐，所述微孔曝气系统24设置于反应池21的下部，用于加速污水中磷酸盐的络合沉淀和防止调料系统板结。所述装置的微电场系统能够根据污水中污染物的成分特点，控制电场中电流的大小与停留时间，从而取得更有针对性的处理效果，可针对污水中磷的含量，合理的调整，起到优化效率和经济利益的目的，一般地，所述污水在反应池中的停留时间为30-180min；在对水中磷污染物去除的同时，对水中悬浮物、水的色度也有较好的处理效果，出水清澈，无悬浮物，反应器产生污泥量少，且主要以磷酸铁为主，可以有效回收。微电场系统可以强化填料系统的内电解效果，较单独使用电极或者填料系统电解，电极加强了微电解的效率，缩短了内电解时间，而微电解填料也提高了电场效率和电流作用区域的面积。微曝气系统能够防止填料系统中填料的板结钝化，延长所述装置的使用寿命。
进一步地，所述主反应区2还包括反冲系统25，所述反冲系统25包括设置在反应池21顶部的若干反冲口251、与反冲口251连接反冲洗泵（未示出）。反冲系统通过反冲口向反应区内鼓气，结合主反应区内停留的水，能够将停留在反应池中的污泥冲向污泥收集区中，使主反应区达到自净的效果,一般地，所述反冲洗时间为20min。
具体地，所述进水区1通过进水管道5与反应池21一侧壁的下方的进水口211连接，出水区3通过出水管道6与反应池21中与进水口211相对的侧壁上端的出水口212连接。所述进水管道和出水管道中还设有流量计和阀门，对进水量和出水量进行监测。进水口和出水口相对设置，延长了进入反应池中的污水的流程，而且污水在处理后，污泥向下沉，水层在上，进水口设置在下方，使进入反应区中的水中的污泥等污染物能够快速沉淀到污泥收集区中，处理后的上层清液从上方的出水口排出，有效地避免了污泥从出水口排出，影响处理后的水的质量。
具体地，所述污泥收集区4与主反应区2通过污泥收集板41连接，所述污泥收集板41上设有若干单向排泥孔42。单向排泥孔使污泥只能够从反应池从向污泥收集区排出，不能倒流，防止污泥倒流影响反应池中污水的处理效果。
具体地，所述污泥收集区4中还设有压滤网43，所述压滤网43将污泥收集区4分隔为上下两层。压滤网对进入污泥收集区中的泥水进一步分离，降低污泥的含水量，便于后续处理。
进一步地，所述进水区1还通过回流管道7与污泥收集区4连接于压滤网43上方。通过回流管道将污泥收集区中压滤网上方的污水再次回流到进水区，进一步分离、净化，提高污水的净化率。所述回流管道中还设置有抽水泵和流量计等。
具体地，所述微电场系统22包括若干石墨电极板221，分别连接在反应池21的进水口211和出水口213所处的两侧壁上以及平行于该两侧壁设置在反应池21中，石墨电极板221以折流的方式分别与反应池21的上池壁或下池壁连接，其中连接在反应池21一侧壁上的石墨电极板221还与恒压电压箱222连接。值得注意的是，所述石墨电极不是直接与污水接触，而是将石墨电极密封在具有良好导电性能的合金材料中；石墨电极不与污水直接接触，避免了污水对石墨电极的腐蚀，对石墨电极有较好的保护效果，可以最大程度的延长其使用寿命。优选地，所述石墨电极板等距设置，相邻的石墨电极板的间距为10-20cm。石墨电极板采用折流的方式连接，能够加长污水在反应池中的流程，提高净化效果。一种实施方式中，所述稳压电源箱的电压为24V/36V，为石墨电极提供电流，微电场电流密度为2-20mA/cm2。
具体地，所述填料系统23包括设置在相邻的两块石墨电极板221之间的填料区231和设置在填料区231上下两端的上滤网232和下滤网233，所述填料区231包括若干内折流式填料板和填充在所述内折流式填料板中的铁碳填料。所述铁碳填料直接在市面上采购，经过高温烧结而成，其中Fe:C≥3:1,粒径≤15mm，使用方便，运行稳定，损耗低，可定期投加，其技术参数为：比重约1200kg/m3，比表面积1.2m2/g，孔隙率＞65%，规格≤10mm，Fe/C≥3，物理强度≥1000kg/cm2；一般地，单独的铁碳填料内电解需要调节PH值为2-4，该装置中，采用了微电场系统强化后，可以有效缓解PH的限定，微电场强化作用下PH浮动范围可以放大至5-9。填料系统也提高了电场效率和电流作用的区域面积。铁碳填料的上、下方分别采用上滤网和下滤网承接覆盖，能够避免污水在流动过程中或者微孔爆气系统、反冲系统冲散填料，影响处理效果。更具体地，所述进水口设置在下滤网的下方，出水口设置在上滤网的上方，使进入反应池中的污水先经过下滤网去除一部分的絮凝物再进入填料区净化，出水经过上滤网进一步过滤后才排出。
进一步地，所述微孔曝气系统24，包括设置在下滤网233下方的若干微孔曝气头241、与微孔曝气头241管道连接的空气泵242。所述微孔曝气头均匀设置在相邻的两个石墨电极之间，保证各石墨电极间的填料受到同样的微孔曝气作用。
一种微电场强化铁碳除磷装置的应用，所述装置应用于生活污水除磷处理。
工作时，打开进水区阀门，根据污水中含磷情况设置进水流量，以便于控制污水在主反应区的停留时间，废水从进水区经过流量计从所述反应池下部进水口进入反应池中，先经过下滤网初次过滤，拦截一部分絮凝体；
进一步地，污水进入填料区，铁碳填料在微电场的强化作用下，电子传递加快引起内电解作用加剧，快速生成二价铁离子，同时在微孔曝气的作用下，二价铁离子发生氧化，大部分转化为三价铁离子，请参阅图2，图中为反应前后铁碳填料的SEM电镜图及原貌，反应后的铁碳填料颗粒基本变为红棕色（图2不能显示彩色，因此体现不出来，在此作说明），铁碳内电解反应原理如下：
阳极：；E0（Fe2+/Fe）= -0.44
阴极： ；E0（H+/H2）=0V
微孔曝气： ；E0（O2）=1.23V
；E0（O2/OH-）=0.41V
；E0（Fe3+/Fe2+）= -0.77V
内电解总反应式：
；E0（Fe3+/Fe）= -1.21V
由于Fe/C本身具有1.21V的氧化还原电位差，在微电场的强化作用下，电子传递速度加快，形成铁离子与废水中的磷酸盐快速络合形成磷酸铁沉淀。
铁离子络合沉淀式：
共沉淀作用生成碱式磷酸铁：
；
进一步地，处理后的废水经过所述反应池上部的上滤网溢流到出水区，络合的磷酸铁盐沉淀沉积于上滤网和污泥收集板中。反应周期结束后，关闭进水，打开反冲洗泵，利用反应池中的废水将附着于污泥收集板和填料上的泥水混合物经过污泥收集板上的单行排泥孔冲洗至污泥收集区；
最后，污泥收集区的上清液经回流泵回流至进水区。
特别说明的是：通过实施例的反复验证，由于本发明采用微电场作为铁碳的主要强化手段，结合微孔曝气的方式，并且在装置中辅以反冲洗以及回流系统，采用内折流式的填料方式，不仅避免了铁碳填料的板结钝化，也极大的降低了电能消耗。说明本发明提供的方法及装置具有很好的发展潜力，能够在生活污水除磷的技术中发挥重大作用，具有显著的技术进步。申请人在本说明书所述范围内对不同条件下的微电场对总磷的去除效果作了研究，具体结果如表2所示。
表2 不同条件下的微电场强化Fe/C体系对总磷的去除效果
由表2中可得出，通过本申请所述微电场处理后的废水总磷去除率达84.33%以上，除磷效果显著。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，包括：依次通过管道连接的进水区、主反应区和出水区，还包括设置在主反应区下方的污泥收集区，所述主反应区包括反应池、微电场系统、填料系统和微孔曝气系统，所述微电场系统设置在反应池中，用于加强填料系统的内电解，所述填料系统设置于反应池内，与微电解系统接触，用于络合沉淀污水中的磷酸盐，所述微孔曝气系统设置于反应池的下部，用于加速污水中磷酸盐的络合沉淀和防止调料系统板结。
2.根据权利要求1所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述主反应区还包括反冲系统，所述反冲系统包括设置在反应池顶部的若干反冲口、与反冲口连接反冲洗泵。
3.根据权利要求1所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述进水区通过进水管道与反应池一侧壁的下方的进水口连接，出水区通过出水管道与反应池中与进水口相对的侧壁上端的出水口连接。
4.根据权利要求1所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述污泥收集区与主反应区通过污泥收集板连接，所述污泥收集板上设有若干单向排泥孔。
5.根据权利要求1所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述污泥收集区中还设有压滤网，所述压滤网将污泥收集区分隔为上下两层。
6.根据权利要求5所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述进水区还通过回流管道与污泥收集区连接于压滤网上方。
7.根据权利要求3所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述微电场系统包括若干石墨电极板，分别连接在反应池进水口和出水口所处的两侧壁上以及平行于该两侧壁设置在反应池中，石墨电极板以折流的方式分别与反应池的上池壁或下池壁连接，其中连接在反应池一侧壁上的石墨电极板还与恒压电压箱连接。
8.根据权利要求1所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述填料系统包括设置在相邻的两块石墨电极板之间的填料区和设置在填料区上下两端的上滤网和下滤网，所述填料区包括若干内折流式填料板和填充在所述内折流式填料板中的铁碳填料。
9.根据权利要求8所述的微电场强化铁碳除磷装置，其特征在于，所述微孔曝气系统，包括设置在下滤网下方的若干微孔曝气头、与微孔曝气头管道连接的空气泵。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的微电场强化铁碳除磷装置的应用，其特征在于，应用于生活污水除磷处理。
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