CN109336226A - 一种旋转电极反应器及有机污废水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆筒旋转型电极反应器及处理有机污废水方法，包括壳体、进水口和出水口，所述壳体为圆筒型并形成反应槽，反应槽内设有转动系统、接电系统与极板系统，所述极板系统包括设置在所述壳体内壁上的筒式正极板、从接电套管辐射向外延伸的若干组极板承重轴以及在所述极板承重轴上设置的旋转极板组，所述旋转极板组由每组极板承重轴上沿圆筒径向间隔设置且与所述绝缘搅动轴共轴线的若干层圆弧面正极板和圆弧面负极板组成，并且，每组极板承重轴上设置的圆弧面正极板和圆弧面负极板的层数相同、顺序相同、层间距相等且端部均设置为与筒式正极板相对的圆弧面负极板。本反应器及方法无需外加搅拌设备，曝气设备，使电耗降低，处理成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及污废水处理技术领域，特别是涉及采用电化学方法处理有机污废水的装置和方法。
背景技术
大部分高级氧化在处理废水的过程中会发生两种情况，一种是废水中有毒有害物质未能够彻底矿化，另一种是为了达到一定的处理效果，需要使用大量的氧化剂或其他催化剂。不论在处理废水过程中发生哪种情况，都会造成废水处理费用的飙升，处理技术很难得到推广。因此，净化有机工业废水中有毒有害物质的发展趋势是采用催化氧化作用强、处理效果好、工艺流程短的技术，所以采用电化学氧化技术处理有机工业废水的研究日益受到重视。
电化学氧化技术作为水处理技术，在使用过程中由于仅需提供清洁的电子，无需添加化学药剂、操作简便、工艺设置灵活、模块化程度高以及尾端处理简便等特点而备受相关领域的关注，被认为是一种“环境友好”的技术，目前已被成功用于氨氮、染料、焦化、食品、以及垃圾渗滤液等污水的处理。
电极是电化学水处理技术中电极与溶液间进行电荷传递的主要场所，是决定电化学水处理体系性能的核心所在，电极材料直接影响着电极/溶液界面间的电荷转移速率。电化学水处理过程动力学参数、电极使用寿命、工艺能耗等指标理论上都取决于电极材料的理化性质。
目前用作阳极材料的碳材料主要有石墨、活性炭纤维(ACF)及掺硼金刚石(BDD)三种。其中的石墨机械强度较低、易磨损和氧化；ACF电极的析氧过电位低，氧化能力有限，对于难降解有机污染物催化效率较低；BDD电极目前研究尚不成熟，至今还难以进行工业规模和尺寸电极的生产，且价格昂贵。贵金属单质电极如Pd、Pt等是目前应用最广泛的电极，但这类电极价格昂贵，大规模用于污水处理不现实，实际中往往负载于其它基体上以降低成本；另外，这类电极在降解有机物时常常发生钝化现象，同时易被氧化成氧化膜而导致电化失活。
另外，现有的电催化氧化反应装置仍有很多不足，比如：进水布水设备形式单一，废水容易在反应装置内形成水力学短流或死角，影响处理效果；在使用过程中会放出大量的热，随着工作时间的延长，装置内的温度会不断升高，严重影响装置的工作效率和使用寿命，等等。
由此可见，现有的极板材料和反应装置均具有相应的问题和不足，亟待进一步改善。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题的至少一个，本发明提供一种圆筒旋转型电极反应器，用以改变传统电催化氧化电极反应装置构造单一，效率低下，处理效果差以及能耗高的现状。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种圆筒旋转型电极反应器，包括壳体、进水口和出水口，所述壳体为圆筒型并形成反应槽，反应槽内设有转动系统、接电系统与极板系统，所述转动系统包括设置在圆筒中心的绝缘搅动轴以及与该绝缘搅动轴底部连接的绝缘搅动轴承，所述绝缘搅动轴的高度与所述圆筒的高度基本相等；所述接电系统包括包围在所述绝缘搅动轴的接电套管以及与所述接电套管电连接的电极接电管，所述极板系统包括设置在所述壳体内壁上的筒式正极板、从接电套管辐射向外延伸的若干组极板承重轴以及在所述极板承重轴上设置的旋转极板组，每组极板承重轴包括1-5根极板承重轴，所述极板承重轴每根长度相等且至筒式正极板具有一距离H，所述旋转极板组由每组极板承重轴上沿圆筒径向间隔设置且与所述绝缘搅动轴共轴线的若干层圆弧面正极板和圆弧面负极板组成，并且，每组极板承重轴上设置的圆弧面正极板和圆弧面负极板的层数相同、顺序相同、层间距相等且端部均设置为与筒式正极板相对的圆弧面负极板。
进一步，所有所述极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间层间距均为距离H。
进一步，每组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板与相邻组极板承重轴上的对应层次上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间均设有缝隙。
进一步，各组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板的圆弧面径向中心线之间的夹角相等。
进一步，所述旋转极板组包括2个所述圆弧正极板、3个所述圆弧负极板，5组极板承重轴且每组包括3根由上至下对齐设置的极板承重轴，所述圆弧正极板和圆弧负极板以插接或焊接方式同所述极板承重轴相连接，且各自与电极接电管电连接，每组极板承重轴至少包括一组电极接电管，且所述电极接电管与至少一根极板承重轴平行并列设置，所述电极接电管、极板承重轴均以插接或焊接方式同所述接电套管相连接，所述接电套管与所述绝缘搅动轴相套接。
进一步，所述壳体外设有正极板接电柄，外接电源给筒式正极板供电；通过所述电极接电管所述接电套管外接电源给所述旋转极板组供电，且所述正极板组与所述负极板组分别并联通电。
进一步，所述正极板为钛基锌掺杂二氧化铅电极板，所述负极板为草酸改性的钛极板。
进一步，所述进水口设置在所述壳体下部的外侧，所述进水口的进水方向由下至上，且逆于所述旋转极板组的转动方向；所述壳体顶部的边缘设有堰型出水口，在所述堰型出水口的外侧下方设有出水导流槽，所述出水口设在所述出水导流槽的外侧。
进一步，所述壳体的底部设有排渣系统，所述排渣系统包括排渣口及截止阀；所述壳体顶部上方设有泡沫清除装置，该装置包括平行于所述壳体顶面的旋转清除刮板及用于将所述旋转清除刮板与所述绝缘转动轴承相连接的连接器。
本发明的另一个方面，提供一种高效处理有机污废水的方法，该污水处理方法采用上述反应器对有机污废水进行高效处理。具体方案如下：
一种采用圆筒旋转型电极反应器处理有机污废水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1，在所述圆筒旋转型电极反应器前设置预处理设备，将有机污废水引入所述预处理设备，且在所述预处理设备中将水体的PH调节到5～9之间，过滤，调节水温至常温；
S2，将经过S1步骤预处理后的污废水通过进水口导入所述圆筒旋转型电极反应器，在所述反应器内对水体中污染物进行降解催化氧化净化处理；
S3，将S2步骤净化处理后的水体由出水口通过排水设备进行收集；进一步过滤后排放。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比有如下优势：
采用本发明的圆筒旋转型电极反应器来处理废水，电极旋转可以增强水体扰动，有效解决了废水处理不完全导致阳电极表面容易沉积杂质和有机积碳的不足，反应区域大，废水处理效果提高，特别是对于高浓度有机废水的处理效果增强。本反应器无需外加搅拌设备，曝气设备，简化了操作流程，使电耗降低，处理成本降低。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明的圆筒旋转型电极反应器的结构俯视图；
图2为根据本发明的圆筒旋转型电极反应器的主视图；
图3为根据本发明的圆筒旋转型电极反应器的纵剖面示意图；
图4为根据本发明的处理有机污废水的方法的流程示意图。
其中：1、壳体；2、进水口；3、出水口；30、堰型净水出口；31、出水导流槽；4、转动系统和接电系统；40、绝缘搅动轴；41、接电套管；42、电极接电管；43、极板承重轴；5、极板系统；50、正极板接电柄、51、正极板组系统；52、负极板组系统；6、排渣口；60、截止阀；7-1、预处理设备；7-2、圆筒旋转型电极反应器；7-3、排水设备；7-4、电力设备。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，参考图1-3，提供一种圆筒旋转型电极反应器，包括壳体1、进水口2和出水口3，其特征在于，所述壳体为圆筒型并形成反应槽，反应槽内设有转动系统和接电系统4与极板系统5，所述转动系统包括设置在圆筒中心的绝缘搅动轴40以及与该绝缘搅动轴40底部连接的绝缘搅动轴承，所述绝缘搅动轴40的高度与所述圆筒的高度基本相等；所述接电系统包括包围在所述绝缘搅动轴40的接电套管41以及与所述接电套管41电连接的电极接电管42，所述极板系统5包括设置在所述壳体内壁上的筒式正极板、从接电套管辐射向外延伸的5组极板承重轴以及在所述极板承重轴上设置的旋转极板组，每组极板承重轴包括3根等距对齐设置的极板承承重轴43，所述极板承重轴43每根长度相等且至筒式正极板具有一距离H，所述旋转极板组由每组极板承重轴上沿圆筒径向间隔设置且与所述绝缘搅动轴40共轴线的5层圆弧面正极板和圆弧面负极板组成，并且，每组极板承重轴上设置的圆弧面正极板和圆弧面负极板的层数相同、顺序相同、层间距相等且端部均设置为与筒式正极板相对的圆弧面负极板；本实施方式中，所述旋转极板组包括2个所述圆弧正极板、3个所述圆弧负极板，所述筒式正极板和2个所述圆弧正极板构成正极板组系统51，3个所述圆弧负极板构成负极板组系统52。每组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板与相邻组极板承重轴上的对应层次上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间均设有缝隙。所有所述极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间层间距均为距离H。各组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板的圆弧面径向中心线之间的夹角相等，如图1可见，该实施方式中为72度。所述圆弧正极板和圆弧负极板以插接或焊接方式同所述极板承重轴相连接，且各自与电极接电管42电连接，该实施方式中，每根极板承重轴42包括一个电极接电管43，且两者平行并列设置，所述电极接电管43、极板承重轴42均以插接或焊接方式同所述接电套管41相连接，所述接电套管41与所述绝缘搅动轴40相套接。所述壳体外设有正极板接电柄50，外接电源给筒式正极板供电；通过所述接电套管40外接电源给所述旋转极板组供电，且所述正极板组与所述负极板组分别并联通电。所述正极板为钛基锌掺杂二氧化铅电极板，所述负极板为草酸改性的钛极板。
所述进水口2设置在所述壳体下部的外侧，所述进水口2的进水方向由下至上，且逆于所述旋转极板组的转动方向；所述壳体顶部的边缘设有堰型出水口30，在所述堰型出水口30的外侧下方设有出水导流槽31，所述出水口3设在所述出水导流槽31的外侧。
进一步，所述壳体的底部设有排渣系统，所述排渣系统包括排渣口6及截止阀60；所述壳体顶部上方设有泡沫清除装置(未图示)，该装置包括平行于所述壳体顶面的旋转清除刮板及用于将所述旋转清除刮板与所述绝缘转动轴承相连接的连接器。
在本实施方式中，例举的装置尺寸规格如下：所述筒式正极板的尺寸可为高400～800mm，上下圆筒壳体1直径Φ400～600mm，且在所述筒式正极板的上下边缘分别焊接有一个80*30mm的正极接电柄50，所述正极接电柄50从所述壳体1穿出。旋转极板组的所述正极板组系统51与负极板组系统52平行对立设置，正负极板保持同心共轴，高度保持一致；所述正负极板与所述筒式正极板的间距H均保持一致，可为10～50mm。所述电极接电管42与极板承重轴43以插接或焊接方式贯穿正负极板组，其直径Φ50～100mm。
其中所述正极板钛基锌掺杂二氧化铅电极和负极板草酸改性的钛极板的制备方法与流程如下：
Zr掺杂PbO2电极的制备包括三大部分：(一)Ti基体电极的表面处理、(二)电沉积液的制备、(三)Zr掺杂PbO2涂层的制备。(一)Ti基体电极的表面处理：用200～400目的粗砂纸将Ti基极板打磨至平滑，然后选择800目以上的细砂纸抛光去除极板表面氧化层；将打磨好的Ti基极板放入沸腾的NaOH溶液(m/m,5％)浸泡0.5～1h，清洗后在沸腾的含有草酸(m/m,1％)的溶液中浸泡1～2h，再放入含有草酸(m/m,0.1％)的溶液中浸泡备用，防止Ti基极板二次氧化。所制得的极板即为草酸改性的钛极板。(二)电沉积液的配制方法：以去离子水为溶液，投加100～200gL-1硝酸铅，0.1～1.0gL-1氟化钠，0.1～4.0gL-1硝酸锆，选用硝酸调节溶液pH值至2.0～2.5，在60℃水浴环境下保持搅拌直至溶液充分混合。(三)Zr掺杂PbO2电极制备：以处理好的Ti基极板为阳极，Ti基极板作为阴极，沉积温度30～75℃，电流密度为10～30mA cm-2，沉积时间为0.5～2h，极板间距为3～5cm，在沉积过程中保持匀速搅拌沉积液，搅拌速度<100rpm，并注意清理阴极表面产生的铅单质以防止槽电压突变，沉积时间结束后用去离子水清洗电极，自然晾干后即可制得Zr掺杂PbO2电极。
所述进水口2设置在所述壳体1下部的外侧，且所述进水口2的进水方向由下至上，且逆于所述旋转极板组的转动方向。所述进水口2的内直径为200～300mm，且所述进水口2的数量为1～2个。所述出水导流槽31的宽度为150～200mm，所述出水口3的内直径为200～300mm，所述出水口3的数量为1～2个。
所述排渣口6用以排放水处理中产生的废渣。在所述排渣口6处设有截止阀60，用以控制所述排渣口6的开与关。所述排渣口6在反应装置运行过程中可采取间歇排渣方式，并取样检测该反应器的处理效率，以便进一步控制。
在本实施例中，所述正极板接电柄50与电极接电管42外接电源动力装置，该电源动力装置采用低压直流电源，电压0～50V可调，电流0～3A可调。所述绝缘转动轴40与接电套管41外接电源动力装置，该电源动力装置采用低压高流直流电源，电压0～50V可调，电流0～200A可调。
根据本实施方式，提供一种高效处理有机污废水的方法，该污水处理方法采用上述反应器对有机污废水进行高效处理。所述方法包括如下步骤：
S1，在所述圆筒旋转型电极反应器前设置预处理设备7-1，将有机污废水引入所述预处理设备7-1，且在所述预处理设备7-1中将水体的PH调节到5～9之间，过滤，调节水温至常温；
S2，将经过S1步骤预处理后的污废水通过进水口2导入所述圆筒旋转型电极反应器7-2，在所述反应器7-2内对水体中污染物进行降解催化氧化净化处理；
S3，将S2步骤净化处理后的水体由出水口3通过排水设备7-3进行收集；进一步过滤后排放；
如图4，可通过电力设备7-4为系统供电。
比较例1
采用本发明上述实施例的圆筒旋转型电极反应器与传统电化学氧化装置对含有高浓度全氟磺酸(PFOS)的废水进行处理。
1)废水电导率≥1600μS/cm；
2)潜水泵流量为2～4t/h；
3)电压≤20V，电流≤50mA/cm2；
4)泡沫消除装置工作频率为10～12次/h。
其他未注明条件参照传统电化学氧化装置常规处理条件。
对比结果见表1。
表1：传统装置与本发明反应器处理全氟磺酸(PFOS)废水结果对比
比较例2
采用本发明上述实施例的圆筒旋转型电极反应器与传统电化学氧化装置对生活污水进行处理。
1)废水电导率≥1200μS/cm；
2)潜水泵流量为3～4t/h；
3)电压≤20V，电流≤50mA/cm2；
4)泡沫消除装置工作频率为12～15次/h。
其他未注明条件参照传统电化学氧化装置常规处理条件。
对比结果如下：
传统电化学氧化装置：
CODCr：2571.4mg L-1降至985.1mg L-1；
氨氮：131.2mg L-1降至29.5mg L-1；
总磷：14.8mg L-1降至7.4mg L-1；
本发明反应器：
CODCr：2571.4mg L-1降至69.1mg L-1；
氨氮：131.2mg L-1降至7.8mg L-1；
总磷：14.8mg L-1降至2.1mg L-1；
由上述比较例1和2可见，处理相同浓度的全氟磺酸(PFOS)与生活污水，采用本发明反应器比传统装置在单位时间内处理更多废水，处理效率明显提升，能耗明显下降。在连续运行中，未见阳极板表面有机碳沉淀，而传统装置在连续运行过程中，处理效率下降明显，阳极板表面有机碳沉淀堆积。并且经检验，污废水经过处理后氨氮含量明显减少，本发明反应器处理效果显著增强，且运行状态良好，设备维护方便。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，包括壳体、进水口和出水口，所述壳体为圆筒型并形成反应槽，反应槽内设有转动系统、接电系统与极板系统，所述转动系统包括设置在圆筒中心的绝缘搅动轴以及与该绝缘搅动轴底部连接的绝缘搅动轴承，所述绝缘搅动轴的高度与所述圆筒的高度基本相等；所述接电系统包括包围在所述绝缘搅动轴的接电套管以及与所述接电套管电连接的电极接电管，所述极板系统包括设置在所述壳体内壁上的筒式正极板、从接电套管辐射向外延伸的若干组极板承重轴以及在所述极板承重轴上设置的旋转极板组，每组极板承重轴包括1-5根极板承重轴，所述极板承重轴每根长度相等且至筒式正极板具有一距离H，所述旋转极板组由每组极板承重轴上沿圆筒径向间隔设置且与所述绝缘搅动轴共轴线的若干层圆弧面正极板和圆弧面负极板组成，并且，每组极板承重轴上设置的圆弧面正极板和圆弧面负极板的层数相同、顺序相同、层间距相等且端部均设置为与筒式正极板相对的圆弧面负极板。
2.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所有所述极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间层间距均为距离H。
3.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，每组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板与相邻组极板承重轴上的对应层次上的圆弧面正极板和圆弧面负极板之间均设有缝隙。
4.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，各组极板承重轴上的圆弧面正极板和圆弧面负极板的圆弧面径向中心线之间的夹角相等。
5.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所述旋转极板组包括2个所述圆弧正极板、3个所述圆弧负极板，5组极板承重轴且每组包括3根由上至下对齐设置的极板承重轴，所述圆弧正极板和圆弧负极板以插接或焊接方式同所述极板承重轴相连接，且各自与电极接电管电连接，每组极板承重轴至少包括一组电极接电管，且所述电极接电管与至少一根极板承重轴平行并列设置，所述电极接电管、极板承重轴均以插接或焊接方式同所述接电套管相连接，所述接电套管与所述绝缘搅动轴相套接。
6.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所述壳体外设有正极板接电柄，外接电源给筒式正极板供电；通过所述电极接电管所述接电套管外接电源给所述旋转极板组供电，且所述正极板组与所述负极板组分别并联通电。
7.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所述正极板为钛基锌掺杂二氧化铅电极板，所述负极板为草酸改性的钛极板。
8.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所述进水口设置在所述壳体下部的外侧，所述进水口的进水方向由下至上，且逆于所述旋转极板组的转动方向；所述壳体顶部的边缘设有堰型出水口，在所述堰型出水口的外侧下方设有出水导流槽，所述出水口设在所述出水导流槽的外侧。
9.如权利要求1所述的圆筒旋转型电极反应器，其特征在于，所述壳体的底部设有排渣系统，所述排渣系统包括排渣口及截止阀；所述壳体顶部上方设有泡沫清除装置，该装置包括平行于所述壳体顶面的旋转清除刮板及用于将所述旋转清除刮板与所述绝缘转动轴承相连接的连接器。
10.一种采用如权利要求1-9任意一项所述的圆筒旋转型电极反应器处理有机污废水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1，在所述圆筒旋转型电极反应器前设置预处理设备，将有机污废水引入所述预处理设备，且在所述预处理设备中将水体的PH调节到5～9之间，过滤，调节水温至常温；
S2，将经过S1步骤预处理后的污废水通过进水口导入所述圆筒旋转型电极反应器，在所述反应器内对水体中污染物进行降解催化氧化净化处理；
S3，将S2步骤净化处理后的水体由出水口通过排水设备进行收集；进一步过滤后排放。
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