CN109775817A - 一种电化学氨氮消解装置及消解方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废水处理领域，特别涉及一种通过电极材质变化进而实现随处理浓度的梯度变化保证处理效果的电化学氨氮消解装置，包括第一反应单元、第二反应单元、第三反应单元、第四反应单元和第五反应单元，进水口设于第一反应单元底部，第一反应单元通过溢流板一与第二反应单元连通，所述第二反应单元通过底部开口与第三反应单元连通，所述第三反应单元通过溢流板二与第四反应单元连通，所述第四反应单元通过底部开口与第五反应单元连通，所述第一反应单元内设有阴极一，所述第二反应单元内设有阳极一，所述第三反应单元内设有阴极二，所述第四反应单元内设有阳极二，所述第五反应单元内设有阴极三。

Description

一种电化学氨氮消解装置及消解方法

技术领域

本发明涉及废水处理领域，特别涉及一种电化学氨氮消解装置及消解方法。

背景技术

当前，日益严峻的水环境污染和水资源短缺问题严重制约了我国经济社会的发展。将城市污水作为城市的“第二水源”已逐渐成为全球性的共识，而如何实现对污水的深度净化是城市污水成为“第二水源”的关键环节。其中，在污水的深度净化处理过程中，氮、磷、氟、氯等阴离子以及有机物等是水体治理中较难处理的污染物。

对于去除污水中的氮、磷和有机物，广泛应用的处理技术主要以生物法和化学沉淀法为主；对于水体中的氟、氯等阴离子，实际常用的方法就是稀释处理。但是这些技术在实际应用中存在着种种缺点，如水力停留时间长，占地面积大，处理深度不够，产生大量难以处置的污泥，生物处理过程的稳定性较差，常规的反硝化过程需要添加碳源或化学药剂，成本较高，操作复杂管理繁琐等，

为了克服上述技术的弊端，CN1986435A提出利用电絮凝和微滤的组合工艺，即采用铝板或铁板为电极电解产生铝盐或铁盐，结合水中的氟离子和有机物形成较大的絮体，然后将形成的絮体在后续的微滤膜组件中被过滤去除，从而达到从饮用水中去除氟和有机物的目的。该工艺需结合微滤装置增加处理成本，电极表面易形成氧化膜而钝化，能处理的污染物种类单一，水体中目标物浓度较小，电化学效率较低。

CN101269863A提出利用电絮凝和膜生物反应器的组合工艺，采用铁板或铝板为阳极电解产生铁离子或铝离子，与污水中的氢氧根离子、磷酸根离子形成絮体，有机物有膜生物反应器内的微生物降解后形成污泥，经微滤膜过滤污染物被去除，从而达到从污水中去除磷和有机物的目的。该系统的电化学效率较低，处理成本较大，产生大量难以处置的污泥，生物处理的稳定性较差，处理污染物种类单一。

CN101549896A提出一种电化学脱氮除磷的水处理方法，采用石墨和铁板作为电极，通过间歇调换电极极性，交替改变电解除磷和电解脱氮过程，从而实现在同一个电解槽中去除废水中的氮、磷营养盐以及有机污染物。但在城市污水中这些无机盐的浓度低，溶液的导电率低，电解效率低，电极间距大，能耗较大，处理成本较高。

氮仍是导致水体富营养化的一个主要因子。工业废水经一级预处理、二级生化处理后，外排废水仍含有数量不少的氮，主要包括硝态氮和亚硝态氮，以及少量氨氮和微量有机氮，统称为总氮(TN)，其浓度采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定。

近年来，我国在废水深度处理方面做了大量的研究和应用实践，如生物滤池、膜过滤、高级氧化等，主要针对生化尾水中COD、色度、氨氮等因子处理。关于总氮(TN)去除，常规技术是生物硝化反硝化工艺，通过向二级生化出水补加碳源(甲醇)，实施反硝化脱氮过程。这个工艺能有效去除硝态氮和亚硝态氮，但对氨氮和有机氮效果不好，且耗时长，需要投加额外碳源。

电化学技术因其环境友好性而成为国内外研究热点。电化学处理废水过程中，氨氮和有机氮(包括其他有机污染物)在阳极失电子发生氧化反应，转化为氮气；硝态氮和亚硝态氮在阴极得电子发生还原，转化为氮气，从而实现了废水中总氮及其他污染物有效去除。

目前中国专利CN201720527475.5公开了一种电化学去除废水中总氮用柱塞流隔膜电解装置，包括柱塞流隔膜电解装置本体，其特征在于柱塞流隔膜电解装置本体内设有若干个反应单元，每个反应单元内设有阳极和阴极，阳极和阴极之间设有隔膜，隔膜将每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，电解装置的第一个阴极室设有进水口，最后一个阳极室设有出水口，相邻两个反应单元的阴极面和阳极面复合成复合电极。

上述设计虽可以解决一定的污水中的氨氮和总氮的去除，但由于每一个反应单元内的氨氮和总氮的浓度不同，所以具体的电极和处理方式需要进一步改进，从而达到缩减处理时间，提高处理效果的目的。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种通过电极材质变化进而实现随处理浓度的梯度变化保证处理效果的电化学氨氮消解装置。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种电化学氨氮消解装置，包括第一反应单元、第二反应单元、第三反应单元、第四反应单元和第五反应单元，进水口设于第一反应单元底部，第一反应单元通过溢流板一与第二反应单元连通，所述第二反应单元通过底部开口与第三反应单元连通，所述第三反应单元通过溢流板二与第四反应单元连通，所述第四反应单元通过底部开口与第五反应单元连通，所述第一反应单元内设有阴极一，所述第二反应单元内设有阳极一，所述第三反应单元内设有阴极二，所述第四反应单元内设有阳极二，所述第五反应单元内设有阴极三；所述阴极一与阳极一的间距为20-40mm,所述阳极一与阴极二的间距为20-40mm,所述阳极二与阴极二的间距为20-30mm，所述阳极二与阴极三的间距为15-20mm，所述阴极一为的钛合金电极板，所述阳极一为钛基氧化铅的阳极板，所述阴极二为掺氮纳米金刚石阴极板，所述阳极二为掺硼纳米金刚石阳极板，所述阴极三为含石墨、铂、金的的钛合金电极板。

作为优选，所述第一单元、第二反应单元、第三反应单元、第四反应单元和第五反应单元均为可拆式连接。

作为优选，所述掺氮纳米金刚石阴极板和掺硼纳米金刚石阳极板的衬底为p型Si或Mo、Ta、Ti金属材料，所述掺氮纳米金刚石阴极的衬底面对掺硼纳米金刚石阳极一侧包覆一层掺氮纳米金刚石膜；所述掺硼纳米金刚石阳极的衬底面对掺氮纳米金刚石阴极一侧包覆一层掺硼纳米金刚石膜。

作为优选，第一反应单元、第二反应单元、第三反应单元、第四反应单元和第五反应单元均为由聚四氟乙烯制成的槽体。

作为优选，所述所述阴极三还可为含石墨、铂、金的的铌基合金电极板。

作为优选，所述所述阴极三还可为含石墨、铂、金的的铌基合金电极板。

作为优选，所述阴极一、阳极一、阴极二、阴极二和阴极三均采用波板组合的蜂窝体。

作为优选，所述蜂窝体由若干成型、两边有短平面、两端面呈同向60±10度角不锈钢波板，相邻叠合面通过点焊或弯舌片插入咬合连接成型，自然摆放呈60±10度斜置。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种电化学氨氮消解方法，包括如下步骤：

步骤一：对第一反应单元内通入原水，对阴极一、阳极一、阴极二、阳极二和阴极三通电；

步骤二：根据原水水质，定时对第一反应单元内的原水采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法对总氮进行测定；

步骤三：当第一反应单元内污水的总氮浓度达到至少不高于105mg/L时，将第一反应单元经过溢流板溢流板一通入第二反应单元中进行电解；

步骤四：当第二反应单元内总氮浓度达到至少不高于60mg/L时时，将第二反应单元经过底部开口通入第三反应单元中进行电解；

步骤五：当总氮浓度达到至少不高于30mg/L时，将第二反应单元经过底部开口通入第三反应单元中进行电解；

步骤六：当总氮浓度达到至少不高于10mg/L时，将第三反应单元经过底部开口通入第四反应单元中进行电解；

步骤七：当总氮浓度达到至少不高于1mg/L时，将第四反应单元经过底部开口通入第五反应单元中进行电解直至打标排放。

作为优选，当第一反应单元内污水的总氮浓度多次测定时，仍无法降到105mg/L时，将第一反应单元设置为多个进行串接对原水进行多次电解。

综上所述，本发明主要具有以下有益效果：本发明的电化学氨氮消解装置通过惰性电极和阳极之间的配合，并且通过有效控制原水流动，从而促进了原水中的氨氮和总氮的分解，每个电极板的独特结构设计使得与原水的反应速度和反应效果都大大提高，能耗也大大的降低。

附图说明

图1是本发明的电化学氨氮消解装置的结构示意图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是本发明的电化学氨氮消解装置的波板的结构示意图；

附图标记：1、第一反应单元，2、第二反应单元，3、第三反应单元，4、第四反应单元，5、第五反应单元，6、进水口，7、溢流板一，8、溢流板二，10、阴极一，20、阳极一，30、阴极二，40、阳极二，50、阴极三。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1至2所示，一种电化学氨氮消解装置，包括第一反应单元1、第二反应单元2、第三反应单元3、第四反应单元4和第五反应单元5，进水口6设于第一反应单元1底部，第一反应单元1通过溢流板一7与第二反应单元2连通，所述第二反应单元2通过底部开口与第三反应单元3连通，所述第三反应单元通过溢流板二8与第四反应单元4连通，所述第四反应单元4通过底部开口与第五反应单元5连通，所述第一反应单元1内设有阴极一10，所述第二反应单元2内设有阳极一20，所述第三反应单元3内设有阴极二30，所述第四反应单元4内设有阳极二40，所述第五反应单元5内设有阴极三50；所述阴极一10与阳极一20的间距为20-40mm,所述阳极一20与阴极二30的间距为20-40mm,所述阳极二30与阴极二40的间距为20-30mm，所述阳极二40与阴极三50的间距为15-20mm，所述阴极一10为的钛合金电极板，所述阳极一20为钛基氧化铅的阳极板，所述阴极二30为掺氮纳米金刚石阴极板，所述阳极二40为掺硼纳米金刚石阳极板，所述阴极三50为含石墨、铂、金的的钛合金电极板；所述第一单元1、第二反应单元2、第三反应单元3、第四反应单元4和第五反应单元5均为可拆式连接。

所述掺氮纳米金刚石阴极板和掺硼纳米金刚石阳极板的衬底为p型Si或Mo、Ta、Ti金属材料，所述掺氮纳米金刚石阴极的衬底面对掺硼纳米金刚石阳极一侧包覆一层掺氮纳米金刚石膜；所述掺硼纳米金刚石阳极的衬底面对掺氮纳米金刚石阴极一侧包覆一层掺硼纳米金刚石膜。

第一反应单元1、第二反应单元2、第三反应单元3、第四反应单元4和第五反应单元5均为由聚四氟乙烯制成的槽体。

所述所述阴极三50还可为含石墨、铂、金的的铌基合金电极板。

一种电化学氨氮消解方法，包括如下步骤：

步骤一：对第一反应单元1内通入原水，对阴极一10、阳极一20、阴极二30、阳极二40和阴极三通电；

步骤二：根据原水水质，定时对第一反应单元1内的原水采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法对总氮进行测定；

步骤三：当第一反应单元1内污水的总氮浓度达到至少不高于105mg/L时，将第一反应单元1经过溢流板溢流板一7通入第二反应单元2中进行电解；

步骤四：当第二反应单元2内总氮浓度达到至少不高于60mg/L时时，将第二反应单元2经过底部开口通入第三反应单元3中进行电解；

步骤五：当总氮浓度达到至少不高于30mg/L时，将第二反应单元2经过底部开口通入第三反应单元3中进行电解；

步骤六：当总氮浓度达到至少不高于10mg/L时，将第三反应单元3经过底部开口通入第四反应单元4中进行电解；

步骤七：当总氮浓度达到至少不高于1mg/L时，将第四反应单元4经过底部开口通入第五反应单元5中进行电解直至打标排放。

在具体实施时，原水通过第一反应单元，阴极产生“H·”和“OH·”，产生的“H·”和“OH·”与“NO3﹣”和有机物(COD和BOD)氨氮等反应，生成CO2、H2O、N2；由于原水浓度较高，所以原水这种的氨氮和总氮会第一反应单元中进行大量脱氮操作，具体反应原理如下：

脱氨氮原理(主反应1)：

NH3+HOCl—→NH2Cl+H2O(一氯胺)

NH2Cl+HOCl—→NHCl2+H2O(二氯胺)

2NH2Cl+HOCl—→N2↑+3HCl+H2O(脱氮主反应一)

脱硝态氮原理(主反应2)：

NH3+O·—→NO3-+H2O

NO3-+H·—→NO2-+H2O

NO2-+H·—→N2↑+H2O(脱氮主反应二)

同时掺硼纳米金刚石阳极的氧化作用和掺氮纳米金刚石阴极的间接氧化作用即污水中的氧气在掺氮纳米金刚石阴极被还原生成羟基的氧化性，形成阴阳电极协同作用，加强污水的处理效果，提高电流效率；使得氧气易于在掺氮纳米金刚石阴极得到电子生成H2O2，H2O2具有较强的氧化性，可协助掺硼纳米金刚石阳极氧化降解水中的有机污染物，使污水处理效率得到提高；同时降低所述槽体的槽电压，提高电流效率，氧气还原掺氮纳米金刚石阴极与普通电极相比，氧化同样量的有机物电流用量可减少1/2，即电流效率极限值为200％，从而降低能耗，降低污水处理成本。

并且阴极一10、阳极一20、阴极二30、阳极二40和阴极三50都是采用采用波板组合的蜂窝体，所述蜂窝体由若干成型、两边有短平面、两端面呈同向60±10度角不锈钢波板，相邻叠合面通过点焊或弯舌片插入咬合连接成型，自然摆放呈60±10度斜置；这样的设计由于增加了接触面积，不仅增加了单位时间内污水的处理效率，还可以有效防止浮渣附着，保证处理效率。

每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，相邻两个反应单元的阴极和阳极复合成复合电极，本发明实施例中的反应单元为5个，且5个反应单元之间串联连接，第四反应单元4的阳极和第一个反应单元1的阴极一10作为端电极分别连接脉冲直流稳流电源的正负极。

阳极一20为钛基二氧化铅电极，阴极一10为钛合金电极板，即复合电极包括钛基氧化铅的阳极面和钛板电阴极面，实施例中的复合电极4尺寸为400×500mm，厚度3mm，

以实际原水处理为例，二级生化处理废水水质为：电导为34.7ms/cm，pH为7.8，COD为530mg/L，氨氮为70.33mg/L，色度为220，总氮210.5mg/L。待处理的废水经泵提升送入电化学氨氮消解装置的第一个反应单元1的进水口，进入第一个反应单元，沿阴极一10与溢流板一之间流动，再依次流入后面的反应单元和溢流板，呈“之”字形流动经第五反应单元5流出，废水中的硝态氮和亚硝态氮在阴极室完成还原反应；第五反应单元5流出的废水呈同向流再从第一个反应单元的阳极室开始，依次流经各个反应单元，直至从最后一个反应单元阳极室的出水口流出，废水中的氨氮和有机氮等在阳极室完成氧化反应。

本发明实施例中的每个反应单元的电解条件为：电流密度为15mA/cm2，各单元水力停留时间为6min，经本发明的电化学方法处理后的废水水质与处理有的废水水质情况有非常明显的降低。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电化学氨氮消解装置，其特征在于：包括第一反应单元(1)、第二反应单元(2)、第三反应单元(3)、第四反应单元(4)和第五反应单元(5)，进水口(6)设于第一反应单元(1)底部，第一反应单元(1)通过溢流板一(7)与第二反应单元(2)连通，所述第二反应单元(2)通过底部开口与第三反应单元(3)连通，所述第三反应单元通过溢流板二(8)与第四反应单元(4)连通，所述第四反应单元(4)通过底部开口与第五反应单元(5)连通，所述第一反应单元(1)内设有阴极一(10)，所述第二反应单元(2)内设有阳极一(20)，所述第三反应单元(3)内设有阴极二(30)，所述第四反应单元(4)内设有阳极二(40)，所述第五反应单元(5)内设有阴极三(50)；所述阴极一(10)与阳极一(20)的间距为20-40mm,所述阳极一(20)与阴极二(30)的间距为20-40mm,所述阳极二(30)与阴极二(40)的间距为20-30mm，所述阳极二(40)与阴极三(50)的间距为15-20mm，所述阴极一(10)为的钛合金电极板，所述阳极一(20)为钛基氧化铅的阳极板，所述阴极二(30)为掺氮纳米金刚石阴极板，所述阳极二(40)为掺硼纳米金刚石阳极板，所述阴极三(50)为含石墨、铂、金的的钛合金电极板。

2.根据权利要求1所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：所述第一单元(1)、第二反应单元(2)、第三反应单元(3)、第四反应单元(4)和第五反应单元(5)均为可拆式连接。

3.根据权利要求1所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：所述掺氮纳米金刚石阴极板和掺硼纳米金刚石阳极板的衬底为p型Si或Mo、Ta、Ti金属材料，所述掺氮纳米金刚石阴极的衬底面对掺硼纳米金刚石阳极一侧包覆一层掺氮纳米金刚石膜；所述掺硼纳米金刚石阳极的衬底面对掺氮纳米金刚石阴极一侧包覆一层掺硼纳米金刚石膜。

4.根据权利要求1所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：第一反应单元(1)、第二反应单元(2)、第三反应单元(3)、第四反应单元(4)和第五反应单元(5)均为由聚四氟乙烯制成的槽体。

5.根据权利要求1所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：所述所述阴极三(50)还可为含石墨、铂、金的的铌基合金电极板。

6.根据权利要求1所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：所述阴极一(10)、阳极一(20)、阴极二(30)、阴极二(40)和阴极三(50)均采用波板(9)组合的蜂窝体(91)。

7.根据权利要求6所述的电化学氨氮消解装置，其特征在于：所述蜂窝体(91)由若干成型、两边有短平面、两端面呈同向60±10度角不锈钢波板，相邻叠合面通过点焊或弯舌片插入咬合连接成型，自然摆放呈60±10度斜置。

8.一种电化学氨氮消解方法，包括如下步骤：

步骤一：对第一反应单元(1)内通入原水，对阴极一(10)、阳极一(20)、阴极二(30)、阳极二(40)和阴极三通电；

步骤二：根据原水水质，定时对第一反应单元(1)内的原水采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法对总氮进行测定；

步骤三：当第一反应单元(1)内污水的总氮浓度达到至少不高于105mg/L时，将第一反应单元(1)经过溢流板溢流板一(7)通入第二反应单元(2)中进行电解；

步骤四：当第二反应单元(2)内总氮浓度达到至少不高于60mg/L时时，将第二反应单元(2)经过底部开口通入第三反应单元(3)中进行电解；

步骤五：当总氮浓度达到至少不高于30mg/L时，将第二反应单元(2)经过底部开口通入第三反应单元(3)中进行电解；

步骤六：当总氮浓度达到至少不高于10mg/L时，将第三反应单元(3)经过底部开口通入第四反应单元(4)中进行电解；

步骤七：当总氮浓度达到至少不高于1mg/L时，将第四反应单元(4)经过底部开口通入第五反应单元(5)中进行电解直至打标排放。

9.根据权利要求8所述的电化学氨氮消解方法，其特征在于：当第一反应单元(1)内污水的总氮浓度多次测定时，仍无法降到105mg/L时，将第一反应单元(1)设置为多个进行串接对原水进行多次电解。