CN110104735A - 水体电解脱氮装置及其使用方法 - Google Patents

水体电解脱氮装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

水体电解脱氮装置及其使用方法，涉及电解脱氮。装置设电解机和脱氮池；电解机设主机和电源，主机内设至少一组电极，电解机进水口外接带电解的水体，电解机出水口接脱氮池的污染水体入口，污染水体入口经管道接脱氮池下部的布水器；脱氮池的底部设有污泥排放口，在脱氮池中电解机产生的氢和氧与水体中的氨氮和NO3 ﹣反应，生成H2O和N2，除去微污染水体的氨氮和总氮。使用方法：电解处理：将水体泵入电解机内，在工作电压1.5～500V，两电极间电压1.5～15V，电流密度1～500mA/cm2下停留时间3～15s进行电解，电解后的水体经布水器进入脱氮池；脱氮反应：将电解后的水体送脱氮池，脱氮反应，除去水体中的总氮。

Description

水体电解脱氮装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及电解脱氮，尤其是涉及主要用于自然水体和污水(废水)处理厂脱氮处理的水体电解脱氮装置及其使用方法。
背景技术
污染水体(水源)是指受到有机物、氨氮、磷、微生物、病毒等污染，其中，一些指标不满足《地表水环境质量标准》(GB3828－2002)标准的水体。《地表水环境质量标准》(GB3828－2002)共有24项常规指标，就当前的技术而言，COD、BOD等指标基本都可以满足，其难点是脱除总氮和氨氮。针对当前《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，共有12项常规指标，就当前的技术而言，COD、BOD等指标基本都可以满足，其难点也是脱除总氮和氨氮。氨氮通常可以通过好氧或加次氯酸钠、双氧水或臭氧等方法去除，但硝态氮却难以去除。当前，硝态氮的主流技术和装置是曝气生物滤池和反硝化深床滤池，曝气生物滤池和反硝化深床滤池的建造不仅占地面积大，施工周期长，运行费用高，而且这种装置运行时需要外加炭源，还要不断曝气和反洗，控制较难。为此，当前急需一种经济实用、安全可靠的水体脱氮装置及其方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有水体脱氮装置占地面积大、投资大、运行成本高、周期长、脱氮效果不稳等缺陷，提供主要用于自然水体和污水(废水)处理厂脱氮处理的水体电解脱氮装置及其使用方法。
所述水体电解脱氮装置设有电解机和脱氮池；所述电解机设有主机和电源，所述主机内设有至少一组电极，电解机用于产生氢和氧，电解机的进水口外接带电解的水体，电解机的出水口接脱氮池的污染水体入口，污染水体入口经管道接脱氮池下部的布水器；所述脱氮池设有外部壳体和内部池体，脱氮池的底部设有污泥排放口，在脱氮池中电解机产生的氢和氧与水体中的氨氮和NO3 ﹣反应，生成H2O和N2，除去微污染水体的氨氮和总氮。
所述内部池体的形状可为正方体、长方体或柱体；外部壳体可由内层和外层组成，内层采用环氧沥青漆处理，外层由钢板或混凝土构成，内部池体的池底到池顶高度可为5000～9000mm；脱氮池被下隔板和上隔板分隔成脱氮区和清水区两个功能区域，脱氮区又可分成A功能区、B功能区、C功能区和D功能区，A功能区为污泥收集区，B功能区为泥水分离区，C功能区为清水区，D功能区设过水道；所述下隔板与内部池体的池底连接，内部池体的池底与池顶的距离可为800～1200mm，比出水口低200～500mm；所述上隔板与池顶齐平，距池底800～1500mm；在距离脱氮池底部300～800mm；下隔板和上隔板的间距为50～1000mm，下隔板与上隔板之间的区域为D功能区，即过水道；在距底部300～1000mm的高度上安装有布水器，所述布水器用于将电解机处理后的污染水体均匀地分布于脱氮区域；在清水区离顶部200～500mm的四周设有出水口，所述出水口由堰板和水槽构成；D功能区的过水道排出脱氮处理后的水体，脱氮池底部还设有污泥排放口，用于清除污泥。
所述电极可采用石墨、金属、金属合金、贵金属氧化物涂层等制成的电极。
所述电解机还设有控制电路，所述控制电路与主机和电源连接，控制电路用于控制电解机的主机工作过程；所述电解机的工作电压可为1.5～500V，电流密度可为1～500mA/cm2，水体在电解机中的停留时间可为3～15s。
所述脱氮区的布水器上部300～800mm处还安装有厚度1000～3000mm的催化剂层。
所述脱氮池还可以联接一个外部供氢装置，用于在电解产生氢气不足，脱氮效果不能满足脱氮要求时补充供氢，保证脱氮所需氢气供应。
所述外部供氢装置为电解水制氢装置、电解食盐水制氢装置或氢气瓶供氢的一种。
所述水体电解脱氮装置的使用方法包括以下步骤：
1)电解处理：将水体泵入电解机内，在工作电压为1.5～500V，两电极间的电压为1.5～15V，电流密度为1～500mA/cm2的工作条件下停留时间为3～15s进行电解，电解后的水体经过布水器进入脱氮池；
2)脱氮反应：将步骤1)电解后的水体送往脱氮池，在脱氮池进行脱氮反应10～30min，除去水体中20％～80％的总氮，满足水体对总氮的要求。
当电解机工作时，产生大量活性很强的新生态的氢“H”和“氧”，与其相近的有机物分子反应生成水和二氧化碳；新生态氧“O”与“NH3”反应生成水和“NO3 ﹣”；新生态氢“H”与相近的“NO3 ﹣”反应生成N2和H2O。
“H”未及时反应的，即生成氢气，形成大量的微气泡，“H”与“NO3 ﹣”和“NO2 ﹣”反应生成N2，也形成大量的微气泡。随着这些氢气和氮气微气泡的上浮，会带出大量的固体悬浮物，达到固液分离的效果，形成气浮作用，辅助降低废水中的COD、色度、浊度等污染指数。
所述水体电解脱氮装置的工作原理如下：
水体中的总氮包括氨氮、硝态氮(包括硝酸根和亚硝酸根)、有机氮和生态氮，是这些氮的总和，其中，以硝态氮和氨氮为主，一般占95％以上，因此脱氮的核心是去除氨氮和硝态氮。
1、去除氨氮
电解过程中产生的新生态氧与氨反应，生成硝酸根。
2NH3+9O—→2NO3 -+3H2O
2NH4 ++10O—→2NO3 -+4H2O
2、去除总氮
硝态氮的脱除机理是：电解产生的新生态H与硝酸根在催化剂的反应，生成水和氮气。
NO3 -+H—→NO2 -+H2O
NO2 -+H—→N2↑+H2O(脱氮主反应)
在电解的作用下，经过开环断链，分解成氨态氮或者硝态氮。氨态氮或者硝态氮分别与新生态O、H反应生成氮气和水。
3、辅助除总磷
自然界水体中的磷以有机磷、生物磷(磷元素以RNA和DNA的磷酸形式存在于生物体内的细胞中)和无机磷等多种形态存在。采用本发明的电解，水体中大量的微生物细胞壁被击穿，细胞液流出，构成生物体的磷酸被氧化成无机磷，水体中Fe3+与PO4 3-反应生成磷酸铁沉淀除去水体中的磷，通过吸附作用除去石油类、动植物油等有机物。
Fe3++PO4 3-—→FePO4↓(除磷主反应)
微污染水体经过本发明的方法净化后，水体总磷的去除率达到70％～95％以上，总磷小于0.1mg/L，合格率达到100％。
4、增加溶解氧
采用本发明的电解脱氮装置处理水体时，产生氧气，使处理后的水体溶解氧大幅度增加，含量在8mg/L以上(出水口)，排放到自然水体中，能增加水体的溶解氧，抑制厌氧菌的过度繁殖，有效的净化水体。
5、辅助去除COD和BOD
电解脱氮装置工作时产生的新生态的氧，能快速氧化分解水体中的还原性物质(包括染料等有机物)，降低废水(污水)中20％～60％的COD。
RH(有机物)+O—→CO2↑+H2O
通过以上水体电解脱氮装置的作用，降低水体的总氮、氨氮并经过几次循环，实现污染水体的净化目标。
与现有技术相比，本发明具有以下突出技术效果：
1、设备简单
本发明的电解脱氮装置由电解机和脱氮池两个部分构成。
2、占地小、投资省
本发明的水体电解脱氮装置每万吨占地仅40～55cm2，而生化处理的曝气生物滤池装置或反硝化深床滤池构筑物大，结构复杂，每万吨占地至少400～600cm2，二者相比，前者只有10％，当前，城市中的土地是最贵的资源，因此占地小、投资省。
3、运行成本较低
采用本发明的水体电解脱氮装置对污染水体进行净化时，除了消耗电力外，不使用任何化学药品，且能耗仅0.2～0.6度/吨，按0.7元/度的电价计算，运行费用约0.15～0.42元，而如果采用其他净化方法时，吨水的运行费用约0.7～1.2元，本发明成本低50％以上。
4、脱氮水体溶解氧高
采用本发明的水体的电解脱氮装置对微污染水体进行净化时，分解产生氧气，水体中的溶解氧大于8mg/L以上，能够有效提高水体的溶解氧，有效抑制藻类的生长。
附图说明
图1为本发明所述水体电解脱氮装置实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
参见图1，所述水体电解脱氮装置实施例设有电解机1和脱氮池2；所述电解机1设有主机和电源，所述主机内设有至少一组电极，电解机1用于产生氢和氧，电解机1的进水口1-1外接带电解的水体，电解机1的出水口1-2接脱氮池2的污染水体入口2-1，污染水体入口2-1经管道2-2接脱氮池2下部的布水器2-3；所述脱氮池2设有外部壳体和内部池体，脱氮池2的底部设有污泥排放口2-8，在脱氮池2中电解机产生的氢和氧与水体中的氨氮和NO3 ﹣反应，生成H2O和N2，除去微污染水体的氨氮和总氮。
所述内部池体的形状可为正方体、长方体或柱体；外部壳体可由内层和外层组成，内层采用环氧沥青漆处理，外层由钢板或混凝土构成，内部池体的池底到池顶高度可为5000～9000mm；脱氮池2被下隔板2-5和上隔板2-6分隔成脱氮区和清水区两个功能区域，脱氮区又可分成A功能区、B功能区、C功能区和D功能区，A功能区为污泥收集区，B功能区为泥水分离区，C功能区为清水区，D功能区为过水道；所述下隔板2-5与内部池体的池底连接，内部池体的池底与池顶的距离可为800～1200mm，比出水口低200～500mm；所述上隔板2-6与池顶齐平，距池底800～1500mm；在距离脱氮池底部300～800mm；下隔板2-5和上隔板2-6的间距为50～1000mm，下隔板2-5与上隔板2-6之间的区域为D功能区，即过水道；在距底部300～1000mm的高度上安装有布水器2-3，所述布水器2-3用于将电解机1处理后的污染水体均匀地分布于脱氮区域；在清水区离顶部200～500mm的四周设有出水口，所述出水口由堰板和水槽构成，D功能区的过水道2-7排出脱氮处理后的水体，脱氮池底部还设有污泥排放口2-8，用于清除污泥。
所述电极采用石墨、金属、金属合金、贵金属氧化物涂层等制成的电极。
所述电解机还设有控制电路，所述控制电路与主机和电源连接，控制电路用于控制电解机的主机工作过程；所述电解机的工作电压可为1.5～500V，电流密度可为1～500mA/cm2，水体在电解机中的停留时间可为3～15s。
所述脱氮区的布水器2-3上部300～800mm处还安装有厚度1000～3000mm的催化剂层2-4。
所述脱氮池还可以联接一个外部供氢装置，用于在电解产生氢气不足，脱氮效果不能满足脱氮要求时补充供氢，保证脱氮所需氢气供应。
所述外部供氢装置为电解水制氢装置、电解食盐水制氢装置或氢气瓶供氢的一种。
实施例2
参见图1，某污染水体的脱氮的实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
(1)截流分段：将水体用橡胶坝或混凝土坝分段或分区成一段、一段或一个区域、一个区域的水体，每段水体10000m3，水体长度2000m；对段内或区域内的水体的主要污染源进行排查，找准主要污染源，将主要污染源截污纳管至集水池内，并同时从水体下游取水至集水池内，用提升泵从集水池取水泵至电解机内；
(2)电解：经步骤(1)水体泵入电解机，在直流电压为30V，电流密度为8mA/cm2，电解处理，水在电解机中的停留时间为8s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在脱氮池的停留时间为25min，脱氮后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，污染的水体就会净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。所述水体脱氮前后水质指标如表1所示。
表1、某污染水体脱氮前后的水质指标
项目 污染水体 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
pH 5.6 6.7 7.0 7.1
溶解氧(mg/L) 1.9 4.7 6.6 8.1
氨氮(mg/L) 5.7 2.1 0.6 0.1
总磷(mg/L) 3.3 0.3 0.2 0.1
总氮(mg/L) 25 9 3 0.6
色度(倍) 450 60 20 2
实施例3
参见图1，某污染水体的脱氮的实施例，采用实施例1的污染水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
(1)截流分段：将水体用橡胶坝或混凝土坝分段或分区成一段、一段或一个区域、一个区域的水体，每段水体20000m3，水体面积100000m2；对段内或区域内的水体的主要污染源进行排查，找准主要污染源，将主要污染源截污纳管至集水池内，并同时从水体下游取水至集水池内，用提升泵从集水池取水泵至电解机内；
(2)电解：将步骤(1)截流分段水体泵入电解机，在电压为300V，电流密度为10mA/cm2的工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为10s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在脱氮池的停留时间为20min，脱氮后的水体输入水体的上游，经过二次循环后，微污染的水体就会净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。所述水体脱氮前后水质指标如表2所示。
表2、某污染水体脱氮前后的水质指标
实施例4
参见图1，某污水的脱氮的实施例，采用实施例1的电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
将水体泵入电解机，在电压为30V，电流密度为300mA/cm2，工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为10s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在脱氮池的停留时间为30min，脱氮后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，污水就会净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。所述水体脱氮前后水质指标如表3所示。
表3、某污水体脱氮前后的水质指标
项目 污水 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
pH 8.3 7.4 7.2 7.1
溶解氧(mg/L) 1.1 3.7 7.7 8.3
COD(mg/L) 45 31 22 13
BOD(mg/L) 19 7 2 未检出
氨氮(mg/L) 5.9 1.4 0.3 0.1
总磷(mg/L) 2.7 0.3 0.1 0.03
总氮(mg/L) 12 6 2 1
色度(倍) 180 60 10 1
实施例5
参见图1，某污染水体的脱氮的实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱除水体中的氨氮和总氮：
(1)截流分段：将水体用橡胶坝或混凝土坝分段或分区成一段、一段或一个区域、一个区域的水体，每段水体15000m3，水体面积100000m2；对段内或区域内的水体的主要污染源进行排查，找准主要污染源，将主要污染源截污纳管至集水池内，并同时从水体下游取水至集水池内，用提升泵从集水池取水泵至电解机内；
(2)电解：经步骤(1)水体泵入电解机，在电压为500V，电流密度为5mA/cm2的工况下进行电解，污水在电解机中的停留时间为5s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在脱氮池的停留时间为10min，脱氮后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，污染的水体就会净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。所述水体脱氮前后水质指标如表4所示。
表4、某水体脱氮前后的水质指标
项目 污染水体 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
溶解氧(mg/L) 1.7 3.9 6.7 7.7
COD(mg/L) 35 21 16 12
BOD(mg/L) 22 7 3 未检出
氨氮(mg/L) 2.9 0.5 0.1 0.1
总磷(mg/L) 9.1 0.5 0.2 0.1
总氮(mg/L) 11 5 3.1 1.0
实施例6
参见图1，某污染水体的净化的实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
将污染水体泵入电解机，在电压为150V，电流密度为5mA/cm2的工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为1s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在脱氮池的停留时间为10min，脱氮后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，微污染的水体就会净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。所述水体净化前后水质指标如表5所示。
表5、某污染水体脱氮前后的水质指标
实施例7
参见图1，某达到一级B排放标准污水处理厂的脱氮实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
将该污水处理厂二沉池出水经提升泵泵入电解机，在电压为500V，电流密度为5mA/cm2的工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为15s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮反应，水体在脱氮池的停留时间为30min，脱氮前后水质指标如表6所示。
表6、某一级B污水处理厂深度脱氮前后的水质指标
项目 二沉池水质指标 脱氮后水质指标
pH 6.8 6.9
溶解氧(mg/L) 5.6 7.9
COD(mg/L) 43 27
BOD(mg/L) 17 5
氨氮(mg/L) 2.4 0.6
总磷(mg/L) 0.9 0.4
总氮(mg/L) 17.7 12.2
色度(倍) 30 4
实施例8
参见图1，某达到一级B排放标准污水处理厂的脱氮实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
将该污水处理厂二沉池出水经提升泵泵入电解机，在电压为45V，电流密度为260mA/cm2的工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为5s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮反应，水体在脱氮池的停留时间为25min，脱氮前后水质指标如表7所示。
表7、某一级B污水处理厂深度脱氮前后的水质指标
实施例9
参见图1，某达到一级A排放标准污水处理厂的脱氮实施例，采用实施例1的水体电解脱氮装置按以下步骤脱氮：
将该污水处理厂二沉池出水经提升泵泵入电解机，在电压为300V，电流密度为320mA/cm2的工况下进行电解，水在电解机中的停留时间为5s，电解后的水体流入脱氮池进行脱氮反应，水体在脱氮池的停留时间为30min。
表8、某一级A污水处理厂深度脱氮前后的水质指标
项目 二沉池水质指标 脱氮后水质指标
pH 6.8 7.1
溶解氧(mg/L) 5.6 7.9
COD(mg/L) 48 21
BOD(mg/L) 10 5
氨氮(mg/L) 2.4 0.2
总磷(mg/L) 0.9 0.4
总氮(mg/L) 17.7 8.6
色度(倍) 30 2
某一级A污水处理厂深度脱氮前后的水质指标如表8所示。

Claims (10)

1.水体电解脱氮装置，其特征在于设有电解机和脱氮池；所述电解机设有主机和电源，所述主机内设有至少一组电极，电解机用于产生氢和氧，电解机的进水口外接带电解的水体，电解机的出水口接脱氮池的污染水体入口，污染水体入口经管道接脱氮池下部的布水器；所述脱氮池设有外部壳体和内部池体，脱氮池的底部设有污泥排放口，在脱氮池中电解机产生的氢和氧与水体中的氨氮和NO3 ﹣反应，生成H2O和N2，除去微污染水体的氨氮和总氮。
2.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于内部池体的形状为正方体、长方体或柱体。
3.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述外部壳体由内层和外层组成，内层采用环氧沥青漆处理，外层由钢板或混凝土构成。
4.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述内部池体的池底到池顶高度为5000～9000mm。
5.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述脱氮池被下隔板和上隔板分隔成脱氮区和清水区两个功能区域，脱氮区分成A功能区、B功能区、C功能区和D功能区，A功能区为污泥收集区，B功能区为泥水分离区，C功能区为清水区，D功能区设过水道；所述下隔板与内部池体的池底连接，内部池体的池底与池顶的距离可为800～1200mm，比出水口低200～500mm；所述上隔板与池顶齐平，距池底800～1500mm；在距离脱氮池底部300～800mm；下隔板和上隔板的间距为50～1000mm，下隔板与上隔板之间的区域为D功能区，即过水道；在距底部300～1000mm的高度上安装有布水器，所述布水器用于将电解机处理后的污染水体均匀地分布于脱氮区域；在清水区离顶部200～500mm的四周设有出水口，所述出水口由堰板和水槽构成；D功能区的过水道排出脱氮处理后的水体，脱氮池底部还设有污泥排放口，用于清除污泥。
6.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述电极采用石墨、金属、金属合金、贵金属氧化物涂层制成的电极。
7.如权利要求1所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述电解机还设有控制电路，所述控制电路与主机和电源连接，控制电路用于控制电解机的主机工作过程；所述电解机的工作电压为1.5～500V，电流密度为1～500mA/cm2，水体在电解机中的停留时间为3～15s。
8.如权利要求5所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述布水器上部300～800mm处还安装有厚度1000～3000mm的催化剂层；
所述脱氮池还联接一个外部供氢装置，用于在电解产生氢气不足，脱氮效果不能满足脱氮要求时补充供氢，保证脱氮所需氢气供应。
9.如权利要求8所述水体电解脱氮装置，其特征在于所述外部供氢装置为电解水制氢装置、电解食盐水制氢装置或氢气瓶供氢的一种。
10.水体电解脱氮装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
1)电解处理：将水体泵入电解机内，在工作电压为1.5～500V，两电极间的电压为1.5～15V，电流密度为1～500mA/cm2的工作条件下停留时间为3～15s进行电解，电解后的水体经过布水器进入脱氮池；
2)脱氮反应：将步骤1)电解后的水体送往脱氮池，在脱氮池进行脱氮反应10～30min，除去水体中20％～80％的总氮，满足水体对总氮的要求。
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