CN110921980B - 一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备及利用其处理水的方法 - Google Patents

一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备及利用其处理水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学强化臭氧‑生物活性炭水处理设备，包括储液装置、进水泵、臭氧接触反应装置、臭氧发生装置、曝气装置、一号排气阀、活性炭反应装置、活性炭、阳极、阴极、二号排气阀和电源。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设计和处理装置构建，有利于各反应的进行，促进了污染物的去除，高效环保。

Description

一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备及利用其处理 水的方法
技术领域
本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，还涉及利用该设备进行水处理的方法。
背景技术
随着经济社会的发展，以及人们生活水平的提高，供水和排水安全日益受到关注。对水源水或使用后排放的污/废水进行有效的处理，去除其中的污染物，并杀灭细菌、病毒等有害微生物是十分必要的。研发高效的水处理技术来保障人们日常用水安全并保护水环境已日显迫切。
在众多的水处理技术中，臭氧-生物活性炭工艺因其处理高效、环境友好，而受到人们的青睐。该工艺巧妙地将臭氧的化学氧化性和杀菌消毒性能、活性炭的吸附性能、微生物的生物降解性能整合为一体，使水中的污染物和有害微生物得到有效去除。目前，臭氧-生物活性炭工艺已在水处理领域，特别是自来水处理中得到了广泛应用。通过臭氧的氧化作用，可将水体中的有机物初步降解，降低了后续生物活性炭滤池的负荷，并且经过臭氧氧化后部分难生物降解物质转化为易生物降解物质，提高了去除率。同时，臭氧分解生成的氧气给生物处理提供了溶解氧，使微生物保持较好的活性。活性炭优良的吸附性能也为其表面的微生物提供了良好的生存环境，促进了生物降解污染物。然而，臭氧-生物活性炭工艺也存在着一定的局限性。例如臭氧投加剂量受到处理成本、后续生物处理和控制有害副产物等的限制；臭氧氧化具有一定的选择性，对一些污染物的去除或提高其可生化性效果较差；活性炭使用一段时间后需要再生处理等。如何提高臭氧-生物活性炭的处理效率，克服其现有的缺陷，是该工艺进一步发展和推广所要解决的关键问题。
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、环保的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备以及利用该设备进行水处理的方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，包括储液装置、进水泵、臭氧接触反应装置、臭氧发生装置、曝气装置、一号排气阀、活性炭反应装置、活性炭、阳极、阴极、二号排气阀和电源，所述储液装置出水端连接进水泵的进水端，进水泵的出水端与臭氧接触反应装置的进水端相连接；所述曝气装置置于臭氧接触反应装置内底部，臭氧发生装置的出气端与曝气装置相连接；所述臭氧接触反应装置的出水端与活性炭反应装置的进水端相连接，活性炭填充于活性炭反应装置内；所述阳极和阴极平行设置于活性炭反应装置的内壁，使活性炭处于两个电极中间，形成电化学反应区，并且两个电极均位于活性炭反应装置的进水端下方；所述一号排气阀设于臭氧接触反应装置顶部，二号排气阀设于活性炭反应装置顶部；所述电源的正、负极分别与阳极和阴极相连接。
作为改进，还包括电极固定装置，其固定于活性炭反应装置的壁面，并且连接阳极或阴极，电源的正、负极通过电极固定装置分别与阳极和阴极相连接；还包括承托层，其置于活性炭反应装置底部。
优选，所述臭氧发生装置的气源可为空气或氧气，所述曝气装置为可微孔曝气器或无泡曝气器；所述活性炭可为颗粒或粉末活性炭，优选为颗粒活性炭；所述阳极和阴极可为碳基、金属或金属氧化物等镀膜组分的片状或网状电极，电极可根据需要按阴、阳极对应的方式，多个电极阵列式分布。
作为改进，还包括布水层，所述布水层为多孔板或网，设置于活性炭反应装置内电化学反应区的上端。
作为改进，还包括隔板和隔膜，所述隔板位于电化学反应区下端，并且与活性炭反应装置的内壁呈密封连接，隔板下端形成生物活性炭反应区；所述隔膜位于阳极和阴极之间，与阳极和阴极平行设置，将电化学反应区分隔为独立的两个空间；所述隔板和隔膜为绝缘透水多孔板，可分隔活性炭颗粒，从而避免电化学反应过程中可能发生的短路问题。
进一步改进，还包括溶解氧监测传感器和残余氧化物监测传感器，所述溶解氧监测传感器和残余氧化物监测传感器分别置于隔板下方，活性炭反应装置的侧壁上。
作为改进，还包括臭氧进气浓度监测仪、臭氧投加气体流量计、臭氧尾气浓度监测仪、臭氧尾气破坏器，所述臭氧进气浓度监测仪和臭氧投加气体流量计依次置于臭氧发生装置之后，曝气装置之前；所述臭氧尾气浓度监测仪和臭氧尾气破坏器依次置于一号排气阀之后。
作为改进，还包括反冲洗水泵、反冲洗进水口和反冲洗排水口，反冲洗进水口设于活性炭反应装置的底部，反冲洗排水口设于活性炭反应装置的顶部，反冲洗水泵出水端与反冲洗进水口相连接；反冲洗水泵将反冲洗水泵入活性炭反应装置，对活性炭层反冲洗后，反冲洗水从活性炭反应装置的反冲洗排水口排出；还包括预处理装置，其置于进水泵之后，臭氧接触反应装置之前；所述预处理装置的预处理工艺可为混凝絮凝、预臭氧接触氧化、pH调节、粗过滤等常用水处理工艺的一种或多种组合。
作为改进，还包括一号压力传感器、二号压力传感器和自控单元，所述一号压力传感器置于臭氧接触反应装置的出水端之后，活性炭反应装置的进水端之前；所述活性炭反应装置靠近底部的侧壁设有出水口，所述二号压力传感器置于出水口之后；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水体流速、臭氧投加量、电源电流大小等。
利用所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备进行水处理的方法，包括以下步骤：
(a)通过进水泵将储液装置内待处理水泵入臭氧接触反应装置中；臭氧发生装置生成的含臭氧气体经曝气装置通入臭氧接触反应装置中，对其内的水体进行臭氧接触氧化初步处理；
(b)经臭氧接触反应装置初步处理后的水体流入活性炭反应装置并将电源与阳极和阴极相连通；在活性炭吸附、电化学氧化还原、电化学/残余臭氧耦合氧化等多种作用下，水中的污染物被进一步去除；
(c)水体流经电场区域后，流入生物活性炭层，在生物活性炭的吸附、微生物降解等作用下，水中残留的污染物得到更彻底的去除，经活性炭反应装置的出水口流出的即为净化水；
有益效果：本发明提供的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备结构紧凑、操作简便、处理成本低廉，有效降解去除水中的污染物。
具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
一、巧妙的构建了电化学/臭氧耦合氧化体系，有效降低了臭氧氧化的停留时间，提高了流入活性炭反应装置的进水中残余臭氧的分解速率，还增强了对水中污染物的去除效率。臭氧和氧气在电化学阴极还原可促进羟基自由基的生成，形成电化学与臭氧的协同氧化，加强了对污染物的降解作用。
二、利用活性炭作为粒子电极，构建了三维电化学反应体系，扩展了电极有效面积，提高了电化学氧化还原作用，构成吸附-氧化体系，进一步提高了处理效能。
三、活性炭反应装置内氧化还原体系的引入，可实现活性炭的再生，使活性炭具有较好的吸附活性。
四、电化学反应过程中，一定电流电压操作下，可实现分解水生成氧气，提高水中的溶解氧，为后续的生物降解处理提供有利条件。
本发明提供的循环过流式电助臭氧水处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保进行水处理。
附图说明
图1是实施例1的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备的结构示意图。
图2是实施例2的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备的结构示意图。
图3是实施例3的电化学强化臭氧-生物活性炭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。
实施例1
电化学强化臭氧-生物活性炭水处理的设备，见图1，包括储液装置1、进水泵2、臭氧接触反应装置3、臭氧发生装置4、曝气装置5、一号排气阀6、活性炭反应装置7、活性炭8、阳极9、阴极10、电极固定装置11、二号排气阀12、承托层13、电源14、布水层15、隔板16。储液装置1出水端连接进水泵2的进水端；进水泵2的出水端与臭氧接触反应装置3的进水端3-1相连接；臭氧发生装置4的出气端与曝气装置5相连接；曝气装置5置于臭氧接触反应装置3内底部；一号排气阀6置于臭氧接触反应装置3顶部；臭氧接触反应装置3的出水端3-2与活性炭反应装置7的进水端7-1相连接；活性炭8填充于活性炭反应装置7内；阳极9和阴极10平行设置于活性炭反应装置7的内壁，使活性炭8处于两个电极中间，形成电化学反应区，并且两个电极均位于活性炭反应装置7的进水端下方；电极固定装置11将阳极9和阴极10固定于活性炭反应装置7壁面；二号排气阀12置于活性炭反应装置7顶部；承托层13置于活性炭反应装置7底部；电源14的正、负极通过电极固定装置11分别与阳极9和阴极10相连接；布水层15为多孔板或网，设置于活性炭反应装置7内电化学反应区的上端；隔板16位于电化学反应区下端，并且与活性炭反应装置7的内壁呈密封连接，隔板16下端形成生物活性炭反应区；
本发明实施例中，曝气装置5为微孔曝气头，活性炭8为颗粒活性炭，阳极9为铂网电极，阴极10为石墨电极，电源14为直流稳压电源。
具体工作原理如下：
水处理时，进水泵2将储液装置1内待处理水泵入臭氧接触反应装置3。同步的，臭氧发生装置4生成的含臭氧气体通过曝气装置5通入臭氧接触反应装置3内。而后，经臭氧氧化处理后的水体流入活性炭反应装置7内，在电化学/残余臭氧/活性炭的共同作用下得到进一步的净化。最后，水体流经活性炭反应装置7内生物活性炭处理区域，在微生物/活性炭的共同作用下，得到深度净化后出水。
实施例2
电化学强化臭氧-生物活性炭水处理的设备，见图2，与实施例1基本相同，不同之处仅在于：还包括隔膜17、臭氧尾气破坏器21和预处理装置25。隔膜17位于阳极9和阴极10之间，与阳极9和阴极10平行设置，将电化学反应区分隔为独立的两个空间；所述隔膜17为绝缘透水多孔板，可分隔活性炭颗粒，从而避免电化学反应过程中可能发生的短路问题。臭氧尾气破坏器21置于一号排气阀6之后，去除排放尾气中的臭氧，防止大气污染；预处理装置25置于进水泵2之后，臭氧接触反应装置3之前，其处理工艺为砂滤。
实施例3
电化学强化臭氧-生物活性炭水处理的设备，见图3，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：还包括臭氧进气浓度监测仪18、臭氧投加气体流量计19、臭氧尾气浓度监测仪20、解氧监测传感器22、残余氧化物监测传感器23、反冲洗水泵24、反冲洗进水口7-3、反冲洗排水口7-4、一号压力传感器26、二号压力传感器27和自控单元28。臭氧进气浓度监测仪18和臭氧投加气体流量计19依次置于臭氧发生装置4之后，曝气装置5之前；臭氧尾气浓度监测仪20置于一号排气阀6之后，臭氧尾气破坏器21之前；溶解氧监测传感器22和残余氧化物监测传感器23分别置于隔板16下方，活性炭反应装置7的侧壁上；反冲洗进水口7-3设于活性炭反应装置7的底部，反冲洗排水口7-4设于活性炭反应装置7的顶部，反冲洗水泵24出水端与反冲洗进水口7-3相连接；一号压力传感器26置于臭氧接触反应装置3的出水端3-2之后，活性炭反应装置7的进水端7-1之前；活性炭反应装置7靠近底部的侧壁设有出水口7-2，二号压力传感器27置于出水口7-2之后；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水体流速、臭氧投加量、电源电流大小等。
当净化水出水变小、压差变大时，可停止水净化处理，启动反冲洗泵24。反冲洗水泵24将反冲洗水泵入活性炭反应装置7，对活性炭层反冲洗后，反冲洗水从活性炭反应装置7的反冲洗排水口7-4排出。待反冲洗结束后，重新启动净水处理。
对某地表水体进行处理，进水CODMn约为4.2mg/L。处理方法及效果见表1。
表1电化学强化臭氧-生物活性炭水处理效果
Figure BDA0002271304750000061

Claims (10)

1.一种电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，包括储液装置(1)、臭氧接触反应装置(3)、臭氧发生装置(4)、曝气装置(5)和活性炭反应装置(7)；其特征在于，所述活性炭反应装置(7)分为电化学反应区和微生物降解区，所述电化学反应区在活性炭反应装置(7)的上部，包括平行设置于活性炭反应装置(7)的内壁的阳极(9)和阴极(10)，活性炭(8)处于两个电极中间；所述微生物降解区在活性炭反应装置(7)的下部，包括生物活性炭层。
2.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括电极固定装置(11)，其固定于活性炭反应装置(7)的壁面，并且连接阳极(9)或阴极(10)，电源(14)的正、负极通过电极固定装置(11)分别与阳极(9)和阴极(10)相连接；还包括承托层(13)，其置于活性炭反应装置(7)底部。
3.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，所述臭氧发生装置(4)的气源为空气或氧气，所述曝气装置(5)为微孔曝气器或无泡曝气器；所述活性炭(8)为颗粒或粉末活性炭中的一种；所述阳极(9)和阴极(10)为碳基、金属或金属氧化物镀膜组分的片状或网状电极，电极根据需要按阴、阳极对应的方式，多个电极阵列式分布。
4.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括布水层(15)，所述布水层(15)为多孔板或网，设置于活性炭反应装置(7)内电化学反应区的上端。
5.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括隔板(16)和隔膜(17)，所述隔板(16)位于电化学反应区下端，并且与活性炭反应装置(7)的内壁呈密封连接，隔板(16)下端形成生物活性炭反应区；所述隔膜(17)位于阳极(9)和阴极(10)之间，与阳极(9)和阴极(10)平行设置，将电化学反应区分隔为独立的两个空间；所述隔板(16)和隔膜(17)为绝缘透水多孔板。
6.根据权利要求5所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括溶解氧监测传感器(22)和残余氧化物监测传感器(23)，所述溶解氧监测传感器(22)和残余氧化物监测传感器(23)分别置于隔板(16)下方，活性炭反应装置(7)的侧壁上。
7.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括臭氧进气浓度监测仪(18)、臭氧投加气体流量计(19)、臭氧尾气浓度监测仪(20)、臭氧尾气破坏器(21)，所述臭氧进气浓度监测仪(18)和臭氧投加气体流量计(19)依次置于臭氧发生装置(4)之后，曝气装置(5)之前；所述臭氧尾气浓度监测仪(20)和臭氧尾气破坏器(21)依次置于一号排气阀(6)之后。
8.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括反冲洗水泵(24)、反冲洗进水口(7-3)和反冲洗排水口(7-4)，反冲洗进水口(7-3)设于活性炭反应装置(7)的底部，反冲洗排水口(7-4)设于活性炭反应装置(7)的顶部，反冲洗水泵(24)出水端与反冲洗进水口(7-3)相连接；还包括预处理装置(25)，其置于进水泵(2)之后，臭氧接触反应装置(3)之前。
9.根据权利要求1所述的电化学强化臭氧-生物活性炭水处理设备，其特征在于，还包括一号压力传感器(26)、二号压力传感器(27)和自控单元(28)，所述一号压力传感器(26)置于臭氧接触反应装置(3)的出水端之后，活性炭反应装置(7)的进水端之前；所述活性炭反应装置(7)靠近底部的侧壁设有出水口(7-2)，所述二号压力传感器(27)置于出水口(7-2)之后；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水体流速、臭氧投加量和电源电流大小。
10.利用权利要求1至9任一项所述的电化学强化臭氧-生物活性炭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)通过进水泵(2)将储液装置(1)内待处理水泵入臭氧接触反应装置(3)中；臭氧发生装置(4)生成的含臭氧气体经曝气装置(5)通入臭氧接触反应装置(3)中，对其内的水体进行臭氧接触氧化初步处理；
(b)经臭氧接触反应装置(3)初步处理后的水体流入活性炭反应装置(7)并将电源(14)与阳极(9)和阴极(10)相连通；在活性炭吸附、电化学氧化还原、电化学/残余臭氧耦合氧化的作用下，水中的污染物被进一步去除；
(c)水体流经电场区域后，流入生物活性炭层，在生物活性炭的吸附和微生物降解的作用下，水中残留的污染物得到更彻底的去除，经活性炭反应装置(7)的出水口(7-2)流出的即为净化水。
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