CN111018056B - 一种还原氧化电化学污水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种还原氧化电化学污水处理装置，属于污水处理领域。本发明通过在污水处理装置内相互嵌套设置有第一环形电极和第二环形电极，且第一环形电极与第二环形电极交替设置，环形电极之间形成多层嵌套的污水处理通道，污水自内向外在多个污水处理通道中折流，循环进行还原氧化处理来有效降解污水中的难处理有机物，从而提高污水处理效率；使用本发明的装置进行污水处理具有处理效果好、操作简单、处理成本低等优点。

Description

一种还原氧化电化学污水处理装置

技术领域

本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种还原氧化电化学污水处理装置。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，水体污染逐渐成为世界性问题。过去的几十年中，我国的地表水和地下水均被来自工业生产、农业活动、市政污水等严重污染。尤其随着人口数量的增长，人类对水的需求量不断增加，如何有效处理污水、并做好污水回用工作，对于实现经济和资源的可持续发展具有重要的意义。

现有技术中常规的废水处理方法包括机械处理、物理法、化学法以及生物法。但是，随着人们生活水平的提高和工业化程度的不断发展，使得无论生活污水还是工业污水的组分都越来越复杂，废水中可能存在的有机物种类也越来越多，污水处理工作的难度也随之增加。污水中常见的有机污染物主要有多环芳香烃类、含氮有机化合物、卤代烃、不能被降解的重金属污染物及其他杂类有机化合物，使得目前常规使用的污水处理方式难以满足性能和效果要求。

电化学处理技术指利用电能发生化学反应从而去除污水中有害物质的处理方法。电化学技术广泛应用于金属回收，处理有机污染物、悬浮颗粒、各种工业废水和生活废水中去除油脂以及其他各种废水的处理。电化学技术因具有无二次污染、处理效果好、运行成本低，易于操作管理等优点而受到人们青睐，并成为目前研究的热点。

经检索发现，申请公布号CN103420451A，申请公布日为2013年12月4日的发明专利申请公开了一种电化学多重氧化污水处理设备，包括外环电池系统、中心电池系统、微孔导管和刮渣装置。其中，中心电池系统电极电解中性溶液产生臭氧，外环电池系统电极电解水产生羟基自山基，二者能够快速氧化水中难降解的有机物。但该发明是将电化学去污和高级氧化去污相结合，才能保证对污水中有机物等成分的净化处理。

又例如，申请公布号CN106430430A，申请公布日为2017年2月22日的发明专利申请公开了一种电化学污水处理系统及其污水处理方法，所述电化学污水处理系统设置有若干个电解单元，每个电解单元包括一个阳极、一个阴极、若干个间隔板以及为阴极提供外源氧气的曝气装置；所述阳极包括修饰碳糊电极层以及设置在修饰碳糊电极层表面的若干活性金属；所述阴极及间隔板均为修饰碳糊电极；所述活性金属为纯铁。但该发明需要通过采用修饰碳糊电极作为电极板基体，使电极板的导电率、循环伏安特性、耐用性得到良好的保证来提高处理效果，并且该电化学污水处理系统还包括生物膜处理单元，处理装置结构复杂、处理方法繁琐且处理成本高。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有污水处理技术中存在处理效率差、处理工艺复杂且处理成本高等问题，本发明提供一种还原氧化电化学污水处理装置。本发明通过在污水处理装置内相互嵌套设置有第一环形电极和第二环形电极，且第一环形电极与第二环形电极交替设置，环形电极之间形成多层嵌套的污水处理通道，污水自内向外在多个污水处理通道中折流，循环进行还原氧化处理来有效降解污水中的难处理有机物，从而提高污水处理效率；使用本发明的装置进行污水处理具有处理效果好、操作简单、处理成本低等优点。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，包括装置本体、第一密封板和第二密封板，所述的第一密封板和第二密封板分别设置于装置本体上下两端；所述第一密封板上设置有朝向第二密封板方向延伸的多个第一环形电极；所述第二密封板上设置有朝向第一密封板方向延伸的多个第二环形电极；第一环形电极的顶部凸出于第一密封板形成进水口，第二密封板上设置有出水口；

第一环形电极与第二环形电极相互嵌套，且第一环形电极与第二环形电极交替设置，环形电极之间形成多层嵌套的污水处理通道。

优选地，所述污水处理通道的总层数为2n+1，其中1≤n≤4。

优选地，相邻两层污水处理通道的外径比为R_D，其中R_D的范围在1.1-5之间。

优选地，所述第一环形电极穿过第一密封板向外突出，形成第一突出部；所述第二环形电极穿过第二密封板向外突出，形成第二突出部，第一突出部和第二突出部与外部电源电连接。

优选地，所述第二密封板上设置有第一出水口、第二出水口和第三出水口，且所述多层嵌套的污水处理通道自内向外包括七层污水处理通道，第一出水口位于第四层污水处理通道底部，第二出水口位于第六层污水处理通道底部，第三出水口位于第七层污水处理通道底部。

优选地，还包括回流口和回流总管，回流口设置在第一密封板上，回流总管设置在回流口与第三出水口之间，通过回流总管，回流口与第三出水口相连。

优选地，所述回流口包括第一回流口、第二回流口和第三回流口，第一回流口位于第三层污水处理通道顶部，第二回流口位于第五层污水处理通道顶部，第三回流口位于第七层污水处理通道顶部。

优选地，所述回流总管上设置有第一回流支管、第二回流支管和第三回流支管，所述第一回流口通过第一回流支管与回流总管相连，第二回流口通过第二回流支管与回流总管相连，并且第三回流口通过第三回流支管与回流总管相连。

优选地，所述第三出水口还通过管道与出水管相连，在出水管与回流总管的交汇处设置有三通阀。

优选地，所述第一回流支管、第二回流支管和第三回流支管上均设置有回流控制阀。

优选地，所述第一环形电极为阳极并且第二环形电极为阴极；或者所述第一环形电极为阴极并且第二环形电极为阳极。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，通过在污水处理装置内相互嵌套设置有第一环形电极和第二环形电极，且第一环形电极与第二环形电极交替设置，环形电极之间形成多层嵌套的污水处理通道，污水自内向外在多个污水处理通道中折流，循环进行还原氧化处理来有效降解污水中的难处理有机物，从而提高污水处理效率；

(2)本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，所述污水处理通道的总层数为2n+1，其中1≤n≤4，且第一环形电极可以是阳极，第二环形电极可以是阴极；或者第一环形电极可以是阴极，第二环形电极为阳极；当第一环形电极为阳极，第二环形电极为阴极，则在当前污水处理通道中第二环形电极表面积大于第一环形电极，则阴极面积大于阳极面积，形成了强化还原的污水处理反应区域，折流后进入下一个污水处理通道则是阳极面积大于阴极面积，形成了强化氧化的污水处理反应区域；这样可使污水处于还原、氧化的不断循环处理过程中，可充分有效地降解污水中的有机物，提高处理效果；

(3)本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，还包括第一回流口、第二回流口和第三回流口，第一回流口位于第三层污水处理通道顶部，第二回流口位于第五层污水处理通道顶部，第三回流口位于第七层污水处理通道顶部，这些回流口通过管道与第三出水口相连，可以将出水回流至装置中，进行再处理，直至污水达标排放，确保处理效果；并且在这些回流口上方均设置有回流控制阀，以便根据所处理的污水中污染物种类和性质，选择需要进行几次还原处理或氧化处理；

(4)本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，所述第一环形电极穿过第一密封板向外突出，形成第一突出部；所述第二环形电极穿过第二密封板向外突出，形成第二突出部，第一突出部和第二突出部与外部电源电连接，其中外部电源根据污水中的有机物种类不同，施加至每层第一环形电极和第二环形电极的电位可以不同，A_n＝kR_n，以有效降解有机物，确保处理效率；

(5)本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，所述第一环形电极与第二环形电极既用作挡流板，又用作反应电极，使得本发明的还原氧化电化学污水处理装置结构简单，制造成本低。

附图说明

图1为本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置的正视图；

图2为本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置的左视图；

图3为本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置的立体透视图；

图中：

100、装置本体；110、第一密封板；111、第一环形电极；

120、第二密封板；121、第二环形电极；130、进水口；

141、第一出水口；142、第二出水口；143、第三出水口；150、回流总管；

161、第一回流口；162、第二回流口；163、第三回流口；

170、出水管；180、三通阀；

1101、第一突出部；1201、第二突出部；

1611、第一回流支管；1621、第二回流支管；1631、第三回流支管。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本说明书供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何技术特征的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。

如图1所示，本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，包括装置本体100、第一密封板110和第二密封板120，所述的第一密封板110和第二密封板120分别设置于装置本体100上下两端；第一密封板110上设置有朝向第二密封板120方向延伸的多个第一环形电极111，且第一密封板110的底端与第二密封板120之间存在间隙，所述第一环形电极111的顶部凸出于第一密封板110形成进水口130，用于向装置本体100中通入待处理的污水；第二密封板120上设置有朝向第一密封板110方向延伸的多个第二环形电极121，且第二环形电极121的顶端与第一密封板110之间存在间隙，并且第二密封板120上设置有出水口，用于将处理后的污水排出。

所述第一环形电极111与第二环形电极121相互嵌套，且第一环形电极111与第二环形电极121交替设置；第一环形电极111可以是阳极并且第二环形电极121可以是阴极；或者第一环形电极111可以是阴极并且第二环形电极121可以是阳极；第一环形电极111与第二环形电极121之间可以形成多层嵌套的污水处理通道，污水处理通道的总层数为2n+1，其中1≤n≤4，并且相邻两层污水处理通道之间的外径比为R_D，其中R_D的范围在1.1-5之间。

需要说明的是，通常在进行电催化反应处理污水时，一部分是在反应器内进行催化反应，一部分是在电极表面上进行催化反应，电极表面积越大，催化反应效率越高，如果仅通过提高电流密度在一定程度上加快催化速度，会由于电流过高而发生副反应，电催化效率降低。而本发明的装置通过嵌套交替设置阳极和阴极，使装置内部构成筒形折流反应器，加大污水与电极表面的接触面积，提高污水在装置内的停留时间，从而提高污水处理效率；进一步地，由于构成污水处理通道的内外两个环形电极的表面积是有差异的，可在每层污水处理通道中进行强化的还原/氧化反应区域。

例如，构成一层污水处理通道的内外两个环形电极，即相邻的第一环形电极111与第二环形电极121，比如内环形电极为阳极，外环形电极为阴极，则在该层污水处理通道中外环形电极的表面积大于内环形电极的表面积，则阴极面积大于阳极面积，在该污水处理通道中形成了强化还原的反应区域，折流后进入下一层污水处理通道则是阳极面积大于阴极面积，形成了强化氧化的反应区域；这样通入装置的污水可以处于还原、氧化、还原、氧化的循环处理过程中，有效降解难处理有机物，大大提高了污水处理效率。

还需要进一步说明的，如图3所示，本发明装置内设有的第一环形电极与第二环形电极既用作反应电极，又可以起到挡流的作用，整个装置结构简单，易于制造。

此外，如图2所示，所述第一环形电极111穿过第一密封板110向外突出，形成第一突出部1101；所述第二环形电极121穿过第二密封板120向外突出，形成第二突出部1201，第一突出部1101和第二突出部1201便于与外部电源电连接。需要说明的是，这样的结构设置允许对多个第一环形电极111和多个第二环形电极121中的每个环形电极施加不同的电流密度以强化不同层污水处理通道内的反应，如下式(1)和(2)所示：

A_n＝kR_n (1)

R_n＝K_At_nn^0.5+Q_A (2)；

其中，k为基准电流，范围为1～50mA/cm²；R_n为相邻两个通道间的电流密度比，K_A为经验常数，与污水中的有机物种类和所用电极种类有关，范围为.0.1～20；t_n为工况常数，与污水污染物浓度和污水流速有关，范围为0.5～2.6，n为通道个数，Q_A为修正常数，范围为-1～2。

本发明的一种还原氧化电化学污水处理装置，还包括回流口，回流口设置在第一密封板110上，用以将排出的出水回流进入装置内；

再次参考图1，本发明的装置自内向外比如包括有七层污水处理通道，第一密封板110上设置有第一回流口161、第二回流口162和第三回流口163，第一回流口161位于第三层污水处理通道顶部，第二回流口162位于第五层污水处理通道顶部，第三回流口163位于第七层污水处理通道顶部；第二密封板120上设置有第一出水口141、第二出水口142和第三出水口143，第一出水口141位于第四层污水处理通道底部，第二出水口142位于第六层污水处理通道底部，第三出水口143位于第七层污水处理通道底部；

需要说明的是，第一回流口161、第二回流口162和第三回流口163与第三出水口143之间设置有回流总管150，这些回流口均通过回流总管150与第三出水口143相连；第三出水口143还与出水管170相连，在出水管170与回流总管150的交汇处设置有三通阀180，当不需要进行回流处理时，旋转三通阀180至可通向出水管170的状态，经过装置处理后的污水经由第三出水口143从出水管170排出；当需要进行出水回流处理时，旋转三通阀180至可通向回流总管150的状态，经过装置处理后的污水经由第三出水口143从回流总管150回流进入第一回流口161、第二回流口162和第三回流口163中的任意一个，进而回流至装置内，回流比控制在50％～400％范围之间。

具体地，回流总管150上设置有第一回流支管1611、第二回流支管1621和第三回流支管1631，第一回流口161通过第一回流支管1611与回流总管150相连，第二回流口162通过第二回流支管1621与回流总管150相连，并且第三回流口163通过第三回流支管1631与回流总管150相连，并且第一回流支管1611、第二回流支管1621和第三回流支管1631上均设置有回流控制阀。

需要注意的是，通过控制这些回流控制阀，能够控制出水具体回流进入的污水处理通道位置，例如，如果希望将第三出水口143的出水进入第三层污水处理通道中进行回流处理，则将三通阀180旋转可通向回流总管150的状态，并开启第一回流支管1611上的回流控制阀，关闭第二回流支管1621和第三回流支管1631上的回流控制阀，出水即通过第一回流口161回流进入第三层污水处理通道中。通过这种方法可以实现对出水进行中部回流，即将最外层污水处理通道的出水回流到中间某一层污水处理通道的进水口进行回流处理，用以加强阶段性的还原与氧化效果。又例如，当希望出水进入第一层污水处理通道中进行回流处理时，可以通过管道(未示出)将出水回流至进水口130中，进行出水回流。

还需要说明的是，对本发明装置的第一环形电极和第二环形电极可以采用不同的供电方式，包括恒电流、脉冲电流、方波电流中的一种或多种，其中：

脉冲电流A＝a(Sin(bt)+c)，t为时间变量，单位秒，a为振幅常数，与水质污染程度、电导率和电极性质有关，a的范围在5～50，b为频率常数，与污染物性质和电极承受能力有关，b的范围在0.01～500之间；c为偏移常数，控制高位电流和地位电流，c的范围在0.5～1；

方波电流A＝(H，t1，L，t2，d)，H为高位电流，单位mA/cm²，范围一般为5～50，t1为高位时间，单位秒，L为低位电流，单位mA/cm²，范围一般为-20～20，t2为低位时间，单位秒，且t2≤t1，d为空占比，即高低位电流切换的空隙时间，单位秒。

一般情况，恒电流模式在处理特定类污水时易产生电极极化，电流利用率低等问题，引入脉冲电流和方波电流后，可以产生电流波峰和波谷，节省能耗同时给与一定的间接氧化反应时间，波谷可以设定为产生一定的反向电流，有效消除电极极化问题。

实施例1

本实施例的还原氧化电化学污水处理装置，用于一类低毒性较易降解农药废水处理，其中n＝1，污水处理通道仅有3层，第1层电极为阳极，外壁涂敷有阳极材料的钛基材，外径为32mm(壁厚为2mm)，R_D1-2＝R_D2-3＝1.5625，因此第2层阴极外径为50mm，第3层阳极外径为100mm。

相邻两层之间的电流密度比R₂＝K_A2t_nn^0.5+Q_A2＝1*0.8*2^0.5+0＝1.13，R₃＝K_A3t_nn^0.5+Q_A3＝1*0.6*3^0.5+0＝1.04，其电流为A＝20(mA/cm²)恒电流，因此第2层阴极的电流密度为A₂＝AR₂＝22.6(mA/cm²)，第3层阳极的电流密度为A₃＝AR₃＝20.8(mA/cm²)。

由于此类废水较易降解，不需要回流即可有效降解，此类废水的进水COD约1000-2000mg/L，经过本实施例的装置处理后COD去除率约在80％-90％。

实施例2

本实施例的还原氧化电化学污水处理装置，用于一类需要强还原能力的化工中间体废水处理，其中n＝2，污水处理通道有5层，第1层电极为阳极，外壁涂敷有阳极材料的钛基材，外径为20mm(壁厚为1.5mm)，R_D1-2＝5，R_D2-3＝1.2，R_D3-4＝1.27，R_D4-5＝1.16，因此第2层阴极外径为100mm，第3层阳极外径为120mm，第4层阴极外径为190mm，第5层阳极外径为220mm。

相邻两层之间的电流密度比R₂＝K_At_nn^0.5+Q_A＝0.5*1.5*2^0.5+0.05＝1.11，R₃＝K_At_nn^0.5+Q_A＝0.5*0.5*3^0.5+0.05＝0.48，R₄＝K_At_nn^0.5+Q_A＝0.5*1.5*4^0.5+0.05＝1.55，R₅＝K_At_nn^0.5+Q_A＝0.5*0.5*5^0.5+0.05＝0.61，其电流为A＝(H，t1，L，t2，d)方波电流，此方波电流H和L参数可根据来水污染负荷在范围内调整，t1在5s-50s范围内调整，t2约为t1+5，d在5s-150s范围内调整。

由于此类废水需要强还原作用，故在两个还原强化区设置单独回流，即第1层到第2层污水处理通道之间，第3层到第4层污水处理通道之间回流，回流比为400％，此类废水的进水COD约7000-10000mg/L，经过本实施例的装置处理后COD去除率约在50％-65％，其出水可生化性得到较为显著提高。

实施例3

本实施例的还原氧化电化学污水处理装置，用于极难降解的化工生产废水处理，需要长时间反复的还原氧化才可降解，其中n＝4，污水处理通道有9层，第1层电极为阴极，外壁涂敷有阴极材料的钛基材，外径为20mm(壁厚为2mm)，R_D1-2＝1.6，R_D2-3＝1.5625，R_D3-4＝1.5，R_D4-5＝1.6，R_D5-6＝1.25，R_D6-7＝1.23，R_D7-8＝1.13，R_D8-9＝1.095，因此由内到外电极尺寸为20、32、50、75、120、150、185、210、230mm。

相邻两层之间的电流密度比R₂＝K_A2t_nn^0.5+Q_A2＝0.2*2.6*2^0.5+0.2＝0.94，R₃＝0.2*2.2*3^0.5+0.2＝0.96，R₄＝0.2*2.6*4^0.5+0.2＝1.24，R₅＝0.2*2.2*5^0.5+0.2＝1.18，R₆＝0.2*2.6*6^0.5+0.2＝1.47，R₇＝0.2*2.2*7^0.5+0.2＝1.36，R₈＝0.2*2.6*8^0.5+0.2＝1.67，R₉＝0.2*2.2*9^0.5+0.2＝1.52，其脉冲电流A(mA/cm²)＝a(Sin(bt)+c)，其中a在5-50范围内调节，第1-2层间a为50用以初步强化氧化，最外层递减为5；b在0.1至500范围内调节，第1-2层间b为0.1，最后一层为接近500的高频脉冲；c在0.4～1范围内可调节，第1-2层间c为0.4，最后一层为接近为1。

由于此类废水很难降解，需要混合回流才可有效降解，因此在第2层到第4层污水处理通道之间较为低频的强化氧化区施加300％的回流，在第7层到第9层污水处理通道之间高频催化区施加50％的回流，并在出水施加100％的整体回流；此类废水的进水COD较高，约30000-60000mg/L，水质波动较大，经过本实施例的装置处理后COD去除率约在60％-80％，其出水可生化性得到较大改善。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (1)

1.一种用于极难降解的化工生产废水处理方法，其特征在于：使用一种还原氧化电化学污水处理装置，所述装置包括装置本体（100）、第一密封板（110）和第二密封板（120），所述第一密封板（110）和第二密封板（120）分别设置于装置本体（100）上下两端；所述第一密封板（110）上设置有朝向第二密封板（120）方向延伸的多个第一环形电极（111）；所述第二密封板（120）上设置有朝向第一密封板（110）方向延伸的多个第二环形电极（121）；第一环形电极（111）的顶部凸出于第一密封板（110）形成进水口（130），第二密封板（120）上设置有出水口；

第一环形电极（111）与第二环形电极（121）相互嵌套，且第一环形电极（111）与第二环形电极（121）交替设置，环形电极之间形成多层嵌套的污水处理通道，污水自内向外在多个污水处理通道中折流，所述污水处理通道的总层数为9层；所述第一环形电极（111）为阴极并且第二环形电极（121）为阳极；相邻两层污水处理通道的外径比为R_D，其中R_D范围在1.1-5之间；

所述第一环形电极（111）穿过第一密封板（110）向外突出，形成第一突出部（1101）；所述第二环形电极（121）穿过第二密封板（120）向外突出，形成第二突出部（1201），第一突出部（1101）和第二突出部（1201）与外部电源电连接，以允许对多个第一环形电极（111）和多个第二环形电极（121）中的每个环形电极施加不同的电流密度A_n，

A_n=kR_n，

R_n=K_At_nn^0.5+Q_A；

其中，k为基准电流，范围为1~50 mA/cm²；R_n为相邻两个通道间的电流密度比，K_A为经验常数，与污水中的有机物种类和所用电极种类有关，范围为0.1~20；t_n为工况常数，与污水污染物浓度和污水流速有关，范围为0.5~2.6，n为通道个数，Q_A为修正常数，范围为-1~2；

所述废水的进水COD为30000-60000 mg/L，在第2层到第4层污水处理通道之间较为低频的强化氧化区施加300%的回流，在第7层到第9层污水处理通道之间高频催化区施加50%的回流，并在出水施加100%的整体回流。

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