CN111573774A - 一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，包括反应池、进水口、出水口、阴极板、阳极板、直流稳压电源、氙气灯组、药剂箱、曝气管和曝气泵，进水口位于反应池侧面底部，出水口位于反应池侧面上部；阳极板和阴极板均为两个以上，阳极板和阴极板等距交替的竖直设置在反应池内，阳极板与直流稳压电源正极相连，阴极板与直流稳压电源负极相连；氙气灯组位于反应池内且位于出水口上方；药剂箱底部出口通过加药管道与反应池连通，反应池底部设有曝气管，曝气管与曝气泵连接。本发明将电芬顿法与模拟太阳光的氙气灯组有机结合，再附加絮凝剂进一步促进有机污染物的降解。与传统方法相比，本发明方法的有机污染物去除率高。

Description

一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置和方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置和方法。

背景技术

城市生活垃圾处理是城市管理和环境保护的重要内容，是社会文明程度的重要标志,关系人民群众的切身利益。近年来，我国城市生活垃圾收运网络日趋完善，但由于城镇化快速发展，城市生活垃圾激增，垃圾处理能力相对不足，一些城市面临“垃圾围城”的困境，严重影响城市环境和社会稳定。生活垃圾在收集、堆放、运收、终端处理过程中，垃圾本身含水被挤压溢出并混合自然降水和冲洗水，形成了有毒有害的生活污水，具有有机污染物浓度高、成分复杂、水质变化较大的特点，直接排放会对水生生态环境造成严重的污染。因此，如何无害化处理生活污水中的有毒有害成分是环境保护的重点和难点。

近年来，高级氧化技术逐渐取代常规生物反应+膜处理技术，在难降解有机污染污水处理的研究中取得了显著的进展。以化学催化氧化、电化学氧化、光催化氧化、超声协同氧化等为代表的高级氧化技术的新科技成果问世为我们提供了处理污染水体中的有机污染物的新手段。这些高级氧化技术是通过不同的技术产生羟基自由基·OH，这些羟基自由基与有机物发生反应，协同其他氧化剂有效的氧化分解去除传统生物膜技术无法降解的有机污染物，并且不存在有机物种类选择性，直至将这些有机污染物降解为CO₂、H₂O和其他矿物盐。相比于其他常见的氧化剂，羟基自由基·OH具有更高的氧化电位，氧化能力更强，反应活性更高，是生活污水处理过程中所需的理想氧化剂，所以不断提高反应过程中羟基自由基的生成速率和反应速率是高级氧化技术的重要研究方向。

芬顿法、电芬顿法、光芬顿法等高级氧化技术的核心原理是，H₂O₂在Fe²⁺的催化作用下分解成·OH，这些羟基自由基与有机污染物发生反应，将这些有机污染物降解为CO₂、H₂O和其他矿物盐。电芬顿法可以通过电解反应直接产生H₂O₂，只需在反应体系中加入适量的Fe²⁺即可持续产生大量的·OH，技术实现简单、易操作、费用低，是一种很有发展前景的污水处理技术。但是，电芬顿反应体系在氧化分解有机污染物的过程中，H₂O₂的生成速率和利用率不高，此外部分Fe²⁺会被H₂O₂氧化成Fe³⁺，会与降解中间产物(如OH^-)形成络合物，阻碍了Fe²⁺的循环利用，影响了·OH的产量和生成速率，从而降低了电芬顿法降解有机污染物的效率。因此，有必要开发研究电芬顿法与其他氧化技术的联用技术，提高电芬顿法的降解效率。

发明内容

本发明的目的是解决上述电芬顿法污水处理技术所存在的缺陷，提供一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置和方法，以提高电芬顿反应体系的氧化效率和有机污染物的去除率。

技术方案

本发明人将电芬顿法与模拟太阳光的氙气灯组有机结合，再附加絮凝剂进一步促进有机污染物的降解和Fe²⁺的循环利用。该方法并非电芬顿氧化降解、氙气灯组辐射、絮凝剂增效的简单叠加，而是三者的协同作用。这三种方式在降解有机污染物的过程中，同时进行，同时结束，除了发挥各自的优势，还通过协同耦合作用，实现了多种高级氧化技术共同联合作用，使羟基自由基的生成速率和生成量大大增加，明显提高了有机污染物的降解效率。具体方案如下：

一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，包括反应池、进水口、出水口、阴极板、阳极板、直流稳压电源、氙气灯组、药剂箱、曝气管和曝气泵，所述进水口位于反应池侧面底部，出水口位于反应池侧面上部；阳极板和阴极板均为两个以上，阳极板和阴极板等距交替的竖直设置在反应池内，阳极板与直流稳压电源的正极相连，阴极板与直流稳压电源的负极相连；所述氙气灯组位于反应池内，并且位于出水口的上方；所述药剂箱底部出口通过加药管道与反应池连通，所述反应池底部设有曝气管，曝气管与曝气泵连接。

进一步，所述加药管道上设有流量计。

进一步，所述阳极板为铂电极、掺硼金刚石电极、钛基二氧化铅、钛基二氧化锡、钛基二氧化钌电极、活性炭纤维电极或石墨电极中的一种，所述阴极板为石墨电极、铂电极、活性碳纤维电极、不锈钢电极和钛网电极中的一种。

进一步，相邻阳极板和阴极板之间的距离为4-8cm。

采用上述装置处理生活污水的方法：将生活污水预处理后，污水通过进水口进入反应池中，调节污水pH为2-6，然后通过药剂箱和加药管道往反应池内加入絮凝剂，打开曝气泵，使絮凝剂与污水充分接触，将氙气灯组与控制开关的电源接通，反应池的污水在氙气灯组模拟太阳光辐射下，发生反应，降解反应池内生活污水中的有机污染物，反应完成后，得到的上清液从出水口排出。

进一步，所述预处理是指将生活污水依次经过序批式活性污泥法和好氧膜生物反应器处理。

进一步，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺和氯化亚铁的混合溶液，聚丙烯酰胺的质量浓度为0.1％-0.5％，氯化亚铁浓度为0.5-2mmol/L。本发明采用聚丙烯酰胺和氯化亚铁的混合溶液作为絮凝剂应用于类自然光电芬顿反应体系中，对去除生活污水中的污染物具有明显效果，一方面，聚丙烯酰胺在水溶液中与分散于所述生活污水中的悬浮粒子架桥吸附，生成絮状体且在沉降过程中它们相互碰撞凝聚，所述絮状体的体积和质量不断变大，沉降不断增加，从而达到吸附去除的目的。另一方面，絮凝剂还可以产生作为电芬顿反应体系催化剂的Fe²⁺，与H₂O₂反应产生羟基自由基，在羟基自由基的氧化作用下进一步氧化降解生活污水中的有机污染物。

进一步，每1L生活污水所用絮凝剂的量为5-20ml。

本发明的类自然光电芬顿法处理生活污水的原理包括：在氙气灯组照射下，模拟太阳光辐射，利用氧气分子在阴极板表面电解还原成H₂O₂，H₂O₂与复合药剂中的Fe²⁺发生芬顿反应，产生羟基自由基·OH，·OH氧化降解有机污染物。其中Fe²⁺在反应中可以起催化作用，与H₂O₂反应生成Fe³⁺。由于Fe²⁺的还原电位较O₂的初始还原电位高，因此Fe³⁺优先在阴极板表面发生还原反应生成Fe²⁺，作为催化剂继续参与芬顿反应，形成良性循环。电芬顿反应体系中发生的化学反应可以包括以下式(1)-式(6)所示；

阴极板：O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂ E＝0.69V/NHE 式(1)

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+·OH+OH^-k₁＝58M^-·S^- 式(2)

·OH+RH(有机物)→CO₂+H₂O+P(矿物盐) 式(3)

絮凝剂+悬浮粒子→絮状体 式(4)

阳极板：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^- 式(5)

阴极板：Fe³⁺+e^-→Fe²⁺E＝0.77V/NHE 式(6)

本发明的有益效果：本发明将电芬顿氧化降解、氙气灯组辐射、絮凝剂增效有机结合，多种高级氧化技术协同耦合作用，对生活污水进行降解处理。所述氙气灯组模拟太阳光辐射，紫外光促进激发反应过程中H₂O₂的生成羟基自由基·OH，Fe(OH)₂也可生成·OH和Fe^{2 +},同时只有很少量的H₂O₂发生自灭，提高了H₂O₂利用率；可见光主要是通过有色有机污染物的敏化作用，促使有机污染物的降解。所述复合药剂与生活污水接触，得到所述的絮凝剂和Fe²⁺。一方面，絮凝剂聚丙烯酰胺在水溶液中与分散于所述生活污水中的悬浮粒子架桥吸附，生成絮状体且在沉降过程中它们相互碰撞凝聚，所述絮状体的体积和质量不断变大，沉降不断增加，从而达到吸附去除的目的。另一方面，絮凝剂还可以产生作为电芬顿反应体系催化剂的Fe²⁺，与H₂O₂反应产生羟基自由基，在羟基自由基的氧化作用下进一步氧化降解生活污水中的有机污染物。

相比于电芬顿法，本发明具有以下明显效果：

(1)本发明将羟基自由基氧化、电解氧化、次氯酸氧化、高氯酸氧化、电絮凝与吸附、氙气灯组激发氧化等多种高级氧化技术、絮凝沉淀技术协同耦合一体，实现不同类型污染物的共同去除目的，不受生活污水水质变化大的影响，适合多地区生活污水的污染处理。

(2)本发明使用絮凝剂与分散于污水中的悬浮粒子架桥吸附，形成絮凝粒子，增加了接触面积，加速传质，可提高·OH的生成速率；本发明的絮凝剂中还含有Fe²⁺，直接高效的促进了Fe²⁺与H₂O₂反应效率，并提高了Fe²⁺在反应体系中的循环利用率。

(3)本发明的电芬顿反应是在氙气灯组模拟太阳光辐射下进行的，紫外光促进激发反应过程中H₂O₂的生成羟基自由基·OH，Fe(OH)₂也可生成·OH和Fe²⁺,同时只有很少量的H₂O₂发生自灭，提高了H₂O₂利用率；可见光主要是通过有色有机污染物的敏化作用，促使有色有机污染物的降解，明显降低污水的色度。

(4)本发明采用电极组并联设计，提高了处理装置对生活污水水质水量的适应性和处理效果，可根据处理水量的多少，增减并联电极组。

(5)本发明的方法技术先进、操作简单、运行稳定，具有较强的实用性和经济性，装备体积较小，避免了生物反应体积大的难点，适用于多种占地有限的场地。

附图说明

图1为实施例1中类自然光电芬顿法处理生活污水的装置的结构示意图；其中，1-反应池；2-进水口；3-出水口；4-阴极板；5-阳极板；6-直流稳压电源；7-氙气灯组；8-药剂箱；9-曝气管；10-曝气泵；11-加药管道；12-流量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的方案作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，包括反应池1、进水口2、出水口3、阴极板4、阳极板5、直流稳压电源6、氙气灯组7、药剂箱8、曝气管9和曝气泵10，所述进水口2位于反应池1侧面底部，出水口3位于反应池1侧面上部；本实施例中阳极板5和阴极板4均为两个，阳极板材料为钛基二氧化钌电极，阴极板材料为活性碳纤维电极，单个阳极板或阴极板面积均为20cm²，阳极板和阴极板等距交替的竖直设置在反应池内，相邻阳极板与阴极板之间的间距为4cm，阳极板5与直流稳压电源6的正极相连，阴极板4与直流稳压电源6的负极相连；所述氙气灯组7位于反应池1内，并且位于出水口3的上方；所述药剂箱8底部出口通过加药管道11与反应池1内下部连通，所述加药管11上设有流量计12，所述反应池底部设有曝气管9，曝气管9与曝气泵10连接。

采用实施例1的装置处理生活污水，生活污水取自南京市某垃圾转运站渗滤液。

采用实施例1的装置对上述污水进行处理的方法：

(1)将水样经过序批式活性污泥法(SBR)+好氧膜生物反应器(MBR)预处理后，出水水质分析：COD＝890mg/L，BOD₅＝35mg/L，pH＝8.5，该渗滤液可生化性较差(BOD/COD＝0.04)，不适宜生物法继续处理；将处理后的污水500ml通过进水口加入到反应池中，调节污水pH＝3，然后通过药剂箱和加药管道向反应池中间歇加入10ml的絮凝剂(絮凝剂为聚丙烯酰胺和氯化亚铁的混合溶液，聚丙烯酰胺的质量浓度为0.1％-0.5％，氯化亚铁浓度为0.5-2mmol/L)，打开曝气泵，使絮凝剂与污水充分接触，曝气泵空气流速为200mL/min；

(2)将氙气灯组与控制开关的电源接通，输出光功率为50w，通过调节直流稳压电源使得反应池的电流密度为50mA/cm²，反应池的污水在氙气灯组模拟太阳光辐射下，发生光化学反应、电化学反应、电芬顿反应、非均相类电芬顿反应、电絮凝与吸附沉淀反应，从而高效降解反应池内的生活污水有机污染物，电芬顿处理时间为300min，最后将处理后的上清液从出水口排出。

对出水口2排出的上清液进行检测分析，结果见表1：

表1

从表1的测试结果可以看出，类自然光电芬顿法对生活污水中的有机污染物具有良好的去除效果，300min后COD去除率达97.4％，色度去除率高达99.1％。

以上所述，仅为本发明优选的具体实施技术方案，但本发明的保护范围并不局限于上述实施方式的具体细节，在本发明的技术方案范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改动，这些简单改动均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，其特征在于，包括反应池、进水口、出水口、阴极板、阳极板、直流稳压电源、氙气灯组、药剂箱、曝气管和曝气泵，所述进水口位于反应池侧面底部，出水口位于反应池侧面上部；阳极板和阴极板均为两个以上，阳极板和阴极板等距交替的竖直设置在反应池内，阳极板与直流稳压电源的正极相连，阴极板与直流稳压电源的负极相连；所述氙气灯组位于反应池内，并且位于出水口的上方；所述药剂箱底部出口通过加药管道与反应池连通，所述反应池底部设有曝气管，曝气管与曝气泵连接。

2.如权利要求1所述类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，其特征在于，所述加药管道上设有流量计。

3.如权利要求1所述类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，其特征在于，所述阳极板为铂电极、掺硼金刚石电极、钛基二氧化铅、钛基二氧化锡、钛基二氧化钌电极、活性炭纤维电极或石墨电极中的一种；所述阴极板为石墨电极、铂电极、活性碳纤维电极、不锈钢电极和钛网电极中的一种。

4.如权利要求1或2或3所述类自然光电芬顿法处理生活污水的装置，其特征在于，相邻阳极板和阴极板之间的距离为4-8cm。

5.采用权利要求1或2或3或4所述装置处理生活污水的方法，其特征在于，将生活污水预处理后，污水通过进水口进入反应池中，调节污水pH为2-6，然后通过药剂箱和加药管道往反应池内加入絮凝剂，打开曝气泵，使絮凝剂与污水充分接触，将氙气灯组与控制开关的电源接通，反应池的污水在氙气灯组模拟太阳光辐射下，发生反应，降解反应池内生活污水中的有机污染物，反应完成后，得到的上清液从出水口排出。

6.如权利要求5所述处理生活污水的方法，其特征在于，所述预处理是指将生活污水依次经过序批式活性污泥法和好氧膜生物反应器处理。

7.如权利要求5或6所述处理生活污水的方法，其特征在于，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺和氯化亚铁的混合溶液，聚丙烯酰胺的质量浓度为0.1％-0.5％，氯化亚铁浓度为0.5-2mmol/L。

8.如权利要求7所述处理生活污水的方法，其特征在于，每1L生活污水所用絮凝剂的量为5-20ml。

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