CN111960611B - 基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，涉及污水深度处理技术领域，具体为基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，包括以下步骤：S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统；S2、第一级系统多级电催化氧化；S3、电极板的排列；S4、三维电极填料的配比；S5、电催化单元电催化氧化和生化反应；S6、重复污水处理；S7、污水混凝沉淀或过滤处理。该基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺的有益效果：连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应技术可应用于高、中、低浓度工业废水或市政污水深度处理，具有极强的抗负荷冲击能力、高效去除能力、低营运成本等优势。
Description
技术领域
本发明涉及污水深度处理技术领域，具体为基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺。
背景技术
污水排放标准日益严格，污水处理厂二级生化后出水存在可生化性较差，继续串联生化处理工序效果甚微，出水难以稳定达标，需选择高效、广谱、低成本、抗冲击负荷能力强的高级氧化工艺以降低出水中的溶解性难降解有机污染物与总磷，最终实现污水处理厂出水COD、总磷稳定达标排放。
连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应的污水深度处理工艺是在传统电催化与电化学、生物等技术基础上的丰富和发展，以创新三维电极填料与复合金属多孔催化材料为核心，并耦合生物膜工艺等系统，具有均相催化氧化、非均相催化氧化系统、生化反应、微电解等特征，为电化学技术(三维电极填料催化氧化、微电解)、生物膜技术、高效混凝等多种技术的联合和耦合；主要适用于纸废水、印染废水、化工废水、市政污水的深度处理，在化工园、工业园废水、市政污水深度处理工程案例的应用中彰显了高效、广谱、绿色、低成本等优势。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，解决了上述背景技术中提出的上述问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，所述包括以下步骤：
S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统：
二级生化后或需要预处理的污水进入具有三维多孔电极填料的曝气系统，通过直流电源向正负电极板施加电压，电极板表面的H2O、O2或其他有机分子在电极表面活性位点的作用下，产生活性物种，正负电极板中间填充的催化氧化多孔填料构成三维立体电极填料，基质为多孔炭基与复合金属材料构成，具有三维空间的立体结构，形成三维穿流的同时孔道及表面富集适宜微生物，形成有氧条件下的电催化氧化与生物膜生化反应，更大的比表面积大大增加具有的高催化活性的电化学活性位点的数目与生物量；
S2、第一级系统多级电催化氧化：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，第一级系统采用多级电催化氧化，同时发生直接电催化氧化和间接电催化氧化，并耦合生化工艺技术，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用；
S3、电极板的排列：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，电极板设置为可定时倒极，并形成高、低压多级排列；
S4、三维电极填料的配比：
三维电极填料也按多级系统科学配比；每两个电催化氧化单元可共用一块直流电源，极板采用金属或石墨材质，极板间填充三维多孔炭基填料；
S5、电催化单元电催化氧化和生化反应：
上述步骤S4、三维电极填料的配比中，每两个电催化单元中间间隔区设置复合金属多孔催化氧化填料，更利于前级电催化氧化单元产生的活性物种与废水中的有机污染物充分反应；未反应的有机分子进入下一级单元可进行电催化氧化、生化反应；
S6、重复污水处理：
重复上述过程形成电催化氧化、生化系统，底部采用穿孔管曝气。
S7、污水混凝沉淀或过滤处理：
经本系统处理后的污水可采用后续混凝沉淀或过滤的方式进一步去除有机污染物和总磷。
可选的，所述步骤S2、第一级系统多级电催化氧化中，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用，一是使水分子与有机污染物分子重新排列，提高反应效率；二是使废水中微粒子极性增强，凝聚力减弱，形成分散稳定小晶体，防止大晶体结晶，可有效防止系统结垢；三是促进高分子分解、化学键断裂和产生活性物种等；四是形成适宜的生物膜系统，通过有氧缺氧的环境条件产生生化反应从而去除改性后的有机污染物。
可选的，所述步骤S3、电极板的排列中，进水端极板可采用较高电压，首先将水体中较难降解的有机小分子集中进行直接矿化或转变为易被自由基氧化的小分子有机物；中间极板可采用较低电压，使得水体中易降解有机分子在电极表面直接矿化或被自由基充分氧化；最后端极板可采用较高电压，对遗漏的难降解有机分子进一步强化催化降解，提高出水的可生化性，降低后续处理成本。
可选的，所述步骤S5、电催化单元电催化氧化、生化反应中，在前后两级电催化氧化单元中间设置复合金属多孔催化氧化填料，同时进行底部曝气，复合金属催化氧化填料在电压条件下产生新生态的还原作用，同时利用多金属电位差形成微电池效应。
本发明提供了基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，具备以下有益效果：
1)高效、广谱、处理负荷大、抗负荷冲击能力强
COD去除率达到60-85％，脱色率高达95％，对抗氧化、抗光化、抗生化的发色基团有机物具有良好脱除作用，可显著降低废水COD、SS、色度、总磷、臭味，其中出水总磷＜0.2mg/L。
2)无需投加化学药剂，绿色，运营成本低
相对于常用的芬顿或臭氧催化氧化工艺，无需投加化学药剂与大型臭氧设备，大大降低系统投资与运行成本。
3)污泥产生量大大降低
由于无需新加化学药剂，大大减少了污泥量，产生的污泥容易处置。
4)根除出水返色、飘泥等问题
多孔复合金属催化材料的使用能够降低后续混凝沉淀或过滤的絮凝剂用量，出水清澈透明，SS＜10mg/L。
5)系统稳定性好、维护量低
连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应技术没有结晶、吸附或过滤等作用，不存在吸附堵塞或饱和、再生问题。传统催化氧化技术(如芬顿流化床)存在结钙、结晶的问题，填料颗粒越来越大，造成系统堵塞、板结；而连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应技术专有催化材料为缓蚀消耗类型，不存在板结的问题，维护工作量低，确保系统长期稳定运行；
同时，连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应技术主要运行单元为供电、加药和曝气单元，采用PLC控制，自动化程度高，运行简单便捷。
6)综合投资费用低，避免重复投资
能满足多次提标升级要求，避免重复投资；整个系统操作方便、维修频率低，维修、维护费用低，主体设备使用寿命长达15年以上。
连续多级三维电极填料电催化耦合生化反应技术可应用于高、中、低浓度工业废水或市政污水深度处理，具有极强的抗负荷冲击能力、高效去除能力、低营运成本等优势。
附图说明
图1为本发明的工艺流程结构示意图；
图2为本发明电极板的结构示意图。
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。
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，包括以下步骤：
S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统：
二级生化后或需要预处理的污水进入具有三维多孔电极填料的曝气系统，通过直流电源向正负电极板施加电压，电极板表面的H2O、O2或其他有机分子在电极表面活性位点的作用下，产生活性物种，正负电极板中间填充的催化氧化多孔填料构成三维立体电极填料，基质为多孔炭基与复合金属材料构成，具有三维空间的立体结构，形成三维穿流的同时孔道及表面富集适宜微生物，形成有氧条件下的电催化氧化与生物膜生化反应，更大的比表面积大大增加具有的高催化活性的电化学活性位点的数目与生物量；
S2、第一级系统多级电催化氧化：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，第一级系统采用多级电催化氧化，同时发生直接电催化氧化和间接电催化氧化，并耦合生化工艺技术，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用；
S3、电极板的排列：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，电极板设置为可定时倒极，并形成高、低压多级排列；
S4、三维电极填料的配比：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，三维电极填料也按多级系统科学配比；每两个电催化氧化单元可共用一块直流电源，极板采用金属或石墨材质，极板间填充三维多孔炭基填料；
S5、电催化单元电催化氧化和生化反应：
上述步骤S4、三维电极填料的配比中，每两个电催化单元中间间隔区设置复合金属多孔催化氧化填料，更利于前级电催化氧化单元产生的活性物种与废水中的有机污染物充分反应；未反应的有机分子进入下一级单元可进行电催化氧化、生化反应；
S6、重复污水处理：
重复上述过程形成电催化氧化、生化系统，底部采用穿孔管曝气。
S7、污水混凝沉淀或过滤处理：
经本系统处理后的污水可采用后续混凝沉淀或过滤的方式进一步去除有机污染物和总磷。
本发明中，进一步地，步骤S2、第一级系统多级电催化氧化中，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用，一是使水分子与有机污染物分子重新排列，提高反应效率；二是使废水中微粒子极性增强，凝聚力减弱，形成分散稳定小晶体，防止大晶体结晶，可有效防止系统结垢；三是促进高分子分解、化学键断裂和产生活性物种等；四是形成适宜的生物膜系统，通过有氧缺氧的环境条件产生生化反应从而去除改性后的有机污染物。
进一步地，步骤S3、电极板的排列中，进水端极板可采用较高电压，首先将水体中较难降解的有机小分子集中进行直接矿化或转变为易被自由基氧化的小分子有机物；中间极板可采用较低电压，使得水体中易降解有机分子在电极表面直接矿化或被自由基充分氧化；最后端极板可采用较高电压，对遗漏的难降解有机分子进一步强化催化降解，提高出水的可生化性，降低后续处理成本。
进一步地，步骤S5、电催化单元电催化氧化、生化反应中，在前后两级电催化氧化单元中间设置复合金属多孔催化氧化填料，同时进行底部曝气，复合金属催化氧化填料在电压条件下产生新生态的还原作用，同时利用多金属电位差形成微电池效应。
综上，该基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，使用时，首先，二级生化后或需要预处理的污水进入具有三维多孔电极填料的曝气系统，通过直流电源向正负电极板施加电压，电极板表面的H2O、O2或其他有机分子在电极表面活性位点的作用下，产生活性物种，此时，进水端极板可采用较高电压，首先将水体中较难降解的有机小分子集中进行直接矿化或转变为易被自由基氧化的小分子有机物；中间极板可采用较低电压，使得水体中易降解有机分子在电极表面直接矿化或被自由基充分氧化；最后端极板可采用较高电压，对遗漏的难降解有机分子进一步强化催化降解，提高出水的可生化性，降低后续处理成本；然后，正负电极板中间填充的催化氧化多孔填料构成三维立体电极填料，基质为多孔炭基与复合金属材料构成，具有三维空间的立体结构，形成三维穿流的同时孔道及表面富集适宜微生物，形成有氧条件下的电催化氧化与生物膜生化反应；其中，每两个电催化氧化单元可共用一块直流电源，极板采用金属或石墨材质，极板间填充三维多孔炭基填料，以及每两个电催化单元中间间隔区设置复合金属多孔催化氧化填料，更利于前级电催化氧化单元产生的活性物种与废水中的有机污染物充分反应；未反应的有机分子进入下一级单元可进行电催化氧化、生化反应，重复上述过程形成电催化氧化、生化系统，底部采用穿孔管曝气；最后，经本系统处理后的污水可采用后续混凝沉淀或过滤的方式进一步去除有机污染物和总磷。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，其特征在于，所述包括以下步骤：
S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统：
二级生化后或需要预处理的污水进入具有三维多孔电极填料的曝气系统，通过直流电源向正负电极板施加电压，电极板表面的H2O、O2或其他有机分子在电极表面活性位点的作用下，产生活性物种，正负电极板中间填充的催化氧化多孔填料构成三维立体电极填料，基质为多孔炭基与复合金属材料构成，具有三维空间的立体结构，形成三维穿流的同时孔道及表面富集适宜微生物，形成有氧条件下的电催化氧化与生物膜生化反应，更大的比表面积大大增加具有的高催化活性的电化学活性位点的数目与生物量；
S2、第一级系统多级电催化氧化：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，第一级系统采用多级电催化氧化，同时发生直接电催化氧化和间接电催化氧化，并耦合生化工艺技术，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用；
S3、电极板的排列：
上述步骤S1、污水处理用三维多孔电极填料的曝气系统中，电极板设置为可定时倒极，并形成高、低压多级排列；
S4、三维电极填料的配比：
三维电极填料也按多级系统科学配比；每两个电催化氧化单元可共用一块直流电源，极板采用金属或石墨材质，极板间填充三维多孔炭基填料；
S5、电催化单元电催化氧化和生化反应：
上述步骤S4、三维电极填料的配比中，每两个电催化单元中间间隔区设置复合金属多孔催化氧化填料，更利于前级电催化氧化单元产生的活性物种与废水中的有机污染物充分反应；未反应的有机分子进入下一级单元可进行电催化氧化、生化反应；
S6、重复污水处理：
重复上述过程形成电催化氧化、生化系统，底部采用穿孔管曝气；
S7、污水混凝沉淀或过滤处理：
经本系统处理后的污水可采用后续混凝沉淀或过滤的方式进一步去除有机污染物和总磷。
2.根据权利要求1所述的基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，其特征在于：所述步骤S2、第一级系统多级电催化氧化中，通过三维多孔填料曝气系统促效催化氧化、催化还原作用，一是使水分子与有机污染物分子重新排列，提高反应效率；二是使废水中微粒子极性增强，凝聚力减弱，形成分散稳定小晶体，防止大晶体结晶，可有效防止系统结垢；三是促进高分子分解、化学键断裂和产生活性物种等；四是形成适宜的生物膜系统，通过有氧缺氧的环境条件产生生化反应从而去除改性后的有机污染物。
3.根据权利要求1所述的基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，其特征在于：所述步骤S3、电极板的排列中，进水端极板可采用较高电压，首先将水体中较难降解的有机小分子集中进行直接矿化或转变为易被自由基氧化的小分子有机物；中间极板可采用较低电压，使得水体中易降解有机分子在电极表面直接矿化或被自由基充分氧化；最后端极板可采用较高电压，对遗漏的难降解有机分子进一步强化催化降解，提高出水的可生化性，降低后续处理成本。
4.根据权利要求1所述的基于三维多孔电极填料的污水深度处理工艺，其特征在于：所述步骤S5、电催化单元电催化氧化、生化反应中，在前后两级电催化氧化单元中间设置复合金属多孔催化氧化填料，同时进行底部曝气，复合金属催化氧化填料在电压条件下产生新生态的还原作用，同时利用多金属电位差形成微电池效应。
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