CN112850858B - 一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置 - Google Patents

一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，包括电解槽，用于为电解槽内供应电解液的电解液预处理机构，设置在电解槽内部的多个阴阳极板，设置在阴阳极板之间的多个用于为氨氮化合物以及氯气提供集中反应场所的三维填料柱，以及铺设在电解槽底部的多功能曝气组件，多功能曝气组件包括用于曝气搅拌的曝气管及其旋转喷头和用于连接三维填料柱对其进行活化冲洗的冲洗管和曝气嘴。本发明在氨氮废水中加入氯化钠电解液，利用电解方法将氯化钠电解为氯气，氯气与水反应生成具有强氧化性的次氯酸，进而对氨氮进行氧化去除，具有结构和工艺简单，易操作控制，且除氨氮效率高的优点。

Description

一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置。
背景技术
随着工业化的发展，含有高氨氮的工业废水排放量越来越大，由于氨氮是造成水体富营养化的重要因素之一，因此对环境的危害也日趋严重，近年来环保要求提高，去除废水中残留氨氮的要求和需求越来越高。从工业废水中去除氨氮已有多种方法，主流技术有：氨吹脱法、膜分离法、化学沉淀法、离子交换法、折点加氯法、生物脱氮法等。
其中，氨吹脱法、膜分离法、离子交换法等虽然效果较好，但工艺操作复杂，处理成本偏高，且存在吹脱气的二次污染问题。化学沉淀法主要理由磷酸根、镁离子及铵离子反应生成磷酸铵镁沉淀的原理实现氨氮的去除，具有处理效率高、沉淀物可资源化利用的优点，但该工艺存在处理不彻底、钙离子干扰及磷酸根二次污染等问题。折点加氯法具有处理处理效率高的优点，但部分氧化剂价格高昂且存在余氯二次污染的问题。生物脱氮法具有脱氮彻底、污染小的优点，但是条件要求高且周期长，设备占地面积大等问题。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明提供一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置。
本发明的技术方案为：一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，包括：
带有封盖的电解槽，电解槽可以采用PVC、PE等绝缘材料或经过绝缘处理的普通碳钢制，位于封盖上用于引入含氨氮废水的进水口，封盖上还设有用于引入电解液的药剂口，药剂口通过计量泵连接有用于配置电解液预处理机构，封盖上设有用于插入电解槽内部废水的传感监测组件，以及位于电解槽底部的排水口；
设置在电解槽内部的若干组交错分布的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板顶部悬挂在封盖底部，阳极板和阴极板分别与外部电源的正、负极电性连接，用于通过电解使电解液释放氯气氧化氨氮化合物；
位于电解槽内部且分布在阴极板和阳极板之间的若干个三维填料柱，用于为氨氮化合物以及氯气提供集中反应场所；
铺设在电解槽底部的多功能曝气组件，多功能曝气组件包括间隔排列且互不相通的曝气管和冲洗管组成，曝气管上开设有曝气孔，曝气管与外部的曝气泵连接，用于为废水提供搅拌力，冲洗管上设有与三维填料柱底部相通的曝气嘴，冲洗管通过水泵与外部的臭氧水存储箱相连，用于对三维填料柱进行反冲洗活化；
位于电解槽下方且连接至排水口的多级过滤装置，用于对电解后的废水进行过滤排放。
进一步地，电解液预处理机构包括处理箱体，位于处理箱体顶部的进料口以及位于处理箱体底部与计量泵相连的出液口，用于添加氯化钠和清水，位于处理箱体内部的搅拌器，用于通过搅拌使氯化钠溶解在清水中得到电解液，位于处理箱体底部的电加热板，用于通过升温提高氯化钠溶解率，固定在处理箱体左右两侧内壁的钕铁硼磁石，用于对电解液进行磁化处理。通过对氯化钠和清水提前充分溶液，并且利用钕铁硼磁石进行活化处理，得到的小分子电解液更易被电离。
进一步地，传感检测组件包括用于检测水体pH值的pH传感器，用于检测水中氨氮含量的氨氮含量传感器，用于检测水中氯气浓度的氯气传感器。其中氯气传感器采用商品名为HONEYWELL的水中氯气传感器CS2CS2。
进一步地，阳极板为网状钛镀钌铱，阴极板为网状钛电极，电源为数控恒压稳流电源。
进一步地，三维填料柱包括用于填充三维吸附球的细栅格网内筒，以及底部与细栅格网内筒相连且包围在其外部用于保护的粗栅格网外筒，细栅格网内筒和粗栅格网外筒均采用不锈钢制成。不锈钢耐腐蚀且具有导电性能，能够促进离子的流动，加速其在三维吸附球内聚集反应。
更进一步地，三维吸附球的制备方法为：按照重量组份计，取30-35份粉煤灰、8-10份短切石棉纤维、20-25份活性炭粉、10-12份三氧化二铁、10-15份骨粉、4-6份碳酸氢钠、8-10份氯化钠、30-50份水，全部混合搅拌均匀后成团造粒，得到粒径为1-2cm的球粒，将球粒放入真空干燥箱中以100-120℃干燥，碳酸氢钠受热分解产生二氧化碳对球粒进行内部造孔，然后再转移至微波炉内，以微波控制升温至380-450℃，碳化处理20-30min，得到碳化球粒，再对碳化球粒采用盐酸淋洗中和内部碱性，烘干后即可得到三维吸附球。其中，切石棉纤维能够增加粉煤灰、活性炭粉、骨粉以及三氧化二铁之间的连接强度，三氧化二铁为三维吸附球提供电子流动条件，进而易形成反应聚集地，促进氨氮和氯气反应，氯化钠可作为电解质进行导电，促进电子流动。最终通过微波碳化活化得到的三维吸附球孔径大、吸附强度大，并且易于利用臭氧水二次洗脱活化处理。
进一步地，曝气孔的上方连接有旋转喷头，旋转喷头上连接有用于借助气流转动的搅拌喷嘴。通过曝气搅拌以及叶片搅拌加速电解液与废水的混合，提高电解效率。
进一步地，曝气嘴上设有用于与三维填料柱通过螺纹连接的底盘。用于固定三维填料柱也便于拆卸更换内部的三维吸附球。
进一步地，臭氧水存储箱中的臭氧水的臭氧体积浓度为5-10％。
进一步地，多级过滤装置包括可见拆卸连接在电解槽下方的过滤箱，过滤箱一侧设有与排水口相连的过滤进口，过滤箱底部设有安装有若干个过滤棒的隔板，过滤棒从外到内依次为陶瓷滤芯层、活性炭层、PP棉层，PP棉层下端设有与开设在隔板底部的出水孔螺纹密封连接的螺纹接口，所有过滤箱底部与隔板之间为集水区，集水区侧面设有净水出口。通过多级过滤对氨氮废水进行后处理，提高水质的净化率。
本发明的工作方法包括以下步骤：
S1：从进料口向处理箱体内部加入清水，同时打开电加热板水温加热至50℃，然后再加入氯化钠晶体通过搅拌器搅拌混合配置成饱和氯化钠溶液，待氯化钠完全溶解后继续搅拌1-2h，利用钕铁硼磁石对氯化钠溶液进行磁化活化处理，得到小分子电解液。
S2：将装有三维吸附球的三维填料柱依次安装在冲洗管的底盘上，并使得冲洗管上的曝气嘴延伸至三维填料柱内部，然后依次将阳极板、阴极板间隔悬挂在封盖底部，在电解槽上加盖封盖，从进水口向电解槽内引入初步过滤后的含氨氮废水，调节pH至6-7，开启计量泵将处理箱体内活化后的小分子电解液从药剂口抽送至电解槽内，使得NH3-N：Cl-＝1:4。
S3：开启曝气泵向曝气管通入高压空气流，气流从旋转喷头的搅拌喷嘴喷出，并且随着气流偏转带动旋转喷头转动，同时对废水进行曝气搅拌和机械叶轮搅拌，使得含氨氮废水和电解液混合更加充分，打开电源为阳极板、阴极板通电，电流密度为50-60mA/cm2，对废水电解1-2h，电解过程中电解液中的NaCl电解生成氯气，氯气遇水生成具有强氧化性的次氯酸，进而对氨氮进行氧化去除，其中，氨氮和氯气都可被三维填料柱内的三维吸附球吸附聚集，形成集中反应区，提高反应效率；
S4：电解结束后，打开排水口与过滤进口之间的阀门，将废水排入过滤箱内，废水依次经过陶瓷滤芯层、活性炭层、PP棉层过滤后从螺纹接口汇集到集水区，最终从净水出口；
S5：当运行时间累计60h时，打开水泵从臭氧水存储箱中抽取臭氧水送往冲洗管，再经曝气嘴喷送至三维填料柱内对三维吸附球进行活化清洗，对三维吸附球的再生利用率。
本发明的有益效果为：本发明在氨氮废水中加入氯化钠电解液，利用电解方法将氯化钠电解为氯气，氯气与水反应生成具有强氧化性的次氯酸，进而对氨氮进行氧化去除。本发明在电解槽底部布设有曝气管，利用气流带动搅拌喷嘴的旋转喷头转动，同时对废水进行曝气搅拌和机械叶轮搅拌，使得含氨氮废水和电解液混合更加充分。此外，本发明在电解槽的阴阳电极板之间设置三维填料柱，三维吸附球吸附聚集氨氮和氯气，形成集中反应区，提高提高氨氮去除效率。三维填料柱底部连接有冲洗管，可原位利用臭氧水对三维吸附球进行再生活化，保证其吸附处理效率。总之本发明具有结构和工艺简单，易操作控制，且除氨氮效率高的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明多功能曝气组件的平面结构示意图；
图3是本发明图1中A处放大示意图；
图4是本发明图1中B处放大示意图；
图5是本发明中旋转喷头的平面结构示意图；
图6是本发明电解液预处理机构的结构示意图。
其中，1-电解槽、2-封盖、3-药剂口、4-计量泵、5-电解液预处理机构、51-处理箱体、52-进料口、53-出液口、54-搅拌器、55-电加热板、56-钕铁硼磁石、6-传感监测组件、61-pH传感器、62-氨氮含量传感器、63-氯气传感器、7-排水口、8-阳极板、9-阴极板、10-电源、11-三维填料柱、111-三维吸附球、112-细栅格网内筒、113-粗栅格网外筒、12-多功能曝气组件、121-冲洗管、122-曝气管、123-曝气泵、124-曝气嘴、125-臭氧水存储箱、126-旋转喷头、127-搅拌喷嘴、128-底盘、129-水泵、13-多级过滤装置、131-过滤箱、132-过滤进口、133-隔板、134-过滤棒、135-陶瓷滤芯层、136-活性炭层、137-PP棉层、138-螺纹接口、139-集水区、1310-净水出口、14-进水口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，包括：带有封盖2的电解槽1，电解槽1可以采用PVC、PE等绝缘材料或经过绝缘处理的普通碳钢制，位于封盖2上用于引入含氨氮废水的进水口14，封盖2上还设有用于引入电解液的药剂口3，药剂口3通过计量泵4连接有用于配置电解液预处理机构5，如图6所示，电解液预处理机构5包括处理箱体51，位于处理箱体51顶部的进料口52以及位于处理箱体51底部与计量泵4相连的出液口53，用于添加氯化钠和清水，位于处理箱体51内部的搅拌器54，用于通过搅拌使氯化钠溶解在清水中得到电解液，位于处理箱体51底部的电加热板55，用于通过升温提高氯化钠溶解率，固定在处理箱体51左右两侧内壁的钕铁硼磁石56，用于对电解液进行磁化处理。通过对氯化钠和清水提前充分溶液，并且利用钕铁硼磁石56进行活化处理，得到的小分子电解液更易被电离。
如图1所示，封盖2上设有用于插入电解槽1内部废水的传感监测组件6，以及位于电解槽1底部的排水口7；传感检测组件包括用于检测水体pH值的pH传感器61，用于检测水中氨氮含量的氨氮含量传感器62，用于检测水中氯气浓度的氯气传感器63。其中氯气传感器63采用商品名为HONEYWELL霍尼韦的水中氯气传感器CS2CS2。
如图1所示，设置在电解槽1内部的交错分布的4个阳极板8和3个阴极板9，阳极板8和阴极板9顶部悬挂在封盖2底部，阳极板8和阴极板9分别与外部电源10的正、负极电性连接，用于通过电解使电解液释放氯气氧化氨氮化合物；其中，阳极板8为网状钛镀钌铱，阴极板9为网状钛电极，电源10为数控恒压稳流电源10。
如图1和图2所示，位于电解槽1内部且分布在阴极板9和阳极板8之间的24个三维填料柱11，用于为氨氮化合物以及氯气提供集中反应场所；如图3所示，三维填料柱11包括用于填充三维吸附球111的细栅格网内筒112，以及底部与细栅格网内筒112相连且包围在其外部用于保护的粗栅格网外筒113，细栅格网内筒112和粗栅格网外筒113均采用不锈钢制成。不锈钢耐腐蚀且具有导电性能，能够促进离子的流动，加速其在三维吸附球111内聚集反应。三维吸附球111采用陶粒。
如图1、图2和图3所示，铺设在电解槽1底部的多功能曝气组件12，多功能曝气组件12包括间隔排列且互不相通的曝气管122和冲洗管121组成，曝气管122上开设有曝气孔，曝气管122与外部的曝气泵123连接，用于为废水提供搅拌力，冲洗管121上设有与三维填料柱11底部相通的曝气嘴124，冲洗管121通过水泵129与外部的臭氧水存储箱125相连，臭氧水存储箱125中的臭氧水的臭氧体积浓度为8％，用于对三维填料柱11进行反冲洗活化。如图3所示，曝气嘴124上设有用于与三维填料柱11通过螺纹连接的底盘128。用于固定三维填料柱11也便于拆卸更换内部的三维吸附球111。如图2和图5所示，曝气孔的上方连接有旋转喷头126，旋转喷头126上连接有用于借助气流转动的搅拌喷嘴127。通过曝气搅拌以及叶片搅拌加速电解液与废水的混合，提高电解效率。
如图1所示，位于电解槽1下方且连接至排水口7的多级过滤装置13，用于对电解后的废水进行过滤排放。多级过滤装置13包括可见拆卸连接在电解槽1下方的过滤箱131，过滤箱131一侧设有与排水口7相连的过滤进口132，过滤箱131底部设有安装有若干个过滤棒134的隔板133，过滤棒134从外到内依次为陶瓷滤芯层135、活性炭层136、PP棉层137，PP棉层137下端设有与开设在隔板133底部的出水孔螺纹密封连接的螺纹接口138，所有过滤箱131底部与隔板133之间为集水区139，集水区139侧面设有净水出口1310。通过多级过滤对氨氮废水进行后处理，提高水质的净化率。
本发明的工作方法包括以下步骤：
S1：从进料口52向处理箱体51内部加入清水，同时打开电加热板55水温加热至50℃，然后再加入氯化钠晶体通过搅拌器54搅拌混合配置成饱和氯化钠溶液，待氯化钠完全溶解后继续搅拌1-2h，利用钕铁硼磁石56对氯化钠溶液进行磁化活化处理，得到小分子电解液。
S2：将装有三维吸附球111的三维填料柱11依次安装在冲洗管121的底盘128上，并使得冲洗管121上的曝气嘴124延伸至三维填料柱11内部，然后依次将阳极板8、阴极板9间隔悬挂在封盖2底部，在电解槽1上加盖封盖2，从进水口14向电解槽1内引入初步过滤后的含氨氮废水，调节pH至6-7，开启计量泵4将处理箱体51内活化后的小分子电解液从药剂口3抽送至电解槽1内，使得NH3-N：Cl-＝1:4。
S3：开启曝气泵123向曝气管122通入高压空气流，气流从旋转喷头126的搅拌喷嘴127喷出，并且随着气流偏转带动旋转喷头126转动，同时对废水进行曝气搅拌和机械叶轮搅拌，使得含氨氮废水和电解液混合更加充分，打开电源10为阳极板8、阴极板9通电，电流密度为50-60mA/cm，对废水电解1-2h，电解过程中电解液中的NaCl电解生成氯气，氯气遇水生成具有强氧化性的次氯酸，进而对氨氮进行氧化去除，其中，氨氮和氯气都可被三维填料柱11内的三维吸附球111吸附聚集，形成集中反应区，提高反应效率；
S4：电解结束后，打开排水口7与过滤进口132之间的阀门，将废水排入过滤箱131内，废水依次经过陶瓷滤芯层135、活性炭层136、PP棉层137过滤后从螺纹接口138汇集到集水区139，最终从净水出口1310；
S5：当运行时间累计60h时，打开水泵129从臭氧水存储箱125中抽取臭氧水送往冲洗管121，再经曝气嘴124喷送至三维填料柱11内对三维吸附球111进行活化清洗，对三维吸附球111的再生利用率。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
三维吸附球111的制备方法为：按照重量组份计，取32份粉煤灰、9份短切石棉纤维、22份活性炭粉、11份三氧化二铁、13份骨粉、5份碳酸氢钠、9份氯化钠、40份水，全部混合搅拌均匀后成团造粒，得到粒径为1.5cm的球粒，将球粒放入真空干燥箱中以110℃干燥，碳酸氢钠受热分解产生二氧化碳对球粒进行内部造孔，然后再转移至微波炉内，以微波控制升温至400℃，碳化处理25min，得到碳化球粒，再对碳化球粒采用盐酸淋洗中和内部碱性，烘干后即可得到三维吸附球。其中，切石棉纤维能够增加粉煤灰、活性炭粉、骨粉以及三氧化二铁之间的连接强度，三氧化二铁为三维吸附球提供电子流动条件，进而易形成反应聚集地，促进氨氮和氯气反应，氯化钠可作为电解质进行导电，促进电子流动。最终通过微波碳化活化得到的三维吸附球孔径大、吸附强度大，并且易于利用臭氧水二次洗脱活化处理。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，三维填料柱(11)中没有任何填料。
实验例
利用实施例1、2、3的电解装置和电解方法对同样的高氨氮废水进行电解,其氨氮浓度为2540mg/L,氯离子浓度为10160mg/L,电流密度均采用55mA/cm2,持续对高氨氮废水电解0.5h、1.0h、1.5h、2.0h.后，三个电解装置内的高氨氮废水中的氨氮含量如表1所示:
表1实施例1-3中氨氮含量去除量
Figure BDA0002894126180000091
由表1可以看出，本发明实施例1和2均相对于实施例3对氨氮有良好的去除效率，其中实施例2去除效果更高。

Claims (3)

1.一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，其特征在于，包括：
带有封盖（2）的电解槽（1），位于所述封盖（2）上用于引入含氨氮废水的进水口（14），封盖（2）上还设有用于引入电解液的药剂口（3），所述药剂口（3）通过计量泵（4）连接有用于配置电解液预处理机构（5），封盖（2）上设有用于插入电解槽（1）内部废水的传感监测组件（6），以及位于电解槽（1）底部的排水口（7）；
设置在所述电解槽（1）内部的若干组交错分布的阳极板（8）和阴极板（9），阳极板（8）和阴极板（9）顶部悬挂在封盖（2）底部，所述阳极板（8）和阴极板（9）分别与外部电源（10）的正、负极电性连接，用于通过电解使电解液释放氯气氧化氨氮化合物；
位于电解槽（1）内部且分布在阴极板（9）和阳极板（8）之间的若干个三维填料柱（11），用于为氨氮化合物以及氯气提供集中反应场所；
铺设在电解槽（1）底部的多功能曝气组件（12），所述多功能曝气组件（12）包括间隔排列且互不相通的曝气管（122）和冲洗管（121）组成，所述曝气管（122）上开设有曝气孔，曝气管（122）与外部的曝气泵（123）连接，用于为废水提供搅拌力，所述冲洗管（121）上设有与所述三维填料柱（11）底部相通的曝气嘴（124），冲洗管（121）通过水泵（129）与外部的臭氧水存储箱（125）相连，用于对三维填料柱（11）进行反冲洗活化；
位于电解槽（1）下方且连接至所述排水口（7）的多级过滤装置（13），用于对电解后的废水进行过滤排放；
所述电解液预处理机构（5）包括处理箱体（51），位于所述处理箱体（51）顶部的进料口（52）以及位于处理箱体（51）底部与所述计量泵（4）相连的出液口（53），用于添加氯化钠和清水，位于处理箱体（51）内部的搅拌器（54），用于通过搅拌使氯化钠溶解在清水中得到电解液，位于处理箱体（51）底部的电加热板（55），用于通过升温提高氯化钠溶解率，固定在处理箱体（51）左右两侧内壁的钕铁硼磁石（56），用于对电解液进行磁化处理；
所述传感监测组件包括用于检测水体pH值的pH传感器（61），用于检测水中氨氮含量的氨氮含量传感器（62），用于检测水中氯气浓度的氯气传感器（63）；
所述阳极板（8）为网状钛镀钌铱，所述阴极板（9）为网状钛电极，所述电源（10）为数控恒压稳流电源（10）；
所述三维填料柱（11）包括用于填充三维吸附球（111）的细栅格网内筒（112），以及底部与所述细栅格网内筒（112）相连且包围在其外部用于保护的粗栅格网外筒（113），细栅格网内筒（112）和粗栅格网外筒（113）均采用不锈钢制成；
所述曝气孔的上方连接有旋转喷头（126），所述旋转喷头（126）上连接有用于借助气流转动的搅拌喷嘴（127）；
所述多级过滤装置（13）包括可拆卸连接在电解槽（1）下方的过滤箱（131），所述过滤箱（131）一侧设有与所述排水口（7）相连的过滤进口（132），过滤箱（131）底部设有安装有若干个过滤棒（134）的隔板（133），所述过滤棒（134）从外到内依次为陶瓷滤芯层（135）、活性炭层（136）、PP棉层（137），所述PP棉层（137）下端设有与开设在所述隔板（133）底部的出水孔螺纹密封连接的螺纹接口（138），所述过滤箱（131）底部与隔板（133）之间为集水区（139），所述集水区（139）侧面设有净水出口（1310）；
所述三维吸附球（111）的制备方法为：按照重量组份计，取30-35份粉煤灰、8-10份短切石棉纤维、20-25份活性炭粉、10-12份三氧化二铁、10-15份骨粉、4-6份碳酸氢钠、8-10份氯化钠、30-50份水，全部混合搅拌均匀后成团造粒，得到粒径为1-2 cm的球粒，将球粒放入真空干燥箱中以100-120℃干燥，碳酸氢钠受热分解产生二氧化碳对球粒进行内部造孔，然后再转移至微波炉内，以微波控制升温至380-450℃，碳化处理20-30 min，得到碳化球粒，再对碳化球粒采用盐酸淋洗中和内部碱性，烘干后即可得到三维吸附球。
2.如权利要求1所述的一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，其特征在于，所述曝气嘴（124）上设有用于与所述三维填料柱（11）通过螺纹连接的底盘（128）。
3.如权利要求1所述的一种用于废水处理的一体化电解除氨氮装置，其特征在于，所述臭氧水存储箱（125）中的臭氧水的臭氧体积浓度为5-10%。
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