CN114314768B - 一种封闭式双极电芬顿反应器处理高盐难降解废水的方法 - Google Patents

一种封闭式双极电芬顿反应器处理高盐难降解废水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电芬顿反应装置及废水处理的方法。反应装置包括阳极池、调节池和阴极池，通过以阳极池和阴极池中的电极作为驱动电极，以导电部件作为共用电极传递电子，使阳极池和阴极池单独进行反应。废水处理的方法为：调节废水的pH值，加入催化剂，引入阳极池、调节池和阴极池；在阴极池中加入氧化剂，开启电源和紫外灯，进行降解反应；将阴极池中的废水排出，将调节池中的废水注入阴极池中，阳极池中的废水注入调节池中，未处理的废水注入阳极池中，继续进行降解反应即可。本发明解决了现有电芬顿体系处理高盐废水过程中，氯离子急速消耗氧化剂，导致高盐废水的处理效果差的问题。

Description

一种封闭式双极电芬顿反应器处理高盐难降解废水的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种电芬顿反应装置及废水处理的方法。
背景技术
随着印染、造纸、化工和农药等行业的高盐废水量的大幅增加，其对区域环境带来的巨大危害和不可修复特性使该类废水处理日益成为水污染环境治理领域中的热点问题。特别是工业含盐废水，包括氯盐、硫酸盐和硝酸盐等，除本身含有高浓度的盐外，还含有大量的有毒难降解有机污染物。
现有技术中，常用的废水处理技术包括膜分离法、高级氧化法、生物处理法等，但几种方法对高盐废水的处理都难以达到理想的效果。其中，采用膜分离法处理高盐废水，因高盐废水中大量存在的阴、阳离子使水体中离子强度增大，不但使得膜分离法的操作压力骤増，而且还存在运行能耗高、设备污染严重等问题。采用高级氧化法处理高盐废水，虽然是去除废水中难降解物质的有效方法，但高盐废水中含有的大量氯离子、硝酸根等，在反应过程中会引发一系列使活性物质失活的副反应，导致高级氧化法在高盐废水处理中效能有限。采用生物处理法处理高盐废水，其高盐度会使微生物的渗透压升高，使微生物脱水导致细胞原生质分离，且高盐废水中含有的氯离子对微生物有毒害作用，甚至会杀死微生物，因而用生物法处理高盐废水存在效率和价值低的问题。
与上述废水处理技术相比，从经济和能源角度考虑，在温和反应条件下，采用电芬顿体系处理高盐废水具有更大的发展潜力和应用前景。然而，现有的电芬顿体系处理高盐废水过程中，由于高盐废水中存在大量的氯离子，使得在阳极表面氯离子会与氧化剂(双氧水)形成大量的活性氯(HClO)，从而急速消耗投入的氧化剂-双氧水，同时还会猝灭羟基自由基，最终导致电芬顿技术在高盐废水的治理中效果甚微。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电芬顿反应装置及废水处理的方法，以解决现有电芬顿体系处理高盐废水过程中，由于存在大量氯离子，使得在阳极表面氯离子会与氧化剂(双氧水)形成大量的活性氯，从而急速消耗投入的氧化剂-双氧水(HClO+H2O2→H++Cl-+H2O+O2)，同时还会猝灭羟基自由基(·OH+Cl-→·HOCl-；·HOCl-+H+→Cl·+H2O；
Figure BDA0003466278100000021
Figure BDA0003466278100000022
)，导致高盐废水的处理效果差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电芬顿反应装置，包括阳极池和阴极池，所述阳极池通过电极连接电源正极，所述阴极池通过电极连接电源负极，所述阳极池和阴极池还通过导电部件相连，通过以阳极池和阴极池中的电极作为驱动电极，并以导电部件作为共用电极，传递电子，使阳极池和阴极池单独进行反应。
优选的，所述阳极池通过析氯电极连接电源的正极。
优选的，采用钌钛电极作为所述的析氯电极，钌钛电极沿垂直于阳极池中的液面布置。
优选的，所述阴极池通过不锈钢电极连接电源的负极。
优选的，所述导电部件为石墨电极。
优选的，还包括调节池，其设在阳极池和阴极池之间，使阳极池处理后的废水经过调节池处理后，再进入阴极池。
优选的，所述阳极池、调节池和阴极池的体积比为1：1.1：1.4，所述阳极池、调节池和阴极池的高度依次降低，所述阳极池、调节池和阴极池为单独的封闭式构造。
优选的，所述调节池中还布置有紫外光源。
本发明还提供了一种电芬顿反应装置用于废水处理的方法，包括以下步骤：
1)将废水的pH值调节至3～5，加入催化剂后，引入电芬顿反应装置的阳极池、调节池和阴极池中；
2)在阴极池中加入氧化剂，开启电源，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5-25mA/cm2，打开紫外灯，进行降解反应；
3)反应一段时间后，将阴极池中的废水排出，依次将调节池中的废水注入阴极池中，阳极池中的废水注入调节池中，未处理的废水调节pH值至3～5，加入催化剂后，注入阳极池中；
4)在阴极池中加入氧化剂，开启电源进行降解反应，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5-25mA/cm2；
5)重复步骤3)和4)即可。
优选的，所述氧化剂为双氧水，所述催化剂为Fe2+，废水在阳极池和阴极池中的停留时间为0.5～3h，废水在调节池中的停留时间为0.5～1h，紫外灯开启的时间为1～4h。
优选的，1L废水中加入所述双氧水的体积为5.0～15.2mL，所述催化剂为FeSO4，加入的质量为0.5～2.0g。
本发明的电芬顿反应装置处理废水过程中，发生的主要反应方程式如下：
阳极池主要发生类芬顿反应：
2Cl-→Cl2+2e- (1)
Cl2+H2O→HClO+HCl (2)
Fe2++HClO→Fe3++·OH+Cl- (3)
Fe2++HClO+FeIVO22++HCl (4)
中间调节池主要发生类芬顿反应：
Figure BDA0003466278100000031
Figure BDA0003466278100000032
Figure BDA0003466278100000033
阴极池主要发生芬顿反应：
Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH- (8)
Fe3++e-→Fe2+ (9)
本发明的有益效果：
1)本发明的电芬顿反应装置，首先，通过单独设置阳极池和阴极池，并分别通过电极使阳极池连接电源正极，阴极池连接电源负极，同时还通过导电部件连接阳极池和阴极池，以电极作为驱动电极，并以导电部件作为共用电极，传递电子，使得在处理高盐废水过程中，阳极池和阴极池单独进行电芬顿反应，即在阳极池中的高盐废水发生类芬顿反应，在阴极池中的高盐废水发生芬顿反应，避免了废水中，氯离子对氧化剂的极速消耗，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和有机污染物的有效降解，且具有操作简单、成本低的优点。解决了现有电芬顿体系处理高盐废水过程中，由于存在大量氯离子，使得在阳极表面氯离子会与氧化剂(双氧水)形成大量的活性氯(HClO)，从而急速消耗投入的氧化剂-双氧水，同时还会猝灭羟基自由基，导致高盐废水的处理效果差的问题；其次，通过采用析氯电极作为阳极池的驱动电极，在处理高盐废水过程中，阳极池中的氯离子在阳极被氧化产生活性氯(HClO)，活性氯与加入的Fe2+反应产生高铁酸盐和羟基自由基，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和大部分有机污染物的降解；其三，通过采用不锈钢电极作为阴极池的驱动电极，使得在阴极池的高盐废水中，促进了芬顿反应过程中Fe3+还原成Fe2+，加速了芬顿反应的进行，提升了高盐废水的处理效率；最后，通过在调节池中布置紫外光源，使废水在调节池中发生类芬顿反应，使废水中的活性氯(HClO)在调节池中发生光催化反应，产生氯自由基和羟基自由基等活性物质，从而进一步提升了高盐废水中有机物的去除效果。
2)本发明的电芬顿反应装置处理高盐废水的方法，通过将高盐废水调节pH后，首先在阳极池中发生类芬顿反应，即高盐废水中的氯离子在阳极池中被氧化产生大量活性氯(HClO)，活性氯(HClO)与加入的二价铁反应产生高铁酸盐和羟基自由基，同时实现氯离子的去除和大部分有机污染物的降解，然后从阳极池流入调节池中，使高盐废水在调节池中再次进行类芬顿反应，即使高盐废水中的活性氯(HClO)在调节池中发生光催化反应，产生氯自由基和羟基自由基等活性物质，以进一步降解高盐废水中有机物，再从调节池流入阴极池中进行芬顿反应，即阴极池中加入的二价铁与双氧水反应，产生羟基自由基，进一步强化降解废水中剩余的有机污染物，通过类芬顿反应和芬顿反应的有效耦合，从而实现了高盐废水的分级处理，大大提高了在废水的处理效果，且有效解决了常规电芬顿系统中氯会极速消耗双氧水的问题，处理技术领域，具有推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的电芬顿反应装置的结构示意图；
图2为电芬顿反应装置中析氯电极的结构示意图；
图3为芬顿反应装置中不锈钢电极的结构示意图；
其中，1-阳极池，2-阴极池，3-电源，4-导电部件，5-析氯电极，6-不锈钢电极，7-调节池，8-进水口，9-弯管。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
一种电芬顿反应装置，包括阳极池1和阴极池2，阳极池1通过电极连接电源3正极，阴极池2通过电极连接电源3负极，阳极池1和阴极池2还通过导电部件4相连，通过以阳极池1和阴极池2中的电极作为驱动电极，并以导电部件4作为共用电极，使阳极池1和阴极池2单独进行电芬顿反应。
通过单独设置阳极池和阴极池，并分别通过电极使阳极池连接电源正极，阴极池连接电源负极，同时还通过导电部件连接阳极池和阴极池，以电极作为驱动电极，并以导电部件作为共用电极，传递电子，使得在处理高盐废水过程中，阳极池和阴极池单独进行电芬顿反应，即在阳极池中的高盐废水发生类芬顿反应，在阴极池中的高盐废水发生芬顿反应，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和有机污染物的有效降解，且具有操作简单、成本低的优点。解决了现有电芬顿体系处理高盐废水过程中，由于存在大量氯离子，使得在阳极表面氯离子会与氧化剂(双氧水)形成大量的活性氯(HClO)，从而急速消耗投入的氧化剂-双氧水，同时还会猝灭羟基自由基，导致高盐废水的处理效果差的问题。
本实施例中，阳极池1通过析氯电极5连接电源3的正极。具体为采用钌钛电极作为析氯电极5，钌钛电极沿垂直于阳极池1中的液面布置。
通过采用析氯电极作为阳极池的驱动电极，在处理高盐废水过程中，阳极池中的氯离子在阳极被氧化产生活性氯(HClO)，活性氯与加入的Fe2+反应产生高铁酸盐和羟基自由基，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和大部分有机污染物的降解。
本实施例中，阴极池2通过不锈钢电极6连接电源3的负极。其中，不锈钢电极6沿垂直于阴极池中的液面布置。电源为直流电源，钌钛电极通过导线连接直流电源的正极接线端，不锈钢电极通过导线连接直流电源的负极接线端。
通过采用不锈钢电极作为阴极池的驱动电极，使得在阴极池的高盐废水中，促进了芬顿反应过程中Fe3+还原成Fe2+，加速了芬顿反应的进行，提升了高盐废水的处理效率。
本实施例中，导电部件4为石墨电极。石墨电极的形状为U型构造，其两端分别位于阳极池和阴极池内并垂直于液面布置。
通过采用石墨电极作为共用电极，进行电子传递，并发生相应的氧化还原反应。
本实施例中，还包括调节池7，其设在阳极池1和阴极池2之间，使阳极池1处理后的废水经过调节池7处理后，再进入阴极池2。其中，阳极池1、调节池7和阴极池2的体积比为1：1.1：1.4，阳极池1、调节池7和阴极池2的高度依次降低，阳极池1、调节池7和阴极池2为单独的封闭式构造。
通过将阳极池、调节池和阴极池均设为单独的封闭式构造，且高度设为依次降低，避免了二次污染，且使得阳极池、调节池和阴极池之间直接通过重力差实现废水的流通，简化了反应装置，节约了成本。
本实施例中，阳极池、调节池和阴极池的侧壁上均设有进水口和出水口，阳极池的进水口8用于引入未处理的废水，阳极池的出水口与调节池的进水口，以及调节池的出水口与阴极池的进水口均通过弯管9相连通，使得废水经过阳极池处理后，流入调节池中进行处理，然后再流入阴极池中处理达标后排出，从而实现了对废水的三级处理，保证了废水中有机污染物的去除效果。
本实施例中，调节池7中还布置有紫外光源，使废水在调节池7中发生类芬顿反应。具体为，通过在调节池的侧壁四周布置紫外灯带作为紫外光源。
通过在调节池中布置紫外光源，使废水在调节池中发生类芬顿反应，使废水中的活性氯(HClO)在调节池中发生光催化反应，产生氯自由基和羟基自由基等活性物质，从而进一步提升了高盐废水中有机物的去除效果。
实施例2
采用常规的电芬顿反应装置处理高盐废水的方法，包括以下步骤：将待处理的难降解高盐废水的pH值调节至3，加入0.195g FeSO4催化剂和2.3ml双氧水，开启直流电源，并控制常规的电芬顿反应装置驱动电极的电流密度为5mA/cm2，进行降解反应2h。
本实施例中，反应后废水的COD情况如下表所示：
表1实施例2COD去除情况表
Figure BDA0003466278100000061
实施例3采用实施例1中的封闭式双阴极电芬顿反应装置处理高盐废水的方法，包括以下步骤：
1)将待处理的难降解高盐废水的pH值调节至3，加入0.08g Fe2+催化剂后，引入封闭式的电芬顿反应装置的阳极池中，开启直流电源，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5mA/cm2，进行降解反应；
3)将阳极池中的废水排出，依次将调节池中的废水注入阴极池中，阳极池中的废水注入调节池中，未处理的废水调节pH值至3，加入0.08g FeSO4催化剂后，注入阴极池中；
4)在阴极池中加入2.3mL双氧水，开启电源和紫外灯带，进行降解反应，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5mA/cm2，待阴极池中的废水检测达标后，即可排放；
5)重复步骤3)和4)即可；
高盐废水在阳极池和阴极池中的停留时间为2h，高盐废水在调节池中的停留时间为2h，紫外灯开启的时间为2h。
其中，电芬顿反应装置在开始处理废水时，阳极池、调节池和阴极池中均无废水，因此需将废水的pH值调节至3，加入催化剂后分别引入电芬顿反应装置的阳极池、调节池和阴极池中，进行电芬顿反应。
本实施例中，阴极池排出的废水的COD情况如下表所示：
表2实施例3COD去除情况表
Figure BDA0003466278100000071
综上所述，本发明的电芬顿反应装置，首先，通过单独设置阳极池和阴极池，并分别通过电极使阳极池连接电源正极，阴极池连接电源负极，同时还通过导电部件连接阳极池和阴极池，以电极作为驱动电极，并以导电部件作为共用电极，传递电子，使得在处理高盐废水过程中，阳极池和阴极池单独进行电芬顿反应，即在阳极池中的高盐废水发生类芬顿反应，在阴极池中的高盐废水发生芬顿反应，避免了废水中，氯离子对氧化剂的极速消耗，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和有机污染物的有效降解，且具有操作简单、成本低的优点。解决了现有电芬顿体系处理高盐废水过程中，由于存在大量氯离子，使得在阳极表面氯离子会与氧化剂(双氧水)形成大量的活性氯(HClO)，从而急速消耗投入的氧化剂-双氧水，同时还会猝灭羟基自由基，导致高盐废水的处理效果差的问题；其次，通过采用析氯电极作为阳极池的驱动电极，在处理高盐废水过程中，阳极池中的氯离子在阳极被氧化产生活性氯(HClO)，活性氯与加入的FeSO4反应产生高铁酸盐和羟基自由基，从而实现了高盐废水中氯离子的去除和大部分有机污染物的降解；其三，通过采用不锈钢电极作为阴极池的驱动电极，使得在阴极池的高盐废水中，促进了芬顿反应过程中Fe3+还原成Fe2+，加速了芬顿反应的进行，提升了高盐废水的处理效率；最后，通过在调节池中布置紫外光源，使废水在调节池中发生类芬顿反应，使废水中的活性氯(HClO)在调节池中发生光催化反应，产生氯自由基和羟基自由基等活性物质，从而进一步提升了高盐废水中有机物的去除效果。
本发明的电芬顿反应装置处理高盐废水的方法，通过将高盐废水调节pH后，首先在阳极池中发生类芬顿反应，即高盐废水中的氯离子在阳极池中被氧化产生大量活性氯(HClO)，活性氯(HClO)与加入的二价铁反应产生高铁酸盐和羟基自由基，同时实现氯离子的去除和大部分有机污染物的降解，然后从阳极池流入调节池中，使高盐废水在调节池中再次进行类芬顿反应，即使高盐废水中的活性氯(HClO)在调节池中发生光催化反应，产生氯自由基和羟基自由基等活性物质，以进一步降解高盐废水中有机物，再从调节池流入阴极池中进行芬顿反应，即阴极池中加入的二价铁与双氧水反应，产生羟基自由基，进一步强化降解废水中剩余的有机污染物，通过类芬顿反应和芬顿反应的有效耦合，从而实现了高盐废水的分级处理，大大提高了在废水的处理效果，且有效解决了常规电芬顿系统中氯会极速消耗双氧水的问题，处理技术领域，具有推广应用价值。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高盐废水的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将废水的pH值调节至3～5，加入催化剂后，引入电芬顿反应装置的阳极池、调节池和阴极池中；
2）在阴极池中加入氧化剂，开启电源，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5-25 mA/cm2，打开紫外灯，进行降解反应；
3）反应一段60-120min后，将阴极池中的废水排出，依次将调节池中的废水注入阴极池中，阳极池中的废水注入调节池中，未处理的废水调节pH值至3～5，加入催化剂后，注入阳极池中；
4）在阴极池中加入氧化剂，开启电源进行降解反应，并控制阳极池和阴极池中的驱动电极的电流密度为5-25 mA/cm2；
5）重复步骤3）和4）即可；
所述高盐废水中含有大量氯离子；所述氧化剂为双氧水，所述催化剂为Fe2+；所述阳极池（1）通过析氯电极（5）连接电源（3）的正极；
所述调节池中布置有紫外光源；
所述电芬顿反应装置包括阳极池（1）和阴极池（2），所述阳极池（1）通过电极连接电源（3）正极，所述阴极池（2）通过电极连接电源（3）负极，所述阳极池（1）和阴极池（2）还通过导电部件（4）相连，通过以阳极池（1）和阴极池（2）中的电极作为驱动电极，并以导电部件（4）作为共用电极，传递电子，使阳极池（1）和阴极池（2）单独进行反应；
在阳极池中的高盐废水发生类芬顿反应，在调节池中的高盐废水发生类芬顿反应，在阴极池中的高盐废水发生芬顿反应。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，采用钌钛电极作为所述的析氯电极（5），钌钛电极沿垂直于阳极池（1）中的液面布置。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述阴极池（2）通过不锈钢电极（6）连接电源（3）的负极。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述导电部件（4）为石墨电极。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，还包括调节池（7），其设在阳极池（1）和阴极池（2）之间，使阳极池（1）处理后的废水经过调节池（7）处理后，再进入阴极池（2）。
6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述阳极池（1）、调节池（7）和阴极池（2）的体积比为1：1.1：1.4，所述阳极池（1）、调节池（7）和阴极池（2）的高度依次降低，所述阳极池（1）、调节池（7）和阴极池（2）为单独的封闭式构造。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，废水在阳极池和阴极池中的停留时间为0.5~3h，废水在调节池中的停留时间为0.5~3h，紫外灯开启的时间为0.5~3h。
8.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于，1L废水中加入所述双氧水的体积为5.0~15.2 mL，所述催化剂为FeSO4，加入的质量为0.5~2.0 g。
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