CN114634226A - 一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置。本发明的反应器在生活污水处理过程中具有抗冲击性强、灵活易控、抗毒性强、占地面积小的优势，为具有较大复合波动的生活污水处理提供了可行的工艺方式。该反应器包括进水管、进水泵、臭氧发生器、微孔陶瓷曝气膜、反应器壳体、石墨阳极、不锈钢阴极、直流稳压电源、除尘灰基铁碳填料和出水系统。进水管位于装置的底部；臭氧由臭氧发生器产生并通过放置于反应器底部的微孔陶瓷膜通入反应器内；石墨阳极和不锈钢阴极采用平板式设计分别位于反应器内分别与直流稳压电源的正极和负极相连，出水系统由陶瓷平板微滤膜、蠕动泵和出水管组成。

Description

一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置。

背景技术

部分工业废水水质水量波动性强、难降解物质多、含盐且生物毒性强，导致其水体的污染严重且持久。常规的污水处理器无法有效降解其中的复杂污染物。

电化学氧化法是通过向废水中施以电能，经过物理化学反应生成羟基自由基(·OH)，最终利用羟基自由基的强氧化作用将废水中的难降解有机物氧化成为无机盐、二氧化碳和水等无害物质的方法。但单独的电化学作用时无法达到较高的降解效率且能耗较高。

铁碳微电解技术是将铁和碳置于废水中，形成大量的原电池，发生电化学氧化反应降解污染物的工艺。利用主要成分为铁、氧化铁和碳的高炉除尘灰等废弃资源制备铁碳粒子可有效将电化学氧化与铁碳微电解结合，提高难降解废水的处理效率。但电化学氧化处理复杂的难降解污水时，虽对其中某些物质达到较好的去除，但对高浓度和某些复杂污染物的降解仍无法令人满意。

为增强对高难度废水的处理效果，许多研究将电化学与臭氧氧化工艺进行耦合，通过工艺间的协同效应，从而提高有机物的降解速率和降解程度。臭氧是非常有效的强氧化剂，其与电解之间存在明显的协同作用。在间接反应中能分解成大量羟基自由基(·OH)，并强烈激活铁碳微电解，从而促进高浓度复杂污染物的去除。但臭氧的化学性质不稳定，在使用臭氧氧化的过程中，常常受到传质效率和·OH生成速率的限制。

因此，改进臭氧的通入方式、提高臭氧的传质效率从而促进电化学耦合铁碳微电解工艺自由基的产生，提高难降解复杂有机的去除效率，打造对波动性复杂废水稳定有效处理的一体化完整工艺是研究的重点。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，包括反应器壳体，所述的反应器壳体内通过隔板分为溢流缓冲区和反应区，反应区的底部设置有臭氧曝气区；溢流缓冲区高于反应区，溢流缓冲区的底部通过进水管与进水隔膜泵连接；反应区内设置有石墨阳极和不锈钢阴极组成的电极板，电极板之间设置有除尘灰铁碳粒子，石墨阳极和不锈钢阴极通过导线与电源的正负极连接，除尘灰铁碳粒子之间设置有陶瓷微滤膜，陶瓷微滤膜的上下端分别设置壳体，壳体上设置有出水口，出水口通过出水管与出水蠕动泵连接；所述的臭氧曝气区内设置有支撑装置，支撑装置下方设置有微孔陶瓷曝气膜，微孔陶瓷曝气膜的两端分别设置有壳体，壳体上设置有进气口，进气口通过进气管与臭氧发生器连接，支撑装置上设置有与臭氧曝气区相通的孔。

进一步，进气管上设置有气体流量计。

进一步，电源为直流稳压电源，电源的电压范围为0～30V。

进一步，反应器壳体的顶部设置有调节极板间距的T形支架，调节电极之间的距离，极板间距为2～10cm。

进一步，陶瓷微滤膜垂直设置于反应器壳体内。

进一步，陶瓷微滤膜和微孔陶瓷曝气膜的上的壳体通过密封胶分别与其密封。

与现有技术相比，本发明具有以下有点：

1、本发明采用石墨板式电极为阳极，不锈钢板式电极为阴极，除尘灰铁碳填料为粒子电极，将电化学与铁碳微电解耦合，并通过臭氧强化这一体系的降解效率。

2、本发明采用的铁碳微电解填料由工业固体废弃物高炉除尘灰制作，实现了废弃物的资源化利用与废水中污染物的降解效果；在一体式的反应装置处理含盐的难降解波动性废水时，无需额外投加化学试剂，即通过臭氧氧化与电化学和铁碳微电解协调，实现难降解有机物有效氧化降解和矿化去除，提高了反应器对杂环和芳烃等难降解有机污染物的去除效率。

3、本发明通过微孔陶瓷曝气膜将臭氧通入电化学氧化与微电解耦合系统中，提高了强氧化性自由基的产生量，优化了复杂有机物的降解效果，大大降低了难降解、有毒有害废水排放的环境风险。

4、本发明将电压控制在0～30V的低电压范围，在连续流运行条件下安全性高，且耗电量较低。

5、本发明采用一体化设计，易于灵活操控、紧凑，具有较广的适用性。

附图说明：

图1为本发明反应装置的结构示意图。

图2为不同工艺的进出水和去除率对比图。

标记说明：1.进水隔膜泵 2.进水管 3.反应器壳体 4.电源 5.陶瓷微滤膜 6.出水管 7.出水蠕动泵 8.电极板 9.除尘灰铁碳粒子 10.槽形支撑与布气装置 11.臭氧发生器 12.气体流量计 13.进气管 14.微孔陶瓷曝气膜 15.隔板 16.T形支架。

具体实施方式

下面通过将结合附图以及具体实施案例来详细说明本发明，进一步阐述和解释本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。

本发明的原理：本发明采用石墨板式电极为阳极，不锈钢板式电极为阴极，极板之间填充的高炉除尘灰基铁碳填料为粒子电极以增大反应面积，并通过直流稳压电源施加电场构成反应器的电解区，实现电化学与铁碳微电解工艺的耦合。采用置于反应器底部的微孔陶瓷曝气膜和臭氧发生器构成装置的曝气系统将生成的臭氧分散到反应区。待处理的废水在溢流缓冲区进行初步的沉淀和缓冲后去除部分固体污染物。在反应区，污水中的难降解有机物和有毒物质如杂环、酚、芳烃等被电极和铁碳粒子电极表面产生的强氧化性物质(如·OH、·ClO等)氧化降解。最后由反应区内与蠕动泵相连的陶瓷微滤膜过滤截留废水中粒径较大的微粒和杂质后经出水管排出。在连续流模式下运行时，无需投加化学试剂，通过臭氧强化电化学氧化和铁碳微电解反应，提高自由基的产生量和难降解有机污染物的去除效率。此外，废水中的盐类如Cl-等在电解过程中也得到了一定程度的利用并转化为·ClO等强氧化性物质，降低了出水中的含盐量。

实施例1

本实施例提供一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，进水管2、进水泵1、臭氧发生器11、微孔陶瓷曝气膜14、反应器壳体3、陶瓷微滤膜5、主电板8、直流稳压电源4、除尘灰铁碳粒子9、出水隔膜泵7、出水管6、槽形支撑装置10、气体流量计12、进气管13，如图1所示；反应器壳体3，所述的反应器壳体3内通过隔板15分为溢流缓冲区和反应区，反应区的底部还设置有臭氧曝气区；溢流缓冲区高于反应区。

上述溢流缓冲区的底部通过进水管2与进水隔膜泵1连接；

上述反应区内设置有石墨阳极和不锈钢阴极组成的电极板8，电极板8之间设置有除尘灰铁碳粒子9，石墨阳极和不锈钢阴极通过导线与电源4的正负极连接，电源4为直流稳压电源，电源的电压范围为0～30V；除尘灰铁碳粒子9内设置有陶瓷微滤膜5，陶瓷微滤膜5的上下端分别设置壳体，壳体与陶瓷微滤膜5之间通过密封胶密封，壳体上设置有出水口，出水口通过出水管6与出水蠕动泵7连接；

上述臭氧曝气区内设置有支撑装置10，支撑装置10下方设置有微孔陶瓷曝气膜14，微孔陶瓷曝气膜14的两端分别设置有壳体，壳体与微孔陶瓷曝气膜14通过密封胶密封，壳体上设置有进气口，进气口通过进气管13与臭氧发生器12连接，进气管13上设置有气体流量计12，支撑装置上设置有与臭氧曝气区相通的孔。

上述反应器壳体3的顶部设置有调节极板间距的T形支架16，调节电极之间的距离，极板间距为2～10cm。

所述的出水管6一端与垂直放置于反应器3内的陶瓷微滤膜5相连，另一端与出水蠕动泵7相连。

本发明的工作过程：

煤制气废水首先经进水隔膜泵1和进水管2提升进入反应器壳体3内的溢流缓冲区，再通过溢流缓冲区和电解区之间的溢流堰由上方流入反应区。在反应区内污染物在臭氧强化的电化学与铁碳微电解共同作用下被降解。最后废水经过陶瓷微滤膜5进行过滤后，在出水蠕动泵7的作用下，由出水管6排出反应器。

利用本发明一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学系统的装置处理煤制气废水，实验条件设置为：进水COD为592.8mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为188.4mg/L，电流密度为30mA/cm²，处理水量为1L，反应时间为2h，除尘灰铁碳粒子填充量为50g/L。并在其他条件相同的条件下，以未添加除尘灰粒子且未通入臭氧的二维电极(对照1)、未通入臭氧但添加了除尘灰粒子的三维电极(对照2)的反应器作为对照组，在间歇模式下运行，结果如图2所示，该一体式反应装置较空白1和空白2而言COD去除率分别提高7.34％、3.6％。

Claims (6)

1.一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，包括反应器壳体（3），所述的反应器壳体（3）内通过隔板（15）分为溢流缓冲区和反应区，反应区的底部设置有臭氧曝气区；溢流缓冲区高于反应区，溢流缓冲区的底部通过进水管（2）与进水隔膜泵（1）连接；反应区内设置有石墨阳极和不锈钢阴极组成的电极板（8），电极板（8）之间设置有除尘灰铁碳粒子（9），石墨阳极和不锈钢阴极通过导线与电源（4）的正负极连接，除尘灰铁碳粒子（9）之间设置有陶瓷微滤膜（5），陶瓷微滤膜（5）的上下端分别设置壳体，壳体上设置有出水口，出水口通过出水管（6）与出水蠕动泵（7）连接；所述的臭氧曝气区内设置有支撑装置（10），支撑装置（10）下方设置有微孔陶瓷曝气膜（14），微孔陶瓷曝气膜（14）的两端分别设置有壳体，壳体上设置有进气口，进气口通过进气管（13）与臭氧发生器（12）连接，支撑装置（10）上设置有与臭氧曝气区相通的孔。

2.根据权利要求1所述的一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，所述的进气管（13）上设置有气体流量计（12）。

3.根据权利要求1或2所述的一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，所述的电源（4）为直流稳压电源，电源的电压范围为0~30V。

4.根据权利要求3所述的一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，所述的反应器壳体（3）的顶部设置有调节极板间距的T形支架（16），调节电极之间的距离，极板间距为2~10cm。

5.根据权利要求4所述的一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，所述的陶瓷微滤膜（5）垂直设置于反应器壳体（3）内。

6.根据权利要求5所述的一体式臭氧膜曝气耦合强化铁碳微电解电化学装置，其特征在于，所述的陶瓷微滤膜（5）和微孔陶瓷曝气膜（14）的上的壳体通过密封胶分别与其密封。

Images