CN115557556A - 一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化水处理技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化水处理装置及运行方法，该一体化装置内部多对片状电极平行放置，电极下方为催化剂层，在催化剂顶部设置格网固定催化剂，底部用承托架支撑，承托架下端配有曝气装置。基于本发明，电絮凝产生的絮体可以高效去除雨水中的悬浮物及其表面的非溶解态污染物，同时其阳极产物能够协同固相催化剂催化臭氧分解产生·OH，提高对溶解性COD和氨氮的催化臭氧氧化去除效果，具有占地面积小、设备构造简单、易于维护等优势，能够实现初期雨水中悬浮物、有机物和氨氮的同步快速去除，提供了面向初期雨水和城市溢流污染净化的一体化装置系统及运行方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化水处理技术，属于水污染控制领域。
背景技术
随着城市的高速发展，城区的建筑密度以及不透水地表铺砌面积也持续增加。这导致了城区中的透水面积急剧缩减，地面径流的形成时间缩短，给城市排水构成了巨大的压力。径流雨水的主要特征是随机性及突发性强，径流量大且面广。在降雨过程中，各种污染物随着雨水在地面的流动不断富集，其中超出截流式排水系统中截留倍数以外的雨水与城市生活污水形成了城市溢流污染。径流雨水中COD(9-612mg/L)、TN(1.8-25.4mg/L)、NH3-N(0.5～21.1mg/L)、TP(0.049-1.2mg/L)、悬浮物(5-300mg/L)的浓度均高于《地表水环境质量标准》(GB3838)中地表水Ⅴ类水质标准，若不加处理直接排放至水体会引发严重的河道污染。
电絮凝工艺是通过外加电源的条件下氧化金属阳极产生金属阳离子(A13+、Fe2+等)，同时还原阴极周围的水产生氢氧根离子(OH-)，之后阳离子与阴离子聚合形成一系列具有絮凝作用的多核羟基络合离子以及氢氧化物。此工艺在实现絮凝功能的同时也会在阳极和阴极析出氧气与氢气的微气泡，这些气泡不仅具有吸附与浮载的能力，同时会引发气浮过程更进一步的促进絮体的分离。电絮凝技术的主要优点为其无需额外添加化学试剂即可实现悬浮物高效去除，不会产生二次污染，并且整个过程操作简单，自动化程度高，便于管理。
臭氧氧化技术是目前应用较广的一种高级氧化技术，主要应用于水体中难降解有机物的达标排放与深度处理。其降解有机物的原理主要通过臭氧分子的直接氧化以及分解过程中产生的强氧化性(氧化还原电位2.8V)的羟基自由基(·OH)的间接氧化作用。臭氧氧化工艺主要有以下两点优势：(1)反应迅速，能高效深度的降解水体中的难降解有机物；(2)操作简单，自动化程度高，无二次污染。
为了解决初期径流雨水和城市溢流污水的问题，研究者开发了多种基于电絮凝和臭氧氧化的水处理技术。专利CN215667564U使用电絮凝耦合陶瓷膜技术，以太阳能为能源，利用屋面雨水的重力势能提供动力，提高了净水效率。但此技术仅解决了屋面雨水的源头处理问题，应用面较窄。专利CN110372137A使用光能驱动的电絮凝系统结合活性炭和锰砂过滤的技术，实现雨水净化。专利CN210683453U设计了一种一体式雨水电絮凝处理设备，装置内部设有多对电极组，底部设有污泥斗用于排泥。以上两种专利尽管可以实现良好的悬浮物处理效果，但处理时间较长且对有机物的去除效果较弱。专利CN114477550A利用臭氧和改性膨润土吸附剂同时去除雨水中的微生物与COD。由于此技术的能耗较高也限制了其应用。也有研究者将电絮凝技术与臭氧氧化技术耦合设计了多种电絮凝耦合臭氧氧化一体化反应器用于污水处理，专利CN114380364A设计了一种电絮凝耦合臭氧催化氧化反应器，通过在进水口上方设置格栅板用于固定催化剂。专利CN113121045A设计了一种能够收集并分离出电絮凝产生的氧气，作为臭氧发生器的氧气源的一体化电絮凝耦合臭氧催化氧化反应器。但以上的一体化反应器没有排泥功能，在运行过程中会出现絮体不断累积，堆积在反应器底部堵塞曝气的问题。专利CN108217862B采用了锥形反应器的设计并在底部添加排泥口解决电絮凝污泥的排放问题，专利CN106495370B将一体化反应器进行分区设计，包括电絮凝区和臭氧气浮/催化氧化区，但以上两个专利也存在臭氧利用率低，能耗较高的问题。
为了弥补以上这些缺陷，本发明提供一种将电絮凝和催化臭氧氧化联用的耦合技术，用于实现城市溢流污水和初期径流雨水中悬浮物、有机物和氨氮的同步去除。此技术协同降解降解污染物的原理是利用电絮凝产生的Fe2+和絮体与负载型催化剂协同催化臭氧降解径流雨水中的有机物和氨氮，通过曝气的方式加快絮体的分离，实现悬浮物的高效去除。电絮凝的引入在提高悬浮物的去除率的同时实现对臭氧的催化效果，能够有效减少臭氧的投加量，降低能耗。本发明能在不添加外缘化学试剂的条件下实现悬浮物、有机物和氨氮的同步、高效和原位去除，具有广阔的应用前景和较高的社会价值。
发明内容
本发明针对初期雨水和城市溢流污染水体，提出一种同时去除悬浮物、有机物和氨氮的电絮凝耦合臭氧催化氧化水处理工艺，并针对其应用条件进行说明。本发明利用电絮凝工艺阳极溶解出的Fe2+以及形成的铁基絮体与添加的金属负载型催化剂实现对臭氧的协同催化能力，使臭氧分子转化成具有更高氧化还原电位的羟基自由基，实现有机物和氨氮的高效、深度降解。此外，通过曝臭氧的方式加速絮体的分离，也能实现更好的悬浮物去除效果。
本发明提供一种以电絮凝耦合臭氧催化氧化工艺为核心的初期雨水和城市溢流污染水处理技术，其特征在于工艺流程为：格栅、调蓄池、电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化一体化装备，其中反应器顶部左侧配有进水管，内部多对片状电极平行放置，阳极板和阴极板分别通过接电导线与外部电源连接，电极下方为催化剂层，通过在催化剂顶部设置格网固定催化剂，底部用承托架作为支撑，承托架下端配有曝气装置，处理后的水流经固定化催化剂层，通过反应器底部右侧的排水口流出，反应室底部左侧配有进气管，顶部右侧配有出气管，固体催化剂有5种，分别为①赤泥负载钴和赤泥负载铈、②铝土矿负载铁和铝土矿负载锰、③CuMn2O4负载型催化剂、④MnO2-Co3O4负载型催化剂、⑤LaCoO3负载型催化剂，使用竖直且互相平行设置电极极片阵列，电极板间距为2-4cm，电极对为铁-铁、铁-铝、铁-不锈钢、铁-碳毡、铁-磷掺杂石墨烯碳毡，电流密度为2～20mA/cm2，臭氧浓度为5～20mg/L，催化剂投量为10～75g/L、接触时间为30～120min，电絮凝工艺产生的絮凝体可以高效去除雨水中的悬浮物及其表面的非溶解态污染物，同时其产生的亚铁离子及铁羟基氧化物能够与固相催化剂协同催化臭氧分解产生·OH，提高对溶解性COD和氨氮的催化臭氧氧化去除效果，对初期雨水和城市溢流污染中的悬浮物的去除率可达到90～99.9％，对COD的去除率可达到80～99.9％，对氨氮的去除率可达75～90％。能实现悬浮物和COD的同步去除。
本发明的有益效果是：该工艺能简单高效地实现初期雨水和城市溢流污染中悬浮物、有机物和氨氮的同步去除。此外，依据城市溢流污水和初期径流雨水中污染物的初始浓度的不同，对于装置参数可以进行灵活的调整，是一项具有广阔前景的城市溢流污水和初期径流雨水处理工艺。
附图说明
图1为一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净水处理技术工艺图；
附图标记
1、格栅；2、调蓄池；3、进水管；4、直流电源；5、出气管；6、极板；7、格网；8、催化剂；9、支撑架；10、臭氧发生器；11、进气管；12、曝气头；13、出水管；14、排泥斗。
具体实施方式
结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明不局限于以下实施例。
具体实施方式一：该工艺可应用于初期径流雨水和城市溢流污水处理，使用电絮凝耦合臭氧催化氧化的工艺，对初期径流雨水和城市溢流污水中的悬浮物得到强化去除的同时，实现有机物和氨氮的高效去除，提升出水水质。具体工艺流程为进水→格栅→调蓄池→电絮凝耦合臭氧催化氧化反应器→出水。
具体实施方式二：本实施方式中电絮凝耦合臭氧催化氧化工艺通过以下几个工艺参数范围实现：(1)电极板间距为2～4cm；(2)电流密度为2～20mA/cm2；(3)臭氧浓度为5～20mg/L；(4)催化剂投量为10～75g/L；(5)接触时间为30～120min；(6)臭氧曝气强度为100-500mL/min。对悬浮物的去除率可达到90～99.9％，对COD的去除率可达到80～99.9％，对氨氮的去除率可达75～90％，实现初期径流雨水和城市溢流污水的快速净化。
具体实施方式三：该工艺可应用于初期径流雨水和城市溢流污水处理，通过如图1所示的运行装置实现，处理过程中电絮凝与催化臭氧氧化工艺同时发生。具体为先使用格栅削减径流雨水中的大颗粒物，之后雨水进入电絮凝-催化臭氧氧化反应池，电极对为铁-铁、铁-铝、铁-不锈钢、铁-碳毡和铁-磷掺杂石墨烯碳毡。电絮凝工艺产生的絮体高效去除雨水中的悬浮物及其表面的非溶解态污染物，同时其产生的亚铁离子及铁羟基氧化物与固相催化剂协同催化臭氧分解产生·OH，提高对溶解性COD和氨氮的催化臭氧氧化去除效果，实现悬浮物、有机物和氨氮的同步去除。
以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (2)
1.一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化水处理技术，其特征在于工艺流程为：格栅、调蓄池、电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化一体化装备，其中反应器顶部左侧配有进水管，内部多对片状电极平行放置，阳极板和阴极板分别通过接电导线与外部电源连接，电极下方为催化剂层，通过在催化剂顶部设置格网固定催化剂，底部用承托架作为支撑，承托架下端配有曝气装置，处理后的水流经固定化催化剂层，通过反应器底部右侧的排水口流出，反应室底部左侧配有进气管，顶部右侧配有出气管，使用的固体催化剂有5种，分别为①赤泥负载钴和赤泥负载铈、②铝土矿负载铁和铝土矿负载锰、③CuMn2O4负载型催化剂、④MnO2-Co3O4负载型催化剂、⑤LaCoO3负载型催化剂，使用竖直且互相平行设置电极极片阵列，电极板间距为2-4cm，电极对为铁-铁、铁-铝、铁-不锈钢、铁-碳毡、铁-磷掺杂石墨烯碳毡。
2.权利要求1所述的一种面向初期雨水和城市溢流污染的电絮凝耦合臭氧催化氧化快速净化水处理技术，其特征在于电流密度为2～20mA/cm2，臭氧浓度为5～20mg/L，催化剂投量为10～75g/L、接触时间为30～120min，电絮凝工艺产生的絮凝体可以高效去除雨水中的悬浮物及其表面的非溶解态污染物，同时其产生的亚铁离子及铁羟基氧化物能够与固相催化剂协同催化臭氧分解产生·OH，提高对溶解性COD和氨氮的催化臭氧氧化去除效果，对初期雨水和城市溢流污染中的悬浮物的去除率可达到90～99.9％，对COD的去除率可达到80～99.9％，对氨氮的去除率可达75～90％。能实现悬浮物和COD的同步去除。
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