CN116102130B - 一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置及工艺 - Google Patents

一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置及工艺，涉及废水处理技术领域，解决现有三维电催化侧重于废水中COD的去除，无法同步脱氮除磷的问题，包括电催化反应池、沉淀池、第一电源、第二电源、曝气管，所述电催化反应池的一端设置有进水管，另一端设置有与沉淀池连通的溢流管，所述电催化反应池内呈间距依次设置有碳毡电极、铁电极、泡沫铜电极、钛基涂层电极，所述第一电源的阴极与碳毡电极连接，阳极与铁电极连接，第二电源的阴极与泡沫铜电极连接，阳极与钛基涂层电极连接，泡沫铜电极、钛基涂层电极之间设置有三维粒子电极和曝气盘，该曝气盘与曝气管连通。本发明将水处理功能有机统一，实现同步减污降碳脱氮除磷。

Description

一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置及工艺
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，更具体的是涉及一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置及工艺。
背景技术
难降解有机废水成分复杂、危害大，易导致癌变、畸变，对人类健康产生重大影响，是需要优先治理的环境问题。在许多情况下，采用传统生物法和物理化学法来处理难生化处理有机废水很难达到理想的处理效果，并且其操作工艺复杂，成本相对较高。三维电催化氧化技术的出现为难降解有机废水的处理提供了一种绿色环保高效的方法。三维电催化氧化体系具有传质传热快、脱除效率高、操作简便、占地面积小等优点，呈现广阔的应用前景。
目前，传统的三维电催化更侧重于废水中COD的去除，对于同步脱氮除磷的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种将电絮凝、电催化双氧水合成、异相芬顿、均相芬顿、电催化脱氮以及电催化阳极氧化等水处理功能有机统一的水处理装置。
本发明采用的技术方案如下：一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置，包括电催化反应池、沉淀池、第一电源、第二电源、曝气管、进水管、溢流管、出水管，所述电催化反应池的一端与进水管连通，电催化反应池的另一端通过溢流管与沉淀池的一端连通，沉淀池的另一端与出水管连通，所述电催化反应池内沿水流方向呈间距依次设置有碳毡电极、铁电极、泡沫铜电极、钛基涂层电极，所述第一电源的阴极与碳毡电极连接，第一电源的阳极与铁电极连接，所述第二电源的阴极与泡沫铜电极连接，第二电源的阳极与钛基涂层电极连接，所述泡沫铜电极、钛基涂层电极之间设置有三维粒子电极和曝气盘，所述曝气盘与曝气管连通。
本发明的工作过程：将污水pH值调解至3-4后从进水管进入到电催化反应池中，控制第一电源的电流大小，释放铁离子，帮助第二电源系统中泡沫铜阴极表面催化成的建立和帮助初步合成的三维粒子电极负载异相芬顿催化剂；然后开始正常处理污水，污水pH值调解至3-4后从进水管进入到电催化反应池中，调解第一电源和第二电源控制的催化系统的电流大小，第一电源释放一定量铁源铁离子，第二电源在底部曝气的过程中同步发生阴极硝态氮的还原、阳极的电催化氧化、三维粒子电极的自产双氧水、异相芬顿和均相芬顿，实现污水的高效减污降碳脱氮的过程；经电催化反应池处理的水经溢流管流入沉淀池，并将pH值调解至6-8后加入一定量PAM后去除废水中剩余磷酸根与铁离子后，以上清液的形式排出。
所述碳毡电极和铁电极的间距为3-5cm，所述泡沫铜电极和钛基涂层电极的间距为5-8cm，所述泡沫铜电极和钛基涂层电极之间底部有曝气盘，中间投放有三维粒子电极；所述铁电极采用厚度为2-5mm碳钢板，碳毡电极的厚度为2-5mm，钛基涂层电极采用商用钛基涂层电极。
一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，由催化处理构建期和正常处理期组成，所述催化处理构建期的具体步骤为：
S1、通过进水管排入PH值为3-4的废水，进水量为设计进水量的1/5；
S2、启动第一电源和第二电源，第一电源调解电流大小为50-200mA，第二电源控制电流大小为300-1000mA；
S3、投放三维粒子电极，并开启底部曝气，时间为1-2天；
具体来说，催化处理构建期，进水需要初步调解pH值在3-4之间，废水由进水管进入电催化反应池，首先进入第一电源控制的催化系统，调解电流大小为50-200mA，铁电极通过阳极电解释放出铁离子，铁离子流经泡沫铜阴极和三维粒子电极功能区域，在第二电源控制的催化系统中，控制电流大小为300-1000mA，投放初步合成的三维粒子电极三聚氰胺海绵粒(每小时设计进水量体积的5%-20%)，并开启底部曝气；进入第二电源控制的催化系统中的铁离子一部分用于完善泡沫铜电极催化成分的构建，在泡沫铜电极上以静电吸附形式原位沉积形成羟基氧化物，负责将水体中的硝态氮还原成氮气；还有一部分铁离子进入三维粒子电极功能区域也会在三聚氰胺海绵颗粒上吸附沉积形成铁的羟基氧化物，构建出能进行原位产双氧水并进行异相芬顿反应的三维电催化粒子电极，催化系统构建期间进水量为设计进水量的1/5，时间为1-2天；
所述正常处理期的具体步骤为：
S1、PH值为3-4的废水由进水管进入电催化反应池，启动第一电源和第二电源，第一电源调解电流大小为50-150mA，第二电源控制电流大小为300-1000mA；
S2、电催化反应池中处理的污水经溢流管进入沉淀池，调解出水pH值6-8，再加入体积分数0.05‰的PAM溶液加速沉淀分离形成上清液排出。
具体来说，正常处理期，进水需要初步调解pH值在3-4之间，废水由进水管进入电催化反应池，首先进入第一电源控制的催化系统，铁电极通过阳极电解释放出铁离子，电流密度根据污水中磷酸根的含量而定，一般电流大小为50-150mA。然后废水进入第二电源控制的催化系统中，阴极负责将水中硝态氮还原成氮气，钛基涂层电极将一部分有机物直接氧化成小分子或直接矿化，中间的三维粒子电极在外部电流以及曝气作用下不断合成双氧水发生非均相芬顿氧化反应将吸附到三聚氰胺海绵上的有机污染物氧化去除，多余的双氧水于该区域被阴极还原的亚铁离子发生均相芬顿反应。多余的铁离子可以不断的修复和补充泡沫铜上的羟基氧化物催化层，亦可以不断的维持三维粒子电极中羟基氧化物的量。电催化反应池中完成了废水的减污降碳脱氮的工作。电催化反应池中处理的污水经溢流管进入沉淀池，调解出水pH值6-8，水中的磷酸根与铁离子生成磷酸铁难溶沉淀，再加入体积分数0.05‰的PAM溶液加速沉淀分离形成上清液排出。
所述三维粒子电极的初步合成是将三聚氰胺海绵粒浸泡在含有金离子和钯离子的水溶液中充分吸附，然后再依次加入稳定剂和还原剂，使得金离子和钯离子快速还原，在三聚氰胺海绵粒上负载钯金合金催化成分，负载钯金合金的三聚氰胺海绵粒60℃烘干备用。
所述三聚氰胺海绵粒的大小为1-2cm3的方体或球型。
所述金离子和钯离子的来源为氯金酸和氯化钯，金离子和钯离子的摩尔比为1:1，钯金合金的负载量为三聚氰胺海绵粒干重质量的1‰-3‰。
所述稳定剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、硫酸铵中的一种或几种，稳定剂的投加量为金和钯总质量的50-200倍。
所述还原剂为抗坏血酸、水合肼、盐酸羟胺中的一种或两种，还原剂的投加量为金和钯总质量的1-10倍。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明将电催化反应池建立成具备三维粒子电极合成、脱氮阴极合成的电极合成装置，也是将电絮凝、电催化双氧水合成、异相芬顿、均相芬顿、电催化脱氮以及电催化阳极氧化等水处理功能有机统一的水处理装置。该水处理装置具备同步减污降碳脱氮除磷功能。第一电源控制系统控制铁板阳极铁离子的溶出，一方面可以为沉淀池磷酸根的去除提供铁源，另一方面可以持续的为泡沫铜上的羟基氧化物催化层提供修复所用的铁源，维持泡沫铜催化硝态氮还原成氮气的效率。另一方面三聚氰胺海绵作为轻质载体负载钯金合金可以在电催化反应池中利用铁离子吸附沉淀形成具有异相催化的效果的铁氧体，并且在普通空气曝气作用下可轻易流化，促进了化学反应及传质效率，使COD去除率提高。三聚氰胺海绵作为轻质载体负载钯金合金可以在电催化作用下原位利用曝气中的氧气分子，通过二电子还原过程生成双氧水，与三聚氰胺海绵上的铁氧体以及溶液中的亚铁离子发生异相、均相芬顿反应。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明结构示意图；
图中标记为：1-电催化反应池，2-沉淀池，3-出水管，4-溢流管，5-第二电源，6-曝气管，7-第一电源，8-进水管，10-碳毡电极，11-铁电极，12-泡沫铜电极， 13-三维粒子电极，14-曝气盘，15-钛基涂层电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置，包括电催化反应池1、沉淀池2、第一电源7、第二电源5、曝气管6、进水管8、溢流管4、出水管3，所述电催化反应池1的一端与进水管8连通，电催化反应池1的另一端通过溢流管4与沉淀池2的一端连通，沉淀池2的另一端与出水管3连通，所述电催化反应池1内沿水流方向呈间距依次设置有碳毡电极10、铁电极11、泡沫铜电极12、钛基涂层电极15，所述第一电源7的阴极与碳毡电极10连接，第一电源7的阳极与铁电极11连接，所述第二电源5的阴极与泡沫铜电极12连接，第二电源5的阳极与钛基涂层电极15连接，所述泡沫铜电极12、钛基涂层电极15之间设置有三维粒子电极 13和曝气盘14，所述曝气盘14与曝气管6连通。
本发明的工作过程：将污水pH值调解至3-4后从进水管8进入到电催化反应池1中，控制第一电源7的电流大小，释放铁离子，帮助第二电源5系统中泡沫铜阴极表面催化成的建立和帮助初步合成的三维粒子电极 13负载异相芬顿催化剂；然后开始正常处理污水，污水pH值调解至3-4后从进水管8进入到电催化反应池1中，调解第一电源7和第二电源5控制的催化系统的电流大小，第一电源7释放一定量铁源铁离子，第二电源5在底部曝气的过程中同步发生阴极硝态氮的还原、阳极的电催化氧化、三维粒子电极 13的自产双氧水、异相芬顿和均相芬顿，实现污水的高效减污降碳脱氮的过程；经电催化反应池1处理的水经溢流管4流入沉淀池，并将pH值调解至6-8后加入一定量PAM后去除废水中剩余磷酸根与铁离子后，以上清液的形式排出。
实施例2
在实施例1的基础上，所述碳毡电极10和铁电极11的间距为3-5cm，所述泡沫铜电极12和钛基涂层电极15的间距为5-8cm，所述泡沫铜电极12和钛基涂层电极15之间底部有曝气盘14，中间投放有三维粒子电极 13；所述铁电极11采用厚度为2-5mm碳钢板，碳毡电极10的厚度为2-5mm，钛基涂层电极15采用商用钛基涂层电极15。
实施例3
一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，启动分两步，第一步为催化处理构建期，第二步为正常处理期；
催化处理构建期，进水需要初步调解pH值在3-4之间，废水由进水管8进入电催化反应池1，首先进入第一电源7控制的催化系统，调解电流大小为50-200mA，铁电极11通过阳极电解释放出铁离子，铁离子流经泡沫铜阴极和三维粒子电极 13功能区域，在第二电源5控制的催化系统中，控制电流大小为300-1000mA，投放初步合成的三维粒子电极 13三聚氰胺海绵粒(每小时设计进水量体积的5%-20%)，并开启底部曝气；进入第二电源5控制的催化系统中的铁离子一部分用于完善泡沫铜电极12催化成分的构建，在泡沫铜电极12上以静电吸附形式原位沉积形成羟基氧化物，负责将水体中的硝态氮还原成氮气；还有一部分铁离子进入三维粒子电极 13功能区域也会在三聚氰胺海绵颗粒上吸附沉积形成铁的羟基氧化物，构建出能进行原位产双氧水并进行异相芬顿反应的三维电催化粒子电极，催化系统构建期间进水量为设计进水量的1/5，时间为1-2天；
正常处理期，进水需要初步调解pH值在3-4之间，废水由进水管8进入电催化反应池1，首先进入第一电源7控制的催化系统，铁电极11通过阳极电解释放出铁离子，电流密度根据污水中磷酸根的含量而定，一般电流大小为50-150mA。然后废水进入第二电源5控制的催化系统中，阴极负责将水中硝态氮还原成氮气，钛基涂层电极15将一部分有机物直接氧化成小分子或直接矿化，中间的三维粒子电极 13在外部电流以及曝气作用下不断合成双氧水发生非均相芬顿氧化反应将吸附到三聚氰胺海绵上的有机污染物氧化去除，多余的双氧水于该区域被阴极还原的亚铁离子发生均相芬顿反应。多余的铁离子可以不断的修复和补充泡沫铜上的羟基氧化物催化层，亦可以不断的维持三维粒子电极 13中羟基氧化物的量。电催化反应池1中完成了废水的减污降碳脱氮的工作。电催化反应池1中处理的污水经溢流管4进入沉淀池，调解出水pH值6-8，水中的磷酸根与铁离子生成磷酸铁难溶沉淀，再加入体积分数0.05‰的PAM溶液加速沉淀分离形成上清液排出；至此，废水的减污降碳脱氮除磷工作完成。
其中，投放的三维粒子电极 13的初步合成是将三聚氰胺海绵粒浸泡在含有金离子和钯离子的水溶液中充分吸附，然后在依次加入一定量的稳定剂和还原剂，使得金和钯离子快速还原，在三聚氰胺海绵粒上负载钯金合金催化成分。三聚氰胺海绵粒的大小为1-2cm3的方体或球型。金离子和钯离子的来源为氯金酸和氯化钯，金离子和钯离子的摩尔比为1:1，钯金合金的负载量为三聚氰胺海绵粒干重质量的1‰-3‰。稳定剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、硫酸铵中的一种或几种，稳定剂的投加量为金和钯总质量的50-200倍。还原剂为抗坏血酸、水合肼、盐酸羟胺中的一种或两种，还原剂的投加量为金和钯总质量的1-10倍。负载钯金合金的三聚氰胺海绵粒60℃烘干备用。
应用例1
目标处理废水为某农药废水，COD浓度为356mg/l，硝态氮浓度为88 mg/l，总氮95mg/l，总磷45mg/l，设计进水量为1m3/h。
首先是三维粒子电极 13的初步制备，三聚氰胺海绵粒浸泡在含有金离子和钯离子的水溶液中充分吸附，然后再依次加入一定量的稳定剂和还原剂，使得金和钯离子快速还原，在三聚氰胺海绵粒上负载钯金合金催化成分。三聚氰胺海绵粒的大小为1cm3的方体。金离子和钯离子的来源为氯金酸和氯化钯，金离子和钯离子的摩尔比为1:1，钯金合金的负载量为三聚氰胺海绵粒干重质量的1‰。稳定剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、硫酸铵中的一种或几种，还原剂的投加量为金和钯总质量的100倍。还原剂为抗坏血酸、水合肼、盐酸羟胺中的一种或两种，还原剂的投加量为金和钯总质量的10倍。负载钯金合金的三聚氰胺海绵粒60度烘干备用。
紧接着开始催化处理构建期，调解农药废水pH值在3-4之间，废水由进水管8进入电催化反应池1，首先进入第一电源7控制的催化系统，调解电流大小为200mA，铁电极11与碳毡电极10间距3cm。在第二电源5控制的催化系统中，控制电流大小为300mA，投放初步合成的三维粒子电极 13三聚氰胺海绵粒10L。所有电极浸没部分的面积相同且为0.7m2。该过程催化系统构建期间进水量为设计进水量的1/5，时间为1天，待泡沫铜电极12催化成分的构建完成和三聚氰胺海绵颗粒上吸附沉积形成铁氧体完毕。
正常处理期，调解进水量达到设计进水，进水pH值控制在3-4之间，第一电源7控制的催化系统电流大小为80mA。第二电源5控制的催化系统中，电流大小300mA，设计停留时间为1.5h。沉淀池调解出水pH值6-8，加入体积分数0.05‰的PAM溶液（质量分数1‰），沉淀分离形成上清液排出。
经过一系列处理，最终出水COD浓度为45mg/l，硝态氮浓度为5.1 mg/l，总氮10.2mg/l，总磷4.3mg/l，出水水质达到一级A的标准。

Claims (8)

1.一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置，包括电催化反应池(1)、沉淀池(2)、第一电源(7)、第二电源(5)、曝气管(6)、进水管(8)、溢流管(4)、出水管(3)，所述电催化反应池(1)的一端与进水管(8)连通，电催化反应池(1)的另一端通过溢流管(4)与沉淀池的一端连通，沉淀池(2)的另一端与出水管(3)连通，其特征在于，所述电催化反应池(1)内沿水流方向呈间距依次设置有碳毡电极(10)、铁电极(11)、泡沫铜电极(12)、钛基涂层电极(15)，所述第一电源(7)的阴极与碳毡电极(10)连接，第一电源(7)的阳极与铁电极(11)连接，所述第二电源(5)的阴极与泡沫铜电极(12)连接，第二电源(5)的阳极与钛基涂层电极(15)连接，所述泡沫铜电极(12)、钛基涂层电极(15)之间设置有三维粒子电极(13)和曝气盘(14)，所述曝气盘(14)与曝气管连通，其中，第一电源(7)控制系统控制铁电极(11)铁离子的溶出，铁离子流经泡沫铜电极(12)和三维粒子电极(13)功能区域，进入第二电源(5)控制的催化系统中的铁离子一部分用于完善泡沫铜电极(12)催化成分的构建，在泡沫铜电极(12)上以静电吸附形式原位沉积形成羟基氧化物，负责将水体中的硝态氮还原成氮气；还有一部分铁离子进入三维粒子电极(13)功能区域也会在三聚氰胺海绵颗粒上吸附沉积形成铁的羟基氧化物，构建出能进行原位产双氧水并进行异相芬顿反应的三维粒子电极(13)。
2. 根据权利要求1 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置，其特征在于，所述碳毡电极(10)和铁电极(11)的间距为3-5cm，所述泡沫铜电极(12)和钛基涂层电极(15)的间距为5-8cm，所述泡沫铜电极(12)和钛基涂层电极(15)之间底部有曝气盘(14)，中间投放有三维粒子电极( 13)。
3. 一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，根据权利要求1或2 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理装置，由催化处理构建期和正常处理期组成，其特征在于，所述催化处理构建期的具体步骤为：
S1、通过进水管(8)排入PH 值为3-4 的废水，进水量为设计进水量的1/5；
S2、启动第一电源(7)和第二电源(5)，第一电源(7)调解电流大小为50-200mA，第二电源(5)控制电流大小为300-1000mA；
S3、投放三维粒子电极( 13)，并开启底部曝气，时间为1-2 天；所述正常处理期的具体步骤为：
S1、PH 值为3-4 的废水由进水管(8)进入电催化反应池(1)，启动第一电源(7)和第二电源(5)，第一电源(7)调解电流大小为50-150mA，第二电源(5)控制电流大小为300-1000mA；
S2、电催化反应池(1)中处理的污水经溢流管(4)进入沉淀池(2)，调解出水pH 值6-8，再加入体积分数0.05‰的PAM 溶液加速沉淀分离形成上清液排出。
4. 根据权利要求3 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，其特征在于，所述三维粒子电极( 13)的初步合成是将三聚氰胺海绵粒浸泡在含有金离子和钯离子的水溶液中充分吸附，然后再依次加入稳定剂和还原剂，使得金离子和钯离子快速还原，在三聚氰胺海绵粒上负载钯金合金催化成分，负载钯金合金的三聚氰胺海绵粒60°C烘干备用。
5. 根据权利要求4 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，其特征在于，所述三聚氰胺海绵粒的大小为1-2cm3 的方体或球型。
6. 根据权利要求4 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，其特征在于，所述金离子和钯离子的来源为氯金酸和氯化钯，金离子和钯离子的摩尔比为1:1，钯金合金的负载量为三聚氰胺海绵粒干重质量的1‰-3‰。
7. 根据权利要求4 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，其特征在于，所述稳定剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、硫酸铵中的一种或几种，稳定剂的投加量为金和钯总质量的50-200 倍。
8. 根据权利要求4 所述的一种同步减污降碳脱氮除磷三维电催化处理工艺，其特征在于，所述还原剂为抗坏血酸、水合肼、盐酸羟胺中的一种或两种，还原剂的投加量为金和钯总质量的1-10 倍。
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