CN116282407B - 一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法，包含H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统。该污水处理设备集成了多种电化学高级氧化技术：H₂O₂电合成系统采用了无曝气高效电合成H₂O₂技术；电化学污水处理系统耦合了改进型双阴极电芬顿、过氧絮凝和光电芬顿技术，集成了电氧化、电絮凝和UV/H₂O₂氧化作用，有效提高了H₂O₂的转化利用效率，高效去除污水中的有机物和细菌等污染物。太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法具有可移动、适用场景广泛、无需投加氧化剂和催化剂、污水处理成本低、运行效果稳定等优点，可以在分散式污水的处理中推广应用。

Description

一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体地，本发明涉及一种太阳能驱动电化学一体化污水处理设备及污水处理方法。

背景技术

随着我国环境治理要求的提高，分散式污水的处理需求日益增多。分散式污水通常具有产生分散、水质水量变化大等特点，集中式的污水处理设施系统往往不具备经济可行性，因此需要发展小型化污水处理系统。传统的生物处理设备和方法如活性污泥法、接触氧化法、膜-生物反应器、净化槽等在一定程度上减少了污水直排对环境造成的危害，但是也存在着处理效果不够、抗冲击负荷能力不强、低温下不能稳定运行和运行管理费用较高等问题。特别是在一些经济欠发达地区，由于采用电网供电、不易移动、缺乏人员管理维修，不少污水处理设备设施处于荒废状态，实际污水处理效果并未达到。

电化学高级氧化污水处理技术因其所需设备简单、操作环境和过程安全、易于自动化操作和控制、能同时高效去除多种污染物和细菌等优点，在污水处理领域受到关注。但是目前的电化学高级氧化污水处理技术和设备还存在着污水处理电耗高、活性物种转化利用效率低和集成化水平不足等问题。因此，构建一种由太阳能驱动的污水电化学集成处理设备及污水处理方法十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法，该污水处理系统具有可移动、适用场景广泛、无需投加氧化剂和催化剂、污水处理成本低、能同时去除多种污染物和细菌、维护简单等优点。

一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备，包括H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统；所述H₂O₂电合成系统为污水的电化学氧化处理过程提供H₂O₂，所述电化学污水处理系统用于处理污水，所述光伏发电系统用于向所述H₂O₂电合成系统和电化学污水处理系统提供电能；

所述H₂O₂电合成系统包括H₂O₂电化学发生器、泵、直流电源和H₂O₂储存池；所述H₂O₂电化学发生器的阴极为空气主动扩散阴极，阳极为形稳电极，阴阳极通过导线与直流电源连接；

所述电化学污水处理系统包括主体反应器、泵和直流电源；所述主体反应器包括电化学催化反应区和紫外光催化反应区；所述电化学催化反应区内设置电极组，所述电极组包括铁板阳极、形稳阳极和碳毡阴极，电极组通过导线与直流电源连接；所述紫外光催化反应区设置浸没式紫外灯；

所述光伏发电系统包括光伏板和太阳能发电机；所述太阳能发电机包括负载接口、光伏电能接入口、市电接入口、蓄电池和信息显示模块。

H₂O₂电化学发生器内的空气主动扩散阴极能够在无曝气、高电流密度条件下高效低耗电合成H₂O₂供给电化学污水处理系统；电化学污水处理系统耦合了改进型双阴极电芬顿、过氧絮凝和光电芬顿技术，有效提高了H₂O₂的转化利用效率，其中集成了电氧化、电絮凝和UV/ H₂O₂氧化作用，可以有效激发羟基自由基、超氧自由基等活性物质高效去除污水中的有机物和细菌等污染物。

在一个可选的实施方式中，所述电化学催化反应区内电极排布方式为铁板阳极和形稳阳极交替分布，形稳阳极也可以使用不锈钢板代替，阴极均为碳毡，所述阴阳极错位设置以形成折流板；所述电极均配合使用绝缘承托板固定。

在一个可选的实施方式中，所述主体反应器前后分别设置污水进水管和出水管；所述电化学催化反应区和紫外光催化反应区之间设置隔板，并以溢流孔相连；

在一个可选的实施方式中，所述电化学催化反应区末端设置用于过滤拦截铁絮凝物的过滤棉；

在一个可选的实施方式中，所述电化学催化反应区底部设置污泥排污口。

采用不锈钢板阳极和碳毡阴极可以降低设备成本，折流板设置可以增加污水停留时间，电极承托板可以减小污水流动对电极的冲击影响，溢流孔和过滤棉的设置可以污水中的铁絮凝物和浮渣拦截，避免影响后续处理的效果。

在一个可选的实施方式中，所述电气设备均与所述太阳能发电机负载接口连接；所述H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统均与电控模块电连接。

在一个可选的实施方式中，所述H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统均集成于一体化设备中，设备顶部放置太阳能光伏板，底部设置轮子。

采用太阳能发电驱动能够降低污水处理的电耗成本，并且有利于该污水处理设备的可移动性和多场景适用性，增强对分散式污水处理的经济效益；所述污水处理设备同时配备蓄电池和市电接口，可以保证在阴天和夜间的稳定运行。

按照本发明的另一个方面，一种处理污水的方法，使用所述的污水处理设备处理污水，所述方法包括：

通过电控模块控制H₂O₂电合成系统产生H₂O₂于储存池中；通过配置简易过滤装置的泵将污水输入所述电化学污水处理系统，同时将H₂O₂储存池中的H₂O₂输入所述电化学污水处理系统，通过电控模块控制直流电源给电化学催化反应区内的电极组施加电流并开启紫外光催化反应区内的紫外灯；污水在电化学催化反应区处理后进入紫外光催化反应区，最后通过排水口流出；

所述太阳能发电系统向所述电气设备供电，在发电量不足时可使用内置蓄电池或连接市电使用。

与现有技术相比，本发明具有以下突出特点：

（1）不需要外加氧化剂和催化剂，不需要预先调节污水pH值和电导率，可以适应多种类型和不同水质的污水处理要求。

（2）集成了多种电化学高级氧化技术和太阳能发电系统，能同时去除污水中的有机物、细菌等，污水处理成本低，处理过程高效安全。

（3）设备可移动，不需要大规模铺设污水收集管网，不受水温限制，设备启动快，运行稳定，管理维护成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为实施例提供的太阳能驱动污水电化学集成处理设备的示意图；

图2为实施例提供的电化学污水处理系统中主体反应器的示意图；

图3为实施例提供的使用太阳能驱动污水电化学集成处理设备对不同类型分散式污水进行处理的COD去除结果；

图4为实施例提供的使用太阳能驱动污水电化学集成处理设备对分散式厕所废水进行处理的杀菌效果；

图5为实施例提供的使用太阳能驱动污水电化学集成处理设备对不同类型分散式污水进行处理的能耗图；

附图标记：

1—太阳能光伏板；2—H₂O₂电化学发生器和H₂O₂储存池；3—泵；4—泵；5—直流电源；6—主体反应器；7—轮子；8—太阳能发电机；9—进水管；10—铁板阳极；11—不锈钢板阳极；12—碳毡阴极；13—过滤棉；14—溢流孔；15—紫外灯；16—出水管。

实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参考图1，一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备，包括H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统；所述H₂O₂电合成系统包括H₂O₂电化学发生器和H₂O₂储存池2、泵3和直流电源5，所述H₂O₂电合成系统为污水的电化学氧化处理过程提供H₂O₂；所述电化学污水处理系统包括主体反应器6、泵4和直流电源5，所述电化学污水处理系统用于处理污水；所述光伏发电系统包括光伏板1和太阳能发电机8，所述光伏发电系统用于向所述H₂O₂电合成系统和电化学污水处理系统提供电能。

太阳能光伏板1斜放于一体化设备顶部，太阳能光伏板与顶部平面的角度可在10-40°范围内调节，太阳能发电机8放置于设备内部一侧；泵3和4、H₂O₂电化学发生器和H₂O₂储存池2、直流电源5放置于一体化设备上部两层，直流电源5可以为H₂O₂电化学发生器2和主体反应器6提供电流；主体反应器6放置于一体化设备底层，底层下部安装4个轮子7。

参考图2，电化学污水处理系统中的主体反应器包括电化学催化反应区和紫外光催化反应区；所述电化学催化反应区内设置电极组，所述电极组包括铁板阳极10、不锈钢阳极11和碳毡阴极12，铁板阳极10、不锈钢阳极11和碳毡阴极12按图示方式交替分布，所述阴阳极按图示方式错位设置以形成折流板，电极组通过导线与直流电源连接；所述紫外光催化反应区设置在电化学催化反应区之后，两区之间设置过滤棉13并通过溢流孔14相连，所述紫外光催化反应区中设置浸没式紫外灯15；所述主体反应器前后分别设置污水进水管9和出水管16。

参考图3，本实例试验了太阳能驱动污水电化学集成处理设备对不同类型分散式污水的处理效果，通过电控模块控制H₂O₂电化学发生器输入电流为3 A，在0.05 M硫酸钠电解质中进行H₂O₂原位合成；通过配置简易过滤装置的潜水泵将污水输入电化学污水处理系统，同时将H₂O₂储存池中的H₂O₂输入所述电化学污水处理系统，通过电控模块控制直流电源给电化学催化反应区内的铁阳极和碳毡阴极电极组施加0.5 A电流，不锈钢阳极和碳毡阴极电极组施加2.5 A电流并开启紫外光催化反应区内的紫外灯；污水在电化学催化反应区处理后进入紫外光催化反应区，控制污水反应时间为2 h，最后处理后的水通过排水口流出；处理后的厕所废水COD值降为78 mg/L，达到城镇污水处理厂出水二级标准；处理后的海产养殖废水COD_Mn值降为18 mg/L，符合海产养殖废水排放标准二级标准；处理后的湖水COD值降为20 mg/L，达到地表水环境标准Ⅲ类水体标准；处理后的医药废水COD值降为82 mg/L，达到该制药公司处理要求。

参考图4，本实例试验了太阳能驱动污水电化学集成处理设备对分散式厕所废水进行处理的杀菌效果，在控制H₂O₂电化学发生器输入电流为3 A，电化学催化反应区内的铁阳极和碳毡阴极电极组施加电流为0.5 A，不锈钢阳极和碳毡阴极电极组施加电流为2.5A，并开启紫外光催化反应区内的紫外灯的条件下，处理2 h后，太阳能驱动污水电化学集成处理设备对厕所废水中的细菌杀灭效果明显，细菌灭活率可达到log4.85，出水菌群数低于2000个/100 mL, 达到农田灌溉用水水质控制标准，可以作为农田（水作、旱作和蔬菜）灌溉、花草浇灌回用水使用。

参考图5，本实例试验了太阳能驱动污水电化学集成处理设备对不同类型分散式污水的处理能耗，在控制H₂O₂电化学发生器输入电流为3 A，电化学催化反应区内的铁阳极和碳毡阴极电极组施加电流为0.5 A，不锈钢阳极和碳毡阴极电极组施加电流为2.5 A，并开启紫外光催化反应区内的紫外灯的条件下，相应的污水处理能耗分别为：厕所废水0.13kWh/gCOD；海产养殖废水0.16 kWh/gCOD；湖水0.08 kWh/gCOD；医药废水0.09 kWh/gCOD，结果表明该太阳能驱动污水电化学集成处理设备及污水处理方法具有污水处理能耗低的优势。

以上列举的仅是本发明的具体实施例子，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种太阳能驱动污水电化学集成处理设备，其特征在于，包括H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统；所述H₂O₂电合成系统为污水的电化学氧化处理过程提供H₂O₂，所述电化学污水处理系统用于处理污水，所述光伏发电系统用于向所述H₂O₂电合成系统和电化学污水处理系统提供电能；

所述H₂O₂电合成系统包括H₂O₂电化学发生器、泵、直流电源和H₂O₂储存池；所述H₂O₂电化学发生器的阴极为空气主动扩散阴极，阳极为形稳电极，阴、阳极通过导线与直流电源连接；

所述电化学污水处理系统包括主体反应器、泵和直流电源；所述主体反应器包括电化学催化反应区和紫外光催化反应区；所述电化学催化反应区内设置电极组，所述电极组包括铁板阳极、形稳阳极和碳毡阴极，电极组通过导线与直流电源连接；所述电化学催化反应区内电极排布方式为铁板阳极和形稳阳极交替分布，形稳阳极采用不锈钢板，阴极为碳毡或者硝酸改性后的碳毡电极，所述阴、阳极错位设置以形成折流板；所述电极均配合使用绝缘承托板固定；所述紫外光催化反应区设置浸没式紫外灯；

所述光伏发电系统包括光伏板和太阳能发电机；所述太阳能发电机包括负载接口、光伏电能接入口、市电接入口、蓄电池和信息显示模块。

2.根据权利要求1所述的太阳能驱动污水电化学集成处理设备，其特征在于，所述主体反应器前后分别设置污水进水管和出水管；所述电化学催化反应区和紫外光催化反应区之间设置隔板，并以溢流孔相连；所述电化学催化反应区末端设置用于过滤拦截铁絮凝物的过滤棉；所述电化学催化反应区底部设置污泥排污口。

3.根据权利要求1所述的太阳能驱动污水电化学集成处理设备，其特征在于，电气设备均与所述太阳能发电机负载接口连接；所述H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统均与电控模块电连接。

4.根据权利要求1所述的太阳能驱动污水电化学集成处理设备，其特征在于，所述H₂O₂电合成系统、电化学污水处理系统和光伏发电系统均集成于一体化设备中，设备顶部放置太阳能光伏板，底部设置轮子。

5.一种污水处理方法，其特征在于，使用权利要求1-4所述的太阳能驱动污水电化学集成处理设备处理污水，所述方法包括：

通过电控模块控制H₂O₂电合成系统产生H₂O₂于储存池中；通过配置简易过滤装置的泵将污水输入所述电化学污水处理系统，同时将H₂O₂储存池中的H₂O₂输入所述电化学污水处理系统，通过电控模块控制直流电源给电化学催化反应区内的电极组施加电流并开启紫外光催化反应区内的紫外灯；污水在电化学催化反应区处理后进入紫外光催化反应区，最后通过排水口流出；

所述光伏发电系统向所述电气设备供电，在发电量不足时可使用内置蓄电池或连接市电使用。