CN116693005A - 一种紧凑型管道式电化学处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型管道式电化学处理装置，包括分体式的废水处理管道单元，分体式的废水处理管道单元包括若干相连的废水处理单元，废水处理单元包括主体，主体一端设置有进水口，另一端设置有出水口，主体顶部设置有上盖，上盖上设置有传感器，主体内部设置有卡扣，卡扣设置有可拆卸式的电极对。本发明中的污水处理装置通过设置若干相连的废水处理单元，避免了大量的空间占用，废水处理单元的主体既是排水管道，也是污水的电化学处理器。本发明省去了传统污水处理系统中前置的储水箱(调节水箱)等配件。在节约了该部分设备成本支出和空间占用问题的同时，也能够避免污水在储水箱中长期滞留的过程中滋生病菌等微生物。

Description

一种紧凑型管道式电化学处理装置
技术领域
本发明属于有机废水处理技术领域，尤其涉及一种紧凑型管道式电化学处理装置。
背景技术
有机废水的来源多样，包括家庭生活废水、工业生产废水、农业生活和生产废水等。有机废水如果未经处理或者处理不彻底，直接排放到环境中，会对环境和人体健康带来严重危害。通过一些物理、生物、化学等方法可将有机废水中的有机物质去除或者转化为无害物质，从而减少对环境和人体健康的影响。
电催化氧化技术是一种利用电化学原理将有机废水中的有机污染物进行氧化降解的方法：在电催化氧化过程中，废水作为电解质，流经带电的阳极和阴极，其中包含的有机物质在阳极处被降解为小分子物质，并最终被氧化为无害的二氧化碳和水。由于具有高效、可控和环保的优势，电催化氧化技术被广泛应用于有机废水处理，尤其是对于那些难以生物降解的有机废水(如含有抗生素的医疗废水、高浓度和高盐度的有机废水、包含有生物毒性物质的有机废水等)。
在有机废水的电催化氧化处理中，存在一定的设备空间占用过高的问题，该问题主要体现在以下几个方面：
1)电解槽体积：传统的电催化氧化处理设备通常由一种或多种形状的电解槽构成。电解槽的体积取决于处理的废水量，这意味着处理大量废水需要较大的电解槽。这种设备通常占用较大的空间，可能不适合空间受限的地方，如城市或工厂内部。
2)电极面积：电催化氧化过程中，电极表面是电化学反应发生的主要场所。电极面积对于处理效率有很大影响。然而，为了提供足够的电极面积，电极往往需要设计成很大的尺寸，这也增加了设备的空间占用。
3)设备布局：电催化氧化处理系统除了电解槽和电极外，还包括电源、控制系统、废水输入和输出系统等，这些固有的设备也会占用一定的总体积空间。
目前基于电催化氧化技术的有机废水处理设备主要采用的是单一种类的活性电极(如仅采用PbO2电极、Ti4O7电极、RuO2-IrO2等材质电极中的一种)。由于不同材质的电极对不同污染物的降解效率存在差异，在针对成分复杂的有机废水时，可能会出现部分难降解物质的降解效率受限问题。
此外，许多电化学氧化处理设备往往采用单一模式的电流输入(如连续的恒流输入)，尽管这种供电模式能带来较高的废水处理效率，但随着水中的有机物含量逐步下降，电极表面产生的氧化剂和自由基越难与有机物接触，让设备继续维持长期的高电流状态会带来大量电能损失。
目前主流的有机废水处理设备通常配备有前置的储水(池)箱，在其中储存的有机废水达到一定总量时，系统才会将废水泵入电催化氧化反应器开始处理。而有机废水在长时间储存时会面临几个主要问题：
1)细菌滋生：有机废水中富含的有机物质是许多微生物，包括细菌的理想食物来源。在储存过程中，这些微生物会大量繁殖，引发细菌滋生的问题。部分细菌可能对人类或动植物健康构成危害，包括产生致病细菌和产生臭味的细菌。
2)环境污染：如果储存设施出现泄漏，这些含有有机物和细菌的废水可能会进入到地下水或周边水体，对环境造成严重污染。
因此，对于有机废水的电催化氧化处理设备来说，如何在实现对难降解有机废水的有效处理前提下，减少处理设备的体积和空间占用，同时实现更低的电能损失，是一项重要的设计和优化挑战。
化学需氧量(COD)是衡量水体中有机物质污染程度的重要指标，它表示在强氧化剂存在的条件下，水体中可被氧化的有机质和某些无机质(如硫化物、亚硝酸盐等)所消耗的氧的量。在有机废水处理中，COD值的大小对于评估有机废水的整体污染程度和确定处理策略具有关键意义。同时，COD也可以用来评估有机废水处理效果，通过观察处理过程中有机物质的去除情况，可以有效地监控有机废水处理设备的运行效果。然而，目前能够自动化检测水体COD值的设备体积大(往往需要占用整个设备间)、价格高(单台设备通常价格高达数万元人民币)，且需要使用大量对环境有害的耗材(如铬酸盐、汞硫酸盐、强酸等)。
发明内容
针对现有技术中存在的设备体积大、价格高，且需要使用大量对环境有害的耗材的问题，本发明的目的是提出一种紧凑型管道式电化学处理装置，该装置能够处理成分复杂的难降解有机废水，实现小规模有机废水的实时处理与排放，并且有效节省设备空间，价格低，绿色无污染。
为实现以上发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种紧凑型管道式电化学处理装置，包括分体式的废水处理管道单元，分体式的废水处理管道单元包括若干相连的废水处理单元，废水处理单元包括主体，主体一端设置有进水口，另一端设置有出水口，主体顶部设置有上盖，上盖上设置有传感器，主体内部设置有卡扣，卡扣上设置有可拆卸式的电极对。
进一步的，上盖顶部开设有用于放置电缆的凹槽结构。
进一步的，上盖顶部预留有废气排气口。
进一步的，可拆卸式的电极对为卧式电极对，且为圆柱形。
进一步的，相邻的主体之间的进水口和出水口之间通过耐腐蚀管道、法兰、螺纹、胶接、焊接对接或压接方式相连。
进一步的，上盖上设置有液位传感器和水体电导率传感器。
进一步的，主体的截面为圆形、方形、三角形或棱形。
进一步的，上盖上设置有磁力驱动的搅拌器、超声波搅拌器或静态混合器。
进一步的，每个可拆卸式的电极对通过电缆连接至电源，电缆中上设置有保险丝。
进一步的，可拆卸式的电极对(8)为PbO2电极、RuO2-IrO2电极、Ti4O7电极或掺硼金刚石电极。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明中的污水处理装置通过设置若干相连的废水处理单元，避免了大量的空间占用，废水处理单元的主体既是排水管道，也是污水的电化学处理器。本发明省去了传统污水处理系统中前置的储水箱(调节水箱)等配件。在节约了该部分设备成本支出和空间占用问题的同时，也能够避免污水在储水箱中长期滞留的过程中滋生病菌等微生物。
进一步的，与采用单一种类电极和单一供电模式(如单纯的直流供电)的传统污水处理系统不同，本发明的污水处理装置利用多个分体式结构串联组成，以及每个分体式结构支持独立供电的特点，能够将多种类型的电极(如PbO2电极、RuO2-IrO2电极、Ti4O7电极、掺硼金刚石电极等)相结合，也能够将多种供电模式(如脉冲模式、线性衰减模式、恒流-指数衰减模式)相结合，这将有利于适应多种类型的污水环境和起到节约电能的作用。
进一步的，本发明中通过支持包含多种类型活性电极的串联，以及支持外接可编程电源(能实现脉冲供电、直流-指数衰减等供电模式)的设计，能够在一定程度上扩大适用的有机废水种类范围，并降低电能损耗。
附图说明
构成本发明申请的一部分说明书附图被展示在下方，并用于提供对本发明的进一步理解。以下示意图和示意实例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的一种紧凑型管道式电化学处理装置中单个分体式的废水处理管道单元的构造图。其中，(a)为整体结构图，(b)为拆分结构图；
图2为单个分体式的废水处理管道单元的三视图。其中(a)为正视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图3为废水处理单元的应用模式。中，(a)为3个废水处理单元相连模式，(b)为2个废水处理单元相连模式；
图4为在对一种真实难降解有机废水进行电催化氧化处理过程中，水体COD值和电导率随时间的变化趋势(其中使用了PbO2电极作为阳极)。其中，(a)为氧极铅阳极J＝10mA/cm2下电导率随时间的变化趋势，(b)为氧极铅阳极J＝10mA/cm2下水体COD值随时间的变化趋势，(c)为氧极铅阳极J＝20mA/cm2下电导率随时间的变化趋势，(d)为氧极铅阳极J＝20mA/cm2下水体COD值随时间的变化趋势；
图中，1为分体式的废水处理管道单元；2为进水口；3为出水口；4为电缆；4-1为第一电缆，4-2为第二电缆，4-3为点电缆，5为废气排气口；6为主体；7为卡扣；8为可拆卸式的电极对；9为上盖；10为液位传感器，11为水体电导率传感器。
具体实施方式
以下是本发明详细描述部分，包含了与实施例和特征相关的附图和说明。在不产生冲突的情况下，本申请中的实施例和特征可进行任意组合。
这一详细描述部分仅作为示例，目的在于进一步阐述本发明。除非另有明确指定，本发明中所使用的所有技术术语，其定义均应与此领域技术人员的通常理解保持一致。本发明中的术语仅用于描述特定实施例，不意味着将发明保护范围限制于这些实施例。
如图1所示，本发明的一种紧凑型管道式电化学处理装置为一套能实现有机废水进水、实时处理、排放一体化的装置。该电化学处理装置的主体包括：分体式的废水处理管道单元1，分体式的废水处理管道单元1包括若干个废水处理单元，每个废水处理单元上一端设置有进水口2，另一端设置有出水口3，每个废水处理单元顶部开设有用于放置电缆4的凹槽结构，每个废水处理单元顶部预留有废气排气口5。其中相邻两个废水处理单元上的进水口2和出水口3可以两两对接，如图3中(a)所示，根据需要设置废水处理单元数量，将若干废水处理单元连接，最终形成集(有机废水)临时储存、处理、排放于一体化的管道结构。
如图1中(b)所示，该图展示了废水处理单元的内部结构，废水处理单元包括主体6，主体6一端设置有进水口2，另一端设置有出水口3，主体6顶部设置有上盖9，上盖9上设置有液位传感器10和水体电导率传感器11，主体6内部设置有卡扣7和可拆卸式的电极对8，可拆卸式的电极对8固定在卡扣7上，可拆卸式的电极对8为圆柱形。
如图3中(a)和(b)所示，对于多个废水处理单元而言，相邻两个的进水口2和出水口3可以两两对接，每个废水处理单元内部延伸出来的电缆4(电缆4包括供电电缆和传感器数据线，具体包括第一电缆4-1，第二电缆4-2与第三电缆4-3)，则可以有序地固定在废水处理单元上方的凹槽结构处，并与外部的供电装置相连接，最终形成集(有机废水)临时储存、处理、排放于一体化的管道结构。
如图3中(b)所示，除了通过废水处理单元彼此间的直接连接外，还可以在不同的废水处理单元的进水口2和出水口3中间，使用耐腐蚀管道作为中继来进行连接，并根据需要设置废水处理单元数量，最终同样可以形成集(有机废水)临时储存、处理、排放于一体化的管道结构。优选的，耐腐蚀管道为聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)、陶瓷管道等，优选为PVC材质。此外，进水口2和出水口3的接口方式可以根据实际需求采用各种方式，包括但不限于法兰连接、螺纹连接、胶接、焊接对接或压接等方式。无论采用哪一种连接方式，最终都将形成一个有机废水实时处理、排放的管道系统。连接各个分体单元的方式包括但不限于快速接头连接(例如，螺旋锁定、卡扣等)、熔接、法兰连接等。当管道材质为聚合物时，熔接是优选的连接方式。
与传统有机废水处理中使用的板状电极对不同，本发明采用的可拆卸式的电极对8是卧式的电极对。这样的设计可以确保即使管道中的水量较少，废水仍能与电极对接触(水量越多，水位越高，待处理废水与电极的接触面积也就越大)。
根据需要，上盖9处可以选择配备液位传感器10和水体电导率传感器11两种传感器。液位传感器10有助于反应当前装置内的液体总量情况。水体电导率传感器11用于测定水体电导率；在电催化氧化处理过程中，水体电导率的变化趋势通常与化学需氧量(COD)的变化趋势存在一定的关联。当水体COD值的降低趋势变平缓(这表明开始接近化学平衡)时，水体电导率的变化趋势也将变得平缓，这表明有机废水的处理过程接近终点。图4中(a)、(b)、(c)和(d)展示了在对一种真实难降解有机废水进行电催化氧化处理过程中，水体COD值和电导率随时间的变化趋势，从而进一步验证了这样的推论：通过收集不同时间段的水体电导率数据，并让主控计算机自动收集并分析这些数据，可以使用便宜且体积小的水体电导率传感器来大致掌握有机废水降解的程度。
进一步的，本发明所提到的分体式的废水处理单元1的截面形状并不仅限于圆形。根据实际应用场所的需要，其截面也可以设计为方形、三角形或棱形等。
进一步的，本发明中的可拆卸式的电极对8优选为镂空的网状电极，但根据需要也可以用实心电极代替。
进一步的，本发明中的上盖9处，还可以额外增配用于促进管道内部液体与电极表面充分接触的小型低功率设备，小型低功率设备包括但不限于：磁力驱动的搅拌器、超声波搅拌器或静态混合器等。
进一步的，本发明中的卡扣7可以容纳一对相互配合的圆柱形电极，上盖9处也预留有用于给这两对电极独立供电的电缆接口。此处的电极对结构设计可以起到以下作用：①立体的圆柱形电极对可以提升电极与废水的有效接触面积，在对高浓度的有机废水进行处理时，可以有效提升处理效率；②这种电极可以确保，即使在管道内的废水流量较低(对应于管道内液位较低)的情况下，废水仍能与电极对接触。此时，在管道内液位较低的情况下，该废水处理单元仍能继续工作。
进一步的，本发明中的每一对电极都通过独立的电缆连接至电源。为防止短路造成设备损坏，电缆中段可加装防止电流过载的保险丝，以保护电路中的其它元件。即使设备中部分电极对出现故障，也能保证设备整体的废水处理能力不会丧失。由于每一对电极都通过独立的电缆连接至电源，系统可以为不同的废水处理单元独立供电。在电催化氧化处理过程中，由于有机废水中的有机物含量逐渐降低，因此可以使通过靠前处理单元中电极的电流密度维持在较高水平，同时使通过靠后处理单元中电极的电流密度维持在较低水平，这将有助于提高电流的利用效率，从而降低降解水中有机物的电能消耗。
参见图4，可以看出，在不同的电流密度下，有机废水的电导率变化趋势与水体实际COD变化趋势具有一定相关性。这种相关性为大致判断系统中有机废水的降解程度提供了可能性。
进一步的，在不同的废水处理单元中，可以根据需要使用相同或不同材质的电极。所用电极优选为PbO2电极。也可以在一部分废水处理单元中使用PbO2电极，而在另一部分废水处理单元中使用如RuO2-IrO2电极、Ti4O7电极或掺硼金刚石(BDD)电极等。总的来说，根据需求和具体情况，可以采用不同的电极配置方案。
实施例1
废水处理单元上的上盖9集成有多种类型的供电接口，包括了电极电源接口、传感器电源接口等。通过合理的电气配线，将这些不同类型的电缆整合并连接至外部由计算机控制的电源。
实施例2
经滤网物理过滤的有机废水，通过最初的进水口2进入第一级废水处理单元1内，外置的主控系统通过液位传感器检测到废水进入后，向单元内的电极7供电。废水逐级流过多个串联的废水处理单元1构成的管道，并最终完成水中过量有机物的降解。
实施例3
上盖8处的水体电导率传感器11持续收集不同时刻的水体电导率信息，并上传至计算机。计算机将自动分析废水电导率随时间的变化趋势，并对当前的有机废水处理进度进行大致的推测。相关数据和分析结果将被计算机自动记录和保存，在后期可由相关技术人员定期对计算机估算结果进行校验。
实施例4
目前大量的研究表明：采用脉冲模式、线性衰减模式、恒流-指数衰减模式等供电模式时，能在确保水中有机物充分降解的前提下，有效地节省电能消耗。然而对于成分复杂且构成未知的有机废水，哪种方法更适用于当前水质情况却很难予以判断。该发明中由计算机控制的独立供电结构能很好地整合这一点：计算机可基于枚举法，对不同的废水处理单元提供不同的供电模式，并将单位时间内的废水电导率变化趋势(ΔC/C0)与耗电量(Q，输出电流I*实时电压U对运行时间t的积分)进行比对(ΔC/C0/Q)，若自动分析得出，ΔC/Q的数值明显大于其它组别，则表明该供电模式可能更加地适合于当前种类有机废水的处理。
以上提供的实例为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围不限于此。对于本发明所描述的技术和技术范围，任何了解该领域技术的技术人员都可以根据该新技术方案的内容进行等效替换。这些变化应当被视为属于该发明合理的保护范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，包括分体式的废水处理管道单元(1)，分体式的废水处理管道单元(1)包括若干相连的废水处理单元，废水处理单元包括主体(6)，主体(6)一端设置有进水口(2)，另一端设置有出水口(3)，主体(6)顶部设置有上盖(9)，上盖(9)上设置有传感器，主体(6)内部设置有卡扣(7)，卡扣(7)上设置有可拆卸式的电极对(8)。
2.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，上盖(9)顶部开设有用于放置电缆(4)的凹槽结构。
3.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，上盖(9)顶部预留有废气排气口(5)。
4.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，可拆卸式的电极对(8)为卧式电极对，且为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，相邻的主体(6)之间的进水口(2)和出水口(3)之间通过耐腐蚀管道、法兰、螺纹、胶接、焊接对接或压接方式相连。
6.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，上盖(9)上设置有液位传感器(10)和水体电导率传感器(11)。
7.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，主体(6)的截面为圆形、方形、三角形或棱形。
8.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，上盖(9)上设置有磁力驱动的搅拌器、超声波搅拌器或静态混合器。
9.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，每个可拆卸式的电极对(8)通过电缆连接至电源，电缆中上设置有保险丝。
10.根据权利要求1所述的紧凑型管道式电化学处理装置，其特征在于，可拆卸式的电极对(8)为PbO2电极、RuO2-IrO2电极、Ti4O7电极或掺硼金刚石电极。
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