CN1654340A - 有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置及方法，在处理装置壳体的上、下部分别安装水力分布板，将壳体自上而下依次分成出水室，电化学反应室和进水室，在电化学反应室环绕壳体的内壁装置阴极，中心设置阳极，在进水室中环形分布与进气管相连的曝气头，将活性炭填充于阴阳两极间，在有机废水中加入电解质，并调节pH值，将废水从壳体底部泵入至壳体顶部出水口流出，在进气管通入气体，废水处理在常温常压下进行，外加直流电流0.2～2.5A，水流量控制在1～5L/min，气体速率控制在0～50mL/s，使活性炭处于流化状态。本发明通过电化学氧化和活性炭吸附的联合作用可提高降解速率，处理效果好，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于有机废水尤其是难生化降解的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置及方法。
背景技术
含有难生化降解有机污染物的废水，由于其结构稳定、可生化性差，常规处理方法难以致效，给环境带来很大污染，成为环保水处理领域多年关注和要解决的技术问题。
活性炭由于其发达的细孔结构、巨大比表面积和极强吸附能力，在给水、废水处理方面获得了广泛的应用。但活性炭成本高，且易吸附饱和，若不进行再生回收还会对环境造成二次污染，因此，活性炭吸附在废水处理中的应用受到了限制。
近年来，电化学氧化技术因其处理效率高、操作简便、环境友好等优点，引起了世界各国水处理界的极大关注，纷纷开展了电极材料的探索和电化学处理工艺的开发(Rajeshwar et al.，J.Appl.Electrochem.，1994，24：1077)。研究表明，二氧化铅等高析氧过电位的电极能在极化条件下氧化能力很强的羟基自由基，因而获得较好的污染物降解效果。但在常规的电化学反应器中，因受传质限制，羟基自由基往往转移不到溶液主体中去，因而污染物的降解通常仅发生在阳极表面，而溶液主体很少发生，这使得有机污染物降解的时空速率较低。并且由于降解的中间产物滞留在阳极表面，引发阳极表面发生毒化现象，从而抑制了产生羟基自由基的反应，降低了污染物处理效果。
因此，迫切需要优化电化学反应器的设计，加强阳极表面产生的羟基自由基向溶液主体的传质。而流化床是有望达到这一目的的手段之一，通过引入活性炭并形成流化状态，将可能促进污染物的吸附、降解，从而提高降解速率，降低废水处理成本。
发明内容
本发明的目的是设计提供一种有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置及方法。通过在常规的电化学体系中，引入活性炭并控制处于流化状态，达到电化学氧化和活性炭吸附的联合作用而大大加快处理。并且活性炭则可通过电化学的现场再生，从而能达到反复使用，大大降低了废水处理成本。
本发明的有机废水的三相(气、液、固)活性炭流化床电化学处理装置，包括壳体，在壳体的上、下部分别安装有将壳体自上而下依次分成出水室，电化学反应室和进水室的第一水力分布板和第二水力分布板，出水室和进水室分别设有出水口和进水口，在电化学反应室环绕壳体的内壁装置阴极，中心设置阳极，阴极与阳极之间具有放置活性炭的空腔，在进水室中环形分布有与进气管相连的曝气头。
上述的阴极可以采用不锈钢网或活性炭纤维，阳极可以采用高析氧过电势电极，如二氧化铅、二氧化锡或金刚石电极。相对而言，二氧化铅电极成本低廉且催化活性高，但稳定性不高，电极表面易发生剥落，而经过氟树脂改性后，其稳定性大为提高，电极寿命大为增加，因而更易于工业应用，因此，阳极优选经过氟树脂改性的二氧化铅。
有机废水的三相活性炭流化床电化学处理在常温常压下进行，将活性炭填充于阴阳两极间，在待处理的有机废水中加入电解质，使废水含盐量为1～15g/L，并调节pH值为2～5，将废水从壳体底部进水口泵入依次流经进水室，下部水力分布板、电化学反应器，上部水力分布板、出水室至壳体顶部出水口流出，进气管通入气体，外加直流电流0.2～2.5A，水流量控制在1～5L/min，气体速率控制在0～50mL/s，使活性炭处于流化状态。
本发明中，所说的电解质可以是硫酸盐或盐酸盐，如Na2SO4或NaCl等常见的强盐电解质。所说的气体可为氧气或空气。外加直流电流的大小和水的流量及处理时间，可根据处理废水的水质进行调节。
本发明的有机废水处理机理主要为电化学氧化、活性炭吸附及其电化学再生。本发明采用的高析氧过电势电极在合适的电势条件下产生氧化性极强的羟基自由基(·OH)，其反应如下，
本发明具有以下的突出特点和有益效果：
(1)脱附于活性炭表面的污染物能得到高效的降解。本发明采用了新型高效阳极，该电极处理有机污染物主要基于羟基自由基氧化机理。众所周知，羟基自由基是仅次于氟的强氧化剂，因此，污染物处理效果大大提高，试验表明对苯环类有机污染物降解的电流效率可高达80％，能量利用率高。另外，通过电解质(如NaCl)的加入，能通过电化学反应产生次氯酸，共同氧化降解有机污染物，从而使得废水处理更彻底。
(2)活性炭吸附、再生时间大大缩短。在活性炭流化状态下，传质作用加强，有机污染物脱附、降解大大加快。活性炭再生实验表明，处理1.5hr即可使饱和吸附的活性炭再生效率达到92％以上。此外，由于阳极表面传质快，不会发生电极毒化的现象。
(3)电极体系运行稳定。本发明采用的阳极性能稳定，耐酸腐蚀，以经氟树脂改性的二氧化铅电极为例，测试表明，即使在电流密度120Adm-2、温度90℃的极端条件下，该电极的寿命仍高达1000hr，常规工业应用条件下，电极寿命可达10.4年，这有利于本体系的工业应用。
附图说明
图1是有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置结构示意图。
图中1为端盖，2为出水室，3为第一水力分布板，4为法兰，5为阳极，6为第二水力分布板，7为进水口，8为进水室，9为颗粒活性炭，10为电化学反应室，11为壳体，12为阴极，13为出水口，14为曝气进气管，15为曝气头。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术解决方案，以下通过附图及具体实施例作进一步描述。
参照图1，有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置包括壳体11，图例中，壳体11具有用法兰4密闭连接的端盖1，在端盖内安装有第一水力分布板3，在壳体的下部安装有第二水力分布板6，这里，水力分布板是常规的分布有孔的板，该两块水力分布板将壳体自上而下依次分成出水室2，电化学反应室10和进水室8，出水室2和进水室8分别设有出水口13和进水口7，在电化学反应室环绕壳体的内壁装置阴极12，中心设置阳极5，阴极12可以是不锈钢网或活性炭纤维，阳极5采用高析氧过电位电极。在电化学反应室10下方的进水室8中，环形分布有曝气头15，曝气头15与进气管14相连，这样可以均匀分布进气管14曝入的气体。为方便阳极接电源，可如图所示，使阳极5穿越第一水力分布板3，与端盖固定。阴极12与阳极5之间具有放置活性炭9的空腔。壳体可采用透明材料，如有机玻璃，以便于观察。
实施例1：三相活性炭流化床电化学处理对硝基苯酚废水
电化学反应室的阳极为经氟树脂改性的二氧化铅陶瓷管电极，阴极为不锈钢网。废水处理前，在电化学反应室中加入3g活性炭，在废水中加入NaCl，使废水含盐量为5g/L，并调节废水pH至3，通过控制电流为0.5A，液体流速为3.0L/min，空气曝气速率为20mL/s，使得活性炭处于流化状态。
试验表明，对于初始浓度为150mg/l的对硝基苯酚(PNP)废水，处理20min后对硝基苯酚几乎完全去除，而2hr内化学需氧量(COD)去除率可达85％以上。相似条件下，在单独的活性炭吸附和电化学氧化中，处理20min后对硝基苯酚去除率约分别为35％和53％。这表明，该三相活性炭流化床电化学反应装置处理废水存在明显的协同效应，经计算对硝基苯酚和COD的处理效果较相似条件下单独的电催化作用和活性炭吸附分别提高137.8％和97.8％。
同样条件下，对于初始浓度为300、500mg/L的PNP废水，其60min内的去除率分别为90％和80％。
连续6次不换活性炭连续处理污染物的循环实验表明，废水处理效率无明显下降，表明活性炭得到有效的再生，这显示了三相活性炭流化床电化学反应装置在难降解有机废水处理领域的良好应用前景。由于处理过程，废水处理将因电催化和活性炭吸附的联合作用而大大加快，而活性炭可得到有效再生而重复利用，因此大大降低了处理成本。
实施例2：三相活性炭流化床电化学处理苯酚废水
采用同例1的电化学体系处理含300mg/L的苯酚废水。处理前，在电化学反应室中加入3g活性炭，在废水中加入Na2SO4，使废水含盐量为10g/L，并调节废水pH至3，通过控制电流为0.8A，液体流速为3.25L/min，氧气速率为15mL/s，使得活性炭处于流化状态。试验表明，处理30min后苯酚几乎完全去除，而2.0hr内化学需氧量(COD)去除率达到93％。
实施例3：活性炭电化学再生
为了直接证实活性炭在上述三相流化床电化学装置中的再生作用，采用例1中活性炭3g，预先投入初始浓度为1000mg/L的对硝基苯酚溶液中吸附3天达到饱和。然后将该活性炭移入电化学反应室，通入含电解质的水溶液进行电化学再生。其他实验条件如含盐量、电解质、溶液pH、电流、气体、液体流速与例1完全相同。实验表明，在上述反应器中电化学处理1.5hr，活性炭再生效率可达90％。
Claims (8)
1.有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置，其特征是包括壳体(11)，壳体(11)具有用法兰(4)密闭连接的端盖(1)，在壳体的上、下部分别安装有将壳体自上而下依次分成出水室(2)，电化学反应室(10)和进水室(8)的第一水力分布板(3)和第二水力分布板(6)，出水室(2)和进水室(8)分别设有出水口(13)和进水口(7)，在电化学反应室环绕壳体的内壁装置阴极(12)，中心设置阳极(5)，阴极(12)与阳极(5)之间具有放置活性炭(9)的空腔，在进水室(8)中环形分布有与进气管(14)相连的曝气头(15)。
2.根据权利要求1所述的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置，其特征是所说的阴极(12)为不锈钢网或活性炭纤维，阳极(5)为高析氧过电位电极。
3.根据权利要求2所述的三相活性炭流化床电化学处理装置，其特征是所说的高析氧过电位电极为二氧化铅、二氧化锡或金刚石电极。
4.根据权利要求1所述的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置，其特征是第一水力分布板(3)安装在与壳体(11)密闭连接的端盖(1)上。
5.根据权利要求1所述的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理装置，其特征是阳极(5)穿越第一水力分布板(6)，与端盖固定。
6.有机废水的三相活性炭流化床电化学处理方法，其特征是在处理装置壳体的上、下部分别安装水力分布板，将壳体自上而下依次分成出水室，电化学反应室和进水室，在电化学反应室环绕壳体的内壁装置阴极，中心设置阳极，在进水室中环形分布与进气管相连的曝气头，将活性炭填充于阴阳两极间，在待处理的有机废水中加入电解质，使废水含盐量为1～15g/L，并调节pH值为2～5，将废水从壳体底部进水口泵入依次流经进水室，下部水力分布板、电化学反应器，上部水力分布板、出水室至壳体顶部出水口流出，进气管通入气体，废水处理在常温常压下进行，外加直流电流0.2～2.5A，水流量控制在1～5L/min，气体速率控制在0～50mL/s，使活性炭处于流化状态。
7.根据权利要求6所述的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理方法，其特征是所说的电解质为硫酸盐或盐酸盐。
8.根据权利要求6所述的有机废水的三相活性炭流化床电化学处理方法，其特征是所说的气体为空气或氧气。
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