CN205061634U - 强化电化学氧化废水处理装置 - Google Patents

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王丹丹
陈福明
曹凯
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Abstract

本实用新型涉及一种强化电化学氧化废水处理装置。该强化电化学氧化废水处理装置，包括压力罐体，压力罐体内竖直放置电解槽，电解槽与外部直流电源通过压力罐体外部的正、负极接线柱相连，压力罐体的顶部设有压力表、安全阀、出水口，压力罐体的底部设有经进气管连通压力罐体内外的布气系统，压力罐体中心轴处设有与外界贯通的布水系统，压力罐体还设有用于控制、调节压力罐体内的压力、溶解氧浓度而分别设于压力罐体内的压力传感器和溶解氧检测传感器，压力罐体出水口的第一比例调节阀，压力罐体进气管前的空压机和第二比例调节阀，根据传感器采集信号判断压力值、溶解氧浓度与设定值差异并控制空压机启停和两个比例调节阀开度的自动控制系统。

Description

强化电化学氧化废水处理装置
技术领域
本实用新型涉及一种污水净化处理领域，特别涉及一种通过加压溶气的方式增加压力容器内溶解氧浓度，以促进电化学反应产生更多的强氧化性物种，进而强化对废水中有机污染物降解的强化电化学氧化废水处理装置。
背景技术
电化学氧化法是一种环境友好型高级氧化技术。在废水处理中不需要添加氧化剂，化学污染风险小。反应条件温和，一般在常温常压下进行；具有气浮、絮凝、杀菌、氧化作用。反应装置和工艺简单，可操作性强，易于实现自动化控制。广泛适用于处理垃圾渗滤液、制革废水、印染废水、造纸废水、炼油废水等多种难生物降解有机废水。电化学氧化法存在电流效率低、能耗较大和操作费用高等问题，限制了在实际应用中的普及推广。
电化学氧化可分为两类，一类属于电化学直接氧化，即在一定电场环境下阳极上有机污染物失去电子而发生氧化时反应并转化为无害物，另一类属于电化学间接氧化，即利用电极表面产生的具有强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变。电化学直接氧化常伴随阳极析氧反应，导致电流效率低，影响有机物降解效果。目前研究侧重探索综合性能好的阳极材料，如具有较高的析氧过电位和催化活性，在废水中具有较高的稳定性和抗腐蚀。与电化学直接氧化相比，电化学间接氧化性对有机污染物氧化效率更高。于秀娟等人在研究阴阳极室同时氧化对煤气废水处理效果时发现阴极室的电流效率始终高于阳极室，且阴极室COD去除率高于阳极室，阴极室有机物的矿化程度较好。利用氧气在阴极发生电还原反应产生H2O2能够彻底去除苯酚、氯苯、苯胺、氯酚等污染物，对染料脱色的效果也很明显。氧气在阴极电还原生成H2O2受到阴极材料、阴极电位、pH值、温度、气液间传质速率影响。根据薄液膜理论，气体需要溶解在电解液中才能发生电化学反应，但氧气在溶液中溶解度只有10-3-10-4g/L，溶液中氧气传质速率低显著影响电流密度，导致H2O2生成量少。目前研究多采用增加曝气量、设计三维多孔阴极的方式提高气液固三相间传质效率。周蕾在对电芬顿阴极材料的制备与转盘工艺研究中通过增加氧气流量来增加溶解氧浓度。但这种方法受到常压条件下饱和溶解氧浓度(25℃时饱和溶解氧浓度为8.3mg/L)，当氧气流量超过一定值后H2O2生成量不再增加。
综上所述，现有技术存在以下的不足之处：电流效率低、能耗较大、操作费用高。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种根据亨利定律，一定温度下气体在液体中的溶解度和该气体的平衡分压成正比。通过增加电化学氧化环境压力可以大幅提高溶解氧浓度，从而增加强氧化剂过氧化氢的生成量，强化电化学氧化法对废水中有机污染物的氧化分解，减少废水处理时间，节省能耗，通过快速、有效提高电化学氧化环境内溶解氧浓度，促进过氧化氢的生成，缩短电化学氧化法降解有机污染物的反应时间，提高废水处理效率的强化电化学氧化废水处理装置。
本实用新型的技术解决方案是所述强化电化学氧化废水处理装置，包括压力罐体，其特殊之处在于，所述压力罐体内竖直放置电解槽，电解槽与外部直流电源通过压力罐体外部的正、负极接线柱相连，压力罐体的顶部设有压力表、安全阀、出水口，压力罐体的底部设有经进气管连通压力罐体内外的布气系统，压力罐体中心轴处设有与外界贯通的布水系统，压力罐体还设有用于控制、调节压力罐体内的压力、溶解氧浓度而分别设于压力罐体内的压力传感器和溶解氧检测传感器，压力罐体出水口的第一比例调节阀，压力罐体进气管前的空压机和第二比例调节阀，以及根据信号采集器判断压力值、溶解氧浓度与设定值差异并控制空压机启停和两个比例调节阀开度的自动控制系统。
作为优选：所述电解槽由垂直布水系统穿孔管并在支承架上交替叠置的圆盘状阳极片与圆盘状阴极片组件组成；所述圆盘状阴极片组件由第一圆盘状阴极片、第二圆盘状阴极片和第一圆盘状阴极片与第二圆盘状阴极片之间成型的布气室组成。
作为优选：所述圆盘状阳极片由具有金属氧化物涂层的多孔钛板或钛网构成，圆盘状阳极片圆周边缘径向凸设极耳，极耳上设有螺孔；所述圆盘状阴极片由具有气体扩散的电极或碳布构成，圆盘状阴极片圆周边缘径向凸设极耳，极耳上设有螺孔；
作为优选：所述支承架由若干米字型构架、沿若干构成隔离通道的米字型构架圆心垂直穿设的支承杆组成。
作为优选：所述布气系统由顺序连通的空压机、第二比例调节阀、布气主干管至压力罐体内流通于布气室周边的支管组成；
作为优选：所述布气室呈圆饼状并设于两块阴极板之间，圆饼状布气室圆周边缘径向凸设与布气室连通的支管。
作为优选：所述布水系统由设置在压力罐体中心轴部位的穿孔管、穿孔管连通压力罐体的进水口、进水口通过管路连通的进水泵、压力罐体底部设置的排水阀组成。
作为优选：所述自动控制系统包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器和外界设备控制器；PLC通过信号采集器和外界设备控制器对压力罐体内压力及溶解氧浓度的采样、分析和控制；设定溶解氧浓度值为20mg/L和压力范围0.2～0.6MPa，通过信号采集器获取当前压力罐体内溶解氧浓度值和压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给外界设备控制器一个控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整空压机启停及比例调节阀开度，从而调节压力罐体内溶解氧浓度和压力。
作为优选：所述信号采集器包括压力传感器和溶解氧检测传感器；所述外界设备控制器包括空压机控制器、比例阀控制器。
作为优选：所述溶解氧检测传感器将信号传递给空压机控制器和第二比例调节阀控制器，控制供气系统空压机启停及第二比例调节阀开度；压力传感器将信号传递给第一比例调节阀，控制第一比例调节阀的开度。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型提高过氧化氢生成量。通过加压溶气的方式增加电化学氧化体系内溶解氧浓度有利于氧还原反应以2电子途径实现过氧化氢的累积，同时抑制过氧化氢在阳极发生分解反应。
(2)本实用新型在压力条件下，抑制阳极析氧反应，减少电化学氧化因析氧造成的氧化效率低的问题。
(3)本实用新型有效提高了电化学法处理有机污染物的氧化效率，废水处理能力增强，电化学氧化反应装置体积减少。
(4)随着氧分压的增加，本实用新型的电化学氧化体系内电流密度增加，有利于电子传导和增加过氧化氢生成量。
(5)与高温高压湿式氧化法相比，本实用新型可在常温条件下进行，压力在0.2-0.6Mpa左右，压力不高，能耗相对较小。
(6)可以实现压力条件下的连续进出水操作。
(7)可与Fenton、UV、O3、超声波等技术联合使用，以适应不同类型废水处理，组合工艺设计灵活，操作简便。
(8)电解槽设计采用多个圆盘形状阴阳电极等间距交错叠置形式，放置在圆柱形压力罐体内，与同心圆形状排列电极和矩形电极片相比，单位体积内电极面积更大，反应器效率更高。
附图说明
图1是本实用新型强化电化学氧化废水处理装置的结构示意图。
图2是本实用新型强化电化学氧化废水处理装置电解槽的结构示意图。
图3是本实用新型电解槽阳极片的结构示意图。
图4是本实用新型电解槽阴极片的结构示意图。
图5是本实用新型电解槽布气室的结构示意图。
图6是本实用新型电解槽支承架的结构示意图。
图7是本实用新型强化电化学氧化废水处理装置布气系统的结构图。
图8是本实用新型强化电化学氧化废水处理装置布气系统的结构图。
主要组件符号说明：
压力罐体1压力表11安全阀12
出水口13电解槽2圆盘状阳极片21
极耳211螺孔212圆盘状阴极片组件22
第一圆盘状阴极片221第二圆盘状阴极片222极耳2211
螺孔2212布气室23支承架24
隔离通道25正极接线柱31负极接线柱32
布气系统4空压机41第二比例调节阀42
主干管43支管44布水系统5
穿孔管51排水阀52进水泵53
第一比例调节阀6压力传感器71溶解氧检测传感器72
具体实施方式
本实用新型下面将结合附图作进一步详述：
请参阅图1所示，该强化电化学氧化废水处理装置包括压力罐体1，所述压力罐体1内竖直放置电解槽2，电解槽2与外部直流电源通过压力罐体1外部的正极接线柱31、负极接线柱32相连，压力罐体1的顶部设有压力表11、安全阀12、出水口13，压力罐体1的底部设有经进气管连通压力罐体内外的布气系统4，压力罐体1中心轴部位设有与外界贯通的布水系统5，压力罐体1还设有用于控制、调节压力罐体1内的压力、溶解氧浓度而分别设于压力罐体1内压力传感器71和溶解氧检测传感器72，压力罐体1出水口13的第一比例调节阀6，压力罐体1进气管前的空压机41和第二比例调节阀42，以及根据压力传感器71和溶解氧检测传感器72采集信号判断压力值、溶解氧浓度与设定值差异并控制空压机41启停和两个比例调节阀开度的自动控制系统(图中未示)。
请参阅图2所示，所述电解槽2由垂直布水系统穿孔管51并在支承架24上交替叠置的圆盘状阳极片21与圆盘状阴极片组件22组成；所述圆盘状阴极片组件22由第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222和布气室23组成，所述布气室23隔离于叠置的第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222之间。
请参阅图3所示，所述圆盘状阳极片21由具有金属氧化物涂层的多孔钛板或钛网构成；圆盘状阳极片21圆周边缘径向凸设极耳211，极耳211上设有螺孔212。
请参阅图4所示，所述圆盘状阴极片221、222由具有气体扩散的电极或碳布构成；圆盘状阴极片221、222圆周边缘径向凸设极耳2211，极耳2211上设有螺孔2212。
请参阅图4所示，所述布气系统4由顺序连通的空压机41、第二比例调节阀42、布气主干管43至压力罐体1内流通于布气室23周边的支管44组成。
请参阅图5所示，所述布气室23呈圆饼状并设于第一圆盘状阴极片221与第二圆盘状阴极片222之间，圆饼状布气室23圆周边缘径向凸设与布气室23连通的支管44。
请参阅图6所示，所述支承架24由若干米字型构架、沿若干米字型构架圆心垂直穿设的支承杆组成。
请参阅图1所示，所述布水系统5由设置在压力罐体1中心轴部位的穿孔管51、穿孔管51连通压力罐体1的进水口、进水口通过管路连通的进水泵53、压力罐体1底部设置的排水阀52组成。
本实施例中，所述自动控制系统(图中未示)包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器和外界设备控制器；PLC通过信号采集器和外界设备控制器对压力罐体1内压力及溶解氧浓度的采样、分析和控制；设定溶解氧浓度值为20mg/L和压力范围0.2～0.6MPa，通过压力传感器71和溶解氧检测传感器72获取当前压力罐体1内溶解氧浓度值和压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给空压机控制器、比例阀控制器控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整空压机41启停及第一比例调节阀6开度和第二比例调节阀42开度，从而调节压力罐体1内溶解氧浓度和压力。
本实施例中，所述溶解氧检测传感器72将信号传递给空压机控制器和第二比例调节阀控制器(图中未示)，控制供气系统空压机41启停及第二比例调节阀42开度；压力传感器71将信号传递给第一比例调节阀6，控制第一比例调节阀6的开度。
工作原理：请参阅图1所示，待处理废水经进水泵53泵入压力罐体1底部进水口，空气经空压机41、第二比例调节阀42流入压力罐体1底部进气口，正极接线柱31、负极接线柱32与外部直流电源相连施加一定电压，保持电解槽2极片电流密度为25mA/cm2，设定压力罐体1内溶解氧浓度不低于20mg/L，压力在0.3MPa左右，通过溶解氧检测传感器72和压力传感器71和自动控制系统控制空压机41开闭和第二比例调节阀42和第一比例调节阀6的开度。空气进入压力罐体1后由布气系统4的主干管43、支管44流入阴极片22内部的布气室23，然后穿过阴极片22流出。待处理废水进入压力罐体1后由布水系统穿孔管51管壁微孔流入阴、阳极片间通道25；气体和出水最终通过出水口经第一比例调节阀6排出。
请参阅图2至图4所示，阳极片21为涂覆RuO2的钛网，厚度1mm，直径200mm，中心圆孔直径32mm，极耳211长50mm，极耳211内圆孔212直径5mm。阴极片22为碳布，厚度3mm，直径200mm，中心圆孔直径32mm，极耳2211长50mm，极耳2211内圆孔2212直径5mm。布气室23为聚丙烯多孔材质，厚度3mm，直径200mm，中心圆孔直径32mm。支撑架24为聚丙烯多孔材质，厚度10mm，中心圆孔直径32mm。
请参阅图1至图8所示，该强化电化学氧化废水处理方法，包括步骤：
(1)将待处理废水泵入压力罐体1内，并通入空气使压力罐体1内压力达到设定值，压力范围0.2～0.6Mpa；
(2)调节进水泵53流量，使其满足不同水质废水电化学氧化时间需要；
(3)自动控制系统根据溶解氧检测传感器72反馈的压力罐体1内溶解氧浓度与设定值差异调节空压机出口第二比例调节阀42，根据压力传感器71反馈的压力罐体1内压力值与设定值差异调节出水口第一比例调节阀6；
(4)对压力罐体1内电解槽2施加电压值为1～20V，使废水在电解槽2的电极间发生电化学氧化，实现对废水中有机污染物的氧化分解，所述的电解槽2由垂直布水系统5并在支承架24上交替叠置的圆盘状阳极片21与圆盘状阴极片组件22组成；所述圆盘状阴极片组件22由第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222和布气室23组成，所述布气室23隔离于叠置的第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222之间；
(5)进入压力罐体1内空气通过布气系统4使空气均匀穿过电解槽2每片阴极22，所述的布气系统4由顺序连通的空压机41、第二比例调节阀42、布气主干管43至压力罐体1内流通于布气室23周边的支管44组成；所述布气室23呈圆饼状并设于两块阴极板之间，圆饼状布气室23圆周边缘径向凸设与布气室23连通的支管44；
(6)进入压力罐体1内废水通过布水系统5的穿孔管51流入阴、阳极间通道25所述的布水系统5由设置在压力罐体1中心轴部位的穿孔管51、穿孔管51连通压力罐体1的进水口及进水口连通的排水阀52、排水阀52以管路连接的进水泵53组成；
(7)气体和出水最终通过出水口13经第一比例调节阀6排出。
本实施例中，步骤(4)所述的电解槽2由垂直布水系统5并在支承架24上交替叠置的圆盘状阳极片21与圆盘状阴极片组件22组成；所述圆盘状阴极片组件22由第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222和布气室223组成，所述布气室223隔离于叠置的第一圆盘状阴极片221、第二圆盘状阴极片222之间。
本实施例中，步骤(5)所述的布气系统4由顺序连通的空压机41、第二比例调节阀42、布气主干管43至压力罐体1内流通于布气室23周边的支管44组成；所述布气室23呈圆饼状并设于两块阴极板之间，圆饼状布气室23圆周边缘径向凸设与布气室23连通的支管44。
本实施例中，步骤(6)所述的布水系统5由设置在压力罐体1中心轴部位的穿孔管51、穿孔管51连通压力罐体1的进水口及以管路连接的进水泵53组成。
【实施例1】：处理甲基橙废水
以负载铱钽氧化物涂层的钛网为圆盘状阳极片21，以活性炭纤维毡为圆盘状阴极片组件22，电极面积32cm2，电极间距10mm，模拟废水甲基橙浓度500mg/L，支持电解质为0.05mol/LNa2SO4，处理废水体积300ml。反应器充入空气至0.25MPa，溶解氧浓度为20mg/L以上。采用强化电化学氧化废水处理方法处理时，在阴阳两极实施一定电压，控制电极电流密度为25mA/cm2，并进行常压通入相同流量空气的对比实验。经过30min强化电化学氧化处理，甲基橙去除率达到99.7％，而常压下去除率为95.4％。
【实施例2】：过氧化氢累积浓度
以负载铱钽氧化物涂层的钛网为圆盘状阳极片21，以活性炭纤维毡为圆盘状阴极片组件22，电极面积32cm2，电极间距10mm，配制300ml浓度为0.05mol/L的Na2SO4溶液，用H2SO4调节pH值至3。反应器充入空气至0.4MPa，溶解氧浓度为30mg/L以上。电流密度为80mA/cm2，电解90min时过氧化氢累积浓度最高可达到5.2mmol/L，而常压下只有0.4mmol/L。
【实施例3】：处理乳化液废水
以负载铱钽氧化物涂层的钛网为圆盘状阳极片21，以活性炭纤维毡为圆盘状阴极片组件22，电极面积32cm2，电极间距10mm，乳化液废水COD浓度11000mg/L，支持电解质为0.05mol/LNa2SO4，处理体积300ml。反应器充入空气至0.25MPa，溶解氧浓度为20mg/L以上。采用强化电化学氧化废水处理方法处理时，在阴阳两极实施一定电压，控制电极电流密度为25mA/cm2，并进行常压通入相同流量空气的对比实验。经过30min强化电化学氧化处理，COD去除率达到66.3％，而常压下去除率为34.9％。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种强化电化学氧化废水处理装置，包括压力罐体，其特征在于，所述压力罐体内竖直放置电解槽，电解槽与外部直流电源通过压力罐体外部的正、负极接线柱相连，压力罐体的顶部设有压力表、安全阀、出水口，压力罐体的底部设有经进气管连通压力罐体内外的布气系统，压力罐体中心轴处设有与外界贯通的布水系统，压力罐体还设有用于控制、调节压力罐体内的压力、溶解氧浓度而分别设于压力罐体内的压力传感器和溶解氧检测传感器，压力罐体出水口的第一比例调节阀，压力罐体进气管前的空压机和第二比例调节阀，以及根据信号采集器判断压力值、溶解氧浓度与设定值差异并控制空压机启停和两个比例调节阀开度的自动控制系统。
2.根据权利要求1所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述电解槽由垂直布水系统穿孔管并在支承架上交替叠置的圆盘状阳极片与圆盘状阴极片组件组成；所述圆盘状阴极片组件由第一圆盘状阴极片、第二圆盘状阴极片和第一圆盘状阴极片与第二圆盘状阴极片之间成型的布气室组成。
3.根据权利要求2所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述圆盘状阳极片由具有金属氧化物涂层的多孔钛板或钛网构成，圆盘状阳极片圆周边缘径向凸设极耳，极耳上设有螺孔；所述圆盘状阴极片由具有气体扩散的电极或碳布构成，圆盘状阴极片圆周边缘径向凸设极耳，极耳上设有螺孔。
4.根据权利要求2所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述支承架由若干米字型构架、沿若干构成隔离通道的米字型构架圆心垂直穿设的支承杆组成。
5.根据权利要求2所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述布气系统由顺序连通的空压机、第二比例调节阀、布气主干管至压力罐体内流通于布气室周边的支管组成。
6.根据权利要求5所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述布气室呈圆饼状并设于两块阴极板之间，圆饼状布气室圆周边缘径向凸设与布气室连通的支管。
7.根据权利要求1所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述布水系统由设置在压力罐体中心轴部位的穿孔管、穿孔管连通压力罐体的进水口、进水口通过管路连通的进水泵、压力罐体底部设置的排水阀组成。
8.根据权利要求1所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述自动控制系统包括计算机、PLC以及与PLC相连的信号采集器和外界设备控制器；PLC通过信号采集器和外界设备控制器对压力罐体内压力及溶解氧浓度的采样、分析和控制；设定溶解氧浓度值为20mg/L和压力范围0.2～0.6MPa，通过信号采集器获取当前压力罐体内溶解氧浓度值和压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号送PLC与设定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经过调节器做PID运算给外界设备控制器一个控制型数字信号，通过数/模转换器将数字信号转换为模拟信号，调整空压机启停及比例调节阀开度，从而调节压力罐体内溶解氧浓度和压力。
9.根据权利要求8所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述信号采集器包括压力传感器和溶解氧检测传感器；所述外界设备控制器包括空压机控制器、比例阀控制器。
10.根据权利要求9所述强化电化学氧化废水处理装置，其特征在于，所述溶解氧检测传感器将信号传递给空压机控制器和第二比例调节阀控制器，控制供气系统空压机启停及第二比例调节阀开度；压力传感器将信号传递给第一比例调节阀，控制第一比例调节阀的开度。
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