CN207016531U - 一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置 - Google Patents
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Abstract
一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,包括反应器、阳极、多孔性圆棒状曝气阴极、三维粒子电极、直流脉冲电源、空气泵、循环泵,多孔性圆棒状曝气阴极位于反应器中心,阳极环绕于多孔性圆棒状曝气阴极外侧,三维粒子电极均匀地填充于反应器内部,在反应器的底部设有进水口,在反应器的上部设有出水口,直流脉冲电源连接阳极和多孔性圆棒状曝气阴极,循环泵通过管道连接反应器的进水口和出水口,空气泵连接多孔性圆棒状曝气阴极上端的空气入口。本实用新型采用不牺牲电极或牺牲粒子电极代替牺牲阳极的型式、内循环结构和阴极局部供氧方式,实现操作方便易工程化、减少反应器短路和流态化不良的现象、实现空气的高效利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及废水处理技术领域,尤其涉及一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置。
背景技术
在水处理领域,电芬顿法是利用电化学产生Fe2+和H2O2作为芬顿试剂,进一步产生具有强氧化性的羟基自由基去除水中污染物的一种水处理方法。电芬顿技术是近几年来在水处理技术中逐渐发展起来的一种新型电化学高级氧化技术,尤其可以实现原位产生芬顿试剂,因此受到越来越多的关注。但传统的二维电芬顿技术,存在着反应面积小、传质效果不好、阳极损耗大、电流效率低、耗氧量大等缺点。
相较于传统的二维电芬顿技术,三维电极电芬顿技术是在电极板间又填充了一维粒子电极而构成的集电催化和电芬顿于一体的电化学方法。三维电极电芬顿结构可以有效增加电极比表面积、提高传质效率。但相对的也存在一定的缺点,如易出现局部短路、局部过热或沟流的现象等。此外,电芬顿技术发展受限的很大一个原因是处理的废水需调节pH在1-3范围左右,增加工程运行的成本以及操作的复杂性。
在电芬顿反应过程中,H2O2是通过氧气在阴极还原生成的,然而氧气的供应方式、氧气传质效果及氧利用率却常被忽略。传统的氧气供应方式是在整个反应室底部或靠近阴极侧进行曝气,从而维持阴极表面较高的溶解氧浓度。一方面,外部曝气需要在反应室内另安置曝气头占用空间;另一方面,由于溶液中饱和氧的含量有限,大部分氧气则以气泡的形式逸出,造成氧利用率低、损耗大。目前虽然有少量关于电芬顿氧气供应方式改进的文献及专利报道,如公开号为CN204778971U的专利文件公开了“一种高效利用空气的电芬顿反应器”,该反应器利用气室中的气压而进行阴极局部供氧,避免氧气的逃逸浪费。但该种方法对于操作精度要求较高,对实现工程化有一定的难度。又如公开号为 CN1377728A的专利文件公开了一种“三相三维电极光电反应器”的专利,该反应器采用微孔金属板将一个馈电极和曝气板合二为一的阴极形式,使得反应器结构紧凑且增加空气中氧气在水中的溶解速度。但该种方法采用的贵金属电极存在成本高并且水处理过程中金属损耗的问题,板状电极有效的相对电极表面积小,并且对粒子电极的复极化程度低,大大降低了粒子电极的催化氧化作用;同时,该反应器主要以光催化作为主要的催化氧化手段,对于光在废水中的透射率要求较高,对于色度较深的有机废水(如焦化废水、制药废水等)的处理效果不理想。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,是一种具有内循环结构、曝气阴极一体化、无需调节废水pH的三维电化学氧化装置。采用不牺牲电极或牺牲粒子电极代替牺牲阳极的型式、内循环结构和阴极局部供氧的方式,实现操作方便易工程化、减少反应器短路和流态化不良的现象、实现空气的高效利用。
为了达到上述目的,本实用新型采用以下技术方案实现:
一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,包括反应器、阳极、多孔性圆棒状曝气阴极、三维粒子电极、直流脉冲电源、空气泵、循环泵,多孔性圆棒状曝气阴极位于反应器中心,阳极环绕于多孔性圆棒状曝气阴极外侧,三维粒子电极均匀地填充于反应器内部,在反应器的底部设有进水口,在反应器的上部设有出水口,直流脉冲电源连接阳极和多孔性圆棒状曝气阴极,循环泵通过管道连接反应器的进水口和出水口,空气泵连接多孔性圆棒状曝气阴极上端的空气入口。
所述阳极为圆筒状阳极,为非损耗的碳材料电极。
所述反应器为圆筒形结构。
所述多孔性圆棒状曝气阴极内部为空心,上端设有空气入口,棒身设有多孔,为非损耗的碳材料电极。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:
1)本实用新型将三维电极引入到电化学氧化反应体系中,阳极采用不易损耗的碳材料。在电场的作用下,填充的粒子电极与阴阳极共同作用发生电化学氧化反应,有效地去除水中的污染物,代替传统二维阳极牺牲法。在工程化中,粒子电极的定期更换相比于阳极的更换更加方便、操作更加简单可行,有利于工程化的实现。
2)本实用新型无需调节废水pH,可根据废水pH调整填充粒子电极的种类,从而完成高效的电化学氧化过程,减少调酸工段的成本并且降低操作的复杂性,更易于自动化。
3)本实用新型将曝气头和棒状阴极一体化,改进了供氧方式。一方面,可以以较小的通气量维持阴极局部区域的高浓度溶解氧,避免大量空气逃逸浪费,实现空气的高效利用。同时,还减少了整个反应装置的体积,使得结构更加合理。
4)采用内循环的结构,可以改善三维固定床反应装置存在的流态化不好、出现沟流、局部短路和局部过热的现象,同时增加羟基自由基与水中污染物的接触概率,减少反应体系中的浓差极化现象。
附图说明
图1是本实用新型一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置的结构示意图。
图中:1-直流脉冲电源、2-阳极、3-多孔性圆棒状曝气阴极、4-反应器、5-粒子电极、 6-空气泵、7-循环泵、8-进水口、9-出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明:
见图1,一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,包括反应器4、阳极2、多孔性圆棒状曝气阴极3、三维粒子电极5、直流脉冲电源1、空气泵6、循环泵7,多孔性圆棒状曝气阴极3位于反应器4中心,阳极2环绕于多孔性圆棒状曝气阴极3外侧,三维粒子电极5均匀地填充于反应器4内部,在反应器4的底部设有进水口8,在反应器 4的上部设有出水口9,直流脉冲电源1连接阳极2和多孔性圆棒状曝气阴极3,循环泵7 通过管道连接反应器4的进水口8和出水口9,空气泵6连接多孔性圆棒状曝气阴极3上端的空气入口。
所述阳极2为圆筒状阳极,为非损耗的碳材料电极。可以为石墨、炭毡、活性炭纤维、发泡玻璃碳、碳海绵以及碳纳米管等。
所述反应器4为圆筒形结构。
所述多孔性圆棒状曝气阴极3内部为空心,上端设有空气入口,棒身设有多孔,为非损耗的碳材料电极。可为石墨、炭毡、活性炭纤维、发泡玻璃碳、碳海绵以及碳纳米管等。
本实用新型一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水装置的工作原理如下:废水经过调节后进入三维电化学氧化反应器4内,启动空气泵6通过多孔性圆棒状曝气阴极3直接在阴极进行局部供氧,并且将废水通过循环泵7进行下进水上出水的往复内循环。利用直流脉冲电源1向圆筒状阳极2和多孔性圆棒状曝气阴极3施加电压,在固定床三维粒子电极5的协同作用下,对废水进行氧化处理。
废水调节为电导率≥3000us/cm2;所述阳极和阴极之间的电压在2-15V,电流密度在 10-100A/m2;脉冲电源的频率为0.5-3KHz,占空比为35%-80%;废水初始反应pH=1-10,且电芬顿反应器中的停留时间在10-60min。所述空气泵的气体流速与废水循环流速之比在 5:1-100:1。
粒子电极5可为铁、铜、钴、锰和活性炭中的一种或组合,或复合型含铁、铜、钴和锰粒子电极中的一种或组合。
实施例1:高浓度难降解废水预处理
某焦化厂废水的原水水质如表1所示。
表1 某焦化厂废水的原水水质
取焦化废水原水,原水pH=8.5,倒入反应器4内,反应器4的高径比为2:1。以圆筒状炭毡为阳极,多孔性圆棒状曝气阴极3采用多孔性碳纤维,粒子电极5为铁屑、铜屑和活性炭,比例为1:1:1,废水和粒子电极5的填充量为反应器4容积的75%。反应器4内,在多孔性圆棒状曝气阴极3进行曝气的同时,进行反应液的内循环,空气泵6的气流速与废水循环流速之比约为7:1。整个反应在恒压5V下进行,脉冲电源的频率为2KHz、占空比为50%。反应30min后,取样测定COD、挥发酚和色度,处理后的水质如表2所示。
表2 三维电化学氧化方法处理后出水水质
实施例2:低浓度难降解废水深度处理
某焦化厂生化处理后二沉池出水水质如表3所示。
表3 某焦化厂生化处理后二沉池出水水质
取焦化废水二沉池出水,pH=6.8,倒入反应器4内,反应器4的高径比为2:1。以圆筒状炭毡为阳极2,多孔性圆棒状曝气阴极3采用棒状炭毡,粒子电极5为活性炭,废水和粒子电极5的填充量为反应器4容积的85%。反应器内,在多孔性圆棒状曝气阴极3进行曝气的同时,进行反应液的内循环,空气泵6的气流速与废水循环流速之比约3:1。整个反应在恒流30A/m2下进行,脉冲电源的频率为1.5KHz、占空比为65%。反应15min后,取样测定COD和色度,处理后的水质如表4所示。
表4 三维电化学氧化处理后出水水质
本实用新型在电化学体系中引入粒子电极5,即将三维电催化反应体系与电芬顿反应体系相结合,增加水中污染物与反应电极的接触表面积和接触时间,增强羟基自由基在反应体系中的传质效果。本实用新型采用圆形反应器型式,阳极在外环、阴极在中心的反应型式。以高比表面、价格优廉且不易损耗的炭材料作圆筒状阳极,在整个反应中阳极不需消耗,无需短期更换,易于实现工程化。以多孔性炭材料作圆棒状阴极,并且该阴极本身就作为曝气装置使用。在电场的作用下,填充的粒子电极与曝气阴极共同作用发生电化学氧化反应,有效地去除水中的污染物。
本实用新型对传统的供氧方式进行了改进,将曝气装置和阴极一体化处理,即多孔性圆棒状碳材料作为阴极,又作为曝气头直接在阴极曝气进行局部供氧,以较小的通气量维持阴极局部区域的高浓度溶解氧,避免大量空气逃逸浪费,实现空气的高效利用。传统的反应室底部曝气或靠近阴极侧曝气的方式,除了氧利用率低、消耗大以外,还占用反应体系的体积,导致反应器容积增大或停留时间长等问题。将曝气装置和阴极一体化后,不仅减少氧气消耗,还减少了整个反应装置的体积,使得结构更加合理。
本实用新型对三维电化学氧化反应器的结构进行了改进,采用内循环的结构。利用循环泵7,从反应器4底部进水口8进水,反应器4顶部出水口9出水,整个反应过程中以一定的流速往复循环,从而减少固定床易出现的局部短路、局部过热或沟流等现象。
以上所述仅是本实用新型有限的实施例。应当指出,上述实施例仅用于对本实用新型作进一步说明,对于本领域的专业人员所做出的非本质更改或仿效,仍属于本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,其特征在于,包括反应器、阳极、多孔性圆棒状曝气阴极、三维粒子电极、直流脉冲电源、空气泵、循环泵,多孔性圆棒状曝气阴极位于反应器中心,阳极环绕于多孔性圆棒状曝气阴极外侧,三维粒子电极均匀地填充于反应器内部,在反应器的底部设有进水口,在反应器的上部设有出水口,直流脉冲电源连接阳极和多孔性圆棒状曝气阴极,循环泵通过管道连接反应器的进水口和出水口,空气泵连接多孔性圆棒状曝气阴极上端的空气入口。
2.根据权利要求1所述的一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,其特征在于,所述阳极为圆筒状阳极,为非损耗的碳材料电极。
3.根据权利要求1所述的一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,其特征在于,所述反应器为圆筒形结构。
4.根据权利要求1所述的一种曝气阴极与内循环三维电化学氧化处理废水的装置,其特征在于,所述多孔性圆棒状曝气阴极内部为空心,上端设有空气入口,棒身设有多孔,为非损耗的碳材料电极。
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