CN209721886U - 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种产电20‑87W/m2的节能催化水处理装置，属于废水资源化和能源化领域。该装置包括池体、导线、负载、阴极室、曝气装置、出水溢流装置、进水泵、进水管、阳极室、碳棒和沙粒隔层。废水通过阳极室的产电微生物分解废水中的有机物并释放电子，再通过沙粒隔层过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室中，再经曝气装置进一步降解通过出水溢流装置流出，实现废水处理及废水产电。废水经过一次流过该装置，或流过多个串联的组合单元装置，实现有机质被降解、颗粒悬浮物被截留；阴极电极的负载催化剂能提高产电能力和对污染物的降解能力，有效提高出水水质；且该装置结构简单，操作方便，运行费用少。
Description
技术领域
本实用新型属于废水资源化和能源化技术领域，具体涉及达到单位电极面积产电20W/m2的新型水处理装置，以活性炭颗粒和微生物作生物阳极，以基底为碳纤维布的复合电极作阴极，中间为石英砂与锰砂隔层。废水先进入装置的阳极，在生物阳极作用下，污染物浓度梯度降低，经隔层的过滤和截留作用、阴极催化作用得到进一步净化。耦合微生物产电作用和阴极催化作用如催化氧化污染物氨/COD(化学需氧量)等、还原硝态氮和氧还原作用，实现了高效水处理。
背景技术
生物产电技术，是近些年迅速发展起来的一种将生物法与电化学技术结合的新技术，将其应用到废水处理领域，能够在降解有机物的同时产生电能。微生物可将底物中的有机物直接转化成CO2、H2O等小分子无机物，并将其中的化学能转化为电能，不排放污染物，是一种清洁能源。阳极微生物能够将有机物氧化，并将氧化过程中释放出来的电子转移到电极材料上，进而以电流的形式从外电路输出。微生物的生长需要厌氧或微氧环境，以保证最终电子受体是电极而不是氧气，否则电子将直接参与还原生成水。特别地，如果将有机废水作为生物阳极的底物，废水中的有机物会被微生物降解，这样便完成了有机物的氧化分解、电子流动和电位梯度的形成。从能源和环境保护的角度来看，这样一个过程实际上是实现了污染物向电能的直接转化，同时污染物又被分解，使废水不但被处理，而且“变废为宝”。但其对废水的处理效率较低，阳极出水水质一般达不到排放标准，需进一步处理，此外电能输出较小、库伦效率低等问题也有待解决。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，构建了一种自生电场电催化的水处理装置，本实用新型的技术方案为：
一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，包括池体1、导线2、负载3、阴极室4、曝气装置5、出水溢流装置6、进水泵7、进水管8、阳极室9、碳棒 10和沙粒隔层11；
其中，沙粒隔层11位于池体1中部，沙粒隔层11将池体1分为阴极室4和阳极室9两部分；所述阳极室9位于沙粒隔层11的下方，阳极电极为碳棒10，碳棒10的一端连接导线；阳极室9用活性炭填充并负载产电微生物；所述阴极室4位于沙粒隔层11的上方，阴极电极以导电性材料为基底并负载催化剂，阴极电极的一端连接导线并接入负载3，与阳极电极碳棒10一端的导线相连，从而形成外电路；曝气装置5位于阴极室4、池体1顶部的开口处，用于向阴极室 4内补充空气或氧气，进一步促进催化降解废水中的有机物；出水溢流装置6位于阴极室4、池体1上方、低于曝气装置5所在的开口处；进水泵7通过进水管 8通入至阳极室9、位于池体1的下方；废水通过进水泵7从进水管8流入阳极室9，阳极室9的产电微生物分解废水中的有机物并释放电子，废水再通过沙粒隔层11过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室4中，再经曝气装置5进一步降解通过出水溢流装置6流出，从而实现废水处理及废水产电。
进一步地，阴极电极的基底导电性材料为碳纤维布或活性炭；阴极电极的负载催化剂为二氧化钛复合催化剂、含Fe、Mn、Zn、C、F、O元素的催化剂。
进一步地，阳极室9活性炭的填充率为40％～95％。
进一步地，沙粒隔层11为石英砂、锰砂或二者的混合物。
进一步地，负载3为100～1000Ω的电阻。
进一步地，与阳极电极碳棒10平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，在碳棒10和参比电极上接入数据采集卡，实时采集阳极的电势数据；在阴极电极的导线上接入数据采集卡，实时采集电池的电势数据。
进一步地，池体1的形状为横管形、柱形、方形或多层组合结构。
本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，该装置可由多层或多个组合单元构成，整体外壳可采用水泥、PVC、玻璃钢等材料；该装置根据需要选择不同形状的池体，灵活控制水力停留时间和路径，提高对废水中有机物的降解和转化；廉价砂层代替质子交换膜，既降低了成本，又对废水起到过滤作用，截留大颗粒物质和阳极微生物，有利于提高出水水质；阴极电极催化作用进一步提升废水处理效果，同时生物阳极产电缓解了阴极的污染；且该装置结构简单，操作方便。
附图说明
图1是本实用新型的一种横管式水处理装置设计示意图。
图2是本实用新型的一种柱状池形水处理装置设计示意图。
图3是本实用新型的一种方形池水处理装置二级串联装置设计示意图。
图4是本实用新型的COD脱除性能图，横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示出水浓度和去除效率，单位mg/L和％；方块和圆点表示COD出水浓度，倒三角和菱形代表COD去除效率。
图5是横管式水处理装置的电势图，横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示电压，单位V；圆形和倒三角代表电池电势，正三角和菱形表示阳极电势。
图中：1池体；2导线；3负载；4阴极室；5曝气装置；6出水溢流装置；7 水泵；8进水管；9阳极室；10碳棒；11沙粒隔层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。
实施例1：一种横管式水处理装置
结合图1，本实施方式是一种横管式水处理装置，该装置是由池体1、导线2、负载3、阴极室4、曝气装置5、出水溢流装置6、进水泵7、进水管8、阳极室 9、碳棒10和沙粒隔层11组成，装置设计尺寸为Ф10.5cm×0.6m，总有效体积为4L。
其中，沙粒隔层11位于池体1中部，沙粒隔层11将池体1分为阴极室4和阳极室9两部分，沙粒隔层11的设计尺寸为10cm×1.3cm×0.6m；填充物为石英砂和锰砂按1：1组成的混合物，0.5-1mm，填充率为100％。
阳极室9位于池体下部，阳极室9位于沙粒隔层11的下方，阳极电极为碳棒10，碳棒10的尺寸为Ф8mm×0.4m，碳棒10的一端连接导线；阳极室9用活性炭颗粒填充，3-5mm，填充率为40％～95％，阳极整体含有碳棒、活性炭、微生物；与阳极电极碳棒平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，在碳棒10 和参比电极上分别接入数据采集卡，实时采集阳极电势数据。
阴极室4位于沙粒隔层11的上方，阴极电极以碳纤维布为基底，并负载催化剂，常用的电极催化剂有二氧化钛复合催化剂或含Fe、Mn、Zn、C、F、O 等元素的催化剂；阴极电极的一端连接导线并接入500Ω电阻，与阳极电极碳棒 10一端的导线相连，从而形成外电路，阴极导线也接入数据采集卡，实时采集电池电势数据；池体1上部的阴极室开口，放入曝气装置5，阴极室设置出水溢流装置6；进水泵7通过进水管8通入至阳极室9、位于池体1的下方；废水通过进水泵7从进水管8流入阳极室9，阳极室9的产电微生物分解废水中的有机物并释放电子，废水再通过沙粒隔层11过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室4中，再经曝气装置5进一步降解通过出水溢流装置6流出，从而实现废水处理及废水产电。
溢流出水可以直接作为二级处理进水，串联与图1相同类型的反应器进行二级处理，二级处理能进一步净化废水，在处理高浓度废水时，可有效提高出水水质，达到排放标准。
图4和图5分别为该装置一级出水的COD去除性能图和产电性能图，应用不同的导电膜作阴极，COD去除率可达60％～90％，说明本装置能够实现废水处理和质能转化，即能够实现废水的资源化和能源化。
实施例2一种柱状池形水处理装置
结合图2，在柱状池形水处理装置中，结合实施例1填充阳极室、多介质仓、阴极室，构成电路回路。阴极电极含有C、F、O、N、Ti金属等元素。废水经进水推流装置进入阳极室底部；多介质仓作为隔仓代替质子交换膜，废水流经的同时可以截留微生物和颗粒物；废水到达阴极后经导电膜催化作用，得到进一步净化，从溢流装置排出。系统外接负载，并连入数据采集卡。
该装置在处理一种化工废水时，采用不同导电膜作阴极，COD去除率达到 60～95％，TN(总氮)去除60～90％，每平米电极产电能力达到20W；光照阴极时，每平米电极产电能力达到87W。说明该装置能够实现废水的有效处理和质能转化。
实施例3一种二级水处理装置
结合图3，在方形池的水处理装置的单元中，阳极室和阴极室为左右结构，中间用多介质仓分隔。结合实用新型方案填充阳极、隔层、阴极，构成电路回路。其中，导电膜组件作为阴极，其含有F、C、N、O、Ti金属等元素。化工废水经进水流量调节装置进入左侧阳极室，经微生物作用后由隔仓进入阴极，微生物和颗粒物被截留在阳极室；阴极膜组件在曝气装置作用下进一步催化降解废水中的污染物，同时阴极耦合MBR，经膜组件过滤后出水。单级水处理装置在处理化工废水时，所得COD去除率可达60～90％。产电可达20W。
单元的组合装置中布置多级、多层净化单元，废水可以同时进入每个单元的阳极，也可以先依次流经一个单元的阳极室、隔层、阴极室后，再进入另一个单元的阳极室、隔层、阴极室；这样的多级处理适合处理高浓度、难处理的废水。如图3所示的二级水处理装置，在处理一种高浓度、难处理的化工废水时，氨氮去除率在85％以上，总磷去除率稳定在90％以上，COD去除率稳定在 95％以上，且产电性能良好。说明该二级水处理装置能稳定有效的进行高浓度、难处理废水的净化，实现废水资源化和能源化处理。
Claims (10)
1.一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，该节能催化水处理装置包括池体(1)、导线(2)、负载(3)、阴极室(4)、曝气装置(5)、出水溢流装置(6)、进水泵(7)、进水管(8)、阳极室(9)、碳棒(10)和沙粒隔层(11)；
所述沙粒隔层(11)位于池体(1)中部，沙粒隔层(11)将池体(1)分为阴极室(4)和阳极室(9)两部分；所述阳极室(9)位于沙粒隔层(11)的下方，阳极电极为碳棒(10)，碳棒(10)的一端连接导线；阳极室(9)用活性炭填充并负载产电微生物；所述阴极室(4)位于沙粒隔层(11)的上方，阴极电极以导电性材料为基底并负载催化剂，阴极电极的一端连接导线并接入负载(3)，与阳极电极碳棒(10)一端的导线相连，从而形成外电路；所述曝气装置(5)位于阴极室(4)、池体(1)顶部的开口处，用于向阴极室(4)内补充空气或氧气，进一步促进催化降解废水中的有机物；所述出水溢流装置(6)位于阴极室(4)、池体(1)上方、低于曝气装置(5)所在的开口处；所述进水泵(7)通过进水管(8)通入至阳极室(9)、位于池体(1)的下方；废水通过进水泵(7)从进水管(8)流入阳极室(9)，阳极室(9)的产电微生物分解废水中的有机物并释放电子，废水再通过沙粒隔层(11)过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室(4)中，再经曝气装置(5)进一步降解通过出水溢流装置(6)流出，从而实现废水处理及废水产电。
2.根据权利要求1所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述阴极电极的基底导电性材料为碳纤维布或活性炭；阴极电极的负载催化剂为二氧化钛复合催化剂、含Fe、Mn、Zn、C、F、O元素的催化剂。
3.根据权利要求1或2所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述阳极室(9)活性炭的填充率为40％～95％。
4.根据权利要求1或2所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述沙粒隔层(11)为石英砂、锰砂或二者的混合物。
5.根据权利要求3所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述沙粒隔层(11)为石英砂、锰砂或二者的混合物。
6.根据权利要求1、2或5任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述负载(3)为100～1000Ω的电阻。
7.根据权利要求1、2或5任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，与阳极电极碳棒(10)平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，在碳棒(10)和参比电极上接入数据采集卡，实时采集阳极的电势数据；在阴极电极的导线上接入数据采集卡，实时采集电池的电势数据。
8.根据权利要求6所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，与阳极电极碳棒(10)平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，在碳棒(10)和参比电极上接入数据采集卡，实时采集阳极的电势数据；在阴极电极的导线上接入数据采集卡，实时采集电池的电势数据。
9.根据权利要求1、2、5或8任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述池体(1)的形状为横管形、柱形、方形或多层组合结构。
10.根据权利要求7所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置，其特征在于，所述池体(1)的形状为横管形、柱形、方形或多层组合结构。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201920404063.1U Withdrawn - After Issue CN209721886U (zh) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN209721886U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109956620A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-07-02 | 大连理工大学 | 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 |
-
2019
- 2019-03-28 CN CN201920404063.1U patent/CN209721886U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109956620A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-07-02 | 大连理工大学 | 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 |
| CN109956620B (zh) * | 2019-03-28 | 2024-01-05 | 大连理工大学 | 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20191203 Effective date of abandoning: 20240105 |
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