CN102674505B

CN102674505B - 一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备

Info

Publication number: CN102674505B
Application number: CN 201110061257
Authority: CN
Inventors: 杨春维
Original assignee: Jilin Normal University
Current assignee: Dalian Haiyifengyue Technology Co ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102674505A

Abstract

本发明公开了一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备，它是通过设置具有内塔壁与外塔壁双层塔体的塔式反应器，内塔壁内的铁屑阴极，内塔壁与外塔壁之间的石墨棒阳极，以及内塔底部所设曝气头及布水管实现的。由于本发明以处理后的废铁屑为阴极，克服了电极材料制备工艺复杂、价格昂贵，设备投资与运行费用高的弊病，同时使阴极具有更高的比表面积、反应速率和污水质量传递效率，不仅有效提高对污水中有机污染物的处理效果与效率，且无须加入氧化剂与催化剂，进一步节能降耗。与现有技术相比，具有突出的实质性特点与显著的进步。还具有发明构思新颖独特、结构设计紧凑合理、工作性能稳定可靠、操作控制简便易行、经济实用效益显著、应用前景相当广阔、适合行业进行推广等优点。

Description

一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备

技术领域

本发明属于用电化学反应处理有机污染污水技术领域，具体说是涉及一种利用芬顿法处理有机污水的设备。

背景技术

随着社会的发展，对有机污水的有效处理和利用成为人们普遍关注的问题。近年来，国家对环境治理非常重视，这使很多企业对自身用水的处理也相当重视，迫切需要提供相应的污水处理技术与设备，来满足节能减排，污水治理的需求。

长期以来，生物难降解有机废水的处理一直是环境治理中的难点。传统的生物法在处理这类有机物时显得无能为力。现今广泛使用的方法有混凝沉淀、吸附、化学氧化、离子交换等，但都需要消耗较多的化学药品和原材料，费用较高，操作复杂，并存在二次污染问题。

高级氧化工艺(Advanced Oxidation Process，简称AOPs)又称深度氧化技术, 因其具有反应速度快、处理完全、无公害、适用范围广等优点逐渐引起了世界各国的重视，并相继开展了该方向的研究与开发工作。目前普遍认为这一工艺以产生具有强氧化能力的羟基自由基为特点,在高温、高压、电、超声、光辐照、催化剂等反应条件下,使大分子难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质甚至完全矿化成二氧化碳和水。在众多高级氧化工艺中芬顿高级氧化法因其工艺相对成熟、简单、不需要特殊的装置即可实现，而且铁作为氧化反应的反应物与催化剂，有经济优势，所以逐渐引起了国内外的重视。但是，单纯的芬顿高级氧化技术处理高浓度有机废水同样有其不尽人意之处，例如：需要使用较高浓度的过氧化氢和催化剂且消耗量大，使处理成本较高，同时会产生较多含铁污泥有待处理，仍使推广应用受到限制。而阴极电芬顿技术通过阴极曝气生成过氧化氢，同时阴极表面还原Fe³⁺为Fe²⁺使电解池中阴极附近形成芬顿反应区，同时阳极也可以通过电氧化降解部分有机物，因此电芬顿技术克服了传统芬顿处理技术的弊端，同时通过适当工艺调节可以实现对大部分难降解有机物的无害化转化。电芬顿工艺可以作为工业有机废水的主要处理技术、废水的预处理或者深度处理技术而应用于生产实际，具有广阔的应用前景。

目前，据资料报道的阴极电芬顿水处理设备可由反应池、阴极、阳极、曝气设备等装置组成。它虽可对机物污染污水进行处理，但仍存在占地面积大，能耗高，电极材料制备工艺复杂且价格昂贵，致使设备的投资和运行费用高的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种占地面积小、电极材料廉价，投资与运行费用较低的一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备。

本发明的目的将通过下述技术方案予以实现：它包括直流供电器、进水管、出水管、排气阀，还包括具有内塔壁与外塔壁双层塔体的塔式反应器，内塔壁内的铁屑阴极，内塔壁与外塔壁之间的石墨棒阳极，以及内塔底部所设曝气头及布水管。

本发明利用处理后的废铁屑构成的阴极，填充于内塔壁内，以石墨棒作为阳极，通过对内塔曝气，污水在塔式反应器中的内塔与外塔之间形成内循环流动，使氧分子有效地在阴极表面还原生成过氧化氢，过氧化氢与污水中一定量的亚铁离子或铁离子发生芬顿反应，达到降解污水中有机污染物的目的。本发明与现有技术相比具有以下优点与有益效果：

1、由于本发明利用处理后的废铁屑作为阴极，不仅使废物得到充分利用，降低了成本，克服了现有技术中电极材料制备工艺复杂、价格昂贵，致使设备投资与运行费用高的弊病，而且铁屑阴极与传统电极相比具有更高的比表面积，能有效提高对污水中有机污染物的反应速率、处理效果并提高效率。与现有技术相比，具有突出的实质性特点与显著的进步。

2、由于本发明利用处理后的废铁屑作为阴极，在污水处理的阴极电芬顿反应中，它以处理后的铁屑作为氧化的反应物与催化剂，无须另行加入氧化剂与催化剂，能进一步节省能耗，降低成本。且使现有技术中存在的过氧化氢和催化剂消耗量大，处理成本高，产生含铁污泥待处理，推广应用受限制的问题得到彻底解决。仍具有突出的实质性特点与显著的进步。

3、由于本发明采取了具有内塔壁与外塔壁双层塔体的塔式反应器结构，能使污水在塔式反应器的内塔与外塔之间形成内循环流动，从而有效提高污水的质量传递效率，使污水中的有机物能够充分与阴极电芬顿反应产生的羟基自由基接触并反应，明显提高污水净化效果。

4、由于本发明采取了具有内塔壁与外塔壁双层塔体的塔式反应器结构，与普通反应池相比不仅占地面积小，而且具有反应速度快，工作效率高、处理效果好的突出优势。

5、由于本发明采取了在内塔壁上设置导流孔的结构，可使塔式反应器的内循环流动作用增强，从而加速反应，有效提高处理效率。

6、本发明除所述特点外，还具有发明构思新颖独特、结构设计紧凑合理、工作性能稳定可靠、操作控制简便易行、经济实用效益显著、应用前景相当广阔、适合行业进行推广等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备，是一个具有内塔壁4、外塔壁1的双层塔体构成的塔式反应器，该塔式反应器的外部固定有进水管11、出水管6，顶部排气阀9和底部供气管7。在内塔壁4内即内塔中为处理后的铁屑构成的铁屑阴极3，在内塔壁4与外塔壁1之间设有石墨棒构成的阳极5，所述阳极5与阴极3分别与外部直流供电器10的正极与负极相连接。在内塔的底部还分别设置了与供气管7及进水管11连接的曝气头8和布水管12。

所述铁屑阴极3是以金属加工产生的废铁屑为材料，采用10%质量浓度稀盐酸清洗20分钟去除表面油污，再用清水冲洗至洗后水pH值为6-8，然后在其表面化学沉积金属Ag或者Ti，以形成电芬顿双金属阴极。将其填充于内塔之中，堆密度为2.0T/ m³～2.5T/ m³。并用导线将铁屑阴极3与直流供电器10负极相连。置于内塔壁4与外塔壁1之间的阳极5为石墨棒，石墨棒直径为1cm～5cm，个数可为3～8，与直流供电器10正极相连。石墨棒距离内塔外壁1cm～10cm，距离过大会导致电流效率降低。为了增加阴极3和阳极5之间的电流效率，在内塔壁4上设有均匀分布的导流孔2，导流孔2直径为1cm～5cm，内塔壁4上总开孔率为10%～20%。

直流供电器10输出电压为3V～36V之间，功率要求与污水处理规模相配套，以每小时处理1立方米污水为例，最大功率要求在800W～1000W之间。曝气头8大小应与内塔身直径相匹配，略小于内塔身内径即可。供气系统压力应与塔高相匹配，最小压力应当大于塔底水压与供气管路压力损失之和。供气量为0.1～0.3 m³/ h 。

使用本发明，应使污水的pH值为2～4，并且具有一定的支持电解质浓度以达到提高电流的作用，根据不同的污水水质选择合适的亚铁离子浓度，因此在污水进入本塔式反应器之前应该对污水进行调节，使之达到规定的反应条件。例如污水生化需氧量在200mg/L至300mg/L之间的有机污染污水，其最佳预处理条件应达到：pH值为2～4，总溶解性固体可为400mg/L～600mg/L，亚铁离子浓度为0.2mmol/L～0.4mmol/L。

本发明工作时，待处理的污水通过进水管11进入塔底布水管12，通过布水管12进入内塔。压缩空气通过供气管7到达曝气头8对污水进行曝气。污水在曝气空气的带动下由内塔向上流动，到达内塔顶部后又在外塔壁1与内塔壁4之间向下流动返回塔底部，形成内循环流动。并在导流孔2作用下进一步增强了内循环流动。在此过程中，阴极3通过曝气生成过氧化氢，同时阴极3表面还原Fe³⁺为Fe²⁺，在阴极3附近形成电芬顿反应区，使污水中的有机物发生断链或开环，而被迅速氧化分解。与此同时，阳极5也可通过电氧化降解部分有机物，从而实现本发明对生物难降解有机废水的处理。处理后的污水由出水管6排出进入后续过滤或者沉淀处理单元实现污水的最终净化。所述反应过程产生的气体通过塔顶排气阀9排出塔外。

为了表明本发明以处理后的铁屑为阴极对污水处理的效果，我们以石墨棒为阳极，分别以石墨，铁板、废铁屑为阴极，考察不同阴极对甲基橙溶液电芬顿法降解的影响。实验如下：

反应目标溶液体积：750mL

反应目标溶液：甲基橙浓度为0.05mmol·L^-1

pH值为3

Na₂SO₄浓度为14.08mmol·L^-1

FeSO₄浓度为0.27mmol·L^-1

空气流速：0.1m³/h

槽压为5V

阴极电极填充直径：60mm

阴极电极填充高度：300mm

在相同的条件下，分别采取电芬顿反应处理后甲基橙溶液脱色率如表1所示：

表1不同阴极材料降解甲基橙溶液的脱色率

时间（min）	5	10	20	30
					石墨阴极	26.5%	42.5%	62.2%	76.6%
铁板阴极	37.8%	45.3%	68.7%	82.7%
					铁屑阴极	55.5%	76.2%	92.4%	96.8%

从实验结果可以看出，以铁屑作为阴极，其电芬顿方法降解脱色偶氮染料比石墨与铁板作为阴极有更好的反应效果。

在此基础上，我们还使用不同反应器对降解脱色甲基橙溶液作了对比实验：

反应目标溶液体积均为：750mL

反应目标溶液：甲基橙浓度为0.05mmol·L^-1

pH值为3

Na₂SO₄浓度为14.08mmol·L^-1

FeSO₄浓度为0.27mmol·L^-1

空气流速：0.1m³/h

槽压为5V

本发明阴极电极填充直径：60mm，阴极电极填充高度：300mm

方形反应池阴极极板面积：70cm²，极板间距4cm

采用两种不同电芬顿反应器形式进行同样模拟废水的处理，处理后甲基橙溶液脱色率如表2所示。

表2不同形式电芬顿反应器降解甲基橙溶液脱色率对比

反应器形式	本发明的塔式反应器	方形电解池
			反应15min后溶液脱色率	96.7%	61.2%

通过上述实验可看出，本发明的电芬顿塔式反应器相对于方形电解池降解脱色偶氮染料甲基橙溶液的效率更高，反应时间更短。

与此同时，我们还作了本发明处理糠醛生产废水的实验：

反应目标溶液体积均为：750mL

反应目标溶液：经过定性滤纸过滤后的糠醛工业废水，

化学需氧量COD为8910～12610mg·L^-1

pH值为2.45~3.25

投加Na₂SO₄浓度为80mg·L^-1

空气流速：0.1m³/h

槽压为8V

阴极电极填充直径：60mm，阴极电极填充高度：300mm

采用本发明的反应器进行糠醛生产废水的处理，反应停留时间为5小时，处理后投加质量浓度为5%的NaOH溶液调节溶液pH值为9，然后采用定性滤纸进行过滤，滤后溶液COD与处理前糠醛废水COD如表3所示。

表3利用本发明处理糠醛生产废水处理前后对比

糠醛废水COD	经过本发明处理后的滤后废水COD
		8910~12610 mg·L^-1	98 ~83mg·L^-1

由该实验可明显看出，利用本发明处理后糠醛生产废水COD具有大幅下降，去除率达到99%，出水符合国家污水综合排放标准GB8978—1996 中的一级标准。

为了进一步表明本发明处理有机有污水的效果，我们又作了处理印染废水

的实验：

反应目标溶液体积均为：750mL

反应目标溶液：经过定性滤纸过滤后的某织袜厂印染废水，

化学需氧量COD为1260～2140mg·L^-1

色度为650～1900倍

pH值为10.5~13.5

投加质量浓度为5%的H₂SO₄溶液调节pH值为3

投加Na₂SO₄浓度为100mg·L^-1

空气流速：0.1m³/h

槽压为7V

内循环阴极电极填充直径：60mm，阴极电极填充高度：300mm

采用本发明进行印染废水的处理，反应停留时间为3小时，处理后投加质量浓度为5%的NaOH溶液调节溶液pH值为9，然后采用定性滤纸进行过滤，滤后溶液COD与处理前印染废水COD及其脱色率详见表4。

表4利用本发明处理印染废水情况

印染废水COD	本发明处理后的滤后废水COD	脱色率
			1260～2140mg·L^-1	86 ~72mg·L^-1	95~98%

经实验可看出，利用本发明的设备处理后印染废水COD有大幅下降，脱色率达到95%~98%，出水符合国家纺织染整工业水污染物排放标准（GB 4287-92）中的一级标准。

综上所述，本发明具有占地面积小，反应速度快，处理效果佳，工作效率高、运行成本低、投资少见效快等优势，与现有技术相比具有突出的实质性特点与显著的进步，是目前最为理想的有机污水处理设备。适合化工等多种行业应用，具有良好的发展前景与推广价值。

Claims

1.一种利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备，包括直流供电器（10）、进水管（11）、出水管（6）、排气阀（9），其特征在于：该设备还包括具有内塔壁（4）与外塔壁（1）双层塔体的塔式反应器，内塔壁（4）内的铁屑阴极（3），内塔壁（4）与外塔壁（1）之间的石墨棒阳极（5），以及内塔底部所设曝气头（8）及布水管（12），其中所述的铁屑阴极（3）是以金属加工产生的废铁屑为材料，采用10%质量浓度稀盐酸清洗20分钟去除表面油污，再用清水冲洗至洗后水pH值为6-8，然后在其表面化学沉积金属Ag或者Ti，以形成电芬顿双金属阴极，将所述阴极（3）填充于内塔之中，堆密度为2.0T/m³～2.5T/m³。

2.根据权利要求1所述的利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备，其特征在于：所述作为阳极（5）的石墨棒直径为1cm～5cm，个数为3～8，距离内塔外壁1cm～10cm。

3.根据权利要求1所述的利用电芬顿反应处理有机污水的专用设备，其特征在于：所述内塔壁（4）上设有均匀分布的导流孔（2），导流孔（2）直径为1cm～5cm，总开孔率为10%～20%。