一種電化學汙水處理系統及其汙水處理方法與流程
2023-11-10 23:39:14
本發明涉及汙水處理技術領域，尤其涉及一種電化學汙水處理系統及其汙水處理方法。
背景技術：
工業廢水的處理一直是一個急需解決的熱點問題。現有技術中常用的廢水處理方法包括物理法，例如通過沉降、沉澱、氣浮等方法；生物法，例如發酵、生物分解；化學法，例如中和、投放石灰以及電化學法等等。
其中，電化學法由於具有成本低、佔地面積小，無需投入大量試劑、汙泥處理便利等優勢，成為了研究的熱點。但由於電化學法處理汙水的過程中，隨著使用時間的增長，陽極與陰極均會存在不同程度的腐蝕現象，影響電解的持續穩定進行。尤其是在犧牲陽極的電化學法中，其電極板的純度要求高(含氧量會影響電解的進行，改變放電順序)，電極板的消耗快，而且極易在使用過程中出現鈍化等問題，使得電化學法處理工業廢水的應用受到限制。
另外，採用活性金屬(例如鐵)作為陽極板時，迅速消耗的鐵離子在廢水中過於豐富，形成過多的氫氧化亞鐵絮凝劑會極大的影響廢水的電解處理、也會使得汙泥量顯著提升，導致電解後的後續工藝難度的增加。
因此，現有技術還有待發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一種電化學汙水處理系統及其汙水處理方法，旨在解決現有電化學處理方法中電極板無法穩定持續的滿足廢水電解處理要求的問題。
為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：
一種電化學汙水處理系統，包括電解槽、陰極以及陽極，其中，所述電化學汙水處理系統設置有若干個電解單元，每個電解單元包括一個陽極、一個陰極、若干個間隔板以及為陰極提供外源氧氣的曝氣裝置；所述陽極包括修飾碳糊電極層以及設置在修飾碳糊電極層表面的若干活性金屬；所述陰極及間隔板均為修飾碳糊電極；所述活性金屬為純鐵。
所述的電化學汙水處理系統，其中，所述電解單元具體包括一個陽極、一個陰極、三個間隔板以及曝氣裝置。
所述的電化學汙水處理系統，其中，所述電化學汙水處理系統還包括排汙裝置，所述排汙裝置包括汙泥刮板、刮板導軌以及汙泥排放管；所述刮板導軌設置在陽極、陰極以及間隔板兩側，所述汙泥刮板沿所述導軌上下運動，刮除粘附咋陽極、陰極以及間隔板上的汙泥；所述汙泥排放管設置在電解槽兩側，用於接收汙泥刮板刮除的汙泥。
所述的電化學汙水處理系統，其中，所述電化學汙水處理系統還包括一生物膜處理單元，所述生物膜處理單元包括單元本體、設置於本體內的若干生物填料、設置於本體上，用於換氣的通氣裝置以及用於攪拌生物填料、設置在本體內的攪拌頁；所述生物膜處理單元與所述電解槽的汙水出口連接。
所述的電化學汙水處理系統，其中，所述修飾碳糊電極具體為用室溫離子液體修飾的碳糊電極。
所述的電化學汙水處理系統，其中，所述電解單元上還設置有發射330-350nm波長的紫外光的紫外光發生器。
一種使用如上所述的電化學汙水處理系統的汙水處理方法，其中，所述方法包括：調整工業廢水的pH值為鹼性並將鹼性工業廢水輸入到電解槽中；接通電源，對所述電解槽內汙水進行電解；在電解過程中，通過曝氣裝置向陰極通入氧氣；電解槽內工業廢水符合預定標準後，從所述電解槽的汙水出口排出。
一種使用如上所述的電化學汙水處理系統的汙水處理方法，其中，所述方法還包括：調整工業廢水的pH值為鹼性並將鹼性工業廢水輸入到電解槽中；接通電源，對所述電解槽內汙水進行電解；在電解過程中，通過曝氣裝置向陰極通入氧氣並且啟動汙泥刮板沿導軌循環上下運動，所述汙泥刮板的運動速度為每兩分鐘完成一個循環；電解槽內工業廢水符合預定標準後，從所述電解槽的汙水出口排出。
有益效果：本發明提供的一種電化學汙水處理系統及其汙水處理方法，通過採用修飾碳糊電極作為電極板基體，使電極板的導電率、循環伏安特性、耐用性均得到了良好的保證。在陽極中添加用作犧牲的純鐵層以及在陰極中通入氧氣以便於分別在陽極和陰極中有效的產生鐵離子以及氫氧根，使廢水處理效果更佳。另外，電解單元中設置的間隔板能夠降低電流，提高廢水處理效果。
附圖說明
圖1為本發明具體實施例的電化學汙水處理系統的剖面結構示意圖。
圖2為本發明具體實施例的電化學汙水處理系統的陽極結構示意圖。
圖3為本發明具體實施例的電化學汙水處理系統的生物膜處理單元。
圖4為本發明具體實施例使用的電化學汙水處理系統的汙水處理方法的方法流程圖。
圖5為本發明具體實施例的循環伏安特性掃描結果示意圖。
具體實施方式
本發明提供一種電化學汙水處理系統及其汙水處理方法。為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1所示，為本發明的一種電化學汙水處理系統。所述系統包括電解槽10、以及若干個陰極、陽極。為陳述方便，以一個陽極及陰極作為一個電解單 元進行陳述。所述具體設置的電解單元數量可以依據實際情況予以確定，例如3個或者更多。
所述電解單元包括：一個陽極100、一個陰極200、若干個間隔板300以及為陰極提供外源氧氣的曝氣裝置400。
其中，如圖2所示，所述陽極100由修飾碳糊電極層110和設置在修飾碳糊電極層表面的若干純鐵塊120。所述陰極200及間隔板300則採用修飾碳糊電極。具體設置的純鐵塊數量可以依據實際情況所確定，一般的只需滿足電解時能夠提供足夠的二價鐵離子溶出即可。
所述碳糊電極(CRE)是一種利用導電性石墨粉與憎水性粘合劑混制形成糊狀物後製成的各種形式的電極。基於其製作特點，碳糊電極能夠很輕鬆的使用各種類型的修飾劑來賦予電極不同的特點，例如高靈敏度，選擇性等等。
在此，使用「修飾碳糊電極」這一術語指代這些經過修飾的碳糊電極。在本發明的一具體實施例中，可以使用室溫離子液體(RTILs)，例如BMPBF4(1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽)對碳糊電極進行修飾，極大的提高電極的電化學響應速度、穩定性以及重現性。
另外，採用上述碳糊電極(CRE)為基材製作的電極板，能夠較好的抗腐蝕、抗鈍化，能夠保持陰極、陽極等的長期使用。
所述曝氣裝置400具體可以採用現有常用的，合適的通氣裝置。所述曝氣裝置400設置在陰極旁，為陰極通入外源氧氣。通入的外源氧氣能夠在陰極得電子，持續生成氫氧根以及過氧化氫(強氧化劑)，使電解槽內工業廢水的難降解有機物、金屬離子等得到有效的氧化。
上述電解槽的電解過程具體如下：
陰極生成強氧化劑的電極反應：
1)酸性條件下：O2+2H++2e→H2O2
2)鹼性條件下：O2+H2O+2e→HO2-+OH-
陽極中的活性金屬則失去電子，形成二價鐵離子。
在這一電解過程中，溶液中的二價鐵離子在被氧化成為三價鐵離子後，同樣能夠在陰極得到電子被還原。由此，溶液中的鐵離子可以被循環利用，可以持續的再生二價鐵離子，有效的減少了汙泥的產生量。
3)Fe3++e→Fe2+
在本發明的一個較佳實施例中，所述電解單元具體可以包括一個陽極100、一個陰極200、三個間隔板300以及曝氣裝置400。加入了間隔板後，能夠有效的降低電解槽內工業廢水的電流強度。例如，在使用單極接線時，設置3個間隔板能夠有效的將電流降低至不超過400A。
為了進一步的增加電解過程中，強氧化劑的生成，所述電解單元上還可以設置一發射330-350nm波長的紫外光的紫外光發生器。通過紫外光的照射來進一步提高有機物、重金屬物質的處理效率。
在本發明的另一具體實施例中，所述電化學汙水處理系統還可以包括一用於保持電極板(即陽極、陰極以及間隔板)表面潔淨的排汙裝置。
所述排汙裝置包括汙泥刮板、刮板導軌以及汙泥排放管。所述刮板導軌分別沿陽極、陰極以及間隔板的兩側垂直設置。所述汙泥刮板與所述導軌配合，沿所述導軌上下運動，刮除附著在陽極、陰極以及間隔板表面的汙泥。所述汙泥排放管設置在電解槽兩側，收集由汙泥刮板刮除下來的汙泥。
上述排汙裝置能夠有效的保持電極板的表面潔淨，維持電解過程中穩定持續的電解效果，避免電解效率的降低。
較佳的是，為了對電解處理後的工業廢水進行進一步的處理，提升整體的處理效果，所述電化學汙水處理系統還包括一生物膜處理單元600。
如圖3所示，所述生物膜處理單元600包括單元本體610、設置於本體內的若干生物填料620、設置於本體上，用於換氣的通氣裝置630以及用於攪拌生物填料、設置在本體內的攪拌頁640。
所述生物膜處理單元600與所述電解槽的汙水出口連接。對經過電解槽電解處理後的工業廢水進行進一步處理。由於前述的電解過程能夠將工業廢水中的有機物以及重金屬等有效的氧化降解，使得工業廢水的可生化性能夠得到有效的提升。
所述生物填料620可以使用現有一些常用的生物填料，或者依據廢水的特點予以選擇配製，為本領域技術人員所熟知，在此不作贅述。採用生物填料，具有較高的比表面積，使得生物填料形成的生物膜的量較大。通氣裝置630則為生物填料中生長的微生物提供足夠的氧氣以進行新陳代謝活動來氧化去除汙染物。攪拌頁640則可以通過攪動生物填料來保持生物膜的更新頻率。所述攪拌頁640可以依據實際需要選擇合適的旋轉速度。
實施例1
修飾碳糊電極的製作：
以質量比計，取BMPBF4和石墨粉以1比3的比例混合，在超聲條件不斷攪拌，使兩者混合均勻，形成糊狀膏體。
將膏體填入聚四氟乙烯管中壓實，插入銅絲作為導線，放置使其穩定成型。
用去離子水衝洗三次並晾乾。
用稱量紙將電極表面打磨成鏡面，形成所述修飾碳糊電極。
以ph＝3，0.05mol/L的氯化鈉溶液為本底，進行循環伏安法掃描，檢測所述修飾碳糊電極性能(以未修飾碳糊電極為對照)。結果如圖5所示，其中曲線1為修飾後碳糊電極，曲線2為未修飾碳糊電極。
實施例2
修飾碳糊電極的製作：
以質量比計，取BMPPF6和石墨粉以1比3的比例混合，在超聲條件不斷攪拌，使兩者混合均勻，形成糊狀膏體。
將膏體填入聚四氟乙烯管中壓實，插入銅絲作為導線，放置使其穩定成型。
用去離子水衝洗三次並晾乾。
用稱量紙將電極表面打磨成鏡面，形成所述修飾碳糊電極。
以ph＝8，0.08mol/L的氯化鈉溶液為本底，進行循環伏安法掃描，檢測所述修飾碳糊電極性能(以未修飾碳糊電極為對照)。
本發明還提供了一種使用如上所述的電化學汙水處理系統的汙水處理方法。
如圖4所示，所述方法包括：
S1、調整工業廢水的pH值為鹼性並將鹼性工業廢水輸入到電解槽中。將pH值調節成為鹼性，能夠有利於電解過程中的電凝聚的形成，加速金屬離子的沉降。當然，對於有機物含量豐富的廢水、需要較強氧化能力時，為實現較好的氧化效果，也可以將工業廢水的pH值調節成為酸性。
S2、接通電源，對所述電解槽內汙水進行電解。
S3、在電解過程中，通過曝氣裝置向陰極通入氧氣。
S4、電解槽內工業廢水符合預定標準後，從所述電解槽的汙水出口排出。
所述預定標準具體由實際的汙水處理情況所決定，需要考慮的因素包括：輸入的工業廢水類型、工業廢水電解後，後續的操作流程等等。
在本發明的較佳實施例中，在電解過程中，所述廢水處理方法還包括：通啟動汙泥刮板沿導軌循環上下運動。所述汙泥刮板的運動速度為每兩分鐘完成一個循環。上述步驟能夠保持電極板的表面潔淨，保持良好的電解效率。
實施例3
六價鉻的廢水處理
某公司的不鏽鋼生產過程中所述產生的廢水中含有鉻、氟等劇毒重金屬物質，現有技術中，通常需要多個環節，將六價鉻離子還原為三價鉻離子後方可形成聚凝物進行處理。
將上述廢水加入到本發明提供的電化學汙水處理系統中進行處理，六價鉻 在電解槽的陰極被還原成了三價鉻，並與陽極溶解的金屬離子和氫氧根集合形成聚凝物，將多個工藝步驟簡化為一個，極大的方便了廢水的處理，有效的降低了成本。
另外，處理後的廢水中不會包含採用化學法處理時引入的硫酸根及氯離子，降低了對管道、換熱器的腐蝕作用。
實施例4
某汽車零部件製造商在生產過程中產生了大量的切削油，由於乳化油的存在，化學藥品在廢油中無法有效的溶解，導致需要採用高成本的蒸發器進行處理。
將所述切削油的pH值調節至酸性(pH值3-5)。
然後通過沉澱池進行初步沉澱。
沉澱後的切削油加入到所述電化學汙水處理系統中進行電解。
由於電解過程中能夠持續不斷的產生強氧化劑，使得廢水中的COD值、色度等均實現了大幅度下降。
可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及本發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。