一种电化学法-浸没式膜分离集成水处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种水与污(废)水处理装置，属于水处理技术领域。

背景技术：

电化学法是一种研究和应用比较广泛，尤其在去除水中难降解有机物方面具有比较突出优势的水处理技术。电絮凝、电催化氧化、电芬顿是常用的电化学水处理方法。

电絮凝是以铝、铁等金属为阳极，在直流电的作用下，阳极溶解产生Al、Fe 等离子，再经一系列水解、聚合及亚铁氧化等过程，形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物氢氧化物等，使水中的胶体物质、悬浮颗粒等混凝沉淀而分离。同时，带电的污染物颗粒在电场中泳动，其部分电荷被电极中和而促使其脱稳聚沉。此外，电絮凝过程中，能够产生氧化能力较强的氧气，分解水中有机污染物，且生成的氢气也起到了气浮的作用。由于阳极的氧化作用和阴极的还原作用，电絮凝还能同时高效去除水中有机物和其他多种污染物。与常规的化学絮凝相比，电絮凝对有机物的去除率更高，而且操作比较简便、管理方便。该技术在有机废水无害化处理上具有较大竞争优势和市场前景，其处理对象涉及酚类、染料、烃类、表面活性剂、芳烃、重金属类、杀虫剂、除草剂等多种常见的难生物降解的有机化合物、重金属和无机物。

电催化氧化是利用具有催化性能的金属氧化物电极，产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)或其它自由基和基团，氧化水中的有机污染物，使其分解为 H₂O、CO₂或其他小分子化合物。与传统的生物处理方法相比，电催化氧化技术具有操作管理方便，氧化条件可控程度高，对有机物的分解更加彻底，效率高，易实现自动化控制，设备集成度高，占地少等优点，尤其在生物难降解废水的处理方面表现出了高效的降解能力，已成为废水处理领域中的研究热点。为了提高·OH 基团氧化有机物的效率，需限制氧气的析出，因此必须控制好反应条件，如反应温度、溶液pH值和反应的电流密度等，选择较高电位的阳极材料能很好地抑制氧气的析出。

在已知阳极中，金刚石膜电极和镀铂钛电极(Ti/Pt)被认为具有较高的析氧电位，但价格昂贵。形稳电极(DSA)是20世纪60年代末发展起来的一种金属氧化物电极。该电极有耐蚀稳定、催化活性高、寿命长等优点，研究和应用日益增多。目前，氧化物的成分主要有SnO₂、PbO₂、Sb₂O₅、RuO₂、IrO₂、MnO₂、Ta₂O₅等或它们之中两种或两种以上的复合物，而且两元以上的氧化物往往具有更优越的导电性、稳定性及催化活性。

芬顿(Fenton)氧化法是一种高效的高级氧化技术，应用日益广泛。不过，普通芬顿法自身存在对污染物的矿化度不高、H₂O₂易分解且利用率不高、反应过程中形成的氢氧化铁絮凝物增加了后续处理费用等缺陷，限制了其发展。目前，人们用引入紫外线和电解的方法来解决以上难题，分别称为光芬顿法和电芬顿法。虽然光芬顿提高了难降解有机物的矿化程度，但是存在光量子效率低和自动生成·OH不完善的缺点，从而使人们把主要精力集中在把电解反应和芬顿反应置于同一反应器中进行的电芬顿法上。

膜分离技术是近年来应用日益广泛的水处理技术，常用的膜分离技术主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等。对于一般工业废水，由于污染物的粒度与微滤膜孔径接近，微滤膜极易受到严重的污染，其通量并不高于超滤膜，有时甚至更低，因此应用较少；纳滤和反渗透虽然可以获得优质的再生水，如脱盐水，但能耗高，膜通量偏低，膜污染问题十分突出，这些限制了其在废水深度处理中的应用。由于具有通用性强、出水水质好、能耗低、经济可行、组件多样化、易于实现自动控制、运行稳定可靠、占地面积小、便于现存企业废水处理厂的升级改造等优点，超滤膜分离技术被认为是极具竞争力的工业废水深度处理技术。不过，膜污染依旧是限制超滤广泛应用的一个重要因素。膜污染将导致膜分离过程能耗增加，产水能力降低，膜清洗频率增加，膜寿命缩短，从而增加膜处理综合成本。因此，采取适宜的预处理方法处理废水，缓解膜污染，是膜分离技术成功应用的重要保障。

由于废水水质的COD、色度、毒性和难降解有机物浓度等指标较高，上述任何一种方法单独处理时均难以满足有关排放或重复利用的水质指标要求。电絮凝 /电催化氧化/电芬顿可氧化分解废水中的有机物，降低COD含量和色度，缓解有机物对膜表面的污染，并将分子量较大的有机物分解为易于被膜分离的小分子有机物，膜分离过程可进一步去除电絮凝/电催化氧化/电芬顿后水中的有机物、胶体、总磷以及其它污染物，提高出水的水质。

电絮凝/电催化氧化/电芬顿技术与膜分离技术的一体化集成装置，不仅保持了电絮凝/电催化氧化/电芬顿降解高含量、难降解有机废水的无选择性、反应速度快、处理效果好等优点，同时膜分离对小于膜孔径的有机大分子物质的截留作用，能够确保滤后出水在除菌、消除悬浮物和降低BOD方面很稳定，使整个水处理系统持续有效地稳定运行。另外，集成装置中电絮凝/电催化氧化/电芬顿技术作为膜分离的预处理工艺，降低了废水的污染负荷，缓解了膜污染，提高了膜的使用寿命。

技术实现要素：

本发明将电化学法中的电絮凝、电催化氧化和电芬顿体系与浸没式膜分离系统集成在一起，形成一体化装置，从而减少了装置的占地面积，有效缓解膜污染，延长膜的使用寿命，提高膜过程的产水率，同时利用电絮凝、电催化氧化或电芬顿过程对废水中难降解有机物强大的降解能力，极大提高了水中污染物的去除效率。

一种电化学法-浸没式膜分离集成水处理装置，主要包括槽体、电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区、浸没式膜分离区和沉降区。电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区、浸没式膜分离区位于反应器的上部，利用隔板将两个区域隔开，二者的下部为沉降区，且二者均与沉降区相通，二者内部的污泥可沉降至沉降至沉降区。

所述电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区主要包括进水口、高频脉冲电源，第一阳极、第二阳极感应电极、第一阴极与第二阴极；第一阳极与正极相连，阴极与负极相连，感应电极置于正负极板之间做为第二阳极。

所述电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区的阳极为铁、铝、石墨或具备催化氧化能力的DSA 电极，感应电极为铁或铝牺牲阳极，阴极为铁、铝、石墨或碳纤维电极。其中DSA电极在通电条件下具有催化有机物降解的能力。根据电极材料的不同，感应阳极能够在电化学过程中直接生成Fe²⁺或Al³⁺，阴极为石墨电极或者更为高效的碳纤维电极时，能够产生H₂O₂，从而在Fe²⁺存在时发生芬顿反应，生成羟基自由基，高效去除有机物。对于电絮凝过程，阳极可为铁或铝电极，阴极可为铁、铝、石墨或碳纤维电极。当阳极、阴极均为铁或铝电极时，可以倒极运行。对于电催化氧化过程，阳极可为DSA电极、金刚石膜电极或镀铂钛电极，阴极可为石墨或ACF电极。对于电芬顿过程，阳极为铁电极，阴极为石墨或碳纤维电极，也可投加H₂O₂，提高电芬顿过程的效率。

进一步地，电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区中电极板被极板卡槽固定于反应器内，极板卡槽的间距可调整以适应不同厚度的电极板。

所述浸没式膜分离区主要包括膜组件、曝气装置和膜出水口。在运行过程中，由于膜分离区曝气的提升作用，废水在膜分离区内自下而上流动，从上部进入电絮凝/电催化氧化/电芬顿区，然后自上而下流动，自电絮凝/电催化氧化/电芬顿区的下部进入膜分离区，从而形成循环流动。废水的循环流动，一方面会冲刷膜表面，控制膜污染；另一方面是使膜分离后的浓液进入电絮凝/电催化氧化/电芬顿区进一步处理，提高污染物的去除率，同时提高膜分离过程的产水率。膜组件上配置有成组的超滤膜，可以使用平板膜组件也可以使用中空纤维膜组件，材质可以是无机膜，也可以是有机膜。膜组件上设有出水口，出水口与泵相连。经过处理的废水经由泵的抽吸作用而从膜的出水口排出。

所述沉降区包括斗状的污泥沉降槽和排泥口，有利于污泥的沉降分离和压缩脱水，避免高浓度污泥进入膜分离区而导致严重的膜污染。在沉降区下端设置排泥口，定期排放污泥。

附图说明

图1是电化学法-浸没式膜分离集成水处理装置示意图(正视图)

图2是电化学法-浸没式膜分离集成水处理装置示意图(俯视图)

图中附图标记含义如下

1、进水口；2、电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区；21、第一阳极；22、第二阳极；23、第一阴极；24、第二阴极；25、极板卡槽；3、膜分离区；31、膜出水口；32、曝气装置；4、隔板；5、排泥口；6、槽体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1、2所示，本实用新型电化学法-浸没式膜分离集成装置的电絮凝/电催化氧化/电芬顿主体设备包括反应池和4组独立的电极，其中包括第一阳极21和第二阳极22，第一阴极 23和第二阴极24。

所述集成装置的膜分离区，包括一套浸没式的膜组件3，可以用平板膜也可以用中空纤维膜组件，组件上有出水口与泵相连，由泵提供压力差使反应区中废水通过膜表面，从出水口排出；膜分离区下方设置有曝气装置32，设备运行过程中曝气装置开启合适的空气流量，膜分离区中部水流被气体带动上升并于靠近反应区边缘处下降形成内循环，靠近隔板一侧的水流提升越过隔板带入点芬顿反应区内，形成整个集成设备的内循环。

所述集成装置的下部为污泥沉降区，电絮凝/电催化氧化/电芬顿反应区产生的化学污泥在该区沉降从排泥口5排出。

下面对电絮凝/电催化氧化/电芬顿-膜分离集成水处理装置中三种电化学过程的实施方式做进一步说明：

1、当反应器采用电絮凝-膜分离模式时，电极21和电极22采用铁电极作为牺牲阳极连接电源正极；电极23和电极24采用价格低廉的石墨电极作为阴极连接电源负极。电解开启时阳极产生大量铁盐作为絮凝剂去除水中污染物。该模式下电化学反应区泥量增大，膜分离区适量开大曝气量，保持更高的膜表面流速。排泥区出口5加大排泥频率，保证整个反应装置内污泥浓度不至过高。该模式尤其适用于含重金属离子的工业废水。

2、当反应器采用电催化-膜分离模式时，电极21和电极22采用DSA电极做为阳极连接电源正极；电极23和电极24采用石墨电极作为阴极并连接电源负极。电解开启时阳极21、 22的DSA电极具有很强的催化氧化作用，对水中有机污染物降解作用很强。该模式下电化学反应区没有新污泥产生，膜分离区可适当调高跨膜压差和水通量，提高处理效率。由于污泥量小，排泥口5可降低排泥频率至最小值。该模式适用于小分子有机物含量高的工业废水。

3、当反应器采用电芬顿-膜分离模式时，电极21采用DSA电极作为阳极连接电源正极，电极22采用铁电极不接电；电极23和电极24采用碳纤维阴极连接电源负极。电解开启时阳极21的DSA电极主要起催化氧化作用，阳极22铁电极作为感应阳极产生Fe²⁺，阴极23和 24使用ACF电极产生H₂O₂，电化学反应区发生芬顿反应，产生羟基自由基降解水中难降解有机物。该模式下电化学反应区有一定量的污泥产生，膜分离区曝气装置32保持适当的曝气量，保持适量的跨膜压差和水通量。排泥口排泥频率调整至适当值。该模式适用于处理难降解有机物含量高的工业废水。