一种电催化废水处理系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供的电催化废水处理系统，包括反应槽体、电解装置、工作电极、电解供气系统、催化材料，所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。通过在空气泵与曝气管之间设置介质阻挡等离子体发生器，既为反应槽体中的催化材料提供定向循环的动力，又为工作电极及催化材料提供低温等离子体流以供电催化过程促进活性氧物种之间的电化学反应过程，从而提高废水处理系统的反应效率，节约时间，降低废水处理成本。
【专利说明】一种电催化废水处理系统
【技术领域】
[0001]本发明属于废水的净化领域，尤其涉及一种电催化废水深度处理系统。
【背景技术】
[0002]节约资源和保护环境是我国的一项基本国策。“十二五”期间，全国城市污水处理回收利用率要达到10%的目标，每年可节约新鲜水资源70多亿m3，这可有效地缓解我国，尤其是干旱地区水资源短缺的问题，因此废水回用具有重要的现实意义。
[0003]目前全国总的污水排放量是700多亿吨，全国再生水的用量只有16.6亿m3，仅占全国废/污水排放量的2%，距离10%的目标相差很远。因此要完成这一目标不仅取决于国家政策的引导、市场水价的调整等宏观调控因素，更需要高效、清洁、投资省、运行成本低的可靠废水深度处理与回用技术的实际应用，因此再生水未来投资空间十分广阔。
[0004]再生水是指城市生活污水及生产废水等经过预处理及生化法处理后达到排放标准的排放水，再经进一步的处理后，达到某一用途的水质标准，如工业冷却用水、城市园林景观灌溉等而回用于该生产过程的潜在水资源。但在废水达标处理过程中，原污/废水中的母体化合物已经发生了显著的变化，不仅体现在化合物的组成、性质上发生变化，而且其分子形态与尺寸大小都有显著的不同。因此，在深度处理中继续以生化法为主要净化工艺，则往往对COD (化学耗氧量)等关键控制水质指标的去除效率很低。目前再生水的处理技术常见的有膜技术、Fenton试剂氧化法、光催化氧化法等，或与其他处理方法的组合工艺。例如，于2005年I月12日公开的中国发明专利申请，专利申请号为200410012222.1，公开了一种光电催化氧化处理水中有机物的装置，把紫外光氧化及电解氧化相结合来强化反应过程；于2006年7月12日公开的中国发明专利申请，专利申请号为200510000148.6，公开了一种负载TiO2光催化剂`及其制备方法和光催化水质净化器,把紫外光TiO2催化与膜技术相结合实现对废水的有效处理；于2005年8月3日公开的中国发明专利申请，专利申请号为200410075505.0,公开了一种膜法集成光催化污水处理装置，把紫外光TiO2催化-超声波-生物法整合在一起连续处理污水中的有机物。以上这些组合工艺,虽然与单一方法相比大大地提高了系统的降解效率，但这些组合工艺不仅存在处理流程长、占地面积大、运行成本高等具体问题；同时在处理过程中会产生大量的污泥。这些污泥含水率高，处理成本高，尤其是含有I类污染物的污泥更是如此。污泥的直接排放或污泥管理不当就使得处理污水的污水处理厂成为新的环境污染源，现已引起社会各界的高度关注，也成为目前废水处理过程中亟待解决的新问题。
[0005]鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明专利申请的发明人，开发了一种高效、清洁、低或无污泥产生的废水深度处理装置，该装置包括反应槽体，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口分别设于所述反应槽体侧壁的上端；电解装置，包括正极板、负极板和电源，所述正极板和负极板设于所述反应槽体内，所述电源电性连接于所述正极板和负极板；电解供气系统，包括曝气管和空气泵，所述曝气管设于所述反应槽体的底部，所述空气泵外接于所述反应槽体；催化材料，装填于所述反应槽体内。这种废水深度处理装置出水水质优良、稳定，运行成本低，动力消耗小，占地面积小，操作简单及易于集成与自动化控制。但是，在实际使用中，由于废/污水的多样性，组成成分的复杂性及浓度的多变性，当把上述装置应用于某些废水的处理过程中时，往往会遇到在正常的催化氧化时间20min内很难将其处理到所需要的技术标准以内，此时不得不采用延长催化电解反应时间的方式来满足技术要求，而这相应地增加了系统运行的能耗及装置的体积等具体问题。
[0006]因此，需要开发一种反应效率更高的电催化废水处理系统。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种结构简单的废水深度处理装置。
[0008]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0009]一种电催化废水处理系统，包括:
[0010]反应槽体，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口分别设于所述反应槽体侧壁的上端；
[0011]电解装置，包括正极板、负极板和电源，所述正极板和负极板设于所述反应槽体内，所述电源电性连接于所述正极板和负极板；
[0012]工作电极，所述工作电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，且所述工作电极与所述电源的正、负极输出端相接；
[0013]电解供气系统，包括曝气管和空气泵，所述曝气管设于所述反应槽体的底部，所述空气泵外接于所述反应槽体；
[0014]催化材料，装填于所述反应槽体内；
[0015]所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。
[0016]优选地，还包括多个感应电极，所述感应电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，所述多个感应电极等间距设置于所述工作电极的正、负极之间。
[0017]优选地，所述工作电极为石墨板或316L板，所述感应电极为石墨板或316L板。
[0018]优选地，所述反应槽体由绝缘分隔板分隔成多个反应槽体，且相邻两个反应槽体之间设有联通管，水通过所述联通管从其中一个反应槽体进入相邻的另一反应槽体。
[0019]优选地，所述多个反应槽体的容积相同。
[0020]优选地，所述联通管为三通管。
[0021 ] 优选地，所述入水口设置有中心进水管与阀。
[0022]优选地，所述反应槽体由PP板或PVC板加工形成。
[0023]优选地，装填于所述反应槽体内的催化材料占每个反应槽体容积的30%-60%。
[0024]与现有技术相比，在本发明的电催化废水处理系统中，在所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。通过在空气泵与曝气管之间设置介质阻挡等离子体发生器，既为反应槽体中的催化材料提供定向循环的动力，又为工作电极及催化材料提供低温等离子体流以供电催化过程促进活性氧物种之间的电化学反应过程，从而提高废水处理系统的反应效率，节约时间，降低废水处理成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1所示为本发明具体实施例中提供的电催化废水处理系统的结构示意图。【具体实施方式】
[0027]现有的废水处理系统，在实际使用中，由于废/污水的多样性，组成成分的复杂性及浓度的多变性，往往会遇到在正常的催化氧化时间20min内很难将其处理到所需要的技术标准以内，此时不得不采用延长催化电解反应时间的方式来满足技术要求，而这相应地增加了系统运行的能耗及装置的体积等具体问题。
[0028]鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明揭示了一种电催化废水处理系统，包括:
[0029]反应槽体，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口分别设于所述反应槽体侧壁的上端；
[0030]电解装置，包括正极板、负极板和电源，所述正极板和负极板设于所述反应槽体内，所述电源电性连接于所述正极板和负极板；
[0031 ] 工作电极，所述工作电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，且所述工作电极与所述电源的正、负极输出端相接；
[0032]电解供气系统，包括曝气管和空气泵，所述曝气管设于所述反应槽体的底部，所述空气泵外接于所述反应槽体；
[0033]催化材料，装填于所述反应槽体内；
[0034]所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。
[0035]优选地，还包括多个感应电极，所述感应电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，所述多个感应电极等间距设置于所述工作电极的正、负极之间。
[0036]优选地，所述工作电极为石墨板或316L板，所述感应电极为石墨板或316L板。
[0037]优选地，所述反应槽体由绝缘分隔板分隔成多个反应槽体，且相邻两个反应槽体之间设有联通管，水通过所述联通管从其中一个反应槽体进入相邻的另一反应槽体。
[0038]优选地，所述多个反应槽体的容积相同。
[0039]优选地，所述联通管为三通管。
[0040]优选地，所述入水口设置有中心进水管与阀。
[0041]优选地，所述反应槽体由PP板或PVC板加工形成。
[0042]优选地，装填于所述反应槽体内的催化材料占每个反应槽体容积的30%_60%。
[0043]本发明的电催化废水处理系统中，在所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。通过在空气泵与曝气管之间设置介质阻挡等离子体发生器，既为反应槽体中的催化材料提供定向循环的动力，又为工作电极及催化材料提供低温等离子体流以供电催化过程促进活性氧物种之间的电化学反应过程，从而提高废水处理系统的反应效率，节约时间，降低废水处理成本。
[0044]为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]参图1所示，本发明揭示了一种电催化废水处理系统，包括:
[0046]反应槽体1，包括入水口 2和出水口 3，入水口 2和出水口 3分别设于反应槽体I侧壁的上端。反应槽体I优选设置成矩形体，采用PP板或PVC板加工而成。当然，反应槽体I的形状可以设置成其他形状，例如圆柱体。
[0047]电解装置,包括正极板4、负极板5和电源6，正极板4和负极板5设于反应槽体I内，电源6电性连接于正极板4和负极板5。在本发明优选实施例中，正极板4、负极板5均为石墨电极板。多个石墨电极板在反应槽体I内沿从左到右的方向以一定的间隔排布，并按照正负极交互式方法与配置的电源6的正负极输出端电性连接，电源6优选为直流电源。正极板4和负极板5垂直于反应槽体I的底板。在实际应用中，由于反应槽体I体积的限制，正极板4和负极板5可以仅设置为一组，即只有一个正极板4和一个负极板5，并分别设于反应槽体I的两侧。
[0048]电解供气系统，包括曝气管7和空气泵8，曝气管7设于反应槽体I的底端，空气泵8外接于反应槽体1，当然，空气泵8也可设置于反应槽体I的间隙内。曝气管7设有多个，且平行分布于反应槽体I的底 部，曝气管7优选平行于正极板4或负极板5设置，进一步地，曝气管7优选设于相邻的正极板4和负极板5之间。曝气管7的气孔朝下，防止被反应槽体I内的催化材料颗粒堵住。空气泵8连接于曝气管7，可以为反应槽体11中的负极板5提供氧气以供电活化时产生活性氧物种，同时也为催化材料提供定向循环的动力，进而使得催化材料失活与结垢风险大大降低，催化材料的催化效率得到了很大的提高。电解供气系统还可以包括空气流量计或空气阀等。在其他实施方式中，曝气管7的数量也可仅设置有一个。
[0049]催化材料，装填于反应槽体I内。在本发明优选实施例中，催化材料为负载过渡金属的碳基或二氧化硅基颗粒，催化材料中还可以掺杂有二氧化钛。该催化材料既能够从低浓度废水中选择性富集污染物，又具有高度电催化活化性能。在反应槽体I中添加了催化材料，使得对较低浓度难降解废水的处理效果与处理效率得到大幅度的提高。催化材料的装填量占每个反应槽体的容积优选为30%~60%。
[0050]工作电极14，工作电极14设置于反应槽体I的两端侧壁上，且工作电极14与电源6的正、负极输出端相接。
[0051]在本发明优选实施例中，曝气管7和空气泵8之间设置有介质阻挡等离子体发生器16，等离子体发生器16具有进气口和出气口，进气口与空气泵8相连，空气泵8向等离子体发生器16供气，出气口通过等离子体流输送干管17与曝气管7相连。如此设置，介质阻挡等离子体发生器16在工作时将产生介质阻挡等离子体流，经过多种污/废水的试验研究，发现采用介质阻挡等离子体流来替代传统直接利用空气作为电催化过程产生活性氧物种的前体物，可有效地促进电催化反应的氧化速率并显著地提高氧化效率。在电解时间等条件完全一致时，可进一步提高系统的氧化效果与出水水质的稳定性，且可使最佳工作电压降低，从而有效地减少了工作能耗与运行成本，且可满足用户处理不同水质废水变化波动的要求。这是因为介质阻挡放电(即无声放电)是用频率为50Ηζ-1ΜΗζ级的交流高电压来启动，在放电空间插入绝缘介质的一种气体放电，是产生大气压非平衡态等离子体的一种可靠、经济的方法。气体放电过程一般存在着六种基本粒子:光子、电子、基态原子(或分子)、激发态原子(或分子)以及正尚子和负尚子，如.0H、O3>.0、H2O2> e+、e-等,这些含有大量活性物质的低温等离子体流被送入反应槽体后，迅速参与电场作用下的电催化反应过程，使电解反应器废水中的大分子污染物等发生断键或开环等一系列反应，并最终将其去除。
[0052]进一步地，本发明所示的电催化废水处理系统还包括至少一对感应电极15，感应电极15设置于工作电极14的正、负极之间。如此设置，改变了现有技术中用数十对工作电极工作的生产方式。其技术原理是:催化电解效率不仅与电流密度相关，而且也与电场强度相关，即电场强度越大，催化电解效率越高，反之，电场强度越小，催化电解效率越低；但同时，也需要解决一个生产实际问题，即当在满负荷生产时，反应槽体I施加在每对工作电极14上的一定电流密度所需要的供电电源必须具有极高的总的供电电流输出与相对较低的工作电压；同时也需要与该供电电源相匹配的能够承受极高电流强度的供电干线(导线的截面积很大)，然后再分配到每对工作电极14上。这无疑增加了供电电源及供电干线的加工要求及其制造成本。而本发明所揭示的废水处理系统，利用I对或少量几对高电压的工作电极14与分布在工作电极14间的多只感应电极15串联使用的设计方式，有效地解决了这一问题，从而把原来控制一定电流密度时所需要的极高输出电流的工作电源变为相对很小的电流输出与相对较高的电压输出的供电电源，而电源的总输出功率保持不变。这样也可把原来大截面的供电干线大幅度地减小，同时又提高了工作电极14间的电场强度及相邻感应电极15之间的电位差，`可有效地提高电催化过程的氧化效率。因此使整个装置的技术参数更加合理，并且减少了加工难度与制造成本。此处，工作电极14可以为石墨板或316L板,感应电极15可以为石墨板或316L板。
[0053]最优地，多个感应电极15等间距设置于工作电极14的正、负极之间。
[0054]在本发明优选实施例中，第一反应槽体11和第二反应槽体12的交接处的上端开设有入水口 2，第二反应槽体12右方侧壁的上端开设有出水口 3，出水口 3优选低于入水口2的高度。第一反应槽体11的下端还可以设有排空口 13，排空口 13可以在废水处理系统不使用时将第一反应槽体11和第二反应槽体12内的废水排放出去。入水口 2、出水口 3和排空口 13处可分别设有阀门，入水口 2还设置有中心进水管(图未示)，使得入水口 2可分别向第一反应槽体11和第二反应槽体12供水。采用这种中间进水与布水系统，方便两池单独工作时的进水管理，而又不增加管线。
[0055]进一步地，第一反应槽体11和第二反应槽体12的容积相同。当然，也可以根据实际需要对第一反应槽体11和第二反应槽体12的大小进行调整，以满足不同类型的工业废水的处理要求。
[0056]以下结合实施例对本发明提供的电催化废水处理系统的效果进行详细说明。
[0057]实施例1
[0058]对炼油废水生化后出水的处理效果分析。
[0059]炼油废水属于难降解废水，炼油过程用水量大，排放废水的水质复杂且波动性强。利用处理能力为60L/h的上述废水处理系统，对一家炼油厂废水经过生化后的排放水进行了 30天的现场连续运行试验。结果表明:当进水水质指标COD波动变化在80.0-360mg/L之间，平均值220mg/L ;氨氮浓度在40.0mg/L左右时，控制反应时间为20min，反应后系统出水的COD低于50mg/L，平均去除率可达80.1% ;出水的氨氮浓度低于4mg/L，对氨氮去除率达到90%以上。与仅采用空气流曝气相比，当介质阻挡等离子体发生器16工作时，可使系统对上述污染物的去除率增加10%。电解结束时系统的平均产泥量低于每升废水30mg。而且出水水质好且变化平稳，这说明系统对有机物的抗冲击性很好。
[0060]实施例2
[0061 ] 印染废水生化后出水的处理效果分析。
[0062]印染工业用水量大，水质复杂，污染物浓度波动性大。利用处理能力为60L/h的上述废水处理系统，对多家印染废水生化后的排放水进行了 3周的现场连续运行试验。实验水的主要水质指标为:进水水质指标COD波动变化在80-120mg/L之间，平均值100mg/L时；色度为40-80，平均值为60。实验时控制反应时间为20min。出水结果表明:介质阻挡等离子体发生器16不工作时，该系统对COD的平均去除率仍然可达70%，色度的去除率接近100%。介质阻挡等离子体发生器16工作时，系统对COD的去除率可达到85%以上，色度为
O。电解结束时系统的平均产泥量低于每升废水50mg。出水水质好且变化平稳，效果稳定，可达到回用水的水质标准要求。
[0063]实施例3
[0064]对石化废水生化处理后出水的深度处理效果分析。
[0065]石化或焦化废水具有氧化难降解的显著特点。采用臭氧、电解、Fenton法等传统高级氧化法均难对其进行有效地降解。利用实验室小型电催化实验装置(注:实验装置的有效容积为400mL，共有3对316L不锈钢工作电极14，每对工作电极14间距为2cm，反应槽体长IOcm)测定了在有无等离子体流时电催化废水处理系统对石化废水的处理效果，其在不同条件下的对比结果如表1所示。试验水质为:进水COD波动变化在180-220mg/L之间，平均值 200mg/L。
[0066]表1，采用本发明所揭示的电催化废水处理系统处理石化废水的结果对比:
[0067]
[0068]
【权利要求】
1.一种电催化废水处理系统,包括: 反应槽体，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口分别设于所述反应槽体侧壁的上端; 电解装置，包括正极板、负极板和电源，所述正极板和负极板设于所述反应槽体内，所述电源电性连接于所述正极板和负极板； 工作电极，所述工作电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，且所述工作电极与所述电源的正、负极输出端相接； 电解供气系统，包括曝气管和空气泵，所述曝气管设于所述反应槽体的底部，所述空气泵外接于所述反应槽体； 催化材料，装填于所述反应槽体内； 其特征在于:所述曝气管和所述空气泵之间设置有介质阻挡等离子体发生器，所述介质阻挡等离子体发生器具有进气口和出气口，所述进气口与所述空气泵相连，所述空气泵向所述等离子体发生器供气，所述出气口通过等离子体流输送干管与所述曝气管相连。
2.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:还包括多个感应电极，所述感应电极设置于所述反应槽体的两端侧壁上，所述多个感应电极等间距设置于所述工作电极的正、负极之间。
3.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述工作电极为石墨板或316L板,所述感应电极为石 墨板或316L板。
4.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述反应槽体由绝缘分隔板分隔成多个反应槽体，且相邻两个反应槽体之间设有联通管，水通过所述联通管从其中一个反应槽体进入相邻的另一反应槽体。
5.根据权利要求4所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述多个反应槽体的容积相同。
6.根据权利要求4所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述联通管为三通管。
7.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述入水口设置有中心进水管与阀。
8.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:所述反应槽体由PP板或PVC板加工形成。
9.根据权利要求1所述的电催化废水处理系统，其特征在于:装填于所述反应槽体内的催化材料占每个反应槽体容积的30%-60%。
【文档编号】C02F1/461GK103482730SQ201310485605
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】刘德启, 曾梦丹, 张聿平 申请人:苏州大学