一种改进型双阳极过氧絮凝污水处理的方法及装置

本发明涉及污水处理，具体地，本发明是一种采用改进型双阳极过氧絮凝污水处理的方法及装置。

背景技术：

1、垃圾渗滤液水质复杂，色度高，富含有机物、氨氮、重金属等多种污染物，并且可生化性较差，处理难度极大，对人类健康和生态环境构成了极大的威胁。传统的物理、化学以及生物处理工艺难以有效处理此类污水，单一处理工艺也很难满足现阶段对垃圾渗滤液处理的要求，因此需要通过多种处理方法协同、组合的方式进行垃圾渗滤液的减量化和无害化处理。

2、电化学法具有高效、环保、操作简单和可控性好等优点，已被证明能有效去除废水中cod、氨氮、重金属等多种污染物，被广泛应用于垃圾渗滤液污水处理中，其中电芬顿和电絮凝表现出了很好的应用前景。电芬顿工艺通过芬顿反应产生强氧化性•oh攻击污染物，可显著降低垃圾渗滤液中有机污染物和氨氮浓度。电絮凝工艺通过金属阳极(铝或铁)电解产生的一系列混凝剂（包括单核、多核羟基配合物和氢氧化物），以絮凝、吸附和共沉淀等作用将污染物去除。然而电芬顿工艺狭窄的ph适用范围和昂贵的成本限制了其进一步应用，电絮凝工艺阳极易损耗，污泥产量大且不能根本降解污染物，为了克服上述缺陷，过氧絮凝工艺开始应用于工业废水的处理。过氧絮凝过程可被视为电芬顿和电絮凝过程的结合。在该工艺中，牺牲阳极持续向溶液提供可溶的fe2+离子与阴极原位产生的h2o2发生芬顿反应，生成•oh去除污染物，同时，fe(ii)的氧化产物fe(iii)水解生成fe(oh)3，通过混凝进一步去除有机污染物。通过这种耦合，过氧絮凝工艺达到了更好的降解效果，且无需额外添加试剂，运行能耗低，可以作为高浓度有机污染废水预处理的潜在方案。其反应方程式如下：

3、阳极：fe - 2e–→ fe(ii)

4、阴极：o2+ 2h++ 2e– → h2o2

5、溶液：4fe(ⅱ) + 4h++ o2→ 4fe(ⅲ) + 2h2o

6、fe(ii) + h2o2→ fe(iii) + oh– +•oh

7、fe(ⅲ) + 3h2o → fe(oh)3+ 3h+

8、然而传统的过氧絮凝工艺会产生大量铁污泥，从而增加后续管理和处置成本。因此构建一种改进型的过氧絮凝污水处理方法十分必要，在提高处理效率的同时减少污泥产量，从而提升处理效能。

技术实现思路

1、针对传统过氧絮凝工艺矿化率不高以及污泥产量高的问题，本发明提供了一种改进型铝-铁双阳极过氧絮凝工艺预处理高浓度污染废水的处理装置及方法，装置包括空气主动扩散阴极（1）、硝酸改性碳毡阴极（2）、铁牺牲阳极（3）、铝牺牲阳极（4）、反应容器（5）、搅拌器（6）和两个直流电源（7）。

2、其处理污水的方法原理是（1）空气主动扩散阴极无曝气原位生成h2o2与铁牺牲阳极电解产生的fe2+发生反应生成•oh攻击污染物，硝酸改性碳毡通过促进fe2+的循环再生促进均相fenton反应，减少对阳极浸出fe2+的依赖,提高矿化效率的同时减少铁污泥产量。（2）铝-铁双混凝的模式促进优势水解物种产生，增强矿化效果的同时可以有效改善混凝剂的沉淀，减少污泥产量并控制混凝剂残留。（3）铝-铁双混凝与氧化作用之间的协同作用，活性物种的存在使得更多的铝/铁离子转化为具有更高活性的高聚态水解产物，增强絮凝作用，而高聚态水解产物的形成反过来又强化活性物种的生成，共同作用实现矿化效果增强和污泥减产。

3、本发明通过以下技术方案实现：

4、按照本发明的一个方面，本发明提供了一种改进型铝-铁双阳极过氧絮凝污水处理装置，包括无需曝气的空气主动扩散阴极（1）、硝酸改性碳毡阴极（2）、铁阳极（3）、铝阳极（4）、反应容器（5）、搅拌器（6）和两个直流电源（7）；

5、进一步，所述空气主动扩散阴极（1）与铝阳极（4）通过直流电源连接构成一个回路；硝酸改性碳毡电极（2）和铁阳极（3）通过另一个直流电源连接构成一个回路；

6、按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用上述改进型铝-铁双阳极过氧絮凝污水处理装置处理高浓度污染垃圾渗滤液废水的方法。控制污泥产量的关键在于调控氧化与混凝的强度，电流在过氧絮凝中是至关重要的，通过调控电流可以控制芬顿反应的强度以及产生絮凝剂的总量和速度，通常牺牲阳极溶出的金属离子与施加的电流成正比，考虑阳极损耗、污泥产量以及经济成本，选择小范围电流进行处理，具体步骤如下：

7、搭建双阳极过氧絮凝反应器，调节原水的ph值至3-11，分别优化空气主动扩散阴极/铝阳极电极组和硝酸改性碳毡阴极/铁阳极电极组的电流密度，所述前者的电流范围为2-6 ma/cm2，后者的电流范围为0.6-2.5 ma/cm2。

8、本发明具有以下突出特点：

9、（1）该污水处理装置耦合了电絮凝和电芬顿工艺优势，大大提高了废水矿化效率，toc去除率和去除速率分别是常规过氧絮凝工艺的1.47-3.52倍和1.73-4.73倍。

10、（2）该污水处理装置可以同时实现垃圾渗滤液等废水中tn、uv254和色度的去除，其去除率分别是其他工艺的1.28-2.3倍，1.31-1.87倍，1.22-2.09倍。

11、（3）该污水处理装置在提高矿化率的同时减少了污泥产量并大大降低能耗，污泥产量和能耗较常规过氧絮凝工艺分别减少了30%-40.5%和55%-75.6%。

12、（4）该污水处理装置中铝-铁的双混凝模式减少了单核态水解产物含量，增加低聚态和高聚态水解产物含量，促进水解过程中单体铝/铁向更高的聚合态转化，改善混凝效果，其优势水解物种的含量是常规过氧絮凝工艺的2.71-3.57倍。

13、（5）该污水处理装置中铝-铁双混凝模式产生的优势水解物种可以强化活性物种的产生，产生更多的•oh，反之活性物种的生成又使得更多的铝/铁离子转化为具有更高活性的低/高聚态水解产物，增强絮凝作用。二者之间的协同作用产生了更多的•oh，其h2o2利用率是常规过氧絮凝工艺的3.31-10.51倍。

14、（6）该污水处理装置中铝-铁双混凝模式通过调控铝/铁的水解状态可以有效控制混凝剂的残留，溶液中溶解金属离子浓度是常规过氧絮凝工艺的5.8%-27%。

技术特征：

1.一种改进型双阳极过氧絮凝污水处理的方法，其特征在于，改进型双阳极过氧絮凝污水处理的装置包括无需曝气的空气主动扩散阴极（1）、硝酸改性碳毡阴极（2）、铁阳极（3）、铝阳极（4）、反应容器（5）、搅拌器（6）和两个直流电源（7）；所述空气主动扩散阴极（1）与铝阳极（4）通过直流电源连接，硝酸改性碳毡阴极（2）和铁阳极（3）通过另一个直流电源连接；处理时，调节污水的ph值至3-11，分别优化两组电极的电流，所述前者的电流范围为2-6 ma/cm2，后者的电流范围为0.6-2.5 ma/cm2，在该装置中处理实现有机污水处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用铝电极替代传统电化学处理中的形稳阳极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝-铁双混凝与氧化作用之间存在协同作用，提升h2o2利用率并强化羟基自由基生成，实现低能耗下矿化效果增强和污泥减量。

技术总结
本发明属于污水处理技术领域，更具体地，提出了一种改进型双阳极过氧絮凝污水处理的方法及装置。它可以同时去除污水中多种污染物，并且在提高矿化效率的同时降低能耗，减少污泥产量。本发明解决了常规过氧絮凝水处理工艺矿化效率较低且铁泥产量大的问题。本发明提出的新型污水处理装置包括空气主动扩散阴极、改性碳毡阴极、铝阳极、铁阳极、反应容器、直流电源和搅拌器。与常规过氧絮凝工艺相比，本发明能将污染物的矿化效率提高近2倍，而能耗和污泥产量分别减少55%和40.5%。

技术研发人员：周明华,张嘉彤
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9