一种高效污水处理装置的制作方法

本发明涉及污水处理领域，特别涉及一种高效污水处理装置。

背景技术：

随着人们的生活和生产能力不断地提高，人们所产生的污水量也在不断地增加。并且，在此期间，污水中所含的污染成份相比以前也变的更加地繁杂多样，单靠自然界的生态处理已经很难将污水净化完全了，从而这些污水被排入河流湖泊中后，就会造成大面积水资源的污染，使得水资源变得越来越匮乏，从而反过来又会对人们的生活和生产造成巨大的影响。

为了能够快速地对污水将污水净化完成，部分环保型企业设计出了一种利用电解和芬顿试剂相结合的方式来分解水中污染物的装置，如申请号为201320120597.4的中国专利《一种电解氧化-化学氧化复合的污水处理装置》公开了一种电解氧化-化学氧化复合的污水处理装置，其包括一柱状主体，该主体中设置有交替分布的多层形式的柱形阳极、柱形阴极和吸附填料，该主体还设有两个Fenton试剂的入口，该主体的上部设有一个底部为漏斗形的贮槽，该贮槽的上部设有第一出口，该贮槽的漏斗形的下部侧壁设有第二出口，该主体的下部设有第一入口，用于通入待处理的污水，还设有第二入口，用于通入氧化用气体。本装置可用于处理多种污水，如城市生活污水、油田采油污水、低浓度或高浓度有机污水、染料生产污水等，尤其对于化学需氧量COD大于1000mg/l的高浓度有机污水十分有效，而且设备简单，易于操作。

但是，在高浓度的污水中往往都存在大量比较稳定的污染物，例如含杂环、DMF、DMSO类污水，其化学键能比较强，单靠电解和芬顿试剂的作用还很难高效地处理这类污水，不仅效率低下而且电能的耗费也是巨大的，同时也会造成大量试剂的浪费，不适合长时间大面积地进行推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效污水处理装置。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高效污水处理装置，包括筒体，所述筒体的中心设有阳极电极，所述筒体的内壁上均匀分布有若干阴极电极，所述筒体的侧壁上开有供fenton试剂进入到筒体内的加料口，所述筒体于阳极电极和阴极电极之间设有支架，所述支架上固定有紫外灯管。

这样当污水进入到筒体内部之后，污水中的污染物在电场、fenton试剂以及紫外光的共同作用，能够迅速地发生分解，从而实现了污水地快速净化。

而在这一过程中，当电流达到一定值的时候会产生高能电子，其与污水中的溶解氧与水发生离子化反应，产生一定量的羟基自由基团，从而引发有机物发生氧化反应达到消除COD与改变原有分子结构的目的。

同时，fenton试剂也会产生大量的羟基自由基，其产生过程如下：

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+·OH+HO^-；

Fe³⁺+H₂O₂→Fe²⁺+HO₂·+H⁺；

Fe²⁺+·OH→Fe³⁺+HO^-；

Fe³⁺+HO₂·→Fe²⁺+O₂+H⁺；

·OH+H₂O₂→H₂O+HO₂·；

HO₂·→O₂^-+H⁺；

O₂^-+H₂O₂→O₂+·OH+OH^-；

这样就可以保证污水中的羟基自由基能够大量不断地产生。而且电解过程产生的羟基自由基可以作为fenton试剂起初反应的引发剂，从而可以使电解催化的效率在短时间能就可以提升上来。

而且紫外灯管能够产生稳定的紫外光谱，而杂环、DMF、DMSO等污染物对紫外光比较敏感，能吸收紫外光谱中一定范围内的光谱，把吸收的光谱转换为分子的内能，当在不断吸入能量的状况下达到一个峰值后会使分子结构破裂，从而达到消除污水COD的目的，另外 它也会使一些大分子结构的物质断裂而转变为小结构的分子，提高污水的可生化性。

再者，电解与紫外一体化装置的特点是使得该两种反应机理不同的装置在有机物氧化时起到一个协调效应。紫外与电解结合对污水中的络合物处理及电镀污水中的金属螯合物污水处理有其它方法无法比拟的效果。

作为优选，所述阳极电极的表面涂布有掺锑的二氧化锡半导体材料层。

掺杂锑后的二氧化锡的键长增大了，这是因为锑的电负性小于锡的电负性，从而使得锑与氧的成键能力变弱，使得锑的原子核对电子的吸引能力变弱，因此掺杂锑后的二氧化锡的键长会变长。这样就使得整个体系的表面积增大，因此有利于反应的进行，使得具有多功能性。同时，锑能够提供更多的电子在能量作用下跃迁到空带上，从而使得其电导性提高。

当该种半导体材料在电流作用下会使该种半导体材料发生极化而产生空穴效应，并且产生的空穴也可以与污水中的溶解氧与水发生离子化反应，产生一定量的羟基自由基团，从而进一步引发有机物发生氧化反应达到消除COD与改变原有分子结构的目的。

作为优选，所述阴极电极的表面涂布有充氧的碳-聚四氟乙烯半导体材料层。

聚四氟乙烯具有极高的分子量(8.8×10⁶～3.2×10⁷)，为高结晶度的热塑性塑料，由于其分子结构中存在较强的F-C键，使其有摩擦系数低，化学稳定性及热稳定性好等优点。然而其本身却容易发生蠕变。而由于碳纤维具有高强度、高弹性模量、耐高温、抗蠕变等特点，因此其加入到聚四氟乙烯中，可以使得聚四氟乙烯的质量变得更轻，耐磨性得到提升，耐化学性和机械性能也都有相应地增强。其涂布在阴极电极的表面能够对阴极电极起到有效的保护作用。

并且，碳纤维本身就具有高效的导电性能，因此，当碳-聚四氟乙烯半导体材料涂布在阴极电极的表面时，也不会影响阴极电极的正常通电。

另外，由于碳纤维的表面光滑并呈现化学惰性，与树脂基本复合时存在浸润性差、界面结合力差的问题，因而，在碳-聚四氟乙烯半导体中充氧能够对碳纤维起到氧化刻蚀作用， 其可以在碳纤维表面形成分子尺寸的刻蚀坑，因此大大提高了碳纤维表面粗糙度，并增大了其比表面积。当碳纤维与聚四氟乙烯复合时，能够产生良好的机械嵌合效应，增大复合材料两相间的粘结强度，提高了两者之间的结构强度。同时，碳纤维的表面积也会因此增加，这样可以有效地提高导电的性能。

作为优选，所述筒体的内壁于相邻阴极电极之间涂布有纳米二氧化钛涂层。

由于fenton试剂在产生羟基自由基的过程中，还会产生氧分子，而纳米二氧化钛在紫外线的照射下能够起到催化作用，其可以促进污水中的有机物与氧分子发生催化氧化，从而进一步提高了污水的净化效率，并且也省去了不停向筒体内曝气的步骤。

作为优选，所述筒体的侧壁上开有供酸性缓冲液进入到筒体内的进料口。

作为优选，所述酸性缓冲液的pH至为2～4。

作为优选，所述酸性缓冲液为邻苯二甲酸和0.05mol/L浓度的盐酸的混合物。

在此，固定M_H2O2/M_Fe2+＝4、H₂O₂浓度为5mmol·L^-1，调节体系pH值，反应30min时测定·OH的表观生成率，见图7。

由图7可知，·OH表观生成率先随pH值的增加而增大，当pH值为3.0时，达到最大值，约为86％，继续增加pH值反而降低生成率。由反应Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+HO·+HO^-可知，当pH值较低时，Fe²⁺被氧化成为Fe³⁺，降低了Fenton试剂的氧化能力。而pH值较高时，Fe²⁺生成氢氧化物沉淀而失去催化能力，同时H₂O₂发生自分解现象，故使·OH的生成率降低。因此，确定最佳pH值为3.0。

而邻苯二甲酸和0.05mol/L浓度的盐酸所配置而成的酸性缓冲液的pH值在3左右，从而可以保证了羟基自由基能够以最快地速度从H₂O₂中分解出来，这样也大大提高了fenton试剂对污水催化氧化的效率。

作为优选，所述筒体的底部安装有搅拌桨，所述搅拌桨通过转轴与外界的电机相连接。

通过搅拌桨的不断搅拌，这样可以保证筒体内污水中的各种污染物能够尽可能地分布 均匀，从而一方面可以避免局部污染物含量过高，增加设备处理负荷的问题，另一方面也有利于提高污染物的催化氧化的效率。

作为优选，所述搅拌桨的搅拌叶的端部向上延伸至阳极电极和阴极电极之间形成凸缘。

如果简单地在阳极电极的下方进行搅拌的话，由于受到阳极电极的限制，那么阳极电极和阴极电极之间的污水就很难充分地进行流动，这样还不能够保证污水中的污染物得到充分地分散。而凸缘的设置刚好可以伸入到阳极电极和阴极电极之间的空间对污水进行搅拌，从而也就保证了整个装置体系污水中的污染物得到均匀地分布。

作为优选，所述筒体的内壁上还开有向筒体内输送氢氧化钙溶液进液口。

当反应结束之后，向污水中通入氢氧化钙溶液，这样一方面可以对水体进行中和作用，保证排放的水的pH值接近为中性。另一方面，由于污水中往往还存在一些无法氧化分解的重金属离子，氢氧根的加入，可以使重金属离子生成相应的重金属氢氧化物并发生沉淀，从而进一步提高了整个污水处理装置地治污效率。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过电解、fenton试剂和紫外线三者的协同作用，可以有效地提高整个污水处理装置的治污效率；

2.在筒体的壁面上涂布纳米二氧化钛，其可以在紫外光的作用下起到光催化的效果，使污水中的有机物和fenton试剂分解产生的氧分子进行快速的催化氧化，进一步提高了对污水的效率；

3.利用酸性缓冲液控制污水的pH值在3左右，这样可以保证fenton试剂中的羟基自由基能够以最快速度产生，从而大大提高了整个污水氧化分解的效率；

4.不停地通过搅拌桨搅动筒体内的污水，这样可以有效地保证整个装置中的污水能够处于均匀状态，避免局部污染物过多聚集的问题，而使造成污水催化氧化不彻底的结果。

附图说明

图1是高效污水处理装置的轴视图；

图2是高效污水处理装置的正视图；

图3是图2的A-A处剖视图；

图4是高效污水处理装置的爆炸图一；

图5是高效污水处理装置的爆炸图二；

图6是筒体内壁的层结构示意图；

图7是·OH表观生成率与pH值的关系图。

图中，1、筒体；11、出水口；12、污水进口；13、加料口；14、进料口；15、进液口；2、筒盖；3、阳极电极；4、阴极电极；5、紫外灯管；51、固定架套；6、搅拌桨；61、凸缘；7、纳米二氧化钛。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种高效污水处理装置，如附图1至附图3所示，包括一个筒体1，筒体1的上方设有一个筒盖2，该筒体1的上部分为圆柱状，其下部分为圆台状，且下部分上还设有一出水口11，平时，在工作的时候，该出水口11是处于关闭的状态的。该筒体1的上部分的中心处设有柱状的阳极电极3，该阳极电极3嵌设于筒盖2内壁中心处的凹槽中。而筒体1上部分的内壁上均匀分布有若干阴极电极4，阴极电极4的数量可以根据实际情况来确定，此处，阴极电极4的数量为十二根，阴极电极4通过铆钉固定于筒体1的内壁上。

如附图4和附图5所示，在阴极电极4和阳极电极3之间设有一个固定架套51，该固定架套51成网状，并且固定架套51与筒盖2相固定，固定架套51上设有紫外灯管5。由于固定架套51为网状，从而不会阻挡住紫外线的正常发散，这里所选用的紫外线的光波为190～320nm，优选为280～320nm。通过一方面可以减少紫外灯管5的工作功率，同时最大限度的保证了多余的紫外线能够被纳米二氧化钛7所吸收并促进污水中的污染物进行快速催化氧化的 分解作用。

另外，如附图6所示，为了能够进一步提高治理污水的能力，在筒体1的内壁上还涂布了纳米二氧化钛7，这样纳米二氧化钛7在紫外线的作用下能够催化污水中的污染物与fenton试剂分解所产生的氧分子发生氧化反应，从而便可以快速地除去污染物。

同时，在筒体1的筒壁上还设有fenton试剂的加料口13，酸性缓冲液的进料口14，氢氧化钙的进液口15以及污水进口12。其中，fenton试剂主要由氯化亚铁(0.1mol/L)、硫酸亚铁(0.1mol/L)和30％H₂O₂组成，且M(H₂O₂)/M(Fe²⁺)＝4。

为了在污水处理的过程中能够保证污水中的污染物得到均匀地分布，此处在筒体1的下方中心处还设置了一个搅拌桨6，并且搅拌桨6上但有两个叶片，叶片端部向上延伸至阴极电极4与阳极电极3之间，这样当搅拌桨6启动的时候就可以最大范围地搅动整个筒体1内的污水，从而大大提高了污水催化氧化的效率。而搅拌桨6的转速可以根据实际情况来确定，此处搅拌桨6的转速为500rpm～600rpm。

该种污水处理装置包括，其操作步骤包括：

S1、将需要处理的污水通过污水进口12加入到污水装置中，直至其体积为污水装置体积的2/3；

S2、通过加料口13向筒体1加入fenton试剂，并控制fenton试剂的体积为污水体积的1/10左右，并通过进料口14加入酸性缓冲液调整污水的pH值为2～4；

S3、开启搅拌桨6以500rpm～600rpm的转速进行搅拌10～15min；

S4、给阴极电极4和阳极电极3加4～5V/cm的电压，并点亮紫外灯管5，使得整个污水处理过程持续0.5～1h；

S5、通过进液口15加入饱和的氢氧化钙溶液，直至处理后的污水的pH为6.5～7位置；

S6、对S5中的污水进行过滤处理，并检测其含有的各污染物的含量，如果合格就将其从出水口11排出。

以下实施例一至实施例六的进水水质中各种污染物的含量如下表：

以下实施例一至实施例六根据上述操作步骤进行处理后出水水质中各种污染物的含量如下表：

通过上表可知，本发明的高效污水处理装置对硝基苯胺类、DMF、DMSO、杂环等有机污染物都具有很高的降解效果，且基本上可以将所有的有机污染物除尽。另外，在电解、紫外和fenton试剂的作用下，再通过沉降、过滤等步骤，也可以快速地除去污水中的重金属离子，所以经过该装置净化后的污水可以直接排入到河流湖泊中，不会对水资源环境造成二次污染。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。