一种声电多元催化氧化装置及其处理废水的方法与流程

本发明属于废水处理领域，涉及一种声电多元催化氧化装置及其处理废水的方法。

背景技术：

目前，针对含有毒有害生物难降解污染物废水的处理一直是环境工程领域的一个技术难点，工业实践中的处理手段也非常有限。高级氧化技术，如臭氧氧化、芬顿氧化、湿式氧化、电催化氧化、超临界氧化等技术可在化学需氧量COD的削减、有害物质的减毒、废水可生化性的提高等方面具有一定的效果，因此在实际废水处理过程中被经常使用。上述处理技术中，臭氧氧化技术处理效果有限，且臭氧利用率不高；芬顿氧化药剂消耗较多，且产泥多，综合处理成本较高；湿式氧化与超临界氧化需要在高温高压下操作，只适合小水量废水的处理，且投资及运行成本高昂。

超声波氧化是利用超声波的空化作用将有机物降解的，而电催化氧化作技术则是基于电化学体系中形成的强氧化性自由基与污染物直接发生氧化作用，从而使污染物得到降解的。这两种技术的实施均无需添加化学药剂，也无污泥产生，因此具有无二次污染，环境友好等优点，是有着广泛应用前景的新型“绿色”水处理技术。

目前公开报道的超声波联合芬顿、微电解等水处理技术有较多的研究报道，但超声波与电催化氧化技术联用的废水处理技术方面的报道还非常少，仅有中国专利申请号CN 1792842 A公开了一种含2-氯酚废水的声电联合氧化处理方法，以不锈钢为阴极、钛基二氧化铅为阳极，超声波位于电解槽底部，在一定电流密度和超声波强度条件下对含2-氯酚废水进行处理，具有较明显的去除效果。

该装置对2-氯酚废水有较好的处理效果，但也存在几点不足：

(1)以2-氯酚配置水溶液为处理对象，对实际废水的工业化处理参考意义有限；(2)极板采用实心板且个数有限，限制了废水与其活性表面的接触接触面积，采用静态处理装置无法直接推广到实际生产现场的连续运行；(3)超声波传播距离有限，装置不利于工业化规模化扩大和应用推广。

本发明的声电多元催化氧化装置能克服以上诸多不足。

技术实现要素：

本发明需要解决的问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种操作简便，运行稳定，处理效果好的声电多元催化氧化装置及其处理废水的方法。

一种声电多元催化氧化装置，包括进水管、一体化反应器和出水管，一体化反应器为长方体结构，其一端与进水管连接，另一端与出水管连接，进水管的口径沿水流方向逐渐变大，出水管的口径沿水流方向逐渐变小，一体化反应器分为超声波反应区和电催化氧化区，且超声波反应区位于电催化氧化区的上游，超声波反应区内壁的两侧安装超声波振动板，超声波振动板与超声波发生器连接；电催化氧化区的内壁沿其轴向交替等距卡接网板式阴极和网板式阳极，网板式阴极与电源的负极连接，网板式阳极与电源的正极连接。

所述进水管、一体化反应器和出水管的横截面均为矩形。

超声波发生器的功率为500-1500W，超声频率为25-100kHz。

电催化氧化区的内壁沿其轴向成对活动设有用于卡接网板式阴极和网板式阳极的卡槽，卡槽的对数等于网板式阴极个数和网板式阳极个数的总和。

网板式阴极的数量比网板式阳极的数量多一个，两者之间的间距为10-40mm。

所述网板式阴极的材质为石墨、不锈钢或金属钛，网板式阳极为钛基复合涂层DSA电极，复合涂层有两种，一种为：钌、铱、钽的氧化物单体或其组合；另一种为：锡、铅的氧化物或稀土元素掺杂的锡、铅氧化物。

一体化反应器由ABS、PP、UPVC或FRP材料制成。

所述超声波发生器直接连接交流电，与网板式阴极和网板式阳极连接的电源为直流电源或高频开关电源。

一种声电多元催化氧化装置处理废水的方法，包括以下调试及运行步骤：

步骤一、根据待处理废水水质设置超声波功率和频率：超声波功率为500-1500W、频率25kHz-100kHz；

步骤二、根据待处理废水的COD调整网板式阴极与网板式阳极的间距：间距为10-40mm；

步骤三、导入待处理的废水，接通超声波发生器电源和电催化氧化区的电源：将待处理的废水通过进水管导入超声波反应区，由于进水管的口径沿水流方向逐渐变大，水流速度逐渐降低，经过超声波的充分作用，然后随水流进入电催化氧化区内，废水再无返混、分散均匀地以推流型式逐步穿过电催化氧化区域；

步骤四、调整电流密度和废水流速：根据待处理废水的COD指标设定电催化氧化处理的电流密度和废水流速参数，电流密度为7.5-30mA/cm²，流速为1-10cm/min；

步骤五、废水在超声波区域和电催化氧化区域，废水中的有机化合物或还原性污染物被氧化降解；

步骤六、处理达到要求后，废水进入出水管，随着出水管截面积的减小，废水流速逐渐增大，最终从出水口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用超声-电催化氧化多元耦合技术，提高了单一电催化氧化技术对污染物的氧化降解效率，具有适用性广，处理废水时不添加任何药剂，无需调整废水酸碱度、温度等参数，是一种高效的“绿色”水处理技术，其能有效削减废水中的COD，可作为高盐废水、难降解废水的可生化性预处理或不达标废水的达标处理。与其它高级氧化技术相比，具有操作简便，运行稳定，处理效果好等特点，具有较好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明的声电多元催化氧化装置的结构示意图；

图2为网板式阳极和网板式阴极的结构示意图；

图3为电催化氧化反应的原理图。

其中：1-电源，2-超声波发生器，3-超声振动板，4-网板式阳极，5-网板式阴极，6-一体化反应器，7-进水管，8-出水管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种声电多元催化氧化装置包括以下特征：电源1、超声波发生器2、超声振动板3、网板式阳极4、网板式阴极5、一体化反应器6、进水管7和出水管8。

如图1所示，一种声电多元催化氧化装置，包括进水管、一体化反应器和出水管，一体化反应器为长方体结构，其一端与进水管连接，另一端与出水管连接，进水管的口径沿水流方向逐渐变大，出水管的口径沿水流方向逐渐变小，一体化反应器分为超声波反应区和电催化氧化区，且超声波反应区位于电催化氧化区的上游，超声波反应区内壁的两侧安装超声波振动板，超声波振动板与超声波发生器连接；电催化氧化区的内壁沿其轴向交替等距卡接网板式阴极和网板式阳极，网板式阴极与电源的负极连接，网板式阳极与电源的正极连接。

所述进水管、一体化反应器和出水管的横截面均为矩形。

超声波发生器的功率为500-1500W，超声频率为25-100kHz。

电催化氧化区的内壁沿其轴向成对活动设有用于卡接网板式阴极和网板式阳极的卡槽，卡槽的对数等于网板式阴极个数和网板式阳极个数的总和。

网板式阴极的数量比网板式阳极的数量多一个，两者之间的间距为10-40mm。

所述网板式阴极的材质为石墨、不锈钢或金属钛，网板式阳极为钛基复合涂层DSA电极，复合涂层有两种，一种为：钌、铱、钽的氧化物单体或其组合；另一种为：锡、铅的氧化物或稀土元素掺杂的锡、铅氧化物。

一体化反应器由ABS、PP、UPVC或FRP材料制成。

所述超声波发生器直接连接交流电，与网板式阴极和网板式阳极连接的电源为直流电源或高频开关电源。

一种声电多元催化氧化装置处理废水的方法，包括以下调试及运行步骤：

步骤一、根据待处理废水水质设置超声波功率和频率：超声波功率为500-1500W、频率25kHz-100kHz；

步骤二、根据待处理废水的COD调整网板式阴极与网板式阳极的间距：间距为10-40mm；

步骤三、导入待处理的废水，接通超声波发生器电源和电催化氧化区的电源：将待处理的废水通过进水管导入超声波反应区，由于进水管的口径沿水流方向逐渐变大，水流速度逐渐降低，经过超声波的充分作用，然后随水流进入电催化氧化区内，废水再无返混、分散均匀地以推流型式逐步穿过电催化氧化区域；

步骤四、调整电流密度和废水流速：根据待处理废水的COD指标设定电催化氧化处理的电流密度和废水流速参数，电流密度为7.5-30mA/cm²，流速为1-10cm/min；

步骤五、废水在超声波区域和电催化氧化区域，废水中的有机化合物或还原性污染物被氧化降解；

步骤六、处理达到要求后，废水进入出水管，随着出水管截面积的减小，废水流速逐渐增大，最终从出水口排出。

声电多元催化氧化过程主要包括超声氧化和电催化氧化两部分，具体原理是：

1.超声氧化

超声波在水体中传播时会发生空化作用，产生不稳定的空化泡，空化泡的崩溃所产生的产生氢氧基(OH)和氢基(H)，足以断裂化学键，与有机物发生氧化反应，能将水体中的有害有机物转变成二氧化碳、水、无机离子或比原有机物毒性小的易降解有机物，故超声氧化能将传统污水处理中生物难降解有机物通过空化作用降解，是一种高级氧化技术。

2.电催化氧化

利用不溶表面活性涂层(阳极涂层为金属氧化物MOx)电极在电场作用下，发生电化学反应，产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH基团)，从而使许多难以降解有机污染物氧化或矿化为CO₂和H₂O或其它相对易降解的小分子有机物，其反应机理如图3表示。

首先溶液中的OH^-或H₂O在阳极表面放电并形成羟基自由基(下列式中MOx为阳极表面活性氧化无涂层)：

MO_x+OH^--e^-→MO_x(·OH)

或MO_x+H₂O→MO_x(·OH)+H⁺+e^- (1)

然后吸附在阳极表面的羟基自由基和阳极上现存的氧反应，并使氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格，而形成高价氧化物MO_x+1：

MO_x(·OH)→MO_x+1+H⁺+e^- (2)

当溶液中没有可氧化的有机物时，两种状态的活性氧按式(3)和(4)进行氧析出反应：

MO_x(·OH)→1/2O₂+MO_x+H⁺+e^- (3)

MO_x+1→1/2O₂+MO_x (4)

当溶液中存在可氧化的有机污染物R时，则反应按(5)、(6)进行：

R+MO_x(·OH)_z→CO₂+MO_x+zH⁺+ze^- (5)

R+MO_x+1→RO+MO_x (6)

实施例1：

以某印染企业RO膜系统浓水为待处理废水，超声功率为600W，频率为25kHz；电催化氧化分别以不锈钢和铈掺杂铅氧化物涂层钛阳极为阴阳极，阴阳极间距25mm，处理电流密度为10mA/cm²，流速3cm/min，连续操作。

废水处理前后水质对比表

实施例2：

以某化工生产企业废水为待处理废水，超声功率为800W，频率为40kHz；电催化氧化分别以钛和钌基复合氧化物涂层钛阳极为阴阳极，阴阳极间距25mm，在处理电流密度12mA/cm²，流速1cm/min，连续操作。

废水处理前后水质对比表

综上所述，本发明所述的一种声电多元催化氧化装置及其处理废水的方法，提高了单一电催化氧化技术对污染物的氧化降解效率，具有适用性广，处理废水时不添加任何药剂，无需调整废水酸碱度、温度等参数，是一种高效的“绿色”水处理技术，其能有效削减废水中的COD，可作为难降解废水的可生化性预处理或不达标废水的达标处理。与其它高级氧化技术相比，具有操作简便，运行稳定，处理效果好等特点，具有较好的市场应用前景。

本发明并不局限于废水处理装置及实例所描述的效果，它的描述是非限制性的。本发明的权限由权利要求所限定，本技术领域人员依据本发明通过变化、重组等方法得到的与本发明相关的技术都在本发明的保护范围之内。