一种电絮凝单元、电絮凝装置及重金属废水处理系统的制作方法

本发明属于含有机废水的重金属废水处理技术领域，尤其涉及一种电絮凝单元、电絮凝装置及重金属废水处理系统。

背景技术：

随着我国城市化进程的加速，重金属污染引发的问题已经成为日益突出的环境问题和人民群众的生命安全问题。重金属污染不仅会造成人体急性中毒、亚急性中毒，还会致癌、致畸、致突变，表现出的危害是长期的。

2011年，国务院批复了《重金属污染综合防治“十二五”规划》，根据规划要求，到2015年，重点区域铅、汞、铬、镉和类金属砷等重金属污染物的排放，比2007年削减15％，到2015年，重点区域、重点重金属污染排放量比2007年减少15％，非重点区域的重点重金属污染排放量不超过2007年的水平。

目前，对于重金属废水的治理工艺包括化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、电絮凝法等。化学沉淀法由于操作简单，在实际工程实践中占有较大比重，但处理效率较低，电镀废水行业提标以后，不能够达标排放，污泥含水率高，污泥量大，后续处理较为麻烦，并且由于各种重金属沉淀的环境不同，通常要采用多步沉淀法，增加了运行和投资费用。离子交换法处理效果较好，出水重金属含量低，但存在再生问题，增加了运行费用；进水浓度较高时，再生频繁。膜分离法能够达到较高的去除效率，但是必须与其它工艺结合，因为膜分离法产生的浓水需要进一步处理才能达标排放。

电絮凝法被认为是重金属废水处理领域的新方法，属于电化学技术，是利用外加电场的作用，在特定的电化学反应器内，通过一系列的化学反应、电化学过程或物理过程，达到预期的去除水中污染物或去除重金属的目的。反应过程包括直接电化学过程和间接电化学过程。直接电化学过程是指在电极处发生的直接氧化或还原的过程。间接电化学过程是指利用电极产生的强氧化活性物质，如羟基自由基等，使污染物发生氧化还原反应的过程。

电絮凝产生的阳离子在溶液中水解、聚合生成一系列多核羟基络合物和氢氧化物，作为絮凝剂而起絮凝作用，其过程机理与化学混凝法相似。另外，产生的络合离子与氢氧化物有很高的吸附活性，其吸附能力高于一般药剂法水解得到的氢氧化物，能有效地吸附水中的有机污染物及其它胶体物质，同时，由于水的离解和其它物质被电解氧化，在阳极和阴极上将产生氧气和氢气的微小气泡，这些气泡具有良好的黏附性能，可以将电解过程中产生的凝聚胶团及悬浮物带到水面，达到分离的目的。电絮凝对于重金属的去除方面还存在电化学还原金属离子的作用，通过阴极的电子还原金属离子，达到去除重金属污染物的效果。

电絮凝法具有处理效率高，污泥产量小，并可以同时去除多种重金属的特点。它克服了现有技术处理效率低，存在二次污染问题的瓶颈，在重金属废水处理领域，尤其是电镀废水处理提标的大背景下存在潜在的竞争优势。

微电解就是利用铁-碳颗粒之间存在着电位差而形成了无数个细微原电池。这些细微电池是以电位低的铁成为阴极,电位高的碳做阳极,在含有酸性电解质的水溶液中发生电化学反应变成二价的铁离子进入溶液。由于铁离子与氢氧根作用形成了具有混凝作用的氢氧化亚铁,它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸,形成比较稳定的絮凝物(也叫铁泥)而去除污染物。

电芬顿技术是利用fe²⁺和h2o2反应生成强氧化性的·oh，由于·oh具有很高的氧化电位和无选择性，因此其可以降解氧化多种有机污染物。

在电芬顿技术上联合光催化一起使用，可以达到一定的协同作用。在电催化过程中不可避免会存在电解水的副反应，生成氢气和氧气，而在光催化过程中氧气作为一种良好的电子载体，可以很好的捕获光生电子-空穴，降低了其复合速度，对光催化过程有促进作用，并且生成过氧化氢，避免了羟基自由基存在时间过短的问题。

然而，电絮凝法虽然处理效果良好，由于其极板材料消耗较多，运行成本较高，成为限制它在重金属废水处理领域的广泛应用的因素之一。另外，其极板结垢问题也是应用的瓶颈，结垢发生时，电絮凝无法连续提供稳定的电流，重金属污染物去除效率会大大降低。

目前已有的电絮凝废水处理的相关授权专利如：一种电絮凝废水处理系统(专利号cn201410396568.x)，该专利污水处理按照：重金属废水→ph调整→管式电化学废水处理→al(oh)反应混凝→中间槽→固液分离→产水的工艺，其电絮凝装置中：各排电絮凝管道以串联相接的方式前后并列设置，前排管道的首段管道设于下方，末段管道设于上方，中间管道依次增加高度向上串接安装。整个系统中的电絮凝单元串联相接的方式在单个处理单元出现问题或更换阳极材料时只能停机处理，运行不方便。同时该系统没有能有效的解决极板结垢问题。

因此，迫切需要提供一种装置结构更完善、电流稳定、阳极不会腐蚀。阴极不会结垢以及操作更加方便的重金属废水处理装置与工艺技术。

另外，重金属废水中通常含有有机废水，如电镀废水中会含有预处理产生的有机废水，线路板废水中会含有油墨等有机污染物成分，而选矿废水中由于浮选剂的加入也含有有机废水。通常有机废水要采用单独的处理单元，即在重金属废水处理单元之后，增加生物处理单元或高级氧化单元进行处理，从流程上较长，装置规模偏大，占地面积偏大，迫切需要紧凑、装置占地面积小的废水处理系统。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种电絮凝单元、电絮凝装置及重金属废水处理系统，旨在一个废水处理装置中实现重金属废水和有机废水的同步处理，解决现有工艺中的重金属废水的治理存在的污泥产量大、处理效果差、不稳定及拆洗麻烦的问题。

本发明实施例是这样实现的，提供一种电絮凝单元，其包括壳体、呈圆柱形的阳极棒、呈中空圆筒形的阴极管、铁碳球填料、若干紫外灯、曝气装置、电源模块、用于对所述阴极管内壁上附着的重金属沉积物进行刮除的旋转式刮刀装置、以及用于将废水输送至所述阴极管内的液体输送机构；所述壳体竖立放置，所述阴极管竖立在所述壳体内，并且其下端与所述壳体的下端可拆卸密封连接，所述阳极棒竖立在所述阴极管内，并且其上端与所述旋转式刮刀装置的上端中部通过轴承活动连接，所述旋转式刮刀装置与所述的若干紫外灯置于所述阴极管内，所述旋转式刮刀装置上端周缘与所述壳体上端通过轴承活动连接，所述的若干紫外灯均匀地安装在所述旋转式刮刀装置上，所述电源模块的正极与所述阳极棒上端电连接，所述电源模块的负极与所述阴极管下端电连接，所述阴极管内腔与所述阳极棒之间形成供废水流通的通道，所述壳体上设置有与所述通道连通的出液口，所述壳体的下端设置有与所述液体输送机构连接的进液口、清洗排污口、以及与所述曝气装置连接的进气口，所述阴极管上可拆卸地连接有绝缘板，所述绝缘板将所述阴极管的内腔分为电絮凝室与曝气室，所述阳极棒的底端可拆卸地嵌置于所述绝缘板上，所述绝缘板上开设有若干均匀分布的分流孔，所述分流孔与所述通道连通，所述曝气装置安装在所述曝气室内，所述绝缘板上堆放有所述铁碳球填料。

进一步地，所述阳极棒由金刚石或石墨材料制成，所述阴极管由石墨材料制成，所述绝缘板由非导电材料制成，所述壳体由pvc材料或pp材料制成，所述阴极管与所述阳极棒之间的间隙距离为40-100mm。

进一步地，所述铁碳球填料填充高度为所述阴极筒高度的1/4至1/3。

进一步地，所述紫外灯外套有防水绝缘透明石英玻璃管，所述紫外灯选用波长范围为254-365nm，功率范围为50-100w。

进一步地，所述壳体包括上盖板、壳身以及底板，所述壳身的下端及所述阴极管的下端均与所述底板可拆卸密封连接，所述壳身的上端与所述上盖板通过螺栓紧固连接，所述出液口开设于所述壳身上，所述进液口、清洗排污口以及进气口开设于所述底板上，所述上盖板与所述旋转式刮刀装置通过轴承活动连接。

进一步地，所述旋转式刮刀装置包括圆形板、刮刀、减速电机、电机固定架以及电机连接件，所述上盖板与所述圆形板之间通过轴承活动连接，所述刮刀固定在所述圆形板下端周缘，并与所述阴极管内壁接触，所述阳极棒的上端插置在所述圆形板中，并与所述圆形板通过轴承活动连接，所述的若干紫外灯沿圆周方向均匀地插置在圆形板上，所述电机连接件固定在所述圆形板的上端，所述电机固定架固定在所述上盖板上，所述减速电机安装在所述电机固定架上，并且其输出轴与所述电机连接件固定连接。

进一步地，所述刮刀为塑料毛刷结构、纤维织物或聚氨酯材料结构。

进一步地，所述电絮凝室下端具有环形宽边的第一连接部，所述曝气室上、下端均具有环形宽边的第二连接部，所述壳身上、下端均具有环形宽边的第三连接部，所述第一连接部、所述曝气室上端的第二连接部与所述绝缘板之间通过不锈钢螺栓连接，所述壳身上端的第三连接部与所述上盖板之间亦通过螺栓连接，所述曝气室下端的第二连接部、所述壳身下端的第三连接部亦通过螺栓连接于所述底板上。

本发明实施实施例还提供一种电絮凝装置，其包括如上所述的电絮凝单元、废水管道、支架以及储液槽，所述电絮凝单元安装在所述支架上，所述废水管道与储液槽连通，若干所述的电絮凝单元之间通过所述废水管道连通，并构成并联或串联。

本发明实施例还提供一种重金属废水处理系统，其包括如上所述的电絮凝装置、用于去除重金属浮渣与大颗粒杂质的气浮装置以及离子交换装置，所述电絮凝装置、气浮装置和离子交换装置依次串联连接。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明利用液体输送机构将废水通过进液口输送至阴极管内腔与阳极棒形成的流通通道，在供电条件下重金属废水进入电絮凝室前先经过曝气室，通过曝气向废水中供给氧，夹带着细小气泡的重金属及有机废水流过设有分流孔的绝缘板形成湍流流入电絮凝室。在电场作用下，废水首先与电絮凝室内的铁碳球填料接触发生电解反应形成亚铁离子，接着在阴极发生还原反应，重金属离子被还原成金属单质悬浮于废水中或附着在阴极筒内壁，溶进废水中空气中的氧气在阴极氧化成h2o2，h2o2与亚铁离子发生fenton反应形成强氧化性的羟基自由基可以无选择性的彻底降解有机物，达到去除污染物的目的，同时生成的fe³⁺也能起到絮凝作用去除胶体污染物等。

当阴极筒内壁表面附着上金属单质后将严重影响阴阳极导电能力，降低电解效率和产生h2o2的能力，因此本发明中旋转式刮刀装置可将电解反应后附着于阴极管内壁上的重金属沉积物进行刮除，保证阴阳极电解良好。该旋转式刮刀装置在旋转刮除阴极附着物的同时也带动紫外灯旋转并搅动废水，使废水浓度均匀分布，减少浓差极化。并且紫外灯的照射可以进一步促使fenton反应加快进行，提高污水的降解效率，处理效果进一步加强。而产生的金属离子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解产物，这类新生态氢氧化物活性高、吸附能力强，是很好的絮凝剂，与原水中的胶体、悬浮物、可溶性污染物、细菌、病毒等结合生成较大的絮状体，经沉淀、气浮被去除。同时，电源采用正负极异向供电，即正极与阳极棒上端接入，负极与阴极管下端接入，使正负极空腔内形成的电流分布均匀，能有效地提高重金属废水处理的电解效率，本发明的结构均为可拆卸连接方式，其结构简单、拆卸与清洗方便，重金属废水处理效果优良。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电絮凝单元结构示意图；

图2是图1中的a区域放大结构示意图；

图3是图1中的b区域放大结构示意图；

图4是图1中的圆形板、刮刀及电机连接件相互连接的结构示意图；

图5是图1所示的电絮凝单元通过管道连接后的示意图；

图6是本发明实施例提供的重金属废水处理系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，是本发明实施例提供的一种电絮凝单元100，该电絮凝单元100包括壳体2、阳极棒3、阴极管4、铁碳球填料15、若干紫外灯17、曝气装置10、电源模块(图中未示出)、液体输送机构6以及用于对阴极管4内壁上附着的重金属沉积物进行刮除的旋转式刮刀装置14。液体输送机构6与储液槽5均安装在支架1上，储液槽5用于存储含有重金属以及有机物的废水，液体输送机构6用于将储液槽5内的废水输送至阴极管4内。壳体2竖直安装放置在支架1上，阴极管4竖立在壳体2内，并且其下端与壳体2的下端可拆卸密封连接，阳极棒3竖立居中在阴极管4内，并且其上端与旋转式刮刀装置14的上端中部通过轴承活动连接，旋转式刮刀装置14与若干紫外灯17置于阴极管4内，若干紫外灯17均匀地安装在旋转式刮刀装置14上，紫外灯17外套有防水绝缘透明石英玻璃管(图中未示出)，旋转式刮刀装置14上端周缘与壳体2上端通过轴承活动连接，使旋转式刮刀装置14能够沿壳体2的中心轴线转动。在本实施例中，紫外灯17选用波长范围为254-365nm，功率范围为50-100w。阳极棒3呈圆柱形，阴极管4呈中空圆筒状。壳体2由pvc(polyvinylchloride聚氯乙烯)或pp(polypropylene聚丙烯)材料制成，阳极棒3由金刚石或石墨材料制成，阴极管4由石墨材料制成，该阳极棒3的材料，在运行中不失去电子，因而不腐蚀，不存在电流不稳或者更换的问题。阴极管4与阳极棒3之间的间隙距离为40-100mm。阴极管4的外壁均匀地设置有加强件40，从而加强阴极管4的整体强度。电源模块的正极与阳极棒3的上端电连接，电源模块的负极与阴极管4的下端电连接，从而对阳极棒3及阴极管4进行供电。阴极管4与阳极棒3之间形成供废水流通的通道7，壳体2上设置有与通道7连通的出液口8，壳体2下端设置有与液体输送机构6连接的进液口9、用于排污的清洗排污口230以及与曝气装置10连接的进气口16，曝气装置10用于对阴极管4内的废水进行辅助搅拌。

上述实施例中，液体输送机构6包括输送泵61和进液阀门62，输送泵61分别与储液槽5、进液阀门62连通，进液口9与进液阀门62连通，这样，通过打开进液阀门62，启动输送泵61能够将储液槽5内待处理的废水从进液口9输送至阴极管4内。阴极管4上可拆卸地连接有由非导电材料制成的绝缘板11，该绝缘板11通过螺栓12可拆卸地安装在阴极管4上，并通过密封圈13进行密封。绝缘板11将阴极管4的内腔分为电絮凝室41与曝气室42。阳极棒3的底端可拆卸地嵌置于绝缘板11的中部，用于支撑固定阳极棒3。绝缘板11上开设有若干均匀分布的分流孔110，分流孔110与通道7连通，用于使曝气室42内的废水能够向电絮凝室41流通，并形成湍流均匀分流至电絮凝室41内，从而对阴极管4内的废水进行辅助搅拌。绝缘板11上堆放铁碳球填料15，用于对电絮凝室41内的重金属废水进行微电解反应，该铁碳球填料15填充高度为阴极管4高度的1/4至1/3。

上述实施例中，电絮凝室41下端具有环形宽边的第一连接部410，曝气室42上、下端均具有环形宽边的第二连接部420。壳体2包括上盖板21、壳身22以及底板23。底板23安装在支架1上，壳身22的下端与阴极管4的下端均与底板23可拆卸连接，阴极管4下端与底板23之间通过密封圈13密封。壳身22的上端与上盖板21亦通过螺栓12可拆卸紧固连接，出液口8开设于壳身22上，该出液口8处安装有出液阀门18，进液口9、清洗排污口230以及进气口16开设于底板23上，上盖板21与旋转式刮刀装置14通过轴承活动连接。具体地，壳身22上、下端均具有环形宽边的第三连接部220，第一连接部410、曝气室42上端的第二连接部420均与绝缘板11之间通过不锈钢螺栓12连接，壳身22上端的第三连接部220与上盖板21之间亦通过螺栓12连接，曝气室42下端的第二连接部420、壳身22下端的第三连接部220亦通过螺栓12连接于底板23上。上述的壳身22与上盖板21之间、壳身22与底板23之间、阴极管4与绝缘板11之间均为可拆卸连接，方便拆卸清洗。

上述实施例中，旋转式刮刀装置14包括圆形板141、刮刀142、减速电机143、电机固定架144以及电机连接件145。上盖板21与圆形板141之间通过轴承活动连接，使圆形板141能够绕其中心轴线转动，刮刀142固定在圆形板141下端周缘，并与阴极管4内壁接触，该刮刀142可为塑料毛刷结构、纤维织物或聚氨酯材料结构。阳极棒3的上端插置在圆形板141的中部，并与圆形板141通过轴承活动连接，若干紫外灯17沿圆周方向均匀地插置在圆形板141上，电机连接件145固定在圆形板141的上端，电机固定架144固定在上盖板21上，减速电机143安装在电机固定架144上，并且其输出轴与电机连接件145固定连接。这样，可通过减速电机143驱动圆形板141旋转，从而能够使刮刀142转动对阴极管4内壁上附着的重金属沉积物进行刮除，清洗方便；并且紫外灯17也能随着旋转，使得紫外灯对废水的辐射效果更佳，加快电解反应速率。

上述的电絮凝单元100在首次运行时，将待处理的含有重金属废水打入储液槽5中储存，出液阀18保持开启状态，开启进液阀门62，启动输液泵61，从而将储液槽5中的废水输送至阴极管4内。当废水将充满阴极管4内的通道7时，接通电源模块，向阳极棒3与阴极管4通电，开始电絮凝操作，开启曝气装置10对阴极管4内的暴气室42进行供气和开启旋转式刮刀装置14上的刮刀142在阴极管4内转动，阴极管4内的废水便开始边电解边有曝气和旋转刮刀辅助搅拌，在供电条件下重金属废水进入电絮凝室41前先经过曝气室42，通过曝气向废水中供给氧，夹带着细小气泡的重金属及有机废水流过设有分流孔的绝缘板11形成湍流流入电絮凝室41。废水首先与电絮凝室41内的铁碳球填料15接触发生微电解反应形成亚铁离子，接着在阴阳极发生氧化还原反应，重金属离子被还原成金属单质悬浮于废水中或附着在阴极筒4内壁，溶进废水中空气中的氧气在阴极氧化成h2o2，h2o2与亚铁离子发生fenton反应形成强氧化性的羟基自由基可以无选择性的彻底降解有机物，达到去除污染物的目的，同时生成的fe³⁺也能起到絮凝作用去除胶体污染物等。

以下是本电絮凝阳极和阴极发生的反应：

(1)当废水与铁碳球接触后发生微电解反应

阳极:fe-2e^—→fe²⁺eo(fe/fe)＝0.4

阴极:2h⁺+2e→h2eo(h+/h2)＝0v

当有氧存在时,阴极反应如下:

o2+4h⁺+4e^—→2h2oeo(o2)＝1.23v

o2+2h2o+4e^—→4oh^-eo(o2/oh-)＝0.41v

(2)电絮凝装置阴阳极反应：

阳极：h2o→·oh+h⁺+oh^-+e-

阴极：o2+2h⁺+2e-→h2o2

(3)芬顿主要反应:

h2o2+fe²⁺→oh^-+fe³⁺+·oh

fe²⁺+·oh→fe³⁺+oh^-

生成的羟基自由基氧化性极强，同时fe3+又具有絮凝作用。

当阴极筒4内壁表面附着上金属单质后将严重影响阴阳极导电能力，降低电解效率和产生h2o2的能力，此时本发明中旋转式刮刀装置14可将电解反应后附着于阴极管4内壁上的重金属沉积物进行刮除，保证阴阳极电解良好。同时旋转刮刀在旋转刮除阴极附着物的同时也带动紫外灯旋转并搅动废水，使废水浓度均匀分布，减少浓差极化。并且紫外灯的照射可以进一步促使fenton反应加快进行，提高污水的降解效率，处理效果进一步加强。而产生的金属离子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解产物，这类新生态氢氧化物活性高、吸附能力强，是很好的絮凝剂，与原水中的胶体、悬浮物、可溶性污染物、细菌、病毒等结合生成较大的絮状体，经沉淀、气浮被去除。同时，电源采用正负极异向供电，即正极与阳极棒3上端接入，负极与阴极管4下端接入，使正负极空腔内形成的电流分布更均匀，能有效地提高重金属废水处理的电解效率，并且本发明的结构均为可拆卸连接方式，其结构简单、拆卸与清洗方便，废水处理效果优良。

此时可以间歇式的进行处理。当搅拌不足时，开启输液泵61，使液体在阴极管4和储液槽5之间循环流动，流动的重金属废水通过具有分流孔110的绝缘板11形成湍流，增强搅拌同时使电解更均匀。

综上上述，本发明实施例的电絮凝单元100采用呈圆柱形的阳极棒3置于呈中空圆筒形的阴极管4中，使得在发生电解反应时，电流分布更加均匀，电解效率更好，从而能够使废水处理效果更好；采用旋转式刮刀装置14对阴极管4内壁上附着的重金属沉积物进行刮除，避免金属附着阴极管内壁致使导电性下降，电解效率低的问题，延长阴阳极使用寿命，提高处理效率，节约电能；电絮凝单元100的结构通过可拆卸连接方式，便于清洗和维护；在阴极管4内通过曝气装置10和旋转刮刀装置14进行搅拌，有效防止浓差极化，废水浓度均匀分布，电解效果优良；通过紫外灯照射进一步加强催化反应，除污效果更彻底；通过液体输送机构6输送液体形成循环回流，其能够在曝气不佳的情况下辅助搅拌，使处理更均匀，效果更优良。

图5所示，本发明实施例还提供了一种电絮凝装置400，其包括若干上述的电絮凝单元100、废水管道200以及储液槽5。电絮凝单元100与储液槽5安装在支架1上，废水管道200与储液槽5连通，若干电絮凝单元100通过废水管道200连通，构成并联或串联，从而能够根据要处理废水的重金属含量灵活调节处理工艺。当并联时，可以同时进行电絮凝操作，增大处理量。如当串联时，在一个电絮凝单元100电解完成后输送至下一个电絮凝单元100继续电解，使电解处理效果更好。

如图6所示，本发明实施例还提供了一种重金属废水处理系统，其包括上述的电絮凝装置400、用于去除重金属浮渣和大颗粒杂质的气浮装置500以及离子交换装置600。该电絮凝装置400、气浮装置500和离子交换装置600依次串联连接，电絮凝装置400与离子交换装置600连接，用于对处理后的浓水进行重复处理。该重金属废水处理系统首先将含有重金属的废水通过电絮凝装置400沉积废水中的金属单质以及大分子絮凝物质，之后再通过气浮装置500去除重金属浮渣和大颗粒杂质，最后通过离子交换装置600实现达标排放，该系统采用的设备少，废水处理效果优良，有良好的市场推广价值。

以下为以某电镀厂废水为例采用上述的发明设备做出的实验结果数据：

在停留时间2.0h内，四种类型的废水cod、六价铬、总铜和总镍均达到gb21900-2008电镀废水排放标准。其中重金属废水和含铬废水在在停留时间1.5h内也达到了上述标准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。