一种污水有机物及重金属离子降解装置及其污水降解方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种污水有机物及重金属离子降解装置及其污水降解方法。

背景技术：

近年来，污水处理的新技术不断得到发展与创新，活性污泥法及膜技术的应用已经广泛出现在大中城市的污水处理厂中，但仍有部分难降解有机物和重金属离子无法去除，而这两者的存在无疑对水环境有着潜移默化的影响。难降解有机物以溶解性有机物为例，其占污水厂出水的总化学需氧量的85％-90％，其所包含的苯环、羧基、酚羟基等基团可与水体中营养元素、痕量金属或者疏水性有机物发生作用，从而导致水体中有毒物质形成或迁移扩张。这些难降解有机物的常规降解方法主要是活性炭吸附、膜分离技术、离子交换树脂吸附等，但这些方法仅仅是表观去除，仍存在二次污染的风险。重金属离子更是水体中一类重要的高污染物质，它们多以溶解态和悬浮态的形式存在，其污染效果具有较强的隐蔽性、持续性、复杂性和难降解性等。重金属废水的常见处理方法主要以沉淀法、吸附法、离子交换等为主，其中沉淀法以简单、廉价的优势受到最广泛应用，但反应过程中通常生成其他副产物使得出水硬度偏高，且容易造成二次污染。故而，很有必要研究一种新型的污水处理装置及方法，来克服上述处理方法所存在的弊端。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种污水有机物及重金属离子降解装置，利用阳极的强氧化性，高效地氧化分解难降解有机物，甚至实现有机物的完全矿化，同时利用阴阳极板间的电荷吸引作用及碱性环境对重金属离子的沉降效果，实现重金属离子的去除和富集；本发明的另一个目的在于提供一种上述污水有机物及重金属离子降解装置的污水降解方法，严格控制降解过程参数，保证有机物和重金属离子的降解效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种污水有机物及重金属离子降解装置，包括串联的第一反应室以及第二反应室，其中：第一反应室为酸室，第二反应室为碱室；第一反应室的顶盖设置有第一进水口、第一加药孔，内部布置有若干第一阴极板、若干第一阳极板、以及一个第一刷体，底部设置有第一排水口；第二反应室的顶盖设置有第二进水口、第二加药孔，内部布置有若干第二阴极板、若干第二阳极板、以及一个第二刷体，底部设置有第二排水口；若干第一阴极板与若干第一阳极板围绕第一刷体间隔布置且通过并联方式同第一直流稳压电源连接；若干第二阴极板与若干第二阳极板围绕第二刷体间隔布置且通过并联方式同第二直流稳压电源连接；第一排水口通过管路与第二进水口连通。

进一步的，第一反应室与第二反应室的外壳体均为筒体。

进一步的，第一阴极板、第一阳极板、第一刷体均固定在第一反应室的顶盖上；第一刷体为圆柱刷体；若干第一阴极板的数量为三个，且为直径不等的环形柱体；第一阳极板的数量为两个，且为直径不等的环状柱体；若干第一阴极板与若干第一阳极板以第一刷体为中心同轴间隔布置，且第一刷体外围首先布置第一阴极板；第二阴极板、第二阳极板、第二刷体均固定在第二反应室的顶盖上；第二刷体为圆柱刷体；若干第二阴极板的数量为三个，且为直径不等的环形柱体；第二阳极板的数量为两个，且为直径不等的环状柱体；若干第二阴极板与若干第二阳极板以第二刷体为中心同轴间隔布置，且第二刷体外围首先布置第二阴极板。

进一步的，第一反应室的底部设置有用于第一反应室内污水搅拌的第一混流搅拌装置，第一混流搅拌装置的搅拌部由下向上竖直伸入第一反应室且位于第一阴极板与第一阳极板的下方；第二反应室的底部设置有用于第二反应室内污水搅拌的第二混流搅拌装置，第二混流搅拌装置的搅拌部由下向上竖直伸入第二反应室且位于第二阴极板与第二阳极板的下方。

进一步的，第一反应室的外壳体包括第一筒体以及位于第一筒体下方的第一集泥槽，第一集泥槽的顶部开口贯穿第一筒体的底壁与第一筒体的底面齐平，第一混流搅拌装置的搅拌部位于第一集泥槽内且其顶端与第一筒体底面齐平；第二反应室的外壳体包括第二筒体以及位于第二筒体下方的第二集泥槽，第二集泥槽的顶部开口贯穿第二筒体的底壁与第二筒体的底面齐平，第二混流搅拌装置的搅拌部位于第二集泥槽内且其顶端与第二筒体底面齐平；第一阴极板、第一阳极板、以及第一刷体均布置在第一筒体内；第二阴极板、第二阳极板、以及第二刷体均布置在第二筒体内；第一集泥槽与第二集泥槽的纵截面均为倒梯形，横截面均为圆形。

进一步的，第一集泥槽配有用于将第一集泥槽内沉积物由第一加药孔吸出的第一橡胶软管；第二集泥槽配有用于将第二集泥槽内沉积物由第二加药孔吸出的第二橡胶软管。

进一步的，第一排水口包括两个，分别布置在第一反应室底部的两端；第二排水口包括两个，分别布置在第二反应室底部的两端；两个第一排水口通过两条管路汇集连通至第二进水口；两个第一排水口连接的两条管路汇集的干管路上串接有水泵；两个第一排水口以及两个第二排水口连接的管路上均布置有排水阀门。

进一步的，污水有机物及重金属离子降解装置还包括用于支撑第一反应室的第一支撑座，以及用于支撑第二反应室的第二支撑座。

进一步的，第一阳极板、第二阳极板、第一刷体、第二刷体均为以钛为基板且外镀ir-ru-石墨烯复合镀层的改性电极；第一阴极板以及第二阴极板均为外镀石墨烯的改性不锈钢电极。

本发明的一种污水有机物及重金属离子降解装置，具有以下有益效果：

1、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，阴阳极板间隔布置有多个，从而加大了阳极处理面积；优先在第一反应室中处理污水，可以有效实现稳定态和惰性态的重金属离子(即与有机物和胶体物质强烈结合的部分)失稳，从而在第二反应室的后续处理中可以实现更好地去除。

2、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，第一阴极板、第一阳极板、第二阴极板、第二阳极板均为环形柱体，第一刷体与第二刷体均为圆柱刷体，从而一定程度上增大了阳极的比表面积；同轴线布置使得电子呈辐射形式传递，可以更有效促进阴极对溶液中金属离子的吸附作用，电子的快速传递有助于有机物高效分解及重金属离子的去除；同时也缩减了极板占用的空间，使得装置更紧凑便捷。

3、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，阳极(包括第一阳极板、第二阳极板、第一刷体、与第二刷体)镀有ir-ru-石墨烯复合镀层，使得极板具有更高的导电性能、耐腐蚀性能，有效地提高了电子传递效率及阳极板的使用寿命。

4、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，第一反应室内污水搅拌的第一混流搅拌装置，第二反应室的底部设置有用于第二反应室内污水搅拌的第二混流搅拌装置，使得废水在处理过程中均匀分布在各层极板间，且水流不断运动，可以有效去除电极表面析氧区因o2聚集而形成的“气幕”，从而促进有机物的传质过程，提高有机物的降解效率。

5、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，利用阳极的强氧化性，高效地氧化分解难降解有机物，甚至实现有机物的完全矿化，同时利用阴阳极板间的电荷吸引作用及碱性环境对重金属离子的沉降效果，实现重金属离子的去除和富集。

6、本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，在运行过程中可以将有机物高效降解，仅有部分重金属离子形成沉淀，所以该装置产生的污泥量非常少，比传统加药处理工艺产生的污泥量少40％-60％，相对降低了污泥处置费用。

本发明的一种上述污水有机物及重金属离子降解装置的污水降解方法，包括以下步骤：

(1)将第一阴极板、第一阳极板、以及第一刷体通过接线柱与第一直流稳压电源连接，将第二阴极板、第二阳极板、以及第二刷体通过接线柱与第二直流稳压电源连接，关闭第一反应室的第一排水口连接管路上的排水阀门；

(2)由第一进水口向第一反应室注入待处理污水，并打开第一反应室的第一混流搅拌装置，使极板间电解液均匀分布；

(3)通过第一加药孔向第一反应室内加入盐酸并插入ph检测探针，将第一反应室的ph控制在5.0左右；

(4)接通第一反应室的第一直流稳压电源，控制输出电流保持在6.4a，此时对应的第一反应室的有效电流密度在8.0ma/cm2左右；

(5)从第一直流稳压电源接通电流开始计时，电解处理10min后，断开第一直流稳压电源并关闭第一混流搅拌装置，打开第一反应室的第一排水口连接管路上的排水阀门和水泵，向第二反应室注入污水，并打开第二反应室的第二混流搅拌装置，使极板间电解液均匀分布；

(6)通过第二加药孔向第二反应室加入氢氧化钠，并插入ph检测探针，将第二反应室的ph控制在8.0左右；

(7)接通第二反应室的第二直流稳压电源且开始计时，控制输出电流保持在6.4a，此时对应的第二反应室的有效电流密度在8.0ma/cm2左右；

(8)从第二直流稳压电源接通电流开始计时，电解处理10min后，断开第二直流稳压电源并关闭第二混流搅拌装置，静沉2-3min，打开第二反应室的第二排水口连接管路上的排水阀门将水排出；

(9)利用第一橡胶软管从第一加药孔将第一反应室的第一集泥槽中的沉积物吸出；利用第二橡胶软管从第二加药孔将第二反应室的第二集泥槽中的沉积物吸出。

本发明的一种上述污水有机物及重金属离子降解装置的污水降解方法，具有以下有益效果：

本发明的污水降解方法严格控制第一反应室与第二反应室的酸碱度与反应时间、第一直流稳压电源与第二直流稳压电源的输出电流等，从而实现了污水中有机物与重金属的高效、高质降解，工艺过程简单，污水降解效果好。

附图说明

为了更清楚的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的介绍，显而易见的，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它附图。

图1为本发明的污水有机物及重金属离子降解装置的整体结构示意图；

图2为本发明的图1中的第一反应室的剖面结构示意图；

图3为本发明的图1中的第一反应室的俯视结构示意图；

图4为本发明的图1中的第一刷体的结构示意图；

图5为本发明的图1中的第一阳极板的主视结构示意图；

图6为本发明的图1中的第一阳极板的俯视结构示意图；

图中：1-第一反应室、11-第一进水口、12-第一加药孔、13-第一阴极板、14-第一阳极板、15-第一刷体、16-第一排水口、17-第一混流搅拌装置、18-第一筒体、19-第一集泥槽、2-第二反应室、21-第二进水口、22-第二加药孔、23-第二阴极板、24-第二阳极板、25-第二刷体、26-第二排水口、27-第二混流搅拌装置、28-第二筒体、29-第二集泥槽、3-排水阀门、4-第一支撑座、5-第二支撑座；6-接线柱；

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至图6所示，本发明实施例的一种污水有机物及重金属离子降解装置，包括串联的第一反应室1以及第二反应室2，其中：第一反应室1为酸室，第二反应室2为碱室；第一反应室1的顶盖设置有第一进水口11、第一加药孔12，内部布置有若干第一阴极板13、若干第一阳极板14、以及一个第一刷体15，底部设置有第一排水口16；第二反应室2的顶盖设置有第二进水口21、第二加药孔，内部布置有若干第二阴极板23、若干第二阳极板24、以及一个第二刷体25，底部设置有第二排水口26；若干第一阴极板13与若干第一阳极板14围绕第一刷体15间隔布置且通过并联方式同第一直流稳压电源连接；若干第二阴极板23与若干第二阳极板24围绕第二刷体25间隔布置且通过并联方式同第二直流稳压电源连接；第一排水口16通过管路与第二进水口21连通。

具体的，第一反应室1与第二反应室2的结构完全相同，其中的各个部件的结构及尺寸也完全相同(比如第一阴极板13、第一阳极板14、第一刷体15对应第二阴极板23、第二阳极板24、第二刷体25的结构及尺寸均相同，以及后面所提及的第一混流搅拌装置17与第二混流搅拌装置27、第一筒体18与第二筒体28、第一集泥槽19与第二集泥槽29等，结构及尺寸均相同)，但是第一反应室1为酸室，第二反应室2为碱室；第一反应室1与第二反应室2的外壳体均为筒体，由亚克力制成，便于阴极板与阳极板的交叉同轴布置。第一阳极板14、第二阳极板24、第一刷体15、第二刷体25均为以钛为基板且外镀ir-ru-石墨烯复合镀层的改性电极；第一阴极板13以及第二阴极板23均为外镀石墨烯的改性不锈钢电极。

本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，阴阳极板间隔布置有多个，从而加大了阳极处理面积；优先在第一反应室1中处理污水，可以有效实现稳定态和惰性态的重金属离子(即与有机物和胶体物质强烈结合的部分)失稳，从而在第二反应室2的后续处理中可以实现更好地去除；阳极(包括第一阳极板14、第二阳极板24、第一刷体15、与第二刷体25)镀有ir-ru-石墨烯复合镀层，使得极板具有更高的导电性能、耐腐蚀性能，有效地提高了电子传递效率及阳极板的使用寿命。

作为一种优选的实施方式，第一阴极板13、第一阳极板14、第一刷体15均通过接线柱6固定在第一反应室1的顶盖上；第一刷体15为圆柱刷体；若干第一阴极板13的数量为三个，且为直径不等的环形柱体；第一阳极板14的数量为两个，且为直径不等的环状柱体；若干第一阴极板13与若干第一阳极板14以第一刷体15为中心同轴间隔布置，且第一刷体15外围首先布置第一阴极板13；第二阴极板23、第二阳极板24、第二刷体25均通过接线柱6固定在第二反应室2的顶盖上；第二刷体25为圆柱刷体；若干第二阴极板23的数量为三个，且为直径不等的环形柱体；第二阳极板24的数量为两个，且为直径不等的环状柱体；若干第二阴极板23与若干第二阳极板24以第二刷体25为中心同轴间隔布置，且第二刷体25外围首先布置第二阴极板23。第一阴极板13、第一阳极板14、第二阴极板23、第二阳极板24均为环形柱体，第一刷体15与第二刷体25均为圆柱刷体，从而一定程度上增大了阳极的比表面积；同轴线布置使得电子呈辐射形式传递，可以更有效促进阴极对溶液中金属离子的吸附作用，电子的快速传递有助于有机物高效分解及重金属离子的去除；同时也缩减了极板占用的空间，使得装置更紧凑便捷。此外，如图5所示，第一刷体15与第二刷体25上均布有刷毛，刷毛的设置，意在增大阳极板的有效使用面积，提高电子转移效率，同时生成不规则电场，减小有机物传质阻力。

进一步的，第一反应室1的底部设置有用于第一反应室1内污水搅拌的第一混流搅拌装置17，第一混流搅拌装置17的搅拌部由下向上竖直伸入第一反应室1且位于第一阴极板13与第一阳极板14的下方；第二反应室2的底部设置有用于第二反应室2内污水搅拌的第二混流搅拌装置27，第二混流搅拌装置27的搅拌部由下向上竖直伸入第二反应室2且位于第二阴极板23与第二阳极板24的下方。

具体的，第一混流搅拌装置17以及第二混流搅拌装置27，提供处理废水以流化态流动的动力，使得废水在处理过程中均匀分布在各层极板间，且水流不断运动，可以有效去除电极表面析氧区因o2聚集而形成的“气幕”，从而促进有机物的传质过程，提高有机物的降解效率；第一混流搅拌装置17以及第二混流搅拌装置27可以根据实际情况选择设计其结构，优选的，第一混流搅拌装置17以及第二混流搅拌装置27的搅拌部为叶片搅拌部。

进一步的，第一反应室1的外壳体包括第一筒体18以及位于第一筒体18下方的第一集泥槽19，第一集泥槽19的顶部开口贯穿第一筒体18的底壁与第一筒体18的底面齐平，第一混流搅拌装置17的搅拌部位于第一集泥槽19内且其顶端与第一筒体18底面齐平；第二反应室2的外壳体包括第二筒体28以及位于第二筒体28下方的第二集泥槽29，第二集泥槽29的顶部开口贯穿第二筒体28的底壁与第二筒体28的底面齐平，第二混流搅拌装置27的搅拌部位于第二集泥槽29内且其顶端与第二筒体28底面齐平；第一阴极板13、第一阳极板14、以及第一刷体15均布置在第一筒体18内；第二阴极板23、第二阳极板24、以及第二刷体25均布置在第二筒体28内；第一集泥槽19与第二集泥槽29的纵截面均为倒梯形，横截面均为圆形。

具体的，集泥槽主要用于酸室与碱室反应过程中的沉积物的聚集沉积，其纵截面为倒梯形，从而便于集泥槽内沉积物的吸出或者排出。优选的，第一集泥槽19配有用于将第一集泥槽19内沉积物由第一加药孔12吸出的第一橡胶软管；第二集泥槽29配有用于将第二集泥槽29内沉积物由第二加药孔吸出的第二橡胶软管。

进一步的，第一排水口16包括两个，分别布置在第一反应室1底部的两端；第二排水口26包括两个，分别布置在第二反应室2底部的两端；两个第一排水口16通过两条管路汇集连通至第二进水口21；两个第一排水口16连接的两条管路汇集的干管路上串接有水泵；两个第一排水口16以及两个第二排水口26连接的管路上均布置有排水阀门3,优选为球阀。第一排水口16与第二排水口26均设置两个且布置在不同位置，从而可以使得第一反应室1与第二反应室2内的污水排出的更彻底。

进一步的，污水有机物及重金属离子降解装置还包括用于支撑第一反应室1的第一支撑座4，以及用于支撑第二反应室2的第二支撑座5。第一支撑座4与第二支撑座5的结构相同，可以为三脚支撑架或者多脚支撑架，主要起支撑作用，其具体结构，本领域技术人员可根据实际情况确定，本发明不做具体限定。

为了使得本发明可以更好的实施，此处给出主要结构部件的优选尺寸，其中：第一反应室1与第二反应室2(即第一筒体18与第二筒体28)的内径为100mm，高150mm；顶盖的直径为140mm，厚3mm，固定第一刷体15与第二刷体25的中心孔径为20mm；第一集泥槽19与第二集泥槽29的上下底直径分别为40mm和30mm，高30mm；第一刷体15与第二刷体25的直径为10mm，高150mm，其中刷毛区高度为100mm，刷毛的平均长度为7mm；两个第一阳极板14的内直径分别为45mm和76mm，高度均为100mm，壁厚1.5mm；两个第二阳极板24的内直径同样分别为45mm和76mm，高度均为100mm，壁厚1.5mm；三个第一阴极板13的内直径分别为29mm、60mm、和88mm，高度均为100mm，壁厚在0.6-1.0mm之间；三个第二阴极板23的内直径同样分别为29mm、60mm、和88mm，高度均为100mm，壁厚在0.6-1.0mm之间；阴阳极板间的平均距离控制在6(±0.5)mm。

本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，利用阳极的强氧化性，高效地氧化分解难降解有机物，甚至实现有机物的完全矿化，同时利用阴阳极板间的电荷吸引作用及碱性环境对重金属离子的沉降效果，实现重金属离子的去除和富集；此外，本发明的污水有机物及重金属离子降解装置，在运行过程中可以将有机物高效降解，仅有部分重金属离子形成沉淀，所以该装置产生的污泥量非常少，比传统加药处理工艺产生的污泥量少40％-60％，相对降低了污泥处置费用。

本发明的一种上述污水有机物及重金属离子降解装置的污水降解方法，包括以下步骤：

(1)将第一阴极板、第一阳极板、以及第一刷体通过接线柱与第一直流稳压电源连接，将第二阴极板、第二阳极板、以及第二刷体通过接线柱与第二直流稳压电源连接，关闭第一反应室的第一排水口连接管路上的排水阀门；

(2)由第一进水口向第一反应室注入待处理污水，污水不能超过极板高度，且控制面体比在1.2左右，并打开第一反应室的第一混流搅拌装置，使极板间电解液均匀分布；

(3)通过第一加药孔向第一反应室内加入盐酸并插入ph检测探针，将第一反应室的ph控制在5.0左右；

(4)接通第一反应室的第一直流稳压电源，控制输出电流保持在6.4a，此时对应的第一反应室的有效电流密度在8.0ma/cm²左右；

(5)从第一直流稳压电源接通电流开始计时，电解处理10min后，断开第一直流稳压电源并关闭第一混流搅拌装置，打开第一反应室的第一排水口连接管路上的排水阀门和水泵，向第二反应室注入污水，并打开第二反应室的第二混流搅拌装置，使极板间电解液均匀分布；

(6)通过第二加药孔向第二反应室加入氢氧化钠，并插入ph检测探针，将第二反应室的ph控制在8.0左右；

(7)接通第二反应室的第二直流稳压电源且开始计时，控制输出电流保持在6.4a，此时对应的第二反应室的有效电流密度在8.0ma/cm²左右；

(8)从第二直流稳压电源接通电流开始计时，电解处理10min后，断开第二直流稳压电源并关闭第二混流搅拌装置，静沉2-3min，打开第二反应室的第二排水口连接管路上的排水阀门将水排出；

(9)利用第一橡胶软管从第一加药孔将第一反应室的第一集泥槽中的沉积物吸出；利用第二橡胶软管从第二加药孔将第二反应室的第二集泥槽中的沉积物吸出。

本发明的污水降解方法严格控制第一反应室与第二反应室的酸碱度与反应时间、第一直流稳压电源与第二直流稳压电源的输出电流等，从而实现了污水中有机物与重金属的高效、高质降解，工艺过程简单，污水降解效果好。

电化学降解有机物和重金属离子的技术是由电化学过程的本质决定的，该过程中，直接利用外加电源提供电子，构成天然的氧化剂和还原剂，二次污染少，是理想的除污方法。石墨烯复合二氧化铱和二氧化钌镀层极大提高了钛金属极板的电导率、耐腐蚀性及机械性能等，构成了出色的改性电极。

使用本发明的污水有机物及重金属离子降解装置及污水处理方法，进行污水处理，通过对经过处理后的水质进行检测，其中重金属离子以cu²⁺和zn²⁺离子为代表，cu²⁺的去除率达到89.6(±2.4)％-94.5(±3.0)％，zn²⁺的去除率达到68.5(±5.4)％-90.1(±1.7)％，总有机碳(toc)去除率可以达到89.81(±1.2)％，可见本发明的污水有机物及重金属离子降解装置可以实现很好的有机物降解和重金属离子的去除效果，去除效率高且更加环保。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。