电化学分段脱氮装置的制作方法

本发明属于高氮废水电化学处理技术领域，具体涉及一种可用于垃圾渗滤液、工业废水等有脱氮要求的高氮废水的电化学分段脱氮装置。

背景技术：

在生产过程中产生的高浓度含氮废水排入水体会对人类和环境造成巨大的危害，这种废水不仅含氮量很高，还常常伴有高盐或有毒有害物质，成分复杂，难以生物降解和彻底处理。

针对高氮废水常用的处理方法有离子交换法、反渗透和电渗析、电化学法等。发表的文献包括《Ion-exchange method in the collection of nitrate from freshwater ecosystems for nitrogen and oxygen isotope analysis: a review.》、《Selective nitrate removal from groundwater using a hybrid nanofiltration-reverse osmosis filtration scheme》、《Nitrate selectivity and transport properties of a novel anion exchange membrane in electrodialysis》。采用离子交换法、反渗透和电渗析处理高氮废水受进水浓度的影响较小，具有抗冲击负荷的能力，但它们富集的污染物的处理将提高后续操作和处理的成本。

电化学法占地面积小，出水水质好，抗冲击负荷强、启动快，可处理同时含有高盐、高有机物、高氮、有毒有害物质的废水，且不产生污泥和废渣等；但是其运行过程中，电流密度始终为初时适用于处理高氮废水的高电流密度，导致其电耗高，运行成本与其他方法相比无优势。并且，目前电化学脱氮所选用的阴极多为稀有贵金属材料，其脱氮效果好，但费用不菲；而非贵金属材料脱氮效果普遍不理想。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统电化学脱氮工艺所用非贵金属阴极脱氮效率低、稀有贵金属阴极价格高昂，以及运行过程中电耗高的问题，而提出一种可实现深度节能的梯级电催化模型与新型铜锌系阴极相结合的电化学分段脱氮装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

电化学分段脱氮装置，包括多段顺次连接的电解装置，每段所述电解装置包括电解槽3、至少一组电极板、布水板4、进水管2、电源7、与电极板组数相同数量的出水支管8和集水管9，且前段电解装置中电极板组数多于后段电解装置中电极板组数；所述布水板4设于电解槽3内，布水板4以下为进水区、以上为反应区，所述进水管2的出水端设于布水板4下方的进水区，所述电极板设于布水板4上方的反应区；所述每组电极板包括阴极板5和阳极板6；所述每段电解装置内的阴、阳极板交替均匀设置，且极板之间通过电线串联后与电源7相连；所述出水支管8的进水端分别设于每组电极板中间，出水支管8的出水端与位于电解槽外的集水管连通；所述前段电解装置的集水管9通过水泵与后一段电解装置的进水管2的进水端连通。

所述出水支管8的进水端与电极板顶部同高。

所述布水板4设于电解槽内距距槽底部1/4高处。

所用阴、阳极有效面积均为1m×1m。

所述阴极为Ti/CuOZn电极，阳极为Ti/RuO₂-IrO₂电极。

所述Ti/CuOZn电极的制作方法是：配制Cu/Zn比为5.4:1的铜锌硝酸盐的前驱体，利用刷涂热解法以钛板为基体，制备得到稳定的金属氧化物纳米活性层，即得到Ti/CuOZn电极。

所述多段顺次连接的电解槽的数量为2-5段。

所述多段顺次连接的电解槽的数量为3段。

所述多段顺次连接的电解槽的数量为3段顺次连接的电解槽，第一阶段电解槽进水区阴、阳极个数均为6块，极板间距为2.5-5cm，电流密度为200-300A/m²；第二阶段电解槽进水区阴、阳极个数均为4块，极板间距为5-7.5cm，电流密度为100-200A/m²；第三阶段电解槽进水区阴、阳极个数均为3块，极板间距为7.5-10cm，电流密度为20-100A/m²；进水总氮浓度为200-1000mg/L，进水流速为100-300L/h。

有益效果：本发明电化学分段脱氮装置采用刷涂热解法制得的新型铜锌系电极作为阴极，提高脱氮效率；与传统电化学脱氮处理所用非贵金属电极相比，脱氮效率显著提高；与稀有贵金属电极相比，价格低廉，并且脱氮效率相当；同时还将新型铜锌系阴极与梯级电催化模型结合，能耗逐级降低，最终可节省能耗约1/3。

附图说明

图 1 为本发明装置的结构示意图。

图2为实施例3提供的一种恒流单级脱氮装置的结构示意图。

其中：1-水泵、2-进水管、3-电解槽、4-多孔布水板、5-阴极板、6-阳极板、7-电源、8-出水支管、9-集水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种电化学分段脱氮装置，包括2-5段顺次连接的电解装置，每段电解装置包括电解槽3、至少一组电极板、布水板4、进水管2、电源7、与电极板组数相同数量的出水支管8和集水管9，且前段电解装置中电极板组数多于后段电解装置中电极板组数；布水板4设于电解槽3内，布水板4以下为进水区、以上为反应区，进水管2的出水端设于布水板4下方的进水区，电极板设于布水板4上方的反应区；每组电极板包括阴极板5和阳极板6；每段电解装置内的阴、阳极板交替均匀设置，且极板之间通过电线串联后与电源7相连；出水支管8的进水端分别设于每组电极板中间，出水支管8的出水端与位于电解槽外的集水管连通；前段电解装置的集水管9通过水泵与后一段电解装置的进水管2的进水端连通。

实施例2

如图1所示，一种电化学分段脱氮装置，包括3段顺次连接的电解装置，每段电解装置包括电解槽3、至少一组电极板、布水板4、进水管2、电源7、与电极板组数相同数量的出水支管8和集水管9，且前段电解装置中电极板组数多于后段电解装置中电极板组数；布水板4设于电解槽3内，布水板4以下为进水区、以上为反应区，进水管2的出水端设于布水板4下方的进水区，电极板设于布水板4上方的反应区；每组电极板包括阴极板5和阳极板6；每段电解装置内的阴、阳极板交替均匀设置，且极板之间通过电线串联后与电源7相连；出水支管8的进水端分别设于每组电极板中间，出水支管8的出水端与位于电解槽外的集水管连通；前段电解装置的集水管9通过水泵与后一段电解装置的进水管2的进水端连通。出水支管8的进水端与电极板顶部同高。布水板4可设于电解槽内距距槽底部1/4高处。

阴极为Ti/CuOZn电极，阳极为Ti/RuO₂-IrO₂电极。Ti/CuOZn电极的制作方法是：配制Cu/Zn比为5.4:1的铜锌硝酸盐的前驱体，利用刷涂热解法以钛板为基体，制备得到稳定的金属氧化物纳米活性层，即得到Ti/CuOZn电极。

采用本实施例电化学分段脱氮装置进行脱氮试验测试。

试验条件：上述整个装置中，各段反应区有效容积均为0.385m³,各段有效停留时间均为1.54h，废水初始总氮含量500mg/L，往其中添加电解质30g/L的NaSO₄。

其脱氮试验步骤如下：

第一步：高氮废水经水泵以250L/h的流速泵入第一阶段电解槽，由电源提供200A/m²的电流密度，阴极采用6块有效面积为1m×1m的新型Ti/CuOZn电极，阳极采用6块有效面积为1m×1m的Ti/RuO₂-IrO₂电极，阴阳极板交替放置，极板间距设为3.5cm；

第二步：第一阶段电解槽出水经水泵以250L/h的流速泵入第二阶段电解槽，由电源提供100A/m²的电流密度，阴极采用4块有效面积为1m×1m的新型Ti/CuOZn电极，阳极采用4块有效面积为1m×1m的Ti/RuO₂-IrO₂电极，阴阳极板交替放置，极板间距设为5.5cm；

第三步：第二阶段电解槽出水经水泵以250L/h的流速泵入第三阶段电解槽，由电源提供50A/m²的电流密度，阴极采用3块有效面积为1m×1m的新型Ti/CuOZn电极，阳极采用3块有效面积为1m×1m的Ti/RuO₂-IrO₂电极，极板间距设为7.7cm。

检测参数：总氮含量：第一段出水总氮降解至222.5mg/L，降解效率可达55.5%；第二段出水总氮降解至89mg/L，降解效率可达60%；第三段出水总氮降解至15.58mg/L，降解效率可达82.49%；总降解效率达96.89%。水质指标：最终出水可达到一级B标准。

能耗：第一段：总电压为9.52V，电耗10.566kW·h/g N；第二段：总电压为7.11V，电耗8.202kW·h/g N；第三段：总电压为5.15V，电耗5.401kW·h/g N；总能耗为24.169kW·h/g N。

本实施例通过一系列的措施实现高氮废水的深度处理，与常规电化学脱氮相比，可显著节省基建及运行费用。

对比例1

在附图1中第二段电解槽内进行恒流操作试验。试验条件：所述第二段电解槽反应区内，阴极采用4块Ti/CuOZn电极，阳极采用4块Ti/RuO₂-IrO₂电极，阴、阳极有效面积均为1m×1m，极板间距均为5.5cm，电解槽反应区有效容积为0.385m³。废水初始总氮含量500mg/L，往其中添加30g/L的NaSO₄电解质，电流密度设为200A/m³，废水布满反应区开始电解。

处理相同浓度的含氮废水，要想达到与上述装置相同的处理效果，停留时间需要8.5h。

检测参数：能耗：总电压为9.28V，电耗32.567kW·h/g N，与实施例2相比增加34.75%。

实施例3

如图2所示，一种恒流单级脱氮装置，该装置包括水泵1、进水管2、电解槽3、多孔布水板4、1块阴极板5、1块阳极板6、电源7、出水支管8。所述布水板设于电解槽内距槽底部4cm高处，布水板以下为进水区、以上为反应区，所述进水管的出水端设于布水板下方的进水区，所述电解槽反应区尺寸为10cm×10cm×5cm；所述阴、阳极板设于布水板上方的反应区，阴、阳极板分别与电源7正、负极相连，所述出水支管设于两电极板中间，与极板上方同高。

采用上述恒流单级脱氮装置进行废水处理试验，进行三组对比试验。

第一组中阳极采用10cm×10cm的Ti/RuO₂-IrO₂电极，而阴极采用10cm×10cm的本发明制得的Ti/CuOZn电极；

第二组中阳极采用10cm×10cm的Ti/RuO₂-IrO₂电极，而阴极采用10cm×10cm的Sn/Pd/Au贵金属电极

第三组中阳极采用10cm×10cm的Ti/RuO₂-IrO₂电极，而阴极采用10cm×10cm的Cu非贵金属电极。

试验采用含氮量为150mg/L的废水以循环处理的方式经水泵以9L/h的流速泵入电解槽，由电源提供200A/m²的电流密度，极板间距设为5cm。

第一组电解6h后出水含氮量降至11.55mg/L，脱氮效率达92.3%。

第二组电解6h后出水含氮量降至15mg/L，脱氮效率达90%。

第三组电解6h后出水含氮量降至57mg/L，脱氮效率达62%。

由此可见，本发明提供的新型Ti/CuOZn电极与传统电化学脱氮处理所用非贵金属电极相比，脱氮效率显著提高；而与贵金属电极脱氮效果相当，但价格低廉，可显著节省基建及运行费用。