本实用新型属于污水处理技术领域，涉及一种多段异相三维电化学反应装置。
背景技术：
目前国内大量高浓度和难降解工业废水的治理问题成为环境领域亟待解决的重大课题，这些工业废水有机物浓度高，可生化性差，成分复杂，含有生物致毒物质，传统的物化和生化处理方法具有较大的局限性。
三维电化学技术是一种新型的高级氧化技术，是在传统的二维电化学反应器中填充粒子电极构成，具有处理效率高，水力停留时间短，占地面积少，废渣少，广谱适应性等优点，具有广阔的应用前景，成为目前国内外污染控制领域的研究热点之一。三维电化学的作用机理包括直接作用和间接作用。直接作用是在电极表面进行的电化学氧化和还原反应，电极表面既包括阴阳主电极表面，也包括所有粒子电极表面。众多的粒子电极极大增大了溶液与电极的接触面积，缩短了传质距离，提高了电流效率和污染物降解效果。
间接作用是指电场中引发的自由基链式反应，经过曝气溶解的氧气、阳极及粒子电极阳极端产生的氧气，在阴极和粒子电极阴极端还原生成氧化性极强的双氧水和羟基自由基，同时又在体系内电磁场及氧化还原电子对催化剂的作用下，产生大量氧化性极强的自由基，HO2-·，O·,H·,O2-·, O3-·等。这些自由基与废水中有机物反应，生成不稳定的有机物自由基R·等,从而引发大量的自由基链式反应，从而将有机污染物逐步彻底氧化分解为CO2和H2O。
目前三维电化学技术的实际工程应用还很少，设备投资高，运行费用高，没有成熟的设备和工艺。大规模运用三维电化学技术还需要在反应装置结构、粒子电极材料性质、催化剂种类性质、运行工艺条件等方面开展大量的基础研究工作和工程实践。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种结构简约、操作简单、易于维护和自动化控制，处理效率高、无需投加任何化学药剂、产泥量少、效率高的多段异相三维电化学反应装置。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种用于废水治理的多段异相三维电化学反应装置，特点是该装置包括：本体、外置电源及外置气体发生器，所述本体前端设置进水口，末端设置出水口，其内至少设置二段反应器，各段反应器相串联并通过溢流口实现邻段反应器之间水相的联通，其中：
每段反应器被中间隔板分隔为至少两个反应室，并通过下端的布气排渣室实现反应室间水相的联通；每个反应室至少设置两块垂直平行排列的电极板，各反应室电极板正极和负极交替设置，并联连接外置电源；电极板之间填充粒子电极，粒子电极置于带有筛孔的填料筐中或堆置于反应室底部的孔板上；布气排渣室内设有曝气板、管或盘，通过气体管道连接外置气体发生器，每段反应器下端设有排空口。
所述电极板为掺硼金刚石薄膜极板（BDD）、钛基过渡金属氧化物涂层电极（DSA）、不锈钢极板、石墨极板或合金极板中的一种。优选的，阳极采用掺硼金刚石薄膜电极（BDD）、钛基过渡金属氧化物涂层电极（DSA）中的一种；阴极采用不锈钢电极、石墨电极中的一种。
所述粒子电极以颗粒为基体，其上负载有用于异相催化污染物降解和去除的催化剂；所述基体为颗粒活性炭、三氧化二铝颗粒或沸石颗粒，单独使用或者两种或数种混合使用；催化剂为二氧化钛、金属或过渡金属氧化物一种或数种混合。优选的，粒子电极采用活性炭颗粒或活性炭颗粒掺杂三氧化二铝颗粒为基体，基体负载纳米二氧化钛、锰氧化物、铜氧化物、铁氧化物、钌氧化物、钯氧化物、钴氧化物、银氧化物、铈氧化物、钛氧化物、锌氧化物等的一种或几种为粒子电极。
所述填料筐为数个水平或垂直串接。
所述外置电源设置为一台或数台，每段反应器设置一台或数段反应器共用一台。
所述布气排渣室为倒锥体或长方体结构，优选的，设计为长方体结构，布气排渣室底部设置一定倾斜角度，有利于泥渣的排放和污水的排空。所述布气排渣室内设有曝气板、管或盘；曝气板、管或盘通过气体管道连接外置气体发生器；
所述外置气体发生器为空气压缩机或臭氧发生器。优选的，通过气体管道连接外置的空气压缩机或臭氧发生器，向反应器内提供压缩空气或臭氧。
所述排空口用于泥渣的清理及污水的排空。
本实用新型用于B/C小于0.3的难降解有机废水的降解，废水在进入本实用新型装置前需要进行预处理，预处理一般采用混凝沉淀技术去除废水中的悬浮物、胶体杂质及钙、镁、磷、金属离子等，减少这些干扰因子对催化剂的毒害作用。
本实用新型的多段异相三维电化学处理是将催化污染物降解的催化剂负载在粒子电极上，在电场能量推动下，异相催化降解水相中的污染物，以直接和间接氧化还原作用，对污水中结构复杂的有机分子实施无选择性的氧化分解或还原改性，开环断键，提高B/C，同时大幅度去除COD，降解有机胺及氨氮。
本实用新型的有益效果
1）本实用新型用于处理难降解有机废水，具有以下优势：
a 抗冲击负荷能力强，处理效果稳定，出水水质优良；
b 管理方便，模块化反应装置，成套技术，并精确控制，从而保证处理工艺的稳定运行；
c结构紧凑、运行费用低。
3）本实用新型装置可实现对难降解有机废水的高效处理，保护生态环境，为难降解有机废水的治理解决了关键性技术难题。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型实施例2结构示意图；
图3为本实用新型实施例3结构示意图；
图4为本实用新型实施例4结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
参阅图1，本实用新型包括由多段（≥2段）反应器串联组成的本体1，邻段反应器之间实现水相联通的溢流口2，分隔反应器的中间隔板3，被中间隔板分隔的反应室4，反应器下端的布气排渣室5，设置在反应室的两块或以上垂直平行排列的电极板6，外置电源7，填充于电极板之间的粒子电极8，用于堆置粒子电极的底部孔板10，布气排渣室内设置的曝气板、管或盘11，气体管道12及气体发生器13，反应器下端的排空口14，反应装置的进水口15，出水口16。
实施例1
参阅图1，本实施例设为依次串联四段反应器，各段反应器之间通过溢流口2实现水流的联通。中间隔板3将每段反应器分隔为均等体积的两个反应室4，反应室4之间通过反应室4下端布气排渣室5相连通，布气排渣室5设计为倒锥体结构。每个反应室设置两块垂直平行排列的电极板6，电极板6并联连接外置电源7。阳极电极板采用钛基钌铱电极，阴极采用纯钛基电极。电极板之间填充的粒子电极8采用颗粒活性炭基体负载纳米级二氧化钛，粒子电极8放置于反应室4底部设置的多孔筛板10上。布气排渣室5内设置曝气板11，通过气体管道12连接外置的空气压缩机13，向反应器内提供压缩空气。反应器下端设置排空口14，用于泥渣的清理及污水的排空。反应装置前端设置进水口15，后端设置出水口16。
本实施例是这样工作的：
多段异相三维电化学反应装置用于处理高浓度难降解（B/C小于0.3）有机废水，异相催化广谱降解有机污染物，氧化分解或还原改性，开环断键，提高B/C，同时大幅度去除COD，降解有机胺及氨氮。在污水进入多段异相三维电化学反应装置前需要进行前处理，二维电化学混凝或传统化学混凝，去除废水中的悬浮物、胶体杂质及钙、镁、磷、金属离子等，同时去除一定的COD。反应装置先安装好电极板，接线，连接电源，反应器内加装粒子电极，接通电源，将经过前处理的废水由进水口15进入多段异相三维电化学反应装置，废水进入第一反应室，经过下部多孔筛板10和布气排渣室5进入第二反应室，再由第二反应室和第三反应室上端的溢流口进入第三反应室，以此类推，废水在流经各个反应室时，部分污染物质吸附在主电极表面和粒子电极表面，在电场能量推动下，这些污染物在阴阳电极表面和众多粒子电极表面进行直接氧化作用和还原作用。同时，经过曝气溶解的氧气、阳极及粒子电极阳极端产生的氧气，在阴极和粒子电极阴极端还原生成氧化性极强的双氧水和羟基自由基，同时又在体系内电磁场及氧化还原电子对催化作用下，产生大量氧化性极强的自由基，HO2-·，O·,H·,O2-·, O3-·等。这些自由基与废水中有机物反应，生成不稳定的有机物自由基R·等，从而引发大量的自由基链式反应。废水在流经各个反应室时，在电极表面直接作用和自由基链式反应的间接作用下，其中的难降解有机物逐步被降解，从大分子有机物逐步断键开环降解为小分子有机物，部分有机物被彻底氧化分解为CO2和H2O。最终出水从出水口16进入后续的处理或进入出水池。
以某化学控股股份有限公司吡啶类杀虫剂生产废水处理为例，该废水为高有机物含量、高盐、难降解的有机废水，经过混凝处理后的水质指标为：CODcr 19110 mg/L，BOD 1146 mg/L，NH3-N 38.5 mg/L，Cl- 8879 mg/L。经过混凝处理后的吡啶类杀虫剂生产废水由进水口15进入实施例1的多段异相三维电化学反应装置，出水从出水口16流出反应装置。连续进出水，水力停留时间160min，电压强度0.5V/cm，连续运行10d后，出水指标为：CODcr 3862 mg/L，BOD 686 mg/L，NH3-N 15 mg/L，Cl- 1624 mg/L。BOD5/COD由0.06提高至0.18，可生化性明显提高。出水放置14天后在显微镜下观察到活跃的微生物和原生动物（以纤毛虫类为主）。出水可调节负荷进入后续的生物处理装置以及后续的脱盐装置。
实施例2
参阅图2，本实施例设为依次串联四段反应器，各段反应器之间通过溢流口2实现水流的联通。中间隔板3将每段反应器分隔为均等体积的两个反应室4，反应室4之间通过反应室4下端布气排渣室5相连通，布气排渣室5设计为倒锥体结构。每个反应室设置两块垂直平行排列的电极板6，电极板6并联连接外置电源7。反应器阳极电极板采用掺硼金刚石薄膜极板（BDD），阴极采用不锈钢电极。粒子电极8采用颗粒活性炭基体负载锰氧化物、铜氧化物和铁氧化物，粒子电极8填充于带有筛孔的填料筐9中，反应室4中多个填料筐9水平或垂直串接。布气排渣室5内设置曝气板11，通过气体管道12连接外置的空气压缩机13，向反应器内提供压缩空气。反应器下端设置排空口14，用于泥渣的清理及污水的排空。反应装置前端设置进水口15，后端设置出水口16。本实施例工作过程同实施例1。
以河北某化工集团碳脂类（丁二酸二甲脂；丁二酸二异丙脂；丁二酰丁二酸二甲脂等）生产废水为例，经过混凝处理后的水质指标为：CODcr 63252 mg/L，BOD 0 mg/L，Cl-135 mg/L。经过混凝处理后的碳脂类生产废水由进水口15进入实施例2的多段异相三维电化学反应装置，出水从出水口16流出反应装置。连续进出水，水力停留时间200min，电压强度1.0V/cm，连续运行8d后，出水指标为：CODcr 6847 mg/L，BOD 1621 mg/L，Cl- 19 mg/L。BOD5/COD由0提高至0.24，可生化性明显提高。出水可调节负荷进入后续的生物处理装置以及后续的脱盐装置。
实施例3
参阅图3，本实施例设为依次串联四段反应器，各段反应器之间通过溢流口2实现水流的联通。中间隔板3将每段反应器分隔为均等体积的两个反应室4，反应室4之间通过反应室4下端布气排渣室5相连通，布气排渣室5设计为长方体结构。每个反应室设置两块垂直平行排列的电极板6，电极板6并联连接外置电源7。反应器阳极电极板采用钛基钌铱电极，阴极采用石墨电极。粒子电极8采用颗粒活性炭基体负载锰氧化物、铜氧化物、铁氧化物，粒子电极8填充于带有筛孔的填料筐9中，反应室4中多个填料筐9水平或垂直串接。布气排渣室5内设置曝气板11，通过气体管道12连接外置的臭氧发生器13，向反应器内提供压缩臭氧。反应器下端设置排空口14，用于泥渣的清理及污水的排空。反应装置前端设置进水口15，后端设置出水口16。本实施例工作过程同实施例1。
以三乙胺废水处理为例。分子筛合成晶化母液废水含有各类有机胺，其中有代表性的是三乙胺盐酸盐。此类废水是典型的高浓度、高盐度和难生物降解的废水。由于缺乏有效的处理手段，目前这类废水主要是进行高温焚烧，处理成本高昂，难以维持。本实施例中，经过混凝前处理后的三乙胺废水的水质指标为：CODcr 46131 mg/L，BOD 545 mg/L，三乙胺浓度28172 mg/L， Cl-14605 mg/L。经过混凝处理后的三乙胺废水由进水口15进入实施例3的多段异相三维电化学反应装置，出水从出水口16流出反应装置。连续进出水，水力停留时间200min，电压强度0.8V/cm，连续运行15d后，出水指标为：CODcr 8863 mg/L，BOD1265 mg/L，三乙胺6402 mg/L，Cl-3934mg/L，COD 去除率81%，三乙胺去除率77%，Cl-去除率73%，B/C由0.012提高至0.14。出水经过调整负荷后可进入后续的生物处理装置以及后续的脱盐装置。
实施例4
参阅图4，本实施例设为依次串联四段反应器，各段反应器之间通过溢流口2实现水流的联通。中间隔板3将每段反应器分隔为均等体积的两个反应室4，反应室4之间通过反应室4下端布气排渣室5相连通，布气排渣室5设计为长方体结构。每个反应室设置两块垂直平行排列的电极板6，电极板6并联连接外置电源7。反应器阳极电极板采用不锈钢，阴极采用不锈钢电极。粒子电极8采用颗粒h基体活性炭颗粒负载铜氧化物和铁氧化物，粒子电极8放置于反应室4底部设置的多孔筛板10上。布气排渣室5内设置曝气板11，通过气体管道12连接外置的臭氧发生器13，向反应器内提供压缩臭氧。反应器下端设置排空口14，用于泥渣的清理及污水的排空。反应装置前端设置进水口15，后端设置出水口16。本实施例工作过程同实施例1。
以山东某己内酰胺生产废水处理为例，经过混凝处理后的水质指标为：CODcr 8560mg/L，BOD 220 mg/L，Cl- 7849 mg/L，NH3-N 7957 mg/L。经过混凝处理后的废水由进水口15进入实施例4的多段异相三维电化学反应装置，出水从出水口16流出反应装置。连续进出水，水力停留时间240min，电压强度0.33V/cm，连续运行10d后，出水指标为：CODcr 1504 mg/L，BOD 431 mg/L，Cl- 863 mg/L，NH3-N 130 mg/L。BOD5/COD由0.03提高至0.29，可生化性明显提高。出水可调节负荷进入后续的生物处理装置以及后续的脱盐装置。
以上所述仅仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡是属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前体下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。