一种新型的局部酸性电芬顿水处理装置和方法与流程

本发明属于水处理领域，具体涉及一种局部酸性电芬顿水处理装置和方法。

背景技术：

电芬顿技术(ef)是一种新型的基于芬顿化学反应的电化学高级氧化技术，其基本原理是在处理废水时，在溶液中通入电流，通过阴、阳极反应全部或部分生成芬顿所需药剂，产生具有强氧化性的羟基自由基(·oh)，利用·oh无选择性的强氧化性达到去除难降解有机污染物的目的。

与传统的化学芬顿法相比，电芬顿法具有很多独特的优点：首先，电芬顿法可以实现原位生产h2o2和fe²⁺，从而有效减少化学试剂的投加，降低了处理成本；其次，fe³⁺可以被有效还原为fe²⁺，再次与h2o2反应，能减少污泥产量，处理过程相对清洁；除此之外，电芬顿法还具有处理设备相对简单、处理效率高、占地面积小等优点。

尽管电芬顿法相对具有很多优点，但是仍然需要在酸性条件下(最佳ph＝2.8-3.5)运行，而大部分废水的初始ph是呈现中性或弱碱性的，因此，在电芬顿处理过程中需要向废水中投加大量的酸来调节体系ph，在处理过后还需投加碱将出水再次调至中性，这一过程大大增加了废水处理的成本。另外，电芬顿法的阴极还原产生h2o2需要曝气供氧，这也提高了水处理的成本。针对以上问题，开发一种新型的低成本电芬顿技术是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有电芬顿技术的固有缺点，开发一种新型的局部酸性电芬顿水处理方法与装置。利用该方法不仅能有效减少化学试剂的投加，还可以省略常规工艺中加酸、加碱的工艺设备以及曝气设备，同时显著提高在中性条件下电芬顿水处理效率，降低水处理成本。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种局部酸性电芬顿水处理装置，包括：电芬顿反应池、与电芬顿反应池出水口连接的沉淀池；其中，所述电芬顿反应池内自下而上设有析氧电极、铁电极、石墨电极、析氢电极；

所述电芬顿反应池还包括位于底部侧壁的进水口和双氧水进料口。

所用装置还包括电源，进水泵，电极模块等组件。

下面对各组件进行详细说明。

所述电芬顿反应池的体积可根据实际处理需求而设置，如0.5l，直径57mm，高200mm。

所述析氧电极可选择钌钛铱电极、钛电极、铱钽钛电极等；

所述析氢电极可选择铂电极、高纯铝电极、高纯石墨电极等。

所述析氧电极和所述析氢电极的直径可根据实际需求而定，具体在本发明中设置所述析氢电极直径为1cm²，其他电极直径均为50mm。

本发明还对各电极之间的距离进行深入研究，发现所述析氧电极与铁电极的距离在10～30mm之间为宜；所述铁电极与石墨电极的距离在20～40mm之间为宜；所述析氢电极与析氧电极的距离为155-165mm之间，优选以160mm为宜。

本发明所述装置中，可包括多个铁电极和石墨电极并联设置。

进一步地，所述沉淀池的底部排污口与所述电芬顿反应池的进水管连接。

本发明还提供一种局部酸性电芬顿水处理方法，包括：将废水通入上述含有四电极的电芬顿反应池内进行处理，处理后的废水进入沉淀池，静置，至达到出水要求；沉淀池产生的铁泥则回流至电芬顿反应池内。

在所述方法中，所述析氧电极与析氢电极之间的电流密度为0～10ma/cm²，优选2.5-10ma/cm²之间，更进一步优选在5-10ma/cm²之间。

在所述方法中，所述析氧电极与铁电极之间的极板间距在10～30mm之间，优选20-30mm之间。

在所述方法中，当需要在短时间内(如10分钟)快速降解时，投加0.5ml/l和2ml/l双氧水效果更优；当需要充分降解时，双氧水投加量以0.5～1ml/l为宜，优选0.8-1ml/l。

在所述方法中，所述铁电极与石墨电极之间的电流密度在5-15ma/cm²之间，优选10-15ma/cm²，但由于电流密度大会造成能源浪费，因此以电流密度为9-11ma/cm²。

本发明所述方法可以处理大部分难生物降解的废水，如浓度为10mg/l的罗丹明b(rhb)。

本发明对现有电芬顿反应池结构进行改进，利用析氧电极产生的氧气和质子来满足电芬顿所需的酸性条件，从而替代传统电芬顿加酸工艺；在去除有机污染物的同时，省去常规的加酸加碱以及曝气的工艺步骤，减少污泥产量，降低水处理成本。该方法具有处理效果灵活可控和处理过程环境友好的特点，简单有效，易于和其他处理方法相结合，便于综合治理过程。

附图说明

图1为本发明所述局部酸性电芬顿水处理装置示意图。

图1中：1-电芬顿反应池，2-析氧电极，3-铁电极，4-石墨电极，5-析氢电极，6-进水口，7-双氧水进料口，8-出水口，9-沉淀池。

图2为实施例1中不同her电流密度对降解罗丹明影响效果图。

图3为实施例2中析氧电极与铁电极的距离对电芬顿系统降解废水效率的影响图。

图4为实施例3中双氧水的浓度对电芬顿系统降解废水效率的影响图。

图5为实施例4中铁电极与石墨电极之间的电流密度对电芬顿系统降解废水效率的影响图。

图6为实施例5中降解某化工厂实际废水效果图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述的局部酸性电芬顿水处理装置，如图1所示。

所述装置由电芬顿反应池1，沉淀池9，电源，进水泵，电极模块等组成。

所述电芬顿反应池体积为0.5l，直径57mm，高200mm，包括进水口6，出水口8以及过氧化氢进料口7。

所述电极模块包括四个电极，分别为析氧电极2(钌钛铱电极)，析氢电极5(铂电极)，铁电极3，石墨电极4，析氢电极为1cm²，其他电极直径均为50mm。电极模块内，析氧电极与铁电极的距离在10～30mm之间，铁电极与石墨电极的距离在20～40mm之间，析氢电极与析氧电极的距离固定为160mm，多个铁电极和石墨电极可以并联设置。

上述装置的工作原理如下：

工业废水或模拟废水通过水泵从芬顿反应池底部进入，同时泵入过氧化氢，过氧化氢投加量为0.5～2ml/l；四个电极同时通入电流；铁电极与石墨电极之间的电流密度为5～15ma/cm2，析氢电极与析氧电极之间的电流密度为0～10ma/cm2；其中：

析氧电极在电流作用下，产生大量氧气和质子(h⁺)，使析氧电极附近溶液呈现酸性(ph＝3～3.5)；

铁电极和石墨电极极置于析氧电极附近，在电流作用下，铁电极和石墨电极同时发生二电子反应，铁电极产生fe²⁺，石墨电极接受析氧电极产生的氧气产生少量h2o2，fe²⁺与原位产生的h2o2及泵入的h2o2反应，产生具有强氧化性的·oh，从而氧化去除有机污染物。

铂电极在电流作用下发生析氢反应，产生大量氢氧根离子(oh^-)。随着水流的流动，析氧电极的酸性溶液与铂电极产生的oh-发生中和反应，同时芬顿反应产生的fe³⁺与oh-结合，生成具有絮凝作用的fe(oh)3，使得有机污染物进一步去除。

实施例1

模拟废水为10mg/l罗丹明b(rhb)溶液1l，采用图1所述处理装置；其中：

电极直径为50mm；

析氧电极与铁电极的极板距离为2cm，铁电极与石墨电极之间的电流设定为5ma/cm²；

投加1mlh2o2溶液，20mm无水硫酸钠作为电解质。

通过改变析氧电极与析氢电极之间的电流密度，考察电流密度对电芬顿系统降解废水效率的影响。

如图2所示，在析氧电极不通电流时，反应1h后rhb降解了66％；当析氧电极的电流密度为2.5ma/cm²时，反应1h后rhb降解了92％；当电流密度继续增大至5ma/cm²和10ma/cm²时，反应1h后rhb被完全降解。

由此得出结论：析氧电极与析氢电极之间的电流密度在0-10ma/cm²之间时，rhb降解相对较好；且随着电流密度的增大，rhb降解速率越快，优选析氧电极与析氢电极之间的电流密度在2.5-10ma/cm²之间，更进一步优选在5-10ma/cm²之间，效果更佳。

实施例2

模拟废水为10mg/l罗丹明b(rhb)溶液1l，采用图1所述装置。其中：

电极直径为50mm；

铁电极与石墨电极之间的电流设定为5ma/cm²，在析氧阳电极与析氢电极的电流密度为5ma/cm²，投加1mlh2o2溶液，20mm无水硫酸钠作为电解质。

通过调整析氧电极与铁电极之间的极板距离，考察极板距离对电芬顿系统降解废水效率的影响。

如图3所示，当析氧电极与铁电极之间的极板间距为3cm时，反应1h之后，电芬顿系统对rhb的降解效率为80％；当析氧电极与铁电极之间的极板间距缩小为2cm时，反应1h后，rhb几乎完全被降解；当析氧电极与铁电极之间的极板间距继续减小到1cm时，rhb在40min内就被完全降解。

由此得出的结论：析氧电极与铁电极之间的极板间距在10～30mm之间，rhb的降解效果较好；其中当铁电极越靠近析氧电极，其所在区域的酸性越强，对芬顿反应越有利，降解速率越快；优选20-30mm之间。

实施例3：

模拟废水为10mg/l罗丹明b(rhb)溶液1l，采用图1所述装置。其中：

电极直径为50mm；

铁电极与石墨电极之间的电流设定为5ma/cm²，析氧阳电极与析氢电极的电流密度为5ma/cm²，析氧电极与铁电极之间的极板距离为2cm，20mm无水硫酸钠作为电解质。

通过投加不同浓度的双氧水，考察双氧水的浓度对电芬顿系统降解废水效率的影响。

如图4所示，当双氧水的投加量为0.5ml/l时，rhb的降解效率最快；当增加双氧水的投加量为1ml/l时，rhb的降解效率有轻微下降；继续增加双氧水投加量至2ml/l时，rhb的降解效率大幅度下降，这可能是由于h2o2浓度过高发生自淬灭引起的。

由此得出的结论：当需要在短时间内(如10分钟)快速降解时，投加0.5ml/l和2ml/l双氧水效果更优；当需要充分降解时，双氧水投加量以0.5～1ml/l为宜，优选0.8-1ml/l。

实施例4：

模拟废水为10mg/l罗丹明b(rhb)溶液1l，采用图1所述装置。其中：

电极直径为50mm；

析氧阳电极与析氢电极的电流密度为5ma/cm²，析氧电极与铁电极之间的极板距离为2cm，投加1mlh2o2溶液，20mm无水硫酸钠作为电解质。

通过调节铁电极与石墨电极之间的电流密度，考察其对电芬顿系统降解废水效率的影响。

如图5所示，当电流密度为5ma/cm²时，反应60min后，rhb才被完全降解；当增加电流密度至10ma/cm²时，rhb在40min内被完全降解；当继续增大电流至15ma/cm²时，rhb的降解速率几乎不变。

由此得出的结论：当铁电极与石墨电极之间的电流密度在5-15ma/cm²之间时，rhb降解效率较好，优选10-15ma/cm²，但由于电流密度大会造成能源浪费，因此以电流密度为9-11ma/cm²综合效果最佳。

实施例5：

采用图1所述装置对某化工厂膜出水进行处理，污水cod＝108mg/l，ph＝7.8。

析氧电极与析氢电极的电流密度设定为5ma/cm²和0ma/cm²，铁电极与石墨电极之间的电流密度为10ma/cm²，析氧电极与铁电极之间的极板距离为1cm，投加1mlh2o2溶液，20mm无水硫酸钠作为电解质，考察该装置对实际废水的处理效率。

如图6所示，在析氧电极电流密度为5ma/cm²的条件下，经过2h处理后，实际废水的cod去除率达到55％，产泥量为1.32g/l；

而在析氧电极电流密度为0ma/cm²的条件下，实际废水的cod去除率仅为29％，产泥量为1.74g/l。由此可见，采用本发明所述的局部酸性电芬顿水处理装置能有效提高水处理效率，降低污泥产量。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。