复合式三维电解装置的制作方法

本发明涉及一种三维电解装置，尤其涉及一种用于污水处理的复合式三维电解装置。

背景技术：

目前，工业废水的排放量大，环境危害显著。其中石油化工、焦化、印染、造纸、制药等行业生产过程中产生的高浓度难降解有机废水，由于水质水量波动大、组成复杂、codcr(即重铬酸盐指数)浓度高、含盐量高、有毒有害难降解物质多、ph值变化大、可生化性差，氮磷含量较高，若不有效处理则会对周边水体环境造成严重污染。

电化学氧化法是指通过阳极反应直接降解有机物或利用电极表面产生的强氧化剂如羟基自由基、h2o2等使有机物降解的方法，可以有效处理废水中难以降解的有机污染物。三维电解技术是基于传统的平板二维电极，增加粒子电极，由于粒子电极表面积大大增加，使电解槽的面体比(面体比指的是化学反应接触的反应器的表面积与反应器整体体积的比值)增加，另外填充的粒子电极间距小使物质的传质速度增大，提高电流效率和处理能力。该技术工艺凭借环境友好型，应用于预处理高浓度难降解有机废水。

现有技术中的三维电解装置，通常受粒子电极种类的选择性差异，特异性较高，往往同一款装置只适用于对相近类型水质的水样进行处理，因此，其存在着可能出现短流现象(“短流现象”是指处理的水不按设计的轨迹流动，而是走捷径)及电流效率(电流效率是指电解时，在电极上实际沉积或溶解的物质的量与按理论计算出的析出或溶解量之比)低等影响处理效果的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于处理电镀废水、纺织废水、制革废水、医药废水、冶金废水等多类废水且电解效率高可有效快速将废液中难以处理的有机物、氨氮进行降解的复合式三维电解装置该装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的复合式三维电解装置，包括壳体和填充在壳体内的粒子电极，其特征在于：所述壳体内由至少一块隔板将其分为一级电解反应腔和二级电解反应腔，其中，在一级电解反应腔中的阴极与阳极之间填充有以颗粒活性炭为基体的粒子电极，在二级电解反应腔中的阴极与阳极之间填充有铁－碳粒子电极；所述隔板上设有若干过水孔，该过水孔的孔径小于铁-碳粒子电极的粒径；待处理的废水原液由原液进水口注入一级电解反应腔，再由所述隔板进入二级电解反应腔，在二级电解反应腔的顶部设有可使被处理的废水余液排出该装置的排水口。

所述以颗粒活性炭为基体的粒子电极为柱状碳粒子电极，其以包含二氧化钛、氧化铜、二氧化锰在内的氧化物为电极活性组分，采用溶胶凝胶浸渍法制备得到，粒径为5-20目；所铁-碳粒子电极为球形，其为铁、碳烧结而成，粒径为30-50mm。

在所述壳体内设有可使所述隔板在一级电解反应腔与二级电解反应腔之间移动并改变一级电解反应腔与二级电解反应腔体积比的滑轨。

所述壳体竖直设立，其外形为柱状，壳体内，由下至上分别为曝气室、所述一级电解反应腔和所述二级电解反应腔，阳极采用铁柱贯穿一级电解反应腔和二级电解反应腔设置在壳体的轴线上，阴极为设置于壳体内壁上的石墨板；在一级电解反应腔与曝气室之间设有通水网板，所述原液进水口设于所述曝气室的外壁上，在所述二级电解反应腔的顶端设有可使所述的废水余液流向所述排水口的溢流口，所述曝气室中的曝气管与外置的空气压缩机相接。

在所述壳体的顶端设有固接在壳体上的盖板，该盖板的中央设有导电柱，导电柱的内端与所述阳极电连接，导电柱的外端与电源的正极相接。

所述壳体卧式设置，其外形为长方体或圆柱体，在壳体内的底部设有曝气室，所述一级电解反应腔和所述二级电解反应腔由左至右并列设置在曝气室之上，所述隔板为二块分别为一级侧隔板和二级侧隔板，所述阳极采用铁板插设于二块隔板之间，阴极为设置于壳体内的左面板和右面板上的石墨板；在曝气室与一级电解反应腔和二级电解反应腔之间设有通气板，所述原液进水口设于所述左面板上，在所述右面板的顶部设有可使所述的废水余液流向所述排水口的溢流口，所述曝气室中的曝气管与外置的空气压缩机相接。

所述阳极的上端由壳体顶部引出与外置的电源正极相接，阳极与壳体之间绝缘相接。

所述废液的流速为100－1000l/h。

本发明采用复合式三维电极电解装置设备，相比传统三维电解装置加大了阳极的使用效率，电解效率显著提高，可自主设置两级电解反应区体积比例，增强了装置的适用性。整套工艺设备相对较为简单、紧凑，占地面积少，操作费用低，易于控制，便于实现工业化。

在一级电解反应腔和二级电解反应腔中填充不同性质的粒子电极，电解效率显著提高，可达到高效、快速将有机废水中难降解有机物、氨氮有效降解。并且通过控制粒子电极的填充比例使该装置适用于多类有机废水处理。

附图说明

图1为上下复合式三维电解装置的纵剖示意图。

图2为左右设置的复合式三维电解装置的纵剖示意图。

附图标记如下：

立式壳体1、通水网板11、分隔板12、盖板13、卧式壳体2、左面板21、右面板22、一级侧隔板23、二级侧隔板24、通气隔板25、阳极3、阴极4、导电柱5、电源51、一级电解反应腔6、一级粒子电极61、二级电解反应腔7、二级粒子电极71、曝气室8、曝气管81、空气压缩机82、进水口91、溢流口92、溢流槽93、排水口94、废气排放口95。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的复合式三维电解装置由壳体、设置在壳体内的两级电解处理系统和可使注入两级电解处理系统中的有机废水与氧气充分接触的曝气系统组成。

一、壳体

壳体由pp材料(即聚丙烯材料)所制，分立式壳体1和卧式壳体2两种。

1、立式：如图1所示，其外轮廓形状为柱状，其水平横断面形状可为圆形或矩形。

其高度在500-2000mm，壳体的壁厚在10-20mm，壳体最大外径在1000-2000mm。

壳体内，由下至上分别设有曝气系统、两级电解处理系统和将处理过后的废水余液排出该装置的溢流排水结构。

在壳体的底部侧壁上，设有将废水原液注入壳体内的进水口91。

在此方式中，阳极3采用设于壳体内轴线上的铁柱或铝柱。电解时的电流密度为100-500a/m²，阳极由上至下贯穿两级电解处理系统。阴极4采用石墨板10-30mm，该石墨板为环绕设置在壳体内周壁上的层板。

在壳体的顶部设有盖板13(也称端盖)，盖板13采用旋接、扣合等方式固接在壳体上，在盖板13的中央设有导电柱5，导电柱5的内端与所述阳极3电连接，导电柱5的外端与外设电源51的正极相接。

阴极4通过导线引出并与所述电源51的负极相接。

可在盖板13上设置废气排放口95，其用于将电解反应时产生的气体排出壳体。

2、卧式：如图2所示，其外轮廓形状为柱状，其垂直横断面形状可为圆形、椭圆形或矩形。

其长度在2000-5000mm，壳体的壁厚在10-20mm，壳体最大外径在1000-1500mm。

壳体内，由下至上隔为两个空间，下层空间为所述的曝气系统，上层空间为所述的两级电解处理系统。

将废水原液注入壳体内的进水口91，设置在壳体左面板21上位于两级电解处理系统对应区域的底部；将处理过后的废水余液(即可达到直接排放标准的废水)排出该装置的溢流排水结构，设置在壳体的右面板22上位于两级电解处理系统对应区域的顶部。

阳极3采用铁材或铝材制作的片或板，电解时，电流密度为100-500a/m²，阳极3设置在两级电解处理系统中的一级电解反应腔6与二级电解反应腔7之间。阳极3的形状与壳体内断面形状相同。

阴极4采用10-30mm的石墨板，该石墨板为设置在壳体的左面板21和右面板22内侧的层板。

在阳极3上方的壳体上开设小孔，通过导电柱5将该阳极3与外设的电源51正极相接。导电柱5可与壳体之间采用绝缘密封结构。

阴极4通过导线引出并与所述电源51的负极相接。

当卧式的壳体断面为矩形时，可在壳体的顶端设置密封盖板。

可在壳体顶部或盖板上设置所述的废气排放口95，其用于将电解反应时产生的气体排出壳体。

二、两级电解处理系统和曝气系统

两级电解处理系统由一级电解反应腔6和二级电解反应腔7组成。

1、立式壳体1结构：

1)一级电解反应腔6

一级电解反应腔6设置在曝气系统之上。

一级电解反应腔6中填充有若干颗一级粒子电极61。

一级粒子电极61为柱状或球形的碳粒子电极，该一级粒子电极61以颗粒活性炭为载体，以二氧化钛、氧化铜、二氧化锰等氧化物为电极活性组分，采用溶胶凝胶浸渍法制备得到，粒径为5-20目(粒径约在0.85-4.0mm)。

2)二级电解反应腔7

二级电解反应腔7设置在一级电解反应腔6之上，其间通过分隔板12分开。在二级电解反应腔7内填充有若干颗二级粒子电极71。

所述分隔板12上设有若干过水孔，过水孔的孔径小于一级粒子电极61的粒径，避免该一级粒子电极61进入二级电解反应腔6中。

二级粒子电极71为球形铁-碳粒子电极，该二级粒子电极71为铁、碳烧结而成，粒径为30-50mm。

3)溢流排水结构

由溢流口92、溢流槽93和排水口94组成，溢流口92设置在壳体的顶部，溢流槽93设置在壳体顶部的外侧，排水口94设置在溢流槽93的外侧。二级电解反应腔7中的废水向上漫流至顶部时，由溢流口92进入溢流槽93再由排水口94排出该装置。

4)曝气系统

该曝气系统为设置在壳体内底部的曝气室8，其位于一级电解反应腔6之下，其与一级电解反应腔6通过通水网板11分隔开来，在该结构中，阳极3和阴极4的下端抵至通水网板11。

所述废水原液的原液进水口91设置在曝气室8一侧的壳体壁上。

在曝气室8中设有曝气管81，曝气管81由曝气室8另一侧的壳体穿出与外置的空气压缩机82相接。

5)一级电解反应腔6与二级电解反应腔7的腔体体积比的调节结构(图中未示出)

为了使该两级电解处理系统处理不同的有机废水，本发明在壳体内壁上设有滑轨结构，所述隔板可上下滑动安装在该滑轨上(调节到设定位置后可将隔板加以固定)，通过向上移动或向下移动该隔板即可增大或减小一级电解反应腔6与二级电解反应腔7之间的体积之比(若一级电解反应腔6的体积增大，则意味着一级粒子电极61填充的空间会增大)。

例如：

1)处理高浓度cod废水，调整一级电解反应6与二级电解反应7的体积比例为8:2，主要利用一级电解反应的氧化性，二级电解反应的氧化和絮凝作用。

2)处理含磷废水，调整一级电解反应6与二级电解反应7的体积比例为3:7，主要利用一级电解反应6的氧化性将次亚磷酸转变为正磷酸，利用二级电解反应7产生的fe²⁺和fe³⁺与磷酸根形成沉淀，达到去除的目的。

3)处理含铬染色废水，调整一级电解反应6与二级电解反应7的体积比例为1:1，首先利用一级电解反应破坏染料的发色基团，释放出重金属铬离子，防止被氧化为六价铬，二级电解反应7产生的fe²⁺具有还原性，能够将六价铬还原，同时又具有絮凝效果，从而达到含铬染色废水的达标处理。

2、卧式壳体2结构：

1)一级电解反应腔6和二级电解反应腔7

一级电解反应腔6设置在所述上层空间的左边，二级电解反应腔7位于上层空间中一级电解反应腔6的右边。

在一级电解反应腔6与二级电解反应腔7之间设置双层隔板，分别为与一级电解反应腔6相接的一级侧隔板23和与二级电解反应腔7相接的二级侧隔板24，一级侧隔板23与二级侧隔板24之间的间距在20－40mm。

所述阳极3为铁板，其插设于一级侧隔板23与二级侧隔板24之间。

阴极4为设置于壳体内的左面板21和右面板22上的石墨板。

同样，与前述的立式壳体1结构一样，在一级电解反应腔6填充有所述的一级粒子电极61。

同样，与前述的立式壳体1结构一样，在二级电解反应腔7内填充有所述的二级粒子电极71。

所述阳极3至一级侧隔板23和二级侧隔板24之间的距离相等。

采用该卧式壳体结构时，在一级侧隔板23的顶部设有若干过水孔，阳极3可采用铝网或铁网，在二级侧隔板的底部设有若干过水孔，一级侧隔板23上的过水孔的孔径要小于一级粒子电极61的粒径，二级侧隔板24上的过水孔的孔径要小于二级粒子电极71的粒径。进入一级电解反应腔6中的废水升高并漫过一级侧隔板23上的过水孔进入一级侧隔板23与二级侧隔板24之间，再由二级侧隔板24底部的过水孔由二级电解反应腔7的底部进入其中。

2)溢流排水结构

在本结构中，也设有溢流口92、溢流槽93和排水口94，溢流口92设置在二级电解反应腔7对应的右面板22的顶部，溢流槽93设置在壳体顶部的外侧，排水口94设置在溢流槽93的外侧。二级电解反应腔7中的废水向上漫流至顶部时，由溢流口92进入溢流槽93再由排水口94排出该装置。

3)曝气系统

该曝气系统为设置在壳体下层空间内的曝气室8。

在曝气室8与一级电解反应腔6和二级电解反应腔7体之间设置有通气隔板25，在曝气室8中设有曝气管81，曝气管81由曝气室8对应的壳体的左面板21或右面板22上穿出与外置的空气压缩机82相接。

所述通气隔板25仅可将曝气管81喷出的空气向上送入一级电解反应腔6和二级电解反应腔7，不能使一级电解反应腔6和二级电解反应腔7中的废水向下流入该曝气室8。

所述废水原液的原液进水口91设置在一级电解反应腔6对应的壳体的左面板21上。

4)一级电解反应腔6与二级电解反应腔7的腔体体积比的调节结构

同样，在该结构中也设有可使一级电解反应腔6与二级电解反应腔7之间的体积之比的调节结构，即在壳体内壁上设有水平方向的滑轨结构，所述一级侧隔板23、阳极3和二级侧隔板24可左右滑动安装在该滑轨上。

上述电源51为0-12v的低压直流稳流电源51。

三、本发明的工作原理

1、高浓度的有机废水原液由进水口91注入一级电解反应腔6后(对于所述立式壳体1结构，废水原液由曝气室8向上漫流至一级电解反应腔6；对于所述卧式壳体2结构，废水原液由进水口91水平注入一级电解反应腔6)，在曝气管81输送的压缩空气的搅动下混合均匀，废水原液经曝气，一方面可促使废水原液溶解氧，有利于废水原液中有机物的氧化分解，另一方面可有效防止废水原液中的悬浮物在壳体内下沉。

废水原液在一级电解反应腔6中，大部分有机污染物被电解过程产生的强氧化性的·oh氧化降解。

1)一级电解反应腔6主要是利用其氧化性能，有机物可直接在阳极发生氧化反应，同时具有氧化性的粒子电极在酸性条件下，氧在阴极上通过两电子还原产生h2o2,生成的h2o2迅速与阳极释放的的fe²⁺反应产生·oh和fe³⁺。由于fe³⁺的还原电位较o2的初始还原电位正,因此fe³⁺可在阴极上与o2的还原过程中还原再生为fe²⁺.以上反应所需的氧由通过反应器的压缩空气提供。

2)在电场作用下以颗粒活性炭为载体，以二氧化钛、氧化铜、二氧化锰等氧化物为电极活性组分产生的电子可以直接作用在有机物上，从而氧化有机物。

3)在电场作用下以颗粒活性炭为载体，以二氧化钛、氧化铜、二氧化锰等氧化物为电极活性组分可以还原阳极副反应和压缩空气中的o2为h2o2，同时催化分解h2o2为·oh，氧化有机物。

2、废水原液经过一级电解反应腔6处理后，进入二级电解反应腔7(对于所述立式壳体1结构，废水原液由一级电解反应腔6向上漫流至二级电解反应腔7；对于所述卧式壳体2结构，废水原液由一级电解反应腔6由左至右流入二级电解反应腔7)，由于填充在二级电解反应腔7中的铁-碳粒子电极中的碳和铁形成无数个原电池(也就是形成若干个微型电解反应所需的正负电极)，由此在这些原电池的正负电极表面产生具有极高化学活性的新生态h⁺，进而使难于降解的有机物粒子表面电荷、电位改变，发生氧化还原反应，分子失稳。

二级电解反应7包括进一步的氧化有机物，使小分子链的有机物彻底转换为二氧化碳和水，同时，阳极和铁碳原电池产生的亚铁离子、铁离子能够起到絮凝的作用，从而将有机物、磷、重金属去除。可根据废水水质要求调整一级电解与二级电解的比例，达到去除污染物的目的。

阳极和铁-碳粒子电极可以释放出fe²⁺(产生电絮凝的效果)，该反应既发生了氧化还原反应又生成优良的胶体絮凝剂fe(oh)3，可使难降解的有机物分子颗粒絮凝，有利于之后的沉淀(可将絮凝后的废液排出该装置后于沉淀池中沉淀，避免沉淀物沉积在二级电解反应腔污染填充在该二级电解反应腔中的粒子电极)。

球形铁-碳粒子中，铁与碳的比例为(60-80):(40-20)，其中铁与碳经烧结后结为一体结构。

3、上述两级复合电解反应，在三维电解-微电解-电絮凝的协同反应下，可有效快速将废水原液中难降解的有机物彻底降解去除。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。