适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统及方法

1.本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统及方法。


背景技术：

2.为了缓解害虫、杂草等生物因素对于作物的影响，有机农药被广泛应用于农业、林业、畜牧业等行业中。大部分有机农药产品中除了有效成分之外，往往还有助溶剂、乳化剂、渗透剂等农药添加剂，因此有机农药很容易进入并在水环境中迁移。现已有许多研究表明部分有机农药有一定的生态毒性，对自然生态以及人类健康都带来风险。同时，有机农药结构稳定且具有一定的生态毒性，因此难以被常规水处理工艺有效去除。目前有机农药的高效处理工艺已经受到了全世界的广泛关注。
3.重金属对于人类健康有十分重要的影响，过量的重金属对神经、肌肉、免疫系统以及其他关键器官都会造成严重的毒害作用。由于自然原因和人为因素，地球上大约40％的湖泊和河流都受到了重金属污染，人类的农业、畜牧业活动是产生重金属污染的来源之一。因此，研究和开发高效、经济、安全的水中有机农药和重金属同时去除工艺具有重要意义。
4.电化学氧化法对于有机农药的去除率和矿化率普遍较高，但采用传统平板电极的电化学法传质速率慢、电流效率低。膜电极电化学氧化技术可利用膜过滤步骤强化污染物从溶液向电极板表面的传质过程，从而提高电化学电流效率。但大分子有机农药及降解副产物可能对膜电极造成污染，使膜电极使用寿命降低。


技术实现要素：

5.1.要解决的技术问题
6.本发明的目的是为了解决现有技术中大分子有机农药及降解副产物可能对膜电极造成污染，使膜电极使用寿命降低的问题，而提出的适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统及方法。
7.2.技术方案
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统，包括电流连接与控制区、粒子电极-膜电极反应器和有机农药废水储存与调节区，其特征在于，所述电流连接与控制区包括直流电源、阴极板接线和阳极板接线；
10.所述粒子电极-膜电极反应器包括有机玻璃、膜电极阳极、钛阴极和粒子电极，所述膜电极阳极和钛阴极均设置于有机玻璃内部，所述粒子电极均匀分布于膜电极阳极和钛阴极之间；
11.所述有机农药废水储存与调节区包括机械搅拌装置、储水槽、压力调节器和蠕动泵，所述机械搅拌装置设置于储水槽的内部，所述储水槽的顶部分别固定插设有进水管和出水管，所述压力调节器螺纹连接于出水管上，所述蠕动泵与进水管螺纹连接；
12.所述阴极板接线的两端分别与直流电源的负极和钛阴极连接，所述阳极板接线的两端分别与直流电源的阳极和膜电极阳极连接。
13.优选地，所述粒子电极-膜电极反应器的进水口、出水口均在有机玻璃内。
14.优选地，所述膜电极阳极为长10cm、宽10cm、厚0.2cm的板状多孔亚氧化钛(ti4o7)超滤陶瓷膜，所述膜电极阳极的孔径为1-6μm，孔隙率为60％-80％，比表面积为4-6m2/g。
15.优选地，所述钛阴极为长10cm、宽10cm、厚0.2cm的多孔钛板(ti)，所述钛阴极的表面均匀分布有孔径为5mm的孔。
16.优选地，所述粒子电极为钯负载活性炭颗粒(pd/gac)，所述粒子电极的粒径为75μm。
17.优选地，适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
18.步骤1：复合废水处理前，其原水从储水槽经蠕动泵从反应器底部进水口泵入，流经膜电极阳极、钛阴极、粒子电极，最后从顶部出水口流出；
19.步骤2：复合废水处理时，废水以过滤的方式透过下方膜电极阳极，渗透出水在膜电极阳极和钛阴极之间发生电化学氧化反应，并在粒子电极的作用下发生电化学催化还原，最终经出水管流入储水槽内；
20.步骤3：粒子电极-膜电极反应器内电化学氧化、电化学催化还原、膜过滤同时进行，有机农药废水进水、出水不断循环流入和流出储水槽，并经储水槽内机械搅拌装置不断搅拌均匀，复合废水中的有机农药随着反应时间不断被降解和矿化，重金属不断发生还原。
21.优选地，所述步骤1中原水的流速为以20-80l
·
m-2
·
h-1
。
22.优选地，所述步骤1中循环时间为5-10min。
23.优选地，所述步骤2中直流电源为阳极提供1-5ma cm-2
的电流密度，调节出水管上压力调节器使进水和出水保持5-15psi的压力。
24.3.有益效果
25.相比于现有技术，本发明的优点在于：
26.(1)本发明中，使用膜电极可以有效截留粒子电极，防止粒子电极流失，同时膜电极十分稳定，使用寿命较长，从而有效降低了成本。
27.(2)本发明中，将粒子电极置于膜反应器中，充分利用了阴极和阳极之间的空间，污染物更易接触到带电表面，强化了污染物的传质过程，因而耦合工艺能通过增强传质而提高污染物去除效率。
28.(3)本发明中，粒子电极带来的催化效果和吸附效果能有效减轻大分子有机污染物对膜的污染。
29.(4)本发明中，粒子电极使用寿命较长，可以弥补传统膜电极阳极难以去除重金属污染的缺点，因此耦合工艺扩大了反应器的处理范围，对成分复杂的污染物具有较好的处理效果。
附图说明
30.图1为本发明提出的适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统的结构示意图；
31.图2为本发明提出的适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统中粒子电极-膜电极反应器的俯视截面示意图。
32.图中：1直流电源、2阴极接线、3阳极接线、4有机玻璃、5膜电极阳极、6钛阴极、7粒子电极、8进水管、9出水管、10储水罐、11机械搅拌装置、12蠕动泵、13压力调节器。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
34.实施例1：
35.参照图1-2，适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理系统，包括电流连接与控制区、粒子电极-膜电极反应器和有机农药废水储存与调节区；
36.本发明中，直流电源1，经电流接线2、3分别与钛阴极6、膜电极阳极5连接，为电化学反应器提供电流；阴极板接线2，连接钛阴极板6与直流电源1负极；阳极板接线3，连接膜电极阳极板5与直流电源1正极。
37.本发明中，粒子电极-膜电极反应器ⅱ，包括有机玻璃4，为反应器外部包材，粒子电极-膜电极反应器的进水口、出水口均在有机玻璃包材内；膜电极阳极5，为长10cm，宽10cm，厚0.2cm的板状多孔亚氧化钛(ti4o7)超滤陶瓷膜，该膜电极孔径为1-6μm，孔隙率为60％-80％，比表面积为4-6m2/g，经阳极接线3与直流电源1正极相连。
38.本发明中，钛阴极6，为长10cm，宽10cm，厚0.2cm的多孔钛板(ti)，其表面均匀分布有孔径为5mm的孔，经阴极接线2与直流电源1负极相连；粒子电极7，为钯负载活性炭颗粒(pd/gac)，其粒径约为75μm，被膜电极截留于阴极、阳极之间，在电场作用下极化。
39.本发明中，有机农药废水储存与调节区，包括进水管8，用于向粒子电极-膜电极反应器输送复合废水，一端连接储水槽10，一端连接粒子电极-膜电极反应器进水口，管上连接有蠕动泵12。
40.本发明中，蠕动泵12，用于调节复合废水进水流速，连接在进水管8上，压力调节器13，用于调节粒子电极-膜电极反应器的出水水压；出水管9，用于向储水槽10输送经电化学催化、电化学氧化和膜过滤处理的出水；储水槽10，用于储存和调节复合废水的进水和出水；机械搅拌装置11，用于将复合废水进水和处理后出水搅拌均匀。
41.本发明中，适用于重金属和有机农药复合废水的反应处理方法，包括以下步骤：
42.步骤1：复合废水处理前，其原水从储水槽10经蠕动泵12以20-80l
·
m-2
·
h-1
流速从反应器底部进水口泵入，流经膜电极阳极5、钛阴极6、粒子电极7，最后从顶部出水口流出，其循环时间为5-10min；
43.步骤2：复合废水处理时，直流电源1为阳极5提供1-5ma cm-2
的电流密度。与此同时，调节出水管9上压力调节器13使进水和出水保持大约5-15psi的压力。废水以过滤的方式透过下方膜电极阳极5，渗透出水在膜电极阳极5和钛阴极6之间发生电化学氧化反应，并在粒子电极7的作用下发生电化学催化还原，最终经出水管9流入储水槽10内；
44.步骤3：粒子电极-膜电极反应器内电化学氧化、电化学催化还原、膜过滤同时进行，有机农药废水进水、出水不断循环流入和流出储水槽10，并经储水槽内机械搅拌装置11不断搅拌均匀，复合废水中的有机农药随着反应时间不断被降解和矿化，重金属不断发生
还原。
45.本发明中，在一个水处理系统同步完成了电化学催化、电化学氧化和膜过滤过程，通过电化学催化和电化学氧化高效处理有机农药废水，获得较高的有机农药去除率和矿化率和较高的重金属去除率；通过膜过滤增强电化学传质，提高电流效率、降低反应能耗；从而实现了对有机农药废水的高效、经济、安全处理。
46.本发明中，具有对有机农药废水降解和矿化率高、对重金属还原速度快、电化学传质速率高、处理成本较低、水质适应性强等优点。
47.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。