用于处理高硝氮工业废水的串联电催化装置及方法

本发明属于污水处理设备，具体涉及一种用于处理高硝氮工业废水的串联电催化装置及方法。

背景技术：

1、随着商业、工业、农业的进步，工业化生产中的污水、生活污水以及饮用水源等多种水体中的污染物种类及含量均在不断上升，为实现污水达标排放的目的，常需协同去除有机物、氮、磷、重金属、细菌等多种污染物。

2、随着工业生产规模的不断扩大，工业生产中产生的废水数量也不断增加，大多数工业生产都会涉及硝酸盐的污染，例如机械制造、造纸、化肥和电镀等行业在生产过程中使用硝酸或其他含氮有机物，这些含氮物质在人为或自然的转化作用下最终都会转化为硝酸盐氮。硝酸盐氮随着水体的污染以及循环，直接或间接进入人类生活环境或动植物体内。随着时间加长，将会带来较大的安全隐患。硝酸盐氮具有难以降解、二次污染大的特点，因此亟需寻求一种高效、清洁的方法处理硝酸盐氮废水。

3、随着电化学技术在污水处理领域的广泛应用，电催化法也逐渐成为备受关注的重要处理方法之一。它利用电极表面的直接及间接还原作用，与水体中的反应，从而硝酸根离子得以在阴极表面上发生直接或间接的还原反应，进而使其降解为n2、等；此外，副产物氨氮可在阳极表面被氧化为n2。通过电极表面的还原和氧化反应，可以被降解为无害物质，并且该方法具有高去除率、彻底处理、低成本和较小的二次污染风险等优势。

4、然而现阶段使用电催化方法处理硝氮浓度在1000-2000mg/l的难降解高硝氮工业废水的过程中，常存在碳氮去除不统一的问题，在单一的反应器中，常出现cod降解完全但硝氮几乎未降解的情况，仍存在电流效率低、能耗高、电极材料寿命短等问题。因此，如何实现同时高效协同去除碳氮、降低运行能耗是电化学技术应用于实际高硝氮工业废水处理的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种用于处理硝氮浓度在1000-2000mg/l的难降解高硝氮工业废水的单室-分室串联电催化装置及方法。该装置可以提高电催化对难降解高硝氮工业废水的深度处理效果，同时具有在线监测、自动运行、收集废气的功能。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种用于处理高硝氮工业废水的串联电催化装置，包括反应器装置箱、单室电催化组件、分室电催化组件、微孔曝气装置、万向移动架和废气处理系统；

4、所述反应器装置箱底部安装有万向移动架，内部安装有单室电催化组件和分室电催化组件；所述单室电催化组件的首端下部设有进水端，末端下部设有与分室电催化组件连通的换水口，分室电催化组件的末端上侧设有出水端；所述单室电催化组件和分室电催化组件均为敞口箱体结构，底部均均匀铺设有用于供氧或曝氮的微孔曝气装置，上方均罩设有与废气处理系统相连的集气罩；

5、沿水流方向，所述单室电催化组件内均匀间隔交替设有若干数量相同的阴极板和阳极板，阴极板和阳极板的板面均垂直水流方向设置，粒子电极组件填充于相邻的阴极板和阳极板之间且与阴极板和阳极板均不接触；

6、所述分室电催化组件内部可拆卸式设有板面与水流方向垂直的隔膜组件，顶部可拆卸式设有多孔盖板；所述隔膜组件用于阻碍目标离子的转移，隔膜组件将分室电催化组件内部沿水流方向依次分隔为相对独立且体积相同的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室的中心分别设有板面与水流方向垂直的阳极板和阴极板。

7、作为优选，所述进水端、换水口和出水端处均设有水泵和阀门。

8、作为优选，所述隔膜组件两侧与分室电催化组件的内侧壁竖直密封滑动连接，隔膜组件包括离子交换膜、橡胶垫和有机玻璃板；离子交换膜两面的周向均设有橡胶垫，橡胶垫外通过螺栓固定有有机玻璃板；所述多孔盖板与分室电催化组件顶部的接触处设有橡胶垫。

9、作为优选，所述单室电催化组件和分室电催化组件阳极室底部的微孔曝气装置通过设有曝气泵的曝气管与氧气瓶连接，分室电催化组件阴极室底部的微孔曝气装置通过设有曝气泵的曝气管与氮气瓶连接。

10、作为优选，所述粒子电极组件包括直径10～100μm的活性炭粒子电极、绝缘网兜和绝缘塑料筐；若干所述活性炭粒子电极放置于绝缘网兜内，绝缘网兜通过绝缘塑料筐固定于阴极板和阳极板之间。

11、作为优选，所述单室电催化组件中的阳极板材料为钛镀二氧化铅，阴极板材料为不锈钢、铜或镍；分室电催化组件中的阳极板材料为钛镀二氧化铅，阴极板材料为铜或镍。

12、作为优选，所述单室电催化组件和分室电催化组件的材质均为有机玻璃，万向移动架和反应器装置箱的材质均为不锈钢。

13、作为优选，还包括水质监测系统；水质监测系统包括样品采集组件、测量组件和显示器；所述样品采集组件用于收集单室电催化组件和分室电催化组件中要测试的水样；所述测量组件包含用于测量单室电催化组件和分室电催化组件中水质参数的传感器，并能在所述显示器上显示测量所得数据。

14、作为优选，还包括自动设定系统；自动设定系统用于通过集成控制器、计时器和执行单元，根据水样参数，设定单室电催化组件和分室电催化组件串联处理的操作周期，实现自动化控制。

15、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述串联电催化装置的高硝氮工业废水处理方法，具体如下：

16、待处理的高硝氮工业废水由进水端通入单室电催化组件中，废水自下而上至限位线后，关闭进水端；根据待处理的废水水质，控制单室电催化组件中阴极板和阳极板的类型和通电数量以及放置的粒子电极组件数量；在废水进入单室电催化组件中后，开启底部的微孔曝气装置对单室电催化组件内部进行供氧；同时，除了相邻阴极板和阳极板构成的传统二维电极体系外，粒子电极组件在外加电场作用下形成表面带电的粒子电极，成为新的一极，粒子电极相当于一个个微电解池，使得污染物可在其表面被氧化降解，增大了体系的反应面积，使单室电催化组件内形成三维电极体系；废水在三维电极体系内实现有机物质的有效降解，保证cod指标的达标；

17、经单室电催化组件处理达标的废水通过换水口进入分室电催化组件中，在进水过程中将隔膜组件悬空放置，待进水结束后放下隔膜组件，并关闭换水口，盖上顶部的多孔盖板；在废水进入分室电催化组件中后，开启底部的微孔曝气装置，对阳极室内部进行供氧、对阴极室内部曝氮气；在处理过程中，隔膜组件的离子交换膜能阻碍中间体亚硝酸盐从阴极室转移到阳极室中，从而防止亚硝酸盐再氧化成硝酸盐，避免降低电流效率，实现硝氮降解，减少运行能耗；

18、在单室电催化组件和分室电催化组件的处理过程中，集气罩通过负压吸真空的方式吸收反应过程中产生的废气，吸收的气体均于废气处理系统统一处理，避免出现污染空气、爆炸情况的发生。

19、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

20、1)本装置内部设置单室电催化组件及分室电催化组件串联结构，解决了现阶段电催化方法处理难降解高硝氮工业废水的过程中常存在的碳氮去除不统一问题。在该装置内实现cod达标的同时有效解决硝氮难的问题。

21、2)单室电催化组件在传统的二维电极内加入粒子电极组件，使电催化过程中传质速率更快，电流效率更高，同样的电流密度下可以在更短的时间内降解有机物质，运行能耗大幅降低；分室电催化组件使用阴极为商业化铜或镍，不需自行制备新型阴极材料，组装简单易操作，经济成本较低。

22、3)本装置操作安全，内部设置集气罩和废气处理系统，集气罩通过负压吸真空的方式吸收反应过程中产生的氯气、氢气，吸收的废气均于废气处理系统统一处理，避免电催化过程中爆炸情况的发生。

23、4)本装置设置水质监测系统和自动设定系统，在线监测水质情况，并根据处理效果自动化设定单室电催化组件及分室电催化组件串联处理的操作周期，可视化高，自动化程度高。

24、5)本装置设置万向移动架，万向移动轮为加重型尼龙轮，可实现整个反应器装置箱的移动和固定，由此实现了一体化污水处理：通过合理的工艺设计和优化的处理单元配置，能够高效地去除污水中的有机物和营养物质；各个处理组件紧凑地集成在一个设备内，大大减少了设备的占地面积；由于设备的紧凑设计，施工和维护过程更加简便，减少了相关成本；一体化污水处理设备可以根据实际需求进行模块化组合，可以适应不同规模和处理要求的污水处理场所。