污水处理装置及污水处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种污水处理装置，包括：一超声单元，该超声单元具有一反应室；一污水容器，该污水容器设置于所述反应室内；一臭氧输送单元，该臭氧输送单元用于向所述污水容器中输送臭氧；以及一电化学催化单元，该电化学催化单元包括一阳极和一阴极，该阳极和阴极设置于所述污水容器中，所述阳极的表面涂覆一纳米涂层。本发明还涉及一种污水处理方法，该污水处理方法采用上述污水处理装置对污水进行处理。
【专利说明】
污水处理装置及污水处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种污水处理装置及污水处理方法，尤其涉及一种超声/臭氧复合电 化学处理污水的装置，以及使用该装置处理污水的方法。
【背景技术】
[0002] 难生物降解有机污水中污染物主要是自然界原本不存在的有机化合物，不易被微 生物降解，排放到水体等自然环境后也不易通过天然的生物自净作用而逐渐减少其含量， 它们会在水体、土壤等自然介质中不断积累，然后通过食物链进入生物体并逐渐富集，最后 进入人体，危害人体健康。
[0003] 高级氧化工艺(AOPs)处理技术因其能产生氧化能力极强的羟基自由基，可有效分 解有毒难生物降解水中的有机污染物，具有操作条件易于控制的优点，已成为针对此类污 水的主流处理技术。臭氧氧化法、超声声化法以及电化学法均为常用的高级氧化技术。然 而，当臭氧氧化法、超声声化法或电化学法单独处理此类污水时存在不可避免的劣势。臭氧 氧化法选择性强而导致降解不彻底;超声声化法氧化降解不彻底且能耗太大；电化学法反 应速度比较慢，对高浓度污水的处理比较困难，降解不彻底。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种污水处理装置，该污水处理装置可以克服以上缺点。
[0005] -种污水处理装置，包括:一超声单元，该超声单元具有一反应室;一污水容器，该 污水容器设置于所述反应室内；一臭氧输送单元，该臭氧输送单元用于向所述污水容器中 输送臭氧；以及一电化学催化单元，该电化学催化单元包括一阳极和一阴极，该阳极和阴极 设置于所述污水容器中，所述阳极的表面涂覆一纳米涂层。
[0006] -种采用上述污水处理装置进行污水处理的方法，包括以下步骤:将待处理的污 水注入所述污水容器中；将所述电化学催化单元中的阳极与一电源的正极电连接，阴极与 该电源的负极电连接，打开电源开关;使所述臭氧输送单元向污水容器中输送臭氧；以及打 开超声单元的开关。
[0007] 与现有技术相比较，本发明提供的污水处理装置及方法包括一电化学催化单元， 该电化学催化单元的阳极表面涂覆一层纳米涂层，由于纳米颗粒具有更大的表面积和更高 的催化活性，能够产生更多的羟基自由基，而且超声单元可以使阳极表面的纳米涂层产生 的羟基自由基快速的扩散到污水中，并与污水中有机污染物快速反应，可以使污水中的有 机物降解的更彻底。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明实施例提供的污水处理装置的示意图。
[0009] 图2是本发明实施例提供的污水处理装置中的电化学催化单元的阳极表面的纳米 涂层的电子显微镜照片。
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0011]下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的污水处理装置100作进一步的详 细说明。
[0012]请参阅图1，本发明提供的污水处理装置100包括一臭氧输送单元10,一电化学催 化单元20，一超声单元30，以及一污水容器40。所述超声单元30具有一反应室31，该反应室 31中装有水，所述污水容器40设置于所述反应室31内，并且至少部分所述污水容器40浸入 到反应室31的水中。所述电化学催化单元20设置于所述污水容器40中并与电源50电连接。 [0013]所述臭氧输送单元10用于产生臭氧并将臭氧输送到所述污水容器40中。所述臭氧 输送单元10包括一氧气净化器11，一臭氧发生器12以及一臭氧监测器13。所述氧气净化器 11用于净化氧气，净化后的氧气进入所述臭氧发生器12发生反应生成臭氧，所述臭氧监测 器13用于监测臭氧的流量。优选的，所述臭氧输送单元10产生的臭氧浓度为10~20mg/L，臭 氧的流量为〇. 05~0.15L/min。
[0014] 所述电化学催化单元20包括一阳极21以及一阴极22。所述阳极21与电源50的正极 电连接，所述阴极22与电源50的负极电连接。所述阳极21的表面涂覆一纳米涂层，优选的， 所述纳米涂层为一纳米氧化物涂层。更优选的，所述纳米涂层为一纳米稀土氧化物涂层。由 于纳米稀土氧化物具有更大的表面积和更高的催化活性，能够产生更多的羟基自由基，可 以使污水中的有机物降解的更彻底。所述纳米涂层的厚度优选〇 · 5nm~IOnm0
[0015]本实施例中，所述阳极21的电极板为钛板，所述阴极22的电极板为不锈钢板。所述 阳极21的表面包括一纳米稀土氧化物涂层，该纳米稀土氧化物涂层为二氧化钌(Ru02)、二 氧化铱（IrO 2)、二氧化锡(SnO2)及二氧化钛组成的多元纳米稀土氧化物。图2为本实施例纳 米稀土氧化物涂层的表面结构形态。从图2可以看出，纳米涂层表面光滑且具有更高的比表 面积。
[0016] 涂覆有纳米稀土氧化物涂层的阳极的制作过程包括：制备包括稀土氧化物Ru〇2、 IrO2及SnO2纳米颗粒的第一混合溶液;在所述第一混合溶液中加入钛酸四丁酯制成一涂液； 将所述涂液涂刷到一钛板上，并将该涂刷有涂液的钛板在氧气氛围内120°C左右加热约1小 时。
[0017] 所述涂液可以采用醇热还原法或溶胶凝胶法制备。其中，采用醇热还原法制备所 述涂液包括以下步骤:在金属盐RuCl3, IrCl3和SnCl3的乙醇溶液中加入溴化十六碳烷基三 甲铵(HTAB)，并在温度120°C左右干燥约4h得到一固体;将所述固体用乙醇清洗后，在真空 下干燥约6h，得到纳米金属颗粒Ru，Ir和Sn;将所述金属颗粒Ru，Ir和Sn溶入乙醇中形成一 悬浊液，在所述悬浊液中加入少量钛酸四丁酯(C 16H36O4Ti)后，将所述悬浊液超声约20min， 得到所述涂液。
[0018]所述纳米稀土氧化物涂层并不限定于本实施例中的二氧化^!了 (Ru〇2)、二氧化铱 (Ir02)、二氧化锡(SnO2)及二氧化钛构成的多元纳米稀土氧化物。所述阳极的电极板以及阴 极的电极板也并不限定于本实施例中钛板和不锈钢板，也可以根据实际需要选择其它材料 作为阳极的电极板和阴极的电极板。
[0019] 所述超声单元30进一步包括一超声换能器32,该超声换能器设置于所述超声单元 30的两侧。所述超声单元30的频率优选40~50kHz。所述超声单元30的功率优选200~300W。
[0020] 所述超声单元30可以将超声波加到阳极21，使得阳极表面的纳米涂层产生的羟基 自由基快速的扩散到污水中，并与污水中有机污染物快速反应。即超声单元30产生的超声 波可以促进污水中有机污染物的传质过程。超声单元30还可以将进入污水中的含臭氧的气 体粉碎为直径为0.2~0.3μπι的微气泡，增大臭氧与污水的接触面积，提高传质从而提高臭 氧利用率。超声单元30也能够强化臭氧的分解，促使空化泡中的臭氧未经溶解扩散就可以 直接释放〇(自由基，自由基随空化泡的溃灭进入水体与有机污染物快速反应，从而加快反 应进程。超声和电化学协同处理污水过程中，在超声的作用下，污水中发生由臭氧和氧气引 发的多种反应，产生·__0._?·Ι、· H、ΗΟ：^·、出〇2等多种强氧化物质参与污水处理过程，大大 加快水处理进程。当污水中有氧气或是氮气时，超声可以将污水中的氧气或氮气通过超声 空化产生自由基0·或，超声空化产生的冲击波和射流能够使Ο·、N f、ΗΟ·等自由 基快速进入污水中与有机物反应，从而提高污水处理效率。另外，超声还能增加电极表面纳 米涂层的催化活性并清洁电极表面，大大提高污水处理效率。
[0021] 所述污水容器40用于盛放待处理污水以及电化学催化单元20。本实施例中，所述 污水容器40的材料为有机玻璃。
[0022] 所述电源50优选为直流可控电源，所述阳极21和阴极22的间距以及阳极21和阴极 22之间的电压可以根据需要控制，优选的，所述阳极21和阴极22的间距为卜5cm;所述阳极 21和阴极22之间的电压为1~15V。
[0023]所述污水处理装置100进一步包括一臭氧扩散单元60,该臭氧扩散单元60设置于 所述污水容器40的内部，用于使臭氧在污水容器40中快速分散均匀。本实施例中，所述臭氧 扩散单元60为一曝气砂板。
[0024] 所述污水处理装置100进一步包括一尾气处理单元70,用于处理污水中的有机物 分解过程中产生的废气，进而保护环境。该尾气处理单元70可进一步包括一臭氧监测器13， 用于监测未发生分解的臭氧的量。
[0025] 实施例一 使用厌氧-好氧生物处理工艺处理后的无法再进一步生物降解的制药废水，水质指标 为:〇?为3501^/1，1'0(：为2001^/1及?!1为5.6，使用所述污水处理装置100处理所述制药废水 的操作条件为：电流密度为300mA，超声频率为45kHz，超声功率为250 W;臭氧的流量为 0. lL/min。在该操作条件下所述制药废水COD去除率为99%。
[0026] 实施例二 苯酚模拟废水，水质指标为:C0D为400mg/L，pH为4,极间距为lcm，所述污水处理装置 100处理所述苯酚模拟废水的操作条件为：电流密度为300mA，超声频率为45kHz，超声功率 为200W。在该操作条件下所述COD去除率为98%。
[0027] 本发明还提供一种采用上述污水处理装置100进行污水处理的方法，包括以下步 骤： Sl:将待处理的污水注入所述污水容器40中； S2:将所述电化学催化单元20中的阳极21与电源50的正极电连接，阴极22与电源50的 负极电连接，打开电源开关； S3:使所述臭氧输送单元10向污水容器40中输送臭氧；以及 S4:打开超声单元30的开关。
[0028] 可以理解，步骤S2到步骤S4的顺序可以相互调换。
[0029]步驟S2中，所述阳极21的表面涂覆一纳米涂层，优选的，所述纳米涂层为一纳米氧 化物涂层。更优选的，所述纳米涂层为一纳米稀土氧化物涂层。由于纳米稀土氧化物具有更 大的表面积和更高的催化活性，能够产生更多的羟基自由基，可以使污水中的有机物降解 的更彻底。所述纳米涂层的厚度优选〇 · 5nm~I Onm 〇
[0030]步驟S3中，所述臭氧输送单元10产生的臭氧的浓度优选10~20mg/L，所述臭氧输送 单元10向污水容器40中输送臭氧的流量优选0.05~0.15L/min。
[0031 ] 步驟S4中，所述超声单元30的频率优选40~50kHz，所述超声单元30的功率优选 200~300W。
[0032]本发明实施例提供的污水处理装置和污水处理方法，由于电化学催化氧化法、臭 氧氧化法和超声氧化法均是通过电能产生强氧化性能的物质来处理废水，具有环境兼容性 好，可操作性能强等优点，将以上高级氧化废水处理技术相结合，可以更好地发挥其协同效 应，克服各自的缺陷，解决诸如臭氧在选择性氧化、电化学在水电解电位窗口、以及超声在 利用效率等方面的不足，大大加快自由基与有机物的反应进程，有效提高废水降解效率，彻 底降解有机物。本发明实施例提供的污水处理装置中的阳极表面涂覆一层纳米涂层，由于 纳米颗粒具有更大的表面积和更高的催化活性，能够产生更多的羟基自由基，而且超声单 元可以使阳极表面的纳米涂层产生的羟基自由基快速的扩散到污水中，并与污水中有机污 染物快速反应，可以使污水中的有机物降解的更彻底。
[0033]另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神 所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种污水处理装置，包括： 一超声单元，该超声单元具有一反应室； 一污水容器，该污水容器设置于所述反应室内； 一臭氧输送单元，该臭氧输送单元用于向所述污水容器中输送臭氧；以及 一电化学催化单元，该电化学催化单元包括一阳极和一阴极，该阳极和阴极设置于所 述污水容器中，所述阳极的表面涂覆一纳米涂层。2. 如权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述纳米氧化物涂层为一纳米稀土 氧化物涂层。3. 如权利要求2所述的污水处理装置，其特征在于，所述纳米稀土氧化物涂层为一由二 氧化钌、二氧化铱、二氧化锡及二氧化钛组成的多元纳米稀土氧化物涂层。4. 如权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述纳米涂层的厚度为0.5nm~ 10nm〇5. 如权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，进一步包括一臭氧扩散单元，该臭 氧扩散单元设置于所述污水容器的内部，用于使臭氧在污水容器中分散均匀。6. 如权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阳极和阴极的间距为1~5cm。7. 如权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述臭氧输送单元包括一氧气净化 器，一臭氧发生器以及一臭氧监测器;所述氧气净化器用于净化氧气，净化后的氧气进入所 述臭氧发生器发生反应生成臭氧，所述臭氧监测器用于监测臭氧的流量。8. -种采用如权利要求1-7中所述的任意一种污水处理装置进行污水处理的方法，包 括以下步骤： 将所述电化学催化单元中的阳极与一电源的正极电连接，阴极与该电源的负极电连 接，打开电源开关； 使所述臭氧输送单元向污水容器中输送臭氧； 打开超声单元的开关；以及 将待处理的污水注入所述污水容器中。9. 如权利要求8所述的污水处理的方法，其特征在于，所述臭氧输送单元向污水容器中 输送臭氧的流量为0.05 L/min~0.15L/min。10. 如权利要求8所述的污水处理的方法，其特征在于，所述超声单元的频率为40 kHz ~50kHz。
【文档编号】C02F1/46GK106006849SQ201610535185
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】左剑恶, 杨波, 余忻, 张蒙雨
【申请人】清华大学