申请日2018.05.16
公开(公告)日2018.08.24
IPC分类号C02F9/06; C02F1/461; C02F1/72; C02F103/38
摘要
本发明公开了一种光伏驱动电芬顿自维持系统及降解苯胺废水的方法。该光伏驱动电芬顿自维持系统包括电芬顿自维持单元、铁絮体回收单元及光伏电源驱动单元，所述电芬顿自维持单元与所述铁絮体回收单元连接。由于采用的是可再生能源，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低;较好地克服了传统Fenton法的不足，非常适合微量、分布式水体中苯胺的处理。
翻译权利要求书
1.一种光伏驱动电芬顿自维持系统，其特征在于，该光伏驱动电芬顿自维持系统包括电芬顿自维持单元、铁絮体回收单元及光伏电源驱动单元，所述电芬顿自维持单元与所述铁絮体回收单元连接;
所述电芬顿自维持单元包括自下而上依次设置的阴极板A、阳极板A、催化剂层、阳极板B和阴极板B;所述阴极板A、阳极板A和阴极板B各自独立地采用石墨或钛板电极;所述阳极板B采用铁板或铸铁板电极;
所述铁絮体回收单元包括沉淀池和设置在沉淀池内的滤料层。
2.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，
所述阴极板A和阳极板A通过绝缘电极衬套相连，间距为20-40mm;
所述阴极板B和阳极板B通过绝缘电极衬套相连，间距为20-30mm。
3.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述阴极板A、阳极板A、阴极板B和阳极板B均为开孔的圆板电极，孔直径为1.5～2.5mm，开孔率为18～25%。
4.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述电芬顿自维持单元设置有位于底部的反应器进水口和位于顶部的反应器出水口，所述阴极板A设置于底部且靠近底部的反应器进水口，所述阴极板B设置于顶部且靠近顶部的反应器出水口;所述反应器出水口与沉淀池进水口连通。
5.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述催化剂层中的催化剂为活性Al2O3负载钯的球形颗粒，颗粒粒径为1.5～3.5mm，钯含量为0.5～2wt%，催化剂的装填高度为60～90mm。
6.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述滤料层为由不同粒径滤料构成的多组滤料层;
所述多组滤料层包括粗滤料层、中等滤料层、细滤料层;
所述粗滤料层装填有粒径为2.5～5mm的石灰石颗粒，厚度为250～350mm，空隙率45～55%;
所述中等滤料层装填有粒径为1.5～3mm的锰砂，厚度为250～350mm，空隙率为38～45%;
所述细滤料层装填有粒径为0.8～1.6mm的无烟煤，厚度为200～300mm，空隙率为46～53%。
7.根据权利要求1所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC转换模块、蓄电池组、光控开关、可变电阻器和电流表。
8.根据权利要求7所述的光伏驱动电芬顿自维持系统，其中，所述光伏电源驱动单元包括光伏电源驱动单元A和光伏电源驱动单元B，所述光伏电源驱动单元A向阳极板A、阴极板A供电;所述光伏电源驱动单元B向阳极板B、阴极板B供电。
9.采用权利要求1-8中任意一项所述的光伏驱动电芬顿自维持系统降解苯胺废水的方法，其特征在于，所述方法包括将苯胺废水依次通过电芬顿自维持单元与铁絮体回收单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，阴极板A和阳极板A间的电流密度为7.5～22.5mA/cm2，阴极板B和阳极板B间的电流密度为阳极板A与阴极板A间电流密度的1/3～1/5。
说明书
一种光伏驱动电芬顿自维持系统及降解苯胺废水的方法
技术领域
本发明属于地表水微污染水体处理技术领域，更具体地，涉及一种光伏驱动电芬顿自维持系统及降解苯胺废水的方法。
背景技术
苯胺是一种无色油状液体，具有芳香气味，它作为重要的有机中间体，在化工染料、医药、农药和国防等领域有着广泛应用。然而，排放到水体中的苯胺由于具有长期残留性、生物蓄积性、致癌、致畸、致突变性等特点给生态环境带来重大灾难，并严重危害到人们的健康，因此被世界大多数国家列为优先控制的污染物之一。在我国，鉴于苯胺的严重危害性，其也被列入“中国环境优先污染物黑名单”中，并严格控制其在工业废水中的排放。
目前，对难降解的苯胺，其主要治理技术可分为：物理法、化学法和生物法。其中Fenton氧化法是H2O2在Fe2+的催化作用下生成强氧化性羟基自由基(·OH)，进而将水体中难降解有机物氧化，具有处理效果好、反应彻底、不产生二次污染等优点，故在治理水体中难降解有机物时常用。常见的H2O2、Fe2+和酸碱药品(调pH)投加方式有一次性投加或连续投加。前者排放污泥量大，药品利用率低，后者需连续投加设备，一次性投资大，劳动强度高，此外H2O2的昂贵价格以及存贮安全限制了该法广泛使用。为弥补上述不足，近年来出现了Electro-Fenton技术，该法主要通过电化学方法产生H2O2(反应式O2(g)+2H++2e-→H2O2)以及形成合适的pH环境并外部添加Fe2+使污染物得到治理，虽降低了H2O2的成本与安全风险，但仍常需外部添加O2(形成H2O2)和Fe2+，劳动强度仍较大;而过量的铁添加会导致排放水体的铁含量超标并影响人们对水体的感官;此外大多使用化石燃料所产生的电能，且使用时需将交流电变成直流电;另外对偏远分布式点排放由于运行成本和电力问题制约了该技术的推广与使用。
发明内容
本发明的目的是针对传统Fenton氧化法和Electro-Fenton法的不足而提出的绿色处理方法，本方法通过两对电极和催化剂系统，实现H2O2和Fe2+的原位产生并持续供给，通过电流调节实现对水体pH值分布控制;运行时不需额外物质添加且运行成本极低，对原有水质中的苯胺有明显的去除。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种光伏驱动电芬顿自维持系统，该光伏驱动电芬顿自维持系统包括电芬顿自维持单元、铁絮体回收单元及光伏电源驱动单元，所述电芬顿自维持单元与所述铁絮体回收单元连接;
所述电芬顿自维持单元包括自下而上依次设置的阴极板A、阳极板A、催化剂层、阳极板B和阴极板B;所述阴极板A、阳极板A和阴极板B各自独立地采用石墨或钛板电极;所述阳极板B采用铁板或铸铁板电极;
所述铁絮体回收单元包括沉淀池和设置在沉淀池内的滤料层。
作为本发明优选的实施方式，所述阴极板A和阳极板A通过绝缘电极衬套相连，间距为20-40mm;所述阴极板B和阳极板B通过绝缘电极衬套相连，间距为20-30mm。
作为本发明优选的实施方式，所述阴极板A、阳极板A、阴极板B和阳极板B均为开孔的圆板电极，孔直径为1.5～2.5mm，开孔率为18～25%。
作为本发明优选的实施方式，所述电芬顿自维持单元设置有位于底部的反应器进水口和位于顶部的反应器出水口，所述阴极板A设置于底部且靠近底部的反应器进水口，所述阴极板B设置于顶部且靠近顶部的反应器出水口;所述反应器出水口与沉淀池进水口连通。
作为本发明优选的实施方式，所述催化剂层中的催化剂为活性Al2O3负载钯的球形颗粒，颗粒粒径为1.5～3.5mm，钯含量为0.5～2wt%，催化剂的装填高度为60～90mm。为便于更换，所有催化剂在装入催化剂盒后作为催化剂层再放入反应器中阳极板A的上部。
通过控制电流，阴极板A电解产生的氢气和阳极板A产生的氧气在催化剂作用下原位合成H2O2，同时水体由阴极板A的碱性环境逐步过渡到阳极板A的酸性环境;阳极板B原位释放出Fe2+，同时在阳极板B区域水体酸性进一步增强，此时原位形成的H2O2和Fe2+所产生的强氧化性自由基(·OH)能在高效的pH氛围下将微污染水体中的苯胺氧化，并得以去除;而阴极板B区域所形成的碱性环境有利于Fe2+、Fe3+分别形成Fe(OH)2、Fe(OH)3絮体;处理后的污水通过反应器出水口排放到沉淀池中。
作为本发明优选的实施方式，所述滤料层为由不同粒径滤料构成的多组滤料层;
所述多组滤料层包括粗滤料层、中等滤料层、细滤料层;
所述粗滤料层装填有粒径为2.5～5mm的石灰石颗粒，能适度调节水体pH值，厚度为250～350mm，空隙率45～55%;
所述中等滤料层装填有粒径为1.5～3mm的锰砂，能将水中的Fe2+氧化成Fe3+，同时在表面形成有催化作用的“活性滤膜”，进一步控制铁的排放，锰砂厚度为250～350mm，空隙率为38～45%;
所述细滤料层装填有粒径为0.8～1.6mm的无烟煤，厚度为200～300mm，空隙率为46～53%。
为便于更换，所有石灰石、锰砂、无烟煤颗粒分别放置在各自滤料盒后再放入沉淀池中使用。
经电芬顿处理后的污水自流到沉淀池的底部，水体中的Fe2+、Fe3+在流经粗滤料层、中等滤料层、细滤料层时，会进一步促进Fe(OH)2、Fe(OH)3絮体的生成，同时经上述滤料层拦截后避免了排放到水体中的铁含量超标问题。处理后的污水经沉淀池顶部的出水口排放，而沉淀污泥经沉淀池底部的排放口定期排放。
作为本发明优选的实施方式，所述光伏电源驱动单元包括光伏板组件、光伏控制器、DC-DC转换模块、蓄电池组、光控开关、可变电阻器和电流表。光伏板组件输出直流电压电流受光照条件而波动，为此经DC-DC转换模块稳压或稳流后向各电极供电。为保障夜间和弱光线下该系统能正常工作，采用光伏控制器和蓄电池组将富余电能储存起来，并通过光控开关实现蓄电池组在夜间和弱光线下向反应器提供电能。
作为本发明优选的实施方式，为操作方便，所述光伏电源驱动单元包括光伏电源驱动单元A和光伏电源驱动单元B，所述光伏电源驱动单元A向阳极板A、阴极板A供电;所述光伏电源驱动单元B向阳极板B、阴极板B供电。
根据本发明，实际运行过程中，所述光伏板组件每组由8～12块250W光伏板并联而成，其参数为：工作电压34.9V、工作电流6.0～7.8A;分两路与光伏控制器、DC-DC转换模块相连。所述光伏控制器主要是保障蓄电池组正常的充放电功能，具有防止蓄电池组过充、过放、开路、过载、防反充，输出短路保护功能;防止太阳能板接反、蓄电池组接反保护功能;均衡充电，温度补偿等功能，其参数为：太阳能板电压≤50V，额定工作电压12/24V，额定工作电流50～60A。所述DC-DC转换模块主要是将光伏板输出的随光变化的直流电压电流变成稳定的直流电压或电流，其参数为：输入电压7～36V，输出电压2～30V，输出电流0～8A。所述蓄电池组由4～6只容量为12V、150～250AH的免维护铅酸电池串并联构成，主要是将富余电能储存起来，实现夜间和弱光线下向反应器提供电能。所述光控开关具有：在强光时，自动切断蓄电池组向电极供电;而夜间和弱光线(低于80～130W/m2)下，光伏板不能直接通过DC-DC转换模块向电极提供能量时自动恢复蓄电池组向电极供电功能;其参数为：工作电压24V，额定电流10～20A。
本发明的第二方面提供所述的光伏驱动电芬顿自维持系统降解苯胺废水的方法，所述方法包括将苯胺废水依次通过电芬顿自维持单元与铁絮体回收单元。
作为本发明优选的实施方式，阴极板A和阳极板A间的电流密度为7.5～22.5mA/cm2，阴极板B和阳极板B间的电流密度为阳极板A与阴极板A间电流密度的1/3～1/5。
根据本发明，实际运行过程中，通过调节可变电阻器A使阴极板A和阳极板A间的电流密度为7.5～22.5mA/cm2;在阳极板A的上部放入装有催化剂的催化剂盒(作为催化剂层)后，安装好阳极板B，调节可变电阻器B，使阴极板B和阳极板B间的电流密度为阳极板A与阴极板A电极对间电流密度的1/3～1/5。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)H2O2和Fe2+均原位产生且能源源不断地向污水中释放，而不需要额外向污水中投加H2O2和Fe2+，药剂利用率高，污泥产量少;蓄电池组白天充电与夜间或弱光线时对外供电均自动进行;此外催化剂、滤料均采用模块化装卸，操作运行非常简便;
2)通过电流调节，实现水体pH值空间分布控制，使Fenton反应更加高效，苯胺的去除效率更高;
3)石灰石、锰砂、无烟煤颗粒滤料层的使用，较好避免苯胺去除后水体中的铁含量超标和水体pH值显著变化;
4)由于采用的是可再生能源，又无需额外投加化学试剂，因而处理成本大大降低;较好地克服了传统Fenton法的不足，非常适合微量、分布式水体中苯胺的处理。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
