公布日：2023.02.03
申请日：2022.11.18
分类号：C02F1/461(2006.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种基于交流电解的污水脱氮装置及方法，属于污水处理技术领域；装置包括电解槽、电解极板、电解填料层和交流变频电源等，该技术以交流变频电源作为电解电源，四氧化三铁、碳材料混合物作为电解极板表面功能层，电解极板间填充铁碳微电解材料，以需脱氮处理污水作为电解液组成三维电解系统，经电解处理后，污水中的硝态氮、氨氮均转化为氮气与污水分离，污水中的总氮、氨氮指标都可去除到满足排放标准。
权利要求书
1.一种基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：包括电解槽(1)、电解极板(2)、电解填料层(3)和交流变频电源(4)，所述电解槽(1)内安装至少两块电解极板(2)，所述电解极板(2)之间具有间隙，所述电解极板(2)之间的间隙填充电解材料形成电解填料层(3)，所述电解槽(1)内最左侧和最右侧的电解极板(2)分别与交流变频电源(4)电连接；所述电解极板(2)表面喷涂有功能层，所述功能层原材料组分包括四氧化三铁与碳材料。
2.根据权利要求1所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：所述电解极板(2)设置六块，且于电解槽(1)内均匀阵列设置，相邻电解极板(2)之间间隔15mm-25mm。
3.根据权利要求2所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：所述电解材料为铁碳微电解材料、活性炭、四氧化三铁、铁颗粒、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求3所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：所述碳材料为石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求4所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：所述功能层原材料组分还包括还原铁粉和1％PVA水溶液。
6.根据权利要求5所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：所述电解极板(2)的电极材料为活性炭纤维电极、碳纤维布电极、石墨电极、铂铱合金电极、碳钢电极、不锈钢电极、铝电极、二氧化铅电极、碳纳米管电极和石墨烯电极之一。
7.根据权利要求6所述的基于交流电解的污水脱氮装置，其特征在于：还包括磁力搅拌器(5)，所述磁力搅拌器(5)设置于电解槽(1)底部。
8.一种基于交流电解的污水脱氮方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述的污水脱氮装置，包括以下步骤：S1、将需脱氮处理的污水通入电解槽(1)内作为电解液，用交流变频电源(4)作为电解电源，电解极板(2)以四氧化三铁和碳材料混合物作为功能层，电解极板(2)间填充电解材料组成三维电解系统；S2、电解极板(2)在交流变频电源(4)作用下不断的进行阳极、阴极的转化，电解材料表面和内部在外加交流电场的作用下形成大量的双性电极，并不断的进行阳极、阴极的转化；S3、通过交流变频电源(4)控制电流密度、电源频率和波形对需脱氮处理污水进行电解脱氮处理；S4、当电解极板(2)作为阳极时，氨氮在电解极板(2)被氧化成氮气和水去除；当电解极板(2)由阳极变为阴极状态时，硝态氮在电解极板(2)表面还原成氮气去除。
9.根据权利要求8所述的基于交流电解的污水脱氮方法，其特征在于：所述步骤S3中所述的电流密度为1-100mA/cm2；所述交流变频电源(4)的频率为0.1-10000Hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的污水脱氮处理技术存在的处理工艺复杂、化学药剂消耗量大、成本高、二次污染等问题，通过交流电解技术、新型电解板技术对现有电化学污水脱氮处理技术进行升级，解决现有电化学污水脱氮处理存在能耗高，设备制造成本高，阳极寿命短，需对被处理水体进行ph、盐度进行调整等的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于交流电解的污水脱氮装置，该装置包括电解槽、电解极板、电解填料层和交流变频电源，所述电解槽内安装至少两块电解极板，所述电解极板之间具有间隙，所述电解极板之间的间隙填充电解材料形成电解填料层，所述电解槽内最左侧和最右侧的电解极板分别与交流变频电源电连接；所述电解极板表面喷涂有功能层，所述功能层原材料组分包括四氧化三铁与碳材料。
进一步，所述电解极板设置六块，且于电解槽内均匀阵列设置，少于六块或多于六块需要相应的减小或者增大电源电压，设置六块的结构所需要的的电源电压最方便获得，相邻电解极板之间间隔15mm-25mm，优选20mm，兼顾能耗与效率。
进一步，所述电解材料为铁碳微电解材料、活性炭、四氧化三铁、铁颗粒、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的组合，优选铁碳微电解材料，具体为20*40铁碳球。
进一步，所述碳材料为石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的一种或几种的组合。
进一步，所述功能层原材料组分还包括还原铁粉和1％PVA(聚乙烯醇)水溶液。
进一步，所述电解极板的电极材料为活性炭纤维电极、碳纤维布电极、石墨电极、铂铱合金电极、碳钢电极、不锈钢电极、铝电极、二氧化铅电极、碳纳米管电极和石墨烯电极之一。优选电解极板为160*60*1mmQ235碳钢。Q235碳钢其表面喷涂功能层，功能层涂料采用10％纳米四氧化三铁和90％的5％石墨烯水性涂料混合而成，涂层干膜厚度60微米。或Q235碳钢，其表面压制(喷涂)功能层，功能层涂料采用30％纳米四氧化三铁、5％石墨烯，10％活性炭粉，30％还原铁粉和其余为1％PVA水溶液混合而成，厚度120微米，经500-650℃烧制而成。
进一步，该装置还包括磁力搅拌器，所述磁力搅拌器设置于电解槽底部，使用磁力搅拌器对电解液(需脱氮处理的污水)进行搅拌。
本发明还提供了一种基于交流电解的污水脱氮方法，其采用上述所述的污水脱氮装置，包括以下步骤：
S1、将需脱氮处理的污水通入电解槽内作为电解液，用交流变频电源作为电解电源，电解极板以四氧化三铁和碳材料混合物作为功能层，电解极板间填充电解材料组成三维电解系统；
S2、电解极板在交流变频电源作用下不断的进行阳极、阴极的转化，电解材料表面和内部在外加交流电场的作用下形成大量的双性电极，并不断的进行阳极、阴极的转化；
S3、通过交流变频电源控制电流密度、电源频率和波形对需脱氮处理污水进行电解脱氮处理；
S4、当电解极板作为阳极时，氨氮在电极板被氧化成氮气和水去除；当电解极板由阳极变为阴极状态时，硝态氮的硝酸根在电解极板表面得电子还原成亚硝酸根和氮气，亚硝酸在电解极板表面又得电子还原成氮气去除。
其中，所述步骤S3中所述的电流密度为1-100mA/cm2；所述交流变频电源的频率为0.1-10000Hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
1、交流电解法降解氨氮的机理如下：
1)、电解极板电解过程中产生H202并在极板表面转化生成氧化性极强的·OH(羟基自由基)，·OH(羟基自由基)把氨氮氧化成氮气和水
2)、氨氮在电解极板处于阳极状态时被直接氧化成氮气和水；
NH3+3OH--3e-—0.5N2+3H2O
3)、当污水中有氯离子存在时，电解极板电解产生的次氯酸根可氧化去除氨氮。
2、硝态氮在电极板处于阴极态时，硝酸根在电极板表面得电子还原成亚硝酸根和氮气，亚硝酸在电极板表面得电子还原成氮气去除。
NO3-+3H2O+5e-—0.5N2+6OH-
NO3-+H2O+2e-—NO2-+2OH-
NO2-+2H2O+3e-—0.5N2+4OH-
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明创造性采用交流变频电源作为电解电源，电解极板的阴阳极状态始终快速交换中，减少了极化和需处理离子传质距离，极大地提高了效率，降低了能耗，降低了电极材料的成本，提高了电极材料的寿命。
2.由于变频技术的使用，不同的频率对处理过程的优势不同，可以根据需处理污水的不同指标灵活调整频率以达到最优处理效果，也就是说抗被处理污水指标波动性强，处理污水指标范围大。
3、本发明创造性应用四氧化三铁、碳材料混合物作为电解污水脱氮电解极板表面功能层，碳处理主要包含石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等，四氧化三铁、碳材料混合物材料具有很高的电化学氧化、还原活性；且目前也未发现四氧化三铁、碳材料混合物作为电解污水脱氮电解极板表面功能层的应用。
4、现有铁碳微电解材料在污水处理的应用中常用压缩空气、调整污水盐度、微波、超声波等手段强化、提高处理效果。本发明以交流变频电源作为电解电源，四氧化三铁、碳材料混合物作为电解板表面功能层，电解板间填充铁碳微电解材料，以需脱氮处理污水作为电解液组成三维电解系统，经电解处理后，污水中的硝态氮、氨氮均转化为氮气与污水分离，污水中的总氮、氨氮指标都可去除到满足排放标准。通过交流电解技术、新型电解板技术对现有电化学污水脱氮处理技术进行升级，解决现有电化学污水脱氮处理存在能耗高，设备制造成本高，阳极寿命短，需对被处理水体进行ph、盐度进行调整等问题。
5、本发明创造性应用铁碳微电解材料填充电解板间，以需脱氮处理污水作为电解液组成三维电解污水脱氮系统，该三维电解污水脱氮系统由于采用交流电解的方式，导电电解填料可相对于电解极板固定，无需压缩空气搅拌，不会出现填料长期使用后出现板结、使用性能下降的问题，大大简化三维电解污水脱氮系统结构。也因为使用交流电解的方式，铁碳微电解材料的电解效率和寿命也得到极大的提高。现有技术中无外加交流电场强化的方法和装置报道。
（发明人：周敏东;胡显梅;刘可）
