申请日2013.09.26
公开(公告)日2013.12.25
IPC分类号C02F9/06; C02F103/36; C02F1/46
摘要
本发明公开了一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方法，属于硝基甲苯生产废水处理领域。其步骤为：(a)将硝基甲苯生产废水的pH调至1.5-2.0，静置沉淀，排去底部废渣，取上层液通过阴极进水口进入电化学反应器的阴极室;(b)开始电化学处理，步骤(a)中产生的废水上层液在阴极室发生还原反应，阴极室处理后的废水进入阳极室，废水在阳极室中发生氧化反应;(c)将步骤(b)处理后废水排出，经阳极液储罐调节后进入生化系统。本发明能降低混酸硝化废水的生物毒性，提高其可生化性，通过电化学还原-电化学氧化耦合工艺，转化降解硝基苯类、硝基酚类有机物，为后续生化提供有利条件。
权利要求书
1.一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方法，其步骤为：
(a)将硝基甲苯生产废水的pH调至1.5-2.0，静置沉淀，排去底部废渣，取上层液通过 阴极进水口(8)进入电化学反应器的阴极室(4);所采用的电化学反应器包括阳极室(3)、 阴极室(4)、阳极(5)、阴极(6)、阴极液储罐(9)、阳离子交换膜(10)、阳极液储罐(11) 和流量计(12);所述的阳极室(3)和阴极室(4)之间通过阳离子交换膜(10)隔开;所述 的阳极(5)和阴极(6)分别位于阳极室(3)和阴极室(4)中;所述的阴极室(4)包括阴 极进水口(8)和阴极出水口(2);所述的阳极室(3)包括阳极出水口(1)和阳极进水口(7); 所述的阴极出水口(2)通过管道与阴极液储罐(9)连接，阴极液储罐(9)再通过管道与阳 极进水口(7)连接;所述的阳极出水口(1)通过管道与阳极液储罐(11)连接;所述的流 量计(12)有两个，分别位于阴极出水口(2)与阴极液储罐(9)之间的管道上和阳极出水 口(1)与阳极液储罐(11)之间的管道上;所述的阴极(6)采用石墨板、钛板、负载钌氧 化物或铱氧化物的钛板;所述的阳极(5)为钛基形稳电极，涂层为钌氧化物或铱氧化物;
(b)开始电化学处理，步骤(a)中产生的废水上层液在阴极室(4)发生还原反应，阴 极室(4)处理后的废水依次通过阴极出水口(2)、阴极液储罐(9)和阳极进水口(7)进入 阳极室(3)，废水在阳极室(3)中发生氧化反应;所述的阳极(5)和阴极(6)的电流密度 为5-50mA/cm2，废水在阴极室(4)和阳极室(3)的停留时间为1-6h;所述的阳极(5)和 阴极(6)的间距为1.5-3cm;
(c)将步骤(b)处理后废水排出，经阳极液储罐(11)调节后进入生化系统。
2.根据权利要求1所述的一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方 法，其特征在于：所述的步骤(a)中用于调节pH的酸为硫酸或工业废酸，静置沉淀时间为 0.5-2h。
3.根据权利要求1所述的一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方 法，其特征在于：所述的步骤(a)中的阴极液储罐(9)容积是阴极室(4)容积的5-10倍。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原 氧化预处理方法，其特征在于：所述的步骤(a)中的阳极液储罐(11)容积是阳极室(3) 容积的5-10倍。
说明书
一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方法
技术领域
本发明属于硝基甲苯生产废水处理领域，具体地说，采用电化学进行高浓度混酸硝化废 水的预处理方法，更具体地说，涉及一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预 处理方法。
背景技术
在工业领域，硝基甲苯的生产主要采用混酸硝化工艺，利用硝酸作硝化剂，硫酸等作催 化剂与芳香烃反应生成硝基芳烃，是非常重要的化工工艺，其主要产品有硝基苯、硝基甲苯、 三硝基甲苯、硝基氯苯等。混酸硝化过程中会产生色度高、可生化性差的废水，其主要成分 为硝基甲苯类、甲苯胺类、苯磺酸类和多硝基酚类。
混酸硝化废水的处理工艺研究是国内外环境工程领域的研究热点。发达国家一般采用气 提+热分解+氨蒸馏的预处理方法，成本较高，难以有效推广普及。国外开发出的化学处理法 中具有发展前景的是湿式氧化法，由于硝基苯和硝基酚较为稳定，在一般条件下不易分解， 因此湿式氧化一般在较高温度下和压力下操作，反应温度一般在325～375℃，压力为2.20× 107～3.45×107Pa，反应时间为5min，将有机物氧化为CO2和H2O等简单的小分子化合物。 如德国一个专利(USP5,356,539)介绍，将硝基苯或硝基氯苯废水加热到100～300℃，在2× 105～1×107Pa的压力下，借助催化剂，如CuO、Al2O3或硅酸镁或Cu、Cr、Zn在Al2O3氧 化物的作用下氧化分解有机物，硝基苯和硝基氯苯降解90%以上。然而湿式氧化法存在的问 题是投资大，对技术要求很高，比如反应器的密闭性和材料的耐热性，并且需要额外投加催 化剂，从而导致二次污染。
国内对硝化废水的处理工艺以吸附法和化学药剂法为主。国内有部分厂家采用吸附方法， 吸附剂主要为活性炭和树脂。以活性炭为吸附剂的吸附法存在难以对吸附剂进行再生利用的 弊端，并且会产生大量废渣，这些废渣由于包含大量硝基苯类物质，属于危险固废，处理成 本很高。近年来国内外对树脂吸附处理硝基苯和硝基氯苯废水有大量的文献报道，如超高交 联树脂等。以树脂为吸附剂的吸附法对成分相对简单，有资源化价值的废水是一个好方法， 但对成分复杂的废水存在处理成本高，且存在脱附液需进一步处置的问题。
国内专利申请(申请号：200810121721)采用酸化+铁碳还原+缩聚+絮凝沉降的方法进 行预处理，其工艺中需要投加大量铁粉、碳粉、促聚剂(甲醛)、絮凝剂(聚丙烯酰胺、聚合 氯化铝、三氯化铁、聚合氯化铁和聚合硫酸铁)，工艺产生大量含铁污泥，较难处置。国内某 化工厂采用铁碳还原+Fenton氧化+混凝沉降的方法(相关专利号：200910031041)处理混酸硝 化废水，在混凝工段投加氢氧化钙，从而产生大量含铁污泥和含钙污泥，这使得污泥成为了 新的污染物，需要按照危险固废的标准处置，成本高，并且存在安全隐患。
电化学水、废气、土壤污染处理技术自80年代以来发展迅速，电化学方法与其他方法兼 容性较好，易配合使用以达到最佳处理效果。电化学法在污水、废气和重金属离子等污染物 处理中的应用，从原理和方法上可以分为电化学氧化、电化学还原、光电化学氧化、电吸附 和电浮选/电凝聚等，其中电化学还原一般发生在阴极，电化学氧化在阳极、阴极都可以发生， 而阴极的氧化机理为O2还原成H2O2，进而生成·OH氧化有机物。阳极区和阴极区一般通过 隔膜分开，隔膜的主要形式有盐桥、离子交换膜系统和玻璃滤板等，离子交换膜又分为阴离 子交换膜和阳离子交换膜。但是电化学处理硝基甲苯生产废水还停留在设想阶段。德国的巴 斯夫欧洲公司首先进行了尝试，其于2011年05月17日申请了名称为从废水中除去硝基芳族化 合物的方法及装置的专利文件，专利申请号：201180025180.3，公开日2013年02月20日，该 发明涉及一种电化学处理硝基芳族化合物的方法，其包括如下步骤：将包含至少一种硝基芳 族化合物的含水组合物引入电解槽阳极室中，并且在0.1-10kA/m2的阳极电流密度和4-15V的 电解槽电位下进行电解，且其电解槽具有至少一个阳极，其包含至少一个包含铂的阳极段或 由载体材料和涂层构成的阳极段，其中载体材料包含至少一种选自铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti) 和铪(Hf)的金属，并且涂层由硼-掺杂金刚石构成。这是一个大胆的尝试，但是存在成本过 高，而且处理效果差的缺点。这也让本领域的技术人员形成了电化学处理硝基甲苯生产废水 存在成本高、操作困难的观念，也因此逐渐抛弃了对于电化学在处理硝基甲苯生产废水方面 的研究。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有硝基甲苯生产废水处理工艺存在国外引进成本高、难以推广，常规工艺效果较 差，且运行操作要求高、有大量废渣产生的问题，本发明提供一种污泥减量化的硝基甲苯生 产废水电催化还原氧化预处理方法，本发明能降低混酸硝化废水的生物毒性，提高其可生化 性，通过电化学还原-电化学氧化耦合工艺，转化降解硝基苯类、硝基酚类有机物，为后续生 化提供有利条件。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种污泥减量化的硝基甲苯生产废水电催化还原氧化预处理方法，其步骤为：
(a)将硝基甲苯生产废水的pH调至1.5-2.0，静置沉淀，排去底部废渣，取上层液通过 阴极进水口进入电化学反应器的阴极室;所采用的电化学反应器包括阳极室、阴极室、阳极、 阴极、阴极液储罐、阳离子交换膜、阳极液储罐和流量计;所述的阳极室和阴极室之间通过 阳离子交换膜隔开;所述的阳极和阴极分别位于阳极室和阴极室中;所述的阴极室包括阴极 进水口和阴极出水口;所述的阳极室包括阳极出水口和阳极进水口;所述的阴极出水口通过 管道与阴极液储罐连接，阴极液储罐再通过管道与阳极进水口连接;所述的阳极出水口通过 管道与阳极液储罐连接;所述的流量计有两个，分别位于阴极出水口与阴极液储罐之间的管 道上和阳极出水口与阳极液储罐之间的管道上;所述的阴极采用石墨板、钛板、负载钌氧化 物或铱氧化物的钛板;所述的阳极为钛基形稳电极，涂层为钌氧化物或铱氧化物;废水流动 方向与电极板平行;
(b)开始电化学处理，步骤(a)中产生的废水上层液在阴极室发生还原反应，阴极室 处理后的废水依次通过阴极出水口、阴极液储罐和阳极进水口进入阳极室，废水在阳极室中 发生氧化反应;所述的阳极和阴极的电流密度为5-50mA/cm2，废水在阴极室和阳极室的停留 时间为1-6h;所述的阳极和阴极的间距为1.5-3cm;在阴极处发生还原反应，废水中的硝基 苯类物质部分还原转化为苯胺类等更易被氧化的物质;阳极处发生电催化氧化反应，苯胺及 硝基苯还原产物开环生成小分子有机物。经过电化学还原-氧化过程，混酸硝化废水的可生化 性有明显的改善，生物毒性有明显降低;
(c)将步骤(b)处理后废水排出，经阳极液储罐调节后进入生化系统。
进一步地，所述的步骤(a)中用于调节pH的酸为硫酸或工业废酸，静置沉淀时间为0.5-2 h。
优选地，所述的步骤(a)中的阴极液储罐容积是阴极室容积的5-10倍。
优选地，所述的步骤(a)中的阳极液储罐容积是阳极室容积的5-10倍。
本发明创造性地提出本领域人员认为成本高、不易操作的电化学方法处理硝基甲苯生产 废水，并且惊喜的发现在pH为1.5-2.0时，再通过本发明所介绍的电化学反应器的结构、电 极的材料、电流密度、电极的间距以及处理时间等参数，能快速达到分解硝基甲苯、二硝基 酚等物质的目的，这些参数互相配合，不但成本低，而且操作简便。本发明人通过大量的实 验进行了验证，解决了本领域技术人员一直苦恼的问题，相对于国内外技术，不但处理效果 好，而且成本低，同时改变了本领域人员认为电化学方法处理硝基甲苯生产废水仅仅是个设 想、成本高，而且效果不好的观念。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明耦合电还原和电催化氧化工艺，不仅可以极大减少预处理废渣的产生，还具 有以下效果：对高浓度废水(COD>7000mg/L)中的硝基苯类物质和苯胺类物质的去除率达 到85%以上，COD去除率在30%以上，可生化性(以下简称为B/C)可以从原先的0.08-0.1 提高至0.43-0.46，生物毒性可以降低为原水的1/20-1/10，过程中产生的污泥主要在酸化工艺 中产生，相比其他工艺，其污泥减少量可以达到80%以上，出水可以进入生化系统;
(2)本发明酸化、沉降是电化学还原—氧化工艺所不可缺少的前处理工艺，创造性的提 出酸化工艺，其有益效果不仅仅体现在将水中的酚钠转化成酚沉淀，减少电化学工艺的有机 负荷，还对后续的电化学还原、氧化产生了有益的影响，本发明调节废水到强酸性条件下， 电化学还原的主要产物尾苯胺类物质，而在碱性、中性条件下苯胺类物质产率很低，从而影 响还原-氧化模块的处理效果，数据表明，在pH=7、9、12时，还原—氧化的处理效果(芳香 性、B/C和急性生物毒性)有不同程度的下降，最高可达50%(后有实施例说明);
(3)本发明用电能取代药剂投加，更加易于操作和控制，且不会产生废渣，对于实现混 酸硝化废水高效、稳定、低成本预处理有较大的学术意义和实践价值。
