申请日2019.07.13
公开(公告)日2019.09.20
IPC分类号C02F9/06
摘要
本发明公开了电催化系统及运用于该系统的医化废水出水处理方法，属于医化废水出水处理的技术领域，解决了现有技术中工序流程多的问题。电催化系统包括次连通的三维电催化装置和二维电催化装置;处理方法包括以下步骤：一：前处理：通过30‑60min混凝沉淀或混凝气浮，对原出水中的悬浮物进行处理，并进行固液分离，得到去除悬浮物后的废水A;二：将废水A通入至电催化系统，废水A通入三维电催化装置中，得到废水B;废水B通入二维电催化装置中，出水得到净化水。本发明通过电催化系统，实现废水的处理并达标排放。
权利要求书
1.一种电催化系统，其特征在于，包括依次连通的三维电催化装置(1)和二维电催化装置(4)，所述三维电催化装置(1)包括第一壳体(2)、设置于第一壳体(2)两侧的第一阳极板(11)和第一阴极板(12)、第一阳极板(11)和第一阴极板(12)之间为用于放置催化剂的放置腔(13)，第一壳体(2)底部连通有第一进水口(14)，顶部连通有第一出水口(15);所述二维电催化装置(4)包括第二壳体(5)、设置于第二壳体(5)内的电极组件(6)、使废水在电极组件(6)内流动的导向组件(7)，第二壳体(5)连通有第二进水口(41)和第二出水口(42);导向组件(7)将电极组件(6)的长度方向分为多段，所述电极组件(6)包括第二阳极板(61)和第二阴极板(62)、连通于第二阳极板(61)和第二阴极板(62)之间的电极板(63);第二壳体(5)包括第二箱体(51)和第二盖体(52)，第二箱体(51)内固定有多个与电极组件(6)平行设置的分区板(53)，分区板(53)将第二壳体(5)分为多个氧化区(54)，相邻氧化区(54)之间依次连通。
2.根据权利要求1所述的电催化系统，其特征在于，所述第一壳体(2)包括第一箱体(21)、设置于第一箱体(21)上方的第一盖体(22)、固定于第一箱体(21)上的两块用于固定第一阳极板(11)和第一阴极板(12)的固定板(23)、固定于两块固定板(23)之间用于承载催化剂的承载板(24)，固定板(23)将第一壳体(2)分为第一腔体(25)和第二腔体(26)，第一腔体(25)和第二腔体(26)远离第一盖体(22)的一端连通，承载板(24)靠近第一盖体(22)的一侧为放置腔(13);第一进水口(14)连通于第一腔体(25)靠近第一盖体(22)的一侧，第一盖体(22)上设置有第一排气管(211);第一箱体(21)底部设置有曝气装置(3)。
3.根据权利要求2所述的电催化系统，其特征在于，所述电极板(63)包括与第二阳极板(61)固定的多块间隔设置的第一极板(631)、与第二阴极板(62)固定多块间隔设置的第二极板(632)、设置于相邻第一极板(631)和第二极板(632)之间的第三极板(633)，所述电极组件(6)还包括多块绝缘的抵紧块(64)，所述抵紧块(64)上设置有卡槽(641)，第一极板(631)、第二极板(632)、第三极板(633)卡接与卡槽(641)中或抵接于抵紧块(64)端面上。
4.根据权利要求3所述的电催化系统，其特征在于，所述第一极板(631)和第二极板(632)的数量一一对应，对应的第一极板(631)和第二极板(632)位于同一直线上;电极板(63)还包括多块重合于第一极板(631)和第二极板(632)连线上的间隔极板(634)，间隔极板(634)的两端卡接于抵紧块(64)上，中部抵接于抵紧块(64)端面上;第三极板(633)覆盖第一极板(631)与间隔极板(634)、相邻间隔极板(634)、间隔极板(634)与第二极板(632)之间的间隙，间隔极板(634)覆盖相邻第三极板(633)之间的间隙。
5.根据权利要求4所述的电催化系统，其特征在于，所述第二阳极板(61)和第二阴极板(62)之间设置有两块与第一极板(631)平行的绝缘的两块侧板(65)，第一极板(631)、第二极板(632)、第三极板(633)、间隔极板(634)均设置于两块侧板(65)之间，抵紧块(64)之间穿设有螺纹杆(635)，螺纹杆(635)两端位于两块侧板(65)外，并螺纹连接有抵接于侧板(65)外的螺母(636)。
6.根据权利要求1所述的电催化系统，其特征在于，所述导向组件(7)包括多个设置于氧化区(54)内垂直于电极组件(6)长度方向设置的支撑板(71)、与支撑板(71)抵接且覆盖部分第一通孔(711)的抵接板(72)，支撑板(71)上开设有用于放置电极组件(6)的通孔(711)，通孔(711)靠近第二盖体(52)的一端贯穿所在支撑板(71);电极组件(6)与通孔(711)和抵接板(72)均抵接;第二进水口(41)连通于最侧边氧化区(54)的端部。
7.一种使用权利要求1-6任意之一所述电催化系统的医化废水出水的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
一：前处理：通过30-60min混凝沉淀或混凝气浮，对原出水中的悬浮物进行处理，并进行固液分离，得到去除悬浮物后的废水A;
混凝沉淀：往原出水中依次加入混凝剂和助凝剂，产生沉淀泥;
混凝气浮：往原出水中加入混凝剂，再通过气浮法，原出水上表面产生浮渣层;
二：将废水A通入至电催化系统，废水A通入三维电催化装置(1)中，得到废水B;废水B通入二维电催化装置(4)中，出水得到净化水;
所述混凝剂与原出水的质量份数比为(0.0005-0.01)：1;所述助凝剂为质量分数为0.1%-0.5%的聚丙烯酰胺水溶液，助凝剂与原出水的质量份数比为(0.0005-0.01)：1;
所述二步骤中，废水A在三维电催化装置(1)中的水力停留时间为30-120min;废水B在二维电催化装置(4)中的水力停留时间为25-90min;
二步骤中，废水A中电解质的质量百分比大于等于0.2%，电解质为氯化钠、氯化铵中至少一种。
8.根据权利要求7所述的医化废水出水的处理方法，其特征在于，所述一步骤中，混凝剂为质量分数为5-15%的聚合氯化铝水溶液、质量分数为5-15%的聚合硫酸铝水溶液、质量分数为1-10%的聚合氯化铁水溶液、质量分数为1-10%的硫酸亚铁水溶液中至少一种;一步骤中，通过调酸剂和调碱剂将原出水控制于pH=7-9;调碱剂为可溶性氢氧化物，调酸剂为盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的医化废水出水的处理方法，其特征在于，所述第一阳极板(11)和第一阴极板(12)之间的距离为300-500mm，三维电催化装置(1)采用高频直流电源且电流密度为25-30mA/cm2;二维电催化装置(4)与电源的连接方式为双极式，电流密度为25-30mA/cm2，电极板(63)之间的距离为3-5mm。
10.根据权利要求7所述的医化废水出水的处理方法，其特征在于，所述第一阳极板(11)和第二阳极板(61)为表层镀钌铱涂层或者铱钽涂层的钛板，钌铱涂层或铱钽涂层在钛板上的用量为10-40g/m2;第一阴极板(12)和第二阴极板(62)为钛板或不锈钢板，电极板(63)为钛板。
说明书
电催化系统及运用于该系统的医化废水出水处理方法
技术领域
本发明涉及医化废水出水处理的技术领域，特别涉及一种电催化系统及运用于该系统的医化废水出水处理方法。
背景技术
近年来，伴随着人类对健康的关注以及对生命的重视，医药行业得到了迅猛发展，特别是医药工业，其包括化学制药工业(包括化学原料药业和化学制剂业)、中成药工业、中药饮片工业、生物制药工业、医用材料及医疗用品制造工业、医疗器械工业等生产制造企业。大规模的医药生产，产生了大量的医药废水，这些医药废水由于大部分含有高毒性，直接排放，带来了一系列的环境问题。
医化废水具有以下两个特点：一、废水中污染物浓度高;二、医化废水具有季节性，夏季生产感冒类药品较多，春秋季生产肠胃药品较多，使得医化废水的成分变化大。目前，医化企业和医化工业园皆采用“预处理+生化处理”工艺对医化废水进行处理，但由于医化废水上述的两个特点，无法保证生化处理后医化废水出水的稳定达标排放，医化废水出水的色度、COD、氨氮、SS均不达标。
而现有技术中，针对医化废水出水的处理，主要有以下几种：
(1)吸附法：采用活性炭吸附工艺对生化出水进行吸附，能够降低出水SS、COD和色度等，此技术操作简单、灵活性大，费用低。不足之处：无法对出水氨氮进行降解，同时吸附饱和的废活性炭会造成二次环境污染。
(2)芬顿和类芬顿氧化法：向废水中投加双氧水和亚铁等药剂，使废水中有机污染物得到去除，此技术能够较为彻底降解COD和色度以及SS等。不足之处：反应需要偏酸性环境，调节酸碱，反应后产生的铁泥造成二次污染，双氧水属于危险品，操作繁琐。
(3)次氯酸钠氧化法：针对COD和氨氮超标，采用次钠氧化，能够明显降低出水氨氮，最终是达标排放，解决氨氮超标问题。此工艺操作简单，管理方便，设备运转费用低。不足之处：次钠氧化性弱，无法解决COD超标问题和SS超标问题;此外，次氯酸钠消耗量大，运行成本高。
(4)臭氧催化氧化法：利用臭氧的强氧化性氧化废水中的有机污染物质，解决废水COD超标问题，使出水最终达标排放。此工艺自动化程度高，工艺成熟，对COD降解效率高。不足之处：针对氨氮超标问题，此技术无法解决。
(5)曝气生物滤池(BAF)：生化出水从滤床底部由下向上穿过由滤料组成的滤床，有机污染物由水相转移至水-微生物混和相，通过固着于滤料上的微生物代谢作用而被分解，对于微过量超标废水具有明显处理效果。不足之处：对于生化出水过度超标情况，难以达到处理要求。
(6)强电解氧化电催化装置：利用电的强氧化作用，对有机物进行降解。但是实际的使用过程中，会利用三维电催化装置来处理前端的废水，但现阶段使用不成熟，且一般不用于处理后端废水，但前端处理效果不明显，不被普遍使用。
现有技术中若要对COD和氨氮进行处理，其需要将几个工段组合在一起;若利用现三维电催化装置处理则效果不明显。本发明针对高浓度生化出水(COD≤1500mg/L，氨氮≤500mg/L，SS≤200mg/L)，提出电催化处理系统，以及仅利用电催化技术原理的处理方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，本发明的第一个目的在于提供一种电催化系统。
本发明的第二个目的在于提供一种医化废水出水处理方法，达到了仅利用电催化原理对废水中COD和氨氮进行处理，并达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的二级标准(COD≤300mg/L，氨氮≤50mg/L，SS≤150mg/L)的效果。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种电催化系统，包括依次连通的三维电催化装置和二维电催化装置，所述三维电催化装置包括第一壳体、设置于第一壳体两侧的第一阳极板和第一阴极板、第一阳极板和第一阴极板之间为用于放置催化剂的放置腔，第一壳体底部连通有第一进水口，顶部连通有第一出水口;所述二维电催化装包括第二壳体、设置于第二壳体内的电极组件、使废水在电极组件内流动的导向组件，第二壳体连通有第二进水口和第二出水口;导向组件将电极组件的长度方向分为多段，所述电极组件包括第二阳极板和第二阴极板、连通于第二阳极板和第二阴极板之间的电极板;第二壳体包括第二箱体和第二盖体，第二箱体内固定有多个与电极组件平行设置的分区板，分区板将第二壳体分为多个氧化区，相邻氧化区之间依次连通。
采用上述技术方案，将经过初步处理的污水通入至三维电催化装置，并将催化剂填充于第一阳极板和第一阴极板之间的放置腔内，废水从第一进水口进入，且第一进水口设置于第一壳体的底部，废水会从催化剂的底部漫上至催化剂上方，从而出水，第一进水口和第一出水口的设置可以保证废水除水之前必定会经过催化剂，从而保证废水进入三维电催化装置的处理效果。在二维电催化装置中，通过第二壳体和导向组件的配合，使得废水必须经过电极组件，才能从电极组件的一段进入至另一段中，保证废水与电极组件之间的接触和反应，保证电解效果。
单个第二壳体中，可以平行设置多个氧化区，每个氧化区内均设置有一个电极组件，对废水进行处理，相邻的氧化区之间依次连通，废水依次通过多个氧化区，加长废水的处理路径，提高对废水的处理效果。导向组件将单个电极组件分为多端，在废水需要从电极组件的一端流动至另一端时，必须经由多段导向组件，保证废水与电极板接触的时间，提高电解效率。
本司通过多次实践发现：污水先经过三维电催化装置，通过催化剂以及阳极和阴极的强电解作用，将大分子有机物分解成小分子有机物，再通过二维电催化装置，将小分子有机物以及氨氮进行氧化降解，使用时，在二维电催化装置中添加双氧水，则电催化氧化效果更好。单独使用二维电催化装置时，由于大分子有机物没有被分解为小分子有机物，二维电催化装置的去除率不是很好，但连用时，可以达到很好的污水处理效果。
进一步优选为：所述第一壳体包括第一箱体、设置于第一箱体上方的第一盖体、固定于第一箱体上的两块用于固定第一阳极板和第一阴极板的固定板、固定于两块固定板之间用于承载催化剂的承载板，固定板将第一壳体分为第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体远离第一盖体的一端连通，承载板靠近第一盖体的一侧为放置腔;第一进水口连通于第一腔体靠近第一盖体的一侧，第一盖体上设置有第一排气管;第一箱体底部设置有曝气装置。
采用上述技术方案，进水时，通过第一进水口，将废水通入至第一腔体内，废水通过第一腔体依次流入第二腔体，并向上逐渐进入催化剂所在空间，进行电解催化氧化反应。若直接将第一进水管连通于第二腔体的底部，第一进水管需要承受很大的水压，而设置了第一腔体后，将第一进水管设置于高度较高的位置，可以减少第一进水管所受到的水压。第一排气管可以将三维解催化装置内的气体排出，减少第一壳体内的气压，避免气压过大爆炸的发生。
进一步优选为：所述电极板包括与第二阳极板固定的多块间隔设置的第一极板、与第二阴极板固定多块间隔设置的第二极板、设置于相邻第一极板和第二极板之间的第三极板，所述电极组件还包括多块绝缘的抵紧块，所述抵紧块上设置有卡槽，第一极板、第二极板、第三极板卡接与卡槽中或抵接于抵紧块端面上。
采用上述技术方案，第一极板与第三极板之间会产生电场，第二极板与第三极板之间也会产生电场，而第三极板位于电场中，也可以获得通电的效果，不是直接连接于第二阳极板和第二阴极板上的第三极板上第三极板表面也可以进行电解，从而增加可电解的面积，提高电解效率。同时，电极板之间形成高压的电场，可以为化学键的断裂提供更多的能量，从而可以进一步提高电解氧化效果。
进一步优选为：所述第一极板和第二极板的数量一一对应，对应的第一极板和第二极板位于同一直线上;电极板还包括多块重合于第一极板和第二极板连线上的间隔极板，间隔极板的两端卡接于抵紧块上，中部抵接于抵紧块端面上;第三极板覆盖第一极板与间隔极板、相邻间隔极板、间隔极板与第二极板之间的间隙，间隔极板覆盖相邻第三极板之间的间隙。
采用上述技术方案，第一极板和第二极板将第三极板通电，而相邻第三极板之间产生的电场，使得间隔极板也位置电场中，实现通电，可通过增多间隔极板的数量，增长电极组件的整体总长度，从而加长废水的电解路径，提高废水处理效果。
进一步优选为：所述第二阳极板和第二阴极板之间设置有两块与第一极板平行的绝缘的两块侧板，第一极板、第二极板、第三极板、间隔极板均设置于两块侧板之间，抵紧块之间穿设有螺纹杆，螺纹杆两端位于两块侧板外，并螺纹连接有抵接于侧板外的螺母。
采用上述技术方案，为抵紧块提供安装位置，同时将所有电极板设置于侧板之间，在进行电极组件的安装时，利用侧板进行安装，对电极板进行保护。
进一步优选为：所述导向组件包括多个设置于氧化区内垂直于电极组件长度方向设置的支撑板、与支撑板抵接且覆盖部分第一通孔的抵接板，支撑板上开设有用于放置电极组件的通孔，通孔靠近第二盖体的一端贯穿所在支撑板;电极组件与通孔和抵接板均抵接;第二进水口连通于最侧边氧化区的端部。
采用上述技术方案，废水从第二进水口进入后，接触到第一段电极组件，由于支撑板和抵接板的配合，废水只能从电极组件所在横截面通过，即废水只能从电极板之间通过并进入下一段电极组件中，迫使废水与电极板接触，保证废水与电极板接触的时间，提高电解效率。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种医化废水出水的处理方法，包括以下步骤：
一：前处理：通过30-60min混凝沉淀或混凝气浮，对原出水中的悬浮物进行处理，并进行固液分离，得到去除悬浮物后的废水A;
混凝沉淀：往原出水中依次加入混凝剂和助凝剂，产生沉淀泥;
混凝气浮：往原出水中加入混凝剂，再通过气浮法，原出水上表面产生浮渣层;
二：将废水A通入至电催化系统，废水A通入三维电催化装置中，得到废水B;废水B通入二维电催化装置中，出水得到净化水;
所述混凝剂与原出水的质量份数比为(0.0005-0.01)：1;所述助凝剂为质量分数为0.1%-0.5%的聚丙烯酰胺水溶液，助凝剂与原出水的质量份数比为(0.0005-0.01)：1;
所述二步骤中，废水A在三维电催化装置中的水力停留时间为30-120min;废水B在二维电催化装置中的水力停留时间为25-90min;
所述二步骤中，废水A中电解质的质量百分比大于等于0.2%，电解质为氯化钠、氯化铵中至少一种。
采用上述技术方案，一步骤中先将原出水中的SS去除，再在二步骤中进行COD和氨氮的去除，而在二步骤中，三维电解装置先将废水A中的有机物大分子降解为小分子有机物，同时降解部分氨氮，废水B进入二维电解装置后，二维电解装置将小分子有机物以及部分氨氮进行强氧化，降解为无害的小分子。从结果显示，可以将COD≤1500mg/L，氨氮≤500mg/L，SS≤200mg/L的医化废水出水进行处理，并达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的二级标准。
在利用电催化系统对COD和氨氮进行处理的过程中，一方面，相比于现有技术是不需要另外添加药剂的，只需要电费成本。现有技术中，例如芬顿需要添加亚铁和双氧水、次氯酸钠氧化法需要添加次氯酸钠、臭氧氧化需要添加臭氧发生器，可以省去药剂成本，以及人工成本(计算投加量以及投加药品)或是设备成本(自动送投料、臭氧产生)，而且投加药剂可能会二次污染废水，还可能提高废水中的盐分。
目前，去除有机物和氨氮使用的最多的就是臭氧催化氧化法以及芬顿氧化，臭氧催化氧化法方法对于废水出水中COD和氨氮浓度均≤100mg/L时，即临界超标时，臭氧氧化的成本还可以接受，但是一旦废水出水中COD和氨氮的浓度提高至100mg/L以上，例如500mg/L，其成本就会很高，不容易接受。而芬顿氧化药剂成本高且会产生二次污染，微废污泥。
废水中的电解质主要是起到导电作用，增强废水在三维电催化装置和二维电催化装置内的导电作用，而在实际情况中，医化废水出水中一般都含有0.2-1%的电解质，一般不需要另外投加;为了避免电解质过少情况而影响电解效果的情况出现，需要增加限定。而在电解质中，选用了包含氯离子的盐，氯离子在电解的条件下可以形成次氯酸根，水中的部分有机物进行氧化，提高废水在电催化系统中的除污效果。
进一步优选为：所述一步骤中，混凝剂为质量分数为5-15%的聚合氯化铝水溶液、质量分数为5-15%的聚合硫酸铝水溶液、质量分数为1-10%的聚合氯化铁水溶液、质量分数为1-10%的硫酸亚铁水溶液中至少一种;一步骤中，通过调酸剂和调碱剂将原出水控制于pH=7-9;调碱剂为可溶性氢氧化物，调酸剂为盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。
采用上述技术方案，聚合类的混凝剂属于无机高分子混凝剂，对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原出水都可达到好的混凝效果，水温低时仍可以保证稳定的混凝效果，且对pH的要求不高;硫酸亚铁价格低廉，可与水中有色物质反应。在调酸剂中，盐酸中包含有氯离子，在二步骤电解催化氧化的条件下，可以形成具有强氧化性的次氯酸根，对水中的部分有机物进行氧化，提高废水在电催化系统中的除污效果。
进一步优选为：所述第一阳极板和第一阴极板之间的距离为300-500mm，三维电催化装置采用高频直流电源且电流密度为25-30mA/cm2;二维电催化装置与电源的连接方式为双极式，电流密度为25-30mA/cm2，电极板之间的距离为3-5mm。
采用上述技术方案，可以获得更好的电解效果，表现为二维电催化装置和三维电催化装置的除污效果更好。
进一步优选为：所述第一阳极板和第二阳极板为表层镀钌铱涂层或者铱钽涂层的钛板，钌铱涂层或铱钽涂层在钛板上的用量为10-40g/m2;第一阴极板和第二阴极板为钛板或不锈钢板，电极板为钛板。
采用上述技术方案，钌铱涂层或铱钽涂层主要为电解提供催化作用，经实验得出，使用台钛板与钌铱涂层或铱钽涂层的结合，且钌铱涂层或铱钽涂层在上述合适用量范围内，其电解效果最好。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、通过采用前处理和电催化系统的工艺处理，COD降解率达到80%以上，氨氮降解率达到96%以上和SS去除率达到90%以上，出水各项指标，满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的二级标准。
2、通过设置导向组件，将废水限制于从电机板之间通过，提高电极板与废水的接触率，提高电解氧化效果。
3、通过设置第一极板、第二极板、第三极板、间隔极板，可以增大电极组件的长度，同时在电极板之间提供高压电场，为化学键的断裂提供更多的能量，从而可以进一步提高电解氧化效果。
4、通过设置二维电催化装置和三维电催化装置的各距离、电流密度参数，实现更好的电解效果。（发明人林金华;傅唤春）
