CN109912105A

CN109912105A - 一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水电化学处理反应器及方法

Info

Publication number: CN109912105A
Application number: CN201910309637.1A
Authority: CN
Inventors: 陈男; 邓阳; 冯传平
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明公开了一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水电化学处理方法。该方法可在同时实现含氮有机废水中污染物去除的基础上，在传统的电絮凝污泥中形成具有强磁性铁化合物，从而使电絮凝污泥获得磁性。方法核心是通过引入两个阳极，一个是铁阳极，一个是Ti/RuO₂阳极，并且铁阳极和Ti/RuO₂阳极交替工作，为体系创造过渡态的氧化还原环境，促进强磁性Fe₃O₄和γ‑Fe₂O₃的积累。基于本发明的方法，本发明还提供了一种电化学反应器，广泛适用于在含有电絮凝处理单元的含氮有机废水(例如生活污水、工业废水和垃圾渗滤液等)处理中的总氮和COD的去除，同时使电絮凝污泥获得磁性，实现污泥的快速磁分离。

Description

一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水电化学处理反应器及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种处理含氮有机废水的方法及反应器。

背景技术

含氮有机废水是来源于生活污水，养殖废水，厕所排水和垃圾渗滤液等的一种常见废水。含氮有机废水的直接排放会诱发区域生态环境问题并危害人类健康。已经证实，电化学技术由于其高效，稳定和环境适应性而适合于含氮有机废水的处理。然而，含氮有机废水的电化学处理存在两个重要难点。第一，虽然电化学氧化产生的有效氯有利于COD和氨氮的去除，但它会抑制亚硝酸盐氮和硝态氮的阴极还原，这意味着很难实现通过单个电解槽同时实现含氮有机废水中总氮和COD的去除。考虑到这一点，在先前的报道中，往往通过连接多个电解槽来强化总氮和COD的去除率。例如，电絮凝槽与电化学氧化槽的连接用于处理含氮有机废水(如生活污水，池塘水，养猪场废水和垃圾渗滤液)，获得了90％以上的总氮和COD去除效率。然而，从反应工程的角度来看，基于多个电解池连接的组合电化学***的每个独立反应器之间的传质效率的总和通常低于集成的单个电解池。同时，单电解槽反应器更加便于运输和维护。因此，研发基于单电解槽的电化学反应器对于促进电化学技术在含氮有机废水处理领域的实际应用至关重要。然而，目前很少有报道通过构建单个电解池反应器同时从含氮有机废水中去除总氮和COD。

其次，目前为了实现含氮有机废水中总氮和COD同时去除，往往需要在电化学反应器中引入电絮凝单元。虽然电絮凝过程中产生的铁絮凝物有利于疏水性有机物从液相中分离，但是，电絮凝沉淀物的沉降性能差，固液分离时间长。因此，往往需要构建大体积的沉淀池或设计长的沉淀时间，这对于提升电化学反应器的处理效率是不利的。过去，通过添加氧化剂或助沉剂以加速电絮凝沉淀物的沉降。不幸的是，使用额外的化学品将不可避免地导致维护困难和高运营成本以及二次污染的风险。

基于上述两个重要困难，开发可在同一个电解槽中实现含氮有机废水中总氮和COD同时去除，并且利用反应器自身提升其电絮凝污泥沉降性能的方法和反应器，对于实现电化学技术在含氮有机废水处理领域的推广，实现含氮有机废水的经济高效处理具有重要意义。

发明内容

本发明第一方面的目的在于提供一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的方法，同时该方法具有在单电解槽中实现含氮有机废水中总氮和COD同时去除的功能。以填补电化学技术在单一电解槽中实现含氮有机废水总氮和COD去除方面的空缺及电絮凝污泥难以快速沉降的问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

通过构建具有铁和Ti/RuO₂两个阳极的反应器，并使两个阳极交替工作，在铁阳极条件下，高价态的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮可被快速还原成氨氮，在Ti/RuO₂阳极条件下，氨氮被迅速氧化为氮气而从液相中去除。此外铁阳极和Ti/RuO₂阳极交替工作，可为体系创造过渡态的氧化还原环境，促进强磁性Fe₃O₄和γ-Fe₂O₃的积累，进而使电絮凝污泥获得磁性。

可选的，所述阴极可采用铁、铝或铜作为电极材料。

相应的，本发明还提供一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水处理的电化学反应器，包括：可交替阳极运行的双阳极电化学反应

所述的使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水处理的电化学反应器的运行方式包括：

水流首先通过进水口进入反应器后，关闭进水口，之后接通电源启动电化学***，电化学***的两个阳极工作顺序为铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极，电化学***处理后，关闭电源，打开电磁分离***的开关，沉淀物经电磁分离***的电磁铁分离后，由下端的排泥口排除。

本发明具有如下有益效果：本发明提供一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水处理的电化学反应器，可同时实现含氮有机废水中总氮和COD的同时去除，同时基于反应器创造的独特的氧化还原环境，可使电絮凝污泥中形成磁性的铁氧化物，从而使电絮凝污泥具有磁性，便于通过外加磁场进行分离，加快泥水分离时间，提高处理效率。

附图说明

说明书附图图1为本发明实施例提供的处理含氮有机废水的反应器结构示意图；

图1中标记示意为：1-控制电化学反应器的直流电源，2-单刀双掷开关，3-铁阳极，4-阴极，5-Ti/RuO₂阳极，6-进水口，7-电化学反应器主体，8-出水口，9-电磁分离装置，10-排泥口，11-控制电磁分离装置的直流电源，12-开关。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

一种应用权利要求1所述的方法处理含氮有机废水，其原理包括以下3个过程：

第一过程，在接通电源后，在铁阳极条件下，由于铁阳极具有低的有效氯生成倾向，因此阴极还原促进了硝态氮向氨氮的转化(方程式1-2)。同时，铁阳极溶出的铁絮凝物促进了疏水性有机质从液相中的分离。

NO₃ ^-+H₂O+e^-＝NO₂+2OH^- (1)

NO₂ ^-+5H₂O+6e^-＝NH₃+7OH^- (2)

第二过程，在接通电源后，在Ti/RuO₂阳极条件下，有效氯迅速生成，并快速与氨氮进行反应，使氨氮转化为氮气从而实现总氮的去除(方程式3)。同时，有效氯也与COD发生反应，促进COD的矿化去除。基于第一过程和第二过程，通过本发明提出的电化学反应器可同时实现含氮有机废水中总氮和COD的去除。

2NH₄ ⁺+3ClO^-＝N₂+3H₂O+2H⁺+3Cl^- (3)

第三过程，在第一过程和第二过程的阳极交替工作过程中，促进了电解体系形成了过渡态的氧化还原环境，因此，在铁阳极条件下，基于Fe²⁺的晶格嵌入和阴极还原过程，铁化合物的演变遵循：α-Fe₂O₃(无磁性)→γ-Fe₂O₃(弱磁性)→Fe₃O₄(强磁性)，基于Ti/RuO₂阳极条件下，在有效氯作用下，铁化合物氧化遵循：绿绣→Fe₃O₄(强磁性)→γ-Fe₂O₃(弱磁性)。因此，在本发明的电化学反应器中主要形成的稳定晶型的铁化合物为具有磁性的γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄，磁性铁氧化物的形成分散在电絮凝污泥中，因此，本发明的电化学***为电絮凝污泥的加速分离提供了可行方案。

如图所示，本发明提供一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水电化学处理反应器，优选为固定床反应器，核心部件包括：包含可交替阳极运行的双阳极电化学反应器和电磁分离装置。可交替阳极运行的双阳极电化学反应器包括1个Ti/RuO₂阳极板、1个铁阳极板和1个阴极极板。电化学***的两个阳极工作顺序为铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极。电化学***处理后，关闭电源，打开电磁分离***的开关，沉淀物经电磁分离***的电磁铁分离后，由下端的排泥口排除。整个反应工艺采用序批式操作方法。电化学反应器的优选运行条件为电流密度100mA/cm²，反应时间140min，阳极交替时间为20min，优选沉淀分离时间为1min。

作为优选方案，所述集成式电化学反应器采用阴极和阳极的形状为板状或网状。

综上所述，本发明通过集成多种电化学过程的优势，实现高效COD和总氮的去除，并可通过工艺运行创造的独特的氧化还原环境，促进电絮凝污泥中铁磁性晶型的形成，因此，在污染负荷削减的同时，实现电絮凝污泥的快速分离。此外，本发明电化学反应器使用的消耗性阳极为铁阳极，价格低廉，使用的Ti/RuO₂阳极材料不易损耗。本发明提供的方法及反应器能够简便、快捷、高效地处理含氮有机废水。

具体的，本发明具有如下特点：

1、本发明在电化学反应器中实现含氮有机废水中总氮和COD的同时去除；

2、本发明在电化学反应器在两个阳极交替过程为体系创造了独特的过渡态氧化还原环境，促进了电絮凝污泥中磁性铁氧化物晶体的形成，从而使电絮凝污泥获得磁分离性能；

3、本发明电化学反应器的消耗性阳极为价格低廉的铁阳极，同时，第二个阳极为稳定的Ti/RuO₂阳极，同时铁的溶出可提高溶液电导率，降低产热量。因此，本发明的反应器可实现长期运行的经济性；

4、用于实施本发明的反应器制作简单、操作方便，自动化程度高。

因此，本发明解决了传统电化学工艺难以在一个电解槽中实现COD和总氮难以同时高效去除的问题，以及电絮凝污泥沉降性能差沉淀时间长的缺陷，提高了反应器高效处理含氮有机废水的实用性。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

如说明书附图所示，一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的含氮有机废水电化学处理反装置，接通电源，电化学***的两个阳极工作顺序为铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极→Ti/RuO₂阳极→铁阳极。阳极交替时间为20min，电解140min，电流密度100mA/cm²，取样测试处理效果。

在上述条件下，选择垃圾渗滤液生化出水为实验对象(由于其具有含氮有机废水的全部特征)，污水经本发明的反应器处理后，出水COD去除率为75.5％，TN去除率为94.9％。

实施例2

反应器设置如实施例1，以实际垃圾渗滤液生化出水为实验对象(由于其具有含氮有机废水的全部特征)，污水经本发明的反应器处理后，在铁阳极条件下获得的主要稳定晶型为Fe₃O₄，在Ti/RuO₂阳极条件下获得的稳定晶型为γ-Fe₂O₃，反应140min后对沉淀进行磁分离，通过1T的磁场，分离时间为24s。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的方法，其特征在于，在同一体系中通过引入两个阳极，一个是铁阳极，一个是Ti/RuO₂阳极，并且铁阳极和Ti/RuO₂阳极交替工作，可在同时实现含氮有机废水中污染物去除的基础上，为体系创造过渡态的氧化还原环境，促进强磁性Fe₃O₄和γ-Fe₂O₃的积累，并使其分布在电絮凝污泥中，进而使电絮凝污泥获得磁性，所述污染物指总氮和COD，所述同一体系指在一个完整的运行周期下的整个工艺体系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以成本低廉的铁作为消耗性阳极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以稳定性好、可长期运行的Ti/RuO₂作为电化学反应器的非消耗性阳极。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以稳定性好、可长期运行的铁板、铜板、锌板作为电化学反应器的阴极材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极材料的形状为板状或网状。

6.一种使电絮凝污泥获得磁分离性能的反应器，其特征在于，包括：

具有可交替阳极运行的双阳极电化学反应器和电磁分离装置。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，双阳极电化学反应器的两个阳极交替工作。

8.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述装置的运行方式包括：

9.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述电磁分离装置的本体为可控的电磁铁。