CN1445181A - 电解生物活性炭水处理技术 - Google Patents

Abstract

一种电解自由基氧化生物活性炭水处理技术，将需要处理的原水进入处理单元的电解部分，首先经过阳极产生的羟基自由基的氧化和阴极产生的氢自由基在阴极表面的催化加成，使有机物降解脱毒；同时阳极产生的分子态氧供给下一步生物活性炭利用，经降解脱毒后的处理水经过生物活性炭处理后，有机污染物进一步去除，达到深度处理的目的。是一种新型的给水或有机废水深度处理的技术。

Description

电解生物活性炭水处理技术

本发明属于利用电解-生物活性炭工艺处理饮用水中有机微污染物或其他难降解有机废水的高效处理工艺。

电化学过程是水处理中一个常见的过程。它利用电极表面的化学反应过程可以氧化或还原各类污染物质，它可以在电场作用下直接裂解某些化合物，也可以电场作用下使某些化合物聚合成大分子化合物，还可以使产生的气态氧化剂和还原剂在液相进行氧化还原反应，同时还可以利用产生的气体作为气浮载气使污染物分离。因此，电解、电浮选等污水处理工艺应运而生，在水处理中起到了重要作用。

在水的物化处理过程中，活性炭吸附起着重要的作用，活性炭可以适应吸附各类不同的污染物，净化水体。但吸附过程是一个物化过程，污染物从水相转移到固相(活性炭)后，需要一个再生过程—解吸，将吸附后的物质去除掉，进一步处理利用。所以，吸附的效率不仅与吸附过程有关，也与再生过程有关，再生过程直接影响到再吸附的能力。通常活性炭的再生可以用化学试剂再生、水蒸气再生、高温分解热再生等方法，其能耗及试剂消耗均高，同时这些方法使活性炭的损失率也提高，更增加了吸附处理成本，致使在水处理中不能经济有效地利用具有优良吸附性能的活性炭。

将电解自由基氧化过程与生物活性炭吸附降解过程的结合使本发明的基本思路，其目标是通过选用适宜的析氧电极，使电解过程中氧的过电位大大降低，降低电解过程的能耗损失，从而有效地放出大量的羟基自由基。利用羟基自由基强的氧化性氧化降解水体中微量有机污染物或其它难降解有机物；同时选用适宜的阴极，使电解过程中既能够有效地放出氢自由基，而且过电位低，又能够作为多环芳烃加成的催化剂，使多环芳烃加成转化为多环烷烃，降低其毒害性。此外，在电解过程中，部分未参与氧化的羟基自由基会结合生成分子态氧，在电解部分的末端设置一生物活性炭处理***，电解生成的分子态氧可以供给生物活性炭上的微生物利用，提高微生物降解的效率。

本发明的目的是给出一种基于连续电解—生物活性炭吸附降解原理的可用于饮用水净化、难降解有机废水处理等过程的组合工艺，使其实现连续高效地去除水体中的微量有机污染物和难降解有机物，达到水体净化的目的。

与现有技术相比，本发明工艺具有的优点和有益效果如下：

1.在本发明过程中，首先将电解和生物活性炭技术有机地结合起来，电解过程中生成的羟基自由基不但可以降解水体中的有机物，而且生成的分子态氧可以供给生物活性炭上的微生物利用，提高微生物的降解作用，二者相辅相成，提高水体中有机物的去除效率。

2.在电解的过程中选用了特殊的阴极，阴极不但起到电解过程中电流传递的作用，而且可以作为电解过程中放出的氢自由基与多环芳烃加成的催化剂，降低毒害有机物的毒害作用。

3.在本发明中，选用了非常理想的析氧阳极，使得电解过程中氧的过电位有效地降低，而且电解过程中羟基自由基的析出效率提高，提高了有机物的氧化效率。

4.在本发明中，阳极区域与阴极区域利用一种离子交换膜分隔，这样既可方便地阻止了阳极上电解产生的羟基自由基与阴极上产生的氢自由基发生氧化还原过程，提高羟基自由基和氢基自由基的利用率；而且可以使阳极和阴极保持很小的距离，降低电解过程的电压。

本发明的构成如下：

本发明根据处理水量和水质类型的不同，可以选用不同的结构形式，现将一种最基本的结构形式描述如下：

图1为一下进水柱形电解生物活性炭处理结构单元

该类型的电解自由基氧化生物活性炭降解有机微污染设备基本组成为：(1)处理单元柱体，(2)析氢催化阴极，(3)阴极接线柱，(4)阳极接线柱，(5)析氧阳极，(6)固定螺丝，(7)法栏，(8)进水口，(9)胶垫，(10)布水器，(11)支架，(12)阳离子交换膜，(13)隔板，(14)外套管，(15)内套管，(16)盖板，(17)生物活性炭隔板，(18)生物活性炭，(19)出水口。

在本发明所述的结构中，柱体(1)为圆柱形，一般可以用用有机玻璃管或者PVC等具有一定耐腐蚀性和耐压性能的材料，柱体的大小根据处理水量的大小和水力停留时间而定，水力停留时间一般在0.2～3小时内变化，主要取决于处理原水污染物浓度，高浓度时水力停留时间长，低浓度时水力停留时间短，同时也与所要求的处理水平有关，要求的处理水平越高，则停留时间越长。

理论上讲，任何产生氢气的电极均可用作阴极(2)，这类电极包括镍和以它为主的合金，如以镍和铬为基体的合金；不锈钢，它们的型号有304、310、316等；石墨、石墨带、多层石墨布；钛或其它电子管金属以及在电子管金属上镀有可降低氢的过电位的金属。但是，考虑到本发明其中一个主要作用是利用电解过程中产生的氢自由基对水体中的多环芳烃进行加成，阴极同时兼作催化剂的作用。因此，符合这一要求的阴极主要包括镍电极，或者以镍为主的其它合金电极。

本发明的阳极(5)一般使用特制的阳极，这些阳极包括市场上常见的一些构型稳定的阳极。而且这些阳极必须是一种析氧电极，这些电极一般最好选用网状或其它具有高的比表面的电极。电极材料包括铂、金、钯或它们的合金及它们的混合物，或是在各种惰性基体(如电子管金属钛)上镀上这些金属的一种单体或者多种组分的混合物。此外，铱、钌、铷的氧化物或者它们与铂族金属或其它稀有金属的合金也可用作这类阳极使用。市场上目前现有的这类阳极有中国科学院金属腐蚀与防护研究所生产的酸性介质中系列氧化物析氧阳极，或者广东省有色金属研究院研制的析氧阳极。其它的电极材料包括石墨棒、石墨网等，但它们的析氧效率一般比较低。

在本发明中，用于分隔阳极区和阴极区的阳离子交换膜(12)应是一类惰性膜，即水体中的物质和阳极电解产生的自由基或阴极电解产生的自由基不能与膜反应。且它不具有穿透性，即对阳极区域和阴极区域中的电解质以及各区域中电解所产生的气体均不能穿过该交换膜。众所周知，在阳离子交换膜上包含有固定的阴离子基团，而在它上面的阳离子是可离解的部分，可与外来的阳离子发生交换，但它排斥外来的阴离子。通常树脂型交换膜的基体是一类交联共聚物，在这类共聚物的基体上有带电的基团如—SO₃ ^-或它与—COOH的混合物。可用于制造交换膜的树脂包括碳氟化合物、乙烯系化合物，聚烯烃类物质、烃及其它一些共聚物。用于制作阳离子交换膜的树脂主要由带有极性基团磺酸基和羧酸基的碳氟化合物的聚合物或乙烯类的化合物如乙烯基苯等物质构成。这里的“磺酸基”和“羧酸基”包括可水解电离的盐类物质。

适宜的阳离子交换膜在国内就可买到，如上海化工厂生产的3361-BW聚乙烯异相阳离子交换膜和浙江临安有机化工厂生产的聚乙烯异相阳离子交换膜，以及北京顺义水处理设备厂生产的YU-2均相阳离子交换膜和上海原子核研究所生产的聚偏氟乙烯均相阳离子交换膜。在国外市场上具有抗氧化性和耐高温型的杜邦公司生产的耐氟纶型阳离子交换膜，其性能更为优越。

法栏(7)主要用于固定下底座与柱体，一般用柱体相同的材料做成，这样可以有效地防止材料因热胀冷缩而引起下底座与柱体间的开裂。在底座与柱体之间放置胶垫(9)，以防接缝之间渗漏。隔板(13)必须具有一定的强度，而且在隔板上部很多均匀的孔眼，使阳极区域和阴极区域之间的离子先通过孔眼然后再通过离子交换膜，进行交换，达到传导电流的目的。外套管(14)的底部装有阳离子交换膜(12)和隔板(13)，并利用于柱体相同的材料固定在柱的内壁上，同时外套管(14)与柱体(1)要保持一定的距离，使处理水可以沿回流管的外壁进入内套管(15)内。内套管(15)通过盖板(16)固定在柱体(1)上，盖板(16)使内套管(15)与柱体(1)密封，从而使进入柱内的处理水沿如图所示的线路流动，达到深度处理的目的。

在生物活性炭处理的部分中，生物活性炭(18)放置在活性炭支撑隔板(17)上，在活性炭支撑隔板(17)上同样均匀地留有孔眼，可以使处理水顺利流过活性炭层，同时活性炭层隔板也兼有布水器的作用。在隔板(17)上首先放置适合粒径的砂粒，然后在其上面放置生物活性炭(18)，这样可以有效地防止活性炭进入电解处理的部分。同时，在生物活性炭装填到处理柱时，活性炭上的微生物首先要经过驯化，在驯化微生物的时候，应根据处理水水质的不同选用不同的营养基。对于以饮用水中有机微污染物为主要处理对象的单元，驯化微生物的营养基最好不添加氮源和磷源，在活性炭上培养好氧微生物。对于以难降解有机废水为主要处理对象的处理***，驯化微生物的营养液尽可能地用处理原水，同样驯化的微生物以好氧微生物为主。

在本发明中，生物活性炭处理层应该与电解部分保持一定的距离，距离过大，使处理单元体积过大，距离过小，电解过程生成的羟基自由基会对活性炭上的微生物起到一定的杀灭作用，降低生物活性炭的效果。在本发明实施的结构中，活性炭层与电解部分的距离保持在600mm左右。

在本发明中，处理水从进水口(8)进入设备，经过均匀布水器(10)后，经电解阳极区域羟基自由基氧化后，经回流区进入阴极区域，然后在阴极区域氢自由基的加成后，进入生物活性炭处理部分，水体中剩余的有机污染物在生物活性炭(18)上进一步降解后通过出水口(19)流出处理***。

本发明过程的操作电流密度在0.01KA/m²-10KA/m²之间，通常常用的范围是0.05KA/m²-3KA/m²之间，最佳电流密度在0.1KA/m²-1KA/m²之间。阳极与阴极之间的距离，可以改变电解部分电解电压和电流效率。极距愈小，膜间电阻就愈小，则电解电压就愈小，电流效率愈高。这一间距在0.1-10cm之间选择，通常的范围为0.3-2cm。

本发明所述的设备，其电源配置可用稳压直流电源，脉动直流电源或高频脉动直流电源，视处理对象和水质不同而已。电源电压宜采用36伏以下的安全电压。

本发明所能达到的效果是：

1.适用范围广，该处理工艺不仅可以适用于饮用水中有机微污染物的去除，而且还可适用于各类有机废水中有机物的去除。包括城市生活污水，饭店宾馆生活及洗浴废水，石油炼制废水，石油化工废水，印染废水，基本合成有机废水以及农副产品综合利用加工废水等。

2.处理成本低，该工艺的处理成本主要取决于污染物的浓度，对于饮用水中有机微污染物的去除，电耗一般维持在0.1KWH/吨左右，而对于处理COD浓度在1000mg/L以下的废水，电耗一般为0.2～0.8KWH/吨。

3.处理过程简单，在生物活性炭处理过程中，不需要添加曝气装置，而且可以实现连续操作、自动控制，基本不需要人工操作与维护。

实施例：

1.一个如图所示的电解生物活性炭处理单元用于处理饮用水源中的有机微污染物。在进水中，11种挥发性有机微污染物的浓度总含量为46mg/L，在处理单元中的水力停留时间为15分钟，经过该处理单元自由基氧化还原和生物活性炭处理后，处理出水中含有7种挥发性物质，总浓度为5.1mg/L，而且大分子有机物基本彻底去除。电耗为0.08KWH/吨。

2.生活污水深度处理达到中水回用的目的。综合生活污水的COD为340mg/L，经沉降、生化处理后，COD为108mg/L，采用如图所示的电解生物活性炭处理单元进一步处理后，出水COD仅为28mg/L，完全达到国家中水回用的标准。在处理过程中，水力停留时间为60分钟，电耗为0.52KWH/吨。

Claims (1)

1. 一种电解自由基氧化生物活性炭水处理技术，主要包括：一个盛装处理单元的柱体(1)和装在柱体内的电解处理单元和生物活性炭处理单元的结合，其特征在于：反应器柱体(1)垂直放置，在柱体的底部放置均匀布水器(10)，特制的析氧阳极(5)，催化析氢电极(2)作阴极，阳极电解区与阴极电解区利用隔板(13)和阳离子交换膜(12)隔开，处理水由进水管(11)进入，经阳极区自由基氧化后，进入外层套管(14)，然后进入内层套管(15)到达阴极区，最后通过生物活性炭(18)处理后由出水口(19)排出处理***。

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