曝气式三维电芬顿流化床的制作方法

1.本公开涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种曝气式三维电芬顿流化床。


背景技术：

2.城市垃圾渗滤液是一种组成成分复杂的污水，将会污染地下水，对城市环境构成严重威胁。由于其含有多种有毒有害的难降解有机物，不易用传统的生化法来处理，因此，对垃圾渗滤液的处理，主要是从降低cod(chemical oxygen demand，指化学需氧量)和去除的混合物中有机物分子量来考察。芬顿试剂具有很强的氧化性，反应过程中可以将污染物彻底地无害化，而且氧化剂过氧化氢(h2o2)参加反应后的剩余物可以自行分解掉，不留残余，同时也是良好的絮凝剂，效果好，因此被广泛用于污水处理技术中。
3.由于作为芬顿试剂的过氧化氢不便于存储，且在运输过程中存在一定风险，导致整个处理系统具有更高的成本，并且控制要求也更高，因此目前较多采用电芬顿技术，以实现原位生产过氧化氢，不需要人工加入芬顿试剂，大幅度降低了处理成本，且有效避免了试剂在运输、储存或者处理方面的风险。然而电芬顿法产生过氧化氢效率较低，导致过氧化氢利用率不高，并且反应过程中产生的絮凝物同时又增加了后续处理，导致处理效率有限。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种曝气式三维电芬顿流化床。
5.本公开提供了一种曝气式三维电芬顿流化床，包括流化床罐体、布水器和曝气发生装置；
6.所述布水器包括用于供原水进入的进水端以及与所述流化床罐体的内腔连通的出水端，所述布水器用于向所述流化床罐体内输入原水和从所述流化床罐体内输出处理后的原水；
7.所述流化床罐体的内部设置有三维电芬顿单元，所述三维电芬顿单元包括阳极板、阴极板和负载有芬顿催化剂的三维电极，所述阳极板和所述阴极板相对设置，所述三维电极设置在所述阳极板和所述阴极板之间，并且所述三维电芬顿单元(4)的外侧与所述流化床罐体(1)的内壁之间具有空隙，所述空隙形成回流通道，以使经所述三维电芬顿单元(4)的顶部流出的原水自所述回流通道流回至所述三维电芬顿单元(4)的底部，以使所述原水进行循环处理；
8.所述曝气发生装置包括进气口和排气口，所述进气口位于所述流化床罐体外，所述排气口设置在所述流化床罐体内并朝向所述阴极板，所述曝气发生装置用于向所述流化床罐体内输入氧气，以使所述氧气和所述芬顿催化剂在所述流化床罐体内发生还原反应，产生芬顿试剂。
9.可选的，在所述流化床罐体内，所述排气口、所述出水端和所述三维电芬顿单元沿所述流化床罐体的轴线方向自下向上依次排布。
10.可选的，所述三维电芬顿单元设置在所述流化床罐体的中间位置处。
11.可选的，所述三维电芬顿单元的数量为三组，所有所述三维电芬顿单元沿所述流化床罐体内的原水流动方向依次排布。
12.可选的，所述阴极板和所述三维电极之间设置有绝缘板，所述阴极板和所述三维电极之间通过所述绝缘板相互分隔；所述阳极板和所述三维电极之间设置有绝缘板，所述阳极板和所述三维电极之间通过所述绝缘板相互分隔。
13.可选的，所述阴极板和所述阳极板之间填充有铁渣，所述铁渣与所述阴极板之间通过所述绝缘板分隔，所述铁渣与所述阳极板之间通过所述绝缘板分隔。
14.可选的，所述三维电极包括载体以及填充在所述载体上的三维粒子，所述载体的表面沉积有所述芬顿催化剂。
15.可选的，所述阴极板、所述三维电极和所述阳极板沿所述流化床罐体的轴线方向自下向上依次排布。
16.可选的，所述布水器的进水端处设置有连通至原水水源的ph调节水箱、提升水泵和水量调节阀门，所述ph调节水箱内具有酸碱度调节剂，所述ph调节水箱用于对原水的ph值进行调节；所述提升水泵用于将原水水源抽送至所述流化床罐体内。
17.可选的，所述曝气发生装置包括曝气盘、用于存储氧气的曝气罐、用于抽送氧气的曝气泵和气量调节阀门；
18.所述曝气盘位于所述流化床罐体内，所述曝气盘的表面形成所述排气口；所述曝气罐通过进气管路连通至所述曝气盘；所述曝气泵设置在所述进气管路上。
19.本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
20.本公开提供的通过在流化床罐体内设置三维电芬顿单元，结合连接至流化床罐体内的曝气发生装置来向内部充入氧气，氧气能够在三维电芬顿单元的阴极作用下产生过氧化氢，同时三维电芬顿单元内部含有的铁离子溶液也能够通过阴极作用产生亚铁离子，从而产生了具有强氧化性的芬顿试剂，实现了不需要外加药剂即可产出芬顿试剂的效果，在此基础上，通过布水器向流化床罐体内部充入原水，即可通过产生的芬顿试剂对原水中较难降解的有机物进行高效处理，进一步通过流化床罐体的回流通道对未充分降解的原水进行回流再次内循环处理。由于三维电芬顿单元具有三维电极，相比传统的二维电极处理技术，三维电极参加反应的有效面积大大增加，能够提高传质效率，因此强化了芬顿反应过程的速率和效果。同时，三维电极还作为芬顿催化剂的载体，实现了流化床工艺的效果，即通过粒子的附着作用，减少了铁泥的产生，大大降低了后续的铁泥处理成本。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
22.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本公开实施例所述的曝气式三维电芬顿流化床的结构示意图；
24.图2为图1中a部分的局部放大示意图。
25.其中，1、流化床罐体；11、出水溢流板；12、出水管；13、排气口；14、排污管；2、布水器；21、出水端；22、ph调节水箱；23、提升水泵；24、水量调节阀门；3、曝气发生装置；31、曝气盘；32、曝气罐；33、曝气泵；34、气量调节阀门；4、三维电芬顿单元；41、阳极板；42、阴极板；43、三维电极；43a、三维粒子；43b、铁渣；44、绝缘板；45、电源。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.对于城市生活垃圾的处理，目前卫生填埋因其相对的经济性依旧是我国的主流垃圾处理方式。然而填埋过程中产生的占垃圾量10％～30％的渗滤液，具有污染物浓度大、有机污染物种类复杂、氨氮离子浓度较高及水质不稳定等特点，需要重点对其进行处理。
29.随着高级氧化技术的不断发展，其在难降解污染物的处理上发挥了重要的作用。它是利用活性极强的自由基氧化分解水中的有机污染物，使其转化为无污染的二氧化碳和水。芬顿法就是高级氧化技术的一种，它是利用fe
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(亚铁离子)和h2o2(过氧化氢)反应，生成强氧化性的羟基自由基，由于羟基自由基具有很高的氧化电位和无选择性，因此其可以降解氧化多种有机污染物。
30.目前广泛应用的是电芬顿技术，因为使用芬顿法需要大量的试剂量，其制备、运输和储藏等花费较高，而电芬顿技术相对降低了这部分花费，它可以通过在适合的阴极附近曝气(氧气或空气)，从而利用电化学持续地产生h2o2。
31.然而，电芬顿技术在应用时，由于需要通过对阴极板曝气产生过氧化氢，曝气量过小时，过氧化氢的产量也相应较少，导致传质效果较差，反应速度较慢，而曝气量过大，又会对废水的搅拌过于强烈，导致反应中羟基自由基无法有效的与有机物接触反应，造成成本的浪费。因此，电芬顿技术由于条件制约，并不能完全不添加药剂来使用，因此对于运输和储存来说，问题只能够得到缓解，并不能完全解决。
32.本实施例提供的曝气式三维电芬顿流化床，通过负载型三维电极与电极板结合组成三维电芬顿体系，通过三维电极负载芬顿催化剂与助催化剂，通过析出铁离子与阴极板曝气产生过氧化氢反应，整个过程不需添加任何其他药剂，并且三维电极中的粒子还提高了和强化芬顿反应效果和反应速率，大大节约成本，规避风险。
33.如图1和图2所示，本实施例提供了一种曝气式三维电芬顿流化床，包括流化床罐体1、布水器2、曝气发生装置3和设置在流化床罐体1内部的三维电芬顿单元4；
34.布水器2包括进水端和出水端21，进水端连接至外部原水水源，出水端21连通至流化床罐体1内，布水器2用于向流化床罐体1内输入原水；
35.曝气发生装置3包括进气口和送气口，进气口位于流化床罐体1外，送气口设置在流化床罐体1内并朝向三维电芬顿单元4的电极表面，曝气发生装置3用于向流化床罐体1内输入氧气或空气；
36.三维电芬顿单元4包括阳极板41、阴极板42和三维电极43，三维电极43设置在阳极板41和阴极板42之间，并且三维电极43上负载有芬顿催化剂，阳极板41和阴极板42分别连接至电源45，以使氧气和芬顿催化剂在阴极板42的位置处发生还原反应，产生芬顿试剂。
37.其中，曝气发生装置3包括曝气盘31、曝气罐32、曝气泵33和气量调节阀门34；曝气盘31位于流化床罐体1内，曝气盘31的表面形成曝气发生装置3的送气口；曝气罐32用于存储氧气或空气，曝气罐32通过进气管路连通至曝气盘31；曝气泵33设置在进气管路上，曝气泵33用于抽送氧气或空气；气量调节阀门34设置在进气管路上，用于调节进气的气量，从而实现不同的内循环比来强化处理。
38.曝气盘31设置在流化床罐体1的底部，三维电芬顿单元4设置在流化床罐体1的中间位置处，并且三维电芬顿单元4的外侧与流化床罐体1的内壁之间具有空隙，空隙形成回流通道，以使经三维电芬顿单元4的顶部流出的原水自回流通道流回至三维电芬顿单元4的底部。从而实现对原水的循环处理，进一步降低原水cod，并且，可通过调节进气量而实现不同的循环比，强化原水cod降解。
39.通过曝气冲击三维电芬顿单元4，可以使形成三维电极43的三维粒子43a处于悬浮状态，由于三维电极43上负载有芬顿催化剂，因此通过该方式也可以进一步强化芬顿反应的效果，同时使三维电芬顿系统产生电气浮、电絮凝作用，在铁离子转化成亚铁离子的过程中，也避免了铁离子絮凝成铁泥沉降，也就是说，通过该种方式，将流化床技术和三维电芬顿系统实现了结合，提高了对垃圾渗滤液中有机物的去除能力。
40.进一步地，流化床罐体1内的顶部具有出水溢流板11和出水管12，出水管12属于布水器2的一部分，与进水端以及出水端21部分形成原水输送和排出的整体性组件。原水穿过三维电芬顿单元4后，部分污水重新回流至罐体底部进一步处理，实现流化床罐体1内部的内循环，而处理好的上清液由于其分布液体上层则能够通过出水溢流板11和出水管12排出。流化床罐体1内的顶部还具有排气口13，排气口13将流化床罐体1内的气体排出，流化床罐体1内的底部设置有排污管14，通过排污管14将流化床底部沉积的杂质排出。
41.该曝气式三维电芬顿流化床在运行时，通过布水器2向流化床罐体1内输入原水，曝气发生装置3输出的氧气同时携带水体上升，使氧气和原水均流向三维电芬顿单元4内。三维电芬顿单元4的阳极板41和阴极板42分别连接至电源45，氧气在阴极板42上发生反应生成过氧化氢，然后与水中的亚铁离子反应生成羟基自由基，羟基自由基对原水中的有机物进行降解，原水中的有机物主要为腐殖酸类物质。
42.本公开通过在流化床罐体1内设置三维电芬顿单元4，结合连接至流化床罐体1内的曝气发生装置3来向内部充入氧气或空气，氧气能够在三维电芬顿单元4的阴极作用下产生过氧化氢，同时三维电芬顿单元4内部含有的铁离子溶液也能够通过阴极作用产生亚铁离子，从而产生了具有强氧化性的芬顿试剂，实现了不需要外加药剂即可产出芬顿试剂的效果，在此基础上，通过布水器2向流化床罐体1内部充入原水，即可通过产生的芬顿试剂对原水中较难降解的有机物进行深度处理。由于三维电芬顿单元4具有三维电极43，相比传统的二维电极处理技术，三维电极43参加反应的有效面积大大增加，能够提高传质效率，因此强化了芬顿反应过程的速率和效果。同时，三维电极43还作为芬顿催化剂的载体，实现了流化床工艺的效果，即通过粒子的附着作用，减少了铁泥的产生，大大降低了后续的铁泥处理成本。
43.其中，布水器2的进水端处设置有连通至原水水源的ph调节水箱22、提升水泵23和水量调节阀门24，ph调节水箱22内具有酸碱度调节剂，ph调节水箱22用于对原水的ph值进行调节；提升水泵23用于将原水水源抽送至流化床罐体1内；水量调节阀门24用于对原水的流量进行调节。布水器2能够将原水首先输入ph调节水箱22内，将原水预先进行ph调节，使混合处理后的原水的ph值位于芬顿最佳反应区间，然后再送入流化床罐体1内与曝气发生装置3输入的气体进行混合。提升水泵23给原水施加冲击力，为原水提供足够的流速，使其能够在进入流化床罐体1后保持流动效果，以实现与三维电芬顿单元4的接触以及在流化床罐体1内的循环流动。
44.在本实施例中，布水器2的出水端21设置在流化床罐体1的底部，自下向上向流化床罐体1内输入需要处理的原水。并且，排气口13、出水端21和三维电芬顿单元4沿流化床罐体1的轴线方向自下向上依次排布。排气口13将曝气发生装置3输出的氧气或空气喷射向原水中，同时气体也能够具有携带水体上升的作用，使氧气和原水均流向三维电芬顿单元4内，穿过三维电芬顿单元4的阳极板41和阴极板42。
45.对于三维电芬顿单元4来说，其阴极板42、三维电极43和阳极板41沿流化床罐体1的轴线方向自下向上依次排布。由于在电解过程中往往会在极板上产生絮状物，导致极板表面出现结垢情况，若长时间不清楚极板上的污垢，会造成电解装置电压升高、电流效率降低的问题。传统的电芬顿技术，阴极板42竖向设置，并且反应过程中只针对阴极板42曝气。极板表面结垢后，通过重力作用影响使固体沉落，但是效果不明显，阴极板42表面仍会存在沉积物。
46.本实施例中的极板均采用横向布置，曝气气体在携带原水向上流动的过程中，对阳极板41和阴极板42具有冲刷作用，使用过程中在一定程度上有效避免了极板后期附着物过多的问题，保证装置持续、有效地运行。
47.三维电芬顿单元4的三维电极43包括载体，载体的表面沉积有芬顿催化剂。载体选用轻质材料，本实施例中选用聚氨酯泡沫。三维电芬顿单元4的轻质三维电极43能够通过静电感应作用，使三维粒子43a发生极化从而带电成为一个新的独立电极，在提高传质效果，增加电流密度，增强电化学反应外，同时增强芬顿反应，并且轻质材料仅需较小曝气量即可悬浮，使罐体内水体状态稳定，产生的污泥通过重力作用沉淀至池底然后通过污泥管排出。
48.另外，本实施例中对三维电极43采用沉淀
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沉积法来负载芬顿催化剂以及其他的一些助催化剂：将载体加入到一定量的金属盐溶液中，并加入沉淀剂，通过控制温度以及沉淀时间等条件，使活性金属生成沉淀均匀地沉积于载体的表面。然后在经洗涤、过滤、干燥和还原等程序，即可得到所需要的催化剂。
49.由于不同种类或浓度的沉淀剂会影响沉积在载体表面上的活性金属的结构特性，如颗粒的大小等，而温度的高低会影响沉淀反应的过程，并最终影响活性金属在载体表面的分散情况，因此，配置好的沉淀溶液的最终值、以及沉淀过程中温度根据不同的载体的实际情况来确定。
50.另外，由于单纯的聚氨酯泡沫对于有机物的催化降解作用有限，而通过稀土金属和芬顿反应的催化剂材料修饰电极可以提高其电催化活性，因此可以通过稀土金属对聚氨酯泡沫表面进行修饰，从而改善聚氨酯泡沫电催化氧化的效能。本实施例中采用以聚氨酯泡沫为基本粒子电极，并通过在其表面修饰稀土元素ce、芬顿催化剂fe和mn，以提高聚氨酯
泡沫在三维电芬顿反应中的电催化活性。
51.三维电芬顿单元4的阴阳极版选用产过氧化氢能力强，结构耐用的材料，其中，阳极板41可选用ti/pt阳极、ti/pbo2阳极、ti/ruo2‑
iro2电极或ti/iro2‑
ta2o5电极等，阴极板42可选用不锈钢板、碳毡、泡沫镍等具有较好空隙结构，曝气产过氧化氢能力强的极板，本实施例中阳极板41使用ti/iro2‑
ta2o5电极，阴极板42使用泡沫镍。当然在其他实施例中阳极板41和阴极板42的材质也可根据需要进行灵活调整。
52.本实施例中，在阴极板42和阳极板41之间还填充有铁渣43b。在阴极板42和阳极板41之间填充铁渣43b，能够提供用于参与反应的铁离子，在反应所需的铁离子不足的情况下直接补充铁渣43b即可，进一步降低了药剂的成本。
53.在此基础上，三维电芬顿单元4的阴极板42和三维电极43之间、阳极板41和三维电极43之间均设置有绝缘板44，通过绝缘板44将阳极板41、阴极板42和三维电极43之间进行相互分隔。三维粒子43a与铁渣43b悬浮在两个绝缘板44之间，避免了三维电芬顿技术中存在的发生短路电流的问题，提高了处理效果。本实施例中绝缘板44使用绝缘网状圆盘，使其限制铁渣43b和三维粒子43a所处的空间，当然，在其他实施例中，可根据三维电芬顿单元4的具体设置对结构规格或材质进行调整。
54.具体实现时，可将三维电芬顿单元4的数量为三组，所有三维电芬顿单元4沿流化床罐体1内的原水流动方向依次排布。三组三维电芬顿单元4之间可通过传统直流电流并联连接，也可串联形成通路。通过多组三维电芬顿单元4的设计，可以实现对曝气量的充分利用，提高了产过氧化氢的效率和装置的传质效果，降低了曝气成本。另外，相比起传统的三维电芬顿技术通过提升曝气量，导致溶液产生较大搅动，破坏产生絮凝体过程的方式，该多组三维电芬顿单元4的设计能使水流一直处于慢速流动状态，增强均相芬顿反应，减低副反应的影响，提高反应效率。当然，本实施例中仅给出了设置三组三维电芬顿单元4的方式，并不局限于仅可设置三组，在其他实施例中，为了起到更好的氧化作用，或者根据流化床罐体1的尺寸规格，可以对三维电分度单元的数量进行灵活调整。
55.在设置该三组三维电芬顿单元4时，针对水样情况，三维电芬顿单元4内的三维粒子43a与铁渣43b数量可以设置为依次减少，并且电流大小也可根据实际反应处理可以调节。
56.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
57.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。