一种电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置的制作方法

1.本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置。


背景技术：

2.工业废水如高盐、高氨氮、高有机物以及低可生化性废水通常都难以生物降解。传统水解酸化工艺单一依靠微生物断链的方式进行降解，污染物断链分解效率低，且装置的单体构筑物的占地大。同时其他位于反应工艺前端的氧化断链工艺，如电解、芬顿等在能耗方面劣势明显。


技术实现要素：

3.基于此，本发明的目的在于，提供一种应用于难生物降解的工业废水如高盐、高氨氮、高有机物以及低可生化性废水，具有结构简单、反应效率高、能耗低等特点的电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置。
4.第一方面，本发明的电极系统，包括：
5.壳体，所述壳体设置有相互连通的电极进水区和电极出水区；
6.电极组，所述电极组包括成对设置的阳极、阴极，以及设置于所述阳极和所述阴极之间的参比电极；所述电极组设置于所述壳体内，且所述电极组位于所述电极进水区和所述电极出水区之间；
7.电极控制单元，所述电极控制单元与所述电极组电性连接。
8.本发明的电极系统可在主反应器内或带有内回流的反应器回流处增加电极反应区，通过弱电场的氧化及地杆菌等特定菌属的共同作用降低工业污水的毒性，弱电场的作用加快微生物在分解有机物过程中中间产物的转化速度，提高如挥发性有机酸等易被微生物利用的有机物积累量，进而提高bod的含量，增加微生物系统活性，促进生物酶等胞外聚合物的增长，另外，可通过调节电极组内阳极和阴极的间距以及电压、电流，快速适应不同工业污水水质变化，从而提高水解酸化的反应效率。
9.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极进水区和所述电极出水区分别设置于所述壳体的左右两侧；
10.所述电极组为多组，多组所述电极组沿水平方向平行设置于所述壳体内。
11.上述技术方案在一种实施方式中，多组所述电极组内的所述阳极和所述阴极均为板状，且所述阳极和所述阴极相互平行设置。
12.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极系统还包括调节滑动机构，所述调节滑动机构设置于所述壳体上，且所述调节滑动机构与所述电极组的阳极和/或阴极连接。
13.上述技术方案在一种实施方式中，所述调节滑动机构包括多个电动推杆，多个所述电动推杆的推杆分别与所述阳极和/或所述阴极连接。
14.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极进水区和所述电极出水区分别设置于
所述壳体的底部和顶部。
15.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极组为多组，多组所述电极组沿竖直方向平行设置于所述壳体内；
16.多组所述电极组内的所述阳极和所述阴极均为板状，且所述阳极和所述阴极相互平行设置。
17.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极组的所述阳极为棒状，所述阴极为圆环状，所述阴极围设于所述阳极周围，所述阳极和所述阴极均竖向设置于所述壳体内。
18.上述技术方案在一种实施方式中，所述电极组内的所述阳极和所述阴极之间的间距≥3mm。
19.第二方面，本发明提供一种高效低能耗水解酸化耦合电催化装置，包括：
20.反应器本体；
21.进水系统，所述进水系统设置于所述反应器本体内；
22.配水系统，所述配水系统设置于所述反应器本体内，所述配水系统与所述进水系统的出水端连接；
23.出水系统，所述出水系统设置于所述反应器本体内腔的顶部；
24.上述任一项所述的电极系统，所述电极系统设置于所述反应器本体内，且位于所述配水系统和所述出水系统之间。
25.相对于现有技术，本发明的电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置可在主反应器内或带有内回流的反应器回流处增加电极反应区，通过弱电场的氧化作用降低工业污水的毒性，弱电场的作用加快微生物在分解有机物过程中中间产物的转化速度，提高如挥发性有机酸等易被微生物利用的有机物积累量，进而提高bod的含量，增加微生物系统活性，促进生物酶等胞外聚合物的增长，另外，可通过调节电极组内阳极和阴极的间距以及电压、电流，快速适应不同工业污水水质变化，从而提高水解酸化的反应效率。本发明的电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置具有结构简单、反应效率高、能耗低等特点。
26.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
27.图1是本发明的电极系统的结构示意图。
28.图2是卧式电极系统的一种结构示意图。
29.图3是卧式电极系统的另一种结构示意图。
30.图4是立式卧式电极系统的一种结构示意图。
31.图5是图4中a-a向的剖视图。
32.图6是立式卧式电极系统的另一种结构示意图。
33.图7是图6中b-b向的剖视图。
34.图8是本发明的高效低能耗水解酸化耦合电催化装置的一种结构示意图。
35.图9是本发明的高效低能耗水解酸化耦合电催化装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
36.在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等
方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
37.以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
38.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
39.请参阅图1和图2。图1是本发明的电极系统的结构示意图。图2是卧式电极系统的一种结构示意图。
40.第一方面，本发明的电极系统，包括壳体1、电极组2和电极控制单元3。
41.所述壳体1设置有相互连通的电极进水区101和电极出水区102。
42.所述电极组2包括成对设置的阳极21、阴极22，以及设置于所述阳极21和所述阴极22之间的参比电极23；所述电极组2设置于所述壳体1内，且所述电极组2位于所述电极进水区101和所述电极出水区102之间。
43.所述电极控制单元3与所述电极组2电性连接。
44.本发明的电极系统可在主反应器内或带有内回流的反应器回流处增加电极反应区，通过弱电场的氧化作用降低工业污水的毒性，弱电场的作用加快微生物在分解有机物过程中中间产物的转化速度，提高如挥发性有机酸等易被微生物利用的有机物积累量，进而提高bod的含量，增加微生物系统活性，促进生物酶等胞外聚合物的增长，另外，可通过调节电极组2内阳极21和阴极22的间距以及电压、电流，快速适应不同工业污水水质变化，从而提高水解酸化的反应效率。
45.具体地，根据电极组2所处在的位置及电极进水区101和电极出水区102的位置不同，可以将电极系统分为卧式电极系统和立式电极系统。
46.卧式电极系统实施例
47.请进一步参阅图2和图3。图2是卧式电极系统的一种结构示意图。图3是卧式电极系统的另一种结构示意图。
48.在卧式电极系统中，水流方向与电极方向平行。
49.卧式电极系统，所述电极进水区101和所述电极出水区102分别设置于所述壳体1的左右两侧。
50.所述电极组2为多组，多组所述电极组2沿水平方向平行设置于所述壳体1内。
51.优选地，多组所述电极组2内的所述阳极21和所述阴极22均为板状，且所述阳极21和所述阴极22相互平行设置。
52.所述电极组2内的所述阳极21和所述阴极22之间的间距≥3mm。
53.进一步，所述电极系统还包括调节滑动机构4，所述调节滑动机构4设置于所述壳体1上，且所述调节滑动机构4与所述电极组2的阳极21和/或阴极22连接。
54.优选地，所述调节滑动机构4包括多个电动推杆，多个所述电动推杆的推杆分别与所述阳极21和/或所述阴极22连接。
55.当然，所述调节滑动机构4还可以选用电机与丝杠等传动形式，这些传动形式在现有技术中比较常见，在此不再一一列举。
56.利用调节滑动机构4实现阳极和阴极工作面积50％～100％对应率，通过电压在0.2v～2.5v的范围内调节，保证出水orp范围为-200mv～-80mv，阳极和阴极之间电流密度在20-200ma/cm2区间。
57.电极组2内的阳极21和阴极22通过电极连接单元24进行连接。
58.电极连接单元24的外壳(上表面)为非金属或非导电材料，内部根据项目需要采用多股碳纤维丝或导线对同组内电极板进行串或并联，以达到相应的反应效果。
59.立式电极系统实施例一
60.请进一步参阅图4和图5。图4是立式卧式电极系统的一种结构示意图。图5是图4中a-a向的剖视图。
61.在立式电极系统中，所述电极进水区101和所述电极出水区102分别设置于所述壳体1的底部和顶部。
62.优选地，所述电极组2为多组，多组所述电极组2沿竖直方向平行设置于所述壳体1内。
63.多组所述电极组2内的所述阳极21和所述阴极22均为板状，且所述阳极21和所述阴极22相互平行设置。
64.本实施例优选地设置电极支撑结构25，电极支撑结构25为非导体材料，主要作用为支撑电极，防止应力变形。
65.电极组2间通过电极控制单元进行调节，每组电极组可以单独进行开闭，电压调节，调节范围为(0.2v-3v)，保证出水orp范围为-200mv～-80mv，阳极和阴极之间电流密度在20-200ma/cm2区间。
66.电极组2设置在电极控制区20，电极控制区20与其他区域由隔板(非导体材料)独立做隔水处理且不与来水接触，仅作为电极连接区20域使用，电极组2间同极在电极连接区20相连。对应阴极22与阳极21称为一套电极组，为保证效果，电极组2数量不小于两套，阴阳极板间距不小于3mm。
67.阳极21和阴极22的电极材料可依据使用场景、来水水质要求、投资成本及相对应能耗要求选用高纯度石墨、石墨毡、石墨网、碳纤维网以及含有贵金属涂层的合金材料等，电极板形式可以采用镂空，网状等易于微生物富集的材料，为保证水流，通常不可使用非透水、非镂空导体作为电极材料。
68.立式电极系统实施例二
69.请进一步参阅图6和图7。图6是立式卧式电极系统的另一种结构示意图。图7是图6中b-b向的剖视图。
70.在另一种实施方式中的立式电极系统，所述电极组2的所述阳极21为棒状，所述阴极22为圆环状，所述阴极22围设于所述阳极21周围形成同心圆结构，所述阳极21和所述阴极22均竖向设置于所述壳体1内。
71.可针对来水情况以偶数对增加电极板数量，电极布置区域应占电极系统总体积的1/5-4/5的范围。电极控制系统通过监控出水orp范围以及板间电流密度的方式调节电压，调节范围为0.2v-3v，保证出水orp范围为-200mv～-80mv，板间电流密度在50-200ma/cm2区
间。电极材料可依据使用场景、来水水质要求、投资成本及相对应能耗要求选用高纯度石墨、石墨毡、石墨网、碳纤维网以及含有贵金属涂层的合金材料等，电极板形式可以采用镂空，网状等易于微生物富集的材料，也可以采用表面光滑的板材。
72.本发明的电极系统可直接应用于升流式反应器的上部，也可应用于含有回流系统的水解酸化反应器中。
73.本发明解决工业废水中有机物可生化性差且难以被微生物去除的问题，并解决污水厂高能耗、高碳排放的问题。电极组利用极低的电力消耗，极大地提高微生物对有机物(cod)，n，p等的协同去除的效率。相较于传统水解酸化单一依靠微生物断链的方式，本发明在污染物断链分解效率上有极大的提升，并有效减少水解酸化单体构筑物的占地，同时相较于其他位于反应工艺前端的氧化工艺，如电解、芬顿等在能耗方面优势明显。
74.应用于升流式水解酸化的实施例
75.请参阅图8，图8是本发明的高效低能耗水解酸化耦合电催化装置的一种结构示意图。
76.高效低能耗水解酸化耦合电催化装置，包括反应器本体5、进水系统6、配水系统7、出水系统8和上述任一实施例中的电极系统a。
77.所述进水系统6设置于所述反应器本体5内。
78.所述配水系统7设置于所述反应器本体5内，所述配水系统7与所述进水系统6的出水端连接。
79.所述出水系统8设置于所述反应器本体5内腔的顶部。
80.所述电极系统a设置于所述反应器本体5内，且位于所述配水系统7和所述出水系统8之间。
81.另外，在一些实施方式中，还可以优选地设置集气系统9，集气系统9优选地设置在反应器本体5的上部，并位于电极系统的上方。
82.应用于带回流系统的水解酸化的实施例
83.请参阅图9，图9是本发明的高效低能耗水解酸化耦合电催化装置的另一种结构示意图。
84.高效低能耗水解酸化耦合电催化装置，包括反应器本体10、中心竖井11、进水系统12、配水系统13、布水系统14、出水系统15和上述任一实施例中的电极系统a。
85.所述中心竖井11竖直设置于所述反应器本体10的内部。
86.所述进水系统12设置于所述反应器本体10且，其出水端与所述中心竖井11下部连通，其进水端与原水管路相连。
87.所述配水系统13设置于所述中心竖井11的顶部。
88.所述布水系统14设置于所述反应器本体10底部，所述布水系统14与所述中心竖井11的底部连接。
89.所述出水系统15设置于所述反应器本体10内腔的顶部。
90.所述电极系统a设置于所述设置于所述配水系统13与所述反应器本体10连接的内回流管道上。
91.可以通过对电极板供电数量的调解，快速改变污水在电极系统内的停留时间，以适应来水的变化，提高对于来水负荷及水量冲击的稳定性。
92.本发明解决了微生物污水处理在应对高难、高毒性工业废水时效率低的问题。在融合水解酸化工艺对有机物断链分解优势的同时，结合微生物电催化工艺，实现污染物高效分解效益上的加成。电极组的加入，使污水的毒性降低。阴极与阳极板面区域内在外加弱电场的作用下，可形成不同的氧化还原电位分区(orp)，进而富集不同微生物种群。在弱电场的催化作用下，部分断链(氧化)反应及还原反应所需的电势能降低，加速相应反应的进行，降低反应中间产物的积累，进而提高有机物的分解效率。由于外加电场所造成的氧化与还原交替现象有利于兼性微生物的繁殖，增加微生物系统的多样性，进而增加水解酸化系统的抗冲击性。此外，在研发过程中发现，外加电场可以实现类厌氧氨氧化及同步硝化反硝化作用的氮污染物的有效去除。
93.相对于现有技术，本发明的电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置可在主反应器内或带有内回流的反应器回流处增加电极反应区，通过弱电场的氧化作用降低工业污水的毒性，弱电场的作用加快微生物在分解有机物过程中中间产物的转化速度，提高如挥发性有机酸等易被微生物利用的有机物积累量，进而提高bod的含量，增加微生物系统活性，促进生物酶等胞外聚合物的增长，另外，可通过调节电极组2内阳极21和阴极22的间距以及电压、电流，快速适应不同工业污水水质变化，从而提高水解酸化的反应效率。本发明的电极系统及高效低能耗水解酸化耦合电催化装置具有结构简单、反应效率高、能耗低等特点。
94.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。