一种基于交流电解的污水脱氮装置及方法与流程

1.本发明涉及一种污水脱氮装置及方法，尤其涉及一种基于交流电解的污水脱氮装置及方法，属于污水处理技术领域。


背景技术：

2.高总氮、氨氮废水来源广泛、排放量大，总氮、氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对水中生物及人类都有较大危害性。降低总氮、氨氮工艺难度大、成本高，该问题已成为污水处理行业难点，痛点。
3.目前处理高浓度总氮、氨氮废水的方法有：化学沉淀法、吹脱法、离子交换法、折点加氯法、催化氧化法、生物法和电化学法等。化学沉淀法处理成本偏高，容易造成二次污染；吹脱法是目前常用的物化脱氮技术，但存在吹脱塔经常结垢，低温时氨氮去除率低，吹脱气体的二次污染等问题；离子交换法运行成本高；折点加氯法脱氮率高，但副产物氯胺和氯代有机物容易造成二次污染；催化氧化法净化效率高，但催化剂易流失，设备容易腐蚀；传统生物法只适合于处理低浓度氨氮废水，在处理高浓度氨氮废水前必须进行预处理。近年来，电化学法在废水处理领域越来越受到人们的重视。
4.电化学法由于具有占地面积少、操作简单灵活、绿色清洁等优点而引起广泛关注。但现有的电化学法存在能耗高，设备制造成本高，阳极寿命短等问题。如申请号为cn2021111097157的中国发明专利申请公开了一种污水的离子催化电解脱氮系统及其方法，该系统包括离子催化电解脱氮装置，离子催化电解脱氮装置由电解机、直流电源、脱气罐、催化剂投加装置、电极清洗装置和还原装置构成。含氮污水经过混凝沉淀处理装置去掉固形颗粒物(ss)后进入离子催化电解脱氮装置，去除污水中的氨氮和总氮。本发明的优点在于通过离子催化电解一同去除污水中的氨氮和总氮，不仅适合市城镇生活污水的脱氮，而且特别适合垃圾渗沥液(又称渗滤液)、养殖废水、煤化工废水等高氨氮的污水脱氮，降低污水氨氮浓度，提高其可生化性，便于垃圾渗滤液、养殖废水、煤化工废水等高氨氮的水体的生化处理，其在同一个电解机里将离子催化的阳极将废水中的氨氮还原成氮气，在阴极同步将硝态氮用电解产生的新生态氢氧化成氮气，与生化法需要的先硝化后反硝化的两个反应装置比较，不仅设备简单，投资少，而且运行费用更低。但其每个电极组需要设置至少一个阴极和阳极，阴极和阳极两者分工，分别对氨氮和硝态氮进行脱氮，并且电源采用直流电源或脉冲直流电源，效率较低，能耗高，阳极材料昂贵、寿命短等问题。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.本发明要解决的技术问题是解决现有的污水脱氮处理技术存在的处理工艺复杂、化学药剂消耗量大、成本高、二次污染等问题，通过交流电解技术、新型电解板技术对现有电化学污水脱氮处理技术进行升级，解决现有电化学污水脱氮处理存在能耗高，设备制造成本高，阳极寿命短，需对被处理水体进行ph、盐度进行调整等的问题。
7.(二)技术方案
8.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于交流电解的污水脱氮装置，该装置包括电解槽、电解极板、电解填料层和交流变频电源，所述电解槽内安装至少两块电解极板，所述电解极板之间具有间隙，所述电解极板之间的间隙填充电解材料形成电解填料层，所述电解槽内最左侧和最右侧的电解极板分别与交流变频电源电连接；所述电解极板表面喷涂有功能层，所述功能层原材料组分包括四氧化三铁与碳材料。
9.进一步，所述电解极板设置六块，且于电解槽内均匀阵列设置，少于六块或多于六块需要相应的减小或者增大电源电压，设置六块的结构所需要的的电源电压最方便获得，相邻电解极板之间间隔15mm-25mm，优选20mm，兼顾能耗与效率。
10.进一步，所述电解材料为铁碳微电解材料、活性炭、四氧化三铁、铁颗粒、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的组合，优选铁碳微电解材料，具体为20*40铁碳球。
11.进一步，所述碳材料为石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的一种或几种的组合。
12.进一步，所述功能层原材料组分还包括还原铁粉和1％pva(聚乙烯醇)水溶液。
13.进一步，所述电解极板的电极材料为活性炭纤维电极、碳纤维布电极、石墨电极、铂铱合金电极、碳钢电极、不锈钢电极、铝电极、二氧化铅电极、碳纳米管电极和石墨烯电极之一。优选电解极板为160*60*1mm q235碳钢。q235碳钢其表面喷涂功能层，功能层涂料采用10％纳米四氧化三铁和90％的5％石墨烯水性涂料混合而成，涂层干膜厚度60微米。或q235碳钢，其表面压制(喷涂)功能层，功能层涂料采用30％纳米四氧化三铁、5％石墨烯，10％活性炭粉，30％还原铁粉和其余为1％pva水溶液混合而成，厚度120微米，经500～650℃烧制而成。
14.进一步，该装置还包括磁力搅拌器，所述磁力搅拌器设置于电解槽底部，使用磁力搅拌器对电解液(需脱氮处理的污水)进行搅拌。
15.本发明还提供了一种基于交流电解的污水脱氮方法，其采用上述所述的污水脱氮装置，包括以下步骤：
16.s1、将需脱氮处理的污水通入电解槽内作为电解液，用交流变频电源作为电解电源，电解极板以四氧化三铁和碳材料混合物作为功能层，电解极板间填充电解材料组成三维电解系统；
17.s2、电解极板在交流变频电源作用下不断的进行阳极、阴极的转化，电解材料表面和内部在外加交流电场的作用下形成大量的双性电极，并不断的进行阳极、阴极的转化；
18.s3、通过交流变频电源控制电流密度、电源频率和波形对需脱氮处理污水进行电解脱氮处理；
19.s4、当电解极板作为阳极时，氨氮在电极板被氧化成氮气和水去除；当电解极板由阳极变为阴极状态时，硝态氮的硝酸根在电解极板表面得电子还原成亚硝酸根和氮气，亚硝酸在电解极板表面又得电子还原成氮气去除。
20.其中，所述步骤s3中所述的电流密度为1-100ma/cm2；所述交流变频电源的频率为0.1-10000hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
21.1、交流电解法降解氨氮的机理如下：
22.1)、电解极板电解过程中产生h
202
并在极板表面转化生成氧化性极强的
·
oh(羟基
自由基)，
·
oh(羟基自由基)把氨氮氧化成氮气和水
23.2)、氨氮在电解极板处于阳极状态时被直接氧化成氮气和水；
24.nh3 3oh-‑
3e-—0.5n2 3h2o
25.3)、当污水中有氯离子存在时，电解极板电解产生的次氯酸根可氧化去除氨氮。
26.2、硝态氮在电极板处于阴极态时，硝酸根在电极板表面得电子还原成亚硝酸根和氮气，亚硝酸在电极板表面得电子还原成氮气去除。
27.no
3- 3h2o 5e-—0.5n2 6oh-28.no
3- h2o 2e-—no
2- 2oh-29.no
2- 2h2o 3e-—0.5n2 4oh-30.(三)有益效果
31.本发明的上述技术方案具有如下优点：
32.1、本发明创造性采用交流变频电源作为电解电源，电解极板的阴阳极状态始终快速交换中，减少了极化和需处理离子传质距离，极大地提高了效率，降低了能耗，降低了电极材料的成本，提高了电极材料的寿命。
33.2.由于变频技术的使用，不同的频率对处理过程的优势不同，可以根据需处理污水的不同指标灵活调整频率以达到最优处理效果，也就是说抗被处理污水指标波动性强，处理污水指标范围大。
34.3、本发明创造性应用四氧化三铁、碳材料混合物作为电解污水脱氮电解极板表面功能层，碳处理主要包含石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等，四氧化三铁、碳材料混合物材料具有很高的电化学氧化、还原活性；且目前也未发现四氧化三铁、碳材料混合物作为电解污水脱氮电解极板表面功能层的应用。
35.4、现有铁碳微电解材料在污水处理的应用中常用压缩空气、调整污水盐度、微波、超声波等手段强化、提高处理效果。本发明以交流变频电源作为电解电源，四氧化三铁、碳材料混合物作为电解板表面功能层，电解板间填充铁碳微电解材料，以需脱氮处理污水作为电解液组成三维电解系统，经电解处理后，污水中的硝态氮、氨氮均转化为氮气与污水分离，污水中的总氮、氨氮指标都可去除到满足排放标准。通过交流电解技术、新型电解板技术对现有电化学污水脱氮处理技术进行升级，解决现有电化学污水脱氮处理存在能耗高，设备制造成本高，阳极寿命短，需对被处理水体进行ph、盐度进行调整等问题。
36.5、本发明创造性应用铁碳微电解材料填充电解板间，以需脱氮处理污水作为电解液组成三维电解污水脱氮系统，该三维电解污水脱氮系统由于采用交流电解的方式，导电电解填料可相对于电解极板固定，无需压缩空气搅拌，不会出现填料长期使用后出现板结、使用性能下降的问题，大大简化三维电解污水脱氮系统结构。也因为使用交流电解的方式，铁碳微电解材料的电解效率和寿命也得到极大的提高。现有技术中无外加交流电场强化的方法和装置报道。
37.除了上述所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
39.图1为本发明装置结构示意图。
40.图中：1-电解槽、2-电解极板、3-电解填料层、4-交流变频电源、5-磁力搅拌器。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若用到术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如图1所示：一种基于交流电解的污水脱氮装置，包括电解槽1、电解极板2、电解填料层3和交流变频电源4，所述电解槽1内安装至少两块电解极板2，所述电解极板2之间具有间隙，所述电解极板2之间的间隙填充电解材料形成电解填料层3，所述电解槽1内最左侧和最右侧的电解极板2分别与交流变频电源4电连接；所述电解极板2表面喷涂有功能层，所述功能层原材料组分包括四氧化三铁与碳材料。具体为所述电解极板2设置六块，且于电解槽1内均匀阵列设置，相邻电解极板2之间间隔15mm-25mm。
44.所述电解材料为铁碳微电解材料、活性炭、四氧化三铁、铁颗粒、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的组合。所述碳材料为石墨粉、活性炭粉、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的一种或几种的组合。所述功能层原材料组分还包括还原铁粉和1％pva水溶液。所述电解极板2的电极材料为活性炭纤维电极、碳纤维布电极、石墨电极、铂铱合金电极、碳钢电极、不锈钢电极、铝电极、二氧化铅电极、碳纳米管电极和石墨烯电极之一。
45.该装置还包括磁力搅拌器5，所述磁力搅拌器5设置于电解槽1底部。
46.一种基于交流电解的污水脱氮方法，其采用上述所述的污水脱氮装置，并通过以下步骤实现污水脱氮：
47.s1、将需脱氮处理的污水通入电解槽1内作为电解液，用交流变频电源4作为电解电源，电解极板2以四氧化三铁和碳材料混合物作为功能层，电解极板2间填充电解材料组成三维电解系统；
48.s2、电解极板2在交流变频电源4作用下不断的进行阳极、阴极的转化，电解材料表面和内部在外加交流电场的作用下形成大量的双性电极，并不断的进行阳极、阴极的转化；
49.s3、通过交流变频电源4控制电流密度、电源频率和波形对需脱氮处理污水进行电解脱氮处理；
50.s4、当电解极板2作为阳极时，氨氮在电解极板2被氧化成氮气和水去除；当电解极板2由阳极变为阴极状态时，硝态氮在电解极板2表面还原成氮气去除。
51.所述步骤s3中所述的电流密度为1-100ma/cm2；所述交流变频电源4的频率为0.1-10000hz，波形包括正弦波、方波或三角波。
52.实施例1
53.各电解极板极间距设置为20mm，有效电解槽体积2l，如图1所示的2片电解极板接交流变频电源，其余4片电解极板作为双性电解极板使用。三维电极电解时，将铁碳微电解材料(规格为20*40的铁碳球)填充于电解极板之间，使用磁力搅拌器对电解液进行搅拌。电解极板为160*60*1mm q235碳钢，其表面喷涂功能层，功能层涂料采用10％纳米四氧化三铁和90％的5％石墨烯水性涂料混合而成，涂层干膜厚度60微米。
54.配制电解液成分(模拟需脱氮的污水)：总氮(tn)50，氨氮(nh3一n)25，用自来水配制。在图1电解槽中加入1.2l配制电解液，电解电压21v，电流1.3a，电解频率528hz电解时间5min取样分析：总氮(tn)38，氨氮(nh3一n)19；
55.电解时间15min取样分析：总氮(tn)13，氨氮(nh3一n)2；
56.实施例2
57.各电解极板极间距设置为20mm，有效电解槽体积2l，如图1所示的2片电极板接交流变频电源，剩余4片电解极板作为双性电解极板使用。三维电极系统电解时，将铁碳微电解材料(20*40铁碳球)填充于电解极板之间，使用磁力搅拌器对电解液进行搅拌。
58.电解极板为160*60*1mm q235碳钢，其表面压制(喷涂)功能层，功能层涂料采用30％纳米四氧化三铁、5％石墨烯，10％活性炭粉，30％还原铁粉和其余为1％pva水溶液混合而成，厚度120微米，经500～650℃烧制而成。
59.配制电解液成分：总氮(tn)50，氨氮(nh3一n)25，用自来水配制。
60.在图1所示装置内加入1.2l配制电解液，电解电压14v，电流1.3a，电解频率1000hz；
61.电解时间5min取样分析：总氮(tn)32，氨氮(nh3一n)16
62.电解时间10min取样分析：总氮(tn)12，氨氮(nh3一n)2
63.上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。