申请日2017.11.09
公开(公告)日2018.02.27
IPC分类号C02F1/46; C02F1/48; C02F1/70
摘要
本发明公开了一种电化学强化零价铁废水预处理系统，包括废水收集池(1)、提升泵(2)、强化零价铁处理系统(3)、直流稳压电源系统(4);强化零价铁处理系统(3)由若干串联或并联的管式电增强零价铁反应柱(5)构成。本发明还公开了一种预处理方法：废水收集池(1)中废水泵入强化零价铁处理系统(3)，直流稳压电源系统(4)为强化零价铁处理系统(3)提供所加载电压、电流，在外加直流电条件下，管式电增强零价铁反应柱(5)中形成弱电场，以促进活性零价铁颗粒(510)对废水中难降解有机物的加速催化还原并显著降低废水毒性或提高废水可生化性，出水进入后续工艺进一步处理。
摘要附图
权利要求书
1.一种电化学强化零价铁废水预处理系统，其特征在于，所述的废水预处理系统包括废水收集池(1)、提升泵(2)、强化零价铁处理系统(3)、直流稳压电源系统(4);所述的强化零价铁处理系统(3)由若干串联或并联的管式电增强零价铁反应柱(5)构成;管式电增强零价铁反应柱(5)的个数≥2，具体数量和运行方式根据废水水量、水质进行设计确定;
所述的管式电增强零价铁反应柱(5)内部设置有同轴的柱形石墨阴极(501)和筒式钛阳极(502)，柱形石墨阴极(501)和筒式钛阳极(502)分别通过阴极接线端子(504)和阳极接线端子(505)与直流稳压电源系统(4)相连;柱形石墨阴极(501)和筒式钛阳极(502)之间填充有零价铁填料层(503)并由圆形支撑板(506)分层承托，总装填高度为管式电增强零价铁反应柱(5)的7/10-4/5;
所述的圆形支撑板(506)两端与柱形石墨阴极(501)固定，圆形支撑板(506)外径与筒式钛阳极(502)外径相同，圆形支撑板(506)上均匀布置有进水孔(508)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：管式电增强零价铁反应柱(5)通过控制阀(6)实现串联或并联运行方式。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的管式电增强零价铁反应柱(5)采用法兰连接方式，其壳体(509)采用碳钢涂塑或玻璃钢材质。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的圆形支撑板(506)采用硬质PVC或陶瓷材质，两端采用绝缘卡套(507)与柱形石墨阴极(501)固定。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：柱形石墨阴极(501)和筒式钛阳极(502)的间距在30～50cm之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的零价铁填料层(503)由活性零价铁颗粒(510)组成，颗粒粒径为2～3cm，活性零价铁颗粒(510)采用铁片、铁块通过碱洗酸化后制成，具有催化还原活性;所述的进水孔(508)直径为5～10mm。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的零价铁填料层(503)分层装填高度为20～40cm。
8.一种电化学强化零价铁废水预处理方法，其特征在于：采用权利要求1所述的系统进行废水预处理，废水收集池(1)中废水由提升泵(2)泵入强化零价铁处理系统(3)，直流稳压电源系统(4)为强化零价铁处理系统(3)提供所加载电压、电流，在外加直流电条件下，管式电增强零价铁反应柱(5)中柱形石墨阴极(501)和筒式钛阳极(502)之间形成弱电场，以促进活性零价铁颗粒(510)对废水中难降解有毒有害物质加速催化还原并显著降低废水毒性或提高废水可生化性，催化还原后产生的铁离子可进一步促进颗粒物聚集沉淀及污染物吸附去除，强化零价铁处理系统(3)出水进入后续处理工艺进一步处理;废水在强化零价铁处理系统(3)中水力停留时间、施加的电流及电压，均根据水质情况而定。
9.根据权利要求8所述的电化学强化零价铁废水预处理方法，其特征在于：废水在强化零价铁处理系统(3)中水力停留时间控制在5～15min。
10.根据权利要求8所述的电化学强化零价铁废水预处理方法，其特征在于：所述的强化零价铁处理系统(3)所加载直流电源采用恒流源控制模式，电流大小控制在0.5～5mA，电压根据水质情况自行调节，且通过电流大小调节实现零价铁催化还原速率控制。
说明书
一种电化学强化零价铁废水预处理系统及方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，涉及一种废水预处理技术，特别是一种电化学强化零价铁废水预处理系统及方法。
背景技术
工业生产过程中产生大量工业废水，该类废水不仅产生量大，而且由于工业产品加工，废水中常含有大量人工合成类有毒、有害及难降解物质，致使废水可生物降解性差，若直接采用传统生化进行处理，存在诸多问题，如废水处理效率低，系统运行不稳定，出水水质波动大等。因此，工业废水处理前端一般采用预处理系统，如预曝气系统、厌氧水解酸化等对废水进行改性，而后再进行生化工艺处理。
近些年，零价铁作为一种环境友好型还原剂被广泛应用于污水处理领域。首先，零价铁广泛存在于自然界中，价格较为低廉。另外，由于零价铁具有较低的氧化还原电位，它可与废水中难降解物质及有毒有害物质发生催化还原性反应，从而对废水水质进行改性，降低废水毒性，提高废水生物亲和性。一般情况下，零价铁主要通过如下几种途径实现废水改性：①零价铁直接参与还原性反应：由于零价铁具有较低的氧化还原电位，它可直接作为电子供体实现废水中难降解物质还原，如含氯化合物和多氯化合物在零价铁还原作用下可实现脱氯反应，而高价重金属离子和氧化性基团也可被零价铁还原以降低废水毒性和氧化性，从而改善废水水质;②零价铁通过产生还原性物质实现污染物还原降解：零价铁在废水中被氧化产生大量还原性Fe2+，H2等，该类物质也可促进废水改性;③零价铁可促使体系产生大量铁系混凝剂，如Fe2+、Fe3+离子，进而促使废水中颗粒物聚集并产生污染物吸附效应，最终实现污染物去除。此外，经零价铁处理后，废水中含有大量铁离子，这有助于提高后续生化工艺污泥活性和沉降性，提高出水水质。因此，零价铁作为难降解有机废水预处理具有广泛的应用前景，但在实际应用过程中，同样存在以下几个方面问题：①反应速率慢，停留时间长，且零价铁表面易产生“浓差极化”，致使体系反应效率低;②零价铁还原反应速率难以控制，利用效率低，具有较大应用局限性;③零价铁填料层容易板结、钝化，导致废水出水不稳定。
发明内容
为克服上述技术不足，本发明的目的是提供一种电化学强化零价铁废水预处理系统及方法。本发明通过反应器结构优化设计，使零价铁床层置于外加强化电场中，通过电场强化零价铁催化还原作用，降低废水毒性，提高废水可生化性，从而实现难降解废水改性，还增加零价铁表面离子迁移转化速率并加速零价铁催化还原速率，避免因污染物沉积造成的反应效率低下，催化床层板结等问题;并通过外加电流调节实现零价铁加速催化还原和反应速率的控制，提高了零价铁利用效率和装置反应效率及可操作性，同时有利于节省运行成本。
本发明为一种电化学强化零价铁废水预处理系统，所述的处理系统包括废水收集池、提升泵、强化零价铁处理系统、直流稳压电源系统;所述的强化零价铁处理系统由若干串联或并联的管式电增强零价铁反应柱构成，管式电增强零价铁反应柱优选通过控制阀可实现串联或并联方式运行，管式电增强零价铁反应柱个数≥2，具体数量和运行方式根据废水水量、水质进行设计确定;
所述的管式电增强零价铁反应柱内部设置有同轴的柱形石墨阴极和筒式钛阳极，优选间距在30～50cm之间，柱形石墨阴极和筒式钛阳极分别通过阴极接线端子和阳极接线端子与直流稳压电源系统相连;柱形石墨阴极和筒式钛阳极之间填充有零价铁填料层并由圆形支撑板分层承托，零价铁填料层分层装填高度为20～40cm，总装填高度为管式电增强零价铁反应柱的0.7-0.8;
所述的圆形支撑板两端与柱形石墨阴极固定，优选采用绝缘卡套，圆形支撑板外径与筒式钛阳极外径相同，圆形支撑板上均匀布置有进水孔。
本发明所述的电化学强化零价铁废水预处理系统中，所述的管式电增强零价铁反应柱优选采用法兰连接方式，其壳体采用碳钢涂塑或玻璃钢材质，具有较强的抗氧化、耐腐蚀性能;所述的圆形支撑板采用硬质PVC或陶瓷材质。
本发明所述的电化学强化零价铁废水预处理系统中，所述的零价铁填料层由活性零价铁颗粒组成，粒径在2～3cm，活性零价铁颗粒采用铁片、铁块通过碱洗酸化后制成，具有催化还原活性;所述的圆形支撑板上的进水孔直径优选为5～10mm。
本发明还提供了一种电化学强化零价铁废水预处理方法，其具体工作原理如下：废水收集池中废水由提升泵泵入强化零价铁处理系统，直流稳压电源系统为强化零价铁处理系统提供所加载电流、电压，在外加直流电条件下，管式电增强零价铁反应柱中柱形石墨阴极和筒式钛阳极之间形成弱电场，以促进活性零价铁颗粒对废水中难降解有毒有害物质加速催化还原并显著降低废水毒性或提高废水可生化性，催化还原后产生的铁离子可进一步促进颗粒物聚集沉淀及污染物吸附去除，强化零价铁处理系统出水进入后续处理工艺进一步处理;其中废水在强化零价铁处理系统(3)中水力停留时间、施加的电流及电压，均根据水质情况而定。
根据本发明中方法，废水在零价铁强化处理系统中水力停留时间控制优选为5～15min，具体根据废水水质情况而定。
根据本发明中方法，所述的强化零价铁处理系统所加载直流电源采用恒流源控制模式，电流大小优选控制在0.5～5mA，电压根据水质情况自行调节，且通过电流大小调节可实现零价铁催化还原速率控制。
与现有技术相比，本发明有如下技术特点：
1、本发明通过电化学强化作用，加速了零价铁催化还原速率，显著降低废水与零价铁催化反应时间，缩短了废水水力停留时间。此外，通过优化反应器结构，装置采用管式法兰连接方式，不仅降低了装置占地面积，而且便于装置灵活操作与维护。
2、本发明通过对零价铁填料层施加电场，强化了活性零价铁颗粒表面离子迁移速率，避免了“浓差极化”现象;同时通过电场迁移作用，避免了因胶体、金属离子等其它物质在零价铁表面沉积作用而降低系统催化还原效率。此外，通过调节所施加电流大小，可实现零价铁催化还原反应速率控制，节省了运行成本。
3、通过电化学强化零价铁催化还原作用，不仅可实现难降解及有毒有害废水的改性，提高废水可生化性，降低废水毒性，而且零价铁催化还原后体系产生大量铁离子，促进废水中颗粒物聚集沉淀，并对污染物进行吸附去除。此外，若后续采用生化处理工艺，废水中大量铁离子有助于提高污泥活性和沉降性，进而提高出水水质。