申请日2009.09.25
公开(公告)日2010.03.10
IPC分类号C02F9/08; C02F1/72; C02F1/461; C02F1/36
摘要
本发明涉及一种适合各类有机废水，特别是难生物降解有机废水处理的催化电解耦合反应器。该反应器由下至上主要由铁内电解层、超声波辐射层和三维电极氧化层耦合串联构成;它是将传统的内电解、超声波及电-Fenton法等水处理技术进行耦合，对难生物降解有机废水进行处理，使其稳定达标;既可适用于各种高浓度难降解有机废水的前处理，大大降低有机污染物的浓度，提高废水的可生化性。也可适用于小流量的废水的主要处理单元，使处理的废水能够直接达标排放。
权利要求书
1.一种用于处理有机废水的催化电解耦合反应器，其特征在于：该反应器由进 水区(3)、铁内电解层(5)、超声波辐射层(6)、三维电极氧化层(10)和 出水区(15)构成;底部设有进水口(1)，顶部设有出水口(15)，水体自下 而上流经整个反应器;进水区底部设有排泥管(2)，上部设有布水管(4); 铁屑和活性炭颗粒填充于铁内电解层(5)，位于进水区(3)上部;超声波辐 射层(6)位于铁内电解上层，能同时对铁内电解层(5)和三维电极氧化层 (10)进行作用;三维电极氧化层(10)设置于超声辐射层(6)上部，主电 极阳极和主电极阴极分别由钛网(13)和石墨棒(12);微电极(11)填充于 主电极之间，是一种新型的复合功能材料。
2.根据权利要求1所述的催化电解耦合反应器，其特征在于：铁内电解层(5)、 超声波辐射层(6)、三维电极氧化层(10)串联由下至上组合，将各反应层 耦合，加强了整体的处理效果。
3.根据权利要求1所述的催化电解耦合反应器，其特征在于：进水区的布气管 (4)能为整个反应器供氧并使铁内电解层(5)处于流化状态。
4.根据权利要求1所述的催化电解耦合反应器，其特征在于：三维电极氧化层 的主电极由钛网(13)和石墨棒(12)各自环状连接而成。
5.根据权利要求1所述的催化电解耦合反应器，其特征在于：三维电极氧化层 的微电极(11)是由含有一种以上(包括一种)过渡金属盐组成的复合功能 材料(如，包括并不限于高岭土，硅藻土等)。
6.根据权利要求1所述的催化电解耦合反应器对难降解有机废水处理应用，其 特征在于：进水为酸性，停留时间根据污染物浓度进行设置;超声波辐射采 取间隔式开启程序，根据污染物溶度设置其反应时间和间隔时间;三维电极 氧化层(10)的电流密度为500～1000A/m2。
说明书
一种用于处理有机废水的催化电解耦合反应器
技术领域
本发明属于环境化工催化氧化水处理技术领域，特别是涉及一种可用于处 理有机废水的多层级催化电解耦合反应器，适用于各类有机废水的降解氧化， 特别适合于难生物降解有机废水的处理。
背景技术
工业废水污染防治是影响国民经济持续发展、自然资源持续保存和可持续 利用的一个重要因素。其中引起污染的工业废水很大一部分是难处理的有机废 水。这类废水主要来自包括农药、印染、化工等有机废水，都含有毒性和较强 稳定性的污染物，这些有毒有害物质会对水体、土壤等自然介质和生物体产生 严重危害、还能延缓或完全抑制微生物生长，难以采用常规的物理、化学及生 物方法处理。
随着电化学技术在环境工程中的应用，电絮凝法、电气浮法、电氧化法以 及内电解法等电化学方法已广泛应用于各类工业废水的治理中。而其中的内电 解法是从70年代初开始逐渐发展起来的废水处理技术，广泛地应用于各类工业 废水的预处理中。铁内电解技术不仅仅能大大地降低有机物浓度，同时能去除 或降低废水的毒性，提高废水的可生化性。此法具有适用范围广，处理效果好， 成本低廉及操作维护方便且能以废治废等特点。在对难生物降解有毒有害有机 废水的处理研究方面，除了上述比较成熟稳定的内电解法外，Fenton法作为水 处理中的一种高级氧化技术，倍受人们的青睐。Fenton试剂是Fe2+和H2O2的结 合，二者能反应生成具有很高氧化活性的羟基自由基(·OH)，该自由基能使大 多数有机物降解或矿化，特别适用于某些难治理的或对生物有毒性的有机废水 的处理上。而电-Fenton法是利用电化学法产生的Fe2+和(或)H2O2作为Fenton试 剂的持续来源，降解污染物。它的优点是自动产生H2O2的机制比较完善;H2O2 的利用率高;在传统的二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料， 并使装填工作材料表面带电的三维电极法，由于具有很大的比表面积，能够增 加电解槽的面体比，能以较低的电流密度提供较大的电流强度，粒子间距小而 物质传质速率高，时空转换效率高，因此电流效率高，处理效果好。此法以设 备简易、降解能力强、电耗低而被广泛研究，是Fenton试剂最为有前景的发展 方向之一。另外，超声波作为一项新的高级催化氧化技术，一方面场震动效应 可以防止物体表面结垢、有效地对物体表面进行清洗;另一方面通过空化作用 实现对有机物的降解。超声波不仅可以改善反应条件，加快反应速度和提高反 应产率，还能使一些难以进行的化学反应得以实现，同时可以将废水中的某些 难生物降解的有毒有机污染物分解为环境可以接受的小分子物质，直至矿化， 并且不引入其他物质，是一种清洁有效的水处理技术。
现代研究已经表明，光、声、磁对污染物去除都有一定的效果，如果将上 述的这些技术耦合起来，将是有一个极有前途的领域。
发明内容
本发明根据当前各种有机废水处理技术的优缺点，提出将传统的内电解技 术与作为当前研究热点的高级氧化技术进行耦合，开发和研究出一种对有机物， 特别是难生物降解有机物具有高降解效率的催化电解耦合反应器。
本发明的催化电解耦合反应器，从下至上包括进水区、铁内电解层、超声 波辐射层、三维电极氧化层和出水区。主反应发生在铁内电解层、超声波辐射 层和三维电极氧化层，它们的作用详述如下：
铁内电解层，在酸性条件下，铁内电解还原能力可使某些有机物还原成还 原态，将其作为预处理手段，实现大分子有机污染物的断链，发色及助色基团 的破坏而脱色，从而提高废水可生化性，降低后续处理负荷与成本;另外，该 层产生的Fe2+能作为超声波辐射层和三维电极层的催化剂源。其电极反应如下：
阳极(Fe)：
Fe→Fe2++2e- (1)
阴极(C)：酸性充氧条件下
O2+4H++e-→2H2O (2)
超声波辐射层，其作用有二，一是能够产生具有强氧化性能的·OH，能够氧 化降解铁内电解层出水后的部分有机污染物，二是能够产生强烈的空化震荡效 用，能同时对铁内电解层和三维电极氧化层作用，将铁碳和微电极表面污染物 清除，防止填料结块和电极钝化，同时能提高整个反应器的传质效应，加快反 应速率，缩短处理时间;
三维电极层，通过在底部布气，O2在主电极石墨棒和微电极阴极被还原成 H2O2。大量的H2O2在被来自铁内电解层的Fe2+(反应(1))和微电极中的非均相 催化剂的催化下，产生大量的具有强化性能的·OH。在·OH的氧化作用下，经过 前两层处理后的有机物大部分能够得到完全矿化。且经过后期的pH值调节，有 机物特别是难降解有机物浓度得到很大的降低，且废水的水质条件和生化条件 得到完全改善，再经过后期的生物处理单元，完全可以达标排放。电极反应如 下：
O2+2H++2e-→H2O2 (3)
H2O2+Fe2+(或MxRy)+H+→Fe3++·OH+H2O (4)
(MxRy是过度金属离子)
本发明在设计上解决了以下几个问题：1.通过超声震荡辐射作用解决了传统 的铁内电解床在实际运行中存在反应柱堵塞、铁屑结块、填料更换困难等问题; 2.将铁内电解产生大量Fe2+作为超声氧化和三维电极氧化的催化剂，使Fe2+得到 最大限度的利用;3.进水区上部的布水管即可使铁内电解去的活性炭处于流化状 态，使活性炭与铁屑充分接触，同时又能为三维电极层供氧;3.超声波不仅能产 生·OH，对有机物进行氧化降解，还可以通过震荡辐射对三维电极的微电极进行 活化，提高三维电极的电流效率，避免了单独超声波对有机物降解效率不高的 弊端;4.微电极采用一种新型方法制备，其主要成分是复合的高岭土，加入了多 种过渡金属催化离子，能反复使用，不易流失。