申请日2019.06.18
公开(公告)日2019.08.20
IPC分类号C02F9/06; C02F1/467; C02F1/72; C02F1/78
摘要
本发明涉及一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其深度处理单元包括深度处理室、气源总成及催、氧化剂加料总成。深度处理室内设微纳米曝气器、通道管、电化学阴极与阳极、催化剂氧化剂负载层。气源总成与微纳米曝气器连接向其输送氧气或臭氧。催化剂与氧化剂投放总成能够将催化剂和氧化剂投送至催化剂氧化剂负载层中。电化学阳极和阴极分别与电源的正、负极连接。深度处理室内能够实现原位产生双氧水与过硫酸盐体系的耦合，或电催化与臭氧体系的耦合。本发明能根据污水类型选择不同的处理系统，在同一系统内实现对不同性质污水的深度处理操作，显著提高净水效果并降低能耗，优化反应装置结构，缩小反应装置的占地面积。
权利要求书
1.一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：包括深度处理单元，该深度处理单元包括深度处理室、气源总成及催化剂与氧化剂加料总成;
所述深度处理室内，于进口端处设微纳米曝气器，于出口端处设通道管，于进、出口端之间且由进口朝出口方向依次设铁氧体改性碳布电化学阴极、催化剂氧化剂负载层及碳材料电化学阳极;所述碳材料电化学阳极和所述铁氧体改性碳布电化学阴极分别与电源的正、负极连接;
所述气源总成的输出端与微纳米曝气器连接，至少能够选择地向所述深度处理室内输送氧气或臭氧，且于连通管路上设有止回阀;所述催化剂与氧化剂投放总成能够选择地按比例要求，定时、定量地将催化剂和氧化剂投送至所述催化剂氧化剂负载层中;所述深度处理室内能够实现原位产生双氧水与过硫酸盐体系的耦合，或电催化与臭氧体系的耦合。
2.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述碳材料电化学阳极为碳纤维布电极或CNTs气体扩散电极或石墨烯气体扩散电极。
3.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述微纳米曝气器可以选择为盘式曝气器。
4.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述催化剂氧化剂负载层为80-120目的不锈钢网。
5.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述气源总成包括气源罐和与所述气源罐出口连接的气体发生器;所述气体发生器能够对来自所述气源罐的输送气体进行处理而获得臭氧或氧气;所述气体发生器的出口端与所述微纳米曝气器连接。
6.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述催化剂与氧化剂加料总成包括催化剂与氧化剂储备器和催化剂与氧化剂加料器;所述催化剂与氧化剂加料器能够根据反应要求的不同选择合适的氧化剂和催化剂。
7.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口连接有气体回收管路，该气体回收管路上串联有排气阀和真空泵且所述真空泵的另一端连接在所述气源罐的出口管路上。
8.根据权利要求1所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口连接有污水循环管路，该污水循环管路上设有电磁阀，另一端连接至污水罐。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：还包括初步处理单元，该初步处理单元包括初级处理池和设置在该初级处理池下游的金属有机框架过滤膜装置;
所述初级处理池内，沿污水流动方向依次设置有粗格栅、细格栅、磁性碳材料颗粒层三种过滤结构;所述金属有机框架过滤膜装置的输出端连接至所述深度处理室的污水进口端且于二者间的管路上设有止回阀。
10.根据权利要求9所述的一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其特征在于：所述金属有机框架过滤膜装置为过渡金属修饰TiO2-MOFs膜装置;磁性碳材料颗粒为磁性碳材料原位生长MOFs。
说明书
一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种通过电催化过硫酸盐(PMS)、臭氧来实施污水处理技术。
背景技术
污水深度处理技术是一种逐渐兴起的污染物处理手段。主要包括混凝絮凝技术、化学氧化技术、膜处理技术、吸附技术及对部分单个技术的综合应用，其中化学氧化法为主要的处理环节。
化学氧化法的去污能力主要是利用氧化剂的氧化作用，原理是将污水中的污染物转化为其他物质从而达到将污染物从污水中去除的目的。目前，常用的氧化剂有双氧水、二氧化氯、臭氧等，但是这些氧化剂存在着处理成本高、氧化不彻底及生成消毒副产物等缺陷。相应来说，高级氧化技术的发展趋势越来越好，它是以更强氧化能力的羟基自由基(·OH)为特点的污水深度处理技术。羟基自由基的氧化还原电位为2.8V，臭氧是2.08V，液氯是1.36V，因而羟基自由基具有更高的电位，与有机污染物反应时具有更高的反应速率，而且进行氧化时无选择性，可将水中的有机物彻底转化为CO2和H2O。在高级氧化技术的催化剂中，铁氧体的应用逐渐广泛。不同的工艺可以制备出不同结构的铁氧体，常见的有立方相和六方相，不同的结构对应着不同的性能。现在制备成熟且应用广泛的铁氧体主要是CoFe2O4、CuFe2O4、MnFe2O4等，这些铁氧体的共性在于具有强催化性、溶解性低、晶体结构稳定、容易从水中磁性分离等性质。
将氧气与臭氧混合通入反应器中，氧气可以在阴极上原位生成H2O2，产生的H2O2与臭氧发生反应，将臭氧转化为氧化能力更强的羟自由基(·OH)，可以氧化缺乏多电子组分的“顽固”有机污染物。在电降解过程中，污染物既可以经O3/·OH发生化学氧化反应而消除，也可以在电极表面发现电化学氧化反应而消除。过硫酸盐高级氧化技术是一种新型水体污染物处理技术，它的技术反应机理是一种类Fenton技术，从目前的研究结果来看它具有良好发展前景。它包含两种类别，一种是过一硫酸盐，另一种过二硫酸盐。过硫酸盐易溶于水生成过硫酸根离子(S2O82-)。它生成的硫酸根离子，常常会在外界的活化作用下生成强氧化性的硫酸根自由基(E=+2.6V)，常见的活化方法包括光、超声、微波、过渡金属、碱等。将硫酸根自由基(E=+2.6V)和羟基自由基(E=+2.8V)进行对比，可以看到生成的它们的氧化电势相近，因而硫酸根自由基具有较强的氧化能力，因此该技术可以氧化目标水体中难降解的目标污染物，将其部分或完全矿化为二氧化碳和无机酸。过硫酸盐活化技术主要广泛应用于国内外土壤中地下水有机污染原位修复。目前还发现在去除有机废水中的有毒有害难生化处理物质，它也有着潜在的应用前景。过渡金属具有不饱和位点，具有与自由基很好地结合的特点，铁作为过渡元素与其它物质可以很好的进行耦合，铁及其氧化物联合过硫酸盐体系进行水中抗生素降解已经取得了一定的成果，是当下研究的热点，非常有研究意义。
发明内容
依托于深度氧化技术当前取得的阶段性研究成果，本发明的目的在于设计一种能够为深度氧化技术在工业、产业中的应用实施提供支撑的装置，具体地，是一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，其可以在常温常压下运行，并且具有高效性和广谱性，有助于进一步提高净水水质。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统，包括深度处理单元，该深度处理单元包括深度处理室、气源总成及催化剂与氧化剂加料总成。所述深度处理室内，于进口端处设微纳米曝气器，于出口端处设通道管(三通道管)，于进、出口端之间且由进口朝出口方向依次设铁氧体改性碳布电化学阴极、催化剂氧化剂负载层及碳材料电化学阳极。所述气源总成的输出端与微纳米曝气器连接，至少能够选择地向所述深度处理室内输送氧气或臭氧，且于连通管路上设有止回阀。臭氧或氧气经微纳米曝气器爆出，气液充分混合，并以纳米级气泡到达电化学阴极的底部。所述微纳米曝气器可以选择为盘式曝气器。所述催化剂与氧化剂投放总成能够选择地按比例要求，定时、定量地将催化剂和氧化剂投送至所述催化剂氧化剂负载层中。所述碳材料电化学阳极和所述铁氧体改性碳布电化学阴极分别与电源的正、负极连接。所述深度处理室内能够实现原位产生双氧水与过硫酸盐体系的耦合，或电催化与臭氧体系的耦合。所述碳材料电化学阳极可选为碳纤维布电极或CNTs气体扩散电极或石墨烯气体扩散电极等。催化剂为吸附催化复合体，也可选择磁性铁氧体改性碳材料等具有催化作用的粉末物质。氧化剂可以是高铁酸钾盐或者强氧化性酸等。
本发明的部分实施例中，所述气源总成包括气源罐(氧气罐)和与所述气源罐出口连接的气体发生器，所述气体发生器能够对来自所述气源罐的输送气体进行处理而获得臭氧或氧气，所述气体发生器的出口端与微纳米曝气器连接。部分实施例中，所述气体发生器能以空气或者高纯度的氧气作为气源气体，处理生成电催化与臭氧体系耦合需要的臭氧气体，或原位产生双氧水与过硫酸盐体系耦合需要的氧气气体。
本发明的部分实施例中，所述催化剂与氧化剂加料总成包括催化剂与氧化剂储备器和催化剂与氧化剂加料器。所述催化剂与氧化剂加料器能够根据反应的不同选择合适的氧化剂和催化剂。部分实施例中，所述催化剂氧化剂负载层为80-120目的不锈钢网。
本发明的部分实施例中，所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口连接有气体回收管路，该气体回收管路上串联有排气阀和真空泵且所述真空泵的另一端连接在所述气源罐的出口管路上。借助气体回收管路，待气液分离后将未完全反应的臭氧或者氧气经真空泵作用后再次回到气体发生器输入端，实现高效利用。
本发明的部分实施例中，所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口连接有污水循环管路，该污水循环管路上设有电磁阀，另一端连接至污水罐，且管路上还设有与该电磁阀串联的液体流量计，该液体流量计靠近污水罐。
本发明的部分实施例中，所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口连接有净水收集管路，该净水收集管路上设有电磁阀，另一端连接至净水储备罐，且管路上还设有与该电磁阀串联的液体流量计，该液体流量计靠近净水储备罐。
所述的气体回收管路、污水循环管路、净水收集管路的入口端并联地设置在所述深度处理室出口端处设置的通道管外端口上，且前端设置有电动阀。所述深度处理室出口端处设置的通道管为三通道管，且该三通道管的三端口端处于所述深度处理室内，单端口端延伸至外部。
本发明的部分实施例中，还包括初步处理单元，该初步处理单元包括初级处理池和设置在该初级处理池下游的金属有机框架过滤膜装置。所述初级处理池内，沿污水流动方向依次设置有粗格栅、细格栅、磁性碳材料颗粒层三种过滤结构。所述金属有机框架过滤膜装置的输出端连接至所述深度处理室的污水进口端且于二者管路上设有止回阀，用于防止污水超污水罐方向返流。所述金属有机框架过滤膜装置具体可为过渡金属修饰TiO2-MOFs膜装置。磁性碳材料颗粒为磁性碳材料原位生长MOFs，优势在于可磁性回收、可同时吸附去除重金属和有机物，吸附量大，可完成初步去除。
本发明的部分实施例中，所述深度处理室的污水进口端外延管路上设有电磁阀，该外延管路的端部一侧连接所述金属有机框架过滤膜装置，另一侧连接尾液回收罐，且与所述金属有机框架过滤膜装置之间的管路上串联有止回阀和电磁阀，与尾液回收罐之间的管路上也设有串联的止回阀和电磁阀。
本发明的部分实施例中，所述深度处理室的两个电极与连接电源之间的电路上分别设有阳极安全阀和阴极安全阀。连接电源连接到储电装置上，且二者之间设有恒电流计。所述储电装置与风力发电器和/或太阳能板连接，来接收电能以进行储备。
该种改性碳布电催化过硫酸盐、臭氧的污水处理系统具有使用简单、气体利用率高、污水处理效率高，出水水质高的优点。能够根据污水原水类型选择不同的水处理系统，在同一反应系统内实现对不同性质污水的深度处理操作，显著提高净水效果并降低能耗，优化反应装置结构，缩小反应装置的占地面积。具体而言，本发明具有如下有益效果：
(1)利用污水的物理化性质的不同，通过选择不同的高级氧化体系实现单一工艺或一般工艺难以达到的水质要求，亦可降低水处理成本，具有广阔的市场前景;
(2)对未反应完全的气体进行回收利用，实现气体的高效循环;
(3)电化学阴极和阳极为新型电极材料，可拆卸，清洗方便，电极性能稳定;
(4)可通过氧化体系的不同选择合适的催化剂和氧化剂，亦可选择不同的氧化气体。（发明人：李海普;姚晶晶;茶丽娜;杨兆光;屠焓钰;潘亿;刘俊）