公布日：2024.12.31
申请日：2024.09.25
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/36(2023.01)N;C02F1/463(2023.01)N;C02F1/467(2023.01)N;C02F1/48(2023.01)N;C02F103/34(2006.01)N
摘要
本发明属于医药废水处理技术领域，尤其涉及一种高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置及方法。装置为超声波处理第一反应器、电化学第二反应器和絮凝沉降第三反应器通过管道依次串联；其中，第一反应器内设置壁挂式超声波振板，第二反应器内设有稳定电极与牺牲电极，底部设置多个盘式曝气器，第三反应器内设置溢流槽、斜管填料、电磁铁。本发明可实现生产废水中悬浮物吸附态抗生素的高效解吸附与矿化降解，降低絮凝体中抗生素及其降解产物残留，消除对后续生物处理工段的毒害作用。
权利要求书
1.一种高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置，其特征在于，装置为超声波处理第一反应器、电化学第二反应器和絮凝沉降第三反应器通过管道依次串联；其中，第一反应器内设置壁挂式超声波振板，第二反应器内设有稳定电极与牺牲电极，底部设置多个盘式曝气器，第三反应器内设置溢流槽、斜管填料、电磁铁。
2.根据权利要求1所述的高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置，其特征在于，所述三个反应器经由管道串联，管道上设有管道泵。
3.根据权利要求1所述的高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置，其特征在于，所述第二反应器内设有呈交错对称排列的稳定电极与牺牲电极，相邻的两两电极间距6～30cm；且，反应器一侧壁沿设置有注液管。
4.根据权利要求1所述的高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置，其特征在于，所述第三反应器内经挡水板分隔为溢流槽和沉淀池；溢流槽设置于与第二反应器相邻的第三反应器一侧，与第二反应器相连的管路通过溢流槽底部相连；沉淀池底部设有污泥排口并通过管路与泥浆泵相连，沉淀池内设有挂壁电磁铁，并且设有通过支架支撑固定的斜管填料，同时，斜管填料上方设有齿形排水槽位，其通过螺栓固定于反应器侧壁，与位于第三反应器顶部的出水口相连。
5.一种利用权利要求1所述的装置对高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理方法，其特征在于：利用权利要求1所述装置通过超声波的水氧化和机械剪切作用实现对废水悬浮物吸附态抗生素的解吸附，而后废水通过电极在电极的切换中实现电强化非均相催化氧化反应与电絮凝和电催化反应的阶段，实现废水中高浓度抗生素的深度矿化降解，降低絮凝体中抗生素及其降解产物残留的同时消除废水的毒性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述稳定电极可选择石墨、钛、钛合金、硼掺杂金刚石；牺牲电极可选择铁、铝或其合金；盘式曝气器工作通气量0.05～0.2m3/h·个，服务面积0.2～0.5m2/个。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：废水进入第一反应器进行超声波处理；而后进入第二反应器，投加颗粒电极与氧化剂，首先以稳定电极为阳极、牺牲电极为阴极进行电强化非均相催化氧化反应，而后切换电极极性以稳定电极为阴极、牺牲电极为阳极进行电絮凝和电催化反应；经电化学处理后废水经第三反应器的溢流槽底部进入，磁吸附法回收颗粒电极，悬浮物经斜管沉淀后由泥浆泵导出进行后续处理，处理后澄清废水经齿形排水槽收集后排出沉淀池进行后续处理。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第一反应器超声波处理时间10～120min；所述第二反应器中所述颗粒电极可选择四氧化三钴(Co3O4)、铁酸钴(CoFe2O4)、铁酸锰(MnFe2O4)、铁酸镍钴(CoNiFe2O4)、铁酸锌钴(CoZnFe2O4)中的一种或几种；颗粒电极投加量0.1～10g/L；氧化剂可选择过一硫酸盐(PMS)、过二硫酸盐(PDS)、过氧化氢(H2O2)、过氧乙酸(PAA)中的一种或几种；氧化剂投加量0.5～50g/L。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第二反应器中以稳定电极为阳极、牺牲电极为阴极进行电强化非均相催化氧化反应15～180min；而后切换电极极性进行电絮凝和电催化反应15～180min。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述废水至第三反应器斜管沉淀时间60～240min。
发明内容
本发明的目的在于解决生产废水中高含量悬浮物对抗生素的强吸附、抗生素难以矿化降解导致废水后续生物处理效果差、污泥中抗生素含量高以及由此导致的高生态风险等问题，而提出的一种高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用技术方案为：
一种高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理装置，装置为超声波处理第一反应器、电化学第二反应器和絮凝沉降第三反应器通过管道依次串联；其中，第一反应器内设置壁挂式超声波振板，第二反应器内设有稳定电极与牺牲电极，底部设置多个盘式曝气器，第三反应器内设置溢流槽、斜管填料、电磁铁。
所述三个反应器经由管道串联，管道上设有管道泵。
所述第二反应器内设有呈交错对称排列的稳定电极与牺牲电极，相邻的两两电极间距6～30cm；且，反应器一侧壁沿设置有注液管。
所述第三反应器内经挡水板分隔为溢流槽和沉淀池；溢流槽设置于与第二反应器相邻的第三反应器一侧，与第二反应器相连的管路通过溢流槽底部相连；沉淀池底部设有污泥排口并通过管路与泥浆泵相连，沉淀池内设有挂壁电磁铁，并且设有通过支架支撑固定的斜管填料，同时，斜管填料上方设有齿形排水槽位，其通过螺栓固定于反应器侧壁，与位于第三反应器顶部的出水口相连。
所述反应器共有三个，为PVC或玻璃钢等材质，容积0.1～10m3，经由管道泵串联连接，管道泵流量1～10m3/h；第一反应器执行超声波处理，第二反应器同时执行电化学强化非均相催化反应与电絮凝+电催化反应，第三反应器执行颗粒电极回收和絮凝体沉淀。
所述壁挂式超声波振板为耐酸碱不锈钢或钛材质，安装于第一反应器内并连接超声波电源，超声波电源输出频率调节范围0.1～200kHz。
所述稳定电极、牺牲电极直流电源，直流电源输出电压调节范围0～60V；盘式曝气器为橡胶、PP或ABS尼龙等耐酸碱材质，工作通气量0.05～0.2m3/h·个，服务面积0.2～0.5m2/个；注液管为PVC或PBDE材质，管径25～50mm。
所述挡水板材质为PVC或玻璃钢等材质(与反应器材质一致)，斜管填料为PP、PVC、玻璃钢或乙丙共聚等材质，管径30～80mm；电磁铁为绝缘结构，防水且耐酸碱，初吸力1000～8000N；泥浆泵为自吸式，流量1～5m3/h。
一种利用所述的装置对高浓度抗生素生产废水的超声耦合电化学预处理方法，利用所述装置通过超声波的水氧化和机械剪切作用实现对废水悬浮物吸附态抗生素的解吸附，而后废水通过电极在电极的切换中实现电强化非均相催化氧化反应与电絮凝和电催化反应的阶段，实现废水中高浓度抗生素的深度矿化降解，降低絮凝体中抗生素及其降解产物残留的同时消除废水的毒性。
所述稳定电极可选择石墨、钛、钛合金、硼掺杂金刚石；牺牲电极可选择铁、铝或其合金；盘式曝气器工作通气量0.05～0.2m3/h·个，服务面积0.2～0.5m2/个。
废水进入第一反应器进行超声波处理；而后进入第二反应器，投加颗粒电极与氧化剂，首先以稳定电极为阳极、牺牲电极为阴极进行电强化非均相催化氧化反应，而后切换电极极性以稳定电极为阴极、牺牲电极为阳极进行电絮凝和电催化反应；经电化学处理后废水经第三反应器的溢流槽底部进入，磁吸附法回收颗粒电极，悬浮物经斜管沉淀后由泥浆泵导出进行后续处理，处理后澄清废水经齿形排水槽收集后排出沉淀池进行后续生物处理工段。
所述第一反应器超声波处理时间10～120min；
所述第二反应器中所述颗粒电极可选择四氧化三钴(Co3O4)、铁酸钴(CoFe2O4)、铁酸锰(MnFe2O4)、铁酸镍钴(CoNiFe2O4)、铁酸锌钴(CoZnFe2O4)中的一种或几种；颗粒电极投加量0.1～10g/L；氧化剂可选择过一硫酸盐(PMS)、过二硫酸盐(PDS)、过氧化氢(H2O2)、过氧乙酸(PAA)中的一种或几种；氧化剂投加量0.5～50g/L。
所述第二反应器中以稳定电极为阳极、牺牲电极为阴极进行电强化非均相催化氧化反应15～180min；而后切换电极极性进行电絮凝和电催化反应15～180min。
所述废水至第三反应器斜管沉淀时间60～240min。
所述反应器共有三个，为PVC或玻璃钢等材质，容积0.1～10m3，经由管道泵串联连接，管道泵流量1～10m3/h；第一反应器执行超声波处理，第二反应器同时执行电化学强化非均相催化反应与电絮凝+电催化反应，第三反应器执行颗粒电极回收和絮凝体沉淀。
所述壁挂式超声波振板为耐酸碱不锈钢或钛材质，安装于第一反应器内并连接超声波电源，超声波电源输出频率调节范围0.1～200kHz。
所述稳定电极、牺牲电极直流电源，直流电源输出电压调节范围0～60V；盘式曝气器为橡胶、PP或ABS尼龙等耐酸碱材质，工作通气量0.05～0.2m3/h·个，服务面积0.2～0.5m2/个；注液管为PVC或PBDE材质，管径25～50mm。
所述斜管填料为PP、PVC、玻璃钢或乙丙共聚等材质，管径30～80mm；电磁铁为绝缘结构，防水且耐酸碱，初吸力1000～8000N；泥浆泵为自吸式，流量1～5m3/h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本申请可用于高悬浮物含量抗生素生产废水的预处理，可实现悬浮物吸附态抗生素的解吸附及其深度矿化降解，降低絮凝体中抗生素残留并实现废水的脱毒，显著提升废水可生化性，提高废水的整体处置效率并避免ARBs及ARGs的诱导产生。
(2)本申请的装置的制造成本低，所有配套设备、组件及材料均可通过市场采购或简单定制加工获得。装置的运行能耗低，方法的使用成本低，废水的有效脱毒和可生化性提高还可显著降低废水的整体处置时间与成本。
(3)本申请的电化学系统基于一套电极反应体系即可实现电强化非均相催化氧化与电絮凝+电催化反应的阶段式发生，显著提高装置的空间利用率并节约建造成本，柱状电极避免了浓差极化和电化学极化及其所导致的电能损耗，电极的安装间距大，便于清洗及维护。
(4)本申请提供的方法不受废水pH、COD含量及电导率的影响，适用水质范围更广，且颗粒电极可通过磁吸附回收，经煅烧复活后可重复利用。
（发明人：张猛）