專利名稱：電解生物活性炭水處理技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于利用電解-生物活性炭工藝處理飲用水中有機微污染物或其他難降解有機廢水的高效處理工藝。
電化學過程是水處理中一個常見的過程。它利用電極表面的化學反應過程可以氧化或還原各類污染物質(zhì)，它可以在電場作用下直接裂解某些化合物，也可以電場作用下使某些化合物聚合成大分子化合物，還可以使產(chǎn)生的氣態(tài)氧化劑和還原劑在液相進行氧化還原反應，同時還可以利用產(chǎn)生的氣體作為氣浮載氣使污染物分離。因此，電解、電浮選等污水處理工藝應運而生，在水處理中起到了重要作用。
在水的物化處理過程中，活性炭吸附起著重要的作用，活性炭可以適應吸附各類不同的污染物，凈化水體。但吸附過程是一個物化過程，污染物從水相轉移到固相(活性炭)后，需要一個再生過程—解吸，將吸附后的物質(zhì)去除掉，進一步處理利用。所以，吸附的效率不僅與吸附過程有關，也與再生過程有關，再生過程直接影響到再吸附的能力。通?；钚蕴康脑偕梢杂没瘜W試劑再生、水蒸氣再生、高溫分解熱再生等方法，其能耗及試劑消耗均高，同時這些方法使活性炭的損失率也提高，更增加了吸附處理成本，致使在水處理中不能經(jīng)濟有效地利用具有優(yōu)良吸附性能的活性炭。
將電解自由基氧化過程與生物活性炭吸附降解過程的結合使本發(fā)明的基本思路，其目標是通過選用適宜的析氧電極，使電解過程中氧的過電位大大降低，降低電解過程的能耗損失，從而有效地放出大量的羥基自由基。利用羥基自由基強的氧化性氧化降解水體中微量有機污染物或其它難降解有機物；同時選用適宜的陰極，使電解過程中既能夠有效地放出氫自由基，而且過電位低，又能夠作為多環(huán)芳烴加成的催化劑，使多環(huán)芳烴加成轉化為多環(huán)烷烴，降低其毒害性。此外，在電解過程中，部分未參與氧化的羥基自由基會結合生成分子態(tài)氧，在電解部分的末端設置一生物活性炭處理系統(tǒng)，電解生成的分子態(tài)氧可以供給生物活性炭上的微生物利用，提高微生物降解的效率。
本發(fā)明的目的是給出一種基于連續(xù)電解—生物活性炭吸附降解原理的可用于飲用水凈化、難降解有機廢水處理等過程的組合工藝，使其實現(xiàn)連續(xù)高效地去除水體中的微量有機污染物和難降解有機物，達到水體凈化的目的。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明工藝具有的優(yōu)點和有益效果如下1.在本發(fā)明過程中，首先將電解和生物活性炭技術有機地結合起來，電解過程中生成的羥基自由基不但可以降解水體中的有機物，而且生成的分子態(tài)氧可以供給生物活性炭上的微生物利用，提高微生物的降解作用，二者相輔相成，提高水體中有機物的去除效率。
2.在電解的過程中選用了特殊的陰極，陰極不但起到電解過程中電流傳遞的作用，而且可以作為電解過程中放出的氫自由基與多環(huán)芳烴加成的催化劑，降低毒害有機物的毒害作用。
3.在本發(fā)明中，選用了非常理想的析氧陽極，使得電解過程中氧的過電位有效地降低，而且電解過程中羥基自由基的析出效率提高，提高了有機物的氧化效率。
4.在本發(fā)明中，陽極區(qū)域與陰極區(qū)域利用一種離子交換膜分隔，這樣既可方便地阻止了陽極上電解產(chǎn)生的羥基自由基與陰極上產(chǎn)生的氫自由基發(fā)生氧化還原過程，提高羥基自由基和氫基自由基的利用率；而且可以使陽極和陰極保持很小的距離，降低電解過程的電壓。
本發(fā)明的構成如下本發(fā)明根據(jù)處理水量和水質(zhì)類型的不同，可以選用不同的結構形式，現(xiàn)將一種最基本的結構形式描述如下

圖1為一下進水柱形電解生物活性炭處理結構單元該類型的電解自由基氧化生物活性炭降解有機微污染設備基本組成為(1)處理單元柱體，(2)析氫催化陰極，(3)陰極接線柱，(4)陽極接線柱，(5)析氧陽極，(6)固定螺絲，(7)法欄，(8)進水口，(9)膠墊，(10)布水器，(11)支架，(12)陽離子交換膜，(13)隔板，(14)外套管，(15)內(nèi)套管，(16)蓋板，(17)生物活性炭隔板，(18)生物活性炭，(19)出水口。
在本發(fā)明所述的結構中，柱體(1)為圓柱形，一般可以用用有機玻璃管或者PVC等具有一定耐腐蝕性和耐壓性能的材料，柱體的大小根據(jù)處理水量的大小和水力停留時間而定，水力停留時間一般在0.2～3小時內(nèi)變化，主要取決于處理原水污染物濃度，高濃度時水力停留時間長，低濃度時水力停留時間短，同時也與所要求的處理水平有關，要求的處理水平越高，則停留時間越長。
理論上講，任何產(chǎn)生氫氣的電極均可用作陰極(2)，這類電極包括鎳和以它為主的合金，如以鎳和鉻為基體的合金；不銹鋼，它們的型號有304、310、316等；石墨、石墨帶、多層石墨布；鈦或其它電子管金屬以及在電子管金屬上鍍有可降低氫的過電位的金屬。但是，考慮到本發(fā)明其中一個主要作用是利用電解過程中產(chǎn)生的氫自由基對水體中的多環(huán)芳烴進行加成，陰極同時兼作催化劑的作用。因此，符合這一要求的陰極主要包括鎳電極，或者以鎳為主的其它合金電極。
本發(fā)明的陽極(5)一般使用特制的陽極，這些陽極包括市場上常見的一些構型穩(wěn)定的陽極。而且這些陽極必須是一種析氧電極，這些電極一般最好選用網(wǎng)狀或其它具有高的比表面的電極。電極材料包括鉑、金、鈀或它們的合金及它們的混合物，或是在各種惰性基體(如電子管金屬鈦)上鍍上這些金屬的一種單體或者多種組分的混合物。此外，銥、釕、銣的氧化物或者它們與鉑族金屬或其它稀有金屬的合金也可用作這類陽極使用。市場上目前現(xiàn)有的這類陽極有中國科學院金屬腐蝕與防護研究所生產(chǎn)的酸性介質(zhì)中系列氧化物析氧陽極，或者廣東省有色金屬研究院研制的析氧陽極。其它的電極材料包括石墨棒、石墨網(wǎng)等，但它們的析氧效率一般比較低。
在本發(fā)明中，用于分隔陽極區(qū)和陰極區(qū)的陽離子交換膜(12)應是一類惰性膜，即水體中的物質(zhì)和陽極電解產(chǎn)生的自由基或陰極電解產(chǎn)生的自由基不能與膜反應。且它不具有穿透性，即對陽極區(qū)域和陰極區(qū)域中的電解質(zhì)以及各區(qū)域中電解所產(chǎn)生的氣體均不能穿過該交換膜。眾所周知，在陽離子交換膜上包含有固定的陰離子基團，而在它上面的陽離子是可離解的部分，可與外來的陽離子發(fā)生交換，但它排斥外來的陰離子。通常樹脂型交換膜的基體是一類交聯(lián)共聚物，在這類共聚物的基體上有帶電的基團如—SO3-或它與—COOH的混合物?？捎糜谥圃旖粨Q膜的樹脂包括碳氟化合物、乙烯系化合物，聚烯烴類物質(zhì)、烴及其它一些共聚物。用于制作陽離子交換膜的樹脂主要由帶有極性基團磺酸基和羧酸基的碳氟化合物的聚合物或乙烯類的化合物如乙烯基苯等物質(zhì)構成。這里的“磺酸基”和“羧酸基”包括可水解電離的鹽類物質(zhì)。
適宜的陽離子交換膜在國內(nèi)就可買到，如上?；S生產(chǎn)的3361-BW聚乙烯異相陽離子交換膜和浙江臨安有機化工廠生產(chǎn)的聚乙烯異相陽離子交換膜，以及北京順義水處理設備廠生產(chǎn)的YU-2均相陽離子交換膜和上海原子核研究所生產(chǎn)的聚偏氟乙烯均相陽離子交換膜。在國外市場上具有抗氧化性和耐高溫型的杜邦公司生產(chǎn)的耐氟綸型陽離子交換膜，其性能更為優(yōu)越。
法欄(7)主要用于固定下底座與柱體，一般用柱體相同的材料做成，這樣可以有效地防止材料因熱脹冷縮而引起下底座與柱體間的開裂。在底座與柱體之間放置膠墊(9)，以防接縫之間滲漏。隔板(13)必須具有一定的強度，而且在隔板上部很多均勻的孔眼，使陽極區(qū)域和陰極區(qū)域之間的離子先通過孔眼然后再通過離子交換膜，進行交換，達到傳導電流的目的。外套管(14)的底部裝有陽離子交換膜(12)和隔板(13)，并利用于柱體相同的材料固定在柱的內(nèi)壁上，同時外套管(14)與柱體(1)要保持一定的距離，使處理水可以沿回流管的外壁進入內(nèi)套管(15)內(nèi)。內(nèi)套管(15)通過蓋板(16)固定在柱體(1)上，蓋板(16)使內(nèi)套管(15)與柱體(1)密封，從而使進入柱內(nèi)的處理水沿如圖所示的線路流動，達到深度處理的目的。
在生物活性炭處理的部分中，生物活性炭(18)放置在活性炭支撐隔板(17)上，在活性炭支撐隔板(17)上同樣均勻地留有孔眼，可以使處理水順利流過活性炭層，同時活性炭層隔板也兼有布水器的作用。在隔板(17)上首先放置適合粒徑的砂粒，然后在其上面放置生物活性炭(18)，這樣可以有效地防止活性炭進入電解處理的部分。同時，在生物活性炭裝填到處理柱時，活性炭上的微生物首先要經(jīng)過馴化，在馴化微生物的時候，應根據(jù)處理水水質(zhì)的不同選用不同的營養(yǎng)基。對于以飲用水中有機微污染物為主要處理對象的單元，馴化微生物的營養(yǎng)基最好不添加氮源和磷源，在活性炭上培養(yǎng)好氧微生物。對于以難降解有機廢水為主要處理對象的處理系統(tǒng)，馴化微生物的營養(yǎng)液盡可能地用處理原水，同樣馴化的微生物以好氧微生物為主。
在本發(fā)明中，生物活性炭處理層應該與電解部分保持一定的距離，距離過大，使處理單元體積過大，距離過小，電解過程生成的羥基自由基會對活性炭上的微生物起到一定的殺滅作用，降低生物活性炭的效果。在本發(fā)明實施的結構中，活性炭層與電解部分的距離保持在600mm左右。
在本發(fā)明中，處理水從進水口(8)進入設備，經(jīng)過均勻布水器(10)后，經(jīng)電解陽極區(qū)域羥基自由基氧化后，經(jīng)回流區(qū)進入陰極區(qū)域，然后在陰極區(qū)域氫自由基的加成后，進入生物活性炭處理部分，水體中剩余的有機污染物在生物活性炭(18)上進一步降解后通過出水口(19)流出處理系統(tǒng)。
本發(fā)明過程的操作電流密度在0.01KA/m2-10KA/m2之間，通常常用的范圍是0.05KA/m2-3KA/m2之間，最佳電流密度在0.1KA/m2-1KA/m2之間。陽極與陰極之間的距離，可以改變電解部分電解電壓和電流效率。極距愈小，膜間電阻就愈小，則電解電壓就愈小，電流效率愈高。這一間距在0.1-10cm之間選擇，通常的范圍為0.3-2cm。
本發(fā)明所述的設備，其電源配置可用穩(wěn)壓直流電源，脈動直流電源或高頻脈動直流電源，視處理對象和水質(zhì)不同而已。電源電壓宜采用36伏以下的安全電壓。
本發(fā)明所能達到的效果是1.適用范圍廣，該處理工藝不僅可以適用于飲用水中有機微污染物的去除，而且還可適用于各類有機廢水中有機物的去除。包括城市生活污水，飯店賓館生活及洗浴廢水，石油煉制廢水，石油化工廢水，印染廢水，基本合成有機廢水以及農(nóng)副產(chǎn)品綜合利用加工廢水等。
2.處理成本低，該工藝的處理成本主要取決于污染物的濃度，對于飲用水中有機微污染物的去除，電耗一般維持在0.1KWH/噸左右，而對于處理COD濃度在1000mg/L以下的廢水，電耗一般為0.2～0.8KWH/噸。
3.處理過程簡單，在生物活性炭處理過程中，不需要添加曝氣裝置，而且可以實現(xiàn)連續(xù)操作、自動控制，基本不需要人工操作與維護。
2.生活污水深度處理達到中水回用的目的。綜合生活污水的COD為340mg/L，經(jīng)沉降、生化處理后，COD為108mg/L，采用如圖所示的電解生物活性炭處理單元進一步處理后，出水COD僅為28mg/L，完全達到國家中水回用的標準。在處理過程中，水力停留時間為60分鐘，電耗為0.52KWH/噸。
權利要求
一種電解自由基氧化生物活性炭水處理技術，主要包括一個盛裝處理單元的柱體(1)和裝在柱體內(nèi)的電解處理單元和生物活性炭處理單元的結合，其特征在于反應器柱體(1)垂直放置，在柱體的底部放置均勻布水器(10)，特制的析氧陽極(5)，催化析氫電極(2)作陰極，陽極電解區(qū)與陰極電解區(qū)利用隔板(13)和陽離子交換膜(12)隔開，處理水由進水管(11)進入，經(jīng)陽極區(qū)自由基氧化后，進入外層套管(14)，然后進入內(nèi)層套管(15)到達陰極區(qū)，最后通過生物活性炭(18)處理后由出水口(19)排出處理系統(tǒng)。
全文摘要
一種電解自由基氧化生物活性炭水處理技術，將需要處理的原水進入處理單元的電解部分，首先經(jīng)過陽極產(chǎn)生的羥基自由基的氧化和陰極產(chǎn)生的氫自由基在陰極表面的催化加成，使有機物降解脫毒；同時陽極產(chǎn)生的分子態(tài)氧供給下一步生物活性炭利用，經(jīng)降解脫毒后的處理水經(jīng)過生物活性炭處理后，有機污染物進一步去除，達到深度處理的目的。是一種新型的給水或有機廢水深度處理的技術。
文檔編號C02F9/14GK1445181SQ02104958
公開日2003年10月1日 申請日期2002年3月19日 優(yōu)先權日2002年3月19日
發(fā)明者趙振業(yè), 肖賢明, 劉光漢, 傅家謨 申請人:中國科學院廣州地球化學研究所