專利名稱：電解處理工業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及用電解通過破裂，化學反應，氧化或浮選作用除去工業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的有機污染物質(zhì)、氨型氮、色素、過度繁殖的藻類和浮游植物，并且可起到消毒作用的方法。本發(fā)明還涉及一套污水凈化裝置。
背景技術：
生物除氮很難用于深井鹵水處理，這是因為處理后的水中仍含有少量殘存的碘，碘不但對微生物有毒性，而且有特殊的鹽性。研究表明用生物法從鹽水中除氮要比從淡水中除氮慢幾個小時。Catalan-Sakairin(1996)的實驗室前期研究結果表明，固定化生物氮化/脫氮化處理系統(tǒng)在鹽水中的最佳氮負荷能力比在淡水中的低6倍。并且，生物除氮方法需要一種有機化合物作為電子供體，從而增加了處理費用。
Tanaka等(2002)雖然報道用臭氧處理法可有效除去海水中的氨，但是，臭氧制成成本高這一不利因素限制了這一方法的實際應用。
Migo等(1993，1997)報道用聚陽離子絮凝劑可除去生物降解廢水中的色素。結果顯示其脫色效率大于90％，總有機碳(TOC)除去效率大于70％。雖然色素可完全除去，但卻產(chǎn)生了大量淤泥狀廢物，這又帶來了次級污染問題。
Alfafara等(2000)報道臭氧處理也可用于從糖蜜生產(chǎn)廢水除去色素。此方法雖然脫色效率高達80％，但是，有機物除去效率(即COD)卻很低，而且處理時間長達40小時。
雖然，用化學絮凝法通過沉淀、離心、傳統(tǒng)的漂浮法(如DAF)或溶解空氣的漂浮作用可以從營養(yǎng)富集化的湖水中除去藻類，但是，在化學絮凝劑或能源方面的資金投入?yún)s較大。
由于上述污水凈化方法中存在許多問題，因此電解法倍受關注。電解處理法有助于從工業(yè)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中除去有機污染物、氨型氮、色素、過量繁殖的藻類和浮游植物，并具有消毒作用。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是提供了一個更加有效且避免了現(xiàn)有技術中所有弊端的工藝方法。
本發(fā)明的再一優(yōu)點是提供了實施本發(fā)明處理方法的裝置。
附圖簡要說明

圖1是實驗室內(nèi)運行本發(fā)明方法的裝置流程圖。
圖2是噴射泵的截面圖。
圖3是待處理液體或廢水的流速流程圖。
圖4是應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的池塘或相近規(guī)模的工業(yè)污水處理池或小湖或沼澤的液體循環(huán)模型的示意圖。
圖5是在典型的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘或相近規(guī)模的工業(yè)污水處理池或小湖或沼澤的水處理系統(tǒng)的布局示意圖。
圖6是應用于較大的湖和沼澤的密度流通式處理系統(tǒng)的示意圖。
圖7顯示了在電解過程中，工業(yè)廢水和糖蜜生產(chǎn)中厭氧分解后的蒸餾流出水中污染物(有機物含量和色素)濃度的變化。有機物含量以COD表示，色素以在465nm的光吸收表示。電解條件是10伏，3安培。
圖8顯示了電解法處理工業(yè)廢水和糖蜜生產(chǎn)蒸餾廢水過程中顏色的變化。
圖9顯示了從深井鹵水中除氨的時間過程變化。電解條件是3伏，3.05安培。
圖10顯示了在電解氧化過程中將填埋廢物瀝出液中氨和COD去除的時間過程變化。電解條件是3伏，3安培。
圖11是電解漂浮法除去藻類的原理圖。
圖12顯示了在對營養(yǎng)富集的湖水進行電解漂浮處理過程中在不同輸入電功率條件下藻類除去的時間過程變化(藻類濃度以葉綠素濃度表示)。電解條件是平均50伏，電流是通過用輸入的功率除以電壓得出的。
本發(fā)明的詳細描述本發(fā)明的優(yōu)點將體現(xiàn)在凈化工業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中。電解作用是通過一個連接或整合到一液體循環(huán)模塊上的電解模塊實現(xiàn)的。電解模塊由與電源相連的多個平行的陰極和陽極板組成。其中電極板被包在液體循環(huán)模塊的外管中并被固定在驅入單元的上游部位。液體循環(huán)模塊包括一個具有入口端和出口端的圓柱狀管，此圓柱狀管還包含了一個驅入液體單元。處理步驟包括把要處理的廢水引入到液體循環(huán)模塊的入口端，然后以與電極板平行的方向流經(jīng)電解模塊，通過向電極加壓而產(chǎn)生電流，以便從陽極氧化釋放離子或可以通過使廢水流中的污染物絮凝，除去所述污染物，從而依此凈化污水，從出口端排放。
根據(jù)本發(fā)明，燒結白金或多價金屬合金制陽極板較鋁或鐵制陽極板效果更好。
根據(jù)本發(fā)明的另一特點，非電解淀積金屬合金制陰極較不銹鋼或鈦合金制陰極更佳。
本發(fā)明的再一特點是液體驅入單元包含了一個噴射泵或者密度流發(fā)生器。
另一優(yōu)點也包含該廢水處理裝置，所述裝置包含連接或整合到液體循環(huán)模塊上的電解模塊。電解模塊由與電壓電源相連的多個平行的陰極和陽極板組成。其中電極板被包在液體循環(huán)模塊的外管中并被固定在驅入單元的上游部位。液體循環(huán)模塊包括一個具有入口端和出口端的圓柱狀管，其包含一個驅入液體單元。
基于電化學生成和氧化劑的有效混合，一個廢水凈化方法已開發(fā)成功。該流程可應用于去除工業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的有機污染物(例如BOD，COD或TOC)、氨型4氮、顏色、過量繁殖的藻類和浮游植物，并具有消毒作用。該系統(tǒng)包括一個連接或整合到液體循環(huán)模塊上的電解模塊 (圖1)。
電解模塊由連接到電壓電源(2)上的平行的電極板(1)組成。電解模塊產(chǎn)生的化合物通過物理或化學反應協(xié)助除去或破壞目標污染物。這些電化學反應所產(chǎn)生的化合物以及目標污染物的除去機制依賴于電極的類型和所用液體的性質(zhì)。在本發(fā)明的廢水處理過程中，其作用機制可以概括為“電漂浮”或“電氧化”。在電漂浮過程中，電極產(chǎn)生漂浮作用和絮凝物質(zhì)，從而可用于除去懸浮固體顆粒，如膠狀土壤顆?；蛞サ纳飸腋∥?如藻類)。在電氧化過程中，在電極上產(chǎn)生氧化劑從而通過氧化還原作用破壞目標污染物。因為在電極上產(chǎn)生的氧化物質(zhì)是以氯為基礎的，所以對含鹽廢水或含氯離子的廢水的處理效果更好。這種作用可用于除去象BOD或COD、氨、頑固的有機化合物等有機污染物，以及除色素或對病原的消毒?；谒秒姌O的類型，電化學反應產(chǎn)物可能是象氫氧化鋁這樣的絮凝劑、象氫氣這樣的漂浮劑、或者象次氯酸、次溴酸這樣的氧化劑等。電極板(1)被包裹在液體循環(huán)模塊(4)的外管(3)中，并固定在驅入液體單元(5)的上游部位，這將在下面部分進行詳細描述。
基本的液體循環(huán)模塊(4)包括一包含驅入液體單元(5)的圓柱狀管(3)，水可從圓柱狀管的入口端流向出口端。驅入液體單元(5)部分或全部可用作液體在入口端的吸入和出口端的排出。流體的吸入和排出可被由噴射泵(6)或密度流發(fā)生器(7)所組成的驅入液體單元(5)驅動。
噴射泵(6)(圖2)由一金屬配件(8)固定并包在圓柱狀外管(3)內(nèi)，并具有一條狹縫的內(nèi)管。它利用噴氣排出器的原理將液體有效混合或再循環(huán)(圖3)。一個連接管(10)到噴射泵(6)上的水泵(9)以流速Q(mào)1驅動液體通過噴射泵內(nèi)的狹縫。液體從狹縫和內(nèi)管的排出(流速是Q1+Q2)，提供了一個壓力降作為驅動液體抽入外管的動力。從外管的最終排出流速變得更大(Q1+Q2+Q3)。因為排水發(fā)生在內(nèi)管和外管，基于噴射泵的液體循環(huán)系統(tǒng)可被視為兩級排出系統(tǒng)或雙重排出系統(tǒng)。
一旦噴射流建立，在排出端附近區(qū)域將產(chǎn)生一個強烈混合區(qū)。噴射流周圍的液體也被卷入液流中。其結果是更多的液體被卷入噴射流，而且這種液流將促進液體的混合。因此，將電解模塊安裝在上游部位是最理想的，這樣電化學反應產(chǎn)物將與目標污染物在強烈混合區(qū)被有效的混合。強烈混合區(qū)通常離噴射出口有很短的距離。這一特性使得污染物與電化學反應產(chǎn)物有效反應。因此，噴射流變成了處理過的液流。
將噴射循環(huán)模塊整合到電解模塊上又給電解處理法帶來了另外優(yōu)點，這在單機電解廢水處理中是不能產(chǎn)生的。從化學工程角度來看，由噴射泵產(chǎn)生的劇烈剪切力使電化學反應產(chǎn)物以極高的質(zhì)量傳遞系數(shù)向液相擴散，促進與目標污染物的反應，并且避免了對電極的污損。電極污損來源于鈣鹽或鎂鹽在陰極表面的沉積。在陰極，氫氧化物堿性是主要產(chǎn)物。強烈的剪切力和有效的混合作用避免了陰極表面局域性的pH值變化，從而也避免了此類化合物的沉積。
這一系統(tǒng)可在所包括的反應器中作為獨立的單機使用(圖2)。對于處理淺的(約1米到2米)和中等規(guī)模的處理池或池塘(約10,000平方米)，該處理單元緊湊而且便于運輸。也可包括一個漂浮裝置(11)、一個液體泵(12)和一部發(fā)動機(13)(圖3)。
在處理大面積或很深的水體時，由于需要很強的混合能力，所以將使用能產(chǎn)生大范圍混合區(qū)的驅入液體單元。對于極大或極深的水體的液體循環(huán)，密度流發(fā)生器(7)更適用(圖5)。密度流發(fā)生器(7)從表面吸入低密度水同時從底部吸入較高密度水，并使用一個推進器(14)將水混合后噴出進入中間層。這種中等密度混合水可產(chǎn)生一種能引起長距離水平擴散的密度流。密度流是指流入另一不同密度液層的某一密度的液體將流向與之等密度的液層的現(xiàn)象，如果這一密度流后有連續(xù)的水流補充，它將跟隨這一水層流相當長的距離。在密度流發(fā)生器中，電解模塊安裝在液體循環(huán)系統(tǒng)的上游部位。
由電解方法的就地應用所構成的水處理系統(tǒng)可適用于廣泛的水體環(huán)境，包括開放的水槽、處理池、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘、或者大面積的湖和沼澤。它也適用于小容量的反應器系統(tǒng)。雖然它仍有其它潛在的用途，但其主要目標是改善各類水的質(zhì)量，并且也起到凈化環(huán)境的作用。
電解處理既可以是電氧化作用，也可以是電漂浮作用。能夠被本水凈化系統(tǒng)除去或中和的主要污染物包括有機物、氨、病原體、藻類、懸浮的固體以及其它污染物。
電氧化作用應用了電化學性質(zhì)不活潑的陽極和陰極。在存在氯離子條件下，在陽極產(chǎn)生含氯氧化劑，并在陰極產(chǎn)生氫氣泡。電氧化適用于從工業(yè)廢水或水產(chǎn)養(yǎng)殖水中除去污染物，例如包括BOD、COD、或TOC在內(nèi)的有機物、氨型氮、亞硝態(tài)氮、硫化氫、過量繁殖的藻類和浮游植物、以及色素。它也適用于對病原微生物的消毒。
電漂浮作用主要適用于除去懸浮的固體，有時也作為次級效應得到利用，它也可以除去水中的一些BOD或COD。電化學性質(zhì)活潑的陽極含有多價金屬，如鋁合金或鐵合金可用于產(chǎn)生絮凝劑(絮凝劑可能是通過電化學反應溶解的鋁或鐵離子的混合物，或其相應的氫氧化物)來聚集微細的懸浮顆粒(即濁度)。這些絮狀物或可通過隨后步驟中沉降除去，或可(如果它們足夠輕)通過在陰極產(chǎn)生的漂浮劑(通常是小的氫氣泡)漂浮起來。
本發(fā)明通過下述非限制(non-limiting)實例予以進一步闡明。
電氧化實例例I，利用電氧化法厭氧處理后從糖蜜生產(chǎn)乙醇過程中的含乙醇廢水除去COD和色素。
用人工海水將含乙醇的糖蜜生產(chǎn)乙醇的廢水按50比50的比例稀釋。來源于可變電源的初始操作電流大約3.9安培。為了進行有效的混合并產(chǎn)生最大的液體剪切力以防止電極污損，將燒結的白金陽極和鈦合金陰極連接于靠近微型液體循環(huán)模塊的位置。圖7顯示了COD和色素的時間過程變化。如圖所示，對于COD初始濃度高達169,000mg/L呈深棕色的污水，電解處理法可在4小時內(nèi)除去99％的COD和色素。這樣的處理效果是很難用生物處理法在很短的時間內(nèi)達到的。該圖也顯示了色素的去除速度較COD的去除速度快。
在下面的表1中顯示了糖蜜廢水經(jīng)一步生物處理(厭氧分解后的生物降解液)和二次處理(兼性氧化池排出的污水)后的色素和有機物含量。數(shù)據(jù)表明色素和殘存的有機物不能通過生物處理除去，厭氧降解后顏色加深，而且經(jīng)氧化池處理后顏色仍然很深。殘留的有機物(TOC)可以認為是難處理的物質(zhì)，其主要成分是色素。生物降解法僅能除去50％到60％的有機物，從而表明生物降解法的降解能力低下。
表I糖蜜生產(chǎn)酒精的蒸餾廢水的特征

注蒸餾廢液是酒精發(fā)酵和蒸餾處理后的廢水；生物降解后的廢水是經(jīng)厭氧生物處理后的蒸餾廢液；氧化池廢水是通過厭氧降解和氧化池S生物處理后的蒸餾廢液。
例II，用電氧化法除去深井鹵水中的氨在電壓5伏和操作電流3安培條件下，用燒結白金制陽極和鈦合金制陰極電氧化深井鹵水。表II顯示了深井鹵水的特征。在此電解條件下，在30分鐘到40分鐘之間，氨被徹底除去。低含量的亞硝酸鹽和硝酸鹽表明氨可能已經(jīng)被轉化成了氮氣。圖7顯示了電解法除氨的時間過程的變化。氨被氧化的同時，總殘留氧化劑(TRO)含量仍然很低。值得注意的是，只要有殘留氨存在，次氯酸(HClO)和次溴酸(HBrO)的氧化劑含量就保持在很低的水平。而且只要有氨存在，就檢測不到溴酸鹽(一種已知的致癌物質(zhì))的形成。在任何電解處理中都沒有溴酸的形成，可以認為是這一處理方法的優(yōu)點。因此，電解法凈化水時，必須提供恰當劑量的氨以供氧化?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)電解法可從深井鹵水中有效除去高濃度的氨(100ppm-200ppm)。因此，電解處理法可更快地除去氨，而且與生物處理法和臭氧處理法相比，更具優(yōu)越性。
表II深井鹵水的特征

例III，用電氧化法凈化填埋垃圾瀝出液在一個反應器系統(tǒng)(圖1)或者開放的水槽(圖3和圖4)中對蓄積的垃圾瀝出液進行電解處理。表III顯示了垃圾瀝出廢水的特征。圖10顯示了幾個指標的時間過程變化。在大約40分鐘內(nèi)，氨可被完全除去。所用電壓也是5伏，操作電流大約是2.8安培。并使用了燒結白金制陽極和鈦合金制陰極。在徹底除去氨后，有機物(如COD)也被除去。并且，研究證明電氧化法也可用于從衛(wèi)生填埋垃圾瀝出液中除去高濃度的氨和COD。
表III垃圾瀝出廢水的特征

電漂浮實例例I，電漂浮法除去過量繁殖的藍綠藻在藍綠藻的電漂浮處理過程中，電極將產(chǎn)生絮凝劑，如Al+3或Al(OH)3(Al+3和H2O鹼性反應產(chǎn)生的絮狀物)，使藻類顆粒形成聚集塊或聚集物。陰極處產(chǎn)生的微小氫氣泡匯集到藻類聚集塊中并作為漂浮劑將藻類聚集塊浮到液體表面。下面的表IV顯示了處理前營養(yǎng)富集的湖水的特征。圖11顯示了藻類去除的原理。圖12的藻類去除時間過程變化顯示，本處理方法也可徹底除去藻類。應用電漂浮方法可以從營養(yǎng)富集的湖水中除去大量繁殖的藻類。其效率和處理時間決定于輸入電的功率或操作電流。處理所需要的操作電流(間接為操作電功率)將在很大程度上取決于初始藻類含量和處理系統(tǒng)的規(guī)模。
表IV營養(yǎng)富集的湖水的特征

對電化學活性不活潑的陽極和同時具有絮凝作用和電漂浮作用的陽極(鋁合金陽極)在單機漂浮處理中的藻類除去效果進行了比較。結果顯示，單獨的漂浮作用的藻類最大除去效率只有50％，而且不能將藻類全部除去。為了徹底除去藻類，同時應用凝聚作用和漂浮作用是至關重要的。
正如所述，本發(fā)明很明顯可以變化為多種形式。但這些變化并沒有脫離本發(fā)明的思路和范圍。所有這些變化都被包括在下列權利要求的范疇之內(nèi)。
權利要求
1.一個電解處理廢水的方法，其中電解作用是通過一個連接或整合到一個液體循環(huán)模塊上的電解模塊實現(xiàn)的，電解模塊由與電壓電源相連的多個平行的陰極和陽極板組成，其中電極板被包在液體循環(huán)模塊的外管中并被固定在驅入單元的上游部位，液體循環(huán)模塊包括一個具有入口端和出口端的圓柱狀管，此圓柱狀管還包含了一個驅入液體單元；處理步驟包括把要處理的廢水引入到液體循環(huán)模塊的入口端，然后以與電極板平行的方向流經(jīng)電解模塊，通過向電極加電壓從而產(chǎn)生電流，從陽極氧化釋放離子，或通過使廢水流中的污染物絮凝，除去所謂的污染物，從而凈化污水，最后將處理過的水從出口端排放。
2.如權利要求1所述的電解處理廢水的方法，其中用于電氧化的陽極電極板采用燒結的貴重金屬如鉑、銥、釕或鈀制成，它們的合金較佳；其中用于電漂浮作用的電極板采用多價金屬合金，鋁或鐵的合金較佳。
3.如權利要求1所述的電解處理廢水的方法，其中凈水系統(tǒng)的陰極板采用非電解淀積合金制成，不銹鋼或鈦合金較佳。
4.如權利要求1到3所述的電解處理廢水的方法，其中驅入液體單元包括一噴射泵或密度流發(fā)生器。
5.如權利要求1所述的電解處理廢水的方法，其中可處理的污染物包括有機物、氨型氮或過量繁殖的藻類。
6.一種裝置包括一個連接或整合到一個液體循環(huán)模塊上的電解模塊，電解模塊由與電壓電源相連的多個平行的陰極和陽極板組成，其中電極板被包在液體循環(huán)模塊的外管中并被固定在驅入液體單元的上游部位，液體循環(huán)模塊包括一個具有入口端和出口端的圓柱狀管，此圓柱狀管還包含了一個驅入液體單元。
7.如權利要求5所述的裝置，其用作廢水處理。
全文摘要
本發(fā)明是涉及用電解通過破裂，化學反應，有效的氧化或浮選作用除去工業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的有機污染物質(zhì)、氨型氮、色素、過度繁殖的藻類和浮游植物，并且可起到消毒作用的方法。本發(fā)明還涉及一套污水凈化裝置。
文檔編號C02F1/46GK1519208SQ200410002770
公開日2004年8月11日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權日2003年1月29日
發(fā)明者松村正利 申請人:松村正利, 張俊人