基于电化学的序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置及其方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于电化学的序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置及其方法。

背景技术

当前，随着人口的大幅增长和消费需求的快速增加，生活垃圾处理需求不断提升。目前，填埋、焚烧、好氧堆肥等技术已成为有效解决垃圾围城问题的重要手段。然而，生活垃圾处理过程也会伴随着一定的二次污染问题，其中渗滤液的污染是不容忽视的问题之一。渗滤液通常含有高浓度有机物、高浓度氨氮以及高浓度氯离子，属于一类高浓度有机含盐含氮废水，若直接排入外部环境中，对生态环境和人类健康都会造成较大的威胁。

生物处理和膜处理联用工艺是处理渗滤液的常用工艺，但生物处理工艺的效率常受到渗滤液水质水量变化的影响，而膜处理工艺则不可避免地会发生膜污染和反渗透浓水问题。

近年来，电化学技术由于其环境适应性、稳定性和易于操作的特点，而被广泛地应用于渗滤液的处理中。电芬顿是一种基于传统芬顿氧化的高级氧化过程，其可在原位产生Fenton试剂，具有无需药剂投加、有机物矿化程度高等优点，但电芬顿过程中产生的强氧化性物质——羟基自由基无法实现氨氮的有效去除，存在脱氮缺陷。电氧化是一种与阳极材料性质、污水特性等因素密切相关的电化学过程，其在含氯废水中可通过析氯阳极将废水中的氯离子转化为次氯酸，进而利用折点加氯的原理，实现对氨氮的有效去除，但无法实现有机物的完全矿化，存在除碳缺陷，并存在有机氯化物产生的风险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，结合电芬顿和电氧化污染物去除机制，提供一种基于电化学的序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置及其方法，实现渗滤液中有机物和氨氮的高效、清洁去除。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于电化学的序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置，其包括具有中空内腔的反应主体；反应主体的一侧侧壁上部设置有与内腔连通的进水管，相对的另一侧侧壁底部设置有与内腔连通的出水管，顶部设置有与内腔连通的排气管；

所述内腔中设有第一碳材料电极、第二碳材料电极、第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极，第一碳材料电极和第二碳材料电极的电极板面均垂直水流方向且初始位置均位于内腔中水平面的下方，第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的电极板面均垂直水流方向且初始位置均位于内腔中水平面的上方；第一碳材料电极与第一金属氧化物电极之间通过第一接线柱固定连接，位于第一碳材料电极和第一金属氧化物电极的下方设有第一曝气装置；所述第二碳材料电极和第二金属氧化物电极通过第二接线柱固定连接，位于第二碳材料电极和第二金属氧化物电极的下方设有第二曝气装置；所述第一接线柱和第二接线柱均与水平设置的转动轴固定相接，使第一碳材料电极、第二碳材料电极、第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极均能随转动轴在竖直方向上同步旋转；所述转动轴位于内腔中，轴线方向与水流方向平行；转动轴的一端与位于反应主体外部的电机电气连接，另一端与内腔侧壁活动连接；所述第一接线柱通过第一导线与电极供电装置的一端连接，第二接线柱通过第二导线与电极供电装置的另一端连接；

所述内腔底部设有能够吸附磁性铁化合物粒子的电磁装置，内腔中还设有若干搅拌装置。

作为优选，所述进水管上设有进水阀门，出水管上设有出水阀门。

作为优选，所述反应主体为横向放置的圆筒状结构，第一碳材料电极、第二碳材料电极、第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的竖直方向剖面均为半圆盘状。

作为优选，所述第一碳材料电极和第二碳材料电极均为碳毡电极，第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极均为钌铱钛网状电极。

作为优选，所述磁性铁化合物粒子为天然磁铁矿精粉。

作为优选，所述电机为步进电机，电极供电装置为正负极性可周期性切换的直流电源。

作为优选，所述第一曝气装置和第二曝气装置为膜片式微孔曝气器。

作为优选，所述反应主体的内腔中还设有与外部加药系统相连接的加碱管和pH探头。

作为优选，所述搅拌装置设置于反应主体的内腔侧壁或底部。

本发明的另一目的提供了一种根据上述任一所述装置处理渗滤液的方法，其具体如下：

S1：开启进水管上的进水阀门，使pH调节为2～4的待处理渗滤液经进水管进入反应主体的内腔中；待渗滤液的液面高于第一碳材料电极和第二碳材料电极且低于第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极时，关闭进水阀门；第一碳材料电极和第一金属氧化物电极与电极供电装置的负极相连接，第二碳材料电极和第二金属氧化物电极与电极供电装置的正极相连接；开启电极供电装置、第一曝气装置和搅拌装置，电磁装置处于断电状态，磁性铁化合物粒子被均匀分布在渗滤液中；第一碳材料电极作为阴极，将来自第一曝气装置的氧气转化为过氧化氢，过氧化氢在磁性铁化合物粒子表面还原态金属离子(如Fe

将第一曝气装置断电，调节渗滤液的pH为5～7；通过电机带动转动轴旋转180°，使第一碳材料电极和第二碳材料电极分别与第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的位置互换；位置转换后的第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极浸没于渗滤液中，第二金属氧化物电极作为阳极，将渗滤液中的氯离子有效转化为次氯酸，发生电氧化脱氮过程，渗滤液中的氨氮被转化成氮气脱离渗滤液，同时，磁性铁化合物粒子向体相溶液中溶出的Fe

电极供电装置和搅拌装置断电，通过电机带动转动轴旋转180°，使第一碳材料电极和第二碳材料电极分别与第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的位置互换，位置转换后的第一碳材料电极和第二碳材料电极位于第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的下方；电磁装置通电工作，磁性铁化合物粒子被吸附在反应池内底部；开启出水管的出水阀门，使处理后的渗滤液通过出水管排出反应主体；将出水阀门关闭，电磁装置断电，完成第一渗滤液处理周期；

S2：完成第一渗滤液处理周期后，开启进水管上的进水阀门，使pH调节为2～4的待处理渗滤液经进水管进入反应主体的内腔中；待渗滤液的液面高于第一碳材料电极和第二碳材料电极且低于第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极时，关闭进水阀门；转换电极供电装置的正负极性，使第一碳材料电极和第一金属氧化物电极与电极供电装置的正极相连接，第二碳材料电极和第二金属氧化物电极与电极供电装置的负极相连接；开启电极供电装置、第二曝气装置和搅拌装置，电磁装置处于断电状态，磁性铁化合物粒子被均匀分布在渗滤液中；第二碳材料电极作为阴极，将来自第二曝气装置的氧气转化为过氧化氢，过氧化氢在磁性铁化合物粒子表面还原态金属离子(如Fe

将第二曝气装置断电，调节渗滤液的pH为5～7；通过电机带动转动轴旋转180°，使第一碳材料电极和第二碳材料电极分别与第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的位置互换；位置转换后的第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极浸没于渗滤液中，第一金属氧化物电极作为阳极，将渗滤液中的氯离子有效转化为次氯酸，发生电氧化脱氮过程，渗滤液中的氨氮被转化成氮气脱离渗滤液，同时，磁性铁化合物粒子向体相溶液中溶出的Fe

电极供电装置和搅拌装置断电，通过电机带动转动轴旋转180°，使第一碳材料电极和第二碳材料电极分别与第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的位置互换，位置转换后的第一碳材料电极和第二碳材料电极位于第一金属氧化物电极和第二金属氧化物电极的下方；电磁装置通电工作，磁性铁化合物粒子被吸附在反应池内底部；开启出水管的出水阀门，使处理后的渗滤液通过出水管排出反应主体；将出水阀门关闭，电磁装置断电，完成第二渗滤液处理周期；

S3：所述第一渗滤液处理周期和第二渗滤液处理周期共同组成一个运行周期；重复所述运行周期，以实现对渗滤液的序批式处理。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明采用先电芬顿除碳、再电氧化脱氮的次序对渗滤液进行处理，针对性地实现了渗滤液中有机物和氨氮的分步高效去除，弥补了单一电芬顿体系的脱氮缺陷和单一电氧化体系的除碳缺陷，同时通过电芬顿降解有机物，有效阻断了有机物参与电氧化过程而产生含氯副产物的途径，降低了处理出水的安全风险。

2)本发明通过将磁性铁化合物粒子耦合进反应体系，一方面以磁性铁化合物粒子作为电芬顿反应中的非均相催化剂，催化由阴极生成的过氧化氢产生羟基自由基，在不添加化学试剂的情况下实现了有机物的高级氧化降解，并可通过电磁装置实现催化剂的原位回收再利用，同时具有反应过程无铁泥产生、处理出水色度达标、适用pH范围广等优点；另一方面以磁性铁化合物粒子向体相溶液中产生的Fe

3)本发明通过电极供电装置周期性正负极性切换，有效减缓了电极表面的结垢污染问题，延长了电极材料的使用寿命。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的俯视图；

图3为本发明装置的局部左视图；

图中附图标记为：1-反应主体，2-第一碳材料电极，3-第二碳材料电极，4-第一金属氧化物电极，5-第二金属氧化物电极，6-第一接线柱，7-第二接线柱，8-转动轴，9-电机，10-电极供电装置，11-电磁装置，12-第一导线，13-第二导线，14-磁性铁化合物粒子，15-第一曝气装置，16-第二曝气装置，17-搅拌装置，18-进水管，19-出水管，20-排气管，21-加碱管，22-pH探头，23-进水阀门，24-出水阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1～3所示，为本发明提供的一种基于电化学的序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置，该序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置包括反应主体1、第一碳材料电极2、第二碳材料电极3、第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5。其中，反应主体1为具有中空内腔的壳体结构，在反应主体1的一侧侧壁上部设置有进水管18，相对的另一侧侧壁底部设置有出水管19，壳体的顶部设置有排气管20。进水管18的一端与反应主体1的内腔连通，另一端与外部的给水装置连通，用于向反应主体1中通入待处理的渗滤液，进水管18应当设置于反应主体1侧壁尽可能上部的位置，以防内腔中的渗滤液液面淹没进水管18所在处，从而造成渗滤液回流。出水管19的一端与反应主体1的内腔连通，另一端与外部连通，用于向反应主体1中排出处理后的渗滤液，出水管19应当设置于远离进水管18所在处的侧壁，从而能够使渗滤液在反应主体1中停留尽可能多的时间充分反应。由于在本发明装置的渗滤液处理过程中，会消耗并产生气体，为了保证装置内部的气压平衡，在反应主体1的顶部开设有与内腔连通的排气管20。

在本实施例中，反应主体1可以采用横置的圆筒状结构，即反应主体1的竖直方向横截面为圆形结构。为了更好的控制渗滤液通入和排出的流量大小情况，可以在进水管18上设置进水阀门23，在出水管19上设有出水阀门24。

在反应主体1的内腔中设有第一碳材料电极2、第二碳材料电极3、第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5。第一碳材料电极2和第二碳材料电极3的结构相同且两者之间具有一定间隔，两者的电极板面相对设置且均垂直水流方向，在初始状态下，第一碳材料电极2和第二碳材料电极3均位于反应主体1内腔的下部，当内腔中通入待处理的渗滤液时，第一碳材料电极2和第二碳材料电极3均位于渗滤液的液面下方。第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的结构相同且两者之间具有一定间隔，两者的电极板面相对设置且均垂直水流方向，在初始状态下，第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5均位于反应主体1内腔的上部，当内腔中通入待处理的渗滤液时，第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5均位于渗滤液的液面上方。

在本实施例中，如图3所示，第一碳材料电极2、第二碳材料电极3、第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的竖直方向剖面均可以采用半圆盘状，且第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4的直径相对设置，第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5的直径相对设置。第一碳材料电极2和第二碳材料电极3采用比表面积大、催化活性高、溶解氧转移速率高、原位产Fe

第一碳材料电极2与第一金属氧化物电极4之间通过第一接线柱6固定连接，位于第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4的下方设有第一曝气装置15，第一曝气装置15用于对第一碳材料电极2进行曝气供氧。第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5通过第二接线柱7固定连接，位于第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5的下方设有第二曝气装置16，第二曝气装置16用于对第二碳材料电极3进行曝气供氧。第一接线柱6和第二接线柱7均与水平设置的转动轴8固定相接，使第一碳材料电极2、第二碳材料电极3、第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5均能随转动轴8在竖直方向上同步旋转。也就是说，在旋转过程中，第一碳材料电极2和第二碳材料电极3实时保持相对设置，第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5实时保持相对设置。

转动轴8位于内腔中，轴线方向与水流方向平行；转动轴8的一端与位于反应主体1外部的电机9电气连接，另一端与内腔侧壁活动连接。在本实施例中，转动轴8应固定于第一接线柱6和第二接线柱7的中部，从而使得转动轴8旋转180°时，仅有第一碳材料电极2和第二碳材料电极3或者第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5位于渗滤液的水面以下。

第一接线柱6通过第一导线12与电极供电装置10的一端连接，第二接线柱7通过第二导线13与电极供电装置10的另一端连接，从而使得与第一接线柱6连接的第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4的电极电性与第二接线柱7连接的第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5的电极电性相反。

在反应主体1的内腔底部设有能够吸附磁性铁化合物粒子14的电磁装置11，以免在使用过程中磁性铁化合物粒子14会随渗滤液的排出而流失。具体的来说，电磁装置11可实现磁性铁化合物粒子14与渗滤液的快速分离，磁性铁化合物粒子14为易得的天然磁铁矿石精粉，其主要成分为具有反晶尖石结构的四氧化三铁，四氧化三铁的八面体位同时容纳有Fe

在内腔中还设有多个搅拌装置17，搅拌装置17可以设置于反应主体1的内腔侧壁或底部，从而用于均质渗滤液，同时保证渗滤液与磁性铁化合物粒子充分接触。在反应主体1的内腔中还设有与外部加药系统相连接的加碱管21和pH探头22，通过加碱管21可以向内腔中投加碱液，通过pH探头22能够检测渗滤液的pH值，用于将电芬顿处理后的渗滤液酸碱性调节至电氧化反应所需的最佳状态。

在本实施例中，电机9采用可实现转动轴180°旋转的步进电机，通过电机9带动转动轴8转动一个180°，可实现电极位置的互换。电极供电装置10为正负极性可周期性切换的直流电源，电极供电装置10在每处理一批渗滤液后发生一次正负极性切换，用于减轻电极表面的结垢污染现象，延长电极材料的使用寿命。第一曝气装置15和第二曝气装置16为膜片式微孔曝气器，用于为第一碳材料电极2或第二碳材料电极3提供生成过氧化氢所需的氧气。

利用上述序批式渗滤液一体化除碳脱氮装置处理渗滤液的方法，具体如下：

S1：开启进水管18上的进水阀门23，使pH调节为2～4的待处理渗滤液经进水管18进入反应主体1的内腔中。待渗滤液刚好浸没第一碳材料电极2和第二碳材料电极3，即渗滤液的液面高于第一碳材料电极2和第二碳材料电极3且低于第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5时，关闭进水阀门23。此时，第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4与电极供电装置10的负极相连接，第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5与电极供电装置10的正极相连接。

电极供电装置10、第一曝气装置15和搅拌装置17开始通电工作，电磁装置11处于断电状态，作为磁性铁化合物粒子14的磁铁矿精粉被均匀分布在渗滤液中。由于第一碳材料电极2与电源的负极相连接，第一碳材料电极2作为阴极，将来自第一曝气装置15的氧气转化为过氧化氢，过氧化氢在磁性铁化合物粒子14表面Fe

在渗滤液经过非均相电芬顿反应处理后，将第一曝气装置15断电，外部自动加药系统借助pH探头22监测渗滤液pH，并通过加碱管21向渗滤液中加入碱液，调节渗滤液pH为5～7。电机9开始通电工作，带动转动轴8旋转180°，使第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4位置互换，第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5位置互换。位置转换后的第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5浸没于渗滤液中。第二金属氧化物电极5作为阳极，将渗滤液中的氯离子有效转化为次氯酸，通过折点加氯原理，发生电氧化脱氮过程，渗滤液中的氨氮被转化成氮气脱离渗滤液，同时，磁性铁化合物粒子14向体相溶液中溶出的Fe

在渗滤液经过电氧化反应处理后，电极供电装置10和搅拌装置17断电，通过电机9带动转动轴8旋转180°，使第一碳材料电极2和第二碳材料电极3分别与第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的位置互换，位置转换后的第一碳材料电极2和第二碳材料电极3位于第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的下方。电磁装置11通电工作，磁性铁化合物粒子14被快速吸附在反应池1内底部，实现了与渗滤液的分离。开启出水管19的出水阀门24，使处理后的渗滤液通过出水管19排出反应主体1。将出水阀门24关闭，电磁装置11断电，完成第一渗滤液处理周期。

S2：完成第一渗滤液处理周期后，开启进水管18上的进水阀门23，使pH调节为2～4的待处理渗滤液经进水管18进入反应主体1的内腔中。待渗滤液的液面高于第一碳材料电极2和第二碳材料电极3且低于第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5时，关闭进水阀门23。转换电极供电装置10的正负极性，使第一碳材料电极2和第一金属氧化物电极4与电极供电装置10的正极相连接，第二碳材料电极3和第二金属氧化物电极5与电极供电装置10的负极相连接。开启电极供电装置10、第二曝气装置16和搅拌装置17，电磁装置11处于断电状态，作为磁性铁化合物粒子14的磁铁矿精粉被均匀分布在渗滤液中。第二碳材料电极3作为阴极，将来自第二曝气装置16的氧气转化为过氧化氢，过氧化氢在磁性铁化合物粒子14表面Fe

将第二曝气装置16断电，调节渗滤液的pH为5～7。通过电机9带动转动轴8旋转180°，使第一碳材料电极2和第二碳材料电极3分别与第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的位置互换。位置转换后的第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5浸没于渗滤液中，第一金属氧化物电极4作为阳极，将渗滤液中的氯离子有效转化为次氯酸，通过折点加氯原理，发生电氧化脱氮反应，渗滤液中的氨氮被转化成氮气脱离渗滤液，同时，磁性铁化合物粒子14向体相溶液中溶出的Fe

电极供电装置10和搅拌装置17断电，通过电机9带动转动轴8旋转180°，使第一碳材料电极2和第二碳材料电极3分别与第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的位置互换，位置转换后的第一碳材料电极2和第二碳材料电极3位于第一金属氧化物电极4和第二金属氧化物电极5的下方。电磁装置11通电工作，磁性铁化合物粒子14被快速吸附在反应池1内底部，实现了与渗滤液的分离。开启出水管19的出水阀门24，使处理后的渗滤液通过出水管19排出反应主体1。将出水阀门24关闭，电磁装置11断电，完成第二渗滤液处理周期。

总的来说，在第二渗滤液处理周期中，由于电极供电装置10正负极性发生切换，第二碳材料电极3成为电芬顿反应过程中的阴极，第一金属氧化物电极4成为电氧化反应过程中的阳极，第一曝气装置15在电芬顿反应和电氧化反应过程中均处于断电状态，第二曝气装置16在电芬顿反应开始前通电、在电氧化反应开始前断电，其他步骤同第一渗滤液处理周期。

S3：第一渗滤液处理周期和第二渗滤液处理周期共同组成一个运行周期。重复运行周期，以实现对渗滤液的处理。在装置实际运行时，可根据实际进水中的有机物浓度、氨氮浓度以及氯离子浓度，对电机9、电极供电装置10的工作周期进行调控，以设置电芬顿反应和电氧化反应的水力停留时间，满足不同水质的渗滤液的处理要求。同时，也可以根据实际需要处理的水量大小，对该装置总体的运行周期循环次数进行调控。

本发明通过结合非均相电芬顿体系和电氧化体系形成一体化除碳脱氮装置及方法，可实现渗滤液中有机物和氨氮的分步针对性高效去除，弥补了单一电芬顿体系的除氮缺陷和单一电氧化体系的除碳缺陷，同时具有占地面积小、催化剂原位持留强、含氯副产物产生风险低等优点。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。