一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201922339176.0
(22)申请日 2019.12.24
(73)专利权人 北京城市排水集团有限责任公司
地址 100044 北京市西城区车公庄大街北
里乙37号
专利权人 北京北排科技有限公司
(72)发明人 张树军　罗京　李彦刚　王佳伟　
蒋勇　金秋燕　张文珍　李尚坤　
(74)专利代理机构 北京思创大成知识产权代理
有限公司 11614
代理人 高爽
(51)Int.Cl.
C02F 9/06(2006.01)
C02F 101/30(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统
(57)摘要
本实用新型公开了一种电化学耦合臭氧微
纳米气泡处理系统。

该电化学耦合臭氧微纳米气
泡处理系统包括臭氧发生器、微纳米气泡发生装
置、反应器主体和稳压直流电源。

本实用新型同
时利用电化学反应过程中的阳极氧化作用和阴
极还原作用，电流效率得到有效提高。

同时，采用
臭氧微纳米气泡的形式曝气，不仅提高了臭氧的
氧化效果，还提高了阴极对氧气的利用率，促进
了羟基自由基的产率，增强了对难降解有机物的
去除效果。

本实用新型是耦合电化学氧化和臭氧
氧化的高级氧化技术，应用灵活、操作简单、处理
效率高，
能在大规模工程中推广应用。

权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 211946615 U 2020.11.17
C N 211946615
U
1.一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其特征在于，该电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统包括臭氧发生器、微纳米气泡发生装置、反应器主体和稳压直流电源；
所述臭氧发生器与所述微纳米气泡发生装置连接；
所述微纳米气泡发生装置与所述反应器主体底部的进水口连接；
所述反应器主体顶部的出水口与所述微纳米气泡发生装置连接；
所述反应器主体为密闭反应器，内部设置有多个交叉分布的阴极和阳极，所述阴极与所述稳压直流电源的负极相连，所述阳极与所述稳压直流电源的正极相连。

2.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述阳极为金刚石薄膜电极、金属氧化物电极或钛基金属氧化物涂层电极。

3.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述阴极为石墨电极、碳毡电极、石墨毡电极或气体扩散电极。

4.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述臭氧发生器和所述微纳米气泡发生装置通过聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管、不锈钢管或陶瓷臭氧管连接。

5.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述微纳米气泡发生装置和所述反应器主体通过聚丙烯管、聚氯乙烯管、硬质聚氯乙烯管或不锈钢管连接。

6.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述反应器主体与所述稳压直流电源通过电缆连接。

7.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述反应器主体还包括设置于反应器主体顶部的排气口。

8.根据权利要求1所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，其中，所述反应器主体还包括设置于反应器主体底部的排水口。

权　利　要　求　书1/1页CN 211946615 U
一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统
技术领域
[0001]本实用新型属于工业废水处理领域，更具体地，涉及一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统。

背景技术
[0002]随着我国经济的快速发展，人类向环境中排放的废水日益增多。

工业废水因其含有大量难生物降解有机物而成为环境科学领域关注重点。

[0003]高级氧化技术能产生强氧化性自由基，将大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质，同时还在环境类激素等微量有机物的处理方面具有很大的优势，能够使大部分有机物完全矿化或分解，因此高级氧化技术被广泛的研究和应用于难降解工业废水的处理。

近年来，研究较多的高级氧化技术有基于臭氧的高级氧化、基于芬顿的高级氧化、电化学氧化、光催化等。

[0004]其中，电化学氧化技术主要是利用阳极的氧化能力产生氧化性物质，阴极的还原能力没有得到利用。

臭氧氧化技术主要是利用氧气或空气放电产生臭氧，再利用臭氧氧化有机物。

由于臭氧发生器制备臭氧的效率有效，产生的臭氧和氧气混合气体中，氧气含量占比高达90％以上，而氧气对废水中有机物的去除作用较小，从而造成了氧气的浪费。

[0005]将电化学耦合臭氧能够利用电化学阴极的还原能力将臭氧混合气体中的氧气还原产生过氧化氢，过氧化氢在与臭氧发生过臭氧化反应，产生羟基自由基，提高对有机物的降解能力。

[0006]目前，针对电化学耦合臭氧氧化的技术，国内外做了大量研究并取得了一定的成果。

申请号为201210549472.3的专利申请发明了一种原位电产H2O2协同O3氧化的废水处理装置及方法。

该发明主要是利用气体扩散阴极还原氧气产生H2O2，并与O3反应产生羟基自由基高效去除水体中难降解有机物，可用于染料、垃圾渗滤液等污水中难降解有机物的处理。

申请号为201410336529.0的专利申请提出了电化学联合臭氧处理抗生素废水的装置及处理方法，实现了对阿莫西林的完全去除。

申请号为201310279516.X的专利申请提出了电化学阴极催化臭氧氧化去除水中有机污染物的方法，在一定臭氧的投加量进行第一次处理，再在一定臭氧投加量和阴极电压下处理，完成对待处理有机物污染的水的处理。

该发明与单独臭氧处理相比，对有机物的去除率提高20％-50％。

[0007]虽然电化学和臭氧联用的技术能够提高对污水中有机物的去除效果，但是反应过程中，臭氧都是通过不锈钢曝气头或者曝气盘的方式进行曝气，臭氧和氧气的传质较低，从而导致其利用率有限，降低了过臭氧化反应的效率。

实用新型内容
[0008]本实用新型的目的在于解决难降解工业废水处理工艺中存在的不足，提供一种用于处理难降解工业废水的电化学耦合臭氧微纳米气泡的系统，其具有结构合理、设计新颖、操作使用方便、维护成本低、运行可靠稳定、自动化程度相对较高的优点，同时还能有效解
决难降解工业废水处理中电化学反应阴极未有效利用，臭氧氧化过程中氧气未得到利用等缺陷。

[0009]为了实现上述目的，本实用新型的提供一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，该电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统包括臭氧发生器、微纳米气泡发生装置、反应器主体和稳压直流电源；
[0010]所述臭氧发生器与所述微纳米气泡发生装置连接；
[0011]所述微纳米气泡发生装置与所述反应器主体底部的进水口连接；
[0012]所述反应器主体顶部的出水口与所述微纳米气泡发生装置连接；
[0013]所述反应器主体为密闭反应器，内部设置有多个交叉分布的阴极和阳极，所述阴极与所述稳压直流电源的负极相连，所述阳极与所述稳压直流电源的正极相连。

[0014]优选地，所述阳极为金刚石薄膜电极、金属氧化物电极或钛基金属氧化物涂层电极。

[0015]优选地，所述阴极为石墨电极、碳毡电极、石墨毡电极或气体扩散电极。

[0016]优选地，所述臭氧发生器和所述微纳米气泡发生装置通过聚四氟乙烯管连接。

[0017]优选地，所述微纳米气泡发生装置和所述反应器主体通过PPR管连接。

[0018]优选地，所述反应器主体与所述稳压直流电源通过电缆连接。

[0019]优选地，所述反应器主体还包括设置于反应器主体顶部的排气口和设置于反应器主体底部的排水口。

[0020]本实用新型的有益效果：
[0021]相较于传统的电化学氧化水处理技术中只利用单一的阳极氧化作用或者阴极还原作用，本实用新型同时利用电化学反应过程中的阳极氧化作用和阴极还原作用，电流效率得到有效提高。

同时，采用臭氧微纳米气泡的形式曝气，不仅提高了臭氧的氧化效果，还提高了阴极对氧气的利用率，促进了羟基自由基的产率，增强了对难降解有机物的去除效果。

本实用新型是耦合电化学氧化和臭氧氧化的高级氧化技术，应用灵活、操作简单、处理效率高，能在大规模工程中推广应用。

[0022]本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明
[0023]通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

[0024]图1示出了根据本实用新型的一个实施例的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统示意图。

[0025]附图标记说明：1-臭氧发生器、2-微纳米气泡发生装置、3-反应器主体、31-进水口、32-排气口、33-出水口、34-排水口、4-稳压直流电源、5-阳极、6-阴极、7-进水段、8-回流段、9-储水箱。

具体实施方式
[0026]下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。

虽然以下描述了本实用新型的
优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。

相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0027]本实用新型的提供一种电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统，该电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统包括臭氧发生器、微纳米气泡发生装置、反应器主体和稳压直流电源；[0028]所述臭氧发生器与所述微纳米气泡发生装置连接；
[0029]所述微纳米气泡发生装置与所述反应器主体底部的进水口连接；
[0030]所述反应器主体顶部的出水口与所述微纳米气泡发生装置连接；
[0031]所述反应器主体为密闭反应器，内部设置有多个交叉分布的阴极和阳极，所述阴极与所述稳压直流电源的负极相连，所述阳极与所述稳压直流电源的正极相连。

[0032]根据本实用新型，臭氧发生器以氧气或者压缩空气为气源产生氧气和臭氧的混合气体。

[0033]作为优选方案，所述阳极为金刚石薄膜电极、金属氧化物电极或钛基金属氧化物涂层电极。

[0034]作为优选方案，所述阴极为石墨电极、碳毡电极、石墨毡电极或气体扩散电极。

[0035]作为优选方案，所述臭氧发生器和所述微纳米气泡发生装置通过聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管、不锈钢管或陶瓷臭氧管连接。

[0036]作为优选方案，所述微纳米气泡发生装置和所述反应器主体通过聚丙烯管、聚氯乙烯管、硬质聚氯乙烯管或不锈钢管连接。

[0037]作为优选方案，所述反应器主体与所述稳压直流电源通过电缆连接。

[0038]作为优选方案，所述反应器主体还包括设置于反应器主体顶部的排气口和设置于反应器主体底部的排水口，反应过程中产生的气体通过排气口排出，排水口主要用于检修时将反应器内废水排空。

[0039]采用上述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统的废水处理方法包括：[0040]1)将废水及臭氧发生器产生的臭氧混合气体一起进入微纳米气泡发生装置，臭氧混合气体的进气流量和废水的进水流量的比例为1：8-10；
[0041]2)将微纳米气泡发生装置产生的含有臭氧和氧气微气泡的废水进入主体反应器进行反应；
[0042]3)反应结束后第一部分废水从所述反应器主体顶部的出水口排出，可选的第二部分废水回流至微纳米气泡发生装置并重复步骤2)，用于加强废水与电极板之间的传质过程以及反应物之间的混合传质过程。

[0043]根据本实用新型，步骤3)中，若电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统的处理量可完全满足生产需要，则不需要将第二部分废水回流至微纳米气泡发生装置并重复步骤2)。

当废水量较大时，尽管经上述步骤处理后的废水已能达到标准，但可选择将第二部分废水回流至微纳米气泡发生装置并重复步骤2)，进一步降低整体废水中的污染物含量。

[0044]作为优选方案，步骤1)中，所述废水的COD浓度为150-1500mg/L；相对于废水，臭氧的投加量为5-50mg/L。

[0045]作为优选方案，进行废水处理时，运行电流为200-600A，反应时间为0.5h-5h。

通过调整反应时间，可以处理不同浓度的难降解有机废水。

在进水浓度较高时，通过控制出水回
流和进水的比值控制反应时间，达到预期的处理效果。

[0046]根据本实用新型，步骤2)中，阳极上发生氧化反应，既能产生自由基氧化降解有机物，又能直接氧化有机物；阴极上发生氧气的还原反应产生过氧化氢，过氧化氢再与臭氧发生过臭氧化反应产生自由基氧化分解有机物。

[0047]根据本实用新型，一方面，微纳米气泡形式的臭氧相较于传统曝气盘的臭氧曝气对有机物的氧化能力更强；另一方面，微纳米气泡形式的氧气也加快了氧气和溶液之间的传质，促进了氧气在阴极还原产过氧化氢的速率，从而加快了对有机物的降解速率。

[0048]图1示出了根据本实用新型的一个实施例的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统示意图。

本实用新型实施例中采用的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统参见图1。

[0049]如图1所示，该电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统包括臭氧发生器1、微纳米气泡发生装置2、反应器主体3和稳压直流电源4；臭氧发生器1与微纳米气泡发生装置2通过聚四氟乙烯管连接；微纳米气泡发生装置2与反应器主体3底部的进水口31通过聚丙烯管连接；反应器主体3顶部的出水口33与微纳米气泡发生装置2连接；反应器主体3与稳压直流电源4通过电缆连接。

反应器主体为密闭反应器，内部设置有多个交叉分布的阴极6和阳极5，阴极6与稳压直流电源4的负极相连，阳极6与稳压直流电源4的正极相连。

反应器主体2的底部设置有排水口34，反应器主体2的顶部设置有排气口32。

还包括与微纳米气泡发生装置2连接的储水箱9。

阳极材料为钛钌网电极，阴极材料为石墨毡电极。

[0050]采用的废水处理方法包括：
[0051]1)将储水箱9中的废水(经进水段7)及臭氧发生器1产生的臭氧混合气体进入微纳米气泡发生装置2，臭氧混合气体的进气流量和废水的进水流量的比为1：9；
[0052]2)将微纳米气泡发生装置2产生的含有臭氧和氧气微气泡的废水进入主体反应器3进行反应；
[0053]3)反应结束后控制50％的废水从所述反应器主体顶部的出水口排出，另外50％的废水经回流段8回流至微纳米气泡发生装置并重复步骤2)，用于加强废水与电极板之间的传质过程以及反应物之间的混合传质过程。

[0054]实施例1：
[0055]某污水处理厂的污泥厌氧消化液经厌氧氨氧化去除氨氮后剩下难生物降解的有机物。

直接返回水厂进水会造成水厂出水超标。

以该水为原水，利用上述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统对其处理。

[0056]原水COD为1000mg/L，氨氮浓度为50-80mg/L，BOD5为80-100mg/L，B/C较低，可生化性较差。

采用所述的电化学耦合臭氧微纳米气泡装置处理原水。

进水pH约为8.0，调节至7.0左右，调节电流强度为450A，调节臭氧浓度为40mg/L(相对于原水)，反应时间为3h。

反应完后出水COD降至150-250mg/L，可返回水厂进水，不会造成水厂出水超标。

[0057]实施例2：
[0058]某垃圾渗滤液处理厂的垃圾渗滤液经厌氧消化、厌氧氨氧化、混凝处理后，氨氮降至25mg/L，COD浓度为650mg/L，可生化性较差。

[0059]以混凝后的垃圾渗滤液为原水，利用上述的电化学耦合臭氧微纳米气泡处理系统进行处理。

进水pH调节至7.0左右，调节电流强度为300A，调节臭氧浓度为25mg/L(相对于原水)，反应时间为4h。

反应完后，出水COD降至60mg/L以下，达到排放标准。

[0060]通过上述两个实施例可以看出，采用本实用新型的电化学耦合臭氧微纳米气泡装置能够有效提高电流效率，并确保出水中COD浓度能够达到预期效果，可满足实际运行需要。

[0061]以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。

在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

图1。