一种硝酸盐污水的处理方法与流程

专利2022-05-10  2



1.本发明涉及污水处理技术技术领域,尤其涉及一种硝酸盐污水的处理方法。


背景技术:

2.氮元素对于所有生命来讲都是非常重要的,但如果氮的形态或位置不对的话,对生命体就会有害。在水中,氮通常以硝酸盐、亚硝酸盐、铵离子的形式存在,硝酸盐是一种非配体形成的氧阴离子,具有很高的迁移率,可以溶于水。随着工农业的快速发展,人们对氮肥的过度使用,以及对生活污水和工业污水缺乏妥当的处理,水中的硝酸盐污染已经成为不容忽视的问题。假如饮用水中的硝酸加入过量,则会导致高铁血红蛋白血症,这是由人体胃肠道中的亚硝酸盐引起的。亚硝酸盐被胃肠道微生物从硝酸盐中还原出来,将血红蛋白中的亚铁离子氧化成铁离子,从而使红细胞的氧气运输机制失效。氧转运障碍会导致发紫、疲劳、呼吸急促、脑缺氧甚至死亡。婴儿和胎儿对高铁血红蛋白血症特别敏感,高铁血红蛋白血症也被称为“蓝宝宝综合症”。世界卫生组织将饮用水中硝酸盐的最大污染物水平(mcl)设定为50mg/l,我国在《生活饮用水卫生标准》中规定硝酸盐氮最高限值为10mg/l。
3.去除水中硝酸盐的常见方法包括离子交换、反渗透、电渗析、活泼金属还原法、催化还原法、生物法和电化学法。其中,电化学法具有效果稳定、工艺简单、设备占地面积小、效果稳定、绿色环保等优点,因此电化学法已广泛应用在污水处理中。然而,目前电化学法在还原硝酸根等阴离子时仍存在不足之处:电化学法的电流利用率低、副产物产率高、反应时间长,如硝酸根还原的控速步骤在于no3‑
吸附在电极上和与阴极材料传递的电子外加水溶液中的质子(h

)反应生成no2‑
,但no3‑
是带负电,阴极会因为电场力作用而排斥no3‑
,阳极也会因电场力作用而吸引no3‑
,这样则会导致no3‑
的还原产物no2‑
在阳极周围被重新氧化为no3‑
,以致延长了还原的总时长,降低了还原效率。


技术实现要素:

4.本发明的目的为是克服了现有技术的问题,提供了一种还原率高、还原速度快的硝酸盐污水的处理方法。
5.为了达到上述目的,本发明采用以下方案:
6.提供一种硝酸盐污水的处理方法,包括以下步骤,
7.s1、采用电化学装置,所述电化学装置包括直流电源、电解槽和设于所述电解槽内的将所述电解槽分隔为阴极室和阳极室的质子交换膜,所述阴极室设有阴极板,所述阳极室设有阳极板,所述直流电源的正极连接所述阳极板,所述直流电源的负极连接所述阴极板;
8.s2、在所述电解槽的外周壁安装两块永磁板,使所述两块永磁板相对设置以及使得所述两块永磁板的板面均与所述阳极板的板面和阴极板的板面垂直,以使得在直流电场垂直方向施加磁场;
9.s3、将硝酸盐污水注入阳极室和将待处理的硝酸盐污水注入阴极室,使阴极室内
的污水浓度大于阳极室的污水浓度;
10.s4、在所述阳极板和所述阴极板上施加直流电场,对阴极室内的硝酸盐污水进行还原处理。
11.进一步地,所述阴极室的底部设有阴极室进水口,所述阴极室的顶部设有阴极室出水口,所述阴极室进水口靠近所述质子交换膜且远离所述阴极板,所述阴极室出水口靠近所述阴极板及远离所述质子交换膜,所述阴极室进水口和所述阴极室出水口分别连接有微量蠕动泵。
12.进一步地,所述阴极室设有回路通道,所述回路通道的两端口分别是排水口和入水口,所述入水口和/或所述排水口连接有微量蠕动泵,所述阴极室还设有进水口和出水口,所述进水口和所述出水口分别设有电磁阀门。
13.进一步地,所述阳极室设有阳极室进水口和阳极室出水口,所述阳极室进水口和所述阳极室出水口分别连接有微量蠕动泵。
14.进一步地,所述阴极室内还设有若干网状电极板,所述若干网状电极板并排设置且所述若干网状电极板的板面相互对齐,相邻网状电极板之间留有间隔。
15.进一步地,所述网状电极板之间的间隔为5mm。
16.进一步地,所述阴极板为cu

sn

bi阴极板,所述阳极板为纯ti阳极板,所述电极板为cu

sn

bi电极板。
17.进一步地,在所述阴极室的底部安装曝气装置。
18.与现有的技术相比,本发明具有如下优点:
19.(1)本发明在发生电化学反应的电解槽的外壁设置永磁板,该永磁板产生在电场的垂直方向施加磁场,该磁场力产生的洛伦兹力克服阴极对硝酸根的静电排斥,从而增加硝酸根与阴极表面接触的可能性,有效提高了阴极对硝酸根的还原效率,并且大大减少了副产物。
20.(2)本发明用质子交换膜将电解槽分为阴极室和阳极室,有效避免了阴极侧的中间还原产物迁移到阳极周围重新被氧化,提高电流效率。
21.(3)本发明在阴极室填充有比阳极室浓度更高的硝酸盐污水,这样利用反渗透作用减小阴极室的阴离子往阳极室迁移,提高了还原效率。
附图说明
22.下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
23.图1是本发明的一种硝酸盐污水的处理方法的结构示意图。
24.图2是本发明的一种硝酸盐污水的处理方法的侧视图。
25.图3是本发明的永磁板产生洛伦兹力的示意图。
26.图中包括:
27.直流电源1;电解槽2;阴极室3;阳极室4;质子交换膜5;阴极板6;阳极板7;永磁板8;阴极室进水口9;阴极室出水口10;微量蠕动泵11;阳极室进水口12;阳极室出水口13;网状电极板14;曝气装置15;磁场方向16。
具体实施方式
28.结合以下实施例对本技术作进一步描述。
29.实施例1
30.为便于说明本发明的硝酸盐污水的处理方法的应用原理,本实施例以含硝酸根no3‑
的污水作为示例来进行说明,实际应用中,本发明的硝酸盐污水的处理方法还能处理含有其他离子的污水。
31.本实施例公开的一种硝酸盐污水的处理方法,包括以下步骤,
32.s1、采用如图1

图3所示的电化学装置,电化学装置包括直流电源1、电解槽2和设于所述电解槽2内的将所述电解槽2分隔为阴极室3和阳极室4的质子交换膜5,所述阴极室3设有阴极板6,所述阳极室4设有阳极板7,所述直流电源1的正极连接所述阳极板7,所述直流电源1的阴极连接所述阴极板6;
33.s2、在所述电解槽2的外周壁安装有两块永磁板8,使所述两块永磁板8相对设置且使所述两块永磁板8的板面均与所述阳极板7的板面和阴极板6的板面垂直,以使得在直流电场垂直方向施加磁场;
34.s3、将硝酸盐污水注入阳极室4和将待处理的硝酸盐污水注入阴极室3,使阴极室3内的污水浓度大于阳极室4的污水浓度;
35.s4、在所述阳极板4和所述阴极板3上施加直流电场,对阴极室3内的硝酸盐污水进行还原处理。
36.使用时,阳极室4中的质子(h

)穿过质子交换膜5以在原阴极室3中还原污水中的no3‑
,电磁板产生的磁场,该磁场产生的磁场方向16进而产生洛伦兹力克服阴极对阴离子的静电排斥,从而增加阴离子与阴极表面接触的可能性,有效提高了阴极对阴离子的还原效率,并且大大减少了副产物。
37.电化学还原硝酸根的过程如下:第一步是水相中no3‑
吸附在电极表面,然后与阴极板传递的电子以及与水溶液中的质子(h

)反应生成no2‑
,这是整个反应过程速率的决定步骤,生成的no2‑
直接通过电荷转移生成no
22

,no
22

迅速水解(k=1.0
×
105s
‑1)并产生吸附的no。吸附在电极表面的no通过电荷转移生成n2o,n2o通过电化学还原反应生成n2析出,涉及的反应方程式如下:
38.no3‑
2h

2e
‑→
no2‑
h2o
39.no2‑
(ad) e


no
22

(ad)
40.no
22

(ad) h2o

no(ad) 2oh

41.no(ad) no(aq) h

e


hn2o242.hn2o2(ad) h

e


n2o(ad) h2o
43.n2o 2h

2e


n2 h2o
44.根据电化学还原硝酸根的机理,可知no3‑
需吸附在电极表面被e

直接或被水中的质子(h

)间接还原,但no3‑
是带负电的,会因电场力的作用而被阴极排斥,从而降低no3‑
的吸附率,进而降低no3‑
的还原效率,本发明正是通过在电场的垂直方向施加磁场,利用洛伦兹力和水流的粘滞力克服阴极对no3‑
的静电排斥,从而增加no3‑
与吸附在阴极板上的h

和阴极释放出来的e

接触的可能性,提高no3‑
的降解率。
45.本实施例中,所述阴极室3的底部设有阴极室进水口9,所述阴极室3的顶部设有阴
极室出水口10,所述阴极室进水口9靠近所述质子交换膜5且远离所述阴极板6,所述阴极室出水口10靠近所述阴极板6及远离所述质子交换膜5,所述阴极室进水口9和所述阴极室出水口10分别连接有微量蠕动泵11。所述阴极室进水口9和阴极室出水口10的巧妙位置设计,使得待处理的污水水流产生粘滞力,该粘滞力偏向阴极板6,使得no3‑
能偏向阴极板,从而进一步地克服了阴极对no3‑
的静电排斥,继而增加了no3‑
与阴极表面接触的可能性,进一步地提高还原效率。而微量蠕动泵11则提高了流动驱动力。
46.本实施例中,所述阳极室4设有阳极室进水口12和阳极室出水口13,所述阳极室进水口12和所述阳极室出水口13分别连接有微量蠕动泵11,阳极室进水口12和阳极室出水口13使得阳极室4产生水流力,起到减少阳极室4的吸引力的作用。
47.本实施例中,所述阴极室3内还设有若干网状电极板14,所述若干网状电极板14并排设置且所述若干网状电极板14的板面相互对齐,相邻网状电极板14之间留有间隔。该网状电极板14加入电解槽2中通电后,表面会产生自由电子,可以供硝酸根还原反应作利用,且网状电极板14增加no3‑
的还原场所,同时不影响污水的流动。
48.本实施例中,所述网状电极板14之间的间隔为5mm。
49.本实施例中,所述阴极板6为cu

sn

bi阴极板6,所述阳极板7为纯ti阳极板7,所述电极板为cu

sn

bi电极板。
50.本实施例中,所述阴极室3的底部设有曝气装置15,一边还原污水中的硝酸根时,一边通过该曝气装置15将无毒的n2排出大气中。
51.实施例2
52.本实施例与实施例1的不同之处在于,所述阴极室设有回路通道(图中未示出),所述回路通道的两端口分别是排水口和入水口,所述入水口和/或所述排水口连接有微量蠕动泵,该回路通道使得污水能循环处理,以提高处理效果。所述阴极室还设有进水口和出水口,所述进水口和所述出水口分别设有电磁阀门,当需要排放污水或输入污水,控制电磁阀门即可。
53.最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本技术的技术方案,而非对本技术保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本技术作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本技术的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术技术方案的实质和范围。
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