一种用于废水处理的床电极反应器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，该方法根据电化学传质理论并结合物料衡算建立不同操作电流密度下的床层各点污染物浓度分布预测模型，以此为基础，拓展得到设定污染物去除率下的反应时间、能耗和电极面积预测模式。基于本发明专利技术提供的床电极反应器设计方法，可进行设定废水去除率下的基建投资和处理成本的精确预估，并能实现床电极反应器处理废水的自控运行，使得电化学水处理技术在废水处理领域的大范围应用成为可能。

A design method of bed electrode reactor for wastewater treatment

The invention discloses a design method for bed electrode reactor for wastewater treatment, according to the electrochemical mass transfer theory and combining the material balance of the bed under different operating current density of the pollutant concentration distribution prediction model, based on this, their reaction time, energy consumption and pollutant removal rate of the electrode area set under the prediction model. The design method of bed electrode reactor provided by the invention can be accurately estimated based on capital investment and treatment cost of the wastewater removal rate setting, and can realize the wastewater treatment control bed electrode makes it possible to run a wide range of electrochemical water treatment technology in the field of wastewater treatment application.

【技术实现步骤摘要】
一种用于废水处理的床电极反应器设计方法
本专利技术涉及一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，特别是高盐、难降解、高浓度有机废水处理的床电极反应器设计方法，属于床电极反应器设计

技术介绍
由于电化学反应以电极作为载体，在有限的空间内扩充电极面积非常必要，故可在电化学反应器的极板之间填充填料，以期填料粒子复极化为阳极和阴极，从而在整个电极的立体空间内均能发生电化学反应，强化废水处理效率并有效降低能耗。有人据此申请了名为“三维电极反应器及其用于处理有机废水”(申请号02114740.X)和“一种处理难降解有机废水的三维电极反应器”(申请号200610081233.4)的专利技术专利，主要采用这种设备提高有机废水可生化性，从而作为生化处理的预处理工艺；但这些专利并未提出反应器设计、电流效率及能耗预测和阳极所需面积的工程设计方法，而只是一种较为简单的思路，无法对工业废水处理构筑物或设备进行精确设计，存在难于工业化应用的缺点。随着研究的深入，完全可以提出先进的理论并依据理论进行浓度、能耗，这将使得电化学环保技术的工程应用成为一种必然。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，首先根据电化学反应本征动力学建立不同操作电流密度下的床层污染物浓度分布模型；然后，据此模型预测废水处理能耗数值和所需阳极面积，为准确计算废水处理成本和基建投资数额提供依据。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，包括如下步骤：步骤1，设定废水流量和空塔流速，并计算床电极反应器的平面面积；步骤2，计算废水中有机污染物的传质系数并得出起始极限电流密度，根据起始极限电流密度计算得到操作系数；步骤3，设定有机污染物去除率，引入床层扩张系数、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化电流占比、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化选择系数，根据施加操作电流密度建立床层有机污染物浓度分布模型，根据床层有机污染物浓度分布模型计算床层各点平均电流效率；所述床层有机污染物浓度分布模型如下：1)当床层各点的填料拓展电极电流密度iP和电极电流密度iR均小于等于极限电流密度ilim时，床层有机污染物浓度分布模型为：2)当iP≤ilim<iR，床层有机污染物浓度分布模型为：3)当iP>ilim且iR>ilim时，床层有机污染物浓度分布模型为：其中，c(t)为t时刻出水口有机污染物浓度，c0为废水中有机污染物的起始浓度，β、γ分别为氧化电流占比、氧化选择系数，α为操作系数，km为有机污染物的传质系数，ε为床层空隙率，x0为极板间距，λ为床层扩张系数；上述三种情况对应的床层各点平均电流效率分别为：其中，η为床层各点平均电流效率，X为有机污染物去除率；步骤4，根据废水中有机污染物的传质系数计算阳极面积；步骤5，结合床层有机污染物浓度分布模型，并根据传质系数、操作系数、极板间距计算达到设定污染物去除率所需的反应时间，结合废水流量、反应时间和床层空隙率计算床电极反应器的有效容积；根据床电极反应器的有效容积求得反应器高度，设置反应器的高宽比和长宽比，从而得到反应器的长度和宽度；步骤6，将反应时间代入公式其中，K1、K2均为特征参数，τ为反应时间，Q为废水流量，σs为进水口废水电导率，Δηmax为阳极过电位的最大差值，n为电荷传递数目，F为法拉第常量，AR为阳极面积；验算步骤3所述极板间距是否在该区间内，若不在该区间内，则调整极板间距，并重复步骤3至步骤6，直至极板间距位于上述区间内。进一步地，步骤1所述床电极反应器的平面面积计算公式为：S＝Q/q，其中，S为床电极反应器的平面面积，Q为废水流量，q为空塔流速。进一步地，步骤2所述起始极限电流密度计算公式为：其中，为起始极限电流密度，n为电荷传递数目，F为法拉第常量，km为有机污染物的传质系数，c0为废水中有机污染物的起始浓度。进一步地，步骤2所述操作系数计算公式为：其中，α为操作系数，iR为电极电流密度，为起始极限电流密度。进一步地，步骤3所述有机污染物去除率计算公式为：其中，X为有机污染物去除率，c0为废水中有机污染物的起始浓度，c(t)为t时刻出水口有机污染物浓度。进一步地，步骤3所述床层扩张系数计算公式为：λ＝AP/AR其中，λ为床层扩张系数，AP为填料拓展电极面积，AR为阳极面积，且λ>1.0。进一步地，步骤3所述电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化电流占比计算公式为：其中，β为电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化电流占比，λ为床层扩张系数，iP＝I/AP，iR＝I/AR，iP为填料拓展电极电流密度，AP为填料拓展电极面积，iR为电极电流密度，AR为阳极面积，I为操作电流。进一步地，步骤4所述阳极面积计算公式为：其中，AR为阳极面积，Q为废水流量，X为有机污染物去除率，β、γ分别为氧化电流占比、氧化选择系数，α为操作系数，km为有机污染物的传质系数，η为床层各点平均电流效率。进一步地，步骤5所述床电极反应器的有效容积计算公式为：V＝Q·τ/ε，其中，V为床电极反应器的有效容积，Q为废水流量，τ为反应时间，ε为床层空隙率。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术设计方法不仅能够确定反应器构型已定情况下对某种特定废水的处理成本、基建投资和处理程度，也能对其他多种废水处理进行能耗、所需极板面积及处理效率的预测；而且，设计方法的提出能够为床电极反应器的优化设计及自控运行奠定理论基础。附图说明图1是本专利技术用于废水处理的床电极反应器的截面图。其中，1-进水；2-配水管；3-阳极；4-阴极；5-填料；6-出水。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，为本专利技术用于废水处理的床电极反应器的截面图。本专利技术首先根据电化学反应本征动力学建立不同操作电流密度下的床层污染物浓度分布模型；然后，据此模型预测废水处理能耗数值和所需阳极面积。首先依据污染物传质系数计算起始极限电流密度，据此进行不同操作电流密度下反应控制、混合控制和扩散控制三种状态的界定；而后进行物料衡算得出反应速率动力学表征方程，从而推导出床层污染物浓度分布模型；结合模型和法拉第定律进行设定处理条件下的能耗和阳极面积预测。主要按照以下步骤进行：1、建立床层污染物浓度分布模型根据电化学动力学，极限电流密度ilim(ilim＝nFkmc)与操作电流密度i的关系决定污染物降解控制步骤：当i<ilim时，降解进程处于反应控制状态，而当i>ilim时，反应进程处于扩散控制步骤。填料具有拓展阳极或阴极面积的作用，引入床层扩张系数λ(λ＝AP/AR，λ>1.0)，填料的活性面积无法得到具体的数值，但其伏安电量与阳极伏安电量的比值可以衡量填料拓展电极面积的能力，故在相同的操作电流下，床层各点均存在两种不同的电流密度iR(iR＝I/AR)和iP(iP＝I/AP)，且iP＝iR/λ。基于电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化选择系数和氧化电流占比(γ和β，均≤1.0)，并引入起始极限电流密度且以电流密度iR与的比值命名为操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，设定废水流量和空塔流速，并计算床电极反应器的平面面积；步骤2，计算废水中有机污染物的传质系数并得出起始极限电流密度，根据起始极限电流密度计算得到操作系数；步骤3，设定有机污染物去除率，引入床层扩张系数、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化电流占比、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化选择系数，根据施加操作电流密度建立床层有机污染物浓度分布模型，根据床层有机污染物浓度分布模型计算床层各点平均电流效率；所述床层有机污染物浓度分布模型如下：1)当床层各点的填料拓展电极电流密度iP和电极电流密度iR均小于等于极限电流密度ilim时，床层有机污染物浓度分布模型为：

【技术特征摘要】
1.一种用于废水处理的床电极反应器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，设定废水流量和空塔流速，并计算床电极反应器的平面面积；步骤2，计算废水中有机污染物的传质系数并得出起始极限电流密度，根据起始极限电流密度计算得到操作系数；步骤3，设定有机污染物去除率，引入床层扩张系数、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化电流占比、电极和填料拓展电极对有机污染物的氧化选择系数，根据施加操作电流密度建立床层有机污染物浓度分布模型，根据床层有机污染物浓度分布模型计算床层各点平均电流效率；所述床层有机污染物浓度分布模型如下：1)当床层各点的填料拓展电极电流密度iP和电极电流密度iR均小于等于极限电流密度ilim时，床层有机污染物浓度分布模型为：2)当iP≤ilim<iR，床层有机污染物浓度分布模型为：3)当iP>ilim且iR>ilim时，床层有机污染物浓度分布模型为：其中，c(t)为t时刻出水口有机污染物浓度，c0为废水中有机污染物的起始浓度，β、γ分别为氧化电流占比、氧化选择系数，α为操作系数，km为有机污染物的传质系数，ε为床层空隙率，x0为极板间距，λ为床层扩张系数；上述三种情况对应的床层各点平均电流效率分别为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王立章，孔颖，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32