本发明属于电化学废水处理，具体涉及一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统。
背景技术：
1、有机废水中含有多种有害的有机污染物，如芳香类物质、多环芳烃、染料和色素、农药及其残留物、酚类化合物等，这些污染物对环境和人类健康造成严重威胁。为了有效处理这类废水，常见的水处理技术包括生物处理技术、物理化学处理技术、高级氧化技术、膜分离技术和电化学处理技术。生物处理技术如活性污泥法和生物膜法通过微生物降解有机污染物，具有成本低和操作简单的优点，但对难降解有机物效果较差。物理化学处理技术如吸附法和混凝沉淀法可以去除悬浮物和部分有机污染物，但对难降解有机物效果有限。高级氧化技术如臭氧氧化和fenton法利用强氧化剂分解有机污染物，具有高效去除难降解有机物的优势，但设备投资较高。膜分离技术如超滤、纳滤和反渗透通过半透膜分离废水中的污染物，分离效率高，但膜污染和高能耗是主要挑战。电化学处理技术如电催化氧化、电聚合和电气浮通过电化学反应去除有机污染物，适用于难降解有机物。
2、通过使用絮凝剂等物理化学处理技术只能去除水中的固体残渣，对高度溶于水的苯酚等有机污染物并不能产生有效的去除作用。絮凝剂虽然可以有效地去除悬浮物和部分有机污染物，但对难降解有机物效果有限，而且会带来额外的药剂使用成本和二次污染。这使得纯粹依靠物理化学处理技术在处理复杂有机废水时显得力不从心。电催化氧化技术(electrochemical oxidation)在处理有机废水方面具有显著的优势，特别是在处理那些难以降解的有机污染物时。电催化氧化技术利用电极上的电催化反应，将有机污染物氧化成无害的小分子物质或完全矿化为二氧化碳和水。电催化氧化的处理效率在很大程度上取决于电极材料的选择。目前广泛研究和应用的电极材料包括硼掺杂金刚石(bdd)电极、钛基涂层电极(如ti/iro2、ti/sno2)、贵金属电极(如pt电极)等。不同电极材料对污染物的降解效率不同，其中bdd电极和二氧化铅(pbo2)等电极由于其较高的过电位和氧化能力，被认为是典型的高效电极材料。
3、单一的电催化氧化过程需要在电极上施加较高的电位，以产生足够的氧化能力，但这会导致严重的析氢、析氧等副反应同步发生，从而增加了整体能耗。带来了极大的成本压力。此外，单一的电催化氧化技术在处理较高浓度的有机废水时需要消耗较多的电能，这进一步加剧了成本问题。对电催化氧化水处理系统的优化和集成可以在一定程度上提高水处理系统整体运行效率。例如，通过与其他处理工艺结合使用，可以实现能耗的优化和整体处理效率的提高。例如，现有技术研究证实，通过优化供电模式使电极表面产生自由基的利用效率与污染物浓度的降低趋势相匹配，可以在一定程度上降低电化学水处理过程中的能耗，同时提高电流利用效率。然而在他们的进一步研究中，发现通过优化供电模式降低电化学水处理过程中的能耗受到污染物浓度的限制。例如，当苯酚浓度增加到2000mg/l(对应的cod约为4500mg/l左右)时，供电模式的优化对最终能耗的影响不再显著。此外研究还证实了该浓度的苯酚废水对微生物具有极大的毒害作用，电催化氧化和微生物处理技术的协同使用尽管能在一定程度上改善毒性有机废水的可生化性，但此类设备需要较大的占用面积和较长的处理时间(长达数天)，且生物处理过程还受限于环境温度等条件，这限制了其应用价值。以fenton氧化为代表的高级氧化技术与电催化氧化技术协同可以避免上述问题(设备占用面积大、处理时间长)，但fenton氧化技术要额外添加其他化学试剂作为耗材，如过氧化氢和铁盐，不仅容易引起二次污染，还会额外产生大量铁污泥，并增加试剂的使用成本。因此，开发一种适应高毒性和高盐度环境的协同技术，对于实现电化学水处理技术的降本增效具有重要意义。
4、在电催化氧化过程中，一些有机物会发生聚合反应。这一反应过程的本质可以由式(1-3)概括：以苯酚为例，在电极表面发生电聚合的机理主要涉及苯酚分子的氧化和聚合反应。如式(1)所示苯酚的离解反应，在该过程中苯酚失去一个质子。当电流通过电极时，苯酚分子首先在阳极表面失去电子发生氧化反应，生成苯氧基自由基(c6h5o·)，该过程由式(2)所示。这些苯氧基自由基具有较高的反应活性，可以通过多种途径发生聚合反应。如式(3)所示，苯氧基自由基可以先通过偶合反应形成二聚体。二聚体继续氧化并与其他苯氧基自由基或二聚体反应，形成更大的聚合物，如式(4)所示。最终形成的聚合物聚集体以肉眼可见的絮状物形式从原本均相的有机废水中析出，并在机械搅拌的作用下均匀分布在废水中。
5、c6h5oh→c6h5o·+h++e- (1)
6、c6h5oh+·o-→c6h5o·+oh- (2)
7、2c6h5o·→c12h10o2 (3)
8、n·c6h5o→[c6h4o]n (4)
9、现有的电催化氧化反应所需的运行电压较高，会导致严重的副反应同步发生，如阳极反应式(5)所示和阴极反应式(6)所示，其中氧气(o2)在阳极上生成，氢气(h2)在阴极上生成。这些气泡直径通常在几十微米到几百微米之间，这种较小的气泡尺寸易于附着在悬浮物(有机污染物在电催化反应下形成的聚合物)表面，并进而降低悬浮物整体的密度，使其易于上浮。此外，气泡附着在电极表面产生的聚合物上，随着气泡的生成和上升，气泡会将附着的聚合物从电极表面冲击脱离，伴随着对电极表面的清洁作用。
10、2h2o→o2+4h++4e- (5)
11、4h2o+4e-→2h2+4oh- (6)
12、然而，传统的电催化氧化技术虽然能够有效降解有机污染物，但由于需要在电极上施加较高的电位，常常导致能耗过高，并产生析氢、析氧等副反应，从而降低了整体的处理效率和经济性。
13、因此，需要提出一种在不添加任何外源药剂的情况下，实现对废水中溶解有机污染物高效去除的装置或系统来解决上述技术问题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，包括：设备主体、圆柱形电化学反应器，设备主体、圆柱形电化学反应器均为顶部开口的槽型容器，设备主体将圆柱形电化学反应器环绕包围在内，设备主体的内壁与圆柱形电化学反应器的外壁之间设有顶部开放的环柱状空间，设备主体的上沿高于圆柱形电化学反应器的上沿；
2、圆柱形电化学反应器内设有电极对、搅拌器、刮刀、底部排液口、plc控制系统，电极对沿竖直方向排列，电极对呈圆盘状，电极对沿自下向上方向设有镂空孔或格栅孔，电极对电连接至电源；搅拌器设置在圆柱形电化学反应器的槽底，搅拌器搅拌驱动槽内液体自下向上翻涌；刮刀设置在圆柱形电化学反应器的上沿处，刮刀贴靠圆柱形电化学反应器的上沿水平旋转，刮刀将高出圆柱形电化学反应器上沿的漂浮物旋转刮出圆柱形电化学反应器外；底部排液口设置于圆柱形电化学反应器的底部；plc控制系统用于控制整个系统的运行，plc控制系统电连接至电极对、搅拌器、刮刀及电源。
3、优选的，所述协同水处理系统还设有水泵，水泵的进水口连通至废水进水源，水泵的出水口连通至圆柱形电化学反应器的底部，水泵电连接至plc控制系统。
4、优选的，所述圆柱形电化学反应器内设有中空密封圆筒，中空密封圆筒由电机驱动可沿竖直方向上升或下降，电机电连接至plc控制系统，中空密封圆筒11用于测量圆柱形电化学反应器内的液位高度。
5、进一步的，所述圆柱形电化学反应器内设有多个沿竖直方向排布的液体流速计，液体流速计用于测量不同液位深度下的液体流速，液体流速计电连接至plc控制系统。
6、优选的，所述设备主体内壁与圆柱形电化学反应器外壁之间的环柱状空间内设有环柱状的固废收集单元，固废收集单元的顶部设有开口，固废收集单元的上沿低于圆柱形电化学反应器的上沿。
7、更优的，所述固废收集单元的上部设有握柄，握柄用于向上提拉固废收集单元。
8、优选的，所述设备主体的底部设有设备底部支架，设备底部支架将设备主体抬升至地面以上。
9、优选的，所述电极对采用具有较高电催化活性的掺硼金刚石bdd、二氧化铅(pbo2)等材料制成。
10、优选的，所述电极对圆盘水平面的面积不小于圆柱形电化学反应器内筒横截面积的三分之二。
11、优选的，系统运行中不需要添加额外的药剂，如以pac为代表的各类絮凝剂等，和使用牺牲阳极材料，如金属铝电极等，仅通过电力驱动的电化学反应和指定的物理过程实现。
12、本发明的有益效果是：
13、1、高效处理和能耗降低；本发明采用电催化氧化、电聚合和电气浮三合一的策略，在无需外源耗材和药剂添加的情况下，实现了较高浓度毒性有机废水的高效处理。电催化氧化提供强氧化能力，有效降解有机污染物；电聚合通过生成聚合物固化难降解物质；电气浮利用微小气泡将聚合物和悬浮物从废水中分离出来，显著减少了能耗。这种综合方法不仅提高了处理效率，还降低了运行成本和能源消耗，满足了环保和经济的双重需求。
14、2、设备结构简化和故障率降低；本发明设计的设备结构力求精简，几乎所有的反应都被限制在电极表面，使得过程高度易控。且针对容易损坏和需要频繁维护的机械部件(如刮刀、中空密封圆筒、搅拌器等)，在至少一个维度上进行了固定，减少了设备的复杂性和潜在的故障率。例如，耐腐蚀刮刀高度固定，刮除悬浮物的同时确保液位稳定；中空密封圆筒通过电机控制高度调节，保持液位平衡；搅拌器底部设置，有效混合废水。这种设计不仅提高了设备的可靠性和耐用性，还降低了维护成本。
15、3、协同机制与处理成本降低；本发明通过电催化氧化、电聚合和电气浮多种机制的协同作用，本发明能够从均相的废水中分离出含有毒有机物和少量水的悬浮物。经过简单的自然干燥处理，这些悬浮物可以作为固废单独处理，极大地降低了处理成本。此外，这种方法减少了对水体的二次污染，保护了水环境。通过精确控制关键参数，确保了处理效果的一致性和可靠性，进一步提升了废水处理的整体效益和环保性能。
1.一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，包括：设备主体(1)、圆柱形电化学反应器(5)，所述设备主体(1)、圆柱形电化学反应器(5)均为顶部开口的槽型容器，所述设备主体(1)将圆柱形电化学反应器(5)环绕包围在内，所述设备主体(1)的内壁与所述圆柱形电化学反应器(5)的外壁之间设有顶部开放的环柱状空间，所述设备主体(1)的上沿高于所述圆柱形电化学反应器(5)的上沿；
2.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述协同水处理系统还设有水泵(4)，所述水泵(4)的进水口连通至废水进水源，所述水泵(4)的出水口连通至圆柱形电化学反应器(5)的底部，所述水泵(4)电连接至plc控制系统(3)。
3.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述圆柱形电化学反应器(5)内设有中空密封圆筒(11)，所述中空密封圆筒(11)由电机(12)驱动可沿竖直方向上升或下降，所述电机(12)电连接至plc控制系统(3)，所述中空密封圆筒(11)用于测量圆柱形电化学反应器(5)内的液位高度。
4.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述圆柱形电化学反应器(5)内设有多个沿竖直方向排布的液体流速计(7)，所述液体流速计(7)用于测量不同液位深度下的液体流速，所述液体流速计(7)电连接至plc控制系统(3)。
5.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述设备主体(1)内壁与圆柱形电化学反应器(5)外壁之间的环柱状空间内设有环柱状的固废收集单元(14)，所述固废收集单元(14)的顶部设有开口，所述固废收集单元(14)的上沿低于圆柱形电化学反应器(5)的上沿。
6.根据权利要求5所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述固废收集单元(14)的上部设有握柄(15)，所述握柄(15)用于向上提拉固废收集单元(14)。
7.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述设备主体(1)的底部设有设备底部支架(2)，所述设备底部支架(2)将设备主体(1)抬升至地面以上。
8.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述电极对(8)采用具有较高电催化活性的掺硼金刚石bdd、二氧化铅pbo2制成。
9.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述电极对(8)圆盘水平面的面积不小于圆柱形电化学反应器(5)内筒横截面积的三分之二。
10.根据权利要求1所述的一种电催化氧化-电聚合-电气浮协同水处理系统，其特征在于，所述系统运行中不需要添加额外的药剂和使用牺牲阳极材料，仅通过电力驱动的电化学反应和指定的物理过程实现。
