CN102249393B - 工业废水循环流化床深度处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业废水循环流化床深度处理设备。它包括用于废水Fenton氧化反应的罐体，罐体自下而上依次分为循环配水区、FeOOH结晶区和气水分离区。循环配水区设置有布水器、循环水进口，循环水进口同时与FeSO₄加药泵、H₂O₂加药泵和循环泵的输出端相连。FeOOH结晶区设置有晶体床层、固体排放管、循环水出口，循环水出口与循环泵的输入端相连。气水分离区设置有气水分离筒、延伸至气水分离筒中的废水输入管，废水输入管与进水泵的输出端相连。气水分离区还设置有排气管、环形出水堰和净水排放管。其具有操作灵活方便、运行成本低廉、污泥产量低、处理效果好的特点，特别适用于含有难降解有机物的工业废水。

Description

工业废水循环流化床深度处理设备

技术领域

本发明涉及对经过常规物理化学和生物化学处理后仍不能满足排放要求的工业废水进行再处理的设备，具体地指一种工业废水循环流化床深度处理设备。

背景技术

在某些特种行业的工业废水处理工程中，仅采用传统的物理化学和生物化学方法很难达到预期的处理效果，废水中仍残留有一定量的难降解有机物，不能满足环保排放的要求。为此，需要进一步采用强氧化剂与废水中的高分子有机物发生反应，将高分子难降解有机物氧化成小分子物质，以改善其生化性，便于后续的生物处理技术发挥作用。

1894年，英国化学家H.J.H.Fenton首次发现有机物在H₂O₂与Fe²⁺组成的混合溶液中能被迅速氧化，氧化效果十分明显。后人将亚铁盐和过氧化氢的组合称为Fenton试剂，它能有效氧化去除传统废水处理技术无法去除的难降解有机物，其实质是H₂O₂在Fe²⁺的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由基(·OH)，其氧化电位可以达到2.8V，是除元素氟以外最强的无机氧化剂，它通过电子转移等途径将难降解有机物氧化分解成小分子，同时Fe²⁺被氧化成Fe³⁺产生混凝沉淀，从而去除废水中大量的有机物。

Fenton试剂产生羟基自由基(·OH)的机理为：

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH      (1)

·OH+Fe²⁺→Fe³⁺+OH^-           (2)

Fe³⁺+H₂O₂→Fe²⁺+HO₂·+H⁺      (3)

Fe³⁺+HO₂·→Fe²⁺+O₂+H⁺        (4)

Fe²⁺+·OH→Fe³⁺+OH^-        (5)

根据上述Fenton试剂反应的机理可知，·OH是氧化有机物的有效因子，而Fe²⁺、H₂O₂、OH^-决定了·OH的产量，因而决定了与有机物反应的程度。影响Fenton氧化设备发挥效力的因素包括废水中的pH值、反应温度、H₂O₂投加量及运行方式、催化剂种类、催化剂与H₂O₂投加量之比等。然而，传统的Fenton氧化设备中一直是通过加酸将进水的pH值调节至3～4，并投加过量的H₂O₂和Fe²⁺以维持处理效果，其存在如下缺陷：一方面加药量过大、H₂O₂利用率较低，另一方面排污泥量很大、废水处理成本偏高。同时，由于需要随时加酸加碱调节废水的pH值，操作过于繁琐，导致设备运行效率偏低。特别是对低浓度难生物降解的有机废水而言以上缺陷更为明显，严重制约了Fenton氧化法的推广应用。如何在成本较低的状况下有效提高Fenton氧化设备对工业废水的处理能力，一直是本领域技术人员努力攻克的难题。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种操作灵活方便、运行成本低廉、污泥产量低、处理效果好的工业废水循环流化床深度处理设备。

为实现上述目的，本发明所设计的工业废水循环流化床深度处理设备，包括用于废水Fenton氧化反应的罐体，所述罐体自下而上依次分为循环配水区、FeOOH结晶区和气水分离区。

所述循环配水区的顶部设置有布水器，可使循环废水向上均匀喷射，形成稳态的废水流场。所述循环配水区的罐壁上设置有循环水进口，所述循环水进口同时与FeSO₄加药泵、H₂O₂加药泵和循环泵的输出端相连，可将药液和循环水输送到罐体内布水器下方。

所述FeOOH结晶区中设置有晶体床层，其中的颗粒载体可在废水流场的作用下形成稳定的流化床，以利于在颗粒载体表面产生FeOOH(铁氧化物)结晶体。所述FeOOH结晶区的罐壁上设置有固体排放管，用于定期排放FeOOH结晶体。所述FeOOH结晶区的顶部罐壁上设置有循环水出口，所述循环水出口与循环泵的输入端相连，从而维持晶体床层始终处于循环流态化状态。

所述气水分离区内设置有气水分离筒，可将经过Fenton氧化反应的废水所产生的气体与净水分隔开来。所述气水分离区的罐壁上设置有延伸至气水分离筒中的废水输入管，所述废水输入管与进水泵的输出端相连。所述气水分离区的顶部罐盖上设置有排气管，用于排放所产生的气体。所述气水分离区的罐壁内侧设置有环形出水堰，所述环形出水堰外侧的罐壁上设置有净水排放管，用于输出所产生的净水。

作为优选方案，所述气水分离筒的下部呈向下开口的喇叭形结构，与其对应的气水分离区的下部罐壁呈向上开口的喇叭形结构，从而在两者之间形成有便于分离气水的环形回流缝。环形回流缝的开口大小可根据废水循环所需要的流量确定，一般可控制环形回流缝的流速在0.15m/s左右。

进一步地，所述晶体床层采用石英砂作为载体。石英砂的物理化学性能稳定，比重是废水的两倍多，更有利于在废水中形成稳定的循环流化床，从而为FeOOH结晶提供可靠的产生环境。

更进一步地，所述晶体床层的高度与其对应部位罐体的直径之比H/D＝4～6。这样，晶体床层所占空间适中，在确保循环流态化的同时可尽量减少罐体体积，节约设备投入成本。

再进一步地，所述布水器为开孔率为12～15％的多孔板。较低的开孔率可增大布水器的配水阻力，一般将配水孔流速控制在1.2m/s左右，这样可形成稳定可靠的流场，且不致造成载体堵塞现象。

本发明是基于传统Fenton氧化法的改良装置，主要原理是利用Fenton氧化法产生三价铁Fe³⁺，该三价铁Fe³⁺在循环流态化的晶体床层中的载体表面产生FeOOH结晶体，而FeOOH结晶体也是H₂O₂的一种催化剂。因为有FeOOH的存在，可以大幅降低Fe²⁺催化剂的加药量，从而大幅降低操作成本和污泥产生量。归纳起来，本发明具有如下特点：

1)在罐体外围装备的设置上，废水输入管、FeSO₄加药泵、H₂O₂加药泵、循环泵、固体排放管和净水排放管布置顺畅，层次分明，结构简单，便于操作，易于自动化设计。FeSO₄和H₂O₂的溶液与循环废水以混合方式投加，有利于所产生的·OH与废水中难降解有机物充分反应，提高H₂O₂的利用率，减少H₂O₂的投加量。

2)在罐体内部下方循环废水通过大阻力布水器均匀向上喷射，可保证罐体内Fenton氧化反应在初始运转时晶体床层均匀膨胀，反应暂停运转后重新启动更为容易。由于流体在晶体床层各断面均匀分布，床内各流线的流速和阻力损失基本相等，可确保运转稳定可靠。

3)通过循环泵控制废水回流比及其在罐体内的上升速度，可确保晶体床层循环流态化，大幅增加载体的比表面积，提高传质效率，促进化学氧化反应高效进行，进而可以减少罐体体积。

4)晶体床层中反应产生的三价铁Fe³⁺大部分以FeOOH(铁氧化物)结晶或沉淀的形式覆盖在载体上，使得废水中污染物的去除率大幅提升。同时流化床还存在过滤及异相催化作用，可以大幅降低Fe²⁺的投加量，进而大幅减少污泥的产生量。

5)在罐体内部上方通过气水分离器可将经过Fenton氧化反应产生的O₂和CO₂等气体和净水分离开来，所分离的气体从罐体顶部的排气管放出，所分离的净水则依次通过罐体内壁处的环形出水堰、净水排放管输出，便于后续反应的进行。由于所分离的净水中含有Fe³⁺离子，后续反应中可投加碱液调整pH，以有效去除净水中的Fe³⁺离子，从而能够提高除磷效果。

与传统的Fenton氧化反应器相比，本发明的优点体现在如下几方面：

其一，对难降解有机物的氧化能力强、去除效果好。由于罐体中集同相化学氧化、异相化学氧化和流化床结晶等多种功能于一体，所产生的羟基自由基(·OH)氧化能力极强，能够处理绝大多数难生物降解的有机物。

其二，对有机废水的总磷去除效果好。由于经过深度处理所得净水中主要含有Fe³⁺离子，经过pH值调整后，总磷能够得以有效去除。

其三，工程投资省。与传统的废水深度处理设备如电解法、臭氧法、活性炭吸附等设备比较，其结构简单实用，设备投资成本极为低廉。

其四，运行费用低。由于FeOOH(铁氧化物)结晶的形成，降低了FeSO₄和H₂O₂药液的投加量，减少了污泥的产生量，使得运行费用远低于传统的Fenton氧化设备。

其五，占地空间小。由于有机物的氧化速度相当快，其在罐体内所需的停留时间可大幅缩短，约30～60min即足够，从而可缩小反应罐体的容积，节省空间。

其六，操作灵活。FeSO₄加药泵、H₂O₂加药泵和循环泵的调节十分方便，可以依据出水水质的好坏来灵活改变操作条件。在设计允许的范围内，通常只需提高Fe²⁺离子及H₂O₂的加药量即可处理较高的有机物污染量。

其七，对环境无二次污染。处理后所得净水不会产生类似氯化有机物等毒性物质，对环境不会造成伤害。

其八，所有泵类及管系的控制均可采用计算机控制，自动化程度高，操作维护容易，特别适于对难降解有机物浓度较低的工业废水进行自动化处理，处理成本极低。

附图说明

图1为一种工业废水循环流化床深度处理设备的结构示意图。

图2为图1中布水器的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施对本发明作进一步的详细描述。

图中所示的工业废水循环流化床深度处理设备，具有一个用于废水Fenton氧化反应的圆筒形罐体10，罐体10内设置有三个功能区，三个功能区自下而上依次是循环配水区、FeOOH结晶区和气水分离区。

在循环配水区的顶部安装有布水器6。优选的布水器6采用多孔板，其结构简单实用，多孔板的开孔率控制在12～15％的范围内，较低的开孔率有利于形成较大的配水阻力，以满足稳定流场的需要。在循环配水区的罐壁上设置有循环水进口5，循环水进口5同时与FeSO₄加药泵2、H₂O₂加药泵3和循环泵4的输出端相连。

在FeOOH结晶区中设置有晶体床层7。晶体床层7采用石英砂作为FeOOH结晶的载体，晶体床层7的高度与其对应部位罐体10的直径之比控制在H/D＝4～6的范围内。在FeOOH结晶区的罐壁上设置有固体排放管8，在FeOOH结晶区的顶部罐壁上设置有循环水出口11，循环水出口11与循环泵4的输入端相连。通过对循环泵4的调节可以将布水器6开孔处的流速控制在1.2m/s左右，从而形成稳定可靠的流场，既可保持晶体床层7中的石英砂始终流态化，又可有效避免石英砂堵塞布水器6。

在气水分离区内安装有与罐体10同轴布置的气水分离筒9。气水分离筒9的下部呈向下开口的喇叭形结构，与其对应的气水分离区的下部罐壁呈向上开口的喇叭形结构，两者之间形成有环形回流缝16。这样设计，可使Fenton氧化反应所产生的净水从环形回流缝16进入气水分离筒9外壁与罐体10内壁所形成的夹层中，所产生的O₂和CO₂等气体则从气水分离筒9中向上逸出。在气水分离区的罐壁上设置有延伸至气水分离筒9中的废水输入管12，废水输入管12与进水泵1的输出端相连。在气水分离区的顶部罐盖上设置有排气管13。在气水分离区的罐壁内侧设置有环形出水堰14，环形出水堰14外侧的罐壁上设置有净水排放管15。由此构成一个完整的工业废水处理系统。

本发明对工业废水进行深度处理的过程如下：

(1)废水(或称原水)经过进水泵1提升后从废水输入管12，进入罐体10内的气水分离筒9中，循环泵4抽吸晶体床层7上部的混合废水，FeSO₄加药泵2和H₂O₂加药泵3同时将药液注入混合废水中，一起输入到循环配水区中。

(2)进入循环配水区中的混合废水由布水器6均匀配水后向上喷射，以保证晶体床层7始终流态化。混合废水经过充分的Fenton氧化生成FeOOH结晶体，并覆盖或沉淀在晶体床层7的石英砂载体上，FeOOH结晶体可通过固体排放管8定期排出罐体10。

(3)经过循环流态化晶体床层7充分反应的废水上升至气水分离区，通过向下喇叭形开口的气水分离器9收集其中所产生的O₂和CO₂等气体，并通过排气管13排出罐体10。而分离出的净水则依次通过环形回流缝16、环形出水堰14、净水排放管15排放到罐体10外。

(4)根据出水要求，排放到罐体10外的净水还需要进一步投加碱液调整其pH值至6～9，形成氢氧化铁沉淀，再通过后续的沉淀池得以去除，从而将废水中的污染物降低至满足环保标准的程度。

Claims (9)

1.一种工业废水循环流化床深度处理设备，包括用于废水Fenton氧化反应的罐体(10)，所述罐体(10)自下而上依次分为循环配水区、FeOOH结晶区和气水分离区，其特征在于：

所述循环配水区的顶部设置有布水器(6)，所述循环配水区的罐壁上设置有循环水进口(5)，所述循环水进口(5)同时与FeSO₄加药泵(2)、H₂O₂加药泵(3)和循环泵(4)的输出端相连；

所述FeOOH结晶区中设置有晶体床层(7)，所述FeOOH结晶区的罐壁上设置有固体排放管(8)，所述FeOOH结晶区的顶部罐壁上设置有循环水出口(11)，所述循环水出口(11)与循环泵(4)的输入端相连；

所述气水分离区内设置有气水分离筒(9)，所述气水分离区的罐壁上设置有延伸至气水分离筒(9)中的废水输入管(12)，所述废水输入管(12)与进水泵(1)的输出端相连；所述气水分离区的顶部罐盖上设置有排气管(13)，所述气水分离区的罐壁内侧设置有环形出水堰(14)，所述环形出水堰(14)外侧的罐壁上设置有净水排放管(15)。

2.根据权利要求1所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述气水分离筒(9)的下部呈向下开口的喇叭形结构，与其对应的气水分离区的下部罐壁呈向上开口的喇叭形结构，从而在两者之间形成有便于分离气水的环形回流缝(16)。

3.根据权利要求1或2所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述晶体床层(7)采用石英砂作为载体。

4.根据权利要求1或2所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述晶体床层(7)的高度与其对应部位罐体(10)的直径之比H/D＝4～6。

5.根据权利要求3所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述晶体床层(7)的高度与其对应部位罐体(10)的直径之比H/D＝4～6。

6.根据权利要求1或2所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述布水器(6)为开孔率为12～15％的多孔板。

7.根据权利要求3所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述布水器(6)为开孔率为12～15％的多孔板。

8.根据权利要求4所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述布水器(6)为开孔率为12～15％的多孔板。

9.根据权利要求5所述的工业废水循环流化床深度处理设备，其特征在于：所述布水器(6)为开孔率为12～15％的多孔板。

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