CN102849889A - 一种高温高压微波物化处理含磷污水的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压微波物化处理含磷污水的系统和方法，属于水污染治理领域。该系统由加药泵、除磷药剂溶储罐、管道混合器、微波发生器、提升泵、微波反应器、除磷反应柱、湍流压力突变器、空气扩散器、浮选沉淀池、污泥浓缩池、压滤机、减压阀、加压溶气水储罐、空压机以及加压泵组成。本发明利用微波选择性加热获得高温，利用微波和压力突变的双重作用促进气泡破灭的瞬间产生高压的特点，获得了高温高压的化学除磷反应的条件。与传统的常温常压的化学除磷法相比，本发明具有除磷效率高、反应时间短，节省除磷药剂成本等优点，有助于降低水体磷的富营养化污染，具有显著的经济效益和环境效益。

Description

一种高温高压微波物化处理含磷污水的系统和方法

技术领域

本发明属于水污染治理领域，特别是涉及一种微波物化处理含磷污水的系统和方法。

背景技术

磷是造成水体富营养化的重要影响因素之一。目前去除污水中磷的方法有生物法和化学法两种。生物除磷法是使磷被微生物摄取后当做剩余污泥排出达到除磷的目的，但微生物摄取磷的能力有限，单纯的生物除磷法通常不能满足磷的排放标准要求。

化学除磷法可以有效的除磷，但传统的化学除磷法由于是在常温常压下进行化学反应，必须过量的投加除磷药剂，而且化学反应耗时长（通常不少于30min），增加除磷成本，同时会产生大量的化学污泥。高温高压的条件可以极大的促进除磷反应的进行，可以在较短的反应时间内获得很高的除磷效率，同时降低除磷药剂的消耗量、减少后续含磷污泥的处理成本。

微波应用于水污染治理中，是近几年来的研究热点之一。微波可以穿透水体，对水体中的物质具有选择加热性，实现水体内部的微观分子振荡，从而将微波能转化为水体的热能。微波对水体中吸收微波的物质，可以迅速的使其表面点位升高到1000℃以上的高温，起到一定的促进作用。根据气蚀和压力突变原理，在水体中，气泡的生成和破灭，尤其是在气泡破灭的瞬间可以产生巨大的冲击波，由此对水体内部作用的压力可达140MPa以上。微波可以促进水体中气泡的破灭，产生巨大的压力，结合微波选择性加热获得高温的特点，如此高温高压的条件可极大的促进化学除磷反应的进行，使其反应迅速、均匀、彻底。

在目前已有公开的中国专利文献中，多见利用微波作用获得高温条件的报道，未见利用微波作用获得高压条件促进反应进行的报道，虽然在已公开的中国专利文献CN102381741A中有报道采用气泵将空气通过管道的管口直接喷入微波催化活性炭反应床中，但该专利明确指出其反应是在常压下进行，且对其送气的目的未明确，显然其通过管口直接喷入的气体是使活性炭处于流化状态，且喷入的串柱状的大型气泡不易破灭，因此不能形成高压状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种反应时间短且除磷彻底的高温高压微波物化处理含磷污水的系统和方法。

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种高温高压微波物化处理含磷污水的系统，该系统由加药泵、除磷药剂溶储罐、管道混合器、微波发生器、提升泵、微波反应器、除磷反应柱、湍流压力突变器、空气扩散器、浮选沉淀池、污泥浓缩池、压滤机、减压阀、加压溶气水储罐、空压机以及加压泵组成；所述微波反应器中央设有除磷反应柱，所述除磷反应柱内底部设有湍流压力突变器和空气扩散器；所述加药泵的出口连接到管道混合器的进水端，所述管道混合器的出水通过提升泵连接到微波反应器，所述微波反应器的出水连接到浮选沉淀池，所述浮选沉淀池设有出水排放口和污泥排放口，所述浮选沉淀池的排泥经污泥排放口连接到污泥浓缩池，所述污泥浓缩池的含磷上清液连接到所述管道混合器的进水口，所述污泥浓缩池的排泥连接到压滤机，所述压滤机的含磷压滤液连接到所述管道混合器的进水口，所述减压阀的出口连接到除磷反应柱内的空气扩散器，所述微波发生器通过波导管连接到微波反应器的波导口。

进一步的，所述除磷反应柱设置在微波反应器内部。

进一步的，所述除磷反应柱贯穿微波反应器并伸出其外。

所述空气扩散器是穿孔曝气管、微孔曝气管、曝气盘、曝气砂芯、多孔性空气扩散板、水力冲击空气扩散器中的任一种。

所述湍流压力突变器具有与水泵叶轮叶片相同的曲面结构，是合为一体的两个半椭球或两个蝶形或两个伞形中的任一种。

一种高温高压微波物化处理含磷污水的方法，包括以下步骤：

   （1）向含磷污水投加除磷药剂，经管道混合器混匀后送入微波反应器内进行除磷反应；

   （2）通过加压溶气装置将空气加压溶于水中，通过连接管道及空气扩散器，送入微波反应器内，释放出大量的微小气泡；利用微波选择性加热获得高温和微波及压力突变双重作用促进气泡破灭产生高压，使得步骤（1）的除磷反应在高温高压条件下进行；

   （3）在微波反应器内进行高温高压的除磷反应后，混合液进入浮选沉淀池进行固液分离，上清液排放至系统外，污泥排入污泥浓缩池，经浓缩、压滤后得到高磷泥饼外运；

（4）污泥浓缩池中的含磷上清液和压滤产生的含磷压滤液回流至系统进水端，与含磷污水的进水一起继续除磷。

所述步骤（2）加压溶气装置的工作压力为0.2MPa～0.6MPa。

所述含磷污水在上述微波反应器中的停留反应时间为0.5min～5min。

本发明利用微波的穿透性和选择加热性，使混匀于含磷污水中的铝铁系金属盐类除磷药剂表面点位的温度迅速升高获得高温，采用加压溶气装置和空气扩散器获得持续的安全的微小气泡的供给，利用微波和压力突变的双重作用促进水中微小气泡破灭的瞬间产生高压的特点，同时获得了高温高压的反应条件，克服了传统的常温常压化学除磷反应的诸多缺点。本发明与现有技术相比具有如下优点：1）在高温高压条件下进行化学除磷反应，因此反应迅速、均匀、彻底；2）除磷效率高，能够将含磷污水中磷的含量去除到0.5mg/L以下，达到排放标准要求；3）由于反应均匀、彻底，减少了除磷药剂投加量，降低了药剂成本；4）反应时间短，本发明实际的除磷反应时间为0.5min～5min，远低于传统的常温常压的化学除磷反应时间（不少于30min）。

附图说明

图1是本发明高温高压微波物化处理含磷污水的系统结构示意图。

图2是本发明高温高压微波物化处理含磷污水的系统另一种结构示意图。

图中：1、加药泵；2、除磷药剂溶储罐；3、管道混合器；4、微波发生器；5、提升泵；6、微波反应器；7、除磷反应柱；8、湍流压力突变器；9、空气扩散器；10、浮选沉淀池；11、污泥浓缩池；12、压滤机；13、减压阀；14、加压溶气水储罐；15、空压机；16、加压泵。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 

如图1所示，本发明公开了一种高温高压微波物化法处理含磷污水的系统，包括：由加药泵1和除磷药剂溶储罐2组成除磷药剂投加装置，所述除磷药剂投加装置的出口连接到管道混合器3的进水端，所述管道混合器3的出水通过提升泵5连接到微波反应器6；所述微波反应器6内部设有过水管，其侧面设有进水孔、出水孔、检修孔和波导口，其内部设有除磷反应柱7，所述除磷反应柱7下部设有进水孔、上部设出水孔、底部设加压溶气水进入孔，并分别与所述微波反应器6相应的过水管相连通，所述除磷反应柱7内底部设有湍流压力突变器8和空气扩散器9；所述微波反应器6的出水连接到浮选沉淀池10，所述浮选沉淀池10设有出水排放口和污泥排放口，所述浮选沉淀池10的排泥经污泥排放口连接到污泥浓缩池11，所述污泥浓缩池11的含磷上清液连接到管道混合器3的进水口，所述污泥浓缩池11的排泥连接到压滤机12，所述压滤机12的含磷压滤液连接到所述管道混合器3的进水口；由减压阀13、加压溶气水储罐14、空压机15、加压泵16组成加压溶气装置，所述加压溶气装置的出口连接到除磷反应柱7内的空气扩散器9，所述微波发生器4通过波导管连接到微波反应器6的波导口。

图2公开了另一种高温高压微波物化法处理含磷污水的系统，该系统与图1所示的系统区别仅在于除磷反应柱7相对于微波反应器6的位置。如图1所示，所述除磷反应柱7设置在微波反应器6内部。如图2所示，所述除磷反应柱7贯穿微波反应器6并伸出到它的外面。

实施例1：

采用上述设备，设定基本条件为：微波发生器4功率为1.6KW；加压溶气装置工作压力为0.6MPa，加压溶于水中的空气经减压阀13减压为0.4MPa后稳定的送入除磷反应柱7中的空气扩散器9，其以20～100μm 的微小气泡的形式释放出来；除磷药剂采用聚合氯化铝，配置浓度为10%。以生活污水为处理对象，进水含磷量为10mg/L，当除磷药剂投加量为48mg/L，经管道混合器3混匀后经提升泵5送入微波反应器6中，混合液在微波反应器6中的除磷反应柱7内停留反应1min时，除磷药剂及污水中的吸波物质在微波作用下，其表面点位迅速形成1000℃以上的高温条件，经空气扩散器9释放出来的微小气泡在微波和压力突变器8的双重作用下发生破灭产生上百兆帕的高压条件，经高温高压的物化除磷反应后进入浮选沉淀池10进行固液分离，经检测，浮选沉淀池出水含磷量降至0.2mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A的规定。对比传统的常温常压的化学除磷，当除磷药剂投加量为65mg/L，混合反应30min时，出水含磷量降至0.5mg/L。

实施例2：

采用上述设备，设定基本条件为：微波发生器4功率为1.6KW；加压溶气装置工作压力为0.6MPa，加压溶于水中的空气经减压阀13减压为0.4MPa后稳定的送入除磷反应柱7中的空气扩散器9，其以20～100μm 的微小气泡的形式释放出来；除磷药剂采用聚合氯化铝，配置浓度为10%。以城市生活污水经氧化沟工艺处理后的沉淀池的出水为处理对象，进水含磷量为3.2mg/L，当除磷药剂投加量为17mg/L，混合液在微波反应器内的停留反应0.5min时，浮选沉淀池出水含磷量降至0.18mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A的规定。对比传统的常温常压的化学除磷，当除磷药剂投加量为25mg/L，混合反应30min时，出水含磷量降至0.4mg/L。

实施例3：

采用上述设备，设定基本条件为：微波发生器4功率为1.6KW；加压溶气装置工作压力为0.6MPa，加压溶于水中的空气经减压阀13减压为0.5MPa后稳定的送入除磷反应柱7中的空气扩散器9，其以20～100μm 的微小气泡的形式释放出来；除磷药剂采用聚合氯化铝，配置浓度为10%。以某化工企业生产磷肥的含磷废水为处理对象，进水平均含磷量为80mg/L，当除磷药剂投加量为310mg/L，混合液在微波反应器内的停留反应3min时，浮选沉淀池出水含磷量降至0.3mg/L。对比传统的常温常压的化学除磷，当除磷药剂投加量为400mg/L，混合反应30min时，出水含磷量降至0.5mg/L。

从以上实施例可见，本发明公开的一种高温高压微波物化处理含磷污水的方法和设备相对于现有技术效果显著、优势明显。

本申请人在长期的研究中发现：常见的铝铁系金属盐类除磷药剂具有强烈的吸收微波辐射的能力，经微波辐射能够在其表面点位迅速形成1000℃以上的高温条件。微波还可促进水中气泡的破灭，气泡直径的大小对其破灭的频率有直接影响，气泡越小，气泡破灭的频率就越快，原因在于，在相同能量的微波辐照条件下，越小的气泡升温越快，体积急剧膨胀造成破灭。获得微小气泡的方法有两种：一种是采用鼓风机和空气扩散器直接供气到水体中，产生的气泡大小由空气扩散器的孔径决定，通常在0.5～3mm范围；另一种是采用加压溶气装置，将空气加压溶于水中，当由加压状态变为常压时，溶于水中的气体经空气扩散器以微小气泡（气泡直径为20～100μm）的形式释放出来。但前一种方法产生的气泡直径远大于后一种方法，不易破灭获得高压条件，且当空气扩散器堵塞或者排气不畅时，容易形成密闭的气体条件，在持续的微波辐照下有大团气体急剧膨胀造成爆炸的危险，轻则破坏管路、空气扩散器，重则破坏整个微波反应器，因此限制了使用。作为一种优选方案，后一种方法由于管路及空气扩散器中为加压状态的溶气水，持续的微波辐照的结果仅是水温升高，故可持续的安全的获得微小气泡，且气泡直径非常小，只有20～100μm，更易在微波作用下破灭获得高压条件。

另一方面，在湍流水体中，含气泡水在遇有压力突变，由低压区流至高压区时，流速增加，水压增加，也会加快气泡破灭的频率。利用微波选择性加热获得高温和微波及压力突变双重作用促进气泡破灭产生高压的特点，所获得的高温高压的条件必然极大的促进化学除磷反应的进行，使其反应迅速、均匀、彻底。

本发明独到的工作原理是：利用铝铁等金属盐类除磷药剂及污水中的吸波物质在微波作用下其表面点位迅速形成1000℃以上的高温条件，利用微波和压力突变器的双重作用促进气泡的破灭，尤其是促进本发明所述获得的微小气泡的破灭，破灭瞬间产生上百兆帕的高压条件，所获得的高温高压的条件极大的促进了化学除磷反应的进行，使其反应迅速、均匀、彻底。尽管上述结合附图和实施例对本发明进行了清晰的举例描述，但本发明并非局限于上述的几种具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来讲，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该发明相似的方法和设备，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种高温高压微波物化处理含磷污水的系统，其特征在于，该系统由加药泵[1]、除磷药剂溶储罐[2]、管道混合器[3]、微波发生器[4]、提升泵[5]、微波反应器[6]、除磷反应柱[7]、湍流压力突变器[8]、空气扩散器[9]、浮选沉淀池[10]、污泥浓缩池[11]、压滤机[12]、减压阀[13]、加压溶气水储罐[14]、空压机[15]以及加压泵[16]组成；

所述微波反应器[6]中央设有除磷反应柱[7]，所述除磷反应柱[7]内底部设有湍流压力突变器[8]和空气扩散器[9]；

所述加药泵[1]的出口连接到管道混合器[3]的进水端，所述管道混合器[3]的出水通过提升泵[5]连接到微波反应器[6]，所述微波反应器[6]的出水连接到浮选沉淀池[10]，所述浮选沉淀池[10]设有出水排放口和污泥排放口，所述浮选沉淀池[10]的排泥经污泥排放口连接到污泥浓缩池[11]，所述污泥浓缩池[11]的含磷上清液连接到所述管道混合器[3]的进水口，所述污泥浓缩池[11]的排泥连接到压滤机[12]，所述压滤机[12]的含磷压滤液连接到所述管道混合器[3]的进水口，所述减压阀[13]的出口连接到所述除磷反应柱[7]内的空气扩散器[9]，所述微波发生器[4]通过波导管连接到微波反应器[6]的波导口。

2.如权利要求1所述的高温高压微波物化处理含磷污水的系统，其特征在于，所述除磷反应柱[7]设置在微波反应器[6]内部。

3.如权利要求1所述的高温高压微波物化处理含磷污水的系统，其特征在于，所述除磷反应柱[7]贯穿微波反应器[6]并伸出其外。

4.如权利要求2或3所述的高温高压微波物化处理含磷污水的系统，其特征在于，所述空气扩散器[9]是穿孔曝气管、微孔曝气管、曝气盘、曝气砂芯、多孔性空气扩散板以及水力冲击空气扩散器中的任一种。

5.如权利要求2或3所述的高温高压微波物化处理含磷污水的系统，其特征在于，所述湍流压力突变器[8]是合为一体的两个半椭球或两个蝶形或两个伞形中的任一种。

6.一种高温高压微波物化处理含磷污水的方法，其特征在于包括以下步骤：

   （1）向含磷污水投加除磷药剂，经管道混合器混匀后送入微波反应器内进行除磷反应；

   （2）通过加压溶气装置将空气加压溶于水中，通过连接管道及空气扩散器，送入微波反应器内，释放出大量的微小气泡；利用微波选择性加热获得高温和微波及压力突变双重作用促进气泡破灭产生高压，使得步骤（1）的除磷反应在高温高压条件下进行；

   （3）在微波反应器内进行高温高压的除磷反应后，混合液进入浮选沉淀池进行固液分离，上清液排放至系统外，污泥排入污泥浓缩池，经浓缩、压滤后得到高磷泥饼外运；

（4）污泥浓缩池中的含磷上清液和压滤产生的含磷压滤液回流至系统进水端，与含磷污水的进水一起继续除磷。

7.根据权利要求6所述的高温高压微波物化处理含磷污水的方法，其特征在于，所述步骤（2）加压溶气装置的工作压力为0.2MPa～0.6MPa。

8.根据权利要求6所述的高温高压微波物化处理含磷污水的方法，其特征在于含磷污水在所述微波反应器中的停留反应时间为0.5min～5min。

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