CN103420445A

CN103420445A - 微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置

Info

Publication number: CN103420445A
Application number: CN2013103082723A
Authority: CN
Inventors: 蒋文举; 彭丽
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN103420445B

Abstract

本发明公开了一种微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置，颗粒状催化剂填充于石英管内构成石英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°置入微波场内构成催化剂固定床，待处理废水连续地流过催化剂固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合作用下脱除废水中的污染物，处理后的水和废水处理过程中产生的气体排放，所述颗粒状催化剂为经炭化、粉碎、粘结成型、二氧化碳活化处理制成的果壳类颗粒活性炭。采用本发明可以实现连续工业化对难降解废水进行降解处理，操作简单，易于自动控制，可通过增减石英管催化剂柱的数量适用不同的废水处理量，投资和运行成本低，去除效率高。

Description

微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置

技术领域

本发明涉及废水净化处理技术，更为具体地说，是涉及一种利用微波和催化剂固定床连续处理难降解废水的工艺方法以及实施装置。

背景技术

生活和生产过程中产生的废水，特别是难于降解处理的废水，严重污染人们生活的环境，对人们的身体健康带来了极大的危害，因此如何处理净化人们在生活和生产过程中产生的废水，一直是人们面临的重大生存的课题。

高浓度氨氮废水属于难降解废水中的一种，现在工业上多采用吹脱工艺来处理氨氮废水，效果明显，但该方法的实施设备庞大，运行需消耗大量的蒸汽，运行成本高。有研究者开始利用微波辐照处理废水，如林莉等于2009在《Journal of Hazardous Materials 168(2009)》公开的《用微波直接辐射处理焦化厂氨氮废水》，在他们的研究中，氨氮去除率最好可达85％。但该方法的不足之处是，氨氮去除效率低，生产成本高。

对于难降解的有机废水，如焦化废水、垃圾渗滤液、染料废水等高浓度、难以生化降解的工业废水，普通的处理方法难以破坏其中有机物的稳定结构。有些学者利用活性炭和微波处理难降解有机废水，一般是采用活性炭吸附、微波再生吸附饱和的活性炭，再将活性炭用于吸附，或采用将改性后的活性炭与废水混合后放入微波场中辐射3-15分钟，有机物去除效果明显，有些甚至能达到100%去除。但是，间歇式的反应使工艺的处理量小（每次50-200ml），操作复杂，需要控制的参数多，同时微波辐照时间过长（8-30分钟），造成单位体积污水处理电耗高。

碳单质在微波场中具有较快的升温速率，短时间内（3分钟）能达到很高的温度（900℃）。根据这个特点，湘潭大学于2010年提出申请的、专利公开号为CN102001721-A、名称为一种氨氮废水的处理方法，公开了以活性炭粉末与微波辐照结合进行脱除氨氮，氨氮脱除过程为间隙操作，氨氮脱除反应结束后进行固液分离。该方法与传统加热吹脱法相比，氨氮去除效率高（最高达99%），也更加节能。但由于该方法所采用的活性炭是粉体活性炭，带来了固液分离困难、活性炭在微波场中使用寿命短、间歇式操作反应时间长（4-15分钟）、废水处理能力低（15ml/min）等缺点，使之不具有实际工程应用的前景。

发明内容

针对现有技术利用微波和炭基催化剂处理难降解废水存在的不足，本发明的第一个目的是提供一种微波下催化连续处理难降解废水的方法，本发明的第二个目的是提供一种微波下催化连续处理难降解废水的实施装置，以解决现有技术处理难降解废水存在的固液分离困难、处理水量小、催化剂使用寿命短等问题。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其内容主要包括，颗粒状催化剂填充于石英管内构成石英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°置入微波场内构成催化剂固定床，待处理废水连续地流过催化剂固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合作用下脱除废水中的污染物，处理后的水和废水处理过程中产生的气体排放，所述颗粒状催化剂为经炭化、粉碎、粘结成型、二氧化碳活化处理制成的负载有金属氧化物的果壳类颗粒活性炭。

在上述技术方案中，为了取得更好的微波辐照处理效果，更有利于废水处理的操作，所述石英管催化剂柱最好以其轴线垂直于微波方向和地面设置在微波场内,待处理的废水从上向下连续流过石英管内的果壳类颗粒活性炭催化剂。

在上述技术方案中，当待处理的废水为有机难降解废水，所述果壳颗粒活性炭最好采用掺杂有重量含量为1%-15%金属氧化物的果壳颗粒活性炭。所述金属氧化物优先选自V₂O₅、Fe₂O₃、Ni₂O₃和MnO₂等，可以是它们中的一种或几种。

在上述技术方案中，石英管催化剂柱高度，即颗粒催化剂填充于石英管内的高度，与废水的处理难度、废水处理量等有关。石英管催化剂柱的截面沿微波方向的尺寸，即石英管内腔截面沿微波方向的尺寸，与废水的处理难度、微波强度、颗粒活性炭柱的轴线与微波方向的交角等有关，石英管内腔截面沿微波方向的尺寸最好不大于50mm。

在上述技术方案中，待处理废水流过单根石英管催化剂柱的流速，与石英管催化剂柱的断面大小、石英管催化剂柱的高度、废水处理难度和处理要求等多种因素有关。对于圆柱形石英管催化剂柱，可以根据微波场的大小设置多根石英管催化剂柱，排布方向应垂直于微波发射方向。待处理废水流过石英管内果壳类颗粒活性炭催化剂的流速最好控制在1-50mm/min。

针对本发明的第二个发明目的，本发明提供的微波下催化连续处理难降解废水工艺方法的装置，其结构包括装置壳架、安装在装置壳架上的微波装置和设置在壳架内由石英管催化剂柱构成的催化剂固定床，所述石英管催化剂柱由果壳类颗粒活性炭催化剂填充于石英管内构成，以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°设置，构成石英管催化剂柱的石英管设计有待处理废水进口、处理水出口和废水处理过程中产生的气体出口。

在上述处理装置中，构成催化剂固定床的石英管催化剂柱最好以垂直于微波方向和地面的方式设置在装置壳架内。

本发明以石英管作为填充颗粒活性炭的管体，微波既可穿透石英管作用于作为吸波剂和催化剂的颗粒活性炭，又能承受微波作用于颗粒活性炭产生的高温，提高了装置使用可靠性。

在上述处理装置中，石英管催化剂柱数量可以根据微波场大小调整。微波场宜为扁平状，辐照方向深度较小，而长宽较大，便于布置更多的石英管催化剂柱以提高污水处理量。

本发明是基于发明人对载有金属氧化物的颗粒活性炭与微波联合处理废水具有的特别性能深刻认识所完成的。载有金属氧化物的颗粒活性炭在微波场中除了具有碳材料的快速升温性能，还具有很好的催化性能，同时颗粒活性炭的多孔表面比光滑表面的换热系数高6-17倍，因而还能实现多孔表面强化沸腾传热和产生具有氧化作用的羟基自由基。微波通过作为吸波剂和催化剂的颗粒活性炭，将微波施加的热量以普通活性炭粉末传热2-10倍的速度传递给周围的液体，污水被快速加热并在活性炭表面由液体变成气体，体积瞬间膨胀数十倍，形成微射流。于此同时，在孔隙处微小局部的高温高压能够产生具有强氧化作用的羟基自由基，将污水中的难降解有机物分解与催化氧化。本发明正是利用了颗粒活性炭在微波场中的这些性能对难降解废水进行处理，因此本发明的方法相较于粉末活性炭与微波结合的方法，能更加有效地使废水中难降解的有机物分解与氧化，而固定床连续流的处理方式能大大提高了废水的处理效率和能力，可用作处理难降解废水的方法。

本发明利用微波场中的负载金属氧化物的颗粒活性炭催化处理难降解废水，充分利用了颗粒活性炭与微波联合使用产生的特性（多孔强化传热、产生羟基自由基、催化降解），大大提高了废水中的溶解性有机物或其他难以生化处理的污染物处理效率，连续流使整个工艺的处理量大为增加，且整个处理过程不需曝气，处理后的出水易于固液分离，可显著降低催化剂使用成本，节约能源。采用本发明连续处理难降解废水，具有处理量大、低能耗、易操作、效果稳定的特点，处理工艺方法科学合理，能实现对多种污染物的同时处理，操作简单易于自动控制，可通过增减石英管催化剂柱的数量和微波功率适用不同的废水处理量，投资和运行成本低，去除效率高。

附图说明

附图1是颗粒活性炭与微波联用废水处理工艺装置示意图。

图中图示标号标识的对象分别为：1-废水槽；2-流量调节计；3-炭基催化剂固定床；4-废气吸收液；5-微波方向。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的详细说明。有必要指出的是，实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，应仍属于本发明的保护范围。

实施例1

将核桃壳磨碎炭化制成炭化料混入粘结剂，在成型机内成型，干燥并活化后剪成直径2mm左右的颗粒状活性炭催化剂。

将上述颗粒状活性炭催化剂填充到直径24mm的石英管内至80mm高度，构成颗粒状活性炭催化剂固定床。将颗粒状活性炭催化剂固定床垂直于微波方向和地面设置在微波功率为500W的微波场中。将2000mg/l的模拟氨氮废水以20ml/min的流量通入固定床。采用纳氏试剂分光光度法测定处理前后氨氮浓度，处理后的氨氮浓度为140mg/l，氨氮去除率为94％；同一批颗粒活性炭连续反应10小时后，去除率仍大于85%，活性炭损失量7%。

实施例2

将上述颗粒状活性炭催化剂填充到直径24mm的石英管内至80mm高度，构成颗粒状活性炭催化剂固定床。将颗粒状活性炭催化剂固定床垂直于微波方向和地面设置在微波功率为500W的微波场中。将2000mg/l的模拟氨氮废水以40ml/min的流速通入颗粒活性炭柱。采用纳氏试剂分光光度法测定处理前后氨氮浓度，氨氮去除率为91％。

实施例3

将上述颗粒状活性炭催化剂填充到直径24mm的石英管内至80mm高度，构成颗粒状活性炭催化剂固定床。将颗粒状活性炭催化剂固定床垂直于微波方向和地面设置在微波功率为800W的微波场中。将实际焦化废水以20ml/min的流速通入颗粒活性炭柱。采用纳氏试剂分光光度法测定反应前后氨氮浓度，反应前氨氮浓度为6270mg/L，反应后浓度为420mg/L，氨氮去除效率98%。采用国标法测定COD反应前后COD浓度，反应前COD浓度14600mg/L，反应后浓度为5600mg/L，氨氮去除效率62%。

实施例4

将上述颗粒状活性炭催化剂填充到直径24mm的石英管内至80mm高度，构成颗粒状活性炭催化剂固定床。将颗粒状活性炭催化剂固定床垂直于微波方向和地面设置在微波功率为800W的微波场中。将实际焦化废水以200ml/min的总流量平均通入微波场中的4根颗粒活性炭柱。出水汇总后采用纳氏试剂分光光度法测定处理前后氨氮浓度，处理前氨氮浓度为6270mg/L，处理后浓度为1060mg/L，氨氮去除效率84%。采用国标法测定COD反应前后COD浓度，反应前COD浓度14600mg/L反应后浓度为8468mg/L，COD去除效率42%。

实施例5

氨氮废水的氨氮浓度为2000mg/l，初始体积为250ml，加入10.0g颗粒活性炭，在石英锥形瓶中置于微波功率为800W，辐射2min，测定出水氨氮浓度为150mg/l，体积剩余为180ml左右，氨氮去除率为93％。

实施例6

将上述颗粒状活性炭催化剂填充到直径24mm的石英管内至80mm高度，构成颗粒状活性炭催化剂固定床。将颗粒状活性炭催化剂固定床垂直于微波方向和地面设置在微波功率为800W的微波场中。将实际焦化废水以50ml/min的流速通入颗粒活性炭柱。采用纳氏试剂分光光度法测定反应前后氨氮浓度，反应前氨氮浓度为6270mg/L，反应后浓度为1060mg/L，氨氮去除效率84%。采用国标法测定COD反应前后COD浓度，反应前COD浓度14600mg/L反应后浓度为8468mg/L，COD去除效率42%。

Claims

1.一种微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，颗粒状催化剂填充于石英管内构成石英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°置入微波场内构成催化剂固定床，待处理废水连续地流过催化剂固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合作用下脱除废水中的污染物，处理后的水和废水处理过程中产生的气体排放，所述颗粒状催化剂为经炭化、粉碎、粘结成型、活化和负载处理制成的果壳类颗粒活性炭。

2.根据权利要求1所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，石英管催化剂柱以垂直于微波方向和地面设置在微波场内，待处理的废水从上向下连续流过石英管内的果壳类颗粒活性炭催化剂。

3.根据权利要求1所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，当待处理的废水为有机难降解废水，所述果壳颗粒活性炭为掺杂有重量含量为1%-15%金属氧化物的果壳颗粒活性炭。

4.根据权利要求3所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，所述金属氧化物选自V₂O₅、Fe₂O₃、Ni₂O₃和MnO₂。

5.根据权利要求1至4之一所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，石英管催化剂柱截面沿微波方向的尺寸不大于50mm。

6.根据权利要求1至4之一所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，待处理废水流过单根圆柱形石英管催化剂柱的流速为20-500mL/min。

7.根据权利要求5所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征在于，待处理废水流过石英管内果壳类颗粒活性炭催化剂的流速为1-50mm/min。

8.实施权利要求1至7之一所述微波下催化连续处理难降解废水方法的装置，其特征包括装置壳架、安装在装置壳架上的微波装置和设置在壳架内由石英管催化剂柱构成的催化剂固定床，所述石英管催化剂柱由载有金属氧化物的果壳类颗粒活性炭催化剂填充于石英管内构成，以其轴向与辐照微波方向交角不小于 45°设置，构成石英管催化剂柱的石英管设计有待处理废水进口、处理水出口和废水处理过程中产生的气体出口。

9.根据权利要求8所述的微波下催化连续处理难降解废水方法的装置，其特征在于，石英管催化剂柱以垂直于微波方向和地面的方式设置在装置壳架内。

10.根据权利要求8所述的微波下催化连续处理难降解废水方法的装置，其特征在于，所述石英管为圆柱形石英管。