CN103819034B - 超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机污染地下水处理技术领域，特别涉及一种超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统及方法。该装置的主体为超声波联合光-Fenton氧化反应塔，其内包括超声波发生器、紫外光灯、TiO2催化剂涂层、pH-t监测仪、搅拌机几项部件，再联合气体回收净化处理装置、冷凝器、Fenton试剂箱、酸碱槽、蓄水箱、管道及各类泵体，构成一个完整的修复装置。本发明通过超声波、紫外光及Fenton氧化三者联合协同作用，大大提高了有机物氧化降解的处理效率，真正达到无二次污染、高效、彻底修复地下水有机物污染的目标。
Description
技术领域
本发明属于有机污染地下水处理技术领域，特别涉及一种超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统及方法。
背景技术
随着我国经济持续高效发展，人类活动地不断加剧，地下水污染日益严重。这不但越来越制约农业生产、工业发展，也影响着人们的身体健康。其中，有机污染是地下水污染的一大类别，它主要以工业废弃物、残留农药、有机废水、生活垃圾等形式通过各种途径排放到环境中，进而污染地下水。而且这些有机污染物以其持久性、高毒性、积聚性、流动性为特征，会长期累积，很难通过自然降解过程去除，也会在自然或人为条件下迁移到其他环境中。总之，在水资源日益匮乏的今天，地下水污染急需整治治理。
目前，地下水污染治理的技术和方法有好多种，并日趋成熟。从原理上可大致分为物理、化学、生物三大类，从技术上归纳起来主要有水动力控制法、原位处理法、抽出处理法及物理法。每种单一的方法都有其优点和缺陷，如原位处理加药法，通过井群系统向受污染水体灌注化学药剂以达到中和渗滤液或生成沉淀等来净化受污染的地下水，虽然该法减少了地表处理设施，节省了成本，最大程度地减少了污染物的暴露进而减少了对环境的干扰，但由于化学药剂的大量使用，增加了对土壤及地下水系统的二次污染。而生物法虽然可以较好地降解有机物，避免二次污染等问题，但其处理周期相对较长，使用条件也较为苛刻，不易于快速修复受污染的地下水。另一方面，虽然各种地下水修复方法日益改进，但就整体而言，还是存在着修复效率低、处理周期长、处理成本高等问题。因此，我们有必要从现有的各种方法中取长补短并引进其他领域的一些可行方法来发明一种联合修复地下水的新型处理技术。
利用超声波降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物，是近年来发展起来的一项新型水处理技术。利用超声波的空化效应、自由基反应、机械剪切力及凝聚作用这些特性在原理上可以很好的处理污水，例如超声波机械剪切力会使大分子主链上的碳键断裂，但是实际中这些超声波的水处理特点是受到限制的，作用范围较小，比如空化效应只在超声源附近较小范围内产生，其能量利用效率只有15%左右。所以为了能有效利用超声波而又克服这些限制，提高水处理效率，我们联用其他方法，在充分发挥超声波化学效应的同时也使其机械、光学和催化氧化等效应通过其他过程的强化而得到充分发挥，从而产生协同效应提高有机物的降解速率和程度。Fenton试剂法作为一种高级氧化技术（AOPs），受到环境科学领域的广泛应用，作为污水深度处理尤其是有机物降解方面的应用，越来越受到国内外的广泛应用。它跟超声波自由基反应类似，可以产生大量的·OH，有利于有机物的氧化降解，这两种方法联合可产生协同效应。光催化属于高级氧化技术中的一种，利用该方法降解有机物是近年来兴起的一门绿色及高效新技术。TiO2是当今应用最为普遍的光催化剂之一，它的性质稳定、无毒，可将多种有机污染物完全矿化成CO2、H2O和无机离子且无二次污染，因此广泛应用于光催化降解有毒有机污染物，同时利用能量较大的紫外光（λ＜387nm）照射下可以表现出优越的光催化活性。除此之外，超声波不仅可以强化Fenton试剂的深度处理，还可以对紫外灯光具有一定的清洗功能，增强了光催化氧化的效能，而紫外光催化又可以很好地提高Fenton试剂的氧化效率，即降低了Fe2+的用量而提高了H2O2的效率。综上所述，将这几种方法与目前普遍应用的地下水抽出修复法相结合，可以有效地修复受有机物污染的地下水。
发明内容
本发明的目的在于克服现有地下水修复技术处理效率低的不足，提供一种超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统及方法，能够高效、彻底修复地下水中有机污染物。
本发明所述系统采用的技术方案为：
该系统以超声波联合光-Fenton氧化反应塔为主体，所述超声波联合光-Fenton氧化反应塔的上端设置两个入口分别与进水管道和回流管道连接，顶部设置气体出口与集气管道连接，侧壁下端设置两个入口和一个出口，底部设置出口与排泥管道连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔内的中央位置从顶端开始吊装桨板式搅拌机，在搅拌机的叶片上方设置超声波发生器，在超声波联合光-Fenton氧化反应塔的中部侧壁上设置pH-t监测仪，在超声波联合光-Fenton氧化反应塔上部两个入口的上方位置设置紫外光灯；超声波联合光-Fenton氧化反应塔的内壁做防腐蚀处理；
在有机污染区域挖设若干个抽吸井和注射井；抽吸井内设置管道通过离心泵和进水管道与超声波联合光-Fenton氧化反应塔上端的一个入口连接，酸碱槽和Fenton试剂箱也分别通过管道和蠕动泵与超声波联合光-Fenton氧化反应塔侧壁下端的两个入口连接；集气管道与气体回收净化处理装置连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔侧壁下端的出口通过排水管道与蓄水箱连接，并在排水管道上设置压力计和智能控制阀门，蓄水箱中设置水质监测报警仪；蓄水箱通过回流管道及离心泵与超声波联合光-Fenton氧化反应塔上端的另一入口连接。
所述回流管道上设置冷凝器。
所述pH-t监测仪分别与离心泵、各蠕动泵连接，以实现智能控制。
所述超声波联合光-Fenton氧化反应塔的内壁均匀涂有TiO2催化剂涂层。
一种基于所述系统修复有机污染地下水的方法，按以下步骤进行：
（A）通过检测确定地下水受有机物污染的集中区域，挖掘抽吸井和注射井，布置好设备装置，启动离心泵将受污染的地下水从抽吸井内抽出，注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔；
（B）开启pH-t监测仪，各蠕动泵开始工作，Fenton试剂箱中的Fenton试剂和酸碱槽中的pH调节液不断注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔，与抽吸上来的地下水充分混合；当反应温度高于设定值上限时，由pH-t监测仪调节离心泵回流冷却水来降低反应温度；
（C）开启紫外光灯和超声波发生器，进行氧化降解地下水中有机污染物反应，修复受污染的地下水；
（D）启动气体回收净化处理装置；
（E）处理后的水进入蓄水箱，一部分回注补充地下水或做他用，一部分经默认回流路径进入超声波联合光-Fenton氧化反应塔，用于调控水温；
（F）通过水质监测报警仪监测蓄水箱中的水质，如水质不达标，通过离心泵将蓄水箱中的水重新注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔，做再一次的氧化降解修复处理；
（G）通过排泥管道定期对超声波联合光-Fenton氧化反应塔中产生的固相废物做清除处理。
所述所述步骤（B）中的Fenton试剂为FeSO4和H2O2的混合溶液,pH调节液为质量浓度为9.5%的稀HCl溶液；反应温度设定为24℃～30℃，反应pH参数设定为2～4。
所述步骤（D）中的气体回收净化处理装置除具有处理有毒有害废气外还具有处理水蒸气的功能。
所述步骤（C）中的紫外光灯采用广谱UV灯，波长200～280nm，数目多个；超声波波源的频率为28KHz，功率为1000W。
所述修复过程为间歇式，即以超声波联合光-Fenton氧化反应塔的最大处理量为一体积单位，每次只处理一个体积单位的有机污染地下水。
本发明的有益效果为：
（1）超声波、Fenton氧化、紫外光催化降解三者协同氧化有机物，大大提高了处理效率，缩短处理周期。可修复多种有机污染，不局限于修复某种单一的有机污染物，修复效果好，修复彻底。
（2）将超声波污水处理技术与高级氧化工艺光-Fenton有机结合起来，充分发挥了各自的技术优势，光-Fenton氧化工艺产生大量的羟基自由基（·OH），弥补了超声波技术受声源频率和功率的影响自由基产率不高的弊端，超声波处理的空化效应、机械剪切作用和凝聚作用使得大分子有机物长链能充分打断，转变为小分子物质，从而大大减少了氧化剂的用量，节省了污水处理成本。
（3）本技术设备结构紧凑，操作简单，可靠性高，工程造价低，运行管理费用节约，具有良好的推广潜力，尤其是针对有机物污染的地下水拥有广阔的应用前景。
（4）采用真空抽吸技术，地下水处理达标后可回注，绿色无污染，回注过程中没有多余化学药剂的投加，避免了对环境的二次污染。
附图说明
图1为超声波联合光-Fenton氧化反应塔的结构示意图；
图2为本发明的处理流程和系统连接示意图。
图中标号：
1-进水管道；2-进水管道阀门；3-TiO2催化剂涂层；4-超声波发生器；5-排泥管道；6-排泥管道阀门；7-压力计；8-第一蠕动泵；9-第二蠕动泵；10-pH-t监测仪；11-回流管道；12-回流管道阀门；13-紫外光灯；14-集气管道；15-集气管道阀门；16-搅拌机；17-超声波联合光-Fenton氧化反应塔；18-气体回收净化处理装置；19-冷凝器；20-离心泵；21-蓄水箱；22-水质监测报警仪；23-出水管道；24-酸碱槽；25-Fenton试剂箱；26-离心泵；27-排水管道；28-第一回流管道；29-第二回流管道；30-智能控制阀门。
具体实施方式
本发明提供了一种超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统及方法，下面结合附图和具体操作方式来对本发明做进一步说明。
在有机污染带的区域内挖设若干个抽吸井和注射井；通过离心泵26及进水管道1、进水管道阀门2与超声波联合光-Fenton氧化反应塔17上端的一个入口连接，酸碱槽24通过管道和第二蠕动泵9与超声波联合光-Fenton氧化反应塔17侧壁下端的一个入口连接，Fenton试剂箱25通过管道和第一蠕动泵8与超声波联合光-Fenton氧化反应塔17侧壁下端的另一个入口连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔17顶部的出口通过集气管道阀门15和集气管道14与气体回收净化处理装置18连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔17侧壁下端的出口通过压力计7、智能控制阀门30、排水管道27与蓄水箱21连接；蓄水箱21通过离心泵20、回流管道11、回流管道阀门12与超声波联合光-Fenton氧化反应塔17上端的另一个入口连接，回流管道11又分为两条并联的支路，一路为第一回流管道28与冷凝器19串联，另一路为第二回流管道29；蓄水箱21内还设置水质监测报警仪22，蓄水箱21的底部设置出水管道23。
超声波联合光-Fenton氧化反应塔17的具体构造如图1所示：超声波联合光-Fenton氧化反应塔17内部中央位置吊装桨板式搅拌机16，搅拌机16的叶片上方安有超声波发生器4，顶部装有紫外光灯13，中部外围装有pH-t监测仪10超声波联合光-Fenton氧化反应塔17内壁做防腐蚀处理，均匀涂覆TiO2催化剂涂层3，底端设置排泥管道5及排泥管道阀门6。第一蠕动泵8和第二蠕动泵9分别与pH-t监测仪10连接，实现自动控制；压力计7和智能控制阀门30共同用于调节离心泵26的工作状态。
下面给出以上述装置进行有机污染地下水的一个修复方案，参照本发明内容中的实施步骤进行讲述，对本发明作进一步具体说明。
1）例如可选取造纸厂附近受污染的地下水的区域，挖掘4m深的抽吸井和5m深的注射井，布置好设备装置，打开除排泥管道阀门6以外的所有阀门，启动离心泵26将受污染的地下水抽出注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔17，以压力计7来调节离心泵26的间歇式工作情况。在此先取样受污染的地下水，在实验室中做常规监测，并假设符合氧化降解的处理范围。
2）开启pH-t监测仪10，两个蠕动泵开始工作，Fenton试剂箱25中盛有50mg/LFe2+和0.9mg/LH2O2以1:1比例配置的Fenton试剂，酸碱槽24中为质量浓度为9.5%的稀HCl溶液，两者不断注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔17，与抽吸上来的地下水充分混合。温度设定为30℃，当反应温度高于设定值上限时，将由pH-t监测仪10调控离心泵20通过默认回流路径中的冷凝器19处理后的冷却水回流反应塔来降低反应温度。pH设定为3，当pH-t监测仪10监测到的pH值上升到pH=3时，会自动调节第二蠕动泵9进而向超声波联合光-Fenton氧化反应塔17中注入稀盐酸溶液以维持这一值的合理范围内。
3）开启紫外光灯13和超声波发生器4，进行氧化降解地下水中有机污染物反应，修复受污染的地下水。其中紫外光灯采用广谱UV灯，波长200～280nm,数目3个；超声波波源采用28KHz，功率为1000W。
4）启动气体回收净化处理装置18。
5）启用蓄水箱21、水质监测报警仪22，处理后的水进入蓄水箱21，一部分可经排水管道27排放补充地下水或另做它用，一部分回流至超声波联合光-Fenton氧化反应塔17，用于调控水温。
6）对于每个处理回合中，水质监测报警仪22负责监测处理水水质。如出现水质不达标这一小概率事件的情况，可通过手动操作离心泵20、回流管道阀门12，启用回第二回流管道29这一回流路径重新注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔17做再一次地氧化降解修复处理。
7）通过排泥管道5定期对超声波联合光-Fenton氧化反应塔17中产生的固相废物做清除处理，主要是对铁泥进行清除。
8）运行半小时，测定水质，并给出分析对比。
Claims (2)
1.一种超声波联合光-Fenton氧化修复有机污染地下水的系统，该系统以超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)为主体，其特征在于，
所述超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)的上端设置两个入口分别与进水管道(1)和回流管道(11)连接，顶部设置气体出口与集气管道(14)连接，侧壁下端设置两个入口和一个出口，底部设置出口与排泥管道(5)连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)内的中央位置从顶端开始吊装桨板式搅拌机(16)，在搅拌机(16)的叶片上方设置超声波发生器(4)，在超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)的中部侧壁上设置pH-t监测仪(10)，在超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)上部两个入口的上方位置设置紫外光灯(13)；超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)的内壁做防腐蚀处理；
所述超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)的内壁均匀涂有TiO2催化剂涂层(3)；
在有机污染区域挖设若干个抽吸井和注射井；抽吸井内设置管道通过第一离心泵(26)和进水管道(1)与超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)上端的一个入口连接，酸碱槽(24)和Fenton试剂箱(25)也分别通过管道和蠕动泵与超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)侧壁下端的两个入口连接；集气管道(14)与气体回收净化处理装置(18)连接；超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)侧壁下端的出口通过排水管道(27)与蓄水箱(21)连接，并在排水管道(27)上设置压力计(7)和智能控制阀门(30)，蓄水箱(21)中设置水质监测报警仪(22)；蓄水箱(21)通过回流管道及第二离心泵(20)与超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)上端的另一入口连接；
所述回流管道(11)上设置冷凝器(19)；
所述pH-t监测仪(10)分别与第二离心泵(20)、各蠕动泵连接，以实现智能控制。
2.一种基于权利要求1所述系统修复有机污染地下水的方法，其特征在于，所述修复过程为间歇式，即以超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)的最大处理量为一体积单位，每次只处理一个体积单位的有机污染地下水；具体按以下步骤进行：
(A)通过检测确定地下水受有机物污染的集中区域，挖掘抽吸井和注射井，布置好设备装置，启动第一离心泵(26)将受污染的地下水从抽吸井内抽出，注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)，并且以压力计(7)来调节第一离心泵(26)的间歇式工作；
(B)开启pH-t监测仪(10)，各蠕动泵开始工作，Fenton试剂箱(25)中的Fenton试剂和酸碱槽(24)中的pH调节液不断注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)，与抽吸上来的地下水充分混合；当反应温度高于设定值上限时，由pH-t监测仪(10)调节第二离心泵(20)回流冷却水来降低反应温度；所述步骤(B)中的Fenton试剂为FeSO4和H2O2的混合溶液,pH调节液为质量浓度为9.5％的稀HCl溶液；反应温度设定为24℃～30℃，反应pH参数设定为2～4，pH-t监测仪(10)监测pH值并自动调节第二蠕动泵(9)进而向超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)中注入稀HCl溶液以维持pH参数在合理范围内；
(C)开启紫外光灯(13)和超声波发生器(4)，进行氧化降解地下水中有机污染物反应，修复受污染的地下水；所述步骤(C)中的紫外光灯采用广谱UV灯，波长200～280nm，数目多个；超声波波源的频率为28KHz，功率为1000W；
(D)启动气体回收净化处理装置(18)；
(E)处理后的水进入蓄水箱(21)，一部分回注补充地下水或做他用，一部分经默认回流路径进入超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)，用于调控水温；
(F)通过水质监测报警仪(22)监测蓄水箱(21)中的水质，如水质不达标，通过第二离心泵(20)将蓄水箱(21)中的水重新注入超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)，做再一次的氧化降解修复处理；
(G)通过排泥管道(5)定期对超声波联合光-Fenton氧化反应塔(17)中产生的固相废物做清除处理；
所述步骤(D)中的气体回收净化处理装置(18)除具有处理有毒有害废气外还具有处理水蒸气的功能。
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