CN104230067A - 含有机污染物废水的处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有机污染物废水的处理装置，所述装置包括储液槽、循环流动泵、前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池；所述前吸附池和后吸附池内均置吸附材料；所述光电化学池内设有阴极和阳极，在阴极和阳极之间的正上方设置有第一光源；所述光催化池内置负载光催化剂的多孔材料，其正上方设有第二光源；所述储液槽、循环流动泵、前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池通过管路依次连接。该废水处理装置，可以实现实验室含有机污染物废水的无害化处理，通过加入电解质，结合粗过滤、高级氧化、光催化以及细过滤处理，借助能量的有效转换，以低能耗最终实现高浓度废水的净化处理。

Description

含有机污染物废水的处理装置及方法

技术领域

本发明涉及废水处理领域，尤其涉及实验室产生的废水处理装置及方法。

背景技术

全国有数家高校和科研院所，在教学和科研过程中会产生许多废液。废液存在较分散、数量少、毒性大，难集中处理的特点，经常未经处理直接排入下水道，对环境和人体健康造成严重危害。因此设计制造实验室高危废水处理装置，对实验室分散废液进行及时快速的处理势在必行。常规实验室有机废水常规处理技术主要包括生物法和物化法。对有机物浓度高、毒性强、水质水量不稳定的实验室废水,生物法处理效果不佳,而物化主要包括实验药品回收、对实验室废弃物进行分类处理及回收循环再利用,虽然对降低有机物浓度有一定效果，但操作复杂。电化学氧化降解有机物操作简单，但需加电压较高，产生羟基自由基同时也发生产氧的副反应，电化学效率较低，能耗大。

高级化学氧化技术对于去除的各种有毒和难降解的有机和无机污染物比较有效，甚至达到完全矿化的程度。将高级氧化技术应用于实验室废水处理，利用产生的自由基对有机物进行氧化分解，反应物选择性，能实现废水的净化处理。根据专利文件冯传平CN101863548A公开说明书，将电化学组件与光催化组件设置于同一反应器内，协同去除水中的有机物。实验中主要依靠水产生羟基自由基实现有机物的矿化，主要用于降解总有机碳含量为5～35mg/L的微污染水体，而对于处理高浓度废水效果不佳。

根据专利范维林CN102010092A公开说明书的目的是提供一种实验室废水处理方式，采用粗过滤层和细过滤层两次过滤后，再经过紫外杀菌消毒和中和剂中和平衡后达到安全排放。但不足之处是吸附层存在饱和吸附，需要针对不同组分投放不同的消毒剂、解毒剂、清洁剂等，实际操作时繁琐，添加的各种试剂可能造成二次污染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含有机污染物废水的处理装置，实现实验室有毒废水的无害化处理，通过加入电解质，结合粗过滤、类Fenton高级氧化技术、光催化以及细过滤处理，借助能量的有效转换，以低能耗最终实现高浓度废水的净化处理。

本发明采用的技术方案是提供一种废水处理装置，所述装置包括储液槽、循环流动泵、前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池；所述前吸附池和后吸附池内均置吸附材料；所述光电化学池内设有阴极和阳极，在阴极和阳极之间的正上方设置有第一光源；所述光催化池内置负载光催化剂的多孔材料，其正上方设有第二光源；所述储液槽、循环流动泵、前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池通过管路依次连接。

优选地，所述前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池均设有进水口和出水口；所述前吸附池的进水口与循环流动泵连接，所述前吸附池的出水口与光电化学池的进水口连接，所述光电化学池的出水口与光催化池的进水口连接，所述光催化池的出水口与后吸附池的进水口连接，所述后吸附池的出水口与储液槽连接，储液槽与循环流动泵连接。

优选地，所述前吸附池的内置吸附材料选自多孔陶瓷、活性碳纤维、石英砂滤料或卵石滤料。其中石英砂滤料是采用天然石英矿为原料，经破碎，水洗精筛等加工而成，目前是水处理行业中使用最广泛、量最大的净水材料。卵石滤料是指水处理应用中，起过滤作用的小鹅卵石（又叫砾石）。

优选地，所述后吸附池的内置吸附材料选自活性炭、泡沫滤珠或纤维球。

优选地，所述光电化学池的阳极选自硼掺杂的金刚石电极(BDD)、二氧化铅（PbO₂）或二氧化铱（IrO₂），所述阴极选自硼掺杂的金刚石电极(BDD)、铂电极（Pt）、钛板或不锈钢，所述阳极和阴极之间的距离为1.5-3cm。

优选地，所述负载光催化剂的多孔材料选自分子筛、玻璃微珠或泡沫金属网，所述泡沫金属网选自镍网、铜网、铝网或铁网，所述光催化剂为TiO₂。

优选地，述负载光催化剂的多孔材料浸泡于TiO₂溶胶中超声半小时，去除溶胶，将浸有溶胶的多孔材料在100℃烘箱中烘干，再放入马弗炉中200℃煅烧2小时，得到负载了TiO₂的多孔材料。

优选地，所述光源为紫外光源，所述紫外光源的波长为254nm或365nm。

本发明的废水处理装置外部连接供电池，所述供电池主要是给电极、光源、及循环流动泵供电。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供废水处理方法，该方法包括如下步骤：1）将待处理废水与电解质溶液混合；2）混合液倒入储液罐中，由流动循环泵作用，依次流经前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池。

优选地，步骤1）中所述电解质溶液为含有硫酸根离子的溶液，所述硫酸根离子的浓度为0.1-0.3mol/l。

本发明中所述含有机污染物的废水在整个的装置内发生氧化反应的时间及循环次数是根据处理水量不同、有机污染物浓度不同、降解物的不同而定的。在处理污染物之前先向整个装置内通入电解质循环流动十几分钟，使处理装置内活性氧化物及自由基产生达到平衡，处理样品量较多（>300ml）时，根据待处理废水的体积不同加入相应的电解质溶液，将含有电解质的待处理样品流过废水处理装置，循环多次反复降解。处理样品量较少（5ml-200ml）时，可以将待处理废液加入电解质溶液中，反应装置循环流动数分钟。处理完样品后加入不含有机污染物的电解质溶液，并循环流动十几分钟，对吸附池进行净化。

本装置对高毒性有机污染物采用四级处理池，前吸附池主要对废水进行粗过滤处理，去除废水中颗粒状杂质，并保护下一级电极免受损伤。第二级光电化学池是本装置的核心部件，利用电与光协同作用将电解质转化成强氧化剂，再进一步分解成自由基，利用自由基有效氧化降解水中污染物，反应后自由基还原成电解质，实现电解质的循环利用。光催化池在紫外光的照射下利用光催化剂TiO₂产生光生电子和空穴，捕获由光电化学池部分产生并流至此单元的O₂产生氧自由基和羟基自由基，与由光电化学池部分产生并流至此单元的强氧化剂作用进一步产生自由基，氧化分解有机物，自由基的产生及消耗流程图如图10所示。光电化学池作为自由基泵，光催化池作为辅助的自由基产生池，整个废水处理装置作为化学焚烧池，在均相体系中实现有机物的矿化。此装置中的电解质可以循环使用，无需额外加入其它化学试剂，整个体系不断地产生自由基氧化分解有机物，吸附池可通过强氧化剂对吸附污染氧化降解，无需对吸附池单独净化处理，只需处理废水前和处理废水后循环流动电解质溶液十几分钟，实现废水处理装置的预热和净化。

本发明的效果是：

（1）运用光催化与电化学的协同降解效应，电化学氧化实现电能向化学能的转换，光催化作用实现化学能间的相互转换。反应过程中电解质溶液被氧化产生强氧化剂，紫外光的照射将强氧化剂分解产生自由基。克服了反应只在电极表面发生的缺点，实现了反应在均相溶液中进行，有利于有机物矿化。

（2）光电化学池与光催化联用，可以进一步利用光电化学池中产生的强氧化剂和水在阳极表面发生副反应产生的氧气，强氧化剂进一步分解产生自由基。氧气作为光生电子捕获剂，提高光催化部分光生电子和空穴的分离效率，提高光催化部分降解效率。

（3）光电化学池连续不断的产生强氧化剂，对吸附池在线净化处理，吸附效果一直保持较好。

附图说明

图1本发明废水处理装置主视图；

图2本发明废水处理装置处理单元截面图；

图3本发明实施例1不同电压及光强下活性氧化物含量；

图4本发明实施例1不同电压及光强下Orange II含量变化；

图5本发明实施例1不同极间距下活性氧化物含量；

图6本发明实施例1不同极间距下Orange II含量变化；

图7本发明实施例1光催化、电化学及光电协同条件下Orange II含量变化；

图8本发明实施例4苯酚在光电化学池内降解效果图；

图9光电化学池及光催化反应池内自由基变化流程图。

图中：1是储液槽,2是恒压电源,3是循环流动泵,4是前吸附池,5是光电化学池,6是光催化池,7是后吸附池,8是阴极,9是阳极,12是第一光源,13是第二光源，41、51、61和71是进水口，42、52、62和72是出水口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

实施例1

如图所示，本发明的废水处理装置包括储液槽1、循环流动泵3、前吸附池4、光电化学池5、光催化池6和后吸附池7；所述前吸附池4和后吸附池7内均置吸附材料；所述光电化学池5内设有阴极8和阳极9，在阴阳极之间的正上方设置有第一光源12；所述光催化池6内置负载光催化剂的多孔材料，其正上方设有第二光源13；所述储液槽1、循环流动泵3、前吸附池4、光电化学池5、光催化池6和后吸附池7通过管路依次连接。

所述前吸附池4设有进水口41和出水口42，光电化学池5设有进水口51和出水口52，光催化池6设有进水口61和出水口62，后吸附池7设有进水口71和出水口72；所述前吸附池4的进水口41与循环流动泵连接，所述前吸附池4的出水口42与光电化学池5的进水口51连接，所述光电化学池5的出水口52与光催化池6的进水口61连接，所述光催化池6的出水口62与后吸附池7的进水口71连接，所述后吸附池7的出水口72与储液槽1连接，储液槽1与循环流动泵3连接。所述连接管道是内径5mm的硅胶管。

废水处理装置外部连接恒压电源2，所述恒压电源2主要是给电极8和9、光源12和13、及循环流动泵3供电，置于废水处理装置的上部分同时防水。

应用本发明的装置进行废水处理的方法：

选择优化参数：通过基础实验对光电化学池内部参数进行优化，设计光电化学池，使产生的活性物质的量达到最大，优化参数主要包括优化电压、光强、极间距。

实施例2

实验中以0.2M Na₂SO₄作为电解质，Ag/AgCl为参比电极，恒电位仪提供恒电压，BDD和Pt分别作为阴阳极，电极面积5cm₂，固定极间距2.5cm，测定一定电压和光强下加入硫酸钠电解质反应40min时产生的Na₂S₂O₈活性物质的量，如图4。再在同样条件下测定对Orange II的降解效果，如图5。选定效果最好的条件电压4V和在最大光强的40%，改变极间距，测定硫酸钠电解质产生的Na₂S₂O₈活性物质的量，如图6，同样条件下测定对OrangeII的降解效果，如图7，得出最佳极间距2.5cm。实验中Na₂S₂O₈及OrangeII的量用反相高效液相色谱测定，上图均采用峰面积作图。选定最优电压、光强、极间距，对比光催化、电化学及光电协同降解效果，如图8。实验得出光电协同有利于污染物的降解，光可以到达的有效范围内，活性氧化物的量越多对污染物的降解效果越好。

实施例3

在前吸附池4内装入多孔陶瓷，光电化学池5内装入BDD阴阳极电极片及2根254nm紫外灯，光催化池6内填充负载TiO₂的分子筛及2根254nm紫外灯，后吸附池7内装有颗粒状活性炭，填满反应池。

利用所述装置，对含50ppm的Orange II染料废水1L进行降解处理。支持电解质为0.2mol/L Na₂SO₄溶液，恒电压12V条件下，先通入电解质溶液15min进行预热处理，再通入含0.2mol/L Na₂SO₄电解质溶液的50ppmOrange II染料废水，循环流动一次脱色率可达到92.3%，两次脱色率可以达到100%。

实施例4

利用实施例3所述装置，对苯酚浓度为400mg/L的废水1L进行降解处理。支持电解质为0.2mol/L Na₂SO₄溶液，恒电压12V条件下，先通入电解质溶液15min进行预热处理，再通入含0.2mol/L Na₂SO₄电解质溶液的400mg/L苯酚废水，降解效果随循环流动次数如图9所示。经过十次降解之后浓度降到0.0519mg/L。

Claims (10)

1.一种含有机污染物废水的处理装置，其特征在于：所述装置包括储液槽(1)、循环流动泵(3)、前吸附池(4)、光电化学池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7)；所述前吸附池(4)和后吸附池(7)内均置吸附材料；所述光电化学池(5)内设有阴极(8)和阳极(9)，在阴极(8)和阳极(9)之间的正上方设置有第一光源(12)；所述光催化池(6)内置负载光催化剂的多孔材料，其正上方设有第二光源(13)；所述储液槽(1)、循环流动泵(3)、前吸附池(4)、光电化学池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7)通过管路依次连接。

2.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述前吸附池(4)、光电化学池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7)均设有进水口和出水口；所述前吸附池(4)的进水口(41)与循环流动泵(3)连接，所述前吸附池(4)的出水口(42)与光电化学池(5)的进水口(51)连接，所述光电化学池(5)的出水口(52)与光催化池(6)的进水口(61)连接，所述光催化池(6)的出水口(62)与后吸附池(7)的进水口(71)连接，所述后吸附池(7)的出水口(72)与储液槽(1)连接，储液槽(1)与循环流动泵(3)连接。

3.根据权利要求2所述的处理装置，其特征在于：所述前吸附池的内置吸附材料选自多孔陶瓷、活性碳纤维、石英砂滤料或卵石滤料。

4.根据权利要求2所述的处理装置，其特征在于：所述后吸附池的内置吸附材料选自活性炭、泡沫滤珠或纤维球。

5.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述光电化学池的阳极选自硼掺杂的金刚石电极(BDD)、二氧化铅（PbO₂）或二氧化铱（IrO₂），所述阴极选自硼掺杂的金刚石电极(BDD)、铂电极（Pt）、钛板或不锈钢，所述阳极和阴极之间的距离为1.5-3cm。

6.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述负载光催化剂的多孔材料选自分子筛、玻璃微珠或泡沫金属网，所述泡沫金属网选自镍网、铜网、铝网或铁网，所述光催化剂为TiO₂。

7.根据权利要求6所述的处理装置，其特征在于：将分子筛、玻璃微珠或泡沫金属网浸泡于TiO₂溶胶中超声≥半小时，去除溶胶，将浸有溶胶的分子筛、玻璃微珠或泡沫金属网在100℃烘箱中烘干，再放入马弗炉中200℃煅烧2小时，得到负载了TiO₂的多孔材料。

8.根据权利要求1-7任一项所述的处理装置，其特征在于：所述第一光源和第二光源均为紫外光源，所述紫外光源的波长为254nm或365nm。

9.使用权利要求1-8所述装置处理含有机污染物废水的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将待处理废水与电解质溶液混合；

2）混合液倒入储液罐中，由流动循环泵作用，依次流经前吸附池、光电化学池、光催化池和后吸附池。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤1）中所述电解质溶液为含有硫酸根离子的溶液，所述硫酸根离子或氯离子的浓度为0.1-0.3mol/l。